BAB III DASAR TEORI SISTEM PLTU Sistem pembangkit listrik tenaga uap (Steam Power Plant) memakai siklus Rankine. PLTU Suralaya menggunakan siklus tertutup (closed cycle) dengan dasar siklus rankine dengan superheater dan reheater pada boilernya. A. Siklus Rankine Sederhana (Ideal) Gambar 3.1. Siklus Rankine Sederhana Siklus ini terdiri dari empat proses, yaitu : 1. Proses 1-2: kompresi isentropis oleh pompa. 2. Proses 2-3: pemanasan air dalam boiler pada tekanan konstan (air menjadi uap). 3. Proses 3-4: ekspansi isentropis dalam turbin. 4. Proses 4-1: pelepasan panas pada tekanan konstan dalam kondensor (uap air diembunkan menjadi air). 27
Keterangan gambar : Air masuk inlet pompa pada titik 1 dalam kondisi saturated liquid, kemudian dikompresi secara isentropis sampai mencapai tekanan boiler. Temperatur air sedikit naik selama proses tersebut karena menurunnya volume spesifik. Di dalam boiler, air dipanaskan menjadi uap panas lanjut (superheated steam). Uap panas lanjut ini masuk ke dalam turbin, dan berekspansi secara isentropis, sehingga menghasilkan kerja (W T out). Pada akhir ekspansi, fluida biasanya berada dalam fase saturated mixture, kemudian masuk ke kondensor pada tekanan konstan untuk pelepasan panas. Analisis siklus ideal: Asumsi untuk analisis siklus ideal: 1. Tidak ada rugi-rugi tekanan pada komponen-komponen. 2. Pola aliran pada tiap komponen secara steady flow. 3. Perubahan energi potensial dan kinetik relatif kecil, sehingga diabaikan. 4. Tidak ada rugi-rugi panas ke lingkungan. B. Siklus Rankine Dengan Reheater Keterangan gambar: Gambar 3.2. Siklus Rankine Dengan Reheater 1. Proses 1-2: kompresi isentropis oleh pompa 28
2. Proses 2-3: pemanasan air dalam boiler pada tekanan konstan (air menjadi uap) 3. Proses 3-4: ekspansi isentropis dalam HP turbin 4. Proses 4-5: pemanasan kembali uap dalam reheater pada tekanan konstan 5. Proses 5-6: ekspansi isentropis dalam IP dan LP turbin 6. Proses 6-1: pelepasan panas pada tekanan konstan dalam kondensor (uap air diembunkan menjadi air). C. Siklus Air dan Uap Siklus aliran air dimulai dari kondensor dimana temperatur air yang keluar dari kondensor ini sekitar 40 o C kemudian air kondensat dipompakan ke deaerator menggunakan CEP (Condensate Extraction Pump) tetapi sebelum mencapai deaerator air kondensat ini melewati beberapa tingkat pemanas. Pemanasan awal terjadi dengan memanfaatkan uap panas yang digunakan sebagai perapat poros pada turbin yang biasa disebut gland steam. Temperatur air yang keluar dari pemanasan awal ini berkisar antara 42 o C. Condensation pump bekerja memompakan air menuju main air ejector yaitu komponen yang berfungsi untuk membuat vakum pada kondensor dengan cara melewatkan uap dari Auxiliary Steam, selanjutnya air kondensat menuju gland condenser. Gland condenser berfungsi sebagai perapat supaya udara tidak masuk ke turbin. Hal ini dilakukan dengan cara melewatkan uap juga melalui auxiliary steam. Kemudian air melewati tiga unit heater yaitu Low Pressure Heater (LP Heater) 1, 2, dan 3. Media pemanas yang digunakan dalam LP heater ini adalah uap yang berasal dari Low Pressure Turbin (LP Turbine). Uap dari tingkat pertama LP Turbine 1 dan 2 di gunakan untuk memanaskan deaerator. LP Heater 3 memanfaatkan steam keluaran LP Turbine 1 tingkat 2 dan LP Turbine 2 tingkat 2, LP Heater 2 memanfaatkan steam keluaran keluaran LP Turbine 1 tingkat 3 dan uap bekas pemanasan pada LP Heater 29
