BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Defenisi Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap Pembangkit listrik tenaga uap adalah sistem yang dapat membangkitkan tenaga listrik dimana generator atau pembangkit digerakkan oleh turbin dengan menggunakan uap yang dihasilkan dari heat engine yang menggunakan bahan bakar seperti batu bara, minyak bumi, atau natural gas. Sederhananya
pembangkit listrik ini terdiri dari boiler, superheater, turbin,
kondenser, dan pompa. Bahan bakar dibakar didalam boiler dan superheater, panas yang dihasilkan digunakan untuk menghasilkan uap. Uap kemudian dijadikan menjadi fasa superheated atau panas lanjut agar mencapai fasa uap kering dengan suhu tinggi di superheater. Uap ini kemudian digunakan untuk memutar turbin yang memberikan daya pada generator. Energi listrik dibangkitkan ketika belitan generator berputar didalam kuat medan magnet. Setelah uap meninggalkan turbin, kemudian dikondensasikan menjadi air didalam kondenser. Kemudian air diberikan tekanan oleh pompa untuk dialirkan kembali ke boiler. Siklus pembentukan uap yang terjadi di sistem pembangkit uap ini adalah berdasarkan pada siklus rankine.
2-1
Gambar 2.1 Siklus Sistem Pembangkit Uap
2.2 Siklus Rankine
Siklus rankine adalah siklus uap-cair , maka biasanya siklus ini digambarkan oleh dua diagram yaitu P-V dan T-S dengan garis-garis yang menunjukkan uapjenuh dan cairan-jenuh. Fluida kerjanya biasanya H2O Gambar 2.1 Siklus sistem pembangkit uap menunjukkan diagram aliran sederhana siklus rankine. Pada gambar 2.2 dibawah ditunjukkan siklus Rankine ideal
pada (a) diagram P-V dan (b)
diagram T-s. Garis lengkung disebelah kiri titik kritis (CP=Critical Point) pada kedua diagram itu adalah tempat kedudukan semua titik cairan-jenuh dan merupakan garis cairan-jenuh. Daerah disebelah kirinya adalah daerah cairan dingin-lanjut. Garis lengkung disebelah kanan CP adalah tempat kedudukan semua titik uap-jenuh dan merupakan garis uap-jenuh. Daerah di sebelah kanan garis ini adalah daerah panas-lanjut . Daerah di bawah kubah merupakan daerah campuran dua fase ( cairan dan uap ), yang kadang-kadang disebut daerah basah. Siklus 1-2-3-4-B-1 adalah siklus Rankine jenuh, yang berarti bahwa yang masuk ke turbin adalah uap jenuh. 1’-2’-3-4-B-1’ adalah siklus Rankine panas lanjut, yang
2-2
berarti uap panas lanjut yang masuk ke turbin. Siklus-siklus ini terdiri atas prosesproses berikut.
Gambar 2-2 Siklus Rankine ideal (a) diagram P-v dan (b) Diagram T-S.1-2-3-4-B1 = siklus jenuh, 1’-2’-3-4-B-1’ = Siklus Panas lanjut, CP = Titik kritis 1-2 atau 1’-2’ : Ekspansi mampu balik adiabatik melalui turbin. Uap keluar pada 2 atau 2’, biasanya berada dalam daerah 2 fase. 2-3 atau 2’-3’ : Proses suhu tetap karena merupakan proses dua fase, juga tekanan tetap untuk pembuangan kalor pada kondensor. 3-4
: Kompresi adiabatik mampu balik oleh pompa terhadap cairan jenuh pada tekanan kondensor , 3, menjadi cairan dingin lanjut pada tekanan pembangkit uap, 4. Garis 3-4 ,merupakan garis vertikal pada diagram P-v atau T-s karena cairan itu pada dasarnyatak mampu mampat dan pompa itu mampu balik adiabatik.
