BAB II PEMBANGKITAN ENERGI LISTRIK

BAB II PEMBANGKITAN ENERGI LISTRIK

2.1 Umum Pembangkitan tenaga listrik sebagian besar dilakukan dengan cara memutar generator sinkron sehingga didapat tenaga listrik dengan tegangan bolak-balik tiga fasa. Energi mekanik yang diperlukan untuk memutar generator sinkron didapat dari mesin penggerak generator atau biasa disebut penggerak mula ( prime mover ). Mesin penggerak generator yang banyak digunakan dalam praktik, yaitu : mesin diesel, turbin uap, turbin air, dan turbin gas. Mesin-mesin penggerak generator ini mendapat energi dari proses pembakaran bahan bakar ( mesin-mesin termal ) atau pun air terjun ( turbin air ). Jadi, sesungguhnya mesin penggerak generator melakukan konversi energi primer menjadi energi mekanik penggerak generator. Proses konversi energi primer menjadi energi mekanik menimbulkan “produk” sampingan berupa limbah dan kebisingan yang perlu dikendalikan agar tidak menimbulkan masalah lingkungan. Dari segi ekonomi teknik, komponen biaya penyediaan tenaga listrik yang terbesar adalah biaya pembangkitan, khususnya biaya bahan bakar. Oleh sebab itu, berbagai teknik untuk menekan biaya bahan bakar terus berkembang, baik dari segi unit pembangkit secara individu maupun dari segi operasi sistem tenaga listrik secara terpadu. Pusat Listrik adalah tempat di mana proses pembangkitan tenaga listrik dilakukan. Mengingat proses pembangkitan tenaga listrik merupakan proses konversi energi primer ( bahan bakar atau potensi tenaga air ) menjadi energi mekanik penggerak generator, yang selanjutnya energi mekanik ini diubah

5 Universitas Sumatera Utara

menjadi energi listrik oleh generator, maka dalam pusat listrik umumnya terdapat: a. Instalasi Energi Primer, yaitu instalasi bahan bakar atau instalasi tenaga air. b. Instalasi Mesin Penggerak Generator, yaitu instalasi yang berfungsi sebagai pengubah energi primer menjadi energi mekanik penggerak generator. Mesin penggerak generator ini dapat berupa ketel uap beserta turbin uap, mesin diesel, turbin gas, atau turbin air. c. Instalasi Pendingin, yaitu instalasi yang berfungsi mendinginkan instalasi mesin penggerak yang menggunakan bahan bakar. d. Instalasi Listrik, yaitu instalasi yang secara garis besar terdiri dari: 

Instalasi Tegangan Tinggi, yaitu instalasi yang menyalurkan energi listrik yang dibangkitkan generator.



Instalasi Tegangan Rendah, yaitu instalasi alat-alat bantu dan instalasi penerangan.



Instalasi Arus Searah, yaitu instalasi yang terdiri dari baterai aki beserta pengisinya dan jaringan arus searah yang terutama digunakan untuk proteksi, kontrol, dan telekomunikasi.

2.2 Masalah Utama dalam Pembangkitan Tenaga Listrik Sebagaimana telah diuraikan diatas, proses pembangkitan tenaga listrik pada prinsipnya merupakan konversi energi primer menjadi energi mekanik penggerak generator yang selanjutnya energi mekanik ini dikonversi oleh generator menjadi tenaga listrik. Proses yang demikian ini menimbulkan masalah-masalah sebagai berikut: a. Penyediaan Energi Primer Energi primer untuk pusat listrik termal adalah bahan bakar. Penyediaan bahan bakar meliputi: pengadaan, transportasi, dan penyimpanannya, terutama yang memerlukan perhatian terhadap resiko kebakaran.


b. Penyediaan Air Pendingin Masalah penyediaan air pendingin timbul pada pusat listrik termal seperti PLTU dan PLTD. PLTG tidak memerlukan air pendingin yang banyak. c. Masalah Limbah PLTU batu bara menghasilkan limbah berupa abu batu bara dan asap yang mengandung gas SO2, CO2, dan NOx. Semua PLTU mempunyai limbah bahan kimia dari ketel uap. d. Masalah Kebisingan Pusat listrik termal menimbulkan suara keras yang merupakan kebisingan bagi masyarakat yang tinggal di dekatnya. Tingkat kebisingan harus dijaga agar tidak melampaui standar yang berlaku. e. Operasi Operasi pusat listrik sebagian besar 24 jam sehari. Selain itu biaya penyediaan tenaga listrik sebagian besar untuk operasi pusat listrik, khususnya untuk membeli bahan bakar. Oleh karena itu, perlu dilakukan operasi pusat listrik yang seefisien mungkin. Jika pusat listrik beroperasi dalam sistem interkoneksi ( yaitu pusat listrik yang beroperasi paralel dengan pusat-pusat listrik lain melalui saluran transmisi ), maka pusat listrik ini harus mengikuti pola operasi sistem interkoneksi. f. Pemeliharaan Pemeliharaan peralatan diperlukan untuk : 

Mempertahankan efisiensi



Mempertahankan keandalan



Mempertahankan umur ekonomis

Bagian-bagian peralatan yang memerlukan pemeliharaan terutama adalah : 

Bagian-bagian yang bergeser, seperti: bantalan, cincin pengisap ( piston ring ), dan engsel-engsel.



Bagian-bagian yang mempertemukan zat-zat dengan suhu yang berbeda, seperti: penukar panas ( heat exchanger ) dan ketel uap.



Kontak-kontak listrik dalam sakelar serta klem-klem penyambung listrik.


g. Gangguan dan Kerusakan Gangguan adalah peristiwa yang menyebabkan Pemutus Tenaga ( PMT ) membuka ( trip ) di luar kehendak operator sehingga terjadi pemutusan pasokan tenaga listrik. Gangguan sesungguhnya adalah peristiwa hubung singkat yang penyebabnya kebanyakan petir dan tanaman. Gangguan dapat juga disebabkan karena kerusakan alat, sebaliknya gangguan ( misalnya yang disebabkan petir ) yang terjadi berkali-kali akhirnya dapat mengakibatkan alat ( misalnya transformator ) menjadi rusak. h. Pengembangan Pembangkitan Pada umumnya, pusat listrik yang berdiri sendiri maupun yang ada dalam sistem interkoneksi memerlukan pengembangan. Hal ini disebabkan karena beban yang dihadapi terus bertambah, sedangkan di lain pihak unit pembangkit yang ada menjadi semakin tua dan perlu dikeluarkan dari operasi. Jika gedung pusat listrik yang ada masih memungkinkan untuk penambahan unit pembangkit, maka pengembangan pembangkitan dapat dilakukan dengan menambah unit pembagkit dalam gedung pusat listrik yang telah ada tersebut. Tetapi jika tidak ada lagi kemungkinan memperluas gedung pusat listrik yang ada, maka harus dibangun pusat listrik yang baru. Pengembangan pembangkitan

khususnya

dalam

sistem

interkoneksi,

selain

harus

memperhatikan masalah gangguan dan kerusakan, juga harus memperhatikan masalah saluran transmisi dalam sistem. i. Perkembagan Teknologi Pembangkitan Perkembangan teknologi pembangkitan umumnya mengarah pada perbaikan efisiensi dan penemuan teknik konversi energi yang baru dan penemuan bahan bakar baru. Perkembangan ini meliputi segi perangkat lunak ( software ) seperti pengembangan model-model matematika untuk optimasi.

2.3 Mutu Tenaga Listrik Dengan makin pentingnya peranan tenaga listrik dalam kehidupan sehari-hari, khususnya bagi keperluan industri, maka mutu tenaga listrik juga menjadi tuntutan yang makin besar dari pihak pemakai tenaga listrik.


Mutu tenaga listrik ini meliputi : a. Kontinuitas penyediaan; apakah tersedia 24 jam sehari sepanjang tahun. b. Nilai tegangan; apakah selalu ada dalam batas-batas yang diijinkan. c. Nilai frekuensi; apakah selalu ada dalam batas-batas yang diijinkan. d. Kedip tegangan; apakah besarnya dan lamanya masih dapat diterima oleh pemakai tenaga listrik e. Kandungan harmonisa; apakah jumlahnya masih dalam batas-batas yang dapat diterima oleh pemakai tenaga listrik.

