5
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 SIKLUS DAYA UAP Siklus ideal termodinamika dasar uap ialah siklus Rankine dan proses termodinamika untuk siklus ini identik dengan siklus Braytone yaitu kompresi isentropic, penambahan panas isobar dan akhirnya pembuangan panas isobar. Perbedaan antara kedua siklus ini ialah fluida kerjanya, pada siklus Rankine menggunakan fluida kerja dua fasa (cairan dan uap) sedangkan siklus Braytone menggunakan gas. Air adalah fluida kerja yang umum dipakai dalam siklus daya uap. Siklus Rankine untuk system air ditunjukkan dalam diagram T-S pada gambar 2.1[11].
T
air
3
cairan + uap uap
cair
2 1
4
S Gambar 2.1 Siklus mesin kalor uap Rankine[3]
Siklus daya uap yang paling sederhana terdiri atau empat komponen seperti ditunjukkan pada gambar 2.2 dan satu dari keempat proses termodinamika terjadi di tiap komponen[3] dan dijelaskan sebagai berikut: •
Proses 1 – 2 adalah proses adiabatic dapat balik (isentropis) yaitu proses kompresi yang terjadi di dalam pompa;
6 •
Proses 2 – 3 adalah proses penambahan panas isobaric dapat balik yang terjadi di dalam ketel (boiler);
•
Proses 3 – 4 adalah proses ekspansi adiabatic yang terjadi di dalam turbin uap;
•
Proses 4 – 1 adalah proses pembuangan panas isobaric dapat balik yang terjadi di dalam kondensor.
3 turbin
W 4
Qa kondensor
ketel
Qr pompa 1 2
Wp
Gambar 2.2 Sistem dan komponen siklus Rankine
2.2 GENERATOR SINKRON 2.2.1 Prinsip Kerja Generator Sinkron Generator sinkron adalah tipe generator yang mendominasi di dalam pembangkit listrik. Generator sinkron dapat membangkitkan daya aktif dan reaktif. Banyaknya putaran generator sinkron per menit akan menentukan besarnya frekuensi jaringan. Frekuensi yang digunakan pada sistem kelistrikan di Indonesia adalah 50 Hz yang mana frekuensi tersebut dihasilkan oleh putaran generator sinkron pada 3000 rpm. Persamaan yang memperlihatkan hubungan antara frekuensi dan putaran generator sinkron sebagai berikut n=
120f p
(2.1)
7 dimana n = putaran generator sinkron (rpm) f = frekuensi (Hz) p = banyaknya kutub magnet Operasi
generator
sinkron
didasarkan
pada
hukum
faraday
induksi
elektromagnet. Ada 3 syarat untuk dapat dibangkitkannya ggl (gaya gerak listrik )[4], yaitu : a. Harus ada medan magnet, b. Harus ada hantaran kawat (konduktor), c. Harus ada perubahan fluksi yang memotong konduktor. Bagian utama generator sinkron terdiri dari rotor dan stator. Medan magnet ditempatkan pada bagian yang bergerak (rotor). Medan magnet pada rotor tersebut disuplai oleh sumber arus searah yang disebut arus eksitasi. Rotor generator diputar oleh penggerak utama yang bisa berupa turbin uap, turbin gas, ataupun turbin air (pemakaiannya tergantung pada fluida kerja yang digunakan dalam sistem pembangkitannya). Pada bagian stator terdapat lilitan kawat (konduktor) yang ditempatkan pada baja statornya. Timbulnya ggl (tegangan) pada generator sinkron dikarenakan adanya peubahan fluksi yang terus menerus yang menginduksikan tegangan pada belitan phasa stator. Tegangan yang dihasilkan tersebut berupa gelombang sinusoidal yang besarnya tergantung pada kekuatan medan magnet rotornya. Apabila kutub utara dari rotor melewati konduktor, maka akan diinduksikan tegangan positif. Sedangkan jika kutub selatan melewati konduktor, maka tegangan negatip diinduksikan. Perioda gelombang sinusoidal tegangan akan tergantung pada putaran dan jumlah kutub generator sinkron. Generator sinkron tiga phasa, bagian statornya memiliki tiga buah belitan kawat yang dipisahkan satu sama lain sebesar 1200 yang akan menghasilkan perbedaan phasa diantara tiap tegangan phasanya sebesar 1200.
2.2.2 Tipe-Tipe Generator Sinkron Berdasarkan kontruksi dari rotornya, generator sinkron dibedakan menjadi dua[12], yaitu: a. Generator sinkron tipe silindris. b. Generator sinkron tipe menonjol.
