PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (Analisa Sistem Termal Boiler Furnace dan Kinerja Turbin Uap)
Diajukan untuk Memenuhi Syarat Menyelesaikan Pendidikan Sarjana Terapan (D IV) Teknik Energi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya
Oleh: ADE CLARA PRETTY SUNDARI 0611 4041 1541
POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA PALEMBANG 2015
i
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (Analisa Sistem Termal Boiler Furnace dan Kinerja Turbin Uap)
Oleh: Ade Clara Pretty Sundari NIM. 061140411541
Pembimbing I,
Palembang, Juni 2015 Pembimbing II,
Ir. Arizal Aswan, M.T. NIP. 195804241993031001
Ir. K.A. Ridwan, M.T. NIP. 196002251989031002
Mengetahui, Ketua Program Studi Sarjana Terapan (D IV) Teknik Energi
Ir. Arizal Aswan, M.T. NIP. 195804241993031001
xiii
MOTTO
“Sesungguhnya Kami telah memberikan kepadamu kemenangan yang nyata.” (Q.S.Al-Fath:48, ayat 1) “Kerendahan hati adalah hasil dari pengetahuan.” (Rasulullah Muhammad SAW) “Barangsiapa merintis jalan mencari dan berbagi ilmu, maka Allah akan memudahkannya jalan ke surga.” (HR. Muslim) “I don’t give up easily. I fight for what I want.” (Ade Clara Alexander)
Kupersembahkan Untuk : Allah SWT Tn. & Ny. Alexander Kedua Dosen Pembimbing (Ir. Arizal Aswan, M.T. dan Ir. K.A. Ridwan,M.T.) Kerabat & Sahabat Almamater Indonesia
xiii
ABSTRAK PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (Analisa Sistem Termal Boiler Furnace dan Kinerja Turbin Uap) (Ade Clara Pretty Sundari, 2015, 120 Halaman, 39 Tabel, 45 Gambar, 7 Lampiran) Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah pembangkitan yang menggunakan uap untuk memutar turbin yang akan menggerakkan generator dan akhirnya menghasilkan listrik. Dalam prosesnya pada PLTU terdapat berbagai macam peralatan utama seperti boiler, turbin, kondensor, dan generator. Konversi energi tingkat pertama yang berlangsung dalam PLTU adalah konversi energi primer menjadi energi panas (kalor). Hal ini dilakukan dalam ruang bakar. Energi panas ini kemudian dipidahkan dalam air yang ada dalam shell boiler untuk menghasilkan uap. Uap ini dialirkan ke turbin uap. yang di dalamnya, energi (entalpi) uap dikonversikan menjadi energi mekanik penggerak generator, dan akhirnya energi mekanik dari turbin uap ini dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator. Demikian pentingnya peran boiler dan turbin uap sebagai komponen-komponen utama pada PLTU, maka penting untuk melakukan uji kinerja dan analisis termal pada kedua perangkat tersebut, serta mempelajari berbagai faktor dan variabel yang dapat menyebabkan pemborosan penggunaan energi dan mencari adanya peluang untuk mengoptimalkan kinerja sistem dalam upaya konservasi energi. Adapun paramater yang diamati meliputi bahan bakar, flue gas, temperatur dan tekanan steam, hingga putaran turbin dan generator. Berdasarkan parameter tersebut, prototipe PLTU yang dirancang memiliki efisiensi termal sebesar 36,48 %, dimana masih dapat ditingkatkan nilai efisiensinya dengan meminimasi kebocoran kalor radiasi dan konveksi pada area permukaan boiler. Demikian pula dengan hasil uji kinerja terhadap turbin uap, diperoleh beberapa karakteristik yang mempengaruhi performa kerja sistem turbin tersebut seperti penurunan tekanan steam selama operasi yang berdampak pada penurunan putaran turbin, serta kenaikan putaran turbin yang berbanding lurus dengan kenaikan efisiensi turbin. Kata Kunci: Pembangkit Listrik Tenaga Uap, Boiler Furnace, Turbin Uap, Solar, Efisiensi Termal
xiii
ABSTRACT STEAM TURBINE PROTOTYPE (Thermal System Analysis of Boiler Furnace and Steam Turbine Work) (Ade Clara Pretty Sundari, 2015, 120 Pages, 39 Tables, 45 Pictures, 7 Attaachments)
Steam Turbine Generator (STG) is the plant which uses steam to turn turbine that will eventually drivethe generator and produce electricity. In its process, STG has some primary units such as boiler, turbine, condensor, and generator. The first stage of energy conversion which does in STG is the convertion of primary energy to be heat (calor). This one is done in the furnace. The heat then wil be moved into water in the boiler to produce steam. Steam is conveyed to the steam turbine, in it, energy (enthalpy) is converted to be mechanical energy, and finally mechanical energy from steam turbine is then converted to be electricity by generator. Due to its important roles of