2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Uap 2.4.1

Proses Konversi Energi Dalam PLTU, energi primer yang dikonversikan menjadi energi listrik adalah bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan dapat berupa batubara ( padat ), minyak ( cair ), atau gas. Ada kalanya PLTU menggunakan kombinasi beberapa macam bahan bakar. Konversi energi tingkat pertama yang berlangsung dalam PLTU adalah konversi energi primer menjadi energi panas ( kalor ). Hal ini dilakukan dalam ruang bakar dari ketel uap PLTU. Energi panas ini kemudian dipindahkan ke dalam air yang ada dalam pipa ketel untuk menghasilkan uap yang dikumpulkan dalam drum dari ketel. Uap dari drum ketel dialirkan ke turbin uap. Dalam turbin uap, energi ( enthalpy ) uap dikonversikan menjadi energi mekanis penggerak generator, dan akhirnya energi mekanik dari turbin uap ini dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator.

2.4.2

Siklus Energi Mesin Tenaga Energi sebagai suatu arus panas dapat berasal dari pembakaran bahan bakar fosil, radiasi surya, atau reaksi nuklir. Pemanasan atau pendinginan ruangan dan berbagai proses industri mempergunakan energi dalam jumlah yang besar. Energi berupa panas dapat dikonversikan menjadi energi mekanikal yang menggerakkan sebuah piston atau memutar sebuah generator, sehingga menjadi “kerja”. Pusat-pusat tenaga listrik mengubah energi panas menjadi energi mekanikal dan energi listrik melalui suatu siklus konversi


energi. Kerja atau energi yang bermanfaat, yang diperoleh dari suatu arus energi akan tergantung dari jumlah panas, pola suhu dan lingkungan atau suhu penerima panas yang tersedia. Suatu siklus panas menerima sejumlah energi panas pada suatu suhu tertentu, dan mengubah sebagian energi panas itu menjadi kerja atau energi bermanfaat, dan “membuang” atau meneruskan yang selebihnya kepada lingkungan atau penerima panas itu sebagai “energi kerugian” pada suhu yang lebih rendah. Gambar 2.1a memperlihatkan suatu siklus panas yang umum pada koordinat-koordinat suhu dan entropi. Luas 1-2-b-a merupakan jumlah energi panas pada suhu T1 yang diterima oleh medium kerja pada suhu T2. Luas 12-3-4 merupakan energi yang “bermanfaat”. Siklus ini dikenal sebagai siklus Carnot. Siklus Carnot ini merupakan suatu siklus “ideal”. Namun dalam kenyataannya siklus sistem turbin uap menyimpang dari siklus ideal antara lain karena ada berapa faktor, yaitu: 1. Kerugian dalam pipa fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfer sekitarnya. Dengan demikian tekanan dan temperatur uap masuk turbin menjadi lebih rendah daripada keadaan yang ideal. 2. Di dalam ketel uap juga terdapat kerugian tekanan. Dengan demikian air masuk ke dalam ketel uap harus bertekanan lebih tinggi daripada tekanan uap yang harus dihasikan. 3. Kerugian energi di dalam turbin karena adanya gesekan antara fluida kerja dan bagian dari turbin. 4. Kerugian di kondensor relatif kecil, sehingga mengakibatkan perpindahan kalor lebih banyak daripada keadaan ideal.

Efisiensi termal mesin menurut siklus Carnot ini adalah sebesar:

η

-

dimana: T1 = Suhu sumber energi ( K ), dan T2 = Suhu penerima energi ( K ). 10 Universitas Sumatera Utara

(a)

(b)

Gambar 2.1. Siklus Panas Carnot. ( a ) Siklus Panas Ideal Carnot ( b ) Siklus Panas Realistik Carnot

Siklus energi sebagaimana terjadi dalam keadaan yang nyata seharihari dilukiskan oleh Gambar 2.1b. Suhu T1 bukanlah merupakan besaran yang konstan sebagaimana dilukiskan oleh Gambar 2.1, melainkan merupakan lengkung 1-2 yang tidak rata. Sedangkan suhu T2 naik dari 3-4 menjadi 3’-4’, dan jumlah “energi terbuang” adalah sesuai dengan luas 3’-4’-a-b, yang lebih besar dari luas 3-4-a-b.

Dalam suatu siklus energi, perlu berbagai faktor dipertimbangkan, misalnya jenis sumber energi yang dipakai untuk proses pembakaran, reaksi nuklir, atau radiasi surya. Penting juga diperhatikan bahan siklus yang dimanfaatkan, yaitu uap atau gas. Juga mesin yang dimanfaatkan untuk proses ini, misalnya boiler uap, atau motor diesel. Serta juga medium, atau penerima panas dengan suhu yang terendah.

2.4.3

Siklus Tenaga Uap Siklus Rankine atau siklus tenaga uap merupakan siklus teoritis paling sederhana yang mempergunakan uap sebagai medium kerja sebagaimana dipergunakan pada sebuah pusat listrik tenaga uap. Gambar 2.2a 11 Universitas Sumatera Utara

memperlihatkan skema dari Pusat Listrik Tenaga Uap ( PLTU ) yang terdiri atas komponen-komponen terpenting yaitu : boiler, turbin uap, dan kondensor. Jumlah energi masuk sebagai bahan bakar melalui boiler adalah Em, sedangkan energi efektif yang tersedia pada poros turbin adalah energi kerja Ek. Energi yang terbuang melalui kondensor adalah sebesar Eb. Dengan menganggap semua kerugian lainya adalah Eb, maka dapat dikatakan bahwa berlaku : Em = Ek + Eb Sedangkan untuk efisiensi kerja dapat ditulis :

-

Dalam Gambar 2.2b, yang merupakan suatu diagram suhu entropi bagi konstelasi menurut Gambar 2.2a, luas 1-2-3-4 merupakan energai keluaran Ek, sedangkan luas a-b-3-4 merupakan energi terbuang Eb. Luas wilayah a-b-2-1 mewakili jumlah energi masukan Em. Meningkatkan daya guna siklus ini dapat dilakukan dengan menurunkan tekanan kondensor. Secara ideal tekanan kondenser yang terendah dapat dicapai adalah tekanan jenuh sesuai dengan suhu terendah dari air pendingin atau udara yang dipakai sebagai penerima. Dalam diagram suhu-entropi hal ini berarti menutunkan garis suhu 4-3. Hal ini dapat dilakukan dengan mempergunakan air pendingin pada kondensor yang mempunyai suhu yang lebih rendah. Akan tetapi hal ini sangat terbatas, karena air pendingin yang dapat dipakai hanyalah apa yang tersedia, yaitu air laut, air sungai, atau air danau yang ada.


