prosiding seminar nasional nciet vol.1 (2020) b195-b206 1
TRANSCRIPT
B. 195
RANCANGAN ECONOMIZER PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP
SUPERCRITICAL KAPASITAS 660 MW
Iqbalilah Ramdani*, Ika Yuliyani
Jurusan Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Bandung
Jl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga Kecamatan Parongpong Kabupaten Bandung Barat,
40012 *E-mail: [email protected]
Abstrak
Economizer merupakan salah satu komponen boiler yang berfungsi menaikkan temperatur air
dengan proses perpindahan panas antara air dengan gas buang panas sisa pembakaran boiler.
Proses perpindahan panas terjadi pada permukaan berbentuk tabung sebelum masuk water wall
untuk unit once-through atau supercritical. Perancangan dimensi economizer menggunakan
economizer dengan tipe bare tube dan susunan pipa in-line untuk model pembangkit listrik
tenaga uap supercritical kapasitas 660 MW. Metode perancangan dimulai dengan pembuatan
simulasi sistem pembangkit listrik tenaga uap supercritical menggunakan software basic design
dan dari hasil simulasi sistem pembangkit diperoleh parameter energi yang digunakan pada
proses trial and error dengan menentukan dimensi dan memilih material awal yang
diasumsikan dapat menghasilkan parameter-parameter desain economizer yang sesuai standar.
Hasil rancangan diperoleh dimensi economizer yang memiliki panjang 23.80 m, lebar 20.00 m,
tinggi 1.80 m, diameter luar 0.0508 m, ketebalan pipa 0.00823 m dan jenis material SA-213
T12. Rancangan economizer dapat menaikan temperatur air dari 304.6 oC menjadi 343.5
oC
dengan kalor yang diserap sebesar 129695.45 kJ/s dan kondisi fluida kerja berada pada kondisi
cair bertekanan.
Kata Kunci: economizer; bare tube; in-line; supercritical; coal fired power plant
PENDAHULUAN
Pembangkit listrik tenaga uap merupakan pembangkit listrik yang paling sering
dibangun di Indonesia. Hal ini disebabkan karena Indonesia memiliki kekayaan alam yang
banyak dan salah satunya adalah batu bara. Berdasarkan data rekonsiliasi Kementerian
Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM), menyatakan bahwa sumber daya batu bara
nasional tahun 2018 sekitar 166 miliar ton dan 37 miliar ton cadangan. Teknologi
supercritical boiler ini memiliki nilai thermal efficiency sebesar 38 - 45 % tergantung
design, parameter operasi dan ambient conditions (Rai, et al., 2017).
Pada supercritical boiler, fluida kerja yang berupa air tidak mengalami proses
campuran antara fase cair dan fase uap. Sehingga pada supercritical boiler tidak
Prosiding Seminar Nasional NCIET Vol.1 (2020) B195-B206
1st
National Conference of Industry, Engineering and Technology 2020,
Semarang, Indonesia.
B. 196
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
memerlukan drum untuk memisahkan uap dengan air (Rayaprolu, 2009). Proses perubahan
fase langsung dari cair ke uap pada supercritical boiler dapat terjadi dikarenakan
supercritical boiler dioperasikan pada tekanan dan temperatur yang tinggi. Fluida cair pada
supercritical boiler dipanaskan melalui beberapa pemanas awal untuk memperkecil
kebutuhan kalor dalam proses penguapannya (Rayaprolu, 2009). Pemanas-pemanas awal
tersebut diantaranya adalah LP Heater, HP Heater, deaerator dan economizer.
