BAB III LANDASAN TEORI

BAB III LANDASAN TEORI 3.1 Sistem kerja PLTU Sistem PLTU merupakan sistem pembangkit energi listrik yang memiliki empat komponen utama, yaitu : ketel, turbin, kondensor dan pompa. Ketel berfungsi sebagai penghasil fliuda kerja (uap), tubin berfungsi sebagai penggerak generator, kondensor berfungsi senbagai pengkondensasian uap setelah siklus Rankine. Siklus Rankin terdiri dari beberapa proses : 1. 2 Proses pemompaan isentronik, berlangsung di dalam pompa. 2. 3 Proses pemasukan kalor atau pemanasan pada temperatur konstan, yang berlangsung di dalam ketel. 3. 4 Proses ekspansi isentropik di dalam turbin. 4. 1 Proses pengeluaran kalor atau pembuangan pada tekanan konstan, yang berlangsung di dalam kondensor. Garis k K pada diagram T s dan h s dinamakan garis cair jenuh, dimana pada sebelah kiri garis tersebut fluida kerja dalam kondisi cair. Garis K-k dinamakan garis uap jenuh, dimana pada sebelah kanan garis tersebut biasanya dinamakan uap kering. Sedangkan daerah dibawah garis lengkung k-k-k merupakan daerah campuran antara fasa cair dan uap. Uap didalam daerah tersebut biasa dinamakan uap basah. Titik K dinamai titik kritis, dimana temperatur dan tekanan pada titik tersebut dinamai temperatur kritis dan tekanan kritis. Untuk mempermudah mengetahui fasa dari fluida biasanya dikatakan bahwa fluida dalam keadaan fluida fasa cair apabila temperatur dibawah temperatur Tc (374,2 o c) dan dalam keadaan fasa uap apabila temperaturnya lebih KERJA PRAKTEK 18

tinggi dari temperatur Tc. Namun perubahan dari fasa cair ke fasa uap tidak dapat diketahui dengan pasti dan dimana perubahan tersebut terjadi. Statika di atas merupakan siklus ideal, dalam kenyataan siklus turbin uap menyimpang dari siklus ideal. Hal ini biasa disebabkan oleh beberapa faktor : 1. Kerugian di dalam pipa/saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfear. Dengan demikian tekanan dan temperatur uap masuk lebih rendah daripada keadaan ideal. 2. Kerugian tekanan di dalam ketel uap, dengan demikian air yang masuk kedalam ketel harus bertekanan lebih tinggi dari pada tekanan uap yang harus di hasilkan, sehingga diperlukan kerja pompa yang lebih besar. 3. Kerugian energi di dalam turbin, disebabkan karena adanya gesekan antara fluida kerja dengan bagian dari turbin. Disamping itu juga terdapat kerugian kalor ke atmosfear, namun tidak begitu besar jika dibandingkan dengan kerugian gesekan. 4. Kerugian di dalam pompa, misalnya kerugian gesek, kerugian tekanan, dan kerugian kalor ke atmosfear, kerugian gesekan pada pompa dapat menyebabkan daya hisap pompa dapat berkurang, oleh sebab itu untuk mengatasi kerugian tersebut kecepatan aliran fluida harus dibatasi. 5. Kerugin di dalam kondensor, misalnya : proses pendinginan dibawah tempertur jenuh dari kondensat yang keluar dari kondensor. Hal ini menyebabakan diberikannya perpindahan kalor 9 pendingin lebih banyak dari keadaan idial. Kerugian di dalam turbin dapat mempengaruhi efisiensi turbin, disamping itu dapat memperbesar kemungkinan terjadinya erosi pada sudu. Salah satu usaha untuk menaikan efisiensi turbin adalah dengan menaikan tekanan uap dan melakukan pemanasan ulang. Dengan pemanansan ulang bukan hanya dapat memperoeh efisiensi yang lebih baik, tetapi juga menghindari terjadinya uap keluar turbin dengan kadar air yang terlampau tinggi. Skema sebuah turbin uap sederhana yang bekerja berdasarkan siklus Rankine dapat digambarkan sebagai berikut. KERJA PRAKTEK 19

