PERBEDAAAN SIKLUS RANKINE DAN SIKLUS BRAYTON

Siklus Rankine merupakan siklus ideal untuk siklus tenaga uap, dimana

fluida kerjanya adalah dua fase fluida, yaitu liquid dan vapor. Sedangkan siklus

Brayton merupakan siklus tenaga gas. Pada siklus Rankine, fluida yang umum

digunakan adalah air, sedangkan pada siklus Brayton, fluida yang umum

digunakan adalah udara. Komponen utama siklus Rankine adalah pompa, boiler,

turbin, dan kondensor. Sedangkan komponen utama siklus Brayton adalah

kompresor, ruang bakar (combustion chamber), dan turbin.

Tabel 1. Perbedaan Siklus Rankine dan Siklus Brayton

Siklus Rankine Siklus Brayton

Nama lain Siklus tenaga uap Siklus tenaga gas

Fase 2 1

Fluida yang

bekerja

Liquid dan vapor Gas

Fluida yang

umum

digunakan

Air Udara

Komponen

utama

1. Pompa

2. Boiler

3. Turbin

4. Kondensor

1. Kompresor

2. Ruang bakar

3. Turbin

Skema

siklus

PERBEDAAAN REHEATER DAN REGENERATOR

Reheater dan regenerator biasanya terdapat pada sistem siklus Brayton

dimana kedua ini merupakan upaya untuk meningkatkan keluaran kalor dan

efisiensi. Selain reheating dan regenerasi, intercooling dan water injection juga

merupakan bagian dari upaya meningkatkan efisiensi turbin gas menggunakan

siklus Brayton. Reheater dan regenerator merupakan alat yang digunakan untuk

upaya peningkatan efisiensi turbin gas ini.

Reheater merupakan kumpulan pipa boiler yang diberi panas dari gas

pembakaran seperti superheater. Reheater berfungsi untuk menaikkan temperatur

steam tanpa mempengaruhi tekanannya. Di bagian reheater, steam akan

dikembalikan untuk memutar Intermediate Presure Turbine (IP) dan Low Presure

Turbine (LP). Kerja kompresor dapat diturunkan dengan menjaga suhu gas

didalam kompresor agar tetap rendah; juga kerja turbin dapat ditingkatkan dengan

menjaga suhu gas di dalam turbin tetap tinggi. Hal ini juga dapat dilakukan secara

teoritis dengan memanaskan gas itu terus-menerus selama berekspansi di dalam

turbin, itulah yang dimaksud dengan reheating. Pemanasan secara terus menerus

sebenarnya tidaklah praktis, dan pemanasan ulang itu dilakukan secara bertahap.

Makin banyak tahap pemanasan ulang dan sela waktu pendinginan, makin tinggi

efisiensi turbin gas. Namun hal ini dicapai dengan peningkatan biaya investasi dan

ukuran instalasi. Perancangan instalasi harus diusahakan seoptimum mungkin,

dengan memperhatikan biaya investasi terhadap biaya operasi (bahan bakar dan

sebagainya) dan besarnya ukuran-instalasi.

Gambar 1. Siklus Brayton

Regenerasi adalah pertukaran-kalor internal di dalam siklus uap. Dalam

siklus-Brayton, temperatur pada titik 4 biasanya lebih tinggi daripada titik 2 dan

kalor ditambahkan dari titik 2 ke titik 3 (Gambar 1). Regenerasi digunakan untuk

pemanasan awal gas mampat pada titik 2 oleh gas buang pada titik 4 di dalam

penukar kalor yang disebut regenerator. Gambar tersebut memperlihatkan

penataan demikian untuk siklus tertutup, tidak hanya cocok untuk heat exchanger,

tetapi juga dapat digunakan secara efektif untuk siklus terbuka dengan udara.

Dalam kenyataanya, efisiensi regenerator tidak pernah mencapai 100 persen, dan

gas-gas yang dimampatkan dipanaskan dari pada suhu yang lebih rendah.

Efektifitas regenerator, εR, didefinisikan sebagai rasio perubahan-suhu

sebenarnya yang maksimum yang mungkin dicapai. Pengaruh penambahan

regenerator terhadap efisiensi cukup besar dan rasio tekanan optimum untuk

efisiensi itu bergeser ke nilai yang lebih rendah. Oleh karena siklus turbin gas

regenerasi lebih efisien daripada turbin gas sederhana. Karena penggunaan

regenerator dapat mengurangi konsumsi bahan bakar sampai 30% lebih, siklus ini

banyak digunakan oleh utilitas untuk membantu beban dasar menggerakkan

pompa, kompresor, dan sebagainya. Pada siklus turbin gas yang mempunyai

regenerator, water injection lebih bermanfaat jika diinjeksikan di antara

kompresor dan regenerator. Metode ini dapat digunakan baik untuk unit satu

poros maupun unit dua poros.

