12
BAB III TINJAUAN PUSTAKA 1.1
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DAN UAP (PLTGU)
PLTGU adalah gabungan antara PLTG dengan PLTU, dimana panas dari gas buang dari PLTG digunakan untuk menghasilkan uap yang digunakan sebagai fluida kerja di PLTU. Dan bagian yangdigunakan untuk menghasilkan uap tersebut adalah HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Pada dasarnya, sistem PLTGU ini merupakan penggabungan antara PLTG dan PLTU. PLTU memanfaatkan energi panasdan uap dari gas buang hasil pembakaran di PLTG untuk memanaskan air di HRSG (Heat Recovery Steam Genarator), sehingga menjadi uap jenuh kering. Uap jenuh kering inilah yang akan digunakan untuk memutar sudu (baling-baling). Gas yang dihasilkan dalam ruang bakar pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) akan menggerakkan turbin dan kemudian generator, yang akan mengubahnya menjadi energi listrik. Sama halnya dengan PLTU, bahan bakar PLTG bisa berwujud cair (BBM) maupun gas (gas alam). (Gede Astawan, 2014)
Gambar 3.1 Susunan pusat listrik tenaga gas dan uap. (Sumber: Gede Astawan, 2014)
http://digilib.mercubuana.ac.id/
13
Di dalam PLTGU terjadi dua siklus sekaligus. Siklus udara dan gas panas yang berlangsung di dalam turbin gas atau yang lebih dikenal dengan siklus Brayton.
Gambar 3.2 Siklus Brayton dalam diagram P-V dan T-S. (Sumber: Susilo, 2014) 1. Proses 1-2 : Proses pemempatan udara secara isentropik dengan menggunakan kompresor 2. Proses 2-3 : Pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Pemasukan bahan baker ini dilakukan di dalam combuster 3. Proses 3-4 : Proses ekspansi gas hasil pembakaran (dari combuster). Ekspansi gas panas hasil pembakaran dilakukan pada turbin. Ekspansi dilakukan dalam kondisi isentropik. 4. Proses 4-1 : Proses pembuangan panas pada tekanan konstan. Pada proses pemampatan udara (proses 1-2), secara termodinamika kompresor membutuhkan kerja sebesar selisih entalpi antara inlet kompresor dengan exhaust kompresor. Pada combuster (proses 2-3) terjadi pemasukan kalor dari pembakaran bahan bakar bersama-sama dengan udara yang dimampatkan. Sedangkan pada proses ekspansi pada turbin (proses 3-4), gas hasil pembakaran digunakan sebagai tenaga untuk memutar sudu-sudu pada rotor turbin. Rotor yang berputar ini akan memutar poros/shaft yang akan memutar poros generator. Generator inilah yang akan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
14
membangkitkan listrik. Isentropik merupakan kondisi entropi yang terjadi konstan. (Susilo, 2014) 1.1.1
Prinsip Kerja PLTG
Produksi energi listrik dari Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PTLG) merupakan tahapan dari proses pembangkit tenaga yang dihasilkan dari beberapa alat bantu utama PLTG, dimana dalam proses perubahan energi tersebut diawali dari kompresor yang berfungsi untuk memberikan sejumlah udara yang dibutuhkan dalam proses pembakaran bahan bakar, dalam hal ini energi kimia diubah menjadi energi panas yang berbentuk gas panas pembakaran yang terjadi dalam combuster, selanjutnya energi gas panas pembakaran yang mempunyai besaran temperatur dan kuantitas panas tersebut disalurkan kedalam turbin gas untuk mendorong sudu-sudu turbin hingga menjadi energi kinetik untuk memutar poros turbin, dalam hal ini energi panas diubah menjadi menjadi energi mekanik melalui poros tuebin gas yang merupakan satu kesatuan dengan rotor generator, yang berfungsi untuk membangkitkan energi listrik , selanjutnya gas bekas dari proses ekspansi gas turbine tersebut dibuang ke atmosfer, hal ini dikenal dengan siklus operasi open cycle. (Rakhman, 2013) 1.1.2
