BAB II TINJAUAN PUSATAKA

BAB II TINJAUAN PUSATAKA

2.1

Definisi Energi Energi yang bersifat abstrak yang sukar dibuktikan, tetapi dapat dirasakan adanya.

Energi tidak dapat

diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan,

tetapi dapat

dikonversikan/berubah dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain. Jadi energi adalah kemampuan dari suatu sistem untuk melakukan kerja pada sistem yang lain. Energi kemampuan dari suatu sistem untuk melakukan kerja pada sistem yang lain.

2.2

Termodinamika Termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari hubungan antara usaha dan

kalor. Didalam termodinamika ada sistem dan lingkungan. Dalam termodinamika sistem diartikan sebagai kumpulan dari benda–benda atau objek yang diteliti atau menjadi pusat perhatian kita sedangkan lingkungan diartikan sebagai benda atau objek yang berada di luar sistem. Batas ialah perantara antara sistem dan lingkungan. Daerah tempat sistem dan lingkungan berada disebut semesta. Hukum I termodimanika menyatakan bahwa "Jumlah kalor pada suatu sistem adalah sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem."

7 http://digilib.mercubuana.ac.id/

8

Gambar 2.1 Hubungan kalor dan lingkungan Energi dalam sistem adalah jumlah total semua energi molekul yang ada di dalam sistem. Apabila sistem melakukan usaha atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam sistem akan naik. Sebaliknya energi dalam sistem akan berkurang jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan atau sistem memberi kalor pada lingkungan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa perubahan energi dalam pada sistem tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan sistem.

2.3

Konservasi Energi Negara Indonesia ini kaya akan sumber energi tetapi dalam pemanfaatannya

belum maksimal karena masih menggantungkan sumber energi hanya dari sektor berbasis fosil. Ketergantungan ini tidak bisa dibiarkan karena sumber energi yang berbasis fosil ini lama-lama akan habis seiring dengan semakin meningkatnya kebutuhan akan sumber energi oleh masyarakat, pemerintah dalam hal ini telah

http://digilib.mercubuana.ac.id/

9

mengambil berbagai macam kebijakan dalam rangka mempertahankan cadangan energinya untuk masa depan: 1. Intensifikasi energi, yaitu pemanfaatan energi sebesar-besarnya. 2. Diversifikasi energi, yaitu kegiatan penganeka ragaman jenis-jenis energi. 3. Konservasi energi, yaitu kegiatan pemanfaatan energi secara efisien dan rasional tanpa mengurangi penggunaan energi yang memang benar benar diperlukan untuk kepentingan nasional. Konservasi (penghematan) energi adalah penggunaan energi yang optimal sesuai dengan kebutuhan sehingga akan menurunkan biaya energi yang dikeluarkan (hemat energi sama dengan hemat biaya). Kebijakan energi ini dimaksudkan untuk memanfaatkan sebaik baiknya sumber energi yang ada juga dalam rangka mengurangi ketergantungan akan minyak bumi dengan pengertian bahwa konservasi energi tidak boleh menjadi penghambat kerja operasional maupun pembangunan yang telah direncanakan.

2.4

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

2.4.1 Pengertian / Definisi PLTU Suatu sistem pembangkit tenaga listrik yang mengkonversikan energi kimia listrik dengan menggunakan uap air sebagai fluida kerjanya, yaitu dengan memanfaatkan energi kinetik uap untuk menggerakkan poros sudu-sudu turbin. Sudu-sudu turbin mengerakkan poros turbin, untuk selanjutnya poros turbin mengerakkan generator. Dari generator inilah kemudian dibangkitkan energi listrik.


10

2.4.2 Siklus Rankine Siklus rankine adalah siklus daya uap yang digunakan untuk menghitung atau memodelkan proses kerja mesin uap/turbin uap. Siklus ini bekerja dengan fluida kerja air. Semua PLTU (pembangkit listrik tenaga uap) bekerja berdasarkan prinsip kerja siklus rankine. Siklus rankine pertama kali dimodelkan oleh: William John Macquorn Rankine, seorang ilmuan Scotlandia dari Universitas Glasglow. Untuk mempelajari siklus Rankine, terlebih dahulu harus memahami tentang T-s diagram untuk air. Berikut ini adalah T-s diagram untuk air.

Gambar 2.2 Diagram t-s untuk air T-s diagram adalah diagram yang menggambarkan hubungan antara temperatur (T) dengan entropi (s) fluida pada kondisi tekanan, entalpi, fase dan massa jenis tertentu. Jadi pada diagram T-s terdapat besaran-besaran tekanan, massa jenis, temperatur, entropi, entalpi dan fase fluida.


11

Sumbu vertikal T-s diagram menyatakan skala temperatur dan sumbu horizontal menyatakan entropi. Terdapat 2 sistem satuan untuk T-s diagram yaitu sistem satuan internasional seperti pada gambar 2.2 dan sistem satuan Inggris. Selain itu masingmasing jenis fluida mempunyai diagram T-s nya sendiri-sendiri dan berbeda satu dengan lainnya. Misalnya T-s diagram untuk air tidak akan sama dengan T-s diagram untuk freon R12 dan tidak akan sama dengan T-s diagram untuk amoniak. Selain diagram T-s juga dikenal Mollier diagram atau h-s diagram. Berikut ini adalah h-s diagram untuk air.


12

Gambar 2.3 Diagram h-s untuk air


13

Diagram h-s menggambarkan hubungan antara energi total (entalpi (h)) dengan entropi (s). Sama seperti diagram T-s, untuk setiap fluida memiliki diagram h-s nya sendiri-sendiri. Kedua diagram ini dapat digunakan untuk menghitung kinerja pembangkit listrik tenaga uap dengan menggunakan siklus Rankine. Bagian-bagian T-s diagram dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut ini.

Gambar 2.4 Bagian-bagian diagram t-s Sumber : https://djukarna.wordpress.com/siklus-rankine/ts-diagra-penjelasan/

Pada T-s diagram terdapat garis lengkung berbentuk kubah yang disebut kubah uap. Puncak kubah uap ini terdapat sebuah titik yang disebut titik kritis. Bila fluida dipanaskan pada tekanan kritis yaitu tekanan pada titik kritis ini, maka pada saat temperatur fluida mencapai temperatur kritisnya, semua molekul fluida akan berubah secara cepat dari fase cair menjadi fase gas (uap) tanpa ada proses penyerapan panas laten (panas penguapan) oleh sebab itu titik ini disebut titik kristis fluida. Untuk air, titik kritis berapa pada tekanan 218 atm (22.064 MPa) dan temperatur 374 oC. Jadi bila air


14

dipanaskan pada tekanan 22.064 Mpa atau 218 atm, maka ketika temperatur air mencapai 374 oC, secara cepat air akan berubah langsung dari fase cair menjadi fase gas tanpa melalui proses penyerapan energi untuk proses penguapan. Dari titik kristis ke arah kanan mengikuti garis kubah uap disebut garis uap jenuh. Bila fluida berada pada kondisi tekanan dan temperatur yang sesuai dengan garis ini, maka fluida tersebut berada pada kondisi 100% uap jenuh. Dari titik kristis ke arah kiri mengikuti garis kubah uap, disebut garis cair jenuh. Pada garis ini fluida memiliki fase cair 100%. Di dalam kubah uap adalah daerah panas laten yaitu panas penguapan atau panas pengembunan. Pada daerah ini fluida berada dalam kondisi 2 fase yaitu fase cair dan fase gas bercampur menjadi satu. Kadar uap dapat ditentukan dari garis kadar uap. Daerah di atas kubah uap di sebelah kanan adalah daerah uap panas lanjut (superheated steam). Sedangkan daerah di sebelah kiri di luar kubah uap disebut daerah dingin lanjut. Untuk uap jenuh, sifat-sifat termodinamika uap dapat ditentukan hanya dengan mengunakan temperatur atau tekanannya saja, tetapi untuk menentukan sifatsifat termodinamika uap pada kondisi panas lanjut dan dingin lanjut harus diketahui tekanan dan temperatur uap. Bila memanaskan air dari kondisi cair misalnya pada tekanan konstan 1 atm dan mulai dari temperatur 18 oC hingga temperatur 230 oC, maka pada diagram t-s dapat digambar sebagai berikut.


