IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Transkripsi

1 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Energi Alamraya Semesta adalah PLTU yang menggunakan batubara sebagai bahan bakar. Batubara yang digunakan adalah batubara jenis bituminus dengan kalori 3575 cal/g dengan kadar air 43.15%. Siklus dasar yang digunakan pada PLTU adalah siklus Rankine, dengan komponen utama boiler, turbin uap dan generator. Pada siklus Rankine dapat dilihat terjadi proses pemanasan air pada garis saturated yaitu titik 1-2. Lalu air dipanaskan hingga menjadi uap jenuh dan terus dipanaskan hingga menjadi uap kering 2-3. Setelah menjadi uap kering, uap akan masuk ke turbin dan terjadi penurunan temperatur pada entropi yang sama (3-4). Lalu uap akan didinginkan, pada proses ini terjadi pelepasan energi ke lingkungan (4-1). Gambar 29. Siklus Rankine pada PLTU Energi Alamraya Semesta Air yang berasal dari air sungai diproses dalam demineralisasi plant yang berfungsi mengurangi kadar ion hingga mencapai kadar ion dengan konduktivitas 0.2 μv/cm. Air ini ditampung dalam demin plant dan sebuah stand by yaitu reserved feed water tank dimana sewaktu-waktu air siap disirkulasi ke sistem. Air ini masuk ke kondensor bercampur dengan uap jenuh yang telah di spray dan telah menjadi air kondensat pada suhu 40 0 C kemudian air dilewatkan dalam daerator, dimana air diberikan uap panas agar gas oksigen terpisah dan dapat terbuang. Daerator juga memanaskan air hingga 80 0 C. Kemudian air dipompa oleh boiler feed pump ke economizer. Pada economizer terjadi pemanasan tiga tingkat yaitu tingkatan pertama air mengalami kenaikan suhu sampai C kemudian C dan C. Pemanasan air di economizer memanfaatkan gas hasil pembakaran yang bertemperatur tinggi. Lalu air dimasukkan ke dalam steam drum. Pada beban 10 MW, turbin membutuhkan uap dengan flow 57 ton/jam. Karena uap yang terbentuk masih berupa uap jenuh maka uap dipanaskan lagi ke superheater agar menjadi uap kering dengan suhu C dan tekanan 53.7 bar yang siap digunakan untuk memutar turbin. Uap kering diekspansikan ke high pressure turbine, untuk mengatur putaran pada HP turbine, terdapat valve yaitu governor yang mengatur pendistribusian uap. kecepatan putar turbin adalah 3000 rpm, jika beban naik maka jumlah steam yang dibutuhkan oleh turbin juga akan meningkat untuk menjaga putaran. Setelah memutar turbin HP, uap diekspansikan lagi di intermediate pressure turbine dan kemudian langsung masuk ke low pressure turbine tanpa adanya pemanasan ulang (reheat). Pada sistem turbin PLTU Energi Alamraya Semesta terdapat 2 sistem ekstraksi yaitu ekstraksi 1 yang terjadi setelah uap memutar turbin HP dan ektraksi 2 yang terjadi setelah uap memutar turbin IP. 33

2 Ektraksi 1 seharusnya dimanfaatkan untuk industri, namun karena tidak terdapat industri di PT. Energi Alamraya Semesta maka ekstraksi 1 ditutup, yang dipergunakan hanya ekstraksi 2 saja yang digunakan sebagai pemanas air preheater dengan menggunakan 7.5 ton/jam steam dan pemanas daerator dengan menggunakan 26 ton/jam steam. Sedangkan setelah memutar turbin LP uap langsung masuk ke kondensor dan terkondensasi menjadi air. Uap yang terkondensasikan menjadi air adalah ton/jam steam. Gambar 30. Dearator di PLTU PT. Energi Alamraya Semesta Gambar 31. PLTU Energi Alamraya Semesta 34

