Hand Out UTILITAS - Cogenerasi Combined Cycle -

KOGENERASI DAN COMBINED-CYCLE Hand Out Kuliah ITK-423 UTILITAS (Oleh : Antonius D.A. Feryanto)

JURUSAN TEKNIK KIMIA - ITENAS

Tujuan Pembelajaran Khusus (TPK) Mahasiswa mampu menjelaskan prinsipprinsip kogenerasi dan combined-cycle sebagai upaya pemulihan energi

PEMULIHAN (Recovery ) ENERGI •

•

Produksi kerja (daya mekanik/listrik) dari proses pembakaran bahan bakar fosil merupakan proses yang sangat tidak efisien. Efisiensi power plant  hanya 30  45%, artinya 55  70% energi terbuang.  –

 –

ENERGI TERBUANG DIMANFAATKAN !! PENINGKATAN EFISIENSI ENERGI SECARA KESELURUHAN

KOGENERASI •

•

•

Produksi dua bentuk energi secara bersamaan menggunakan satu sumber energi. Dalam kasus industri kimia, produksi energi mekanik (listrik) dan energi panas sekaligus dari satu sumber bahan bakar. KOGENERASI  Total Energy System atau Waste Heat Utilization System

SIKLUS GABUNGAN (COMBINED CYCLE )

•

•

Pemanfaatan satu sumber bahan bakar untuk produksi daya (listrik/mekanik) menggunakan dua siklus termodinamika. Konfigurasi siklus yang dipakai biasanya Siklus Brayton dan Siklus Rankine.

KONFIGURASI KOGENERASI •

T O P P IN G C Y C L E

Bahan bakar pertama kali dimanfaatkan untuk produksi energi mekanik melalui siklus termodinamika. Energi termal sisanya dimanfaatkan untuk proses pemanasan di pabrik. Bahan bakar 

Siklus termodinamika produksi kerja

G

Energi termal Bahan baku

PABRIK

Panas terbuang

Produk

•

B O T T O M IN G C Y C L E

Bahan bakar pertama kali dimanfaatkan untuk produksi energi termal untuk proses pemanasan pabrik. Energi termal sisanya dimanfaatkan untuk menghasilkan energi mekanik melalui siklus termodinamika. Bahan bakar 

Bahan baku

PABRIK

Produk

Energi termal sisa Siklus termodinamika produksi kerja

Panas terbuang

G

Listrik

Kogenerasi dengan Turbin Uap •

•

Uap masuk turbin

Sistem pembangkit kerja yang paling banyak digunakan dalam kogenerasi  Aplikasi pada turbin uap jenis back  pressure.

Turbin uap

Uap keluar turbin (untuk proses pemanasan)

Uap masuk turbin

HP turbin

Uap proses untuk

LP turbin

kondensat (ke boiler)

Dengan sistem pengendalian laju alir uap Superheated steam

PRV

Turbin uap

DS PC

Uap keluar (untuk proses pemanasan)  AIR

TC Surplus steam

Kogenerasi dengan Turbin Gas •

•

Turbin gas beroperasi pada temperatur tinggi, sehingga gas buangnya masih memiliki energi termal yang cukup tinggi. Energi termal gas buang dapat dimanfaatkan dengan berbagai cara : - pemanasan awal udara pembakar (regeneratif) - pemanasan proses secara tak langsung - pemanas proses tak langsung melalui alat-alat penukar panas. - pemanas proses tak langsung melalui WHB. - produksi uap lewat WHB dan selanjutnya uap digunakan untuk penggerak turbin uap (combined cycle).

Bahan bakar  burner 

kompresor

turbin

regenerator 

Gas cerobong

Pemanas langsung

Udara

HE

WHB Bahan bakar tambahan

Gas cerobong

Gas cerobong uap air 

COMBINED CYCLE Bahan bakar 

SIKLUS BRAYTON burner 

kompresor 

Turbin gas

Turbin uap kukus

Udara masuk WHB

Gas cerobong

BFW

SIKLUS RANKINE

Combined-cycle Cogeneration

Waste Heat Boiler (WHB) •

•

Pembangkit kukus/boiler dengan sumber energi berasal dari energi termal sisa. Berfungsi untuk mengkonversi panas sensibel gas cerobong menjadi kukus. Menghitung jumlah uap yang mampu dihasilkan di WHB ??

