TUGAS BESAR PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GA
TUGAS BESAR
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS
Diajukan untuk memenuhi tugas besar mata kuliah Pembangkit Energi Elektrik
Dosen :
Syahrial M.T.
Disusun oleh :
M. Robbie K.
11.2011.026
Fauzi Hadianto
11.2011.030
Ahmad Robby N.M
11.2011.031
Agytia Indrajaya
11.2011.032
Aulia N.F
11.2011.033
M. Ramdhan
11.2011.035
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL
BANDUNG
2014
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Sejalan dengan berlangsungnya waktu, sumber daya manusia yang terus bertambah
ini akan menyebabkan suatu peristiwa kebutuhan sumber daya alam yang semakin
meningkat. Salah satu dari kebutuhan yang sangat penting di dunia ini adalah sumber
energi listrik, Di mana pada jaman modern ini bisa dikatakan bahwa segala sesuatu selalu
berhubungan dengan yang namanya listrik. Tidak dapat dipungkiri bahwa semakin
sulitnya menyalurkan energi listrik ini dalam jumlah banyak, terbukti adanya jadwal
pemadaman listrik secara bergilir untuk beberapa wilayah guna mengurangi pemakaian
listrik.
Di negara Indonesia sedang dalam proses pemenuhan kebutuhan dari pasokan listrik,
sehingga para ilmuwan dan pihak pemerintah sedang menjalankan suatu solusi dimana
akan membangun Pembangkit Listrik dengan bahan baku yang tidak hanya minyak. Kita
tahu bahwa Pembangkit listrik yang jumlahnya sangat banyak di Indonesia dan mungkin
seluruh dunia ialah menggunakan bahan bakar solar, mengingat bahwa ironisnya solar
merupakan SDM yang tidak dapat diperbaharui dan mulai sedikit keberadaannya.
Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) merupakan salah satu pembangkit listrik
yang memanfaatkan bahan bakar gas. Dalam proses menghasilkan energi listrik,
Pembangkit Listrik Tenaga Gas memiliki beberapa komponen utama antara lain
Kompresor, Turbin Gas, Combuster, dan Generator. Semua komponen tersebut
terintegrasi menjadi satu kesatuan sistem unit yang bekerja untuk dapat menghasilkan
listrik. Dalam proses produksinya, unit PLTG sangat dipengaruhi oleh evaluasi kinerja
dari setiap komponen komponen yang terlibat di dalam unit PLTG tersebut.
Dari pernyataan diatas, sehingga penulis akan menjelaskan tentang Pembangkit
Listrik Tenaga Gas secara detail di bab selanjutnya.
1.2. Rumusan masalah
Berdasarkan latar belakang di atas dapat diberikan perumusan masalah sebagai
berikut:
1. Sejarah awal mula Pembangkit Listrik Tenaga Gas ?
2. Definisi PLTG ?
3. Prinsip Kerja dari PLTG ?
4. Siklus PLTG ?
5. Instrumentasi dan Sistem Proteksi PLTG ?
6. Operasi PLTG
7. Sistem Kelistrikan PLTG ?
8. Single Line Diagram PLTG ?
9. Layout PLTG ?
10. Kelebihan dan kekurangan PLTG ?
1.3. Tujuan Penulisan
Dari rumusan masalah diatas, dapat disimpulkan bahwa tujuan pembuatan makalah
ini agar dapat mengetahui :
1. Sejarah awal mula Pembangkit Listrik Tenaga Gas
2. Definisi PLTG
3. Prinsip Kerja dari PLTG
4. Siklus PLTG
5. Instrumentasi dan Sistem Proteksi PLTG
6. Operasi PLTG
7. Sistem Kelistrikan PLTG
8. Single Line Diagram PLTG
9. Layout PLTG
10. Kelebihan dan kekurangan PLTG
1.4. Manfaat Penulisan
Penulisan tugas besar ini, supaya penulis dan pembaca bisa lebih memahami tentang
pembangkit listrik tenaga gas, beserta sistem operasi dari PLTG.