8 2.2.2.1 Genertor sinkron tipe silindris Generator sinkron tipe silindris dibuat dengan poros mendatar (horizontal). Biasanya terdiri atau 2 kutub atau 4 kutub dan diterapkan pada pembangkit listrik yang menggunakan penggerak utama generator dengan kecepatan tinggi, contohnya pada PLTU atau PLTG. Rotor generator sinkron tipe ini dibuat silindris sehingga celah udara pada permukaan rotor sama tebalnya dimana-mana (uniform). Pada Gambar 2.3 diperlihatkan suatu generator sinkron tipe silindris. Kumparan-kumparan penguat medan ditempatkan pada rotor sehingga energi listrik dapat diinduksikan pada kumparan-kumparan stator. Bagian stator dibuat dari baja yang mengandung silicon (Si) yang berupa kepingan-kepingan setebal 0,35 – 0,50 mm dan disekat terhadap lainnya. Hal ini dimaksudkan untuk mempertinggi tahanan listriknya sehingga dapat memperkecil eddy current. Sedangkan bagian rotor terbuat dari baja elektro yang dituang yang merupakan suatu bahan yang padat dan mengandung campuran nikel chrom molibdin.
Gambar 2.3 Generator sinkron tipe silindris[5]
2.2.2.2 Generator sinkron tipe menonjol Generator sinkron tipe menonjol dibuat dengan poros vertikal. Biasanya terdiri atas 6 kutub atau lebih dan diterapkan pada pembangkit listrik yang menggunakan penggerak utama generator dengan kecepatan rendah dan menengah, contohnya pada PLTA. pada Gambar 2.4 diperlihatkan potongan melintang generator sinkron tipe menonjol.
9 Inti stator terdiri atas segmen-segmen plat baja silikon yang tebalnya 0,35 – 0,50 mm yang dirapatkan, disusun berlapis-lapis dan diikatkan dengan plat-plat ujung dengan baut. Setiap 50-60 mm lapisan (lamination) diberi saluran udara selebar ±10 mm. Gulungan stator dari penghantar tembaga diisolasi dengan bentuk pelat dengan penampang persegi panjang. Gulungan dengan bentuk ini dibalut dengan mika sebagai isolasinya dibalur dengan damar (resin) atau persenyawaan sintetis. Untuk bagian rotor dikenal dua macam jalur magnet, yaitu : a. Bentuk cincin yang dibuat dengan menyusun berlapis-lapis pelat baja berbentuk cincin, atau memasang baja tempa yang berbentuk cincin tebal langsung pada labalaba (spider) atau pada poros menurut arah aksialnya. b. Bentuk segmen yang dapat dilepas untuk memudahkan pengangkatan dari mesin berdaya besar dan berputaran rendah.
Gambar 2.4 Generator sinkron tipe menonjol[5]
2.2.3 Rangkaian Pengganti Generator Sinkron Tipe Silindris Untuk generator, dapat diturunkan dengan asumsi bahwa phasa arus mengalir keluar terminal (positif), sehingga persamaan rangkaiannya menjadi V t = E a – (R a + jX s )I a
(2.2)
Diagram rangkaian pada gambar 2.5 diperlihatkan rangkaian equivalent per phasa dari generator sinkron tipe silindris.