4-1 atau 4-1’ : Penambahan kalor pada tekanan tetap pada kedua diagram. Bagian 4-B adalah proses membawa cairan dingin lanjut, 4, menjadi cairan jenuh pada B.
Bagian 4-B dalam pembangkit uap disebut ekonomisator
2-3
(economizer). Bagian B-1 menjadi uap jenuh
menunjukan pemanasan cairan jenuh
pada tekanan dan suhu tetap ( karena campuran
dua fase ), dan bagian B-1 dalam pembangkit uap disebut pendidih ( Boiler ) atau evaporator ( penguap ). Bagian 1-1’, dalam siklus panas lanjut, menunjukkan pemanasan uap jenuh pada 1 menjadi 1’. Bagian 1-1’ dalam
pembangkit uap disebut pemanas lanjut
( Superheater ). Siklus-siklus yang ditunjukkan itu semuanya mampu balik secara intern, sehingga turbin dan pompa itu mampu balik adiabatik dan karena itu membentuk garis vertikal dalam diagram T-S, tidak ada kehilangan tekanan pada pipa, sehingga garis 4B-1-1’ merupakan garis tekanan tetap. Analisis sederhana siklus tersebut adalah sebagai berikut : KOMPONEN
EFISIENSI
THERMAL ( Efisiensi Konversi Energi Pusat
Tenaga ) •
Boiler/Superheater
•
Kondenser
•
Turbin
•
Pompa
2-4
2.3
Bagian – bagian Utama Pembangkit Listrik Tenaga Uap
2.3.1
Pompa Pompa adalah alat atau mesin yang mengkonversi energi mekanis ke energi zat
alir ( fluida ). Pada sistem pembangkit listrik tenaga uap, peranan pompa adalah mengalirkan air sebagai feed water atau air umpan pada boiler. 2.3.2
Boiler Boiler merupakan suatu mesin koversi energi yang berfungsi untuk
menkonversikan energi kimia baik yang berasal dari bahan bakar ( fuel ) maupun panas gas buang (exhaust gas ) dari suatu mesin menjadi tenaga uap atau energi panas. Pada dasarnya boiler dapat diklasifikasikan menurut tipe pembakaran dan perpindahan panas menjadi tiga golongan utama yaitu: i. Fire tube Boiler Pada tipe boiler ini, gas panas yang mengalir didalam pipa. Tekanan yang mengalir sekitar 150 psig , menghasilkan sekitar 29.000 lbs uap per jam dari 10 hp sampai 850 hp. Boiler tipe ini sangat digemari dan digunakan pada industri yang tidak terlalu besar. Keuntungan dari fire tube ini adalah: a. Membutuhkan investasi yang kecil dan tidak terlalu mahal dibandingkan dengan water tube boiler.
2-5
b. Mempunyai efisiensi yang tinggi sekitar 80 % atau lebih. c. Dapat menghadapi perubahan yang tiba-tiba ( sudden load ) dengan hanya mempengaruhi sebagian kecil tekanannya. d. Langsung bisa digunakan setelah dikirim sampai tempat. ii. Water Tube Boiler Pada boiler tipe ini air mengalir didalam pipa yang dikelilingi oleh pembakaran gas panas dalam shell ( selubung ). Watertube boiler dapat menghasilkan 2000 lbs/jam sampai 10.000 lbs/jam atau lebih uap. Karakteristik dari boiler ini adalah : a. Digunakan pada uap yang bertekanan tinggi. b. Membutuhkan banyak instrumen dan alat kontrol. c. Mempunyai
beberapa konfigurasi (tergantung pada penempatan pipa dan
drumnya) iii. Electrical Boiler Pada boiler jenis ini mempunyai effisiensi yang lebih rendah dibandingkan fuel fired boiler. Akan tetapi elektrikal boiler tidak mempunyai kerugian stack dan tidak ada pembersihan pada burner-nya. Berdasarkan bahan bakar yang digunakan, boiler dapat diklasifikasikan sebagai berikut: a. Bahan bakar berbentuk cair, Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. b. Gas alam c. Batu bara d. Bahan bakar berbentuk padat e. Kombinasi
