BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Prinsip Kerja PLTU Batubara PLTU adalah jenis pembangkit listrik tenaga termal yang banyak digunakan, karena efisiensinya tinggi sehingga menghasilkan energi listrik yang ekonomis. PLTU merupakan mesin konversi energi yang mengubah energi kimia dalam bahan bakar menjadi energi listrik. Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu : 1. energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi. 2. energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. 3. energi mekanik diubah menjadi energi listrik. Gambar 2.1 Proses konversi energi pada PLTU 6

2 7 PLTU menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang. Urutan sirkulasinya secara singkat adalah sebagai berikut : Air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh luas permukaan pemindah panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap. uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran. Gambar 2.2 Siklus fluida kerja sederhana pada PLTU generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan magnet dalam

3 kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik dari terminal output generator 8 Uap bekas keluar turbin masuk ke kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air yang disebut air kondensat. Air kondensat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler. Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang. 2.2 Bagian-Bagian PLTU Batubara Peralatan Utama Bagian utama yang terdapat pada suatu PLTU yaitu : a. Boiler Boiler berfungsi untuk mengubah air (feed water) menjadi uap panas lanjut (superheated steam) yang akan digunakan untuk memutar turbin. b. Turbin uap Turbin uap berfungsi untuk mengkonversi energi panas yang dikandung oleh uap menjadi energi putar (energi mekanik). Poros turbin dikopel dengan poros generator sehingga ketika turbin berputar generator juga ikut berputar. c. Kondensor Kondensor berfungsi untuk mengkondensasikan uap bekas dari turbin (uap yang telah digunakan untuk memutar turbin). d. Generator Generator berfungsi untuk mengubah energi putar dari turbin menjadi energi listrik.

4 Peralatan Penunjang Peralatan penunjang yang terdapat dalam suatu PLTU pada umumnya adalah : a. Desalination Plant Peralatan ini berfungsi untuk mengubah air laut (brine) menjadi air tawar (fresh water) dengan metode penyulingan (kombinasi evaporasi dan kondensasi). Hal ini dikarenakan sifat air laut yang korosif, sehingga jika air laut tersebut dibiarkan langsung masuk ke dalam unit utama, maka dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan PLTU. b. Reverse Osmosis (RO) Mempunyai fungsi yang sama seperti desalination plant namun metode yang digunakan berbeda. Pada peralatan ini digunakan membran semi permeable yang dapat menyaring garam-garam yang terkandung pada air laut, sehingga dapat dihasilkan air tawar seperti pada desalination plant. c. Pre Treatment pre-treatment berfungsi untuk menghilangkan endapan,kotoran dan mineral yang terkandung di dalam air air tanah/air sungai d. Demineralizer Plant Berfungsi untuk menghilangkan kadar mineral (ion) yang terkandung dalam air tawar. Air sebagai fluida kerja PLTU harus bebas dari mineral, karena jika air masih mengandung mineral berarti konduktivitasnya masih tinggi sehingga dapat menyebabkan terjadinya GGL induksi pada saat air tersebut melewati jalur perpipaan di dalam PLTU. Hal ini dapat menimbulkan korosi pada peralatan PLTU.

5 10 e. Hidrogen Plant Pada PLTU digunakan hydrogen (H2) sebagai pendingin Generator. Dimana gas terseut dihasilkan oleh Hidrogen Plant. f. Chlorination Plant Berfungsi untuk menghasilkan senyawa natrium hipoclorit (NaOCl) yang digunakan untuk memabukkan/melemahkan mikro organisme laut pada area water intake. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari terjadinya pengerakkan (scaling) pada pipa-pipa kondensor maupun unit desal akibat perkembangbiakan mikro organisme laut tersebut. g. Auxiliary Boiler (Boiler Bantu) Pada umumnya merupakan boiler berbahan bakar minyak (fuel oil), yang berfungsi untuk menghasilkan uap (steam) yang digunakan pada saat boiler utama start up maupun sebagai uap bantu (auxiliary steam). h. Coal Handling (Unit Pelayanan Batubara) Merupakan unit yang melayani pengolahan batubara yaitu dari proses bongkar muat kapal (ship unloading) di dermaga, penyaluran ke stock area sampai penyaluran ke bunker unit. i. Ash Handling (Unit Pelayanan Abu) Merupakan unit yang melayani pengolahan abu baik itu abu jatuh (bottom ash) maupun abu terbang (fly ash) dari Electrostatic Precipitator hopper dan SDCC (Submerged Drag Chain Conveyor) pada unit utama sampai ke tempat penampungan abu (ash valley). Tiap-tiap komponen utama dan peralatan penunjang dilengkapi dengan sistem-sistem dan alat bantu yang mendukung kerja komponen tersebut.

