Abstrak—Siklus  kombinasi  adalah  siklus  termodinamika yang  menggabungkan  siklus  Rankine  dan  siklus  Brayton dengan  komponen  HRSG  sebagai  penghubung.  Untuk mendapat  rancangan  HRSG  yang  baik,  maka  perlu  untuk mengetahui  pengaruh  parameter  internal  maupun  eksternal dari  HRSG.  Parameter  yang  ditinjau  adalah  pinch  point  dan approach  point,  juga  perubahan  beban  turbin  gas.  Dengan menggunakan perangkat lunak cycle tempo, simulasi pembangkit  dengan  konfigurasi  1x1x1  dilakukan.  Hasil  yang didapat  dari  simulasi  adalah  nilai  net  power  output,  net  plant efficiency, dan net plant heat rate dengan variasi parameter yang telah disebutkan. Setelah simulasi dilakukan, pada beban turbin gas 100% didapatkan hasil berupa nilai net power output sebesar 72,205  MW  yang  mengalami  penurunan,  juga  net  plant efficiency 47,044%, dan net plant heat rate 7652,3 kJ/kWh yang tetap  seiring  menurunnya  beban  turbin.  Sementara  untuk variasi  pinch  point  dan  approach  point  akan  mengakibatkan power output, dan net plant efficiency meningkat, dan net plant heat  rate  menurun  seiring  dengan  berkurangnya  nilai  kedua parameter  tersebut.  Variasi  yang  menghasilkan  performa terbaik  adalah  pada  pengurangan  nilai  pinch  point  modul  low pressure dimana pinch point sebesar 50,8 o C dan approach point 9,77 o C  menghasilkan  power  sebesar  16,069  MW,  net  plant efficiency  sebesar  50,462  %,  dan  net  plant  heat  rate  sebesar 7132,535  kJ/kWh,  namun  untuk  dapat  membangkitkan  daya sebesar itu diperlukan tambahan sumber panas sebesar 25 MW.

## Kata Kunci— approach point, cycle tempo, HRSG, pinch point

## I. PENDAHULUAN
IKLUS  kombinasi  adalah  salah  satu  jenis  siklus termodinamika yang memiliki fungsi sebagai pembangkit  daya.  Siklus  kombinasi  sendiri  merupakan gabungan dari siklus Rankine dan siklus Brayton [1]. Siklus Rankine  dengan  fluida  kerja  berupa  air,  dan  siklus  Brayton dengan  fluida  kerja  gas,  dapat  digabung  menjadi  siklus kombinasi dengan komponen heat recovery steam generator (HRSG). Prinsip dari siklus kombinasi sendiri adalah dengan memanfaatkan  panas  yang  tinggi  yang  dimiliki  oleh  gas buang turbin gas dalam siklus Brayton sebagai sumber panas yang  berfungsi  untuk  membangkitkan  uap  air  dalam  siklus Rankine.  Pada  HRSG  sendiri,  terdapat  banyak  parameter yang  dapat  dijadikan  acuan  untuk  perancangannya,  salah satunya adalah pinch point dan approach point [2]. Selain itu, juga  menarik  untuk  diketahui  bagaimana  kinerja  HRSG ketika dioperasikan turbin gas dengan beban yang berbeda. Untuk membantu penelitian, digunakan bantuan perangkat lunak cycle tempo . Dalam cycle tempo , kita dapat melakukan perancangan  pembangkit  seperti  apa  yang  kita  kehendaki. Sebagai  data  acuan  maka  digunakan  pembangkit  siklus kombinasi dengan konfigurasi 1x1x1 (1 turbin gas – 1 HRSG tekanan dua tingkat – 1 turbin uap tekanan tunggal). Setelah
dilakukan simulasi, akan dibandingkan bagaimana performa dari  HRSG  dengan  melakukan  variasi  beberapa  parameter yang  sudah  ditentukan,  yaitu  beban  turbin  gas, pinch  point , dan approach  point .  Dan  yang  akan  menjadi  tolak  ukur adalah  nilai net  power  output , net  plant  efficiency ,  dan net plant  heat  rate yang  dapat  dihasilkan  dari  pemodelan pembangkit tersebut.
Penelitian  untuk  mengetahui  pengaruh  parameter  desain terhadap  performa  HRSG  sudah  cukup  banyak  dilakukan sebelumnya.  Seperti  Achsan  Arfandi  yang  melakukan penelitian  pengaruh pinch  point terhadap  siklus  kombinasi dengan  konfigurasi  2x2x1,  dimana  dapat  diketahui  dengan meningkatnya pinch point maka akan didapatkan daya yang lebih  menurun  dari  pembangki  [3].  Dan  Ragland,  Stenzel yang  melakukan  penelitian  pengaruh pinch  point dan approach  point terhadap  HRSG  tekanan  tiga  tingkat,  yang dapat  disimpulkan  bahwa  dengan  semakin  kecil  parameter tersebut  akan  membuat  biaya  yang  dibutuhkan  untuk membangun  pembangkit  menjadi  lebih  besar  [4].  Juga dengan  mengadaptasi  penelitian  Dendi  Nugraha  yang mencoba  mengamati  pengaruh  perubahan  komponen  sirip pada  pipa  terhadap  performa  kolektor  surya  [5].    Namun belum  ada  yang  melakukan  penelitian  untuk  menganalisa HRSG  tekanan  dua  tingkat  dalam  konfigurasi  1x1x1,  yang mana  uap  pada  tekanan  rendah  digunakan  sebagai  suplai deaerator  dan  suplai  untuk  turbin  uap  digunakan  dari  uap tekanan tinggi. Oleh karena itu, dilakukan penelitian ini untuk mengetahui  pengaruh  dari  parameter  tersebut  terhadap performa HRSG.

