Analisa Energi, Exergi dan Optimasi pada Pembangkit Listrik

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Analisa Energi, Exergi dan Optimasi pada Pembangkit Listrik Tenaga
Uap Super Kritikal 660 MW
Nasruddin*, Pujo Satrio
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Kampus UI Depok 16424 Indonesia
[email protected]
Abstrak
Paper ini menganalisis energi, exergi dan optimasi energi pada pembangkit listrik tenaga uap super
kritikal 660 MW dengan bahan bakar batu bara. Analisa dan optimasi pada pembangkit listrik
tenaga uap super kritikal ini dilakukan dengan mengembangkan sebuah model matematika yang
diterapkan pada pembangkit listrik di Indonesia. Simulasi menggunakan Engineering Equation
Solver (EES) dilakukan untuk mendapatkan kondisi yang paling optimum dari pembangkit yang
didasari pada hukum termodinamika. Kerugian energy dan exergi pada komponen-komponen
pembangkit seperti pada boiler, turbin tekanan tinggi, turbin tekanan menengah, turbin tekanan
rendah, kondenser, pemanas bertekanan rendah dan pemanas bertekanan tinggi telah dikalkulasi.
Hasilnya adalah kerugian energi terbesar terdapat pada boiler dibandingkan dengan komponen lain
yang berada pada pembangkit. Pembangkit ini bekerja pada beban 660MW dengan kondisi desain
tekanan sebesar 250,1 bar dan laju aliran massa 590,8 kg/s. Optimasi energi dilakukan dengan
memvariasikan tekanan dan laju aliran massa keluar dari boiler. Hasil simulasi menunjukkan bahwa
terjadi peningkatan efisiensi termal pada tekanan 239 bar dan laju aliran massa 564,8 kg/s dengan
beban sebesar 631 MW menghasilkan efisiensi termal terbesar yaitu 37,41%.
Kata kunci : Super kritikal, Exergi, Optimasi Energi, PLTU, Efisiensi
untuk
mengidentifikasi
sumber
ketidakefisienan, menentukan lokasinya dan
besarnya kerugian exergi yang terjadi. Selain
itu, hal lain yang perlu diperhatikan adalah
menentukan kondisi kerja pembangkit yang
paling optimal agar dapat mencapai nilai
efisiensi paling tinggi.
Adibhatla et al. [1] telah menjelaskan
analisa energi dan exergi dari pembangkit
super kritikal 660 MW yang ada di India.
Mereka menghitung kerugian exergi yang ada
pada setiap komponen pembangkit dan
membandingkan dengan beban kerja yang
berbeda.
Pambudi et al. [2] telah melakukan analisa
exergi dan optimasi pada sebuah pembangkit
geotermal dengan menggunakan software
Engineering Equation Solver yang didasari
pada hukum-hukum termodinaika.
Kaushik et al. [3] menjelaskan metodologi
secara detail dalam melakukan analisa energi
dan exergi pada komponen utama dari
pembangkit termal dan dapat ditarik
Pendahuluan
Pembangkit Listrik Tenaga Uap adalah
jenis pembangkit listrik tenaga thermal yang
banyak digunakan di Indonesia karena
penggunaanya yang praktis dan bahan
bakarnya
mudah
didapat
sehingga
pembangkit jenis ini menjadi pilihan utama.
Pembangkit listrik yang ekonomis dengan
menggunakan bahan bakar fosil kini telah
menjadi tantangan terbesar bagi industri
pembangkit listrik. Terus meningkatnya harga
bahan bakar fosil dikarenakan terbatasnya
sumber daya menjadi faktor utama dari
peningkatan
biaya
untuk
operasional
pembangkit listrik. Munculnya pembangkit
super kritikal yang meningkatan efisiensi
dapat
mengurangi
biaya
untuk
membangkitkan listrik.
Analisa energi dan exergi berdasarkan
hukum pertama dan kedua termodinamika
digunakan untuk menganalisa system thermal
dari pembangkit ini. Hal ini dapat
diaplikasikan pada pembangkit listrik thermal
KE-71
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
kesimpulan bahwa jumlah kerugian exergi
terbesar yaitu berasal dari boiler.
pompa ekstraksi kondensat (PEK), pemanas
tekanan rendah
(PTR) dan pemanas tekanan tinggi (PTT)
seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Deskripsi skematik dari pembangkit listrik super kritikal 660 MW
Pada paper ini, analisa energi dan exergi
dilakukan pada pembangkit listrik 660 MW
yang menggunakan batu bara sembagai bahan
bakarnya. Sebuah model telah dikembangkan
menggunakan software Engineering Equation
Solver (EES) dalam melakukan analisa energi
dan exergi.