3,selanjutnya LP Heater 1 memanfaatkan uap keluaran LP Turbine 2 tingkat 3 dan steam bekas pemanasan pada LP Heater 2, kemudian uap bekas keluaran LP Heater 1 dipompakan ke dalam aliran yang berada di antara LP Heater 1 dan 2. Temperatur air yang keluar dari LP Heater 1, 2, dan 3 masing-masing sekitar 58 o C, 75 o C dan 110 o C. Setelah melewati beberapa pemanas ini barulah air mencapai deaerator. Di dalam deaerator ini air dipisahkan dengan gas-gas yang tidak diinginkan seperti oksigen. Hal ini dilakukan untuk menghindari gangguan pada sistem. Proses ini dilakukan dengan cara menyemprotkan uap panas pada air agar oksigen dapat dipisahkan dari air yang selanjutnya dibuang ke udara. Selain berfungsi sebagai pemisah gas, deaerator juga berfungsi sebagai pemanas air sehingga temperatur air yang keluar dari deaerator mencapai 140 o C. Kemudian dengan Boiler Feed Pump (BFP), air dari deaerator dipompakan menuju boiler melalui beberapa tingkat pemanas. Pemanasan yang pertama melalui tiga tingkat High Pressure Heater (HP Heater) yaitu HP Heater 5, 6, dan 7. HP Heater 5 dan 6 media pemanasnya berupa uap panas yang berasal dari Intermediate Pressure Turbine (IP Turbine). Sedangkan HP Heater 7 menggunakan uap panas yang berasal dari high pressure turbine (HP Turbine). Selanjutnya air dipompakan menuju Pemanas Awal Tekanan Tinggi (HP Heater 5, 6, dan 7). HP Heater 7 memanaskan fluida kerja dengan memanfaatkan uap keluaran HP Turbine tingkat 1. HP Heater 6 memanaskan fluida kerja dengan memanfaatkan steam keluaran IP Turbine tingkat 1 dan uap bekas pemanasan di HP Heater 7. HP Heater 5 memanaskan fluida kerja dengan memanfaatkan uap keluaran IP Turbine tingkat 2 dan uap bekas pemanasan di hp heater 6. Selanjutnya uap bekas pemanasan di HP Heater 5 dimanfaatkan untuk memanaskan deaerator. Temperatur air yang keluar dari HP Heater 5, 6, dan 7 masing-masing adalah 173 o C, 201 o C, dan 251 o C. HP Heater berkonstruksi tipe pipa, dimana air pengisi mengalir melalui pipa dan dipanaskan oleh uap yang mengalir disekitar pipa, kemudian air melalui tingkat pemanas selanjutnya yaitu 30
economizer, economizer ini berada di dalam boiler, dengan memanfaatkan gas buang dari hasil pembakaran yang masih mempunyai temperatur yang tinggi sebagai pemanasnya. Air yang keluar dari economizer ini mempunyai temperature sekitar 308 o C. Fluida kerja kemudian ditampung dalam Steam Drum/Main Drum, kemudian melewati Down Comer dan Wall Tube. Wall Tube terpasang di empat sisi dinding boiler sehingga perpindahan panas disini berlangsung secara radiasi, didalam Wall Tube sirkulasi air dan uap berlangsung secara alamiah karena perbedaan massa jenis antara air dan uap. Adapun tujuan dari pemanas-pemanas tersebut diatas adalah untuk memanaskan air yang masuk boiler agar perbedaan suhu air yang keluar dari boiler tidak terlalu jauh dengan suhu air yang masuk ke dalam boiler. Karena kalau perbedaan suhunya terlalu jauh maka batubara yang dibutuhkan sebagai bahan bakarnya lebih banyak dan juga tidak ada material pembuat boiler yang mampu menahan proses peningkatan temperatur sampai setinggi itu. Air yang masuk ke dalam boiler terkumpul pada Steam Drum. Disini sudah di mulai