5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 TEORI DASAR PLTU Pembangkit listrik tenaga uap merupakan salah satu dari jenis pembangkit, dimana pembangkit ini memanfaatkan uap yang dihasilkan oleh ketel uap (boiler) sebagai sumber energi untuk menggerakan turbin (turbine) dan sekaligus memutar generator sehingga akan dihasilkan tenaga listrik. Sistem pembangkit tenaga uap yang sederhana terdiri dari empat komponen utama yaitu boiler, turbin uap, kondensor (condenser) dan pompa kondensat. Skema pembangkit listrik tenaga uap dapat ditunjukkan pada gambar berikut: Gambar 2.1 Skema Pembangkit Listrik Tenaga Uap (Asmudi, 2010) Pada gambar 2.1 diatas menunjukkan proses aliran sederhana dimana uap yang dihasilkan dalam boiler diperlukan oleh turbin untuk menghasilkan kerja. Aliran yang keluar dari turbin melewati kondensor dimana aliran itu dipompa kembali ke boiler. (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)
6 Energi listrik yang dihasilkan oleh Pembangkit Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU) diawali dengan energi panas yang bersumber dari pembakaran batubara yang ditransfer secara radiasi dan konveksi ke fluida kerja. Fase dari fluida kerja berubah dari saturated water, saturated vapor dan menjadi superheated Steam. 2.1.1 Proses produksi PLTU Pada sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), beberapa proses diperlukan untuk menjalankan proses produksi listrik. Hal ini dikarenakan uap yang digunakan sebagai fluida kerja pada turbin mempunyai proses yang panjang karena diperlukan beberapa proses konversi energi dari energi kimia yang terkandung pada batubara, hingga menjadi energi listrik yang dihasilkan oleh generator. Batubara digunakan sebagai bahan bakar untuk memanaskan air umpan dalam boiler sehingga menjadi uap dengan tekanan dan temperatur tertentu yang akan menggerakkan turbin uap, dimana turbin ini juga terkopel dengan generator pada ujung poros sehingga dapat menghasilkan energi listrik. Gambar 2.2. Alur Proses Produksi PLTU (PLN Corporate University, 2014) Sebuah PLTU umumnya mengolah air untuk media kerja yang kemudian diubah menjadi uap dengan tekanan dan temperatur tinggi untuk menggerakkan turbin. Air ini didapat dari air laut yang kemudian diubah menjadi air tawar dan melalui beberapa proses
7 untuk memenuhi standar baku mutu air umpan boiler. Pada boiler, air diubah menjadi uap dengan panas yang dibangkitkan dari pembakaran batubara hingga fase uap superheat yang kemudian dialirkan menuju turbin untuk memutar turbin yang terkopel dengan generator untuk menghasilkan listrik. Sehingga unit PLTU mempunyai beberapa proses yang saling berkaitan untuk menjamin keandalan unit tersebut. Berikut adalah beberapa proses utama yang terdapat pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap: 1. Proses Air (Water Cycle) Proses air berfungsi untuk menyediakan air umpan yang akan digunakan di boiler untuk diubah menjadi uap dengan standar mutu baku air yang disyaratkan oleh boiler. 2. Proses Uap (Steam and Condensate Cycle) Proses uap dan condensate merupakan sistem yang mengatur kondisi fluida kerja pada PLTU, terdiri dari sistem pemanasan uap, ekstraksi uap dan juga sistem kondensasi yang mempunyai keterkaitan dalam pengolahan fluida kerja di unit boiler dan turbin. 3. Proses Generasi Listrik dan Transmisi Generasi listrik dilakukan oleh generator unit dengan kontrol otomatis sesuai dengan parameter beban dan juga frekuensi. Sedangkan sistem transmisi mengatur penyaluran tenaga listrik dari unit ke jaringan tegangan tinggi, jaringan interkoneksi Jawa Bali dan juga untuk kebutuhan konsumsi sendiri pada unit. 4. Proses Batubara Sistem penanganan batubara sebagai bahan bakar dimulai dari dermaga hingga ke silo. Dimana transport batubara menggunakan conveyor dan ditampung pada coal yard untuk penyimpanan bahan bakar ketika akan digunakan. Sistem kontrol emisi yang disebabkan bahan bakar berupa fly ash dilayani oleh Electrostatic Precipitator (ESP) untuk mengurangi partikel abu yang terbuang ke lingkungan. 5. Proses Kontrol PLTU
8 Proses PLTU memiliki sistem kontrol yang diatur oleh DCS untuk mengendalikan semua sistem dan subsistem beserta dengan komponen yang terkait di dialamnya. Sehingga operator hanya mengatur melaui Central Control Room (CCR) untuk dapat menyediakan kebutuhan sistem atau beban. Karena sudah menggunakan sistem otomatis, maka semua komponen yang dikontrol akan bekerja secara bersamaan sesuai dengan output yang diinginkan. 6. Proses Udara dan Gas Buang Proses udara dan gas buang mempunyai kaitan yang erat dengan proses pembakaran pada PLTU, dimana efisiensi unit juga bergantung pada proses pembakaran dan penggunaan bahan bakar. Oleh karena itu akan sangat diperhitungkan dalam proses pengolahan udara pembakaran dan juga gas buang agar didapat kondisi yang optimal untuk menghasilkan pembakaran yang efisien. Proses udara dan gas buang ini mempunyai beberapa komponen pendukung untuk sebuah unit dalam mengatur kebutuhan udara dalam pembakaran serta mengolah gas buang agar energi yang terbuang seminimal mungkin. Komponen tersebut terdiri dari: FD Fan yang mempunyai fungsi untuk menyuplai udara utama yang akan digunakan untuk proses pembakaran. PA Fan membantu mengangkut batubara dengan hembusan udara dari pulverizer menuju ke burner, selain itu udara yang dihembuskan PA Fan membantu dalam mengurangi kadar air di batubara sehingga mempercepat proses pembakaran di furnace. ID Fan berfungsi untuk mengalirkan gas buang dari furnace ke cerobong serta menjaga tekanan furnace pada kondisi negatif untuk mengurangi rugi rugi panas yang disebabkan oleh radiasi. 7. Air Heater digunakan untuk mengolah energi panas yang masih terkandung pada gas buang untuk memanaskan udara pembakaran, sehingga energi panas diregenerasi untuk memberikan tambahan energi input sehingga mempunyai efisiensi yang tinggi karena pembakaran yang terjadi pada furnace lebih optimal.
