prosiding seminar nasional nciet vol.1 (2020) b195-b206 1

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.

mailto:[email protected]

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


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


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


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)


B. 200


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



= 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


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


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


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


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


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.

prosiding seminar nasional nciet vol.1 (2020) b195-b206 1

Documents