Marten Paloboran, Analisis Kesetimbangan Energi pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU Tello
MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor 1, Juni 2009
ANALISIS KESETIMBANGAN ENERGI DAN EKSERGI PADA EKONOMISER KETEL UAP PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP TELLO MAKASSAR Marthen Paloboran Fakultas Teknik Universitas Negeri Makassar
Abstrak Ekonomiser adalah salah satu jenis alat penukar kalor pada ketel uap yang digunakan untuk menaikkan temperatur air pengisi ketel dengan memanfaatkan panas gas buang. Pada instalasi ketel uap PLTU Tello Makassar air dari High Pressure Heater (HPH) dengan temperatur 162oC masuk ke ekonomiser dan keluar pada temperature 182oC.. Kenaikan temperatur ini akan mengurangi beban ketel sehingga meningkatkan effisiensinya. Laju perpindahan energi yang didasarkan pada hukum termodinamika pertama menyatakan kondisi perubahan entalpi air pada saat masuk dan keluar ekonomiser, sedangkan perpindahan eksergi pada ekonomiser menggambarkan potensi energi yang dapat dibangkitkan serta eksergi yang musnah pada saat proses berlangsung. Kata kunci: Ekonomiser, Energi, Eksergi.
Panas gas buang yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan baker dan udara dalam ketel uap masih sangat tinggi, sehingga jika langsung dibuang ke cerobong akan menimbulkan kerusakan dan pencemaran lingkungan serta kerugian pada pembangkit itu sendiri. Memasang komponen-komponen tambahan pada instalasi ketel uap dengan rsmemanfatkan panas gas buang adalah upaya untuk menaikkan effisiensi ketel uap. Pada instalasi ketel uap Tello Makassar dilengkapi dengan beberapa alat penukar kalor (heat exchanger) yaitu; ekonomiser, evaporator, superheater dan air heater. Evaporator adalah komponen utama ketel uap untuk proses perubahan fasa dari air menjadi uap, terdiri dari pipa-pipa penguapan yang letaknya setelah ruang bakar sehingga komponen ini akan mengalami proses perpindahan panas terbesar di dalam ketel. Superheater dalam ketel digunakan untuk memperbaiki kualitas uap basah menjadi uap kering yang akan dimanfaatkan oleh turbin dan ekonomiser untuk menaikkan temperature air sebelum masuk ke pipa evaporator. Sementara itu air heater adalah alat penukar kalor untuk menaikkan temperatur udara pembakaran. Pemahaman energi melalui hukum pertama termodinamika dapat dijelaskan dengan menggunakan konsep interaksi kerja. Pada proses adiabatik dalam sistem tertutup satu keadaan kesetimbangan dapat diubah
menuju ke kesetimbangan lain namun tidak terjadi perpindahan kalor dari sistem kelingkungannya, sehingga kerja netto yang dihasilkan dari dua keadaan tersebut menjadi sama. Dengan demikian kerja netto yang dilakukan pada atau oleh sistem tertutup hanya bergantung pada keadaan awal dan akhirnya saja dan dituliskan dalam persamaan:
E 2 - E 1 = - Wad
(1)
Sebuah sistem tertutup tidak saja dapat berinteraksi dengan lingkungannya melalui kerja tetapi juga melalui interaksi termal (kalor), yang biasa disebut dengan proses non-adiabatik, sehingga perubahan energi sistem yang terjadi pada dua keadaan tidak saja sama dengan kerja yang dihasilkan atau diberikan pada sistem tetapi juga memperhitungan besarnya kalor yang masuk atau keluar sistem. Dengan demikian untuk proses adiabatik perubahan energi yang terjadi pada dua keadaan kesetimbangan dituliskan menjadi:
E 2 - E1 = Q - W
(2)
Dalam termodinamika perubahan energi terdiri dari tiga komponen yaitu: energi potensial (berkaitan dengan posisi sistem secara keseluruhan dalam medan gravitasi bumi), energi kinetik (berkaitan dengan pergerakan sistem terhadap kerangka koordinat eksternal) dan energi dalam, sehingga perubahan energi
Marten Paloboran, Analisis Kesetimbangan Energi pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU Tello
total sistem diberikan dengan persamaan:
E2 -E1 = (EK2 - EK1 ) +(EP2 - EP1 ) +(U2 - U1 ) atau:
ΔE = ΔEK + ΔEP + ΔU
(3)
Sehingga persamaan (2) dapat dituliskan dalam bentuk,
Q - W = ΔEK + ΔEP+ ΔU
(4)
Dan kesetimbangan energi yang didasarkan pada laju perubahan waktu adalah: ·
·
Q - W=
dEK dEP dU + + dt dt dt
(5)
