tanker lng.pdf
TRANSCRIPT
1
PERBANDINGAN COMBINED CYCLE PROPULSION PLANT DAN MESIN DIESEL
DUAL FUEL SEBAGAI SISTEM PENGGERAK KAPAL TANKER LNG
Adhitya Nugraha / 20406016
Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin
ABSTRAKSI
Kapal tanker LNG merupakan sarana transportasi yang paling handal dalam pengiriman
LNG di dunia. Perjalanan kapal tanker LNG menghasilkan uap akibat ekspansi dari ruang
muat LNG. Uap yang terjadi disebut dengan Boil Off Gas (BOG). BOG yang terjadi terbuang
percuma oleh sebab itu BOG ini dimanfaatkan sebagai bahan bakar pada kapal tanker LNG
untuk penghematan bahan bakar. Salah satu penggerak kapal pengangkut LNG yang dapat
menggunakan dan memanfaatkan BOG adalah Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP)
yaitu gabungan dua siklus turbin gas dan turbin uap. BOG ini dapat juga digunakan pada
mesin penggerak kapal tanker LNG yang menggunakan diesel dual fuel. Pada penelitian ini
dibahas perbandingan antara CCPP dan diesel dual fuel yang menggunakan BOG dan
minyak sebagai bahan bakarnya. Dengan menggunakan CCPP diperoleh tenaga (W) sekitar
1.53MJ/kg dan effisiensi thermal 0.45. Sedangkan menggunakan diesel dual fuel diperoleh
tenaga (W) sekitar 1.79 MJ/kg dan effisiensi thermal 0,75. Penggunaan Combined Cycle
Propulsion Plant (CCPP) akan menghemat pengeluaran untuk bahan bakar sekitar Rp 1.6
triliun/tahun.
Kata Kunci : Gas Alam Cair, Boil Off Gas (BOG), Penggerak Kapal, Combined Cycle
Propulasion Plant, Diesel Dual Fuel
PENDAHULUAN
Bahan bakar adalah salah satu dari
komponen penggerak pada mesin – mesin
yang memakai bahan bakar sebagai sistem
pengapiannya, tanpa bahan bakar mesin
tidak akan berfungsi sebagaimana fungsi
mesin tersebut seperti pada mesin
kendaraan tidak akan bisa bekerja mesin
tersebut tanpa ada bahan bakar, bahan
bakar terbagi atas bahan bakar minyak dan
bahan bakar gas. Bahan bakar minyak lebih
banyak digunakan tetapi pada saat ini
persediaan minyak bumi semakin
berkurang maka para ahli ilmuan pun
mencari solusinya dengan mengganti bahan
bakar minyak dengan menggunakan bahan
bakar gas yang berasal dari gas alam di
karnakan gas alam lebih rendah untuk
menghasilkan zat yang merusak
lingkungan.
Liquefied Natural Gas (LNG) adalah gas
alam yang dicairkan dengan didinginkan
hingga mencapai suhu -160oC pada tekanan
1 atm. Setelah gas alam melewati proses
pencairan menjadi LNG, kemudian
disimpan dalam tangki penyimpanan
setelah itu ditransfer ke kapal untuk dibawa
ke pembeli atau yang membutuhkan LNG
tersebut. LNG sudah ditransfer melalui laut
menggunakan kapal yang berdesain khusus
yang disebut kapal LNG carrier, atau juga
sering disebut kapal tanker LNG.
Pada saat diperjalanan LNG pun
mengalami penguapan alami atau yang
sering disebut Boil Off Gas (BOG), BOG
ini terbuang percuma pada saat perjalanan
maka dari itu di manfaatkanlah BOG ini
sebagai bahan bakar tambahan pada kapal
LNG carrier untuk menghemat bahan
bakar. BOG ini digunakan pada mesin
2
kapal LNG Combined Cycle Propulsion
Plant (CCPP) dan mesin diesel dual fuel.
Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP)
adalah gabungan antara siklus turbin gas
dengan siklus turbin uap, CCPP ini terjadi
dikarnakan untuk menghasilkan tenaga
yang lebih, dari pada terpisah penggunaan
turbin gas dan turbin uap dan mesin diesel
dual fuel adalah mesin diesel yang
menggunakan dua bahan bakar yaitu
menggunakan minyak (Solar) dan BOG
dari hasil penguapan yang terjadi pada
LNG.
LANDASAN TEORI
Liquefied Natural Gas (LNG)
Liquefied Natural Gas (LNG)
adalah gas alam yang dicairkan dengan
didinginkan hingga mencapai suhu -160oC
pada tekanan 1 atm. LNG mempunya
komposisi kimia terbanyaknya adalah
Methana, lalu sedikit Ethana, Propana,
Butana dan sedikit sekali Pentana dan
Nitrogen, kompresi volume yang cukup
besar ini memungkinkan transportasi gas
dalam bentuk cair untuk jarak jauh dengan
biaya yang lebih effisien dan dapat
ditransportasi oleh kendaraan LNG.
Sifat LNG tidak beracun (non
toxic), tidak berbau (odorless), tidak
menimbulkan karat (non corrosive), tidak
mudah terbakar/meledak (non
combustible), tidak menghasilkan banyak
polutan berbahaya (hanya sedikit CO2,
NOx, dan SOx) sehingga ramah
lingkungan. LNG tidak mudah terbakar
LNG baru akan mudah terbakar jika dalam
fase gas atau uapnya (vapour), jika
persentase uap LNG kurang dari 5%, maka
tidak mudah terbakar (non flammable) dan
begitu pula jika kurang dari 15% termasuk
non flammable karena terlalu banyak gas di
udara sehingga kurang oksigen untuk
membuatnya terbakar. Penyimpanan
(storage) LNG disimpan di dalam tangki
khusus dengan lapisan luar dari logam (9%
nikel) pada suhu yang sangat rendah
(cryogenic temperature), penyekatan
(insulation) yang baik, beton luar yang
tebal, dan atap melengkung sehingga tangki
mampu menampung 110% volume LNG
didalamnya[8]
.
Teknologi Pencairan LNG
Proses pencairan gas menjadi LNG
berupa pencairan gas alam menggunakan
media pendingin (refrigerant). Kilang
pencairan bisa terdiri dari beberapa unit
paralel (train). Gas alam dicairkan
mencapai suhu sekitar -256oF atau -160
oC
dengan tekanan 1 atm. LNG adalah cairan
kriogenik. Istilah kriogenik berarti
temperatur rendah, umumnya di bawah -
100oF.
Teknologi pencairan merupakan
elemen utama pada kilang LNG. Terdapat
beberapa proses lisensi pencairan dengan
berbagai tingkat penerapan dan
pengalaman. Prinsip dasar untuk
pendinginan dan pencairan gas
menggunakan pendingin adalah termasuk
menyesuaikan sedekat mungkin kurva
pendinginan/pemanasan gas proses dan
pendingin. Hasilnya berupa proses
termodinamika yang lebih efisien yang
membutuhkan daya yang lebih efisien
perunit LNG yang diproduksi. Hal ini
berlaku pada semua proses pencairan.
Peralatan utama proses ini meliputi
kompresor yang digunakan untuk
mensirkulasikan pendingin, penggerak
kompresor, dan alat penukar panas untuk
mencairkan dan menukar panas antar
pendingin. Gas alam, mencair pada kisaran
temperatur tertentu. Kurva panas dapat
disesuaikan dengan meminimalkan
perbedaan temperatur antara proses
pendinginan gas dan aliran pendingin. Hal
ini dapat tercapai dengan menggunakan
lebih dari satu pendingin pada tingkat
tekanan yang berbeda untuk kemudian
selanjutnya memecah kisaran temperatur
untuk dapat mendekati kurva panas.
3
Boil Off Gas (BOG)
Boil off gas (BOG) adalah emisi gas
metan dari liquefied natural gas (LNG)
akibat panas udara dan perubahan tekanan
barometrik. Boil off gas terjadi karna pada
saat proses pengiriman Liquefied Natural
Gas (LNG), akibat udara yang panas
membuat LNG pada kargo kapal LNG
carrier mengalamin penguapan karna panas
makah terciptalah Boil Off Gas (BOG).
Pergeseran uap LNG di dalam tangki
tersebut dapat dipndahkan ke LNG carrier
tanpa menggunakan BOG compressor.
Sehingga dalam perancangan ukuran BOG
compressor, factor pergeseran uap LNG ini
tidak diperhitungkan[9]
.