boiler and steam turbine as primary units os Steam Turbine Generator, so that it’s important to do thermal analysis and running test of those two units, also to study the factors and variables which caused heat losses and obtain the opportunity to optimize work system, concerning in energy conservation. Parameters which studied are fuel, flue gas, teperature and pressure of steam, also rpm of turbine and generator. Based on those parameters, steam turine generator prototype has thermal efficiency 36,48%, which that efficiency still can be proved with minimize heat losses of radiation and convection on the surface of boiler. In the study of steam turbine, got some charateristics that fluence the work of steam turbine such as the decrease of turbine rpm, also the increase of turbine rpm which will cause the increase of tubine efficiency. Keywords: Steam Turbine Generator, Boiler Furnace, Steam Turbine, Diesel, Thermal Efficiency
xiii
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah Subhana wa Ta’ala, yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya, sehingga laporan Tugas Akhir ini dapat terselesaikan sesuai rencana. Shalawat dan salam selalu tercurah kepada Nabi Muhammad Shalallahu ’Alaihi Wassalam beserta para keluarga dan sahabatnya hingga akhir zaman. Penulis menyusun laporan ini berdasarkan hasil pengamatan dan data-data yang diperoleh saat melakukan Rancang Bangun dan Penelitian di Laboratorium Teknik Energi Politeknik Negeri Sriwijaya. Dalam melaksanakan Penelitian Tugas Akhir ini penulis telah banyak menerima bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada: 1. R.D Kusumanto, S.T, M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Sriwijaya. 2. H. Firdaus, S.T, M.T., selaku Pembantu Direktur I Bidang Akademik Politeknik Negeri Sriwijaya. 3. Ir. Robert Junaidi, M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya. 4. Zulkarnain, S.T, M.T selaku Sekretaris Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya. 5. Ir Arizal Aswan, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Energi sekaligus Dosen Pembimbing I Tugas Akhir di Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang. 6. Ir. K.A. Ridwan, M.T., selaku Dosen Pembimbing II Tugas Akhir di Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang. 7. Seluruh dosen dan staf Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang. 8. Kedua orang tua dan para kerabat yang tak henti-hentinya mendoakan dan menyemangatiku dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 9. Rekan-rekan seperjuangan Teknik Energi 2011 yang selalu menyemangati dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
xiii
Penulis telah berusaha semaksimal mungkin dalam menulis Tugas Akhir ini, meskipun begitu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat mendukung dari pembaca, guna menyempurnakan apa yang telah penulis buat. Akhir kata penulis mengharapkan semoga laporan ini dapat berguna dan bermanfaat bagi pembaca.
Palembang, Juni 2015 Penulis
xiii
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL .......................................................................... i LEMBAR PENGESAHAN .............................................................. ii MOTTO ............................................................................................. iv ABSTRAK ......................................................................................... v ABSTRACT ......................................................................................... vi KATA PENGANTAR ....................................................................... vii DAFTAR ISI ..................................................................................... ix DAFTAR TABEL ............................................................................. xi DAFTAR GAMBAR ......................................................................... xii DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................... xiv BAB I
PENDAHULUAN .............................................................. 1.1 Latar Belakang .......................................................... 1.2 Tujuan ....................................................................... 1.3 Manfaat ...................................................................... 1.4 Permasalahan .............................................................