9 2.2 KOMPONEN UTAMA SISTEM GENERASI LISTRIK Komponen PLTU mempunyai beberapa klasifikasi menurut kontribusi kerjanya, yaitu komponen utama dan juga komponen tambahan yang memberikan proses kerja tertentu untuk menjamin unit bekerja pada kondisi terbaiknya. Komponen utama berupa boiler, pipa pipa air, turbin, dan generator. Sedangakan komponen tambahan adalah komponen yang mendukung kerja komponen utama untuk mendukung keandalan kerjanya. 2.2.1 Boiler Boiler adalah salah satu alat penukar panas, dimana dalam boiler terjadi pembakaran bahan bakar (batubara) yang berfungsi sebagai sumber panas. Panas hasil pembakaran digunakan untuk merubah fase air menjadi uap yang digunakan untuk memutar turbin. Batubara sebelum masuk ke ruang pembakaran (furnace) disalurkan oleh coal feeders menuju coal pulverizer dan selanjutnya didorong ke burner untuk dibakar bersama dengan udara di dalam furnace. Temperatur dari ruang bakar (furnace) dapat mencapai + 1.100 C. Gambar 2.3 Boiler PLTU (PLN Corporate University, 2014) Sistem pengaturan tekanan ruang bakar (furnace pressure) biasa disebut Draft atau tekanan statik didalam ruang bakar dimana proses pembakaran bahan bakar berlangsung. PLTU dengan pressurised boiler (tekanan ruang bakar positif) digunakan untuk pembakaran bahan bakar minyak atau gas. Tekanan ruang bakar yang positif diakibatkan
10 oleh hembusan udara dari kipas tekan paksa (Forced Draft Fan, FDF). Gas buang keluar dari ruang bakar ke atmosfer karena perbedaan tekanan. Gambar 2.4 Jenis tekanan (Draft) Boiler (Sumber: PLN Corporate University, 2014) PLTU dengan Balanced Draft Boiler (tekanan berimbang) biasa digunakan untuk pembakaran bahan bakar batubara. Tekanan ruang bakar dibuat sedikit dibawah tekanan atmosfir, biasanya sekitar 10 mmh2o. Tekanan ini dihasilkan dari pengaturan dua buah kipas, yaitu kipas hisap paksa (Induced Draft Fan, IDF) dan kipas tekan paksa (Forced Draft Fan, FDF). FDF berfungsi untuk menyuplai udara pembakaran menuju ruang bakar (furnace) di boiler, sedangkan IDF berfungsi untuk menghisap gas dari ruang bakar dan membuang ke atmosfir melalui cerobong. Sedangkan PLTU dengan vacum boiler tidak dikembangkan lagi, sehingga saat ini tidak ada lagi yang menerapkan PLTU dengan boiler bertekanan negatif.
11 Gambar 2.5 Skema Balance Draft Boiler (PLN Corporate University, 2014) 2.2.2 Turbin Turbin adalah suatu perangkat pemutar yang dilengkapi dengan sudu-sudu (blade). Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi kinetik. Gambar 2.6 Turbin Uap (Iriansyah Putra, 2013) Turbin uap terdiri dari sebuah cakram yang dikelilingi oleh daun-daun cakram yang disebut sudu-sudu. Sudu-sudu ini berputar karena tiupan dari uap bertekanan yang berasal dari ketel uap, yang telah dipanasi terdahulu dengan menggunakan bahan bakar padat, cair dan gas. Uap tersebut kemudian dibagi dengan menggunakan control valve
12 yang akan dipakai untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung dengan pompa dan juga sama halnya dikopel dengan sebuah generator sinkron untuk menghasilkan energi listrik. Setelah melewati turbin uap, uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi tadi muncul menjadi uap bertekanan rendah. Panas yang sudah diserap oleh kondensor menyebabkan uap berubah menjadi air yang kemudian dipompakan kembali menuju boiler. Sisa panas dibuang oleh kondensor mencapai setengah jumlah panas semula yang masuk. Hal ini mengakibatkan efisiensi termodinamika suatu turbin uap bernilai lebih kecil dari 50%. Turbin uap yang modern mempunyai temperatur boiler sekitar 5000 C sampai 6000 C dan temperatur kondensor 200 C sampai 300 C. A. Bagian-Bagian Turbin Uap 1. Sudu-Sudu Turbin PLTU memiliki sudu-sudu turbin yang terdiri dari satu tingkat impuls dan 14 tingkat reaksi tekanan tinggi, 12 reaksi pada tekanan menengah, 2 x 8 reaksi pada turbin tekanan rendah. 2. Sudu tetap dan sudu jalan turbin Uap yang berasal dari boiler dialirkan melalui nozel. Karena adanya penyempitan pada aliran nozel, maka tekanan uap menurun dan kecepatannya bertambah. Sudu tetap mempunyai fungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi kinetik dan mengarahkan uap ke sudu jalan turbin. Nozel pada sudu tetap dipasang pada casing dan fixed, sedangkan sudu jalan dipasang pada rotor turbin dan berputar jika dilalui uap. Sudu jalan berfungsi untuk mengubah energi kinetik uap menjadi energi mekanis. Jarak antara sudu-sudu jalan sangat kecil sekali kurang lebih 0,6 mikrometer. 3. Poros (shaft) Poros merupakan salah satu bagian dari turbin yang menjadikan rotor-rotor berbagai tingkat turbin menjadi satu kesatuan. Poros ini juga mentransmisikan torsi rotor turbin untuk memutar bagian dari rotor generator listrik. 4. Rumah Turbin (Casing)
