pengaruh penurunan karakteristik sumber panas terhadap kinerja

P-ISSN 1978 - 2365
E-ISSN 2528 - 1917
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
PENGARUH PENURUNAN KARAKTERISTIK SUMBER PANAS
TERHADAP KINERJA HEAT EXCHANGER DI PLTP BINER DIENG
THE EFFECT OF DECREASED HEAT SOURCE PROPERTIES ON HEAT
EXCHANGER PERFORMANCE AT DIENG BINARY POWER PLANT
Guntur Tri Setiadanu, Yohanes Gunawan, Didi Sukaryadi.
Puslitbangtek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konversi Energi,
Jl. Ciledug Raya kav.109, Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta, Indonesia
[email protected]
Abstrak
Fenomena penurunan nilai karakteristik temperatur dan tekanan telah terjadi pada sumber panas PLTP
biner Dieng. Pada studi ini dilakukan perhitungan model matematis dan termodinamika menggunakan
software Engineering Equation Solver (EES) dan NIST Refprop untuk memprediksi pengaruh
penurunan karakteristik sumber panas terhadap kemampuan heat exchanger dan efisiensi total dari
sistem biner ORC. Hasil dari perhitungan akan dibandingkan dengan data aktual yang diperoleh dari
pengujian sistem PLTP biner. Simulasi menunjukkan bahwa penurunan sumber panas mengakibatkan
turunnya semua nilai parameter tekanan, temperatur dan laju alir dari n-pentane yang pada akhirnya
akan menurunkan nilai kerja mekanik turbin dan listrik yang dihasilkan dibandingkan dengan desain
awal. Laju n-pentane optimal dari simulasi desain adalah 0,9 kg/s, dengan tekanan kerja 6 bar, dan
kalor perpindahan panas yang diterima n-pentane dari sumber adalah 419,51 kW dengan potensi untuk
menggerakkan turbin sebesar 28,15 kW. Hasil pengujian aktual pada PLTP biner Dieng didapatkan
bahwa nilai optimal laju n-pentane adalah 0,5 kg/s, kalor perpindahan panas sebesar 255,39 kW,
tekanan kerja 6 bar dan potensi untuk menggerakkan turbin sebesar 12,31 kW. Perbedaan nilai kerja
turbin antara hasil simulasi dengan percobaan aktual disebabkan oleh nilai input brine optimal saat
percobaan di lapangan tidak bisa mencapai nilai optimal saat disimulasikan, akibat adanya pressure
drop dan heat loss pada pipa heat exchanger sehingga laju n-pentane yang teruapkan juga turun.
Kata kunci: heat exchanger, limbah geothermal, binary, ORC, pressure drop
Abstract
A decreased in temperature and pressure properties of heat source waste brine has occurred at Dieng
binary geothermal power plant. This study performed mathematical models and thermodynamic
calculations using EES and NIST Refprop software to predict the effect of decreased heat source brine
to the heat exchanger capability and the total efficiency of the ORC binary system. Simulation’s results
will be compared with actual data obtained from experiment at Dieng binary geothermal power plant.
The results showed that a decrease in the heat source resulting values declining in all parameters, i.e.
pressure, temperature and flow rate of n-pentane, moreover it will reduced the turbine mechanical
work and electricity produced while compared with the initial design. Optimal mass rate of n-pentane
from the simulation is 0,9 kg / s, with a working pressure of 6 bar, and heat transfer value received
from source brine to n-pentane is 419,51 kW, predicted work turbine is 28,15 kW. Actual experiment
on Dieng binary geothermal power plant show the optimal value of n-pentane mass rate is 0,5 kg / s,
heat the heat transfer amounted to 255,39 kW, 6 bar working pressure and turbine work that can be
produced is 12.31 kW. Those differences were due to the pressure drop and heat loss in the heat
exchanger.
Keywords: heat exchanger, binary, ORC, geothermal waste brine, pressure drop
Diterima : 28 September 2016, direvisi : 28 Oktober 2016, disetujui terbit : 20 Februari 2017
69
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
sudah
PENDAHULUAN
banyak
dilakukan[4,7].
