pengaruh penurunan karakteristik sumber panas …
TRANSCRIPT
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80 P-ISSN 1978 - 2365
E-ISSN 2528 - 1917
69 Diterima : 28 September 2016, direvisi : 28 Oktober 2016, disetujui terbit : 20 Februari 2017
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
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
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
70
PENDAHULUAN
Potensi panas bumi di wilayah kerja
pertambangan (WKP) dataran tinggi dieng
cukup tinggi. Berdasarkan profil potensi panas
bumi Indonesia yang dikeluarkan oleh
Kementerian Energi dan Sumber Daya
Mineral tahun 2012, disebutkan bahwa
potensinya mencapai 897 MW[1]. Pambudi
dkk (2014), menyebutkan potensi exergy yang
bisa diekstraksi dari sumur yang ada mencapai
59,52 MW dengan jumlah waste brine
mencapai 17,98 % atau setara dengan 10,7
MW[2]. Kementerian ESDM melalui
Puslitbang TKEBTKE mencoba untuk
memanfaatkan potensi waste brine ini menjadi
listrik dengan menggunakan sistem biner
Organic Rankine Cycle (ORC) pada pilot
plant PLTP biner Dieng.
Pada sistem ORC, heat exchanger
merupakan peralatan utama dimana kalor dari
sumber panas diserap dan diteruskan ke fluida
kerja. Kemampuan efektivitas heat exchanger
adalah panas yang diterima oleh laju alir
massa untuk menjadi fasa uap pada tekanan
dan temperatur tertentu dibandingkan dengan
panas yang tersedia dari sumber[3].
Penurunan dari temperatur sumber
panas akan mempengaruhi profil temperatur
dari evaporator, jika terjadi penurunan sumber
panas tanpa ada perubahan profil evaporator
maka akan mempengaruhi laju dan tekanan
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
sudah banyak dilakukan[4,7]. Berdasarkan
pinch analisis didapatkan bahwa, subcritical
ORC bekerja lebih baik pada temperatur
keluar sumber panas yang tinggi, sedangkan
untuk temperatur sumber panas yang rendah
lebih baik digunakan supercritical ORC.
Nguyen dkk (2001), mengembangkan dan
menguji ORC skala kecil dengan fluida kerja
n-pentane dengan memanfaatkan panas yang
didapatkan dari boiler gas. Sistem tersebut
mampu menghasilkan 1,5 kW listrik dengan
efisiensi thermal 4,3%[8].
Pada unit PLTP biner Dieng terjadi
fenomena penurunan properties aliran sumber
panas yang digunakan sebagai fluida pemanas.
Studi ini bertujuan untuk melakukan
perhitungan model matematis dan
termodinamika menggunakan Engineering
Equation Solver (EES) dan NIST Reference
Fluid Thermodynamic and Transport
Properties Database (REFROP) untuk
memprediksi pengaruh penurunan aliran
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.
Tabel 1. Parameter desain PLTP biner Dieng
* pada pengujian ini fluida kerja di bypass ke pressure
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)
71
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
Fasilitas Eksperimen dan Studi Kasus
PLTP biner Dieng adalah laboratorium
ORC insitu milik Puslitbang TKEBTKE yang
terletak di sumur 29, PT.Geodipa Energi
(GDE). Kapasitas desain PLTP biner Dieng
adalah 50 kW dengan fluida kerja n-pentane.
Desain parameternya disajikan pada Tabel 1.
Studi Kasus
PLTP biner Dieng didesain
menggunakan brine langsung dari separator
pemisahan uap geothermal. Akibat adanya
permasalahan pengendapan silika pada pipa
separator, maka tekanan separator harus dijaga
diatas 10 bar, oleh karena itu itu PT.GDE
memasang pressure regulator pada pipa setelah
separator, akibatnya tekanan dan temperatur
brine yang masuk kedalam sistem PLTP biner
menjadi turun. Skema kasus bisa dilihat pada
Gambar 1.
METODOLOGI
Deskripsi Sistem dan Model
Termodinamika
Prosedur yang dilakukan pada
percobaan ini diilustrasikan pada Gambar 3.
Fokus dari studi ini adalah untuk menentukan
berapa uap n-pentane yang dihasilkan setelah
mengalami penurunan parameter sumber
panas, baik secara simulasi maupun secara
aktual. Untuk itu detail dari sistem heat
exchanger dihitung dan disimulasikan
menggunakan software simulasi heat
exchanger untuk mendapatkan efektifitas HE
yang paling optimal. Hasil perhitungan akan
digunakan dalam model termodinamika untuk
perhitungan efisiensi siklus menggunakan
software EES dan NIST Refprop.