6 11 Gangguan atau malfunction dari salah satu bagian komponen utama akan dapat menyebabkan terganggunya seluruh sistem PLTU. 2.3 Prinsip Kerja Boiler Boiler atau ketel uap adalah suatu perangkat mesin yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. Proses perubahan air menjadi uap terjadi dengan memanaskan air yang berada didalam pipa-pipa dengan memanfaatkan panas dari hasil pembakaran bahan bakar. Pembakaran dilakukan secara kontinyu didalam ruang bakar dengan mengalirkan bahan bakar dan udara dari luar. Uap yang dihasilkan boiler adalah uap superheat dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap tergantung pada luas permukaan pemindah panas, laju aliran, dan panas pembakaran yang diberikan. Boiler yang konstruksinya terdiri dari pipa-pipa berisi air disebut dengan water tube boiler (boiler pipa air). Gambar 2.3 Water Tube Boiler

7 12 Pada unit pembangkit, boiler juga biasa disebut dengan steam generator (pembangkit uap) mengingat arti kata boiler hanya pendidih, sementara pada kenyataannya dari boiler dihasilkan uap superheat bertekanan tinggi. Ditinjau dari bahan bakar yang digunakan, maka PLTU dapat dibedakan menjadi : -PLTU Batubara -PLTU Minyak -PLTU gas -PLTU nuklir atau PLTN Jenis PLTU batu bara masih dapat dibedakan berdasarkan proses pembakarannya, yaitu PLTU dengan pembakaran batu bara bubuk (Pulverized Coal / PC Boiler) dan PLTU dengan pembakaran batu bara curah (Circulating Fluidized Bed / CFB Boiler). Perbedaan antara PLTU Batu bara dengan PLTU minyak atau gas adalah pada peralatan dan sistem penanganan dan pembakaran bahan bakar serta penanganan limbah abunya. PLTU batubara mempunyai peralatan bantu yang lebih banyak dan lebih kompleks dibanding PLTU minyak atau gas. PLTU gas merupakan PLTU yang paling sederhana peralatan bantunya Sistem Udara dan Gas Di dalam boiler terjadi proses pembentukan uap (steam) dengan cara memanaskan air dengan melakukan pembakaran bahan bakar (batubara) di dalamnya. Karena ada proses pembakaran, maka akan ada banyak proses terjadi diantaranya gas dan udara. Adapun penjelasan dari sistem udara untuk pembakaran dan sistem gas buang hasil pembakaran.

8 13 a. Sistem Udara Udara berfungsi untuk proses pembakaran bahan bakar sehingga disebut udara pembakaran. Udara berasal dari atmosfer dihisap oleh FD fan dan dialirkan ke air heater. Udara panas dari air heater kemudian masuk kedalam wind box dan selanjutnya didistribusikan ke tiap-tiap burner untuk proses pembakaran. Peralatan yang berada dalam siklus udara adalah Forced Draft Fan (FDF), air heater, dan wind box. FD fan berfungsi sebagai pemasok udara pembakaran, dimana udara ini diambil dari atmosfer. Air heater berfungsi untuk memanaskan udara pembakaran dengan memanfaatkan panas dari gas buang (flue gas). Wind box berfungsi untuk mendistribusikan udara pembakaran ke masingmasing burner agar terjadi proses pembakaran yang sempurna. b. Sistem Gas Gas panas hasil pembakaran atau disebut gas buang (flue gas) berfungsi sebagai sumber energi panas. Gas panas dari ruang bakar (furnace) dialirkan ke pipa-pipa Superheater I dan II, pipa-pipa reheater, economiser, dan ke air heater. Dari air heater gas masuk ke alat penangkap abu (Electrostatic Precipitator / EP). Dari EP gas dihisap oleh ID Fan untuk selanjutnya dibuang ke atmosfer melalui cerobong (stack). Peralatan yang termasuk dalam sistem gas buang meliputi Air heater (AH), Electrostatic Precipitator (EP) atau Baghouse Filter, dan Induced Draft Fan (IDF).