Boiler dari pembangkit ini memproduksi
steam super panas pada tekanan 250,1 bar dan
temperatur 842,15 K pada keluaran super
heater pada steam dengan laju alir massa
sebesar 590,8 kg/s.
Deskripsi Sistem dari Pembangkit Super
Kritikal 660MW
Saat ini, karena efisiensinya yang tinggi,
pembangkit super kritikal lebih banyak
digunakan
daripada
pembangkit
tipe
konvensional sub kritikal. Disamping efisiensi
yang tinggi, pembangkit super kritikal
memiliki respon yang cepat terhadap
perubahan beban dan memiliki waktu start up
yang lebih sedikit. Pada paper ini, kami
memasukkan nilai tekanan dan temperatur
pada setiap titik masuk dan keluar komponen
agar
dapat
melakukan
perhitungan
termodinamika.
Diagram alir dari pembangkit telah
diilustrasikan pada paper ini
yang
didalamnya terdapat turbin tekanan tinggi
(TTT), turbin tekanan menengah (TTM),
turbin tekanan rendah (TTR), boiler (B),
Perhitungan Energi dan Exergi
Dalam sebuah sistem aliran yang terbuka,
ada tiga jenis transfer energi di seluruh
kontrol permukaan yaitu, transfer kerja,
transfer panas dan energi yang dikaitkan
dengan transfer massa. Hukum pertama
diterapkan proses steady flow pada sistem
terbuka seperti di bawah ini:
∑ ̇ +ṁ ℎ +
+
=ṁ ℎ +
+
+Ẇ………………….………………..(1)
Dimana ̇ adalah fluks transfer panas
menuju sistem berasal dari temperatur , Ẇ
adalah kerja total yang dihasilkan oleh sistem,
C adalah kecepatan massa dari fluida kerja, Z
adalah ketinggian sistem diatas permukaan
lau, g adalah percepatan akibat gravitasi.
Perhitunga Nilai Energi
KE-71
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Perhitungan keseimbangan energi dan
massa pada komponen utama pembangkit
listrik dilakukan berdasarkan referensi [1]
dengan menggunakan prinsip-prinsip dasar
termodinamika dapat dilihat pada Tabel 1.
komponen-komponen utama dari pembangkit
listrik super kritikal 660 MW.
Perhitungan Nilai Exergi
Perhitungan keseimbangan exergi dan
massa pada komponen-komponen utama-
Tabel 1. Perhitungan keseimbangan energi dan massa
Dimana ṁ adalah laju alir massa dari
fluida kerja yang mengalir, Ė adalah kerugian
energi, Ẇ dan Ƞ adalah kerja dan efisiensi
dari komponen pembangkit super kritikal.
Dengan menggunkan rumus-rumus pada tabel
satu, didapatkan nilai-nilai dari kerugian
energi, kerja dan efisiensi dari setiap
KE-71
-pembangkit listrik dilakukan berdasarkan
referensi [1] dengan menggunakan prinsipprinsip dasar termodinamika dapat dilihat
pada Tabel 2.
Dimana ṁ adalah laju alir massa dari
fluida kerja yang mengalir, adalah kerugian
exergi, Ẇ dan Ƞ adalah kerja dan efisiensi
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
dari komponen pembangkit super kritikal
menurut analisa exergi. Dengan menggunkan
rumus-rumus pada tabel satu, didapatkan
nilai-nilai dari kerugian energi, kerja dan
efisiensi dari setiap komponen-komponen
utama dari pembangkit listrik super kritikal
660 MW.
Gambar 2 menunjukkan variasi efisiensi
energi dari setiap komponen yang ada di
dalam unit pembangkit.
Efisiensi energi dari proses pembakaran
pada saat beban 660 MW adalah 100%. Maka
dapat disimpulkan bahwa tidak ada kerugian
energi pada saat proses pembakaran.
Tabel 2. Perhitungan keseimbangan exergi dan massa
Analisa Energi dan Exergi Pembangkit
Analisa energi dan exergi telah dilakukan
pada beban pembangkit sebesar 660 MW.
Data-data terkait dengan termodinamika di
setiap terdapat pada Tabel 3.
Tabel 4 menunjukkan hasil dari analisis
energi dari pembangkit super kritikal 660
MW. Berdasarkan tabel tersebut didapatkan
variasi efisiensi dari suatu komponen.
