PERANCANGAN SISTEM TURBINE INLET COOLING UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DENGAN MENGGUNAKAN REFRIGERASI ABSORPSI
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
AHMAD ADITYA NIM. 1104211009
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Energi listrik sangat berperan penting dalam kemajuan suatu daerah, oleh karena itu ketersediaan energi listrik harus menjadi prioritas. Ketersediaan listrik dapat dicapai dengan dua cara yaitu penambahan pembangkit baru dan meningkatkan efisiensi pembangkit yang ada. Pada tugas skripsi ini, penulis merancang sebuah sistem pendinginan udara masuk compressor atau TIC (turbine inlet cooling) pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi dari mesin tersebut. Sistem pendinginan yang digunakan adalah refrigerasi absorpsi, dimana energi yang dipakai untuk menggerakan mesin absorpsi adalah limbah energi panas dari turbin gas. Studi data perancangan sistem ini menggunakan data mesin General Electric Frame 9 di PT PLN (Persero) Sektor Belawan. Perancangan pendinginan refrigerasi absorpsi pada udara masuk kompressor ini dapat meningkatkan daya mampu ± 13% (±17MW), penurunan heat rate ± 3%, penghematan konsumsi bahan bakar sebesar 0,0086 liter/ kwh, penurunan emisi gas buang CO2 2200 kg/jam dan keuntungan lainnya disisi mechanical turbine gas.
Keyword : turbine gas, absorpsi, efisiensi, heat rate, emisi gas buang
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Electrical energy plays an important role in the progress of a region, therefore the availability of electrical energy should be a priority. The availability of electricity can be achieved in two ways: the addition of new plants and improve the efficiency of existing plants. In this paper the task, the authors designed a compressor inlet air cooling system or TIC (turbine inlet cooling) on Gas Power Plant with a view to improving the efficiency of the engine. Cooling system used is absorption refrigeration, where the energy is used to drive an absorption machine is waste heat energy from the gas turbine. The study design of the data the system uses the data engine General Electric Frame 9 to PT PLN (Persero) Sector Belawan. The design of absorption refrigeration cooling the intake air compressor is capable of power can increase ± 13% (± 17MW), a decrease in heat rate of ± 3%, saving fuel consumption by 0.0086 liters / kWh, a decrease in CO2 emissions of 2200 kg / h and profits other gas turbine mechanical side.
Keyword : turbine gas, absorpsi, efficiency, heat rate, exhaust emision
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kepada Illahi rab’bi, Alloh SWT Tuhan Semesta Alam, penjaga langit dan bumi serta seluruh isinya yang telah memberikan rahmat serta karunia-Nya yang sangat tidak terhitung sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas skripsi ini dengan tepat waktu. Didalam tugas skripsi dengan judul “Perancangan Turbine Inlet Cooling Untuk Meningkatkan Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Gas Dengan Menggunakan Refrigerasi Absorpsi” ini penulis sadar bahwa dari awal sampai akhir penyusunan banyak sekali mendapatkan bantuan moril maupun materil yang sangat membantu dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1.
Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT selaku pembimbing skripsi, terima kasih pak atas inspirasi, ilmu, waktu, motivasi dan perhatian yang telah diberikan sampai terselesaikanya tugas skripsi ini. In shaa Alloh menjadi bekal yang bermanfaat untuk memasuki dunia yang sebenarnya.
2.
Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departement Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara dan selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya.
3.
Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya.
4.
Seluruh jajaran manajemen PT. PLN (Persero) Sektor Belawan, terutama Assistant Manajer Engineering Bapak Trisno Widayat, ST atas perhatian dan bantuannya selama ini.
5.
Seluruh staf dosen pengajar Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara atas ilmu yang sangat bermanfaat
iii
Universitas Sumatera Utara
6.
Ibundaku Aminah yang senyumannya selalu menjadi semangat bagi setiap perjuanganku, dan semoga cepat sembuh agar bisa melihat ananda wisuda
7.