PERBEDAAN PACKAGED BOILER DAN HRSG

Packaged boiler adalah salah satu dari banyak jenis boiler yang hanya

memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar, dan sambungan listrik untuk

pengoperasiannya. Dengan kata lain, packaged boiler ini merupakan boiler yang

telah lengkap. Packaged boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan

rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang

tinggi. Ciri-ciri dari packaged boiler adalah:

1. Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan

penguapan yang lebih cepat.

2. Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki

perpindahan panas konvektif yang baik.

3. Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik.

4. Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang

lebih baik.

5. Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler

lainnya.

HRSG atau Heat Recovery Steam Generator merupakan penghubung

antara siklus Brayton untuk PLTG dengan siklus Rankine untuk PLTU. HRSG

berfungsi untuk memanaskan air dengan menggunakan panas gas buang dari

turbin gas sehingga dihasilkan uap dengan tekanan dan temperatur tertentu yang

konstan. Pada umumnya HRSG tidak dilengkapi dengan burner karena tujuan

utama HRSG pada siklus Rankine adalah memanfaatkan panas gas buang dari

siklus Brayton yang masih tinggi temperaturnya untuk menghasilkan uap yang

akan memutar turbin uap. Dengan cara ini diperoleh peningkatan efisiensi termal

yang besar. HRSG juga disebut Waste Heat Recovery Boiler (WHRB).

Pada prinsip HRSG dan boiler adalah sama, yaitu suatu peralatan

pemindah panas yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap dengan bantuan

panas. Perbedaan utama terletak pada sumber panas yang digunakan dan susunan

pipa pemanasnya. Sumber panas untuk membangkitkan uap pada HRSG berasal

dari energi panas yang terkandung didalam gas buang siklus Brayton. Sedangkan

pada packaged boiler, sumber panas untuk membangkitkan uap berasal dari

pembakaran bahan bakar didalam ruang bakar boiler. Pada boiler pipa-pipa

pemanas disusun menjadi dinding ruang bakar, sedangkan pada HRSG pipa-pipa

pemanas disusun tegak lurus terhadap aliran gas buang. Dengan kondisi demikian,

HRSG tidak memiliki ruang bakar, tidak dilengkapi sistem bahan bakar, tidak ada

sistem udara bakar dan tidak memiliki penghembus jelaga atau soot blower.

Tabel 3. Perbedaan Packaged boiler dan HRSG

Perbedaan Packaged boiler HRSG

Sumber panas Gas buang pembakaran

bahan bakar didalam ruang

bakar boiler

energi panas dalam gas

buang siklus Brayton

Susunan pipa Sebagai dinding ruang bakar Tegak lurus terhadap

aliran gas buang

Skema gambar

PERBEDAAN KOGENERASI DAN COMBINED CYCLE

Kogenerasi adalah pemanfaatan panas buangan (gas cerobong) dari alat

pembakaran untuk membuat steam atau untuk pemanas. Keunggulan kogenerasi

adalah bisa mengurangi ketergantungan catu daya, mengurangi biaya untuk

pemakaian energi, bisa menghemat konsumsi energi, fluktuasi tegangan kecil,

kebisingan rendah dan pemeliharannya mudah. Konversi energi itu dilakukan

dengan cara memodifikasi pembangkit listrik konvensional dengan menambahkan

suatu peralatan penukar panas. Dengan demikian teknologi cogeneration biasa

digunakan untuk memanfaatkan energi pada boiler, gas turbin dan diesel secara

optimum. Teknologi ini bisa memanfaatkan dua jenis energi, yaitu memanfaatkan

uap yang dihasilkan boiler, dan memanfaatkan panas gas buang suatu pembangkit

listrik untuk memproduksi uap. Pembangkit listrik yang menggunakan gas buang

dari teknologi gas fired cogeneration umumnya mempunyai kapasitas gas buang

yang relatif kecil, hal ini karena energi listrik yang dibutuhkan kecil sehingga

energi termal yang bisa disuplai juga kecil. Hal inilah yang membuat investasi

kogenerator menjadi rendah, tapi biaya bahan bakarnya relatif tinggi. Kogenerator

menghasilkan uap bertekanan lebih rendah dan efisiensi lebih tinggi bila

dibandingkan dengan gas turbin dan combined cycle.