1.5. Pembatasan Masalah
Adapun batasan-batasan masalah dalam pembuatan tugas besar ini hanya menjelaskan apa
yang dipaparkan dalam rumusan masalah diatas.
1.6. Sistematika Penulisan
BAB I
: Pada bab ini penulis akan membahas tentang latar
belakang, rumusan masalah, tujuan penulisan,
PENDAHULUAN
manfaat penulisan, pembatasan masalah serta
sistematika penulisan.
BAB II
TEORI DASAR
:
Pada bab ini akan menjelaskan : Sejarah awal
mula Pembangkit Listrik Tenaga Gas, Definisi
PLTG, Prinsip Kerja dari PLTG, Siklus PLTG,
Instrumentasi dan Sistem Proteksi PLTG,
Operasi PLTG, Sistem Kelistrikan PLTG, Single
Line Diagram PLTG, Layout PLTG, serta
Kelebihan dan kekurangan PLTG.
BAB III
METODELOGI
: Pada bab ini penulis menjelaskan perancangan
PLTG yang diambil dari contoh soal tentang
PLTG.
BAB IV
KESIMPULAN DAN SARAN
: Pada bab ini penulis akan menyimpulkan dari
hasil
penjelasan-penjelasan
sebelumnya.
pada
bab
BAB II
TEORI DASAR
2.1. Sejarah awal mula Pembangkit Listrik Tenaga Gas
Teknologi transmisi dan distribusi jaringan listrik hampir tidak mengalami
perubahan selama 100 tahun. Sementara teknologi lain seperti media digital pribadi dan
energi yang terdistribusi sudah sangat berkembang, dan perkembangan tersebut gagal
diikuti oleh teknologi jaringan listrik. Pada sisi transmisi, yang menjadi permasalahan
adalah cukupkah transmisi yang ada untuk mengalirkan listrik yang bersumber dari energi
terbarukan ke dalam jaringan transmisi dan distribusi. Karena banyak sumber energi
terbarukan yang terletak di lokasi yang sangat jauh dari pusat beban. Untuk saat ini, ada
beberapa teknologi jaringan listrik yang bisa dipertimbangkan para pengembang jaringan,
yaitu HVDC dan kabel berteknologi nano. High Voltage Direct Current (HVDC), meski
bukan merupakan konsep baru, tetapi di Amerika Serikat menjadi perhatian seiring dengan
banyaknya energi listrik yang bersumber dari energi terbarukan yang harus dikirimkan
kepada beban.
Sektor distribusi menghadapi masalah yang lain lagi, meteran dan laju beban yang
bisa timbul dengan adanya pembangkit-pembangkit listrik energi terbarukan skala kecil.
Artinya, dibutuhkan sistem jaringan listrik yang ”cerdas”. Untuk mengatur dan
mengendalikan listrik masuk ke dalamnya, peralatan pengatur interaktif, pengawasan
jaringan, fasilitas penyimpanan energi dan sistem yang bisa memberikan respon adanya
permintaan perlu diterapkan. Meng-upgrade infrastruktur transmisi dan distribusi tidak
murah dan tidak bisa dapat dilakukan dalam waktu dekat. Menurut Electric Power
Research Institute, biaya yang diperlukan untuk upgrading jaringan dengan teknologi
”cerdas” sebesar US$ 100 milyar. Penyedia listrik dan jaringan akan membayar mahal
untuk upgrading tersebut, sama halnya dengan para pelanggannya yang akan membayar
lebih mahal. Tetapi, walau bagaimanapun, besarnya biaya yang dibutuhkan untuk upgrade
sebanding dengan dampak ekonomi yang akan terjadi jika terjadi kegagalan jaringan
listrik. Sebagai contoh, di tahun 2003 sebagian wilayah utara Amerika Serikat mengalami
black out dan kerugian yang dialami sekitar US$ 6 milyar hanya untuk beberapa hari.