10
jX s
Ra
Ia
Ea
Vt
Gambar 2.5 Rangkaian pengganti per phasa generator sinkron tipe silindris[5]
2.2.4 Daya dan Torsi Generator Sinkron Tipe Silindris Ketika mesin sinkron dioperasikan sebagai generator (gambar 2.6), maka diperlukan penggerak utama untuk menggerakan generator sinkron. Untuk PLTU (Pusat Listrik Tenaga Uap) penggerak utama yang digunakan adalah turbin uap. Pada keadaan mantap (steady state), torsi mekanik dari penggerak utama (turbin uap) seharusnya sama dengan torsi elektromagnetik yang dihasilkan oleh generator sinkron dan rugi-rugi torsi mekanis dan belitan yang dinyatakan dalam persamaan :
T pm = T + T loss
(2.3)
jX s
Ra
Ia
Tloss T PENGGERAK UTAMA
T pm ω syn
Ea
GENERATOR
Vt
Gambar 2.6 Mesin sinkron beroperasi sebagai generator
Dengan mengalikan kecepatan sinkron (ω syn ) ke dalam dua sisi persamaan di atas, maka diperoleh :
11
P pm = P em + P loss
(2.4)
dimana P pm =T pm ω syn adalah daya mekanik yang disuplai oleh penggerak utama, P em =Tω syn adalah daya elektromagnetik generator, dan P loss = T loss ω syn adalah rugi-rugi daya mekanik dan elektrik dari system. Daya elektromagnetik adalah daya yang dikonversi ke dalam daya listrik di dalam belitan stator phasa tiga. P em = T ω syn = 3 E a I a cos φ EaIa
(2.5)
dimana φ EaIa adalah sudut antara phasor E a dan I a . Untuk generator sinkron dengan kapasitas besar, resistansi belitan (resistansi armature) umumnya jauh lebih kecil daripada reaktansi sinkron, sehingga resistansi armature (R a ) dapat diabaikan. Persamaan rangkain equivalent per phasa generator sinkron seperti dinyatakan oleh persamaan (2.2) adalah V t = E a – (R a + jX s )I a
(2.6)
Diagram phasor untuk generator sinkron adalah seperti yang diperlihatkan oleh gambar 2.7.
Ea jX s I a
δ ϕ
Vt
Ia Gambar 2.7 Diagram phasor generator sinkron dimana cos φ merupakan factor daya dan δ adalah sudut beban (load angle) antara tegangan E a dan V t . Berdasarkan pada diagram phasor, diperoleh : E a sin δ = X s I a cos φ E a cos δ – V t = X s I a sin φ
(2.7) (2.7)
Jika resistansi armature diabaikan, output daya listrik (P out ) sama dengan daya elektromagnetik, atau : P em = P out = 3 V t I a cos φ
(2.8)
12 Sedangkan daya reaktifnya adalah Q out = 3 V t I a sin φ
(2.9)
Dengan demikian diperoleh persamaan daya akatif dan reaktif [2] sebagai berikut 3E aVt sin δ Xs
(2.10)
3E aVt 3V 2 cos δ − t Xs Xs
(2.11)
Pem = Pout = Qout =
Dengan persamaan (2.16), torsi elektromagnetik [9] dapat ditulis sebagai berikut : T=
Pem 3E aVt = sin δ ω syn ω syn X s
(2.12)
Ketika resistansi belitan stator (resistansi armature) diabaikan, δ dapat juga dianggap sebagai sudut antara rotor dan stator rotating magnetic field. Torsi elektromagnetik dari mesin sinkron proposional terhadap fungsi sinus dari load angle (sudut beban), seperti diperlihatkan pada gambar 2.8.
T g
GENERATOR
− 180o
− 90o
0
90o
180o
δ
MOTOR m
Gambar 2.8 Torsi elektromagnetik vs load angle
2.3 TURBIN UAP Turbin adalah pesawat yang mengubah energi mekanis yang tersimpan dalam fluida kerja menjadi energi mekanis rotasional. Hampir semua turbin adalah mesin aliran aksial. Ada dua jenis dasar sudu turbin yang digunakan dalam turbin uap, yaitu sudu
13 impuls dan sudu reaksi. Pada gambar 2.9 ditunjukan baris sudu tetap dan sudu gerak sebuah turbin.
g
sudu gerak sudu tetap sudu gerak
nosel sudu tetap
Gambar 2.9 Baris sudu-sudu turbin[6] Turbin impuls adalah turbin dimana proses ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi di dalam baris sudu tetap saja. Sedangkan turbin reaksi (turbin parsons) adalah turbin dimana proses ekspansi dari fluida kerja terjadi baik di dalam sudu tetap maupun sudu gerak. Efisiensi turbin uap berkisar antara 30 sampai 50 persen untuk unit daya rendah, dan 80 sampai 90 persen untuk unit daya tinggi. Prestasi turbin uap biasanya juga diukur dengan pemakaian uap spesifiknya, yaitu jumlah uap per jam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan [6] dan dinyatakan dalam.
kg uap jam . daya poros
Daya yang dihasilkan turbin (N)[6] adalah
.
N = J G( hti − hte )
(2.13)
14 atau berdasarkan pada panas yang digunakan (heat used)[1] dengan persamaan
N = Heat used = Heat in – Heat out
(2.14)
dimana J adalah faktor pengubah satuan, G adalah berat fluida kerja yang mengalir melalui sudu-sudu per satuan waktu, h ti adalah entalpi masuk turbin, dan h te adalah entalpi keluar turbin. Berdasarkan pada persamaan (2.14), maka daya turbin dapat diatur dengan mengatur jumlah uap masuk G dan atau selisih entalpi masuk turbin dan keluar turbin (h ti – h te ).