Berdasarkan
Potensi panas bumi di wilayah kerja
pinch analisis didapatkan bahwa, subcritical
pertambangan (WKP) dataran tinggi dieng
ORC bekerja lebih baik pada temperatur
cukup tinggi. Berdasarkan profil potensi panas
keluar sumber panas yang tinggi, sedangkan
bumi
oleh
untuk temperatur sumber panas yang rendah
Daya
lebih baik digunakan supercritical ORC.
tahun 2012, disebutkan bahwa
Nguyen dkk (2001), mengembangkan dan
potensinya mencapai 897 MW[1]. Pambudi
menguji ORC skala kecil dengan fluida kerja
dkk (2014), menyebutkan potensi exergy yang
n-pentane dengan memanfaatkan panas yang
bisa diekstraksi dari sumur yang ada mencapai
didapatkan dari boiler gas. Sistem tersebut
59,52 MW dengan jumlah waste brine
mampu menghasilkan 1,5 kW listrik dengan
mencapai 17,98 % atau setara dengan 10,7
efisiensi thermal 4,3%[8].
Indonesia
Kementerian
Mineral
MW[2].
yang
Energi
dikeluarkan
dan
Kementerian
Sumber
melalui
Pada unit PLTP biner Dieng terjadi
untuk
fenomena penurunan properties aliran sumber
memanfaatkan potensi waste brine ini menjadi
panas yang digunakan sebagai fluida pemanas.
listrik dengan menggunakan sistem biner
Studi
Organic Rankine Cycle (ORC) pada pilot
perhitungan
plant PLTP biner Dieng.
termodinamika
Puslitbang
TKEBTKE
ESDM
mencoba
Pada sistem ORC, heat exchanger
ini
bertujuan
model
untuk
melakukan
matematis
menggunakan
dan
Engineering
Equation Solver (EES) dan NIST Reference
merupakan peralatan utama dimana kalor dari
Fluid
sumber panas diserap dan diteruskan ke fluida
Properties
kerja. Kemampuan efektivitas heat exchanger
memprediksi
adalah panas yang diterima oleh laju alir
sumber panas terhadap kemampuan heat
massa untuk menjadi fasa uap pada tekanan
exchanger dan efisiensi total dari sistem biner
dan temperatur tertentu dibandingkan dengan
ORC.
[3]
panas yang tersedia dari sumber .
Penurunan
dari
Thermodynamic
Hasil
dibandingkan
temperatur
sumber
Database
pengaruh
dari
dengan
and
Transport
(REFROP)
untuk
penurunan
aliran
perhitungan
akan
data
yang
aktual
diperoleh dari pengujian sistem PLTP biner.
panas akan mempengaruhi profil temperatur
dari evaporator, jika terjadi penurunan sumber
panas tanpa ada perubahan profil evaporator
Tabel 1. Parameter desain PLTP biner Dieng
maka akan mempengaruhi laju dan tekanan
Parameter Desain PLTP Biner Dieng
Generator rated power
50
(Kwe)
100
Rated thermal power input (KWt)
Basic subcritical ORC
Konfigurasi ORC
n-Pentane
Fluida kerja
Axial
Turbin*
Setting to 1 bar
Pressure Reducer
Shell-Tube
Heat exchanger**
170-154
Temperatur kerja (C)
uap fluida kerja yang dihasilkan
[4]
. Penelitian
mengenai heat exchanger ORC dan metode
perhitungan
koefisien
perpindahan
panas
dalam hubungannya dengan perubahan fasa
pada fluida kerja pada tekanan subcritical
70
* pada pengujian ini fluida kerja di bypass ke pressure
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
reducer yang di set ke 1 bar sebelum masuk ke
kondenser
** lihat Tabel 2 untuk spesifikasi heat exchanger
METODOLOGI
Deskripsi
Sistem
dan
Model
Termodinamika
Fasilitas Eksperimen dan Studi Kasus
Prosedur
yang
dilakukan
pada
PLTP biner Dieng adalah laboratorium
percobaan ini diilustrasikan pada Gambar 3.