3 Gambar 32. Sistem boiler di PLTU Energi Alamraya Semesta Gambar 33. Sistem turbin pada PLTU Energi Alamraya Semesta HP turbine, IP Turbine dan LP Turbine dikopel pada satu poros untuk memutar generator yang menghasilkan listrik. Berdasarkan spesifikasi, daya yang dihasilkan oleh PLTU Energi Alamraya 35

4 Semesta adalah 15 MW, tetapi dikarenakan alasan umur ekonomis mesin, daya maksimal yang dibangkitkan hanya 11 MW. Komponen utama pada PLTU Energi Alamraya Semesta adalah boiler dengan ruang bakar tipe travelling grate, turbin uap, dan generator. 4.1 Tungku pembakaran dan boiler Boiler merupakan peralatan utama yang diperlukan dalam proses konversi energi panas pembakaran bahan bakar menjadi energi kinetis uap. Pada PLTU Energi alamraya Semesta tipe boiler yang digunakan adalah Water pipe boiler wth traveling grate dengan tipe tungku pembakaran adalah spreaderstoker yang mempunyai tekanan maksimum steam yang dihasilkan 60 bar dan temperature maksimum steam C. Batubara diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate bergerak sepanjang tungku, batubara terbakar sebelum jatuh pada ujung sebagai abu. Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama dalam menyetel rate dan damper udara untuk menjamin pembakaran yang bersih serta menghasilkan seminimal mungkin jumlah karbon yang tidak terbakar dalam abu. Hopper umpan batubara memanjang di sepanjang seluruh ujung umpan batubara pada tungku. Sebuah grate batubara digunakan untuk mengendalikan kecapatan batubara yang diumpankan ke tungku dengan mengendalikan ketebalan bed bahan bakar. Ukuran batubara harus seragam sebab bongkahan yang besar tidak akan terbakar sempurna pada waktu mencapai ujung grate. Boiler terdiri dari kumpulan pipa-pipa yang berjejer secara vertikal membentuk dinding yang berfungsi sebagai tempat penguapan air. Pipa-pipa ini dipanaskan oleh boiler dimana panas yang diberikan merupakan hasil dari pembakaran bahan bakar batubara dan udara pembakaran. Gambar 34. Boiler di PLTU PT. Energi Alamraya Semesta Dalam menjalankan tugasnya, boiler ditunjang oleh komponen-komponen sebagai berikut : a. Ruang bakar (furnace) adalah bagian dari boiler yang dindingnya terdiri dari pipa-pipa air, sedangkan pada sisi bagian depan terdapat sembilan buah burner yang letaknyaterdiri dari tiga 36

5 tingkat tersusun mendatar yang berfungsi untuk pembakaran. Pembakaran residu ini disertai dengan aliran udara panas, sedangkan gas bakar panas yang keluar dari ruang bakar dipakai untuk memanaskan air pre heater dan selanjutnya disalurkan ke cerobong untuk dibuang. b. Dinding pipa(watertubes) merupakan dinding yang berada dalam ruang bakar yang berfungsi sebagai tempat penguapan air, dinding ini berupa pipa-pipa berisi air yang berjajar vertikal. c. Steam drum adalah suatu alat pada boiler yang berfungsi sebagai tempat penampungan uap hasil dari proses penguapan di dalam boiler. d. Super heater adalah suatu alat yang digunakan untuk memanaskan lebih lanjut steam dari boiler sehingga menjadi uap kering. Pemanas untuk superheater diambil dari panas gas buang hasil pembakaran di ruang bakar (furnace). e. Ekonomizer berfungsi menyerap panas dari flue gas sehingga air dalam ekonomizer lebih panas. Flue gas adalah gas panas yang keluar dari ruang bakar (furnace) dan masih mengandung banyak kalori, maka diusahakan untuk mengeluarkan kalori dari flue gas. Panas yang diserap ini diperlukan untuk meningkatkan efisiensi ketel dan juga agar tidak terjadi perbedaan suhu yang terlalu besar di dalam boiler yang dapat mengakibatkkan keretakan pada dinding boiler. f. Air preheater atau yang disebut dengan pemanas udara awal berfungsi untuk memanaskan udara pembakaran dari forced draft fan (FD Fan) yang dilewatkan melalui steam coil heater sebelum masuk ke boiler. g. Steam coil Air Heater terletak antara air preheater dengan forced draft fan dimana alat ini berfungsi sebagai penguat panas udara awal sebelum udara masuk ke air pre heater dan menjaga temperatur gas panas sebelum keluar dari cerobong. h. Soot Blower berfungsi untuk menyemprotkan uap kedalam ruang bakar sehingga membersihkan heat recovery area, antara lain economizer, superheater, dan lainnya saat beroperasi. i. Cerobong (Stack) berfungsi untuk menyalurkan gas buang hasil pembakaran diruang bakar untuk dilepaskan ke atmosfir. Gambar 35. Boiler dengan ruang bakar tipe travelling grate 37