3.2 Pengertian Umum PLTU PLTU merupakan suatu sistem pembangkit tenaga listrik yang mengkonversikan energi kimia listrik dengan menggunakan uap air sebagai fluida kerjanya, yaitu dengan memanfaatkan energi kinetik uap untuk menggerakkan poros sudu-sudu turbin. Sudu-sudu turbin menggerakkan poros turbin, untuk selanjutnya poros turbin menggerakkan generator. Dari generator inilah kemudian dibangkitkan energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan akan mensuplai alat-alat yang disini disebut beban. 3.3 Komponen Dasar PLTU 3.3.1 Turbin Turbin merupakan mesin penggerak utama yang menggerakan generator dalam sistem PLTU. Didalam turbin energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Fluida kerja setelah memutar turbin tekanan dan temperaturnya akan turun, oleh karena itu didalam turbin akan terjadi proses ekspansi uap. Turbin uap termasuk dalam kelompok pesawar-pesawat konversi energi yang mengkonversikan energi potensial uap menjadi energi mekanik pada poros turbin. Sebelum di konversikan kedalam energi mekanik, terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi kinetik dalam nozel dan sudu-sudu gerak. Turbin uap dapat merupakan turbin impuls maupun turbin reaksi. Turbin impuls adalah dimana proses ekspansi ( penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi di dalam baris sudu tetap saja. Sedangkan turbin reaksi adalah turbin dimana proses ekspansi dari fluida kerja terjadi baik didalam sudu tetap maupun sudu gerak. KERJA PRAKTEK 20

1) Turbin Impuls Turbin impuls dapat merupakan turbin impuls sederhana( bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat (turbin retaeu), pada turbun impuls uap masuk ke dalam nozle dan kecepatan uapnya naik karena nozle adalah sudu pengarah dan berfungsi menaikan kecepatan uap, setelah itu uap masuk kedalam baris sudu, pada bagian ini tekanan dijaga konstan, tetapi tekanan absolutnya turun, ini disebabkan karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja memutar sudu turbin. Grafik tekan dan kecepatan absolut dari fluida kerja memutar sudu turbin, reaksi dapat dilihat pada gambar. Gambar 3.3 Grafik tekan (P), kecepatan absolut (C), kecepatan relatif (V), dan volume spesifik fluida (1/y) didalam turbin impuls Sumber : Manual Book for Steam turbine Volume I unit 1, 2 dan 3, PJB Muara Karang 2) Turbin Reaksi Turbin reksi disebut juga turbin parsons sesuai dengan nama pembuatnya yang bernama, Sir Charles parons. Turbin reaksi kebanyakan menggunakan derajat 50%, sehingga diperoleh perubahan energi fluida kerja mekanis baik. Grafik tekan dan kecepatan absolut dari fluida kerja di dalam turbin reaksi dapat dilihat pada gambar 3.3. KERJA PRAKTEK 21

Turbin terdiri dari beberapa bagian utama: 1) Rumah Turbin Fungsi rumah turbin adalah mendistribusikan uap kedalam sekeliling sudu pengatur untuk mendapatkan tekanan dan kecepatan yang sama. Rumah turbin memiliki sudu tetap yang berfungsi untuk mengarahkan aliran uap kedalam sudu. 2) Rotor Rotor adalah bagian yang berputar dari turbin yang letaknya berada didalam rumah turbin, rotor berfungsi memutar rumah daya yang memutar atau menggerakan generator. 3) Sudu-Sudu Sudu berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida kerja masuk kedalam turbin. Sudu didalam turbin terbagi menjadi dua, yaitu : sudu gerak dan sudu tetap. Sudu gerak terletak melingkari permukaan rotor turbin, sehingga sudu tersebut bergerak bersama dengan rotor. Sudu tetap terletak bersatu dengan rumah turbin, sudu tetap berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida kerja masuk kedalam sudu kerja berikutnya, tetapi juga dapat berfungsi sebagai nosel. 3.3.2 Generator Generator merupakan mesin yang mengubah energi mekenik (energi putar) menjadi energi listrik yang dapat memenuhi kebutuhan listrik, baik penerangan maupun proses produksi industri. Generator pada dasarnya terdiri dari lilitan kawat (konduktor) atau bagian yang dapat di putar (rotor), dan bagian yang diam (stator) sebagai pembangkit medan magnit. Konduktor yang berputar dalam suatu medan magnet statis akan menimbulkan GGL ( Garis Gaya Listrik ) disekitar penghantar kawat. KERJA PRAKTEK 22

