Makalah Seminar Kerja Praktek OPERASI HMXT-200 GENERATOR SEBAGAI PENGHASIL HIDROGEN PADA H 2 PLANT PLTGU PT INDONESIA POWER UBP SEMARANG Adista Ayu Widiasanti (L2F009074), Dr. Ir. Hermawan, DEA. (196002231986021001) Teknik Elektro, Universitas Diponegoro Jalan Prof. H. Soedarto, S.H., Tembalang, Semarang Kode Pos 50275 Telp (024) 7460053, 746055 Fax. (024) 746055 adis.santi@gmail.com ABSTRAK Kebutuhan manusia akan listrik sudah tidak dapat kita ragukan lagi. Pertumbuhan manusia beserta perkembangan teknologi merupakan penyebab utama dibangunnya berbagai pembangkit listrik di dunia. Salah satu perusahaan penyedia energi listrik di Indonesia adalah PT. INDONESIA POWER UBP Semarang, yang menggunakan 3 jenis pembangkit, yaitu PLTU, PLTG dan PLTGU. Agar didapatkan energi listrik yang optimal pada saat pembangkitan, diperlukan ada suatu sistem pemeliharaan peralatan. Hal tersebut salah satunya adalah sistem pendinginan. Sistem pendinginan diperlukan agar peralatan, seperti generator tetap dalam kondisi prima saat melakukan fungsinya. Sistem pendinginan juga digunakan untuk mengurangi penurunan kualitas isolator, kerugian tembaga listrik, kerugian gesekan, dan penurunan life expentancy pada peralatan elektrik. Hidrogen merupakan media pendingin yang terbaik di antara air, udara, nitrogen bahkan helium. Untuk itu di PT. INDONESIA POWER UBP Semarang dibangun H2 Plant sebagai sistem penghasil gas hidrogen. Pada H2 plant, digunakan suatu generator yang berfungsi sebagai pemisah hidrogen dan oksigen lewat proses elektrolisis. Generator ini adalah HMXT-200 generator. Inti pada HMXT-200 generator ini adalah electrolysis module yang merupakan tempat terjadinya pemisahan elemen-elemen air. Kata kunci : Pendinginan Generator, Media Pendingin, H2 Plant 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Listrik merupakan kebutuhan primer bagi manusia pada masa kini. Secara tidak langsung, manusia bergantung pada keberadaan listrik untuk melakukan aktivitasnya. Hal inilah yang menyebabkan pertambahan kebutuhan listrik berbanding lurus dengan pertumbuhan penduduk. Awalnya, industri penyedia energi listrik hanya menggunakan konversi energi dari air terjun untuk memenuhi kebutuhan listrik. Namun, peningkatan kebutuhan manusia akan energi listrik secara tidak langsung memaksa berbagai pengembangan pada unit pembangkitan listrik. Saat ini, telah dibangun unit pembangkitan listrik dengan berbagai macam jenis sumber energi selain air. Antara lain PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU, dan PLTP. PT. INDONESIA POWER UBP Semarang merupakan salah satu perusahaan penyedia energi listrik yang berupa PLTU, PLTG dan PLTGU. Pada PLTU, energi listrik didapatkan dari generator setelah turbin uap diputar oleh uap panas hasil pemanasan air yang telah dimurnikan. PLTGU mengalami dua proses, yaitu proses PLTG dan PLTU. Proses yang terdapat pada PLTGU ini biasa disebut dengan proses combined cycle. Kendala yang umumnya tejadi pada PLTU adalah waktu starting yang cukup lama. Sedangkan pada PLTG, kendala ada pada biaya karena bahan bakar yang digunakan cukup mahal, sehingga sebisa mungkin digunakan hanya sebagai cadangan. Selain itu, frekuensi start-stop harus diperhitungkan karena akan memperpendek usia karena aus. Mengingat suhu pada saat operasi sangat tinggi, oleh karena itu diperlukannya sistem pendinginan. Hal itu dilakukan untuk mengoptimalkan operasi dan mengurangi rugi-rugi karena pemanasan. 1.2 Maksud dan Tujuan Hal-hal yang menjadi tujuan penulisan laporan kerja praktek ini adalah :
