BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Sistem Tenaga Listrik Sistem tenaga listrik adalah sekumpulan pusat listrik dan gardu induk (pusat

beban) yang satu sama lain dihubungkan oleh jaringan transmisi sehingga merupakan sebuah kesatuan interkoneksi.

Gambar 2.1 Sistem Kelistrikan [16] Di dalam suatu sistem tenaga listrik terdapat beberapa komponen utama yaitu sebagai berikut : 2.1.1 Pusat Pembangkit Listrik Tempat dimana energi listrik pertama kali dibangkitkan dari berbagai macam tenaga, bagian utama dari pembangkit listrik ini adalah generator, yakni mesin berputar yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik dengan menggunakan prinsip medan magnet dan penghantar listrik. Mesin generator ini diaktifkan dengan 7

Universitas Sumatera Utara

menggunakan berbagai sumber energi yang sangat bemanfaat dalam suatu pembangkit listrik. Berdasarkan uraian diatas, di dalam prakteknya terdapat jenisjenis pusat listrik sebagai berikut: a. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA): pusat pembangkit listrik ini menggunakan tenaga air sebagai sumber energi primer. b. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD): pusat pembangkit listrik ini menggunakan bahan bakar minyaksebagai sumber energi primer. c. Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU): pusat pembangkit listrik ini menggunakan bahan bakar batubara, minyak atau gas sebagai sumber energi primer. d. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) :pusat pembangkit listrik ini menggunakan bahan bakar gas atau minyak sebagai sumber energi primer. e. Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) :pusat pembangkit listrik ini kombinasi PLTG dan PLTU. Gas buang dari PLTG dimanfaatkan untuk menghasilkan uap dalam ketel uap untuk tenaga penggerak. f. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) : PLTN merupakan PLTU yang menggunakan uranium sebagai bahan bakar yang menjadi sumber energi primernya. Uranium menjalani proses fission ( fisi ) di dalam reaktor nuklir yang menghasilkan energi panas yang digunakan untuk menghasilkan uap dalam ketel uap. Uap ini selanjutnya digunakan untuk menggerakkan turbin uap penggerak generator.

2.1.2 Transmisi Tenaga Listrik Merupakan proses penyaluran tenaga listrik dari tempat pembangkit tenaga listrik (power plant) hingga Saluran distribusi listrik (substation distribution) sehingga dapat disalurkan sampai pada pengguna listrik.

8


2.1.3 Sistem Distribusi Merupakan subsistem tersendiri yang terdiri dari :pusat pengatur (Distribution Control Center), saluran tegangan menengah (6kV dan 20kV, yang juga biasa disebut tegangan distribusi primer) yang merupakan saluran udara atau kabel tanah, gardu distribusi tegangan menengah yang terdiri dari panel-panel pengatur tegangan menengah dan trafo sampai dengan panel-panel distribusi tegangan rendah (380V, 220V) yang menghasilkan tegangan kerja atau tegangan jala-jala untuk industri dan konsumen. 2.2

Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi

listrik yang menggunakan peralatan atau mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya.

Gambar 2.2 Sistem PLTG [17] Energi untuk memutar turbin gas diperoleh dari gas hasil pembakaran yang memiliki temperature sekitar 1100°C dan tekanan sekitar 14 bar absolut. Gas panas berekspansi di dalam turbin gas sehingga mencapai tekanan disisi exchaust sebesar 1,03 bar absolut dan temperaturnya sekitar 540°C. Penurunan tekanan, temperatur 9


dan enthalpy gas panas akan berubah menjadi energi mekanik pada rotor turbin. Semakin tinggi temperatur gas masuk turbin akan semakin tinggi juga energi mekanis yang dihasilkannya, akan tetapi temperatur gas perlu dibatasi mengingat keterbatasan kemampuan material untuk bekerja pada temperatur tinggi. Sebagian energi mekanik (± 20%) yang dihasilkan oleh turbin akan diberikan kepada kompresor aksial (untuk memutar kompresor). Energi yang diberikan ke kompresor ini akan dikembalikan ke turbin dalam bentuk udara bertekanan, akan tetapi jumlahnya berkurang karena adanya losses. Sebagian besar energi mekanik yang dihasilkan oleh turbin diberikan kepada generator untuk membangkitkan energi listrik. Kerugian energi yang paling besar terjadi akibat terbawanya energi panas oleh gas buang kecerobong karena temperatur gas masih cukup tinggi. Oleh karenanya banyak PLTG yang dikombinasikan dengan PLTU menjadi PLTGU untuk memanfaatkan energi panas yang terbuang dari cerobong PLTG. 2.2.1 Prinsip Kerja PLTG Turbin gas suatu PLTG berfungsi untuk mengubah energi yang terkandung didalambahan bakar menjadi energi mekanis. Fluida kerja untuk memutar turbin gas adalah gaspanas yang diperoleh dari proses pembakaran. Proses pembakaran memerlukan tiga unsur utama yaitu : bahan bakar, udara, danpanas. Dalam proses pembakaran ini bahan bakar diperoleh dari pompa bahan bakar (Fuel Oli Pump) apabila digunakan bahan bakar minyak atau bisa diperoleh dari kompresor gas apabila menggunakan bahan bakar gas alam. Udara untuk pembakaran diperoleh dari kompresor utama, sedangkan panas untuk awal pembakaran dihasilkan oleh busi. Proses pembakarannya dilaksanakan di dalam combustion chamber (Ruang Pembakaran). Energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin gas digunakan untuk memutar generator listrik, sehingga diperoleh energi listrik. Tentu untuk dapat berjalannya operasi PLTG dengan baik perlu dilengkapi dengan alat-alat bantu, kontrol, instrumentasi, proteksi, dan sebagainya.

