BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Landasan Teori PLTGU atau combine cycle power plant (CCPP) adalah suatu unit pembangkit yang memanfaatkan siklus gabungan antara turbin uap dan turbin gas. Gagasan awal untuk PLTGU timbul seiring dengan keinginan untuk meningkatkan efisiensi dari siklus brayton sederhana dengan cara memanfaatkan panas yang terbuang dari gas buang turbin gas. Cara ini digunakan untuk meningkatkan efisiensi sekaligus meningkatkan daya dari pembangkit, yaitu dengan cara memanfaatkan sejumlah besar energi yang keluar melalui gas buang turbin gas untuk menghasilkan uap yang selanjutnya dipergunakan untuk pembangkit yang menggunakan turbin uap. Program Studi Teknik Mesin 7

2 Hal ini adalah solusi alami, karena gas buang pada turbin gas (GT) open cycle pada umumnya memiliki suhu yang cukup tinggi. Gas buang ini dapat dimanfaatkan untuk memanaskan air menjadi uap yang berguna untuk memutar turbin uap, karena turbin uap adalah mesin yang beroperasi pada temperatur yang relatif rendah. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan Heat Recovery Steam Generator (HRSG). 2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Gas ( PLTG ) Dasar dari teknologi turbin gas adalah pemanfaatan energi dari gas bersuhu tinggi hasil pembakaran campuran bahan bakar dengan udara bertekanan. Dimana fluida kerjanya adalah udara dari atmosfir yang dimampatkan terlebih dahulu kemudian dipakai untuk proses pembakaran bahan bakar. Gas hasil pembakaran dengan entalpi yang tinggi inilah yang jadi fluida kerjanya. Udara yang dihasilkan oleh kompresor digunakan untuk udara pembakaran sekitar 20 % sampai dengan 30 % dan sisanya antara 70 % sampai dengan 80 % digunakan sebagai : 1. Pendingin gas hasil pembakaran agar suhunya bisa diterima oleh material turbin. 2. Pendingin material ruang bakar. 3. Pendingin sudu-sudu turbin. Akhir-akhir ini berkembang penggunaan turbin gas untuk menaikan efisiensi dengan cara menggabung dengan turbin uap. Dalam instalasi penggabungannya turbin gas digabung dengan turbin uap dalam berbagai Program Studi Teknik Mesin 8

3 konfigurasi yang terdiri atas turbin uap, ketel uap / Heat recovery steam generator (HRSG), dan kondensor Prinsip Kerja PLTG Berdasarkan Siklus Brayton Siklus Brayton Ideal Prinsip dari proses kerja turbin gas adalah mengikuti siklus brayton. Dimana siklus ini merupakan siklus termodinamika dari turbin gas. Proses yang terjadi pada siklus brayton adalah sebagai berikut : Bahan bakar 2 Ruang Bakar 3 Kompresor Turbin 1 4 Gambar 2.1 Bagan siklus turbin gas sederhana (M. M. El-Wakil, Instalasi pembangkit daya jilid I ) Program Studi Teknik Mesin 9

4 p 2 Qin 3 T 3 Qin Qout 4 1 Qout Diagram p-v V Gambar 2.2 Siklus brayton ideal Diagram T-s s ( Pudjanarsa Astu, MT dan Prof. Ir. Djati Nursuhud, MSME, Mesin Konversi Energi ) Proses dari siklus brayton ideal adalah sebagai berikut : 1 2 adalah proses dimana udara dimampatkan secara isentropik di dalam kompresor. 2 3 adalah proses pembakaran secara isobar, terjadi didalam ruang bakar, dimana udara tekan dari kompresor dicampur dengan bahan bakar dan dibakar dengan tekanan konstan. 3 4 adalah proses ekspansi secara isentropik, terjadi didalam turbin, dimana gas panas hasil pembakaran melakukan kerja pada sudu sudu turbin. 4 1 adalah proses pembuangan gas bekas ke udara luar secara isobar. Program Studi Teknik Mesin 10

5 Siklus Brayton Aktual Dalam operasinya turbin gas banyak mengalami penyimpangan sehingga mengubah siklus idealnya. Beberapa pengaruh yang harus dipertimbangkan adalah: 1. Peningkatan kompresi dan ekspansi yang menyebabkan garis isentropis berbelok ke kanan. 2. Kerugian tekanan selama menambah dan pembuangan panas yang menyebabkan garis tekanan konstan menurun. 3. Variasi panas jenis,karena Cp untuk udara dan gas pembakaran bervariasi terhadap temperatur. 4. Variabel laju aliran massa : aliran pendinginan mesin,dan lain-lain. 5. Pembakaran yang kurang sempurna dari bahan bakar akan mengurangi panas yang dihasilkan. 6. Beban aksesoris mesin. Aksesoris-aksesoris seperti pompa minyak dan bahan bakar akan menambah beban turbin sehingga mengurangi efisiensi siklus. Program Studi Teknik Mesin 11

6 p 2 Qin 2' 3 T 3 Qin 2 2' 4 4' Qout 1 Qout 4' 4 1 Diagram p-v V Diagram T-s s Gambar 2.3 Siklus brayton aktual (Ir. Pudjanarsa Astu, MT dan Prof. Ir. Djati Nursuhud, MSME, Mesin Konversi Energi ) Proses dari siklus brayton ideal adalah sebagai berikut : 1 2 adalah proses dimana udara dimampatkan secara isentropik di dalam kompresor. 2 3 adalah proses pembakaran secara isobar, terjadi didalam ruang bakar, dimana udara tekan dari kompresor dicampur dengan bahan bakar dan dibakar dengan tekanan konstan. 3 4 adalah proses ekspansi secara isentropik, terjadi didalam turbin, dimana gas panas hasil pembakaran melakukan kerja pada sudu sudu turbin. 4 1 adalah proses pembuangan gas bekas ke udara luar secara isobar. Program Studi Teknik Mesin 12

7 2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Uap ( PLTU ) Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) biasanya digunakan pada instalasi daya pembangkit listrik yang menggunakan bahan bakar fosil. PLTU merupakan gabungan yang kompleks dari ekonomisator, ketel uap, pemanas lanjut, pemanas ulang, dan pemanas awal udara. PLTU merupakan jenis pembangkit tenaga listrik yang menggunakan uap sebagai media untuk memutar sudu turbinnya. Dimana uap yang digunakan untuk memutar sudu turbin tersebut adalah uap kering yang bertekanan dan memiliki suhu yang tinggi. PLTU beroperasi pada siklus rankine yang dimodifikasi agar mencakup proses pemanasan lanjut (superheating), pemanasan air pengisi ketel atau boiler (feed water heating) dan pemanasan kembali uap keluar turbin tekanan tinggi (steam reheating). Sehinga Untuk meningkatkan efisiensi panas maka uap yang dipakai harus bertekanan dan memiliki temperatur setinggi mungkin. Dimana yang membatasi temperatur adalah material yang digunakannya. Idealnya dalam proses siklus ini tidak terjadi penambahan air. Akan tetapi, dengan adanya kehilangan air atau uap didalam siklus, baik yang sifatnya disengaja ataupun yang tidak disengaja seperti adanya kebocoran-kebocoran dari pipa air atau dari pipa uap, maka perlu adanya air penambahan. Yang dimaksud dengan air penambah disini adalah air murni yang bebas dari garam, asam, oksigen yang terlarut didalam air dan benda-benda melayang yang dapat mengendap. Air penambah diperoleh dari sumber instalasi penyulingan air laut. Dimana air penambah sebelum masuk ke dalam ketel perlu Program Studi Teknik Mesin 13

8 diolah atau disaring terlebih dahulu di dalam suatu instalasi pengolahan air yang disebut Water Treatment atau tempat pemurnian air Prinsip Kerja PLTU Berdasarkan Siklus Rankine Prinsip dari proses kerja turbin uap secara sederhana adalah mengikuti siklus rankine sederhana. Proses yang terjadi pada siklus rankine sederhana adalah sebagai berikut : 5 4 BOILER TURBIN UAP G 3 6 KONDENSOR 2 POMPA 1 Gambar 2.4 Bagan diagram alir siklus rankine (M. M. El-Wakil, Instalasi pembangkit daya jilid I ) Program Studi Teknik Mesin 14

9 T 5 3 P P2 6 s Gambar 2.5 Siklus Rankine sederhana (M. M. El-Wakil, Instalasi pembangkit daya jilid I ) Proses yang terjadi pada siklus rankine adalah sebagai berikut : 1 2 adalah proses kompresi isentropis, terjadi dalam boiler feed ump. 2 3 adalah proses pemanasan air pada tekanan konstan, terjadi dalam economizer. 3 4 adalah proses penguapan air sampai menjadi uap jenuh pada tekanan dan temperatur konstan, terjadi dalam evaporator. Program Studi Teknik Mesin 15