Generator terdiri dari beberapa bagian utama, yaitu: 1. Kerangka utama Merupakan landasan mesin dan penyangga bagian-bagian peralatan mesin lainnya. Kerangka utama berguna untuk menyempurnakan medan magnet diantara sepatu-sepatu katub. 2. Sepatu Katub Berfungsi sebagai penyangga kumparan medan magnet dan dirancang untuk menghasilkan suatu medan magnet yang terkonsentrasikan. 3. Kumparan Medan Merupakan lilitan kawat yang dibelitkan dengan rapat pada sepatu katub. Kumparan yang dililiti pada inti besi dan di aliri arus listrik akan menimbulkan medan magnet disekitar kumparan tersebut. 4. Kumparan Jangkar Kumparan jangkar adalah bagian generator yang bisa berputar atau bisa disebut rotor. Gambar 3.3 Generator Unit 4 dan 5 PLTU muara Karang Sumber : Data Diklat PJB Muara Karang KERJA PRAKTEK 23

3.3.3 Kondensor Kondensor adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengembunkan uap dengan jalan mendinginkannya. Air pembuangan didalam kondensor dinamai air kondensat. Pemakaian kondensor akan menghasilkan suatu kenaikan efisiensi dari output turbin. Uap kering yang keluar dari turbin, tekanan dan temperaturnya berkurang, akibat dari memutar turbin maka uap kering berubah menjadi uap basah yang kemudian masuk kedalam kondensor. Didalam kondesor inilah terjadi kondensasi, dan adanya pertukaran panas antara air dan uap bekas. Air hasil kondensasi tersebut kemudian ditampung di hotweel. Proses kondensasi di sebabkan karena adanya perubahan volume jenis uap (sekitar 1,79 m 3 /kg pada tekanan atmosfear temperatur tekanan jenuh ) menjadi volume jenis air yang lebih kecil. Pada umumnya kondensor dibagi atas dua jenis, yaitu: 1. Kondensor kontak langsung (direct-contacet) Kondensor kontak langsung mengkondensasikan uap dengan mencampurkannya langsung dengan air pendingin. Pada kondensor jenis ini dilakukan dengan menyemprotkan air pendingin ke uap. Jenis kondensor ini biasa digunakan dalam hal-hal khusus, seperti pada instalasi daya geotermal dan dalam instalasi daya yang menggunakan beda suhu air samudra (OTEC). 2. Kondensor Permukaan Kondensor permukaan merupakan jenis yang paling banyak dipakai di instalasi daya. Alat ini biasanya jenis selongsong dan tabung, dimana mekanismenya perpindahan kalornya adalah pengembunan uap jenuh diluar tabung dan pemanasan dengan konfeksi paksa pada air sirkulasi dalam tabung. KERJA PRAKTEK 24

3.3.4 Condensate Pump Condensate pump berfungsi untuk mengalirkan air dari hasil kondensasi ke lou preassure heater. Pompa ini memiliki ketahanan yang kuat terhadap korosi, karena gas-gas yang bersifat korosif masih terkandung di dalam air. Pipa kondensat beroperasi pada tinggi tekanan yang hampir konstan. Pompa ini digerakan oleh motor listrik yang memiliki kecepatan yang konstan yaitu berkisar antara 1000 sampai 1750 Rpm tergantung dari kapasitas letaknya dibawah permukaan fluida yang akan di pompakan. Pompa kondensat diletakan dibawah kondensor untuk mengurangi tinggi hisap (suction lift) dan pipa hisap dibuat lebih besar untuk menurunkan kerugian akibat kecepatan sebelum imppeler (velicity losses). 3.3.5 Heater Heater ini terdiri dari empat buah yaitu low pressure heater dan high pressure heater. Low pressure heater merupakan pemanas awal bagi air yang akan masuk kedalam boiler. Panas yang digunakan pada uap ekstrasi yang diambil dari turbin uap dari sisi takan rendah sebagai uap ekstrasi. Uap ekstrasi yang digunakan yang di ambil dari turbin uap temperaturnya bekisar 85,5 0 C 119 0 C dan tekananya berkisar 0,6 Kg/Cm 2 abs-1,96kg/cm 2 abs pada saat beban penuh. High pressure heater merupakan panas lanjut setelah dari low pressure. Panas yang digunakan adalah uap ekstrasi yang diambil pada turbin uap pada sisi tekan tinggi, temperature dan tekanan daru uap ekstrasi tersebut adalah 201,2 0 C-237 0 C dan 16,26Kg/Cm 2 abs-32,35kg/cm 2 abs. Dengan adanya heater ini temperature air yang masuk kedalam boiler akan menjadi naik, sehingga dapat menghemat bahan baker karena pada saat furnace tidak membutuhkan bahan bakar yang banyak dalam proses pembuatan uap. KERJA PRAKTEK 25

