BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)
PLTU merupakan sistem pembangkit tenaga listrik dengan memanfaatkan
energi panas bahan bakar untuk diubah menjadi energi listrik dengan
menggunakan uap sebagai fluida kerjanya. Pada prinsipnya, energi panas batu
bara sebagai bahan bakar yang terbakar di boiler digunakan untuk memanaskan
air menjadi uap panas lanjut. Kemudian oleh turbin, energi panas uap diubah
menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran turbin. Karena turbin dan generator
di kopel, maka generator ikut berputar sehingga generator dapat menghasilkan
listrik.
PLTU Tanjung Awar-Awar menggunakan sistem reheat dan ekstraksi.
Sistem reheat merupakan sistem dimana aliran uap yang telah berekspansi di HP
turbine kemudian dipanaskan kembali di boiler untuk menaikkan enthalpy dari
uap sehingga energinya juga ikut naik. Hal ini dilakukan untuk meningkatkan
efisiensi siklus. Sedangkan ekstraksi merupakan sistem dimana dialirkannya uap
yang berekspansi pada turbin untuk dialirkan menuju ke peralatan penukar panas
untuk memenaskan air pengumpan (feed water).
5
6
Gam
ambar 2.1Sistem PLTU Tanjung Awar-Awarr
Pada PLTU Tanj
anjung Awar-Awar terdapat 4 buah LP heater,
er, yaitu LP heater
5, 6, 7, 8. Air pengum
umpan pada awalnya masuk melalui LP heater
ter dengan urutan
melewati LP heaterr 8, 7, 6, 5. Prinsip kerjanya adalah air peng
pengisi dialirkan di
dalam pipa, dan uapp pa
panas mengalir di luar pipa. Setelah dipanasi
si di LP heater air
pengisi kemudian dia
dialirkan menuju deaerator untuk proses peng
penghilangan unsur
oksigen yang masih
sih terkandung dalam air pengisi. Di dalam de
deaerator terjadi
kontak langsung anta
ntara air pengisi dan uap oleh karena itu dise
disebut open feed
water (direct contact)
act). Uap akan memisahkan gas dari air pengisi
si unt
untuk kemudian
gas-gas tersebut berge
rgerak dengan cepat ke bagian atas deaerator
or dan selanjutnya
dibuang ke atmosfer.
er. Uap yang digunakan berasal dari ekstraksi
ksi uap IP turbine.
Setelah dari deaerator
rator air langsung dipompakan oleh boiler feed pump menuju
HP heater untuk me
memanaskan air pengisi. Prinsip kerja darii H
HP heater sama
dengan LP heater, be
bedanya hanya pada uap ekstraksi yang diguna
unakan dimana HP
7
heater menggunakan uap ekstraksi dari HP dan IP turbin. Pada PLTU 3 Jawa
Timur Tanjung Awar-Awar terdapat 3 HP heater, yaitu HP heater 1,2,3.
Setelah melewati HP heater, air masuk ke dalam boiler untuk pemanasan
sehingga menghasilkan uap kering untuk memutar sudu HP turbin. Setelah
digunakan di HP turbine, uap akan mengalami ekspansi (tekanan dan temperatur
uap turun). Uap dari HP turbine akan kembali dipanaskan di boiler melalui
reheater. Di dalam reheater, uap akan dipanaskan lagi pada tekanan konstan lalu
dialirkan ke IP turbine untuk memutar sudu–sudu IP turbine. Setelah digunakan
di IP turbin, uap tidak dipanaskan lagi, tapi langsung dialirkan ke LP turbine
untuk memutar sudu–sudu LP turbine. Terakhir, uap yang keluar dari LP turbine
kemudian dialirkan ke condensor untuk dikondensasikan menjadi air pengisi.
2.2
Silkus Rankine
Siklus standar untuk pembangkit tenaga uap adalah siklus Rankine, dimana
terdiri atas empat komponen utama, yaitu pompa, boiler, turbin, dan condenser.
Dalam siklus rankine, air sebagai fluida kerja akan mengalami perubahan wujud
menjadi uap dan kembali menjadi air lagi. Selama dalam siklus kerjanya, air akan
mengalami proses kompresi, pemanasan, penguapan, ekspansi, dan pendinginan.
2.2.1 Siklus Rankine dengan Pemanasan Ulang
Pada PLTU 3 Jawa Timur Tanjung Awar-Awar menggunakan sistem reheat
(pemenasan ulang), oleh karena itu prinsip kerjanya berdasarkan siklus rankine
dengan pemanasan ulang seperti pada gambar 2.2. Siklus rankine dengan
pemanasan ulang merupakan proses memanaskan kembali uap yang keluar dari
turbin tekanan tinggi (High Pressure Turbine) di boiler melalui saluran reheat.