10


Gambar 2.3 Komponen Listrik Tenaga Gas [11] Siklus Kerja Turbin Gas Siklus ideal untuk kerja turbin gas adalah siklus brayton. Siklus turbin gas disebut juga siklus tekanan tetap dan merupakan penerapan siklus brayton yang terdiri dari : 1 –2 : Udara masuk dan ditekan dalam kompresor menghasilkanudara bertekanan (langkah kompresi). 2 - 3: Udara dari kompresor dan bahan bakar bereaksi didalam ruang pembakaran menghasilkan gas panas (langkah pembakaran atau heat input). 3 –4 : Gas panas hasil pembakaran masuk dan berekspansi dalam turbin (langkah ekspansi). 4 :Gas bekas dari turbin dibuang ke udara luar (langkah pembuangan atau exhaust)

Gambar 2.4 Siklus PLTG [11]

11


2.2.2 Komponen PLTG Komponen PLTG diantaranya adalah inlet filter dan inlet silence, kompresor aksial, combustion chamber, turbin gas, exhaust silencer, load gear, generator, exciter, starting device, alat bantu, kontrol, instrumentasi dan pengaman, peralatan listrik, dan lain-lain.

Gambar 2.5 Komponen Utama Gas Turbin [7] Keterangan gambar: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Generator Oil Reservoir with Mountings Intake Structure Compressor Combustion Chamber Turbine Exhaust Diffuser

12


Gambar 2.6 Turbin Gas Tipe V 94.2 Siemens [7] 2.2.2.1 Generator Generator berfungsi merubah energi mekanik (putaran turbin) menjadi energi listrik seperti konsep gaya gerak listrik, yang mana didalam medan magnet yang diberi kumparan, jika ada gerakan didalam fluks magnet akan memunculkan arus listrik dirancang untuk berperan sebagai motor diesel agar dapat menghidupkan gas turbin.

Gambar 2.7 Generator [7] 2.2.2.2 Air Inlet Section Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Aliran udara yang dibutuhkan di combustion chamber di suplai melalui sistem air intake. Dengan digunakannya sistem ini mencegah 13


masuknya pasir dan debu melalui filter yang di susun pada filter house. Sistem air intake terdiri dari : weatherhood, bird screen, dan moisture separator / Filter Fungsi inlet filter adalah untuk menyaring udara yang akan masuk ke dalam kompresor utama (Kompresor Aksial) untuk proses pembakaran. Kotoran tidak boleh terbawa ke dalam kompresor maupun turbin gas karena dapat mengakibatkan pengotoran dan erosi pada komponen yang dilaluinya yang pada akhirnya dapat mengurangi umur pakai (life time) serta menurunkan efisiensi. Pengotoran filter yang berakibat turunnya tekanan udara disisi masuk kompresor mengakibatkan juga turunnya tekanan dan besar aliran udara disisi keluar kompresor sehingga output maksimum turbin gas menurun. 2.2.2.3 Compressor Section Komponen utama bagian ini adalah aksial flow compressor, fungsi kompresor aksial adalah untuk memasok udara bertekanan ke dalam ruang bakar yang sesuai dengan kebutuhan. Alat ini berfungsi untuk memampatkan udara yang akan digunakan sebagai fluida kerja hingga mencapai tekanan 10 bar dan temperatur 300 Kelvin. Kapasitas kompresor harus cukup besar karena pasokan udara lebih untuk turbin gas dapat mencapai 350%, udara lebih ini digunakan untuk pendingin dan menurunkan suhu gas hasil pembakaran. Komponen – Komponen yang Mendukung Compressor : a.

Casing. Casing merupakan pembungkus kompresor, dibuat dari baja cor carbon rendah.

Untuk memudahkan pembuatan, pemasangan serta pembongkarannya, casing kompresor terdiri dari beberapa segmen pada bidang bagi horisontal maupun vertikal.Pada bidang horisontal terdiri atas upper casing (casing atas) dan lower casing (casing bawah), sedangkan pada bidang vertikal casing tersebut dapat terbagi dalam tiga segmen. Inlet Casing terbuat dari plat baja dibentuk sedemikian rupa sehingga aliran udara masuk ke dalam kompresor dengan halus tanpa terjadinya turbulensi. 14


b.