Transportasi Pada LNG Carrier
Setelah gas alam melewati proses
pencairan menjadi LNG, seperti yang
dijelaskan pada proses sebelumnya, LNG
kemudian disimpan dalam tangki
penyimpanan untuk kemudian ditransfer ke
kapal untuk dibawa ke pembeli. LNG telah
ditransportasikan melalui laut,
menggunakan kapal desain khusus sejak
tahun 1959. Kapal pertama yang digunakan
untuk mengangkut LNG adalah “Methane
Pioneer” yang sebelumnya merupakan
kapal tanker kecil yang dikonversikan
menjadi kapal pengangkut LNG. Kapal ini
mengangkut LNG dari teluk meksiko ke
sungai thames Inggrs pada tahun 1959 dan
menjadi pelopor untuk pembangunan
kapal-kapal LNG masa kini.
Pengembangan dan pembangunan kapal-
kapal LNG terus meningkat seiring dengan
meningkatnya perdagangan LNG dalam
dua dasawarsa ini. Penyebab utamanya
adalah karena LNG membutuhkan biaya
transportasi lebih kecil dibandingkan
pendistribusiannya dalam bentuk gas.
Proses keenam adalah pada unit
fractionation train, proses ini adalah proses
yang dapat dilakukan dalam satu tahap
ataupun bertingkat, bergantung pada
kandungan hidrokarbon berat apa saja yang
terkandung dan akan dihilangkan dari gas
alam.
Kapal yang digunakan adalah tanker yang
khusus dibuat untuk transportasi LNG.
Tanker LNG dirancang secara canggih dan
memiliki dua hal unik dalam perkapalan
sebagai berikut:
- Kondisi kriogenik kargo
Hal ini berarti material yang
bersentuhan langsung dengan LNG
harus bisa bertahan pada suhu yang
sedemikian rendah. Material yang
biasa digunakan adalah stainless steel,
aluminium, dan invar. Material ini,
tentu saja, tidaklah murah dan
membutuhkan teknik pengelasan
khusus.
- Boil off LNG
Tidak seperti kapal pendinginan LPG
yang memiliki kilang pencairan di
atasnya, tanker LNG hanya bisa
mengatur uap yang timbul (boil off)
dari kargo, yang terjadi karena tidak
ada insulasi yang 100% efisien, dengan
mengeluarkan (venting) atau
membakarnya pada boiler. Venting
sangat jarang terjadi, yaitu biasanya
hanya terjadi pada terbukanya safety
valves. Jumlah maksimum untuk uap
yang timbul pada umumnya sekitar
0,15% volume kargo per hari.
Terdapat beberapa jenis penyimpanan
kargo yang digunakan untuk tanker yaitu
desain Moss (bulat), membran, serta
prismatik. Sebagian besar tanker
menggunakan kargo jenis Moss (bulat)
akan dijelaskan mengenai kargo jenis Moss
dan membran.
1. Desain Moss (bulat)
Kapal dengan desain Moss memiliki
kargo dangan bentuk bulat yang berdiri
sendiri, umumnya terbuat dari
aluminium, di mana tidak terdapat
komponen struktur internal. Tangki
tersebut ditopang dengan skirt silinder
logam kontinu yang terhubung dengan
garis tengah dengan ekstrusi khusus
yang memungkinkan bentuk bulat
tersebut mengembang dan berkontraksi
secara bebas. Skirt nya sendiri dilas
dengan struktur hull yang dirancang
untuk menyerap defleksi kapal. Dapat
4
dilihat pada gambar 2.1 Desain Kargo
Moss.
Gambar 2.1 Desain Kargo Moss[10]
.
2. Desain Membran
Tangki dengan desain membran adalah
sangat berbeda dengan bentuk Moss
dalam hal penggunaan membran baja
fleksibel untuk memuat kargo.
Membran tersebut dikelilingi oleh
material insulasi yang terhubung secara
langsung dengan lambung (hull) ganda
kapal. Berat kargo ditransfer melalui
insulasi dan ditopang oleh struktur
kapal. Desain membran biasanya
terdiri dari membran utama dan kedua.
Membran kedua mampu memuat kargo
selama 15 hari, jika terdapat kegagalan
membran pertama. Terdapat insulasi
antara membran utama dan membran
kedua serta antara membran kedua
dengan lambung bagian dalam. Celah
ini dibersihkan dengan Nitrogen dan
terus menerus dimonitor keberadaaan
gasnya maupun perubahan suhunya.
Terdapat dua jenis desain tangki
membran, sistem GazTransport, yang
menggunakan membran utama invar
dengan panel rata dan sistem
Technigaz yang menggunakan
membran stainless steel yang
bergelombang. Desain baru yang
berkembang saat ini, CS1, yang
menggunakan kombinasi keduanya,
sudah dikembangkan. Dapat dilihat
pada gambar 2.2 sebuah gambar
desain kargo membran.
Gambar 2.2 Desain Kargo Membran[10]
Kapal LNG yang biasanya digunakan
memiliki kapasitas transportasi 125.000 –
138.000 m3. Tanker LNG umumnya relatif
tidak menimbulkan polusi dibandingkan
jenis kapal lainnya karena kemampuannya
untuk membakar gas alam selain bahan
bakar minyaknya yang digunakan untuk
propulsi.
Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP)
Semakin majunya teknologi akan
menuntut peningkatan dalam berbagai hal.
Begitu pula dalam bidang power plant.
Ketidakpuasan akan efisiensi dari satu
cycle saja membuat para engineer berpikir
untuk menggabungkan dua siklus dalam
satu power plant, tetapi dengan media kerja
yang berbeda. Dengan mengkombinasikan
dua siklus menjadi satu, diharapkan
keduanya akan saling melengkapi
kelemahan dari masing-masing siklus.
Salah satu bentuk penggabungan dua
sistem menjadi satu adalah Combined cycle
gas and steam turbine yang sering disebut
dengan istilah Combined Cycle Propulsion
Plant (CCPP) Siklus ini umumnya dibagi
menjadi dua yaitu Topping dan Bottoming
Cycles. Topping cycle adalah siklus utama
yang menghasilkan energi, sedangkan
panas yang terbuang dari topping cycle
akan digunakan untuk mengoperasikan
Bottoming cycle pada tingkat suhu yang
rendah. Ide ini dituangkan dalam sebuah
design penggabungan gas turbine dan
steam turbine (turbin uap) dalam satu
sistem power plant[11]
.
Keuntungan utama dari sistem ini
adalah penghematan energi sebesar 30%
sampai 35% dibanding jika gas turbine
ataupun steam turbine dipakai secara
terpisah. Kondisi ini menjadi lebih menarik
lagi seiring dengan perkembangan
teknologi dari modern advanced gas
turbine berbahan bakar gas alam yang
mampu memberikan efisiensi thermal total
pada suatu unit Combined Cycle
Propulsion Plant (CCPP) lebih dari 60%.
Dengan efisiensi total sebesar ini
memungkinkan bagi CCPP untuk kembali
5
bersaing dengan motor diesel. Terlebih lagi
dengan adanya tuntutan akan emisi gas
buang serendah mungkin, CCPP berbahan
bakar gas alam akan lebih unggul.
Teknologi saat ini sudah mampu
untuk mengaplikasikan Combined Cycle
Propulsion Plant (CCPP) di kapal LNG
carrier. Kombinasi dari tipe penggerak ini
sangat tinggi, bahkan mampu mencapai
60%, lebih besar dari efisiensi diesel
engine. Gas turbine juga mampu
memanfaatkan Boil Off Gas (BOG) yang
dikeluarkan akibat ekspansi muatan LNG
carrier. Pemanfaatan Boil Off Gas (BOG)
dan efisiensi yang tinggi dari CCPP
(Combined Cycle Propulsion Plant) akan
memberikan keuntungan tersendiri apabila
diaplikasikan pada LNG carrier[11]
.
Gas Turbine (Turbin Gas)
Turbin gas merupakan suatu mesin
fluida penggerak mula yang mengubah
energi termal menjadi energi kinetik, energi
kinetik ini selanjutnya diubah menjadi
energi mekanik dalam bentuk putaran poros
turbin. Putaran poros turbin dengan
mekanisme beban yang akan digerakkan
dapat dihubungkan secara langsung atau
dengan bantuan roda gigi reduksi,
tergantung pada jenis mekanisme beban
yang digerakan.