## II. METODE PENELITIAN
Analisa  dalam  penelitian  ini  meliputi  analisa  performa pembangkit,  analisa pinch  point dan approach  point ,  dan simulasi pada cycle tempo .

## A. Analisa Performa Pembangkit
Dalam  penelitian  ini,  akan  dipelajari  bagaimana karakteristik  perubahan  parameter  pada  HRSG  serta dampaknya terhadap performa yang dihasilkan permbangkit secara keseluruhan. Untuk itu, diperlukan data heat balance yang  dimiliki  pembangkit  sebagai  acuan  dalam  melakukan simulasi pada cycle tempo . Setelah itu, variasi bisa dilakukan pada  komponen  HRSG  agar  diketahui  karakteristik perubahan parameternya. Input data heat balance pada cycle tempo dapat dilihat pada gambar 1.

## Analisa Pengaruh Variasi Pinch Point dan

## Approach Point terhadap Performa HRSG Tipe Dual Pressure
Ryan Hidayat dan Bambang Arip Dwiyantoro Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : bambangads@me.its.ac.id
S
Dalam  penelitian,  akan  ditinjau  bagaimana  pengaruh HRSG  terhadap  pada  pembangkit.  Dan  yang  akan  menjadi tolak ukur adalah nilai net power output , net plant efficiency , dan net plant heat rate yang dapat dihasilkan dari pemodelan pembangkit tersebut.
 Net Power Output
Untuk net power output yang dimaksud adalah daya yang dapat  dihasilkan  pembangkit  dengan  data  acuan  yang  ada. Untuk mencari nilai net power output dapat dilakukan dengan persamaan dibawah:
𝑊 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑊 𝐺𝑇 + 𝑊 𝑆𝑇 − 𝑊 𝑎𝑢𝑥
(1) dengan: W total = Net power output (kW) W ST = Daya turbin uap (kW) W GT = Daya turbin gas (kW) W aux = Daya yang dibutuhkan pembangkit, contohnya daya pompa (kW)
 Net Plant Efficiency
Adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan dengan kalor yang digunakan. Persamaan net plant efficiency seperti pada persamaan dibawah ini:
𝜂 = 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑄𝑖𝑛 (2) dengan: 𝜂 = Net plant efficiency (%) Q in = Sumber kalor (kW)
 Net Plant Heat Rate
Adalah  untuk  mengetahui  berapa  kebutuhan  kalor  untuk dapat  menghasilkan  1  kWh  dalam  pembangkit  tersebut. Persamaan  net  plant  heat  rate  seperti  pada  persamaan dibawah ini:
𝑁𝑒𝑡 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡 ℎ𝑒𝑎𝑡 𝑟𝑎𝑡𝑒 = (𝑚̇𝑓𝑢𝑒𝑙∙𝐿𝐻𝑉) 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (3)
Dengan: 𝑚̇ 𝑓𝑢𝑒𝑙 = mass  flow bahan  bakar.  input  dalam  cycle  tempo adalah  3,983  kg/s  kemudian  dikonversi  untuk  waktu  1  jam (3600 s) sehingga menjadi 14.338 kg/h 𝐿𝐻𝑉 = Nilai kalor bawah bahan bakar  (kJ/kg)

