1
Audit Energi pada Gas Turbin Generator (GTG) untuk Produksi Energi Listrik (studi kasus di PT.Petrokimia) Lutfiatus Fitria, Ridho Hantoro dan Sarwono Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail :
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected] [email protected]
Listrik merupakan kebutuhan penting dalam Abstrak Abstrak — Listrik menunjang proses produksi pada suatu pabrik/industri. Produksi energi listrik PT.Petrokimia Gresikk oleh gas turbin generator. Audit energi merupakan usaha untuk mengetahui konsumsi energi serta memberikan rekomendasi sebagai peluang penghematan energi. Telah dilakukan audit energi pada sistem gas turbin generator unit utilitas pabrik 1 PT.Petrokimia untuk produksi energi listrik. Hasil audit yang telah telah dilakukan pada sistem GTG unit utilitas pabrik 1 PT.Petrokimia. Produksi energi listrik sebesar 1 kW pada sistem GTG membutuhkan konsumsi bahan bakar gas sebesar 0,386 MMBtu/kW sedangkan untuk produksi 1 Ton pupuk membutuhkan energi listrik sebesar 1,390 kW/Ton produksi pupuk. Losses tertinggi pada sistem GTG terdapat pada gearbox sebesar 1,13MW, sedangkan pada generator -station tion/gardu induk sebesar sebesar 0,52MW dan losses pada sub-sta 0,059MW. Efisiensi termal pada siklus tertinggi pada tanggal 18 Januari sebesar 45% sedangkan losses terkecil pada tanggal 23 Januari sebesar 17029,8kW. Rekomendasi yang dapat dilakukan pada sistem GTG unit Utilitas pabrik 1 PT.Petrokimia dengan menggunakan regenerator, mampu mengurangi konsumsi bahan bakar sebesar 4279,86 MMBtu/kW. Kata Kunci : Listrik, audit, losses, efisiensi, siklus
I. PENDAHULUAN
E
nergi listrik merupakan salah satu sumber energi yang sangat penting bagi kehidupan. Berbagai instansi baik perkantoran, rumah sakit, perumahan dan industri sangat membutuhkan energi listik. Manfaat energi listrik diantaranya sebagai penerangan, pemanasan serta proses produksi. PT.Petrokimia Gresik salah satu perusahaan produksi pupuk terbesar di Indonesia. Kebutuhan energi energi listrik yang yang sangat besar tidak hanya berasal dari distribusi energi listrik oleh PLN, sehingga PT.Petrokimia memiliki pembangkit listrik yaitu Gas Turbin Generator (GTG). Gas Turbin Generator (GTG) pada unit utilitas pabrik 1 di PT.Petrokimia ini memiliki peranan penting dalam proses produksi energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga gas ini akan didistribusikan diantarnya untuk proses produksi dalam menjalankan mesin-mesin industri. Kompresor, turbin dan generator pada GTG memiliki kinerja yang penting pada pembangkit listrik tenaga gas. Penelitian sebelumnya yang telah dilakukan. Audit Energi pada Pembangkit Listrik tenaga gas studi kasus pada PT.Indonesia Power UBP pesanggaran unit 3 Denpasar[1] Bali . Didapatkan hasil bahwa optimalisasi yang dilakukan