Prinsip Kerja PLTGU
Uap yang dihasilkan ketika terjadi open cycle adalah 500oC hal ini mengindikasikan dari energi tersebut masih bisa dimanfaatkan, maka uap yang dihasilkan turbin uap pada proses open cycle tersebut tidak langsung dibuang melalui cerobong exhaust melainkan digunakan kembali dialirkan ke HRSG (heat recovery steam generator) yang pada nantinya uap tersebut akan memasak air sehingga uap yang dihasilkan melalui pemasakan air tersebut akan memutar turbine yang telah dikopel dengan generator. Pada PLTGU itu sendiri disebut STG (steam turbine generator). Namun dalam menambah koefisiensianya uap yang dihasilkan turbin pada proses PLTGU akan diarahkan ke kondensator untuk diembunkan dan nantinya akan menghasilkan air dengan kadar elektrolit yang rendah, lalu air tersebut akan dialirkan ke deaerator, di deaerator air tersebut akan dihilangkan kadar oksigenya atau gas-gas terlarut lainnya, karena oksigen dan gas-gas terlarut lainya akan menimbulkan korosi pada
http://digilib.mercubuana.ac.id/
15
pipa-pipa. Kemudian dari deaerator air kan di tampung feed water pump dan kemudian air tersebut akan dialirkan ke pipa-pipa air HRSG kembali. Ini yang dinamakan proses close cycle. (Nugroho, 2012). 3.1.3
Mekanisme Kerja Komponen Utama PLTG & PLTGU
1. Komponen PLTG terdiri dari: a. Filter Inlet Kompresor Fluida kerja turbin gas adalah udara atmosfer. Debit aliran udara yang dibutuhkan oleh mesin ini sangat besar. Sehingga udara yang masuk ke dalam sistem turbin gas harus sangat bersih. Partikel-partikel pengotor seperti debu dan pasir tidak boleh ikut terbawa masuk, karena tentu saja partikel-partikel tersebut dapat mengikis sudu-sudu kompresor dan turbin. Setiap sistem turbin gas selalu dilengkapi dengan filter inlet udara. Filter ini berfungsi untuk mencegah partikelpartikel pengotor masuk ke dalam sistem turbin gas. Hal tersebut dikarenakan adanya berbagai macam resiko yang mungkin terjadi jika partikel-partikel tersebut masuk ke dalam sistem turbin gas. Penentuan jenis filter turbin gas sangat bergantung pada kondisi lingkungan sekitar. Turbin gas yang dibangun di area gurun pasir tentu menggunakan tipe filter yang berbeda dengan jika dibangun di area sekitar hutan. Pemilihan filter yang tepat sangat berpengaruh terhadap performa dan usia kerja turbin gas, dan juga dapat mengurangi kebutuhan perawatan rutin turbin gas tersebut. (Onny, n.d). b.
Kompresor Fungsi kompresor pada sistem PLTG yaitu berguna untuk memasok udara bertekanan ke dalam ruang bakar yang sesuai dengan kebutuhan. Keberhasilan operasi sebuah turbin gas tergantung dari aliran fluida dan transformasi energi yang dihasilkan. Kapasitas kompresor harus cukup besar karena pasokan udara lebih (excess air) untuk turbin gas dapat mencapai 350%. Disamping untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna, udara lebih ini digunakan untuk pendingin dan menurunkan suhu gas hasil pembakaran. Di PLTGU jenis kompresor yang digunakan yaitu kompresor aksial. (Abdul, 2012).
http://digilib.mercubuana.ac.id/
16
c.
