BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Kebutuhan terhadap energi merupakan hal mendasar yang dibutuhkan dalam usaha meningkatkan taraf hidup masyarakat. Seiring dengan meningkatnya taraf hidup serta kuantitas dari masyarakat, maka semakin meningkat juga kebutuhan akan energi. Pada saat ini kebutuhan energi berhubungan langsung dengan tingkat kehidupan masyarakat serta kemajuan industrisasi di suatu negara. Dalam hal ini, energi listrik yang menjadi salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan oleh masyarakat dalam kehidupan, karena energi listrik dapat dengan mudah dan efisien diubah ke bentuk energi yang lainnya. Industri pertanian belakangan ini berkembang pesat khususnya dalam proses produksi kelapa sawit. Dimana dalam proses pengolahan kelapa sawit menjadi minyak mentah atau CPO (Crude Palm Oil) dan PKO (Palm Kernel Oil) diperlukan energi listrik. Oleh karena itu, pada pabrik kelapa sawit (PKS) harus memiliki pembangkit listrik sendiri untuk memenuhi kebutuhan energi listrik dalam proses pengolahan. Mesin-mesin konversi energi yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik diantaranya yaitu turbin uap. Dimana turbin uap merupakan kelompok pesawat-pesawat konversi. Dengan mengubah energi potesial uap menjadi energi kinetik pada nosel (turbin impuls) dan sudu-sudu gerak (turbin reaksi) dan diubah menjadi energi mekanik pada poros turbin. Dan dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung dengan mekanisme yang digerakan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk transportasi, dan untuk pembangkit tenaga listrik. Pada Pabrik Pengolahan Inti Sawit (PPIS) / PKO (Palm Kernel Oil), unit instalasi tenaga uap (Steam Power Plant) sangat dibutuhkan sebagai sumber energi listrik, karena nantinya digunakan untuk menggerakkan mesin-mesin proses pengolahan. Dipilihnya instalasi ini, karena fluida kerja pada instalasi tenaga uap yaitu air sangat mudah diperoleh, sedangkan bahan bakar untuk menghasilkan uap seperti, serabut (fiber), cangkang (shell), tandan kosong (empty
Universitas Sumatera Utara
bunch), juga mudah diperoleh karena merupakan limbah dari pengolahan sawit (CPO), dan harganya relatif murah dibanding bahan bakar fosil. Selain itu, instalasi ini mudah dan hemat biaya operasional dalam pembuatan dan penggunaannya, serta mudah dalam perawatannya. Pada unit instalasi tenaga uap pabrik pengolahan inti sawit, uap keluaran dari turbin tidak langsung dibuang ke udara bebas tetapi dimanfaatkan kembali untuk proses perebusan air di Boiler melalui proses kondensasi, sehingga siklus uap yang bekerja adalah siklus tertutup. Karena, uap seluruhnya digunakan untuk menggerakkan turbin, sehingga dapat menghasilkan daya listrik yang cukup besar, dimana nantinya daya listrik tersebut digunakan untuk menggerakkan mesinmesin dalam proses pengolahan inti sawit. Dari pemaparan di atas jelas bahwa sistem pembangkit tenaga uap adalah suatu hal yang sangat vital dalam proses produksi CPO dan PKO dari kelapa sawit. Di dalam sistem ini, turbin adalah salah satu alat yang sangat mempengaruhi kinerja dari keseluruhan sistem. Berdasarkan fakta ini, pengujian dan analisa kinerja suatu turbin uap dapat memberikan pertimbangan untuk membantu peningkatan kinerja dan efisiensi turbin secara khusus dan sistem pembangkit secara umum. Pengujian dan analisa kinerja suatu turbin uap dapat dilakukan dengan dua cara yaitu cara experiment dan cara numerik. Akhir-akhir ini, kedua istilah ini masing-masing lebih dikenal dengan istilah Experimental Fluid Dynamics (EFD) dan Computational Fluid Dynamics (CFD). Dalam hal ini penggunaan alat bantu berupa progam (software) komputer dalam proses penganalisaan kinerja sistem turbin uap dapat membantu dalam peningkatan kinerja dan efisiensi dari turbin uap tersebut. Salah satu progam yang digunakan adalah CFD FLUENT, karena program ini merupakan program CFD (Computational Fluid Dynamic) yaitu program Komputasi Aliran Fluida Dinamik yang dapat dengan mudah menganalisa dan mensimulasikan aliran fluida yang bekerja pada turbin secara numerik dengan menyelesaikan persamaan Navier Stokes.