10 4 5 adalah proses uap jenuh (uap basah) dikeringkan lebih lanjut sampai menjadi uap panas lanjut (uap kering) pada tekanan konstan, terjadi dalam superheater. 5 6 adalah proses ekspansi Isentropis, terjadi dalam turbin uap. 6 1 adalah proses kondensasi uap pada tekanan dan temperatur konstan, terjadi dalam Kondensor. 2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap ( PLTGU ) Pada prinsipnya yang dimaksud dengan PLTGU adalah suatu Pembangkit yang menggabungkan siklus turbin gas (siklus bryton) dengan siklus turbin uap (siklus rankine). Siklus gabungan ini diterapkan karena efisiensi dari turbin gas tergolong rendah, sedangkan gas buang dari turbin gas masih memiliki energi yang cukup besar sehingga perlu dimanfaatkan guna meningkatkan efisiensi, yaitu dengan cara menggunakan gas buang dari turbin gas untuk memproduksi uap, sehingga dapat menggerakkan turbin uap. Proses siklus gabungan ini dimulai dari siklus brayton, dimana udara yang sudah dimampatkan oleh kompresor kemudian dibakar bersamaan dengan bahan bakar didalam ruang bakar. Hasil dari pembakaran tersebut berupa gas panas yang kemudian diekspansikan untuk menggerakkan turbin gas. Sisa gas panas yang keluar dari turbin gas tersebut kemudian disalurkan ke dalam HRSG (Heat Recovery Steam Generator) untuk memanaskan air hingga menjadi uap kering. Uap kering yang dihasilkan dari HRSG selanjutnya akan diekspansikan untuk Program Studi Teknik Mesin 16

11 menggerakkan turbin uap. Siklus gabungan (Combined Cycle), terlihat pada gambar berikut : 3 T Qin Gas Cycle Steam Cycle 5 Qout 8 s Gambar 2.6 Siklus Combined Cycle ( Mc Graw-Hill, Thermodynamics an engineering approach ) Qin Bahan bakar 2 Ruang Bakar 3 Kompresor Turbin gas 1 Stack Heat exchanger Pompa Turbin uap 8 5 Kondensor Qout Gambar 2.7 Bagan siklus gabungan Program Studi Teknik Mesin 17

12 Dalam PLTGU proses yang terjadi terbagi menjadi dua proses yaitu: 1. proses pada turbin gas 2. proses pada turbin uap Proses Pada Turbin Gas Udara lingkungan sebagai fluida kerja dengan tekanan atmosfir pada titik (1) dihisap kompresor dan ditekan (di kompresi) sampai ke titik (2). Akibat dari proses kompresi tersebut suhu pada udara dan tekanannya akan meningkat. Udara meninggalkan kompresor dan masuk pada titik (2), dimana bahan bakar diinjeksikan secara bersamaan dan proses pembakaran terjadi pada tekanan konstan. Sistem pembakaran dirancang untuk pencampuran antara udara dan bahan bakar secara sempurna. Pada proses di titik (3) ke titik (4) yaitu pada bagian turbin, energi dari hasil pembakaran diubah menjadi kerja. Pengubahan ini dilakukan dengan dua tahap, yaitu pada setiap tahap awal gas diexpansikan dan energi termal diubah menjadi energi kinetik, yang dilakukan pada setiap sudu tetap melalui nozzel, sedangkan pada sudu jalan (buckets) energi kinetik diubah menjadi energi mekanik (berputar) dan selanjutnya diubah menjadi kerja. Pada siklus terbuka suhu dari gas pada titik (4) akan dibuang ke lingkungan, sedangkan pada siklus gabungan gas bekas tidak dibuang tetapi dimanfaatkan kembali untuk proses pemanasan air dalam HRSG. Kerja yang dihasilkan adalah jumlah panas masuk (Qin) dikurang panas yang dibuang (Qout), atau kerja = Qin :Qout. Sebagian kerja digunakan untuk Program Studi Teknik Mesin 18

13 menggerakan kompresor, yang besarnya sekitar (55%-60%) dari kerja total hasil ekspansi turbin. Sisa kerja poros siap diubah menjadi energi listrik pada generator Proses Pada Turbin Uap Air murni sebagai fluida kerja dari titik (5) dinaikkan tekanannya pada tahap awal oleh pompa kondensat dan tahap berikutnya dengan pompa air pengisi (boiler feed pump) disamping tekanannya dinaikkan, melewati heat exchanger pemanasan awal fluida kerja dilaksanakan sampai titik (6). Sedangkan proses penguapan air pada tekanan tetap berada dari titik (6) ke titik (7), dimana kondisi air dirubah menjadi uap kering pada titik (7). Proses ekspansi uap dilakukan pada turbin dari titik (7) ke titik (8), dimana uap yang masuk digunakan untuk memutar turbin. Setelah diekspansikan, uap keluar dari turbin dikondensasikan dari titik (8) ke titik (5), dilakukan pada kondensor. Kalor yang dipergunakan untuk pemanasan awal air pengisi, penguapan dan pemanasan lanjut pada HRSG diambil dari sisa panas gas buang PLTG. Tidak seperti pada turbin gas, kerja poros yang dihasilkan seluruhnya siap diubah menjadi energi listrik pada generator. 2.5 Peralatan Peralatan PLTGU. Peralatan pada instalasi dari Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap ini diklasifikasikan menjadi 2 bagian, yaitu : Peralatan utama dan peralatan pendukung. Program Studi Teknik Mesin 19

