BAB II TINJAUAN PUSTAKA. relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Motor Induksi 3 Fasa Motor induksi 3 fasa adalah mesin yang mengubah energi listrik arus bolak-balik (AC) 3 fasa menjadi energi mekanis berupa putaran. Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik(ac) yang paling luas penggunaannya dan dapat dijumpai dalam setiap aplikasi industri maupun rumah tangga. Sesuai dengan penamaannya arus rotor dari motor induksi ini diperoleh dari arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan arus stator. Motor induksi memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, serta berbiaya murah dalam perawatannya. Motor induksi memiliki efisiensi yang tinggi saat berbeban penuh. Akan tetapi jika dibandingkan dengan motor DC, motor induksi memiliki kelemahan dalam pengaturan kecepatan. Pada motor DC pengaturan kecepatan lebih mudah dilakukan dari motor induksi Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi terdiri dari 2 komponen utama yaitu rotor dan stator. Bagian yang bergerak merupakan rotor dan bagian yang tidak bergerak atau diam disebut stator. Terdapat celah udara antara rotor dan stator yang jaraknya kecil. Konstruksi motor induksi dapat dilihat pada Gambar

2 Gambar 2.1. Penampang rotor dan stator motor induksi Prinsip Kerja Motor Induksi 3 Fasa Jika pada terminal tiga fasa stator motor induksi diberi suplai tegangan tiga fasa seimbang, maka akan mengalir arus pada konduktor di tiap belitan fasa stator dan akan menghasilkan fluksi bolak-balik. Amplitudo fluksi per fasa yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan menghasilkan fluks resultan (medan putar) dengan magnitud yang nilainya konstan yang berputar dengan kecepatan sinkron. Medan putar akan terinduksi melalui celah udara menghasilkan ggl induksi (ggl lawan) pada belitan fasa stator Medan putar tersebut juga akan memotong konduktor-konduktor belitan rotor. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan relatif antara kecepatan fluksi yang berputar dengan konduktor rotor yang diam, yang disebut juga dengan slip (s). Akibat adanya slip, maka ggl (gaya gerak listrik) akan terinduksi pada konduktor-konduktor rotor. Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung (end ring) ataupun tahanan luar, maka arus akan mengalir pada konduktor-konduktor rotor. Karena konduktor-konduktor rotor yang mengalirkan arus ditempatkan di dalam daerah medan magnet yang dihasilkan stator, maka akan terbentuklah gaya mekanik (gaya lorentz) pada konduktor-konduktor rotor. Hal ini sesuai dengan hukum gaya lorentz yaitu bila suatu konduktor yang dialiri 7

3 arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka konduktor tersebut akan mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz). Gaya F yang dihasilkan pada konduktorkonduktor rotor tersebut akan menghasilkan torsi (τ). Bila torsi mula yang dihasilkan pada rotor lebih besar daripada torsi beban (τ0 > τb), maka rotor akan berputar searah dengan putaran medan putar stator. Motor induksi 3 fasa memiliki daya input yang bersumber dari daya masukkan berupa tegangan dan arus listrik yang dimana rumus untuk mencari daya motor induksi 3 fasa adalah P =...(1.1) Beban dari motor induksi memiliki hubungan dengan efisiensi motornya. Motor induksi biasanya dirancang untuk beroperasi pada beban % dan akan paling efisien pada beban 75%. Pada saat beban turun dibawah 50% efisiensi akan turun dengan cepat seperti pada Gambar 2.2. Maka dalam penentuan kerja motor akan bermanfaat bila menenttukan beban dan efisiensinya. Gambar 2.2 efisiensi motor beban sebagian(fungsi dari % efisiensi beban) 8