Komponen utama yang mendasari dari
suatu sistem turbin gas dengan siklus
terbuka adalah kompresor, ruang bakar
(combustion chamber) dan turbin dengan
susunan seperti Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Komponen utama sistem turbin gas
dengan siklus terbuka[1]
Hal yang membedakan antara siklus turbin
gas terbuka dan siklus turbin gas tertutup
ini terdapat pada proses pemanasan fluida
kerjanya. Jika pada siklus terbuka fluida
dipanaskan melalui pembakaran bahan
bakar, sedangkan pada siklus tertutup fluida
dipanaskan melalui sebuah alat penukar
kalor (heat exchanger). Selain itu, sisa
fluida yang keluar dari turbin tidak
langsung dilepas atau dibuang begitu saja,
melainkan dimasukan kembali kedalam alat
penukar kalor[2]
.
Namun, pada alat penukar kalor yang
kedua ini fluida mengalami penurunan suhu
bukan pemanasan seperti pada alat penukar
kalor pertama. Penurunan suhu fluida ini
dilakukan agar daya yang diperlukan untuk
menggerakkan kompresor bisa diperkecil.
Skema sistem turbin gas sederhana dengan
siklus tertutup ditunjukkan pada Gambar
2.4.
Gambar 2.4. Komponen utama sistem turbin gas
dengan siklus tertutup[1]
Klasifikasi Turbin Gas
Turbin gas dapat diklasifikasikan ke
dalam beberapa kategori berbeda yang
diantaranya bergantung pada : arah aliran
fluida yang dihasilkan, prinsip perubahan
momentum fluidanya, aplikasinya dan lain-
lain[1]
. Gambar 2.5 menunjukkan skema
klasifikasi dari turbin gas tersebut
6
Gambar 2.5. Klasifikasi Turbin Gas
Menurut arah aliran fluida yang memasuki
turbin, maka turbin gas dapat dibagi atas:
a. Turbin aksial, yaitu fluidanya mengalir
dalam arah yang sejajar terhadap
sumbu turbin.
b. Turbin radial, yaitu fluidanya mengalir
dalam arah yang tegak lurus terhadap
sumbu turbin.
c. Turbin radial-aksial, yaitu merupakan
turbin dengan prinsip kerja kombinasi,
di mana awalnya fluida mengalir
dalam arah tegak lurus kemudian
dilanjutkan dalam arah sejajar.
Menurut prinsip perubahan momentum
fluida kerjanya, maka turbin gas dibagi
atas:
a. Turbin impuls, yaitu turbin di mana
proses ekspansi fluidanya (proses
penurunan tekanan) hanya terjadi di
dalam sudu-sudu tetapnya saja. Jadi,
dalam hal ini tidak diharapkan terjadi
penurunan tekanan di dalam sudu-sudu
gerak. Meskipun demikian dalam
kenyataannya penurunan tekanan
(kecil) di dalam sudu gerak tak dapat
dihindarkan karena adanya gesekan
dan kerugian lainnya.
b. Turbin reaksi, yaitu turbin di mana
proses ekspansi fluidanya terjadi baik
di dalam sudu tetap maupun sudu
gerak.
c. Turbin impuls-reaksi, yaitu turbin di
mana proses ekspansi fluidanya
kombinasi antara prinsip impuls dan
reaksi.
Berdasarkan aplikasi penggunaannya
secara umum turbin gas dapat diaplikasikan
pada:
1. Pembangkitan energi listrik
2. Pesawat terbang
3. Dunia industri
4. Kapal laut
Siklus Brayton pertama kali diperkenalkan
oleh George Brayton sekitar tahun 1870
dan sekarang siklus ini digunakan untuk
turbin gas dimana proses kompresi dan
ekspansi dilakukan oleh mesin yang
berputar (rotating machinery). Turbin gas
bisa beroperasi secara tunggal atau berdiri
sendiri pada siklus terbuka (open cycle),
dan dapat pula beroperasi bersama dengan
turbin uap pada siklus gabungan (combined
cycle).
Gambar 2.6. (a)Grafik T - s siklus turbin gas
[1](b)
Grafik P - v siklus turbin gas [1]
TURBIN GAS PRINSIP
PERUBAHAN MOMENTUM
APLIKASI PENGGUNAAN
ARAH ALIRAN FLUIDA
AKSIAL
RADIAL
AKSIAL-RADIAL
IMPULS
REAKSI
IMPULS-REAKSI
PEMBANGKIT
LISTRIK
TRANSPORTASI
INDUSTRI
7
NEKATINGKAT
SATU TUNGKAT
IMPULS
REAKSI
RADIAL
AKSIAL
TEKANAN LAWAN
KONDENSASI
EKSTRAKSI
HP single flow
HP/LP tandem
compound
HP/IP/2LP
Cross compoun
d
TURBIN UAP
TINGKAT TEKANAN
PRINSIP AKSI UAP
PROSES PENURUNAN
KALOR
KONFIGURASI STANDAR
ARAH ALIRAN UAP
Keterangan :
1-2 : Kompresi isentropis
2-3 : Pembakaran (pada tekanan konstan)
3-4 : Ekspansi isentropis (didalam turbin)
4-1 : Pengeluaran panas
Udara masuk pada kondisi ambient (titik 1)
melewati kompresor sehingga setelah
melewati kompresor temperatur dan
tekanan udara akan naik. Lalu udara
bertekanan dan temperatur tinggi ini
dicampur dengan bahan bakar di ruang
bakar (titik 2) dan dibakar pada tekanan
konstan. Gas panas hasil pembakaran
masuk ke turbin dan diekspasikan sehingga
menghasilkan tenaga putaran yang besar,
dan gas yang telah melewati turbin akan
mengalami penurunan suhu dan tekanan.
Pada turbin gas dengan siklus terbuka gas
yang telah mengalami penurunan suhu dan
tekanan ini akan dibuang ke udara luar
melalui cerobong, sedangkan pada siklus
tertutup fluida kerja akan didinginkan
melalui heat exchanger dan masuk kembali
ke kompresor untuk mengulangi proses
kembali dari titik 1.
Steam turbine
Turbin uap adalah suatu penggerak
mula yang mengubah energi potensial uap
menjadi energi kinetik dan energi kinetik
ini selanjutnya diubah menjadi energi
mekanis dalam bentuk putaran poros turbin.
Poros turbin, langsung atau dengan bantuan
roda gigi reduksi, dihubungkan dengan
mekanisme yang digerakkan. Tergantung
pada jenis mekanisme yang digerakkan,
turbin uap dapat digunakan pada berbagai
bidang industri, untuk pembangkit tenaga
listrik, dan untuk transportasi. Pengubahan
energi potensial uap menjadi energi
mekanis dalam bentuk putaran poros
dilakukan dengan berbagai cara.
Turbin uap dapat dioperasikan dengan
memakai uap panas lanjut atau memakai
uap basah. Untuk dapat menentukan
penghematan proses tenaga uap, selain
ukuran-ukuran utama turbin uap, seperti
misalnya diameter roda turbin, jumlah
tingkat, panjang sudu, dan penampang
bagian-bagian yang mengantarkan uap,
maka dipakai grafik/diagram perubahan
keadaan uap air dalam T-s ataupun h-s.
Secara umum, turbin uap diklasifikasikan
ke dalam tiga jenis: impuls, reaksi, dan
gabungan (impuls dan reaksi)[3]
, yang
tergantung pada cara perolehan pengubahan
energi potensial menjadi energi kinetik
semburan uap.
Klasifikasi Turbin Uap
Turbin uap dapat diklasifikasikan ke
dalam kategori yang berbeda-beda, yang
misalnya dapat bergantung pada
konstruksinya, proses penurunan kalor,
kondisi-kondisi awal dan akhir uap dan
pemakaiannya dibidang industri maupun
transportasi. Gambar 2.5 menunjukkan
skema klasifikasi dari turbin uap tersebut.
Gambar 2.7 Klasifikasi Turbin Uap
Berdasarkan skema pada gambar 2.7 yang
menjadi dasar pengklasifikasian turbin uap
adalah tingkat tekanan, arah aliran uap,
prinsip aksi uap, proses penurunan kalor,
dan konfigurasi standar. Berikut adalah
penjelasan berdasarkan dasar klasifikasi
turbin uap.