terjadinya siklus aliran uap, dimana Steam Drum selain sebagai tempat memasukkan air ke Steam Drum juga tempat terjadinya pemisahan uap dan air. Ketika uap telah terbentuk uap tersebut dipanaskan kembali oleh dua tingkat Superheater yaitu Primary Superheater dan Secondary Superheater. Uap yang keluar dari Superheater merupakan uap kering yang temperaturnya mencapai 540 o C dengan tekanan 174 kg/cm 2. Uap kering yang keluar dari Superheater digunakan untuk memutar High Pressure Turbine (HP Turbine). Keluar dari High Pressure Turbine ini, uap mengalami penurunan temperatur dan tekanan. Kemudian uap dimasukkan kembali ke dalam Boiler melalui Reheater agar dicapai temperatur semula untuk menggerakkan Intermediate Pressrure Turbine (IP Turbine) dan steam keluaran dari IP Turbine kemudian dimasukkan ke Low Pressure Turbine (LP Turbine) 1 dan 2. Antara HP Turbine, IP Turbine, dan LP Turbine terletak pada satu poros. Dengan demikian energi gerak yang dihasilkan dari ketiga turbin tersebut terpusat pada poros utama. Dengan 31
mengkopel poros utama pada generator maka energi gerak tersebut dapat di ubah menjadi energi listrik. Uap yang keluar dari LP Turbine masuk ke dalam kondensor. Tekanan pada kondensor di usahakan serendah mungkin agar terjadi kondensasi uap secara cepat. Di dalam kondensor ini uap di ubah menjadi air dengan media pendingin air laut yang diisap oleh Pompa Pendingin (Cooling Water Pump). Selanjutnya uap kondensat yang telah berubah menjadi air ini di pompakan oleh Condensate Extraction Pump menuju ke LP Heater dan deaerator. Demikian seterusnya siklus aliran air dan uap ini berlangsung sehingga dapat menghasilkan tenaga listrik. Gambar 3.3. Sirkulasi Air dan Uap Unit 1-4 PLTU Suralaya 32
D. Siklus Udara dan Gas Salah satu unsur penting dalam reaksi pembakaran adalah oksigen. Oksigen diperoleh dari udara. Udara yang dipergunakan untuk pembakaran batu bara terdiri dari udara primer dan udara sekunder. Udara primer yang bersuhu 40 o C dihisap oleh Primary Air Fan setelah sebelumnya melalui saringan udara. Udara ini kemudian dipanaskan pada Primary Air Preheat Steam Coil, lalu dipanaskan lagi pada Primary Air Heater atau Mill Air Heater hingga suhunya mencapai 280 o C dengan memanfaatkan gas panas setelah melewati dari ekonomiser agar kandungan air dalam udara menguap. Udara ini kemudian disalurkan ke penggiling batubara (Mill Pulverizer atau Crusher). Udara panas ini akan memanaskan batubara dan mengeringkan batubara. Lalu udara primer ini membawa batubara yang sudah dihancurkan menjadi serbuk dengan ukuran 200 mesh menujuke burner pada boiler. Jadi udara primer berfungsi untuk memanaskan batubara dan mentransfer batubara menuju ruang bakar. Sedangkan udara sekunder dihisap dengan Forced Draft Fan setelah sebelumnya juga melalui sarngan udara, kemudian dipanaskan dengan uap pada Steam Coil Air Heater (SCAH) sampai dengan temperatur sekitar 130 o C. Udara keluar elemen pemanas tersebut kemudian menuju Secondary Air Heater untuk dipanaskan lagi dengan memanfaatkan gas pembakaran setelah melewati ekonomiser. Tujuan pemanasan ini adalah agar udara cukup panas (sekitar 340 o C) hingga memudahkan proses pembakaran. Dari pemanas ini udara sekunder dialirkan ke Wind Box yang di hubungkan ke lubang udara udara pembakaran pada burner. Fungsi udara selain sebagai udara pembakaran juga sebagai pendingin bagian-bagian pembakar (Firing System) agar tidak rusak karena panas (radiasi) api. Didalam boiler terjadi pencampuran antara batubara serbuk, udara sekunder dan udara primer yang kemudian dibakar. Hasil pembakaran berupa gas dan abu. Gas panas yang dihasilkan dialihkan ke saluran (Duck) untuk memanaskan steam drum, pipa-pipa Wall Tube dan Down Comer, pipa pemanas lanjut (Superheater), pemanas ulang (Reheater) dan ekonomiser 33