Bersamaan dengan ini, akhirnya tenaga listrik dibangkitkan di pusat–pusat listrik
(power station) dan menambah pembangkit PLTG, kemudian disalurkan melalui saluran
transmisi setelah terlebih dahulu dinaikkan tegannya oleh transformator penaik tegangan
yang berada di pusat listrik. Saluran tegangan tinggi di Indonesia mempunyai tegangan
150 kV yang disebut sebagai Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) dan tegangan 500
kV yang disebut sebagai Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi (SUTET).
2.2. Definisi PLTG
Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik
yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin
gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang
dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan
selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya.
2.3. Cara Kerja PLTG
Gambar 2.1 Skema PLTG
Apabila kita berbicara tentang PLTG maka kita harus berpikir tentang open cycle.
Pada open cycle dimulai dari pemompaan bahan bakar dan pemasukan udara dari intake
air filter menuju combuster. Di combuster campuran bahan bakar dan udara disemprotkan
oleh nozzle sehingga di ruang bakar terjadi pembakaran. Pembakaran tadi akan memutar
turbin gas yang selanjutnya akan memutar generator yang akan menghasilkan energi
listrik.
Sedangkan pinsip kerja dari sebuah PLTG didasarkan pada siklus Brayton seperti
pada diagram (p, v dan t, s) dibawah ini:
Gambar 2.2 Diagram siklus Brayton
Pada Gambar 2.25 dijelaskan bahwa mula-mula udara dari atmosfir ditekan di dalam
kompresor hingga temperature dan tekanannya naik dan proses ini biasa disebut dengan
proses kompresi dimana sebagian udara yang dihasilkan ini digunakan sebagai udara
pembakaran dan sebagiannya digunakan untuk mendinginkan bagian-bagian turbin gas.
Didalam ruang bakar sebagian udara pembakaran tersebut akan bercampur dengan bahan
bakar yang diinjeksikan kedalamnya dan dipicu dengan spark plug akan menghasilkan
proses pembakaran hingga menghasilkan gas panas (energi panas) dengan temperature dan
tekanan yang tinggi, dari energi panas yang dihasilkan inilah kemudian akan dimanfaatkan
untuk memutar turbin dimana didalam sudu-sudu gerak dan sudu-sudu diam turbin, gas
panas tersebut temperature dan tekanan mengalami penurunan dan proses ini biasa disebut
dengan proses ekspansi. Selanjutnya energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin
digunakan untuk memutar generator hingga menghasilkan energi listrik.
Ada beberapa macam siklus kerja turbin gas sebagai berikut:
1. Turbin gas siklus terbuka (open cycle)
Seperti pada proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang
diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan
temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan
atmosfir, selanjutnya gas bekas ini dibuang atau dialirkan ke udara luar, yang
ditunjukkan seperti pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Turbin Gas siklus terbuka
2.
Turbin gas siklus tertutup (closed cycle)
Seperti pada proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang
diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan
temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan
atmosfir, selanjutnya gas bekas ini dialirkan ke kedalam penukar panas (heat
rejected) untuk didinginkan dengan menggunakan media pendingin air atau udara
hingga temperaturnya turun dan dialirkan lagi kedalam sisi masuk (suction)
kompresor untuk dikompresi lagi, yang ditunjukkan seperti pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Turbin gas siklus tertutup
3.
Turbin gas siklus terbuka dilengkapi dengan regenerator
Seperti pada kedua proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang
diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan
temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan
atmosfir, selanjutnya gas bekas (flue gas) ini dialirkan kedalam heat exchanger
yang dikenal dengan istilah regenerator dimana didalamnya gas bekas ini
digunakan untuk memanaskan udara keluar kompresor sebelum digunakan
sebagai udara pembakaran didalam ruang bakar (combustion chamber), seperti
ditunjukkan pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Turbin gas siklus terbuka dengan regenerator
4.