Sedang untuk kebutuhan termal dan listrik yang tinggi bisa digunakan

pembangkit combined cycle dengan biaya investasi dan bahan bakar yang

tergolong lebih murah. Untuk pembangkit yang menggunakan back pressure

turbined, uap yang keluar masih mempunyai entalpi. Dimana uap itu masih bisa

dimanfaatkan untuk pembangkit listrik dengan menggunakan turbin tekanan

rendah dan menengah sehingga terjadilah combined cycle. Sistem combined cycle

terdiri dari turbin gas dan turbin uap dimana uap yang bertekanan tinggi yang

akan digunakan untuk memutar turbin uap diperoleh dari unit recovery. Karena

turbin uap itu dikopling dengan generator listrik akibatnya putaran turbin itu akan

memutar poros generator sehingga dihasilkan energi listrik. Karena dalam sistem

ini digunakan dua turbin, sehingga energi listrik yang dihasilkan bisa tinggi.

Dengan demikian dari ke dua sistem tersebut dapat disimpulkan bahwa

bila yang diinginkan uap yang besar, maka digunakan sistem open cycle atau

kogenerasi. Sedang bila yang diinginkan energi listrik yang besar, maka dapat

digunakan combined cycle. Pada kogenerasi, terdapat waste heat boiler,

sedangkan pada combined cycle, terdapat heat recovery steam generator.

Tabel 2. Perbedaan kogenerasi combined cycle

Kogenerasi Combined Cycle

Hasil

sampingan

Uap Listrik

Kompone

n

penyusun

1. Kompresor udara

2. Burner: fuel

3. Turbin gas

4. Generator listrik

5. WHB: BFW, exhaust gas,

steam

1. Fuel oil tank

2. Kompresor udara

3. Burner: steam inject

4. Turbin gas

5. Generator listrik 1

6. HRSG: steam, exhaust gas,

BFW dengan deaerator

7. Turbin uap

8. Generator listrik 2

Skema alir

PERBEDAAN TOPPING CYCLE DAN BOTTOMING CYCLE

Topping cycle dan bottoming cycle adalah dua tipe kogenerasi berdasarkan

sumber panasnya. Topping cycle terjadi bila bahan bakar dipakai langsung untuk

memproduksi energi listrik, kemudian gas panasnya digunakan untuk panas/uap

proses. Jadi energi listriknya terlebih dahulu diproduksi kemudian baru panas

buangnya dimanfaatkan. Sehingga energi termalnya bisa digunakan untuk

kebutuhan industri seperti untuk pemanas dan pendingin ruangan serta untuk

pemrosesan. Kogenerator topping cycle biasanya terdapat pada PLTU dengan

tenaga penggerak turbin uap atau CTU biasanya mempunyai sisa uap dengan suhu

sekitar 1000oF dan tekanan 1500 psia. Kogenerator tipe ini cocok digunakan pada

industri yang banyak menggunakan uap, sehingga biaya yang dibutuhkan untuk

pengadaan uap bisa dihemat.

Bila kogenerator ini akan digunakan pada PLTG, maka gas panas yang

digunakan untuk menghasilkan energi listrik pada turbin harus mempunyai suhu

1600-1700oF. Hal ini karena akan menghasilkan gas buang dengan suhu 800-

900oF dan gas buang itu akan dimanfaatkan dengan menggunakan HRSG atau

panas proses dengan exchanger yang berfungsi untuk membangkitkan uap proses.

Bila kogenerator siklus topping digunakan pada PLTD, maka kapasitasnya harus

cukup besar yaitu sekitar 25 MW. Dimana air pendingin mesin digunakan sebagai

pemanas awal air baku boiler dan gas buang dipakai sebagai pembangkit uap

utama. Karena gas buangnya hanya sedikit mengandung oksigen akibatnya

peningkatan kualitas uap sulit dilakukan meskipun sudah ditambah pembakaran.

Bottoming cycle adalah pemanfaatan gas buang melalui heat recovery

sehingga menghasilkan panas/uap proses. Proses/uap itu selanjutnya digunakan

untuk menggerakan turbin uap sehingga dihasilkanlah energi listrik. Untuk itu

berarti gas buangnya harus mempunyai suhu yang tinggi. Bila gas buang

mempunyai suhu rendah maka untuk memanfaatkan harus menggunakan fluida

kerja dengan titik didih yang rendah. Kogenerator bottoming cycle biasanya

menggunakan gas buang dengan suhu 400-600oC berarti suhu fluida kerjanya

rendah sehingga efisiensinya rendah.

Kogenerator tipe ini cocok digunakan pada PLTG yang umumnya terdapat

pada industri berat seperti industri besi-baja dan industri semen, tapi sulit bersaing

dengan secara ekonomis dengan teknologi konvensional. Bila PLTG itu

menggunakan bahan bakar bermutu tinggi seperti bahan bakar sulfur rendah,

maka gas buang yang dihasilkannya bersih sehingga bisa digunakan langsung

untuk panas proses. Bila pada pengolahan gas buang ditambah bahan bakar, maka

akan diproleh uap dengan suhu dan tekanan yang lebih tinggi. Sementara bila

kapasitas terpasang PLTG turun maka efisiensinya juga turun dengan demikian

volume gas buang meningkatkan hal ini berarti banyak gas buang yang tidak

terpakai. Untuk itu kogenerator pada PLTG lebih cocok dioperasikan pada beban

dasar. Bila kapasitasnya tetap maka keseimbangan antara produksi uap dan

produksi listrik bisa dipertahankan.