9 14 Air Heater, peralatan berfungsi untuk memanaskan udara pembakaran dengan memanfaatkan panas gas buang. Electrostatic Precipitator (EP) atau Baghouse Filter berfungsi untuk menangkap abu dan debu yang terbawa dalam gas sebelum dibuang ke atmosfir. Induced draft fan (IDF) berfungsi untuk menghisap gas dan membuang ke atmosfir melalui cerobong. IDF juga berfungsi mengontrol tekanan ruang bakar agar selalu sedikit vakum Sistem Bahan Bakar Minyak dan Batubara Karena di dalam boiler terjadi proses pembakaran bahan bakar (batubara), maka dari itu terjadi juga proses penyaluran bahan bakar yang diantaranya adalah Batubara dan Minyak. a. Sistem Bahan Bakar Minyak Bahan bakar minyak yang digunakan terdiri dari : - Minyak HSD / High Speed Diesel (solar) Persediaan minyak HSD (High Speed Diesel) ditampung dalam tangki atau bunker. Untuk menyalurkan minyak HSD ke alat penyala (ignitor) digunakan pompa dengan melalui filter, katup penutup cepat, katup pengatur dan flow meter. Untuk kesempurnaan proses pembakaran, maka HSD yang disemprotkan ke ruang bakar diatomisasi (dikabutkan) dengan menggunakan uap atau udara. Pengaturan pembakaran atau panas yang masuk boiler dapat dilakukan dengan mengatur aliran HSD dan dengan menambah atau mengurangi ignitor yang operasi.

10 15 - Minyak MFO / Marine Fuel Oil (residu) Persediaan minyak MFO (Marine Fuel Oil) di PLTU ditampung dalam tangki persediaan (storage tank), sedangkan untuk penggunaan sehari-hari dilayani dengan tangki harian (day tank). Untuk mengalirkan MFO dari day tank ke burner (pembakar) digunakan pompa dengan melalui filter, katup penutup cepat, pemanas (oil heater), katup pengatur dan flow meter. Pemanas berfungsi untuk menurunkan kekentalan MFO agar dapat disemprotkan oleh burner. Sebagaimana pada minyak HSD untuk kesempurnaan reaksi pembakaran, maka pada burner minyak MFO dikabutkan dengan menggunakan uap atau secara mekanik. Pengaturan aliran MFO ke burner dengan menggunakan katup pengatur aliran. Gambar 2.4 Diagram sistem Bahan Bakar Minyak Fungsi minyak HSD pada PLTU batubara maupun PLTU minyak adalah sebagai bahan bakar penyala awal dan pembakaran awal. Sedangkan fungsi minyak MFO pada PLTU minyak adalah sebagai bahan bakar utama.

11 16 b. Sistem Bahan Bakar Batu Bara Bahan bakar batubara pada PLTU batubara adalah sebagai bahan bakar utama. Persediaan batubara ditampung di lapangan terbuka (coal stock area) dan untuk melayani kebutuhan pembakaran di boiler, batubara ditampung pada bunker (silo) di tiap boiler. Gambar 2.5 Belt Feeder. Pemasokan batubara dari bunker ke burner ruang bakar dilakukan melalui coal feeder, mill / pulveriser (PC Boiler), dan coal pipe. Pengaturan dan pencatatan jumlah aliran batubara dilakukan dengan coal feeder.

12 17 Gambar 2.6 Sistem suplai bahan bakar batubara ke burner Mill (pulverizer) berfungsi untuk menggerus batu bara sehingga menjadi serbuk (± 200 mesh). Sedangkan untuk membawa serbuk batu bara ke burner, dihembuskan udara primer ke mill. Udara primer dihasilkan oleh Primary Air Fan (PAF) dan sebelum masuk ke mill dipanaskan terlebih dahulu pada pemanas udara primer (Primary Air Heater) sehingga cukup untuk mengeringkan serbuk batu bara. 2.4 Prinsip Dasar Udara Pembakaran Boiler Pengoperasian Peralatan Udara Pembakaran pada dasarnya adalah menyiapkan udara yang akan digunakan untuk proses pembakaran di dalam Boiler Furnace. Prinsip dasar terjadinya pembakaran adalah Segi Tiga Api, dimana segi tiga api ini terjadi apabila ada tiga komponen (bahan bakar, panas dan udara). Dalam pembahasan ini kita akan membahas penyiapan udara untuk pembakaran yang