Sistem Heat exchanger
Bila dilakukan plot penurunan input brine
yang terjadi ke dalam diagram
temperatur-entropi (T-s) pada Gambar 2,
didapatkan bahwa garis sumber panas harus
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
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
72
Gambar 2. Penurunan sumber tekanan dengan entropi fluida kerja
Gambar 3. Flowchart prosedur pengujian
Metode Log Mean Temperatur Different
(LMTD) digunakan sebagai metode
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 (2)
dimana q= kalor yang dipertukarkan (W ),U
adalah koefisien perpindahan panas (W/K.m2)
dan A adalah luas pertukaran.
Bersamaan dengan peningkatan entropi
maka kenaikan temperatur diekspresikan
dalam persamaan:
(3)
Tipe HE adalah shell-tube counterflow,
sehingga koefisien perpindahan panas total, U,
didefinisikan dalam persamaan:
Mulai
Modeling sistem HE
Pengambilan data paramater aktual berdasarkan kasus
Perhitungan nilai koef.H. Transfer (U), kalor transfer HE (Q) dan massa alir fluida kerja
Input parameter
desain awal
Spesifikasi HE Luas permukaan (A) Koef. Heat transfer (U) Efektifitas HE
Model Termodinamika Sistem
Optimasi
Efektifitas HE
Perhitungan parameter output
Bandingkan output
model vs aktual
Analisis dan
Kesimpulan
Selesai
73
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
(4)
Nusselt number (Nu) untuk fasa tunggal fluida
subcritical dihitung menggunakan persamaan
Dittus-Boelter[9]
(5)
dimana n = 0,4 untuk proses pemanasan dan
0,3 untuk proses pendinginan (konstanta n
yang 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
dengan persamaan :
(6)
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],
dan didapatkan parameter spesifikasi pada
Tabel 2.
Untuk memprediksi output dari suatu
heat exchanger maka Kays dan London
(1955), memperkenalkan metode NTU.
Metode ini menggunakan parameter tak
berdimensi yang disebut perpindahan panas
efektif (ε), yang di tuliskan sebagai berikut :
(7)
dimana q adalah kalor perpindahan panas (W)
dan qmax adalah kalor maksimum dari sumber.
Tabel 2.Spesifikasi heat exchanger PLTP
biner Dieng
Asumsi perhitungan simulasi dan
analisis energi balance yang digunakan pada
paper ini adalah sebagai berikut :
1. Heat exchanger terisolasi sempurna dari
lingkungan, yang terjadi hanya
Spesifikasi Preheater
Parameter Nilai Satuan
Kapasitas transfer panas 414 kW
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
Pressure
- Shell 15,4 Bar
- Tube 7 Bar
Pass 1 Shell, 4 Tube passes
Spesifikasi Evaporator
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
Tube OD 15,875 mm
Jumlah Tube 226 tubes
Pressure
- Shell 15,4 Bar
- Tube 7 Bar
Pass 1 Shell, 4 Tube passes
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
74
perpindahan panas antara fluida panas
dan dingin.
2. Konduksi aksial sepanjang tabung HE
diabaikan
3. Perubahan energi kinetik dan potensial
diabaikan
Model termodinamika dan performa siklus
1. Turbin
Diasumsikan proses ekspansi
non-isentropis terjadi, enthalpi fluida kerja di
titik keluar turbin serta kerja dari turbin ditulis
dengan persamaan :
(8)
(9)
dimana h2ft adalah enthalpi fluida kerja pada
titik keluar turbin dengan kondisi ideal, ηis
adalah efisiensi isentropik yaitu ratio kekuatan
pengereman dengan kebutuhan tenaga
isentropik. Kehilangan tenaga yang lain dari
exergy loss ke lingkungan, yang pada
pengujian ini temperatur lingkungan tercatat
22 oC, sehingga pada perhitungan ini total
efisiensi dari turbin dipakai pada angka 60%.
2. Kondenser
Total perpindahan panas yang terjadi
digunakan persamaan :
Qcon = m(h2f – h3f) (10)
diasumsikan tidak ada panas yang terbuang
ke lingkungan.