4 2.2. Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa Sawit(PLTBS) Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa Sawit (PLTBS) merupakan salah satu pembangkit listrik yang sedang dikembangkan oleh Indonesia dikarenakan sumbernya yang merupakan energi terbarukan. Dalam hal ini sumber energi terbarukan yang digunakan oleh Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa Sawit adalah limbah dari hasil pengolahan kelapa sawit berupa cangkang dan tandan kosong. Sumber bahan bakar ini biasanya didatangkan dari sejumlah Pabrik Kelapa Sawit. Pembangkit Listrik Tenaga Biomasa Sawit (PLTBS) Sei Mangkei yang telah dibangun, didesain dengan dua sistem pembangkit (2 x 3,5 MW). Sistem pembangkit dibuat paralel, sehingga jika salah satu pembangkit tidak beroperasi maka pembangkit yang lain masih tetap dapat memberikan suplai listrik tanpa kendala yang berarti Mesin dan Peralatan Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa Sawit Pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) yang berbahan bakar biomassa sawit yaitu PLTBS, di dalamnya terdapat mesin-mesin dan peralatan yang di mana setiap peralatannya dikelompokkan dalam unit-unit berdasarkan kegunaannya. Unit-unit utama yang menyusun PLTBS terdiri dari : a. Unit persiapan bahan bakar b. Unit pembangkit uap (boiler) c. Unit pengolahan air umpan boiler d. Unit produksi tenaga gerak dan listrik (turbin) e. Unit pendingin (cooling tower) 9

5 2.3.1 Unit Persiapan Bahan Bakar Kebutuhan cangkang untuk bahan bakar PLTBS diperoleh dari PKS Sei Mangkei serta didapat dari PKS lainnya. Seluruh cangkang yang masuk ditimbun disekitaran pabrik dan akan diangkat menggunakan alat berat menuju unloading station sebelum dijatuhkan menuju screw conveyor untuk dibawa menuju ruang pembakaran yang ada dalam dua unit ruang pembakaran di boiler Unit Pembangkit Uap (Boiler) Boiler adalah suatu alat untuk membangkitkan uap yang digunakan dalam power plant, proses atau tujuan pemanasan dengan spesifikasi kapasitas, tekanan dan temperatur tertentu. Boiler merupakan peralatan utama yang diperlukan dalam proses konversi energi panas hasil pembakaran bahan bakar menjadi energi kinetis uap yang mempunyai tekanan dan temperatur tertentu. Pada PLTBS, cangkang merupakan bahan bakar utama pada boiler. Boiler berguna untuk mengubah air menjadi uap panas bertekanan tinggi yang kemudian dipergunakan untuk memutar sudu turbin yang terintegrasi dengan generator listrik untuk membangkitkan energi listrik. Limbah biomassa dapat dikonversi menjadi energi yang bermanfaat (panas/listrik) menggunakan teknologi konversi pembakaran langsung. Produk utama dari pembakaran langsung ini adalah panas. Untuk menjaga pembakaran biomassa yang kontinu ada kondisi tertentu yang harus di penuhi, yaitu : Kecukupan campuran bahan bakar dan oksigen (udara) dalam perbandingan yang terkontrol dan terjaga. 10

6 Api yang sudah dimulai dalam ruang pembakaran boiler akan memindahkan panasnya ke umpan bahan bakar baru untuk menjaga kelangsungan pembakaran. Selama pencampuran bahan bakar dan udara, kontak antara oksigen dalam udara dengan bahan bakar merupakan hal penting untuk mencapai pembakaran yang sempurna. Makin baik kontaknya maka pembakaran akan berlangsung lebih cepat dan sempurna. Pada proses pembakaran bahan bakar padat, hanya bahan bakar bentuk gas yang menyala dan menghasilkan panas, sedang bentuk lainnya (cair dan padat) tidak menyala tetapi sebetulnya akan mengkonsumsi panas dalam proses pengeringan dan terbentuknya zat volatile untuk kemudian secara kimia dikonversi menjadi bahan bakar gas. Sehingga kunci pada pembakaran biomassa adalah laju pembentukan gas dari biomassa padat dan arang. Untuk mencapai pembakaran yang cepat diperlukan ukuran partikel limbah biomassa yang lebih kecil, makin besar ukuran partikel, maka akan mengakibatkan makin lama terjadinya proses pembakaran. Sehingga ukuran partikel limbah biomassa menjadi faktor penting pada proses kecepatan pembakaran. Kandungan air (moisture content) dalam biomassa akan mengurangi kandungan energi yang dinyatakan dalam nilai kalor, karena sebagian energi akan digunakan untuk menguapkan air dalam biomassa. Biomassa mengandung beberapa komponen yang tidak dapat terbakar berupa abu. Abu itu sendiri tidak dinginkan, karena akan memerlukan pemurnian gas buang. Kandungan abu dalam biomassa dapat berasal dari tanah dan pasir. Juga garam-garam yang terabsorbsi selama periode proses pertumbuhan tanaman. 11

