paper instructions

IATMI 2005-10
PROSIDING, Simposium Nasional Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia (IATMI) 2005
Institut Teknologi Bandung (ITB), Bandung, 16-18 November 2005.
OPTIMISASI TEBAL INSULATOR UNTUK
MEMINIMUMKAN KEHILANGAN PANAS DAN BIAYA INVESTASI PIPA
PADA LAPANGAN PANAS BUMI
Ali Ashat; Research Consortium OPPINET ITB
Harry Budiharjo S.; Departemen Teknik Perminyakan UPN
Septoratno Siregar; Departemen Teknik Perminyakan ITB
Eko Agung Bramantyo; PERTAMINA Kamojang
Kristiana Nurhayati; Research Consortium OPPINET ITB
ABSTRAK
PENDAHULUAN
Pada proses produksi uap di lapangan panas
bumi, uap yang mengalir mulai dari sumur, pipa,
turbin sampai dengan power plant akan
mengalami kehilangan panas. Kehilangan panas
yang
terjadi
ini
dapat
mengakibatkan
berkurangnya tekanan dalam pipa sehingga
dapat mengurangi effisiensi dari turbin. Salah
satu cara untuk mengurangi panas yang hilang
adalah pemasangan insulator pada pipa.
Semakin tebal insulator maka panas yang hilang
akan semakin sedikit. Tetapi semakin tebal
insulator maka biaya yang dikeluarkan untuk
investasi akan semakin besar.
Ketika uap mengalir dalam pipa, uap akan
mengalami kehilangan panas. Kehilangan panas
ini terjadi karena adanya perbedaan temperatur
uap yang mengalir dan temperatur udara luar
sehingga akan
terjadi perpindahan panas dari dalam pipa ke
luar. Perpindahan panas yang terjadi ini, selain
akan dapat mengakibatkan temperatur uap
turun yang akhirnya akan dapat berada di
bawah temperatur saturasi dan uap akan
berubah phase menjadi air, yang biasa disebut
kondensasi, juga mengakibatkan berkurangnya
tekanan dalam pipa sehingga menurunkan
efisiensi turbin.
Dalam paper ini, kami mencoba melakukan
optimisasi diameter pipa khususnya pipa dari
kepala sumur menuju turbin dan tebal insulator
untuk mengurangi kehilangan panas dan
meminimumkan
biaya
yang
dikeluarkan.
Batasan yang digunakan adalah kecepatan fluida
dan temperatur dinding pipa. Kecepatan fluida
yang mengalir harus berada dalam rentang
batas kecepatan minimum dan maksimum fluida
yang ditentukan sedangkan temperatur dinding
harus berada pada batas yang aman bagi
lingkungan. Pada paper ini juga akan disajikan
perbandingan penggunaan pipa tanpa insulator
dan pipa dengan insulator. Proses optimisasi
diselesaikan dengan menggunakan metode
heuristic, dengan metoda ini diperoleh diameter
pipa dan tebal insulator yang memenuhi
batasan-batasan
di
atas
tetapi
dapat
mengurangi kehilangan panas yang terjadi dan
meminimumkan biaya yang dikeluarkan secara
signifikan.
Kehilangan panas yang terjadi dalam pipa tidak
dapat dihilangkan, akan tetapi dapat diperkecil.
Hal ini dapat dilakukan dengan mempergunakan
insulator yang di pasang pada bagian luar pipa,
untuk menghambat perpindahan panas dari
dalam pipa ke luar pipa. Pada prinsipnya,
semakin tebal insulator yang dipasang pada pipa
maka akan semakin sedikit panas yang hilang,
tetapi biaya yang dikeluarkan akan semakin
besar dan tidak ekonomis.
Jika dilihat dari segi biaya, semakin tipis
insulator yang dipasang pada pipa maka biaya
yang dikeluarkan akan semakin murah, tetapi
prinsip ini tidak memperhatikan segi keamanan
lingkungan, dimana semakin tipis tebal insulator,
semakin banyak perpindahan panas yang terjadi
dan temperatur dinding pipa akan semakin
tinggi dan tidak aman bagi lingkungan.