Compressor Stationary Blade Assembly Alat ini berfungsi untuk melindungi stationary blade rings, menjaga agar

stationary blade tetap pada posisinya dan mentransmisikan gaya reaksi dan tekanan yang terjadi akibat aliran udara ke casing terluar (outler casing)

Gambar 2.8 Compressor Stationary Blade Assembly [7] Keterangan : 1. Center Casing 6. Seal Plug 2. Compressor Bearing Housing 7. Hydraulic Cylinder 3. Stationary Blade Carrier II 8. Eccentric Bolt 4. Stationary Blade Carrier III 9. Eccentric Bolt I5. Round Bar Steel A. Air Bleed C. Gap Measuring Poin

15


c.

Rotor Alat ini berfungsi untuk merubah tenaga putaran (torque) menjadi energi

kinetik.

Gambar 2.9 Rotor Kompressor [7] Keterangan : 1. Front Hollow Shaft 2. Balancing Planes 3. Compressor Wheel 4. Central Hollow Shaft

5. Turbine Wheel 6. Rear Hollow Shaft 7. Tie Rod 8. Damping Ring

16


d.

Compressor Outlet Diffuser Alat ini berfungsi untuk merubah energi kinetik yang dihasilkan dari

pemampatan aliran udara menjadi tekanan statis dengan kemungkinan effisiensi tertinggi.

Gambar 2.10 Compressor Outlet Difusser [7] Keterangan : 1. Compressor Stationary Blade Carrier III 2. Compressor Stationary Blade Ring 3. Outer Shell 4. Flow Baffle

5. Inner Shell 6. Mounting Recess 7. Protective Shell

17


e.

Compressor Rotor Blades Alat ini berfungsi untuk merubah energi mekanis menjadi energi kinetik dan

energi potensial, dan jika dihubungkan dengan stator blades akan meningkatkan tekanan udara.

Gambar 2.11 Compressor Rotor Blade [7] Keterangan : 1. Blade Root 2. Airfoil f.

3. Rotor Blade 4. Caulked End

5.Wheel

Compressor Stator Blades Alat ini berfungsi untuk membelokkan aliran udara yang melewati blade

passages dalam arah yang berlawanan menjadi searah dengan putaran rotor. g.

Compressor Shaft Glands Pada compressor inlet, alat ini berfungsi untuk mencegah pipa saluran masuk

dialiri/dilalui oleh minyak/oli dari luar.

18


h.

Compressor Bearing Housing Alat ini berfungsi untuk melindungi rotor dan berfungsi juga sebagai pondasi

untuk compressor/turbin

Gambar 2.12 Combined Journal Bearing [7]

2.2.2.3 Combustion Chamber Pada setiap gas turbin, energi kimia yang tersimpan dalam bahan bakar harus terlebih dahulu diubah menjadi energi panas. Kemudian panas yang dihasilkan dari perubahan energi kimia tersebut di konversikan menjadi energi mekanik pada turbin. Energi mekanik yang dihasilkan turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor dan generator untuk menghasilkan energi listrik. Proses perubahan energi kimia yang tersimpan dalam bahan bakar menjadi energi

panas berlangsung di ruang

pembakaran yang disebut dengan combustion chamber. Dua buah combustion chamber terletak pada posisi vertikal yang berada di kedua sisi turbin dan disambungkan ke lateral flanges pada casing turbin. Desain ini memungkinkan udara bertekanan yang berasal dari kompressor terkumpul ke combustion chambers lalu ke turbin. Udara bertekanan dari kompressor mengalir melalui rongga udara panas yang terdapat diantara pressure jacket dan inner cassing .Udara panas tersebut menjadi udara primer untuk pasokan ke combustion chamber dalam proses pembakaran. 19


Combustion chamber mempunyai enam unit burner yang terpisah satu sama lain dan dapat dioperasikan dengan menggunakan bahan bakar gas, HSD maupun dengan keduanya. Konsumsi bahan bakar untuk bahan bakar gas pada kondisi beban rendah yaitu 9,16 kg/s sedangkan pada beban puncak yaitu 9,56 kg/s. Dan konsumsi bahan bakar untuk bahan bakar HSD pada kondisi beban rendah yaitu 9,63 kg/s sedangkan pada kondisi beban puncak sebesar 10,05 kg/s. Data teknis dari komponen combustion chamber dengan seluruh komponennya didapat berat keseluruhan yaitu 23.608 kg. Panas yang dihasilkan pada proses pembakaran di combustion chamber berkisar 1100ºC.