(Economizer). Setelah dari Economizer gas masih bertemperatur tinggi yaitu sekitar 400 o C dan dipergunakan sebagai sumber untuk memanaskan udara pada Air Heater. Keluar dari boiler, gas dialirkan ke Electrostatic Precipitator untuk diambil abu sisa pembakarannya dengan efisiensi 99,5%. Sedangkan sisanya bersama udara dihisap oleh Induced Draft Fan dan akhirnya dibuang ke lingkungan melalui cerobong (Stack). Gambar 3.4. Sistem aliran udara dan gas Unit 1-4 PLTU Suralaya 34
E. Siklus Batubara dan Abu Batubara yang dibongkar dari kapal selanjutnya diangkut dengan menggunakan Conveyor menuju tempat penyimpanan sementara (Temporary Stock) dan selanjutnya batubara tersebut dibawa ke Coal Bunker diteruskan ke Coal Feeder yang berfungsi mengatur jumlah aliran batu bara ke Mill Pulverizer. Didalam Mill Pulverizer, batubara ini dihancurkan dari diameter 5 cm menjadi serbuk yang sangat halus sepeti tepung dengan ukuran 200 mesh Serbuk batubara ini dicampur dengan udara primer, yaitu udara panas yang bersumber dari Primary Air Fan. Udara ini dimanfaatkan untuk mendorong serbuk batubara dari Pulverizer menuju ke Coal Burner di boiler melalui Coal Pipe untuk proses pembakaran. Di dalam Coal Burner, batubara dan udara primer dicampur dengan udara sekunder yang dipanaskan di dalam Secondary Air Heater dan dialirkan oleh Force Draft Fan. Dalam proses pembakaran persentase perbandingan udara adalah 20% udara primer dan 80% udara sekunder. Kemudian setelah terjadi pembakaran dihasilkan limbah abu. Abu tersebut terdiri dari 80% Fly Ash yang terbang terbawa aliran gas buang dan 20 % berupa Bottom Ash terjatuh ke dasar boiler. Fly Ash terbawa melewati Electrostatic Prescipitator akibat dari tarkan (hisapan) Induce Draft Fan. Induce Draft Fan berfungsi untuk menghisap abu terbang hasil pembakaran dan menjaga tekanan boiler pada -10 mmwg, supaya jika terjadi kebocoran pada boiler, api tidak tersembur keluar boiler. Electrostatic Prescipitator berfungsi untuk menangkap 99,5 % Fly Ash dengan system elektrode dan 0,5 % sisanya dibuang melalui cerobong (Stack). Dari 99,5 % Fly Ash itu dikumpulkan dan diambil dengan alat yaitu Pneumatic Gravity Conveyor pada unit 1-4 dan pada 5-7 menggunakan kompresor. Abu tersebut digunakan sebagai material untuk bahan pembuat jalan, beton semen dan bahan bangunan (conblock). 35
Untuk menjaga agar abu yang dikeluarkan dari cerobong asap tidak terakumulasi di daerah yang sempit, cerobong untuk unit 1-4 di buat setinggi 200 meter dan cerobong untuk unit 5-7 dibuat setinggi 275 meter. Sedangkan Bottom Ash jatuh didasar boiler ditampung oleh bak SDCC (Submerged Drag Chain Conveyor). Abu Bottom Ash ini juga di gunakan sebagai material untuk pembuat jalan, beton semen dan bahan bangunan (conblock). Gambar 3.5. Sistem Aliran Bahan Bakar Unit 1-4 PLTU Suralaya 36