14 2.5.1 Peralatan Utama Pada PLTGU. Secara umum peralatan peralatan utama dari PLTGU yaitu : A. Kompresor. Kompresor yang umum dipakai pada turbin gas adalah jenis kompresor aksial bertingkat Pada sisi masuk kompresor ini dipasang inlet guide vans (sejenis damper) untuk mengurangi jumlah udara pada beban rendah, karena pada beban rendah kebutuhan udara untuk pendingin juga rendah. Permukaan sudu dibuat sangat halus atau licin, agar kerugian gesekan sekecil mungkin. Bila sudu-sudu kotor, kerugian gesekan akan naik sehingga tekanan udara keluar kompresor turun dan suhu naik. B. Ruang Bakar ( Combustion Chamber ). Turbin gas pembakaran dalam adalah proses kontinu yang terjadi pada tekanan konstan. Bahan bakar bercampur dan terbakar saat melalui daerah api. Api tidak menyentuh dinding karena dibatasi oleh aliran udara masuk yang juga mendinginkan dinding ruang bakar. Ruang bakar turbin gas umumnya berupa tabung silinder terbuat dari material tahan panas, dimana pada bagian ujung yang satu dipasang Nozzle bahan bakar yang dikelilingi oleh pengolak (Swirler) udara primer ( udara pembakaran ) dan pada bagian ujung lainnya dihubungkan oleh Transition Piece ke First Stage Nozzle. Disepanjang dan di sekeliling sisi tabung ruang bakar terdapat Program Studi Teknik Mesin 20

15 lubang-lubang yang digunakan untuk jalan masuk udara sekunder (udara pendingin). C. Turbin Gas. Turbin gas menggerakan kompresor dan generator karena porosnya menjadi satu kesatuan (tandem). Disini energi panas dari gas yang keluar dari ruang bakar sepenuhnya diubah menjadi energi kecepatan pada sisi nozzle untuk kemudian diubah menjadi energi mekanis oleh sudu-sudu turbin sehingga menghasilkan putaran yang dibutuhkan untuk menggerakan kompresor dan generator. sudu-sudu turbin gas buatan ABB terdiri dari lima tingkat. Gas panas masuk turbin pada temperatur C dan bertekanan sekitar 11,5 bar dapat menghasilkan daya sampai 130 MW pada sisi generator dengan putaran 3000 rpm. D. Heat Recovery Steam Generator (HRSG). HRSG terdiri dari susunan pipa-pipa penyerap panas yang memanfaatkan gas buang dari PLTG untuk memanaskan air pengisi ketel menjadi uap jenuh, kemudian menjadi uap panas lanjut (Superheated Steam) setelah melalui superheater. Pada unit pembangkit priok ini menggunakan HRSG dengan dua sirkuit uap, yaitu high pressure (HP) dan low pressure (LP). Pada sirkuit HP mengalirkan uap ke turbin uap tekanan tinggi, sedangkan sirkuit LP Program Studi Teknik Mesin 21

16 mengalirkan uap ke turbin uap tekanan rendah. Uap yang keluar dari turbin uap tekanan tinggi juga langsung di arahkan langsung menuju pipa uap yang menuju ke turbin uap tekanan rendah. Gambar 2.9 Skema Sederhana HRSG HRSG memiliki beberapa komponen utama yang penting dalam operasinya yaitu: Program Studi Teknik Mesin 22