1 1 3 4 4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA ................................................... 2.1 Dasar Termodinamika ............................................... 2.1.1 Hukum Pertama Termodinamika ................ 2.1.2 Hukum Kedua Termodinamika ................... 2.2 Perubahan Fase pada Zat Murni ................................ 2.2.1 Cair Tekan (Compressed Liquid) ................ 2.2.2 Cair Jenuh (Saturation Liquid) .................... 2.2.3 Campuran Air-Uap (Liquid-Vapor Mixture) ...................................................................... 2.2.4 Uap Jenuh (Saturated Vapor) ..................... 2.2.5 Uap Panas Lanjut (Superheated Vapor) ..... 2.3 Tabel Properti............................................................. 2.3.1 Entalpi ......................................................... 2.3.2 Keadaan Cair Jenuh dan Uap Jenuh ............ 2.3.3 Keadaan Campuran Air dan Uap ................ 2.3.4 Keadaan Uap Panas Lanjut ......................... 2.3.5 Keadaan Cair Tekan .................................... 2.4 Teknik Pembakaran ................................................... 2.4.1 Prinsip Pembakaran .................................... 2.4.2 Kebutuhan Udara Teoritis ........................... 2.4.3 Konsep Udara Berlebih (Excess Air) .......... 2.5 Bahan Bakar .............................................................. 2.5.1 Solar ........................................................... 2.5.2 LPG .............................................................
5 5 5 6 9 9 10
xiii
10 11 12 13 13 13 14 16 16 16 16 19 20 21 21 21
2.6 Proses Perpindahan Panas ......................................... 2.6.1 Perpindahan Panas secara Konduksi ........... 2.6.2 Perpindahan Panas secara Konveksi ........... 2.6.3 Perpindahan Panas secara Radiasi .............. 2.7 Pembangkit Listrik Tenaga Uap dan Siklus Rankine. 2.8 Ketel Uap (Boiler) ..................................................... 2.8.1 Jenis-Jenis Boiler Berdasarkan Tipe Pipa ... 2.8.2 Neraca Kalor ............................................... 2.9 Superheater ................................................................ 2.10 Turbin Uap ................................................................. 2.6.1 Prinsip Kerja Turbin Uap ............................ 2.6.2 Klasifikasi Turbin Uap ................................ 2.11 Generator ...................................................................
23 23 23 26 26 29 30 32 33 34 34 35 39
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...................................... 3.1 Pendekatan Desain Fungsional .................................. 3.2 Pendekatan Desain Struktural ................................... 3.2.1 Desain Peralatan .......................................... 3.2.2 Pembuatan Ruang Bakar, Shell and Tube Badan Boiler, Rangkaian Steam Turbine Generator, dan Penampungan Kondensat pada Kondensor .......................................... 3.3 Pertimbangan Percobaan .......................................... 3.3.1 Waktu dan Tempat ...................................... 3.3.2 Alat dan Bahan ............................................ 3.3.3 Perlakuan dan Rancangan Percobaan ......... 3.4 Pegamatan ................................................................. 3.5 Prosedur Percobaan ...................................................
40 40 40 41
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................... 4.1 Hasil Penelitian ............................................................ 4.2 Pembahasan ................................................................. 4.2.1 Analisa Sistem Termal Seputar Boiler Furnace ....................................................... 4.2.2 Uji Kinerja Turbin Uap ..............................
50 53 53
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN ......................................... 5.1 Kesimpulan.................................................................... 5.2 Saran .............................................................................
58 58 59
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................ LAMPIRAN .......................................................................................
60 62
xiii
43 45 45 45 46 47 47
53 54
DAFTAR TABEL
Tabel 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35.
Halaman Kondisi Gas Ideal .................................................................. Spesifikasi Solar .................................................................... Spesifikasi LPG .................................................................... Neraca Massa Seputar Boiler Furnace ................................. Neraca Energi Seputar Boiler Furnace ................................. Data Waktu Pemanasan untuk Start Up ............................... Data Perubahan Kondisi Operasi Saat Running .................... Hubungan Putaran Turbin terhadap Daya Turbin.................. Hubungan Putaran Turbin terhadap Efisiensi Turbin ........... Analisa Sistem Termal Seputar Boiler Furnace ................... Spesifikasi Ruang Bakar ....................................................... Spesifikasi Fire Tube Boiler ................................................. Spesifikasi Superheater ........................................................ Spesifikasi Turbin ................................................................. Spesifikasi Generator ............................................................ Spesifikasi Kondensor .......................................................... Spesifikasi Kompresor .......................................................... Spesifikasi Oil Tank .............................................................. Spesifikasi Pompa ................................................................. Data Komposisi Bahan Bakar Solar ..................................... Data Waktu Pemanasan untuk Start Up ................................ Data Pressure Drops pada Saat Running .............................. Data Perubahan Kondisi Operasi Saat Running..................... Perhitungan Komposisi Solar ............................................... Komposisi Mol Flue Gas Basah ........................................... Komposisi Mol Udara Basah Masuk ke Ruang Bakar ......... Neraca Massa pada Furnace ................................................. Neraca Massa Seputar Boiler Furnace ................................. Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor) ..................... Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor) ..................... Komposisi Mol Flue Gas Kering .......................................... Konstanta Komponen Gas .................................................... Panas Sensibel Komposisi Flue Gas ..................................... Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor) ..................... Neraca Energi Seputar Boiler Furnace .................................