Gambar 2.2. Siklus Tenaga Uap: (a) Skema Pusat Listrik Tenaga Uap; (b) Siklus Rankine. 2.4.4

Siklus Pemanasan Ulang Peningkatan efisiensi dapat pula dicapai dengan mempergunakan proses pemanasan ulang. Proses pemanasan ulang ini terlihat pada gambar 2.3.a. Turbin uap tebagi dua bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT) dan bagian Tekanan Rendah (TR). Uap yang telah dipakai pada taraf pertama meninggalkan bagian TT pada titik 3 dan dialirkan kembali ke boiler untuk pemanasan ulang, kemudian dimasukkan kembali ke turbin pada titik 4 dan dipakai oleh bagian TR turbin uap tersebut. Luas 1-2-3-4-5-6 dari gambar 2.3b yang “mewakili” jumlah energi yang dimanfaatkan, dengan demikian menjadi lebih besar, dan daya guna atau efisiensi termal dari pusat tenaga listrik menjadi lebih besar pula. Untuk mesin-mesin yang lebih besar, pemanasan ulang dapat dilakukan hingga dua kali, dan turbin uap terbagi atas tiga bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT), Tekanan Menengah (TM), dan Tekanan Rendah (TR). Keuntungan dari pemanasan kembali adalah untuk menghindari terjadinya korosi dan pengikisan, peningkatan kualiltas uap, peningkatan efisiensi sudu dan nosel, efisiensi panas, dan daya keluaran. Tetapi biaya yang diperlukan untuk pemanasan kembali lebih besar dibandingkan dengan keuntungan yang didapat dari peningkatan efisiensi panas, disamping itu pemeliharaan menjadi lebih banyak. 13 Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.3. PLTU dengan Proses Pemanasan Ulang

2.4.5 Siklus Regeneratif Dalam apa yang dinamakan siklus regeneratif sebagian dari energi yang berada di dalam rangkaian panas dipertahankan beredar dalam rangkaian itu. Hal demikian dilakukan dengan misalnya memanaskan air yang keluar dari kondensor dengan uap yang “dipinjam” dari turbin, sebelum dimasukkan ke boiler sebagaimana terlihat dalam gambar 2.4a. Lengkung suhu entropi menjadi sebagaimana tampak pada Gambar 2.4b.


Gambar 2.4. PLTU dengan Siklus Regeneratif

2.5 Komponen-Komponen Utama PLTU Struktur dan komponen-komponen utama sebuah pusat listrik tenaga uap ( PLTU ) terlihat pada Gambar 2.6. Sebuah boiler bekerja sebagai tungku, memindahkan panas berasal dari bahan bakar kepada barisan pipa air yang mengelilingi api. Air harus berada senantiasa dalam keadaan mengalir walaupun dilakukan dengan pompa. Sebuah drum berisi air dan uap bertekanan dan suhu tinggi menghasilkan uap yang diperlukan turbin. Drum itu juga menerima air pengisi yang diterima dari kondensor. Uap mengalir ke turbin tekanan tinggi setelah melewati superheater guna meningkatkan suhu kira-kira 200OC. Dengan demikian uap juga menjadi kering dan efisiensi seluruh PLTU meningkat. Turbin tekanan tinggi merubah energi termal menjadi energi mekanikal dengan mengembangnya uap yang melewati sudu-sudu turbin. Uap dengan demikian menurun baik tekanan maupun suhunya. Agar meningkatkan efisiensi termal dan menghindari terjadinya kondensasi terlampau dini, uap dilewatkan sebuah pemanas ulang yang juga terdiri atas barisan-baarisan pipa yang dipanaskan.


Uap yang meninggalkan pemanas ulang dialirkan ke turbin tekanan menengah. Turbin ini ukurannya lebih besar dari turbin tekanan tinggi, karena dengan menurunnya tekanan uap volume menjadi naik. Uap kemudian dialirkan ke turbin tekanan rendah, yang memiliki ukuran yang lebih besar. Uap lalu dialirkan ke dalam kondensor. Uap terpakai yang memasuki kondensor didinginkan oleh air pendingin, sehingga terjadi kondensasi. Air pendingin biasanya berasal dari laut, sungai atau danau terdekat. Proses kondensai uap menyebabkan terjadinya pakem yang diperlukan guna meningkatkan efisiensi turbin. Air hangat yang meninggalkan kondensor dipompakan ke sebuah pemanas awal sebelum dikembalikan ke drum boiler. Pemanas awal memperoleh panas dari uap yang diambil dari turbin tekanan tinggi. Menurut beberapa

studi yang dilakukan, hal demikian

meningkatkan efisiensi keseluruhan PLTU.

Bahan bakar yang dipakai biasanya terdiri atas batu bara, minyak bakar, atau gas bumi. Sebelum dimasukkan ke pembakar boiler, batu bara digiling terlebih dahulu. Demikian juga minyak bakar perlu dipanaskan, sebelum dapat dialirkan ke pembakar boiler. Sebuah kipas mengatur masuknya udara ke dalam boiler dalam jumlah besar sebagaimana diperlukan guna pembakaran. Dan sebuah kipas lain mengatur agar semua gas buang melewati berbagai alat pembersih sebelum dialirkan ke cerobong dan dilepas ke udara bebas. Generator listrik terpasang pada poros sama dengan ketiga turbin. Selain komponen-komponen utama yang disebutkan diatas, sebuah PLTU masih memiliki ratusan lagi komponen dan alat lain guna menjalankan seluruh sistem, seperti katup uap, pembersih air, pompa minyak pelumas, dan lain sebagainya. Kemudian perlu juga disebut sistem air pendingin, yang terdiri atas tempat air masuk dan kembali ke laut, sungai atau danau. Kemungkinan adanya menara pendingin. Kemudian instalasi untuk membuat air bersih bagi boiler. Dan bilamana pendinginan generator dilakukan dengan hidrogen, terdapat pula sebuah instalasi hidrogen. Sebuah PLTU batu bara juga perlu memiliki sebuah fasilitas untuk penerimaan batu bara dari kereta api atau dari laut/sungai serta


sebuah halaman batu bara dengan fasilitas penggilingan. Banyak PLTU batu bara juga dilengkapi dengan fasilitas untuk memanfaatkan abu terbangnya guna dibuat batu bata untuk bangunan atau jalanan. Dan tidak kalah penting perlu adanya fasilitas untuk mengurangi pencemaran. Agar partikel-partikel tidak dibuang ke udara melalui cerobong, digunakan presipitator elektrostatik ( electrostatic presipitator ). Dan untuk mengurangi emisi belerang digunakan peralatan desulfuralisasi gas buang ( fluegas desulfurization, FGD). Sulfur sering terdapat pada batu bara. Untuk mengurangi masalah ini dikembangkan apa yang dinamakan teknologi batu bara bersih ( clean coal technology ).


Keterangan : 1.

Boiler

2.

Drum

3.

Turbin Tekanan Tinggi

4.

Turbin Tekanan Menengah

5.

Turbin Tekanan Rendah

6.

Kondensor

7.

Pemanas Awal

8.

Pembakaran Bahan Bakar

9.

Kipas Udara Masuk

10. Kipas Gas Buang 11. Generator P

Pompa

Q1 Pipa-pia Boiler

Q2

Superhiter

Q3

Pemanas Ulang

Gambar 2.6. Komponen-komponen Utama PLTU 18 Universitas Sumatera Utara

2.5.1

Boiler / Ketel Uap Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau uap ( 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. Syarat-syarat ketel uap yang ideal, yaitu : 

Memiliki konstruksi yang sederhana, mempunyai kinerja yang bagus, dan terbuat dari bahan yang memerlukan biaya pemeliharaan yang rendah.



Memiliki konstruksi yang mudah untuk keperluan ekspansi.



Memiliki sistem sirkulasi air dan uap air yang bagus.



Memiliki efisiensi yang tinggi dalam hal combustion dan heat transfer.



Memiliki respon cepat terhadap beban seketika dan beban lebih.



Memiliki kemudahan untuk pembersihan dan perbaikan.



Memiliki tingkat keselamatan yang tinggi. Pada umumnya ketel uap diperlukan pada semua industri / perusahaan

yang memerlukan pemanasan di dalam produksinya atau menggunakan tenaga uap untuk menjalankan mesin-mesinya. Ketel uap dipakai juga di rumah-rumah sakit untuk memasak, memanasi suatu bejana, tempat pencucian dan digunakan untuk penggerak mesin-mesin yang harus berputar cepat ( turbin uap ) dan suatu mesin yang memerlukan suatu tenaga dorong yang sangat kuat ( mesin uap ), kapal-kapal laut hingga masa kini masih banyak menggunakan tenaga uap sebagai penggeraknya. Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio penguapan, berkurang terhadap waktu disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukaan penukar panas dan buruknya operasi dan pemeliharaan. Bahkan untuk boiler yang baru sekalipun, alasan seperti buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat membantu dalam mengidentifikasi kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam 19 Universitas Sumatera Utara

menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan. Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masing-masing.