17 1. Low Pressure (LP) Economizer, merupakan bagian teratas dari HRSG yang berfungsi sebagai pemanas air dari deaerator sebelum masuk ke drum ketel tekanan rendah. 2. High Pressure (HP) Economizer 1, berfungsi untuk memanaskan air sebelum masuk ke High Pressure Economizer Low Pressure (LP) Evaporator, berfungsi mengubah air menjadi uap jenuh pada tekanan rendah. 4. High Pressure (HP) Economizer 2, berfungsi untuk memanaskan air yang berasal dari High Preasure Economizer 1 sebelum ke drum ketel tekanan tinggi. 5. High Pressure (HP) Evaporator, berfungsi mengubah fase air menjadi fase uap jenuh pada tekanan tinggi. 6. Superheater, yaitu bagian terbawah dari HRSG yang berfungsi untuk meningkatkan temperatur uap tekanan tinggi di atas titik didihnya serta tingkat kekeringan uap ketel. 7. Drum Uap, berfungsi sebagai tempat air masuk dari economizer dan tempat pemisah uap jenuh dari air mendidih yang masuk dari evaporator. Dari drum tersebut air dari uap di sirkulasikan kembali melalui downcomer. Didalam steam drum terdapat beberapa tahap dalam memisahkan air dan uap, yaitu: Program Studi Teknik Mesin 23

18 a. Primary separator Adalah tahap pertama yang berfungsi untuk memisahkan air dan uap, disini ada buffer plate yang dapat merubah arah aliran uap sehingga air jatuh kebawah dan uap naik keatas. b. Secondary separator Adalah tahap kedua setelah separator primary yang berfungsi untuk menangkap butiran-butiran air yang masih ikut dengan uap. c. Dryer Adalah tahap ketiga yang berfungsi sebagai penangkap kabut air dalam uap yang masih lolos dari tahap ke dua. Selain itu juga steam drum berfungsi sebagai Chemical water treatment, tempat untuk menginjeksikan bahan kimia (Na 3 PO 4 ) untuk mencegah pengerakan dan menaikkan ph dan tempat untuk mengurangi kandungan bahan padat terlarut dalam air (blowdown). E. Turbin Uap. Turbin Uap berfungsi untuk mengkonversikan energi (enthalpy) uap menjadi energi mekanis penggerak generator. Energi panas dari uap, berupa tekanan dan temperatur uap dihasilkan oleh HRSG, kemudian dialirkan ke turbin uap yang selanjutnya memutar sudu-sudu turbin. Uap Program Studi Teknik Mesin 24

19 yang keluar dari sudu-sudu terakhirnya disebut exhaust steam dan kemudian mengalir ke kondensor. F. Generator. Generator terdiri dari dua komponen utama yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian dari generator yang terpasang di tengah - tengah dengan elektromagnet, yang diisi oleh sebuah dinamo penguat (exciter) dipasang pada poros generator. Stator adalah bagian generator yang tidak bergerak atau statis dimana kumparan menghasilkan tegangan. Bilamana terdapat suatu gerakan relative antara rotor dan stator maka garis-garis gaya magnet dari rotor memotong belitan kumparan dari stator yang akan menginduksikan suatu gaya gerak listrik (GGL) sehingga menjadi energi listrik dan dihubungkan dengan jaringan luar. G. Kondesor. Tugas utama kondensor adalah mengkondensasikan uap yang keluar dari turbin untuk digunakan lagi sebagai air pengisi HRSG. Agar kondensor dapat beroperasi sebaik mungkin maka pada saat operasinya turbin harus menjaga tekanan uap keluar (exhaust steam) serendah mungkin, agar heat drop di turbin besar, sehingga akan menaikkan kerja turbin, menaikkan efisiensi unit pembangkit dan menurunkan jumlah aliran uap pada beban tertentu. Program Studi Teknik Mesin 25

20 Caranya adalah dengan menjaga jumlah air pendingin yang melalui pipa-pipa kecil (tube-tube) Kondensor dan menjaga kebersihan pipa-pipa kecil (tube-tube) Kondensor agar tidak tersumbat oleh kotoran-kotoran yang menempel pada dinding bagian dalam pipa-pipa kecil (tube-tube) kondensor sehingga heat transfer yang terjadi dapat berjalan dengan baik Peralatan Pendukung PLTGU Peralatan atau instalasi pendukung adalah peralatan yang mendukung atau sebagai alat bantu pengoperasian dari peralatan utama. Dimana bekerja dalam suatu sistem yang saling berkaitan satu sama lain. Peralatan pendukung dari PLTGU ini jumlahnya cukup banyak diantaranya adalah : 1. Filter Udara. 2. Water Intake Plant. 3. Water Treatment Plant. 4. Waste water Treatment Plant. 5. Cooling Water Treatment Plant. 6. Instalasi mesin mesin pelumas. 7. Pompa pompa. 8. Jaringan / sistem pada pipa pipa. 9. Tangki penyimpan bahan bakar. 10. Daerator. 11. Katup katup : manual, elektrik, hidrolik, pneumatik. 12. Cerobong (stack) dan lain-lain. Program Studi Teknik Mesin 26