2-6
2.3.2.1 Perpindahan panas pada boiler Boiler dalam prosesnya menyerap panas yang ditransfer ke ketel dengan cara radiasi atau pancaran, konveksi atau aliran dan konduksi atau perambatan yang besarnya tergantung dari kebutuhan dan perencanaan boiler tersebut. a. Perpindahan panas secara radiasi Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas antara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui gelombang-gelombang elektromagnetis tanpa tergantung kepada ada atau tidaknya media atau zat diantara benda yang menerima pancaran panas tersebut dengan defenisi lain radiasi thermal ialah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Sifat dari radiasi yaitu bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian dari radiasi itu dipantulkan ( refleksi ), sebagian diserap ( absorbsi ), dan sebagian lagi diteruskan (transmisi). Dalam hal boiler radiasi ditimbulkan dari hasil pembakaran bahan bakar dengan udara, radiasi thermal yang terbentuk menghasilkan panas atau energi hasil pembakaran ditransfer melalui gelombanggelombang elektromagnetik kepada benda atau bidang yang akan dipanasi ( dinding ketel, dinding tungku, lorong api, pipa-pipa ketel dan sebagainya). Adapun banyaknya panas yang diterima secara pancaran atau Qp berdasarkan rumus dari Stephan-Boltzmann adalah sebesar :
Qp = Cz . F . [ ( Tapi : 100)4 - ( Tbenda : 100 )4 ] Kj/Jam Cz =
Konstanta pancaran dari Stephan - Boltzmann yang dinyatakan dalam Kj / m2 . Jam . oK4 atau dalam Watt / m2 . oK4 dengan harga Qp dinyatakan dalam Watt.
2-7
Adapun besarnya Cz ditentukan oleh antaralain; keadaan permukaan bidang yang dipanasi ( kasar atau halus ), bahan benda yang dipanasi ( besi, tembaga, aluminium, dsb ), warna bidang benda yang dipanasi ( hitam, abu-abu, putih ) , dan lain-lain. Untuk perhitungan praktis dalam teknik ketel uap, besarnya harga konstanta Stephan-Boltzmann Cz = 16.75 Kj / m2 . Jam . oK4 = 4.65 Watt / m2 . oK4 b. Perpindahan panas secara aliran atau konveksi Perpindahan panas konveksi yaitu perpindahan panas yang dilakukan oleh pergerakan molekul-molekul suatu fluida ( cair atau gas ). Konveksi terdiri dari dua jenis yaitu Konveksi alamiah atau konveksi bebas dimana pergerakan molekul terjadi karena perbedaan temperatur pada fluidanya sendiri, dan jenis konveksi yang lain yaitu konveksi paksa dimana pergerakan molekul terjadi akibat dari kekuatan mekanis ( karena dipompa atau karena dihembus kipas ). Adapun jumlah panas yang diserahkan secara konveksi yaitu :
Qk = α . F . ( Tapi – Tdinding ) KJ / Jam
α =
Angka peralihan panas dari api ke dinding ketel dinyatakan dalam KJ/m2.Jam.oK dengan Qk dinyatakan dalam KJ/Jam atau Watt/m2.oK dengan Qk dinyatakan dalam Watt
F = Luas bidang yang dipanasi dalam m2 T = Temperatur dalam oKelvin
2-8
c. Perpindahan panas secara perambatan atau konduksi Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas dari satu bagian benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama, atau dari benda padat yang satu ke benda padat yang lain karena terjadinya persinggungan phisik. Jumlah panas yang dirambatkan = QR melalui dinding ketel adalah sebesar :
λ QR =
. F . ( Td1 – Td2 ) KJ / Jam s
λ =
Angka perambatan panas didalam dinding ketel dinyatakan dalam KJ/m.Jam.oK atau Watt/m.oK.