1. Memahami pentingnya sistem pendinginan pada generator. 2. Mengetahui kerugian-kerugian yang dapat terjadi apabila tidak adanya sistem pendingin. 3. Memahami prinsip dasar sistem pendinginan generator menggunakan gas hidrogen. 4. Memahami prinsip dasar proses produksi gas hidrogen oleh HMXT-200 Generator. 1.3 Pembatasan Masalah Untuk menghindari meluasnya permasalahan dalam penyusunan dan penulisan laporan Kerja Praktek (KP) ini, maka penulis hanya dapat membahas masalah mengenai proses pendinginan generator pada GTG Blok I PLTGU PT. INDONESIA POWER UBP Semarang dan proses produksi gas hidrogen di H 2 Plant. 2. KAJIAN PUSTAKA Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) merupakan gabungan dari pembangkit listrik tenaga gas dan tenaga uap. Pembangkit jenis ini menggunakan gas panas pembuangan dari proses operasi pembangkit listrik tenaga gas untuk memanasi air dalam pipa-pipa Heat Recovery Steam Generator (HRSG). Air tersebut kemudian menjadi uap untuk menggerakan turbin uap. Penggunaaan teknologi combined cycle ini membuat operasi pembangkit lebih efisien sebab gas panas pembuangan pembangkit listrik primer dimanfaatkan menjadi tenaga listrik pada tahap sekunder. Hal ini dapat dipahami karena dapat meningkatkan kapasitas daya listrik yang dihasilkan tanpa menambah bahan bakar serta meningkatkan efisiensi panas dari 33% untuk pembangkit listrik tenaga gas menjadi sekitar 50% untuk PLTGU. Sistem PLTGU dapat dibedakan menjadi 3, yaitu: sistem GTG, STG dan HRSG. 2.1 Sistem Gas Turbin Generator (GTG) Turbin adalan suatu alat yang merubah daya dari suatu media yang bergerak misalnya air, udara, gas dan uap, untuk memutar generator sehingga menghasilkan tenaga listrik. Pada pusat tenaga listrik tenaga gas atau uap (PLTGU), media yang digunakan untuk memutar turbin adalah gas panas yang didapatkan dari pembakaran bahan bakar yang sudah dicampur udara dalam ruang bakar. Udara pembakaran didapat dari kompresor yang terpasang satu poros dengan turbin. Karena konstruksinya yang demikian, untuk memutar maka daya yang dihasilkan tidak sepenuhnya untuk memutar generator, tetapi sebagian besar untuk memutarkan kompresor sehingga menyebabkan efisiensi PLTGU rendah. Gambar 1 Skema dasar GTG Komponen-komponen utama sistem GTG adalah sebagai berikut: a) Motor cranking b) Inlet Air Filter c) Kompresor d) Ruang bakar e) Turbin f) Generator 2.2 Sistem STG (Steam Turbin Generator) Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi uap menjadi kinetik, energi kinetik ini selanjutnya dirubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin. Gambar 2 Skema aliran uap pada sistem STG
Dari gambar 2 di atas terlihat bahwa terdapat 2 sistem turbin yang terdapat dalam satu poros turbin, yaitu turbin tekanan tinggi dan turbin tekanan rendah. Keduanya digerakan oleh uap dengan tekanannya masing-masing. Turbin tekanan tinggi digerakan oleh uap tekanan tinggi dari sistem HRSG. Begitu pula dengan turbin tekanan rendah yang merupakan kumpulan dari sistem uap tekanan tinggi yang melewati turbin tekanan tinggi, akan dialirkan ke turbin tekanan rendah. Komponen utama sistem STG adalah: a) Turbin Uap (Steam Turbine) b) Generator c) Condensor d) Tangki air pengisi (Feed Water Tank) e) Pompa air pengisi 2.3 Sistem Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Energi