3. Pompa
Fuida kerja dikompresikan sampai ke
puncak tekanan dalam proses ini dari kerja
pompa. Untuk menghitung kebutuhan power
dari pompa digunakan persamaan :
Wp = m(h4f – h3f)/η (11)
dimana ηp adalah efisiensi dari pompa, karena
digunakan inverter maka perhitungan efisiensi
pompa diabaikan.
4. Preheater
Total perpindahan panas dari sumber
panas ke preheater dihitung menggunakan
persamaan :
Qph = m. Cp. (T3 – T1) (12)
yang setara dengan
Qph = m(h1 – h3) (13)
diasumsikan tidak ada panas yang terbuang
ke lingkungan dan proses perpindahan panas
terjadi pada tekanan konstan.
5. Evaporator
Total perpindahan panas dari sumber
panas ke preheater dihitung menggunakan
persamaan :
Qev = m(h2 – h4) (14)
sehingga Q heat exchanger total yang diterima
oleh fluida kerja dari sumber panas :
Qhe = Qph + Qev (15)
diasumsikan tidak ada panas yang terbuang ke
lingkungan dan proses perpindahan panas
terjadi pada tekanan konstan.
Efisiensi siklus
Efisiensi termal dan kerja total yang
dihasilkan dari sistem dihitung menggunakan
persamaan :
ηthe = (Wtur – Wp)/Qhe (16)
Wnet = Wtur - Wp (17)
75
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan nilai yang didapatkan dari
spesifikasi desain peralatan HE (Preheater dan
evaporator) pada Tabel 3, maka dilakukan
simulasi dan perhitungan dari penurunan
parameter sumber panas yang ada untuk
mendapatkan berapa nilai laju alir n-pentane
yang optimal.
Tabel 3a. Parameter pada Preheater Tabel 3b. Parameter pada Evaporator
Gambar 4. Optimalisasi laju alir n-pentanepada evaporator
massa brine (kg/s) 2,48
T brine in (C) 116
T brine out (C) 101,6
P brine in (bar) 2,51
massa n-pentane (kg/s) 0,9
T n-pentane in (.C) 30,75
T n-pentane out (.C) 100
P n-pentane (bar) 6
EMTD (.C) 29,7
Duty (KW) 157,54
U act (KW) 325,95
U req (KW) 134,19
Over Desain (%) 142,9
massa brine (kg/s) 11,1
T brine in (C) 116
T brine out (C) 110,9
P brine in (bar) 2,51
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) 13,8
Duty (KW) 272,39
U act (KW) 964,9
U req (KW) 647
Over Desain (%) 49,14
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
76
Diketahui dari uji coba pembukaan
valve brine menuju preheater (CV1), bukaan
terkecil yang bisa dilakukan adalah pada nilai
laju alir 2,48 kg/s. Jika dihitung performa dari
preheater maka didapatkan nilai parameter
seperti pada Tabel 3a, terlihat bahwa nilai over
desain yang ada mencapai 142%, artinya
preheater sangat mampu untuk melakukan
kerja pemanasan n-pentane sampai ke suhu
sebelum saturasinya.
Dari hasil simulasi pada evaporator,
Gambar 4, didapatkan bahwa nilai parameter
massa paling optimal yang bisa dipanaskan
oleh sumber panas adalah 0,9 kg/s. Terlihat
bahwa pada nilai optimal didapatkan dari nilai
over desain tertinggi, atau nilai yang paling
optimis bahwa pemanasan tersebut bisa
tercapai untuk mendapatkan nilai uap
n-pentane yang sesuai dengan spesifikasi dari
turbin, nilai P dan T superheat tertinggi. Pada
nilai optimal maka nilai Q yang didapatkan
adalah 272,39 kW.
Berdasarkan nilai di atas, selanjutnya
dilakukan perhitungan heat-mass balance pada
laju alir brine optimal untuk mendapatkan
berapa output dari siklus menggunakan
software EES (Gambar 5). Nilai parameter
evaporator disajikan pada Tabel 3b. Nilai
output yang bisa dihasilkan setelah terjadi
penurunan sumber panas adalah Wtur = 28,15
kW, jika diasumsikan efisiensi generator 97%
maka output listrik yang bisa dihasilkan adalah
27,31 kW.
Untuk memverifikasi hasil dari
perhitungan simulasi, dilakukan pengukuran
pada pilot plant PLTP biner Dieng.
Pengukuran dilakukan pada titik-titik
perpindahan dalam setiap komponen, terutama
pada heat exchanger.