Proses perpindahan energi yang terjadi pada sebuah siklus termodinamika tidak terlepas dari jumlah aliran massa zat yang masuk dan keluar dari sistem dan membawa energi tersebut, sehingga untuk memudahkan menganalisis jumlah massa zat yang mengalir digunakan satu daerah di dalam ruang dimana zat tersebut mengalir melaluinya, atau disebut volume atur. Dengan demikian laju kesetimbangan energi yang menyertai perpindahan massa pada volume kontrol adalah: 2 · · · æ ö dE cv Vi = Q cv - Wcv + å m i ç h i + + gz i ÷ ÷ ç dt 2 i ø è 2 æ ö Ve ç - å me h e + + gz e ÷ ç ÷ 2 e è ø ·
(6)
Wrev = m [(h inlet - h exit ) - To (Sinlet - Sexit )] (8) sedangkan kerja berguna (Wu) adalah representasi antara kerja aktual dan kerja terhadap sekeliling berupa kerja mekanis dan perpindahan panas, dengan persamaan:
Wu = m(h inlet - h exit ) - Q atau
Dengan mengabaikan energi kinetik dan energi potensial pada sistem, maka kesetimbangan energi pada pada ekonomiser adalah:
h1 - h2 = Qout + (hA - hB )
kondisi awalnya melalui proses yang spontan pula tetapi melalui peralatan tambahan untuk mengubah kondisi sekelilingnya yang bersifat permanen ke kondisi yang diinginkan. Tidak semua proses yang terjadi memenuhi prinsip kekekalan energi, sehingga persamaan kesetimbangan energi tidak cukup memadai memperkirakan arah proses yang dikehendaki serta tidak dapat menentukan proses mana yang dapat terjadi dan tidak dapat terjadi. Untuk kasus-kasus yang cukup kompleks seperti ini, penerapan hukum termodinamika kedua dapat membantu mencari solusi dari persoalan tersebut. Penggunaan hukum termodinamika kedua tidak hanya sebatas dapat menentukan arah proses saja, tetapi juga menegaskan kuantitas energi sebaik dengan kualitasnya. Kuantitas yang berhubungan dengan keadaan awal dan akhir dari proses aktual dalam analisis sistem dan komponen termodinamika adalah kerja reversibel dan irreversibilitas. Kerja reversibel (Wrev) adalah kerja berguna maksimum yang dihasilkan oleh sistem yang mengalami proses antara keadaan awal dan akhir dengan persamaan:
(7)
Dimana:
h 1 = entalpi gas masuk ekonomiser (kJ/kg) h 2 = entalpi gas keluar ekonomiser (kJ/kg) h A = entalpi air keluar ekonomiser (kJ/kg) h B = entalpi air masuk ekonomiser (kJ/kg) Q out = energi yang tidak terserap oleh air (kJ/kg) Proses-proses yang terjadi di alam secara spontan mempunyai arah proses yang tertentu dan pasti, dengan demikian proses yang terjadi secara spontan tidak dapat dikembalikan ke
Wu = m(h inlet - h exit ) - P(V2 - V1 )
(9)
Dengan demikian perbedaan antara kerja reversibel dan kerja berguna adalah irreversibel yang dinyatakan dengan persamaan:
I = W u, in - W rev, in I = Wrev, out - W u, out ,
atau (10)
Proses irreversibel disebabkan oleh gesekan, ekspansi gas atau fluida yang tak terkendali, pencampuran dua fluida, perpindahan panas melalui perbedaan temperatur yang terbatas, tahanan listrik, reaksi kimia, deformasi benda padat yang tidak elastis. Proses perpindahan eksergi selalu menyertakan konstribusi lingkungan sistem dimana proses tersebut berlangsung, sehingga laju perpindahan eksergi pada ekonomiser adalah:
MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor 1, Juni 2009
ψ n = {(h n - h o ) - To (S n - S o ) }
(11) hair
ψ n = laju eksergi materi/zat yang masuk/keluar ekonomiser (kJ/kg) entalpi materi/zat yang masuk/keluar ekonomiser (kJ/kg) entalpi materi/zat pada kondisi referensi (kJ/kg) entropi materi/zat yang masuk/keluar ekonomiser (kJ/kg) entropi materi/zat yang masuk/keluar ekonomiser (kJ/kg)
hn =
ho = Sn =
So =
Sedangkan kesetimbangan ekonomiser adalah;
eksergi
x IN - x OUT - x DES = O
pada (12)
Dimana : X in
=
X out = X des =
jumlah laju aliran eksergi yang masuk ekonomiser (kJ/kg) jumlah laju aliran eksergi yang keluar ekonomiser (kJ/kg) jumlah laju aliran eksergi yang musnah (kJ/kg)
Tabel 1. Perbandingan analisis energi dan eksergi pada ekonomiser ketel uap PLTU Tello hin
hout
Air/ Uap
10073. 9996
11366 .856
Gas
12064. 764
10059 .7
Analisis Eksergi Qout
712. 212
12064.764kW
hgas 10059.70kW
QOut 712.212kW
Gambar 1. Diagram Sankey Kesetimbangan Energi Pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU Tello Makassar
yair 1531.856 kW
yGas 3148.66 kW
yuap 1963.0757 kW
ygas 2256.796 kW
460.6477 kW
Hasil analisis energi dan eksergi menunjukkan bahwa pemanfaatan ekonomiser pada ketel uap PLTU Tello Makassar cukup efektif untuk memanfaatkan sisa gas buang hasil pembakaran. Perbandingan analisis energi dan eksergi pada ekonomiser ketel uap PLTU Tello Makassar ditunjukkan pada tabel 1.