Gambar 2.13 Combustion Chamber [7]

20


Keterangan : 1. Burner Assembly 2. Diagonal Swirler 3. Pressure Jacket 4. Adjusting Ring 5. Internal Parts 6. Manhole 7. Inspecting Tube 8. Flame Monitor 9. Flame Tube 10. Hot Gas Inlet for Diffusion Burnerburner Assembly 11. Diagonal Swirler 12. Pressure Jacket 13. Adjusting Ring 14. Internal Parts

15. Manhole 16. Inspecting Tube 17. Flame Monitor 18. Flame Tube A. Hot Gas Outlet B. Annular Space for Compressor Air C. Variable Air Openings D. Annular Space for Primary Air E. Annular Space for Primary Air a. Fuel Oil Supply Flow/Cooling Air Supply b. Fuel Oil Return Flow c. Hot Gas Inlet for Diffusion

Komponen – Komponen yang Mendukung Combustion Chamber a. Pressure Jacket Pressure jacket terletak pada bagian terluar dari combustion chamber. Pressure jacket memiliki ketahanan terhadap tekanan dalam dan menjadi penentu dari letak komponen - komponen dibagian dalam.Udara bertekanan yang berasal dari kompressor di alirkan melalui rongga antara pressure jacket dan inner casing. Udara bertekanan tersebut mengalir sebagai udara primer pada combustion chamber.

21


Gambar 2.14 Pressure Jacket[7]

Keterangan : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Nozzle 13. Nozzle Dome 14. Nozzle for lights receivers Lifting Eye 15. Centering Piece Protective Liner 16. Bolt Flanged Pipe 17. Guide Pin Support Leg Flange A.Penetration For Burner Assembly Flange B. Manhole Hex Nut C. Air Inlet Bolt Stud Combustion Chamber Jacket

22


b. Internal Parts Internals parts dari combustion chamber berfungsi mengisolasi ruangan dimana gas pembakaran dihasilkan, dicampur dan diteruskan ke inlet turbine. Permukaan dalam dari ruang bakar dilapisi oleh lapisan keramik/batu tahan api.

Gambar 2.15 Internal Parts [7]

Keterangan : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Outer Top Plate Inner Top Plate Insert Frame Work Flame Tube Top Plate Flame Tube Rib Outer Shell

A. Hot Gas Outlet B.Openinng Of Burner Assembly C. Manhole D. Variable Secondary Opening

23


9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

Tile Sealing Plate Ring Guide Piece Mixing Chamber Trunions Brick Holder Adjusting Ring Brick Holder Trunions

c. Burner Assembly Burner assembly digunakan untuk mendistribusikan bahan bakar dengan takaran yang tepat sehingga memudahkan pencampuran dengan udara bertekanan sehingga pembakaran yang dihasilkan sempurna. Burner assembly dapat dioperasikan dengan menggunakan dua jenis bahan bakar yaitu bahan bakar gas dan HSD maupun keduanya.

24


Gambar 2.16 Burner Assembly For Liquid And Gaseous Fuels [7] Keterangan : 1. fuel oil burner 2. spark plug 3. burner support 4. igniter 5. diagonal swirler 6. axial swirler 7. fuel gas burner a. fuel oil return flow b. fuel oil supply

c. ignition gas inlet d. gas outlet from the igniter e. gas outlet from the fuel gas burner f. air inlet into the diagonal swirler g. air inlet into the axial swirler h. gas inlet into the fuel gas burner A. ring zone for fuel gas B. ring zone for burner core air C. combustion zone

25


d. Air Mixing Adjustment Air mixing adjustment berfungsi mengontrol campuran udara yang memasuki ruang bakar/combustion chamber sebagai udara primer.

Gambar 2.17 Air Mixing Adjustment [7] Ketearangan 1. 2. 3. 4.

Adjusting Ring Lever Gearbox Articulated Linkage

26


e. Manhole With Inspecting Tube Manhole berfungsi agar operator dalam melakukan inspeksi dapat melihat bagian dalam dari ruang bakar dan bagian atas dari turbin. Lubang untuk inspeksi pada manhole cover memungkinkan proses pembakaran dapat diamati.

Gambar 2.18 Manhole With Inspecting Tube [7]

Keterangan 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Mixing Chamber Pressure Jacket Manhole Cover Bolt Support Arm Funnel Lens Mounting

8. Inspecting Tube 9. Packing 10. Packing 11. Quartz Lens I 12. Quartz Lens Ii

27


2.2.2.4 Turbine Fungsi dari turbin adalah mengubah energi dari gas yang dibangkitkan dari ruang bakar menjadi energi mekanik berupa putaran poros turbin Komponen – komponen yang mendukung Turbin : a. Rotor Alat ini berfungsi untuk merubah energi kinetik menjadi tenaga putaran (torque).

Gambar 2.19 Turbine Rotor [7] Keterangan : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Front hollow shaft Balancing planes Compressor wheel Central hollow shaft Turbine wheel Rear hollow shaft Tie rod Dumping ring

28


b.

Turbine Stationary Blade Assembly Alat ini berfungsi untuk mengatur/menjaga agar stationary blade tetap pada

posisinya dan

meneruskan atau mentransmisikan gaya reaksi dan tekanan yang

dihasilkan akibat aliran udara ke casing terluar (outler casing).

Gambar 2.20 Tubin Stationary Blade Assembly [7]

29


a. Turbine Rotor Blade Alat ini berfungsi untuk merubah energi thermal dari uap panas menjadi energi mekanis.