F =
Luas dinding ketel yang merambatkan panas, dalam m2
s
Tebal dinding ketel dinyatakan dalam meter
=
Td1 =
Temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan api
Td2 =
Temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan air, uap atau udara
2.3.3
Superheater Pada sistem pembangkit listrik tenaga uap dibutuhkan pemanas lanjut uap atau
superheater, uap berasal dari boiler. Fungsi pemanas lanjut pada pemanasan ini yaitu meningkatkan kualitas uap yang dihasilkankan boiler. Uap yang dihasilkan boiler masih berupa uap basah. Jika uap basah ini digunakan langsung untuk menggerakkan turbin, maka kurang menguntungkan. Selain sudu turbin uap akan cepat rusak, kerja yang dihasilkan juga tidak optimum. Dengan pemakaian pemanas lanjut, uap basah dari boiler akan dikeringkan, sehingga meningkatkan kualitas dan memberikan kerja pada turbin uap yang lebih baik.
2-9
Pemanas lanjut umumnya terbuat dari pipa-pipa dengan diameter luar 2 sampai 3 inchi. Pipa dengan diameter kecil mempunyai tegangan tekanan yang lebih rendah dan dapat menahan tekanan dengan lebih baik. Pipa dengan diameter lebih besar, penurunan tekanan aliran uapnya lebih rendah dan lebih mudah dibersihkan. Oleh karena pipa-pipa itu mengalami suhu yang tinggi, bahan konstruksinya harus dipilih dengan baik. Dibawah 850oC kita dapat memakai baja karbon. Tetapi, pemanas lanjut modern yang beroperasi dibawah 1000oC biasanya terbuat dari paduan baja khusus berkekuatan tinggi yang dipilih karena kekuatannya dan ketahanannya terhadap tahanan korosi. Paduan mana yang dipakai bergantung pada kondisi uap dan jenis bahan bakar, terlebih-lebih bila bahan bakar itu mengandung ketakmurnian. Tegangan yang diijinkan untuk bahan itu berkurang secara drastis bila suhu meningkat.. Ada beberapa jenis pemanas lanjut yang umum ditemui antaralain ; a. Pemanas lanjut konveksi b. Pemanas lanjut radiasi c. Pemanas lanjut radiasi-konveksi.
a. Pemanas lanjut konveksi Pemanas lanjut konveksi merupakan jenis pemanas lanjut yang perpindahan kalor antara gas bakaran atau gas asap dan pipa-pipa berlangsung secara konveksi. Pada Pemanas lanjut konveksi, bila permintaan akan uap meningkat ,aliran bakar dan udara meningkat dan oleh karena itu juga aliran gas bakaran akan meningkat pula. Koefisien perpindahan kalor didalam dan diluar pipa juga meningkat, sehingga koefisien perpindahan kalor menyeluruh antara gas dan uap meningkat lebih cepat
2-10
daripada peningkatan laju aliran massa uap itu sendiri. Jadi, uap akan menerima perpindahan kalor persatuan aliran massa lebih besar dan suhunya pun meningkat bersamaan dengan peningkatan beban. Panas yang diterima secara konveksi dari gas asap sebanyak :
Qk = Ggas x P.Jgas x ( tgas masuk – tgas keluar ) [KJ/Jam] Ggas = Jumlah gas asap yang lewat [ Kg/Jam] P.Jgas = Panas Jenis gas asap [ KJ/Kg.oC] t = Temperatur dalam [oC] Jumlah Ggas atau gas asap yang lewat tergantung dari jumlah bahan bakar yang di bakar (Be), dengan ini Ggas sebanding atau berbanding lurus dengan sedikit atau banyaknya jumlah bahan bakar (Be) yang dibakar. Disamping itu, jumlah bahan bakar yang dibakar (Be) sebanding dengan jumlah uap yang diproduksi oleh sebuah ketel (S). Karena Ggas sebanding dengan Be dan Be sebanding pula dengan S, maka Ggas sebanding pula dengan S atau jumlah uap yang diproduksi. Adapun panas yang diserap oleh uap sebanyak :
Qs = S x P.Juap x (tuap keluar – tuap jenuh) S
=
Jumlah uap yang diproduksi oleh ketel ( Kg/Jam)
P.Juap
=
Panas jenis uap (KJ/Kg.oC), yang dalam hal ini harganya konstan
tuap jenuh
=
Temperatur uap jenuh masuk superheater (oC).