Ruang bakar (combustion chamber) Kombustor merupakan sebuah komponen atau daerah dari turbin gas, ramjet, atau mesin scramjet di mana pembakaran terjadi. Kombustor ini juga dikenal sebagai burner, ruang pembakaran atau pemegang api. Dalam mesin turbin gas, ruang bakar (combustor atau combustion chamber) diumpankan suatu udara bertekanan tinggi oleh sistem kompresi. Combustor kemudian memanaskan udara ini pada tekanan konstan. (Wikipedia, 2016).
d.
Turbin Gas Turbin adalah bagian untuk membangkitkan kerja mekanis poros. Tenaga potensial (potensial energy) yang terkandung dalam gas panas dirubah menjadi tenaga kinetis (kinetic energy) untuk mendapatkan tenaga mekanis yang berupa putaran poros. Gas dari combustion chamber mengalir melalui transition piece menuju ke sudu tetap turbin tingkat pertama. Spesifikasi turbin gas pada PT PJB UP Muara Karang Blok 2 (PT. PJB, n.d):
e.
Pabrik pembuat
: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Tipe
: M701F3
Daya pada terminal generator
: 245.600 kW
Kecepatan
: 3000 rpm
Generator Generator berfungsi untuk membangkitkan tenaga listrik. Generator memiliki rotor dan stator dengan adanya perpotongan medan gaya magnet pada saat rotor generator diputar, maka dihasilkanlah listrik. Spesifikasi Generator pada PT. PJB UP Muara Karang Blok 2 (PT. PJB, n.d): Pabrik pembuat
: Mitsubishi Heavy Indutries, Ltd
Kapasitas
: 250.000 kVA
Kecepatan
: 3000 rpm
Tegangan
: 18.000 kV
2. Komponen PLTGU terdiri dari: a. Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Heat Recovery Steam Generator (HRSG) adalah peralatan utama dari Pusat Listrik Tenaga Gas-Uap (PLTGU) yang berfungsi untuk memanfaatkan energi panas sisa gas buang dari turbin gas untuk memanaskan air menjadi uap, kemudian uap
http://digilib.mercubuana.ac.id/
17
tersebut digunakan untuk menggerakkan turbin uap. Energi panas sisa gas buang dari turbin berpindah secara konveksi ke fluida kerja. Sumber panas dari Heat Recovery Steam Generator (HRSG) berasal dari energi panas yang terkandung didalam gas buang PLTG. Secara sederhana prinsip kerja dari Heat Recovery Steam Generator (HRSG)
adalah memanfaatkan
kembali limbah panas atau gas sisa yang tersedia dari gas buang GT (Gas Turbine) dan mentransfernya ke dalam air kemudian membentuk uap. (Nurhandayani, n.d)
Gambar 3.3 HRSG (Sumber: Power Generation, 2016) b.
Turbin uap Turbin uap adalah penggerak mula (primer mover) yang mengubah energi panas dalam uap menjadi energi mekanis berupa putaran poros turbin. Selanjutnya poros turbin dikopel dengan mekanisme yang digerakkan, misalnya dengan poros generator untuk menghasilkan energi listrik. Selain sebagai penggerak generator listrik, turbin uap dapat juga digunakan untuk memutar pompa, transportasi dan sebagainya. Uap untuk memutar turbin dapat diperoleh dari uap panas bumi, boiler berbahan bakar fosil, boiler nuklir atau panas buangan (waste heat) PLTG. Spesifikasi steam turbine (turbin uap) pada PT. PJB UP Muara Karang Blok 2: Pabrik pembuat
: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Kapasitas
: 70.600 kW
Kecepatan
: 3000 rpm
http://digilib.mercubuana.ac.id/
18
c.
Pompa Air Pengisi (feed water pump) Fungsi pompa air pengisi adalah untuk menciptakan tekanan pada air pengisi dan mengalirkannya ke HRSG. Jenis pompa yang digunakan adalah pompa sentrifugal, dengan tekanan stabil pada aliran yang berubah naik turun. Pompa air pengisi digerakkan oleh motor listrik melalui kopling hidrolik pengatur putaran (variable speed hydraulic coupling).
d.