Gambar 2.21 Turbine Rotor Blade [7] Keterangan : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Cooling air inlet, 1st stage rotor blade Trailing edge holes, 1st stage rotor blade Air foil Blade platform Blade root Cooling air outlet, 2nd stage rotor blade Cooling air inlet, 2nd stage rotor blade

30


b. Turbine Stator Blades Bersama dengan rotor blades turbine, stator blades merubah energi yang dihasilkan dari fluida kerja menjadi energi mekanis.

Gambar 2.22 Turbine Stator Blade [7] KeteranganGambar : 1. 2. 3. 4. 5.

Outer shroud Airfoil Inner shroud Holes Paritition

c. Turbine Shaft Glands Alat ini berfungsi untuk meminimalisasi kehilangan jarak dan mencegah uap panas keluar melewati ruangan antara stationary blade assembly dan rotor. d. Turbine Bearing Housing Alat ini berfungsi untuk mendukung rotor dalam exhaust casing.

31


e. Exhaust Gas Diffuser Alat ini berfungsi sebagai saluran gas buang dari turbin menuju cerobong asap (stack).

Gambar 2.23 Exhaust Gas Diffuser [7] Keterangan: 1. Bellows expansion joint 2. Blow off pipe connection 3. Conical shell course

4. Bellows expansion joint 5. Blow off pipe connection

32


2.3 Refrigerasi 2.3.1 Sejarah Refrigerasi Sejarah awal refrigerasi dahulu sangat lekat dengan upaya manusia untuk mengawetkan makanannya, setidaknya sampai ditemukannya refrigerasi mekanik yang kemudian membawa refrigerasi dari satu topik isu ke topik isu lainnya. Di masa lalu (diantaranya) manusia menyimpan makanannya di dalam gua atau batu-batu yang dindingnya dingin secara alami. Dalam koleksi puisi China kuno, Shi Ching, terdapat catatan penggunaan gudang es bawah tanah pada tahun 1000 SM. Orangorang Yunani dan Romawi dulu telah membuat gudang salju bawah tanah, di mana mereka menyimpan salju yang telah dipadatkan danmenginsulasinya dengan rumput, tanah, dan pupuk kotoran hewan. Pada tahun 1823, Cagniar De La Tour (seorang berkebangsaan Prancis) melakukan penelitian tentang tingkat keadaan kritis dari gas eter. Setahun kemudian, Humphrey Davy dan asistennya M. Faraday (dari Inggris) berhasil menemukan cara mencairkan gas ammonia, mereka adalah orang yang pertama kali menemukan hal itu. Kemudian pada tahun 1824, prinsip dasar siklus refrigerasi dikembangkan oleh N.L.S.Carnot yang mempublikasikan tentang teori termodinamikanya. Beberapa tahun kemudian, yaitu pada tahun 1897 Joseph Mc. Creaty membuat dan memantapkan instalasi alat pendingin. Pada waktu itu, instalasi tersebut diberi nama mesin pencuci udara (air washer), yaitu suatu sistem pendingin yang mempergunakan percikan air. Sedangkan Dr. Willis Haviland Carrier (USA, 1906), merupakan orang pertama yang berhasil membuat alat temperatur dan kelembaban udara. Dia berhasil menyagarkan udara dari sebuah percatakan dengan menggunakan sistem pencuci udara dengan cara mendinginkan dan menjenuhkan udara sampai mencapai mencapai titik embunnya. Teori termodinamika yang dihasilkan olehnya itu dikemukakan pada pertemuan The American Society of Mechanichal Engineer pada tahun 1911.

33


2.3.2 Sistem Refrigerasi Sistem Refrigerasi adalah suatu proses penarikan atau pemindahan panas dari suatu benda atau ruangan sehingga temperatur benda atau ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya, sistem ini akan selalu berhubungan dengan proses aliran dan perpindahan panas.

Gambar 2.24 Proses Pemindahan Panas [26] Secara prinsip sistem ini merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor (heat engine) dan jika dilihat dari tujuannya maka alat dengan siklus refrigerasi dibagi menjadi dua yaitu refrigerator yang berfungsi untuk mendinginkan media dan heat pump yang berfungsi untuk memanaskan media. Sistem refrigerasi jika dibagi menurut metode pendinginannya adalah: a)

Refrigerasi Mekanik

Refrigerasi yang dalam proses sistem pendinginannya menggunakan sumber utama tenaga mesin penggerak atau alat mekanik lainnya Contoh: Refrigerasi Kompresi Uap, Siklus Udara, Kriogenik dan Siklus Sterling b)

Refrigerasi Non Mekanik

Refrigerasi yang dalam proses sistem pendinginannya tidak menggunakan mesin penggerak sebagai sumber utama tenaganya. Contoh : Refrigerasi Absorpsi, Thermoelektrik, Thermoakustik, steam jet, heat pipe dan magnetic. 34


