Studi Numerik Karakteristik Aliran dan Perpindahan Panas pada Heat Recovery Steam Generator PLTGU Block 3 di PT PJB Unit Pembangkitan Gresik dengan Variasi Sudut Bukaan diverter damper (45%,80% dan Fully Open) Galang Tatit Nusantara dan Wawan Aries Widodo Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected]
Abstrak- Salah satu alternatif untuk meningkatkan efisiensi dari pembangkit listrik tenaga gas adalah dengan menggunakan perangkat tambahan yang disebut dengan Heat Recovery Steam Generator (HRSG). Penggunaan HRSG ini diatur dengan sebuah mekanisme yang disebut dengan diverter damper. Diverter damper akan mengatur aliran dari gas buang PLTG. Apabila terjadi kegagalan pembakaran pada PLTG, partikel gas yang tidak terbakar dapat menempel pada bagian belakang diverter damper. Partikel ini dapat mengakibatkan overheat pada diverter damper apabila terjadi backflow bertemperatur tinggi. Backflow akan terjadi pada bukaan damper yang tidak sempurna. Oleh karena itu perlu dilakukan analisa aliran pada HRSG dengan variasi sudut bukaan diverter damper. Penelitian dilakukan secara numerik dengan software FLUENT 6.3.26. Pemodelan yang dilakukan pada penelitian ini adalah 3 dimensi, aliran steady, turbulence model realizable k-ε model, heat exchanger dimodelkan sebagai porous media dan menggunakan heat exchanger model dan mixture materials yang digunakan adalah udara. Variasi sudut bukaan damper yang digunakan adalah 45% (40,5o), 80%(72o) dan fully open (90o). Dari hasil analisa didapat bahwa distribusi temperatur akan mulai merata pada economizer HP. Selain itu, terjadi penurunan temperatur pada backflow yang terjadi di bagian outlet damper. Penurunan temperatur ini dapat mengurangi resiko terjadinya overheating pada damper. Error yang terjadi pada simulasi berkisar antara 02% hingga 27%. Perbedaan harga antara data desain dan simulasi diakibatkan karena kurang akuratnya proses simulasi dan simplifikasi dari heat exchanger. Kata kunci:HRSG, Diverter Damper, Porous Media I. PENDAHULUAN ebutuhan energi listrik di Indonesia mengalami peningkatan dari tahun ke tahun. Pada laporan tahunan PLN, tercatat bahwa terjadi peningkatan beban puncak PLN pada tahun 2010-2011 sebesar 7.01%. Oleh karena itu, dibutuhkan sebuah alternatif untuk meningkatkan produksi listrik. Salah satu alternatif ini adalah Heat Recovery Steam Generator (HRSG). HRSG merupakan perangkat yang memanfaatkan gas buang dari PLTG untuk memanaskan air. Di mana air yang dipanaskan akan menjadi uap air dan digunakan untuk memutar turbin. HRSG yang digunakan merupakan tipe vertikal yang terdiri atas komponen heat exchanger superheater, evaporator, economizer, dan preheater. Pengaturan dari gas buang ini dilakukan oleh komponen yang bernama diverter damper. Pada pengoperasiannya, fluida kerja yang mengalir ke HRSG akan melewati bukaan damper pada berbagai sudut. Hal
K
tersebut melatarbelakangi dibuatnya sebuah simulasi 3 dimensi secara numerik menggunakan software CFD karena pengamatan secara langsung tidak mungkin dilakukan. Heat recovery steam generator merupakan komponen yang berfungsi untuk meningkatkan efisiensi dari power plant dengan memanfaatkan gas buang (exhaust) dari gas turbine yang kemudian digunakan untuk memberi panas tambahan bagi air yang akan memasuki boiler. Sehingga, energi yang digunakan boiler untuk menguapkan air menjadi lebih kecil. Pada HRSG dapat dipasang beberapa komponen untuk memanfaatkan gas buang dari turbin gas seperti economizer, evaporator, maupun superheater. HRSG yang bekerja pada PT PJB Unit Pembangkitan Gresik merupakan tipe vertikal dengan mass flow rate flue gas 155.837 kg/s dan mass flow rate steam 64.32 kg/s pada bukaan damper fully open. Penelitian ini menganalisa secara numerik menggunakan pemodelan 3 dimensi mengenai karakteristik aliran melewati bukaan diverter damper 45% (40,5o), 80%(72o) dan fully open (90o) pada saat start up dalam studi numerik software FLUENT dan GAMBIT. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui fenomena backflow yang terjadi pada bagian belakang diverter damper pada bukaan yang tidak sempurna. Hasil yang didapat dari analisa numerik digunakan untuk mengetahui distribusi temperatur, kecepatan, dan juga perpindahan panas yang terjadi pada heat exchanger. Penelitian ini meninjau karakteristik aliran dan perpindahan panas dari hasil simulasi. Data yang digunakan untuk menganalisa karakteristik aliran adalah kecepatan aliran. Sedangkan untuk menganalisa perpindahan panas digunakan panas yang dilepas oleh flue gas (heat reject) dan panas yang diterima oleh steam (heat transfer). Selain itu, penelitian ini juga meninjau perpindahan panas heat exchanger secara keseluruhan untuk menghitug panas yang hilang dari jajaran heat exchanger. Untuk menghitung perbedaan temperatur dari heat exchanger digunakan persamaan ΔTlmtd (log mean temperatur difference) [1] seperti tertulis sebagai berikut: ( ) ( ) (
)
dimana: Ts=Temperatur permukaan heat exchanger Ti=Temperatur flue gas memasuki heat exchanger Ti=Temperatur flue gas keluar dari heat exchanger Sedangkan perpindahan panas dari tube dapat dihitung dengan persamaan: ( ) dimana: q’= perpindahan panas yang terjadi (watt) N = jumlah tube pada jajaran tube
U = overall heat transfer coefficient (w/m.k) D = diameter tube heat exchanger (m) Analisa karakteristik aliran dilakukan dengan mencari head loss yang terjadi pada jajaran heat exchanger. Untuk menghitung head loss [2] ini digunakan persamaan:
Dimana: K =Koefisien of minor losses f= friction coefficient L = jarak antar tube heat exchanger (m) D = diameter pipa (m) Untuk head loss major, L ditentukan dari jarak antara tube Heat exchanger. Karena jarak antara Tube Heat exchanger sangat kecil, maka head loss major dapat diabaikan. Sehingga losses yang diperhitungkan hanya dari head loss minor. Dalam perhitungan minor losses di dalam porous media, Coefficient of Losses sama dengan Inertial Resistance (ζ) Head Loss pada staggered circular sphere dapat dihitung berdasarkan persamaan Ergun equation [3] yang disarankan oleh FLUENT guide: ( (
)
(
)
(
Gambar di atas menunjukkan kecepatan aliran dari hasil analisa secara numerik. Terlihat bahwa terjadi olakan yang cukup besar pada aliran yang melewati jajaran heat exchanger, ditunjukkan oleh variasi warna yang berbedabeda.
) )
)
( dimana: Rv=Viscous Resistance Ri= Inertial Resistance π=Kebulatan partikel (dapat diasumsikan 0,75) V= Kecepatan rata-rata
(
Gambar 1 Kontur Kecepatan Aliran melewati HRSG
) μ=Viscosity ρ=Density D=Diameter Tube
Penelitian lain tentang HRSG tipe vertikal yang dilakukan secara numerik dilakukan untuk mengetahui pola aliran pada inlet duct HRSG [4]. Penelitian dilakukan dengan menggunakan software computational fluid dynamics (CFD). Penelitian tersebut membandingkan hasil dari penelitian yang dilakukan secara eksperimental dan numerik. Simulasi secara numerik dilakukan dengan menggunakan model k-ε realizable. Dari penelitian tersebut didapat kontur velocity dari aliran fluida yang melewati heat exchanger dan grafik perbandingan velocity secara numerik dan secara eksperimental.