Analisis Energi
11366.856kW
ydes
HASIL DAN PEMBAHASAN
Mat eri
hgas
huap
EKONOMISER
10073.9996kW
EKONOMISER
Dimana :
yin
yout
1531. 856
1963. 0757
3148. 66
2256. 796
ydes 460.6 477
Besarnya laju aliran energi dan eksergi pada ekonomiser ketel uap Tello Makassar dapat dilihat pada gambar diagram Sankey dan Grassman di bawah ini.
Gambar 2. Diagram Grassman Kesetimbangan Eksergi Pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU Tello Makassar
SIMPULAN DAN SARAN Perbedaaan yang signifikaran tentang performansi ekonomiser pada Ketel Uap PLTU Tello Makassar terlihat jelas pada dua gambar di atas. Nilai energi (gambar 1) yang dihasilkan dari analisis hukum termodinamika pertama jauh lebih besar karena proses tersebut hanya memperhitungkan kondisi awal dari proses tanpa melibatkan aliran materi lain yang terjadi selama proses tersebut berlangsung. Sementara itu nilai eksergi (gambar 2) yang dihitung berdasarkan prinsip hukum termodinamika kedua adalah menyatakan potensi energi maksimal yang mampu dihasilkan oleh sebuah komponen memperhitungkan semua variabel
Marten Paloboran, Analisis Kesetimbangan Energi pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU Tello
sistem dan lingkungan yang terlibat dalam proses sehingga nilainya lebih kecil. Eksergi yang hilang pada proses perpindahan panas pada ekonomiser disebabkan adanya sifat irreversibel (tidak mampu balik) yang ditandai dengan produksi entropi yang besar, sehingga untuk meningkatkan pemanfaatan energi pada proses tersebut adalah dengan mengurangi eksergi yang musnah. Berbeda dengan energi, eksergi bersifat tidak kekal dan untuk mengurangi eksergi yang musnah dengan memperbaiki konstruksi dan instalasi ekonomiser pada ketel uap serta meminimalisir proses spontan yang menuju ke lingkungan sistem dengan insulator yang baik.
Himran, Syukri. H. 2007. Materi Kuliah Eksergi. Makassar. Program Magister Pascasarjana Unhas.
DAFTAR PUSTAKA
Nag, P. K. 2001. Power Plant Engineering, Second Edition. Mc Graw Hill.
Kotas, T. J. 1995. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. Malabar. Florida. Krieger Publishing Co. Moran, M. J. and Shapiro, H. N.2000. Termodinamika Teknik. Edisi 4. Jilid 1. Terjemahan oleh Yulianto Sulistyo Nugroho. 2004. Universitas Indonesia. Erlangga. Moran, M. J. and Shapiro, H. N.2000. Termodinamika Teknik. Edisi 4. Jilid 2. Terjemahan oleh Yulianto Sulistyo Nugroho. 2004. Universitas Indonesia. Erlangga.
Bejan, A., Tsatsaronis, G. And Moran, M. J. 1996. Thermal Design and Optimization. John Wiley And Sons, Inc.
Pedoman Penulisan Tesis dan Disertasi. Edisi 4. 2006. Makassar. Program Pascasarjana Universitas Hasanuddin
Cengel, Y. A. and Boles, M. A. 2002. Thermodinamics, An Engineering Approach, Fourth Edition, Mc Graw Hill.
Tsatsaronis, G. And Cziesla, F. 2000. Thermodinamics. Encyclopedia of Pysical and Technology, Third Edition, Vol. 16.
Cengel, Y. A. and Boles, M. A. 2005. Thermodinamics, An Engineering Approach, Fifth Edition, Mc Graw Hill.
Tsatsaronis, G. And Krane, R. J. 1994. Cost Savings Through Exergy Analisys and Exergoeconomics. Annual meeting National Petroleum Refiners Association. Convention Centre. San Antonio, Texas. March. 20-22.
Djokosetyardo, M. J, Ir, 1990. Ketel Uap. PT. Pradnya Paramita, Jakarta Harjanto, S. 2001. Hukum Thermodinamika, Eksergi dan Kebijakan Energi. Jurnal Dimensi. Volume 4. Nomor 1. 35-39.
Wakil-El, M. M. 1985. Powerplant Technology. McGraw-Hill Book Company.