ORC insitu milik Puslitbang TKEBTKE yang
Fokus dari studi ini adalah untuk menentukan
terletak di sumur 29, PT.Geodipa Energi
berapa uap n-pentane yang dihasilkan setelah
(GDE). Kapasitas desain PLTP biner Dieng
mengalami
adalah 50 kW dengan fluida kerja n-pentane.
panas, baik secara simulasi maupun secara
Desain parameternya disajikan pada Tabel 1.
aktual. Untuk itu detail dari sistem heat
penurunan
exchanger
Studi Kasus
PLTP
dihitung
menggunakan
biner
Dieng
parameter
dan
software
sumber
disimulasikan
simulasi
heat
didesain
exchanger untuk mendapatkan efektifitas HE
menggunakan brine langsung dari separator
yang paling optimal. Hasil perhitungan akan
pemisahan uap geothermal. Akibat adanya
digunakan dalam model termodinamika untuk
permasalahan pengendapan silika pada pipa
perhitungan efisiensi siklus menggunakan
separator, maka tekanan separator harus dijaga
software EES dan NIST Refprop.
diatas 10 bar, oleh karena itu itu PT.GDE
memasang pressure regulator pada pipa setelah
Sistem Heat exchanger
separator, akibatnya tekanan dan temperatur
Bila dilakukan plot penurunan input brine
brine yang masuk kedalam sistem PLTP biner
yang
menjadi turun. Skema kasus bisa dilihat pada
temperatur-entropi (T-s) pada Gambar 2,
Gambar 1.
didapatkan bahwa garis sumber panas harus
terjadi
ke
dalam
diagram
berada di atas siklus Rankine yang terbentuk.
a) parameter desain input brine
b) setelah pemasangan pressure regulator
Gambar 1.Studi kasus pada PLTP biner Dieng
71
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
Gambar 2. Penurunan sumber tekanan dengan entropi fluida kerja
Metode Log Mean Temperatur Different
Mulai
Input parameter
desain awal




Spesifikasi HE
Luas permukaan (A)
Koef. Heat transfer (U)
Efektifitas HE
Pengambilan data paramater
aktual berdasarkan kasus
Modeling sistem HE
Perhitungan nilai koef.H. Transfer
(U), kalor transfer HE (Q) dan
massa alir fluida kerja
(LMTD)
digunakan
sebagai
perhitungan di dalam desain heat exchanger.
Persamaan LMTD dituliskan sebagai berikut :
(1)
dimana ΔTA adalah perbedaan suhu antara dua
aliran di akhir A, dan ΔTB adalah
perbedaan
suhu antara dua aliran pada akhir B. Kalor
perpindahan panas yang terjadi dihitung
dengan persamaan :
q = U x A x LTMD
Optimasi
Efektifitas HE
metode
(2)
dimana q= kalor yang dipertukarkan (W ),U
adalah koefisien perpindahan panas (W/K.m2)
dan A adalah luas pertukaran.
Model Termodinamika Sistem
Perhitungan parameter output
Bersamaan dengan peningkatan entropi
maka
kenaikan
temperatur
diekspresikan
dalam persamaan:
Bandingkan output
model vs aktual
(3)
Analisis dan
Kesimpulan
Selesai
Gambar 3. Flowchart prosedur pengujian
72
Tipe HE adalah shell-tube counterflow,
sehingga koefisien perpindahan panas total, U,
didefinisikan dalam persamaan:
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
(4)
dimana q adalah kalor perpindahan panas (W)
dan qmax adalah kalor maksimum dari sumber.
Nusselt number (Nu) untuk fasa tunggal fluida
Tabel 2.Spesifikasi heat exchanger PLTP
biner Dieng
subcritical dihitung menggunakan persamaan
Dittus-Boelter[9]
(5)
Spesifikasi Preheater
dimana n = 0,4 untuk proses pemanasan dan
Parameter
Nilai
Satuan
0,3 untuk proses pendinginan (konstanta n
Kapasitas transfer panas
414
kW
yang
Actual U
504
W/m2-K
Area
39,134
m2
TEMA type
BEM
Shell ID
430
mm
Tube OD
15,875
mm
Jumlah Tube
222
tubes
dipilih,
untuk
pemanasan
seperti
evaporator digunakan 0.4, untuk pendinginan
seperti kondenser digunakan 0,3, pada kasus
ini yang dipakai 0,4). Kedua permukaan
koefisien perpindahan panas dari tube dan
shell pada counterflow pass HE diekspresikan
Pressure
dengan persamaan :
- Shell
15,4
Bar
- Tube
7
Bar
Pass
1 Shell, 4 Tube passes
(6)
Spesifikasi Evaporator
dimana d adalah ekuivalen diameter dalam
atau luar tube.