2.4 SISTEM PENGATURAN Pada turbin dan generator di dalam sistem pembangkit listrik terdapat sistem pengaturan kecepatan (rpm) dan tegangan. Pada gambar 2.10 ditununjukan skematika diagram sistem pengaturan turbin dan generator. Pengaturan kecepatan poros turbin dilakukan oleh governor dan pengatur tegangan terminal generator dilakukan
oleh AVR
(Automatic Voltage Regulator). Turbin uap dijalankan dan diberhentikan berturut-turut dengan membuka dan menutup rapat katup penutup uap (main stop valve/throttle valve). Sedangkan pengaturan jumlah uap masuk nosel turbin dilaksanakan dengan mengatur pembukaan katup pemasukan uap. Besarnya pembukaan katup pemasukan uap dikendalikan oleh alat yang disebut
governor. Governor pengatur kecepaan diperlukan untuk
mempertahankan kecepatan poros supaya konstan. Governor pengatur kecepatan merupakan pengendali proposional yang membandingkan kecepatan aktual turbin dengan set-point pada saat tidak berbeban. Ketika generator berbeban (operasi paralel dengan jaringan), maka fungsi dari governor adalah sebagai pengatur beban yang akan mengatur keperluan uap yang sebanding dengan beban yang dibangkitkan generator.
15
sistem eksitasi
sistem AVR
If
ωs
inlet uap
turbin
G
ke beban
sistem governor
Gambar 2.10 Sistem pengaturan turbin dan generator
Pada gambar 2.11 di bawah memperlihatkan prinsip dasar pengaturan governor hidrolik sederhana. Prinsip pengaturan dari governor ini adalah ketika putaran poros turbin uap naik di atas putaran normal, maka lever akan menggerakkan spool menuju ke atas. Dengan bergeraknya spool ke atas, oli bertekan tinggi akan mengalir pada bagian atas piston sehingga
menggerakkan servomotor ke bawah yang berarti aliran uap
menuju turbin akan berkurang. Dengan demikian putaran turbin dijaga konstan. Prinsip kerja sama pada saat putaran poros turbin uap turun dari putaran operasi normalnya, tetapi hasil dari pengaturanya mengakibatkan servomotor bergerak ke atas yang berarti akan menambah aliaran uap masuk turbin.
16 pendulum lever servomotor
spool oli kembali pressure oil oli kembali
inlet uap
TURBIN UAP
GENERATOR
Gambar 2.11 Governor hidrolik sederhana[5]
Disamping kecepatan poros turbin yang diatur, tegangan terminal generator juga dilakukan pengaturan untuk menghasilkan tegangan yang konstan sebagai fungsi dari beban generator. Pengaturannya dilakukan oleh rangkaian penguat medan (exciter) yang akan menghasilkan arus eksitasi. Pada prinsipnya pengaturan tegangan generator yaitu dengan mengatur arus eksitasi yang besarnya tergantung pada perubahan yang terjadi pada tegangan terminal generator. Ada atau tidak adanya perubahan yang terjadi pada tegangan terminal generator dihasilkan oleh rangkaian pembanding berdasarkan pada deteksi sensor tegangan yang kemudian membandingkannya dengan tegangan referensi. Ditinjau dari sistem suplai dayanya, exciter dibedakan menjadi dua, yaitu eksitasi generator arus searah dan eksitasi statis. Pada rangkaian eksitasi generator arus searah, untuk mendapatkan arus penguat medan searah, digunakan generator arus searah dengan magnet permanen. Sedangkan pada eksitasi statis (tipe brush atau brushless), arus searah diperoleh dari penyearahan arus bolak balik dengan dioda (non controlled rectifier) ataupun dengan penyearah thyristor (controlled rectifier). Pada gambar 2.12 diperlihatkan skematika diagram sistem eksitasi AVR tanpa sikat (sistem eksitasi statis).
17
G
8
9
2
1
G
G
7
3
6
4 5 AMPLIFIER
Keterangan : 1 Pilot exciter 2 Main exciter 3 Penguat daya SCR 4 Trafo stabilisator
_ + V referensi
5 Penguat error 6,9 Penyearah 7 Trafo tegangan 8 Generator sinkron
Gambar 2.12 Sistem eksitasi AVR tanpa sikat[4]