7 Limbah biomassa umumnya mengandung sekitar 80% (dalam persentase zat kering) zat terbang ( volatile matter). Ini artinya bahwa komponen biomassa ini akan melepas 80% beratnya dalam bentuk gas, sementara yang tertinggal adalah arang. Bagian-bagian dari boiler dapat dilihat pada Gambar 2.3. Syarat yang harus dipenuhi oleh suatu generator uap atau boiler antara lain fluida harus terlindung secara aman, uap harus terkirim ke pengguna dengan spesifikasi tekanan, temperatur, kapasitas dan kualitas sesuai dengan yang dibutuhkan, kalor harus dibangkitkan dan disalurkan dengan kerugian seminimal mungkin. Bagian-bagian dari boiler adalah : a. Ruang Bakar (furnace) Ruang bakar adalah ruang tempat terjadinya proses pembakaran bahan bakar untuk menghasilkan kalor yang akan digunakan untuk mengubah air menjadi uap. Sistem pemasukan bahan bakar ke dalam dapur ketel diatur oleh suatu alat pengumpan dan dibantu oleh hembusan udara, sehingga bahan bakar tersebut merata keseluruh permukaan ruang dapur. Di dalam ruangan pembakaran ini, pipa ketel menerima radiasi panas dari nyala api dan gas asap. b. Upper Drum Upper drum merupakan tempat penampungan air umpan dari economizer dan steam yang masih bersifat jenuh (saturated steam). Upper drum memiliki diameter 1200 mm dengan volume 8,3 m 3. Hal yang harus dikontrol di upper drum adalah level air. 12

8 Gambar 2.3 Boiler c. Pemanas Lanjut (Superheater) Pemanas lanjut adalah bagian boiler yang berfungsi untuk menaikkan temperatur uap jenuh menjadi uap panas lanjut. Proses yang terjadi yaitu merubah uap basah (saturated steam) menjadi uap kering (superheated steam). Saluran pipa yang berisi uap jenuh dilewatkan ke gas pembakaran sehingga terjadi perpindahan kalor kembali ke uap. Karena ada kalor yang masuk, temperatur uap jenuh akan naik sampai kondisi uap panas lanjut. Dengan kondisi uap panas lanjut yang masuk turbin akan menaikkan efisiensi turbin. d. Economizer Economizer adalah sejenis heat exchanger yang terdiri dari fluida air yang akan masuk boiler. Komponen ini berfungsi untuk menaikkan temperatur air isian sebelum masuk tangki uap (steam drum) dengan memanfaatkan kalor yang dibawa oleh aliran gas buang (Flue Gas). 13

9 e. Fan Fan berfungsi sebagai sistem tarikan paksa dalam generator uap. Terdiri dari dua jenis fan yaitu induced draft fan dan forced draft fan. Induced draft fan adalah fan sebagai penghisap gas buang dan ditempatkan pada saluran gas buang setelah air preheater untuk dikeluarkan melalui cerobong asap/chimney. Sedangkan force draft fan adalah fan penghembus untuk mengalirkan udara ke ruang bakar, ditempatkan sebelum air preheater, tekanan yang disediakan fan tidak tinggi hanya untuk mengimbangi penurunan tekanan pada saluran udara sampai masuk dapur. Forced draft fan terbagi ada 2 yaitu: Primary FD Fan yang berfungsi untuk mensuplai udara segar melalui bagian kisi bawah sedangkan Secondary FD Fan berfungsi untuk menghembuskan bahan bakar hingga tersebar ke seluruh permukaan dapur (furnace). f. Multi cyclone Multi cyclone berfungsi untuk menangkap abu-abu dari gas buang ke chimney. g. Air preheater Alat ini dipergunakan untuk memanaskan air dengan udara pembakaran dari Force Draft Fan (FDF). Adapun proses pemanasan air ini menggunakan gas buang dari pembakaran. h. Alat penampung abu (Bottom Ash Hopper) Untuk mencegah pencemaran udara oleh debu-debu halus maka dipasang dust cyclone atau pun airlock. i. Cerobong asap (Chimney) Cerobong berfungsi untuk membuang gas buang hasil pembakaran ke lingkungan. 14