Untuk ketel
dengan tekanan uap tertentu, temperatur uap jenuhnya tertentu pula dan konstan.
2-11
Dengan asumsi tidak terjadi kehilangan panas , maka: Qk = Qs atau : Ggas x P.Jgas x ( tgas masuk – tgas keluar ) [KJ/Jam] = S x P.Juap x (tuap keluar – tuap jenuh)
b. Pemanas Lanjut Radiasi Pemanas lanjut radiasi adalah pemanas lanjut yang mengalami perpindahan kalor secara radiasi atau menerima panas dari api secara pancaran. Pemanas lanjut ini digunakan karena kebutuhan akan penyerapan kalor yang lebih besar, sehingga penempatan pemanas lanjut lebih dekat ke suhu tinggi, dan tampak dari nyala bakaran. Kecepatan aliran uap ditingkatkan demi meningkatnya koefisien perpindahan kalor, dan keseluruhan rancangan pemanas lanjut itu diperbaiki untuk mengatasi suhu logam yang lebih tinggi. Perpindahan kalor melalui radiasi sebanding dengan Tf4-Tw4 dimana tf dan tw masing-masing adalah suhu absolut nyala dan dinding pipa. oleh karena tf jauh lebih besar dari tw, perpindahan kalor terutama sebanding dengan Tf4. Oleh karena tf tidak banyak tergantung dari beban, perpindahan kalor persatuan massa aliran uap akan berkurang jika aliran uap bertambah. Jadi peningkatan aliran uap karena peningkatan beban akan mengakibatkan terjadinya penurunan pada suhu uap keluar ; kebalikan dari dari pengaruh pemanas lanjut konveksi. Panas yang diterima secara radiasi sebanyak ;
Qp = C x F x [ ( 0.01 x Tapi )4 – (0.01 x Tpipa sup. )4 ] [KJ/Jam]
2-12
C =
Konstanta pancaran dari Stephan-Boltzmann [ Kj / m2 . Jam . oK4 ]
F =
Luas bidang superheater yang dipanaskan [ m2 ]
Tapi =
Temperatur api didalam tungku [ oK ] yang harganya senantiasa konstan tidak tergantung dari besar kecilnya api didalam tungku. tetapi tergantung dari jenis bahan bakar yang dibakar dan temperatur udara pembakaran yang dimasukkan kedalam tungku.
Tpipa sup. = Temperatur pipa superheater [ oK ], yang harganya relatif konstan, tidak tergantung dari besar kecilnya api. Adapun panas yang diserap oleh uap di dalam superheater radiasi yaitu : Qs = S x P.Juap x (tuap keluar – tuap jenuh ) Bila tidak ada kerugian panas maka : Qp = Qs Pada pembangkit uap suhu rendah digunakan hanya pemanas lanjut konveksi saja. Pemanas lanjut radiasi-konveksi digunakan untuk suhu tinggi.
2.3.3.1 Pengaturan suhu panas uap lanjut Untuk suhu uap diatas 480oC, ketel harus dilengkapi dengan suatu sistem pengatur suhu yang gunanya untuk menjaga suhu uap tetap pada batas yang aman. sehingga tegangan yang berlebihan pada superheater dapat dihindari, batasan suhu uap ini tergantung dari spesifikasi material yang digunakan. Pengaturan suhu dapat dilakukan dengan berbagai cara seperti berikut : a. Mengatur damper b. Mengatur kemiringan burner c.
merubah posisi burner
d. Desuperheater
2-13
e. Kombinasi superheater –kondenser f. Mengatur sirkulasi gas panas g. Menyusun dua buah damper
2.3.4 Turbin Uap Turbin uap adalah peralatan untuk mengubah energi uap menjadi energi gerak. Uap yang dihasilkan oleh pembangkit uap diubah menjadi energi gerak dengan cara menyemprotkan aliran uap tersebut melalui nosel yang ditangkap oleh sudu-sudu turbin sehingga poros turbin berputar.
