BAB III METODOLOGI DAN PENGOLAHAN DATA
3.1
Data
Data yang akan digunakan dalam pengerjaan tugas akhir ini, antara lain data pemakaian batubara, data kandungan sulfur dalam batubara, arah dan kecepatan angin, gradien temperatur, dan data hasil pengukuran di lapangan. 3.1.1 Data Penggunaan dan Kandungan Sulfur dalam Batubara PLTU ini berkapasitas 2 x 30 MW dan menkonsumsi 720 ton batubara per hari atau 30 ton/jam. Batubara ini mempunyai kandungan Sulfur sebanyak 0.69 % dan kandungan abu sebesar 8.1 %. 3.1.2 Data Fisik Cerobong Cerobong yang terdapat pada PLTU ini mempunyai ketinggian 120 m dan diameter bawah 7 m dan diameter atas 2.5 m, dengan kecepatan aliran gas buangnya adalah 22.5 m/s, dengan temperatur gas sebesar 50 OC (tabel L1.1). 3.1.3 Data Klimatologi Data klimatologi yang digunakan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini adalah data klimatologi berupa data arah dan kecepatan angin, serta data temperatur pada tanggal 31 Oktober 2003 (tabel L1.4) 3.1.4 Data Verifikasi Data sampling konsentrasi SO2 (μg/m3) yang digunakan untuk verifikasi hasil simulasi. Data ini didapat dari hasil monitoring lapangan pada tanggal 31 oktober
III - 1
dengan lokasi pengukuran yaitu pada posisi UTM 48M 0767918 9275150 atau 1300 m arah timur dari lokasi PLTU (tabel L1.4). 3.2
Perhitungan Kadar Emisi
Perhitungan besarnya emisi SO2 dilakukan dengan metoda Rapid Survey (Soenarmo, 1999) sehingga akan didapat kadar emisi (Q) dalam (µg/s). Data yang digunakan merupakan data konsumsi rata-rata bulanan dab besarnya kandungan sulfur dalam bahan bakar tersebut. Q = konsumsi _ batubara * faktor _ emisi * (1 − koef .kolektor ) / 100
Q = 30 ton/jam * 13.11 kg/ton *0.3 % = 1.1799 kg/jam = 327.75 mg/s dengan perhitungan faktor emisi sebagai berikut : faktor emisi
= faktor pengali * kadar sulfur = 19 * 0.69 = 13.11 kg/ton
Setelah dilakukan perhitungan didapat bahwa nilai Q = 327.75 mg/s hasil perhitungan ini kemudian digunakan sebagai inputan untuk model difusi Gauss Ganda dan model Fluent 3.3
Langkah Pengerjaan dengan Model Fluent
Pada
Fluent
langkah
yang
harus
dilakukan
untuk
mendapatkan
atau
mensimulasikan suatu case adalah sebagai berikut : 3.3.1 Membuat Geometri atau Grid Model Pembuatan geometri ruang dari model yang akan digunakan pada penelitian ini menggunakan software Gambit yang merupakan salah satu software pendukung dari Fluent. Geometri yang digunakan untuk melakukan pemodelan dispersi SO2 berbentuk balok dengan dimensi (1775 m, 500 m, 500 m).
III - 2
Gambar 3.1 Geometri simulasi sebagai inputan untuk model Fluent Dalam Gambit geometri tersebut perlu diberikan mesh (grid-grid model) serta ditentukan jenis dari boundary-nya (penggantian jenis boundary dapat dilakukan dalam Fluent). Selanjutnya geometri tersebut diekspor dengan keluaran *.msh agar dapat digunakan sebagai grid model dalam Fluent. 3.3.2 Kondisi Batas Mesh geometri yang telah dibuat dalam Gambit selanjutnya dimasukkan sebagai grid dasar model. Dalam Fluent perlu ditentukan kondisi dari tiap-tiap boundary, pada penelitian ini adalah : -
Daerah Angin Inlet dengan jenis kondisi batas sebagai Velocity Inlet, merupakan daerah inputan untuk data profil angin dan temperatur.