Gambar 2.7. Diagram Neraca Energi Boiler

2.5.1.1 Perpindahan Panas Pada Ketel Uap Panas yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar dan udara, yang berupa api (yang menyala) dan gas asap (yang tidak menyala) dipindahkan kepada air, uap ataupun udara, melalui bidang yang dipanaskan atau heating surface, pada suatu instalasi ketel uap, dengan tiga cara: a. Dengan cara pancaran atau radiasi, b. Dengan cara aliran atau konveksi, c- Dengan cara perambatan atau konduksi. a. Perpindahan panas secara pancaran atau radiasi.


Pemindahan panas secara pancaran atau radiasi adalah perpindahan panas antara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui gelombang-

gelombang elektro-magnetis tanpa tergantung kepada ada

atau tidaknya media atau zat diantara benda yang menerima pancaran panas tersebut. Pemindahan panas secara pancaran dapat dibayangkan berlangsung melalui media berupa Aether yaitu suatu jenis materi bayangan tanpa bobot, yang mengisi seluruh sela-sela ruangan di antara molekul-molekul dari suatu zat tertentu, ataupun di dalam ruang hampa sekalipun. Molekulmolekul api yang merupakan hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan menyebabkan terjadinya gangguan keseimbangan elektro-magnetis terhadap Aether tersebut. Sebagian dari panas atau energi yang timbul dari hasil pembakaran tersebut, diserahkan kepada aether, dan yang akan menyerahkannya lebih lanjut melalui gelombang-gelombang elektro-magnetik kepada benda atau bidang yang akan dipanasi ( dinding ketel, dinding tungku, lorong api, pipa-pipa ketel dan sebagainya ). Penyerahan panas dari api atau gas asap melalui aether kepada bidang yang akan dipanasi tersebut melalui gelombang-gelombang elektromagnetik yang lintasannya lurus seperti halnya lintasan sinar. Apabila lintasan penyerahan panas melalui gelombang-gelombang elektro-magnetis dari aether tersebut tertutup atau terhalang oleh benda lain, maka bidang yang akan dipanasi tadi tidak akan menerima panas secara pancaran, atau terhalang penyerahan panas secara pancarannya. Dengan demikian: bidang yang akan dipanasi hanya dapat menerima perpindahanpanas secara pancaran bila benda / bidang tersebut dapat melihat api tersebut. Dan bila sesuatu benda /

bidang terhalang

penglihatannya oleh api, maka bidang / benda tersebut tidak akan memperoleh panas secara pancaran.


b. Perpindahan panas secara aliran atau konveksi.

Perpindahan panas secara aliran atau konveksi adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida ( cair ataupun gas ). Molekul-molekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang-layang kesana kemari membawa sejumlah panas. Pada saat molekul fluida tersebut menyentuh dinding ketel makan panasnya dibagikan sebagian, dan selebihnya dibawa pergi. Bila gerakan dari molekul-molekul yang melayang-layang kesana kemari tersebut disebabkan karena perbedaan temperatur di dalam fluida itu sendiri, maka perpindahan panasnya disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah. Bila gerakan molekul-molekul tersebut sebagai akibat dari kekuatan mekanis ( karena dipompa atau karena dihembus dengan kipas ) maka perpindahan panasnya disebut konveksi paksa. Dalam gerakannya, molekul-molekul tersebut tidak perlu melalui lintasan yang lurus untuk mencapai dinding ketel atau bidang yang dipanasi.

c. Perpindahan panas secara perambatan atau konduksi.

Perpindahan panas secara perambatan atau konduksi adalah perambatan 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 fisik ( kontak fisik atau menempel ), tanpa terjadinya perpindahan molekul-molekul dari benda padat itu sendiri. Di dalam dinding ketel tersebut, panas akan dirambatkan oleh molekul-molekul dinding ketel sebelah luar yang berbatasan dengan api, menuju molekul-molekul dinidnig ketel sebelah dalam yang berbatasan dengan air, uap ataupun udara. Perambatan panas melalui benda padat menempuh jarak yang terpendek.


2.5.1.2 Klasifikasi Ketel Uap Ketel uap merupakan

suatu pesawat

konversi energi

yang

mengkonversikan energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas. Energi panas ini akan dimanfaatkan untuk proses pendidihan ( boiling ) air menjadi uap air. Uap air yang terbentuk masih bersifat jenuh sehingga perlu ada pemanasan lanjut untuk menghasilkan uap superpanas yang akan mempunyai sifat-sifat seperti gas sempurna. Uap superpanas tersebut digunakan untuk menggerakkan sudu-sudu turbin uap sebagai penggerak mula (prime mover). 

Berdasarkan pemakaiannya, ketel dapat diklasifikasikan menjadi: a. Ketel stasioner ( stasionary boiler ) atau ketel tetap. Yang termasuk dalam ketel ini adalah ketel-ketel yang didudukkan di atas fondasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain-lain. b. Ketel mobil ( mobile boiler ) ketel pindah Ketel ini merupakan jenis ketel yang dipasang pada pondasi yang berpindah-pindah (mobile), seperti boiler lokomotif, loko mobil dan ketel panjang serta yang lain termasuk ketel kapal ( marine boiler ).



Berdasarkan letak dapur ( furnace position ), diklasifikasikan menjadi: a. Ketel dengan sistem pembakaran di dalam ( internal fire steam boiler ), dalam hal ini dapur berada pada bagian dalam ketel. Kebanyakan digunakan dalam ketel pipa api. b. Ketel dengan system pembakaran di luar ( outernally fire steam boiler ), dalam hal ini dapur berada di luar ketel dan sering digunakan pada ketel pipa air.



Menurut jumlah lorong ( boiler tube ), dapat diklasifikasikan menjadi: a. Ketel dengan lorong tunggal ( single tube steam boiler ). Pada jenis ini hanya terdapat satu lubang saja, apakah itu merupakan lubang api maupun lubang air.


b. Ketel dengan lorong ganda ( multi tube steam boiler ) Contoh dari ketel ini adalah ketel scotch dan multi water tube boiler ( ketel B dan W ) 

Tergantung pada poros tutup drum (shell), ketel ini diklaisfikasikan: a. Ketel tegak ( vertical steam boiler ), seperti ketel Cochcram, ketel Clarkson dan sebagainya. b. Ketel mendatar ( horizontal steam boiler ), seperti ketel Cornish, Lancashire, scoth dan lain sebagainya.



Menurut bentuk dan letak pipa, diklasifikasikan menjadi: a. Ketel dengan pipa lurus, bengkok, dan lekuk-lekuk ( straight, bent, and sinous tubuler heating ) b. Ketel dengan pipa miring-datar dan miring-tegak ( horizontal, incliened or vertical tubeler heating surface )



Menurut sistem peredaran air ketel ( water circulation ), dibedakan menjadi: a. Ketel dengan peredaran alami ( natural circulation steam boiler ) Pada ketel ini, peredaran air dalam ketel terjadi secara alami, yaitu air yang ringan naik sedang air yang berat turun sehingga terjadi aliran konveksi alami. Ketel yang beroperasi secara aliran alami adalah ketel Lanchasire, Babcock dan Wilcox, dan lain-lain. b. Ketel dengan peredaran paksa ( force circulation steam boiler ). Pada ketel dengan aliran paksa, aliran paksa diperoleh dari sebuah pompa sentrifugal yang digerakkan dengan elektrik motor. Ketel aliran paksa dipakai pada ketel-ketel yang bertekanan tinggi seperti La-Mont Boiler, Benson Boiler, Luffer Boiler, dan Velcan Boiler.



Tergantung dari sumber panasnya ( heat surface ) untuk pembuatan uap, ketel jenis ini dapat diklasifikasikan menjadi: a. Ketel uap dengan bahan bakar alami b. Ketel uap dengan bahan bakar buatan c. Ketel uap dengan dapur listrik d. Ketel uap dengan energi nuklir




Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka ketel dapat diklasifikasikan sebagai berikut a. Fire Tube Boiler. Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipapipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman fire tube boilers mampu menghasilkan uap sebesar 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. b. Water Tube Boiler. 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. 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. c. Paket Boiler. Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. 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. d. Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed ( CFB ). Pembakaran dengan fluidized bed ( CFB ) 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, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas bahan bakar yang digunakan antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam. e. 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. f. 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. Sistim PFBC dapat digunakan untuk pembangkitan kogenerasi ( uap 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. g. Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers ( CFBC ). 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.


h. Stoker

Fired

Boilers.

