SISTEM KONTROL PADA HIGH PRESSURE TURBINE BYPASS VALVE
Oleh: Meilia Safitri (L2F008061) Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro
-AbstrakPT. INDONESIA POWER UNIT BISNIS PEMBANGKITAN SURALAYA merupakan industri yang menggunakan sistem kendali otomatis dalam proses produksinya di Pembangkit/Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU). Otomatisasi tidak hanya diperlukan sebagai pendukung keamanan operasi , faktor ekonomi maupun mutu produksi, namun telah menjadi suatu kebutuhan pokok dalam proses produksi listrik. Pada sistem kendali otomatisnya PT. Indonesia Power UBP. Suralaya menggunakan pengontrol Position Control System (PCS) Programmable Logic Controller (PLC), dan Distributed Control Integrated System (DCIS). High Pressure Turbine Bypass valve merupakan salah satu komponen penting yang membantu kerja turbin uap. Pengendalian pembukaan HP Turbine Bypass valve berfungsi untuk mengatur jumlah steam yang akan dialirkan melalui HP Turbine Bypass valve. Pengontrolan ini memanfaatkan Position Control System (PCS) agar dihasil aksi kontrol yang akurat. Kata Kunci : Position Control System (PCS), High Pressure Turbine Bypass valve
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sejalan dengan perkembangan teknologi, peralatan yang digunakan pada proses produksi juga semakin berkembang. Saat ini, hampir semua industri menggunakan sistem kendali otomatis dalam proses produksinya. PT. INDONESIA POWER UBP. Suralaya merupakan Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) yang menggunakan sistem kendali otomatis dalam proses produksi listriknya. Sistem kendali otomatis sangat diperlukan dalam operasi-operasi industri misalnya untuk pengontrolan tekanan, temperatur, level, dan laju alir dalam proses produksi. Otomatisasi tidak hanya diperlukan sebagai pendukung keamanan operasi , faktor ekonomi maupun mutu produksi, namun telah menjadi suatu kebutuhan pokok dalam proses produksi listrik. Turbin adalah salah satu bagian penting pada proses pembangkitan listrik. Pada proses pembangkitan listrik turbin dibantu oleh peralatan pendukung turbin salah satunya adalah High Pressure (HP) Turbine bypass valve. HP Turbine Bypass valve berfungsi untuk mengalirkan uap dari main steam ke reheater ketika terjadi turbin trip dan ketika start up unit. Secara otomatis, pengontrolan
pembukaan valve ini dilakukan oleh PCS (Position Control System) dengan sinyal input yang kontrol oleh DCIS (Distributed Control Integrated System), serta sistem hidrolik yang pengaturannya dilakukan oleh PLC. Pengontrolan pembukaan valve ini berfungsi untuk mengatur jumlah steam yang akan dialirkan melalui HP turbine bypass valve. 1.2
Maksud dan Tujuan Hal-hal yang menjadi tujuan penulisan laporan Kerja Praktek ini adalah 1. Mengetahui sistem dan lingkungan kerja di PT. Indonesia Power UBP Suralaya. 2. Mengetahui sistem kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). 3. Memberikan gambaran mengenai sistem turbin secara umum. 4. Menjelaskan sistem kontrol pada High Pressure Turbine Bypass valve. 1.3
Pembatasan Masalah Pada laporan kerja praktek ini permasalahan di batasi pada sistem kontrol pada High Pressure Bypass Turbine Valve.
II.