6 Dari hasil pengamatan dan perhitungan, diperoleh persentase kehilangan panas yang diakibatkan oleh gas cerobong yang kering sebesar 3.68%, kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar sebesar 5.435%, kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar 0.121%, kehilangan panas karena adanya radiasi sebesar 2% dan kehilangan panas yang diakibatkan oleh kehilangan panas karena kadar air dalam udara dan kehilangan lain yang tidak terhitung sebesar 4.764%. Berdasarkan besarnya kehilangan panas, diperoleh efisiensi boiler sebesar 84%. Sedangkan efisiensi pembakaran berdasarkan penggunaan energi input yang berupa batubara, gas buang turbin, dan air umpan serta energi output yang berupa steam, diperoleh efisiensi sebesar 75 %. Hal ini terbukti berdasarkan data dilapangan yang menggunakan 12 ton batubara dengan kadar air 43%. Jika kandungan kadar air dapat diturunkan, maka penggunaan batubara adalah 6.2 ton per jam. Tabel 1. Neraca energi pada sub sistem pembakaran (boiler) (KJ/jam) Tanggal Energi input output Total input batubara udara (steam) (x10 8 ) (x10 ) (x10 ) Efisiensi % % % % % % % % % % % % % % 38

7 3 2,5 konsumsienergi(x108)kj/jam 2 1,5 Input 1 Output 0, Tanggal Gambar 36. Grafik energi input dan output pada sub sistem pembakaran (boiler) (KJ/jam) Konsumsi batubara dan beban yang dihasilkan dalam kurun waktu (7-20 April) dapat dilihat dalam kurva efisiensi berikut ini Load (MW) Batubara (ton/h) Efisiensi 2 0 Tanggal (7 20 April) Gambar 37. Grafik efisiensi dengan hubungan pemakaian batubara dan beban yang dihasilkan Jika dibandingkan dengan hasil penelitian efisiensi energi untuk Combustion Chamber PT. PUPUK KUJANG yang dilakukan oleh Hera Pratiwi (2008) dengan menggunakan gas alam sebagai bahan bakar di dapatkan nilai efisiensi sebesar 85.1 % sedangkan pada PLTU Energi Alamraya Semesta diperoleh efisiensi boiler sebesar 84 %. 39