panas yang tergantung dalam gas buang / exhaust turbin gas yang temperaturnya masih cukup tinggi (sekitar 563oC) dialirkan masuk kedalam HRSG untuk memanaskan air didalam pipa-pipa pemanas yang berasal dari drum mendapat pemanasan dari gas panas tersebut, sebagian bersar akan menjadi uap dan yang lain berbentuk air. Campuran air dan uap selanjutnya masuk kembali kedalam drum. Didalam drum, uap dipisahkan dari air dengan menggunakan pemisah uap yang disebut Seperator. Uap yang sudag terpisah dari air selanjutnya dipanaskan lebih lanjut, sehingga kemudian dapat digunakan untuk menggerakkan turbin uap, sedangkan air yang tidak menjadi uap disirkulasikan kembali ke pipa-pipa pemanas bersama-sama dengan air pengisi. Demikian yang baru. Demikian proses ini berlangsung terus menerus selama unit beroperasi. 3. Sistem Pendinginan Generator Operasi generator selama proses pembangkitan tidak hanya menghasilkan energi listrik, hal ini juga menghasilkan panas di dalam generator. Kenaikan temperatur tidak dapat dihindari karena adanya arus pusar (eddy current) merupakan efek dari proses konversi energi. Sistem pendinginan generator dibutuhkan untuk hal-hal sebagai berikut: 1. Menyerap panas yang timbul di dalam generator. 2. Melindungi isolasi. Hal ini karena panas yang lebih dapat merusak isolasi, tetapi dengan adanya sistem pendingin, panas di dalam generator dapat diserap. 3. Menaikkan efisiensi generator karena output generator akan lebih besar saat sistem pendingin digunakan. 3.1 Kerugian Bila Tidak Ada Sistem Pendingin Peralatan-peralatan yang terdapat pada PLTGU membutuhkan perawatan yang ekstra. Hal ini dikarenakan pada PLTGU hampir semua peralatan berhubungan dengan suhu tinggi, baik secara langsung maupun tidak langsung. Sehingga, diperlukan suatu sistem pendingin agar suhu peralatan dapat tejaga dari kondisi overheating. Dalam menjaga peralatan dari kondisi overheating, sistem pendingin peralatan juga harus memiliki kemampuan yang tinggi dalam mempertahankan keadaan konstan baik untuk tekanan maupun suhu. Dikarenakan, keadaan yang tidak stabil dapat mengakibatkan peralatan otomatis shut down. Apabila sistem pendingin tidak bekerja dengan baik, maka rugi-rugi yang timbul akan semakin besar. Kerugian yang dapat ditimbulkan oleh panas di dalam generator meliputi: 1. Penurunan kualitas isolator. Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi penurunan isolasi antara lain kelembaban, vibrasi, keasaman, oksidasi, temperatur, dan waktu. Faktorfaktor tersebut dapt mengakibatkan suatu isolasi menjadi keras dan rapuh. Kondisi tersebut menyebabkan retaknya isolator, dimana cracking tersebut dapat mengurangi kualitas isolator dan bahkan menyebabkan gangguan hubung singkat. 2. Kerugian tembaga listrik. Nilai tahanan suatu bahan bergantung pada hambatan jenisnya, dapat dirumuskan : R= ρ l/a dimana: R = hambatan (Ω) ρ = hambatan jenis (Ω.m) l = panjang (m) A = luas penampang (m2) Hambatan jenis suatu penghantar dipengaruhi oleh temperatur / suhu pada bahan tersebut. Semakin tinggi temperatur, maka nilai hambatan akan semakin besar. Hal ini dapat dirumuskan, sebagai berikut: ρ= ρ 0 (1+αt) dimana: ρ = hambatan jenis pada suhu t ρ 0 = hambatan jenis pada 0oC α = koefisien resistansi temperatur pada 0 C t = temperatur