13 Casing berfungsi untuk melindungi proses ekspansi uap oleh turbin agar tidak terjadi kebocoran dari dan kearah luar. 5. Katup-katup pengatur beban Katup pengatur beban pada turbin disebut juga governor valve yang mengatur jumlah aliran uap masuk ke turbin PLTU Semarang. Pembukaan dari tiap katup tergantung kebutuhan beban. 6. Bantalan aksial turbin Aliran uap yang memutar turbin mengakibatkan turbin bergerak kearah aksial (searah sumbu). Jika gerakan kearah aksial ini melewati batas yang dijinkan, maka terjadilah gesekan antar rotor turbin dengan statornya. Jarak antara sudu tetap dan sudu jalan dibuat kecil sekali yang berguna untuk menghindari gesekan. Bantalan aksial ditempatkan pada bagian bantalan nomor 1 turbin (dekat dengan pedetsal) untuk memonitor gerakan ke arah aksial dan dilengkapi dengan minyak yang mengalir dan dipancarkan ke torak. Dengan bergeraknya torak ke arah aksial, maka tekanan minyak ini diteruskan ke rangkaian trip turbin. 7. Bantalan turbin Untuk menumpu rotor turbin dengan satu silinder asing diperlukan bantalan utama (main bearing) sebanyak dua buah, sedangkan pada turbin yang mempunyai lebih dari satu silinder casing bantalannya lebih dari dua buah. B. Peralatan Bantu Turbin Uap Peralatan bantu turbin merupakan serangkaian sistem yang mendukung operasi turbin agar dalam pengoperasiannya dapat berjalan dengan baik. Peralatan bantu turbin antara lain: 1. Sistem Pelumasan Fungsi sistem pelumasan turbin antara lain: Mencegah korosi, Mencegah keausan pada bagian turbin yang bergerak, Sebagai pengangkut partikel kotor yang timbul karena gesekan,
14 Sebagai pendingin terhadap panas yang timbul akibat gesekan, 2. Sistem Perapat / Seal Sistem perapat digunakan untuk mencegah kebocoran uap dari dalam turbin ke udara luar atau sebaliknya melewati kelenjar-kelenjar perapat (gland Seal) sepanjang poros turbin. 3. Sistem Turning Gear Turning Gear merupakan alat bantu turbin yang berfungsi mensukseskan operasi turbin pada saat start up dan shut down. Fungsi Turning Gear untuk menghindari melengkungnya poros turbin terutama pada saat temperatur poros masih tinggi, ketika turbin baru saja shut down. Turning Gear digerakan oleh motor listrik AC yang memutar poros turbin 3 rpm. Dengan demikian terjadilah pendinginan yang merata untuk menghindari terjadinya defleksi (lendutan) poros. 4. Sistem Governor Governor adalah suatu alat pengatur putaran. Setiap turbin uap memerlukan governor, baik turbin yang digunakan untuk menyegerakan generator listrik, pompa air pengisi maupun menggerakan blower. Tipe governor yang biasa digunakan yaitu elektronik dan hidrolik-mekanik. C. Sistem Valve Turbin Sistem valve pada turbin berfungsi mengatur laju aliran uap ke dalam turbin. Sistem valve digerakkan oleh servo valve actuator dan minyak hidrolik sebagai penggerak valve. Valve turbin terdiri dari: 1. MSV (Main Stop Valve) MSV merupakan valve yang membuka dan menutup aliran uap utama (main Steam) masuk ke HP Turbin. Pada saat start up, MSV berfungsi mengatur laju aliran uap yang masuk ke HP Turbin dan juga sebagai proteksi saat turbin trip. 2. GV (Governor Valve)
15 GV bekerja setelah terjadinya valve transfer dari MSV ke GV yang berfungsi mengatur laju aliran uap utama pada HP dan juga sebagai pengontrol beban (setelah disinkronisasi sampai beban normal). 3. RSV (Reheat Stop Valve) RSV merupakan valve yang membuka dan menutup aliran uap Reheat yang masuk ke IP Turbin. Pada saat start up RSV sudah dalam kondisi membuka penuh, jadi tidak berperan dalam pengaturan laju aliran uap Reheat dan juga sebagai alat proteksi saat turbin trip. 4. ICV (Interceptor Valve) Pada saat start up, ICV berperan seperti MSV yaitu mengatur aliran uap Reheat pada IP Turbin. Gambar 2.7 Skema Turbin PLTU Single Reheat (Michael J Moran, 2003) 2.2.3 Generator Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa
16 dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di dalamnya. Sumber energi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesin uap, air yang jatuh melakui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber energi mekanik yang lain. Generator sinkron mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik bolakbalik secara elektromagnetik. Energi mekanik berasal dari penggerak mula yang memutar rotor, sedangkan energi listrik dihasilkan dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan-kumparan stator. Secara umum generator sinkron terdiri atas stator, rotor, dan celah udara. Stator merupakan bagian dari generator sinkron yang diam sedangkan rotor adalah bagian yang berputar dimana diletakkan kumparan medan yang disuplai oleh arus searah dari Eksiter. Gambar 2.8 Generator Sinkron PLTU (PLN Corporate University, 2014) Generator pada PLTU mengubah energi kinetik poros menjadi energi listrik. Rotor generator terpasang 1 poros dengan rotor turbin sehingga putaran rotor generator sama dengan putaran rotor turbin sebesar 3.000 rpm yang ekuivalen dengan keluaran frekuensi energi listrik sebesar 50 Hz.