## B. Analisa Pinch Point dan Approach Point pada HRSG
Dalam  penelitian  ini,  salah  satu  parameter  yang  menjadi tinjauan adalah nilai pinch point dan approach point . Pinch point adalah selisih antara temperatur gas keluar evaporator dengan  temperatur  jenuh  air  pada  evaporator.  Sementara approach  point adalah  selisih  antara  temperatur  air  keluar economizer  dengan  temperatur  jenuh  air  pada  evaporator. Penjelasan pinch point dan approach point dapat dilihat pada gambar 2.
 Kesetimbangan energi pada economizer
𝑚 ̇ s ( ℎ w2 − ℎ w 1 ) = 𝑚 ̇ 𝑔 ( ℎ g3 − ℎ g4 )           (4) dengan: 𝑚 ̇ s = mass flowrate air (kg/s) ℎ w1 = enthalpy air masuk economizer (kJ/kg) ℎ w2 = enthalpy appraoach temperature point (kJ/kg) 𝑚 ̇ 𝑔 = mass flowrate gas buang gas turbine (kg/s) ℎ g4 = enthalpy gas buang keluar economizer (kJ/kg) ℎ g3 =  enthalpy  gas  buang  masuk  economizer  atau  keluar evaporator (kJ/kg)
 Kesetimbangan energi pada evaporator
𝑚 ̇ s ( ℎ s1 − ℎ w2 ) = 𝑚 ̇ 𝑔 ( ℎ g2 − ℎ g3 )          (5) dengan: ℎ s1 =  enthalpy  uap  air  keluar  evaporator  atau  masuk superheater (kJ/kg)
Gambar. 1.  Simulasi Pembangkit Konfigurasi 1x1x1
Gambar. 2.  Profil diagram temperatur antar gas buang dan uap
ℎ g2 =  enthalpy  gas  buang  keluar  superheater  atau  masuk evaporator (kJ/kg)
 Kesetimbangan energi pada superheater
𝑚 ̇ s ( ℎ s2 − ℎ s1 ) = 𝑚 ̇ 𝑔 ( ℎ g1 − ℎ g2 )            (6) dengan:
ℎ s2 = enthalpy uap air keluar superheater (kJ/kg)
ℎ g1 = enthalpy gas buang masuk superheater (kJ/kg)