TEORI DASAR PLTU DAN TURBIN PLTU Secara Umum PLTU yaitu pembangkit listrik yang menggunakan tenaga uap dalam menghasilkan energi listrik. Sistem pembangkitan listrik di PT. Indonesia Power UBP. Suralaya merupakan sistem PLTU dengan siklus tertutup dimana pembakaran bahan bakar berupa batu-bara pada PLTU akan menghasilkan uap untuk memutar turbin uap. Kemudian uap sisa akan dikembalikan menjadi air yang akan kembali dipanaskan untuk menghasilkan uap. 2.1
Gambar 2.1 Produksi Tenaga Listrik PLTU Suralaya
Proses pembangkitan listrik pada PLTU yaitu, bahan bakar berupa batubara digiling dengan ukuran yang sesuai kebutuhan menjadi serbuk yang halus. Kemudian serbuk batubara ini dicampur dengan udara panas dari Primary Air Fan dan dibawa ke Coal Burner yang menyemburkan batubara tersebut ke dalam ruang bakar untuk proses pembakaran dan terbakar seperti gas untuk mengubah air menjadi uap. Udara pembakaran yang digunakan pada ruangan bakar dipasok dari Forced Draft Fan (FDF) yang mengalirkan udara pembakaran melalui Air Heater. Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar, diserap oleh pipa pipa penguap (water walls) menjadi uap jenuh atau uap basah yang kemudian dipanaskan di Super Heater (SH) yang menghasilkan uap kering. Kemudian uap tersebut dialirkan ke Turbin tekanan tinggi High Pressure Turbine , dimana uap tersebut diexpansikan melalui Nozzles ke sudu-sudu turbin. Tenaga dari uap mendorong sudu-sudu turbin dan membuat turbin berputar. Setelah melalui HP Turbine, uap dikembalikan kedalam Boiler untuk dipanaskan ulang di
Reheater guna menambah kualitas panas uap sebelum uap tersebut digunakan kembali di Intermediate Pressure (IP) Turbine dan Low Pressure (LP) Turbine. Sementara itu, uap bekas dikembalikan menjadi air di Condenser dengan pendinginan air laut yang dipasok oleh Circulating Water Pump. Air kondensasi akan digunakan kembali sebagai air pengisi Boiler. Air dipompakan dari kondenser dengan menggunakan Condensate Extraction Pump, pada awalnya dipanaskan melalui Low Pressure Heater, dinaikkan ke Deaerator untuk menghilangkan gas-gas yang terkandung didalam air. Air tersebut kemudian dipompakan oleh Boiler Feed Pump melalui High Pressure Heater, dimana air tersebut dipanaskan lebih lanjut sebelum masuk kedalam Boiler pada Economizer, kemudian air masuk ke Steam Drum . Siklus air dan uap ini berulang secara terus menerus selama unit beroperasi. Poros turbin dikopel dengan Rotor Generator, maka kedua poros memiliki jumlah putaran yang sama. Ketika telah mencapai putaran nominal 3000 rpm, pada Rotor generator dibuatlah magnetasi dengan Brushless Exitation System dengan demikian Stator Generator akan membangkitkan tenaga listrik dengan tegangan 23 kV. Listrik yang dihasilkan kemudian disalurkan ke Generator Transformer untuk dinaikan tegangannya menjadi 500 kV. 2.2
Turbin dan Pendukungnya
Turbin adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja digunakan langsung untuk memutar roda turbin. Bagian turbin yang berputar dinamakan rotor atau roda turbin, sedangkan bagian yang tidak berputar dinamakan stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak pada stator dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya (generator). 2.2.1 Bagian-bagian Utama Turbin Rotor Turbin Merupakan bagian turbin yang bergerak. Rotor turbin terdiri dari rotor untuk tekanan tinggi, menengah dan rendah. Tiap rotor
ditahan oleh dua bantalan journal (bantalan luncur).
Sudu-sudu Turbin Sudu-sudu turbin mempunyai effisiensi sudu yang tinggi, ketepatannya tinggi dan terpercaya. Sudu mempunyai bentuk dan ukuran sesuai dengan tingkatannya. 2.2.1 Komponen-Komponen Pendukung Turbin Bearing Berfungsi untuk mencegah deflesi (lentingan) dari poros karena pengaruh panas dari uap pada waktu unit beroperasi dan juga karena sudu-sudu turbin. Pipa crossover Berfungsi sebagai penyalur uap dari keluaran IP turbin ke LP turbin yang dipasang pada casing turbin tersebut. Governor valve Berfungsi mengontrol putaran pada high pressure turbin dan membatasi putarannya pada batas tertentu, pada setiap saat terjadi perubahan beban yang menyebabkan perubahan putaran turbin. Interceptor Valve Interceptor valve adalah peralatan untuk mengontrol putaran pada intermediate pressure turbin dan membatasi putarannya pada batas tertentu. Pengaman putaran lebih Pengaman putaran lebih dari turbin digunakan jika governor kurang sensitive kerjanya. Pengaman bantalan axial Pengaman bantalan axial berfungsi sebagai pengaman rotor dan mengamankan sudu-sudu agar tidak bergerak ke arah axial melebihi batas yang diijinkan pada saat berputar.. Main Stop Valve Fungsi utama main stop valve adalah untuk menutup dengan cepat aliran steam ke turbin bila dalam keadaan bahaya, seperti kegagalan pada governor valve atau pada saat kehilangan beban. Reheat Stop Valve Fungsi utama Reheat stop valve adalah untuk menutup dengan cepat aliran steam