15

Gambar 2.5 proses pemanasan air dari 18 oC hingga 230 oC pada tekanan 1 atm Sumber : https://djukarna.wordpress.com/siklus-rankine/ts-diagra-penjelasan/

Proses pemanasan air dapat digambarkan pada diagram T-s seperti pada gambar 2.5 di atas. Pada tekanan 1 atm, air dengan temperatur awal 18 oC memiliki entropi 0,28 kJ/kg.K, bila dipanaskan maka temperatur air akan naik mengikuti garis tekanan konstan hingga mencapai titik temperatur didih yaitu untuk tekanan 1 atm titik didih air adalah 99,98 oC. Atau entropi air bertambah dari 0,28 kJ/kg.K menjadi 1,3 kJ/kg.K. Entalpi air bertambah dari 82 kJ/kg menjadi 418 kJ/kg. Ini adalah energi total (entalpi) yang dibutuhkan untuk memanaskan air dari kondisi cair pada temperatur 18 oC menjadi air siap mendidih (berubah fase) pada temperatur 99,98 oC. Pada diagram t-s proses mengikuti garis A-B.


16

Bila panas terus diberikan, temperatur air tidak akan naik tetapi terjadi perubahan fase air dari fase cair menjadi fase gas. Perubahan fase ini mengikuti garis B-C. Pada proses ini terjadi penyerapan kalor (energi) yang digunakan untuk mengubah fase zat, pada kondisi temperatur konstan. Energi yang diserap ini tidak dapat diukur dengan mengunakan termometer karena temperatur fluida tidak berubah. Oleh sebab itu, proses ini disebut proses penyerapan panas laten (non sensibel heat). Pada proses ini entropi air bertambah dari 1,3 kJ/kg.K menjadi 7,6 kJ/kg.K. Proses terus berlanjut hingga titik C yaitu titik yang tepat berada pada garis uap jenuh. Pada titik C semua molekul air telah berubah menjadi fase gas. Antara titik B dan titik C adalah kondisi 2 fase yaitu campuran gas dan cair. Kadar uap dalam campuran ini disebut faktor kebasahan atau sering disingkat dengan huruf X. Pada titik C air berada dalam kondisi uap jenuh atau 100 % uap. Bila energi (panas) terus diberikan maka uap jenuh akan berubah menjadi uap panas lanjut. Pada proses pemanasan uap panas lanjut, tekanan dan temperatur fluida akan naik. Tetapi bila proses pemanasan ini dilakukan pada tekanan konstan maka akan mengikuti garis C-D. Proses ini adalah proses sederhana yang berlangsung pada saat memanaskan air. Proses ini hampir sama dengan proses yang terjadi di dalam boiler pada unit pembangkit uap di PLTU.  Siklus rankine ideal sederhana Siklus rankine ideal sederhana terdiri dari : 1. Boiler sebagai alat pembangkit uap 2. Turbin uap sebagai alat mengubah uap menjadi kerja 3. Kondensor sebagai alat pengembun uap 4. Pompa boiler sebagai alat memompa air ke boiler


17

Skema siklus Rankine ideal sederhana dapat dilihat pada gambar 2.6 berikut ini.

Gambar 2.6 Skema siklus rankine ideal sederhana Skema pada gambar 2.6 dapat digambarkan garis kerjanya pada diagram t-s seperti pada gambar 2.7 berikut ini.

Gambar 2.7 Diagram t-s siklus rankine ideal sederhana


18

Keterangan gambar 2.7:  Proses 1 – 2 adalah proses pada tekanan konstan yang berlangsung pada boiler. Pada proses ini kalor masuk ke dalam sistem (Qin).  Proses 2 – 3 adalah proses ekspansi isentropis (adiabatis reversibel) yang berlangsung di dalam turbin uap. Pada proses ini terjadi kerja keluar sistem (Wout)  Proses 3 – 4 adalah proses pada tekanan konstan yang berlangsung di dalam kondensor. Pada proses ini kalor keluar dari sistem (pembuang kalor) (Qout).  Proses 4 – 1 adalah proses penekanan secara isentropis oleh pompa. Pada proses ini kerja masuk ke dalam sistem (Win).

Pada siklus Rankine ideal sederhana. Air dipompa oleh pompa pengisi boiler ke dalam boiler. Pompa yang bertugas untuk memompakan air ke dalam boiler disebut feed water pump. Pompa ini harus dapat menekan air ke boiler dengan tekanan yang cukup tinggi (sesuai dengan tekanan kerja siklus). Secara ideal pompa bekerja menurut proses isentropis (adiabatis reversibel) dan secara aktual pompa bekerja menurut proses adiabatis irreversibel. Di dalam boiler, air yang bertekanan tinggi dipanaskan hingga menjadi uap panas lanjut, prosesnya adalah sebagai berikut: 1. Ekonomiser, air pertama-tama masuk ke ekonomiser. Ekonomier berfungsi sebagai pemanas awal. Sesuai namanya alat ini berfungsi untuk meningkatkan efisiensi boiler dengan cara menggunakan panas sisa gas buang untuk memanaskan awal air yang masuk ke boiler.


19

2. Evaporator, dari ekonomiser, air masuk ke drum penampung air di evaporator. Di dalam evaporator air dipanaskan melalui pipa-pipa evaporasi hingga berubah menjadi uap. Uap air yang keluar dari evaporator adalah uap jenuh. 3. Superheater, selanjutnya uap jenuh dari evaporator masuk ke superheater. Superheater adalah alat penukar kalor yang dirancang khusus untuk memanaskan uap jenuh menjadi uap panas lanjut dengan menggunakan gas panas hasil pembakaran. Uap panas lanjut yang keluar dari superheater siap digunakan untuk memutar turbin uap. Uap panas lanjut dari boiler kemudian dialirkan ke turbin uap melalui pipa – pipa uap. Di dalam turbin uap, uap panas lanjut diekspansikan dan digunakan untuk memutar rotor turbin uap. Proses ekspansi di dalam turbin uap berlangsung melalui beberapa tahap yaitu : 1. Proses ekspansi awal di dalam turbin tekanan tinggi (roda curtis) Uap panas lanjut yang bertekanan tinggi diekspansikan di nosel dan kemudian digunakan untuk memutar roda Curtis. Roda Curtis adalah turbin uap jenis turbin implus. Pada roda Curtis terjadi penurunan tekanan yang signifikan. 2. Proses ekspansi pada turbin tingkat menengah. Turbin tingkat menengah menggunakan turbin jenis reaksi dan tersusun atas beberapa tingkat turbin. 3. Proses ekspansi tingkat akhir. Pada tingkat akhir ini uap terus diekspansikan hingga tekanan sangat rendah (biasanya dibawah tekanan atmosfir) dengan bantuan kondensor.


20

Putaran poros yang dihasilkan dari proses ekspansi uap panas lanjut di dalam turbin digunakan untuk memutar beban. Beban dapat berupa generator listrik seperti di PLTU atau propeler (baling-baling) untuk menggerak kapal. Uap tekanan rendah dari turbin uap mengalir ke kondensor. Di dalam kondensor, uap didinginkan dengan media pendingin air hingga berubah fase menjadi air. Kemudian air ditampung di dalam tangki dan dipisahkan dari gas-gas yang tersisa dan siap untuk dipompa ke dalam boiler oleh pompa pengisi boiler. Proses ini terus berlanjut dan berulang membentuk sebuah siklus yang disebut siklus Rankine.

2.4.3 Cara Kerja PLTU Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust). Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut: 1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan.


21

2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian dibakar. 3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle). 4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan. Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain: 1. Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar. 2. Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin. 3. Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja. 4. Adanya mechanical loss, dsb.


22

2.4.4 Siklus kerja PLTU Nagan Raya Siklus kerja PLTU Nagan Raya dapat dilihat pada gambar 2.8 berikut ini:

PLTU NAGAN RAYA Flue Gas Temp Batubara

BOILER TURBIN HP

TURBIN MP

TURBIN LP

Blowdown

Generator

Demin Water Air Heater Condenser

Pompa Condenser

DEAERATOR Pompa Dearator

Gambar 2.8 Siklus kerja PLTU Nagan Raya

2.4.5 Komponen Utama PLTU 1. Boiler Boiler yang umumnya disebut ketel uap merupakan satu bagian utama dari PLTU yang fungsinya adalah untuk memproduksi uap yang selanjutnya uap tersebut dialirkan ke turbin. a. Boiler terdiri dari dua komponen utama yaitu: 1. Ruang bakar sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi panas.


23

2. Alat penguapan terdiri dari pipa-pipa penguap yang mengubah energi pembakaran (energi kimia) menjadi energi potensial uap, (energi panas). b. Konstruksi boiler dari beberapa bagian antara lain : 1. Tube wall Tube wall adalah merupakan pipa yang dirangkai membentuk dinding dan dipasang secara vertikal pada 4 (empat) sisi, sehingga membentuk ruangan persegi empat yang disebut ruang bakar. Fungsi tube wall adalah alat pemanas air dengan bidang yang luas sehingga mempercepat proses penguapan. 2. Burner (alat pembakaran) Burner pada boiler dilengkapi dengan nozzle dan diffusor udara sehingga dengan kedua peralatan tersebut terjadi pengabutan bahan bakar dan udara bercampur untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna. 3. Boiler drum Boiler drum terbuat dari plat baja yang berbentuk silinder dan dipasang mendatar di atas rangkaian pipa-pipa pemanas. Fungsi boiler drum adalah untuk menampung air pengisi dan uap basah dari tube wall sekaligus untuk pemisah antara uap dan air. 4. Super heater (pemanas lanjut) Super heater adalah suatu alat yang kontruksinya merupakan rangkaian pipa-pipa yang berbentuk spiral diletakkan di bagian atas ruang pembakaran. Fungsi dari super heater adalah untuk memanaskan uap basah menjadi uap kering. 5. Economizer Economizer adalah suatu alat yang konstruksinya merupakan rangkaian pipa-pipa yang berbentuk spiral dan dipasang pada saluran gas bekas yang berfungsi untuk memanaskan air sebelum masuk ke boiler drum.


24

6. Air heater (pemanas udara) Air heater adalah suatu alat yang konstruksinya dapat dibuat dari pipa lurus yang disusun pada saluran gas bekas dan berfungsi untuk memanaskan udara pembakar.

Komponen pendukung boiler 1) Forced draft fan Alat yang berupa fan (kipas) ini berfungsi untuk memasukkan udara pembakaran secara paksa ke dalam furnace, terpasang pada bagian ujung saluran air intake boiler dan digerakkan oleh motor listrik. 2) MFO heater MFO heater merupakan alat yang berfungsi untuk memanaskan bahan bakar berupa MFO dengan tujuan menurunkan viskositas dari MFO. Hal ini perlu dilakukan karena MFO memiliki viskositas yang relatif tinggi (satu tingkat di bawah aspal) sehingga sulit untuk teratomisasi di burner. Dengan proses pemanasan maka viskositas MFO dapat diturunkan sehingga dapat teratomisasi dengan baik dan menghasilkan pembakaran yang baik. 3) Air preheat coil Alat yang berfungsi untuk memanaskan udara sebelum memasuki air heater dengan sumber panas berasal dari air deaerator. Udara yang akan memasuki air heater harus dipanaskan terlebih dulu agar tidak terjadi thermal stress akibat perbedaan suhu yang ekstrim. 4) Air heater Air heater merupakan alat pemanas udara, dimana panas diambil dari gas buang hasil pembakaran sebelum masuk ke cerobong (stack). Dengan pemanfaatan gas buang


25

ini, maka dapat menghemat biaya bahan bakar sehingga bisa meningkatkan efisiensi pembakaran. Air heater yang biasa digunakan pada PLTU adalah tipe Ljungstrom. Tipe ini paling banyak digunakan di dunia karena performa dan ketahanannya yang telah teruji. Selain itu tipe ini dapat digunakan dalam jangka waktu yang lama sebelum dilakukan overhaul. Perbaikan dan perawatan berkala mudah dilakukan pada air heater tipe ini karena desainnya yang sederhana. Air heater terdiri dari hot end element dan cold end element. Air heater yang digunakan di PLTU merupakan air heater jenis regenerative, yaitu gas sisa pembakaran dilalukan pada sebuah selubung tertutup untuk memanaskan sebagian dari elemen, dan elemen yang dipanaskan ini, diputar ke selubung yang lain dimana disini dilalukan udara yang akan dipanaskan, sehingga terjadi perpindahan panas secara konduksi. 5) Burner Alat yang berfungsi untuk membakar campuran antara bahan bakar (fuel) dengan udara (air) di dalam ruang bakar (furnace) pada boiler. 6) Gas recirculating fan Alat ini berfungsi untuk mengarahkan sebagian flue gas (gas sisa pembakaran) kembali ke furnace untuk meningkatkan efisiensi boiler. 7) Soot blower Sootblower merupakan peralatan tambahan boiler yang berfungsi untuk membersihkan kotoran yang dihasilkan dari proses pembakaran yang menempel pada pipa-pipa wall tube, superheater, reheater, economizer, dan air heater. Tujuannya adalah agar perpindahan panas tetap berlangsung secara baik dan efektif. Sebagai media pembersih digunakan uap. Suplai uap ini diambil dari primary superheater melalui suatu pengaturan tekanan PVC yang diset pada tekanan 40 kg/cm2. Setiap sootblower


26

dilengkapi dengan poppet valve untuk mengatur kebutuhan uap sootblower. Katup ini membuka pada saat sootblower dioperasikan dan menutup kembali saat lance tube dari sootblower tersebut mundur menuju stop. Dilihat dari cara kerja/mekanisme pengoperasiannya sootblower dibagi atas: Short retractable sootblower/furnace wall blower, digunakan untuk membersihkan pipa-pipa penguap (wall tube) pada daerah furnace.  Long retractable sootblower, digunakan untuk membersihkan pipa-pipa superheater, dan reheater.  Air heater sootblower, digunakan untuk membersihkan elemen-elemen air heater. 8) Safety valve Valve berfungsi sebagai pengaman ketika terjadi tekanan uap yang berlebih yang dihasilkan oleh boiler. Tekanan berlebih ini dapat terjadi karena panas boiler yang berlebihan atau adanya penurunan beban turbin secara drastis.

2. Turbin Turbin adalah suatu perangkat yang mengkonversikan energi uap yang bertemperatur tinggi dan tekanan tinggi menjadi energi mekanik (putaran). Ekspansi uap yang dihasilkan tergantung dari sudu-sudu (nozzle) pengarah dan sudu-sudu putar. Ukuran nozzle pengarah dan nozzle putar adalah sebagai pengatur distribusi tekanan dan kecepatan uap yang masuk ke turbin. Turbin uap berkapasitas besar memiliki lebih dari satu silinder cashing.


27

A. Prinsip kerja turbin Steam turbin adalah suatu mesin yang berfungsi untuk mengubah energi panas dalam uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Konstruksinya terdiri dari rumah turbin dan rotor. Pada rotor turbin ditempatkan rangkaian sudu-sudu jalan secara berjajar. Dalam pemasangannya, rangkaian sudu tetap dan rangkaian sudu jalan dipasang berselang-seling. Energi panas dalam uap mula-mula diubah menjadi energi kinetik oleh nozzle, selanjutnya uap dengan kecepatan tinggi ini akan mengenai sudusudu jalan pada rotor turbin yang akhirnya mengakibatkan putaran rotor.

B. Komponen-komponen Turbin Komponen utama turbin uap: 1) Sudu-sudu turbin 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 antara lain: a. Untuk mengubah energi potensial menjadi energi kinetik. b. Untuk 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.


28

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) Casing (rumah turbin) 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 dizinkan, maka terjadilah gesekan antar rotor turbin dengan statornya. Jarak antara sudu tetap dan sudu jalan dibuat kecil sekali yang berguna untuk menghindari gesekan. 7) Bantalan turbin Untuk menumpu rotor turbin dengan satu silinder casing diperlukan bantalan utama (main bearing) sebanyak dua buah, sedangkan pada turbin yang mempunyai lebih dari satu silinder casing bantalannya lebih dari dua buah.

3. Kondensor Kondensor adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengkondensasikan uap bekas dari turbin menjadi air. Kondensor terbuat dari plat baja berbentuk silinder yang


29

diletakkan secara mendatar dan didalamnya dipasang pipa-pipa pendingin yang terbuat dari kuningan paduan.Peralatan pada kondensor: a. Ejector Fungsinya adalah untuk membuat ruangan kondensasi di dalam kondensor menjadi vaccum (hampa) sehingga uap bekas dari turbin mengalir ke ruang kondensor tersebut dengan cepat dan bersinggungan terhadap pipa-pipa pendingin kondensor yang akhirnya uap tersebut menjadi air kondensat. b. Pompa air kondensat (condensat pump) Pompa tersebut untuk memompakan air kondensat dari dalam bak penampungan (hotwell) ke tanki air pengisi. c. Pompa air pendingin (cooling water pump) Pompa tersebut untuk memompakan air kedalam kondensor dan alat pendingin lainnya yang dipompakan dari sungai, laut atau bak penampungan bagi unit yang menggunakan pendingin tertutup.

4. Generator Generator adalah suatu alat untuk merubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik. Generator terdiri dari dua bagian utama yaitu: a. Stator Stator adalah bagian yang diam terdiri dari kumparan-kumparan tembaga dan inti besi.


30

b. Rotor Rotor pada generator adalah bagian yang berputar terdiri dari lilitan dan kutubkutub magnet. Untuk menunjang operasional, generator dilengkapi dengan exciter yang terdiri dari pilot exciter dan main exciter.

2.5

Boiler

2.5.1 Pengertian Boiler Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.


31

Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: (1) Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.

2.5.2 Jenis-Jenis Boiler 1. Fire tube boiler Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boiler kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boiler dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.


32

Gambar 2.9 Fire tube boiler 2. Water tube boiler Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boiler yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Karakteristik water tube boilers sebagai berikut:  Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran  Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air.  Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.


33

Gambar 2.10 Water tube boiler 3. Paket boiler Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi. Ciri-ciri dari packaged boilers adalah:  Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat.  Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik.  Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik.  Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang lebih baik.


34

 Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler lainnya. Boiler tersebut dikelompokkan berdasarkan jumlah pass nya- yaitu berapa kali gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai lintasan pertama setelah itu kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler yang paling umum dalam kelas ini adalah unit tiga pass/lintasan dengan dua set fire-tube/pipa api dan gas buangnya keluar dari belakang boiler.

Gambar 2.11 Paket boiler 3 pass, bahan bakar minyak 4. Boiler pembakaran dengan fluidized bed (FBC) Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistim pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan-rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang tolakan dari tempat pencucian


35

pakaian, sekam padi, & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas yang luas yaitu antara 0,5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam. Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan keatas melalui bed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel tidak akan terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam aliran udara-bed tersebut disebut “terfluidisasikan”. Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida-“bed gelembung fluida/bubbling fluidized bed”. Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan cepat dan bed mencapai suhu yang seragam. Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada suhu sekitar 840OC hingga 950OC. Karena suhu ini jauh berada dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan yang terkait didalamnya dapat dihindari. Suhu pembakaran yang lebih rendah tercapai disebabkan tingginya koefisien perpindahan panas sebagai akibat pencampuran cepat dalam fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai diantara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini menjamin operasi bed yang stabil dan menghindari terbawanya partikel dalam jalur gas.


36

5. Atmospheric fluidized bed combustion (AFBC) boiler Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah atmospheric fluidized bed combustion (AFBC) boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler konvensional biasa yang ditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistim seperti telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/boiler pipa air konvensional. Batubara dihancurkan menjadi ukuran 1 – 10 mm tergantung pada tingkatan batubara dan jenis pengumpan udara ke ruang pembakaran. Udara atmosfir, yang bertindak sebagai udara fluidisasi dan pembakaran, dimasukkan dengan tekanan, setelah diberi pemanasan awal oleh gas buang bahan bakar. Pipa dalam bed yang membawa air pada umumnya bertindak sebagai evaporator. Produk gas hasil pembakaran melewati bagian super heater dari boiler lalu mengalir ke economizer, ke pengumpul debu dan pemanas awal udara sebelum dibuang ke atmosfir. 6. Pressurized fluidized bed combustion (PFBC) boiler Pada tipe pressurized fluidized bed combustion (PFBC), sebuah kompresor memasok udara forced draft (FD), dan pembakarnya merupakan tangki bertekanan. Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas. Hal ini akan meningkatkan efisiensi pembakaran dan peyerapan sulfur dioksida dalam bed. Steam dihasilkan didalam dua ikatan pipa, satu di bed dan satunya lagi berada diatasnya. Gas panas dari cerobong menggerakan turbin gas pembangkit tenaga. Sistim PFBC dapat digunakan untuk pembangkitan kogenerasi (steam dan listrik) atau pembangkit tenaga dengan siklus gabungan/combined cycle. Operasi combined cycle (turbin gas & turbin uap) meningkatkan efisiensi konversi keseluruhan sebesar 5 hingga 8 persen.


37

7. Atmospheric circulating fluidized bed combustion boilers (CFBC) Dalam sistim sirkulasi, parameter bed dijaga untuk membentuk padatan melayang dari bed. Padatan diangkat pada fase yang relatif terlarut dalam pengangkat padatan, dan sebuah down-comer dengan sebuah siklon merupakan aliran sirkulasi padatan. Tidak terdapat pipa pembangkit steam yang terletak dalam bed. Pembangkitan dan pemanasan berlebih steam berlangsung di bagian konveksi, dinding air, pada keluaran pengangkat/riser. Boiler CFBC pada umumnya lebih ekonomis daripada boiler AFBC, untuk penerapannya di industri memerlukan lebih dari 75 – 100 T/jam steam. Untuk unit yang besar, semakin tinggi karakteristik tungku boiler CFBC akan memberikan penggunaan ruang yang semakin baik, partikel bahan bakar lebih besar, waktu tinggal bahan penyerap untuk pembakaran yang efisien dan penangkapan SO2 yang semakin besar pula, dan semakin mudah penerapan teknik pembakaran untuk pengendalian NOx daripada pembangkit steam AFBC.

Gambar 2.12 CFBC boiler


38

8. Stoker fired boiler Stoker diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis gratenya. Klasifikasi utama nya adalah spreader stoker dan chain-gate atau traveling-gate stoker. A. Spreader stoker Spreader stoker memanfaatkan kombinasi pembakaran suspensi dan pembakaran grate. Batubara diumpankan secara kontinyu ke tungku diatas bed pembakaran batubara. Batubara yang halus dibakar dalam suspensi, partikel yang lebih besar akan jatuh ke grate, dimana batubara ini akan dibakar dalam bed batubara yang tipis dan pembakaran cepat. Metode pembakaran ini memberikan fleksibilitas yang baik terhadap fluktuasi beban, dikarenakan penyalaan hampir terjadi secara cepat bila laju pembakaran meningkat. Karena hal ini, spreader stoker lebih disukai dibanding jenis stoker lainnya dalam berbagai penerapan di industri.

Gambar 2.13 Spreader stoker boiler


39

B. Chain-grate atau traveling-grate stoker Batubara diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate bergerak sepanjang tungku, batubara terbakar sebelum jatuh pada ujung sebagai abu. Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama bila menyetel grate, damper udara dan baffles, untuk menjamin pembakaran yang bersih serta menghasilkan seminimal mungkin jumlah karbon yang tidak terbakar dalam abu. Hopper umpan batubara memanjang di sepanjang seluruh ujung umpan batubara pada tungku. Sebuah grate batubara digunakan untuk mengendalikan kecepatan batubara yang diumpankan ke tungku dengan mengendalikan ketebalan bed bahan bakar. Ukuran batubara harus seragam sebab bongkahan yang besar tidak akan terbakar sempurna pada waktu mencapai ujung grate.

Gambar 2.14 Traveling grate boiler


40

2.6

Batubara

2.6.1 Pengertian batubara Batubara adalah salah satu bahan bakar fosil. Pengertian umumnya adalah batuan sedimen yang dapat terbakar, terbentuk dari endapan organik, utamanya adalah sisa-sisa tumbuhan dan terbentuk melalui proses pembatubaraan. Unsur-unsur utamanya terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen. Batubara juga adalah batuan organik yang memiliki sifat-sifat fisika dan kimia yang kompleks yang dapat ditemui dalam berbagai bentuk. Pembentukan batu bara memerlukan kondisi-kondisi tertentu dan hanya terjadi pada era-era tertentu sepanjang sejarah geologi. Zaman Karbon, kira-kira 340 juta tahun yang lalu, adalah masa pembentukan batu bara yang paling produktif dimana hampir seluruh deposit batu bara (black coal) yang ekonomis di belahan bumi bagian utara terbentuk. Pada zaman permian, kira-kira 270 juta tahun lalu, juga terbentuk endapanendapan batu bara yang ekonomis di belahan bumi bagian selatan, seperti Australia, dan berlangsung terus hingga ke zaman tersier (70-13 juta tahun lalu) di berbagai belahan bumi lain.

2.6.2 Materi pembentuk batubara Hampir seluruh pembentuk batubara berasal dari tumbuhan. Jenis-jenis tumbuhan pembentuk batubara dan umurnya menurut Diessel (1981) adalah sebagai berikut:  Alga, dari zaman pre-kambrium hingga ordovisium dan bersel tunggal. Sangat sedikit endapan batubara dari perioda ini.  Silofita, dari zaman silur hingga devon tengah, merupakan turunan dari alga. Sedikit endapan batubara dari perioda ini.


41

 Pteridofita, umur devon atas hingga karbon atas. Materi utama pembentuk batubara berumur karbon di Eropa dan Amerika utara. Tetumbuhan tanpa bunga dan biji, berkembang biak dengan spora dan tumbuh di iklim hangat.  Gimnospermae, kurun waktu mulai dari Zaman Permian hingga Kapur Tengah. Tumbuhan heteroseksual, biji terbungkus dalam buah, semisal pinus, mengandung kadar getah (resin) tinggi. Jenis Pteridospermae seperti gangamopteris dan glossopteris adalah penyusun utama batu bara Permian seperti di Australia, India dan Afrika.  Angiospermae, dari Zaman Kapur Atas hingga kini. Jenis tumbuhan modern, buah yang menutupi biji, jantan dan betina dalam satu bunga, kurang bergetah dibanding gimnospermae sehingga, secara umum, kurang dapat terawetkan.

2.6.3 Jenis-jenis batubara Berdasarkan tingkat proses pembentukannya yang dikontrol oleh tekanan, panas dan waktu, batubara umumnya dibagi dalam lima kelas: antrasit, bituminus, subbituminus, lignit dan gambut. a) Antrasit adalah kelas batubara tertinggi, dengan warna hitam berkilauan (luster) metalik, mengandung antara 86-98% unsur karbon (C) dengan kadar air kurang dari 8%. b) Bituminous mengandung 68-86% unsur karbon (C) dan berkadar air 8-10% dari beratnya. Kelas batu bara yang paling banyak ditambang di Indonesia, tersebar di pulau sumatera, kalimantan dan sulawesi.


42

c) Sub-bituminus mengandung sedikit karbon dan banyak air, dan oleh karenanya menjadi sumber panas yang kurang efisien dibandingkan dengan bituminus. d) Lignit atau batubara coklat adalah batu bara yang sangat lunak yang mengandung air 35-75% dari beratnya. e) Gambut, berpori dan memiliki kadar air di atas 75% serta nilai kalori yang paling rendah.

2.6.4 Kualitas batubara Batubara yang diperoleh dari penambangan pasti mengandung pengotor (impurities). Keberadaan pengotor ini diperparah dengan kenyataan bahwa tidak mungkin memilih batubara yang bersih dan terbebas dari mineral. Penambangan dalam jumlah besar selalu menggunakan alat-alat berat seperti bulldoser, backhole, tractor, dan lainnya. Impurities terbagi menjadi dua jenis yaitu : 1. Inherent impurities Merupakan pengotor bawaan yang terdapat pada batubara. Batubara yang sudah dicuci (washing) yang di kecilkan ukuran butirannya (crushing) kemudian dibakar dan menyisakan abu. Pengotor ini merupakan pengotor bawaan pada saat pembentukan batubara, pengotor tersebut dapat berupa gipsum (CaSO42H2O), anhidrit (CaSO4), pirit (FeS2), silika (SiO2) dapat pula berbentuk tulang-tulang binatang (diketahui dari senyawa-senyawa fosfor dari analisis abu). Pengotor bawaan ini tidak mungkin dihilangkan sama sekali, tetapi dapat dikurangi dengan cara pembersihan. Proses ini dikenal dengan tenologi batubara bersih.


43

2. External impurities Merupakan pengotor yang berasal dari luar, timbul pada saat proses penambangan dalam menentukan mutu/kualitas batubara perlu diperhatikan beberapa hal : a. Heating value (HV) ( calorific value/nilai kalor) Dinyatakan dengan kkal/Kg, banyaknya jumlah kalori yang dihasilkan batubara tiap satuan berat (dalam kilogram). b. Moisture content (kandungan lengas/air) Batubara dengan jumlah lengas tinggi akan memerlukan lebih banyak udara primer untuk mengeringkan batubara tersebut agar suhu batubara pada saat keluar dari gilingan tetap, sehingga hasilnya memiliki kualitas yang terjamin. Jenis air sulit untuk dilepaskan tetapi dapat dikurangi, dengan cara memperkecil ukuran butir batubara. c. Ash content (kandungan abu) Komposisi batubara bersifat heterogen, apabila batubara dibakar maka senyawa organik yang ada akan diubah menjadi senyawa oksida yang berukuran butiran dalam bentuk abu. Abu dari sisa pembakaran inilah yang dikenal sebagai ash content. Abu ini merupakan kumpulan dari bahan-bahan pembentuk batubara yang tidak dapat terbakar, atau yang di oksidasi oleh oksigen. Bahan sisa dalam bentuk padatan ini antara lain senyawa SiO2, Al2O3, TiO2, Mn3O4, CaO, Fe2O3, MgO, K2O, Na2O, P2O, SO3 dan oksida unsur lainnya. d. Sulfur content(kandungan belerang) Belerang yang terdapat pada batubara dalam bentuk senyawa organik dan anorganik, dalam senyawa anorganik dapat dijumpai dalam bentuk mineral pirit (FeS2 bentuk kristal kubus), markasit (FeS2 bentuk kristal orthorombik) atau dalam bentuk


44

sulfat. Sedangkan belerang organik terbentuk selama terjadinya proses coalification. (Krevelen, 1993) e. Volatile matter (bahan mudah menguap) Kandungan volatile matter mempengaruhi kesempurnaan pembakaran dan intensitas nyala api. f. Fixed carbon Didevinisikan sebagai material yang tersisa, setelah berkurangnya moisture, volatile matter dan ash. g. Hardgrove grindability index (HGI) Suatu bilangan yang menunjukkan mudah atau sukarnya batubara digiling atau digerus menjadi bentuk serbuk. Butiran paling halus <3 mm sedangkan yang paling kasar sampai 50 mm. h. Ash fusion character of coal Kualitas batubara adalah sifat fisika dan kimia dari batubara yang mempengaruhi potensi kegunaannya. Kualitas batubara ditentukan oleh maseral dan mineral matter penyusunnya, serta oleh derajat coalification (rank). Umumnya, untuk menentukan kualitas batubara dilakukan analisa kimia pada batubara yang diantaranya berupa analisis proksimat dan analisis ultimat. Analisis proksimat dilakukan untuk menentukan jumlah air (moisture), zat terbang (volatile matter), karbon padat (fixed carbon), dan kadar abu (ash), sedangkan analisis ultimat dilakukan untuk menentukan kandungan unsur kimia pada batubara seperti: karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, unsur tambahan dan juga unsur jarang.


45

2.7

Heat Rate

2.7.1 Uji heat rate Uji heat rate adalah pengujian yang dilakukan pada PLTU dengan tujuan untuk mengetahui berapa besar input energi panas dari bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan listrik sebesar 1 kWh. Uji heat rate dilakukan pada kondisi yang spesifik, baik bahan bakar, lokasi pembangkit listrik, kapasitas pembangkit maupun variasi beban pembangkit. Tujuan uji heat rate adalah untuk mengidentifikasi besarnya penurunan kinerja thermal pembangkit, serta menentukan penyebab dan bagian dari pembangkit yang tingkat efisiensi (kinerja)-nya menurun dibandingkan dengan kondisi optimal. Dengan demikian jika terjadi penurunan efisiensi maka dapat dilakukan langkah-langkah perbaikan untuk mengembalikan kinerja pembangkit sehingga mencapai titik optimal. Terdapat 2 metode uji heat rate, yaitu : a. metode input-output (langsung), dan b. metode energy-balance (tidak langsung). Metode input-output adalah metode yang sederhana, cepat dan murah, karena hanya mengukur jumlah energi input bahan bakar batubara yang dikonsumsi selama waktu pengujian, yang selanjutnya dibagi dengan jumlah energi listrik yang dihasilkan. Sedangkan pada metode energy-balance memerlukan banyak pengukuran proses konversi energi serta losses yang timbul pada masing-masing bagian pembangkit, selanjutnya dilakukan proses perhitungan yang rumit. Namun proses tersebut juga memiliki keuntungan-keuntungan yang tidak didapat jika kita melaksanakan pengujian dengan metode input-output.


46

2.7.2 Plant heat rate Berdasarkan standart dari American Society of Mechanical Engineers (ASME) PTC PM 2010 Performance Monitoring Guidelines for Power Plants dan Electric Power Research Institute (EPRI) Power Plant Performance Monitoring and Improvement metode untuk uji heat rate secara umum ada 2 macam yaitu : 1. Direct method (metode langsung) Direct method yaitu metode pengujian heat rate secara langsung dengan menggunakan perbandingan input dan output. Metode ini sering disebut dengan inputoutput method. Pada metode ini energi input dari bahan bakar akan dibandingkan langsung dengan energi output yang diproduksi. Metode ini merupakan metode yang sederhana dan mudah dan banyak digunakan dalam uji heat rate. Metode ini secara umum digunakan oleh operator control room atau perencanaan dan pengendalian operasi untuk keperluan transaksi niaga pembelian energi listrik dengan kondisi normal operasi.

Gambar 2.15 Metode input-output


47

Perhitungan HHV: HHV = %C (HHV C) + %H2 (HHV H2) + %S (HHV S)

(2.1)

Efisiensi: η=

X 100%

(2.2)

Keterangan : Ws = laju uap yang dihasilkan (kg/s) Wf = laju bahan bakar (kg/s) Hg = enthalpi uap keluaran superheater (J/kg) Hf = enthapi air (J/kg) HHV = Heating value dari bahan bakar batubara (J/kg)

 Heat input Kedua heat input dan heat output harus diukur. Pengukuran heat input diperlukan kalori dan laju alir bahan bakar (massa). Untuk bahan bakar padat pengukuran laju alir sangat sulit. Biasanya batubara sebelum dimasukan kedalam hopper ditimbang terlebih dahulu.  Heat output Output dapat diukur flow rate steam, temperatur dan tekanan. Boiler feed water (BFW) juga diukur flow rate, temperatur dan tekanan. Peralatan tersebut harus akurat.

2. Indirect method Indirect method sering disebut juga dengan output method atau energy balance method. Metode ini lebih sulit tapi akan memiliki akurasi hasil yang lebih baik. Metode


48

ini memerlukan banyak pengukuran proses konversi energi serta losses yang timbul pada masing-masing bagian pembangkit, selanjutnya dilakukan proses perhitungan yang rumit. Metode ini akan mengukur masing-masing komponen dan losses yang terjadi sehingga akan dapat digunakan sebagai bahan identifikasi kondisi heat rate. Perhitungan net plant heat rate (NPHR) dengan metode heat balance digunakan untuk mengidentifikasi sebab kenaikan atau penurunan heat rate atau efisiensi dalam sebuah unit pembangkit, dan seharusnya nilai heat rate dari metode energi input-output terhadap motode heat balance adalah sama. Jika efisiensi boiler 90%, error 1% pada direct method akan menghasilkan perubahan efisiensi yang berarti sebagai contoh 90 ± 0.9 = 89.1 – 90.1. Dalam indirect method error 1% dalam pengukuran losses akan menghasilkan efisiensi = 100 – (10 ± 0.1) = 90 ± 0.1 = 89.9 – 90.1.

Gambar 2.16 Metode heat loss


49

Heat loss yang terjadi pada boiler L1–Loss due to dry flue gas (sensible heat) L2–Loss due to hydrogen in fuel (H2) L3–Loss due to moisture in fuel (H2O) L4–Loss due to moisture in air (H2O) L5–Loss due to carbon monoxide (CO) L6–Loss due to surface radiation, convection and other unaccounted Untuk bahan padat atau batubara ada penambahan losses yang disebabkan abu batubara sebagai berikut: L7 –Unburnt losses in fly ash (carbon) L8 –Unburnt losses in bottom ash (carbon)

Boiler Efficiency indirect method = 100–(L1+L2+L3+L4+L5+L6+ L7 + L8)

Tahap 1: menghitung kebutuhan udara teoritis Ma= (1+

) x At

(2.3)

Dimana: Ma= kuantitas aktual udara yang disuplai untuk pembakaran/kg bahan bakar. EA= excess air (%)=

(2.4)

O2% = persen oksigen dalam gas buang (% volume) At =

(

(

))


(2.5)

50

Dimana: At = udara kering teoritis (dalam kg) yang diperlukan untuk pembakaran (%) C = kandungan karbon dari ultimat analisis(kg/kgbahanbakar) H = kandungan hidrogen dari ultimat analisis(kg/kgbahanbakar) O = kandungan oksigen dari ultimat analisis(kg/kgbahanbakar) S = kandungan sulfur dari ultimat analisis(kg/kgbahanbakar)

1. Heat loss karena panas dalam gas buang kering (%). (

LG’=

)

(2.6)

Dimana ; Cpg

= panas spesifik gas buang kering yang jaraknya antara temperature gas

yang meninggalkan unit dan temperature ambient (0.25 kkal/kg0C = 3.832 J/ kgK). Tg

= temperature gas buang (K)

Ta

= temperature udara ambient (K)

HHV = high heat value (J/kg) = kuantitas gas buang kering (kg/kgbahanbakar)

Mfg

Mfg=

{

} {

(

)}

Dimana: CO = % volume CO dalam gas buang (%) N2

= % volume N2 dalam gas buang =100-(O2+CO2+CO)

C

= kandungan karbon dalam bahan bakar (kg/kgbahanbakar)


(2.7)

51

S

= kandungan sulfur dalam bahan bakar(kg/kgbahanbakar)

CO2 = % Volume CO2 dalam gas buang. (%)

CO2%

=(

x(100-4.78xO2+1.89xCO)-CO)

(2.8)

max CO2

= maksimum CO2 yang dimungkinkan dalam gas buang (%). Jika

dapat dihitung ikuti formula berikut. max CO2% =

(2.9)

2. Heat loss karena evaporasi air yang terbentuk kerena adanya H2 dalam bahan bakar (%) Lhf

=

{

}

(2.10)

Dimana: H

= hidrogen dalam (kg) di 1 kg bahan bakar (kg/kgbahanbakar)

Cpw = panas spesifik water vapour (0.45 kkal/kg0C = 6.897 J/kg K) Tg


Ta

= temperature ambient (K)

3. Heat loss karena adanya uap air dalam bahan bakar (%) Lmf

=

{

(

)

}

Dimana: M

= moisture dalam bahan bakar (%)


(2.11)

52

Cpw = panas spesifik water vapour (0.45 kkal/kg0C = 6.897 J/kg K) Tg


Ta


4. Heat loss karena adanya uap air di udara (%) Lma =

{

}

(2.12)

Dimana: Ma

= kuantitas aktual udara yang disuplai untuk pembakaran/kg bahan bakar.

Cpw = panas spesifik water vapour (0.45 kkal/kg0C = 6.897 J/kg K) SH

= spesifik humidity (xkg/kg udara kering)

Tg


Ta


5. Heat loss karena pembakaran tidak sempurna (%) LCO =

x100

(2.13)

Dimana: CO = Volume CO meninggalkan ekonomizer (%) CO2 = Volume CO2 digas buang (cerobong) C

= Kandungan karbon kg/kg batubara

Jika CO diperoleh dalam ppm dari analisa gas buang maka CO yang terbentuk (Mco) = CO (dalam ppm) x


x Mf x 28

53

Mf

= konsumsi bahan bakar dalam kg/jam

Lco

= Mco x 5644

6. Heat loss karena surface radiasi dan konveksi Lr =

{

}

(2.14)

Dimana: H

= koefisien transfer panas (J/m2s K)

A

= luas permukaan boiler (m2)

Ts = temperature rata-rata permukaan boiler (K) Ta = temperature ambient (K) Fhr = konsumsi bahan bakar (kg/s)

{

h=

}

(2.15)

Dimana: = Emisivitas permukaan boiler 0.15 amouth and shining aluminium dan 0.6 dull and rough suface. V

= kecepatan angin m/s

Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan energi yang diradiasikan oleh benda hitam (black body) pada temperatur yang sama. Ini adalah ukuran dari kemampuan suatu benda untuk meradiasikan energi yang diserapnya. Benda hitam sempurna memiliki emisivitas sama dengan 1 ( =1) sementara


54

objek sesungguhnya memiliki emisivitas kurang dari satu. Emisivitas adalah satuan yang tidak berdimensi. Pada umumnya, semakin kasar dan hitam benda tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1. Semakin reflektif suatu benda, maka benda tersebut memiliki emisivitas mendekati 0. Berdasarkan rule of thumb rugi-rugi karena permukaan radiasi dan konveksi adalah: Untuk Boiler industri (fire tube)/ Boiler paket : 1.5 - 2.5 % Untuk Boiler industri (water tube)

:2-3%

Untuk Boiler pembangkit listrik

: 0.4 - 1 %

7. Heat loss karena karbon tak terbakar dalam fly ash (%) LUBF =

(

) (

)

(2.16)

Dimana: Mubf = % karbon tak terbakar dalam fly ash (%) Mash = % kandungan ash dalam bahan bakar (%) Mff

= konstanta sesuai dengan jenis boiler (0.75 CFB boiler, 0.25 stoker fired

boiler, dan 0.9 pulverized coal fired boiler)

8. Heat loss karena karbon tak terbakar dalam bottom ash(%) LUBB =

(

) (

)


(2.17)

55

Dimana: Mubb = % karbon tak terbakar dalam bottom ash (%) Mash = % kandungan ash dalam bahan bakar Mfg = konstanta sesuai dengan jenis boiler (0.25 CFB boiler, 0.75 stoker fired boiler, dan 0.1 pulverized coal fired boiler)

2.7.3 Analisa Peluang Penurunan Heat Rate Rumus umum perhitungan net plant heat rate adalah sebagai berikut: [

]

(2.18)

Keterangan: Pg

= power gross generation

Pss

= station service power

HRcycle = turbine cycle heat rate

Gambar 2.17 Energi balance PLTU Secara skematik perhitungan energi balance pada PLTU ditunjukkan pada gambar 2.17.


56

Dari ilustrasi pada gambar 2.17 dan rumus perhitungan NPHR, maka penurunan nilai Net Plant Heat Rate (NPHR) secara umum bisa dilakukan dengan beberapa cara berikut ini: a. Meningkatkan nilai HHV dari bahan bakar (coal). b. Mengurangi rugi-rugi pada gas cerobong c. Mengurangi rugi-rugi energi pada sistem pemipaan uap. d. Mengurangi energi panas yang terbuang di condensor (Q condenser). e. Meningkatkan efesiensi turbin dan generator, sehingga akan meningkatkan poduksi energi listrik (Pg) f. Mengurangi konsumsi energi yang digunakan sendiri (Pss). Beberapa dari upaya perbaikan nilai NPHR diatas akan dibahas pada laporan ini.

2.7.3.1 Meningkatkan Kualitas Batubara Seperti diketahui kualitas batubara (HHV) sangat tergantung kepada karakteristik dari batubara itu sendiri. Beberapa karakteritik penting diantaranya adalah fixed carbon, volatile matter, ash, heating value dan TM (total moisture). Uap air (moisture) menurunkan nilai energi (heating value) batubara. Selain itu uap air akan harus diangkut bersama batubara, dipindahkan dan disimpan, sehingga untuk keperluan itu banyak energi terpakai yang tidak efektif. Adanya uap air pada batubara meningkatkan rugi-rugi energi panas (heat losses) pada proses pembakaran di boiler. Energi panas alih-alih digunakan untuk membuat uap (steam) pada pipa-pipa boiler, tetapi digunakan untuk menguapkan air yang terperangkap pada batubara.


57

Salah satu cara yang efektif untuk mengurangi kadar moisture pada batubara yang akan diumpankan ke dalam ruang bakar boiler adalah dengan mengeringkan batubara. Data umum tentang batubara Indonesia menunjukkan angka TM = 15 -22%. Tabel 2.1 Kandungan Batubara

Berdasarkan best practice, hubungan antara kandungan moisture (uap air) di batubara dengan heat rate ditampilkan pada grafik dibawah ini:

Grafik 2.1 Hubungan uap air (moisture) dengan heat rate


58

Secara umum hasil best practice menunjukkan boiler efesiensi akan naik 3%, dan net plant heat rate akan turun 3,3%. Selain itu kandungan SO dan CO2 akan turun 3,3%, dan juga berkurangnya cooling tower makeup water, seperti yang ditampilkan pada tabel berikut: Tabel 2.2 pengaruh berkurangnya moisture (20%) pada batubara low rank coal Boiler efficiency

+3%

Net unit heat rate

-3.3 %

SO2 and CO2

-3.3 %

Cooling tower makeup water

6-7 %

2.7.3.2 Mengurangi Rugi-Rugi Pada Gas Cerobong Kondisi operasi dari boiler batubara dapat dikendalikan dengan mengatur rasio batubara/udara dan pola campuran bahan bakar dengan udara pembakaran. Pengaturan paramater-parameter ini akan mempengaruhi beberapa besaran seperti: efesiensi pembakaran, temperatur uap, pola fouling dan slagging, penyerapan panas pada furnace, yang sangat mempengaruhi heat rate, dan juga gas emisi seperti: NOx, mercury, serta tingkat opacity dari gas cerobong. Hasil pembakaran yang tidak sempurna terdiri dari gas cerobong (flue gas) dan bahan bakar yang tidak terbakar (un-burn coal). Sebagian besar energi terbuang melalui cerobong disebut dengan rugi-rugi cerobong (stack losses). Kondisi optimal O2 pada gas cerobong tergantung dari jenis bahan bakar dan pola pengaturannya, manual (positioning control) atau automatic control. Sebagai panduan berikut tabel best practice (US DOE ITP Best practice).


59

Tabel 2.3 Typical Flue Gas Oxygen Content Control Parameters

2.7.3.3 Optimasi Particulate Matters Removal Pengambilan material partikel (fly ash) dari flue gas dilakukan dengan menggunakan cyclon. Sebetulnya di lokasi sudah terpasang rumah untuk ESP, hanya sebatas covernya saja. Dibandingkan teknologi yang tersedia sekarang ini, teknologi cyclon tergolong yang paling rendah efesiensi pembuangannya. Perbandingannya bisa dilihat pada gambar dibawah ini.


60

Gambar 2.18 Perbandingan efesiensi pembuangan : (A) baffled settling chamber, (B) cyclone "off the shelf, (C) carefully designed cyclone, (D) electrostatic precipitator, (E) spray tower, (F) venturi scrubber, (G) bag filter

Dari gambar diatas terlihat bahwa cyclones memiliki efesiensi pembuangan partikel yang baik untuk ukuran partikel berukuran diatas 15 micron. Tetapi cyclones memiliki keuntungan dari sisi biaya investasi, seperti ditunjukkan pada tabel berikut ini: Tabel 2.4 Keuntungan cyclones dari sisi biaya investasi

Selain itu cyclones memiliki kelemahan sulit untuk menyingkirkan material partilel yang basah dan lengket. Meskipun demikian dengan alasan harga dan biaya operasi yang murah, maka cyclones bisa tetap menjadi pilihan tetapi dengan


61

mengoptimalkannya sehingga mencapai efesiensi yang mendekati ESP atau Bag Filter. Hal-hal yang membuat efesiensi pembuangan partikel pada cyclones rendah adalah sebagai berikut: a. Kesalahan disain (velocity analysis). b. Masuknya udara. c. Kualitas manufaktur yang buruk. d. Kelemahan pada sisi maintenance. Secara umum ada tiga tipe cyclones, yang jika dibandingkan dari sisi efesiensinya digambarkan sebagai berikut:

Gambar 2.19 Tipe cyclones dan efesiensi


62

Gambar 2.20 Standard cyclone dimensions


BAB II TINJAUAN PUSATAKA

Recommend Documents