BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Umum Sebuah pusat listrik tenaga gas turbine terdiri atas beberapa komponen utama yaitu kompresor, ruang pembakaran (combustion chamber), dan turbin gas dengan generator listrik. Cara kerja pembangkit listriknya secara garis besar dapat dilihat pada gambar 2.1 adalah: udara, yang dari luar masuk melalui turbine inlet air filter menuju kompresor, kemudian udara tersebut ditekan, selanjutnya udara yang ditekan dialirkan ke dalam ruang bakar. Didalam ruang bakar kemudian disemprotkan bahan bakar kedalam saluran udara tersebut sehingga terjadi proses pembakaran. Gas hasil pembakaran yang terbentuk itu kemudian dimasukkan kedalam turbin sehinggga dihasilkan daya dorong untuk memutar turbin. Turbin akan berputar yang pada gilirannya menggerakkan kompresor kembali dan generator listrik sebagai daya yang dimanfaatkan lebih lanjut. Gas hasil pembakaran ini akan keluar ke udara luar melalui exhaust silencer.
Gambar 2.1 Power Transfer Diagram
Jenis kerja turbin seperti yang telah dijelaskan pada paragraf sebelumnya diatas, jika dilihat pada perputaran udaranya disebut dengan sistem terbuka. Secara gambaran umum gas turbine memiliki keuntungan dan kerugian dalam siklus kerjanya maupun secara konstruksi. Keuntungan yang dapat diperoleh dari sistem gas turbine adalah : a. Ruang bakarnya ringan, ukurannya kecil tetapi dapat menghasilkan temperatur yang tinggi dibandingkan dengan turbin uap. Sistem awal pengapiannya mudah, hanya membutuhkan penyulut pertama kali, setelah itu pembakaran akan berlangsung sendiri. Desain ruang bakarnya digunakan untuk membakar hampir semua bahan bakar berjenis hidrokarbon, mulai dari gas,sampai minyak diesel serta bahan bakar padat walaupun hampir sama sekali tidak dipergunakan. b. Pergerakan atau perputaran dari rotor baik turbin maupun kompresor, berada pada satu rotor yang sama, sehingga tidak adanya gaya yang tidak seimbang yang dihasilkan dan secara keseluruhan getaran yang dihasilkan sangat kecil sekali. c. Pemanasan pada awal starting turbin dilakukan dengan waktu relatif tidak terlalu lama. d. Perawatannya mudah dan biaya yang dikeluarkan untuk pemeliharaan relative sedikit. e. Pelumasannya mudah, karena dilakukan hanya pada kompresor, bearing turbine dan gear unit. f. Tidak membutuhhkan pondasi yang kuat sekali atau bangunan yang kokoh. g. Lebih sederhana bila dibandingkan dengan turbin uap, karena tidak adanya boiler feed water evaporator dan condensing system. Kerugian dari sistem terbuka gas turbine antara lain : a. Daya guna tiap bagiannya rendah, tetapi dapat ditingkatkan dengan penambahan inter-cooler dan pemanasan kembali pada beberapa pembangkit listrik yang menggunakannya.
b. Penurunan efisiensi pada komponennya mempengaruhi penurunan temperatur dari sistem sehingga kinerja dari turbin menjadi turun. c. Gas turbine dengan sistem terbuka membutuhkan jumlah udara yang besar. Untuk turbin yang dipakai di industri dapat dilihat dari turbin, kompresor, generator listrik dan motor untuk start semuanya berada dalam satu poros, pada umumnya runag bakar diletakkan dibagian belakang turbine package. Daya yang dihasilkan dari turbin gas harus dibagi, yaitu sebagian untuk menggerakkan kompresosr
udara
dan
sebagian
untuk menggerakkan
generator
listrik.
Perbandingan dayanya kurang lebih 3 : 2 : 1.
Gambar 2.2 Siklus Turbin Sederhana Turbin gas bekerja atas dasar prinsip siklus tenaga gas Joule yang merupakan suatu standar siklus udara seperti yang dijelaskan pada gambar 2.2. Proses-proses yang terjadi terdiri atas : 1-2 Kompresi isentropik 2-3 Penambahan energi pada tekanan konstan 3-4 Pengembangan isentropik 4-1 Pembuangan panas pada tekanan konstan
Gambar 2.3 Skema Turbin Gas Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem gas turbin adalah : 1. Pemampatan (Compression) udara di hisap dan dimampatkan. 2. Pembakaran (Combustion) bahan bakar dicampurkan kedalam ruang bakar dengan udara kemudian dibakar. 3. Pemuaian (Expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir keluar melalui nozzle. 4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan. Sebuah turbin gas pada umumnya memiliki suatu tingkat efisiensi yang rendah, pemakaian bahan bakarnya tinggi dan gas buang yang meninggalkan turbin masih memiliki suhu yang tinggi sekali.
Gambar 2.4 Gas Turbine
2.2 Peralatan Utama 2.2.1 Kompresor (Compressor) Untuk menaikkan tekanan udara bias digunakan kompresor. Kompresor yang digunakan umumnya yaitu kompresor aksial, karena kompresor aksial memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan kompresor sentrifugal walaupun bobotnya sangat berat. Kompresor aksial merupakan kompresor yang tergolong dalam rotodynamic compressor, dimana proses kompresi dihasilkan dari efek dinamik antara sudu (blade) dengan fluida kerja yang mengacu pada persamaan moment of momentum, dan tidak mengacu pada efek perubahan volume seperti halnya pada positive displacement compressor.
Gambar 2.5 Kompresor Aksial Komponen utama pada bagian ini adalah aksial flow compressor, berfungsi untuk mengkompresikan udara yang berasal dari inlet air section hingga bertekanan tinggi sehingga pada saat terjadi pembakaran dapat menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang dapat menimbulkan daya output turbin yang besar. Aksial flow compressor terdiri dari dua bagian yaitu :
1. Compressor rotor assembly Compressor rotor assembly merupakan bagian dari kompresor aksial yang berputar pada porosnya. Rotor ini memiliki 17 tingkat sudu yang mengkompresikan aliran udara secara aksial dari 1 atm menjadi 17 kalinya sehingga diperoleh udara yang bertekanan tinggi. Bagian ini tersusun dari wheels, stub shaft, tie bolt dan sudu-sudu yang disusun secara kosentris disekililing sumbu rotor. 2. Compressor stator Compressor stator merupakan bagian dari casing gas turbine yang terdiri dari : 1. Inlet casing, yang merupakan bagian dari casing yang mengarahkan udara masuk ke inlet bellmouth dan selanjutnya masuk ke inlet guide vane. 2. Forward compressor casing, bagian casing yang didalamnya terdapat empat (4) stage compressor blade. 3. Aft casing, bagian casing yang didalamnya terdapat compressor blade tingkat 510. 4. Discharge casing, merupakan bagian casing yang berfungsi sebagai tempat keluarnya udara yang telah dikompresi.
Gambar 2.6 Arah Aliran Udara Pada Turbin Dengan Kompresor Aksial Arus aliran udara ketika melalui kompresor aksial arahnya seperti ketika sedang melalui pipa, yaitu arahnya secara aksial seperti gambar 2.3. Setiap turbin
memiliki tingkatan aliran yang berbeda, hal tersebut tergantung dari jenis dan spesifikasi turbin. Tinggi kenaikan penekanan atau penempatan udara pada kompresor didapat dari rumus :
(2.1) Dimana :
H
= Dalam m kolom udara
g
= 9.81 m/detik2
2.2.2 Ruang Bakar (Combustor) Ruang bakar terdiri dari selubung luar atau suatu tabung silinder yang didalamnya dilengkapi dengan pembakar dan dikelilingi oleh beberapa penyemprot bahan bakar yang jumlahnya tergantung dari turbin. Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan fluida kerja berupa udara yang bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Hasil pembakaran ini berupa energi panas yang dirubah menjadi energi kinetik dengan mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces yang juga berfungsi sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin. Sistem pembakaran ini terdiri dari komponen-komponen berikut yang jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas. Komponenkomponen tersebut adalah : 1. Combustion Chamber Berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah di kompresi dengan bahan bakar yang masuk. 2. Combustion Liners Terdapat didalam combustion chamber yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran. 3. Fuel Nozzle Berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar kedalam combustion liner.
4. Ignitors (Spark plug) Berfungsi untuk memercikan bunga api kedalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar. 5. Transition Feces Berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas. 6. Cross Fire Tubes Berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua combustion chamber. 7. Flame Detector Merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi proses pembakaran yang terjadi.
Gambar 2.7 Combustion Chamber Sebagian udara dari kompresor dialirkan diluar ruang bakar, dengan maksud supaya berfungsi sebagai pendigin ruang bakar. Udara ini kemudian mengalir masuk kedalam melalui tempat-tempat yang terbuka, untuk mendapatkan pencampuran yang baik dan pembagian temperature yang merata diseluruh bagian diluar ruang bakar.
Ruang bakar yang baik memenuhi beberapa persyaratan antara lain adalah : a. Tekanan yang hilang relative lebih kecil. b. Efisiensi pembakaran yang tinggi. c. Kestabilan pengapian yang baik. d. Ringan e. Daya tahan yang baik. f. Endapan karbon yang rendah. Luas penampang yang dibutuhkan pada suatu ruang bakar yaitu : A = V/c Dimana :
(2.2)
A = Luas penampang V = Volume penampang c = Kecepatan udara dalam m/detik
Kecepatan udara didaerah pembakaran mulai c = 25 m/detik sampai dengan 30m/detik. Bila c terlalu kecil, nyala api akan menyebar kea rah kompresor, sebaliknya bila kecepatan udara terlalu besar nyala api akan membesar kearah saluran keluar ruang bakar. Hal ini akan mengakibatkan temperature dibagian masuk turbin semakin tinggi, juga akan memadamkan api diruang bakar dan menyebabkan timbulnya thermal stress, dimana thermal stress tersebut disebabkan karena adanya pembagian temperatur sebelum yang tidak merata.
2.2.3 Turbin Section Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energy kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak kompresor aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60% digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan. Komponen-komponen pada turbin section adalah sebagai berikut :
1. Turbin rotor case : adalah penampang atau tempat dari turbin rotor case itu sendiri. 2. First Stage Nozzle : yang berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first stage turbine wheel. 3. First Stage Turbine Wheels : berfungsi untuk mengkonversikan energy kinetic dari aliran udara yang berkecepatan tinggi menadi energi mekanik berupa putaran rotor. 4. Second Stage Nozzle and Diafragma : berfungsi untuk mengatur aliran gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi untuk memisahkan kedua turbine wheel. 5. Second Stage Turbine : berfungsi untuk memanfatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first stage turbine untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang cukup besar. Konstruksi utama dari turbine section seperti yang terlihat pada gambar 2.7 yaitu terdiri dari kompresor dan turbin yang berada pada rotor yang sama (single shaft), yang ditumpu oleh konstruksi baja. Sistem sudu-sudu turbin gas terdiri dari sudu pengarah yang ditempatkan didalam rumah turbin atau penyanggah sudu pengarah dan sudu jalan.
Gambar 2.8 Turbine Section Dengan Sistem Terbuka dan Satu Shaft
Untuk memutar kompresor, kecepatan turbine section dibuat lebih tinggi, supaya diameternya bias dibuat lebih kecil dan sudu-sudunya bias dibuat lebih panjang. Daya yang didapat dari turbin didapat dari : Pt = Pv + Pn
(2.3)
Dimana : Pt
= Daya yang dihasilkan turbin keseluruhan dalam Kw
Pv
= Daya yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor dalam Kw
Pn
= Daya yang berguna (efektif) yang diberikan keluar untuk menggerakkan mesin (generator listrik, pesawat terbang) dalam Kw. Biasanya daya yang berguna (efektif) pada turbin sudah diketahui, karena
berdasarkan ukura daya yang berguna inilah menjadi menjadi ukuran turbine section. Daya yang dihasilkan oleh turbine section harus dibagi sebagian untuk menggerakkan generator listrik. Instalasi turbine section yang tetap tidak dipindah-pindahkan seperti instalasi yang dipakai untuk memutar generator listrik dan untuk menggerakkan kompresor seperti yang ada pada kapal laut, karena itu turbin ini harus bisa bekerja dalam jangka waktu yang panjang. Dan karena turbin bekerja dalam jangka waktu yang lama, maka turbin dapat memikul beban yang tinggi agar efisiensi yang didapat bisa lebih besar, tergantung pada karakteristik dan jenis turbin, serta daya yang berguna. Misal apabila daya yang keluar bisa mencapai 100 MW, berarti daya yang dihasilkan turbin harus mencapai 300 MW dan temperatur kerja turbin 850° sampai 950°. Dengan makin tingginya operasi turbine section, maka kekuatan logam bahan instalasi turbin pun akan turun. Sifat material yang menentukan dalam pemilihan logam, untuk menerima beban dalam jangka waktu yang lama (creep strength) atau disebut juga dengan kekuatan rangkak. Untuk turbin gas dengan sistem terbuka hanya dapat meggunakan bahan bakar berbentuk cair atau gas, karena hasil proses pembakarannya harus bebas dari sisasisa bahan bakar (abu) yang keras dan tidak menimbulkan korosi yang diakibatkan oleh peristiwa kimia, karena itu bahan bakar padat sangat dicegah penggunaannya.
Turbin gas memiliki beberapa sistem untuk menunjang proses kerja pada Central Processing Platform (CPP) Offshore Processing Facilities (OPF) dilapangan minyak ujung pangkah PT. HESS (Indonesia-Pangkah) Ltd, yaitu diantaranya adalah : 1. Sistem Starting Sistem start yang dilakukan pada pembangkit ini adalah electrohydraulic start. Proses utamanya yaitu mengoperasikan starter motor yang digunakan untuk menghasilkan gerakan mekanis (rotational) pertama yang dibutuhkan untuk menjalankan turbin sampai dengan 20% kecepatannya dimana pembakaran terjadi. Setelah pembakaran awalnya sampai dengan kecepatan 66%, sistem start secara otomatis akan berhenti dan membiarkan turbin untuk menjalankan 100% kecepatan dengan sendirinya.Sistem ini memiliki komponen utama yaitu : a. Starter Adapter Housing Terletak pada bagian depan Gear Reduction, berfungsi sebagai tempat meletakkan Hydraulic Starter Motor. Starter adapter housing terdiri dari beberapa bagian lain yang akan menghubungkan Hydraulic Starter Motor dengan Gear Reduction, yaitu Motor Splined Shaft, Coupling Sleeve, Sprag Clutch, Bearing and Shaft Assembly. b. Hydraulic Pump Berfungsi untuk memberikan tekanan yang dibutuhkan pada Hydraulic Starter Motor. Terletak pada bagian depan Electric motor. Hydraulic pump bekerja pada minimum flow dan tekanan maksimum. c. Electric Motor Berfungsi untuk memberikan gerakan mekanik kepada hydraulic pump dengan daya output 60 HP (44.76 KW) pada 1600 RPM. d. Hydraulic Oil Filter Terletak pada bagian atas Lube Oil Tank, yang berfungsi sebagai filter oli untuk mencegah kontaminasi pada pelumasan untuk kebutuhan motor dan
hydraulic pump. Filter oli ini juga memiliki indikator tekanan oli, yang akan bekerja memutus supply oli jika tekanannya turun sampai dibawah 10 PSI. e. Pressure Relief Valves Terdiri dari dua (2) buah valve yang berbeda, yaitu Low Pressure Valve dan High Pressure Valve . Low Pressure Valve berfungsi untuk mengontrol tekanan keluar dari hydraulic pump, sedangkan High Pressure Valve berfungsi untuk menjaga tekanan yang disetting pada sistem agar stabil. Letak dari kedua valve tersebut yaitu pada Hydraulic Pump Motor. f. Hydraulic Starter Motor Berfungsi untuk memutar turbin pertama sekali dengan total torsi 461 Nm pada tekanan 5000 PSI.
Gambar 2.9 Skema Sistem Starting Turbin
Urutan kerja dari sistem Electro Hydraulic Start pada turbin adalah sebagai berikut : -
Electric motor mulai beroperasi.
-
Hydraulic Pump akan bekerja menghasilkan tekanan yang dibutuhkan.
-
Hydraulic Motor akan bekerja setelah mendapatkan supply tekanan dari hydraulic pump.
-
Sprag Clutch akan engages pada gear reduction.
-
Hydraulic pump dan hydraulic motor akan bekerja menurut urutan stroke position.
-
Electric motor akan berhenti berputar setelah kecepatan turbin lebih dari 60% kecepatan kerjanya, dan akan diikuti secara otomatis berhentinya hydraulic pump dan hydraulic motor.
-
Sprag clutch akan disengages dari gear reduction, sehingga turbin bekerja dengan kecepatan maksimalnya (peak speed).
2. Sistem kebutuhan udara Agar performa turbin gas yang dipakai pada Central Processing Platform (CPP) dapat bertahan lama, maka turbin tersebut bekerja dengan temperatur dibawah 950° K. Untuk mendinginkan sudu-sudu ditiap-tiap tingkat pada turbin, maka dialirkan udara dari kompresor. Udara pendingin mengalir disekililing dinding sudu dan akhirnya keluar melalui lubang-lubang kecil yang terdapat pada bagian sudu dan selanjutnya udara tersebut akan bercampur dengan gas yang bekerja didalam turbin. Fungsi utama dari sistem udara dari turbin gas ini adalah untuk membantu proses pembakaran. Disamping itu juga sistem udara dapat dipergunakan untuk : a. Member tekanan pada oil seals. b. Pendinginan pada rotor turbin pada Turbine Cooling Air System. c. Membantu kontrol udara untuk megoperasikan sistem kontrol bahan bakar. d. Membantu surge condition pada saat kecepatan turbin belum stabil terutama pada saat start.
3. Sistem Pelumasan Sistem pelumasan mensirkulasikan minyak pelumas dengan tekanan rendah ke beberapa bagian dari turbin dan reduction gears. Sistem pelumasan ini mencakup semua bagian dari turbin sampai dengan gear unit yang membutuhkan pelumasan. Generator tidak termasuk didalam sistem pelumasan ini karena generator memiliki sistem pelumasan sendiri. Sistem pelumasan bekerja mensirkulasikan minyak pelumas bertekanan ke beberapa bagian turbin dan gear unit untuk memberikan minyak sebagai pelumasan dan sebagai media pendingin. Cara kerja sistem pelumasan dapat dijelaskan seperti berikut : pada saat akan start atau sebelum turbin mulai berputar, pompa minyak pelumasan (Lube Oil Pump) mulai mengalirkan minyak dari tangki minyak pelumas (Lube Oil Tank) menuju ke sistem pelumasan melalui sebuah filter minyak (Oil Filter). Tekanan kerjanya yaitu 55 PSI. Setelah 15 detik minyak dialirkan , maka turbin akan mulai berputar. Perputaran turbin akan meningkat diiringi oleh pemompaan minyak pelumas yang dikontrol oleh Engine Driven Pump. Lube Oil Pump akan berhenti bekerja setelah minyak dari Engine Driven Pump sudah mencukupi sesuai dengan kerja turbin. Minyak pelumas akan mengalir mulai keluar dari Oil Tank melalui Filter Oil dan selanjutnya akan didistribusikan melalui pipa-pipa kecil dari sistem pelumasan menuju ke bagian-bagian yang tercakup sistem pelumasan. Pada Gear Unit dan Bearing Rotor kompresor, minyak pelumas disalurkan melalui Oil Jet, dan kembalinya minyak menuju oil tank mengalir dengan sendirinya. Lube Oil Pump akan kembali bekerja setelah adanya signal akan dihentikannya turbin. Secara otomatis akan start dengan sendirinya oleh Electrical Control System pompa tersebut. Pompa akan melumasi bearing dengan minyak baru yang diambil dari Lube Oil Tank, sehingga bearing akan menjadi lebih dingin. Waktunya pelumasan setelah turbin generator ini berhenti total yaitu selama 55 menit. Komponen-komponen utama pada sistem pelumasan antara lain adalah :
a. Lube Oil Tank Terletak dibawah Gear Unit dengan kapasitas 825 liter dalam keadaan shut down dan 693 liter dalam keadaan turbin beroperasi.
Gambar 2.10 Lube Oil Tank b. Lube Oil Control Manifold, Pressure Regulating Unloading Valve, Keseluruhannya berfungsi untuk menjaga agar kerja minyak pelumas mulai keluar dari oil tank hingga ke bagian-bagian yang dituju berada pada tekanan 55 PSI dan temperatur 55° C.
Gambar 2.11 Lube Oil Control Manifold
c. Lube Oil Supply Manifold Berfungsi sebagai penghubung utama/distributor utama antara seluruh pipa minyak pelumas baik yang menuju turbin dan Gear Unit.
Gambar 2.12 Lube Oil Supply Manifold d. Pre/Post Lube Pump Berfungsi untuk memompa minyak pelumas ke turbin dan Gear Unit. Pompa ini mensupply minyak pelumas dengan kapasitas 76 liter/menit. e. Lube Oil Pump Merupakan pompa utama yang letaknya menempel pada gear unit. Dapat bekerja dengan mensupply minyak pelumas sebanyak 280 liter/menit dengan tekanan 150 PSI, walaupun kerja sistem pelumasan hanya 76 liter/menit dan tekanan 55 PSI.
Gambar 2.13 Lube Oil Pump
f. Servo Oil Pump Letaknya berdampingan dengan Lube Oil Pump. Berfungsi untuk mensupply electrohydraulic servo actuator untuk kebutuhan sistem bahan bakar. Bekerja dengan mensupply 56 liter/menit pada tekanan 500 PSI. g. Oil Filter Berjumlah dua buah dengan letak berdampingan tepat berada dibawah Pre/Post Lube Pump. Kapasitas masing-masing 72 liter. Filter ini hanya 1 buah saja yang digunakan saat beroperasi, sedangkan yang lainnya sebagai spare parts perawatan. h. Oil Cooler Berupa fan dengan kekuatan hembusan udara sebesar 340 m³ permenit, yang berfungsi sebagai pendingin. i.
Peralatan Penunjang a. Oil Pressure Switches Berfungsi untuk menjaga tekanan kerja minyak pelumas sehingga turbin dan peralatan lainnya dapat bekerja dengan baik. Komponen ini terhubung dengan langsung alarm yang aktif jika tekanan kerja turun sampai 35 PSI dan akan langsung mematikan kerja turbin jika tekanan kerja drop sampai dibawah 25 PSI. b. Oil Temperature Switch Berfungsi untuk menjaga temperatur kerja minyak pelumas. Komponen ini mengaktifkan alarm jika temperatur mencapai 76.7° C dan akan langsung mematikan kerja turbin jika temperatur mencapai 82.2° C. c. Oil Level Switch Terletak pada Oil Tank, akan bekerja mengaktifkan alarm jika minyak pelumas dalam oil tank turun hingga 439.1 liter dan akan langsung mematikan kerja turbin jika turun hingga 378.5 liter isi minyak pelumas dalam oil tank.
d. Oil Filter High Differential Pressure Alarm Switch Berfungsi untuk menjaga tekanan minyak pelumas didalam filter agar tidak turun. Jika turun hingga 30 PSI, alarm akan berbunyi dan dengan otomatis akan mengaktifkan filter kedua dan kerja filter dialihkan ke filter kedua. 4. Sistem Bahan Bakar Fungsi dari sistem bahan bakar adalah untuk mengontrol besarnya laju aliran bahan bakar dengan mengendalikan tekanan masuknya. Tujuan yang ingin didapat yaitu turbin generator dapat berjalan dengan baik, kecepatannya maksimum. Dan kecepatan rata-ratanya dapat diperoleh tanpa adanya fluktuasi tegangan, mencegah over temperature selama start up dan operasi, serta menghasilkan frekuensi tegangan AC yang baik walaupun beban yang ada dapat berubah-ubah besarnya. Bahan bakar yang dipergunakan adalah bahan bakar berjenis hydrocarbon yaitu bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar utama yang dipergunakan turbin setiap harinya yaitu gas hasil produksi dari lapangan minyak Ujung Pangkah sendiri. Akan tetapi jika dalam keadaan emergency yang menyebabkan terhentinya supply gas sehingga turbin tidak mendapatkan bahan bakar utamanya, maka akan secara otomatis valve supply gas akan menutup dan valve supply diesel akan terbuka sebagai ganti bahan bakar utama turbin tersebut. Bahan bakar gas yang dibutuhkan disupply dengan ketentuan aliran sebesar 21 m³/menit pada tekanan 152 PSI. Cara kerja dari Swicth Valve antara bahan bakar gas dan bahan bakar minyak diesel adalah, jika bahan bakar gas tekanannya turun dibawah 152 PSIG, switch valve tekanan bahan bakar gas akan berubah dengan cepat dan secara otomatis akan memindahkan operasi pada bahan bakar diesel seperti yang telah disebutkan diatas. Pada ruang bakar akan mengalir bahan bakar cair dan masih terdapat sisa bahan bakar gas yang sedikit demi sedikit dikurangi tekanannya hingga akhirnya
bahan bakar utamanya menjadi minyak diesel. Penutupan valve bahan bakar gas sekitar 2.3 detik setelah pembakaran campuran yang terjadi di ruang bakar. Komponen-komponen sistem bahan bakar terdiri dari : a. Liquid Fuel Component Duplex Low Pressure Liquid Low Filter Terdiri dari dua (2) buah filter yang di pararel, tetapi hanya salah satu yang digunakan pada saat beroperasi, yang lainnya digunakan untuk spare penggantian tanpa harus mematikan turbin. High Pressure Liquid Fuel Pump Berfungsi untuk mensupply liquid fuel ke fuel control system pada tekanan yang ditetapkan, yaitu 41.5 liter/menit pada tekanan 1000 PSI. High Pressure Liquid Fuel Filter Berfungsi untuk menyaring minyak pelumas keluar dari High Pressure Liquid Fuel Pump. Liquid Fuel Control Valve Berada pada Dual Fuel Control Assembly, berfungsi untuk mengontrol masuknya bahan bakar. Liquid Fuel Valve Group Terdapat Liquid Torch Valve yang berfungsi untuk mendekatkan bahan bakar ke Torch atau pemantik untuk pembakaran pertama kali, yaitu selama 10 detik pada saat putaran turbin 15%. Air Assist Manifold Berfungsi untuk menghasilkan Pcd untuk mengetahui keperluan injeksi bahan bakar. Liquid Fuel Manifold Terdapat pada Inlet Fuel Connection yang keseluruhannya berjumlah 10 buah dengan letak tersebar disekeliling ruang bahan bakar.
Torch Igniter Torch igniter adalah sebuah pemantik pada ruang bakar, yang akan membakar campuran udara dan bahan bakar selama 10 detik pada saat putaran turbin 15%, setelah itu Torch Igniter akan mati dengan sendirinya dan pembakaran akan berlangsung terus juga dibarengi dengan naiknya kecepatan turbin. b. Shared Component Dual Fuel Injector Berjumlah 10 buah dengan letak mengelilingi ruang bakar, dapat dilewati dengan bahan bakar gas ataupun bahan bakar cair. Berfungsi untuk menginjeksikan udara dari kompresor dengan bahan bakar gas maupu cair ke ruang bahan bakar. Electrohydraulic Servoactuator Berfungsi untuk memindahkan kerja secara otomatis Gas Throttle Valve ke Liquid Fuel Valve. c. Gas Fuel Component Gas Strainer Berfungsi untuk memindahkan pemasangan pipa bahan bakar gas ke sumbernya menuju turbin pertama kali. Primary Gas Fuel Shutoff Valve Merupakan valve pertama yang akan menutup dan membuka pada saat fuel transfer atau beroperasinya turbin dengan gas fuel juga kemungkinan terjadinya shutdown pada turbin. Secondary Gas Fuel Shutoff Valve Berfungsi sebagai alat bantu Primary Gas Fuel Shutoff Valve, juga sebagai filter gas yang masuk. Throttle Valve Berfungsi mengontrol masuknya bahan bakar pada saat turbin sudah mencapai 100% kecepatannya. Dan dapat bekerja jika mendapatkan signal
dari governor untuk mengurangi ataupun menambahkan bahan bakar agar kecepatan turbin pada 100%. Gas Fuel Manifold Berjumlah 10 buah dengan letak mengelilingi ruang bakar, berfungsi untuk menyalurkan bahan bakar dari Throttle Valve. Pilot Gas Valve Berfungsi untuk mengendalikan kerja Primary Gas Fuel Shutoff Valve dan Secondary Gas Fuel Shutoff Valve. Pilot Gas Filter Berfungsi untuk menyaring gas yang keluar dari Pilot Gas Valve agar tidak terjadi kontaminasi pada bahan bakar yang kemungkinan disebabkan oleh Malfunction Pilot Gas Valve. 5. Sistem Konstruksi Pada umumnya sistem konstruksi pada generator dapat dibagi menjadi beberapa bagian mesin seperti : a. Rangka Mesin Rangka Mesin berfungsi sebagai pemegang inti jangkar atau stator. Pada mesin besar, putaran rendah dengan diameter yang sangat besar, rangka mesin seringkali dibuat menjadi bagian-bagian yang dapat dilepas. Hal ini memudahkan untuk pengangkutan.Rangka mesin dibuat dari logam baja tuang. b. Inti Stator Terbuat dari lembaran-lembaran besi yang bersifat elektris yang terlaminasi. Lembaran ini diikat menjadi satu dan membentuk stator. Laminasi dilakukan agar rugi daya eddy kecil. Inti stator mempunyai alur-alur dimana kumparan stator diletakkan seperti pada gambar 2.8
Gambar 2.14 Inti Stator Pada Generator c. Rotor Rotor adalah suatu alat mekanik yang berputar yang merupakan kumparan jangkar dengan belitan konduktor yang saling dihubungkan ujungnya satu sama lain untuk mendapatkan tegangan induksi atau Gaya Gerak Listrik (GGL). Ada dua jenis rotor yaitu rotor dengan kutub menonjol (salient pole) dan rotor kutub silindris. Rotor dengan kutub menonjol dipakai pada mesin putaran yang rendah dan menengah. Untuk mesin yang besar kumparan rotor sering dibuat dari kawat persegi. Rotor dengan kutub silindris biasanya dipakai pada generator yang digerakkan oleh turbin uap (kecepatan tinggi). Untuk putaran rendah biasanya berdiameter kecil dan panjang. Kumparan rotor diatur sedemikian rupa agar terdapat fluks maksimum pada suatu posisi tertentu.
Gambar 2.15 Rotor Pada Generator
d. Kumparan Peredam Kumparan peredam disebut juga dengan kumparan sangkar , terdiri dari batangbatang aluminium atau tembaga yang ujungnya dihubung singkat. Kumparan peredam ini berfungsi untuk meredam osilasi sehingga tidak terjadi hunting (perubahan kecepatan sesaat). 6. Sistem Pendinginan (Cooling System) Sistem pendinginan (cooling system) generator pada Central Processing Platform (CPP) dibagi menjadi dua kategori yaitu : 1. Sistem Pendinginan Udara (air cooling system) Generator dengan kapasitas daya dibawah 15 MW dapat didinginkan dengan udara. Dialirkan melalui ducting menuju stator kemudian melalui air gap. Udara dapat dipakai untuk mendinginkan berbagai komponen pada section dan bearing. 2. Sistem Pendinginan Air (hydrogen cooling system) Generator dengan kapasitas daya diatas 15 MW dapat didinginkan dengan air atau hydrogen, karena itu instalasi pada pendingin lebih kompleks disebabkan membutuhkan factor keamanan yang tinggi untuk mencegah adanya kebocoran yang dapat mengakibatkan hubungan singkat (short circuit) dan ledakan. 7. Sistem Pengaturan Tegangan (Voltage Regulator System) Secara definisi sistem pengaturan tegangan dari suatu generator sinkron adalah perubahan tegangan terminal dari kedaan beban nol ke beban penuh dengan menjaga eksitasi konstan dan juga putaran konstan. Sistem eksitasi adalah sistem pasokan listrik Direct Current (DC) sebagai penguatan pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energy listrik dengan besar tegangan keluaran generator yang bergantung pada besarnya arus eksitasinya. Tegangan pada terminal generator sinkron tergantung dari beban yang terpasang dan juga factor dari daya tersebut. Untuk mesin-mesin bertenaga kecil, pengaturan tegangan dapat diperoleh secara langsung. Untuk
memperoleh harga tegangan pada beban ₀E, generator sinkron dapat diputar pada kecepata normal, eksitasi diatur sehingga menghasilkan tegangan nominal V pada beban penuh dan kemudian beban dilepas untuk menjaga agar putaran dan arus eksitasi tetap konstan. Pengaturan tegangan dapat dinyatakan dengan persamaan : (2.4) Dimana :
E₀ = Beban dalam keadaan nol V = Tegangan dinyatakan dalam volt
Gambar 2.16 Rangkaian Pengaturan Tegangan (Voltage Regulator) 8. Sistem Kerja Paralel Sistem kerja paralel pada generator adalah pengoperasian beberapa buah generator secara bersama-sama, dimana output dari generator yang beroperasi disalurkan ke beban melalui bus yang sama (common busbar system). Bila suatu generator mendapatkan pembebanan yang melebihi kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak bekerja atau bahkan mengalami kerusakan. Untuk mengatasi kebutuhan listrik atau beban yang terus meningkat tersebut, bisa diatasi dengan menjalankan generator lain yang kemudian dioperasikan secara parallel dengan generator yang telah bekerja sebelumnya, pada suatu jaringan listrik yang sama. Syarat-syarat yang harus dipenuhi untuk memparalel dua buah generator atau lebih adalah : -
Polaritas dari generator harus sama dan tidak bertentangan setiap saat terhadap satu sama lainnya.
-
Nilai efektif tegangan harus sama.
-
Tegangan generator yang diparalelkan mempunyai bentuk gelombang yang sama.
-
Frekuensi kedua generator atau lebih terhadap jala-jala harus sama.
-
Urutan fasa dari kedua generator atau lebih harus sama.
Tujuan utama dari pelaksanaan kerja paralel tersebut adalah sebagai berikut : a. Penambahan Daya Jika mesin diesel yang terpasang tidak mampu menanggung pertambahan beban listrik maka dengan kerja paralel dapat diatasi masalah tersebut, sehingga daya kerja generator bisa diandalkan. b. Kesenambungan (continuity) Jika ada gangguan dari listrik PLN, maka beban akan tetap mendapatkan supply listrik sehingga tidak terjadi pemutusan supply, begitu pula dengan kestabilan tegangan dan frekuensi meskipun beban beragam. c. Efisiensi Efisiensi maksimum dari generator dapat tercapai jika generator mengirimkan supply untuk beban puncak, begitu pula jika generator tersebut dioperasikan paralel dengan generator lainnya. Keadaan tegangan dapat diamati dari voltmeter sedangkan keadaan frekuensi dan phasa dapat dimonitor dengan lampu sinkronisasi atau sinchronouscope lamp. Untuk pemilihan Circuit Breaker (CB) pada generator harus memperhatikan tegangan generator yang dipakai, sehingga pemilihan CB generator didasarkan rumus :
(2.5) Dimana :
U = Tegangan generator (Volt) S = Daya generator (KVA) I = Arus generator
2.3 Sistem Kontrol Kecepatan Pembangkit Turbin Gas Fungsi dari sistem kontrol kecepatan pada pembangkit ini adalah untuk mengatur frekuensi dari generator dengan cara mengkontrol kecepatan dari turbin dan beban distribusi dari generator saat beroperasi. Selain untuk fungsi yang disebutkan tadi, sistem kontrol kecepatan juga berfungsi untuk mengurutkan sistem pengoperasian pembangkit selama tahapan starting, running, dan shutdown, hal tersebut bertujuan untuk mendapatkan suatu keamanan disetiap tahapannya selama pengoperasian. Cara kerja sistem kontrol kecepatan pada turbin generator ini adalah, kecepatan turbin dideteksi dengan sensor magnetic, sensor tersebut ditempatkan dibagian salah satu bearing turbin. Jika pada generator, sistem kontrol kecepatan dilakukan terhadap besarnya beban dan bukan pada kecepatan seperti layaknya pada turbin.
Gambar 2.17 Skema Sistem Kontrol Pembangkit Kecepatan turbin dan generator disetting terlebih dahulu dengan potensiometer pada Control System. Apabila terdapat perbedaan antara setting dengan hasil sensor kecepatan, maka dengan sendirinya Control System akan
memberikan signal kepada governor yang akan mengatur banyaknya bahan bakar sesuai dengan kebutuhan akan kestabilan kerja turbin dan generator melalui Electrohyraulic Servoactuator. Begitu pula dengan fungsi dari Load Sensing yang akan meneruskan hasil sensor beban kepada Load Gain yang terdapat pada Control System. Load Gain akan mengkalkulasikan beban dari tiap generator agar terbagi dengan rata, sehingga kebutuhan bahan bakar turbinnya pun sama. Sistem kontrol kecepatan dibagi menjadi beberapa bagian untuk memudahkan pengontrolan pada suatu pembangkit, yaitu antara lain : 1. Panel kontrol turbin 2. Panel kontrol generator
2.4 Pentanahan Pembangkit Turbin Gas Pentanahan pembangkit berfungsi untuk mengamankan generator apabila terjadi kebocoran arus yang disebabkan oleh sistem itu sendiri maupun dari luar sistem seperti halnya petir atau angin keras atau hempasan ombak yang besar dilepas pantai yang menyambar pembangkit. Arus bocor tersebut akan diteruskan melalui sistem pentanahan. Pentanahan pembangkit dilakukan dengan menggunakan metode Resistance Earthing, yaitu dengan menghubungkan titik netral generator dengan sebuah Neutral Grounding Resistor Unit sebelum ditanahkan. Sedangkan Neutral Grounding Resistor Unit sendiri di tanahkan pada body platform (anjungan) masing-masing. Instalasi ini dilakukan dengan menghubungkan langsung Neutral Lead dari generator ke bushing Neutral Grounding Resistor Unit, kemudian meng-ground-kan Neutral Grounding Resistor Unit pada platform (anjungan) melalui bagian bawah. Bushing terletak di bagian atas Neutral Grounding Resistor Unit. Neutral Grounding Resistor Unit ini tidak memerlukan perawatan yang berarti. Hanya secara berkala perlu dilakukan inspeksi terhadap kerusakan resistor ataupun buruknya beberapa connection yang ada. Kerusakan bisa terjadi
disebabkan oleh adanya gangguan dari dalam dan luar seperti overloads dan petir dan hal lainnya yang kemungkinan dapat menyebabkan terbakar atau rusaknya komponen yang ada.
Gambar 2.18 Neutral Grounding Resistor Keuntungan sistem pentanahan adalah : a. Menghasilkan keamanan akan tersambar petir dan gangguan lainnya. b. Mengurangi biaya perawatan dan operasi. c. Menunjang perawatan daya tahan pembangkit. d. Keamanan terbesar dari suatu pembangkit didapat. e. Menghasilkan keamanan terbesar untuk peralatan elektronik terhadap arus lebih (over current). Terdapat tiga metode pentanahan yang dapat dipakai pada sistem pembangkit gas turbin Central Processing Platform (CPP) lapangan minyak ujung pangkah adalah :
1. Solid Earthing Seperti pada gambar 2.10, titik netral generator atau transformator daya secara langsung ditanahkan.
Gambar 2.19 Solid Earthing 2. Resistance Earthing Seperti pada gambar 2.11, titik netral generator atau transformator daya dihubungkan dengan sebuah resistor atau lebih sebelum ditanahkan.
Gambar 2.20 Resistance Earthing 3. Reactance Earthing Seperti pada gambar 2.12, titik netral generator atau transformator daya yang dihubungkan dengan sebuah induktor terlebih dahulu sebelum ditanahkan.
Gambar 2.21 Reactance Earthing
2.5 Pemeliharaan Pembangkit Turbin Gas Pemeliharaan atau maintenance adalah perawatan untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan seperti kerusakan terlalu cepat terhadap semua peralatan di pembangkit turbin gas, baik yang sedang beroperasi maupun yang berfungsi sebagai suku cadang (spare parts). Secara singkat bertujuan untuk mendapatkan kondisi bagian-bagian dari sistem yang baik dan siap pakai. Kerusakan yang timbul biasanya terjadi
karena
keausan
dan
makin
bertambahnya
usia
peralatan
akibat
pengoperasian yang terus menerus, dan juga langkah dari pengoperasian yang salah. Pemeliharaan pada sistem pembangkit serta peralatan lain yang terdapat didalam suatu sistem memerlukan pemeliharaan secara teratur dan baik untuk mengurangi kerusakan pada mesin dan mendukung agar proses produksi dapat berjalan dengan baik. Pemeliharaan pada turbin gas selalu tergantung dari faktor-faktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah kerja Central Processing Platform (CPP), karena operasional turbin gas sangat bergantung dari kondisi wilayah kerja yang ada pada Central Processing Platform (CPP), Offshore Processing Facilities lapangan minyak ujung pangkah Gresik. Semua pabrik pembuat pembangkit turbin gas telah menetapkan suatu ketetapan yang aman dalam pengoperasian sehingga turbin selalu dalam batas kondisi aman dan tepat waktu untuk melakukan suatu pemeliharaan berkala. Tujuan dari pemeliharaan pada pembangkit turbin gas adalah : a. Menjaga agar mesin dan peralatan penunjang lainnya dapat berjalan dengan baik dan lancar. b. Memperpanjang usia dan kesinambungan dari mesin dan peralatan lainnya. c. Menjaga agar kualitas yang dihasilkan tetap baik dan terjaga. Pemeliharaan (maintenance) memberikan pemeriksaan yang teratur pada mesin, perbaikan-perbaikan preventif dalam jangka waktu tertentu sesuai dengan jadwal diluar jadwal pemeliharaan harian. Panjang dari jangka waktu yang ditentukan tergantung pada perencanaan mesin, tujuan pemakaian dan kondisi kerja. Pemeriksaan atau pengecekan yang dilakukan perhari atau sebelum starting diantaranya adalah :
1. Pengecekan oil level pada oil tank. 2. Penggecekan fuel supply. 3. Pengecekan battery. 4. Pengecekan keamanan panel-panel yang berkaitan langsung dengan pembangkit. 5. Pengecekan filter udara. 6. Pengecekan exhaust. Pemeriksaan atau pengecekan yang dilakukan tersebut diatas adalah termasuk kedalam Preventive Maintenance, dimana pemeriksaan dilakukan sebelum terjadinya kerusakan atau masih dalam keadaan baik dan stabil. Pengecekan dan penggantian akan dilakukan setelah 1000 jam operasi atau 200 kali start tergantung yang mana terlebih dahulu dicapai, dan selanjutnya dilakukan setelah 4000 jam operasi. Pengecekan dan penggantian dilakukan diantaranya adalah : a) Menganalisa performance pembangkit dari pemeriksaan yang dilakukan setiap hari. b) Penggantian spark plug. c) Pengecekan
ruang bakar
dan
beberapa komponen
yang
terdapat
disekelilingnya. d) Pengecekan Bleed Air Valve. e) Penggantian Oil Filter. f) Pemeriksaan laboratorium akan kadar minyak pelumas, jika diperlukan dilakukan penggantian seluruh minyak pada Oil Tank. g) Pengecekan dan penggantian Oil Cooler. h) Penggantian Filter bahan bakar. i) Pengecekan Electric Starter. j) Pemeriksaan Air Filter. k) Pengecekan dan pemeriksaan Exhaust. l) Pemeriksaan dan penggantian battery.
m) Pengurasan dan penggantian secara periodic Liquid Fuel Tank. n) Pemeriksaan dan pengecekan serta kalibrasi ulang seluruh temperatur pada turbin, monitor kecepatan dan safety shut down. o) Pengecekan posisi antara generator dan gear unit. p) Dilakukannya Detergent Wash pada turbin. Pengecekan dan pemeriksaan yang dilakukan tersebut diatas dapat dikategorikan kepada Predictive dan Corrective Maintenance. Secara umum pemeliharaan (maintenance) dapat dibagi dalam beberapa bagian, diantaranya adalah : 1. Preventive Maintenance Preventive maintenance adalah suatu kegiatan pemeliharaan dan perawatan yang direncanakan baik itu secara rutin maupun periodik, karena apabila perawatan dilakukan tepat waktunya akan mengurangi down time dari peralatan. Preventive maintenance dilakukan dengan pemeliharaan dan perawatan secara berkala tanpa menunggu mesin atau peralatan yang berhubungan atau yang lainnya rusak terlrbih dahulu. Preventive maintenance dibagi menjadi dua (2) bagian yaitu: a. Running Maintenance Suatu kegiatan pemeliharaan atau perawatan yang dilakukan hanya bertujuan untuk memperbaiki peralatan yang rusak saja dalam satu (1) unit. Unit produksi tetap melakukan pekerjaan. b. Turning Around Maintenance Pemeliharaan atau perawatan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya. 2. Repair Maintenance Pemeliharaan atau perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang tidak kritis, atau disebut juga peralatan-peralatan yang tidak menganggu jalannya operasi dan pekerjaan yang berhubungan dengan explorasi dan produksi minyak dan gas bumi.
3. Predictive Maintenance Suatu kegiatan monitor, menguji, dan mengukur peralatan-peralatan yang beroperasi dengan menentukan perubahan yang terjadi pada bagian utama, apakah peralatan tersebut berjalan dengan normal atau sebaliknya. 4. Corrective Maintenance Pemeliharaan dan perawatan yang dilakukan dengan memperbaiki perubahan kecil yang terjadi dalam desain, serta menambahkan komponen-komponen yang sesuai dan juga menambahkan material-material yang cocok. 5. Break Down Maintenance Kegiatan pemeliharaan dan perawatan yang dilakukan setelah terjadi kerusakan atau kelainan pada peralatan sehingga tidak dapat berfungsi sebagaimana mestinya. 6. Modification Maintenance Pekerjaan yang berhubungan dengan desain suatu peralatan atau unit. Modifikasi bertujuan untuk menambah kehandalan peralatan atau menambah tingkat produksi dan kualitas pekerjaan. 7. Shut Down Maintenance Kegiatan pemeliharaan dan perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya.