8
Menurut jumlah tingkat tekanannya, maka
turbin uap dibagi atas:
a. Turbin satu tingkat dengan satu atau
lebih tingkat kecepatan yang biasanya
berkapasitas kecil.
b. Turbin impuls dan reaksi nekatingkat,
mempunyai banyak tingkat.
Menurut perbedaan arah dari aliran uapnya,
maka turbin uap dibagi atas:
a. Turbin aksial, mengalir dalam arah
yang sejajar terhadap sumbu turbin.
b. Turbin radial, uapnya mengalir dalam
arah yang tegak lurus terhadap sumbu
turbin.
Menurut prinsip aksi uapnya, maka turbin
uap dibagi atas:
a. Turbin impuls : energi potensial
uapnya diubah menjadi energi kinetik
di dalam nozel laluan yang dibentuk
oleh sudu-sudu diam yang berdekatan,
dan didalam sudu-sudu gerak energi
kinetik uap diubah menjadi energi
mekanis.
b. Turbin reaksi : ekspansi uap
diantara laluan sudu baik sudu
pengarah maupun sudu gerak tiap-tiap
tingkat berlangsung hampir pada
derajat yang sama.
Menurut proses penurunan kalornya, maka
turbin uap dibagi atas:
a. Turbin kondensasi (condensing turbin)
: uap pada tekanan yang lebih rendah
dari tekanan atmosfer dialirkan ke
kondenser.
b. Turbin tekanan lawan (back pressure
turbin) : uap buang dipakai untuk
keperluan industri dan pemanasan.
c. Turbin ekstraksi (extraction turbine) :
pada tingkat-tingkat tertentu pada
turbin,uap diekstraksi untuk memenuhi
kebutuhan sistem.
Siklus Rankine adalah siklus ideal ada
empat komponen utama dalam sebuah
siklus turbin uap, yaitu :
1. Pompa
2. Boiler (Heat Exchanger)
3. Turbin uap
4. Kondensor
Gambar 2.8. Siklus turbin uap (Rankine Cycle)
[1]
Gambar 2.9 Grafik T-s siklus turbin uap [1]
Keterangan :
1-2 : Kompresi isentropis (didalam pompa)
2-3 : Penambahan panas di boiler
3-4 : Ekspansi isentropis (didalam turbin)
4-1 : Pengeluaran panas
Air masuk ke dalam pompa (titik 1) sebagai
saturated liquid dan setelah melewati
pompa akan mencapai tekanan kerja yang
berlaku di Boiler. Air masuk ke boiler
sebagai compressed liquid (titik 2) dan
meninggalkan boiler berupa superheated
steam (titik 3). Boiler merupakan alat
penukar kalor yang besar dimana panas
berasal dari gas hasil pembakaran dan
panas tersebut ditransfer ke air pada
tekanan yang konstan. Panas akan merubah
air menjadi superheated steam (uap panas
lanjut). Uap akan masuk ke turbin uap dan
diekspansikan, ekspansi ini akan
menghasilkan tenaga listrik setelah poros
turbin berputar dan menggerakkan
generator listrik. Tekanan dan temperatur
uap setelah melewati turbin akan turun lalu
uap masuk ke dalam kondensor (titik 4).
Pada keadaan ini biasanya uap sudah
saturated liquid-vapor mixture, uap
dikondensasikan pada tekanan yang tetap
9
dengan membuang panas pada media
pendingin yang bisa berupa air laut. Setelah
dikondensasikan uap berubah menjadi
saturated liquid (cairan jenuh) dan masuk
kedalam pompa kembali, begitu seterusnya
menjadi kesatuan siklus.
Steam turbine pada penggerak kapal
merupakan alat mekanik yang
mengkonversikan thermal energy di uap
bertekanan menjadi mechanical work.
Energi uap dikonversi ke mechanical work
dengan expansion uap melalui turbine.
Expansion terjadi melalui serangkaian fixed
blades (nozzles) dan masing-masing row
dari moving blades each row terhadap fixed
blades, moving blades dinamakan stage.
Moving blades berputar pada central
turbine rotor dan fixed blades secara
konsentrik dirancang didalam circular
turbine casing yang secara mutlak
dirancang untuk menjaga steam pressure.
Steam turbine yang digunakan dalam
combined cycle harus memiliki
karakteristik yaitu efisiensi yang tinggi dan
waktu yang sedikit dalam start up. Steam
turbine dioperasikan sesuai dengan
pengoperasian di darat. Steam turbine
merupakan pilihan utama untuk penggerak
dengan tenaga yang sangat tinggi.
Keuntungannya adalah kecilnya getaran,
berat yang ringan, space minimum dan
rendahnya biaya perawatan. Keuntungan
lainnya menggunakan steam turbine adalah
gerakan memutar langsung sehingga torsi
menjadi lebih besar pada poros propeller,
tidak ada internal mechanical friction, dan
oleh karena itu, tidak membutuhkan
pelumasan internal.
Mesin Diesel
Mesin diesel merupakan salah satu
jenis dari motor bakar dalam. Pada mesin
diesel, penyalaan bahan bakar terjadi
karena bahan bakar dinjeksikan ke dalam
silinder yang berisi udara dengan kondisi
temperature dan tekanan tinggi. Oleh sebab
itu, mesin diesel disebut juga dengan mesin
dengan penyalaan kompresi. Mesin dengan
penyalaan kompresi ini menghasilkan emisi
gas buang yang cukup tinggi dan berbahaya
bagi kesehatan dan lingkungan sekitar.
Kadar yang tinggi dari Nitrogen oksid
(NOx), karbon monoksida (CO), karbon
dioksida (CO2) dan partikel emisi lain yang
berhubungan dengan bahan bakar diesel
merupakan isu yang telah lama muncul.
Akan tetapi, samapai saat ini penggunaan
mesin diesel tetap menjadi idola dalam
dunia transportasi maupun dunia industri.
Hal ini dikarenakan karakteristik dari mesin
diesel yang memiliki rasio kompresi tinggi
sehingga mampu menghasilkan daya yang
besar[12].
Sejarah Mesin Diesel [13]
Seorang penemu / peneliti bernama
street melakukan penelitiannya.
Perkembangan motor pembakaran
dalam(ICE) pada tahun 1794. hasil dari
perkembangan tersebut adalah motor diesel
sekarang. Selanjutnya dikembangkan oleh
seorang insinyur muda
berkewarganegaraan perancis yang
bernama Sadi Carnet pada tahun 1824.
Idenya dijadikan dasar dalam perkmbangan
motor diesel. Dia menyatakan bahwa udara
murni yang dimampatkan tersebut dengan
perbandingan 15:1 akan menghasilkan
udara yang panas untuk menyalakan kayu
kering. Udara yang digunakan untuuk
pembakaran motor hendaknya
dikompresikan dengan perbandingan yang
besar sebelum dinyalakan. Dia juga
menyatakan bahwa dinding silinder
hendaknya didinginkan, karena panas dari
dari pembakaran akan mempengaruhi
kinerja motor.
Pada tahun 1876 Dr. Nickolas Otto mebuat
konstruksi motor pembakaran dalam 4
langkah yang menggunakan bahan bakar
bensin menggunakan penyalaan api. Pada
tahun 1892 seorang insinyur muda
berkewarganegaraan german yang bernama
Dr. Rudolf Diesel berhasil membuat motor
penyalaan kompresi menggunakann bahan
bakar serbuk batu bara menggunakan
prinsip penyalan bahan bakar dan udara.
Dengan perkembangan sistem pompa
injeksi bahan bakar yang benar-benar dapat
disebut “mini” oleh seorang penemu yang
10
berkewarganegaraan german bernama
Robert Bosch pada tahun 1927
membebaskan motor diesel dari masalah
memakan tempat. Sistem injeksi pompa
Robert Bosch yang ukurannya mini dari
karburator, beratnya ringan dan governer
yang menyatu (built-in) sehingga tidak ada
lagi sistem pengabutan udara yang banyak
makan tempat untuk kompresor, pipa-pipa
dan pengontrol klep. Pompa injeksi motor
diesel dapat diatur sesuai pembebanan,
sedangkan kondisi kecepatan motor dapat
atau lebih baik dari karburator motor
bensin.
Dengan perkembangan pompa
rotari yang lebih kecil penampilannya juga
bobotnya yang lebih ringan yang
dikembangkan oleh Vernon Rosa pada
tahun 1950-an. Motor diesel akhirnya
memasuki perkembangan pemakaian dan
pemasaran yang lebih luas. Perkembangan
lain dari motor diesel adalah dengan
penambahan sebuah turbocarjer yaitu alat
untuk memasukkan (memompakan) udara
kedalam saluran masuk (intakemanifold).
