III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan tempat Penelitian ini dilaksanakan di PT Energi Alamraya Semesta, Desa Kuta Makmue, kecamatan Kuala, kab Nagan Raya- NAD. Penelitian akan dilaksanakan pada bulan April Mei 2012. 3.2 Bahan dan alat Objek yang dilakukan pengujian kinerja pada penelitian ini adalah Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Energi Alam Raya Semesta yaitu boiler serta tungku pembakaran, turbin, dan generator.alat ukur yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah semua alat ukur sensor yang terpasang diruang pengendali (control room) dan alat ukur yang terpasang di lapangan. Bahan yang dipergunakan dalam kegiatan uji kinerja ini adalah batubara, air dan udara. 3.3 Batasan sistem Analisa efisiensi pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Energi Alam Raya Semesta dengan bahan bakar batubara ini dibatasi hanya pada peralatan utama seperti boiler, turbin dan generator. Peralatan pendukung tidak dihitung karena menurut pengamatan di lapangan, peralatan pendukung tidak terlalu mempengaruhi nilai efisiensi suatu sistem PLTU. Sehingga, sub sistem yang dihitung dalam penelitian ini adalah : 3.3.1 Sistem pembakaran pada Boiler yang dilengkapi dengan tungku bahan bakar Untuk menghitung efisiensi suatu boiler dengan tungku pembakaran berdasarkan perbandingan total output yang berupa steam dan total input yang berupa jumlah bahan bakar dan udara. Proses pembakaran perlu untuk memperhatikan berbagai faktor yang mempengaruhi efisiensi seperti : - Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam Kg/jam - Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam Kg/jam - Tekanan kerja (bar) - Suhu air umpan ( o C) - Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam KKal/Kg bahan bakar. - Entalpi steam jenuh dalam KKal/Kg steam - Entalpi air umpan dalam KKal/Kg air. - Massa udara sebenarnya yang dipasok /Kg bahan bakar (AAS) 3.3.2 Turbin dan generator Untuk menghitung efisiensi turbin dan generator sebagai sebuah kesatuan, hal yang harus diperhatikan adalah efisiensi yang didapatkan merupakkan total dari hasil konversi listrik dan pemanfaatan panas dalam persen (%). Faktor faktor yang mempengaruhi efisiensi turbin uap dan generator adalah adalah : - Entalpi steam pada saluran masuk turbin, h1 (Kkal/Kg) - Entalpi steam pada ekstraksi tahap 1, h2 (Kkal/Kg) 27
- Entalpi steam pada ekstraksi tahap 2, h3(kkal/kg) - Entalpi steam pada kondensor, h4(kkal/kg) - Entalpi steam yang masuk boiler (Kkal/Kg) - Efisiensi boiler (%) - Entalpi steam keluar boiler (Kkal/Kg) - Input turbin (Kkal/Kg) - Ouput turbin = input generator (MW) - Output generator (MW). Catatan : 1 Kkal= 1.16 x 10-3 KWh 3 3.4 Parameter pengukuran Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah : 3.4.1 Sub Sistem tungku pembakaran dan boiler Parameter yang diukur adalah konsumsi batu bara per jam (TPJ), jumlah air umpan (TPJ) dan jumlah steam yang dihasilkan (TPJ). Data yang dibutuhkan adalah suhu air umpan ( 0 C), tekanan steam (Kg/cm 2 (g)), suhu steam ( o C) massa udara aktual yang dipasok (Kg/Kg bahan bakar), kebutuhan udara teoritis (Kg/Kg bahan bakar), suhu udara yang dipasok ( 0 C), suhu gas buang ( 0 C), suhu ambien ( 0 C). 3.4.2 Sub Sistem turbin uap Parameter yang diukur adalah daya uap (MW) yang dihasilkan oleh perputaran sudu-sudu turbin. Data yang diperlukan meliputi konsumsi steam (TPJ), tekanan steam (bar), suhu steam ( 0 C) dan entalpi steam (BTU/lb). 3.4.3 Sub sistem generator Parameter yang diukur adalah jumlah daya listrik yang dihasilkan (MW). Data yang diperlukan adalah besarnya output turbin yang berupa daya uap (MW) dan output generator (MW). 