bahwa dengan perubahan pembebanan menghasilkan kesimpulan semakin besar pembebanan, maka heat loss semakin kecil, tetapi untuk nilai efisiensi termalnya masih belum bisa dikatakan semakin bagus. Dengan demikian dilakukan audit energi pada GTG unit utilitas di PT.Petrokimia. Batassan masalah pada penelitian Tugas Akhir ini, GTG pada unit utilitas pabrik 1 PT.Petrokimia-Gresik, bahan bakar yaitu gas alam, fluida kerja adalah udara. Tujuan dari penelitian Tugas Akhir ini adalah melakukan audit energi pada GTG unit utilitas pabrik 1 PT.Petrokimia, mengetahui kinerja GTG dan peluang penghematan energi serta memberikan rekomendasi upaya penghematan energi pada GTG. II. METODOLOGI PENELITIAN A. Tahapan Penelitian Penelitian ini dilakukan pada plant GTG unit utilitas pabrik 1 PT.Petrokimia. Langkah awal dalam melakukan audit energi terlebih dahulu mengidentifikasi komponen-komponen yang terdapat pada sistem GTG kemudian pengumpulan datadata yang meliputi profil penggunaan energi, data konsumsi bahan bakar dalam produksi energi listrik. Pengambilan data aktual pada komponen GTG meliputi tekanan, suhu inlet inlet dan outlet meliputi. meliputi. Kompresor, ruang bakar serta turbin. Langkah selanjutnya setelah didapatkan data aktual pada sistem GTG ini dilakukan perhitungan analisa termodinamika dengan siklus Brayton dan kesetimbangan energi. Kemudian dari perhitungan diperoleh nilai efisiensi siklus pada kompresor dan turbin. Selain itu dalam Tugas Akhir ini digunakan standar ASME PT.22 untuk audit energi pada PT.Petrokimia gresik. B. Diagram blok sistem GTG unit utilitas pabrik 1 BAHAN BAKAR
Bahan bakar
P2 T Udara
2 m
COMBUSTION
W C
in m 3 Q
out Q
1 m
P1 T1
W T
TURBIN
KOMPRESSOR
Daya listrik MW
P3 T3
GENERATOR
P4 T4 GAS BUANG PANAS (WHB)
Gambar 1. Diagram Blok Kinerja Sistem GTG
2
Dapat dijelaskan bahwa pada Gambar 1 merupakan kinerja pada sistem GTG. Proses awal dimulai dari komponen kompresor yang mengambil udara luar dengan temperatur dan tekannan. Udara dikompresi sehingga tekanan dan temperatur untuk masuk ruang bakar. Pada ruang bakar udara bercampur dengan bahan bakar. Selanjutnya ruang bakar dengan hasil kalor pembakaran laju kalor dan temperatur, udara yang bertekanan memutar turbin sehinga turbin berputar memutar kompresor dan menggerakkan generator sehingga menghasilkan energi listrik. C. Analisa Termodinamika Berdasarkan Siklus Brayton Analisa termodinamika digunakan untuk mengetahui secara perhitungan berdasarkan kinerja pada diagram T-s pada kondisi aktual dan ideal. a. Kompresor: Kompresor merupakan salah satu komponen yang terdapat pada gas turbin generator yang berfungsi untuk mengkompresi udara sehingga udara bertekanan tinggi untuk memasuki ruang pembakaran. P2 T2 m c w
d. Efisiensi termal Perbandingan antara kompressor serta Q in.
kinerja
t W
turbin
denga
kinerja
c W
in Q
Back work rasio, perbandingan kerja balik oleh turbin pada kompresor. Dimana turbin memutar kompresor, pada kondisi ideal siklus brayton sebagai berikut.
c / W t bwr W
Berdasarkan standart ASME PTC-22 Gas Turbin. Kerugian yang terjadi pada sistem GTG sebagai berikut. Generator losses Berdasarkan standar ASME PTC-22, kerugian gas turbin akibat generator ini maksimal adalah 2% Pada perhitungan berikut, dimana menghitung kerugian turbin gas sebagai berikut. Daya output generator: Generator output = Generator Voltage x Generator ampere Generator losses = Generator output x 2%
2
m
1
kompressor
turbin Q
P1 T1
Gambar 2. Sistem kompressor pada GTG
Berdasarkan siklus brayton pada kompressor sebagai sebagai berikut.
