Perancangan Perangkat Eksperimen Kondensasi Kontak Langsung dengan Keberadaan Non Condensable Gas

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Perancangan Perangkat Eksperimen Kondensasi Kontak Langsung dengan Keberadaan Non Condensable Gas Vivi Apriyanti,2, a *, Ari D. Pasek1b, Abdurrachim1c, Willy Adriansyah1d, Ridwan Abdurrahman1e 1

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung

2

Program Studi Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Nasional Jambi

a

[email protected], [email protected], c,[email protected] , d [email protected], [email protected]

Abstrak Pada suatu pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTP), kondensor merupakan alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengkondensasikan uap sisa yang keluar dari turbin. Kondensat yang dihasilkan didinginkan lebih lanjut melewati menara pendingin sebelum disirkulasikan kembali ke dalam kondensor sebagai fluida pendingin. Penurunan tekanan vakum di dalam kondensor saat proses kondensasi memberikan perbedaan entalpi yang semakin besar pada turbin. Diperkirakan, penurunan 0,01 Bar tekanan kondensor akan mampu menghasilkan 1,5-1,6% energi listrik dari kapasitas pembangkit. Begitu juga sebaliknya, jika terjadi kenaikan tekanan kondensor maka energi listrik yang dihasilkan akan semakin berkurang. Energi listrik yang hilang dapat setara dengan suatu PLTP berkapasitas 2 MW. Kandungan gas tak terkondensasi (noncondensable gas–NCG) dan temperatur air pendingin menjadi variabel yang berpengaruh terhadap kinerja kondensor. Kedua variabel ini sangat bervariasi dan sulit untuk dikontrol karena sangat dipengaruhi oleh lingkungannya. Konsentrasi NCG bergantung pada kondisi sumur pembangkit, sedangkan temperatur air pendingin ditentukan oleh temperatur udara di sekitar pembangkit dan performa menara pendingin. Untuk mengetahui pengaruh kedua variabel ini terhadap proses kondensasi dan tekanan kondensor, maka perlu dilakukan studi eksperimental. Eksperimen dilakukan dengan mengadopsi jenis kondensor yang digunakan di sebagian besar PLTP di Indonesia yaitu kondensor kontak langsung tipe spray. Artikel ini difokuskan pada perancangan perangkat pengujian kondensasi kontak langsung berkaitan pengaruh NCG terhadap perpindahan panas kondensasi. Rancangan peralatan eksperimen dan kondisi pengujian ditampilkan. Kondensor dirancang berupa bejana silinder dan berisikan beberapa sprayer. Campuran uap dan NCG dialirkan dari bagian atas kondensor dan air pendingin disemprotkan melalui sprayer dengan aliran perpindahan panas crossflow. Kata kunci : kondensasi, spray, NCG, PLTP komponen perpindahan panas yang berperan penting untuk meningkatkan efisiensi pembangkit dalam sistem pembangkit tenaga uap. Fungsi utama kondensor adalah mengkondensasikan uap sisa dari turbin sebelum dikembalikan lagi ke siklus pembangkit serta dapat menurunkan tekanan keluaran turbin sehingga menghasilkan perbedaan entalpi dan menaikan kinerja turbin. Tekanan kondensor yang rendah di bawah tekanan atmosfir menjadikan tekanan

Pendahuluan Kondensor adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengondensasikan uap. Kondensasi adalah perubahan uap menjadi fasa cair yang terjadi ketika uap bersentuhan melalui permukaan kontak yang memiliki temperatur lebih rendah dari temperatur jenuh uap. Energi laten dilepas dan panas dipindahkan sehingga terjadi perubahan fasa pada uap [1]. Kondensor merupakan KE-62


vakum pada keluaran turbin, perbedaan tekanan yang besar akan menghasilkan kinerja turbin yang lebih tinggi sehingga akan menambah output energi listrik pada generator dan meningkatkan efisiensi pembangkit seperti terlihat pada gambar 1. Berdasarkan perhitungan secara termodinamika, penurunan 0,01 Bar tekanan kondensor akan mampu menghasilkan sekitar 1,5-1,6% energi listrik dari kapasitas produksi suatu pembangkit panas bumi dan begitu juga sebaliknya. Untuk pembangkit dengan kapasitas produksi 110 MW, kenaikan tekanan kondensor 0,01 Bar setara dengan kehilangan 2 MW energi listrik yang juga sebanding dengan sebuah pembangkit berkapasitas kecil.

kontak dengan tujuan untuk mengubah uap menjadi air dengan cara mencampurkan uap dengan air pendingin secara langsung. Media kontak seperti spray, baffle, dan packing berfungsi untuk meningkatkan kualitas kontak antara gas dan cairan [4]. Kondensor kontak langsung telah lama digunakan pada berbagai aplikasi di antaranya pada pemanasan air, proses penyulingan minyak, pembangkit listrik tenaga panas bumi, desalinasi air, dan pemanfaatan energi matahari. Kondensor kontak langsung memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan kondensor permukaan yaitu: 1) tidak ada korosi atau fouling, 2) tidak ada tahanan termal pada dinding, 3) konstruksi yang sederhana, 4) laju perpindahan panas yang tinggi 5) pressure drop uap yang rendah, 6) memungkinkan beroperasi dengan perbedaan temperatur yang rendah, 7) biaya yang rendah, 8) efisien dalam mengekstraksi NCG 9) ukuran lebih kecil 10) membutuhkan lebih sedikit air pendingin hingga 60% dibandingkan surface condenser sehingga kondensor kontak langsung menjadi pilihan yang lebih baik pada PLTP [5,6,7]. Namun dalam kenyataannya, tekanan kondensor PLTP jauh lebih tinggi jika dibandingkan dengan tekanan operasi PLTU yang umumnya menggunakan kondensor jenis shell and tube. Gambar 2 memperlihatkan perbedaan tekanan kondensor di beberapa PLTU dan PLTP di Indonesia. Kondensor yang digunakan pada sebagian besar PLTP di Indonesia adalah kondensor kontak langsung jenis spray. Pada kondensor jenis ini air pendingin disemprotkan ke dalam kondensor melalui nosel-nosel sehingga berbentuk butiranbutiran. Selanjutnya butiran-butiran tersebut akan bersentuhan dengan butiran-butiran uap sisa turbin sehingga terjadi kondensasi yang ditandai dengan pertumbuhan ukuran butiran air pendingin.

T 1

1 atm 1,013 bar Pkon 0,08 bar

3s

o

3 2s 2

100 C o

41,5 C

s

Gambar 1. Kondensor menaikan kinerja turbin [2] Secara umum kondensor dibedakan atas dua tipe yaitu kontak langsung (directcontact/open) dan permukaan (surface/shell and tube heat exchanger). Pada kondensor kontak langsung, uap dikondensasikan dengan cara mencampurkannya secara langsung dengan air pendingin, sedangkan pada kondensor permukaan, air pendingin dialirkan melewati pipa-pipa dengan uap berada di bagian luar pipa [3]. Kondensor kontak langsung merupakan alat penukar kalor berupa bejana tekan yang berisikan media KE-62


terbesar dengan komposisi lebih dari 85% [9]. Jumlah NCG yang terlarut di dalam fluida panas bumi bervariasi antara 0-25% dari berat uap, tergantung pada sumber masing-masing sumur produksi. Gas ini ikut terbawa ke dalam kondensor membentuk efek selimut (gas-blanketing) yang menghambat proses perpindahan panas, menaikkan temperatur dan tekanan kondensor sehingga menurunkan kinerja turbin [10]. Sistem ekstraksi gas (gas removal system, GRS) diperlukan untuk membuang NCG dari kondensor. Pemilihan sistem ekstraksi gas disesuaikan dengan jumlah kandungan gas di dalam fluida. Berdasarkan simulasi termodinamika dan keekonomisan sistem, Ozcan [11] merekomendasikan PLTP untuk memakai sistem ejektor uap untuk fraksi NCG 0-2%, sistem hybrid 2-10%, dan sistem kompresor besar dari 10% dari fraksi uap. Banyak peneliti telah melakukan kajian teoretis dan ekperimen berkaitan dengan keberadaan NCG pada proses kondensasi. Namun sedikit yang mempelajari pengaruhnya pada kondensor kontak langsung terutama tipe spray. Penelitian ini akan mengkaji pengaruh NCG dan temperatur air pendingin pada perpindahan panas kondensasi yang terjadi pada kondensor kontak langsung tipe spray. Penelitian ini merupakan kajian tahap awal dalam mengupayakan peningkatan efisiensi kinerja PLTP di Indonesia. Pada makalah ini akan dijabarkan rancangan alat eksperimen dan parameter pengujian guna menyelidiki pengaruh parameter berupa konsentrasi NCG yang terkandung di dalam uap dan temperatur air pendingin terhadap karakteristik perpindahan panas kondensasi dengan kondisi eksperimen mendekati kondisi operasi tekanan kondensor PLTP.

Gambar 2. Grafik perbandingan tekanan operasi beberapa PLTU dan PLTP di Indonesia Analisis kinerja kondensor PLTP patut dilakukan dengan melihat besarnya potensi panas bumi yang dimiliki Indonesia yaitu 28.994 megawatt energi listrik (MW) atau sekitar 40% potensi sumber panas bumi dunia. Krisis listrik yang dialami Indonesia beberapa tahun terakhir memaksa pemerintah untuk memanfaatkan potensi energi terbarukan ini. Pemerintah telah mencanangkan The Crash Program 10.000 MW Second Phase yang diimpementasikan antara tahun 2009–2018. Pada program tersebut mengembangkan 60% energi listrik yang bersumber dari energi terbarukan, sekurang-kurangnya 48% bersumber dari panas bumi atau sekitar 4.925 MW. Selanjutnya, pemerintah juga merencanakan pengembangan 12.000 MW PLTP hingga tahun 2025 [8]. Pada pertengahan tahun 2014 Indonesia telah mengoperasikan 31 unit PLTP dengan kapasitas total 1.376 MW. Beberapa peneliti telah menyelidiki keberadaan gas tidak terkondensasi (noncondensable gases, NCG) di dalam kondensor yang menyebabkan terjadinya penurunan kerja turbin dan kinerja PLTP. NCG terdiri dari karbon dioksida (CO2), hidrogen sulfida (H2S), amoniak (NH3), metana (CH4), nitrogen (N2) dan etana (C2H6) dengan karbon dioksida sebagai konstituen KE-62


terhadap laju kondensasi. Namun tidak banyak yang melakukan penelitian pada kondensasi kontak langsung terutama jenis spray. Lekic dan Ford (1980) [12 ] melakukan studi secara teoretis dan eksperimen kondensasi kontak langsung pada uap murni dengan air pendingin berupa spray. Dalam analisis teoretisnya diameter butiran merupakan parameter yang paling mempengaruhi nilai pemanfaatan termal (thermal utilization) dibandingkan pergerakan butir. Pengujian dilakukan dengan tiga ukuran nosel yang berbeda menghasilkan diameter butiran 0,25 mm, 0,5 mm dan 1 mm. Laju aliran air dan penurunan tekanan nosel disesuaikan dengan jenis nosel masingmasing yaitu 6-10 m/s dan 30-80 kPa. Uap dialirkan pada tekanan sekitar 99 kPa dan 138 kPa. Temperatur air pendingin 10-15 oC. Dari pengukuran temperatur yang dilakukan pada jarak 0,64 cm, 0,95 cm dan 1,27 cm memperlihatkan efisiensi kondensasi yang tinggi dengan nilai pemanfaatan termal 0,7830,987%.

Daftar Simbol Qz

[kW]

Laju perpindahan panas pada jarak z dari nosel Panas penguapan

λ

[kJ/kg]

Dm

[m]

Diameter maksimum butiran

D

[m]

Diameter butiran

Di

[m]

Diameter awal butiran

N

jumlah butiran satuan waktu

hloc [kW/m2K]

Koefisien perpindahan panas lokal

ud

[m/s]

z

[m]

Kecepatan lokal butiran Jarak ke nosel

[kW/m2oC]

Mst

hk

per

Koefisien perpindahan panas parsial fasa uap yang dikoreksi Berat molekul uap

u

[kg/h]

Laju massa uap

a

[kg/h]

Laju massa air pendingin

[kJ/kg]

Entalpi kondensat

Celata dkk. (1991) [13] menginvestigasi pengaruh diameter butiran dan kecepatan aliran uap serta air pendingin terhadap laju perpindahan panas kondensasi kontak langsung. Perangkat percobaan terdiri dari bejana silinder pengujian, tangki penyimpanan air, boiler (15 kW) dan pemanas air (10 kW), pemanas uap jenuh. Pada percobaan ini air pendingin diinjeksikan dengan sistem injeksi ad hoc yaitu memberikan gangguan getaran akustik pada cairan pada multihole nosel dengan enam variasi ukuran. Temperatur rata-rata butiran diukur dengan menggunakan dua buah termokopel tipe K 0,25 mm yang dipasangkan pada alat penangkap butiran berupa pipa kecil yang dapat bergerak secara vertikal di bagian bawah bejana. Parameter pengujian lainnya adalah: laju aliran massa uap 1,7–15 g/s, temperatur uap 110 oC, 130 oC, 150 oC,

Studi Eksperimental Kondensasi Kontak Langsung tipe spray Penelitian yang berkaitan dengan fenomena dan perpindahan panas kondensasi telah lama dan banyak dipublikasikan baik berupa kajian teoritis maupun eksperimental. Sebagian besar fokus peneliti adalah pada kondensasi yang terjadi pada permukaan pipa. Kondensasi pada bagian dalam atau luar pipa yang diamati secara horizontal dan vertikal. Penelitian juga melihat pengaruh NCG KE-62

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 o

o

Temperatur air 30 C dan 60 C, kecepatan butiran 0,85– 9 m/s.

dalam komposisi NCG akan diamati berkisar dari 0-4% dari berat uap.

Bontozoglou dan Karabelas (1995) [14] melakukan eksperimen pada sebuah kolom yang diisi dengan struktured packing Mellapak 250 dengan tinggi 72 cm dengan perangkat pengujian. Kondensasi kontak langsung terjadi antara uap yang mengandung CO2 dan air pendingin dengan arah aliran yang berlawanan. Campuran uap dialirkan dari bagian bawah tangki berbahan stainless steel dengan diameter dalam 0,15 m, tinggi 1,05 m dan volume 25 L. Air pendingin disemprotkan pada bagian atas kolom. Penelitian ini menggunakan parameter berupa jumlah CO2, laju massa air dan laju massa uap. Temperatur kolom diukur pada posisi tertentu guna menghitung koefisien perpindahan panas lokal yang terjadi. Dari ketiga peneliti di atas diperoleh korelasi perpindahan panas seperti yang diberikan pada tabel 1.

Tabel 2. Kandungan NCG di beberapa PLTP di Indonesia [15,16,17,18]

Tabel 1. Korelasi kondensasi tipe spray

perpindahan

Konsentrasi NCG PLTP (% berat total uap) Gunung Salak

1,5 – 2,7

Kamojang

1,7

Lumut Balai

0,65 – 1,325

Sibayak

2,7 – 3,07

Patuha

1,1 – 1,75

Wayang Windu

1

Perbandingan massa air pendingin dan uap Kebutuhan air pendingin guna memenuhi kebutuhan kondensasi uap dapat dihitung dengan mengacu kepada persamaan asas Black mengenai kesetimbangan energi panas yang diterima dan energi panas yang dilepaskan suatu campuran, sehingga diperoleh:

panas

Peneliti Persamaan perpindahan panas Lekic dan Ford

mu1.hu + mut.cpu. ΔTu = ma.cpa.ΔTa ... (1) Celata Kebutuhan air pendingin juga dapat diperoleh dengan membandingkan entalpi input dan output fluida fluida di dalam kondensor dimana:

Bontozoglou dan Karabelas

ma/mu = (hu-hk)/(hk-ha) .........................(2) Data Kandungan Noncondensable Gas Berdasarkan studi literatur dan survey lapangan diperoleh kisaran jumlah NCG yang terkandung di dalam fluida panas bumi di beberapa PLTP di Indonesia seperti yang diberikan pada tabel 2. Dengan mengacu pada data ini, maka CO2 sebagai gas terbanyak

Rancangan Pengujian

Perangkat

dan

Parameter

Perangkat eksperimen dirancang mendekati keadaan yang terjadi di lingkungan kondensor PLTP. Perangkat pengujian terdiri KE-62


dari beberapa komponen utama yaitu boiler, gas CO2, mixing chamber, kondensor, pompa vakum, pompa air, pompa kondensat, alat penukar kalor, separator, tangki air dan alatalat ukur seperti terlihat pada gambar 3 dan gambar 4. Sprayers disusun secara horizontal pada pipa vertikal yang dipasang di dalam kondensor. Delapan buah termokopel ditempatkan pada kondensor guna mendapatkan perubahan serta distribusi temperatur yang terjadi selama proses kondensasi terjadi. Pencatatan data temperatur dilakukan dengan sistem data akuisisi.

Gambar 4. Tampilan perangkat pengujian Pada penelitian tahap eksperimen akan diteliti pengaruh kandungan NCG berupa gas CO2 (%NCG) dan temperatur air pendingin (Ta) terhadap laju kondensasi dengan kondisi pengujian. Kandungan NCG dan temperatur air akan divariasikan untuk mendapatkan perubahan dan distribusi temperatur di dalam kondensor. Berdasarkan perhitungan perancangan, estimasi material dan anggaran, pengujian akan dilakukan dengan variabel eksperimen seperti yang diberikan pada tabel 3. Tabel 3. Variabel pengujian

Gambar 3. Skema sistem pengujian Mengacu pada kondisi aktual, proses pengujian dirancang berlangsung secara kontinu. Uap air dan CO2 akan dicampurkan terlebih dahulu sebelum dialirkan menuju kondensor. Di dalam kondensor campuran uap dan CO2 akan dikondensasikan oleh semprotan air pendingin yang dialirkan oleh pompa air. Pompa vakum berfungsi untuk menarik CO2 yang ikut ke dalam kondensor. Uap yang ikut terbawa pompa vakum akan dikondensasikan pada alat penukar kalor tambahan untuk memisahkan kondensat dengan NCG. Kondensat yang terbentuk di dalam kondensor akan ditarik keluar dengan bantuan pompa kondensat.

Parameter Laju aliran massa uap,

Nilai u

2–4

[kg/h]

Temperatur uap, Tu [oC]

110 – 130

Tekanan uap, Pu [bar]

1,5 – 2

Temperatur air, Ta [oC]

25 - 35

Berat kandungan NCG [%/berat 0 – 4 uap] Diameter nosel, dn [mm] Laju aliran air pendingin, [kg/h]

KE-62

0,3 a

30 – 40


Validasi kecepatan aliran uap masuk kondensor

Kesimpulan Penelitian ini merupakan tahapan awal dalam pengembangan efisiensi kondensor PLTP. Perangkat dan parameter eksperimen dirancang berdasarkan kondisi tekanan operasi kondensor, temperatur air pendingin dan kandungan NCG di beberapa PLTP di Indonesia. Selain itu pertimbangan kebutuhan material dan anggaran sehingga kapasitas pengujian relatif kecil. Dari hasil perhitungan dan validasi kecepatan aliran uap menunjukan kemiripan dengan keadaan aktual kondensor PLTP. Diharapkan eksperimen nanti dapat berlangsung secara kontinu pada tekanan vakum yang diinginkan. Kestabilan parameter akan menjadi tantangan tersendiri dalam pelaksanaan eksperimen.

Untuk memastikan kecepatan uap masuk kondensor eksperimen sama dengan kecepatan uap secara aktual, maka dilakukan simulasi dengan menggunakan software Ansys Fluent [20]. Diameter rancangan yang didapat adalah 0,0164 m namun untuk mengacu pada standar maka dipilih diameter standar yang mendekati yakni ¾ inch atau 0.01905 m. Dengan penyederhanaan Axisymmetry, diperoleh kontur kecepatan aliran seperti terlihat pada gambar 5.