10 2.3.3 Unit Pengolahan Air Umpan Boiler Air umpan boiler untuk PLTBS disuplai dari satu unit demin plant. Sistem pengolahan air ini terdiri dari unit carbon active filter, unit cation ion exchanger, dan unit anion ion exchanger serta mixbed yang dipasang untuk memenuhi kriteria air umpan boiler. Air digunakan sebagai air umpan boiler untuk menghasilkan uap. Air yang akan diolah ini, berasal dari water treatment plant (WTP) Kawasan Industri yang terdapat di area PKS Sei Mangkei. Air di supply dengan menggunakan pompa dari WTP melalui Ground Tank (kapasitas 20 m3) dan Water tower Tank (kapasitas 60 m 3 ) di PLTBS. Sebelum masuk ke boiler, kualitas air harus sesuai dengan standar mutu air umpan boiler dan air boiler dengan melakukan proses demineralisasi di demin plant, agar tidak menimbulkan permasalahan pada pipa boiler. Kandungan logam-logam terlarut didalam air seperti silika, Alkalinity, hardness, besi dapat menyebabkan proses yang tidak diinginkan didalam perpipaan boiler dan steam yang dihasilkan. Oleh karena itu, perlu dilakukan pengontrolan secara terus menerus terhadap parameter tersebut. Semua proses pengolahannya disebut proses demin plant. Kriteria kualitas air umpan boiler dan air dalam boiler adalah sebagai berikut Table 2.1 Kualitas air umpan boiler(sebelum proses demin plant) ph value 7,0-10 TDS Max 100 ppm Total Solid Max 2 ppm Total Hardness 0,5-2 ppm Silika (SiO 2 ) Max 5 ppm Turbidity Max 5 ppm 15

11 Tabel 2.2 Kualitas air dalam boiler(setelah proses demin plant) ph value 9,0-10,5 TDS Max 2000 ppm Hardness Max 2 ppm Silika (SiO 2 ) Max 150 ppm M. Alkalinity ppm P. Alkalinity Max 600 ppm O. Alkalinity ppm Sulphit ppm Phospat ppm 1 Karbon Aktif Karbon aktif filter berfungsi untuk menghilangkan pengotor didalam air yang belum tersaring pada sand filter. Karbon aktif berfungsi untuk mengurangi bau dan warna dari feed water. Prinsip kerja karbon aktif adalah dengan proses absorpsi, dimana feed water akan terkontak langsung dengan media karbon aktif di dalam vessel sehingga terjadi proses absorpsi. Gambar 2.4 Karbon Aktif 2 Kation Exchanger Kation exchanger berfungsi untuk menukar mineral mineral terlarut dalam air dengan menggunakan resin (seperti pada Gambar 2.5). Resin pada kation exchanger akan 16

