BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian HRSG HRSG (Heat Recovery Steam Generator) adalah ketel uap atau boiler yang memanfaatkan energi panas sisa gas buang satu unit turbin gas untuk memanaskan air dan mengubahnya menjadi uap, dan kemudian uap tersebut dipergunakan untuk menggerakkan turbin uap. Pada umumnya HRSG tidak dilengkapi pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar, sehingga tidak terjadi proses perpindahan/penyerapan panas radiasi. Proses perpindahan/penyerapan yang terjadi hanyalah proses konveksi dan konduksi dari gas buang turbin gas ke dalam air yang akan diproses menjadi uap melalui elemen-elemen pemanas didalam ruang boiler HRSG. Gbr. 2.1 Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) HRSG sangat bermanfaat untuk meningkatkan hasil guna (efisiensi) bahan bakar yang dipakai pada unit turbin gas, yang selanjutnya akan menggerakkan unit turbin uap. Sistem pembangkit listrik yang memanfaatkan proses ini yaitu PLTGU (Pusat listrik tenaga gas dan uap). HRSG adalah bagian penting PLTGU, dimana unit pembangkit PLTGU disebut juga Blok PLTGU.
Kapasitas produksi uap yang dapat dihasilkan HRSG tergantung pada kapasitas energi panas yang masih mengandung gas buang dari unit turbin gas yang berarti masih tergantung pada beban unit turbin gas. Pada dasarnya turbin gas yang beroperasi pada putaran tetap, aliran udara masuk kompressor juga tetap, perubahan beban turbin yang tidak konstan dengan aliran bahan bakar tetap, sehingga suhu gas buang juga berubah mengikuti perubahan turbin gas. 2.2 Bagian Bagian Utama HRSG Heat Recovery Steam Generator terdiri dari beberapa bagian elemen yaitu pemanas awal kondensat (kondensat preheater), ekonomiser, evaporator, dan superheater yang masing-masing memiliki fungsi yang berbeda. Pada sub bab ini akan membahas fungsi masing-masing elemen pada Heat Recovery Steam Generator. 1. Pemanas awal kondensat (condensate preheater atau CPH) Pemanas awal kondensat berfungsi memanaskan air yang berasal dari kondensat keluaran turbin uap, kemudian air yang sudah dipanaskan ini dialirkan dan dikumpulkan ke tangki air umpan. Umumnya pemanas awal kondensat ini diletakkan di bagian paling atas sekali dari posisi pipa pipa pemanas yang ada dan diikuti oleh pipa pipa lainnya. 2. Ekonomiser Ekonomiser terdiri dari pipa-pipa air yang ditempatkan pada lintasan gas asap setelah pipa-pipa evaporator. Pipa-pipa ekonomiser dibuat dari bahan baja atau besi tuang yang sanggup untuk menahan panas dan tekanan tinggi. Ekonomiser berfungsi untuk memanaskan air pengisi sebelum memeasuki steam drum dan evaporator sehingga proses penguapan lebih ringan dengan memanfaatkan gas buang dari HRSG yang masih tinggi sehingga memperbesar efisiensi HRSG karena dapat memperkecil kerugian panas pada HRSG tersebut. Air yang masuk pada evaporator sudah pada temperatur tinggi sehingga pipa - pipa evaporator tidak mudah rusak karena perbedaan temperatur tidak terlalu tinggi.
3. Evaporator Evaporator merupakan elemen HRSG yang berfungsi untuk mengubah air hingga menjadi uap jenuh. Pada evaporator dengan adanya pipa pipa penguap akan terjadi pembentukan uap. Biasanya pada evaporator kualitas uap sudah mencapai 0,8 0,98 sehingga sebagian masih berbentuk fase cair. Evaporator akan memanaskan uap air yang turun dari drum uap panas lanjut yang masih dalam fase cair agar berbentuk uap sehingga bisa diteruskan menuju superheater. Perpindahan panas yang terjadi pada evaporator adalah film pool boiling, dimana air yang dipanaskan mendidih sehingga mengalami perubahan fase menjadi uap jenuh. Jenis evaporator ada 2 (dua) jenis yaitu evaporator bersikulasi alami (bebas) dan evaporator bersikulasi paksa (dengan pompa). 4. Superheater Superheater rmerupakan alat yang berfungsi untuk menaikkan temperatur uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut (superheater vapour). Uap lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi didalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik (back stroke) yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya sehingga menimbulkan vakum ditempat yang tidak semestinya di daerah ekspansi. Selain komponen komponen utama HRSG di atas, HRSG juga dilengkapi peralatan bantu lainnya yang fungsinya sangat menunjang kinerja HRSG, antara lain: Drum uap Sebagai wadah yang berfungsi memisahkan campuran air uap dan keluarannya berupa uap jenuh kering (saturated steam), yang kemudian dialirkan ke superheater. Cerobong asap Sebagai laluan yang membantu tarikan gas buang ke atmosfer. Cerobong asap terdiri dari diffuser, diverter dan silencer.
Gambar 2.2 Diagram PLTGU dengan HRSG Single Pressure 2.3 Siklus Gabungan (Combine Cycle) Siklus gabungan adalah suatu siklus yang memanfaatkan gas buang dari turbin gas (PLTGU) untuk memanaskan air dalam ketel, dengan menggunakan heat exchanger berupa HRSG dan uap yang dihasilkan HRSG tersebut digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Gas turbin dari turbin gas keluar pada umumnya 500 C. Disebabkan tekanan rendah, suhu tinggi (entalpi tinggi) ini, gas buang tidak dapat dimanfaatkan menjadi fluida kerja. Regenerator dapat digunakan untuk memanfaatkan gas terbuang ini dengan cara memanaskan gas keluar dari kompressor sebelum masuk ke ruang bakar. Beberapa halangan dalam penggunaan regenerator: 1. Regenerator mengakibatkan penurunan tekanan antara outlet kompressor dan inlet ruang bakar yang menyebabkan naiknya kerja kompressor karena untuk tekanan inlet turbin yang tertentu. Outlet compressor tekanannya harus lebih tinggi.
2. Regenerator menimbulkan naiknya tekanan luar (back pressure) turbin yang menyebabkan turunnya kerja turbin. 3. Regenerator sulit untik melayani debit aliran yang tinggi. Pada gambar 2.3 berikut menampilkan skema pembangkit daya dengan menggunakan HRSG. RB K TG HRSG P TU C Gambar 2.3 Pembangkit daya siklus gabungan Keterangan: P = Pompa HRSG = Heat Recovery Steam Generator TU = Turbin Uap C = Condenser K = Kompressor RB = Ruang Bakar TG = Turbin Gas Pembangkitan daya seperti gambar 2.3 diatas, disamping menghasilkan efisiensi yang tinggi dan keluaran daya yang lebih besar siklus gabungan bersifat luwes, mudah dinyalakan dengan beban tak penuh, cocok untuk operasi beban
besar dan turbin bersiklus mempunyai efisiensi dalam daerah beban yang luas. Kelemahannya berkaitan dengan keruwetannya, karena pada dasarnya instalasi ini menggabungkan dua teknologi didalam satu kompleks pembangkit daya. 2.4 Siklus Turbin Gas Turbin gas merupakan alat yang mengkonversi energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanis melalui proses pembakaran, kemudian energi mekanis tersebut dikonversi oleh generator menjadi energi listrik. Prinsip kerja sistem ini adalah udara atmosfer masuk ke dalam kompresor yang berfungsi menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperaturnya naik. Kemudian udara bertekanan tinggi itu masuk ke dalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara tersebut, sehingga terjadi proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung pada tekanan konstan, sehingga bisa dikatakan bahwa ruang bakar hanyalah digunakan untuk menaikkan temperatur udara. Gas pembakaran yang bertemperatur tinggi itu kemudian masuk ke dalam turbin gas dimana energinya dipergunakan untuk memutar sudu turbin ± 60 % dari daya yang dihasilkan turbin untuk memutar kompresornya sendiri, sisanya baru digunakan untuk memutar generator. Siklus ideal ini terdiri dari 2 proses isobar yang terjadi diruang bakar dan proses pembuangan gas bekas, serta 2 proses isentropik yang terjadi pada kompresor dan ekspansi gas pada turbin. Gambar 2.4 Siklus Turbin Gas Terbuka
Gambar 2.5 Diagram T-s Gambar 2.6 Diagram P-V hal 156) : 1-2 Jalannya proses dapat diterangkan sebagai berikut (Frietz Dietzell, 1992, : merupakan proses kompresi isentropik dalam kompresor, kondisi 1 adalah udara atmosfer, sedangkan temperatur udara hasil kompresi T 2 dapat diketahui dari hubungan: γγ 1 T 2 = T 1. rrrr γγ Dimana : r p = rasio tekanan P 2 /P 1 γ =perbandingan panas spesifik pada tekanan konstan, untuk udara nilai γ = 1,4
2-3 3-4 4-1 : proses penambahan panas pada tekanan konstan dalam ruang bakar, panas yang ditambahkan pada ruang bakar adalah: Q in = C p (T 3 T 2 ) : proses ekspansi isentropik dalam turbin, temperatur gas keluar T 4 dihitung dengan hubungan: γγ 1 T 4 = T 3. 1 γγ rrrr : merupakan proses pelepasan kalor ke lingkungan pada tekanan konstan, besarnya kalor yang dilepas dapat dihitung: Q in = C p (T 4 T 1 ) Kerja netto turbin ( Wnet ) merupakan kerja berguna yang dihasilkan turbin setelah kerja ekspansi dikurangi dengan kerja kompresi. Besar kerja netto turbin adalah: W net = W T - W K = (h 3 h 4 ) (h 2 h 1 ) Daya netto turbin merupakan daya keluaran turbin (daya yang dibutuhkan generator) setelah memperhatiksn kerugian-kerugian, maka daya netto turbin adalah: P net = mm g. WT mm g. WK Efisiensi siklus merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang dengan efektif dengan kalor yang dimasukkan ke sistem (Yunus A.Cengel, 1979), yaitu: η = W net QQ nnnnnn = (h 3 h 2 ) (h 4 h 1 )/(h 3 h 2 ) =1 - h4 h1 h3 h2 2.5 Neraca Kalor Panas pada instalasi turbin gas murni (siklus brayton), panas Q out ini dibuang ke udara atmosfer. Gas yang dibuang ini masih memiliki kandungan energi panas yang tinggi. Dengan menggunakan HRSG panas yang dibuang ini akan dimanfaatkan. Panas yang dibuang ini dimanfaatkan untuk memanaskan air pada HRSG yang distribusikan pada superheater, evaporator, ekonimiser dan preheater.
Apabila dianggap tidak ada kerugian panas ke udara atmosfer peralatan, dapat dituliskan kesetimbangan energi pada setiap peralatan HRSG: 1. Pipa superheater: Q sup = m s (h 7 h 6 ) = m gas (h e h g ) 2. Pipa evaporator: Q eva = m s (h 6 h 5 ) = m gas (h g h f ) 3. Pipa ekonomiser: Q eko = m s (h 5 h 4 ) = m gas (h f - h h ) 4. Pipa preheater: Q pre = m s (h 3 h 2 ) = m gas (h h h 1 ) Jadi, jumlah energi panas yang dimanfaatkan HRSG adalah: Q HRSG = Q sup + Q eva + Q eko + Q pre = m s (h 7 h 2 ) Laju aliran massa uap dapat diperoleh dari hukum kesetimbangan kalor, dimana: Q uap = Q gas mm uap (h 2 h 1 ) = mm gas (h g in h g out ) mm uap = mm gas (h g in h g out ) / h 2 h 1 2.6 Proses Pembentukan Uap Gas buang dari siklus gas masuk ke HRSG untuk mengubah air umpan menjadi uap kering yang akan digunakan untuk memutar sudu-sudu turbin uap hingga dapat memutar beban dalam hal ini generator listrik. Setelah melalui beberapa tingkatan sudu turbin sebagian uap diekstraksikan ke pemanas awal tekanan tinggi dan tekanan rendah, sedangkan sisanya masuk ke kondensor untuk dikondensasikan dan selanjutnya akan dipompakan ke HRSG melalui pemanas air pada tekanan tinggi, dari HRSG ini air umpan yang sudah menjadi uap kering dialirkan ke turbin. Beberapa parameter desain yang penting berkaitan dengan turbin uap adalah tekanan uap masuk turbin. Mengambil tekanan uap masuk lebih tinggi akan menguntungkan, karena ukuran sudu-sudu akan menjadi lebih kecil. Namun tekanan yang terlalu tinggi akan mengakibatkan efisiensi akan menurun.
Parameter lain yang penting dari turbin uap adalah tekanan kondensor, dalam hal ini turbin uap dan kondensor akan disesuaikan dengan Heat Recovery Steam Generator (HRSG). 2.7 Alat Penukar Kalor Alat penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat yang berfungsi sebagai tempat terjadinya perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya tinggi ke tempat temperaturnya rendah atau sebaliknya, tanpa ada pencampuran antara fluida satu dengan fluida lainnya. Kalor yang dilepas fluida panas sebesar: q h = mm h. C h. (tt h1 - tt h2 ) Kalor yang diterima fluida dingin: q c = mm c. C c. (tt cc1 - tt cc2 ) Dimana kalor yang dilepas fluida panas sama dengan klaor yang diterima fluida dingin. Subskrip h dan c masing masing menandakan fluida panas dan dingin. q g = mm. c. dt Dimana c = panas spesifik. T C T C Th 1 Th 1 Th 2 Tc 2 Th 2 Tc 2 Tc 1 Tc 1 L(m) L(m) a.perpindahan panas searah b.perpindahan panas berlainan arah Gambar 2.7 Distribusi temperatur pada alat penukar kalor. Laju pindahan panas dapat dinyatakan dengan beda temperatur rata rata logaritma LTMD:
Q = U. A. LTMD Dimana: U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m 2. C) A = luas permukaan perpindahan kalor (m 2 ) LTMD = Beda temperatur logaritma rata rata ( C) LTMD = (TT h 1 T c 1 ) (T h 2 T c 2 )..(J.P.Holman,1998, hal.491) ln [(TT h 1 TT cc1 )/(TT h 2 TT cc2 )] Persamaan ini dapat digunakan untuk aliran lawan arah. Maka dapat dikatakan LTMD adalah beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda suhu pada ujung yang satu lagi dibagi logaritma almiah dari perbandingan kedua suhu tersebut. Pada proses penguapan evaporasi dan pengembunan (kondensasi) satu fluida tidak mengalami perubahan suhu, walaupun perpindahan panas telah berlangsung diantara kedua fluida. Hal ini disebabkan kalor yang diterima dan yang dilepas oleh fluida (kalor laten) tidak digunakan untuk menaikkan temperatur tetapi digunakan untuk mengubah fase fluida. Distribusi temperatur evaporasi dapat dilihat pada gambar berikut: T C T C Th 1 Th 1 Th 2 Th 2 Tc 1 Tc 2 Tc 1 Tc 2 L(m) a.distribusi temperatur aliran sejajar L(m) b.distribusi temperatur aliran silang Gambar 2.8 Distribusi temperatur pada proses evaporasi
Maka beda suhu rata rata logaritma adalah: LTMD = (TT h 1 T c 1 ) (T h 2 T c 2 ).(J.P. Holman,1998, hal.491) ln [(TT h 1 TT cc 1 )/(TT h 2 TT cc2 )] Gambar 2.9 Faktor koreksi untuk penukar kalor shell and tube