c W
2 h2 m
h1
b. Ruang bakar (Combustion) Ruang pembakaran pembakaran (combustion) (combustion) salah satu komponen penting pada sistem GTG. Pada ruang bakar ini laju kalor masuk pada turbin. T 3
T2 P2
P3
3 m in Q
2 m combustion
Gear box losses Pada standart ASME, kerugian akibat gear box bervariasi dimulai antara 1% - 2%. Selanjutnya berikut perhitungan kerugian gas turbin akibat gear box. Putaran poros pada gear box mempengaruhi nilai daya listrik generator. Sehingga perhitungan SHP (shaft-power ) sebagai berikut. SHP = Ƞ thermal X Q-input Q-input 2544,43 Selanjutnya setelah mengetahui daya poros pada gearbox,kemudian perhitungan terhadap losses yang terjadi pada gearbox sebagai berikut. Gear box losses = SHP X 2%
Gambar 3. Sistem ruang bakar pada GTG
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Selanjutnya pada ruang bakar menghasilkan kalor panas yang akan memutar turbin. Laju kalor pada syklus brayton sebagai berikut. 3 (h3 h2 ) Q m in
c.
Turbin Turbin merupakan salah satu komponen pada sistem gas turbin generator (GTG). Turbin gas menggerakan sebuah generator. Energi listrik dihasilkan oleh generator. Pada turbin unit utilitas di PT.Petrokimia bekerja dengan kecepatan in T3 Q putaran 5100 rpm.
Profil konsumsi energi pada PT.Petrokimia Daya aktual 20,8 MW
Produksi energi listrik GTG 22,51 MW
Gearbox losses 1,13 MW
P3 T4 P4
out Q
T W
Sub-station losses 0,059MW
Generator losses 0,521 MW
Turbin
Gambar 4. Sistem Turbin pada GTG Dengan siklus Bryton pada sistem GTG sebagai berikut.
t W
3 h3 m
h4
Selanjutnya untuk laju kalor keluar dari turbin akan menggerakkan kompresor. Berdasarkan siklus Brayton sebagai berikut. (h h ) Q m out
4
4
1
Gambar 5. Sankey Diagram Distribusi Listrik Daya GTG Unit Utilitas
Pada diagram Sankey bahwa losses yang terjadi pada sistem GTG tertinggi terdapat pada gearbox losses sebesar 1.13MW, sedangkan pada generator losses sebesar 0,521 MW dan pada sub-station/gardu sub-station/gardu induk losses losses daya listrik sebesar 0,059MW.
3
Tabel 1. Konsumsi Energi Listrik PT.Petrokimia-Gresik Profil Konsumsi Energi PT.Petrokimia - Gresik Distribusi listrik Daya listrik GTG Hasil produksi Bahan bakar
Pabrik 1
Pabrik 2
Pabrik 3
11,5 MW 12681,2 Ton/hari 8691 MMBtu
3,4 MW 2310 Ton/hari
2,5 MW 1200 Ton/hari
-
-
sub station 5 station 5 3,4 MW -
Sumber : PT.Petrokimia Gresik Keterangan : beban listrik rata-rata Selanjutnya total produksi pupuk pada PT.Petrokimia Gresik, untuk menghasilkan produksi produksi 1 Ton pupuk dengan konsumsi energi listrik. Produksi pupuk membutuhkan konsumsi energi listrik, sedangkan produksi energi listrik pada sistem GTG membutuhkan konsumsi bahan bakar gas alam. Dengan konsumsi bahan bakar gas alam dan produksi energi listrik serta hasil produksi pupuk PT.Petrokimia Gresik. Berikut jumlah total produksi serta konsumsi energi listrik. Tabel 2. Konsumsi Listrik perhari untuk setiap Ton Produksi Pupuk. Produksi pupuk PT.Petrokimia Gresik Total Produksi Pupuk (Ton)
16191,2 Ton
Daya listrik (kW) Bahan Bakar (MMBtu) Konsumsi Listrik untuk 1 Ton Pupuk Produksi Konsumsi bahan bakar untuk produksi 1kW listrik
Pada Gambar 7 bahwa grafik konsumsi energi listrik tertinggi pada tanggal 11 Januari 2013 sebesar 22980 kW sedangkan untuk konsumsi bahan bakar tertinggi pada tanggal 08 Januari 2013 sebesar 8707 MMBtu. Produksi Pupuk dengan daya listrik Generator pada sistem GTG. Produksi pupuk pada pabrik 1 PT.Petrokimia Gresik berbanding dengan konsumsi energi listrik pada sistem GTG.