17 2.2.4 Kondensor Kondenser berfungsi untuk mengkondensasikan uap bekas menjadi uap air pengisi boiler pada siklus tertutup PLTU, dimana uap bekas dari LP Turbin masuk ke kondensor melalui pipa-pipa kondensor yang di dalamnya berisi fluida kerja. Proses pada kondenser berlangsung secara isentropis untuk mengubah fase uap menjadi air. Gambar 2.9 Alur Kondenser Diagram (PLN Corporate University, 2014) Kondenser bekerja dengan sebagai heat exchanger siklus terbuka dimana air laut dialirkan pada pipa pipa kondenser sehingga panas dari uap akan berpindah ke air laut. Karena kebutuhan akan cooling water inilah PLTU terletak di dekat laut atau sumber air lainnya seperti danau. Air laut dipompa oleh Cooling Water Pump (CWP) dan diberikan treatment berupa injeksi chlorine untuk melemahkan bibit karang yang terkandung di air laut agar tidak tumbuh di dalam pipa kondenser. Air laut ini dipompa dan dialirkan ke condenser dan Closed Cycle Cooling Water (CCCW) untuk mendinginkan komponen pompa dan bearing yang termasuk dalam sistem boiler dengan menggunakan CCCW Pump. Air yang melewati kondenser digunakan untuk mengkondensasikan uap yang telah melewati turbin yang kemudian menjadi feed water.
18 2.3 DASAR TERMODINAMIKA 2.3.1 Siklus Termodinamika Siklus termodinamika merupakan suatu urutan proses yang berawal dan berakhir pada keadaan yang sama. Pada akhir siklus, semua sifat akan memiliki nilai yang sama dengan kondisi awal. Dengan demikian maka dalam suatu siklus sistem tidak akan mengalami perubahan netto. Contohnya uap yang bersirkulasi dalam suatu sistem pembangkit tenaga listrik membentuk sebuah siklus. Pada suatu keadaan tertentu, setiap sifat memiliki nilai tertentu yang dapat ditentukan tanpa perlu mengetahui bagaimana sistem dapat mencapai keadaan tersebut. Sehingga perubahan nilai suatu sifat pada sistem akan berpindah dari suatu keadaan ke keadaan lain sangat ditentukan oleh keadaan awal dan akhir serta tidak dipengaruhi oleh langkah perubahan yang terjadi. Perubahan tidak dipengaruhi oleh sejarah dan rincian proses. Sebaliknya apabila nilai suatu besaran tidak dipengaruhi oleh proses antara dua keadaan, maka besaran tersebut merupakan perubahan sifat (Moran dan Shapiro). 2.3.2 Siklus Rankine Siklus ideal yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap adalah siklus Rankine. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya, yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi. Perbedaan lainnya secara termodinamika siklus uap dibandingkan dengan siklus gas adalah bahwa perpindahan kalor pada siklus uap dapat terjadi secara isothermal dan isobar. Proses perpindahan kalor yang sama dengan proses perpindahan kalor pada siklus Carnot dapat dicapai pada daerah uap basah dimana perubahan enalpi fluida kerja akan menghasilkan penguapan atau kondensasi, tetapi tidak pada perubahan temperatur. Temperatur hanya diatur oleh tekanan uap fluida. Kerja pompa pada siklus Rankine untuk menaikkan tekanan fluida kerja dalam fase cair akan jauh lebih kecil dibandingkan
19 dengan pemampatan untuk campuran uap dalam tekanan yang sama pada siklus Carnot. Siklus Rankine ideal dapat digambarkan dalam siklus Rankine dan diagram T-S dibawah ini. Gambar 2.10 Siklus Rankine Sederhana pada PLTU (Michael J Moran, 2003) Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan / atau wujud) sebagai berikut: Proses 1: Kompresi isentropik dengan pompa Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi. Proses : Penambahan panas dalam boiler secara isobar Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjadi uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh. Proses 3: Ekspansi isentropik pada turbin Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terjadi. Proses 4: Pelepasan panas pada kondenser secara isobar dan isotermal Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh. Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh (saturated liquid) dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama
20 kompresi isentropik karena menurunnya volume spesifik air. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi (compressed liquid) pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boiler ke air pada tekanan yang tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan Steam ini disebut sebagai Steam generator. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dapat dihasilkan listrik. Tekanan dan temperatur dari Steam akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana Steam akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada tekanan konstan didalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini. 2.3.3 Perubahan Fase Fluida Air mendidih pada temperatur 100 C jika dalam kondisi tekanan atmosfer (1013,25 milibar absolut). Apabila air dipanaskan dibawah kondisi tekanan yang lebih tinggi, maka titik didihnya juga akan meningkat. Begitu pula sebaliknya, pada tekanan yang lebih rendah air akan mendidih pada temperatur yang lebih rendah. Pembangkit Listrik Tenaga Uap menggunakan media air untuk mengkonversikan energi kimia yang dimiliki batubara, menjadi energi listrik pada akhir proses. Untuk menciptakan uap air kering dengan temperatur tinggi, panas harus terus diberikan ke air melewati tiga fase: fase cair, fase campuran cair dengan uap, dan fase uap saja. Nilai energi panas di tiap-tiap nilai tekanan dan temperatur sudah dibuat oleh para ahli dan telah disusun menjadi table uap air (Steam tables). Dengan menggunakan Steam table ini kita dapat menentukan entalpi spesifik (jumlah energi panas yang dimiliki oleh uap air pada tiap kilogramnya), entropi spesifik (bilangan abstrak yang menunjukkan peningkatan atau penurunan dari panas yang diberikan atau ditolak pada suatu benda), dan volume spesifiknya.