Kondensor Kondensor adalah peralatan untuk merubah uap menjadi air. Proses perubahan nya dilakukan dengan cara mengalirkan uap kedalam suatu ruangan yang berisi pipapipa (tubes). Uap mengalir diluar pipa-pipa sedangkan air sebagai pendingin (air laut/air sungai) mengalir didalam pipa-pipa. Proses perubahan uap menjadi air terjadi pada tekanan dan temperatur jenuh, dalam hal ini kondensor berada pada kondisi vakum. Karena temperatur air pendingin sama dengan temperatur udara luar, maka temperatur air kondensatnya maksimum mendekati temperatur udara luar. Apabila laju perpindahan panas terganggu, maka akan berpengaruh terhadap tekanan dan temperatur. Spesifikasi Kondensor di PT. PJB UP Muara Karang Blok 2 sebagai berikut:
e.
Pabrik pembuat
: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd
Tipe
: Surface Cooling
Vaccum
: 695.1 mmHg
Luas permukaan pendingin
: 5.040 m2
Diameter pipa
: 22.33 mm
Jumlah pipa
: 6800
Material pipa
: Titanium
Temp masuk air pendingin
: 30.4 C
Kapasitas
: 17.000 m3/h
Temp uap jenuh
: 40 oC
Deaerator Deaerator berfungsi untuk menghilangkan oksigen dan gas yang terlarut dari air pengisi. Jenis yang digunakan adalah jenis semprot (spray type). Deaerasi awal (pre-deaeration) dilakukan dengan alat penyemprotan (spraying device). Pada setiap kondisi operasi, penyemprot menjamin pemanasan air kondensat hingga suhu jenuh (saturation) dan permukaan yang cukup luas untuk perpindahan masa.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
19
Karena secara praktis, kelarutan oksigen didalam air pada suhu jenuh adalah nol, sehingga oksigen yang terbawa dalam tetesan air akan terlepas dan berada bersama uap disekelilingnya. Karena uap mengkondensasi pada air, maka konsentrasi oksigen di daerah sekitar penyemprot menjadi naik sehingga memungkinkan membuang (vent out) sejumlah uap yang konsentrasi oksigennya relatif tinggi.
Gambar 3.4 Deaerator (Sumber: Chris Haslego, 2012)
3.1.4
Keuntungan PLTGU
Dibandingkan jenis pembangkit lain, PLTGU memiliki beberapa keuntungan, yaitu:
Efisiensi lebih baik dari jenis pembangkit yang lain. Dibandingkan PLTU yang mempunyai effisiensi 40% dan PLTG 30%, PLTGU memiliki efisiensi sampai 60%.
Biaya investasi lebih murah.
Masa pembangunan relatif pendek dibandingkan PLTU dan PLTA.
Lebih mudah mengikuti fluktuasi beban. Dibandingkan dnegan PLTU batubara yang pembakaran bahan bakarnya lambat dan PLTN yang dikhususkan untuk beban dasar.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
20
Tidak memakan banyak tempat. Untuk kapasitas yang sama, PLTGU memerlukan lahan yang lebih sedikit dibandingkan PLTU.
3.1.5
Kerugian PLTGU
PLTGU memiliki beberapa kerugian, yaitu:
Jenis bahan bakar terbatas pada jenis bahan bakar gas dan cair saja yang harganya relatif lebih mahal.
Bahan bakar cair memerlukan treatment terlebih dahulu untuk menghindari korosi suhu tinggi pada bagian turbin gasnya..