22150 kW 8691 MMBtu
Gambar 8. Produksi pupuk dengan konsumsi energi listrik pada sistem GTG
Hasil produksi pupuk pada pabrik 1 PT.Petrokimia gresik dengan konsusmsi energi listrik, dimana untuk menghasilkan produksi 1 Ton pupuk membutuhkan energi listrik sebesar 1,74kW. Produksi pupuk tertinggi pada tanggal 08 Januari 2013 sebesar 12881,4 Ton. Daya listrik tertinggi sebesar 1,8121 kW/Ton. Grafik Kinerja Kompresor pada Sistem GTG Berikut hasil perhitungan kinerja kompresor berdasarkan siklus Brayton sistem GTG sebagai berikut.
1,390 kW/Ton 0,386 MMBtu/kW
Sumber : Data Produksi Pupuk PT.Petrokimia
Gambar 6. Profil Konsumsi Energi Listrik pada PT. Petrokimia. Dapat dijelaskan pada gambar diagram bahwa konsumsi terbesar energi listrik PT.Petrokimia terdapat pada pabrik 1 dengan hasil produksi tertinggi dibandingkan dengan pabrik 2 dan pabrik 3. Produksi Daya Listrik dengan konsumsi bahan bakar oleh GTG Unit Utilitas
Gambar 9. Grafik Kinerja Kompresor pada Sistem GTG Dapat diketahui pada bahwa kinerja kompresor tertinggi pada tanggal t anggal 02 Januari 2013 sebesar 15889,6 kW sedangkan kinerja terendah pada tanggal 11 Januari Januari 2013 sebesar 12128,403 kW. Turbin salah satu komponen dalam sistem GTG, dimana kinerja turbin akan mempengaruhi produksi listrik pada GTG. Kinerja turbin pada sistem GTG sebagai berikut.
Gambar 10. Grafik kinerja Turbin pada Sistem GTG Gambar 7. Grafik Daya Daya Listrik oleh Sistem GTG
4 Kinerja turbin tertinggi terdapat pada tanggal 02 Januari 2013 sebesar 58202,70 kW sedangkan kinerja terendah pada tanggal 23 Januari 2013 sebesar 42832,06 kW. Kinerja turbin pada sistem GTG berpengaruh pada hasil produksi energi listrik. Efisiensi termal pada sistem GTG berdasarkan perhitungan denggan siklus Brayton, sehingga diper oleh hasil efisiensi dari perhitungan sebagai berikut.