21 Apabila kita memberikan energi panas ke air, maka hal ini disebut entalpi spesifik dari saturasi cair (the specific enthalpy of the saturated liquid), yang kita lebih mengenalnya dengan istilah panas sensibel. Jika kita terus memberikan panas, temperatur akan terus naik (pada tekanan tertentu), dan apabila diteruskan temperatur akan berhenti naik dan air akan mulai menguap (panas laten). Nilai entalpi pada titik ini ditunjukkan pada Steam table dengan simbol hf. Jika panas terus ditambahkan, air akan terus menguap, sampai semua air berubah fase menjadi uap air. Nilai energi panas pada proses ini dinamakan kenaikan entalpi pada proses evaporasi (the increment of enthalpy for evaporation), kita mengenalnya dengan istilah panas laten. Nilai dari entalpi ini ditunjukan dengan simbol hfg pada Steam table. Pada titik ini berarti telah diberikan energi panas melalui dua fase, nilainya dinamakan entalpi spesifik pada uap saturasi (the specific enthalpy for saturated vapour) dan ditunjukan pada Steam table dengan simbol hg. Maka hf + hfg = hg dalam satuan kj/kg. Kita dapat memanaskan uap air lebih lanjut, proses ini dinamakan superheat dan nilai panasnya dinamakan kenaikan entalpi pada superheat (the increment of enthalpy for superheat). Pada uap air superheat di titik proses manapun, entalpi spesifiknya sama dengan kenaikan entalpi pada saturated liquid ditambah kenaikan entalpi pada proses evaporasi dan kenaikan entalpi uap superheat pada titik tersebut. 2.3.4 Diagaram Temperatur Entropi Diagam temperatur-entropi (T-S Diagram) digunakan untuk mempermudah memahami proses titik mendidihnya air dan titik saturasi keringnya. Entropi merupakan sebuah properti yang sulit untuk dijelaskan. Uap air yang memiliki energi rendah berarti memiliki entropi yang rendah pula. Jika temperatur absolut pada saat panas diberikan, dikalikan dengan perubahan entropi, maka hasilnya adalah sama dengan jumlah energi panas yang ditambahkan selama proses. Sebaliknya, jika temperatur absolut pada saat panas ditolak, dikalikan dengan perubahan
22 entropi antara awal proses dengan akhir proses, hasilnya sama dengan jumlah energi yang ditolak. Gambar 2.11 T-S Diagram (Michael J Moran, 2003) Bentuk dari kurva air menguap atau saturasi kering saat tekanan air yang disertakan lebih tinggi maka entalpi yang dibutuhkan untuk evaporasi lebih rendah. Saat kita memberikan energi panas selama proses evaporasi, uap air basah akan bertahap mengering sampai ia mencapai titik sturasinya. Hal ini berarti ia mencapai 100% kering. 2.4 KALORI BATUBARA 2.4.1 Kadar Energi Kadar energi atau nilai suatu pembakaran batubara adalah suatu sifat yang penting untuk mengetahui jumlah energi yang terdapat pada batubara tersebut. Nilai pembakaran menunjukkan jumlah energi kimia yang terdapat dalam suatu massa atau volume bahan bakar. Nilai pembakaran ini dinyatakan dengan satuan kilojoule per kilogram (kj/kg)
23 2.4.2 Nilai Kalor Kalor pembakaran adalah kalor yang dihasilkan dari pembakaran sempurna 1 satuan berat bahan bakar padat atau bahan bakar cair atau 1 satuan volume bahan bakar gas pada kondisi baku (kondisi baku : tekanan 1 atm, suhu 25oC atau 60oF atau 0oC) atau nilai banyaknya energi panas yang diperoleh (dilepaskan) pada waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang terdapat dalam bahan bakar pada proses pembakaran 1 (satu) kilogram. Nilai kalor bahan bakar terbagi atas dua bagian yaitu: 1. Nilai Kalor Atas (High Heating Value) Nilai kalor atas atau highest heating Value (HHV) adalah nilai kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 kg bahan bakar dengan pembakaran sempurna. 2. Nilai Kalor Bawah (Low Heating Value) Nilai kalor bawah atau lowest heating Value (LHV), adalah nilai kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 kg bahan bakar tanpa memperhitungkan panas kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud gas/uap). 2.4.3 Analisis Batubara Ada dua basis analisis batubara, yaitu analisis proksimasi dan analisis ultimasi. Kedua sistem analisis ini memberikan fraksi-fraksi massa atau gravimetrik dan komponenkomponen di dalam batubara dan kedua analisis dapat dilaporkan dengan berbagai cara yang berbeda. Pada saat setiap lapisan batubara, terdapat dua komponen yang dapat menunjukkan variasi penting dari keseluruan lapisan tersebut. Komponen tersebut adalah kebasahan dan abu. Fraksi abu bervariasi oleh karena abu pada dasarnya adalah bahan organik pada waktu proses pemadatan. Kadar kebasahan batubara sangat bervariasi, tergantung pada keterbukaan pada air tanah sebelum penambangan dan atas keterbukaan ke udara bebas sewaktu pengangkutan dan penyimpanan sebelum dibakar. Analisis proksimasi adalah analisis batubara yang paling sederhana dan menghasilkan fraksi massa dari karbon tetap (FC), bahan bakar dapat menguap (VM), kebasahan (M), dan abu (A) dalam batubara. Analisis ini dapat dilakukan dengan menimbang, memanaskan, dan membakar sebuah sempel kecil batubara. Suatu sempel batubara dihaluskan (powderd coal) ditimbang dengan hati-hati lalu dipanaskan hingga 110⁰C