Universitas Sumatera Utara
1.2 Batasan Masalah Dalam penelitian ini akan dibahas tentang studi numerik aliran fluida pada sudu tingkat pertama turbin uap pada unit instalasi tenaga uap yang menghasilkan daya output 3 MW, dan mensimulasikannya dengan menggunakan program CFD FLUENT. Dimana, data dan spesifikasi yang ditetapkan diperoleh dari pabrik pengolahan inti sawit di PTPN IV Kebun Pabatu. Adapun batasan masalah yang akan dibahas dalam penelitian ini meliputi : a. Sistem Distribusi Uap - Analisa kebutuhan uap pada turbin - Analisa aliran uap pada sudu tingkat pertama turbin uap. b. Analisa dalam bentuk simulasi CFD dengan menggunakan FLUENT. - Permodelan dan simulasi dilakukan untuk profil sudu di tingkat pertama dalam bentuk 2 D - Permodelan dan simulasi dilakukan untuk turbin tingkat pertama dengan dua tingkat kecepatan (Curtis) pada hubungan sudu pengarah (sudu stator) dan sudu gerak baris kedua (sudu rotor). Permodelan 2 D dilakukan dengan membuat 1 bilah stator dan 2 bilah rotor. Dan simulasi dilakukan untuk kondisi aliran steady.
1.3 Tujuan Adapun Tugas akhir ini adalah melakukan simulasi 2D aliran dalam turbin uap dengan menggunakan metode CFD, yang secara garis besar dapat dijelaskan sebagai berikut : - Mengkaji pengaruh parameter numerik pada profil sudu seperti vektor kecepatan aliran, kontur tekanan, dan model turbulensi terhadap akurasi solusi yang dihasilkan. - Melakukan studi parameter fisik aliran yaitu pengaruh hubungan aliran pada sudu stator dan sudu rotor.
1.4 Manfaat Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat diambil beberapa manfaat diantaranya sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
1. Sebagai masukan atau informasi yang bermanfaat bagi perusahaan dalam
menentukan
atau
memperhitungkan
tingkat
efisiensi
penggunaan turbin uap sebagai mesin konversi energi penghasil daya listrik. 2. Diharapkan mampu sebagai alat ukur proses perencanaan produksi. 3. Menambah kepahaman ilmu pengetahuan tentang turbin uap dalam penerapan konsep sistem tenaga uap terhadap bidang-bidang industri.
1.5 Metodologi Penelitian Dalam metodologi penulisan skripsi ini menggunakan tahapan-tahapan sebagai berikut: a. Identifikasi b. Analisis sistem c. Simulasi sistem d. Analisis hasil Tahapan-tahapan yang digunakan pada metodologi ini menggunakan konsep tahapan yang berurutan dari atas ke bawah. Dimana hasil atau keluaran dari suatu tahap akan menjadi masukan bagi tahap selanjutnya. Berdasarkan batasan masalah yang telah ditetapkan, penulisan skripsi ini hanya sampai pada tahap simulasi aliran fluida. a. Identifikasi Tahap identifikasi dilakukan dengan melakukan pencarian data awal seperti spesifikasi turbin uap dan kondisi operasinya, serta penentuan nilai-nilai variabel yang diperlukan dalam melakukan perhitungan dan analisis masalah. b. Analisis sistem Tahap ini dilakukan untuk menganalisis kondisi kerja turbin uap, perhitungan geometri sudu dan aliran uap khususnya pada sudu tingkat pertama, berdasarkan kondisi operasi yang diperoleh. c. Simulasi sistem Tahap simulasi sistem meliputi proses sebagai berikut : -
Pembuatan model geometri profil sudu dan domain sudu stator dan rotor beserta meshnya. Perangkat lunak yang digunakan untuk membuat model
Universitas Sumatera Utara
adalah AutoCAD dan CATIA V5 sedangkan mesh dibuat dengan GAMBIT. Pembuatan model dilakukan dengan membuat geometri masing-masing sudu serta domain sudu stator dan rotor terlebih dahulu, batas-batas permukaan yang lain seperti inlet, outlet dan permukaan wall didefinisikan selanjutnya. Mesh dibuat di GAMBIT secara otomatis, dilakukan dengan pembuatan geometri face terlebih dahulu, kemudian dilanjutkan dengan penetuan jumlah dan distribusi titik yang membentuk mesh. -
Simulasi dimulai dengan melakukan beberapa simulasi terhadap model profil sudu, hubungan (interface) sudu stator dan rotor dalam kondisi steady, dan beberapa model turbulensi.