Turbin gas siklus terbuka dilengkapi dengan intercooler, regenerator dan
reheater
Pada siklus ini baik kompresor maupun turbin gas masing-masing terdiri
dari 2 (dua) bagian yang terpisah dan biasa disebut dengan kompresor tekanan
rendah dan kompresor tekanan tinggi serta turbin gas tekanan rendah dan turbin
gas tekanan tinggi. Aliran udara dan gas-gas yang dihasilkan dapat dijelaskan
sebagai berikut, mula-mula udara atmosfir masuk kedalam kompresor tekanan
rendah untuk dikompresi, dari udara tekan yang dihasilkan dialirkan kedalam
intercooler untuk didinginkan hingga menghasilkan temperature dan
kelembaban serta tekanan yang diinginkan dengan menggunakan media
pendingin air atau media pendingin lainnya, dari sini udara tersebut dialirkan ke
dalam kompresor tekanan tinggi untuk dikompresi lagi hingga menghasilkan
temperature yang tinggi dan tekanan dengan kepadatan yang lebih tinggi.
Dari keluaran kompresor tekanan tinggi udara tersebut dialirkan
kedalam regenerator untuk mendapatkan temperature yang lebih tinggi lagi
yang bertujuan untuk memudahkan terjadinya proses pembakaran dengan
melalui media pemanas gas bekas/buang (flue gas) yang memanfaatkan gas
bekas hasil dari turbin tekanan rendah. Selanjutnya udara keluaran dari
regenerator dialirkan kedalam ruang bakar utama (primary combustionchamber)
yang menghasilkan proses pembakaran dan dari proses ini dihasilkan gas panas
yang digunakan untuk memutar turbin tekanan tinggi, hasil ekspansi gas panas
dari turbin tekanan tinggi ini berupa gas bekas (flue gas) dialirkan kedalam
ruang bakar kedua (secondary combustion chamber) dan biasa disebut juga
dengan reheater chamber yang selanjutnya gas bekas tersebut digunakan untuk
udara pembakaran didalamnya yang mampu menghasilkan gas panas lagi dan
digunakan untuk memutar turbin tekanan rendah, siklustersebut diatas seperti
ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 2.6 Turbin gas siklus terbuka dengan intercooler, regenerator
dan reheater
Dari ketiga terakhir siklus turbin gas diatas secara keseluruhan
dimaksudkan untuk menghasilkan sebuah pusat listrik tenaga gas (PLTG)
dengan tingkat efisiensi yang diharapkan lebih tinggi dari turbin gas siklus
terbuka. Adapun sebagai pendukung pusat listrik tenaga gas ini digunakan
untuk beberapa alat bantu (auxiliary equipments) untuk membantu proses
siklus turbin gas berjalan dengan baik, seperti:
1.
Sistem pelumas (lube oil system).
2.
Sistem bahan bakar (fuel system).
3.
Sistem pendingin (cooler system).
4.
Sistem udara kontrol (air control system).
5.
Sistem hidrolik (hydraulic system).
6.
Sistem udara tekan (air pressure system).
7.
Sistem udara pengkabutan (atomizing air system).
2.4. Instrumensasi dan Sistem Proteksi PLTG
A. Kompresor Utama
Kompresor utama adalah kompesor aksial yang berguna untuk memasok udara
bertekanan ke dalam ruang bakar yang sesuai dengan kebutuhan. Kapasitas kompresor
harus cukup besar karena pasokan udara lebih (excess air) untuk turbin gas dapat
mencapai 350 %. Disamping untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna, udara
lebih ini digunakan untuk pendingin dan menurunkan suhu gas hasil pembakaran.
B. Inlet Guide Vanes (IGV)
Pada kompresor berkapasitas besar, diisi udara masuk kompresor, yaitu pada inlet
guide vanes dipasang variabel IGV, sedangkan pada kompresor berukuran kecil
umumnya dipasang Fixed Guide Vanes. Variabel IGV berfungsi untuk mengatur
volume udara yang dikompresikan sesuai dengan kebutuhan atau beban turbin. Pada
saat Start Up, IGV juga berfungsi untuk mengurangi surge. Pada saat stop dan selama
start up, IGV tertutup ( pada unit tertentu, posisi IGV 34-48% ), kemudian secara
bertahap membuka seiring dengan meningkatnya beban turbin. Pada beban turbin
tertentu, IGV terbuka penuh (83-92%). Selama stop normal IGV perlahan-lahan
ditutup bersamaan dengan turunnya beban, sedangkan pada stop emergency, IGV
tertutup bersamaan dengan tertutupnya katup bahan bakar.
C. Combustion Chamber
Combustion Chamber adalah ruangan tempat proses terjadinya pembakaran. Ada
turbin gas yang mempunyai satu atau dua Combustion Chamber yang letaknya terpisah
dari casing turbin, akan tetapi yang lebih banyak dijumpai adalah memiliki
Combustion Chamber dengan beberapa buah Combustion basket, mengelilingi sisi
masuk (inlet) turbin. Di dalam Combustion Chamber dipasang komponen-komponen
untuk proses pembakaran beserta sarana penunjangnya, diantaranya: Fuel Nozzle,
Combustion Liner, Transition Piece, Igniter, Flame Detektor
D. Turbin Gas
Turbin Gas berfungsi untuk membangkitkan energi mekanis dari sumber energi panas
yang dihasilkan pada proses pembakaran. Selanjutnya energi mekanis ini akan
digunakan untuk memutar generator listrik baik melalui perantaraan Load Gear atau
tidak, sehingga diperoleh energi listrik. Bagian-bagian utama Turbin Gas adalah: Sudu
Tetap, Sudu Jalan, Saluran Gas Buang, Saluran Udara Pendingin, Batalan, Auxiallary
Gear.
Gambar Turibn Gas
E. Load Gear
Load Gear atau main Gear adalah roda gigi penurun kecepatan putaran yang dipasang
diantara poros Turbin Compressor dengan poros Generator. Jaringan listrik di
Indonesia. Memilii frekwensi 50 Hz, sehngga putaran tertinggi generator adalah 3000
RPM, sedangkan putaran turbin ada yang 4800 RPM atau lebih.
F. Alat Bantu
Pada saat muai start up, belum tersedia udara untuk pembakaran. Udara pembakaran
disuplai oleh kompresor aksial, sedangkan kompresor aksial harus diputar oleh turbin
yang pada saat start up belum menghasilkan tenaga bahkan belum berputar. Oleh
karenanya, pada saat start up perlu ada tenaga penggerak lain yang dapat diperoleh dari
: Motor generator, Motor Listrik, Mesin Diesel
Peralatan pendukung PLTG
Berikut adalah peralatan pendukung yang digunakan dalam kinerja Pembangkit Listrik
Tenaga Gas (PLTG):
a. Air intake. Berfungsi mensuplai udara bersih ke dalam kompresor.
b. Blow off valve. Benrfungsi mengurangi besarnya aliran udara yang masuk kedalam
kompressor utama atau membuang sebagian udari dari tingkat tertentu untuk
menghindari terjadi stall tekanan udara yang besar dan tiba-tiba terhadap suhu
kompresor yang menyebabkan patahnya suhu kompresor)
c. VIGV (Variavle Inlet Guide Fan) Berdungsi penyalaan awal atau start up. Campuran
bahan bakar dengan udara dapat menyala oleh percikan bunga api dari ignitor yang
terpasang di dekat fuel nozzle burner dan campuran bahan bakar menggunakan bahan
bakar propane atau LPG
d. Lube oil system. Berfungsi memberikan pelumasan dan juga sebagai pendingin
bearing-bearing seperti beraring turbin, kompressor, generator. Memberikan minyak
pelumas ke jacking oil system, memberikan suplai minyak pelumas ke power oil
system. Sistem pelumas di dinginkan oleh pendingin siklus tertutup.