-
Daerah Cerobong dengan jenis kondisi batas Mass Flow Inlet merupakan daerah inputan untuk atau tempat keluarnya emisi SO2.
-
Daerah Dinding atas dan udara dengan jenis kondisi batas sebagai Outflow merupakan daerah keluaran aliran.
III - 3
-
Daerah Tanah dengan jenis kondisi batas sebagai Wall yaitu daerah batas dalam model dengan karakteristik solid (padat).
-
Daerah Outlet dengan jenis kondisi batas sebagai Outflow yaitu daerah batas tempat keluarnya aliran dalam model.
Untuk menentukan masukan dari tiap kelas stabilitas, harus memasukkan inputan profil angin dan temperatur ke dalam model secara manual yang dimasukkan ke dalam boundary Angin Inlet. 3.3.3 Kondisi Operasional Model Pada Fluent yang perlu ditentukan lagi adalah kondisi dari operasi model dispersi SO2 ini.
Gambar 3.2 Kondisi operasional simulasi dispersi SO2yang digunakan dalam model Fluent 3.3.4 Penetapan Model Fisika Model Fluent menyediakan beberapa persamaan fisika yang terkait dengan aliran fluida. Penetapan persamaan yang akan digunakan dalam Fluent ditentukan berdasarkan pemecahan yang terlibat dalam case tersebut. Dalam penelitian ini,
III - 4
persamaan utama yang digunakan adalah persamaan turbulensi, chemical species tranport dan transpor panas. 3.3.5 Material (Senyawa Kimia) Pada Fluent perlu juga ditentukkan inputan berupa data-data thermophysical (keterangan unsur atau senyawa) yang dimasukkan ke dalam model. Dalam penelitian ini senyawa yang dijadikan masukan adalah senyawa SO2.
Gambar 3.3 Keterangan thermophysical dari senyawa SO2 dalam model Fluent 3.3.6 Proses Iterasi (running model) Setelah semua inputan dan syarat batas dari model telah ditentukan, selanjutnya dilakukan processing dari model ini. Pada tahap ini, inisialisasi dari model sangat perlu dilakukan. Inisialisasi ini menentukkan titik awal dari perhitungan model. Pada inisialisasi peneliti menentukan perhitungan model dimulai dari fas angin_inlet (penentuan titik perhitungan juga dapat dilakukan dari cerobong)
III - 5
Gambar 3.4 Inisialisasi solusi model Fluent untuk simulasi dispersi SO2 Selanjutnya merupakan proses iterasi model. Proses iterasi pada Fluent merupakan proses perhitungan model hingga dicapai suatu nilai yang sesuai. Untuk mencapai nilai tersebut tidak bisa ditentukkan berapa banyak proses iterasi yang harus dilakukan karena bergantung pada kompleksitas model. Pada penelitian ini peneliti membatasi proses iterasi yang dilakukan untuk setiap kelas stabilitas adalah 50 kali. 3.3.7 Output Tahap terakhir adalah pengolahan hasil dari simulasi dengan menggunakkan Fluent. Pada Fluent diberikan banyak pilihan untuk melakukkan postprocessing, dengan menggunakan contour, vector, path line, grafik, histogram dan beberapa proses lainnya. Dalam tugas akhir ini, postprocessing yang digunakan adalah visualisasi dengan menggunakan tampilan tiga dimensi dan dua dimensi. Tampilan dengan menggunakan tiga dimensi untuk memperlihatkan pola sebaran ke arah x, y dan z. Sedangkan tampilan dua dimensi untuk melihat pola sebaran ke arah vertikal atau horisontal. 3.4
Langkah Pengerjaan dengan Model Difusi Gauss Ganda
Pengolahan data pada perhitungan konsentrasi dengan model difusi Gauss Ganda memerlukan inputan sebagai berikut : − Kadar Emisi − Tinggi Cerobong Efektif
III - 6
− Kelas Stabilitas − Koefisien Difusi 3.4.1 Perhitungan Tinggi Cerobong Efektif Untuk dapat melakukan perhitungan ketinggian cerobong eferktif diperlukan kondisi stabilitas dan kecepatan angin pada ketinggian cerobong. Pada tanggal 31 Oktober 2003 kecepatan angin rata-rata permukaannya adalah 1.08 m/s, dan berikut perhitungannya : Perhitungan kecepatan angin pada ketinggian cerobong: p
v ⎛h⎞ = ⎜ ⎟ , p = 0.20 u ⎝z⎠ ⎛ 120 ⎞ v=⎜ ⎟ ⎝ 10 ⎠
nilai p untuk kelas stabilitas C adalah 0.20
0.20
.1,08 = 1.78 m/s
Perhitungan temperatur pada ketinggian cerobong dengan diketahui temperatur gas (Ts) adalah 50 OC dan temperatur permukaan (T) adalah 33 OC.
