II. TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Secara umum, pengertian pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit listrik yang mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Uap merupakan sumber energi sekunder di dalam sistem PLTU, sedangkan bahan bakar yang digunakan untuk memproduksi uap tersebut merupakan sumber energi primer. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap panas/kering. Bahan bakar yang umum digunakan pada PLTU adalah bahan bakar padat dan bahan bakar cair. Yang termasuk ke dalam kategori bahan bakar padat adalah bagas, batubara, lignit, sekam padi, kayu. Sedangkan yang termasuk kedalam kategori bahan bakar cair adalah minyak bakar. Sebuah pembangkit listrik dengan bahan bakar batubara jika dilihat dari bahan baku untuk memproduksinya maka pembangkit listrik tenaga uap bisa dikatakan pembangkit yang berbahan baku air, karena untuk menghasilkan uap dalam jumlah tertentu diperlukan bahan dasar air. Dalam PLTU terdapat proses yang terus menerus berlangsung dan berulang-ulang. Prosesnya antara air menjadi uap kemudian uap kembali menjadi air dan seterusnya. Proses inilah yang disebut siklus uap pada sistem PLTU. Menurut Adhi Hartono (2011), secara umum siklus uap yang digunakan pada PLTU adalah sebagai berikut : Gambar 2. Siklus PLTU (sumber : cara kerja PLTU INDOBANGUN PROJECT html) 1. Pertama-tama air demin berada dalam sebuah tempat bernama hotwell. Air Demin (demineralized) adalah air yang mempunyai konduktivitas (kemampuan untuk menghantarkan listrik) sebesar 0.2 us (mikro siemen). Sebagai perbandingannnya air mineral yang kita minum sehari-hari mempunyai konduktivitas sekitar us. Untuk mendapatkan air demin ini, setiap unit PLTU biasanya dilengkapi dengan desalination plant dan demineralization plant yang berfungsi untuk memproduksi air demin. Dari hotwell, air mengalir menuju condensate pump untuk kemudian dipompakan menuju LP heater (low pressure heater) yang berfungsi untuk menghangatkan air pada tahap pertama. Lokasi hotwell dan condensate pump terletak dilantai paling dasar dari sebuah pembangkit listrik atau biasa disebut dengan ground floor. selanjutnya air akan masuk ke daerator. 2. Di daerator air akan mengalami proses pelepasan ion-ion mineral yang masih tersisa di air dan tidak diperlukan seperti oksigen dan lainnya, bisa pula dikatakan daerator 4