Ayahandaku Abdul Rahim, berkat didikan dan inspirasi hidup, menjadikanku menjadi seorang laki-laki yang kuat dalam menjalani kehidupan dan tetap berpegang teguh kepada Agama.
8.
Ketiga kakaku Dewi Indrayanti, Julianto Ramdani dan Samsul Bahri yang selalu ada untuk menjadi sandaran, ketika adikmu lelah dan letih dalam menghadapi setiap permasalahan hidup.
9.
Angreiny Widya Sari Lubis wanita yang selalu memberikan motivasi, semangat, untuk menyelesaikan laporan skripsi ini.
10. Staf administrasi Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara, terutama Bang Lilik dan Bang Syawal atas semua bantuan di masa perkuliahan. 11. Teman – teman di PT PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera bagian Utara Sektor Belawan, terima kasih untuk bantuan ilmu dan informasinya. 12. Teman – teman mahasiswa Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara. 13. Semua pihak yang telah membantu dalam tugas skripsi dan penyusunan laporan ini. Semoga laporan Tugas Skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca, aamiin
Medan, Juni 2014 Penulis
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK.....................................................................................................................
i
ABSTRACT...................................................................................................................
ii
KATA PENGANTAR...................................................................................................
iii
DAFTAR ISI..................................................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR..................................................................................................... viii DAFTAR TABEL..........................................................................................................
xi
DAFTAR NOTASI...................................................................................
xii
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang………………………………………………………
1
1.2 Tujuan …………….………………………………………………...
4
1.3 Manfaat Perancangan………………………………………………
5
1.4 Batasan Masalah……………………….............................................
5
1.5 Sistematika Penulisan.........................................................................
6
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Tenaga Listrik………………………………….……………
7
2.1.1 Pusat Pembangkit Listrik……..................................................
7
2.1.2 Transmisi Tenaga Listrik.........................................................
8
2.1.3 Distribusi Listrik………………………...................................
9
2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)...........................................
9
2.2.1 Prinsip Kerja PLTG..................................................................
10
2.2.2 Komponen PLTG….................................................................
12
2.2.2.1 Generator...........................................................................
13
2.2.2.2 Air Inlet Section ................................................................
13
2.2.2.3 Compressor Section .........................................................
14
v
Universitas Sumatera Utara
BAB III
BAB IV
BAB V
2.2.2.4 Turbine...............................................................................
28
2.3 Refrigerasi……………………………..............................................
33
2.3.1 Sejarah Refrigerasi…………………….…...............................
33
2.3.2 Sistem Refrigerasi…................................................................
34
2.4 Refrigerasi Absorpsi..........................................................................
35
2.4.1 Prinsip Kerja Refrigerasi Absorpsi…...…...............................
35
2.4.2 Keuntungan Refrigerasi Absorpsi….....…...............................
37
2.5 Hubungan Temperatur Udara dengan Gas Turbin............................
38
2.5.1 Energi yang Terjadi Pada Gas Turbin …...…..........................
38
2.6 Siklus Termodinamika Pada Gas Turbin...........................................
40
2.7 Emisi Gas Buang...............................................................................
44
METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Metodologi Penelitian........................................................................
47
3.2 Waktu dan Tempat Penelitian.............................................................
47
3.3 Metode Pengumpulan Data…............................................................
48
3.4 Rencana Desain Penelitian………….................................................
49
PERANCANGAN SISTEM 4.1 Penjelasan Perancangan Sistem……………....................................