Gambar 5. Simulasi heat-mass balance pada laju alir n-pentane 0,9 kg/s dengan
parameter input brine mengalami penurunan
77
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
dari thermocouple dan pressure transmitter
menggunakan Graphtec GL7000 data
recorder. Hasil pengujian disajikan pada
Tabel 4.
Terlihat bahwa nilai parameter yang
didapatkan berbeda dari hasil simulasi diatas
(angka merah tebal). Pada nilai pembagian
laju alir input brine antara preheater dan
evaporator, didapatkan pada simulasi dengan
laju alir input preheater 2,48 kg/s sudah
didapatkan nilai output temperatur n-pentane
100oC atau mendekati titik saturasi. Se-
dangkan pada aktual didapatkan bahwa
dengan laju input brine 6,1 kg/s hanya mampu
memanasi n-pentane sampai suhu 87C. Jika
laju input preheater dinaikkan terus maka akan
mengurangi laju brine ke evaporator.
Konfigurasi pembukaan valve brine preheat
(CV1) : valve brine evaporator (CV2) diatas
yaitu 6,1 : 7,2 adalah nilai optimal dari
pengujian.
Perbedaan parameter kedua adalah pada
nilai laju alir n-pentane, pengukuran pada
aktual operasi, laju alir n-pentane tercatat 0,5
kg/s, sedangkan pada simulasi 0,9 kg/s. Jika
dilihat dari kalor yang diterima oleh n-pentane
maka didapatkan bahwa hasil dari aktual lebih
kecil dari nilai simulasi, sebagaimana
ditampilkan pada Tabel 5. Perhitungan kalor
n-pentane pada fasa liquid menggunakan
persamaan (12), untuk fasa saturasi dan
superheat menggunakan persamaan (13),
sedangkan nilai Q total yang diterima oleh
n-pentane menggunakan persamaan (14). Nilai
Cp n-pentane dan enthalpi pada suatu titik
ditentukan dari software NIST Refprop.
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
78
Tabel 5. Perbandingan nilai kalor
perpindahan panas pada simulasi desain dan
aktual operasi
Faktor utama yang 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
104 oC, jika dimasukkan dalam tabel proper-
ties untuk air, maka didapatkan bahwa fasanya
adalah dua fasa, yaitu fasa uap dan air.
Penurunan nilai tekanan output brine ini
menunjukkan bahwa di dalam preheater terjadi
penurunan tekanan (pressure drop) yang sig-
nifikan, sehingga kalor yang bisa diserap jauh
lebih sedikit. Pada Incropera dkk (2007), dise-
butkan, bahwa koefisien perpindahan panas
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 ada-
lah telah terjadi penebalan akibat silica scaling
pada tube preheater, hal ini disebabkan oleh
tekanan kerja dari sistem PLTP Biner Dieng
jauh dibawah nilai tekanan kerja aman 15 bar
pada grafik Silica Saturation Index dari fluida
panas bumi dieng, tersaji pada Gambar 6.
Gambar 6. Silica Saturation Index (SSI) fluida
geothermal Dieng[11].
Scalling mengakibatkan nilai fouling
factor HE menjadi besar. Walaupun belum
dilakukan pengamatan secara langsung
terhadap pipa-pipa di dalam HE, akan tetapi
jika dilihat dari pipa outlet brine menuju
atmospheric flash tank (AFT) (Gambar 7),
terlihat jelas adanya proses silica scaling yang
melekat di dinding pipa dengan tebal sekitar
1,5 cm.
Aktual
Simulasi desain
m Pentane (kg/s) 0.5 0.9
tekanan (bar) 6 6 mph Brine (kg/s) Qph (kW)
6.1 69.62
2.48 147.08
dT (.C) 28 --> 87 30,7 --> 100 mev Brine (kg/s) Qev (liq) (kW)
7.2 17.98
11.12 -
dT (.C) 87 --> 100.5 -
Qev (sat+sh) (kW) 167.79 272.43
dT (.C) 100.5 --> 102 100 --> 103
Qhe (kW) 255.39 419.51
79
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
Gambar 7. Silica Scaling yang terjadi di pipa
outlet menuju AFT
Faktor lain penyebab terjadi perbedaan
kalor yang diterima n-pentane dari hasil
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
lingkungan semakin rendah maka heat loss
semakin tinggi[3]. Sedangkan semakin tinggi
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 ter-
buang 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
evaporator bergeser kebawah ke temperatur
87 oC (titik 6), hal ini mengakibatkan
penurunan kinerja heat exchanger
sebagaimana sudah ditunjukkan diatas.