KE-71
Efisiensi energi dari proses heat transfer
pada boiler pada saat beban 660 MW adalah
86,02%. Hal ini menujukkan bahwa terjadi
kerugian energi yang cukup signifikan pada
saat proses perpindahan panas diantara flue
gasses dan fluida kerja. Efisiensi energi dari
plant secara keseluruhan pembangkit super
kritikal 660 MW adalah sebesar 37,3%.
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Tabel 5 menunjukkan hasil dari analisis
exergi dari pembangkit super kritikal 660
MW. Berdasarkan tabel tersebut didapatkan
Tabel
3. Datayang
termodinamika
pada setiap
jumlah
exergi
hancur dari
suatu titik di pembangkit super kritikal 660 MW
komponen.
adalah sebesar 40,17%. Efisiensi exergi
Gambar 3 menunjukkan efisiensi exergi
dari seluruh turbin pada saat beban 660 MW
dari setiap komponen yang ada di dalam unit
adalah sebesar
75,99%. Gambar 4
pembangkit pada saat beban 660 MW.
menunjukkan kehancuran exergi dari setiap
Efisiensi exergi dari pembakaran pada boiler
komponen yang ada di dalam unit
Komponen
Input kerja energi, [MW]
Output kerja energi, [MW] pembangkit.
KerugianBoiler
Energi [MW]adalah Efisiensi, [%]
Pembakaran (Boiler)
Perpindahan panas (Boiler)
Boiler
TTT
TTM
TTR-1
TTR-2
Turbin
Kondenser -1
Kondenser -2
PEK
PTR-1
PTR-2
PTR-3
PTR-4
PTT-6
PTT-7
PTT-8
Plant (kotor)
Plant (bersih)
1,771.00
1,771.00
1,771.00
249.10
331.70
53.22
53.22
687.24
349.90
349.90
13.12
6.78
7.17
87.85
24.52
64.05
100.93
180.94
1,771.00
1,771.00
1,771.00
1,523.41
1,523.41
249.10
331.70
53.22
53.22
687.24
301.93
301.93
10.57
4.87
6.98
87.73
24.51
48.73
100.80
171.80
687.24
660.00
0.00
247.59
247.59
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
47.97
47.97
2.55
1.91
0.19
0.12
0.01
15.32
0.13
9.14
1,083.76
1,111.00
100
86.02
86.02
100
100
100
100
100
86.29
86.29
80.58
71.84
97.38
99.86
99.94
76.08
99.87
94.95
38.81
37.27
Tabel 4. Hasil analisis energi dari pembangkit super kritikal 660 MW
Nomor
1
2
3
4
5
6
7
7a
7i
8
9
10
11
12
13
14
14a
15
15a
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
Laju alir massa, [kg/s]
590.80
590.80
43.59
51.21
496.00
496.00
23.31
23.29
23.29
27.78
15.38
21.82
33.73
374.00
187.00
14.02
13.90
10.28
10.14
16.27
1.32
35.96
71.92
71.92
1.32
71.92
10.28
71.92
143.40
71.50
57.42
143.40
23.69
143.40
27.78
27.78
590.80
590.80
430.20
406.90
590.80
355.70
590.80
58.35
58.35
590.80
Temperatur, [C]
842.15
842.15
652.55
594.65
594.65
842.15
749.65
492.65
748.85
748.05
660.05
576.65
490.55
490.55
490.55
363.29
360.76
342.14
338.89
337.69
535.95
337.69
338.40
340.36
306.83
360.53
324.36
390.25
390.25
363.82
368.35
453.85
411.05
495.95
350.39
350.39
537.65
570.65
460.05
533.15
628.45
560.15
668.95
668.95
725.65
575.75
KE-71
Tekanan [bar]
250.10
250.10
78.03
50.02
50.02
24.52
12.46
23.29
23.29
10.96
6.72
3.59
1.71
1.71
1.67
0.36
0.68
0.15
0.26
0.25
0.12
0.25
72.42
71.27
0.36
49.43
0.13
48.34
48.34
12.07
1.62
42.69
3.41
37.05
0.42
0.42
588.70
588.70
11.83
48.90
578.00
74.13
307.00
307.00
307.00
307.00
Fluida
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Steam
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Air
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
-komponen utama yang paling banyak
mengalami
kehancuran
exergi
jika
dibandingan dengan komponen-komponen
yang ada pada pembangkit super kritikal.