Diklasifikasikan

menurut

metode

pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis grate nya.

2.5.2

Turbin Uap Turbin uap adalah pesawat dengan aliran tetap ( steady-flow ) machine. Turbin uap mendapat energi uap yang bertemperatur dan bertekanan tinggi yang berekspansi melalui sudu-sudu turbin, dimana uap melalui nosel diekspansikan ke sudu-sudu turbin dengan penuruna tekanan yang drastis sehingga terjadi perubahan energi kinetik pada uap. Energi kinetik uap yang keluar dari nosel diberikan pada sudu-sudu turbin. Akibatnya, poros turbin berputar dan menghasilkan tenaga. Turbin uap modern pertama kali dikembangkan oleh Sir Charles Parsons pada tahun 1884. Pada perkembangannya, turbin uap ini mampu menggantikan peranan dari kerja mesin uap piston torak. Hal ini disebabkan karena turbin uap memiliki kelebihan berupa efisiensi termal yang besar dan perbandingan berat dengan daya yang dihasilkan yang cukup tinggi. Pada prosesnya turbin uap menghasilkan gerakan rotasi, sehingga hal ini sangat cocok digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Pada saat ini, banyak pembangkit listrik di seluruh dunia telah menggunakan turbin uap.

2.5.2.1 Klasifikasi Turbin Uap Turbin uap dapat diklasifikasikan ke dalam kategori yang berbedabeda, tergantung dari konstruksi, panas jatuh yang dihasilkan, keadaan mulamula dan akhir dari uap, penggunaan dalam industri serta jumlah tingkat yang ada padanya. 

Sesuai dengan jumlah tingkat a. Turbin uap dengan satu tingkat tekanan dengan satu atau beberapa tingkat kecepatan, biasanya menghasilkan tenaga kecil. Banyak digunakan pada kompresor sentrifugal, blower dan lain-lain.


b. Turbin uap dengan bebrapa tingkat tekanan, turbin ini dibuat dengan beberapa macam variasi dari kapasitas besar sampai kapasitas kecil. 

Sesuai dengan aliran uap a. Turbin aksial yaitu suatu turbin dimana uap masuk ke sudu jalan dengan poros turbin. b. Turbin radial yaitu dimana suatu aliran uap masuk ke sudu jalan tegak lurus terhadap poros turbin. Biasanya beberapa turbin satu atau lebih dengan tingkat tekanan rendah dibuat secara aksial.



Sesuai dengan jumlah silinder a. Turbin dengan satu silinder. b. Turbin dengan dua silinder. c. Turbin dengan tiga silinder dan lain-lain.



Sesuai dengan pengaturan cara masuknya uap a. Turbin dengan pengatur katub (throttle), uap baru masuk ke sudu jalan di atur oleh satu atau beberapa katub. b. Turbin dengan pengatur pipa pemancar, dimana uap baru masuk melalui dua atau beberapa alat pengatur yang dipasang secara berderet-deret. c. Turbin dengan pengatru terusan, dimana setelah uap baru masuk ke sudu jalan di teruskan ke sudu yang lain, bahkan sampai beberpa tingkat berikutnya.



Sesuai dengan prinssip kerja dari uap a. Turbin aksi, dimana energy potensial uap direubah menjadui tenaga kinetis di dalam sudu tetap dan sudu jalan ernerggi kinetic di ubah menjadi energy mekanik. b. Turbin reaksi aksial, pengembangan uap dilakukan di dalam sudu tetap dan sudu jalan, keduanya diletakkan dan sama luasnya. c. Turbin reaksi radial tanpa beberapa sudu antar tetap. d. Turbin reaksi radial yang mempunyai sudu antar tetap.



Sesuai dengan proses panas jatuh 28 Universitas Sumatera Utara

a. Condensing turbin dengan generator, pada turbin ini tekanan uap yang kurang dari satu atrmosfer dimasukan ke dalam kondensor. Disamping itu uapa juga dikeluarakan dari tingkat perantara untuk pemanasan air penambah. Turbin dengan kapasitas yang kecil pada perencanaan mulanya sering tidak mempunyai regenerator panas. b. Condensing turbin dengan satu atau dua tingkat penurunan perantara pada tekanan spesifik untuk keperluan pemanasan dan industri. c. Turbin tekanan akhir atau back pressure turbin, dimana pengeluaran uap dipakai untuk tujuan industri dan pemanasan. d. Topping turbin, turbin ini seperti tipe pressure back turbine dengan perbedaaan bahwa pengeluaran uap dari turbin ini juga digunakan dalam medium dan turbin dengan tekanan rendah. e. Turbin tekanan rendah ( tekanan pengeluaran rendah ), dimana pengeluaran uap dari mesin uap torak, hammer uap, press uap dipakai untuk menggerakkan generator. f. Mix pressure turbine ( turbine dengan tekanan campuran ), dengan dua atau tiga tingkat tekanan, dengan mengganti uap yang keluar padanya dengan uap baru pada tingkat perantara. 

Sesuai dengan kondisi tekanan uap yang masuk pada turbin a. Turbin tekanan rendah. b. Turbin tekanan menengah. c. Turbin tekanan tinggi. d. Turbin tekanan sangat tinggi. e. Turbin dengan tekanan super.



Sesuai penggunaan dalam industri a. Turbin stasioner dengan kecepatan konstan, untuk penggerak altenator. b. Turbin stasioner dengan variasi kecepatan untuk menggerakkan turbo blewer, pompa dan lain-lain.


c. Turbin non-stasioner dengan variasi kecepatan, biasanya dipakai pada kalap, lokomotif dan lain-lain.



Sesuai dengan prinsip kerjanya a. Turbin Impulse ( Aksi ) Turbin impuls atau turbin tahapan impuls adalah turbin sederhana berrotor satu atau banyak (gabungan ) yang mempunyai sudu-sudu pada rotor itu. Sudu biasanya simetris dan mempunyai sudut masuk dan sudut keluar. 

Turbin satu tahap.



Turbin impuls gabungan.



Turbin impuls gabungan kecepatan.

Ciri-ciri dari turbin impuls antara lain: -

Proses pengembangan uap / penurunan tekanan seluruhnya terjadi pada sudu diam / nosel.

-

Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan tekanan rata.

b. Turbin Reaksi Turbin reaksi mempunyai tiga tahap, yaitu masing-masingnya terdiri dari baris sudu tetap dan dua baris sudu gerak. Sudu bergerrak turbin reaksi dapat dibedakan dengan mudah dari sudu impuls karena tidak simetris, karena berfungsi sebagai nossel bentuknya sama dengan sudu tetap walaupun arahnya lengkungnya berlawanan. Ciri-ciri turbin ini adalah : -

Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di nosel dan sudu gerak.

-

Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut tekanan bertingkat.