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.
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan
Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80
80
Tabel 6. Kerja turbin yang bisa dibang-
kitkan
Perbedaan kapasitas turbin pada
Tabel 6, terutama disebabkan nilai laju alir n-
pentane yang didapatkan antara simulasi dan
aktual jauh berbeda. Penurunan laju alir pada
kondisi aktual disebabkan oleh kurangnya ke-
mampuan 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
penurunan nilai enthalpi uap n-pentane masuk
turbin yang tergantung dari sumber panas yang
ada dan kinerja sistem heat exchanger.
KESIMPULAN
Pembangkitan listrik dari sumber panas
enthalpy rendah sangat tergantung dari
ketersediaan sumber panas. Kasus yang terjadi
adalah terjadi penurunan nilai properties
tekanan dan temperatur sumber panas air sisa
pemisahan uap pada separator. Hasil optimasi
simulasi didapatkan fakta bahwa peralatan
heat exchanger yang ada mengalami over de-
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.
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 ex-
changer 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 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 in-
dex, sehingga diprediksi sudah terjadi pengen-
dapan 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.
UCAPAN TERIMA KASIH
Dalam penulisan paper ini penulis
menyampaikan terima kasih pada Dr. Yogi
Sirodz Gaoz dan Edy Agus Mulyono, ST. atas
data desain Heat exchanger PLTP-Biner
Dieng.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Direktorat Jendral Energi Baru
Terbarukan dan Konservasi Energi
(2012) Profil Potensi Panas Bumi.
Kementerian Energi dan Sumber Daya
Mineral: Jakarta.
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) 489.5 kJ/kg 487.3 kJ/kg
h2 (out turbin) 458.2 kJ/kg 462.7 kJ/kg
P turbin 28.15 kW 12.31 kW
Asumsi efisiensi turbin = 0.6
81
Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng
[2] Pambudi NA, Itoi R, Jalilinasrabady S,
and Jaelani K (2014), Exergy analysis
and optimization of Dieng single-flash
geothermal power plant. Energy
Conversion and Management, 78: p. 405
-411.
[3] Incropera FP, Dewitt DP, Bergman TL,
and Lavine AS, Fundamentals of Heat
and Mass Transfer. 6th ed. 2007, United
States of America: John Wiley & Sons,
Inc.
[4] Guo C, Du X, Yang L, and Yang Y
(2014), Performance analysis of organic
Rankine cycle based on location of heat
transfer pinch point in evaporator.
Applied Thermal Engineering, 62(1): p.
176-186.
[5] Hsieh JC, Lee YR, Guo TR, Liu LW,
Cheng PY, and Wang CC (2014), A Co-
axial Multi-tube Heat Exchanger
Applicable for a Geothermal ORC
Power Plant. Energy Procedia, 61: p.
874-877.
[6] Li W, Feng X, Yu LJ, and Xu J (2011),
Effects of evaporating temperature and
internal heat exchanger on organic
Rankine cycle. Applied Thermal
Engineering, 31(17-18): p. 4014-4023.
[7] Ryms M, Pyś T, and Klugmann-
Radziemska 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 low-
temperature Rankine cycle electricity
generation system. Applied Thermal
Engineering, 21(2): p. 169-181.
[9] Sharabi M, Ambrosini W, He S, and
Jackson JD (2008), Prediction of
turbulent convective heat transfer to a
fluid at supercritical pressure in square
and triangular channels. Annals of
Nuclear Energy, 35(6): p. 993-1005.
[10] Kistler RS, ed. HTRI Design Manual.
2006, Heat Transfer Research, inc.:
Texas, USA.
[11] S.F. DepartmentO (2007) Technical
Report : SSI Indeks of Dieng
Geothermal Fluid,P.G. Energy Jakarta.
[12] Cheng W-L, Li T-T, Nian Y-L, and Xie
K (2014), An Analysis of Insulation of
Abandoned Oil Wells Reused for
Geothermal Power Generation. Energy
Procedia, 61: p. 607-610.
[13] Arisma E, Nugroho S, and Prabowo
(2015), Studi Numerik Pengaruh
Kecepatan Angin terhadap Critical
Radius dan Distribusi Temperatur pada
Pipa Uap. JURNAL TEKNIK ITS 4(1):
p. 2301-9271.