24 (230⁰F) selama 20 menit. Sempel ini kemudian ditimbang kembali dan kehilangan massa dibagi dengan massa semula akan memberian fraksi massa dalam kebasahan sempel. Kemudian sempel dipanaskan ke temperatur 954⁰C (1750⁰F) dalam sebuah tabung tertutup selama 7 menit, dan sesudah itu kemudian ditimbang. Massa yang hilang karenanya dibagi dengan massa semula menghasilkan fraksi massa dari bahan yang dapat menguap didalam sempel. Sempel kemudian dipanaskan ke temperatur 732⁰C (1350⁰F) dalam sebuah cawan peleburan hingga ia terbakar sempurna. Sisanya kemudian ditimbang dan berat terakhir ini dibagi dengan berat semula menghasilkan fraksi abu. Fraksi massa dari karbon tetap diperoleh dengan cara mengurangkan frakasi kebasaan, bahan dapat menguap, dan abu, dari kesatuan. Sebagai tambahan terhadap FC, VM, M, dan A, kebanyakan analisis proksmasi juga memuat fraksi massa sulfur (S) dan nilai pembakaran tinggi (HHV) batubara. Analisis ultimasi batubara adalah suatu analisis laboratorium yang memuat fraksi massa karbon (C), hidrogen (H2), oksigen (O2), sulfur (S), nitrogen (N2) didalam batubara sekaligus dengan nilai pembakaran tinggi (HHV)-nya. Kebanyakan analisis ultimasi memberikan kebasahan M dan A abu secara terpisah, tetapi beberapa analisis memasukkan kebasahan sebagai bagian dari fraksi massa hidrogen dan oksigen. Analisis ultimasi diperlukan untuk menentukan kebutuhan udara pembakaran untuk suatu sistem tertentu dan digunakan untuk mengukur sistem aliran bagi dapur pembakaran. Perhitungan-perhitungan ini jika mungkin hendaklah didasarkan dari pada analisis ultimasi begitu terbakar. 2.5 ENERGI BALANCE (KESEIMBANGAN ENERGI) Neraca energi adalah cabang keilmuan yang mempelajari kesetimbangan energi dalam sebuah sistem. Neraca energi dibuat berdasarkan pada hukum pertama termodinamika. Hukum pertama ini menyatakan kekekalan energi, yaitu energi tidak dapat dimusnahkan atau dibuat, hanya dapat diubah bentuknya. Perumusan dari neraca energi suatu sistem mirip dengan perumusan neraca massa. Namun demikian, terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan yaitu suatu sistem dapat berupa sistem tertutup namun tidak terisolasi
25 (tidak dapat terjadi perpindahan massa namun dapat terjadi perpindahan panas) dan hanya terdapat satu neraca energi untuk suatu sistem. 2.5.1 Neraca Keseimbangan Energi PLTU Perpindahan kalor yang tidak dapat dihindari antara komponen pembangkit dan sekelilingnya diabaikan untuk memudahkan analisis. Perubahan energi kinetik dan potensial juga diabaikan. Setiap komponen dianggap beroperasi pada kondisi tunak (steady). Dengan menggunakan prinsip konservasi massa dan konservasi energi bersamasama dengan idealisasi tersebut maka akan dikembangkan persamaan untuk perpindahan energi pada masing-masing komponen pembangkit. Gambar 2.12 Skema Energi Balance (PLN Corporate University, 2014) Tahapan proses konversi energi pada PLTU adalah sebagai berikut:
26 a. Energi Input (batubara) dikonversi menjadi energi panas boiler. b. Panas dari boiler menghasilkan energi pada sistem siklus uap yang dikonversikan menjadi energi listrik pada generator. c. Kehilangan energi pada boiler adalah panas yang terbuang pada proses pembakaran bahan bakar di dalam boiler, yang terkandung dalam flue gass untuk dibuang dari sistim pengoperasian PLTU melalui stack. d. Kehilangan energi pada siklus uap adalah sisa uap panas yang digunakan untuk memutar turbin yang kemudian diubah fasa nya menjadi cair (air pengisi boiler) kembali pada kondensor. A. Energi Input Energi Input adalah besarnya energi yang digunakan oleh sistem sebagai sumber energi untuk dikonversi menjadi bentuk energi yang lain. Dalam PLTU, Energi Input (masukan) adalah Energi Fuel (bahan bakar) yang terkandung dalam batubara. Nilai panas didefinisikan sebagai energi panas yang dilepaskan pada waktu terjadi oksidasi unsur kimia yang terdapat pada bahan bakar. Energi Fuel adalah besarnya nilai kalor batubara tiap kg massa batubara tersebut, yang digunakan untuk proses pembakaran dalam boiler setiap detiknya. Persamaan tersebut adalah sebagai berikut: F = GCV m bb 1000 (2.1) dimana : F : laju energi Fuel (bahan bakar) [MW] GCV : nilai kalor batubara [kj/kg] m bb : laju aliran massa bahan bakar [kg/s] B. Energi Boiler Energi boiler merupakan energi panas pada boiler yang digunakan untuk merubah air pengisi (feed water) menjadi uap panas. Ada dua tahap pemanasan pada boiler, yaitu superheat dan Reheat. Proses pemaasan pada boiler terdapat spray water. Spray water
27 adalah air yang dispray untuk menjaga agar superheater dan Reheater tidak overheat (melebihi panas) pada temperatur yang telah diatur. Gambar 2.13 Alur air dan uap pada PLTU (PLN Corporate University, 2014) Energi panas superheat adalah besarnya laju energi panas pada boiler yang digunakan untuk merubah air pengisi boiler (feed water) menjadi uap superheat, dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut: sh = (m ms (m psw + m ssw)) x ( h ms h fw ) (2.2) dimana: sh m ms : laju energi panas yang diberikan pada main Steam [kj/s] : laju aliran massa main Steam [kg/s] m psw : laju aliran massa primary superheat spray water [kg/s] m ssw : laju aliran massa secondary superheat spray water [kg/s] h ms h fw : entalpi spesifik main Steam [kj/kg] : entalpi spesifik feed water [kj/kg]