2 memiliki fungsi untuk menghilangkan gelembung yang biasa terdapat dipermukaan air. Agar proses pelepasan ini berlangsung sempurna, suhu air harus memenuhi suhu yang disyaratkan. Oleh karena itu selama perjalanan menuju daerator air mengalami beberapa proses pemanasan oleh peralatan yang disebut dengan LP heater. Letak daerator berada di lantai atas tetapi bukan yang paling atas yaitu sekitar 4 m dari bagian dasar kontruksi boiler. 3. Dari daerator, air turun kembali ke ground floor. Sesampainya di ground floor, air langsung dipompakan oleh boiler feed pump / BFP (Pompa Air Pengisi) menuju boiler. Air yang dipompakan adalah air yang bertekanan tinggi, karena itu syarat agar uap yang dihasilkan juga bertekanan tinggi. Karena itulah kontruksi PLTU membuat daerator berada di lantai atas dan BFP berada di lantai dasar. Karena dengan meluncurnya air dari ketinggian membuat air menjadi bertekanan tinggi. 4. Sebelum masuk ke boiler, air kembali mengalami beberapa proses pemanasan di HP heater (High Pressure Heater). Setelah itu air masuk ke boiler yang letaknya berada di lantai atas. Di dalam boiler inilah terjadi proses memanaskan air untuk menghasilkan uap. Proses ini memerlukan energi panas yang pada umumnya diperoleh dari pembakaran bahan bakar. 5. Bahan bakar PLTU bermacam-macam. Ada yang menggunakan minyak, minyak dan gas atau istilahnya dual firing dan batubara. 6. Udara untuk pembakaran bahan bakar dipasok oleh force draft fan (FD fan). FD Fan mengambil udara luar untuk membantu proses pembakaran di boiler. Dalam perjalanannya menuju ke boiler, udara tersebut dinaikkan suhunya oleh air heater (pemanas udara). 7. Kembali ke siklus air. Setelah terjadi pembakaran, air mulai berubah wujud menjadi uap. Namun uap hasil pembakaran ini belum layak untuk memutar turbin, karena masih berupa uap jenuh atau uap yang masih mengandung kadar air tinggi (uap basah). Kadar air ini berbahaya bagi turbin, karena dengan putaran hingga 3000 rpm, setitik air sanggup untuk membuat sudu-sudu turbin terkikis. 8. Oleh karena itu uap basah dikeringkan kadar air nya sehingga menjadi uap yang benarbenar kering dan dapat digunakan untuk menggerakkan turbin dan kemudian memutar generator yang terhubung satu poros dengan turbin PLTU Batubara Pada PLTU batubara, bahan bakar yang digunakan adalah steam coal yang terdiri dari kelas sub bituminus dan bituminus. Pembakaran batu bara ini akan menghasilkan uap dan gas buang yang panas. Gas buang itu berfungsi juga untuk memanaskan pipa boiler yang berada di atas lapisan mengambang. Gas buang selanjutnya dialiri ke pembersih yang di dalamnya terdapat alat pengendap abu setelah gas itu bersih lalu dibuang ke udara melalui cerobong. Batubara yang dibakar di sub sistem boiler menghasilkan panas yang digunakan untuk mengubah air dalam pipa yang dilewatkan ke boiler tersebut menjadi uap, yang selanjutnya digunakan untuk menggerakkan turbin dan memutar generator. Kinerja pembangkitan listrik pada PLTU sangat ditentukan oleh efisiensi proses pembakaran batubara tersebut, karena selain berpengaruh pada efisiensi pembangkitan, juga mempengaruhi biaya pembangkitan. Klasifikasi kualitas batubara secara umum terbagi 3 yaitu pembagian secara ilmiah dalam hal ini berdasarkan tingkat pembatubaraan dan pembagian berdasarkan tujuan penggunaannya. Berdasarkan urutan pembatubaraan batubara terbagi menjadi batubara muda (brown coal atau lignite), bituminus dan antrasit. Sedangkan berdasarkan tujuan penggunaanya batubara terbagi menjadi batubara uap(steam coal), batubara kokas (coking coal atau metallurgical coal) dan antrasit yang merupakan batubara tertua jika dilihat dari sudut pandang geologi yang merupakan batubara keras, tersusun dari komponen utama karbon dengan sedikit kandungan bahan yang mudah menguap dan kandungan air dengan kadar fixed carbon rendah. ( 5

3 Terdapat 2 metode untuk menganalisi batubara yaitu analisis ultimate dan analisis proximate. Analisis ultimate menganalisis seluruh komponen batubara, termasuk komponen padat dan gas, sedangkan analisis proximate hanya menganalisis fixed carbon, bahan yang mudah menguap, kadar air dan persen abu. Steam coal yang termasuk dalam kelompok batubara bituminus merupakan batubara yang skala penggunaannnya paling luas. Berdasarkan metodenya pemanfaatan batubara uap terdiri dari pemanfaatan secara langsung yaitu batubara yang telah memenuhi spesifikasi tertentu langsung digunakan setelah melalui proses peremukan (crushing/milling) terlebih dahulu seperti pada PLTU batubara, kemudian pemanfaatan dengan memproses terlebih dahulu untuk memudahkan penanganan (handling) seperti CWM (Coal Water Slurry), COM (Coal Oil Mixture), dan CCS (Coal Cartridge System), dan selanjutnya permintaan melalui prosses konversi seperti gasifikasi dan pencairan batubara. Gas yang dihasilkan proses gasifikasi batubara, dapat pula dipakai sebagai bahan bakar untuk sebuah pembangkit listrik tenaga uap. Umumnya hal ini dapat dipertimbangkan untuk gas yang mempunyai nilaikalori yang terendah. Gas yang dengan kalori yang tinggi dapat dipakaidengan lebih baik untuk keperluan industri lainnya. (Abdul Kadir, 1995). Di industri, batubara di handling secara manual maupun dengan conveyor. Pada saat handling diusahakan supaya sesedikit mungkin batubara yang hancur membentuk partikel kecil dan sesedikit mungkin partikel keci yang tercecer. Persiapan batubara sebelum pengumpanan ke boiler merupakan tahap penting untuk mendapatkan pembakaran yang baik. Bongkahan batubara yang besar dan tidak beraturan dapat menyebabkan permasalahan yaitu kondisi pembakaran yang buruk dan suhu tungku yang tidak mencukupi, udara berlebih yang terlalu banyakmengakibatkan kerugian cerobong yang tinggi, dan rendahnya efisiensi pembakaran. Keunggulan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dengan bahan bakar batubara adalah harga bahan bakarnya lebih murah dibandingkan dengan minyak dan cadangannya tersedia dalam jumlah besar serta tersebar di seluruh Indonesia. Gambar 3. Sistem PLTU batubara (sumber : coal fired power station course, Sewatama 2011) 6

4 Siklus uap pada sistem PLTU dengan bahan bakar batubara dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 4. Sistem PLTU dan komponen-komponen PLTU batubara (sumber : (Senin, 2 April 2012) 7

5 2.3 Bagian Bagian Utama PLTU Batubra Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) terdiri dari beberapa sistem utama yaitu boiler yang dilengkapi dengan tungku pembakaran, turbin dan generator. Selain dari sistem utama PLTU juga dilengkapi dengan beberapa sistem pendukung atau penunjang yaitu water treatment, feedwater tank, daerator, air preheater,secondary fan, primary fan, induced draft fan, economizer, super heater, desuperheater, kondensor, cooling tower, electro static precipitator dan chimney Tungku Sebelum batubara dibakar, batubara dihaluskan hingga menjadi serbuk. Serbuk batubara tersebut kemudian dicampur dengan udara panas. Campuran batubara dan udara menghasilkan pembakaran sempurna dan panas yang maksimal. Besarnya efisiensi termal tergantung beban, makin tinggi beban maka makin besar efisiensinya. Efisiensi termal unit ( adalah persentase keluaran energi terhadap masukan kalor. (Saadat, 1991) Sistem pembakaran batubara bersih Adapun prinsip kerja PLTU itu adalah batubara yang akan digunakan / dipakai dibakar di dalam boiler secara bertingkat. Hal ini dimaksudkan untuk memperoleh laju pembakaran yang rendah dan tanpa mengurangi suhu yang diperlukan sehingga diperoleh pembentukan NOx yang rendah. Batu bara sebelum dibakar digiling hingga menyerupai butir-butir beras, kemudian dimasukkan ke wadah (boiler) dengan cara disemprot, di mana dasar wadah itu berbentuk rangka panggangan yang berlubang. Pembakaran bisa terjadi dengan bantuan udara dari dasar yang ditiupkan ke atas dan kecepatan tiup udara diatur sedemikian rupa, akibatnya butir bata bara agak terangkat sedikit tanpa terbawa sehingga terbentuklah lapisan butir-butir batu bara yang mengambang. Selain mengambang butir batu bara itu juga bergerak berarti hal ini menandakan terjadinya sirkulasi udara yang akan memberikan efek yang baik sehingga butir itu habis terbakar. Karena butir batu bara relatif mempunyai ukuran yang sama dan dengan jarak yang berdekatan akibatnya lapisan mengambang itu menjadi penghantar panas yang baik. Karena proses pembakaran suhunya rendah sehingga NOx yang dihasilkan kadarnya menjadi rendah, dengan demikian sistim pembakaran ini bisa mengurangi polutan. Bila ke dalam tungku boiler dimasukkan kapur (Ca) dan dari dasar tungku yang bersuhu ¼C dimasukkan udara akibatnya terbentuk lapisan mengambang yang membakar. Pada lapisan itu terjadi reaksi kimia yang menyebabkan sulfur terikat dengan kapur sehingga dihasilkan CaSO4 yang berupa debu sehingga mudah jatuh bersama abu sisa pembakaran. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya pengurangan emisi sampai 98 persen dan abu CaSO4-nya bisa dimanfaatkan. Keuntungan sistim pembakaran ini adalah bisa menggunakan batu bara bermutu rendah dengan kadar belerang yang tinggi dan batu bara seperti ini banyak terdapat di Indonesia. Pada dasarnya metode pembakaran pada PLTU terbagi 2, yaitu pembakaran lapisan tetap (fixed bed combustion) dan pembakaran batubara serbuk (pulverized coal combustion /PCC). Gambar 3 di bawah ini menampilkan jenis jenis boiler yang digunakan untuk masing masing metode pembakaran. 8

6 Gambar 5. Tipikal tungku berdasarkan metode pembakaran (Sumber: Idemitsu Kosan, 1999) Pembakaran Lapisan Tetap Metode lapisan tetap menggunakan stoker boiler untuk proses pembakarannya. Sebagai bahan bakarnya adalah batubara dengan kadar abu yang tidak terlalu rendah dan berukuran maksimum sekitar 30mm. Selain itu, karena adanya pembatasan sebaran ukuran butiran batubara yang digunakan, maka perlu dilakukan pengurangan jumlah fine coal yang ikut tercampur ke dalam batubara tersebut. Alasan tidak digunakannya batubara dengan kadar abu yang terlalu rendah adalah karena pada metode pembakaran ini, batubara dibakar di atas lapisan abu tebal yang terbentuk di atas kisi api (traveling fire grate) pada stoker boiler. Bila kadar abunya sangat sedikit, lapisan abu tidak akan terbentuk di atas kisi tersebut sehingga pembakaran akan langsung terjadi pada kisi, yang dapat menyebabkan kerusakan yang parah pada bagian tersebut. Oleh karena itu, kadar abu batubara yang disukai untuk tipe boiler ini adalah sekitar 10 15%. Adapun tebal minimum lapisan abu yang diperlukan untuk pembakaran adalah 5cm. Jadi, abu tersebut berfungsi sebagai lapisan (bed) agar pembakaran tidak merusak kisi (bagian dalam tungku). Pembakaran Batubara Serbuk (Pulverized Coal Combustion/PCC) Saat ini, kebanyakan PLTU terutama yang berkapasitas besar masih menggunakan metode PCC pada pembakaran bahan bakarnya. Hal ini karena sistem PCC merupakan teknologi yang sudah terbukti dan memiliki tingkat kehandalan yang tinggi. Upaya perbaikan kinerja PLTU ini terutama dilakukan dengan meningkatkan suhu dan tekanan dari uap yang dihasilkan selama proses pembakaran. Perkembangannya dimulai dari sub critical steam, kemudian super critical steam, serta ultra super critical steam (USC). Sebagai contoh PLTU yang menggunakan teknologi USC adalah pembangkit no. 1 dan 2 milik J-Power di teluk Tachibana, Jepang, yang boilernya masing masing berkapasitas 1050 MW buatan Babcock Hitachi. Tekanan uap yang dihasilkan adalah sebesar 25 MPa ( kgf/cm 2 ) dan suhunya mencapai C/610 0 C (1 stage reheat cycle) Boiler Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian 9

7 digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dengan baik. Air yang telah dimurnikan dipompa melalui pipa ke dalam boiler, kemudian diubah menjadi uap oleh panas yang dihasilkan dari pembakaran batubara. Pada temperatur hingga 1000 derajat fahrenheit dan dibawah tekanan sampai dengan 3500 pon per inci persegi, uap disalurkan ke turbin. Sisitem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam,dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem perpipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan.peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke boiler untuk diubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah : 1. Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan 2. Air make up (air baku yang sudah diolah) yang sudah diumpankan dari luar ruang boiler dan plant process. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang. Tipe-tipe boiler Boiler terdiri dari bermacam-macam tipe yaitu : 1. Fire Tube Boiler Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada di dalam shell untuk diubah menjadi steam. fire tube boiler biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Fire tube boiler kompetitif untuk kecepatan steam sampai Kg/jam dengan tekanan sampai 18 Kg/cm 2. Fire tube boiler dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas tau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boiler dikontruksi sebagai paket boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar. Gambar 6. Fire tube boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006) 10

8 2. Water Tube Boiler Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk ke dalam drum. Air yang tersikulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara Kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boiler yang dikontruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak dan gas. Untuk water tube boiler yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Gambar 7. Water tube boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006) 3. Paket Boiler Disebut boiler paket karena sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirimkan ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi. 11

9 Gambar 8. Paket boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006) 4. Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed Combustion (FBC) Pembakaran dengan fluidized bed Combustion (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan melebihi kelebihan yang cukup berarti dibanding sistem pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan antara lain rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, sekam padi, bagas dan limbah pertanian. Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas yang luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam. 5. Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah Atsmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler konvensional biasa yang ditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistem seperti ini telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/boiler pipa air konvensional. 6. Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler Pada tipe Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler, sebuah kompresor memasok udara Forced Draft (FD), dan pembakaranya merupakan tangki bertekanan. Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas. 7. Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC) Dalam sistem sirkulasi, parameter bed dijaga untuk membentuk padatan melayang dari bed. Padatan diangkat pada fase yang relatif terlarut dalam pengangkatan padatan dan sebuah down-comer dalam sebuah siklon merupakan aliran sirkulasi padatan. Tidak terdapat pipa pembangkit steam yang terletak di dalam bed. Pembangkitan dan pemanasan berlebih steam berlangsung di bagian konveksi dan dinding air. 12

10 Gambar 9. Circulating fluidized bed boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006) 8. Stoker Fired Boilers Stokers di klasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis grate nya. Klasifikasi utamanya adalah spreader stoker dan chain gate atau traveling-gate stoker. Gambar 10. Stoker fired boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006) 9. Pulverized Fuel Boiler Sistem ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi. Salah satu sistem yang paling populer untuk pembakaran batubara halus adalah pembakaran tangensial dengan menggunakan empat buah burner dari keempat sudut untuk menciptakan bola api pada pusat tungku. 13

11 Gambar 11. Pulverized fuel boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006) 10. Boiler Limbah Panas Dimanapun tersedia limbah panas pada suhu sedang atau tinggi, boiler limbah panas dapat dipasang secara ekonomis. Jika kebutuhan steam lebih dari steam yang dihasilkan menggunakan gas buang panas, dapat digunakan burner tambahan yang menggunakan bahan bakar. Jika steam tidak langsung dapat digunakan, steam dapat dipakai untuk memproduksi daya listrik menggunakan generator turbin uap. Hal ini banyak digunakan dalam pemanfaatan kembali panas dari gas buang dari turbin gas dan mesin diesel. Gambar 12. Boiler limbah panas (sumber : United Nations Environment Programme, 2006) Evaluasi kinerja boiler Parameter kinerja boiler, seperti jumlah steam yang dihasilkan, jumlah bahan bakar yang dibutuhkan, jumlah udara yang diperlukan dan entalpi steam yang dihasilkan. Meskipun untuk boiler yang baru, alasan seperti buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat membantu dalam mengindetifikasi kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dan efisiensi terbaik dan terget area 14

12 permasalahan untuk tindakan perbaikan. Pengujian boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dan efisiensi terbaik. Di dalam pengujian boiler, hal yang harus diperhatikan yaitu : Neraca panas Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukkan jumlah energi yang terkandung dalam aliran masing-masing. Gambar 13. Diagram neraca energi boiler (sumber : pedoman efisiensi energi untuk industri di Asia, Metode langsung dan tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler 1. Metode langsung dengan menghitung input (bahan bakar) dan output (steam) Dikenal juga sebagai metode input-output karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output steam dan panas masuk / input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus : Efisiensi Boiler (n) = panas masuk/panas keluar x 100 Efisiensi boiler (n) = (Qx(hg-hf)) : (qx GCV) x100 Parameter yang digunakan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metoda langsung adalah : Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam Kg/jam Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam Kg/jam Tekanan kerja (dalam Kg/cm 2 (g)) dan suhu panas ( o C), jika ada. Suhu air umpan ( o C) Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam Kkal/Kg bahan bakar. Dimana : hg-entalpi steam jenuh dalam Kkal/Kg steam hf-entalpi air umpan dalam Kkal/Kg air Keuntungan metoda langsung : 15

13 Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark 2. Metode tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler Standar acuan untuk uji boiler di tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units. Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut : Efisiensi boiler (%) (n)=100-(i+ii+iii+iv+v+vi+vii) Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh : i. Gas cerobong yang kering ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/fly ash vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan. Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah : 1. Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, s, c, kadar air, kadar abu) 2. Persentase oksigen dan CO2 dalam gas buang 3. Suhu gas buang dalam 0 C (Tf) 4. Suhu ambien dalam 0 C (Ta) dan kelembaban udara dalam Kg/Kg udara kering 5. GCV bahan bakar dalam Kkal/Kg 6. Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat) 7. GCV abu dalam Kkal/Kg (untuk bahan bakar padat) Tahap 1. Menghitung kebutuhan udara teoritis =[(11,43 x C)+{34,5 x (H2-02/8)}+(4,32 x S)]/100 Kg/Kg bahan bakar Tahap.2 Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA) =persen O2 x 100/(21-persen O2) Tahap 3. Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok / Kg bahan bakar (AAS) ={1 + EA/100} x udara teoritis Tahap 4. Menghitung seluruh kehilangan panas i. Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oleh gas buang yang kering = (m x Cp x (Tf-Ta) x 100) / (GCV bahan bakar ) 16

14 Dimana : m = massa gas buang kering dalam Kg/Kg bahan bakar M = (massa hasil pembakaran kering / Kg bahan bakar) + (massa N2 dalam massa udara pasokan yang sebenarnya). Cp = Panas jenis gas buang (0.23 Kkal/Kg) GCV = Gross Calorific Value (nilai kalor bahan bakar) (Kkal/kg) ii. Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar =[9 x H2 {584+Cp(Tf-Ta)} x 100] / GCV bahan bakar Dimana : H2 = Persen H2 dalam 1 Kg bahan bakar Cp = panas jenis superheated steam (0,45 Kkal/Kg) iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar =[M {584 + Cp (Tf-Ta)} x 100] / GCV bahan bakar Dimana : M = persen kadar air dalam 1 Kg bahan bakar Cp = panas jenis steam lewat jenuh / superheated steam (0.45 Kkal/Kg) iv. Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara = [AAS x faktor kelembaban x Cp (Tf-Ta) x 100] / GCV bahan bakar Dimana : Cp = panas jenis steam lewat jenuh / superheated steam (0.45 Kkal/Kg) v. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang / fly ash = [Total abu terkumpul / Kg bahan bakar yang terbakar x GCV abu terbang x 100] / GCV bahan bakar vi. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah / bottom ash = [Total abu terkumpul per Kg bahan bakar terbakar x GCV abu bawah x 100] / GCV bahan bakar vii. Persen kehilangan panas karena radiasi Tahap 5. Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (%) (n) = 100 (i + ii + iii + iv + v + vi + vii) Rasio penguapan = panas yang digunakan untuk pembangkitan steam / panas yang ditambahkan ke steam. 17

15 Rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kg bahan bakar yang digunakan. Contohnya adalah boiler berbahan bakar batubara 6 (yaitu 1 Kg batubara dapat menghasilkan 6 Kg steam). Walau demikian, rasio penguapan akan tergantung pada jenis boiler, nilai kalor berbahan bakar dan efisiensi Turbin Turbin adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda/poros turbin. Pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi, melainkan gerakan rotasi. Bagian turbin yang berputar biasa disebut dengan istilah rotor/roda/poros turbin, sedangkan bagian turbin yang tidak berputar dinamai dengan istilah stator. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang digerakkannya atau memutar bebannya yaitu generator. Di dalam turbin, fluida kerja mengalami ekspansi yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinu. Penamaan turbin didasarkan pada jenis fluida yang mengalir di dalamnya, apabila fluida kerjanya berupa uap maka turbin tersebut disebut dengan turbin uap. Bagian bagian utama sebuah turbin uap adalah : 1. Cassing Adalah sebagai penutup bagian-bagian utama turbin. Gambar 14. Turbine cassing (sumber : 2. Rotor Adalah bagian turbin yang berputar yang terdiri dari poros, sudu turbin atau deretan sudu. Untuk turbin bertekanan tinggi atau ukuran besar, khususnya unuk turbin jenis reaksi maka motor ini perlu di balance untuk mengimbagi gaya reaksi yang timbul secara aksial terhadap poros. 18

16 Gambar 15. Rotor turbin (sumber : 3. Bearing pendestal Adalah merupakan dudukan dari poros rotor. 4. Journal bearing Adalah bagian turbin yang berfungsi untuk menahan gaya radial atau gaya tegak lurus Rotor. 5. Thurst bearing adalah bagian turbin yang berfungsi untuk menahan atau untuk menerima gaya aksial atau gaya sejajar terhadap poros yang merupakan gerakan maju mundurnya poros rotor. Gambar 16. Bearing turbin (sumber : 6. Main oil pump Berfungsi untuk memompakan oli dari tangki untukdisalurkan pada bagian bagian yang berputar pada turbin. Dimana fungsi dari lube oil adalah : Sebagai Pelumas pada bagian bagian yang berputar. Sebagai Pendingin ( oil cooler ) yang telah panas dan masuk ke bagian turbin dan akan menekan / terdorong keluar secara sirkuler Sebagai Pelapis ( oil film ) pada bagian turbin yang bergerak secara rotasi. Sebagai Pembersih ( oil cleaner ) dimana oli yang telah kotor sebagai akibat dari benda-benda yang berputar dari turbin akan terdorong ke luar secara sirkuler oleh oli yang masuk. 19

17 7. Gland packing Sebagai penyekat untuk menahan kebocoran baik kebocoran uap maupun kebocoran oli. Gambar 17. Gland packing turbin (sumber : 8. Labirinth ring Mempunyai fungsi yang sama dengan gland packing. 9. Impuls stage Gambar 18. Ring turbin (sumber : Adalah sudu turbin tingkat pertama yang mempunyai sudu sebanyak 116 buah. Gambar 19. Impuls (sumber : 20

18 3. Stasionary blade Adalah sudu-sudu yang berfingsi untuk menerima dan mengarahkan steam yang masuk. Gambar 20. Stationary blade (sumber : 4. Moving blade Adalah sejumlah sudu-sudu yang berfungsi menerima dan merubah energi steam menjadi energi kinetik yang akan memutar generator. 5. Control valve Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk mengatur steam yang masuk kedalam turbin sesuai dengan jumlah Steam yang diperlukan. 6. Stop valve Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk menyalurkan atau menghentikan aliran steam yang menuju turbin. 7. Reducing gear Adalah suatu bagian dari turbin yang biasanya dipasang pada turbin-turbin dengan kapasitas besar dan berfungsi untuk menurunkan putaran poros rotor. Gambar 22. Reducing gear (sumber : Uap yang dialirkan ke turbin akan menyebabkan turbin bergerak, tetapi karena poros turbin digandeng/dikopel dengan poros generator akibatnya gerakan turbin itu akan menyebabkan pula gerakan generator sehingga dihasilkan energi listrik. Uap itu kemudian 21

19 dialirikan ke kondensor sehingga berubah menjadi air dan dengan bantuan pompa air itu dialirkan ke boiler sebagai air pengisi. Tekanan besar dari uap mendorong blade memutar poros turbin. Poros turbin dihubungkan ke poros generator, dimana magnet berputar dalam kumparan kawat untuk menghasilkan listrik. Turbin uap adalah peralatan yang mengubah energi kinetis yang disimpan di dalam fuida (energi potensial) menjadi energi mekanis rotasional (menghasilkan putaran). Turbin uap memiliki 3 bagian utama yaitu : 1. Nozel dan sudu-sudu diam yang bertindak sebagai nozel, bagian dari turbin uap yang mengkonversi energi potensial dari uap jenuh menjadi energi kinetis dengan jalan mengekspansikan (menyemprotkan) uap tersebut ke sudu bergerak dari turbin sehingga terjadi penurunan tekanan uap. 2. Sudu-sudu gerak, bagian dari turbin uap yang mengkonversi energi kinetis semprotan uap menjadi energi mekanis pada perputaran rotor turbin akibat perputaran sudu-sudu geraknya. 3. Rotor turbin, bagian dari turbin uap yang menyalurkan energi mekanis dari sudu-sudu bergerak kepada bagian berputar dari generator listrik sehingga dapat menghasilkan listrik. Menghitung efisiensi turbin uap Gambar 23. Neraca entalpi turbin uap (sumber : Efisiensi total = x 100% Dimana : Output turbin = energi panas yang efektif digunakan turbin (BTU/jam) Input turbin = energi panas yang dibutuhkan turbin (BTU/jam) 22

20 Gambar 24. Mollier diagram for water steam (sumber : Jenis-jenis turbin uap Berdasarkan tekanan uap yang digunakan untuk menggerakkan sudu-sudu turbin, maka turbin uap dikelompokkan menjadi 2 bagian yaitu : 1. Turbin impuls (aksi) Turbin impuls disebut juga turbin aksi atau turbin tekanan tetap, dimana uap mengalami ekspansi hanya pada nosel saja, sehingga tekanan uap sebelum dan sesudah sudu adalah tetap. Jika uap keluar dari ketel bertekanan tinggi diekspansikan sampai ke tekanan kondensor dengan satu nosel saja, kecepatan uap menjadi sangat tinggi. Pada umumnya kecepatan sudu sebanding dengan kecepatan uap masuk. Uap dengan kecepatan tinggi jika menumbuk suatu cincin sudu jalan tunggal dapat menghasilkan putaran rotor kurang lebih rpm. Hal ini secara praktis tidak dapat diterapkan. Hal yang dapat dilakukan untuk mengurangi putaran rotor yang tinggi, turbin dilengkapi dengan sejumlah kumpulan nosel yang membentuk suatu cincin yang diikuti dengan sejumlah cincin sudu jalan. Uap keluar dari nosel dengan kecepatan sembur yang tinggi, demikian pula tekanan uap keluar nosel akan diserap oleh tingkat-tingkat yang ada di dalam turbin. (S. K. Kulshrestha, 1989) 2. Turbin reaksi Turbin reaksi atau turbin tekanan berubah adalah proses ekspansi (penurunan tekanan) terjadi di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak, sehingga tekanan uap sesudah keluar dari tiap tingkat sudu lebih rendah dari sebelumnya. Turbin reaksi juga dinamakan turbin 23

21 Parsons sesuai dengan nama pembuatnya yang pertama yaitu Sir Charles Parsons. (Wiranto Arismunandar, 2004) Pada turbin reaksi jatuh tekanan uap yang melalui sudu tetap dan sudu jalan terjadi secara perlahan-lahan. Kecepatan sudu relatif rendah karena ekspansi uap terjadi pada laju kecepatan yang rendah. Selain itu pada saat yang sama, kecepatan yang rendah yang dihasilkan akan diserap oleh cincin sudu jalan. (S. K. Kulshrestha, 1989) Gambar 25. Blade turbin (sumber : Gambar 26. Bagan turbin impuls dan turbin reaksi (sumber : Berdasarkan tekanan uap keluar turbin, turbin uap dapat dibedakan menjadi : 1. Turbin Kondensasi (Condensing Turbine) Turbin kondensasi adalah turbin yang saluran keluarnya dihubungkan dengan kondensor, sehingga tekanan uap pada saluran keluar mendekati vakum. 2. Turbin Tekanan Lawan (Back Pressure Turbine) Turbin tekanan lawan adalah jenis turbin yang memiliki tekanan uap keluar masih diatas 1 atsmosfer, sehingga uap bekas masih bisa digunakan untuk maksud-maksud lain, misalnya untuk perebusan dan pemanasan. 24

22 Gambar 27. Diagram turbin kondensasi Gambar 28. Turbin tekanan lawan (sumber : Generator Generator berfungsi untuk mengkonversikan energi mekanik (putaran poros) dari turbin menjadi energi listrik dengan membuat poros generator dengan poros turbin berada dalam satu poros dengan cara dikopel. Generator arus bolak-balik pada prinsipnya terdiri atas 2 (dua) bagian utama, yaitu : a. Rotor adalah bagian dari generator yang berputar. Pada rotor terdapat kumparan konduktor sebagai pembangkit medan magnet utama. Medan magnet ini timbul karena adanya arus yang mengalir pada kumparan rotor. Jika rotor berputar, maka medan magnet akan memotong kumparan jangkar dalam stator, sehingga timbul gaya gerak listrik (GGL), yang kemudian disalurkan ke terminal generator. b. Stator adalah bagian generator yang tidak bergerak (statis). Pada stator terdapat peralatan peralatan sebagai berikut : i. Kumparan stator 25

23 ii. Rumah generator, berfungsi untuk melindungi komponen yang ada di dalamnya, juga berfungsi sebagai tempat melekatnya inti dan belitan konduktor serta terminal daripada generator itu sendiri. Generator biasanya berukuran besar dengan jumlah lebih dari satu unit dan dioperasikan secara berlainan. Sedangkan generator ukuran menengah didisain berdasarkan asumsi bahwa selama masa manfaatnya akan terjadi kali start-stop. Berarti selama setahun dilakukan 250 x start-stop maka umur pembangkit bisa mencapai 40 tahun. Startstop adalah kondisi ketika generator berhenti beroperasi karena adanya perawatan berkala, maupun karena situasi yang tidak terduga. Bila kecepatannya putaran rotor meningkat maka daya yang dihasilkan generator akan meningkat pula, oleh karena itu putaran generator hasrus disesuaikan dengan output daya yang dibutuhkan. Effisiensi generator dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : (sumber : modul praktikum motor bakar, 2010) = ( output generator / input generator ) x 100 % Dimana : Input generator (MW) Output generator (MW) = N m * rad/s = daya listrik yang dihasilkan Catatan : 1 KKal = 1.16 x 10-3 KWh Condenser atau kondensator Setelah bekerja untuk menggerakkan turbin, uap tersebut ditarik ke dalam kondensor, sebuah ruang besar di basement pembangkit listrik. Kondensor adalah bagian penting dari sebuah unit uap-listrik batubara. Perangkat ini mengembunkan uap yang telah meninggalkan turbin kembali menjadi air sehingga dapat digunakan berulang-ulang di pabrik. Uap yang sudah dipakai kemudian didinginkan dalam kondensor sehingga dihasilkan air yang dialirkan ke dalam boiler. Pada waktu PLTU batubara beroperasi suhu pada kondensor naiknya begitu cepat, sehingga mengakibatkan kondensor menjadi panas. Sedang untuk mendinginkan kondensor bisa digunakan air, tapi harus dalam jumlah besar, hal inilah yang menyebabkan PLTU dibangun dekat dengan sumber air yang banyak seperti di tepi sungai atau tepi pantai. Proses pendinginan sangat penting dan memerlukan sejumlah air dalam jumlah yang besar, dengan demikian, PLTU biasanya pasti terletak di dekat danau, sungai, muara atau laut. Untuk mendinginkan uap digunakan condenser cooling water atau condenser berpendingin air. Jutaan galon air dingin dipompa melalui tabung yang berjalan melalui kondensor. Air dalam tabung mendinginkan uap dan mengubahnya kembali ke air. Setelah uap terkondensasi menjadi air, maka air tersebut akan dipompa ke boiler lagi untuk mengulangi siklus. 26