economizer boiler

MODUL 5 TERMODINAMIKA TERAPAN IR.YURIADI KUSUMA M.Sc.

MODUL 5

Heat Recovery Steam Generator

HRSG (Heat Recovery Steam Generator) adalah ketel uap atau boiler yang memanfaatkan energi panas sisa gas buang suatu unit turbin gas untuk memanaskan air dan mengubahnya menjadi uap, dan kemudian uap tersebut dipergunakan untuk menggerakkan turbin uap. Pada umumnya boiler HRSG tidak dilengkapi pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar, sehingga tidak terjadi proses perpindahan/penyerapan panas radiasi. Proses perpindahan/penyerapan yang terjadi hanyalah proses konveksi dan konduksi dari gas buang turbin gas ke dalam air yang akan di proses menjadi uap melalui elemen-elemen pemanas di dalam ruang boiler HRSG.

Gbr.1 Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU)

Boiler HRSG sangat bermanfaat untuk meningkatkan hasil guna (efisiensi) bahan bakar yang dipakai pada unit turbin gas, yang selanjutnya akan menggerakkan unit turbin uap. Sistem pembangkit listrik yang memanfatkan proses ini disebut Pusat Listrik tenaga Gas dan Uap (PLTGU) atau unit pembangkit siklus kombinasi CCPP (Combined Cycle Power Plant). Boiler HRSG adalah bagian penting PLTGU. Dimana unit pembangkit PLTGU disebut juga Blok PLTGU. Siklus Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) adalah gabungan siklus Brayton turbin gas dan siklus Rankine turbin uap. Boiler HRSG merupakan bagian dari siklus Rankine.

Termodinamika TerapanIr. Yuriadi Kusuma, M.Sc.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘12 1


Gbr 2. Diagram PLTGU dengan HRSG Single Pressure



‘12 2


Gbr 3. Diagram T-S PLTGU

Diagram T-S yang menggambarkan keseluruhan proses ditunjukkan pada Gambar 2.2. Diagram I menyatakan daur Brayton untuk turbin gas dan diagram II menyatakan daur Rankine untuk turbin uap. Kapasitas produksi uap yang dapat dihasilkan HRSG tergantung pada kapasitas energi panas yang masih dikandung gas buang dari unit turbin gas, yang berarti tergantung pada beban unit turbin gas. Pada dasarnya, turbin gas yang beroperasi pada putaran tetap, aliran udara masuk kompresor juga tetap; perubahan beban turbin yang tidak konstan dengan aliran bahan bakar tetap, sehingga suhu gas buang juga berubah-ubah mengikuti perubahan beban turbin gas.



‘12 3


Gbr. 4. Diagram Alir HRSG

Suhu gas buang unit turbin gas tetap konstan diperoleh dengan cara mengatur pembukaan sirip-sirip pemandu aliran udara masuk (IGV, Inlet Guide Vane) guna mengatur laju aliran udara masuk ke kompressor, dimana suhu gas buang sebagai umpan baliknya. Sebagian boiler HRSG dapat dilengkapi dengan pembakaran tambahan untuk meningkatkan kapasitas produksi uapnya; dan sebagian produksi uapnya dapat digunakan untuk keperluan pemanasan aplikasi lainnya (cogeneration). Dengan pembakaran tambahan ini, kestabilan produksi uap HRSG dapat di pertahankan, sehingga kestabilan turbin uap yang menggunakan uap ini dapat dijaga, walaupun beban turbin gas berubah-ubah; dan juga suhu gas buang turbin gas (aliran udara masuk kompressor) tidak harus dijaga tetap konstan (tidak diharuskan pengaturan IGV).



‘12 4


Gbr. 5. Superheater dan Evaporator pada HRSG

Ekonomiser

Ekonomiser terdiri dari pipa-pipa air yang di tempatkan pada lintasan gas asap setelah pipa evaporator. Pipa-pipa ekonomiser dibuat dari bahan baja atau besi tuang yang sanggup untuk menahan panas dan tekanan tinggi. Ekonomiser berfungsi untuk memanaskan air pengisi sebelum memasuki steam drum dan evaporator sehingga proses penguapan lebih ringan dengan memanfaatkan gas buang dari HRSG yang masih tinggi sehingga memperbesar efisiensi HRSG karena dapat memperkecil kerugian panas pada HRSG tersebut. Air yang masuk pada evaporator sudah pada temperatur tinggi sehingga pipa-pipa evaporator tidak mudah rusak karena perbedaan temperatur tidak terlalu tinggi.



‘12 5


Gbr. 6 Susunan Pipa ekonomiser dan evaporator

Preheater

Preheater merupakan pemanas awal air yang dipompakan dari kondensor sebelum masuk tangki air umpan (feed water tank). Pada HRSG preheater bertujuan menaikan suhu sebelum masuk tangki air umpan, yang nantinya akan diteruskan ke ekonomiser. Umumnya preheater ini menempati posisi lintasan gas asap sebelum meninggalkan ketel.

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertama termodinamika ini berbunyi: ”Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.” Hukum termodinamika secara aplikasi di bagi menjadi hukum termodinamika pertama untuk sistem yang tertutup dan hukum termodinamika untuk sistem yang terbuka.

Hukum termodinamika untuk sistem yang tertutup

Pada hukum ini merupakan sistem dimana tidak ada perpindahan massa dari sistem tersebut sehingga fluida selalu berada dalam batas sistem.



‘12 6


Qnet, in – Wnet, out = ΔEsystem.................................................................... 1

di dalam sistem yang terisolasi, energi dalam sistem tetap sama sehingga Q = W = 0. sehingga diperoleh persamaan : Ein – Eout = ΔEsystem ...................................................................................2

Hukum termodinamika untuk sistem yang terbuka

Menurut hukum termodinamika pertama pada suatu sistem :

Atau keseimbangan energinya

Energi yang dapat di tansfer dengan panas, kerja dan massa adalah merupakan keseimbangan dalam keadaan stasioner dan dapat dituliskan

energi pada fluida yang mengalir per unit massa adalah

dengan subtitusi pers. diatas maka

Maka diperoleh persamaan neraca massa

Jika kerja diabaikan Δ= 0 maka .W



‘12 7


Perpindahan Kalor

Perpndahan kalor perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material. Pada termodinamika, energi yang pindah tersebut ialah kalor (heat). Dan sasaran analisis pada perpindahan kalor ini adalah masalah laju perpindahannya. Dan secara umum pada HRSG perpindahan panas yang terjadi ada 3 macam yaitu:

1. Perpindahan kalor konduksi

2. Perpindahan kalor konveksi

3. Perpindahan kalor Radiasi

Dalam hal ini, perpindahan kalor yang digunakan adalah perpindahan kalor konduksi, konveksi dan kombinasi konduksi dan konveksi. Pada ketel HRSG ini tidak menggunakan bahan bakar tambahan dan sumber panas berasal dari gas buang turbin gas. Sehingga tidak menganalisa perpindahan kalor radiasi pada ketel ini.

Perpindahan Kalor Konduksi

Perpindahan kalor konduksi adalah perpindahan panas dari satu bagian benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama tanpa terjadi perpindahan molekul-molekul dari benda padat itu sendiri. Dan persamaan umum yang digunakan dalam perpindahan kalor konduksi ini adalah

Perpindahan Kalor Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi ini adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair ataupun gas). Secara umum persamaan pada perpindahan kalor konveksi ini adalah

dimana Tw merupakan suhu pada benda pada benda padat sedangkan T∞ merupakan suhu dari fluida.. Perpindahan konveki panas terdiri atas dua jenis perpindahan panas. Yakni perpindahan panas konveksi bebas dimana kecepatan udara dianggap tidak ada. Sedangkan untuk udara



‘12 8


yang memiliki aliran merupakan jenis dari konfeksi paksa. Dimana pengaruh tersebut terjadi pada Nuselt Number setiap kondisi berbeda.

Konveksi Bebas

Konvesi bebas yang dikaji pada HRSG ini adalah :

- Pada silinder horizontal

Perkalian antara angka Grashof dan angka Prandtl disebut angka Rayleigh :

Ra = Gr Pr

Dimana angka Rayleigh dapat di hitung :

dimana : Tw = Temperatur permukaan



‘12 9


Turbin

Turbin adalah mesin penggerak yang merubah energi mekanis yang disimpan dalam fluida menjadi energi mekanis rotary dimana energi fluida kerja dipergunakan untuk memutar sudu turbin. Bagian turbin yang berputar dikenal dengan runner dan sudu turbin, sedangkan yang diam disebut dengan rumah turbin. Berikut sistem turbin berdasarkan fluida kerjanya :

Sistem Turbin Uap

Sistem turbin uap atau dalam termodinamika dikenal dengan siklus rankine yang paling sederhana terdiri dari empat komponen yaitu, ketel, turbin, kondensor dan pompa seperti di tunjuk pada gambar 2.8. Ketel berfungsi untuk memanaskan air hingga berubah fase uap panas lanjut, lalu uap dialirkan menuju turbin untuk memutar sudu-sudu turbin sehingga dapat memutar generator yang di kopel dengan turbin. Uap keluar dari turbin mengalami penurunan tekanan dan temperatur langsung masuk ke kondensor untuk pendinginan sehingga fluida berubah fase cair. Lalu fluida menuju pompa untuk dinaikaan tekanan agar sama dengan tekanan boiler.

Gambar 8 Siklus Rankine



‘12 10


Gambar 9 Diagram T-S Turbin Uap

Sesuai dengan gambar 8, maka siklus rankine terdiri dari proses sebagai berikut:

1-2 Proses pemompaan isentropis di dalam pompa 2-3 Proses pemasukan kalor atau pemanasan pada tekanan konstan di dalam ketel 3-4 Proses ekspansi isentropis di dalam turbin atau mesin uap lainnya

4-1 Proses pengeluaran kalor atau pengembunan pada tekanan konstan di dalam kondensor

Dari gambar siklus rankine dan diagram T-S di atas maka akan di ambil asumsi bahwa siklus steady state, energi potensial dan energi kinetik diabaikan maka akan diperoleh persamaan :

Pada boiler dan kondensor tidak ada kerja, sedangkan pada pompa dan turbin diasumsikan terjadi proses isentropik. Dengan menggunakan hukum kekekalan energi bisa didapatkan persamaan dari tiap bagian yaitu :



‘12 11


Effisiensi thermal dari siklus rankine adalah

Sistem Turbin Gas

Turbin gas adalah turbin dengan gas sebagai fluida kerjanya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama yaitu : kompresor, ruang bakar, dan turbin dengan susunan seperti gambar 9. Siklus ideal dari sistem turbin gas sederhana adalah siklus bryton. Prinsip kerja sistem ini adalah udara atmosfir masuk ke dalam kompresor yang berfungsi menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperaturnya akan naik. Kemudian udara bertekanan dan bertemperatur tinggi itu masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara tersebut, sehingga terjadi proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung pada tekanan konstan, sehingga boleh dikatakan bahwa ruang bakar hanyalah digunakan untuk menaikan temperatur udara, oleh karena itu ruang bakar bisa saja diganti dengan sebuah alat pemanas. Gas pembakaran yang bertemperatur tinggi tersebut kemudian masuk ke dalam turbin gas dimana energinya dipergunakan untuk memutar sudu turbin. Sebanyak 60 % dari daya yang dihasilkan turbindigunakan untuk memutar kompresornya sendiri, sisanya digunakan untuk memutar generator.

Gambar 10 Siklus Brayton open cycle



‘12 12


Gambar 11 Diagram T-S siklus Turbin Gas

Sesuai dengan gambar 11, maka siklus bryton terdiri dari proses:

1-2 Proses kompresi isentropic di dalam kompresor 2-3 Proses pemasukan kalor pada tekanan konstan di dalam ruangan bakar atau alat pemindah

kalor. 3-4 Proses ekspansi isentropic di dalam turbin4-1 Proses pembuangan kalor tekanan konstan dalam alat pemindah kalor.

Dari gambar siklus brayton dan diagram T-S diatas maka akan diambil asumsi bahwa siklus steady state, perbedaan energi potensial dan energi kinetik diabaikan karena terlalu kecil, maka akan diperoleh persamaan :

dimana:

sehingga dapat diperoleh effisiensi thermal siklus bryton adalah :



‘12 13


Proses 1-2 dan 3-4 adalah proses isentropik dimana P2 = P1 dan P4 = P1 sehingga :

Persamaan diatas dapat disubtitusikan ke dalam bentuk persamaan efisiensi thermal yang lebih sederhana :



‘12 14

economizer boiler

Documents

Transcript of economizer boiler