dari reheater ke intermediate pressure turbin bila dalam keadaan bahaya. Pengaman vacuum rendah Pengaman vacuum rendah yang merupakan pengaman vacuum condenser yang juga disebut automatic low trip yang merupakan interlock dengan turbin, karena tidak akan dimasuki steam jika tekanan steam yang keluar dari turbin pada condenser naik dari batas-batas yang telah diizinkan. Solenoid trip Solenoid trip terdapat pada turbin maupun ruang control. Berfungsi memberi perintah untuk menghentikan aliran steam ke turbin dengan menutup main stop valve. Throttle valve Throttle valve bekerja secara hidrolik, bila terjadi gangguan sehingga unit harus dimatikan, katup akan menutup saluaran steam untuk masuk ke turbin dengan menggunakan tekanan hydraulic operating mechanism. Pengaman tekanan minyak Pengaman tekanan minyak selain sebagai pelumas juga sebagai media pendingin, sebab itu minyak perlu dikontrol secara cermat, sehingga apabila terjadi pengurangan aliran maka sistem pengaturan secara interlock akan memerintahkan turbin untuk berhenti. High Pressure Bypass Valve HP bypass valve adalah katup yang berfungsi untuk mengalirkan steam dari superheater ketika turbin trip atau belum bekerja. Steam ini langsung dialirkan ke reheater untuk kemudian mengalami pemanasan ulang. Low Pressure Bypass Valve LP bypass valve adalah katup yang berfungsi untuk mengalirkan steam dari reheater ketika turbin trip. Steam ini langsung dialirkan ke condensor. High Pressure Spray Valve HP spray valve akan menyemprotkan air pendingin ke steam yang melalui HP bypass untuk menurunkan temperatur steam sebelum masuk ke reheater. Air yang digunakan untuk spray ini berasal dari BFPT
Low Pressure Spray Valve LP spray valve akan menyemprotkan air pendingin ke steam yang melalui LP bypass untuk menurunkan temperatur steam sebelum masuk ke condenser. Air yang digunakan untuk spray ini berasal dari CEP. Selain komponen pendukung pengoperasian turbin, juga terdapat peralatan bantu turbin, sebagai berikut: a. Condenser Condenser adalah tangki yang berfungsi untuk menampung uap yang telah digunakan low pressure turbine untuk selanjutnya mengalami proses kondensasi. b. Condensate Extraction Pump (CEP) Condensate extraction pump berfungsi untuk memompa air condenser untuk diproses di low pressure heater. c. Circulating Water Pump (CWP) CMP berfungsi untuk memompa air laut masuk ke condenser sebagai air pendingin untuk proses kondensasi. d. Boiler Feed Pump (BFP) BFP berfungsi untuk memompa air dari deaerator menuju ke boiler melalui high pressure heater.
Gambar 2.2 Turbin dan Komponenkompnonen Pendukungnya
2.3
Bypass System Bypass system merupakan salah satu komponen penting yang membantu kerja turbin uap. Sistem Bypass berfungsi sebagai “jalur alternatif”. Ketika terjadi masalah pada turbin (turbin trip), boiler tetap dapat memproduksi steam (tetap aktif) tetapi steam yang dihasilkan
dari secondary superheater tidak dapat masuk ke HP Turbin untuk memutar sudu-sudunya. Hal ini dikarenakan saat turbin trip, main stop valve pada turbin akan menutup secara otomatis sehingga bila tidak ada saluran buang steam, akan terjadi over pressure di sekitar main valve dan jika dibiarkan akan membahayakan peralatan-peralatan penting dari boiler bahkan dapat menimbulkan ledakan. Pada saat main stop valve tertutup, HP Bypass valve akan aktif. Aliran steam dari secondary superheater akan dikembalikan ke reheater yang sebelumnya dilakukan “spray” untuk mendapatkan temperatur yang sesuai pada masukan reheater. Di reheater, steam dipanaskan kembali untuk selanjutnya dialirkan ke IP Turbin. Namun karena turbin trip, aliran steam akan dialirkan melalui LP Bypass valve menuju kondensor untuk proses kondensasi. Selain digunakan saat keadaan turbin trip, Bypass Turbine System juga digunakan saat proses start-up unit. Untuk memutar turbin, diperlukan kesesuaian temperatur pada bagian-bagian turbin, terutama HP dan IP Turbin, karena jika temperatur tidak sesuai satu sama lain, pemuaian yang terjadi pada bahan metal turbin akan tidak seimbang, sehingga putaran turbin menjadi tidak sinkron. Untuk mendapatkan kesesuaian temperatur yang merata sebelum turbin aktif, sistem bypass diaktifkan terlebih dahulu sehingga terjadi sirkulasi steam dari superheater melalui HP bypass menuju ke reheater yang memanaskan steam kembali lalu dialirkan melalui LP bypass untuk menuju ke kondensor. Proses ini dilakukan hingga temperatur dan tekanan yang dinginkan telah tercapai untuk mengaktifkan turbin.