Gambar 2. Efisiensi energi dari komponen utama pembangkit super kritikal 660 MW
Komponen
Pembakaran (Boiler)
Perpindahan panas (Boiler)
Boiler
TTT
TTM
TTR-1
TTR-2
Turbin
Kondenser -1
Kondenser -2
PEK
PTR-1
PTR-2
PTR-3
PTR-4
PTT-6
PTT-7
PTT-8
Plant
Input kerja exergi, [MW]
2,459.00
1,802.80
2,459.00
249.13
326.39
141.73
141.73
858.97
55.16
55.16
13.23
2.60
5.86
38.05
27.56
24.30
42.29
37.63
2,459.00
Output kerja exergi, [MW]
1,802.80
987.78
987.78
228.80
292.90
65.52
65.52
652.74
53.08
53.08
10.66
1.99
4.34
19.96
17.36
23.73
34.61
33.14
656.20
Kerugian Exergi, [MW]
656.20
815.02
1,471.22
20.33
33.49
76.21
76.21
206.23
2.08
2.08
2.57
0.61
1.52
18.09
10.20
0.53
7.68
4.49
1,802.80
Tabel 5. Hasil analisis energi dari pembangkit super kritikal 660 MW
Efisiensi, [%]
73.31
54.79
40.17
91.84
89.74
46.23
46.23
75.99
96.23
96.23
80.58
76.45
74.12
52.46
62.99
97.66
81.84
88.07
26.69
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Optimasi energi dilakukan dengan
memvariasikan tekanan dan laju aliran massa
keluar
dari
boiler.
Hasil
simulasi
menunjukkan bahwa terjadi peningkatan
efisiensi termal pada tekanan 239 bar dan laju
aliran massa 564,8 kg/s dengan beban sebesar
631 MW menghasilkan efisiensi termal
Gambar 3. Efisiensi exergi dari komponen utamaterbesar
pembangkit
kritikal 660 MW
yaitusuper
37,41%.
Gambar 5 menunjukkan hubungan diantara
efisiensi energi dengan perubahan tekanan
keluar dari boiler.
900.00
Exergi Hancur, [MW]
800.00
700.00
600.00
500.00
400.00
300.00
200.00
100.00
0.00
Perpindahan Pembakaran
panas (Boiler) (Boiler)
Turbin
Pemanas
Kondenser 1/2
PEK
Gambar 4. Kerugian exergi pada pembangkit super kritikal 660 MW
Gambar 5. Efisiensi sebagai fungsi dari tekanan keluar boiler
Optimasi energi pada pembangkit
Pembangkit listrik tenaga uap super
kritikal bekerja pada beban 660 MW dengan
kondisi tekanan sebesar 250,1 bar, temperatur
569 ˚C dan laju aliran massa 590.8 kg/s.
Efisiensi termal yang didapat sebesar 37,3%.
Kesimpulan
Analisa energi dan exergi untuk
melakukan optimasi pada pembangkit listrik
tenaga uap super kritikal telah dilakukan
dengan mengembangkan model matematika
dari pembangkit. Perhitungan dilakukan
KE-71
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
dengan menggunakan EES berdasarkan
prinsip-prinsip termodinamika.
Hasilnya adalah jumlah energi yang
tersedia dari proses pembakaran adalah
sebesar 1771 MW. Energi ini lalu
dikonversikan menjadi sumber listrik sebesar
660 MW dengan kondisi tekanan sebesar
250,1 bar, temperatur 569 C dan laju aliran
massa 590,8 kg/s
Hancurnya exergi terbesar terjadi di boiler
saat terjadi proses pembakaran. Exergi yang
hancur pada saat proses pembakaran sebesar
1802,80 MW. Pembangkit ini bekerja pada
beban 660 MW dengan kondisi tekanan
sebesar 250,1 bar dan laju aliran massa 590,8
kg/s. Efisiensi termal yang didapat sebesar
37,3%. Optimasi energi dilakukan dengan
memvariasikan tekanan dan laju aliran massa
keluar
dari
boiler.
Hasil
simulasi
menunjukkan bahwa terjadi peningkatan
efisiensi termal pada tekanan 239 bar,
temperatur 569 ˚C dan laju aliran massa 564,8
kg/s dengan beban sebesar 631 MW
menghasilkan efisiensi termal terbesar yaitu
37,41%
Referensi
[1] S. Adibhatla, S.C. Kaushik, Energy and
exergy analysis of a supercritical thermal
power plant at various load conditions under
constant and pure sliding pressure operation,
Applied Thermal Engineering 73(2014) 5165.
[2] N.A. Pambudi et al, Exergy analysis and
optimization of Dieng single-flash geothermal
power plant, Energy Conversion and
Management 78 (2014) 405-411.
[3] S.C. Kaushik, V. Siva Reddy, S.K. Tyagi,
Energy and exergy analysis of thermal power
plants: a review, Renew, Sustain. Energy Rev.
15 (2011) 1857-1872.
KE-71