Pada desain heat exchanger PLTP Biner
Dieng, semua perhitungan dilakukan dengan
bantuan software desain heat exchanger[10],
Parameter
Nilai
Satuan
Kapasitas transfer panas
397
kW
Actual U
870
W/m2-K
Area
30,469
m2
TEMA type
BEM
Shell ID
430
mm
dan didapatkan parameter spesifikasi pada
Tube OD
15,875
mm
Tabel 2.
Jumlah Tube
226
tubes
Untuk memprediksi output dari suatu
Pressure
heat exchanger maka Kays dan London
- Shell
15,4
Bar
(1955),
- Tube
7
Bar
Pass
1 Shell, 4 Tube passes
memperkenalkan
metode
NTU.
Metode ini menggunakan parameter tak
berdimensi yang disebut perpindahan panas
Asumsi
efektif (ε), yang di tuliskan sebagai berikut :
perhitungan
simulasi
dan
analisis energi balance yang digunakan pada
(7)
paper ini adalah sebagai berikut :
1.
Heat exchanger terisolasi sempurna dari
lingkungan,
yang
terjadi
hanya
73
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
2.
perpindahan panas antara fluida panas
puncak tekanan dalam proses ini dari kerja
dan dingin.
pompa. Untuk menghitung kebutuhan power
Konduksi aksial sepanjang tabung HE
dari pompa digunakan persamaan :
diabaikan
3.
Wp = m(h4f – h3f)/η
(11)
Perubahan energi kinetik dan potensial
dimana ηp adalah efisiensi dari pompa, karena
diabaikan
digunakan inverter maka perhitungan efisiensi
pompa diabaikan.
Model termodinamika dan performa siklus
1. Turbin
4. Preheater
Total perpindahan panas dari sumber
Diasumsikan
proses
ekspansi
non-isentropis terjadi, enthalpi fluida kerja di
titik keluar turbin serta kerja dari turbin ditulis
dengan persamaan :
panas ke preheater dihitung menggunakan
persamaan :
Qph = m. Cp. (T3 – T1)
(12)
yang setara dengan
Qph = m(h1 – h3)
(8)
diasumsikan tidak ada panas yang
(13)
terbuang
ke lingkungan dan proses perpindahan panas
(9)
terjadi pada tekanan konstan.
dimana h2ft adalah enthalpi fluida kerja pada
5. Evaporator
titik keluar turbin dengan kondisi ideal, ηis
Total perpindahan panas dari sumber
adalah efisiensi isentropik yaitu ratio kekuatan
panas ke preheater dihitung menggunakan
pengereman
persamaan :
dengan
kebutuhan
tenaga
isentropik. Kehilangan tenaga yang lain dari
exergy
loss
ke
lingkungan,
yang
pada
Qev = m(h2 – h4)
(14)
sehingga Q heat exchanger total yang diterima
pengujian ini temperatur lingkungan tercatat
oleh fluida kerja dari sumber panas :
22 oC, sehingga pada perhitungan ini total
Qhe = Qph + Qev
efisiensi dari turbin dipakai pada angka 60%.
diasumsikan tidak ada panas yang terbuang ke
lingkungan dan proses perpindahan panas
2. Kondenser
Total perpindahan panas yang terjadi
diasumsikan tidak ada panas yang
(10)
terbuang
ke lingkungan.
3. Pompa
Fuida kerja dikompresikan sampai ke
74
terjadi pada tekanan konstan.
Efisiensi siklus
digunakan persamaan :
Qcon = m(h2f – h3f)
(15)
Efisiensi termal dan kerja total yang
dihasilkan dari sistem dihitung menggunakan
persamaan :
ηthe = (Wtur – Wp)/Qhe
(16)
Wnet = Wtur - Wp
(17)
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
simulasi dan perhitungan dari
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan
nilai
yang
didapatkan
penurunan
dari
parameter sumber panas yang ada untuk
spesifikasi desain peralatan HE (Preheater dan
mendapatkan berapa nilai laju alir n-pentane
evaporator) pada Tabel 3, maka dilakukan
yang optimal.