Tabel 4. Perbedaan Topping cycle dan bottoming cycle

Perbedaan Topping Cycle Bottoming Cycle

Aplikasi

pada

PLTU PLTG

Produksi Listrik lalu steam Steam dulu baru listrik

Temperatu

r gas buang

800-900oF 400-600oC

Skema alir

TELAAH JURNAL MENGENAI 4 METODE MENAIKKAN EFISIENSI

SIKLUS BRAYTON

Terdapat 4 metode modifikasi untuk menaikkan efisiensi siklus Brayton,

yaitu:

1. Regenerasi

2. Intercooling

3. Reheating

4. Injeksi air (water cooling)

Jurnal yang digunakan sebagai referensi untuk menelaah topik adalah

jurnal yang berjudul “Optimum parametric performance characterization of an

irreversible gas turbine Brayton cycle”. Tujuan utama dari studi ini adalah untuk

mengidentifikasi rentang semua desain dan operasi parameter untuk kinerja yang

optimal. Desain dan operasi parameter termasuk suhu inlet kompresor, turbin dan

tekanan rasio intercooler dan reheater. Kinerja parameter termasuk hukum

pertama dan kedua efisiensi, ekologi koefisien dari kinerja, rasio kembali kerja,

kerugian exergy, jaringan, dan panas yang ditambahkan.

Gambar 2. Diagram skematik siklus Brayton irreversible, regeneratif, dan reheat

Proses yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2, dimana udara yang

dikompresi dari tahap 1 ke tahap 4 oleh dua non-isentropic tekanan rendah (LP)

dan kompresor tekanan tinggi (HP) dengan efisiensi, dan non-isobaric intercooler

counter flow. Suhu inlet kompresor HP adalah 5% lebih tinggi dari kompresor LP.

Kemudian udara dipanaskan dari tahap 4 ke tahap 5 di penukar panas regeneratif

counter flow dan kemudian dipanaskan ke suhu maksimum. Setelah udara

dipanaskan, udara diekspansi dari tahap 6 sampai tahap 9 (terakhir) oleh dua non-

isentropic LP dan HP turbin dan satu non-isobaric reheater. Suhu inlet turbin LP

adalah 5% lebih rendah daripada turbin HP. Dalam proses heat rejection tahap 9

sampai tahap 1 antara outlet dari HP turbin dan inlet LP compressor, udara

didinginkan terlebih dahulu dalam regenerator (dengan tingkat panas yang

ditambahkan, efektivitas, dan perbedaan suhu rata-rata logaritmik) dan akhirnya

didinginkan ke tahap 1 di heat exchanger counter flow. Heat exchanger yang

digunakan yaitu, intercooler, regenerator, penambahan panas suhu tinggi, reheater

dan low temperature heat rejection merupakan jenis heat exchanger counter flow

dan efektivitasnya dapat dihitung.

Penelitian dalam jurnal ini telah mengembangkan model matematis umum

untuk menentukan kinerja sebagai tergantung pada desain dan operasi parameter

turbin gas ireversibel siklus Brayton menggabungkan dua tahap kompresor, dua

tahap turbin gas, intercooler, reheater dan regenerator dengan ireversibilitas

kecepatan transfer panas yang terbatas dan pressure drop. Rentang operasi

parameter yang mengakibatkan kinerja optimal (yaitu, ηI ≥ 38%, ηII ≥ 60%,

ECOP ≥ 1.65, xloss ≤ 0.150 MJ/kg, BWR ≤ 0.525, wnet ≥ 0.300 MJ/kg, dan qadd

≤ 0.470 MJ/kg) ditentukan dan dibahas dengan menggunakan metode Monte

Carlo. Kisaran operasi ini didapatkan sebagai berikut: minimal siklus suhu

berkisar antara 302 sampai 315 K, siklus maksimum suhu berkisar antara 1,320

sampai 1360 K, tekanan maksimum siklus berkisar antara 1.449 sampai 2.830

MPa, dan rentang aliran heat exchanger antara 20.7 sampai 29.6 kW/K. Efek yang

terlihat di setiap parameter operasi di masing-masing kinerja parameter matematis

diberikan dalam pengertian umum yang dapat diterapkan, terlepas dari nilai-nilai

parameter operasi dan di bawah kondisi operasi siklus.