NERACA MASSA DAN ENERGI !!

Contoh Soal : Perkirakan laju produksi uap pada Waste Heat Boiler  (WHB) untuk memanfaatkan panas buang dari turbin gas dengan kondisi-kondisi sebagai berikut : • • •

• • •

laju alir gas buang = 800.000 kg/jam temperatur gas buang = 480 oC kondisi uap yang dihasilkan WHB = 700 kPa,  jenuh entalphi BFW = 450 kJ/kg pinch point = 15oC kapasitas panas gas buang = 1.1 kJ/kg oC

Tentukan pula temperatur gas buang keluar dari WHB.

Efisiensi Penggunaan Energi Rugi-rugi boiler  17% 17%

35%

Bahan bakar 

Power  Bahan bakar 

83%

Power 

48% Rugi-rugi KONVENSIONAL

KOGENERASI

Sistem turbin uap dan boiler  Rugi-rugi gas buang

Rugi-rugi gas buang

70%

30%

Bahan bakar 

Bahan bakar  30%

Power 

KONVENSIONAL

KOGENERASI

Sistem turbin gas

70%

Power 

Incremental Heat Rate (IHR) HR / Heat Rate : Konsumsi sumber energi di dalam sebuah  power  plant . Sering digunakan dalam mengevaluasi kogenerasi, atas dasar energi termal sebagai produk utama dan energi listrik sebagai produk tambahan. IHR = Selisih konsumsi bahan bakar sistem kogenerasi dengan konsumsi sistem produksi uap konvensional energi dalam bahan bakar 

 HR



 HR



 IHR

kWh listrik te rproduksi energi dalam bahan bakar  Btu dalam uap terproduk si

HR cogen 



 HR   conv

kWh listrik te rproduksi

Untuk produksi listrik Untuk produksi energi termal HRcogen = HR untuk kogenerasi HRconv = HR untuk produksi uap konvensional

Contoh Soal : Sebuah pabrik memerlukan energi listrik 3 MW dan energi termal = 200  juta Btu/jam. Energi termal diperoleh dari uap pada pada kondisi temperatur jenuh 259oF (P=35 psia, hv=1167.1 Btu/lb, hl=228 Btu/lb).  Air boiler masuk pada temperatur 80oF dan tekanan 35 psia (entalphi 282.2 Btu/lb). Efisiensi boiler 80%. Sistem produksi energi termal tersebut dimodifikasi menjadi sistem kogenerasi dengan turbin uap. Karakteristik turbin uap dipilih sedemikian rupa sehingga kondisi uap keluar turbin tepat pada kondisi keperluan proses. Uap masuk turbin diatur pada 150 psia dan 400oF (h=1219.1 Btu/lb). Ekspansi uap berlangsung secara adiabatik takreversibel. a. Tentukan neraca massa dan energi kogenerasi. b. Tentukan IHR c. Bandingkan IHR terhadap HR produksi listrik dengan turbin uap konvensional.

Contoh Soal : Udara dengan laju alir 600000 kg/jam digunakan untuk menggerakkan turbin gas satu tahap dengan pressure ratio 15. Udara masuk kompresor pada tekanan 1 atm, 30oC. Diketahui maximum cycle temperature 1100oC. Laju alir fluida kerja dianggap tetap dengan kapasitas panas 1 kJ/kg K. Efisiensi kompresor 85% dan efisiensi turbin 85%. Panas yang berasal dari gas buang hendak digunakan untuk memproduksi kukus melalui WHB dengan pinch point 15oC. Entalphi BFW 550 kJ/kg. Kukus ini akan digunakan untuk keperluan produksi energi mekanik melalui turbin uap. Datadata kukus adalah sebagai berikut : Kukus masuk turbin  4000 kPa, 350oC Kukus keluar turbin  500 kPa, jenuh a. Berapa jumlah (dalam kW) energi mekanik yang dihasilkan. b. Tentukan efisiensi keseluruhan.