Tabel 3a. Parameter pada Preheater
Tabel 3b. Parameter pada Evaporator
massa brine (kg/s)
2,48
massa brine (kg/s)
11,1
T brine in (C)
116
T brine in (C)
116
T brine out (C)
101,6
T brine out (C)
110,9
P brine in (bar)
2,51
P brine in (bar)
2,51
massa n-pentane (kg/s)
T n-pentane in (.C)
T n-pentane out (.C)
P n-pentane (bar)
0,9
30,75
100
6
massa n-pentane (kg/s)
0,9
T n-pentane in (.C)
100
T n-pentane out (.C)
103
P n-pentane (bar)
6
EMTD (.C)
29,7
EMTD (.C)
13,8
Duty (KW)
157,54
Duty (KW)
272,39
U act (KW)
325,95
U act (KW)
964,9
U req (KW)
134,19
U req (KW)
647
Over Desain (%)
142,9
Over Desain (%)
49,14
Gambar 4. Optimalisasi laju alir n-pentanepada evaporator
75
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
Diketahui dari uji coba pembukaan
valve brine menuju preheater (CV1), bukaan
nilai optimal maka nilai Q yang didapatkan
adalah 272,39 kW.
terkecil yang bisa dilakukan adalah pada nilai
Berdasarkan nilai di atas, selanjutnya
laju alir 2,48 kg/s. Jika dihitung performa dari
dilakukan perhitungan heat-mass balance pada
preheater maka didapatkan nilai parameter
laju alir brine optimal untuk mendapatkan
seperti pada Tabel 3a, terlihat bahwa nilai over
berapa
desain yang ada mencapai 142%, artinya
software EES (Gambar 5). Nilai parameter
preheater sangat mampu untuk melakukan
evaporator
kerja pemanasan n-pentane sampai ke suhu
output yang bisa dihasilkan setelah terjadi
sebelum saturasinya.
penurunan sumber panas adalah Wtur = 28,15
output
dari
siklus
menggunakan
disajikan pada Tabel 3b. Nilai
Dari hasil simulasi pada evaporator,
kW, jika diasumsikan efisiensi generator 97%
Gambar 4, didapatkan bahwa nilai parameter
maka output listrik yang bisa dihasilkan adalah
massa paling optimal yang bisa dipanaskan
27,31 kW.
oleh sumber panas adalah 0,9 kg/s. Terlihat
Untuk
memverifikasi
hasil
dari
bahwa pada nilai optimal didapatkan dari nilai
perhitungan simulasi, dilakukan pengukuran
over desain tertinggi, atau nilai yang paling
pada
optimis
bahwa
bisa
Pengukuran
tercapai
untuk
uap
perpindahan dalam setiap komponen, terutama
pemanasan
tersebut
mendapatkan
nilai
n-pentane yang sesuai dengan spesifikasi dari
pilot
plant
PLTP
dilakukan
biner
pada
pada heat exchanger.
turbin, nilai P dan T superheat tertinggi. Pada
Gambar 5. Simulasi heat-mass balance pada laju alir n-pentane 0,9 kg/s dengan
parameter input brine mengalami penurunan
76
Dieng.
titik-titik
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
Tabel 4. Hasil pengukuran aktual dan simulasi desain pada pilot plant PLTP Biner Dieng
Pembacaan dan penyimpanan sinyal
(CV1) : valve brine evaporator (CV2) diatas
dari thermocouple dan pressure transmitter
yaitu 6,1 : 7,2
menggunakan
pengujian.