8 4.2 Turbin Turbin uap menghasilkan putaran karena adanya aliran uap yang tetap yang masuk ke nozzle dan ditekan dengan tekanan rendah. Uap tersebut masuk steam jet, disini kecepatan uap dinaikkan, sebagian dari energi kinetik dari uap tersebut dikirim ke sudu-sudu turbin yang mengakibatkan terdorongnya sudu-sudu turbin untuk berputar. Kecepatan putar pada PLTU EAS adalah 3000 rpm, semakin tinggi beban konsumen, maka kebutuhan uap untuk mempertahankan putaran turbin akan semakin besar. Besar dan kecilnya beban sangat berpengaruh sekali terhadap uap yang akan dihasilkan, bila beban cukup tinggi, maka jumlah uap yang dibutuhkan juga besar dan sebaliknya. Pengaturan jumlah uap yang masuk ke dalam turbin ini dilakukan oleh control valve yang bekerja secara otomatis. Turbin uap pada PLTU Energi Alamraya Semesta mempunyai 3 tingkatan : 1. Turbin Tekanan Tinggi (High Pressure Turbine) 2. Turbin Tekanan Menengah (Intermediate Pressure Turbine) 3. Turbin Tekanan Rendah (Low Pressure Turbine) Gambar 38. Turbin uap di PLTU PT. Energi Alamraya Semesta Prinsip kerja dari turbin uap adalah uap kering dari super heater yang mempunyai temperature dan tekanan tinggi yang dialirkan ke turbin tekanan tinggi. Di dalam turbin ini terdapat sudu-sudu tetap dan sudu-sudu gerak yang mempunyai bentuk sedemikian rupa sehingga akan dapat mengekspansikan uap. Energi uap yang diterima oleh sudu-sudu turbin digunakan untuk menggerakkan poros turbin. Disini terjadi perubahan energi, maka temperatur uap akan turun. Setelah itu uap masuk ke intermediate pressure turbine dan akan menggerakkan sudu-sudu intermediate pressure turbin dan low pressure turbine, sehingga dari gerakan sudu-sudu ini akan memperkuat gerakan poros turbin. Setelah memutar turbin HP uap diekstraksikan (tahap 2), tetapi uap hasil ekstraksi tidak terpakai karena dikhususkan untuk industri sedangkan PLTU Energi Alamraya 40

9 Semesta tidak memiliki industri. Setelah memutar turbin IP terjadi ekstraksi tahap 2 yang digunakan untuk memanaskan pre heater dan daerator, terakhir setelah memutar turbin LP uap terkondensasikan di dalam kondensor. Pada beban 10 MW yang membutuhkan 57 ton steam untuk menjaga putaran turbin pada 3000 rpm, 7.5 ton di supply ke pre heater, 26 ton ke daerator dan ton terkondensasi menjadi air yang akan di supply kembali ke boiler. Tabel 2. Neraca energi pada sub sistem turbin BBC-BD2EEQ2e38 (BTU/jam) Tanggal Flow steam Daya input Daya output (lb/jam) MW MW Efisiensi % % % % % % % % % % % % % % Daya(MW) Input Output Tanggal Gambar 39. Grafik energi input dan output pada sub sistem turbin BBC-BD2EEQ2e38 (BTU/jam) 41