Pompa turbocarjer ini digerakkan oleh gas
buang yang kedalam turbocarjer tersebut.
Dengan adanya turbocarjer ini maka akan
menurunkan asap gas buang. Akhirnya
motor diesel seperti ini keadaanya sekarang
menjadi motor yang benar-benar efisien,
ringan dan bebas polusi udara. Tahun 1900
dengan menggunakan minyak kacang (bio
diesel). Kemudian diperbaiki dan
disempurnakan oleh Charles F. Kettering.
Cara Kerja Mesin Diesel Secara Umum Ketika udara dikompresi suhunya
akan meningkat (seperti dinyatakan oleh
Hukum Charles), mesin diesel
menggunakan sifat ini untuk proses
pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang
bakar mesin diesel dan dikompresi oleh
piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari
rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa
saat sebelum piston pada posisi Titik Mati
Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead
Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke
ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui
nozzle supaya bercampur dengan udara
panas yang bertekanan tinggi. Hasil
pencampuran ini menyala dan membakar
dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar
ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston
mendekati (sangat dekat) TMA untuk
menghindari detonasi. Penyemprotan bahan
bakar yang langsung ke ruang bakar di atas
piston dinamakan injeksi langsung (direct
injection) sedangkan penyemprotan bahan
bakar kedalam ruang khusus yang
berhubungan langsung dengan ruang bakar
utama dimana piston berada dinamakan
injeksi tidak langsung (indirect injection).
Ledakan tertutup ini menyebabkan gas
dalam ruang pembakaran mengembang
dengan cepat, mendorong piston ke bawah
dan menghasilkan tenaga linear. Batang
penghubung (connecting rod) menyalurkan
gerakan ini ke crankshaft dan oleh
crankshaft tenaga linear tadi diubah
menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada
ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk
berbagai keperluan. Dapat dilihat pada
gambar sebuah siklus mesin diesel.
suhu lingkungan yang sangat dingin proses
multi pendingin campuran bisa menjadi
pilihan optimal. Kebutuhan proses dan
konfigurasi juga mempengaruhi pilihan.
Gamabr 2.10 diagram siklus P-V mesin diesel[14]
Penjelasan siklus P-V mesin diesel :
- pada 1-3 terjadi pemampatan adiabatik
- pada proses 3-3a langkah daya pertama
ekspansi isobarik
- pada proses 3a-4 terjadi ekspansi
adiabatik
- pada proses 4-1 terjadi penurunan suhu
Klasifikasi Motor Diesel Menurut Bahan
Bakarnya terbagi menjadi empat jenis
sebagai berikut:
1. Motor diesel bahan bakar gas
2. Motor bahan bakar campuran (dual
fuel diesel engines)
11
3. Motor bahan bakar ganda (bi fuel
engines)
4. Motor bahan bakar kombinasi (multi –
fuel engines)
Yang sering dijumpai dan digunakan pada
penggerak kapal LNG adalah jenis mesin
diesel dual fuel engines dikarnakan
memanfaatkan Boil Off Gas (BOG) yang
terjadi pada muatan LNG dalam kargo.
Mesin Diesel Pada Kapal LNG (Dual
Fuel)
Sejauh ini mesin diesel masih
menjadi pilihan utama berbagai tipe kapal
karena tingginya efisiensi thermal,
kemudahan instalasi, operasional, dan
perawatannya. Dengan efisiensi thermal
lebih dari 50% membuat slow speed diesel
tetap superior di dunia perkapalan terlebih
lagi dengan kemampuannya membakar
bahan bakar berkualitas rendah semacam
HFO bahkan residu. Namun untuk aplikasi
di kapal pembawa LNG terjadi problem
penggunaan diesel engine, antara lain :
Perlu dump system terpisah untuk full
evaporated LNG
Teknologi Dual-fuel untuk Slow Speed
diesel masih taraf pengembangan
Slow speed diesel langsung di kopel ke
propeller sehingga tidak memberi
redundancy
Dual fuel diesel engine merupakan jenis
mesin diesel yang memanfaatkan dua
bahan bakar dalam proses
pembakarannya,yaitu menggunakan Boil
Off Gas (BOG) pada LNG dan
menggunakan bahan bakar minyak solar
atau minyak bio diesel.
PERBANDINGAN COMBINED CYCLE
PROPULSION PLANT DAN MESIN
DIESEL DUAL FUEL SEBAGAI
SISTEM PENGGERAK KAPAL
TANKER LNG
Sistem Penggerak Kapal
Sistem penggerak kapal terbagi
menjadi tiga sistem penggerak kapal tiga
sistem ini yang paling utama dalam
penggerak kapal yaitu motor/mesin
penggerak utama (main engine), sistem
transmisi dan alat gerak (propulsor). Di
dalam sebuah pengerak kapal terdapat
beberapa tipe mesin pengerak seperti mesin
pembakaran dalam (internal combustion
engine) dan mesin pembakaran luar
(external combustion engine), yang disebut
dengan mesin pembakaran dalam adalah
terjadinya proses pembakaran di dalam
silinder contohnya adalah mesin otto dan
mesin diesel untuk di kapal digunakan
mesin diesel untuk tipe mesin pembakaran
dalam dan yang disebut dengan mesin
pembakaran luar adalah terjadinya proses
pembakaran di luar silinder contohnya
adalah turbin uap (steam turbine) dan
turbin gas (gas turbine) untuk yang sering
digunakan pada penggerak kapal adalah
turbin uap tetapi ada juga mengunakan
turbin gas untuk tipe mesin pembakaran
luar. Sistem taransmisi dalam kapal
berfungsi untuk menyambungkan gerakan
dari mesin penggerak utama (main engine)
ke pada alat gerak
kapal (propulsor). Alat gerak kapal
(propulsor) berfungsi untuk menggerakan
kapal secara langsung yaitu baling-baling
kapal.
Gambar 3.1 Diagram sistem penggerak utama pada
kapal
Sistem Penggerak kapal LNG
Ada dua pertimbangan utama dalam
pemilihan sistem penggerak di kapal –
kapal tipe LNG carrier, yaitu cooling
system untuk menjaga agar gas tetap dalam
fase cair, dan penanganan terhadap BOG
(Boil Off Gas). Cooling system yang
mampu mendinginkan fluida sampai
dengan (-1600C) memerlukan sumber
energi dari auxiliary plant yang besar.
Sedangkan BOG (Boil Off Gas) dapat
Motor/mesin
penggerak utama
Sistem transmisi
Alat gerak
(propulsor)
12
ditangani secara efisien jika kapal memilih
main engine yang mampu memanfaatkan
BOG (Boil Off Gas) sebagai bahan baku
utama. Produksi BOG (Boil Off Gas) yang
dapat mencapai 0,15% perhari umumnya
tidak mampu memenuhi kebutuhan bahan
bakar kapal selama pelayarannya,
karenanya kapal LNG carrier masih
membawa tangki minyak sebagai bahan
bakar tambahan sistem ini dikenal dengan
nama dual fuel.
Sistem penggerak pada kapal LNG
carrier merupakan bagian yang sangat vital
dalam pengoperasian kapal tersebut.
Pemilihan sistem penggerak yang tepat
dapat memberikan penghematan yang
signifikan dalam operasionalnya.
Umumnya, sistem penggerak kapal LNG
konvensional menggunakan steam turbine.
Efisiensi dari sistem penggerak steam
turbine ini cukup rendah. Dengan
demikian, dibutuhkan suatu inovasi
teknologi sistem penggerak kapal LNG
carrier yang mampu memberikan efisiensi
yang tinggi sekaligus mampu menghemat
bahan bakar. Yaitu dengan menggabungkan
steam turbine dengan turbine gas yang
disebut dengan Combined Cycle Propulsion
Plant (CCPP) agar bisa bersaing dengan
mesin diesel dual fuel dalam kapal
pengangkut LNG.
Didalam penelitian ini dibahas
tentang perbandingan CCPP dengan mesin
diesel dual fuel dimana akan mencari
tenaga (W) dari tiap mesin dan effisiensi
thermal dari CCPP dan mesin diesel dual
fuel, untuk lebih memperjelas susunan dari
perhitungan CCPP dan diesel dual fuel
dapat dilihat pada diagaram alur gambar
3.2.