## C. Simulasi pada Cycle Tempo
Tahap  selanjutnya  adalah  dilakukan  pemodelan  pada perangkat lunak cycle tempo, berdasarkan data heat balance yang  didapat.  Hasil  simulasi  dapat  dilihat  pada  tabel  1  dan pemodelannya pada gambar 1.
Jika  sudah  tidak  terdapat error dan warning pada saat running, maka dapat diartikan bahwa hasil yang perhitungan dalam  perangkat  lunak cycle  tempo tersebut  sudah konvergen.  Setelah  itu,  dilakukan  proses  validasi  untuk mengetahui apakah hasil yang diberikan simulasi cycle tempo adalah hasil yang valid jika dibandingkan dengan data acuan yang  digunakan.  Hasil  yang  valid  ditunjukkan  dengan  nilai error dibawah 5%, dan untuk simulasi yang sudah dilakukan dapat  disimpulkan  bahwa  data  hasil  simulasi  adalah  valid, karena error pada  daya  netto  sebesar  1,69%  dan  pada efisiensi sebesar 1,61%.
Setelah  berhasil  dilakukan  simulasi,  validasi,  dan perhitungan nilai yang dibutuhkan dengan menggunakan data acuan heat  balance .  Selanjutnya  dilakukan  variasi  dengan dua parameter. Pertama adalah variasi terhadap beban turbin gas, dan yang kedua adalah variasi terhadap nilai pinch point dan approach point.

## III. HASIL DAN DISKUSI

## A. Variasi Beban Turbin Gas
Untuk  variasi  pembebanan  pada  turbin  gas,  data  yang dijadikan sebagai acuan adalah data heat balance . Lalu yang dijadikan  sebagai  input  pada  perangkat  lunak cycle  tempo untuk membedakan kondisi tiap pembebanan adalah laju alir massa  bahan  bakar  dan  udara  yang  menyesuaikan  dengan data  laju  alir  massa  gas  buang  turbin  gas  yang  sebelumnya sudah  didapatkan  pada  proses  pengumpulan  data  yang dibutuhkan. Dengan kondisi apparatus yang sama mengikuti beban 100% turbin sesuai data heat balance .
Berdasarkan  tabel  2,  hasil  simulasi  menunjukkan  variasi perubahan beban turbin gas hanya mempengaruhi pada nilai power  output turbin,  namun  tidak  pada efficiency dan heat rate. Hal  itu  disebabkan  karena  pada  simulasi  ini  kondisi komponen  pembangkit  masih  dalam  keadaan  100%  beban turbin, sehingga kondisi kalor yang terserap pada HRSG tidak berbeda pada tiap kondisi. Seharusnya apabila akan meninjau pembebanan  turbin  pada  kondisi  yang  berbeda  maka  harus memiliki data heat balance keadaan komponen pembangkit
di tiap kondisi yang berbeda tersebut. Sehingga data performa akan lebih tepat, khususnya efficiency dan heat rate.
Pada  grafik  terlihat  penurunan net  power  output seiring dengan  menurunnya  nilai Turbine  Gas  Load .  Hal  tersebut terjadi  karena  pada  saat  nilai Turbine  Gas  Load menurun, maka  mass  flow  yang  dihasilkan  dari  gas  turbine  akan menurun  juga  sesuai  dengan  data.  Dengan  berkurangnya mass flow exhaust gas maka pemanfaatan kalor yang terjadi pada  HRSG  kurang  maksimal  sehingga  menyebabkan kurangnya produksi uap untuk memutar turbin uap.