2.4 Refrigerasi Absorpsi Sistem refrigerasi yang palingsering ditemukan adalah yang menggunakan kompresor atau lebih dikenal dengan refrigerasi kompresi uap, metode-metode refrigerasi lain menjadi jarang dikenal. Diantara banyak tipe yang kurang dikenal, mungkin sekali ada yang praktis dan layak dipakai, sekaligu sekonomis, salah satunya adalah sistem refrigerasi absorpsi yang dikembangkan oleh Ferdinand Carré dari Perancis, yang kemudian mendapat paten di Amerika Serikat pada tahun 1860. Sejarah mesin pendingin absorbsi dimulai pada abad ke-19 mendahului jenis kompresi uap dan telah mengalami masa kejayaannya sendiri. Siklus pendinginan absorbsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap. Perbedaan utama kedua siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan antara tekanan penguapan dan tekanan kondensasi serta cara perpindahan uap dari wilayah bertekanan rendah ke wilayah bertekanan tinggi. Jika siklus refrigerasi menggunakan satu jenis fluida kerja sebagai refrigeran, maka pada siklus absorpsi menggunakan larutanyang terdiri dari dua zat, masing masing disebut pelarut dan terlarut. Zat yang umum di pakai sebagai pelarut adalah air (H2O) dan zat terlarut biasanya Amonia atau Garam Bromida LiBr (Lithium Bromide). Sistem absorpsi hampir sama dalam beberapa hal dengan sistem kompresi uap. Sistem kompresi uap menggunakan kompressor untuk keperluan tersebut dengan menggunakan energi listrik, jika sistem absorpsi menggunakan absorber, generator, katup throttle dan pompa untuk fungsi yang sama seperti kompressor, tetapi energi yang digunakan adalah energi panas. 2.4.1 Prinsip Kerja Refrigerasi Absorpsi Prinsip kerja dari sistem refrigerasi absorpsi pada dasarnya sama seperti sistem kompresi uap, tetapi untuk menggantikan fungsi kompresor (yang memerlukan energi terbesardalam kompenen sistem refrigerasi kompresi uap) seperti yang digunakan di dalam sikluskompresi uap, digunakan tiga komponen di dalam siklus absorpsi; yakni absorber, pompa, dan generator. Sehingga bila dibandingkan dengan sistem

35


refrigerasi konvensional, energi mekanik yang diperlukan oleh refrigerasi absorpsi sangat kecil. Diagram refrigerasi absorpsi efek tunggal dapat dilihat pada berikut ini:

Gambar 2.25 Siklus Refrigerasi Absorpsi [18] Pada Gambar 2.26 seperti halnya siklus refrigerasi kompresi uap, efek pendinginan pada siklus absorpsi juga terjadi pada sisi evaporator. Untuk menggantikan kompresor seperti yang digunakan di dalam siklus kompresi uap, digunakan tiga komponen di dalam siklus absorpsi; yakni absorber, pompa, dan generator. Absorber berfungsi untuk menyerap uap refrigeran ke dalam absorben, sehingga keduanya bercampur menjadi larutan. Karena reaksi di dalam absorber adalah eksotermik (mengeluarkan panas), maka perlu dilakukan proses pembuangan panas dari absorber. Tanpa dilakukannya proses pembuangan panas, kelarutan (solubility) uap refrigeran ke dalam absorben akan rendah. Selanjutnya, larutan tersebut dipompa ke generator. Dalam perjalanan menuju generator, larutan dilewatkan di dalam penukar kalor untuk meningkatkan temperatur (preheating). Daya pompa yang diperlukan sangat kecil, sehingga dalam perhitungan COP siklus absorpsi, daya ini biasanya diabaikan. Di dalam generator, larutan dipanaskan hingga terjadi pemisahan refrigeran dari larutan. Selanjutnya, uap refrigeran tersebut akan 36


memasuki kondensor. Proses selanjutnya tidak berbeda dengan siklus kompresi uap, yakni kondensasi, penuruan tekanan (melalui mekanisme penghambat aliran - flow restrictor), dan evaporasi. 2.4.2 Keuntungan Refrigerasi Absorpsi Hanya refrigeran dan absorben yang bergerak, sehingga operasi siklus tenang dan tahan lama. Motor pompa, mesin, atau turbin yang digunakan lebih kecil dibanding yang digunakan pada sistem kompresi untuk kapasitas yang sama. Tidak dibutuhkan daya listrik yang besar meskipun biasanya pompa yang digunakan digerakkan oleh motor. Unit refrigerasi absorpsi dapat dioperasikan pada tekanan dan temperatur evaporator yang lebih kecil, dengan penurunan yang kecil dan pada sistem kompresi, penurunan tekanan evaporator mengakibatkan penurunan kapasitas sistem secara signifikan. Pada beban refrigerasi yang lebih kecil, unit absorspi memiliki efisiensi yang sama besarnya dengan kapasitas penuh. Pengendalian variasi beban dilakukan dengan pengaturan jumlah refrigeran dan absorben yang disirkulasikan di dalam system, jika refrigeran tidak sepenuhnya diuapkan di evaporator, tidak terjadi efek yang buruk selain membuat sistem sedikit tidak stabil secara temporer. Namun, pada sistem kompresor, hal itu dapat membahayakan kompresor dan membutuhkan pengukuran preventif yang mendalam; Unit absorpsi dapat dibuat dengan kapasitas lebih besar dari 1000 ton— nilai kapasitas terbesar dari unit kompresor. Dengan pengecualian untuk aplikasi rumah tangga, secara umum sistem absorpsi butuh ruang lebih besar. Namun, unit dapat diletakkan di luar ruangan dan disusun vertikal sehingga membutuhkan area tanah yang lebih kecil dan tidak perlu penutup.