13 18 telah dipanaskan, tujuannya untuk mendapatkan proses pembakaran yang cepat dan sempurna. Untuk menggunakan Oksigen murni dalam ketel secara praktis merupakan suatu yang sangat mahal, selain itu juga akan mengakibatkan suhu lokal yang tinggi di dalam ruang bakar ketel sehingga dapat merusak pipa-pipa dan logam pembungkus ketel. Dalam praktek kita menggunakan Oksigen yang paling murah dan cukup banyak tersedia di udara, komposisi Oksigen di udara dalam satuan volume dan berat, proporsinya adalah : Berdasarkan berat : Oksigen = 23,2 % ; Nitrogen = 76,8 % Berdasarkan Volume : Oksigen = 21 % ; Nitrogen = 79 % Gambar 2.7 Sistem Udara Pembakaran

14 19 Di dalam Pengoperasian Peralatan Udara Pembakaran di Unit PLTU Suralaya terdapat dua (2) sistem, yaitu Supply Udara Pembakaran (Secondary Air) dan Supply Udara Pengangkut serbuk batu bara (Primary Air ). Supply udara pembakaran dihasilkan dari Forced Draft Fan (FD Fan), jumlah aliran udara pembakaran berkisar antara 70 s/d 80% yang dilayani oleh dua (2) FD Fan untuk 1 Unit PLTU Suralaya yang masing masing kapasitas beban 50% MCR. Aliran udara yang dihasilkan FD Fan terlebih dahulu mendapatkan pemanasan awal pada Steam Coil Air Heater dan Secondary Air Heater sebelum masuk ke ruang bakar. Untuk Steam Coil Air Heater mendapatkan pemanasan dari Auxiliary Steam sedang Main Air Heater mendapatkan pemanasan dari Gas Buang. Supply udara pengangkut serbuk batu bara dihasilkan oleh Primary Air Fan (PA Fan) yang dilayani oleh dua (2) PA Fan untuk Unit PLTU Suralaya dengan masing-masing kapasitas 50% MCR. Aliran udara yang dihasilkan PA Fan terlebih dahulu mendapatkan pemanasan awal pada Steam Coil Air Heater dan Main Air Heater sebelum masuk ke ruang bakar. Untuk Steam Coil Air Heater mendapatkan pemanasan dari Auxiliary Steam sedang Mill Air Heater mendapatkan pemanasan dari Gas Buang.

15 20 Gambar 2.8 Combustion Control Damper. Combustion Damper berfungsi untuk mengatur jumlah aliran udara bakar yang dibutuhkan pada setiap level burner. Pada setiap level burner memiliki dua buah Combustion Damper. Untuk PLTU Suralaya 1-4 memiliki enam level burner, jadi jumlah Secondary Damper ada sepuluh (10) buah. Gambar 2.9 Level Combustion Control Damper. Aliran udara yang dihasilkan PA Fan terlebih dahulu mendapatkan pemanasan awal pada Steam Coil Air Heater dan Main Air Heater sebelum masuk

16 ke ruang bakar. Untuk Steam Coil Air Heater mendapatkan pemanasan dari Auxiliary Steam sedang Mill Air Heater mendapatkan pemanasan dari Gas Buang Peralatan Utama Udara Pembakaran - Forced Draft Fan FDF berfungsi sebagai supply udara pembakaran yang menuju ruang bakar (boiler furnace) yang mempunyai system pengaturan sisi discharge dengan Variable Inlet Vane (VIV) untuk mempertahankan header pressure. Tekanan kerja header pressure secondary air adalah 140 mmwg (setting normal). - Steam Coil Air Heater Steam coil air heater berfungsi untuk pemanas awal udara pembakaran sebelum masuk ke secondary air heater yang bertujuan untuk menjaga secondary air heater cold end temperature diatas temperature dari point sulfur agar tidak terjadi korosi. Minimum cold end temperature adalah : Average cool : 68 C Worst cool : 68 C - Main Air Heater Secondary air heater berfungsi untuk memanaskan udara pembakaran dengan memanfaatkan gas dari sisa pembakaran ruang bakar. Pengaturan temperature udara keluar SAH dilakukan dengan dua cara : a. Menjaga temperature udara masuk Main Air Heater dengan mengatur temperature udara keluar Main Air Heater b. Mengatur temperature gas bekas pembakaran keluar Main Air Heater dengan mengontrol gas outlet damper (0-100%).