losses losses terendah pada tanggal 23 Januari 2013 sebesar 17029,8 kW. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada bapak Erick dan bapak Ifang selaku Staf bagian instrumentasi departemen pemeliharaan pabrik 1 PT.Petrokimia Gresik yang sangat membantu dalam pengambilan data dilapangan. DAFTAR PUSTAKA DAFTAR PUSTAKA
Gambar 11. Grafik Efisiensi Termal Berdasarkan Siklus Brayton pada sistem GTG
Selanjutnya pada Gambar 11 grafik Efisiensi Termal pada siklus Brayton dalam sistem GTG. Diperoleh data nilai efisiensi termal, tertinggi pada tanggal 18 Januari 2013 sebesar 45,14% sedangkan untuk efisiensi Termal terendah pada tangggal 23 Januari 2013 sebesar 17,75%. Rekomendasi Untuk Peluang Penghematan Energi Pada Sistem GTG Perbedaan dengan menggunakan regenerator dan tanpa menggunakan regenerator. Dengan menggunakan regenerator diperoleh nilai konsumsi bahan bakar sebesar 4279,86 kW/MMBtu sedangkan tanpa menggunakan regenerator sebesar 8559,72 kW/MMBtu. Sehingaa dapat diperoleh selisih antara dengan menggunakan regenerator pada sistem GTG dan tanpa menggunakan regenerator. Berikut selisih konsumsi bahan bakar dengan menggunakan regenerator dan tanpa regenerator. Peluang penghematan. 8559,72 kW/MMBtu - 4279,86 kW/MMBtu = 4279,86 MMBtu/kW. Maka diperoleh peluang penghematan bahan bakar sebesar 4279,86 MMBtu/kW. IV. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut : Dari hasil Tugas Akhir diperoleh kinerja komponen pada sistem GTG unit utilitas pabrik 1 PT.Petrokimia dengan menggunakan siklus Brayton. Untuk memproduksi energi listrik sebesar 1 kW pada sistem GTG membutuhkan konsumsi bahan bakar gas sebesar 0,386 MMBtu/kW sedangkan untuk memproduksi 1 Ton pupuk membutuhkan energi listrik sebesar 1,390 kW/Ton produksi pupuk. Gambar 5 diagram sankey sankey Losses Losses yang terjadi pada Pada sistem GTG tertinggi terdapat pada gearbox losses sebesar 1,13 MW, sedangkan pada generator losses sebesar 0,521 MW dan pada sub-station/gardu sub-station/gardu induk losses losses daya listrik sebesar 0,059 MW. Pada Gambar 11, grafik efisiensi termal pada siklus tertinggi pada tanggal 18 Januari 2013 sebesar 45,14 %, sedangkan
[1] Sindhu Kamarga, Willhansen, 2012. “Audit Energi Pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas Studi Kasus Pada PT.Indonesia Power USB pesanggaran unit 3 Denpasar- Bali” Denpasar- Bali”.. Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. [2] Harwinda, Radous, 2012. ’’Analisa Kesetimbangan Energi pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas studi kasus pada PLTG unit 1 PT.Indonesia Power Unit Bisnis Pembangkitan pesanggaran Denpasar Bali’’. Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. [3] Fitria, Lutfiatus, 2013.”Laporan 2013.” Laporan Kerja Praktek-Penerapan Metode Preliminary Audit pada Gas Turbin Generator untuk Mengetahui Produksi Energi Listrik di PT.Petrokimia Gresik. Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. [4] Himawan, Boby, 2010. 2010 . ”Pengaruh Cleaning Kompresor Terhadap Unjuk Kerja Turbin Tu rbin Gas unit Pabrik 1 PT.Petrokimia Gresik ”. Fakultas Teknologi Industri jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember. [5] Martin, Dolok, 2009.’’Rancangan 2009. ’’Rancangan Ruang Bakar Turbin Gas pada Sebuah Pembangkit Listrik Daya Daya 21MW’’. 21MW’’. Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatra Utara. [6] “Modul Pemrograman Pemrograman Komputer”. 2005. 2005. Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Islam Indonesia. [7] Dela Rofiqoh, Hevin Jamalah Akbar. 2012. “Tenaga Listrik Gas Turbin Generator”. Generator”. Teknik Kimia Politeknik Negri Sriwijaya. [8] The American Society of Mechanical (ASME-PTC 2005) Performance Test Codes Gas Turbine. [9] Bureau of energi efficiency (BEE).2004. general aspect of energi Management and audit energi.new delhi. [10] Michael J. Morgan, Howard N. Sapiro. 2004. “Termodinamika Teknik Edisi 4 jilid 1 ”. The Ohio State University, Iowa state University of Scince and Technology. [11] Navrotsky V, 2005. 2005 . “Gas Turbine Performance and maintenance continuous improvement”. Germany