3.5 Metode pengambilan data 3.5.1 Tahap pendahuluan Pada tahap ini dilakukan pengelompokan sumber data yang diperlukan seperti kondisi dan pola produksi steam pada boiler dan mengidentifikasi data-data tersebut. Setelah itu dilakukan analisi data untuk mementukan metode pengambilan data dalam kurun waktu 2 minggu (7-20 April 2012) sampai terbentuk data yang berpola. Sehingga data tersebut dapat dievaluasi pada tahap pemeriksaan menyeluruh. 3.5.2 Pemeriksaan menyeluruh Setelah ditemukan metode pengambilan data, selanjutnya dilakukan pemeriksaan menyeluruh dengan melakukan pengamatan terhadap alat ukur yang digunakan dan melakukan analisa, baik terhadap alat yang digunakan secara kontinu maupun alat yang bersifat tidak tetap. Tahapan selanjutnya dari pemeriksaan menyeluruh ini adalah melakukan pemeriksaan dan pencacatan atau pengambilan data. Pengambilan data dilakukan dengan 2 (dua) cara yaitu : 1. Pengumpulan data primer Pengumpulan data primer dilakukan dengan cara mengumpulkan dan menganalisa data data yang dibutuhkan untuk setiap parameter pada setiap sistem dengan 28
menggunakan berbagai alat ukur yang terdapat di lapangan. Waktu yang dibutuhkan untuk pengamatan dan pengambilan data primer serta frekuensi pengambilan data ditentukan setelah dilakukan tahap pendahuluan yaitu selama 2 minggu (7-20 April) dengan frekuensi pengambilan data per jam. Data-data yang diambil yaitu : Pengamatan dan pengukuran pada boiler uap dan data yang diambil adalah suhu uap, tekanan uap, suhu air umpan, laju alir massa air umpan, laju alir massa batubara. Selengkapnya data yang akan digunakan berdasarkan parameter (dalam uraian 3.3). Secara umum, alat yang digunakan adalah peralatan pengukur daya listrik, peralatan untuk analisa pembakaran, manometer, termometer, flowmeter, tachometer, alat pendeteksi kebocoran dan pengukur lux serta alat yang terpasang pada ruang kendali (control room). 2. Pengumpulan data sekunder Data sekunder merupakan data penunjang lainnya yang diperoleh dari pihak instansi termasuk data yang tidak dapat diukur di ruang pengendali (control room) seperti data komposisi batubara yang telah diuji di laboratorium oleh pihak instansi. 3.6 Pengolahan data dan analisis Uji kinerja yang dilakukan pada boiler di pembangkit listrik tenaga uap ini dilakukan pada setiap tahapan yang telah ditentukan. Semua perhitungan akhir energi dikonversikan ke dalam satuan energi yang sama. 1. Energi bahan bakar batubara Energi bahan bakar batubara dalam proses produksi uap untuk menghasilkan listrik dapat dihitung dengan persamaan berikut : EB=MB * LHV EB = energi batubara (KJ/jam) MB = laju aliran massa batubara (lb/jam) LHV = Low Heating Value batubara (KJ/lb) Pada perhitungan energi bahan bakar batubara, satuan yang digunakan untuk laju aliran massa adalah lb/jam dikarenakan nilai LHV yang diperoleh memiliki satuan KJ/lb. 2. Energi oksigen yang terkandung dalam udara Kebutuhan energi oksigen yang terkandung dalam udara pada proses pembakaran dapat dihitung dengan persamaan berikut : Eudara = Energi udara (KJ/jam) Eudara = Mudara * Mudara = laju aliran massa oksigen yang terkandung dalam udara secara teoritis (Kg.mol/jam) Cpu = Panas jenis udara (KJ/Kg.mol) T1 = Suhu reference (298 o K) T2 = Suhu udara ( o K) 29
Nilai panas jenis udara merupakan fungsi integral terhadap suhu, nilai Cp dapat dihitung dengan menggunakan tabel Heat Capacity for Inorganic Compounds and Elements. 3. Energi air umpan boiler Kebutuhan energi air umpan boiler dalam proses produksi steam dapat dihitung dalam persamaan berikut : Eair = Mair * Eair = energi air umpan ketel (KJ/jam) Cpa = panas jenis air umpan ketel (KJ/Kg.mol) T1 = suhu reference (298 o K) T2 = suhu air umpan ketel ( o K) Nilai panas jenis air umpan boiler merupakan fungsi integral terhadap suhu, nilai Cp dapat dihitung dengan menggunakan tabel Heat Capacity for Inorganic Compounds and Elements. 