III.
SISTEM KONTROL PADA HIGH PRESSURE TURBINE BYPASS VALVE 3.1 Sistem Kontrol Sistem kontrol pada pembukaan bypass valve merupakan sistem kontrol lup tertutup sederhana yang memanfaatkan Position Control System sebagai kontroller dan Linear Variable Differential Transformer (LVDT) sebagai sensor pada feedback.
Pengontrolan pembukaan bypass valve bertujuan agar jumlah steam yang akan disalurkan melalui bypass valve lebih akurat. Berikut diagram blok sistem kontrol pada bypass valve:
menghasilkan sinyal kontrol berupa tegangan 10 V sampai +10 V. Kemudian pada Power Amplifier card akan dilakukan pemodulasian lebar pulsa untuk memperoleh efisiensi yang efektif serta pendeteksian arus, untuk memberikan output aktual ke solenoid valve. 3.3
Gambar 3.1 Diagram Blok sistem kontrol Bypass valve
3.2
Position Control System (PCS) Position Control System (PCS) berfungsi untuk melakukan proses pengontrolan posisi pada pembukaan valve yang digerakan oleh electro-hydraulic actuator.
Bypass valve Bypass valve digunakan untuk mengendalikan banyaknya steam yang akan dibuang dari main heater ke reheater melalui sistem Bypass. Valve ini terintegrasi dengan sistem pendingin (water spray). Dimana jika aliram steam yang akan masuk ke bypass valve ini mempunyai temperatur yang sangat tinggi, maka sebelum steam itu masuk ke bypass valve akan dispray terlebih dahulu dengan menggunakan air untuk menurunkan temperaturnya.
3.2.1 Bagian-bagian PCS PCS-Module Di dalam sebuah PCS-module terdiri dari position controled card, powe amplifier card, dan sebuah backplane circuit card.
Power Supply Distribution Card Pada power supply distribution card terdapat Power supply unit ±15 VDC yang berfungsi memberikan supplai daya pada position controlled card serta Terminal Block yang berfungsi untuk mendistribusikan tegangan ±15 VDC serta menerima dan mendistribusikan suplai daya 24 VDC.
Power unit 24 VDC Power unit ini berfungsi untuk menyediakan suplai daya bagi Solenoid valve. 3.2.2 Pengontrolan Posisi Dalam melakukan pengontrolan posis PCS akan menerima dua buah sinyal analog 420 mA yaitu sinyal posisi yang diinginkan berasal dari kontroller tekanan dan suhu dan sinyal posisi yang sebenarnya. Kedua sinyal tersebut akan dibandingkan dan diproses oleh Position Controlled card, setelah kedua sinyal selesai diproses Position controlled card akan
Gambar 3.2 Bypass valve
Solenoid valve Soleniod valve merupakan bagian yang mengatur besarnya pembukaan katup Bypass. Pada solenoid valve ini terdapat kumparan, ketika solenoid valve mendapat sinyal input berupa tegangan yang berasal dari PCS maka kumparan pada solenoid valve akan terenergize dan membuka solenoid valve. Besarnya pembukaan pada solenoid valve tergantung dengan besarnya daya yang mengenergize kumparan solenoid valve.