Graphtec
GL7000
data
recorder. Hasil pengujian disajikan pada
Tabel 4.
adalah nilai optimal dari
Perbedaan parameter kedua adalah pada
nilai laju alir n-pentane, pengukuran pada
Terlihat bahwa nilai parameter yang
aktual operasi, laju alir n-pentane tercatat 0,5
didapatkan berbeda dari hasil simulasi diatas
kg/s, sedangkan pada simulasi 0,9 kg/s. Jika
(angka merah tebal). Pada nilai pembagian
dilihat dari kalor yang diterima oleh n-pentane
laju alir input brine antara preheater dan
maka didapatkan bahwa hasil dari aktual lebih
evaporator, didapatkan pada simulasi dengan
kecil
laju alir input preheater 2,48 kg/s sudah
ditampilkan pada Tabel 5. Perhitungan kalor
didapatkan nilai output temperatur n-pentane
n-pentane pada fasa liquid menggunakan
100oC atau mendekati titik saturasi. Se-
persamaan (12), untuk fasa saturasi dan
dangkan
superheat
pada
aktual
didapatkan
bahwa
dari
nilai
simulasi,
menggunakan
sebagaimana
persamaan
(13),
dengan laju input brine 6,1 kg/s hanya mampu
sedangkan nilai Q total yang diterima oleh
memanasi n-pentane sampai suhu 87C. Jika
n-pentane menggunakan persamaan (14). Nilai
laju input preheater dinaikkan terus maka akan
Cp n-pentane dan enthalpi pada suatu titik
mengurangi
ditentukan dari software NIST Refprop.
laju
brine
ke
evaporator.
Konfigurasi pembukaan valve brine preheat
77
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
Tabel 5. Perbandingan nilai kalor
perpindahan panas pada simulasi desain dan
aktual operasi
Simulasi
desain
Aktual
m Pentane (kg/s)
tekanan (bar)
mph Brine (kg/s)
Qph (kW)
0.5
6
6.1
69.62
0.9
6
2.48
147.08
dT (.C)
mev Brine (kg/s)
Qev (liq) (kW)
dT (.C)
28 --> 87
7.2
17.98
87 --> 100.5
30,7 --> 100
11.12
-
Qev (sat+sh) (kW)
dT (.C)
Qhe (kW)
167.79
100.5 --> 102
255.39
272.43
100 --> 103
419.51
Faktor
yang
utama
jauh dibawah nilai tekanan kerja aman 15 bar
pada grafik Silica Saturation Index dari fluida
panas bumi dieng, tersaji pada Gambar 6.
mempengaruhi
perbedaan nilai aktual dan simulasi tersebut
adalah aliran brine yang berupa dua fasa
berbeda. Pada output brine preheater tekanan
terukur 1 bar (0 barg) dan temperatur adalah
Gambar 6. Silica Saturation Index (SSI) fluida
geothermal Dieng[11].
104 oC, jika dimasukkan dalam tabel proper-
Scalling mengakibatkan nilai fouling
ties untuk air, maka didapatkan bahwa fasanya
factor HE menjadi besar. Walaupun belum
adalah dua fasa, yaitu fasa uap dan air.
dilakukan
Penurunan nilai tekanan output brine ini
terhadap pipa-pipa di dalam HE, akan tetapi
menunjukkan bahwa di dalam preheater terjadi
jika dilihat dari pipa outlet brine menuju
penurunan tekanan (pressure drop) yang sig-
atmospheric flash tank (AFT) (Gambar 7),
nifikan, sehingga kalor yang bisa diserap jauh
terlihat jelas adanya proses silica scaling yang
lebih sedikit. Pada Incropera dkk (2007), dise-
melekat di dinding pipa dengan tebal sekitar
butkan, bahwa koefisien perpindahan panas
1,5 cm.
pada aliran 2 fasa lebih kecil dibandingkan
dengan aliran cair penuh pada laju alir yang
sama dan temperatur yang sama. Berdasarkan
hasil analisis di lapangan, beberapa faktor
yang diduga mempengaruhi hal tersebut adalah telah terjadi penebalan akibat silica scaling
pada tube preheater, hal ini disebabkan oleh
tekanan kerja dari sistem PLTP Biner Dieng
78
pengamatan
secara
langsung
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
kecepatan aliran udara disekitar saluran pipa,
heat loss dalam pipa juga semakin tinggi[13].
Fenomena heat loss pada pipa brine terekam
dalam data percobaan dimana suhu lingkungan
rata-rata tercatat sebesar 20 oC, sedangkan
suhu permukaan insulasi pipa tercatat 38 oC.
Hal ini menunjukkan adanya panas yang terbuang ke lingkungan.