1.2
Umur turbin gas dan HRSG lebih pendek dibandingkan PLTU. POMPA
Pompa adalah mesin atau peralatan mekanis yang digunakan untuk menaikkan cairan dari dataran rendah ke dataran tinggi atau untuk mengalirkan cairan dari daerah bertekanan rendah ke daerah yang bertekanan tinggi dan juga sebagai penguat laju aliran pada suatu sistem jaringan perpipaan. Hal ini dicapai dengan membuat suatu tekanan yang rendah pada sisi masuk atau suction dan tekanan yang tinggi pada sisi keluar atau discharge dari pompa. (Althatiwant, 2009). 3.2.1
Prinsip Kerja Pompa
Sebuah pompa bekerja dengan cara memindahkan sejumlah volume air melalui raung suction menuju ke ruang outlet dengan menggunakan impeller, sehingga seluruh ruang udara terisi oleh air dan menimbulkan tekanan fluida untuk ditarik melalui dasar sumur menuju penampungan, Air yang terdapat dalam ruang impeler akan digerakkan menggunakan sebuah motor. Selama impeler tersebut berputar, air akan terus didorong keluar menuju ke pipa penyaluran atau outlet air. (Idpipe, 2014). 3.2.2
Jenis – Jenis Pompa
http://digilib.mercubuana.ac.id/
21
Adapun fluida cair yang dialirkan dalam pipa dengan menggunakan alat bantu berupa pompa seperti yang telah dijabarkan diatas yaitu minyak mentah. Pada bagian ini akan dijelaskan tentang jenis – jenis pompa, karena pompa hadir dengan berbagai jenis serta fungsinya masing – masing. Pompa juga digolongkan sesuai dengan prinsip operasi dasarnya seperti pompa perpindahan positif dan pompa dinamik. Pada prinsipnya, cairan apapun dapat ditangani oleh berbagai macam pompa, biasanya pompa jenis sentrifugal yang lebih ekonomis penggunaannya diikuti oleh pompa rotary dan reciprocating. (Proses Industri, 2014) Pump
Positive Displacement A. Reciprocating 1. Piston or Plunger 2. Diaphragm B. Rotary 1. Single Motor a. Sliding Vane b. Flexible Tube or Sling c. Screw d. Peristaltic (wave construction) C. Multiple Rotor a. Gears b. Lobe c. Screw d. Centrifugal Pump
Dynamic A. Rotary 1. Centrifugal or Radial Exit Flow 2. Axial Flow 3. Mixed – flow ( radial – axial ) B. Special Design 1. Jet Pump or Ejector 2. Electromagnetic pump for liquid metals 3. Fluid – actuated gas – lift or hydraulics ram
Gambar 3.5 Diagram Jenis Pompa (Sumber: Proses Indsutri, 2014) 3.3
POMPA SENTRIFUGAL
Pompa sentrifugal merupakan salah satu jenis pompa kerja dinamis yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetik (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pompa sentrifugal
http://digilib.mercubuana.ac.id/
22
merupakan pompa kerja dinamis yang paling banyakk digunakan karena mempunyai bentuk yang sederhana dan harga relatif murah. Keuntungan pompa sentrifugal dibbandingkan jenis pompa perpindahan positif adalah gerakan impeller yang kontinyu menyebabkan aliran tunak dan tidak berpulsa, keandalan operasi tinggi disebabkan gerakan elemen yang sederhana dan tidak adanya katup –katup, kemampuan untuk beroperasi pada putaran tinggi, yang dapat dikopel dengan motor listrik, motor bakar atau turbin uap ukuran kecil sehingga hanya membutuhkan ruang yang kecil, lebih ringan dan biaya instalasi ringan serta biaya perawatan murah. (Alkonusa, 2016). 3.3.1
Prinsip – Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal
Prinsip – prinsip dasar pompa sentrifugal ialah sebagai berikut : a. Gaya sentrifugal bekerja pada impeller untuk mendorong fluida ke sisi luar sehingga kecepatan fluida meningkat. b. Kecepatan fluida yang tinggi diubah oleh casing pompa ( volute dan diffuser ) menjadi tekanan atau head. (Rahardian, 2011). 3.3.2