Gambar 3.3 Solenoid valve
Electro-Hydraulic Actuator Bagian ini merupakan aktuator dari pembukaan katup Bypass. Aktuator elektro hidrolik ini merupakan silinder kerja ganda dengan pegas mekanis yang digunakan untuk menutup valve. Posisi aktuator / valve dikontrol dengan mengendalikan minyak hidrolik yang mengalir ke setiap sisi dari piston dalam silinder aktuator.
Prinsip Kerja Pada saat menerima sinyal masukan dari PCS solenoid valve akan bergerak secara elektris, dan Electro-Hydraulic Actuator akan digerakkan oleh minyak hidrolik. Tekanan dari minyak hidrolik ini dihasilkan oleh pompa hidrolik yang tekanannya ditentukan sebesar 150 kg/cm3. Minyak hidrolik mengalir melalui solenoid valve untuk menggerakkan piston pada bypass valve. Karena lebar bukaan solenoid valve telah ditentukan, maka tenaga untuk menggerakkan piston juga telah ditentukan, yaitu sesuai dengan aliran minyak hidrolik yang dapat melalui solenoid valve. Dengan demikian, bypass valve akan bergerak membuka dengan bantuan piston. Pembukaan bypass valve ini sesuai dengan pembukaan solenoid valve yang dikontrol oleh PCS. 3.4
Umpan Balik Posisi LVDT Posisi fisik dari aktuator elektro hidrolik dideteksi oleh LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Pada LVDT terdapat inti besi yang dihubungkan dengan valve yang posisinya sedang dikontrol. Ketika
terdapat perubahan posisi pada valve, maka posisi inti tersebut juga ikut berubah. Perubahan posisi inti besi tersebut diproses dan diubah menjadi sinyal tegangan DC yang proporsional dengan posisi inti besi. Besarnya output tegangan yang dihasilkan oleh LVDT antara -10 V sampai +10 V. Setelah dihasilkan sinyal tegangan pada LVDT, sinyal tersebut diumpanbalik ke PCS, sinyal tesebut memberikan informasi kepada PCS apakah posisi dari valve telah sesuai dengan yang diharapkan. Jika sistem belum setimbang (aktuator elektro hidrolik tidak berada pada posisi setpoint), sinyal kontroler ke Bypass valve akan memposisikan valve di posisi yang seharusnya, dan mengembalikan kesetimbangan sistem dengan mereposisikan aktuator elektro hidrolik.
IV. PENUTUP 4.1 Kesimpulan 1. Sistem kontrol valve pada HP Turbin Bypass merupakan kontrol loop tertutup yang menggunakan besarnya tekanan steam yang melewati bypass valve sebagai sinyal input dan posisi valve sebagai umpan balik. 2. Semakin besar tekanan steam yang akan melewati bypass valve maka semakin besar pembukaan bypass valve. 3. Bypass valve bekerja berdasarkan prinsip tekanan hidrolik yang berasal dari hydraulic oil yang diberikan pada diberikan pada piston double acting sebagai electro-hydraulic actuator dimana besarnya tekanan hydraulic oil yang diberikan di atur oleh solenoid valve. 4. Sinyal input pada position controller system merupakan sinyal arus yang besarnya antara 4 mA sampai 20 mA dan keluarannya berupa sinyal tegangan searah antara -10 V sampai +10 V. 5. Besarnya pembukaan bypass valve ditentukan oleh besarnya daya yang mengenergize koil pada solenoid valve.
DAFTAR PUSTAKA Babcock and Wilcox. 1996. Design Manual Turbine Bypass System. Suralaya Steam Power Plant Unit 5, 6, & 7. Ogata, Katsuhiko. 1997. Teknik Kontrol Automatik Jilid 1. Erlangga, Jakarta. Yuniarti. Diah, Laporan Kerja Praktek “Electrohydraulic Servo Valve Pada PLTG Tambak Lorok PT. Indonesia Power UBP Semarang”. Jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro: Semarang, 2007. http://www.suralaya.com// http://www.google.com// Biografi Meilia Safitri (L2F008061) lahir di Krui Provinsi Lampung, pada tanggal 12 Mei 1990. Telah menempuh pendidikan dari SD Negeri 1 Way Mengaku, SMP Negeri 1 Liwa serta SMA Negeri 9 Bandar Lampung. Saat ini penulis sedang menjalankan masa pendidikannya di S1 Teknik Elektro Universitas Diponegoro.
Mengetahui dan Mengesahkan Dosen pembimbing
Iwan Setiawan, ST. MT NIP 19730926 20001210 01