Gambar 3.2 Diagaram alur perhitungan CCPP
dengan diesel dual fuel
Sistem Penggerak CCPP
Di sistem penggerak kapal
menggunakan Combined Cycle Propulsion
Plant atau yang disingkat dengan CCPP,
LNG carrier yang berkapasitas 135,930 m3
suplai daya total 9450 kW menggunakan
dua siklus, yaitu siklus terbuka pada gas
turbine dan siklus tertutup pada steam
turbine. Berikut ini adalah data dari suatu
kapal yang menggunakan penggerak CCPP
dengan memanfaatkan Boil Off Gas (BOG)
sebagai bahan bakar yang digunakan,
sistem tanpa pembakaran tambahan
WGTnet (tenaga output) dari gas turbine
dengan temperatur yang masuk dari
compresor 32oC dan temperatur yang
keluar dari compresor 447oC dengan
pressure 1 bar. Serta temperatur yang
masuk ke turbin 847oC pressure 1 bar dan
Mulai
Perhitungan CCPP
dan diesel dual fuel
Menentukan nilai
(W) pada turbin
gas dan turbin uap
Menentukan
nilai (Qout) pada
diesel dual fuel
Menentukan nilai
(W) pada CCPP
Menentukan
nilai (W) pada
diesel dual fuel
Menentukan Qin/
QHRSG pada CCPP
Menentukan
effisiensi
thermal pada
diesel dual fuel
Menentukan
effisiensi thermal
pada CCPP
Selesai
13
WSTnet (tenaga output) dari steam turbine
dengan temperatur yang masuk ke turbin
447oC dan temperatur yang keluar 32
oC
dengan tekanan 1 bar sedangkan temperatur
yang keluar dari pompa 197oC tekanan 1
bar. Cara mencari tenaga (W) dari CCPP
dan effisiensi thermalnya dengan
persamaan :
th = (3.2)
Dengan :
WGT = tenaga output pada turbin gas
(kJ/kg)
WST = tenaga output pada turbin uap
(kJ/kg)
Q HRSG/in = Panas gas buang pada turbin gas
(K)
Di dalam gas turbine besarnya
energi panas yang terkandung dalam
exhaust gas yang diberikan kepada Heat
Recovery Steam Generator (HRSG) = (Q
HRSG/in) dapat diketahui dengan persamaan
berikut ini :
Q HRSG/in = mgb Cpgb (Tgb-Ts) (K) (3.3)
Dengan :
Tgb / T4 compresor= temperatur gas
buang (K)
Ts / T1 compresor = temperatur stack
(K)
mgb = laju aliran gas
buang (kg/dt)
Cpgb = panas spesifik gas
buang (kJ/kg.K)
Uap hasil produksi HRSG
digunakan untuk menggerakkan turbin uap,
uap dari saluran tekanan tinggi masuk ke
turbin uap tekanan tinggi. Selanjutnya
bersama-sama uap dari saluran tekanan
rendah masuk kedalam turbin uap tekanan
rendah dan dikondensasikan ke kondensor.
Air kondensor dipanaskan kembali ke
HRSG melalui proses seperti di awal
sehingga kembali terbentuk uap untuk
menggerakkan turbin uap.
Heat Recovery Steam Generator
Gas buang dari turbin gas yang
bertemperatur tinggi (dengan temperatur
diatas 500oC) dialirkan melalui Heat Geat
Recovery Steam Generator (HRSG).
Didalam HRSG, exhaust gas dari turbin gas
digunakan untuk memanaskan air, yang
dialirkan pada pipa-pipa khusus untuk
menghasilkan uap bertekanan tinggi dan
uap bertekanan rendah. Proses pemanasan
air di HRSG ini tidak menggunakan bahan
bakar tambahan, jadi semata-mata
menggunakan exhaust gas dari turbin gas.
Prinsip kerja dari pembangkit uap
berdasarkan siklus rankine. Prosesnya, air
yang dihasilkan oleh kondensor dinaikkan
tekanannya, kemudian dinaikkan suhunya
sampai berubah fase menjadi uap kering
yang bertekan dan bertemperatur tinggi
kemudian diekspansi untuk menghasilkan
kerja pada steam turbine.
Gambar 3.3 Skema CCPP
Mencari tenaga output pada turbin gas
(WGT) dapat diketahui dengan persamaan
berikut ini :
WGT = Wt + Wc (kJ/kg) (3.4)
Dengan :
Wc = kerja pada compresor (kJ/kg)
Wt = kerja pada turbin (kJ/kg)
Untuk mencari (W) pada compresor padat
mengunakan persamaan :
14
Wc = h2 - h1 (kJ/kg) (3.5)
Untuk mencari (W) pada turbin padat
mengunakan persamaan :
Wt = h3 - h4 (kJ/kg) (3.6)
Mencari tenaga output pada turbin uap
(WST) dapat diketahui dengan persamaan
berikut ini :
WST = Wt + Wp (kJ/kg) (3.7)
Dengan :
Wt = kerja pada turbin (kJ/kg)
Wp = kerja pada pompa (kJ/kg)
Untuk mencari (W) pada turbin padat
mengunakan persamaan :
Wt = h7 – h8 (kJ/kg) (3.8)
Untuk mencari (W) pada pompa padat
mengunakan persamaan :
Wp = h6 – h5 (kJ/kg) (3.9)
Mencari Perhitungan Tenaga (W) Dan
Effisiensi thermal Pada Penggerak
Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP)
Dari data yang ada bisa di dapat tenaga
untuk Combined Cycle Propulsion Plant
(CCPP) dan effisiensi thermalnya
Diketahui untuk sebuah turbin gas :
- T1 (compresor) 32oC
didapatkan h1 = 305.22 kJ/kg
(lampiran 1)
- T2 (compresor) 500oC
didaptkan h2 = 789.11 kJ/kg
(lampiran 1)
- T3 (turbin) 847oC
didaptkan h3 = 1,184.28 kJ/kg
(lampiran 2)
- h2 = h4
Diketahui untuk sebuah turbin uap :
- T7 (turbin) 500oC
didapatkan h7 = 789.11 kJ/kg
(lampiran 1)
- T8 (turbin) 32oC
didapatkan h8 = 305.22 kJ/kg
(lampiran 1)
- T6 (pompa) 197oC
didapatkan h6 = 472.24 kJ/kg
(lampiran 1)
- h5 = h8
a. Mencari Wc pada compresor turbin gas
menggunakan rumus pada persamaan
(3.5)
Wc = h2 - h1 (kJ/kg)
= 789.11– 305.22 = 483.89 kJ/kg
b. Mencari Wt pada turbin gas
menggunakan rumus pada persamaan
(3.6)
Wt = h3 - h4 (kJ/kg)
= 1,184.28 kJ/Kg – 789.11 kJ/kg
= 395.17 kJ/kg
c. Maka akan didapatkan tenaga untuk
turbin gas setelah ditemukan tenaga
compressor dan turbin pada turbin gas
yang menggunakan rumus persamaan
( 3.4)
WGT = Wt + Wc (kJ/kg)
= 395.17 kJ/Kg + 483.89 kJ/Kg
= 879.06 kJ/kg
d. Mencari Wt pada turbin uap
menggunakan rumus pada persamaan
(3.8)
Wt = h7 – h8 (kJ/kg)
= 789.11 kJ/kg – 305.22 kJ/kg
= 483.89 kJ/kg
e. Mencari Wp pada pompa di turbin
uap menggunakan rumus persamaan
(3.9)
15
Wp = h6 – h5 (kJ/kg)
= 472.24 kJ/kg – 305.22 kJ/kg
= 167.02 kJ/kg
f. Maka akan didapatkan tenaga untuk
turbin uap menggunakan rumus
persamaan ( 3.7)
WST = Wt + Wp (kJ/kg)
= 483.89 kJ/kg + 167.02 kJ/kg
= 650.91 kJ/kg
g. Setelah di dapatkan perhitungan turbin
gas dan utrbin uap untuk tenaga (W),
Maka akan didapatkan tenaga (W) dari
CCPP dengan persamaan rumus pada
(3.1)
WCCPP = (WGT+WST)
= 879.06 + 650.91
= 1,529.97 kJ/kg
h. Mencari panas pada Heat Recovery
Steam Generator (HRSG)
menggunakan rumus pada persamaan
(3.3), dimana telah di dapatkan data
sebagai berikut:
Tgb= T4 compresor = 500oC
= 773.15 K
Ts = T1 compresor = 32oC
= 305.15 K
Cpgb = 1.67595 kJ/kg K
mgb = 0.8 kg/dt
Q HRSG/in = mgb Cpgb (Tgb-Ts)
= 0.8 kg/dt . 1.67595 kJ/kgK
( 773.15 K – 305.15 K )
= 627.47 K
i. Dan untuk mencari effisiensi thermal
pada CCPP dapat digunakan rumus
pada persamaan (3.2)
th = =
= 0.45
Mencari laju aliran masa bahan bakar
( ) pada CCPP
Diketahui :
- Daya total (P) = 9.45 MW
= 9.45 M J/sec
= 9,450 kJ/sec
- Kerja (W) Pada CCPP
= 1,529.97 kJ/kg
= =
= 6.176 kg/sec
= 6.176 kg/sec
= 192,098,304 kg/ thn
Gambar 3.4 Diagram T – S pada CCPP
Gambar 3.5 Diagram P – V pada CCPP
16
Penggerak Mesin Diesel Dual fuel pada
kapal LNG
Penggunaan Compressed Natural
Gas (CNG) khususnya pada mesin diesel
semakin meningkat. Mesin diesel yang
menggunakan CNG sebagai bahan bakar
pun ada 2 jenis, yaitu gas diesel dan dual
fuel diesel engine. Gas diesel menggunakan
CNG sebagai bahan bakar pengganti bahan
bakar diesel, sehingga tidak ada bahan
bakar selain CNG yang digunakan dalam
pengoperasian mesin ini. Dual fuel diesel
engine merupakan jenis mesin diesel yang
memanfaatkan 2 (dua) bahan bakar dalam
proses pembakarannya, yaitu CNG sebagai
bahan bakar utama dan bahan bakar diesel
konfensional digunakan sebagai penyala.