1
Pada paper ini, ketebalan insulator yang dipakai
merupakan ketebalan insulator yang paling
optimum. Optimum disini berarti tebal insulator
tersebut menghasilkan biaya yang paling
ekonomis
tetapi
juga
memperhatikan
keselamatan pekerja dan masyarakat, dengan
mempertimbangkan temperatur dinding luar
pipa (dinding insulator bagian luar) di bawah 40
o
C.
dimana:
C=
(2)
( Nu * ka * 1000 )
h0 =
d 01
(3)
Berikut adalah diagram perambatan panas pada
pipa panas bumi:
r1
r2
r3
Dalam perhitungan ini, hi (internal thermal
coefficient) mempunyai nilai yang sangai besar,
1
sehingga komponen
akan mempunyai
hi * ri
harga yang sangat kecil dibandingkan dengan
komponen yang lain, sehingga nilai total
kehilanagn panas yang terjadi tidak akan
berubah banyak, dan untuk selanjutnya
komponen tersebut dapat di abaikan.
r4
Cladding
in
out
hi
Formula energi yang hilang dikonversi menjadi
biaya
yang hilang, diperoleh formula sebagai berikut:
,
f loss = hrg steam * 356 * 24 * 0.1 * Q * 0.001
(4)
ho
Heat
transfer
flow
Pipa
2*π
⎛r ⎞
⎛ r3 ⎞
⎛ r2 ⎞
ln⎜⎜ ⎟⎟ ln⎜⎜ ⎟⎟ ln⎜⎜ 4 ⎟⎟
1
⎝ r1 ⎠ + ⎝ r2 ⎠ + ⎝ r3 ⎠ + 1
hi * r1 k p
ki
kc
h0 * r4
Insulator
dan dalam net present value diperoleh:
f loss
(5)
NPVloss =
(ir + 1)n
Gambar. 1. Perambatan Panas Pada Pipa dan
Insulator
(ir + 1)n − 1
Selain melakukan perhitungan untuk mencari
tebal insulator yang paling optimum, kami juga
mencari diameter dalam pipa yang paling
optimum. Hal ini diperlukan dalam mendesain
pipa. Perhitungan diameter dalam pipa dan tebal
insulator dilakukan secara simultan, sehingga
diperoleh pipa dengan diameter sekaligus tebal
insulator yang paling optimum.
Sedangkan untuk biaya investasi, biaya yang
dikeluarkan adalah biaya untuk investasi pipa,
insulator
dan
cladding:
f inv =
(hrg
pipa
)
* jmlh pipa + (hrg ins * jmlh ins ) + (hrg clad * jmlh clad
METODE
(6)
Metode yang digunakan untuk mencari diameter
dalam pipa dan tebal insulator optimum adalah
metode heuristik.
dan dalam net present value diperoleh:
NPVinv = f inv
(7)
Formula yang dipakai untuk menghitung energi
panas yang hilang adalah:
Q = C * (Ti − Ta )
(1)
2
)
dimana:
jmlh pipa =
(
(
( (
⎛ π * d pipa 2 − d pipa − 2 * d pipa − din pipa
⎜
⎜
4
⎝
jmlhins =
(
))) )⎞⎟
π * (d pipa + (2 * hins )) − d pipa
(
jmlhclad = π * d pipa
2
2
⎟
⎠
2
4
+ 2 * hins * l .
(
Temperatur Udara
Temperatur Fluida
Kecepatan fluida
Kecepatan Angin
Panjang Pipa
Diameter Luar Pipa
Jenis Pipa
Harga Pipa
Jenis Insulator
(CaSiO4)
Harga Insulator
Jenis Cladding
Tebal Cladding
Haga Cladding
Harga Uap
Banyaknya Tahun
Suku Bunga
))
)
* l * ρ pipa
(8)
*l
(9)
(10)
Fungsi objektifnya merupakan fungsi biaya
dalam bentuk net present value yang terdiri dari
biaya kehilangan panas dan biaya yang
dikeluarkan untuk investasi, yaitu:
NPVtotal = NPVloss + NPVinv
:
:
:
:
:
:
:
800 US$/m3
Al Sheet
0.0008 m
30 US$/m2
0.037 US$/kWh
30
0.1
Dengan menggunakan perhitungan yang sudah
dijelaskan di atas diperoleh diameter dalam =
0.268 m dan tebal insulator = 0.05 m. Dengan
diameter dalam dan tebal insulator yang
dihasilkan, diperoleh temperature luar pipa
adalah 33.92 C. Temperatur ini masih sesuai
dengan standar temperatur yang aman bagi
lingkungan.
(11)
Batasan-batasan yang digunakan dalam proses
optimasi ini adalah kecepatan fluida dalam pipa
dan temperature dinding luar pipa. Untuk
batasan kecepatan fluida, dibagi kedalam jenis
fluida yang mengalir dalam pipa yaitu satu fasa
uap atau air dan dua fasa yaitu uap dan air.
Untuk aliran satu fasa air, kecepatan
minimumnya 2 m/s dan maksimumnya 6 m/s,
sedangkan untuk aliran satu fasa uap,
kecepatan
minmumnya
30
m/s
dan
maksimumnya 60 m/s. Untuk aliran dua fasa,
kecepatan fluidanya berada pada 6 m/s – 30
m/s. Temperatur dinding luar pipa merupakan
batasan yang sangat penting dalam proses
optimasi ini, karena jika temperature tersebut
terlalu tinggi akan berbahaya bagi lingkungan.