12 mengurangi kandungan hardness dalam air. Prinsip pertukaran mineral ini dengan memanfaatkan pertukaran ion dengan menggunakan resin. Proses pengolahan di kation exchanger tank, air masuk dari puncak tangki dan didistribusi melalui nozzles, lalu terjadi kontak dengan resin dan air keluar melalui bawah tangki. Jika didapat kadar hardness sudah tinggi, maka perlu dilakukan proses regenerasi resin. Adapun proses yang dilakukan pada regenerasi kation adalah - Backwash Backwash bertujuan untuk mengurangi kepadatan di resin. Pada proses backwash, aliran air masuk dari bawah, sehingga kepadatan resin berkurang. Dengan proses backwash ini juga diharapkan kotoran yang melekat di resin dapat terlepas, sehingga kinerja resin dapat lebih baik. - Injeksi bahan kimia (regeneran) Injeksi bahan kimia regeneran di kation exchanger berfungsi untuk menghilangkan logam alkali seperti Ca, Na dan Mg yang melekat di resin, yang mana menyebabkan resin menjadi jenuh dan kemampuannya berkurang. Regeneran yang digunakan saat ini adalah HCl 33%. - Pembilasan (Slow rinse dan Fast rinse) Slow rinse dan fast rinse bertujuan untuk menghilangkan sisa regeneran yang telah berikatan dengan pengotor. Slow rinse ini menggunakan kecepatan air yang rendah sedangkan fast rinse ini menggunakan kecepatan air yang tinggi. Berikut penggunaan kation exchanger pada PLTBS. 17

13 (a) (b) Gambar 2.5 a. Kation Exchanger b. Resin yang digunakan 3 Anion Exchanger Anion exchanger berfungsi untuk menukar mineral yang mengandung ion-ion negatif pengotor di air seperti SO4 2, CL -, SiO 2. Pada proses pengolahan di anion exchanger tank, air masuk dari puncak tangki dan didistribusi, lalu terjadi kontak dengan resin dan air keluar melalui bawah tangki. Jika sudah jenuh, maka resin harus diregenerasi. Adapun proses regenerasi yang dilakukan di anion exchanger sama dengan kation exchanger, hanya perbedaannya terdapat pada injeksi regenerannya yang menggunakan NaOH 40%. Gambar 2.6. Anion Exchanger 18

14 4 Demin Water Tank Demin Water Tank merupakan tangki penyimpan air sebelum dikirim ke Mixed Bed Exchanger. Demin water tank yang digunakan sebanyak 1 unit (Gambar 2.7) dengan volume 40 m 3. Gambar 2.7 Demin Water Tank 5 Mixed Bed Exchanger Pada mixed bed tank terjadi pertukaran kation dan anion secara bersamaan. PLTBS menggunakan mixed bed sebanyak 1 unit (Gambar 2.8) dengan debit aliran air dalam mixed bed 10 m 3 /h. Gambar 2.8 Mixed Bed Exchanger 19

15 Bed yang terdapat pada mixed bed tank diregenerasi menggunakan HCl untuk regenerasi kation sedangkan NaOH untuk regenerasi anion. Proses pengolahannya adalah air dari demin water tank dipompa menggunakan mixed bed pump menuju ke mixed bed tank, kemudian air mengalir menuju bagian bawah melalui tumpukan bed sehingga terjadi pertukaran ion kemudian keluar menuju boiler feed tank. 6 Boiler Feed Tank Boiler feed tank berfungsi sebagai tempat penampungan hasil pengolahan demineralisasi dan sirkulasi air dari kondensor. Didalam boiler feed tank, air dipanaskan melalui steam injeksi yang terdapat di dasar tangki. Kapasitas boiler feed tank yang ada di PLTBS (seperti Gambar 2.9) adalah 40 m 3. Steam yang digunakan untuk pemanasan di boiler feed tank adalah superheated steam yang sebelumnya sudah diturunkan tekanannya menggunakan PRV sehingga diharapkan suhunya C. Gambar 2.9 Boiler Feed Tank 20