3.3.6 Daerator Daerator merupakan tanki yang di dalamnya terdapat saluran spray ekstrasi uap tuerbin. Daerator termasuk kedalam heater, namun prinsip kerjanya sedikit berbeda yaitu dengan daerator terjadi kontak langsung antara air dengan uap (uap ekstreksi disemprotkan langsung ke air) sedangkan dalam low dan high preasure heater tidak terjadi kontak langsung antara air dengan uap (air berada didalam pipa yang dikelilingi uap ekstrasi ). Fungsi utama daertor: 1. memisahkan gas O 2 dan CO 2 yang terlarut dalam air, karena gas-gas tersebut menyebabkan korosi pada temperatur tinggi dalam boiler. Cara menghilangkan gas tersebut adalah dengan menyemprotkan uap ekstrasi dari turbin kedalam derator. 2. pemanasan air yang akan masuk kedalam boiler. 3.3.7 Boiler Feed Pump Boiler feed pump merupakan pompa pengumpan air pada boiler. Didalam pompa terjadi pemanasan terhadap air pengisi ketel. Pemanasan ini dimaksud untuk membatasi keausan dan kelonggaran celah di dalam pompa, disamping itu dapat juga menaikan temperatur air, sehingga air di dalam ketel sudah menjadi lebih panas. Pompa ini di disain untuk mensuplai air kedalam boiler dengan sekala yang besar dan kontinyu. 3.3.8 Boiler Boiler atau steam generator adalah suatu bejana tertutup terbuat dari baja. Fungsi dari boiler adalah sebagai penghasil uap karena didalam boiler panas yang di hasilkan dari pembakaran bahan bakar di transfer ke air yang akhirnya akan menjadi uap. KERJA PRAKTEK 26

Boiler terdiri dari: 1. Ekonomizer Ekonomizer adalah tube-tube berbentuk spiral yang ditempatkan di dalam stake. Fungsi ekonomizer adalah sebagai pemanas dari feed water boiler yang akan dimasukan kedalam main drum. Pemanasan yang dimanfaatkan dari gas sisa hasil pembakaran furnace ( ruang bakar ). Dengan adanya ekonomizer ini, bahan bakar menjadi lebih hemat karena feed water boiler menjadi lebih panas sehingga dapat mengurangi jumlah bahan bakar dan dapat mengurangi beban di runag bakar. 2. Ruang bakar Fungsi utama dari ruang bakar adalah untuk menambah energi panas dalam aliran udara dengan menaikan temperatur dari udara tersebut. Diruang bakar terjadi proses pembakaran yang nantinya menghasilkan uap. Syarat terjadinya pembakaran adalah adanya udara, bahan bakar ( residu ), dan api. Apabila salah satu dari ke tiga unsur tersebut tidak ada maka tidak akan terjadi pembakaran. 3. Superheater Merupakan pompa berbentuk U yang menempel langsung pada steam drum dan ujungnya tergabung jadi satu pada keliaran heater. Superheater terletak pada bagian yang terpanas dalam ruang bakar. Superheater berfungsi sebagai pemanas satu rated menjadi superheated ateam yang bertekanan dan bertemperatur tinggi. Pemanasan ini dimaksud untuk menjaga uap dalam kondisi superheated sehingga sudu-sudu tubin terhindar dari korosi dam kavitasi akibat adanya air yang terkandung dalam uap. KERJA PRAKTEK 27