50
4.2 Perancangan Sistem.............................................................
51
4.2.1 Alat Penukar Kalor I (Cooling Heat Exchanger)......................
53
4.2.2 Alat Penukar Kalor II (Heating Heat Exchanger)....................
60
4.2.3 Absorption Chiller......................................................................
63
4.2.3.1 Analisa Mesin Chiller Absorpsi………………………..
65
ANALISIS KEUNTUNGAN 5.1 Biaya Investasi…………….………………...……………………
72
5.2 Keuntungan Penerapan Sistem………………...…………………
72
5.2.1 Kenaikan Daya Mampu……..….……………………………
73
5.2.2 Penurunan Nilai Heat Rate……………………………………..
76
vi
Universitas Sumatera Utara
BAB VI
5.2.3 Penurunan Nilai Emisi Gas Buang…………………………
79
5.2.4 Penurunan Temperatur Exhaust Turbine……………………….
80
5.2.5 Memperkecil Perubahan Daya Output……………………….
80
5.2.6 Memperkecil Nilai Kandungan Uap Air…………………….
81
PENUTUP 6.1 Kesimpulan…………………………………………………………
82
6.2 Saran……………………………………………………………...
83
DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………………
ix
LAMPIRAN…………………………………………………………………………..
x
vii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Data beban kelistrikan Sumatera bagian Utara……………….……
1
Gambar 1.2 Pembangkitlistrik Sumatera bagian Utara………………………....
3
Gambar 1.3 Spesifikasi Gas Turbin GE Frame 9…………………………..…....
4
Gambar 2.1 Sistem Kelistrikan……………………………………………….…
7
Gambar 2.2 Sistem PLTG…………………………………………………….....
9
Gambar 2.3 Komponen Listrik Tenaga Gas…………………………………….
11
Gambar 2.4 Siklus PLTG……………………………………………………….
11
Gambar 2.5 KomponenUtama Gas Turbin……………………………………..
12
Gambar 2.6 Turbin Gas Tipe V 94.2 Siemens………………………………….
13
Gambar 2.7 Generator………………………………………………………….
13
Gambar 2.8 Compressor Stationary Blade Assembly…………………………...
15
Gambar 2.9 Rotor Kompressor………………………………………………….
16
Gambar 2.10 Compressor Outlet Difusser………………………………………
17
Gambar 2.11 Compressor Rotor Blade………………………………………….
18
Gambar 2.12 Combined Journal Bearing……………………………………….
19
Gambar 2.13 Combustion Chamber………………...…………………………...
20
Gambar 2.14 Pressure Jacket…………………………………………………...
22
Gambar 2.15 Internal Parts……………………………………………………..
23
Gambar 2.16 Burner Assembly For Liquid And Gaseous Fuels………………...
25
Gambar 2.17 Air Mixing Adjustment……………………………………………
26
Gambar 2.18 Manhole With Inspecting Tube…………………………………...
27
Gambar 2.19 Turbine Rotor……………………………………………………..
28
Gambar 2.20 Tubin Stationary Blade Assembly………………………………...
29
Gambar 2.21 Turbine Rotor Blade………………………………………………
30
Gambar 2.22 Turbine Stator Blade……………………………………………...
31
Gambar 2.23 Exhaust Gas Diffuser……………………………………………..
32
Gambar 2.24 Proses Pemindahan Panas………………………………………...
34
Gambar 2.25 Siklus Refrigerasi Absorpsi………………………………………
36 viii
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.26 Proses Konversi Energi pada PLTG………………………….......
38
Gambar 2.27 Effect of Ambient Temperature On Gas Turbine Performance......
39
Gambar 2.28 Sistem Gas Turbin...........................................................................
40
Gambar 2.29 Skematik Diagram UntukTurbin Gas Sederhana..........................
40
Gambar 2.30 Diagram TS Turbin Gas Sederhana................................................
41
Gambar 3.1 PT PLN (Persero) Sektor Belawan...................................................
47
Gambar 3.2 Perencanaan desain...........................................................................
49
Gambar 4.1 Perencanaan desain...........................................................................
50
Gambar 4.2 RencanaPenempatanHeat Exchanger.............................................
51
Gambar 4.3 Perencanaan Desain Psikometrik......................................................
52
Gambar 4.4 Penempatan Heat Exchanger pada Air Intake..................................