Jika
nilai
aktual
dari
pengujian
dimasukkan ke dalam siklus termodinamika
dan dibandingkan dengan hasil dari simulasi,
maka didapatkan bahwa terjadi pergeseran
titik-titik
termodinamika
seperti
terlihat
Gambar 8. Terlihat bahwa titik 6, awal kerja
Gambar 7. Silica Scaling yang terjadi di pipa
outlet menuju AFT
Faktor lain penyebab terjadi perbedaan
kalor yang diterima n-pentane dari hasil
evaporator bergeser kebawah ke temperatur
87
o
C (titik 6), hal ini mengakibatkan
penurunan
kinerja
heat
exchanger
sebagaimana sudah ditunjukkan diatas.
simulasi dan aktual adalah adanya heat loss
pada saluran pipa brine sebelum dan sesudah
masuk sistem perpindahan kalor. Hal ini
disebabkan karena insulation yang tidak
maksimal, pengaruh suhu ambient/lingkungan
serta kecepatan angin di sekitar saluran pipa.
Hasil pengamatan di lapangan menunjukkan
bahkan di saluran pipa outlet brine dari
preheater dan evaporator sama sekali tidak
diisolasi dan suhu ambien rata-rata 20 °C.
Wen-Lon Cheng dkk (2014) meneliti pengaruh
ketebalan insulasi pada pipa geothermal, dan
menyimpulkan bahwa semakin tebal insulator
akan semakin mengurangi heat loss yang
terjadi di saluran pipa[12]. Suhu ambien juga
berpengaruh terhadap heat loss , bila suhu
Gambar 8. Siklus termodinamika PLTP biner
Dieng pada kondisi penurunansumber panas,
Simulasi Desain vs aktual operasi
Pengaruh
penurunan
kalor
yang
diterima n-pentane berdasarkan hasil simulasi
dan data aktual, (Tabel 3 dan Tabel 4), maka
prediksi kerja turbin yang dihasilkan, sesuai
persamaan (8) dan (9), disajikan pada Tabel 6.
lingkungan semakin rendah maka heat loss
semakin tinggi[3]. Sedangkan semakin tinggi
79
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
Tabel 6. Kerja turbin yang bisa dibangkitkan
sain yaitu 142% pada preheat dan 49% pada
evaporator. Nilai laju alir n-pentane optimal
adalah 0,9 kg/s dengan tekanan kerja 6 bar.
Simulasi Desain
Aktual
Operasi
Q.Heat Exchang
419.51 kW
255.39 kW
m. n-pentane
0.9 kg/s
0.5 kg/s
h1 (in turbin)
h2 (out turbin)
489.5 kJ/kg
458.2 kJ/kg
487.3 kJ/kg
462.7 kJ/kg
P turbin
28.15 kW
12.31 kW
Nilai kalor yang bisa diserap oleh n-pentane
pada heat exchanger adalah 419,51 kW dan
kerja turbin yang bisa dihasilkan adalah 28,15
kW. Pada pengujian aktual kinerja heat exchanger PLTP biner Dieng, didapatkan bahwa
nilai optimal laju n-pentane adalah 0,5 kg/s,
Asumsi efisiensi turbin = 0.6
kalor perpindahan panas sebesar 255,39 kW,
Perbedaan kapasitas turbin
pada
Tabel 6, terutama disebabkan nilai laju alir npentane yang didapatkan antara simulasi dan
aktual jauh berbeda. Penurunan laju alir pada
kondisi aktual disebabkan oleh kurangnya kemampuan peralatan heat exchanger dalam
melakukan perpindahan panas dari sumber ke
fluida n-pentane, hal ini dikonfirmasi dengan
analisis heat exchanger di atas. Kalor yang
diserap turbin di simulasi (Qsim ) sebesar
419.51 kW, sedangkan pada aktual (Qak) hanya
sebesar
255.39
kW.