8
Dengan pemanasann ul
ulang ini, maka suhu uap akan naik sehingga
gga entalpinya juga
naik.
bar 2.2 Siklus Rankine dengan pemanasann ulan
ulang
Gamba
presi isentropis pada pompa
1 – 2 Proses kompre
mbahan kalor di boiler pada tekanan konstan
2 – 3 Proses penamba
kspansi isentropis pada turbin tekanan tinggi
3 – 4 Proses ekspansi
anasan ulang dengan tekanan konstan
4 – 5 Proses pemana
5 – 6 Proses ekspansi
kspansi isentropis pada turbin tekanan rendah
an
pasan kalor di condenser pada tekanan konstan
6 – 1 Proses pelepasa
er H
Heater
ne Ideal Regeneratif dengan Closed Feedwater
2.2.2 Siklus Rankine
Awar-Awar juga
nggunakan proses reheat, PLTU Tanjung Aw
Selain menggun
enaikkan suhu air
oses regeneratif. Proses regenerasi yaitu mena
menggunakan proses
cara memberikan
ater) yang akan masuk ke boiler dengann ca
pengumpan (feedwate
digunakan untuk
kalor dari uap yangg di ekstraksi dari turbin. Peralatan yang di
gan dilakukannya
pengumpan adalah feedwater heater. Dengan
memanaskan air pen
9
proses regenerasi ini,
ni, maka efisiensi termal siklus Rankine akann m
meningkat karena
kalor yang dibutuhka
uhkan untuk memanaskan air di boiler menja
njadi lebih sedikit
akibat suhu air pengum
gumpan yang sudah dipanaskan terlebih dahul
hulu. Pada LP dan
HP heater prinsip ke
kerjanya berdasarkan siklus Rankine ideal rege
regeneratif dengan
closed feedwater heat
heater seperti pada gambar 2.3, hanya saja pada
da PLTU Tanjung
Awar-Awar tidak terda
erdapat mixing chamber.
Gambar 2.3 Siklus
us R
Rankine ideal regeneratif dengan closed feedw
eedwater heater
1 – 2 Air pengumpa
pan dipompakan menuju closed feedwaterr heat
heater
2 – 9 Air pengumpa
pan dipanaskan di closed feedwater heater
3 – 4 Uap yang ter
terkondensasi dipompakan menuju mixing
ng chamber untuk
bercampur den
dengan air pengumpan
5 – 6 Campurann dari mixing chamber dipanaskan di boiler
6 – 7 Sebagian uapp yyang berekspansi pada turbin diekstraksi
6 – 8 Proses ekspansi
kspansi pada turbin
8 – 1 Prosess kondensa
kondensasi pada condenser
10
2.3
Kesetimbangan massa dan energi
Selama proses dalam kondisi aliran steady, jumlah total massa yang
terkandung dalam suatu volume terkontrol tidak berubah seiring perubahan waktu.
Oleh karena itu jumlah massa yang masuk sama dengan jumlah massa yang
keluar, seperti pada persamaan berikut.
∑ ṁ=∑
ṁ … (2.1) 1
Perubahan energi yang terjadi selama proses sama dengan perbedaan antara
jumlah energi yang masuk dengan energi yang keluar. Secara umum, persamaan
energi pada suatu proses adalah :
Δ E = Ein – Eout...(2.2)2
Selama proses dalam aliran steady, jumlah energi dari sebuah volume
terkontrol adalah konstan. Oleh karena itu, jumlah energi yang masuk ke dalam
suatu volume terkontrol sama dengan jumlah energi yang keluar, dan dapat
dituliskan sebagai persamaan berikut :
Ein = Eout...(2.3)3
2.4
Turbin Uap
Turbin uap adalah mesin tenaga yang berfungsi untuk mengubah energi
thermal (energi panas yang terkandung dalam uap) menjadi energi poros
(putaran). Sebelum energi thermal (enthalpi) diubah menjadi energi poros, energi
tersebut diubah dulu menjadi energi kinetik. Alat untuk mengubah menjadi energi
kinatik tersebut adalah nozzle. Uap dengan tekanan dan temperatur tinggi
diarahkan menggunakan nozzle untuk mendorong sudu-sudu turbin yang dipasang
1
Cengel, Y.A dan Boles, M.A, Thermodynamics An Engineering Approach 5th edition, Hal. 230
Cengel, Y.A dan Boles, M.A, Thermodynamics An Engineering Approach 5th edition, Hal. 74
3
Cengel, Y.A dan Boles, M.A, Thermodynamics An Engineering Approach 5th edition, Hal. 231
2
11
pada poros sehingga
ngga poros turbin berputar. (PT. PLN Pusatt P
Pendidikan dan
Pelatihan)
Pada PLTU Ta
Tanjung Awar-Awar jenis turbin uap yang di
digunakan adalah
turbin reaksi. Pada
da tturbin reaksi, uap akan menumbuk sudu ge
gerak turbin dan
memberikan sebagian
ian energinya. Ketika uap keluar dari sudu ger
gerak turbin maka
akan menghasilkann ga
gaya reaksi yang akan memberi energi tamba
bahan pada sudu
gerak.
Gambar 2.4 Sudu pada turbin reaksi
12
Gambar 2.5 LP turbin pada PLTU Tanjung Awar-Awar
2.5
Heat Rate
Heat rate dinyatakan dalam satuan BTU/kWh atau KJ/kWh dimana
merupakan hasil pembagian antara jumlah kalor yang masuk sistem dengan
tenaga yang dihasilkan oleh sistem. Dengan kata lain heat rate merupakan kalor
yang dibutuhkan untuk membangkitkan listrik sebesar 1 kWh.