Hal ini dikarenakan karakteristik CNG
yang membutuhkan temperatur lebih tinggi
untuk bisa terbakar secara sendiri (self
ignition). Di sini akan dibahas tentang
mesin diesel dual fuel engine mencari
tenaga dan effisiensinya.
Penggerak kapal menggunakan dual
fuel diesel adalah salah satu dari penggerak
mesin kapal LNG karna bahan bakar yang
digunakan adalah Boil Off Gas (BOG) pada
LNG dan minyak solar untuk
pembakarannya. Pada motor diesel dual
fuel, sejumlah kecil bahan bakar diesel
disemprotkan untuk membantu terjadinya
penyalaan gas. Gas merupakan bahan bakar
utama sehingga emisi gas buang yang
dihasilkan lebih baik dari pada diesel. Di
mesin dual fuel ini cara bekerjannya ketika
berjalan di gas, mesin dual fuel bertindak
sesuai dengan prinsip Otto, saat gas
dicampur dengan udara sebelum mulai
kompresi (gambar), tekanan gas sekitar 5
bar sudah cukup. Ini tekanan gas dalam
kisaran yang sama dengan tekanan gas di
instalasi turbin uap. Dekat dengan pusat
topdead jumlah yang sangat kecil bahan
bakar minyak disuntikkan untuk memicu
pengapian. Asalkan sistem pasokan gas
yang memadai terinstal, mesin dual fuel
dapat menerima semua gas kualitas terlihat
pada pengiriman LNG. Selain berjalan di
gas, mesin dual fuel dapat berjalan di bahan
bakar minyak. Ketika berjalan di bahan
bakar minyak, bertindak mesin dual fuel
sebagai mesin diesel normal. Dapat dilihat
sebuah gambar mesin dual fuel diesel pada
kapal LNG
Gambar 3.6 Dual-fuel bahan bakar mesin yang
bekerja (modus gas)[10]
Gambar 3.7 Mesin dual fuel diesel tipe Wärtsilä
6L50DF[10]
Pada kapal LNG yang menggunakan mesin
dual fuel diesel yang memiliki 18 silinder
dengan daya total 39.6 MW untuk
perangkat penggerak kapal berkapasitas
152,000 m3. Terdapat temperatur awal 17
oC, temperatur pada saat pembakaran 177
oC dengan kalor yang masuk 1800 kJ/kg,
tekanan konstan 1.005 kJ/kg dan
temperatur akhir 27oC dan volume konstan
1.391 kJ/kg. Cara mencari tenaga (W)
bersih pada mesin diesel dual fuel dan
effisiensi thermalnya dengan persamaan :
Wnet = qs + qr = Cp(T3 – T2) + Cv(T1 – T4) (3.10)
= = (3.11)
Untuk mencari kalor masuk dengan
tekanan konstan dan kalor yang dibuang
dengan volume konstan dapat
menggunakan rumus persamaan
Kalor masuk : qs = h3 – h2 = Cp(T3 –T2) (3.12)
Kalor dibuang : qr = u3 – u2 = Cv(T1 –T4) (3.13)
17
Mencari Perhitungan Tenaga (W) Dan
Effisiensi thermal Pada Diesel Dual Fuel
Engine
Dari data yang ada bisa di dapat
tenaga (W) untuk Diesel Dual Fuel Engine
dan effisiensi thermalnya
Diketahui ssebuah mesin diesel dual fuel
mempunyai :
- T1 (temperatur awal) = 17oC
= 290.15 K
- T2 (temperatur pembakaran) = 177oC
=450.15 K
- T4 (temperatur akhir) = 27oC
= 300.15 K
- Cp (tekanan konstan) = 1.005 kJ/kg
- Cv (volume konstan) = 1.391 kJ/kg
- qs (panas kalor yang masuk)
= 1,800 kJ/kg
a. Mencari T3 pada pembakaran :
T3 = T2 + = 450,15 +
= 1,791 K
= 1,517.85oC
b. Mencari kalor yang kelur qout/qr
mengunakan persamaan rumus (3.13)
qr = Cv(T1 –T4)
= 1.391 kJ/kg
(290.15 kJ/kg – 300.15 kJ/kg)
= - 7.165 kJ/kg
c. Dan di dapatkanlah perhitungan kerja
pada mesin diesel dual fuel dengan
persamaan rumus (3.10) setelah di
dapatkan perhitungan kalor yang
masuk dan kelur
Wnet = qs + qr
= 1,800 kJ/kg + (- 7.165 kJ/kg)
= 1,792.83 kJ/kg
d. Dan untuk mencari effisiensi pada
mesin diesel dual fuel dapat
menggunakan rumus persamaan
(3.11)
th =
=
= = 0.74
e. Mencari laju aliran masa bahan
bakar ( ) pada mesin diesel
dual fuel
Diketahui :
- Daya total (P) = 39.6 MW
= 39.6 M J/sec
= 39,600 kJ/sec
- Kerja (W) Pada diesel dual fuel
= 1,792.83 kJ/kg
= =
= 22.08 kg/dt
= 22.08 kg/sec
= 686,776,320 kg/ thn
Boil off gas (BOG) terdapat 60 % yang
digunakan untuk bahan bakar dan
minyak solar 40 % pada bahan bakar.
BOG = × 22.08 kg/sec
= 13.248 kg/sec
= 412,065,792 kg/thn
Solar = × 22.08 kg/sec
= 8.832 kg/sec
= 274,710,528 kg/thn
f. Laju aliran massa pada solar di dapat
8.832 kg/sec akan di konversi menjadi
debit aliran yang akan digunakan untuk
penghematan biaya yaitu sebagai
berikut :
m = ρ x Q
Q =
Dimana :
Q = debit aliran, m3/dt
m = laju aliran massa, kg/dt
ρ = massa jenis (solar), kg/m3
18
jadi, Q =
=
= 0.01077 m3/sec
= 10.77 liter/sec
g. Mencari biaya untuk solar selama
setahun Asumsi biaya solar industri
periode 15 s/d 28 Februari 2011 adalah
Rp5.000,- / liter.[15]
Jadi, biaya untuk
solar selama setahun adalah :
= 10.77 liter/sec x Rp 5,000,- / liter
= Rp 53,850.- / sec
= Rp 53,850.- / sec
= Rp 1,674,950,400,000.- / thn
= Rp 1.6 triliun / thn
Gambar 3.8 Diagram T – S pada mesin diesel dual
fuel
Gambar 3.9 Diagram P – V pada mesin diesel dual
fuel
Perbandingan Combined Cycle
Propulsion Plant (CCPP) dengan Diesel
Dual Fuel
Setelah didapatkan perhitungan dari
penggerak mesin kapal LNG yang
menggunakan combined cycle propulsion
plant (CCPP) dengan mesin diesel dual fuel
dapat dilihat perbandingannya secara
matematis dan secara ekonomis.