28 Energi panas Reheat pada boiler adalah energi panas yang digunakan untuk memanaskan kembali uap superheat setelah digunakan untuk memutar HP turbin. dimana: rh = m crh x (h hrh h crh ) (2.3) rh m crh h crh h hrh : laju energi panas pada Reheat [kj/s] : laju aliran massa cold Reheat Steam [kg/s] : entalpi spesifik cold Reheat Steam [kj/kg] : entalpi spesifik hot Reheat Steam [kj/kg] Pada superheater terdapat primary superheater spray water (psw) dan secondary superheater spray water (ssw) untuk menjaga agar superheater tidak overheat. Sedangkan untuk Reheater terdapat Reheater spray water (rsw). Gambar 2.14 Skema Pembakaran pada Boiler (PLN Corporate University, 2014)
29 Besarnya energi pada spray water superheat dan Reheat dapat dihitung menggunakan persamaan berikut: psw = m psw x (h ms h psw ) (2.4) dimana: psw : laju energi primary superheat spray water [kj/s] m psw : laju aliran massa primary superheat spray water [kg/s] h psw h ms : entalpi spesifik primary superheat spray water [kj/kg] : entalpi spesifik main Steam [kj/kg] ssw = m ssw x (h ms h ssw ) (2.5) dimana: ssw : laju energi secondary superheat spray water [kj/s] m ssw : laju aliran massa secondary superheat spray water [kg/s] h ssw h ms : entalpi spesifik secondary superheat spray water [kj/kg] : entalpi spesifik main Steam [kj/kg] rsw = m rsw x (h crh h rsw ) (2.6) dimana: rsw : laju energi Reheat spray water [kj/s] m rsw : laju aliran massa Reheat spray water [kg/s] h rsw h crh : entalpi spesifik Reheat spray water [kj/kg] : entalpi spesifik cold Reheat Steam [kj/kg] Energi boiler adalah jumlah dari energi panas yang digunakan untuk memanaskan air umpan untuk diubah menjadi uap superheat yang dihasilkan oleh boiler. Boiler mengkonversi energi yang terkandung pada batubara sebagai input energi, menjadi energi panas pada boiler. Energi panas boiler digunakan Besarnya nilai energi panas tersebut adalah jumlah energi panas pada superheat, Reheat, superheater spray water, dan Reheater spray water. Besarnya energi boiler dapat dihitung dengan persamaan berikut: dimana: b = sh+ psw+ ssw+ rh+ rsw 1000 b : laju energi boiler [MW] (2.7)
30 sh : laju energi panas pada superheat [kj/s] psw : laju energi primary superheater spray water [kj/s] ssw : laju energi secondary superheater spray water [kj/s] rh : laju energi panas pada Reheat [kj/s] rsw : laju energi Reheat spray water [kj/s] C. Kehilangan (Losses) Energi pada Boiler Pada proses konversi energi batubara menjadi panas yang digunakan untuk pemanas air pengisi boiler, terdapat Losses (kehilangan) energi. Dimana energi panas pada boiler tidak sepenuhnya dapat dikonversi menjadi energi panas pada uap yang akan digunakan untuk memutar turbin. Energi losses boiler adalah energi sisa dari panas pembakaran pada boiler, yang terdapat pada flue gass (gas buang) untuk dibuang ke lingkungan melalui stack (cerobong). Gambar 2.15 Alur keseimbangan energi pada Boiler Secara teori keseimbangan energi, kehilangan energi pada boiler adalah hasil pengurangan energi masuk boiler (energi batubara) dengan energi yang dihasilkan boiler (energi panas boiler). Perhitungan kerugian panas pada boiler dapat dihitung dengan persamaan berikut: lb = f b (2.8)
31 dimana : lb f b : laju energi Losses boiler [MW] : laju energi Fuel (bahan bakar) [MW] : laju energi boiler [MW] D. Efisiensi Boiler Efisiensi pada boiler adalah prestasi kerja atau tingkat unjuk kerja boiler yang didapatkan dari perbandingan antara energi yang dipindahkan ke atau diserap oleh fluida kerja didalam boiler dengan masukan energi bahan bakar. dimana : η b = b f η b f b x 100 % (2.9) : efisiensi boiler [MW] : laju energi Fuel (bahan bakar) [MW] : laju energi boiler [MW] E. Energi Siklus Uap Energi Steam Cycle (siklus uap) adalah besarnya energi uap superheat (main Steam) dan energi pemanas ulang uap (Reheat Steam) yang digunakan untuk memutar turbin uap. Besarnya energi Steam Cycle dapat dirumuskan sebagai berikut: dimana : s = (m 1x h 1 ) ((m 1+m mu ) x h fw )+(m 2 x (h 3 h 2 ))+(m shw x (h fw h shw ))+(m rsw x (h 3 h rsw )) 1000 x 3600 s m 1 : laju energi siklus uap [MW] : laju aliran massa main Steam [kg/h] m mu : laju aliran massa makeup water (air penambah) [kg/h] m 2 : laju aliran massa cold Reheat Steam [kg/h] m shw : laju aliran massa superheat spray water [kg/h] m rsw : laju aliran massa Reheat spray water [kg/h] h 1 h fw h 2 : entalpi spesifik main Steam [kj/kg] : entalpi spesifik feed water (air pengisi) [kj/kg] : entalpi spesifik cold Reheat Steam [kj/kg] (2.10)
32 h 3 h shw h rsw : entalpi spesifik hot Reheat Steam [kj/kg] : entalpi spesifik superheat spray water [kj/kg] : entalpi spesifik Reheat spray water [kj/kg] F. Energi Generator Energi kinetik poros generator terjadi karena uap bertekanan tinggi menabrak sudu pada turbin. Rotor Generator terpasang 1 poros dengan rotor turbin sehingga putaran rotor generator sama dengan putaran rotor turbin, sebesar 3.000 rpm yang ekuivalen dengan keluaran frekuensi energi listrik sebesar 50 Hz. Untuk membangkitkan medan magnit pada rotor, maka diperlukan arus searah (DC) yang umumnya disebut penguat. Perangkat yang berfungsi untuk mensupplai arus penguat ini disebut eksiter (Exciter) / sistem eksitasi. Sistem eksitasi adalah sistem pasokan listrik DC sebagai penguatan pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi listrik dengan besar tegangan keluaran generator bergantung pada besarnya arus eksitasinya. P g gross = P g P exe (2.11) dimana : P g gross : energi listrik gross generator [MW] P g P exe : energi listrik output generator [MW] : energi listrik exitation (eksitasi) [MW] Pada PLTU terdapat sejumlah energi listrik yang digunakan untuk mensuplai listrik pada motor, pompa, penerangan dan peralatan listrik lainnya untuk membantu PLTU beroperasi, yang disebut Auxiliary power. Auxiliary power diambil dari energi listrik yang dihasilkan oleh generator pada PLTU tersebut. Sehingga energi listrik neto generator adalah energi listrik gross generator dikurangi dengan jumlah energi lisrik yang digunakan sendiri (Auxiliary power). P g net = P g gross P aux (2.12) dimana : P g net : energi listrik yang dihasilkan PLTU [MW]
33 P g gross : energi listrik gross generator [MW] P aux : energi listrik Auxiliary [MW] G. Kehilangan (Losses) Energi Siklus Uap Proses konversi energi pada siklus uap yang digunakan untuk memutar turbin untuk menghasilkan energi listrik pada generator, terdapat kehilangan (Losses) energi. Energi losses siklus uap adalah energi yang terkandung dalam uap sisa yang telah digunakan untuk memutar turbin. Pada proses tersebut tekanan uap turun setelah digunakan untuk memutar turbin. Kehilangan energi pada siklus uap tidak bisa dihindarkan. Karena untuk dapat menaikkan tekanan fluida kerja, fase uap diubah menjadi cair kembali dengan menggunakan kondensor dan kemudian tekanan dapat dinaikkan dengan menggunakan pompa pada CEP (condensate extraction pump) dan BFP (boiler feed pump). Secara energi Balance perhitungan besarnya kehilangan energi tersebut adalah sebagai berikut: ls = s P g (2.13) dimana : P g ls s : laju kehilangan energi energi pada siklus uap [MW] : laju energi siklus uap [MW] : energi listrik yang dihasilkan generator [MW] H. Efisiemsi Siklus Uap Efisiensi siklus uap adalah prestasi kerja atau tingkat unjuk kerja sistem siklus uap (Steam Cycle) pada PLTU, yang didapatkan dari prosentase perbandingan antara energi uap yang digunakan untuk memutar turbin dengan energi listrik yang dihasilkan oleh generator. Besarnya nilai efisiensi siklus uap dapat dihitung menggunakan persamaan berikut : dimana : η unit = P g s x 100 % (2.14) η unit : efisiensi sistem uap s : laju energi siklus uap [MW]
34 P g : energi listrik output generator [MW] I. Efisiensi Sistem PLTU Efisiensi Plant Sistem PLTU adalah prestasi kerja atau tingkat unjuk kerja pembangkit listrik yang didapatkan dari prosentase perbandingan antara energi input yaitu batubara dengan energi listrik yang dibangkitkan oleh PLTU, dinyatakan dengan derajat keberhasilan. dimana: η PLTU = P g net f η PLTU : efisiensi PLTU f x 100 % (2.15) : laju energi Fuel (bahan bakar) [MW] P g net : energi listrik yang dihasilkan PLTU [MW] 2.6 Plant Heat Rate Plant Heat Rate adalah metode perhitungan performance suatu pembangkit yang melibatkan parameter data dari sisi boiler, turbine dan generator. Nilai dari Plant heat rate akan memberikan gambaran tentang seberapa besar efisiensi dari suatu pembangkit secara keseluruhan. 2.6.1 Turbine Heat Rate Turbine heat rate adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk memproduksi listrik sebesar 1 kwh. Turbine heat rate menunjukan perbandingan dari energi total yang digunakan untuk memutar turbin, dengan energi listrik yang dihasilkan oleh generator, dan dinyatakan dalam (kj/kwh). Turbine Heat Rate Turbin dapat dikalkulasi dengan persamaan sebagai berikut : dimana : HRT = HRT s P g x 3600 : turbine heat rate [kj/kwh] (2.16)
35 s P g : laju energi siklus uap [MW] : energi listrik output generator [MW] 2.6.2 Nett Plant Heat Rate Nett Plant heat rate adalah jumlah energi batubara yang dibutuhkan untuk memproduksi listrik sebesar 1 kwh, dan dinyatakan dalam (kj/kwh). Nett Plant heat rate menunjukan perbandingan dari energi input PLTU dengan energi listrik nett yang dihasilkan PLTU. Gambar 2.12 Alur konversi energi pada PLTU (PLN Corporate University, 2014) Nilai Nett Plant Heat Rate dapat dihitung dengan persamaan berikut: dimana : NPHR = f P g net x 3600 NPHR : nett Plant heat rate [kj/kwh] F : laju energi Fuel (bahan bakar) [MW] P g net : energi listrik yang dihasilkan PLTU [MW] (2.17)