52
Gambar 4.5 Heat Exchanger Cross-Flow............................................................
53
Gambar 4.6 PolaPerpindahanPanasHeat Exchanger I......................................
54
Gambar 4.7 Perencanaan Desain..........................................................................
55
Gambar 4.8 Correction Factor Chart...................................................................
56
Gambar 4.9 Design Heat Exchanger For Cooling...............................................
57
Gambar 4.10 Design Heat Exchanger For Cooling.............................................
58
Gambar 4.11 Dimensi Air Intake PLTG Lot 3.....................................................
58
Gambar 4.12 Arrangement of the tubes in in-lineand staggered tube banks.......
59
Gambar 4.13 Rencana penempatan heat exchanger pada air intake....................
59
Gambar 4.14 Pola Perpindahan Panas Heat Exchanger II...................................
60
Gambar 4.15 Correction Factor Chart.................................................................
62
Gambar 4.16 Design Heat Exchanger For Heating.............................................
63
Gambar 4.17 Katalog Absorption Chiller LG Electronic.....................................
65
Gambar 4.18 Diagram Ph Ammonia.....................................................................
66
Gambar 4.19 Analisa Diagram PhAmmonia........................................................
66
Gambar 4.20 Siklus Absorpsi...............................................................................
67
Gambar 4.21 Generator.........................................................................................
68
Gambar 4.22 Correction Factor Chart.................................................................
70
Gambar 5.1 Data Spesifikasi PLTG Lot 3..........................................................
73
Gambar 5.2 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungan dan Output Turbin GE ix
Universitas Sumatera Utara
Frame 9.................................................................................................................
74
Gambar 5.3 Diagram Hubungan Daya Output dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor...............................................................................................
75
Gambar 5.4 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungan dan Heat Rate Turbin GE Frame 9.........................................................................................................
76
Gambar 5.5 Diagram Hubungan Heat Rate dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor...........................................................................................................
77
Gambar 5.6 Diagram Hubungan Konsumsi Bahan Bakar dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor...................................................................................
78
Gambar 5.7 Grafik Hubungan Emisi Gas Buang dengan Temperatur Lingkungan..........................................................................................................
79
Gambar 5.8 Diagram Hubungan Emisi Gas Buang CO2 dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor...................................................................................
80
x
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Data beban kelistrikan Sumbagut Juni 2013……………….……...........
2
Tabel 2 Perkiraan Rincian Biaya Investasi Penerapan Sistem …….....................
72
Tabel 3 Rincian Keuntungan Penerapan Sistem.…………………………..…....
73
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
BP
Beban Puncak
Megawatt
MW
Besaran Energi Listrik
Megawatt
V
Besaran Tegangan Listrik
Volt
ρ
Kerapatan Udara
Kg/m³
P
Tekanan Udara Statis
Hpa/Bar
R
Konstanta Gas
J/Kmol
rp
Rasio Kompresi
ɳc
Efisiensi Isentropic Kompressor
ηm
Efisiensi Mekanik Kompressor
ṁ
Laju Aliran Bahan Bakar
Kg/s
ṁ
Laju Aliran Udara
Kg/s
LHV
Low Heating Value
TIT
Turbine Inlet Temperature
Cpf
Panas Spesifik Bahan Bakar
Tf
Temperatur Bahan Bakar
f
Rasio Bahan Bakar
Wt
Kerja Turbin
Wc
Kerja Kompressor
SFC
Spesific Fuel Consumption
°C
°C
xii
Universitas Sumatera Utara
ɳth
Efisiensi Gas Turbin
Cp
Coefficient Spesific
Kj/Kg.°C
Q
Besaran Energi Panas
Watt
TR
Ton Refrigerasi
TR
A
Luas Penampang
Meter
U
Koefisien Panas
Watt/m²
L
Panjang
Meter
v
Kecepatan
m/s
LMTD
Log Mean Temperature Different
xiii
Universitas Sumatera Utara