Bagian - Bagian Pompa Sentrifugal
Secara umum pompa sentrifugal tersusun atas beberapa bagian penting (Onny, 2016) yaitu: 1. Casing Komponen utama pertama dari pompa sentrifugal adalah casing pompa. Casing pompa sentrifugal didesain berbentuk sebuah diffuser yang mengelilingi impeler pompa. Diffuser ini lebih sering dikenal sebagai volute casing. Sesuai dengan fungsi diffuser, volute casing berfungsi untuk menurunkan kecepatan aliran (flow) fluida yang masuk ke dalam pompa. Menuju sisi outlet pompa, volute casing didesain membentuk corong yang berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik menjadi tekanan dengan jalan menurunkan kecepatan dan menaikkan tekanan, hali ini juga membantu menyeimbangkan tekanan hidrolik pada shaft pompa.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
23
2. Impeller Impeller adalah bagian yang berputar dari pompa sentrifugal, yang berfungsi untuk mentransfer energi dari putaran motor menuju fluida yang dipompa dengan jalan mengakselerasinya dari tengah impeller ke luar sisi impeller. Desain impeller bergantung atas kebutuhan tekanan, kecepatan aliran, serta kesesuaian dengan sistemnya. Impeller menjadi komponen yang paling utama berpengaruh terhadap performa pompa. Modifikasi desain impeller akan langsung berpengaruh terhadap bentuk kurva karakteristik pompa tersebut. Ada berbagai macam desain impeller pompa sentrifugal, antara lain tipe tertutup dan terbuka, tipe single flow, tipe mix flow, tipe radial, tipe nonclogging, tipe single stage, dan tipe multi stage. 3. Shaft/Poros Poros pompa adalah bagian yang mentransmisikan putaran dari sumber gerak, seperti motor listrik, ke pompa. Yang perlu kita perhatikan adalah, pada sebuah pompa sentrifugal yang bekerja di titik efisiensi terbaiknya, maka gaya bending porosnya akan secara sempurna terdistribusikan ke seluruh bagian impeller pompa. 4. Bearing/Bantalan Bearing pada pompa berfungsi untuk menahan (constrain) posisi rotor relatif terhadap stator sesuai dengan jenis bearing yang digunakan. Bearing yang digunakan pada pompa yaitu berupa journal bearing yang berfungsi untuk menahan gaya berat dan gaya-gaya yang searah dengan gaya berat tersebut, serta thrust bearing yang berfungsi untuk menahan gaya aksial yang timbul pada poros pompa relatif terhadap stator pompa. 5. Kopling Pada dasarnya kopling berfungsi untuk menghubungkan dua shaft, dimana yang satu adalah poros penggerak dan yang lainnya adalah poros yang digerakkan. Kopling yang digunakan pada pompa, bergantung dari desain sistem dan pompa itu sendiri. Macam-macam kopling yang digunakan pada pompa dapat berupa kopling rigid, kopling fleksibel, grid coupling, gear coupling, elastrometic coupling, dan disc coupling
http://digilib.mercubuana.ac.id/
24
6. Sistem Packing Sistem packing pada pompa adalah untuk mengontrol kebocoran fluida yang mungkin terjadi pada sisi perbatasan antara bagian pompa yang berputar (poros) dengan stator. Sistem sealing yang banyak digunakan pada pompa sentrifugal adalah mechanical seal dan gland packing. 7. Sistem Lubrikasi Sistem lubrikasi pada pompa berfungsi untuk mengurangi koefisien gesek antara dua permukaan yang bertemu sehingga mengurangi resiko keausan. Lubrikasi pada pompa terutama digunakan pada bearing. Sistemnya dapat berupa lub oil atau juga tipe greas tergantung dari desain pompa itu sendiri.
Gambar 3.6 Bagian - bagian Pompa Sentrifugal. (Sumber: Christopher Okafor, 2015)
http://digilib.mercubuana.ac.id/