Pada sebuah PLTU terdapat hubungan antara heat rate dan efisiensi termal,
dimana semakin tinggi heat rate, maka efisiensi termal semakin rendah. Karena
semakin tinggi heat rate dapat dikatakan semakin besar pula kalor yang
dibutuhkan untuk membangkitkan 1 kWh listrik.
Persamaan heat rate secara mendasar adalah sebaga berikut :
Heat rate =
...(2.4)4
Berdasarkan turbine performance test procedure yang digunakan untuk
mengkalkulasi performa turbin, maka didapat rumus :
4
British Electricity International, Modern Power Station Practice, Third Edition, London, hal. 23
13
THR =
∗
∗
∗
∗
∗
∗
… (2.5) 5
Hubungan heat rate dengan efisiensi termal :
ηth =
(BTU/kWh) X 100%...(2.6)6
Besarnya kerugian pada turbin akan mempengaruhi besarnya heat rate,
kerugian-kerugian yang ada pada turbin antara lain :
A.
Kerugian pada perapat (labyrinth).
Pada turbin tekanan tinggi, jika sistem perapat (gland seal) tidak baik maka
uap akan melewati celah antara sudu tetap dan poros sehingga energi dari uap
tidak semuanya diberikan pada turbin untuk melakukan kerja.
B.
Kerugian pada jalur perpipaan
Jalur pipa uap selalu diisolasi selain sebagai pengaman bagi operator juga
untuk mencegah panas berpindah pada udara sekitar. Jika jalur ini bocor atau
tidak terisolasi dengan baik maka akan terjadi kerugian panas karena panas uap
berpindah ke lingkungan.
C.
Kerugian karena derajat kebasahan uap
Pada turbin tekanan rendah temperatur uap mulai menurun, akibatnya uap
pada daerah ini menjadi uap basah. Pada tingkat kebasahan tertentu kecepatan
fraksi air akan lebih rendah dari sudu maka bukan air yang memutar sudu tetapi
sebaliknya. Karena hal tersebut maka akan terjadi erosi pada sudu selain itu juga
terjadi kerugian mekanik karena fraksi uap menghambat kerja sudu turbin.
5
6
Performance Test Report for Unit No.1, 2008, Hal. 30
Cengel, Y.A dan Boles, M.A, Thermodynamics An Engineering Aproach 5th Edition, Hal. 555
14
D.
Kerugian akibat Throttling
Throtling merupakan pengaturan pada katup governor untuk mengendalikan
jumlah aliran uap yang masuk ke turbin. Pada kondisi ini, katup akan membuka
secukupnya (tidak membuka penuh) untuk mengendalikan jumlah uap, sehingga
uap akan menumbuk sebagian permukaan katup. Hal ini merupakan kerugian
karena pada proses throttling terjadi proses penurunan temperatur dan tekanan,
akibatnya ekspansi pada turbin akan berkurang.
E.
Kerugian mekanik
Besarnya kerugian gesekan yang terjadi pada bantalan tergantung pada
kondisi sistem pelumasan. Faktor yang dominan dari sistem pelumasan baik
dalam pembentuk lapisan pelumas (lapisan flim) maupun terhadap koefisien
gesek adalah kekentalan (viscosity) minyak pelumas. Sedangkan kekentalan
minyak pelumas merupakan fungsi dari temperatur. Bila kekentalan terlalu rendah
maka pelumas film akan rusak yang pada akhirnya meningkatkan gesekan antara
poros dengan bantalan. Bila kekentalan minyak pelumas terlalu tinggi maka
koefisien gesek minyak pelumas akan bertambah besar sehingga pada akhirnya
juga meningkatkan gesekan. Karena itu temperatur minyak pelumas merupakan
parameter
penting yang harus selalu diperhatikan secara seksama oleh para
operator.
F.
Kerugian akibat kebocoran uap melaui celah sudu gerak dan casing
Agar turbin bisa menghasilkan gaya putar pada poros, maka uap harus
menumbuk sudu gerak turbin. Namun, celah antara sudu dan casing turbin
menyebabkan sebagian uap mengalir melewatinya sehingga sebagian uap yang
melewati celah tersebut tidak memberikan energinya pada sudu turbin.
15
Bertambahnya clearance antara sudu dan casing tersebut bisa menjadi salah satu
penyebab menurunnya performa turbin uap. Pertambahan clearance ini bisa
disebabkan oleh adanya erosi pada permukaan sudu maupun casing akibat
gesekan dengan benda asing.
G.
Kerugian akibat kekasaran nosel dan sudu
Terbentuknya permukaan kasar pada nosel maupun sudu gerak bisa
diakibatkan oleh deposit / tempelan benda asing pada permukaan, selain itu juga
akibat tumbukan benda asing yang menyebabkan goresan pada permukaan.
Kekasaran ini akan menyebabkan terbentuknya aliran turbulen yang menjadi
kerugian.