37


2.5 Hubungan Temperatur Udara Lingkungan dengan Gas Turbin 2.5.1 Energi Yang Terjadi Pada Gas Turbin Hukum Kekekalan Energi Hukum kekekalan energi (Hukum Termodinamika 1) menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi dapat berubah bentuk dari bentuk energi yang satu ke berntuk energi yang lain. Proses Perubahan Energi. Proses perubahan energi dari energi yang dikandung oleh bahan bakar, seperti High Speed Diesel (HSD), Marine Fuel Oil (MFO) maupun gas pada PLTG menjadi energi listrik mengalami beberapa proses. Bahan bakar yang merupakan bentuk dari energi kimia dirubahkan dalam ruang bakar menjadi energi panas. Energi panas tersebut diterima oleh udara sehingga udara + bahan bakar tersebut berubah wujud menjadi gas. Gas yang mempunyai energi panas selanjutnya mendorong sudu-sudu turbin sehingga menjadi energi kinetik. Sudu-sudu turbin memutar poros turbin memutar poros turbin poros generator. Putar poros generator (rotor) mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

Gambar 2.26 Proses Konversi Energi pada PLTG [12] Menurut Hukum Gas Charles (Charles Law), tentang gas menyatakan bahwa kerapatan udara akan berbandinglurus dengan tekanan pada temperatur konstan dan kerapatan udara akan berbanding terbalik dengan temperatur pada tekanan konstan[1] 38


Dimana, ρ = Kerapatan udara (kg/m3) P = Tekanan udara statis (hpa) T =Temperatur absolute 287 (J/Kmol) R= Konstanta Gas (J/K mol). Tekanan statis (Static Pressure) adalah tekanan udara di sekeliling kita, dalam udara terbuka dan dalam kondisi diam. Tekanan statis ini akan bekerja kesegala arah dengan besar yang sama. Dari Hukum Gas Charles diatas, bisa kita simpulkan pada tekanan udara statis dan konstanta gas tetap, jika temperatur udara mengalami penurunan maka kerapatan udara akan meningkat. Jika kerapatan udara semakin tinggi, maka energi kinetik yang terjadi pada kompressor akan semakin besar dan kerja turbin untuk memutar kompressor akan berkurang. Pengurangan kini berdampak langsung pada kenaikan kerja turbin untuk memutar generator dan hal ini langsung mempengaruhi daya output yang dihasilkan. Berikut grafik efek temperatur lingkungan dengan kondisi ISO terhadap gas turbin:

Gambar 2.27 Effect of Ambient Temperature On Gas Turbine Performance [1] 39


2.6 Siklus Thermodinamika Gas Turbin Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat inisiklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan.

Gambar 2.28 Sistem Gas Turbin [1] Jika kita asumsikan efisiensi kompresor

ηc dan efisiensi turbin ηt pada siklus

Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:

Gambar 2.29 Skematik Diagram Untuk Turbin Gas Sederhana [1]

40


Gambar 2.30 Diagram TS Turbin Gas Sederhana [1] Untuk rasio kompresi:

rp = ..........(1) dimana P1 = inlet kompresor P2 = outlet kompresor. Untuk isentropic efficiency kompresor dan turbin dibesaran 85 dan 90% (Rahman et al., 2011):

ɳc = ……….(2) dimana T1 : temperatur in compressor T2 : temperatur out compressor T2s: temperatur isentropic compressor output Untuk mencari nilai T2 bisa menggunakan perhitungan persamaan 3 dibawah ini

41


……….(3)

……….(4) Dimana γa : 1.4 dan γg : 1.33 Untuk kerja kompressor (Wc) dimana faktor pendinginan pada blade tidak dihitung:

….(5) Dimana Cpa adalah panas spesifik dari udara yang didapatkan dari persamaan (6) dan

ηm adalah efisiensi mekanik kompresor dan turbin (Rahman et al., 2011). = 1.0189x103–0.13784 +1.9843x10-4 2+4.2399x10-7 3–3.7632x10-10 4..(6) dimana

in Kelvin

Untuk panas spesifik pada gas buang (Cpg) (Naradasu et al 2007) = 1.8083-2.3127x10-3T+4.045x10-6T2-1.7363x10-9T3…(7) Untuk kesetimbangan energi di combustion chamber adalah:

ṁ +ṁ xLHV+ṁ =(ṁ ṁ ) xTIT...(8) Dimana :ṁ

= laju aliran masa bahan bakar (Kg/s) 42


ṁ LHV T3 = TIT Cpf Tf

= laju aliran masa udara (Kg/s) = low heating value = Turbine Inlet Temperature = Panas spesifik bahan bakar = Temperatur bahan bakar

Setelah menggunakan persamaan 8, nilai rasio bahan bakar bisa didapatkan dengan: f=

ṁ ṁ

=

…(9)

Temperatur exhaust gas turbin didapatkan dari persamaan:

...(10) Kerja shaft turbin (Wt) didapatkan dari persamaan:

..(11) Untuk kerja besih turbin (Wnet) didapatkan dari persamaan:

= - ! …(12) Untuk power output gas turbin:

P = ṁ - …(13) Untuk menentukan Spesific Fuel Consumtion (SFC) didapat dari persamaan:

SFC =

"#$$ %&'(

…(14)

43


Panas yang terjadi:

..(15) Untuk efisiensi gas turbin(Ibrahim et al., 2010): %

ɳth =) &'( …(16) **

Heat Rate adalah panas yang dikonsumsi untuk menghasilkan energi listrik dapat dihitung dengan (Saravanamuttoo et al., 2009): HR =

"#$$

ɳth

…(17)

Dari perhitungan secara termodinamika diatas, dapat terlihat pengaruh dari turunnya nilai temperatur ambient (T1) terhadap kenaikan efisiensi gas turbin a) Naiknya daya output turbin (MW) b) Penurunan Heat Rate yang berdampak pada penurunan nilai SFC yang berdampak langsung kepada penurunan konsumsi bahan bakar (Kg/s) c) Penurunan nilai emisi gas buang Cox dan CO2 d) Meminimalisir pengaruh lingkungan terhadap performance turbin e) Menurunkan temperatur exhaust turbin

2.7 Emisi Gas Buang Pencemaran udara atau emisi gas buang disebabkan oleh sumber bergerak dan sumber tidak bergerak yang meliputi sektor transportasi, industri, dan domestik. Faktor lainnya yang secara tidak langsung berpengaruh terhadap terjadinya pencemaran udara adalah pertumbuhan penduduk, laju urbanisasi. yang tinggi, pengembangan tataruang yang tidak seimbang dan

rendahnya tingkat kesadaran 44


masyarakat mengenai pencemaran udara. Pencemaran udara merupakan salah satu permasalahan lingkungan yang serius di Indonesia saat ini, sejalan dengan semakin meningkatnya jumlah kendaraan bermotor dan peningkatan ekonomi transportasi. Pencemaran udara adalah masuknya atau tercampurnya unsur-unsur berbahaya ke dalam atmosfir yang dapat mengakibatkan terjadinya kerusakan lingkungan sehingga menurunkan kualitas lingkungan. Dengan demikian akan terjadi gangguan pada kesehatan manusia. Terdapat dua jenis sumber pencemaran udara, yang pertama adalah pencemaran akibat sumber alamiah (natural sources) seperti letusan gunung berapi dan yang kedua berasal dari kegiatan manusia (anthropogenic sources) seperti yang berasal dari transportasi, emisi pabrik, dan lain-lain. Menurut Harssema dalam Mulia (2005), pencemaran udara diawali olehadanya emisi.Emisi keudaradalam

merupakan satuan

jumlah waktu.

polutan

Emisi

atau

dapat

pencemar

disebabkan

yang oleh

dikeluarkan proses

alam

maupunkegiatan manusia. Ada beberapa jenis pencemaran udara, yaitu (Sunu, 2001): 1. Berdasarkan bentuk a. Gas, adalah uap yang dihasilkan dari zat padat atau zat cair karenadipanaskan atau menguap sendiri. Contohnya: CO2, CO, SOx, NOx. b. Partikel, adalah suatu bentuk pencemaran udara yang berasal dari zarahzarahkecil yang terdispersi ke udara, baik berupa padatan, cairan, maupunpadatan dan cairan secara bersama-sama. Contohnya: debu, asap, kabut danlain-lain. 2. Berdasarkan gangguan atau efeknya terhadap kesehatan a. Irritansia, adalah zat pencemar yang dapat menimbulkan iritasi jaringantubuh, seperti SO2, Ozon, dan Nitrogen Oksida. b. Aspeksia, adalah keadaan dimana darah kekurangan oksigen dan tidakmampu melepas Karbon Dioksida. Gas penyebab tersebut seperti CO, H2S,NH3, dan CH4. 45


c. Anestesia,

adalah

biasanyamerupakan

zat

yang

pencemaran

mempunyai udara

efek

dalam

membius

dan

ruang.

Contohnya;

menyebabkan

keracunan.

Formaldehide danAlkohol. d. Toksis,

adalah

zat

pencemar

yang

Zatpenyebabnya seperti Timbal, Cadmium, Fluor, dan Insektisida. Karena sistem penurunan temperatur udara masuk kompresor berbanding lurus dengan konsumsi bahan bakar, maka berdampak juga pada emisi gas buang yang dihasilkan.

46


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents