KINERJA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

BAB III KINERJA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

III.1 BAHAN BAKAR Energi dari Matahari diubah menjadi energi kimia dengan fotosintesa. Namun, sebagaimana kita ketahui, bila kita membakar tanaman atau kayu kering, menghasilkan energi dalam bentuk panas dan cahaya, kita melepaskan energi matahari yang sesungguhnya tersimpan dalam tanaman atau kayu melalui fotosintesa. Kita tahu bahwa hampir kebanyakan di dunia pada saat ini kayu bukan merupakan sumber utama bahan bakar. Kita umumnya menggunakan gas alam atau minyak bakar di rumah kita, dan kita menggunakan terutama minyak bakar dan batubara untuk memanaskan air menghasilkan steam untuk menggerakan turbin untuk sistim pembangkitan tenaga yang sangat besar. Bahan bakar tersebut – batubara, minyak bakar, dan gas alam –sering disebut sebagai bahan bakar fosil. Berbagai jenis bahan bakar seperti bahan bakar cair, padat, dan gas yang tersedia tergantung pada berbagai faktor seperti biaya, ketersediaan, penyimpanan, handling, polusi dan peletakan boiler, tungku dan peralatan pembakaran lainnya. Pengetahuan mengenai sifat bahan bakar membantu dalam memilih bahan bakar yang benar untuk keperluan yang benar dan untuk penggunaan bahan bakar yang efisien. Uji laboratorium biasanya digunakan untuk mengkaji sifat dan kualitas bahan bakar. III.1.1 Jenis Jenis Bahan Bakar Bagian ini menerangkan tentang jenis bahan bakar cair, padat dan gas. III.1.1.1 Bahan Bakar Cair Bahan bakar cair seperti minyak tungku furnace oil dan LSHS low sulphur heavy stock terutama digunakan dalam penggunaan industri. Berbagai sifat bahan bakar cair diberikan dibawah ini. - Densitas, didefinisikan sebagai perbandingan massa bahan bakar terhadap volum bahan bakar pada suhu acuan 15°C. Densitas diukur dengan suatu alat yang disebut hydrometer. Pengetahuan mengenai densitas ini berguna untuk penghitungan kuantitatif dan pengkajian kualitas penyalaan. Satuan densitas adalah kgm 3 . - Specific Gravity, Didefinisikan sebagai perbandingan berat dari sejumlah volum minyak bakar terhadap berat air untuk volum yang sama pada suhu tertentu. Densitas bahan bakar, relatif terhadap air, disebut specific gravity. Specific gravity air Universitas Sumatera Utara ditentukan sama dengan 1. Karena specific gravity adalah perbandingan, maka tidak memiliki satuan. Pengukuran specific gravity biasanya dilakukan dengan hydrometer. Specific gravity digunakan dalam penghitungan yang melibatkan berat dan volum. Specific gravity untuk berbagai bahan bakar minyak diberikan dalam tabel dibawah: Bahan Bakar Minyak L.D.O Minyak Diesel Ringan Minyak TungkuFurnace Oil L.S.H.S Low Sulphur Heavy Stock Specific Gravity 0,85-0,87 0,89-0,95 0,88-0,98 Tabe 3 1. Specific gravity berbagai bahan bakar minyak - Viskositas, Viskositas suatu fluida merupakan ukuran resistansi bahan terhadap aliran. Viskositas tergantung pada suhu dan berkurang dengan naiknya suhu. Viskositas diukur dengan Stokes Centistokes. Kadang-kadang viskositas juga diukur dalam Engler, Saybolt atau Redwood. Tiap jenis minyak bakar memiliki hubungan suhu – viskositas tersendiri. Pengukuran viskositas dilakukan dengan suatu alat yang disebut Viskometer. Viskositas merupakan sifat yang sangat penting dalam penyimpanan dan penggunaan bahan bakar minyak. Viskositas mempengaruhi derajat pemanasan awal yang diperlukan untuk handling, penyimpanan dan atomisasi yang memuaskan. Jika minyak terlalu kental,maka akan menyulitkan dalam pemompaan, sulit untuk menyalakan burner, dan sulit dialirkan. Atomisasi yang jelek akam mengakibatkan terjadinya pembentukan endapan karbon pada ujung burner atau pada dinding-dinding. Oleh karena itu pemanasan awal penting untuk atomisasi yang tepat. - Titik Nyala, Titik nyala suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar dapat dipanaskan sehingga uap mengeluarkan nyala sebentar bila dilewatkan suatu nyala api. Titik nyala untuk minyak tungku furnace oil adalah 66 C. - Titik Tuang, Titik tuang suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar akan tertuang atau mengalir bila didinginkan dibawah kondisi yang sudah ditentukan. Ini merupakan indikasi yang sangat kasar untuk suhu terendah dimana bahan bakar minyak siap untuk dipompakan. - Panas Jenis, Panas jenis adalah jumlah kKal yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 kg minyak sebesar 1 o C. Satuan panas jenis adalah kkalkg C. Besarnya bervariasi mulai dari 0,22 hingga 0,28 tergantung pada specific gravity minyak. Panas jenis menentukan berapa banyak steam atau energi listrik yang digunakan untuk Universitas Sumatera Utara memanaskan minyak ke suhu yang dikehendaki. Minyak ringan memiliki panas jenis yang rendah, sedangkan minyak yang lebih berat memiliki panas jenis yang lebih tinggi. - Nilai Kalor, Nilai kalor merupakan ukuran panas atau energi yang dihasilkan., dan diukur sebagai nilai kalor kotor gross calorific value atau nilai kalor netto nett calorific value. Perbedaannya ditentukan oleh panas laten kondensasi dari uap air yang dihasilkan selama proses pembakaran. Nilai kalor kotor. gross calorific value GCV mengasumsikan seluruh uap yang dihasilkan selama proses pembakaran sepenuhnya terembunkanterkondensasikan. Nilai kalor netto NCV mengasumsikan air yang keluar dengan produk pengembunan tidak seluruhnya terembunkan. Bahan bakar harus dibandingkan berdasarkan nilai kalor netto. Nilai kalor batubara bervariasi tergantung pada kadar abu, kadar air dan jenis batu baranya sementara nilai kalor bahan bakar minyak lebih konsisten. GCV untuk beberapa jenis bahan bakar cair yang umum digunakan terlihat dibawah ini: Bahan bakar minyak Nilai kalor kotor GCV kKalkg Minyak tanah 11.100 Minyak diesel 10.800 L.D.O 10.700 Minyak tungkufurnace 10.500 LSHS 10.600 Tabel 3.2. Nilai kalor kotor GCV untuk beberapa bahan bakar minyak - Sulfur, Jumlah sulfur dalam bahan bakar minyak sangat tergantung pada sumber minyak mentah dan pada proses penyulingannya. Kandungan normal sulfur untuk residu bahan bakar minyak minyak furnace berada pada 2 - 4 . Kandungan sulfur untuk berbagai bahan bakar minyak. Bahan bakar minyak Persen sulfur Minyak tanah 0,05-0,2 Minyak diesel 0,05-0,25 L.D.O 0,5-1,8 Minyak furnace 2,0-4,0 LSHS 0,5 Tabel 3.3 Persentase sulfur untuk berbagai bahan bakar minyak Universitas Sumatera Utara Kerugian utama dari adanya sulfur adalah resiko korosi oleh asam sulfat yang terbentuk selama dan sesudah pembakaran, dan pengembunan di cerobong asap, pemanas awal udara dan economizer. - Kadar abu, Kadar abu erat kaitannya dengan bahan inorganik atau garam dalam bahan bakar minyak. Kadar abu pada distilat bahan bakar diabaikan. Residu bahan bakar memiliki kadar abu yang tinggi. Garam-garam tersebut mungkin dalam bentuk senyawa sodium, vanadium, kalsium, magnesium, silikon, besi, alumunium, nikel, dll. Umumnya, kadar abu berada pada kisaran 0,03 – 0,07 . Abu yang berlebihan dalam bahan bakar cair dapat menyebabkan pengendapan kotoran pada peralatan pembakaran. Abu memiliki pengaruh erosi pada ujung burner, menyebabkan kerusakan pada refraktori pada suhu tinggi dapat meningkatkan korosi suhu tinggi dan penyumbatan peralatan. - Residu karbon, Residu karbon memberikan kecenderungan pengendapan residu padat karbon pada permukaan panas, seperti burner atau injeksi nosel, bila kandungan yang mudah menguapnya menguap. Residu minyak mengandung residu karbon 1 persen atau lebih. - Kadar air, Kadar air minyak tungkufurnace pada saat pemasokan umumnya sangat rendah sebab produk disuling dalam kondisi panas. Batas maksimum 1 ditentukan sebagai standar. Air dapat berada dalam bentuk bebas atau emulsi dan dapat menyebabkan kerusakan dibagian dalam permukaan tungku selama pembakaran terutama jika mengandung garam terlarut. Air juga dapat menyebabkan percikan nyala api di ujung burner, yang dapat mematikan nyala api, menurunkan suhu nyala api atau memperlama penyalaan. Spesifikasi khusus bahan bakar minyak terlihat pada tabe dibawah. Karakteristik Bahan bakar Minyak Minyak Furnace L.S.H.S L.D.O Masa Jenis gcc pada 150C 0,89-0,95 0,88-0,98 0,85-0,87 Titik Nyala 0C 66 93 66 Titik Tuang 0C 20 72 18 G.C.V. kKalkg 10.500 10.600 10.700 Endapan, Berat Max. 0,25 0,25 0,1 Total Sulfur, Sampai 0,4 Sampai 0,5 Sampai 1,8 Universitas Sumatera Utara Berat, Max. Kadar Air, Vol. Max. 1,0 1,0 0,25 Abu, Berat Max. 0,1 0,1 0,02 Tabel 3.4. Spesifikasi khusus bahan bakar minyak - Penyimpanan bahan bakar minyak, Akan sangat berbahaya bila menyimpan minyak bakar dalam tong. Cara yang lebih baik adalah menyimpannya dalam tangki silinder, diatas maupun dibawah tanah. Minyak bakar yang dikirim umumnya masih mengandung debu, air dan bahan pencemar lainnya. Ukuran tangki penyimpan minyak bakar sangatlah penting. Perkiraan ukuran penyimpan yang direkomendasikan sedikitnya untuk 10 hari konsumsi normal. Tangki penyimpan bahan bakar untuk industri pada umumnya digunakan tangki mild steel tegak yang diletakkan diatas tanah. Untuk alasan keamanan dan lingkungan, perlu dibuat dinding disekitar tangki penyimpan untuk menahan aliran bahan bakar jika terjadi kebocoran. Pengendapan sejumlah padatan dan lumpur akan terjadi pada tangki dari waktu ke waktu, tangki harus dibersihkan secara berkala: setiap tahun untuk bahan bakar berat dan setiap dua tahun untuk bahan bakar ringan. Pada saat bahan bakar dialirkan dari kapal tanker ke tangki penyimpan, harus dijaga dari terjadinya kebocoran-kebocoran pada sambungan, flens dan pipa-pipa. Bahan bakar minyak harus bebas dari pencemar seperti debu, lumpur dan air sebelum diumpankan ke sistim pembakaran. III.1.1.2 Bahan Bakar Padat Batubara - Klasifikasi Batubara, Batubara diklasifikasikan menjadi tiga jenis utama yakni antracit, bituminous, dan lignit, meskipun tidak jelas pembatasan diantaranya. Pengelompokannya lebih lanjut adalah semiantracit, semi-bituminous, dan sub- bituminous. Antracit merupakan batubara tertua jika dilihat dari sudut pandang geologi, yang merupakan batubara keras, tersusun dari komponen utama karbon dengan sedikit kandungan bahan yang mudah menguap dan ฀amper tidak berkadar air. Lignit merupakan batubara termuda dilihat dari pandangan geologi. Batubara ini merupakan batubara lunak yang tersusun terutama dari bahan yang mudah menguap dan kandungan air dengan kadar fixed carbon yang rendah. Fixed carbon merupakan karbon dalam keadaan bebas, tidak bergabung dengan elemen lain. Bahan yang mudah menguap merupakan bahan batubara yang mudah terbakar yang menguap apabila batubara dipanaskan. Batubara yang umum digunakan, contohnya pada Universitas Sumatera Utara industri di India adalah batubara bituminous dan sub-bituminous. Pengelompokan batubara India berdasarkan nilai kalornya adalah sebagai berikut: Kelas Kisaran Nilai Kalor dalam kKalkg A Lebih dari 6200 B 5600-6200 C 4940-5600 D 4200-4940 E 3360-4200 F 2400-3360 G 1300-2400 Tabel 3.5 Kelas nilai kalor batu bara Komposisi kimiawi batubara berpengaruh kuat pada daya pembakarannya. Sifat-sifat batubara secara luas dik lasifikasikan kedalam sifat fisik dan sifat kimia. - Sifat fisik dan kimia batubara, Sifat fisik batubara termasuk nilai panas, kadar air, bahan mudah menguap dan abu. Sifat kimia batubara tergantung dari kandungan berbagai bahan kimia seperti karbon, hidrogen, oksigen, dan sulfur. Nilai kalor batubara beraneka ragam dari tambang batubara yang satu ke yang lainnya. Nilai untuk berbagai macam batubara diberikan dalam tabel dibawah. Parameter Lignit dasar kering Batubara India Batubara Indonesia Batubara Afrika selatan GCV kKalkg 4500 4000 5500 6000 Tabel 3.6 GCV untuk berbagai jenis batubara - Analisis Batubara, Terdapat dua metode untuk menganalisis batubara: analisis ultimate dan analisis proximate. Analisis ultimate menganalisis seluruh elemen komponen batubara, padat atau gas dan analisis proximate meganalisis hanya fixed carbon, bahan yang mudah menguap, kadar air dan persen abu. Analisis ultimate harus dilakukan oleh laboratorium dengan peralatan yang lengkap oleh ahli kimia yang trampil, sedangkan analisis proximate dapat dilakukan dengan peralatan yang sederhana. Universitas Sumatera Utara Penentuan kadar air dilakukan dengan menempatkan sampel bahan baku batubara yang dihaluskan sampai ukuran 200-mikron dalam krus terbuka, kemudian dipanaskan dalam oven pada suhu 108 +2 o C dan diberi penutup. Sampel kemudian didinginkan hingga suhu kamar dan ditimbang lagi. Kehilangan berat merupakan kadar airnya. Penentuan kadar air Sampel batubara halus yang masih baru ditimbang, ditempatkan pada krus tertutup, kemudian dipanaskan dalam tungku pada suhu 900 + 15 o C. Sampel kemudian didinginkan dan dtimbang. Sisanya berupa kokas fixed carbon dan abu. Metodologi rinci untuk penentuan kadar karbon dan abu, merujuk pada IS 1350 bagian I: 1984, bagian III, IV. Pengukuran bahan yang mudah menguap volatile matter Tutup krus dari dari uji bahan mudah menguap dibuka, kemudian krus dipanaskan dengan pembakar Bunsen hingga seluruh karbon terbakar. Abunya ditimbang, yang merupakan abu yang tidak mudah terbakar. Perbedaan berat dari penimbangan sebelumnya merupakan fixed carbon. Dalam praktek, Fixed Carbon atau FC dihitung dari pengurangan nilai 100 dengan kadar air, bahan mudah menguap dan abu. Pengukuran karbon dan abu - Penyimpanan, handling dan persiapan batubara, Ketidaktentuan dalam ketersediaan dan pengangkutan bahan bakar mengharuskan dilakukannya penyimpanan dan penanganan untuk kebutuhan berikutnya. Kesulitan yang ada pada penyimpanan batubara adalah diperlukannya bangunan gudang penyimpanan, adanya hambatan masalah tempat, penuruan kualitas dan potensi terjadinya kebakaran. Kerugiankerugian kecil lainnya adalah oksidasi, angin dan kehilangan karpet. Oksidasi 1 batubara memiliki efek yang sama dengan kandunag abu 1 dalam batubara. Kehilangan karena angin mencapai 0,5 – 1,0 dari kerugian total. Penyimpanan batubara yang baik akan meminimalkan kehilangan karpet dan kerugian terjadinya pembakaran mendadak. Pembentukan “karpet lunak”, dari batubara halus dan tanah, menyebabkan kehilangan karpet. Jika suhu naik secara perlahan dalam tumpukan batubara, maka dapat terjadi oksidasi yang akan menyebabkan pembakaran yang mendadak dari batubara yang disimpan. Kehilangan karpet dapat dikurangi dengan cara: 1. Mengeraskan permukaan tanah untuk penyimpanan batubara Universitas Sumatera Utara 2. Membuat tempat penyimpanan standar yang terbuat dari beton dan bata Di Industri, batubara di-handling secara manual maupun dengan conveyor. Pada saat handling batubara harus diusahakan supaya sesedikit mungkin batubara yang hancur membentuk partikel kecil dan sesedikit mungkin partikel kecil yang tercecer. Persiapan batubara sebelum pengumpanan ke boiler merupakan tahap penting untuk mendapatkan pembakaran yang baik. Bongkahan batubara yang besar dan tidak beraturan dapat menyebabkan permasalahan sebagai berikut: Kondisi pembakaran yang buruk dan suhu tungku yang tidak mencukupi Udara berlebih yang terlalu banyak mengakibatkan kerugian cerobong yang tinggi Meningkatnya bahan yang tidak terbakar dalam abu Rendahnya efisiensi termal III.1.1.3 Bahan Bakar Gas Bahan bakar gas merupakan bahan bakar yang sangat memuaskan sebab hanya memerlukan sedikit handling dan sistim burner nya sangat sederhana dan hampir bebas perawatan. Gas dikirimkan melalui jaringan pipa distribusi sehingga cocok untuk wilayah yang berpopulasi tinggi atau padat industri. Walau begitu, banyak pemakai perorangan yang besar memiliki penyimpan gas, bahkan beberapa diantara mereka memproduksi gasnya sendiri. III.1.1.3.1 Jenis jenis bahan bakar gas Berikut adalah daftar jenis-jenis bahan bakar gas: Bahan bakar yang secara alami didapatkan dari alam: − Gas alam − Metan dari penambangan batubara Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat − Gas yang terbentuk dari batubara − Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa − Dari proses industri lainnya gas blast furnace Gas yang terbuat dari minyak bumi − Gas Petroleum cair LPG − Gas hasil penyulingan Universitas Sumatera Utara − Gas dari gasifikasi minyak Gas-gas dari proses fermentasi Bahan bakar bentuk gas yang biasa digunakan adalah gas petroleum cair LPG, gas alam, gas hasil produksi, gas blast furnace, gas dari pembuatan kokas, dll. Nilai panas bahan baker gas dinyatakan dalam Kilokalori per normal meter kubik kKalNm 3 ditentukan pada suhu normal 20 C dan tekanan normal 760 mm Hg. III. 1.1.3.2. Sifat sifat bahan bakar gas Karena hampir semua peralatan pembakaran gas tidak dapat menggunakan kadungan panas dari uap air, maka perhatian terhadap nilai kalor kotor GCV menjadi kurang. Bahan bakar harus dibandingkan berdasarkan nilai kalor netto NCV. Hal ini benar terutama untuk gas alam, dimana kadungan hidrogen akan meningkat tinggi karena adanya reaksi pembentukan air selama pembakaran. Sifat- sifat fisik dan kimia berbagai bahan bakar gas diberikan dalam Tabel Bahan Bakar Gas Masa Jenis Relatif Nilai Kalor yang lebih tinggi kkalNm 3 Perbandingan UdaraBahan bakar - m 3 udara terhadap m 3 Bahan Bakar Suhu Nyala api o C Kecepatan Nyala api ms Gas Alam 0,6 9350 10 1954 0,290 Propan 1,52 22200 25 1967 0,460 Butan 1,96 28500 332 1973 0,870 Tabel 3.7 Sifat-sifat fisik dan kimia berbagai bahan bakar gas III.1.1.3.3. LPG LPG terdiri dari campuran utama propan dan Butan dengan sedikit persentase hidrokarbon tidak jenuh propilen dan butilene dan beberapa fraksi C 2 yang lebih ringan dan C 5 yang lebih berat. Senyawa yang terdapat dalam LPG adalah propan C 3 H 8 , Propilen C 3 H 6 , normal dan iso-butan C 4 H 10 dan Butilen C 4 H 8 . LPG merupakan campuran dari hidrokarbon tersebut yang berbentuk gas pada tekanan atmosfir, namun dapat diembunkan menjadi bentuk cair pada suhu normal, dengan tekanan yang cukup besar. Walaupun digunakan sebagai gas, namun untuk kenyamanan dan kemudahannya, disimpan dan ditransport dalam bentuk cair dengan tekanan tertentu. LPG cair, jika menguap membentuk gas dengan volum sekitar 250 kali. Uap LPG lebih berat dari udara: butan beratnya sekitar dua kali berat udara dan Universitas Sumatera Utara propan sekitar satu setengah kali berat udara. Sehingga, uap dapat mengalir didekat permukaan tanah dan turun hingga ke tingkat yang paling rendah dari lingkungan dan dapat terbakar pada jarak tertentu dari sumber kebocoran. Pada udara yang tenang, uap akan tersebar secara perlahan. Lolosnya gas cair walaupun dalam jumlah sedikit, dapat meningkatkan campuran perbandingan volum uapudara sehingga dapat menyebabkan bahaya. Untuk membantu pendeteksian kebocoran ke atmosfir, LPG biasanya ditambah bahan yang berbau. Harus tersedia ventilasi yang memadai didekat permukaan tanah pada tempat penyimpanan LPG. Karena alasan diatas, sebaiknya tidak menyimpan silinder LPG di gudang bawah tanah atau lantai bawah tanah yang tidak memiliki ventilasi udara. III.1.1.3.4. Gas Alam Metan merupakan kandungan utama gas alam yang mencapai jumlah sekitar 95 dari volum total. Komponen lainnya adalah: Etan, Propan, Pentan, Nitrogen, Karbon Dioksida, dan gasgas lainnya dalam jumlah kecil. Sulfur dalam jumlah yang sangat sedikit juga ada. Karena metan merupakan komponen terbesar dari gas alam, biasanya sifat metan digunakan untuk membandingkan sifat-sifat gas alam terhadap bahan bakar lainnya. Gas alam merupakan bahan bakar dengan nilai kalor tinggi yang tidak memerlukan fasilitas penyimpanan. Gas ini bercampur dengan udara dan tidak menghasilkan asap atau jelaga. Gas ini tidak juga mengandung sulfur, lebih ringan dari udara dan menyebar ke udara dengan mudahnya jika terjadi kebocoran. Perbandingan kadar karbon dalam minyak bakar, batubara dan gas diberikan dalam tabel dibawah. Bahan Bakar Minyak Batubara Gas Alam Karbon 84 41,11 74 Hidrogen 12 2,76 25 Sulfur 3 0,41 - Oksigen 1 9,89 Sedikit Nitrogen Sedikit 1,22 0,75 Abu Sedikit 38,63 - Air Sedikit 5,98 - Tabel 3.8 Perbandingan komposisi kimia berbagai bahan bakar Universitas Sumatera Utara III.2 KONVERSI ENERGI Dalam PLTU, energi yang dikonversikan menjadi energi listrik adalah bahan bakar. Energi yang digunakan dapat berupa batubara padat, minyak cair, atau gas. Ada kalanya PLTU menggunakan kombinasi beberapa macam bahan bakar. Konversi energi tingkat pertama 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 kedalam air yang ada didalam 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. Secara skematis, proses tersebut di atas digambarkan oleh gambar 3.1 Gambar 3.1 Konversi energi pada PLTU Gambar 3.1 menggambarkan siklus uap dan air yang berlangsung dalam PLTU, yang dayanya relatif besar diatas 200 MW. Untuk PLTU ukuran ini, PLTU umumnya memiliki pemanas ulang dan pemanas awal serta mempunyai 3 turbin yaitu Universitas Sumatera Utara turbin tekanan tinggi, turbin tekanan menengah, dan turbin tekanan rendah. Siklus yang digambarkan oleh gambar 3.1 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 blowdown air dari drum ketel. Air dipompakan kedalam drum dan selanjutnya mengalir ke pipa-pipa air yang merupakan dinding yang mengelilingi ruang bakar ketel. Kedalam ruang bakar ketel disemprotkan bahan bakar dan udara pembakaran. Bahan bakar dan udara pembakaran 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 kalor. 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 beda, misalnya bahan bakar minyak paling banyak memindahkan kalori hasil pembakaran melalui radiasi dibandingkan dengan 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 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 didalam 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 di dalam pipa air ketel. Gas buang yang masih mempunyai suhu diatas 400 C ini dimanfaatkan untuk memanasi.: A. Pemanas Lanjut Super Heater Didalam 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 disekeliling pemanas lanjut. B. Pemanas Ulang Reheater Universitas Sumatera Utara Uap yang telah digunakan untuk menggerakkan turbin tekanan tinggi, sebelum menuju turbin tekanan menengah, dialirkan kembali melalui yang dikelilingi oleh gas buang. Di sini uap akan mengalami kenaikan suhu yang serupa dengan pemanas lanjut. C. Economizer Air yang dipompakan kedalam ketel, terlebih dahulu dialirkan melalui economizer agar mendapat pemanasan oleh gas buang. Dengan demikian suhu air akan lebih tinggi ketika masuk ke pipa air di dalam ruang yang selanjutnya akan mengurangi jumlah kalori yang diperlukan untuk penguapan lebih ekonomis D. Pemanas Udara Udara yang akan dialirkan kedalam ruang pembakaran yang dipergunakan untuk membakar bahan bakar terlebih dahulu dialairkan melalui pemanas udara agar mendapat pemanasan oleh gas buang sehingga suhu udara pembakaran naik yang selanjutnya akan mempertinggi suhu nyala pembakaran. III.3 RUGI-RUGI Sesuai dengan hukum II termodinamika yang menyatakan bahwa energi termal tidak dapat dikonversi menjadi kerja oleh proses siklus dengan efisiensi 100 maka setiap alat konversi energi akan mempunyai rugi-rugi. Pada pembangkit listrik tenaga uap terdapat tiga alat konversi energi yang bekerja pada sistem yaitu boiler atau ketel uap, turbin uap dan generator listrik atau alternator. Proses pembakarn dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram aliran 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 menunjukkan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masing-masing. Universitas Sumatera Utara Gambar 3.2 Diagram neraca energi boiler Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Kerugian ditiap-tiap tingkat turbin adalah kerugian di sudu-sudu turbin, kerugian gesekan dan kerugian ventilasi, serta kerugian kebocoran celah. Sudu-sudu turbin adalah suatu tempat dimana energi aliran uap harus diubah menjadi gaya keliling. Didalam sudu jalan turbin tekanan sama aliran uap dibelokkan 150 o dan lebih, kecepatan uapnya juga tinggi, maka kerugian kecepatan pada tingkat dari turbin ini dihitung sampai 7 . Untuk tingkat dari turbin tekanan lebih kecepatan uap dan belokanya lebih kecil, aliran uapnya lebih baik karena pada waktu yang bersamaan uap tersebut mendapat percepatan akibat dari ekspansi dan kerugian percepatan yang ada diperhitungkan sekitar 4 . Panjang sudu mempunyai pengaruh. Untuk sudu yang pendek kerugianya makin tinggi, karena hantaran pancaran uap cuma sedikit, sehingga di kaki dan kepala sudu terjadi pusaran uap dan gangguan- gangguan. Pada turbin uap terjadi kerugian gesekan dengan roda uap, harga gesekan ini akan makin besar bila diameter roda makin besar dan makin tinggi kecepatan roda serta makin besar kerapatan uapnya. Karena hanya sebagian dari sudu disekeliling roda yang dimasukidigerakkan oleh uap, maka akibatnya akan timbul kerugian ventilasi. Bila sudu jalan yang bergerak melewati bagian yang tidak ada nozel atau sudu pengarahnya, sehingga sudu jalan tersebut tidak dialiridimasuki uap, maka pada bagian ini akan terdapat olakan pada pusaran-pusaran uap, dan hasilnya dari peristiwa Universitas Sumatera Utara ini akan bekerja sebagai rem. Kerugian ventilasi ini tergantung kepada panjang sudu, besarnya pemasukan uap kedalam sudu-sudu turbin dan kecepatan keliling serta kepada kerapatan uap. Untuk turbin yang kecil kerugian ventilasi ini dapat diketahui dengan jelas dan sangat mengurangi efisiensi turbin. Kerugian kebocoran celah terdapat diantara rotor dan rumah turbin pada ujung dari sudu pengarah dan sudu jalan. Makin pendek panjangnya sudu dan makin besar kebutuhan celah untuk mengatasi perbedaan temperatur pada saat turbin start, makin besarlah kerugian kebocorannya. Sebab uap tersebut mengalir di ujung-ujung sudu melalui penampang celah tanpa bekerja memberikan energinya untuk bekerja. Pertimbangan terhadap rugi-rugi mesin listrik merupakan hal yang penting berdasarkan ketiga alasan berikut : 1 rugi-rugi menentukan efisiensi mesin dan cukup berpengaruh terhadap biaya pemakaiannya; 2 rugi-rugi menentukan pemanasan mesin sehingga menentukan pula keluaran daya atau ukuran yang dapat diperoleh tanpa mempercepat keausan isolasinya; dan 3 jatuhnya tegangan atau komponen arus yang bersangkutan dengan rugi-rugi yang dihasilkan harus diperhitungkan dengan semestinya dalam penampilan mesin. Pada umumnya mesin berputar bekerja secara efisien kecuali pada beban ringan. Suatu efisisensi beban penuh dari rata-rata motor, misalnya, berkisar 74 pada motor berukuran 1-dk, 89 pada yang berukuran 50-dk, 93 pada yang berukuran 500-dk, dan 97 pada yang berukuran 5000-dk.. Efisiensi dari motor berkecepatan rendah biasanya lebih rendah dari motor berkecepatan tinggi, penyebaran keseluruhannya adalah 3 atau 4 . Efisiensi mesin listrik pada umumnya ditentukan dengan pengukuran rugi- ruginya, bukan langsung mengukur masukan dan keluaranya dalam keadaan dibebani. Pengukuran rugi-rugi mempunyai keuntungan karena mudah dan murah dilaksanakan dan menghasilkan harga yang lebih teliti dan cermat karena kesalahan presentasi yang diberikan dalam pengukuran rugi-rugi hanya menyebabkan sekitar sepersepuluh kesalahan presentasi pada efisiensinya. Efisiensi yang ditentukan dari pengukuran rugi-rugi dapat dipergunakan dalam membandingkan mesin –mesin sejenis jika metoda pengukuran dan perhitungan yang persis sama dipergunakan untuk tiap-tiap mesin. Dengan alasan inilah maka berbagai rugi-rugi dan persyaratan-persyaratan dalam melakukan pengukuran telah didefinisikan dengan tepat oleh American National Standards Institute, Inc. ANSI, Institutbe of Electrical and Electronic Engineers IEEE, dan National Electrical Manufactures Association NEMA. Berikut ini dibahas tiap rugi-rugi yang kesemuanya merupakan pasal-pasal yang Universitas Sumatera Utara harus diikuti yang diberikan dalam ANSI Standard C50, meskipun tidak disampaikan semuanya secara terperinci. Rugi-rugi I 2 R. Rugi-rugi I 2 R tentu saja akan ditemukan pada semua lilitan mesin. Menurur konvensi, rugi-rugi tersebut dihitung berdasarakan pada tahanan dc dari lilitan pada suhu 75 C. Sesungguhnya rugi-rugi I 2 R tergantung pada tahanan efektif dari lilitan pada fluks dan frekwensi kerjanya. Perbedaan rugi-rugi yang dinyatakan oleh perbedaan antara tahanan dc dan tahanan efektif dimasukkan sebagai rugi-rugi beban tersebar, sebagaimana akan dibahas dibawah. Pada rangkaian medan mesin serempak dan mesin dc, hanya rugi-rugi pada belitan medan yang dikenakan pada mesin, sedangkan rugi-rugi dari sumber luar yang mencatu peneralaan dikenakan pada keseluruhan peralatan yang menggunakan mesin tersebut sebagai salah satu bagiannya. Sangat berkaitan dengan rugi-rugi I 2 R adalah rugi-rugi kontak sikat pada cincin slip dan komutator. Menurut konvensi, rugi-rugi ini biasanya diabaikan pada mesin induksi dan mesin serempak, dan pada mesin dc jenis industri tegangan jatuh pada sikat dianggap tetap sebesar 2 V keseluruhanya jika dipergunakan sikat arang dan grafit dengan shunt. Rugi-rugi mekanis. Rugi-rugi ini terdiri atas gesekan sikat dan bantalan, perlilitan, dan daya yang diperlukan untuk mengalirkan udara melalui mesin dan sistem ventilasi, jika ada, apakah sudah tersedia didalam atau kipas dari luar kecuali daya yang diperlukan untuk mendorong udara melalui terowongan luar yang panjang terhadap mesin. Rugi-rugi gesekan dan perlilitan dapat diukur dengan menentukan masukan pada mesin yang bekerja pada kecepatan yang semestinya tetapi tidak diberi beban dan tidak diteral. Kadang-kadang juga dimasukkan rugi-rugi inti dan ditentukan pada saat yang sama. Rugi-Rugi Inti Rangkaian Terbuka, atau Tanpa beban. Rugi-rugi inti rangkaian terbuka terdiri atas rugi-rugi histerisis dan arus-eddy yang timbul dari perubahan kecepatan fluks pada besi mesin dengan hanya lilitan peneral utama yang diberi tenaga. Peda mesin dc dan mesin serempak, rugi-rugi ini terutama dialami oleh besi armatur, meskipun pembentukan pulsa fluks yang berasal dari mulut celah akan menyebabkan rugi-rugi pada besi medan juga, terutama pada sepatu kutub atau permukaan besi medan. Pada mesin induksi rugi-rugi terdapat terutama pada besi stator. Rugi-rugi inti rangkaian terbuka dapat diperoleh dengan mengukur masukan pada mesin pada saat bekerja tanpa beban pada kecepatan ukuran atau frekuensi Universitas Sumatera Utara ukuran dan dengan fluks atau tegangan yang semestinya dan kemudian mengurangan rugi-rugi perlilitan dan gesekan dan, jika mesin tersebut bekerja sendiri selama dites, rugi-rugi I 2 R armatur tanpa beban rugi-rugi I 2 R stator beban pada motor induksi. Biasanya data diambil untuk suatu kurva rugi-rugi inti sebagai fungsi dari tegangan armatur di sekitar tegangan ukuran. Maka rugi-rugi inti dalam keadaan dibebani ditentukan sebagai harga pada suatu tegangan yang besarnya sama dengan tegangan ukuran yang merupakan perbedaan dari jatuhnya tahanan-ohm armatur pada saat dibebani pada mesin ac merupakan pembetulan fasor. Pada motor induksi, koreksi tidak dilakukan, melainkan digunakan rugi-rugi inti pada tegangan ukuran. Untuk menentukan efisiensi saja, tidak perlu memisahkan rugi-rugi inti rangkaian terbuka dan rugi-rugi gesekan serta perlilitan, jumlah dari kedua rugi-rugi ini dinamakan rugi- rugi putaran tanpa beban. Rugi-rugi arus eddy tergantugn pada kuadrat dari kerapatan fluks, frekuensi, dan ketebalan dari lapisan. Pada keadaan mesin normal besarnya dapat didekati dengan : P e = K e B maks f τ 2 Dimana : τ = tebal lapisan B maks = kerapatan fluks maksimum f = frekuensi K e = tetapan pembilang Harga K e tergantung pada satuan yang digunakan, volume besi, dan resistivitas besi. Ragam dari rugi-rugi histerisis dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan empiris saja. Persamaan yang banyak digunakan adalah : P h = K h fB n maks Dimana K h merupakan tetapan pembanding yang besarnya tergantung pada karakteristik dan volume besi dan satuan yang dipergunakan dan pangkat n berkisar antara 1,5 sampai dengan 2,5 dan biasa diambil 2,0 dalam memperkirakan penampilan mesin. Pada kedua persamaan diatas frekuensi dapat diganti dengan kecepatan dan kerapatan fluks dengan tegangan yang sesuai, dengan mengubah besarnya tetapan pembanding juga. Rugi-Rugi Beban Tersebar. Rugi-rugi beban tersebar terdiri atas rugi-rugi yang timbul karena pembagian arus tak seragam pada tembaga dan rugi-rugi inti Universitas Sumatera Utara tambahan yang dihasilkan pada besi karena gangguan pada fluks magnit oleh arus beban. Rugi-rugi ini sukar ditentukan secara tepat. Sesuai konvensi diambil 1,0 persen dari keluaran untuk mesin dc. Untuk mesin serempak dan mesin induksi dapat dicari dengan percobaan. Jika ditinjau, pembagian rugi-rugi pada mesin di atas menunjukkan adanya sedikit sifat, yang jika dipandang secara mendasar seperti tidak alami. Hal tersebut gigambarkan oleh adanya pembagian rugi-rugi besi menjadi rugi- rugi inti tanpa beban dan perbedaan yang muncul setelah dibebani, adanya pembagian dari rugi-rugi I 2 R menjadi I 2 R ohm dan perbedaannya yang timbul oleh adanya pembagian arus tak seragam, dan penjumlahan kedua perbedaan tersebut sebagai sisa- sisa rugi-rugi dan memasukkanya dalam kategori rugi-rugi beban tersebar. III.4 EFISIENSI Seperti telah kita ketahui bahwa energi masukan pada PLTU adalah pemasukan sejumlah bahan bakar pada ruang bakar ketel uap dan dan dikonvesikan melalui media uap sehingga keluaran dari unit pembangkit ini adalah berupa daya listrik pada generator listrik. Keluaran dari generator listrik berupa GGL listrik sebesar : E = 4.44 . f . ф . N Volt E = 2,22 . f . ф . Z Volt Dimana : E : GGL induksi Volt f : Frekwensi listrik Hz ф : besarnya fluks magnet Weber N : jumlah lilitan Z : jumlah sisi lilitan f = 120 .n P Dimana: f : frekuensi listrik P : banyaknya kutub magnet n : putaran generator per menit Universitas Sumatera Utara Jadi jika nilai f dimasukkan ke persaman diatas maka : E = 4.44 . 120 .n P . ф . N Volt Karena nilai P dan N tidak berubah pada generator maka harga-harga yang tidak berubah akan dijadikan menjadi suatu ketetapan yang kita sebut dengan Konstanta K sehingga persamaan lebih mudah untuk dipahami. E = K . n . ф Dimana : E : GGL induksi Volt K : konstanta ф : besarnya fluks magnet Weber Gambar 3.3 Rangkaian listrik generator berbeban Pada generator sinkron berbeban, maka pada kumparan armatur timbul Ia dan Xm akibatnya timbul penurunan GGL armatur tanpa beban. Tegangan terminal Vt yang timbul adalah : Vt = Ea – I Ra + j Xs Vt = Ea – Ia Zs Daya sebuah generator 3 phasa dinyatakan dalam rumus berikut : P = 3 V L L − .I c osφ. Atau P = 3 V N L − . I . cosφ V dalam satu phasa Bila generator diberi beban yang berubah -ubah maka besarnya tegangan terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian : Universitas Sumatera Utara • Resistansi jangkar, resistansi jangkarfasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegangan jatuhfasa dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar. • Reaktansi bocor jangkar, saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang sudah ditentukan, hal seperti ini disebut fluks bocor. • Reaksi jangkar, adanya arus mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani akan menimbulkan fluks jangkar ФA yang berintegrasi dengan fluks yang dihasilkan medan rotor ФF, sehingga akan dihasilkan suatu fluks resultan sebesar ФR = ФA + ФF Dalam sistem tenaga listrik ada dua variabel yang dapat diatur secara bebas, disebut variabel pengatur control variabel, yaitu daya nyata MW dan daya reaktif MVAR. Pengaturan daya nyata akan mempengaruhi frekwensi dan konsumsi bahan bakar, sedangkan pengaturan daya reaktif akan mempengaruhi tegangan dan arus eksitasi fluksi. Pada saat beban listrik naik maka daya yang timbul untuk melawan generator akan makin besar juga sehingga putaran generator akan turun begitu juga dengan tegangan. Turunnya putaran generator maka putaran turbin ikut turun, oleh sebab itu maka diperlukan lebih banyak jumlah uap untuk menaikkan putaran turbin. Untuk menaikkan jumlah uap maka pasokan bahan bakar pada ruang bakar harus ditambah sehingga produksi uap bertambah. Begitu juga sebaliknya jika beban generator berkurang maka putaran generator naik dan tegangan juga naik maka konsumsi bahan bakar perlu dikurangi untuk menjaga frekuensi tetap stabil. 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 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 Universitas Sumatera Utara 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 ketel dan mengurangi pengisian air ketel. Masalahnya disini bahwa walaupun nyala api dalam ruang bakar ketel padam, masih cukup banyak panas yang tertinggal dalam ruang bakar untuk menghasilkan uap sehingga pompa pengisian ketel harus tetap mengisi air ke dalam ketel untuk mencegah penurunan level air dalam drum yang tidak dikehendaki. Mengingat masalah-masalah tersebut diatas 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. Efisiensi PLTU banyak dipengaruhi ukuran PLTU, karena ukuran PLTU menentukan ekonomis tidaknya penggunaan pemanas ulang dan pemanas awal. Efisiensi termis dari PLTU berkisar pada angka 35-38. Efisiensi pada boiler diberikan dengan persamaan sebagai berikut : efisiensi Boiler η = panasmasuk r Panaskelua x 100 efisiensi Boiler η = qxGCV h h Qx f g − x 100 Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler adalah : o Jumlah steam yang dihasilkan per jam Q dalam kgjam o Jumlah bahan bakar yang dipergunakan per jam q dalam kgjam o Tekanan kerja dalam kgcm2g dan suhu lewat panas o C, jika ada Universitas Sumatera Utara o Suhu air umpan o C o Jenis bahan bakar dan nilai pans kotor bahan bakar GCV dalam kkalkg bahan bakar Dimana : o h f : Entalpi steam jenuh dalam kkalkg steam o h g : Entalpi air umpan dalam kkalkg air Efisiensi perubahan energi pada turbin uap sampai kepada tanaga mekanis di kopling turbin didapat dari : η tt = 1 2 1 h h h − = masuk yang panas berguna yang panas _ _ _ _ efisiensi termis Pada hakekatnya efisiensi perpindahan energi ini masih akan lebih kecil lagi karena kerugian di dalam saluran pipa-pipa dan alat-alat bantu jalannya turbin η R = 0,98, dan kerugian didalam turbinya sendiri η e = 0,86 semuanya ini harus diperhitungkan juga. Jadi efisiensi perpindahan energi sampai ke kopling turbin : η W = η tt . η R . η e Efisiensi generator listrik dapat dihitung dengan persamaan berikut : Efisiensi = rugi ugi Pout Pout − + Pr x 100 Dimana Pout = daya yang dikeluarkan output = Vt . I L watt Pin = daya yang dimasukkan input P rugi-rugi = rugi-rugi mekanik+histerisis+inti dll Jadi efisiensi keseluruhan pada PLTU mulai dari bahan bakar sampai pada energi listrik yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan berikut : 100 x Pin Pout Universitas Sumatera Utara Pout : energi keluaran pada generator watt Pin : energi masukan pada boilerketel uap kkaljam atau kJjam Catatan : 1 watt = 1 Jouledetik : 1 kkal = 4186 Joule : 1 Joule = 0,24 kal Universitas Sumatera Utara

BAB IV OPERASIONAL PLTU PADA PT. MUSIM MAS