Economizer merupakan salah satu komponen utama dari boiler yang berfungsi untuk
menaikan temperatur air umpan boiler. Ada beberapa jenis economizer, baik itu
berdasarkan susunan pipanya maupun bentuk pipanya. Salah satu jenis economizer adalah
economizer jenis in-line bare tube. Economizer jenis ini sering dipakai karena
kesederhanaan dan kemudahan dalam operasi dan pemeliharaanya (Dhamangaonkar, et al.,
2013). Economizer yang digunakan pada supercritical power plant harus mampu
beroperasi pada tekanan dan temperatur yang sangat tinggi, namun kondisi fluida kerja
harus tetap dalam kondisi cair. Sehingga perancangan economizer harus dibuat sedemikian
rupa sehingga dapat bekerja sebagaimana mestinya. Untuk itulah penulis merancang
economizer untuk pembangkit listrik tenaga uap supercritical kapasitas 660 MW.
METODE PENELITIAN
Tahapan rancangan untuk in-line bare tube economizer pada PLTU supercritical
kapasitas 660 MW, dimulai dengan proses simulasi supercritical power plant dengan
Gambar 1. Diagram alir rancangan in-line bare tube economizer
B. 197
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
bantuan perangkat lunak basic design satu sistem PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap),
jika hasil simulasi didapatkan net power = 660 MW dan 22,1 MPa < Tekanan Operasi < 30
MPa maka didapatkan data simulasi basic design untuk sistem PLTU supercritical. Jika
tidak maka proses simulasi diulang. Setelah didapatkan data basic design kemudian
dilakukan proses trial and error perancangan dengan menentukan dimensi dan memilih
material awal yang diasumsikan dapat menghasilkan parameter-parameter desain
economizer sesuai dengan standar yang dipakai. Standar berupa batasan nilai kecepatan air
(vw), kecepatan maksimum gas buang (vgmax), tebal pipa (t), dan stress material (Sr). Jika
didapat hasil (0.8 < kecepatan air (vw) < 6) m/s ; kecepatan maximum gas buang (vgmax) ≤
15 m/s ; (0 ≤ % Error ≤ 5) % ; tebal pipa (t) > tebal minimum pipa (tmin) dan stress
material ( ) < allowable stress material ( ) maka asumsi dimensi dan material yang
sebelumnya ditentukan dapat diterima (trial and error selesai). Jika tidak, proses asumsi
diulang. Setelah didapat dimensi dan material economizer maka dilakukan proses gambar
desain economizer. Setelah itu dilakukan proses analisis sehingga didapatkan laporan hasil
rancangan.
Simulasi Supercritical Power Plant
Data yang dimasukan untuk merancang sistem pembangkit listrik tenaga uap ini
bersumber dari manual book supercritical power plant yang sudah ada.
Tabel 1. Data masukan software basic design
No Data Input Jumlah Satuan
1 Conventional boiler 1 unit
2 Output (net power) 660 MW
3 Konfigurasi turbin uap Single reheat
4 Frekuensi generator 50 Hz
5 Temperatur ambient 27 oC
6 Humidity 80 %
7 Altitude 2.5 m
8 Jenis pendingin Once through open loop water
cooling
9 Temperatur air make up 24 oC
10 Temperatur air pendingin 25 oC
B. 198
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
No Data Input Jumlah Satuan
11 Bahan bakar Batubara Design Coal Kalimantan
Timur
12 Tekanan steam masuk HPT 254 bar
13 Temperatur steam masuk HPT 571 oC
14 Tekanan steam masuk IPT 42.74 bar
15 Temperatur steam masuk IPT 569 oC
16 Jumlah FWH 8 unit
17 Efisiensi Generator 98.85 %
18 Efisiensi Boiler feed pump 90 %
Proses Perhitungan Metode Trial and Error
Kapasitas Kalor pada Economizer
Kapasitas kalor pada economizer digunakan sebagai acuan laju kalor rencana dalam
perancangan. Nilainya berdasarkan hasil simulasi software basic design yang dapat
dihitung dengan persamaan (Moran, et al., 2011)
(1)
Keterangan:
= Laju kalor rencana yang diserap economizer (kW)
= entalpi air keluar economizer (kJ/kg)
= entalpi air masuk economizer (kJ/kg)
= laju massa air (kg/s)
Perhitungan Perpindahan Panas
Laju kalor pada economizer antara flue gas dengan pipa-pipa economizer yang berisi
air dinyatakan dalam persamaan (Bergman, et al., 2011).
(2)
Keterangan:
= laju Perpindahan Panas yang diserap oleh economizer (kW)
At = luas perpindahan panas total (m2)
U = koefisien perpindahan panas menyeluruh (kJ/s m2 o
C)
F = faktor koreksi perpindahan panas
= log mean temperature different (°C)
B. 199
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Keseluruhan (U)
Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan (3):
(3)
Keterangan:
= koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/ m2 o
C)
= koefisien perpindahan kalor konveksi di luar pipa (W/ m2 o
C)
= koefisien perpindahan kalor konveksi di dalam pipa (W/ m2 o
C)
= koefisien perpindahan kalor radiasi (W/ m2 o
C)
= faktor pengotor bagian luar pipa (m2 o
C / W)
= faktor pengotor bagian dalam pipa (m2 o
C / W)
= konduktivitas termal material pipa (W/ m oC)
= diameter luar pipa (m)
= diameter dalam pipa (m)
Koefisien Perpindahan Panas dalam Pipa Economizer
Koefisien perpindahan panas dalam pipa dapat ditentukan dengan persamaan (4)
(4)
Keterangan:
= koefisien kalor konveksi dalam pipa (W/m2 oC)
= konduktivitas termal air (W/moC)
= diameter dalam pipa (m)
= bilangan nusselt dalam pipa
Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa (h0)
Perhitungan koefisien perpindahan panas di luar pipa dapat dihitung dengan persamaan
(5)
(5)
Keterangan:
= bilangan Nusselt gas buang
kg = konduktivitas termal gas buang (W/moC)
= diameter luar pipa (m)
B. 200
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
Koefisien Perpindahan Panas Radiasi (hr)
(6)
Keterangan:
= koefisien perpindahan panas radiasi
= emisivitas total
= konstanta =
= temperatur gas masuk
= temperatur gas keluar
Pengecekan
Hasil hitungan laju kalor secara desain kemudian dibandingkan dengan laju kalor
rencana untuk mencari persentase kesalahan atau error dalam perancangan ini berdasarkan
persamaan (7).
(7)
Keterangan:
= persentase kesalahan (%)
= Laju kalor rencana (kJ/s)
= Laju kalor desain (kJ/s)
Evaluasi Pemilihan Dimensi dan Material
Pemilihan dimensi yang berhubungan langsung dengan kekuatan material adalah
dimensi tebal pipa economizer yang digunakan. Ketebalan minimum pipa berhubungan
dengan kondisi fluida di bagian dalam dan bagian luar pipa. Apabila tebal yang ditentukan
pada perancangan lebih besar dari tebal minimum maka hasil rancangan dikatakan aman.
(8)
(9)
Keterangan:
= tebal pipa minimum (m)
= tekanan maksimal (1.2 x tekanan operasi) (bar)
= tekanan operasi rancangan (bar)
B. 201
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
= diameter luar pipa (m)
= allowable stress material (bar)
= stress material kondisi rancangan (Pa)
= tebal pipa rancangan (m)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Rancangan economizer dapat menaikan temperatur air dari 304.6 oC menjadi 343.5
oC
dengan kalor yang diserap oleh air sebesar 129695.45 kJ/s. Berikut hasil perancangan
economizer pada gambar 2 dengan detail seperti pada data di tabel 2.
Tabel 2. Hasil Rancangan Economizer
Klasifikasi Rancangan
Klasifikasi Rancangan Economizer Keterangan
Desain Counter flow -
Konstruksi In-line -
Bare tube -
Gambar 2. Hasil rancangan in-line bare tube economizer
B. 202
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
Horizontal -
Material SA-213 T12 -
Parameter Awal
Parameter Awal Economizer Satuan
Diameter luar tube (do) 0.0508 m
Ketebalan tube (t) 0.00823 m
Diameter dalam tube (di) 0.0343 m
Hasil Perhitungan Laju kalor rencana (Q plan)
Laju kalor rencana (Q plan) Economizer Satuan
Laju kalor rencana (Q plan) 129413.68 kJ/s
Hasil Perhitungan Laju Kalor Desain (Q design)
Dimensi Hasil Trial and Error Economizer Satuan
Panjang (L1) 23.80 m
Tinggi (L2) 1.80 m
Lebar (L3) 20.00 m
Jarak antara pusat dua pipa sebaris (Pt) 0.100 m
Jarak antara pusat dua pipa arah vertikal (Pl) 0.100 m
Jumlah pipa per baris (Nb) 200 pipa/baris
Jumlah pipa total (Nt) 3600 pipa
Jumlah pipa per loop 1 pipa/loop
Jumlah Laluan (Z) 18 laluan
Konveksi di dalam pipa economizer Economizer Satuan
Luas area aliran minimum pipa (Ai) 0.18523 m2
Kecepatan aliran air (vw) 4.5 m/s
Bilangan Reynold (Re) 1296796.19 -
Bilangan prandtl (Pr w) 0.858 -
Faktor gesekan dalam pipa (fin) 0.01 -
Bilangan Nusselt (Nu i) 1621.05 -
Koefisien perpindahan panas bagian dalam pipa
(hi) 25762.02 W/m
2.K
Konveksi di luar pipa economizer Economizer Satuan
empe at e ata- ata as b a ( g) 431.75 oC
B. 203
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
Luas area aliran minimum di luar pipa (Ao) 234.19 m2
Kecepatan aliran gas di luar pipa (vg) 6.7 m/s
Kecepatan maksimum gas (vg max) 13.5 m/s
Bilangan Reynolds (Red max) 10731.92 -
Bilangan Prandtl gas buang (Prg) 0.7576 -
Temperatur permukaan pipa bagian dalam
Economizer (Tsi) 343.50
oC
Temperatur permukaan pipa bagian luar
Economizer (Tso) 346.47
oC
Bilangan Prandtl gas buang pada Tso (Prs) 0.7509 -
Bilangan Nusselt luar pipa (Nu o) 84.77 -
Koefisien perpindahan panas bagian luar pipa
(ho) 83.15 W/m
2.K
Radiasi pada pipa economizer Economizer Satuan
Panjang berkas rata-rata (L) 0.556 ft
Tekanan parsial CO2 (P CO2) 0.1364 atm
Tekanan parsial H2O (P H2O) 0.1604 atm
P CO2 x L 0.076 atm ft
P H2O x L 0.089 atm ft
Emisivitas CO2 (ϵ CO2) 0.12 -
Emisivitas H2O (ϵ H2O) 0.25 -
Faktor koreksi emisivitas campuran CO2 dan
H2O (ϵerror) 0.021 -
L (P CO2+ P H2O) 0.17 -
P H2O / (P CO2 + P H2O) 0.54 -
Emisivitas total (ϵtotal) 0.35 -
Koefisien perpindahan panas radiasi (hr) 27.98 W/m2.K
Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (U) Economizer Satuan
Koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) 95.60 W/m2.K
Luasan permukaan perpindahan panas total
secara desain (At) Economizer Satuan
Luasan permukaan perpindahan panas total 13673.92 m2
B. 204
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
secara desain (At)
LMTD Economizer Satuan
Δ LMTD 99.21 oC
Faktor koreksi perpindahan panas (F) Economizer Satuan
P 0.71
R 0.28
Faktor koreksi perpindahan panas (F) 1
Laju kalor desain (Q design) Economizer Satuan
Laju kalor desain (Q design) 129695.45 kJ/s
Pengecekan (% Error) Economizer Satuan
Laju kalor rencana (Q plan) 129413.68 kJ/s
Laju kalor desain (Q design) 129695.45 kJ/s
% Error 0.22 %
Evaluasi Pemilihan Dimensi dan Material
Evaluasi ketebalan pipa Economizer Keterangan
Tebal minimum pipa(tmin) 0.00790 m
Ketebalan pipa rancangan (t) 0.00823 m
Evaluasi ketebalan pipa t > tmin Aman
Evaluasi pemilihan jenis material Economizer Keterangan
Stress Material pada kondisi rancangan (Sr) 13.6 ksi
allowable stress material untuk SA-213 T12 (S) 14.8 ksi
Evaluasi pemilihan jenis material Sr < S Aman
Penurunan Tekanan pada Pipa Economizer
Penurunan tekanan pada bagian dalam pipa Economizer Satuan
Faktor gesekan bagian dalam pipa (fin) 0.01 -
Pe a teka a ba ia dalam pipa(∆Pi) 10.05 bar
Penurunan tekanan pada bagian luar pipa Economizer Satuan
PT 1.97 -
PL 1.97 -
Faktor gesekan bagian luar pipa (fout) 0.28 -
(PT-1)/(PL-1) 1.00 -
X 1 -
B. 205
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
Pe a teka a pada ba ia l a pipa (∆Po) 0.0023 bar
Berdasarkan gambar 3 dapat diamati bahwa fluida kerja di dalam economizer yang
dirancang berada di luar kubah sebelah kiri (kondisi cair) dan fase fluidanya adalah
compressed liquid. Hal ini menunjukan bahwa economizer yang dirancang dapat bekerja
baik untuk teknologi supercritical boiler pada PLTU kapasitas 660 MW dan kondisi fluida
tetap pada kondisi cair bertekanan.
KESIMPULAN
Rancangan economizer berjenis bare tube dengan susunan pipa in-line untuk
pembangkit listrik tenaga uap supercritical kapasitas 660 MW dapat diperoleh dengan
perancangan metode trial and error dengan pendekatan teoritis. Hasil evaluasi dimensi dan
material aman. Berdasarkan Area kerja economizer pada diagram T-s didapatkan kondisi
fluida kerja berada di luar kubah sebelah kiri (kondisi cair) dan fase fluidanya adalah
compressed liquid.
Gambar 3. Diagram T-s fluida kerja pada economizer
B. 206
Iqbalilah Ramdani, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B195-B206
DAFTAR PUSTAKA
Bergman, Incropera, DeWitt, & Lavine. (2011). Fundamentals of Heat and Mass Transfer.
John Wiley & Sons, Inc.
Dhamangaonkar, P. R., Pansare, S., Deshmukh, A., & Nandgaonkar, M. R. (2013). Design
and Computational Validation of In-line Bare Tube Economizer for 210 MW
Pulverized Coal Fired Boiler.
Holman, J. P. (2010). Heat Transfer. New York: McGraw-Hill.
Increase Performance Inc. (2010). Fluegas Properties Calculator. Dipetik March 6, 2020,
dari http://www.increase-performance.com/calc-flue-gas-prop.html
Lienhard IV, J. H., & Lienhard V, J. H. (2008). A Heat Transfer Textbook (Vol. III). USA:
PHLOGISTON PRESS.
Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2011). Fundamentals of
Engineering Thermodynamics 7th Edition. John Wiley & Sons, Inc.
Rai, A. K., Pandey, M., & Baredar, P. (2017). Super Critical Thermal Power Plant Boiler
Efficiency Calculation Using Imported Coal . IV(9).
Rayaprolu, K. (2009). Boiler for Power and Process. New York: CRC Press.
The Babcock & Wilcox Company. (2005). Steam/its generation and use 41st edition.
United States: The Babcock & Wilcox Company.
Thulukkanam, K. (2013). Heat Exchanger Design Handbook 2nd Edition. United
Kingdom: Taylor & Francis Group.