## B. Variasi Pinch Point dan Approach Point
Berdasarkan  gambar  4  dapat  dilihat  hubungan  antara perubahan pinch  point dan approach  point terhadap Power Output yang  dihasilkan.  Untuk pinch  point ,  semakin  kecil nilainya  maka  akan  menghasilkan power  output yang  lebih tinggi. Begitu pula pada approach point . Hal tersebut dapat terjadi  karena  adanya  peningkatan mass  flow  steam yang terbentuk  ketika  diberlakukan  perubahan  parameter  dengan suplai  kalor  dari  gas  buang  sama,  sehingga  dapat menghasilkan daya yang lebih besar juga.
Dengan  meningkatnya  daya  yang  dihasilkan,  akan mengakibatkan  terjadinya  peningkatan  efisiensi  seperti ditunjukkan pada gambar 5. Hal tersebut dikarenakan untuk suplai  kalor  yang  sama,  ketika  dilakukan  penurunan  nilai pada kedua parameter tersebut akan menghasilkan daya yang meningkat,  sehingga  efisiensi  juga  akan  ikut  meningkat. Kesesuaian  hasil  simulasi  dengan  teori  yang  ada  dapat dihubungkan  dengan  mengaitkan  ada  persamaan  (2),  yang menyatakan  bahwa  dengan  meningkatnya  nilai  daya  yag dihasilkan maka akan membuat efisiensi ikut menigkat juga karena hubungan kedua nilai tesebut dalam persamaan adalah berbanding lurus.
Tabel 1. Perbandingan Daya output heat balance dan hasil simulasi Cycle tempo
DATA Daya Netto [kW] Efisiensi Netto [%] Heat Balance 71.002 46,26 Simulasi Cycle Tempo 72.205 47,044
Tabel 2. Hasil Variasi Beban Turbin Gas Gas Turbine Load Exhaust Flow (kg/s) Total Power (kW) Net Plant eff Net plant heat rate (kJ/kWh) 100 % 168,62 72.205 47,044 % 7.652,3 90 % 156,42 66.981 47.042 % 7.652,4 80 % 145,9 62.476 47.049 % 7.652,3 70% 134,51 57.599 47.044 % 7.652,4 50 % 115,01 49.248 47.038 % 7.652,5
Gambar. 3.  Grafik pengaruh Perubahan Beban Turbin Gas terhadap Net Power Output
Sementara  itu,  untuk  nilai heat  rate akan  berlawanan terhadap  pola  yang  dibentuk  dari  tren  grafik  daya,  dan efisiensi.  Dikarenakan,  nilai  daya  menjadi  pembagi  dalam persamaan heat  rate .  Sehingga  jika  daya  yang  dihasilkan semakin besar, maka nilai heat rate -nya akan semakin kecil. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 6.
Jika  melihat  perbandingan  massa  yang  dihasilkan  dari modul  high  pressure  dengan  modul  low  pressure,  terdapat perbedaan yang signifikan pada kenaikan massa yang dialami pada  modul  low  pressure.  Hal  tersebut  terjadi  karena  pada modul  low  pressure,  uap  yang  dihasilkan  akan  difungsikan sebagai  suplai  deaerator.  Sehingga  jika  terjadi  peningkatan laju alir massa uap air dari low pressure evaporator, maka laju alir  massa  utama  akan  menyesuaikan  peningkatan  tersebut agar  tidak  terjadi  proses  evaporasi  pada  deaerator. Penyesuaian  tersebut  mengikuti  azas  Black,  sehingga peningkatan  laju  alir  massa  uap  air  yang  kecil  dapat mengakibatkan  peningkatan  laju  alir  massa  utama  terlihat besar. Namun peningkatan laju alir massa yang besar tersebut tidak  diimbangi  dengan  suplai  energi  panas  yang  besar, karena  pada  simulasi  ini  sumber  panas  hanya  dikondisikan pada  100%  beban  turbin  gas  yang  sesuai  dengan  data heat balance .
Contohnya  pada  kasus  perubahan  parameter pinch  point pada  modul  LP  HRSG  yang  menghasilkan  daya  terbesar sebesar 16 MW. Walaupun daya yang dihasilkan besar karena laju  alir  massa  yang  meningkat  sangat  besar  pula,  namun dapat dilihat pada gambar diatas bagian heat exchanger, total energy loss yang dimiliki siklus ini ternyata bernilai -25001 kW, yang berarti untuk  menghasilkan daya sebesar 16 MW maka masih dibutuhkan sumber panas tambahan sebesar 25 MW.  Sehingga  sistem  ini  dinilai  tidak  optimal,  karena sumber  panas  yang  dibutuhkan  harus  ditambah  seperti pengadaan duct  burner .  Dengan  acuan  sumber  panas  yang tetap  maka  sistem  dengan  pinch  point  50,8 o C  pada  modul low  pressure  tidak  dapat  diterapkan.  Untuk  itu  perlu dilakukan optimalisasi agar tiap parameter bisa menghasilkan daya  maksimum  dengan  sumber  panas  yang  sudah disediakan.  Tabel  3  dibawah  adalah  hasil  simulasi  untuk setiap  parameter  agar  dihasilkan  sistem  optimal  yang diupayakan  memiliki energy  loss mendekati  0  kW,  yang artinya semua panas yang diberikan gas buang akan diserap
(a) (b)
Gambar.  4.    Grafik  pengaruh  Perubahan Pinch  Point dan Approach Point terhadap Power Output (a) modul high pressure ; (b) modul low pressure (a) (b)
Gambar. 5.  Grafik pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach Point terhadap Efisiensi (a) modul high pressure ; (b) modul low pressure
(a) (b)
Gambar. 6.  Grafik pengaruh Perubahan Pinch Point dan Approach Point terhadap Heat  Rate (a)  modul high  pressure ;  (b)  modul low pressure
oleh sistem untuk membentuk uap air yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya pada turbin uap.