- Secara matematis
Dapat dilihat pada tenaga (W) dan
effisiensi thermal yang di dapatkan
oleh masing–masing penggerak dengan
menggunakan Combined Cycle
Propulsion Plant (CCPP) dan yang
menggunakan diesel dual fuel, dapat
dilihat pada tabel 3.1. secara
kemampuan mesin diesel dual fuel
lebih baik secara matematis.
Tabel 3.1. Perbandingan secara matematis pada
CCPP dan diesel dual fuel
- Secara ekonomis
1. Mesin yang menggunakan CCPP
lebih baik dari mesin diesel dual
fuel dikarenakan pada mesin
CCPP gas buang tidak merusak
lingkungan dikarenakan kadar
19
CO2, NOx, dan SOx sangat rendah
bakan tidak ada sedangkan pada
mesin diesel dual fuel kadar
pembuangan gasnya bisa merusak
lingkungan dikarenakan
mengandung CO2, NOx, dan SOx
yang cukup tinggi.
2. Combined Cycle Propulsion Plant
(CCPP) hanya menggunakan
bahan bakar Boil Off Gas yang
terjadi pada penguapan LNG,
sedangkan pada mesin diesel dual
fuel bahan bakar menggunakan
Boil Off Gas yang terjadi pada
penguapan LNG dan minyak solar.
3. Didalam perhitungan laju aliran
masa bahan bakar didapatkan
untuk CCPP adalah sebesar
192,098,304 kg/thn sedangkan
untuk mesin diesel dual fuel untuk
laju aliran masa bahan bakarnya
sebesar 686,776,320 kg/thn, yaitu
BOG sebesar 60% adalah
412,065,792 kg/thn dan solar 40%
adalah 274,710,528 kg/thn
4. Jika menggunakan CCPP
menghemat pengeluaran solar
sebesar
Rp 1,674,950,400,000.- / thn atau
Rp 1.6 triliun/thn
Jadi secara ekonomis mesin yang
mengunakan dua turbin atau disebut
dengan Combined Cycle Propulsion Plant
(CCPP) lebih baik dari pada mesin diesel
dual fuel dari effisiensi bahan bakar dan
lingkungan.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil dari penelitian
tentang perbandingan antara penggerak
kapal tanker LNG yang menggunakan
Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP)
dan yang menggunakan mesin diesel dual
fuel dapat diambil beberapa kesimpulan :
1. Pada data yang menggunakan CCPP
didapat data :
- Di dapat dari perhitungan turbin gas
yaitu tenaga output turbin gas
(WGT) = 879.06 kJ/kg
- Dan pada perhitungan turbin uap
terdapat tenaga output turbin uap
(WST) = 650.91 kJ/kg
- Maka didapatkanlah tenaga untuk
penggerak kapal yang
menggunakan Combined Cycle
Propulsion Plant (CCPP) yaitu
(WCCPP) = 1,529.97 kJ/kg = 1.53
MJ/kg, didapat dari tenaga turbin
gas ditambah tenaga turbin uap
(WGT + WST).
- Dan didapat panas pada Heat
Recovery Steam Generator
(HRSG) atau Qin pada CCPP
adalah 627.47 K
- Selanjutnya didapatkan effisiensi
pada CCPP yaitu sebesar th =
0.45
- Laju aliran masa bahan bakarnya
didapat sebesar 192,098,304 kg/
thn
2. Pada data mesin diesel dual fuel di
dapat data sebagai berikut :
- Di dapatkan tenaga bersih mesin
diesel dual fuel atau (Wnet) =
1,792.83 kJ/kg = 1.79 MJ/kg
- Dan pada effisiensi thermalnya
didalam mesin diesel dual fuel
didapatkan th = 0.74
- Laju aliran masa bahan bakarnya di
dapat sebesar 686.776.320 kg/ thn
Di bagi dua bahan bakar BOG
(60%) = 412.065.792 kg/thn dan
solar (40%) = 274,710,528 kg/thn
- Debit aliran solar sebesar = 0.01077
m3/sec
- Biaya solar setahun didapat sebesar
= Rp 1.6 triliun / thn.
3. Perinsip dari kerja penggerak kapal
tangker LNG pada Combined Cycle
Propulsion Plant (CCPP) adalah
penggabungan dua siklus untuk
menjadi penggerak dengan masing-
masing keguaannya turbin gas untuk
20
menghasilkan energi sedangkan panas
yang terbuang masuk ke turbin uap
untuk mengerakan turbin uap itu jadi
dua siklus tersebut bila di gabungkan
mendapat tenaga lebih beser dari pada
harus terpisah penggunaanya.
4. Perinsip dari kerja mesin diesel dualn
fuel pada pengerak kapal tangker LNG
hampir sama seperti siklus diesel pada
umumnya hanya pada diesel dual fuel
ini bahan bakar utamanya adalah Boil
Off Gas (BOG) dan minyak solar
hanya sedikit untuk menghindari
terjadi pembakar lebih cepet.
5. Hasil dari data yang didapat pada
perhitungan CCPP dan sefesifikasinya
dan perhitungan mesin diesel dual fuel
dan sefesifikasinya bisa disimpulkan
secara matematis dan ekonomis.
Secara matematis mesin diesel dual
fuel lebih baik dari CCPP sedangkan
untuk ekonomis CCPP lebih unggul
karna tidak perlu membawa bahan
bakar minyak dan gas buang hampir
ramah lingkungan dari pada diesel dual
fuel .
DAFTAR PUSTAKA
1. Cengel, Yunus A., Thermodynamics
an Engineering Approach,
McGraw-Hill, New York, 1994.
2. Dietsel, Fritz., Turbin Pompa dan
Kompressor, Terjemahan Dakso
Sriyono, Erlangga, Jakarta, 1996.
3. Pudjanarsa, Astu dan Djati
Nursuhud., Mesin Konversi Energi,
Andi, Yogyakarta, 2006.
4. Moran, J., N., Michael, Howard,
Shapiro., Termodinamika Teknik
Jilid 1 edisi 4, Terjemahan Yulianto
Sulistyo, Erlangga, Jakarta, 2002.
5. Sudarman,. Siklus Daya Termal,
Universitas Muhammadiyah
Malang, Malang, 2004.
6. Arismunandar, W., Pengantar
Turbin Gas Dan Motor Propulsi,
ITB, Bandung, 2002
7. Shlyakin, P., Turbin Uap (Steam
Turbien), Erlangga, Jakarta, 1993.
8. “Liquefied Natural Gas (LNG),
Sebuah Alternatif Transportasi Gas
Alam”,http://www.migasindonesia.
com/index.module=2054/energi_L
NG_Transportasi_Gas_Alam.pdf,
Tanggal Akses 17 Mei 2010.
9. “Penjelasan Tentang Boil Off
Gas”,http://www.migasindonesia.co
m. Tanggal Akses 20 Mei 2010.
10. “Transportasi Pada LNG
Carrier”,http:www.migasindonesia.
com/index 3766/Transportasi LNG.
Tanggal Akses 17 Mei 2010.
11. “Pemanfaatan Boil Off Gas Pada
Combined Cycle Propulsion
Plant”,http:www.digilib.its.ac.id/pu
blic/ITS-Undergraduate-9754-
Paper. Pdf. Tanggal Akses 25 Mei
2010.
12. “Penjelasan Mesin
Diesel”,http://id.wikipedia.org/wiki
/Mesin_diesel. Tanggal Akses 28
juli 2010.
13. “Sejarah Mesin Diesel”,http:// history-
our.blogspot.com/2010/10/sejarah-
mesin-diesel.html. Tanggal Akses
28 juli 2010.
14. “Prinsip Kerja Mesin
Diesel”,http://
gudangilmu.org/2007/11/24/prinsip-
kerja-mesin-diesel. Tanggal Akses
28 juli 2010.
15. “Harga Solar non subsidi dan
Industri Pertamina”,
http://resharl.wordpress.com/harga-
terbaru-bbm-solar-industri-
pertamina. Tanggal Akses 20
Februari 2011.