d. Analisis Hasil Melakukan analisis hasil yang didapatkan dari berbagai macam simulasi tersebut, yang meliputi analisis terhadap vektor ataupun kontur dari property fluida seperti kecepatan, tekanan, dan turbulent kinetic energy. Bagian ini adalah tahap post processing dimana hasil perhitungan ditampilkan dala bentuk yang lebih jelas dan mudah dipahami. Hal ini dapat dilakukan dengan membuat plot koefisien lift (Cl) dan koefisien drag (Cd) pada masing-masing profil sudu, serta pressure coefficient (Cp) dari property aliran pada bidang yang diinginkan.
Universitas Sumatera Utara
Identifikasi
Analisis Sistem
Tidak
Apakah varibel sesuai?
Ya
Simulasi Sistem
Tidak sesuai
Analisis Hasil
sesuai
Hasil (Post processing)
Gambar 1.1 Diagram alir metode penelitian
Universitas Sumatera Utara
1.6 Sistematika Penyajian Dalam tugas akhir ini disusun dengan sistematika pembahasan sebagai berikut: BAB
I
: Pendahuluan Pada bagian ini meliputi latar belakang, batasan masalah, tujuan, manfaat,
metodologi pengerjaan,
sistematika penyajian,
dan
kontribusi penelitian. BAB
II
: Tinjauan Pustaka Berisi teori tentang tinjauan umum instalasi tenaga uap, siklus tenaga uap, trubin uap, dimensi sudu, dan model matematis yang digunakan sebagai dasar analisis numerik.
BAB
III
: CFD FLUENT dan Pendekatan Numerik Berisi tentang CFD secara lebih detail, pengenalan dan dtruktur program FLUENT, serta pendekatan numeri pada program CFD FLUENT yang digunakan sebagai dasar analisis.
BAB
IV
: Analisa Tingkat Pertama Turbin Uap Berisi tentang analisa perhitungan sudu tingkat pertama (Curtis) dengan dua tingkat kecepatan, dan hasil perhitungan geometri masing-masing profil sudu.
BAB
V
: Prosedur Simulasi Berisi tentang langkah-langkah pengerjaan yang dibagi dalam beberapa tahap dari awal sampai akhir serta studi kasus yang dilakukan.
BAB
VI
: Hasil dan Anilis Hasil Simulasi Berisi hasil beserta analisis aliran fluida terhadap hasil-hasil yang didapatkan
BAB
VII
: Kesimpulan dan Saran
Universitas Sumatera Utara
1.7 Kontribusi Penelitian Penelitian ini dikontribusikan dalam bidang operasi riset pada sebuah perusahaan industri khususnya yang menggunakan turbin uap sebagai alat konversi energi yang menghasilkan energi listrik, yang nantinya diharapkan dapat menjadi alat ukur dalam meningkatkan efisiensi dan performansi turbin uap dan penggunaan daya listrik yang efektif dan efisien, serta unit instalasi pembangkit listrik yang ramah lingkungan.
Universitas Sumatera Utara