Referensi [1] Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, edisi kelima, John Wiley & Son Pte. Ltd. Singapore, 2005. [2] Nag, P. K., Power Plant Engineering, edisi ketiga, McGraw Hill, New Delhi, 2008. [3] El-Wakil, M. M., Powerplant Technology, McGraw-Hill, Inc., Singapore, 1985. [4] Bharathan, D., Hoo, E., D'Errico, P., An Assesment of The Use of Direct Contact Condensers with Wet Cooling Systems for Utility Steam Power Plants, National Renewable Energy Laboratory, Colorado, 1992. [5] G.F. Hewitt, G. S., Process Heat Transfer, Begell House, Inc., New York, 2000. [6] Lee, H., Kim, M., Park, S., The Effect of Non-Condensable Gas on Direct Contact Condensation of Stream/Air Mixture, Journal of the Korean Nuclear Society, (2001) 585595. [7] Mahood, H. B., Sharif, A. O., Al-Aibi, S., Hawkins, D., Thorpe, R., Analytical Solution and Experimental Measurements for Temperature Distribution Prediction of Three-Phase Direct-Contact Condenser, Energy, (2014) 538-547. [8] WWF, Igniting the Ring of Fire, WWF, Indonesia, 2012.

Gambar 5. Kontur kecepatan uap menuju kondensor Selanjutnya dengan mengambil hasil simulasi pada bagian outlet (pressure outlet) maka didapat persebaran kontur kecepatan vs posisi seperti diperlihatkan pada gambar 6. Dari data outlet maka dapat dinyatakan bahwa aliran yang akan dihasilkan merupakan fully development. Dimana perbedaan kecepatan yang terjadi ditinjau dari posisi sangat kecil.

Gambar 6. Kontur kecepatan uap menuju kondensor KE-62


[9] Michaelides, E., The Influence of Noncondensable Gases on the Net Work Produced by the Geothermal Steam Power Plants, Geothermics, (1982)136-174. [10] Gokcen, G., Yildirim, N., Effect of Noncondensable Gases on Geothermal Power Case Study: Kizildere Geothermal Power Plant-Turkey, International Journal of Exergy, (2008) 684–695. [11] Ozcan, N., Modelling, Simulation and Optimalization of Flashed-Steam Geothermal Power Plants from the Point of View Non Condensable Gas Removal System, Izmir Insitute of Technology, Izmir, 2010. [12] Lekic, A., Ford, J. D., Direct Contact Condensation of Vapour on A Spray of Subcooled Liquid Droplets, Int. J. Heat Mass Transfer, (1980)1531-1537. [13] Celata, G. P., Cumo, M., D'Annibale, F., Farello, G. E., Direct Contact Condensation of Steam on Droplets, International Journal Multiphase Flow, (1991)191-211. [14] Bontozoglou, V., Karabelas, A. J., Direct-Contact Steam Condensation with

Simultaneous Noncondensable Gas Absorption, AIChE Journal, (1995)241-250. [15] Wahyuningsih, R., Sitorus, K., Pengawasan Eksplorasi dan Eksploitasi Lapangan Panas Bumi yang Telah Beroperasi, Direktorat Inventarisasi Sumber Daya Mineral, Jakarta, 2005. [16] Sulistyardi, H. B., Basic Design of Lumut Balai 2x55 MW Geothermal Power Plant, Indonesia, United Nations University, Reykjavik, Iceland (2010) [17] Swandaru, R. B. (2006). Thermodynamic Analysis of Preliminary Design of Power Plant unit I Patuha, West Java, Indonesia. Reykjavik, Iceland: The United Nations University. [18] Siregar, P. H. (2004). Optimization of Electrical Power Production Process for the Sibayak Geothermal Field, Indonesia. Iceland: The United Nations University. [19] ANSYS Fluent 15.0 User’s Guide, 2015.

KE-62

Perancangan Perangkat Eksperimen Kondensasi Kontak Langsung dengan Keberadaan Non Condensable Gas

Recommend Documents