TS = (33 + 120(− 0.016)) + 273 = 304.08 OK Perhitungan koreksi ketinggian cerobong karena stack downwash dengan diketahui kecepatan keluaran gas (vs)adalah 22,5 m/s. vs ≥ 1.5 u ,maka :
h' = h = 120 m, artinya tidak ada pengaruh stack downwash pada cerobong. Perhitungan bouyancy rise: F = gv s d 2
(Ts − T ) = 2.45v d 2 (Ts − T ) 4Ts
s
Ts
III - 7
F = 2.45( 22.5)(2.5) 2
(323 − 304.08) = 20.18 323
Untuk kondisi kestabilan C (tidak stabil ringan), maka perhitungan ketinggian cerobong efektif adalah : momentum rise : Δh =
3dv s 3(2.5)(22.5) = = 95.06 u 1.78
Bouyancy rise, dengan diketahui F < 55, maka :
21.425F Δh = u
3
4
=
21.425(20.18) 1.78
3
4
= 114.60 m
Jadi nilai ∆h yang digunakan alalah dari hasil perhitungan dengan momentum rise, karena nilai perbandingan antara vs/u > 4. Sehingga tinggi cerobong efektif pada kondisi stabilitas C adalah : H = h + ∆h =120 + 95.06 = 215.06 m
3.4.2 Perhitungan Koefisien Difusi Perhitungan koefisien difusi σy dan σz merupakan fungsi dari stabilitas atmosfer yang ditentukan berdasarkan konstanta Pasquill. Perhitungannya adalah sebagai berikut :
ο y = ax b
ο z = cx d + f
dan
Dengan nilai konstanta pada stabilitas C adalah a = 104,b = 0.894, dan untuk c = 61, d =0.911, f = 0 (jika kurang dari 1 km) dan c = 61, d = 0.911, f = 0 (jika lebih dari 1 km) seperti pada tabel 2.5.
III - 8
3.4.3 Hasil Simulasi dengan Model Difusi Gauss Ganda Perhitungan di atas dilakukan dengan menggunakan MATLAB seri 7.0. Hasil dari perhitungan dispersi konsentrasi SO 2 tersebut kemudian di plot dalam koordinat x, y dan z.
III - 9
3.5 Diagram Alir Pengolahan Data
MODEL DIFUSI GAUSS GANDA
Arah dan Kecepatan Angin
Visualisasi konsentrasi dalam 3 Dimensi
Skenario Stabilitas Temperatur Lingkungan
- Data emisi Gas SO2 - Temperatur Gas SO2
Data fisik Cerobong
Analisis dan Pembahasan
Geometri Model (Gambit v2.2)
MODEL FLUENT - Transfor massa - Momentum
Konsentrasi Hasil Sampling
Gambar 3.7 Diagram Alir Pengolahan Data Tugas Akhir
III - 10
Verifikasi (kelas stabilitas C)
3.6
Metoda Verifikasi Hasil Model
Hasil dari keluaran kedua model akan diverifikasi dengan melakukan perbandingan terhadap hasil sampling lapangan. Galat nilai konsentrasi hasil model dengan sampling dihitung berdasarkan rumusan sebagai berikut :
⎛ Clap − C mdl galat = ⎜ ⎜ Clap ⎝
⎞ ⎟⎟ .x.100% ⎠
(3.1)
Dimana C merupakan nilai konsentrasi hasil dari pemodelan dan pengukuran di lapangan.
III - 11