Gambar 2.8. Turbin Impuls ( Aksi ) vs Turbin Reaksi

2.5.3

Kondensor Kondensor merupakan peralatan untuk mengembunkan kembali uap yang telah dimanfaatkan untuk memutar turbin uap. Hal ini diperlukan untuk menghemat sumber air yng ada di sekitarnya serta menjamin kemurnian air yang digunakan dalam sistem turbin uap agar tidak terjadi pengendapan maupun kotoran-kotoran yang dapat merusak. Sebagai pendingin kondensor biasanya menggunakan air dingin seperti air sungai, laut atau air tanah yang sudah diproses melalui water treatment terlebih dahulu. Air yang dihasilkan dinamakan air suling atau kondensat. Kondensor terdiri dari tube-tube kecil yang melintang. Pada tube-tube inilah air pendingin dari laut dialirkan. Sedangkan uap mengalir dari atas menuju ke bawah agar mengalami kondensasi atau pengembunan. Sebelum masuk kedalam kondensor, air laut biasanya melewati debris filter yang berfungsi untuk menyaring kotoran-kotoran ataupun lumpur yang terbawa air laut. Cara kerja kondensor yaitu pompa menghisap air dari sumber air lalu dialirkan ke kondensor untuk mendinginkan uap bekas. Uap bekas yang berubah menjadi air kembali dialirkan ke boiler. Kemampuan kondensor


tergantung dari kemampuannya menyerap panas latent penguapan dari uap buang turbin. Kondensor tersebut menjadi berkurang akibat dari laju perpindahan panas antara air pendingin dengan uap buang turbin terhambat oleh kotoran atau kerak. Secara umum, terdapat 2 jenis kondensor yaitu : direct-contact condenser dan surface condenser. Seperti namanya, direct-contact condenser mengkondensasikan steam dengan mencampurnya langsung dengan air pendingin. Direct-contact atau open condenser digunakan pada beberapa kasus khusus, seperti : ketika digunakan menara pendingin, pada pembangkit listrik tenaga panas bumi, dan pada pembangkit liastrik yang menggunakan perbedaan temperatur air laut. Surface condenser merupakan jenis yang paling banyak digunakan di pembangkit listrik. Jenis ini merupakan heat exchanger tipe shell and tube, dimana mekanisme perpindahan panas utamanya adalah kondensasi saturated steam pada sisi luar tube dan pemanasan secara konveksi paksa dari circulating water di dalam tube.

2.5.4

Pompa Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Zat cair tersebut contohnya adalah air, oli atau minyak pelumas, serta fluida lainnya yang tak mampu mampat. Industri-industri banyak. menggunakan pompa sebagai salah satu peralatan bantu yang penting untuk proses produksi. Sebagai contoh pada pembangkit listrik tenaga uap, pompa digunakan untuk menyuplai air umpan ke boiler atau membantu sirkulasi air yang akan diuapkan di boiler Pompa juga merupakan alat mesin konversi energi, tetapi mesin ini banyak diaplikasikan sebagai alat bantu proses konversi. Sebagai contoh


pompa banyak dipakai sebagai alat sirkulasi air pada instalasi pembangkit tenaga uap. Pompa bekerja dengan penggerak dari luar. Jadi mesin ini adalah pengguna energi. Pompa Secara umum pompa dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu pompa kerja positif ( positive displacement pump ) dan pompa kerja dinamis ( non positive displacement pump ). Pada pompa kerja positif kenaikan tekanan cairan di dalam pompa disebabkan oleh pengecilan volume ruangan yang ditempati cairan tersebut. Adanya elemen yang bergerak dalam ruangan tersebut menyebabkan volume ruangan akan membesar atau mengecil sesuai dengan gerakan elemen tersebut. Secara umum pompa kerja positif diklasifikasikan menjadi Pompa Reciprocating dan Pompa Rotari. Pada pompa kerja dinamis energi penggerak dari luar diberikan kepada poros yang kemudian digunakan untuk menggerakkan baling-baling yang disebut impeler. Impeler memutar cairan yang masuk ke dalam pompa sehingga mengakibatkan energi tekanan dan energi kinetik cairan bertambah. Cairan akan terlempar ke luar akibat gaya sentrifugal yang ditimbulkan gerakan impeler. Yang termasuk jenis pompa ini adalah pompa sentrifugal.

2.6 Siklus Uap dan Air Gambar 2.9 menggambarkan siklus uap dan air yang berlangsung dalam PLTU, yang dayanya relatif besar, di atas 200 MW. Untuk PLTU ukuran ini, PLTU umumnya memiliki pemanas ulang dan pemanas awal serta mempunyai tiga turbin yaitu turbin tekanan tinggi, turbin tekanan menengah, dan turbin tekanan rendah. Siklus yang digambarkan oleh Gambar 2.9 telah disederhanakan, yaitu bagian yang menggambarkan sirkuit pengolahan air untuk suplisi dihilangkan untuk penyederhanaan. Suplisi air ini diperlukan karena adanya kebocoran uap pada sambungan-sambungan pipa uap dan adanya blow down air dari drum ketel. Air dipompakan ke dalam drum dan selanjutnya mengalir ke pipa-pipa air yang merupakan dinding yang mengelilingi ruang bakar ketel. Ke dalam ruang


bakar ketel disemprotkan bahan bakar dan udara pembakaran. Bahan bakar yang dicampur udara ini dinyalakan dalam ruang bakar sehingga terjadi pembakaran dalam ruang bakar. Pembakaran bahan bakar dalam ruang bakar mengubah energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar menjadi energi panas ( kalori ). Energi panas hasil pembakaran ini dipindahkan ke air yang ada dalam pipa air ketel melalui proses radiasi, konduksi dan konveksi. Untuk setiap macam bahan bakar, komposisi perpindahan panas berbeda. misalnya bahan bakar minyak paling banyak memindahkan kalori hasil pembakarannya melalui radiasi dibandingkan bahan bakar lainnya. Untuk melaksanakan pembakaran diperlukan oksigen yang diambil dari udara. Oleh karena itu, diperlukan pasokan udara yang cukup ke dalam ruang bakar. Untuk keperluan memasok udara ke ruang bakar, ada kipas ( ventilator ) tekan dan kipas isap yang dipasang masing-masing pada ujung masuk udara ke ruang bakar dan pada ujung keluar udara dari ruang bakar. Gas hasil pembakaran dalam ruang bakar setelah diberi "kesempatan" memindahkan energi panasnya ke air yang ada di dalam pipa air ketel, dialirkan melalui saluran pembuangan gas buang untuk selanjutnya dibuang ke udara melalui cerobong. Gas buang sisa pembakaran ini masih mengandung banyak energi panas karena tidak semua energi panasnya dapat dipindahkan ke air yang ada dalam pipa air ketel. Gas buang yang masih mempunyai suhu di atas 400oC ini dimanfaatkan untuk memanasi.

2.6.1

Pemanas Lanjut ( Super Heater ) Di dalam pemanas lanjut, mengalir uap dari drum ketel yang menuju ke turbin uap tekanan tinggi. Uap yang mengalir dalam pemanas lanjut ini mengalami kenaikan suhu sehingga uap air ini semakin kering, oleh karena adanya gas buang di sekeliling pemanas lanjut.

2.6.2

Pemanas Lanjut ( Reheater ) Uap yang telah digunakan untuk menggerakkan turbin tekanan tinggi, sebelum menuju turbin tekanan menengah, dialirkan kembali melalui pipa


yang dikelilingi oleh gas buang. Di sini uap akan mengalami kenaikan suhu yang serupa dengan pemanas lanjut.

2.6.3

Economizer Gas asap setelah meniggalkan superheater maupun reheater, temperaturnya masih cukup tinggi sekitar 500oC hingga 800oC, sehingga akan merupakan kerugian panas yang besar bila gas asap tersebut langsung dibuang lewat cerobong. Gas asap yang masih panas ini dapat dimanfaatkan untuk memanasi air terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam drum ketel, sehingga air telah dalam keadaan panas, sekitar 30oC sampai 50oC dibawah temperatur mendidihnya. Air yang telah dalam keadaan panas pada saat masuk ke dalam drum ketel membawa keuntungan karena di tempat air masuk ke dalam drum, dinding ketel tidak mengerut sehingga drum ketel dapat lebih awet. Dengan demikian, biaya perawatan atau biaya maintenance nya menjadi lebih murah. Lain halnya bila air dalarn keadaan dingin masuk ke dalam drum tersebut, dinding drum akan mengerut dan mudah pecah atau bocor, sehingga biaya perawatannya mahal. Keuntungan kedua ialah dengan memanfaatkan gas asap yang masih mempunyai temperatur yang tinggi tersebut untuk memanasi air sebelum masuk ke dalam drum ketel, berarti akan memperbesar efisiensi dari ketel uap, karena dapat memperkecil kerugian panas yang diderita oleh ketel. Keuntungan berikutnya ialah dengan air yang telah dalam keadaan panas masuk ke dalam drum ketel tersebut, untuk menguapkannya di dalarn tungku hanya sedikit saja dibutuhkan panas, sehingga dengan demikian untuk menguapkan air di dalam tungku hanya dibutuhkan sedikit bahan bakar, sehingga pemakaian bahan bakamya lebih hemat atau dengan kata lain, biaya operasinya menjadi lebih ekonomis. Keuntungan keempat ialah, bila air telah dalam keadaan panas memasuki drum ketel, maka untuk menguapkannya hanya dibutuhkan panas yang sedikit di dalam penguap, sehingga luas bidang yang dipanaskan atau


heating surface dari penguap atau evaporator menjadi lebih sedikit, akibatnya ukuran-ukuran tungku menjadi lebih kecil, oleh karena itu harga tungku menjadi lebih murah atau secara keseluruhannya harga ketel atau harga investasinya menjadi lebih murah, sekalipun harus dipasang alat untuk memanaskan air terlebih dahulu sebelum masuk drum ketel.