2.3.5 Kondensor Tugas utama kondensor adalah untuk mengembunkan uap buangan dari turbin dan dengan demikian memulihkan air umpan berkualitas tinggi untuk dipakai lagi didalam siklus tenaga uap. Dalam melaksanakan itu, kondensor juga melaksanakan fungsi lain yang malah lebih penting. Jika suhu air pendingin yang bersirkulasi cukup rendah, dan biasanya memang demikian, ini akan menimbulkan tekanan balik yang rendah (vakum) untuk membuang uap keluar turbin. Tekanan ini sama dengan tekanan jenuh yang sehubungan dengan suhu kondensasi uap, yang merupakan fungsi suhu air pendingin itu. Seperti diketahui, penurunan entalpi, dan karena itu juga kerja turbin, persatuan penurunan tekanan, jauh lebih besar
pada bagian
bertekanan rendah daripada di ujung yang bertekanan tinggi pada turbin itu. Kondensor , dengan menurunkan tekanan hilir beberapa psia saja, efisiensi instalasi meningkat, dan aliran uap pun berkurang untuk suatu keluaran instalasi yang tetap. Makin rendah tekanan, makin besar efek ini. Jadi, dari segi thermodinamika, penting
2-14
sekali menggunakan suhu air pendingin yang serendah mungkin. Instalasi daya dengan kondensasi, oleh karena itu lebih efisien daripada tidak menggunakan kondensasi.
2.3.6 Generator Generator adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan macam tegangan listriknya, maka generator dibedakan menjadi :
AC Generator
DC Generator AC generator adalah yang menghasilkan tegangan AC, sedangkan DC generator
adalah generator yang menghasilkan tegangan DC. Umumnya pembangkit listrik menggunakan AC generator atau sering disebut juga dengan Alternator ( mesin sinkron ). Pada dasarnya alternator terdiri dari dua bagian yaitu bagian yang berputar ( rotor ) dan bagian yang tidak berputar/diam (stator). Pada dasarnyagenerator bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetik, dimana bila suatu konduktor digerakkan pada medan magnet (fluks) maka tegangan akan dibangkitkan pada konduktor tersebut.. Berdasarkan teori elektromagnetik, dapat diturunkan rumus sebagai berikut :
E = CnΦ Volt dimana : E =
Tegangan Induksi (volt)
Φ =
Fluks ( webber )
2-15
n
=
Putaran ( rpm )
C =
Konstanta ( volt / rpm Wb )
Pada putaran konstan ( n = konstan ), maka tagangan induksi sebanding dengan fluks
( E ~ Φ ), sedangkan fluks magnet adalah Φ = N.Iex
dimana : N = Jumlah lilitan kutub Iex = Arus penguatan kutub atau arus exsitasi Maka dapat disimpulkan bahwa E = f (Iex), dimana besarnya tegangan yang dihasilkan tergantung dari besarnya arus penguatan. Pada saat medan magnet diputar maka garis fluks yang dibangkitkan akan memotong konduktor-konduktor pada stator yang disusun sedemikian rupa sehingga konduktor tersebut akan terinduksi dan menghasilkan tegangan. Pada alternator hubungan kecepatan putaran rotor (rpm), frekuensi (hz), dan jumlah
kutub
(P),
secara
matematis
ns = 120 . f / P dimana : ns = Putaran sinkron
2-16
dapat
ditulis
sebagai
berikut :