10 Setelah dilakukan perhitungan berdasarkan kondisi di lapangan maka diperoleh efisiensi konversi energi di turbin sebesar 74 %. Dengan menggunakan entalpy steam yang masuk ke boiler (h3) dan membandingkan dengan keadaan adiabatis sistem berdasarkan siklus Rankine, diperoleh efisiensi sebesar 76%. Sedangkan efisiensi pemanfaatan energi di turbin hanya 30 %, artinya hanya 30% energi panas steam yang digunakan untuk memproduksi listrik, selebihnya steam terkondensasi kembali menjadi air. Dimana sebesar 7.84% atau 1 MW merupakan daya yang hilang setelah overhaul dan 13.72% merupakan energi lain yang hilang karena penyesuaian beban dengan PLN, dan seal bearing (balancing box) serta dipengaruhi oleh umur ekonomis mesin. 4.3 Generator Generator berfungsi untuk mengkonversi energi mekanik (energi poros) dan turbin menjadi energi listrik dengan menyatukan poros generator dan poros turbin dengan cara di kopel. Poros turbin dihubungkan dengan poros generator menggunakan kopling tetap. Dari generator terjadi perubahan energi, dari energi mekanis menjadi energi listrik. Pada PLTU Energi Alamraya Semesta generator yang digunakan adalah TDG 155/185/72-5 dengan putaran 3000 rpm. Berdasarkan perhitungan, diperoleh nilai efisiensi untuk generator sebesar 86.03%. Generator arus bolak-balik pada prinsipnya terdiri atas 2 bagian utama, yaitu : a. Rotor adalah bagian 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 yang diperoleh dan exciter. Jika rotor berputar, maka medan magnet akan memotong kumparan jangka stator, sehingga timbul gaya gerak listrik (GGL), yang kemudian disalurkan ke terminal generator. b. Stator adalah bagian dari generator yang tidak bergerak (statis). Pada stator generator terdapat peralatan-peralatan sebagai berikut : Rumah generator berfungsi untuk melindungi komponen yang ada di dalamnya, juga berfungsi sebagai tempat melekatnya inti dan belitan, konduktor serta terminal dari generator itu sendiri. Resistance temperature detector, temperatur belitan stator diukur untuk kumparan pengukur sebanyak 12 buah, yang terpasang antara bagian atas dan bagian bawah dan belitan bagian dalam. Tahanan pengukur suhu dibuat dan bahan tembaga murni. Sistem ventilasi terdapat pada stator dan berbentuk multiradial, sehingga di dapatkan suatu pendingin temperatur axial yang rata. Untuk tujuan yang sama, rotor di dinginkan melalui lubang angin yang berbentuk radial dilengkapi dengan celah-celah ventilasi di dalam gerigi rotor dan letaknya dibawah alur. Spane heater berfungsi untuk mencegah pengembunan dan kelembaban selama pemakaian mesin berhenti untuk jangka waktu lama. 42

11 Gambar 40. Generator PLTU di PT. Energi Alamraya Semesta Tabel 3. Neraca energi pada sub sistem generator BBC TDG 155/185/72-5 (MW) April 2012 Tanggal Daya input Daya output Kec. Putar (Rpm) / daya (Load) Efisiensi / 8.24 MW % / MW % / MW % / MW % / MW % / MW % / MW % / MW % / MW % / MW % / MW % / MW % / MW % / MW % Sistem kerja generator yang beroperasi di PT. Energi Alamraya Semesta adalah menggunakan energi putar poros yang diteruskan oleh turbin sehingga menghasilkan daya serta sistem yang digunakan adalah base load yaitu beban generator disesuaikan dengan kebutuhan konsumen / sinkron dengan PLN. Kebutuhan energi input dan jumlah energi output yang dihasilkan oleh generator seperti yang terlihat pada tabel 3 dapat disajikan dalam bentuk grafik seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini. 43

12 Power(MW) 6 Input 4 Output Tanggal Gambar 41. Hubungan antara daya input (MW) dengan daya listrik (MW) yang dihasilkan Efisiensi generator dipengaruhi oleh beban pemakaian konsumen dan peran operator dalam menangani proses saat terjadinya penurunan dan kenaikan beban konsumen maupun jika terjadi gangguan. Berdasarkan hasil perhitungan menurut kondisi di lapangan, kinerja generator di Energi Alamraya Semesta telah cukup baik. 4.4 Condenser Condenser merupakan salah-satu komponen utama dari PLTU yang berfungsi untuk mengkondensasikan uap keluaran turbin menjadi air dengan pendinginan. Agar proses kondensasi tersebut efisien, maka tekanan di condenser harus rendah (divakumkan). Kevakuman pada condenser di dapatkan dengan cara menghisap ruang condenser dengan Steam Jet Air Ejector. Kondensasian disebut air kondensat (condensate water). Air kondensat masih mengandung sedikit O2. Air ditampung di hotwell dan dialirkan kembali ke siklusnya. Udara dan gas-gas yang terkondensasikan dikeluarkan oleh steam jet air ejector. Hal ini dilakukan sebab ada kemungkinan ada udara yang terbawa. Gambar 42. Sistem kondensasi PLTU di PT. Energi Alamraya Semesta 44