Akibatnya
terjadi
tekanan kerja 6 bar dan kerja turbin yang bisa
dihasilkan adalah 12,31 kW. Rendahnya nilai
parameter pada pengujian aktual disebabkan
oleh dua hal yaitu 1) heat exchanger bekerja
diluar tekanan aman dari silica saturation index, sehingga diprediksi sudah terjadi pengendapan silica pada tube-tube heat exchanger,
selanjutnya akan mengakibatkan pressure drop
dan nilai fouling faktor besar dengan semakin
tebalnya tube 2) terjadi heat loss akibat isolasi
yang tidak maksimal pada pipa-pipa inlet dan
outlet heat exchanger.
penurunan nilai enthalpi uap n-pentane masuk
turbin yang tergantung dari sumber panas yang
ada dan kinerja sistem heat exchanger.
penulisan
paper
ini
penulis
Sirodz Gaoz dan Edy Agus Mulyono, ST. atas
Pembangkitan listrik dari sumber panas
rendah
Dalam
menyampaikan terima kasih pada Dr. Yogi
KESIMPULAN
enthalpy
UCAPAN TERIMA KASIH
sangat
tergantung
dari
data desain Heat exchanger PLTP-Biner
Dieng.
ketersediaan sumber panas. Kasus yang terjadi
DAFTAR PUSTAKA
adalah terjadi penurunan nilai properties
[1]
Direktorat
Jendral
tekanan dan temperatur sumber panas air sisa
Terbarukan
dan
pemisahan uap pada separator. Hasil optimasi
(2012) Profil Potensi Panas Bumi.
simulasi didapatkan fakta bahwa peralatan
Kementerian Energi dan Sumber Daya
heat exchanger yang ada mengalami over de-
Mineral: Jakarta.
80
Energi
Baru
Konservasi
Energi
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
[2]
Pambudi NA, Itoi R, Jalilinasrabady S,
generation system. Applied Thermal
and Jaelani K (2014), Exergy analysis
Engineering, 21(2): p. 169-181.
and optimization of Dieng single-flash
geothermal
[3]
[4]
[5]
plant.
Energy
Sharabi M, Ambrosini W, He S, and
Jackson
JD
(2008),
Prediction
of
Conversion and Management, 78: p. 405
turbulent convective heat transfer to a
-411.
fluid at supercritical pressure in square
Incropera FP, Dewitt DP, Bergman TL,
and triangular channels. Annals of
and Lavine AS, Fundamentals of Heat
Nuclear Energy, 35(6): p. 993-1005.
and Mass Transfer. 6th ed. 2007, United
[10] Kistler RS, ed. HTRI Design Manual.
States of America: John Wiley & Sons,
2006, Heat Transfer Research, inc.:
Inc.
Texas, USA.
Guo C, Du X, Yang L, and Yang Y
[11] S.F. DepartmentO (2007) Technical
(2014), Performance analysis of organic
Report
Rankine cycle based on location of heat
Geothermal Fluid,P.G. Energy Jakarta.
:
SSI
Indeks
of
Dieng
transfer pinch point in evaporator.
[12] Cheng W-L, Li T-T, Nian Y-L, and Xie
Applied Thermal Engineering, 62(1): p.
K (2014), An Analysis of Insulation of
176-186.
Abandoned
Hsieh JC, Lee YR, Guo TR, Liu LW,
Geothermal Power Generation. Energy
Cheng PY, and Wang CC (2014), A Co-
Procedia, 61: p. 607-610.
axial
[6]
power
[9]
Multi-tube
Heat
Exchanger
Oil
Wells
Reused
for
[13] Arisma E, Nugroho S, and Prabowo
Applicable for a Geothermal ORC
(2015),
Studi
Numerik
Pengaruh
Power Plant. Energy Procedia, 61: p.
Kecepatan Angin terhadap Critical
874-877.
Radius dan Distribusi Temperatur pada
Li W, Feng X, Yu LJ, and Xu J (2011),
Pipa Uap. JURNAL TEKNIK ITS 4(1):
Effects of evaporating temperature and
p. 2301-9271.
internal heat exchanger on organic
Rankine
cycle.
Applied
Thermal
Engineering, 31(17-18): p. 4014-4023.
[7]
Ryms M, Pyś T, and KlugmannRadziemska E (2014), Adapting the
pinch point analysis to improve the ORC
design process. International Journal of
Energy Research, 38(1): p. 29-40.
[8]
Nguyen VM, Doherty PS, and Riffat SB
(2001), Development of a prototype lowtemperature Rankine cycle electricity
81
HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN
82