17 22 Power supply utama penggerak SAH adalah dua buah motor listrik arus bolak-balik (AC) dimana bila satu motor operasi yang lain akan standby dan sebuah emergency penggerak dengan menggunakan udara sercice - Combustion Damper Combustion damper berfungsi sebagai pengatur jumlah aliran udara bakar yang dibutuhkan pada setiap level burner. Pada setiap level burner memiliki dua buah wind box damper untuk PLTU Suralaya 1-4 memiliki 5 level burner sehingga jumlah wind box damper ada 10 buah - Air Register Air register berfungsi membuat aliran udara pembakaran menjadi aliran yang berbentuk turbulensi. Aliran turbulensi ini membuat bahan bakar batubara akan berputar secara turbulensi sehingga akan menghasilkan pembakaran yang sempurna di ruang bakar. - Primary Air Fan Primary air fan berfungsi memasok udara pemanas dan pembawa serbuk batubara dari dalam mill ke ruang bakar boiler yang mempunyai system penaturan sisi discharge dengan VIV untuk mempertahankan header pressure. Tekanan kerja header pressure primary air duct adalah 1000 mmwg (setting normal) - Steam Coil Air Heater Steam Coil Air Heater berfungsi untuk pemanas awal udara pembawa serbuk batubara sebelum masuk Mill Air Heater yang bertujuan untuk menjaga Mill Air Heater cold end temperature di atas dew point sulfur agar tidak terjadi korosi

18 23 - Mill Air Heater Mill Air Heater berfungsi untuk memanaskan udara pembawa serbuk batubara dengan memanfaatkan panas dari gas buang di ruang bakar. Pengaturan temperatur udara keluar Mill Air Heater dilakukan dengan dua cara : a. Menjaga temperature udara masuk Mill Air Heater dengan mengatur temperature keluar Steam Coil Air Heater b. Mengatur temperature gas bekas pembakarankeluar Mill Air Heater dengan mengontrol bukaan gas damper outlet (0-100%) Power supply utama penggerak Mill Air Heater adalah satu buah motor listrik AC dengan back up motor udara yang di supply dari udara service - Primary Air Flow Control Damper. Primary Air Flow control damper berfungsi sebagai pengatur jumlah aliran udara yang dibutuhkan dalam mill sebanding dengan jumlah aliran batubara yang masuk Prinsip Dasar Positioner Combustion Control Damper Positioner adalah alat yang berfungsi mengatur pergerakan/perbukaan dari actuator (piston), dimana positioner tersebut memiliki beberapa komponen utama diantaranya : a. Card Controller Card Controller disini sebagai komponen utama yang terdapat di dalam positioner. Dimana card controller berfungsi sebagai otak/pengontrol dari pergerakan actuator (Piston Combustion Damper) dan selalu

19 memposisikannya sesuai perintah yang diberikan dari control room. Berikut ini adalah gambar dari Card Controller Positioner : 24 Gambar 2.10 Card Controller Positioner b. I/P Converter I/P converter juga adalah termasuk komponen utama yang terdapat pada positioner. I/P converter berfungsi mengkonversikan sinyal elektrik 4-20 ma menjadi tekanan udara yang akan masuk ke dalam piston actuator combustion control damper, dengan kata lain I/P converter lah yang mengatur seberapa besar pembukaan dari combustion control damper. Berikut ini adalah gambar dari I/P Converter Positioner:

20 25 Gambar 2.11 I/P Converter Positioner c. Sensor potensio meter Potensio meter disini berfungsi sebagai sensor yang membaca pergerakan/pembukaan dari combustion control damper. Gambar 2.12 Sensor Potensio Meter dimana sinyal keluaran dari potensio meter adalah besaran resistansi (ohm), yang nantinya besaran tersebut akan diberikan kepada card controller sebagai feedback dari pembukaan combustion control damper agar card controller

21 selalu memberikan perintah kepada actuator (piston) yang sesuai dengan perintah dari control room. 26 Gambar 2.13 Combustion Control Damper System Unit 1-4 Combustion damper berfungsi sebagai pengatur jumlah aliran udara bakar yang dibutuhkan pada setiap level burner, dimana pengontrollan tersebut dilakukan oleh positioner yang berfungsi memberikan tekanan udara instrument ke dalam piston (actuator) sehingga mampu mendorong/menggerakkan seal piston yang terhubung satu poros dengan linkage control damper. Pergerakan damper baik membuka ataupun menutup akan sepenuhnya dikontrol oleh positioner, dimana positioner tersebut mendapatkan sinyal perintah (demand) dari control room. Namun karena posisi positioner berada di dekat dinding boiler maka akan terkena radiasi panas. Radiasi panas tersebut yang menjadi salah satu penyebab rusaknya posioner combustion control damper.