xiii
20 22 23 50 51 51 52 52 52 53 62 62 62 62 63 63 63 63 64 65 66 66 66 94 97 97 98 98 100 101 102 102 103 104 106
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
1. Diagram Temperatur-Entropi .................................................. 2. Diagram Entalpi-Entropi ......................................................... 3. Air pada Fase Cair Tekan (Compressed Liquid) ..................... 4. Air pada Fase Cair Jenuh (Saturated Liquid) .......................... 5. Campuran Air dan Uap ........................................................... 6. Uap Jenuh (Saturated Vapor)................................................... 7. Uap Panas Lanjut (Superheated Vapor) .................................. 8. Diagram T-v Pemanasan Air pada Tekanan Konstan .............. 9. Contoh Tabel Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor) . 10. Kulaitas Uap Air ..................................................................... 11. Pembakaran yang Sempurna, yang Baik, dan Tidak Sempurna .................................................................................................. 12. Grafik Hubungan Efisiensi Pembakaran dengan Udara Berlebih .................................................................................................. 13. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Uap .................................. 14. Siklus Rankine Sederhana ....................................................... 15. Fire Tube Boiler ...................................................................... 16. Water Tube Boiler ................................................................... 17. Sistem Neraca Massa dan Panas ............................................. 18. Rugi-Rugi pada Boiler ............................................................ 19. Segitiga Kecepatan pada Suatu Turbin Impuls ....................... 20. Proses Ekspansi Pada Nosel .................................................... 21. Prinsip Dasar Sudu Reaksi dan Sudu Impuls .......................... 22. Profil dan Karakteristik Sudu Reaksi dan Impuls ................... 23. Fire Tube Boiler....................................................................... 24. Desain Fire Tube Boiler .......................................................... 25. Desain Prototype Power Generation secara Keseluruhan ...... 26. Grafik Hubungan Kenaikan Temperatur dan Tekanan terhadap Waktu Pemanasan ................................................................... 27. Grafik Pengaruh Penurunanan Tekanan Steam terhadap Putaran Turbin ...................................................................................... 28. Grafik Hubungan Putaran Turbin dengan Efisiensi Turbin .... 29. Boiler ....................................................................................... 30. Tubesheet ................................................................................ 31. Superheater ............................................................................. 32. Furnace ................................................................................... 33. Komporesor ............................................................................. 34. Tangki Bahan Bakar ................................................................ 35. Sudu Turbin .............................................................................
xiii
8 9 10 10 11 11 12 12 14 15 18 20 27 27 30 31 32 33 36 38 38 39 41 42 43 55 56 57 109 109 109 109 110 110 110
36. Kondensor ............................................................................... 37. Pompa ...................................................................................... 38. Level Volume .......................................................................... 39. Panel Listrik ............................................................................ 40. Generator ................................................................................. 41. Pulley Turbin ........................................................................... 42. Burner ..................................................................................... 43. Temperature Gauge ................................................................ 44. Pressure Gauge ....................................................................... 45. Prototipe Steam Turbine Generator Keseluruhan....................
xiii
110 110 110 111 111 111 111 111 111 112
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A. B. C. D. E. F. G.
Halaman
Spesifikasi Alat......................................................................... Data Pengamatan ..................................................................... Perhitungan Desain .................................................................. Perhitungan Aktual .................................................................. Gambar Alat ............................................................................ Gambar Teknik Alat ................................................................. Surat-surat ................................................................................
xiii
62 65 67 94 109 113