e. Hydraulic Rotor Varring. Rotor bearing system terdiri dari : DC pump, Manual
Pump, Constant pressure valve, pilot valve, hydraulic piston rotor barring. Rotor
barring beroperasi pada saat unit stand by dan unit shutdown (selesai operasi). Rotor
barring on < 1 rpm. Akibat yang timbul apabila rotor barring bermasalah ialah rotor
bengkok dan pada saat start up akan timbul vibrasi yang tinggi dan dapat menyebabkan
gas turbin trip.
f. Exhaust fan oil vapour. Berfungsi utama membuang gas-gas yang tidak terpakai yang
terbawa oleh minyak pelumas setelah melumasi bearing-bearing turbin, kompressor
dan generator. Fungsi lain adalah membuat vaccum di lube oil tank yang tujuannya
agar proses minyak kembali lebih vepat dan untuk menjaga kerapatan minyak pelumas
di bearing-bearing (seal oil) sehingga tidak terjadi kebocoran minyak pelumas sisi
bearing.
g. Power Oil System berfungsi mensuplai minyak pelumas ke:
- Hydraulic piston untuk menggerakan VIGV
- Control-control valve (CV untuk bahan bakar dan CV untuk air)
- Protection dan safety system (trip valve staging valve)
Terdiri dari 2 buah pompa yang digerakan oleh 2 motor AC.
Jacking Oil System berfungsi mensuplai minyak ke journal bearing saat unit shut
down atau standby dengan tekanan yang tinggi dan membentuk lapisan film di
bearing.
Terdiri dari 6 cylinder piston-piston yang mensuplai ke line-line:
- Dua line mensuplai minyak pelumas ke journal bearing.
- Dua line mensuplai minyak pelumas ke compressor journal bearing.
- Satu line mensuplai minyak pelumas ke drive end generator journal bearing.
- Satu line mensuplai minyak pelumas ke non drive end generator journal bearing.
Filosofi dasar dari sistem proteksi adalah bagaimana melindungi sistem tenaga listrik dari
ekses gangguan yang terjadi pada sistem dengan cara memisahkan gangguan tersebut dari
sistem lainnya dengan cepat dan tepat. Kualitas sistem proteksi yang diinginkan adalah
yang cepat,sensitif,selektif dan andal. Cepat berarti, reaksi sistem proteksi tersebut harus
secepat mungkin memisahkan daerah yang terganggu dari sistem lainnya, tanpa
menimbulkan hal-hal lain yang menimbulkan bentuk gangguan baru pada sistem. Sensitif
berarti, sistem proteksi tersebut bereaksi terhadap gangguan yang bagaimanapun kecilnya
selama gangguan tersebut termasuk dalam tugasnya. Selektif berarti, sistem proteksi
tersebut harus bereaksi dengan tepat, sehingga yang dipisahkan dari sistem hanya bagian
yang terganggu, tanpa menyebabkan bagian lain yang tidak seharusnya terpisah dari sistem
turut dipisahkan dari sistem.
Andal berarti, sistem proteksi tersebut akan bekerja sesuai apa yang diharapkan, dimana
keandalan dapat mengacu pada konsep”security”atau”dependability”. Keandalan dengan
konsep security berarti, suatu kepastian bahwa sistem proteksi tidak akan salah operasi,
yang berarti sistem proteksi tidak akan bereaksi terhadap gangguan yang bukan
diperuntukkan kepadanya bagaimanapun besarnya gangguan tersebut, sedangkan
keandalan dengan konsep dependability berarti suatu kepastian bahwa sistem proteksi
pasti bereaksi untuk kondisi yang dirasakan sebagai kondisi gangguan.
Dalam banyak sistem kedua hal di atas tidak mungkin kedua duanya dipenuhi 100%,
sehingga banyak sistem yang merupakan sistem kompromi antar keduannya.
Kesederhanaan, dimana digunakan peralatan dan rangkaian yang sederhana akan tetapi
tujuan tercapai. Ekonomis, dimana dengan biaya yang minimum dapat dicapai fungsi
proteksi yang maksimum.
2.4.1 Alat Sensor
Alat sensor berfungsi untuk mendeteksi perubahan parameter pada sistem dari
peralatan yang diproteksi. Alat sensor ini berupa VT (voltage transformer) dan CT
(current transformer).
2.4.2 Relay Proteksi
Pada PLTG GE relay proteksi yang digunakan adalah relay numeric yang mana
dikendalikan oleh sebuah microprocessor. Relay numeric atau relay digital yang
digunakan adalah DGP System. DGP system adalah sebuah mikroprosesor yang
dikombinasikan dengan relay digital di mana menggunakan sampling bentuk
gelombang dari arus dan tegangan input untuk keperluan proteksi, control, dan
memonitor generator. Sampling tadi digunakan untuk menghitung arus dan phasa
tegangan yang mana digunakan untuk fungsi alogaritma proteksi. DGP System
menggunakan interface MMI (Man Machine Interface) dan DGP LINK software
komunikasi yang sesuai dengan GE digital relay system.
Di bawah ini beberapa fungsi proteksi yang ada pada DGP System :
1. Stator Differential (87G)
2. Current Unbalance (46)
3. Loss of Exicitation (40)
4. Antimotoring (32-1)
5. Time overcurrent with voltage restraint (51V)
6. Stator Ground (64G1)
7. Ground Overcurrent ( 51 GN)
8. Over exicitation (24)
9. Overvoltage (59)
10. Undervoltager (27)
11. Over and Undefrequency (81)
12. Voltage Transformer Fuse Failure (VTFF)
Stator Differential
Fungsi ini menyediakan Proteksi dengan kecepatan tinggi selama terjadi gangguan
phasa-phasa, dan tiga phasa didalam stator generator. Stator differential
menggunakan sebuah produk restraint alogaritma dengan dual slope karakteristik.
Stator differential tidak akan bekerja untuk gangguan berulang pada belitan mesin.
Ini juga tidak akan bekerja untuk ganguan satu fasa ketanah, jika sistem tersebut
tidak ditanahkan atau ditanahkan dengan impedansi yang tinggi. Proteksi terhadap
hubung tanah akan berfungsi jika netral dari mesin ( atau salah satu mesin yang
dioperasikan parallel) ditanahkan. Sebuah bagian kecil dari belitan sampai titik
netral tidak dapat diproteksi, jumlah gangguan sangat ditentukan dari tegangan yang
dapat menyebabkan arus pick-up minimum yang mengalir sampai titik netral dan
impedansi pentanahan. Peralatan pembatas arus pada rangkaian netral tanah akan
meningkatkan impedansi netral dan akan menurunkan fungsi proteksi gangguan
tanah.
Current Unbalance
Di sini ada beberapa kondisi tidak normal pada generator, kondisi tidak normal ini
dapat berupa ketidakseimbangan beban, gangguan pada sistem dan rangkaian
terbuka. Komponen urutan negative (I2) dari arus stator berhubungan langsung
dengan kondisi tidak normal ini dan pengaturan jumlah putaran fluks medan pada
mesin. Kekurangan ini akan menyebabkan pemanasan pada inti rotor. Kemampuan
dari mesin untuk bertahan dari pemanasan yang disebabkan oleh arus yang tidak
terbatas (unbalance current). Proteksi current unbalance dari DGP sistem
menyediakan karakteristik waktu operasi yang cepat sesuai I2² T = K. Sebuah
karakteristik linear yang dibuat kira-kira untuk pendinginan mesin sementara pada
kondisi arus yang tidak terbatas ( unbalance current ). Didalamya ditambahkan 46T,
DGP sistem juga memasukkan sebuah alarm unbalance current (46A) yang mana
dioperasikan oleh komponen urutan negative (I2) disesuaikan dengan pick-up dan
time delay.