Gambar 2 Grafik perbandingan Velocity Eksperimental dan Numerik Dari grafik di atas dapat dilihat adanya sedikit perbedaan dari data hasil eksperimental dan hasil perhitungan numerik. Grafik dari penelitian eksperimental lebih tajam karena sedikitnya data yang diambil. Sedangkan grafik numerik memiliki kurva yang lebih mulus karena data diekstrapolasi. II. URAIAN PENELITIAN Penelitian ini dilakukan secara numerik menggunakan software CFD FLUENT 6.3.26. Hasil post processing dari penelitian ini berupa kontur kecepatan, temperatur, dan grafik kecepatan dan temperatur pada beberapa titik pengamatan. A. Tahap-Tahap Penelitian Metodologi untuk melakukan tugas akhir simulasi HRSG secara numerik pada PT. PJB Unit Pembangkitan resik dengan menggunakan software CFD FLUENT adalah sebagai berikut : 1. Studi Kasus Kasus atau permasalahan yang terjadi dapat diketahui melalui survei.Tujuan utama dari studi kasus adalah untuk mengetahui permasalahan yang terjadi. 2. Studi Literatur Studi literatur ini adalah mencari literatur yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini.Studi literatur ini dilakukan
dengan mengumpulkan informasi baik mencari jurnal, ebook, dan hasil penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya. 3. Pengumpulan Data Mengumpulkan data baik berupa data primer maupun data sekunder. Data-data ini baik berupa data hasil performance test maupun data operasi dan juga data desain dari HRSG ini. Data-data yang dibutuhkan antara lain adalah sebagai berikut: -Gambar desain dari HRSG PT. PJB Unit Pembangkitan Gresik -Temperatur di tiap heat exchanger -Mass flow rate pada bahan bakar yang diinjeksikan -Temperatur dan tekanan pada exhaust turbin gas -Density fue gas 4. Melakukan Permodelan Dalam tahap ini dilakukan permodelan dengan menggunakan software CFD FLUENT 6.3.26 dan GAMBIT 2.4.6 penelitian ini dititik beratkan untuk mengetahui persebaran temperatur pada HRSG untuk setiap tingkat ketinggian dan jarak tertentu.Pada tahap ini akan dibagi menjadi tiga proses yaitu preprocessing, solver, dan postprocessing. 5. Penyusunan Laporan Tugas Akhir Hasil dari tahap ini adalah laporan tugas akhir yang berisi pendahuluan, tinjauan pustaka, metoda penelitian, analisis dan pembahasan serta kesimpulan dan saran dalam pelaksanaan simulasi yang telah dilakukan. B. Tahap Pre-Processing Preprocessing dilakukan sebagai metode awal dalam penelitian untuk membangun dan menganalisa sebuah model komputasi (CFD). Tahapan Preprocessing terdiri dari beberapa sub-tahapan antara lain: pembuatan geometri, penentuan domain, pembuatan meshing dan penentuan parameter-parameter yang digunakan. Geometri yang dibentuk dalam penelitian ini adalah geometri Heat Recovery Steam Generator jenis vertikal. Pemodelan geometri dilakukan dengan menggunakan software Gambit 2.4.6.
Memilih Turbulence Model Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan realizable K-ε karena model ini memiliki keunggulan yang hampir sama dengan RNG K-ε akan tetapi lebih unggul dalam konstrain matematisnya. Model ini digunakan untuk aliran yang melibatkan putaran, boundary layer yang mempunyai adverse pressure gradient, separasi dan resirkulasi. Selain itu model ini memiliki residual error yang lebih kecil dibanding RNG K-ε Operating Condition Pada penelitian ini, operation condition diatur berdasarkan kondisi inlet dengan acuan titik tengah koordinat inlet. Operating condition yang digunakan adalah tekanan absolut 361325 Pa pada Inlet Duct Boundary Condition Boundary Condition pada inlet digunakan velocity inlet dalam m/s. Boundary Condition pada outlet digunakan pressure outlet. Untuk jajaran heat exchanger seperti superheater, evaporator, economizer, dan preheater digunakan Boundary Condition Interior berupa pengaturan porous zone dan fixed values untuk temperatur masingmasing Porous Media dan Heat Exchanger Pada simulasi ini, Heat Exchanger yang berupa kumpulan tube dianggap sebagai sebuah volume yang berlubang atau disebut juga porous medium. Pengaturan porous medium pada FLUENT 6.3.26 dapat dilakukan dengan mengatur boundary condition pada superheater, evaporator, economizer, dan preheater. Di dalam kolom heat exchanger berisi nilai heat flux, temperatur fluida kerja, dan temperatur flue gas. Tabel 1 Detail dari porous medium Porosity
ζ
Diameter (m)
Superheater 2
0.742
318.8
0.0318
58
Superheater 1
0.89
40.3
0.0318
58
Evaporator HP
0.64
834.4
0.0286
78
Economizer HP
0.564
1576
0.0286
62
Evaporator LP
0.273
13096.2
0.0351
78
Economizer LP
0.81
145.1
0.0289
16
Preheater
0.45
2758.7
0.0351
78
Komponen
Jumlah Tube
D. Tahap Post-Processing Hasil dari analisa akan ditampilkan dalam kontur temperatur,dan kecepatan. Selain itu juga akan diplot grafik kecepatan dan temperatur pada beberapa titik pengamatan. Validasi hasil simulasi dilakukan dengan membandingkan temperatur hasil numerik dengan data desain untuk bukaan damper fully open.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 3 Domain pemodelan HRSG C. Tahap Processing Tahapan processing dilakukan dengan menggunakan software FLUENT 6.3.26 dengan beberapa tahapan.
Dari penelitian ini didapatkan data yang digunakan untuk menganalisa hasil penelitian secara kualitatif dan kuantitatif. Analisa data secara kualitatif dilakukan dengan menampilkan vektor kecepatan aliran didalam HRSG sedangkan analisa data secara kuantitatif menampilkan
temperatur hasil numerik dengan data desain untuk bukaan damper fully open. A. Analisa Untuk Bukaan Damper 45%
Dari gambar 5 dapat dilihat bahwa area backflow yang terjadi pada bagian belakang damper semakin mengecil. Selain itu vortex yang terjadi pada jajaran Heat exchanger semakin mengecil. Fenomena ini terjadi karena diverter damper yang membuka semakin lebar, sehingga aliran semakin leluasa untuk melewati jajaran Heat exchanger. C. Analisa Untuk Bukaan Damper Fully Open
Gambar 4 Vektor Kecepatan pada bukaan damper 45% Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa akibat penyempitan aliran oleh bukaan damper, menyebabkan kecepatan pada bagian bawah damper menjadi sangat besar. Hal ini sesuai dengan hukum kontinuitas di mana makin kecil penampang maka makin besar kecepatan yang terjadi. Selain terjadi backflow pada bagian belakang damper, terjadi fenomena vortex pada jajaran Heat exchanger. Fenomena ini terjadi karena adanya diverter damper yang menjadi penghambat laju aliran, sehingga aliran hanya dapat melewati bagian ujung dari HRSG. B. Analisa Untuk Bukaan Damper 80%
Gambar 5 Kontur Kecepatan pada bukaan damper 80%
Gambar 6 Kontur Kecepatan pada bukaan damper Fully Open Dari gambar 6 dapat dilihat bahwa vortex masih terjadi walaupun damper terbuka penuh. Dibandingkan dengan bukaan yang lain, vortex pada fully open lebih kecil. Hal ini dikarenakan aliran lebih leluasa untuk melewati damper. Adanya vortex walaupun bukaan fully open diakibatkan geometri belokan tajam yang ada pada HRSG. D. Analisa Perbandingan Ketiga Bukaan Damper Berdasarkan gambar kontur tekanan, kecepatan, dan temperatur yang telah dibahas di atas, terlihat adanya perbedaan pada beberapa titik di HRSG. Berikut beberapa perbedaan yang dapat diamati.
Gambar 7 Vektor Kecepatan pada Titik Pengamatan Z= 12000 (outlet damper)
Pada bukaan damper 45% aliran memiliki vector kecepatan terbanyak di daerah di tepat bawah damper. Hal ini disebabkan oleh sempitnya bukaan pada diverter damper, sehingga aliran memiliki area gerak yang kecil. Akibat sempitnya bukaan damper, backflow terjadi pada bagian belakang damper. backflow yang terjadi sangat besar hingga mencapai belokan HRSG. Pada bukaan damper 80%vektor kecepatan terbanyak di daerah sedikit di belakang damper, hal ini terjadi akibat terbentuknya backflow pada bagian belakang damper. Backflow pada bukaan 80% memiliki area yang lebih kecil karena luasnya bukaan damper mengakibatkan aliran dapat bergerak lebih leluasan. Pada bukaan damper 100%, aliran bergerak dengan leluasa sehingga tidak terjadi backflow. Domain potongan dari titik pengamatan Z=-12000 dapat dilihat pada gambar berikut:
Distribusi temperatur aliran yang melewati damper dapat digambarkan pada gambar 12. pada bukaan 45%, aliran mengalami penurunan temperatur di daerah Y/h = 0.3 hingga daerah Y/h = 1 di mana aliran dipengaruhi oleh damper . Dibandingkan dengan bukaan 45%, bukaan 80% memiliki area penurunan temperatur yang lebih kecil dan penurunan temperatur yang lebih rendah akibat besarnya bukaan. Sedangkan pada bukaan 100% sama sekali tidak ada penurunan temperatur. Domain potongan dari titik pengamatan y= 9000 dan y= 19500 dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 11 Domain potongan pada titik Y= 9000 dan Y= 19500 Gambar 7 Domain potongan pada titik Z=-12000
Gambar 12 Grafik perbandingan temperatur pada y=9000 (inlet superheater 2) Gambar 9 Grafik Perbandingan Kecepatan pada Titik Pengamatan Z= - 12000 (outlet damper) Bentuk aliran yang melewati damper juga dapat digambarkan pada gambar 4.23. pada bukaan 45%, aliran memiliki nilai kecepatan mendekati 0 di posisi Y/h = 0.3 hingga Y/h = 1 karena pada daerah tersebut terjadi backflow. Dibandingkan dengan bukaan 45%, bukaan 80% memiliki area backflow yang lebih kecil akibat besarnya bukaan. Sedangkan pada bukaan 100% kecepatan hanya terpengaruh di daerah dekat wall.
Gambar 10 Grafik Perbandingan Kecepatan pada Titik Pengamatan Z= - 12000 (outlet damper)
Distribusi temperatur pada saat aliran melewati superheater 2 dapat digambarkan pada gambar 12. dari grafik terlihat terjadinya perbedaan temperatur di sepanjang potongan.perbedaan temperatur ini terjadi akibat adanya secondary flow yang terjadi di jajaran heat exchanger. Terlihat pada grafik di atas semakin besar bukaan damper, maka distribusi temperatur semakin mulus, dan area yang memiliki temperatur tinggi lebih luas.
Gambar 13 Grafik perbandingan temperatur pada y=14000 (outlet economizer HP)
Distribusi temperatur pada saat aliran memasuki economizer HP dapat digambarkan pada gambar 13. dari grafik terlihat terjadinya perbedaan temperatur di sepanjang potongan.perbedaan temperatur ini terjadi akibat adanya secondary flow yang terjadi di jajaran heat exchanger. Berbeda dengan grafik sebelumnya, perbedaan temperatur pada economizer HP mulai mengecil. Hal ini diakibakan karena superheater 2 hingga economizer HP masih terpengaruh oleh geometri tajam pada HRSG.
perkuliahan di Teknik Mesin. Kiranya penulis tidak akan mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini tanpa bantuan, saran, dukungan dan motivasi dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada bapak Wawan Aries Widodo selaku dosen pembimbing tugas akhir, Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua dan kolega atas semua motivasi dan dukungan dalam penyusunan jurnal ilmiah. DAFTAR PUTAKA
Gambar 14 Grafik perbandingan temperatur pada y=19500 (outlet economizer LP) Distribusi temperatur pada saat aliran keluar preheater dapat digambarkan pada gambar 14. dari grafik terlihat distribusi temperatur telah merata. Pada bagian damper bukaan 80% dan Fully Open, besar bukaan sudah tidak berpengaruh pada distribusi temperatur IV.KESIMPULAN Dari simulasi yang dilakukan, untuk mengetahui aliran dan karakteristik aliran dengan variasi sudut diverter damper secara numerik, dilakukan pembahasan distribusi temperatur, distribusi kecepatan, dan distribusi tekanan. didapat hasil sebagai berikut: 1. Terdapat backflow yang cukup besar pada daerah di belakang damper bervariasi berdasarkan bukaan. Backflow yang terjadi pada bukaan damper 45% terjadi pada area y=1000 hingga y=3750. Pada bukaan damper 80% backflow terjadi pada area y=2000 hingga y=3750. Sedangkan pada fully open damper tidak terjadi backflow. 2. Terjadi penurunan temperatur yang cukup drastis pada backflow di bukaan damper. Pada bukaan 45% terjadi penurunan temperatur sebesar 50K sedangkan pada bukaan 80% terjadi penurunan temperatur sebesar 30K Penurunan temperatur ini dapat mengurangi resiko terjadinya overheating pada bagian belakang diverter damper. 3. Temperatur pada heat exchanger superheater 2 hingga economizer HP mengalami distribusi yang tidak uniform karena bagian tersebut merupakan daerah yang dekat dengan belokan tajam pada HRSG. Temperatur pada heat exchanger mulai economizer LP mengalami distribusi yang lebih uniform. Hal ini mengindikasikan makin jauh jajaran heat exchanger dari belokan tajam, makin uniform distribusi temperaturnya. UCAPAN TERIMA KASIH Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis berusaha menerapkan ilmu yang didapat selama menjalani
[1] Incropera, Frank P. and Dewitt, David P. 1998. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Fifth Edition. College of Engineering University of Notre Dame : John Wiley and Sons. [2] Fox, Robert W. and Mc Donald, Alan T. 1998. Introduction to Fluid Mechanics, Fifth Edition. Purdue University, New York : John Wiley and Sons. [3] Kaviany, M. 1994. Principles of Heat Transfer in Porous media, Second Edition. New York : Springer. [4] Shin, Hyuntae, Kim,Daehee, and Myoung,Gichul. 2012. Investigation of the Flow Pattern in a Complex Inlet Duct of a Heat Recovery Steam Generator. Korea Advanced Institute of Science and Technology, Korea.
