BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Siklus 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. 2.1.1 Siklus Rankine Sederhana (Ideal) Gambar 2.1 Siklus Rankine Sederhana [4] Siklus ini terdiri dari empat proses [4], yaitu : 1. Proses 1-2: kompresi isentropis oleh pompa. 2. Proses 2-3: pemanasan air dalam boiler pada tekanan konstan (air menjadi uap). 6
7 3. Proses 3-4: ekspansi isentropis dalam turbin. 4. Proses 4-1: pelepasan panas pada tekanan konstan dalam kondensor (uap air diembunkan menjadi air). 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.
8 2.1.2 Siklus Rankine Dengan Reheater Gambar 2.2 Siklus Rankine Dengan Reheater [4] Keterangan gambar: 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 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 dikondensasikan menjadi air). 2.2 Pengoperasian PLTU Suralaya 2.2.1 Proses Produksi Tenaga Listrik PLTU Sistem pembangkitan listrik di PT. Indonesia Power UBP. Suralaya merupakan sistem PLTU dengan siklus tertutup dimana pembakaran bahan bakar berupa batubara pada PLTU akan menghasilkan uap untuk memutar
9 turbin uap. Kemudian uap sisa akan dikembalikan menjadi air yang akan kembali dipanaskan untuk menghasilkan uap. Proses pembangkitan listrik pada PLTU yaitu, bahan bakar berupa batubara digiling dengan ukuran yang sesuai kebutuhan menjadi serbuk yang halus. Kemudian serbuk batubara ini dicampur dengan udara panas dari Primary Air Fan dan dibawa ke Coal Burner yang menyemburkan batubara tersebut ke dalam ruang bakar untuk proses pembakaran dan terbakar seperti gas untuk mengubah air menjadi uap. Udara pembakaran yang digunakan pada ruangan bakar dipasok dari Forced Draft Fan (FDF) yang mengalirkan udara pembakaran melalui Air Heater. Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar, diserap oleh pipa pipa penguap (water walls) menjadi uap jenuh atau uap basah yang kemudian dipanaskan di Super Heater (SH) yang menghasilkan uap kering. Kemudian uap tersebut dialirkan ke Turbin tekanan tinggi High Pressure Turbine, dimana uap tersebut diexpansikan melalui Nozzles ke sudu-sudu turbin. Tenaga dari uap mendorong sudu-sudu turbin dan membuat turbin berputar. Setelah melalui HP Turbine, uap dikembalikan kedalam boiler untuk dipanaskan ulang di Reheater guna menambah kualitas panas uap sebelum uap tersebut digunakan kembali di Intermediate Pressure (IP) Turbine dan Low Pressure (LP) Turbine. Sementara itu, uap bekas dikembalikan menjadi air di Condenser dengan pendinginan air laut yang dipasok oleh Circulating Water Pump. Air kondensasi akan digunakan kembali sebagai air pengisi boiler. Air dipompakan dari condenser dengan menggunakan Condensate Extraction
10 Pump, pada awalnya dipanaskan melalui Low Pressure Heater, dinaikkan ke Deaerator untuk menghilangkan gas-gas yang terkandung didalam air. Air tersebut kemudian dipompakan oleh Boiler Feed Pump melalui High Pressure Heater, dimana air tersebut dipanaskan lebih lanjut sebelum masuk kedalam boiler pada economizer, kemudian air masuk ke Steam Drum. Siklus air dan uap ini berulang secara terus menerus selama unit beroperasi. Poros turbin dikopel dengan rotor generator, maka kedua poros memiliki jumlah putaran yang sama. Ketika telah mencapai putaran nominal 3000 rpm, pada rotor generator dibuatlah magnetasi dengan Brushless Exitation System dengan demikian Stator Generator akan membangkitkan tenaga listrik dengan tegangan 23 kv. Listrik yang dihasilkan kemudian disalurkan ke Generator Transformer untuk dinaikan tegangannya menjadi 500 kv [11]. Keterangan : Gambar 2.3. Produksi Tenaga Listrik PLTU Suralaya [11] 1. Stacker Reclaimer 17. Reheater 2. Telescopic Chute 18. Intermediate Pressure Turbin
11 3. Junction House 19. Low Pressure Turbine 4. Scraper Conveyor 20. Rotor Generator 5. Coal Bunker 21. Stator Generator 6. Coal Feeder 22. Generator Transformer 7. Pulverizer 23. Condenser 8. Primary Air Fan 24. Condensate Excraction Pump 9. Coal Burner 25. Low Pressure Heater 10. Forced Draft Fan 26. Sea Water 11. Air heater 27. Deaerator 12. Induced Draft Fan 28. Boiller Feed Pump 13. Electrostatic Precipitator 29. High Pressure Heater 14. Stack 30. Economizer 15. Superheater 31. Steam Drum 16. High Pressure Turbine 32. Circulating Water Pump 2.2.2 Sistem Pengoperasian PLTU Suralaya Sistem operasi PLTU Suralaya khususnya unit 1-4 menggunakan sistem DCS, yaitu Distributed Control System. DCS merupakan suatu sistem kendali yang terdistribusi dimana ditempatkan LCU (Local Control Unit) pada tiap area yang akan dikendalikan dan adanya pusat pengendalian yang mengatur set-point, mengkoordinasikan kerja dari area-area pengendalian dan juga monitoring kerja pengendalian dalam sistem DCS. DCS yang digunakan untuk operasi PLTU Suralaya khususnya unit 1-4 adalah CENTUM CS 3000 R3 yang dibuat oleh perusahaan Yokogawa. Timbulnya konsep sistem kendali terdistribusi adalah untuk mengatasi kelemahan utama sistim kendali terpusat dimana jika terjadi
12 kegagalan Central Processing Unit (CPU) pada pusat maka akan menimbulkan kegagalan pada seluruh sistem. Dengan diterapkannya sistem kendali terdistribusi ini maka kegagalan di suatu area tidak akan mempengaruhi area lainnya secara langsung, karena masing-masing area mempunyai CPU lengkap dengan memori dan input - output nya [9]. Sistem DCS ini digunakan untuk HIS (Human Interface Stations) yang digunakan untuk melakukan operasional dan monitoring plant yang berupa variabel proses, parameter kontrol, alarm, trend, dll. HIS adalah ruang kontrol dimana operator melakukan kontrol operasi dari layar komputer atau disebut kontrol room. Sedangkan perangkat yang mengeksekusi kontrol dan mengkoputasi kontrol di lapangan adalah FCS (Field Control Station) atau otak dari DCS. Sinyal proses input - output dari atau menuju tranducer di lapangan akan dikontrol DCS dan diproses oleh FCS dari ruang kontrol HIS. Perangkat untuk mengkonfigurasi data adalah EWS (Engineering Work Station) yang digunakan untuk modifikasi dari sistem yang sudah ada, juga untuk melakukan kegiatan maintenance dari sistem DCS. Bentuk fisiknya sama seperti HIS, yang membedakan dengan HIS adalah software di dalamnya. EWS dilengkapi dengan BUILDER sebagai sistem operasi tempat melakukan modifikasi. Selama pekerjaan engineering tidak dilakukan, EWS dapat berfungsi sebagai HIS.
13 Gambar 2.4. Konfigurasi HIS [9] 2.3 Peralatan Utama PLTU 2.3.1 Boiler Boiler adalah suatu kombinasi antara sistem-sistem peralatan yang dipakai untuk terjadinya perpindahan panas radiasi dan konveksi energi thermal gas-gas hasil pembakaran ke fluida kerja yaitu air. Sifat perpindahan panas yang terjadi adalah pertama perpindahan sub dingin dimana panas yang diterima digunakan untuk menaikkan temperatur hingga mencapai temperatur cair jenuh. Kemudian mengalami proses kedua yaitu pendidihan dengan konveksi paksa, dimana terjadi proses boiling. Fluida kerja air secara bertahap menjadi fluida uap dan akhirnya menjadi uap jenuh. Pada tahap kedua ini tidak terjadi kenaikan temperatur. Panas yang diterima seluruhnya digunakan untuk terjadi perubahan fase. Apabila diperlukan, pemanasan dapat dilanjutkan dari uap jenuh menjadi uap super panas [2].
14 Gambar 2.5. Kontruksi Boiler [2] 2.3.2 Turbin Uap Pada intinya prinsip kerja turbin uap adalah menerima energi kinetik dari superheated vapour (uap kering) yang dikeluarkan oleh nosel sehingga sudu-sudu turbin terdorong secara anguler atau bergerak memutar. berikut penjelasan prinsip kerja [5]: 1. Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan. Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel. Uap yang memancar keluar
15 dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin. 2. Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkan sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap (guide blade) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat. 3. Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian efisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil.
16 Gambar 2.6. Kontruksi Turbin Uap [5] 2.3.3 Kondensor Kondensor adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengondensasikan uap. Kondensasi adalah perubahan uap menjadi fasa cair yang terjadi ketika uap bersentuhan melalui permukaan kontak yang memiliki temperatur lebih rendah dari temperatur jenuh uap. Energi laten dilepas dan panas dipindahkan sehingga terjadi perubahan fasa pada uap. Kondensor merupakan komponen perpindahan panas yang berperan penting untuk meningkatkan efisiensi pembangkit dalam sistem pembangkit tenaga uap. Fungsi utama kondensor adalah mengkondensasikan uap sisa dari turbin sebelum dikembalikan lagi ke siklus pembangkit serta dapat menurunkan tekanan keluaran turbin sehingga menghasilkan perbedaan entalpi dan menaikan kinerja turbin. Tekanan kondensor yang rendah di bawah tekanan atmosfir menjadikan tekanan vakum pada keluaran turbin, perbedaan tekanan yang besar akan menghasilkan kinerja turbin yang lebih tinggi sehingga akan menambah output energi listrik pada generator dan meningkatkan efisiensi pembangkit.
17 Secara umum kondensor dibedakan atas dua tipe yaitu kontak langsung (direct-contact/open) dan permukaan (surface/shell and tube heat exchanger). Pada kondensor kontak langsung, uap dikondensasikan dengan cara mencampurkannya secara langsung dengan air pendingin, sedangkan pada kondensor permukaan, air pendingin dialirkan melewati pipa-pipa dengan uap berada di bagian luar pipa [1]. Gambar 2.7. Kontruksi Kondensor [1] 2.3.4 Generator Generator adalah alat untuk membangkitkan listrik yang terdiri dari stator dan rotor. Rotor tersebut dihubungkan dengan Shaft Turbine sehingga berputar bersama-sama. Stator bars didalam sebuah generator membawa arus hubungan output pembangkit. Arus DC (Direct current) dialirkan melalui Brush gear yang langsung bersentuhan dengan slip ring yang dipasang jadi satu dengan rotor sehingga akan timbul medan magnit (flux). Jika rotor
18 berputar, medan magnit tersebut memotong kumparan pada stator sehingga pada ujung-ujung kumparan stator timbul tegangan listrik [7]. Gambar 2.8. Kontruksi Generator [7] 2.4 Rumus Perhitungan 2.4.1 Efisiensi Boiler Efisiensi boiler adalah prestasi kerja atau tingkat unjuk kerja boiler atau ketel uap yang didapatkan dari perbandingan antara energi yang dipindahkan atau diserap oleh fluida kerja di dalam ketel dengan masukan energi kimia dari bahan bakar. Dengan kata lain, efisiensi boiler yakni perbandingan antara panas keluar boiler yang terdapat pada uap outlet di superheater dengan panas masuk boiler yang terdapat pada bahan bakar batubara di burner. Persamaan perhitungan efisiensi boiler direct metode [3]:
19 Keterangan: B ṁ MS h 1 ṁ FFW h 2 ṁ HR h 3 ṁ CR h 4 = Efisiensi Boiler = Laju aliran Main Steam (ton/jam) = Enthalpy Main Steam (kcal/kg) = Laju aliran Final Feed Water (ton/jam) = Enthalpy Final Feed Water (kcal/kg) = Laju aliran Hot Reheat (ton/jam) = Enthalpy Hot Reheat (kcal/kg) = Laju aliran Cold Reheat (ton/jam) = Enthalpy Cold Reheat (kcal/kg) 2.4.2 Turbine Heat Rate Turbine Heat Rate adalah banyaknya kalor (kcal) yang dibutuhkan siklus turbin di dalam sistem untuk membangkitkan daya sebesar 1 kwh. Satuannya kcal/kwh [10]. Turbine Heat Rate didefinisikan sebagai perbandingan antara kalor yang diberikan pada siklus turbin dengan daya listrik yang dihasilkan pada terminal generator. Turbine Heat Rate menunjukan secara langsung seberapa efisien suatu siklus uap dapat mengkonversikan energi panas menjadi energi listrik [12]. Persamaan perhitungan Turbine Heat Rate [10]:...Rumus 2 [10]
20 Keterangan: T HR P OG ṁ MS h 1 ṁ FFW h 2 ṁ HR h 3 ṁ CR h 4 ṁ AuxS h 5 ṁ ShSp h 6 ṁ RhSp h 7 = Turbine Heat Rate (kcal/kwh) = Daya Output Generator (kw) = Laju aliran Main Steam (ton/jam) = Enthalpy Main Steam (kcal/kg) = Laju aliran Final Feed Water (ton/jam) = Enthalpy Final Feed Water (kcal/kg) = Laju aliran Hot Reheat (ton/jam) = Enthalpy Hot Reheat (kcal/kg) = Laju aliran Cold Reheat (ton/jam) = Enthalpy Cold Reheat (kcal/kg) = Laju aliran Auxiliary Steam (ton/jam) = Enthalpy Auxiliary Steam (kcal/kg) = Laju aliran Superheater Spray Water (ton/jam) = Enthalpy Superheater Spray Water (kcal/kg) = Laju aliran Reheater Spray Water (ton/jam) = Enthalpy Reheater Spray Water (kcal/kg) Persamaan Perhitungan Cold Reheat Flow dan Hot Reheat Flow [12]: 1. Persamaan Cold Reheat Flow Rumus 3 [12] : Dimana: ṁ DL1 = Dummy Leak 1 Flow (ton/jam)
21 ṁ DL2 = Dummy Leak 2 Flow (ton/jam) ṁ SLH = Governor Valve HP Steam Leak Flow (ton/jam) ṁ SLL = Governor Valve LP Steam Leak Flow (ton/jam) ṁ GRS = Gland Regulator Suplly Steam (ton/jam) ṁ EX7 = Extraction Steam Flow (ton/jam) Keterangan: h 7, yaitu enthalpy feed water outlet HP Heater 7, dimana temperature saturated water didapat dari data ukur. h 6, yaitu enthalpy feed water outlet HP Heater 6, dimana temperature saturated water didapat dari data ukur. h EX7, yaitu enthalpy extraction steam to HP Heater 7, dimana pressure dan temperature didapat dari data ukur. h D7, yaitu enthalpy HP Heater 7 drain, dimana temperature saturated water didapat dari data ukur.
22 2. Persamaan Hot Reheat Flow Dimana: ṁ HR = Laju aliran Hot Reheat (ton/jam) ṁ CR = Laju aliran Cold Reheat (ton/jam) ṁ RhSp = Laju aliran Reheater Spray Water (ton/jam) 2.4.3 Net Plant Heat Rate Heat rate pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah jumlah pasokan energi yang diperlukan untuk menghasilkan listrik sebesar satu kwh [6]. Persamaan perhitungan Net Plant Heat Rate [8]: Keterangan: Net Plant HR T HR B P OG P PS = Net Plant Heat Rate (kcal/kwh) = Turbine Heat Rate (kcal/kwh) = Efisiensi Boiler = Daya Output Generator (kwh) = Daya Pemakaian Sendiri (kwh) 2.4.4 Efisiensi Netto PLTU Net Plant Efficiency atau efisiensi netto PLTU merupakan kinerja sistem pembangkit secara bersih atau netto. Perhitungan ini bertujuan untuk menilai kemampuan unit secara teknis tanpa dipengaruhi oleh kondisi bahan bakar dan keadaan sekitarnya [8].
23 Persamaan perhitungan efisiensi netto pembangkit [8]: Dimana, 1 kwh = 860 kcal Keterangan: Net Plant Net Plant HR = Net Plant Efficiency atau Efisiensi Netto Pembangkit = Net Plant Heat Rate (kcal/kwh)