4. Energi uap Energi uap yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan berikut : Es = Ms * h Es = Energi uap (KJ/jam) Ms = laju aliran massa uap (Kg/jam) h = Entalpi uap pada tekanan dan suhu tertentu (KJ/Kg) 5. Efisiensi penggunaan energi Efisiensi penggunaan energi dalam proses produksi uap panas (steam) adalah sebagai berikut : a. Efisiensi rill Efisiensi rill yaitu perbandingan antara jumlah energi berguna dengan jumlah energi input. Energi rill dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : = (Eberguna / Ein ) x 100 % = efisiensi rill (%) Eberguna = Energi berguna (KJ/jam) Ein = Energi input (KJ/jam) b. Efisiensi teknis Efisiensi teknis yaitu perbandingan efisiensi terukur ( dengan efisiensi alat/mesin terpasang. Efisiensi teknis dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : / ) x 100 % = Efisiensi teknis (%) = Efisiensi alat / mesin menurut spesifikasi (%) = Efisiensi rill (%) 30
Setelah itu dilakukan perhitungan untuk mengetahui tingkat efisiensi boiler berdasarkan tingkat kehilangan (losses) panas dalam boiler. Terdapat beberapa tahapan proses yaitu : Tahap 1. Menghitung kebutuhan udara teoritis =[(11,43 x C)+{34,5 x (H2-02/8)}+(4,32 x S)]/100 Kg/Kg bahan bakar Tahap 2. Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA) =persen O2 x 100/(21-persen O2) Tahap 3. Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok / Kg bahan bakar (AAS) ={1 + EA/100} x udara teoritis Tahap 4. Menghitung seluruh kehilangan panas i. Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oleh gas buang yang kering = (m x Cp x (Tf-Ta) x 100) / (CGV bahan bakar ) m = massa gas buang kering dalam Kg/Kg bahan bakar m = (massa hasil pembakaran kering / Kg bahan bakar) + (massa N2 dalam massa udara pasokan yang sebenarnya). Cp = Panas jenis gas buang (0.23 kkal/kg) ii. Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar =[9 x H2 {584+Cp(Tf-Ta)} x 100] / GCV bahan bakar Dimana : H2 = Persen H2 dalam 1 Kg bahan bakar Cp = panas jenis superheated steam (0,45 Kkal/Kg) iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar =[M {584 + Cp (Tf-Ta)} x 100] / GCV bahan bakar Dimana : M = persen kadar air dalam 1 Kg bahan bakar Cp = panas jenis steam lewat jenuh / superheated steam (0.45 Kkal/Kg) iv. Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara = [AAS x faktor kelembaban x Cp (Tf-Ta) x 100] / GCV bahan bakar Cp = panas jenis steam lewat jenuh / superheated steam (0.45 Kkal/Kg) v. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang / fly ash = [Total abu terkumpul / Kg bahan bakar yang terbakar x GCV abu terbang x 100] / GCV bahan bakar 31
vi. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah / bottom ash = [Total abu terkumpul per Kg bahan bakar terbakar x GCV abu bawah x 100] / GCV bahan bakar vii. Persen kehilangan panas karena radiasi Tahap 5. Menghitung efisiensi boiler (%) dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (n) Rasio penguapan = 100 (i + ii + iii + iv + v + vi + vii) = panas yang digunakan untuk pembangkitan steam / panas yang ditambahkan ke steam. Tahap 6. Menghitung efisiensi turbin uap (%) Efisiensi total = x 100% Output turbin = energi panas yang digunakan turbin (Kkal/jam) Input turbin = energi panas yang dibutuhkan turbin (Kkal/jam) Tahap 7. Menghitung efisiensi generator Terdapat beberapa metode yang dapat digunakan dalam menentukan efisiensi generator. Metode yang dipilih tergantung pada kondisi dan data yang tersedia di lapangan. Beberapa jenis metode tersebut adalah : = ( output generator / input generator ) x 100 % Input generator = output turbin (Watt) = tekanan (N/m 2 ) x debit uap (m 3 /s) Output generator = daya listrik yang dihasilkan (Watt) = ( output generator / input generator ) x 100 % Input generator (Watt) = Torsi (N m) x (rad/s) Output generator (Watt)= daya listrik yang dihasilkan 32