Dengan adanya peningkatan nilai tahanan, maka nilai rugi-rugi (I 2 R) akan semakin besar. 3. Kerugian gesekan (friction loss). Operasi dalam generator dalam waktu yang lama dan kontinyu pada ruang tertutup dapat menimbulkan kerugian gesekan. Biasanya, rugi-rugi gesekan terjadi pada bantalan-bantalan (bearing) sehingga kondisi bearing tidak dalam kondisi yang optimal, seperti pada awal operasi. Pemanasan atau peningkatan suhu akan mempermudah bantalan tersebut aus. 4. Penurunan life expentancy pada peralatan elektrik. Di luar kesalahan elektrik maupun mekanik, waktu hidup dari suatu peralatan listrik dibatasi oleh temperatur dari isolasinya. Semakin tinggi temperatur, maka life time peralatan listrik semakin pendek. Dalam pengujian pada beberapa material, diketahui bahwa waktu / masa hidup suatu peralatan listrik berkurang sekitar 50% setiap kenaikan 10 o suhu operasinya. Jumlah kerugian yang telah disebutkan di atas tidak boleh besar, dimana nilainya tidak boleh melebihi 2% dari output generator. Oleh karena itu, sistem pendingin harus dapat mencegah kenaikan temperature melebihi batas operasinya. Selain beberapa kerugian yang dijelaskan di atas, alasan dibutuhkannya sistem pendinginan agar suhu ambient/sekitar tidak melebihi nilai kelas isolasinya. Dalam standar IEEE, ditetapkan beberapa kelas yang memiliki batas maksimum nilai suhu ambient. Setiap jenis bahan digolongkan pada kelas yang berbeda sesuai dengan batas maksimum suhu ambient yang dapat diterima oleh bahan tersebut. Tabel 1 Perbandingan media pendingin 3.2 Hidrogen Sebagai Media Pendingin Hidrogen memiliki keunggulan sebagai media pendingin dibandingkan dengan udara dan air. Keunggulan utama dari hidrogen adalah karena gas ini memiliki daya hantar panas yang lebih tinggi sehingga dapat menyerap panas lebih banyak, selain itu gas ini mempunyai kerapatan (berat jenis) yang jauh lebih kecil daripada udara dengan demikian akan mengurangi kerugian gesekan. Perbandingan beberapa media pendingin seperti air, udara, nitrogen, dapat dilihat pada tabel 1. 3.3 Proses Pendinginan Generator oleh Gas Hidrogen Pada pembahasan laporan kerja praktek ini, dibatasi hanya pada pendinginan generator pada sisi Gas Turbine Generator (GTG) di blok 1 PLTGU Tambak Lorok, Semarang. Proses pendinginan generator dengan menggunakan gas hidrogen sebagai media pendingin, langsung mengenai bagian dalam generator / kontak langsung dengan generator. Gas hidrogen masuk melewati sebuah valve ke body generator yang kemudian disirkulasikan oleh fan yang ada di dalam generator. Selama generator bekerja, dalam melakukan pendinginan, suhu gas hidrogen akan meningkat. Gambar 3 Sistem Ventilasi untuk Typical Hidrogen-Cooled Generator Di dalam generator tersebut, terdapat pula hydrogen cooling yang berfungsi untuk menjaga suhu gas hidrogen agar tetap dingin sehingga dapat menjalankan fungsinya secara optimal. Apabila tidak beroperasi, gas hidrogen akan terus terjaga di dalam generator, tetapi tidak memerlukan pendinginan oleh hydrogen cooling. Sistem ventilasi pada gerator pada GTG akan diperlihatkan pada gambar 3. Untuk proses pendinginan, gas hidrogen tetap berada di dalam generator dengan tekanan 30 psi. Apabila dibawah settingan tersebut, maka gas hidrogen akan dialirkan dari tangki untuk mempertahankan tekanan 30 psi dalam generator. Toleransi yang diberikan adalah 28 psi pada awal pengoperasian, dahulu. Namun, karena ada masalah pada H 2 Plant, saat ini nilai settingan alarm pressure adalah 25 psi. Apabila dibawah 25 psi, sistem akan shut down.
Gambar 4 Tampak samping ruang H2 Plant 4. H 2 Plant Pada PLTGU Blok 1 PT. Indonesia Power Tambak Lorok Semarang, terdapat HMXT-200 Generator pada H 2 Plant. Pada generator ini, terdapat dua bagian utama, yaitu hydrogen generator dan power supply. Kedua alat tersebut (hydrogen generator dan power supply) bekerja dengan masukan air murni dan tenaga listrik yang kemudian digunakan untuk proses electrolysis. Selain kedua komponen utama itu, H 2 Plant juga dilengkapi alat-alat pendukung seperti feedwater, air pendingin, nitrogen, dan pipa-pipa yang digunakan untuk mengalirkan gas hasil produksi dan sebagai pemisah antara gas hidrogen dan air. Dua bagian utama dari H 2 Plant, hydrogen generator dan power supply, memiliki dua fungsi yang berbeda. Hydrogen generator merupakan generator penghasil gas hidrogen, dimana di dalam alat ini terdapat komponen-komponen mekanik, pipa-pipa, sistem kontrol dan instrumen yang dibutuhkan dalam proses elektrolisis. Generator ini juga dilengkapi kontrol panel yang dapat memperlihatkan kondisi proses dalam generator dan data-data yang dibutuhkan oleh sistem. Sedangkan power supply merupakan peralatan yang berfungsi sebagai penginput energi listrik ke generator. Power supply mengubah inputan arus AC menjadi arus DC, yang dibutuhkan dalam proses elektrolisis. Pada sistem H2 Plant di PLTGU ini, hidrogen disuplai pada tekanan 147 PSIG (10.2 kg/cm2). Hal serupa berlaku juga dengan oksigen, yaitu 147 PSIG (10.2 kg/cm2). Sistem yang terdapat di PLTGU Blok 1 PT. Indonesia Power Tambak Lorok Semarang ini merupakan operasi otomatis. Proses starting-up dilakukan mesin sesuai parameter yang diberikan. Kemudian, produksi gas menyesuaikan pada permintaan yang dibutuhkan sampai pada titik batas atau kapasitas maksimum generator. Sistem akan kembali pada standby mode apabila tidak ada pengiriman gas. Keadaan ini akan selalu siap berubah setiap saat apabila proses pengiriman gas dibutuhkan. Semua parameter operasi harus selalu di monitor. Apabila terdapat kondisi yang menyimpang di luar batas yang diijinkan, maka sistem akan shutdown. Hal ini terlihat saat level KOH di bawah parameter atau disebut dengan istilah Low KOH level, sistem shutdown dikarenakan level KOH lebih rendah dari parameter yang ditentukan. Kondisi shutdown itu dilakukan untuk menghindari kerusakan yang lebih besar pada sistem. Gambar 5 Generation Screen HMXT-200 Generator pada H 2 Plant Seperti sistem lainnya, peralatan pada H 2 Plant ini juga membutuhkan pemeliharaan rutin. Hal tersebut meliputi: 1. Pemeriksaan atau penyesuaian 2. Pengecekkan atau bila diperlukan penggantian elektrolit 3. Kalibrasi controller/instrument 4.1 Prinsip Kerja H 2 Plant Proses produksi hidrogen tersebut membutuhkan dua peralatan atau bagian utama, yaitu hydrogen generator dan power supply. Keduanya digunakan untuk dapat melakukan proses elektrolisis. Proses elektrolisis merupakan inti dari sistem produksi gas hidrogen pada H 2 Plant di PLTGU Blok 1 PT. Indonesia Power Tambak Lorok Semarang. Proses ini membutuhkan inputan berupa air murni dan listrik. Elektrolisis yang dilakukan pada H 2 Plant ini adalah peristiwa penguraian senyawa air (H 2 O) menjadi oksigen (O 2 ) dan gas hidrogen (H 2 ) dengan menggunakan arus listrik. Arus listrik yang diinputkan dilalui ke dalam air. Pada katoda, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua
elektron, kemudian tereduksi menjadi gas H 2 dan ion hidroksida (OH - ). Pada annoda, dua molekul air lain terurai menjadi gas oksigen (O 2 ), melepaskan 4 ion H + dan mengalirkan elektron ke katoda. Ion H + dan OH - mengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air. Dalam reaksi kimia, produksi gas hidrogen di H 2 Plant ini dapat digambarkan sebagai berikut: 2 2 + Dalam reaksi di atas, digunakan KOH sebagai katalis. KOH yang memiliki nama lain Kalium Hidroksida (IUPAC name: Potassium Hidroxide) dapat mempercepat proses atau reaksi kimia dalam memproduksi gas hidrogen. 3. Generator HMXT-200 menghasilkan gas hidrogen melalui proses elektrolisis. Proses ini memisahkan air menjadi oksigen dan hidrogen yang kemudian digunakan sebagai media pendingin. 4. Inti dari generator HMXT-200 adalah electrolysis module yang merupakan tempat pemisahan oksigen dan hidrogen. 5.2 Saran 1. Meskipun generator HMXT-200 bekerja dengan sistem otomatis, dimana sistem akan shutdown bila kondisi tidak normal, perawatan secara berkala perlu dilakukan. Hali ini dilakukan untuk menjaga generator bekerja secara optimal. 2. Dari hasil pengamatan selama melakukan kerja praktek, penulis melihat bahwa oksigen yang merupakan hasil dari proses elektrolisis air tidak dimanfaatkan secara maksimal. Oksigen ini hanya dibuang melalui vent ke udara sekitar. Mengingat kegunaan oksigen yang sangat besar, penulis menyarankan agar ada proses untuk pemanfaatan oksigen dari hasil elektrolisis air pada generator HMXT- 200. Gambar 6 Gambaran proses elektrolisis Oksigen yang dihasilkan dari proses elektrolisis ini dibuang ke udara. Hal tersebut tidak terjadi pada gas hidrogen, karena gas ini ditampung yang kemudian dialirkan ke dalam generator sebagai media pendingin. 5. PENUTUP 5.1 Kesimpulan Selama melaksanakan kerja praktek, penulis dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Penggunaan sistem pendingin pada peralatan PLTGU, seperti generator dimaksudkan untuk pemeliharaan dari panas yang berlebih dan juga untuk mereduksi rugi-rugi. 2. Gas hidrogen merupakan media pendingin yang terbaik dibandingkan air, nitrogen ataupun udara. Oleh karena itu gas hidrogen digunakan sebagai media pendingin generator di PLTGU PT INDONESIA POWER UBP Semarang.
DAFTAR PUSTAKA [1]. 2-1-17-03-INSTRUCTION MANUAL FOR BRACKET-TYPE DC MOTOR_R00.pdf [2]. BEF51d01_GAS TURBINE SYSTEM.pdf [3]. Wildi, Theodore. 2002. Electrical Machines, Drives, and Power Systems. New Jersey: Prentice Hall HMXT SCREENS.pdf [4]. http://www.wikipedia.com [5]. http://www.engineeringtoolbox.com [6]. http://www.byexample.com BIODATA PENULIS Adista Ayu Widiasanti (L2F009074) Penulis lahir di Semarang, 26 Juli 1991. Menempuh jalur pendidikan dasar di TK Tadika Puri Solo, SDN Sendang Mulyo 03 Semarang, SMP N 2 Semarang, dan SMA N 3 Semarang dan saat ini sedang menjalani pendidikan S1 di Teknik Elektro Universitas Diponegoro Semarang Konsentrasi Teknik Energi Listrik. Semarang, 26 November 2012 Mengetahui, Dosen Pembimbing Dr. Ir. Hermawan, DEA. NIP 196002231986021001