2.6.4

Pemanas Udara Udara yang akan dialirkan ke ruang pembakaran yang digunakan untuk membakar bahan bakar terlebih dahulu dialirkan melalui pemanas udara agar mendapat pemanasan oleh gas buang sehingga suhu udara pembakaran naik yang selanjutnya akan mempertinggi suhu nyala pembakaran.

Dengan menempatkan alat-alat tersebut di atas dalam saluran gas buang. maka energi panas yang masih terkandung dalam gas buang dapat dimanfaatkan semaksimal mungkin. Sebelum melalui pemanas udara, gas buang diharapkan masih nrempunyai suhu di atas suhu pengembunan asam sulfat H2SO4, yaitu sekitar 1800C. Hal ini perlu untuk menghindari terjadinya pengembunan asam sulfat di pemanas udara. Apabila hal ini terjadi, maka akan terjadi korosi pada pemanas udara dan pemanas udara tersebut akan menjadi rusak (keropos). Energi panas yang timbul dalam ruang pembakaran sebagai hasil pembakaran. Setelah dipindahkan ke dalam air yang ada dalam pipa air ketel, akan menaikkan suhu air dan menghasilkan uap. Uap ini dikumpulkan dalam drum ketel. Uap yang terkumpul dalam drum ketel mempunyai tekanan dan suhu yang tinggi di mana bisa mencapai sekitar 100 kg/cm2 dan 530"C. Energi uap yang tersimpan dalam drum ketel dapat digunakan untuk mendorong atau memanasi sesuatu ( uap ini mengandung enthalpy ). Drum ketel berisi air di bagian bawah dan uap yang mengandung enthalpy di bagian atas. Uap dari drum ketel dialirkan ke turbin uap, dan dalam turbin uap, energi ( enthalphy ) dari uap dikonversikan menjadi energi mekanis penggerak


generator. Turbin pada PLTU besar, di atas 150 MW, umumnya terdiri dari 3 kelompok, yaitu turbin tekanan tinggi, turbin tekanan menengah, dan turbin tekanan rendah. Uap dari drum ketel mula-mula dialirkan ke turbin tekanan tinggi dengan terlebih dahulu melalui pemanas lanjut agar uapnya menjadi kering. Setelah keluar dari turbin tekanan tinggi, uap dialirkan ke pemanas ulang untuk menerima energi panas dari gas buang sehingga suhunya naik. Dari pemanas ulang, uap dialirkan ke turbin tekanan menengah. Keluar dari turbin tekanan menengah, uap langsung dialirkan ke turbin tekanan rendah. Turbin tekanan rendah umumnya merupakan turbin dengan aliran uap ganda dengan arah aliran yang berlawanan untuk mengurangi gaya aksial turbin. Dari turbin tekanan rendah, uap dialirkan ke kondensor untuk diembunkan. Kondensor memerlukan air pendingin untuk mengembunkan uap yang keluar dari turbin tekanan rendah. Oleh karena itu, banyak PLTU dibangun di pantai, karena dapat menggunakan air laut sebagai air pendingin kondensor dalam jumlah yang besar. Di lain pihak, penggunaan air laut sebagai air pendingin menimbulkan masalah-masalah sebagai berikut : a. Material yang dialiri air laut harus material anti korosi ( tahan air laut ). b. Binatang laut ikut masuk dan berkembang biak dalam saluran air pendingin yang memerlukan pembersihan secara periodik. c. Selain binatang laut, kotoran air laut juga ikut masuk dan akan menyumbat pipa-pipa kondensor sehingga diperlukan pembersihan pipa kondensor secara periodik. d. Ada resiko air laut masuk ke dalam sirkuit uap. Hal ini berbahaya bagi sudu-sudu turbin uap. Oleh karena itu, harus dicegah.

Setelah air diembunkan dalam kondensor, air kemudian dipompa ke tangki pengolah air. Dalam tangki pengolah air, ada penambahan air untuk mengkompensasi kehilangan air yang terjadi karena kebocoran. Dalam tangki pengolah air, air diolah agar memenuhi mutu yang diinginkan untuk air ketel. Mutu air ketel antara lain menyangkut kandungan NaCl, Cl, O2, dan derajat


keasaman ( pH ). Dari tangki pengolah air, air dipompa kembali ke ketel, tetapi terlebih dahulu melalui economizer. Dalam economizer, air mengambil energi panas dari gas buang sehingga suhunya naik, kemudian baru mengalir ke ketel uap.

2.7 Masalah Operasi Untuk menstart PLTU dari keadaan dingin sampai operasi dengan beban penuh, dibutuhkan waktu antara 6-8 jam. Jika PLTU yang telah beroperasi dihentikan, tetapi uapnya dijaga agar tetap panas dalam drum ketel dengan cara tetap menyalakan api secukupnya untuk menjaga suhu dan tekanan uap ada di sekitar nilai operasi ( yaitu sekitar 5000C dan sekitar 100 kg/cm2 ) maka untuk mengoperasikannya kembali sampai beban penuh diperlukan waktu kira-kira 1 jam. Waktu yang lama untuk mengoperasikan PLTU tersebut di atas terutama diperlukan untuk menghasilkan uap dalam jumlah yang cukup untuk operasi ( biasanya dinyatakan dalam ton per jam ). Selain waktu yang diperlukan untuk menghasilkan uap yang cukup untuk operasi, juga perlu diperhatikan masalah pemuaian bagian-bagian turbin. Sebelum distart, suhu turbin adalah sama dengan suhu ruangan, yaitu sekitar 300C. Pada waktu start, dialirkan uap dengan suhu sekitar 5000C. Hal ini harus dilakukan secara bertahap agar jangan sampai terjadi pemuaian yang berlebihan dan tidak merata. Pemuaian yang berlebihan dapat menimbulkan tegangan mekanis ( mechanical stress ) yang berlebihan, sedangkan pemuaian yang tidak merata dapat menyebabkan bagian yang bergerak ( berputar ) bergesekan dengan bagian yang diam, misalnya antara sudu-sudu jalan turbin dengan sudu-sudu tetap yang menempel pada rumah turbin. Apabila turbin sedang berbeban penuh kemudian terjadi gangguan yang menyebabkan pemutus tenaga ( PMT ) generator yang digerakkan turbin trip, maka turbin kehilangan beban secara mendadak. Hal ini menyebabkan putaran turbin akan naik secara mendadak dan apabila hal ini tidak dihentikan, maka akan merusak bagian-bagian yang berputar pada turbin maupun pada generator, seperti: bantalan, sudu jalan turbin, dan kumparan arus searah yang ada pada


rotor generator. Untuk mencegah hal ini, aliran uap ke turbin harus dihentikan, yaitu dengan cara menutup katup uap turbin. Pemberhentian aliran uap ke turbin dengan menutup katup uap turbin secara mendadak menyebabkan uap mengumpul dalam drum ketel sehingga tekanan uap dalam drum ketel naik dengan cepat dan akhirnya menyebabkan katup pengaman pada drum membuka dan uap dibuang ke udara. Bisa juga sebagian dari uap di by pass ke kondensor. Dengan cara by pass ini tidak terlalu banyak uap yang hilang sehingga sewaktu turbin akan dioperasikan kembali banyak waktu dapat dihemat untuk start. Tetapi sistem by pass memerlukan biaya investasi tambahan karena kondensor harus tahan suhu tinggi dan tekanan tinggi dari hasil by pass. Dari uraian di atas tampak bahwa perubahan beban secara mendadak memerlukan pula langkah pengurangan produksi uap secara mendadak agar tidak terlalu banyak uap yang harus dibuang ke udara. Langkah pengurangan produksi ini dilakukan dengan mematikan nyala api dalam ruang bakar ketel dan mengurangi pengisian air ketel. Masalahnya di sini bahwa walaupun nyala api dalam ruang bakar padam, masih cukup banyak panas yang tertinggal dalam ruang bakar untuk menghasilkan uap sehingga pompa pengisi ketel harus tetap mengisi air ke dalam ketel untuk mencegah penurunan level air dalam drum yang tidak dikehendaki. Mengingat masalah-masalah tersebut di atas yang menyangkut masalah proses produksi uap dan masalah-masalah pemuaian yang terjadi dalam turbin, sebaiknya PLTU tidak dioperasikan dengan persentase perubahan-perubahan beban yang besar.

2.8 Pemeliharaan Bagian-bagian PLTU yang memerlukan pemeliharaan secara periodik adalah bagian-bagian yang berhubungan dengan gas buang dan dengan air pendingin, yaitu pipa-pipu air ketel uap dan pipa-pipa air pendingin termasuk pipa-pipa kondensor. Pipa-pipa ini semua memerlukan pembersihan secara periodik. Pada pipa air ketel umurnnya banyak abu yang menempel dan perlu dibersihkan agar proses perpindahan panas dari ruang bakar ke air melalui


dinding pipa tidak terhambat. Walaupun telah ada soot blower yang dapat digunakan untuk menyemprotkan air pembersih pada pipa air ketel, tetapi tidak semua bagian pipa air ketel uap dapat dijangkau oleh air pembersih soot blower ini sehingga diperlukan kesempatan untuk pembersihan bagian yang tidak terjangkau oleh soot blower tersebut. Saluran air pendingin, terutama jika menggunakan air laut, umumnya ditempeli binatang laut yang berkembang biak dan juga ditempeli kotoran air laut sehirigga luas penampang efektif dari saluran tersebut menurun. Untuk mengurangi binatang laut ini ada chlorination-plant yang menyuntikkan gas klor ke dalam air pendingin ( air laut ) ini. Oleh karena itu, secara periodik saluran air pendingin ( baik yang berupa saluran terbuka maupun pipa ) perlu secara periodik dibersihkan. Pipa kondensor yang juga dilalui air pendingin, dan karena penampangnya kecil, pipa ini juga memerlukan pembersihan yang lebih sering daripada bagian saluran air pendingin yang lain. Namun pembersihan pipa air kondensor tidak memerlukan penghentian operasi dari unit pembangkit yang bersangkutan, hanya memerlukan penurunan beban karena pipa kondensor dapat dibersihkan secara bertahap. Pipa kondensor PLTU yang digunakan ada yang terbuat dari tembaga dan ada yang terbuat dari titanium. Daya hantar panas tembaga lebih baik daripada titanium, tetapi kekuatan mekanisnya tidak sebaik titanium. Oleh karena itu, pada unit PLTU yang besar, misalnya pada unit 400 MW, digunakan pipa titanium karena diperlukan pipa yang panjang. Karena daya hantar panas titanium tidak sebaik daya hantar panas tembaga, maka soal kebersihan dinding pipa titanium lebih memerlukan perhatian daripada pipa tembaga. Itulah sebabnya, pada penggunaan pipa titanium dilengkapi dengan bola-bola pembersih. Sambungan pipa kondensor dengan dindingnya merupakan bagian yang rawan terhadap kebocoran. Apabila terjadi kebocoran, maka air laut yang mengandung NaCl masuk ke dalam sirkuit air ketel dan sangat berbahaya bagi ketel uap dan ketel turbin. Tingkat kebocoran ini dapat dilihat dari daya hantar


listrik air ketel. Apabila daya hantar listrik ini tinggi, hal ini berarti tingkat kebocoran kondensor tinggi. Semua peralatan yang ada dalam saluran gas buang perlu dibersihkan secara periodik, yaitu pemanas lanjut, pemanas ulang, economizer, dan pemanas udara. Bagian-bagian

PLTU

lain

yang

rawan

kerusakan

dan

perlu

perhatian/pengecekan periodik adalah bagian-bagian yang bergesek satu sama lain, seperti bantalan dan roda gigi ; bagian-bagian yang mempertemukan dua zat yang suhunya berbeda, misalnya kondensor dan penukar panas ; kotak-kotak saluran listrik dan sakelar-sakelar. Karena sebagian besar dari pekerjaan pemeliharaan tersebut di atas memerlukan penghentian operasi unit yang bersangkutan apabila dilaksanakan, maka pekerjaan-pekerjaan tersebut dilakukan sekaligus sewaktu unit menjalani overhaul yang dilakukan secara periodik yakni sekali dalam 10.000 jam operasi untuk waktu kira-kira 3 minggu. Dibandingkan dengan ketel uap, turbin uap tidak banyak memerlukan pemeliharaan asal saja kualitas uap terjaga dengan baik. Oleh karena itu, pemeriksaan turbin uap dapat dilakukan dalam setiap 20.000 jam operasi.

2.9 Penyimpanan Bahan Bakar Karena banyaknya bahan bakar yang ditimbun di PLTU, maka perlu perhatian khusus mengenai pengelolaan penimbunan bahan bakar agar tidak terjadi kebakaran. Seharusnya di sekeliling tangki BBM dibangun bak pengaman yang berupa dinding tembok. Volume bak pengaman ini harus sama dengan volume tangki sehingga kalau terjadi kebocoran besar, BBM ini tidak mengalir ke mana-mana karena semuanya tertampung oleh bak pengaman tersebut. Pada penimbunan batubara, harus dilakukan pembalikan serta penyiraman batubara agar tidak terjadi penyalaan sendiri. Pada penimbunan bahan bakar minyak ( BBM ), harus dicegah terjadinya kebocoran yang dapat mengalirkan BBM tersebut ke bagian instalasi yang bersuhu tinggi sehingga dapat terjadi kebakaran.


Pada penggunaan gas sebagai bahan bakar, pendeteksian kebocoran bah.an bakar gas ( BBG ) lebih sulit dibandingkan dengan kebocoran bahan bakar minyak ( BBM ). Oleh karena itu, penggunaan gas, alat-alat pendeteksian kebocoran harus dapat diandalkan untuk mencegah terjadinya kebakaran. Pengawasan kebocoran gas hidrogen yang digunakan sebagai bahan pendingin generator serupa dengan pengawasan kebocoran BBG, mengingat gas hidrogen juga mudah terbakar. Karena resiko terjadinya kebakaran pada PLTU besar, maka harus ada instalasi pemadam kebakaran yang memadai dan personil perlu dilatih secara periodik untuk menghadapi kemungkinan terjadinya kebakaran.

2.10

Water Treatment Water Treatment atau proses penjernihan air merujuk ke sejumlah proses yang dijalankan untuk membuat air layak untuk penggunaan akhir tertentu. Ini mencakup penggunaan seperti air minum, proses industri, medis dan penggunaan

lainnya.

Tujuan

semua

proses

penjernihan

air

adalah

menghilangkan pencemar yang ada dalam air atau mengurangi kadarnya agar air menjadi layak untuk penggunaan akhirnya. Dalam proses penjernihan air, digunakan bahan-bahan kimia seperti HCl, NaOH, Resin, dan sebagainya.


BAB II PEMBANGKITAN ENERGI LISTRIK

Recommend Documents