16 7 Deaerator Deaerator berfungsi untuk mengurangi gas yang terlarut dalam air (O 2 dan CO 2 ) dan memanaskan temperatur feed water dengan menggunakan pemanfaatan injeksi steam. Gas-gas terlarut tersebut harus dihilangkan karena dapat menyebabkan korosi. PLTBS menggunakan deaerator sebanyak satu unit (seperti pada Gambar 2.10) dengan kapasitas 50 m 3, air masuk dearator pada suhu 50 o C dan keluar pada suhu o C. Selanjutnya air dari deaerator dipompakan ke boiler menggunakan electric pump ataupun steam pump, dimana sebelumnya ditambahkan injeksi bahan kimia untuk mengatur komposisi ph, oksigen, silica dan hardness yang masih terdapat dari hasil pengolahan demin plant. Hal ini untuk menjaga agar tidak terjadi kerusakan pada boiler. Gambar 2.10 Deaerator 8. Kondenser Tujuan utama dari kondenser dan sistem air sirkulasi adalah untuk mengambil panas penguapan (latent heat) dari uap air yang keluar dari pengeluaran paling akhir dari steam turbine, dan untuk mentransfer latent heat ke air sirkulasi yang merupakan media untuk menghilangkan panas ini ke atmosfer. Tujuan dari kondenser dan sistem sirkulasi 21

17 air adalah untuk menarik kembali kondensat hasil dari perubahan fase dalam uap keluar turbin dan untuk mensirkulasikannya sebagai fluida kerja dalam siklus. Peralatan yang dibutuhkan untuk suatu sistem tergantung pada jenis suatu sistem yang digunakan. Ada 2 jenis kondenser, yaitu kontak permukaan dan kontak langsung. Sistem kondensasi steam menggunakan 2 unit surface condenser dengan prinsip vacuum condensation untuk mendinginkan steam dari masing-masing turbin. Kebutuhan air pendingin dilengkapi dengan 6 unit cooling tower. Kondenser berfungsi untuk mengkondensasikan steam keluaran turbin menjadi air kembali dengan pemanfaatan pertukaran kalor (heat exchanger). Pada PLTBS digunakan surface condenser yang berfungsi untuk merubah exhaust steam dari turbin ke fase cairnya agar dapat disirkulasi kembali ke boiler sebagai air umpan boiler. Kondensor (seperti pada Gambar 2.11) digunakan di PLTBS Sei Mangkei ini adalah merupakan heat exchanger tipe shell and tube, dimana mekanisme perpindahan panas utamanya adalah kondensasi saturated steam pada sisi luar tube dan pemanasan secara konveksi paksa dari circulating water di dalam tube. Prinsip kerja surface condenser adalah steam masuk ke dalam shell kondensor melalui steam inlet connection pada bagian atas kondensor yang berasal dari outlet turbin. Steam kemudian bersinggungan dengan tube kondensor yang bertemperatur rendah sehingga temperatur steam turun dan terkondensasi, menghasilkan kondensat yang terkumpul pada hot well. Temperatur rendah pada tube dijaga dengan cara mensirkulasikan air dari cooling tower dengan temperatur 33 0 C yang menyerap kalor dari steam pada proses kondensasi. 22

18 Gambar 2.11 Kondenser Unit produksi tenaga gerak dan listrik (turbin dan generator) Turbin uap adalah merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Kerja putaran poros ini kemudian dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator. Generator adalah suatu alat yang dapat mengubah tenaga mekanik menjadi energi listrik. Tenaga mekanik pada generator berasal dari turbin yang diputar dengan memanfaatkan energi potensial dari uap. Energi listrik yang dihasilkan oleh generator adalah arus AC (arus bolak-balik). Generator yang digunakan adalah generator sinkron atau biasa disebut dengan alternator. Alternator atau generator sinkron yang digunakan pada Pembangkit Listrik Sei Mangkei berjumlah 2 buah, dimana masing-masing unitnya memiliki daya terpasang sebesar 3,5 MW. Tegangan keluaran dari masing-masing alternator adalah 6600 V. Gambar 2.12 Alternator 3,5 MW Sei Mangkei 23

19 2.3.5 Sistem Air Pendingin (Cooling Water) Cooling Tower yang terdapat pada Gambar 2.13 merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menurunkan suhu aliran air dengan cara mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfir. Cooling tower menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Sebagai akibatnya, air yang tersisa didinginkan secara signifikan. Menara pendingin mampu menurunkan suhu air lebih dari peralatan-peralatan yang hanya menggunakan udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam mobil, dan oleh karena itu biayanya lebih efektif dan efisien energinya. Gambar 2.13 Cooling Tower 24