Temperatur dinding luar pipa maksimum yang
diperbolaehkan adalah 40 oC.
Berikut adalah perbandingan total kehilangan
panas antara pipa yang menggunakan insulator
dan tanpa menggunakan insulator:
Panas yang
hilang (W/m)
Dengan
Insulator
121.747
Tanpa
Insulator
1015.487
KESIMPULAN
Kehilangan panas yang terjadi dalam proses
produksi uap di lapangan panas bumi
merupakan permasalah yang paling mendasar.
Dengan memasang insulator pada pipa,
kehilangan panas tersebut dapat dikurangi.
Pemasangan insulator dapat menghambat
perpindahan panas dari dalam pipa ke udara
luar sehingga temperatur dan tekanan dalam
pipa bisa terjaga dan temperatur di luar pipa
(dinding luar) tidak terlalu tinggi dan aman bagi
lingkungan sekitar.
Fungsi objektif di atas akan dioptimasi dengan
menggunakan metode heuristik dan dengan
memperhatikan batasan-batasan yang ada,
sehingga diperoleh diameter dalam pipa dan
tebal insulator yang menybabkan fungsi
objektifnya bernilai paling minimum.
PERHITUNGAN
Berikut adalah data-data masukan yang akan
digunakan dalam perhitungan, data-data ini
diambil dari salah satu lapangan panas bumi di
PERTAMINA Kamojang.
Tekanan
Entalpi
: 17 oC
: 198.3 oC
: 60.48 kg/sec
: 1.1 m/s
: 100 m
: 0.273 m
: Carbon Steel (API-5L)
: 0.7266 US$/kg
:
Calcium
Silikat
Dari hasil perhitungan optimasi, diperoleh
diametr dalam dan tebal insulator yang
memberikan biaya total (biaya akibat kehilangan
panas dan biaya investasi) yang paling minimum
: 15 bar abs
: 2779 kJ/kg
3
jmlhins
= jumlah insulator (m3)
jmlh pipa
= jumlah pipa (kg)
hrg cladding
= harga cladding (US$/m2)
tetapi masih memenuhi batasan-batasan yang
ada yaitu kecepatan maksimum fluida dalam
pipa dan aman bagi lingkungan karena
temperatur dinding pipa yang dihasilkan kurang
dari 40 oC.
NOMENKLATUR
hrg ins
= harga insulator (US$/m3)
Q = energi panas yang hilang (J/s)
hrg pipa
= harga pipa (US$/kg)
f loss
= fungsi kehilangan panas
f inv
= fungsi biaya investasi
l = panjang pipa (m)
o
Ti = temperatur dalam pipa ( C)
Ta = temperatur udara luar (oC)
NPVloss
2
hi = internal heat transfer coefficient (W/m K)
=
net
present
value
dari
biaya
value
dari
biaya
kehilangan panas
2
h0 = external heat transfer coefficient (W/m K)
NPVinv
r1 = jari-jari dalam dinding dalam pipa (m)
investasi
=
net
present
r2 = jari-jari dinding luar pipa (m)
NPVtotal = net present value total (biaya
r3 = jari-jari bagian luar insulator (m)
kehilangan
r4 = jari-jari bagian luar cladding (m)
panas
dan
biaya
investasi)
k c = konduktivitas termal cladding (W/mK)
k i = konduktivitas termal insulator (W/mK)
REFERENCES
k p = konduktivitas termal pipa (W/mK)
Ashat, Mochamat A, ”Pembuatan Simulator
d pipa
Perhitungan
Kehilangan
Tekanan
Fluida
PanasBumi Pada Pipa Alir Dua Fasa”, Tugas
= diameter pipa (m)
Akhir, Teknik Perminyakan ITB, 1997
din pipa = diameter dalam pipa (m)
Saptadji, Nenny M, ”Perhitungan Tekanan,
Temperatur dan Kualitas Uap di Pipa Alir Uap
yang Dilengkapi dengan Perangkat Pembuang
Teknik
Kondensat
(Condensate
Trap)”s,
d 01 = diameter luar pipa, pipa dan insulator
(m)
Nu = Nusset Number
Perminyakan ITB, 1997
ka = konduktivitas termal udara (W/mK)
Pramudiohadi, Eko W, ”Optimasi Pipa Salur
Fluida Panas Bumi Untuk Reservoar Dominasi
Air”, Tesis Magister, Teknik Perminyakan ITB,
i = banyaknya tahun
1999
r = suku bunga
jmlhcladding = jumlah cladding (m2)
4