3.3.9 Main Drum Uap yang dihasilkan didalam boiler ditampung di dalam main drum setelah itu akan menuju superheater. Main drum terdiri dari dua sisi, yaitu sisi bagian atas untuk penampungan uap dan bagian bawah sebagai penampungan air akibat terjadi penurunan tekanan pada main drum. Air di dalam main drum akan turun secara alami dikarnakan massa jenis air yang berat serta adanya gaya grafitasi. 3.3.10 Force Draft Faan Proses yang terjadi didalam ruang bakar membutuhkan udara, udara tersebut di alirkan melalui force draft faan. Fan ini diletakan dekat dengan saluran gas sisa pembakaran (cerobong) dimaksudkan sebagai pemanas awal udara yang masuk ke boiler. 3.3.11 Blowdown Merupakan saluran pembuangan fluida baik itu berupa uap maupun air. Blowdown beropersi pada saat sistem turbin mengalami gangguan atau akan dilaksanakan perawatan sehingga air dan uap perlu di buang. 3.3.12 Outfall Outfall merupakan tempat saluran pembuangan fluida pendingin setelah mendinginkan kondensor. KERJA PRAKTEK 28

3.4 Prinsip Kerja PLTU Gambar 3.4 Siklus Tertutup PLTU Sumber : Elektro Indonesia, Meningkatkan Efisiensi PLTU Batubara, November 2008 http://www.elektroindonesia.com/ Prinsip kerja dari PLTU adalah dengan menggunakan siklus air uap air yang merupakan suatu sistem tertutup air dari kondesat atau air dari hasil proses pengondensasian di condenser dan air dari make up water (air yang telah dimurnikan di treatment) dipompa oleh condesat pump ke pemanas tekanan rendah (low pressure heater). Disini air dipanasi kemudian dimasukkan ke deaerator untuk menghilangkan gas udara (oksigen), kemudian air ini dipompa oleh boiler feedwater pump masuk ke economizer. Dari economizer yang selanjutnya dialirkan ke pipa down comer untuk dipanaskan pada wall tubes oleh boiler. Pada wall tubes, air dipanasi berbentuk uap air. Uap air ini dikumpulkan kembali pada steam drum, kemudian dipanaskan lebih lanjut pada super heater. Keluar dari super heater sudah berubah menjadi uap kering yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi dan selanjutnya uap ini digunakan untuk menggerakkan sudu-sudu turbin tekanan tinggi (HP turbin). Untuk Sudu-sudu turbin menggerakkan poros turbin. Hasil dari putaran poros turbin kemudian memutar poros generator yang dihubungkan dengan coupling dari putaran ini dihasilkan energi listrik. Tenaga KERJA PRAKTEK 29

listrik yang dihasilkan dari generator, dinaikkan tegangannya menjadi 150kV untuk kemudian disalurkan dan didistribusikan lebih lanjut ke pelanggan. Uap bekas dari turbin selanjutnya dikondensasikan dari condenser dan bersama dengan air dari make up water pump dipompa lagi oleh condensate pump masuk ke pamanas tekanan rendah, deaerator, boiler feed water pump, pemanas tekanan tinggi, economizer, dan akhirnya menuju boiler untuk dipanaskan menjadi uap lagi. Demikian proses ini akan terjadi dilakukan berulang kali. Gambar 3.4 Pembangkit Listrik Tenaga Uap Sumber : http://images.google.co.id Komponen pembangkit listrik tenaga uap dapat dilihat pada gambar diatas : 1. Circulating water pump 15. Steam turbin 2. Desalination evaporator 16. Burge / kapak 3. Destilate pump 17. Pumping house 4. Make up water tank 18. Fuel oil tank 5. Demin water tank 19. Fuel oil heater 6. Condensor 20. Burner 7. Low heater pressure 21. Forced draught fan KERJA PRAKTEK 30

8. Derator 22. Air heater 9. Boiler feed pump 23. Smoke stack 10. High pressure heater 24. Generator 11. Economizer 25. Main transformer 12. Steam drum 26. Switch yard 13. Boiler 27. Transmission line 14. Super heater Pada gambar diatas dapat kita lihat bagian yang menunjukkan siklus kerja PLTU secara lebih detail. Dengan bantuan diagram mungkin kita dapat lebih memahami prosedur kerja dalam suatu sistem pembangkit tenaga uap. KERJA PRAKTEK 31