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  simulasi  pada software  cycle  tempo Pada  pembangkit  yang  memanfaatkan  heat  recovery  steam generator  (HRSG)  tekanan  dua  tingkat  dengan  turbin  uap tekanan tunggal , dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut
1) Variasi perubahan beban turbin gas akan mempengaruhi proses pembangkitan uap pada HRSG yang mengakibatkan  perubahan  performa  pada  pembangkit secara  keseluruhan.  Penurunan  beban  turbin  gas  akan mengakibatkan  menurunnya  nilai total  power .  Namun pada  kasus  ini,  untuk  nilai net  plant  efficiency ,  dan net plant  heat  rate akan  tetap,  dikarenakan  kondisi pembangkit  menggunakan  data  100%  load  sehingga tidak menunjukkan kondisi pada keadaan sebenarnya.
2) Semakin  menurunnya  nilai pinch  point akan  membuat pemindahan  kalor  menjadi  semakin  baik  sehingga berakibat meningkatnya nilai total power , dan net plant efficiency ,  juga  akan  menurunnya  nilai net  plant  heat rate.
3) Semakin  menurunnya  nilai approach  point akan membuat mass  flow  steam menjadi  lebih  tinggi  untuk perpindahan  kalor  yang  tetap,  sehingga  berakibat meningkatnya nilai total power , dan net plant efficiency , juga akan menurunnya nilai net plant heat rate.
4) Hasil  variasi  parameter  pada  modul low  pressure menunjukkan  peningkatan  laju  alir  massa  yang signifikan,  karena  penyesuaian  kesetimbangan  laju  alir massa pada deaerator dengan uap hasil evaporator.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Moran,  J.  &  Howard  N.  Shapiro. Termodinamika  Teknik  Edisi  4 . Jakarta: Erlangga. (2004)
[2] Ganapathy,  V. Heat-Recovery  Steam  Generators:  Understand  the Basics . Texas: ABCO Industries. (1996)
[3] Arfandi, A. Analisis Full Repowering PLTU UNIT 1 PT PJB UP Gresik dengan  Variasi  Pinch  Point  pada  Heat  Recovery  Steam  Generator Menggunakan  Software  Cycle-Tempo. Surabaya:  Institut  Teknologi Sepuluh Nopember. (2016)
[4] A.  Ragland,  W.  S. Combined  Cycle  Heat  Recovery  Optimization . Proceedings of 2000 International Joint Power Generation Conference, 1-6. (2000)
[5] Nugraha,  D. Performansi  Kolektor  Surya  Pemanas  Air  dengan Penambhan  External  Helical  Fins  pada  Pipa  dengan  VAriasi  Sudut Kemiringan Kolektor . Jurnal Teknik Pomits Vol. 4, No. 1 . (2015)
Tabel 3.
Nilai Optimal Pada Parameter HRSG
Nilai Daya (kW) Energy Loss (kW) PP HP 10,316 10902,16 0,01 AP HP 0,005 10897,76 21,61 PP LP 52,763 10902,81 3,71 AP LP 9,6902 10894,25 45,12