13 4.5 Peralatan Penunjang Peralatan penunjang merupakan peralatan yang digunakan untuk menunjang aktivitas atau operasional PLTU Energi Alamraya Semesta. Peralatan penunjang yang digunakan pada PLTU Energi Alamraya Semesta adalah : a. Condensate Pump Berfungsi sebagai pemompa air kondensat untuk diproses di low pressure heater. Tersedia 1 unit condensate pump yang digunakan pada PLTU Energi Alamraya Semesta dengan kapasitas 53 m 3 /jam dan daya yang dibutuhkan untuk masing-masing unit adalah 15 KW. b. Circulating Water Pump (CWP) Berfungsi untuk memompa air masuk ke condenser sebagai arus pendingin, tersedia 1 unit dengan daya yang dibutuhkan sebesar 90 KW dengan menggunakan 1 unit ejection water pump yang membutuhkan daya sebesar 18.5 KW. c. Make Up Water Tank Berfungsi sebagai tempat untuk menampung air yang dihasilkan oleh water treatment equipment. Make up water transfer pump membutuhkan daya sebesar 30 KW serta memiliki fungsi untuk memompa air dan make up water tank ke kondenser sebagai air penambah. d. Boiler Feed Pump (BFP) Berfungsi untuk memompa air dari daerator menuju boiler dengan pressure 57 bar, membutuhkan daya sebesar 15 kw dan 1 unit spray raw water pump yang membutuhkan daya 22 KW. e. Vacuum Pump Berfungsi untuk mengeluarkan udara yang terjebak di dalam air pendingin kondensor, sehingga sistem pendingin dalam kondensor menjadi sempurna. Daya yang dibutuhkan 18.5 KW f. Steam jet Air Ejector Berfungsi untuk mempertahankan kondisi vakum tekanan uap dalam kondensor. g. Economizer Berfungsi untuk memanaskan air pengisi boiler yang lewat di dalamnya. h. Daerator Berfungsi untuk memanaskan air pengisi boiler dan untuk menghilangkan udara yang terkandung didalam air. 45

14 i. Main Stop Valve Berfungsi untuk membuka dan menutup uap yang masuk ke dalam turbin dan dilengkapi dengan bypass main stop valve. j. High Pressure heater (HP Heater) Berfungsi untuk memanaskan air pengisi boiler yang dilewatkan ke dalamnya. Panas tersebut berasal dari uap ekstraksi pertama dan kedua. k. FD Fan Berfungsi untuk mensupply udara guna proses pembakaran bahan bakar dan mendorong flue gas keluar dari ruang bakar (burner) dan ditempatan pada lubang-lubang udara ke pemanas awal udara sehingga keseluruhan sistem sampai lubang masuk cerobong berada pada tekanan positif. IDF=315 KW, PAF=250 KW, SAF=160 KW l. Cooling Tower Berfungsi untuk mendinginkan uap dan turbin yang telah dikondensasi dari condenser. Pompa membutuhkan daya 2x160 KW m. Oil pump Berfungsi untuk lubricating oil dan oil vapor extractor dengan membutuhkan daya masing-masing 40 KW dan 0.48 KW. Besarnya daya yang digunakan dalam pengoperasian komponen penunjang adalah 1.3 MW, sehingga besarnya beban yang di distribusikan ke konsumen adalah selisih dari total daya yang dihasilkan dengan total daya yang digunakan dalam pengoperasian (pemakaian sendiri). Besarnya net efficiency berdasarkan total penggunaan pembangkit, contoh kasus pada beban 10 MW adalah 87%. Daya sebesar 8.7 MW merupakan daya total yang dijual ke PLN dengan harga jual Rp. 700,- per KWh. 46