Loss of Excitation
Fungsi ini digunakan untuk mendeteksi kekurangan eksitasi pada mesin sinkron.
DGP sistem memasukkan dua karakteristik mho, untuk mendeteksi mesin, tiap
bagian disesuaikan jangkauan, waktu mati dan pewaktuan. Logika disediakan dalam
DGP system untuk memblok fungsi ini dari adanya tegangan urutan negative (
dideteksi oleh sebuah Voltage transformer fuse failure condition) dan sebuah
eksternal VTFF Digital input DI6. Eksitasi dapat hilang karena tripnya field breaker,
rangkaian terbuka atau hubung singkat pada belitan medan, kerusakan pada
regulator, atau hilangnya sumber untuk meyupplai belitan medan. Ketika sebuah
generator sinkron kehilangan eksitasi, ini cenderung membuatnya menjadi sebuah
generator induksi. Jika ini berlangsung pada kecepatan normal, beroperasi dengan
daya yang berkurang, dan penerimaan daya reaktif (VARS) dari sistem. Impedansi
ini dilihat oleh relay, relay melihat generator bukan sebagai gangguan tetapi
merupakan karakteristik mesin. Aliran daya sebelumnya berkurang akibat eksitasi.
Studi mengindikasi bahwa fungsi dari zona mho dapat diset untuk mendeteksi kasus
kegagalan eksitasi dalam waktu yang singkat. Dan zona kedua dapat mendeteksi
semua kasus kegagalan eksitasi. Setting waktu yang lama dibutuhkan oleh second
zone (40-2) untuk keamanan selama kondisi ayunan daya untuk sistem stabil.
Anti Motoring
Fungsi ini untuk mengatasi terjadinya aliran daya aktif dari sistem ke generator.
Kondisi ini terjadi saat semua atau sebagian prime mover hilang daya putarnya, dan
saat itu juga daya yang dibangkitkan kurang dari daya beban. Daya aktif / nyata akan
mulai mengalir ke dalam generator dari sistem. Motoring power secara khusus
membedakan jenis penggerak mula seperti yang ditunjukkan oleh Tabel di bawah.
Untuk spesifikasi penggunaan, minimum penggerak daya dari generator dapat
diperoleh dari supply setiap unit.
DGP system menyediakan sebuah fungsi untuk reverse power (32-1) dan
disesuaikan dengan time delay.
Time overcurrent with voltage restraint (51V)
Sebuah sistem harus dapat dilindungi dari gangguan, untuk itu time overcurrent with
voltage restraint yang terdapat pada DGP sistem berfungsi untuk sebagai back up
protection.
Stator Ground (64G1)
Fungsi ini untuk mendeteksi adanya gangguan stator ground fault dengan sebuah
impedansi ground yang tinggi pada generator. Pada keadaan normal netral dari
belitan stator mempunyai potensial tertutup terhadap ground.
Ground Overcurrent ( 51 GN)
Fungsi ini untuk mengatasi adanya arus lebih yang terjadi akibat adanya hubung
singkat pada generator. Prinsip kerja dari Ground over current sama dengan prinsip
kerja overcurrent relay.
Over exicitation (24)
Fungsi ini untuk mengatasi arus eksitasi yang berlebih pada rotor, eksitasi yang lebih
pada generator dapat menaikkan temperatur pada belitan stator akibat arus yang
besar sehingga dapat merusak belitan rotor.
Over Voltage
Fungsi ini untuk mengatasi adanya tegangan lebih pada generator. Tegangan yang
berlebih yang melampaui dari batas maksimum yang diijinkan dapat menyebabkan
kerusakan isolasi dari belitan stator dan berakibat pada hubung singkat antara
belitan. Selain itu overvoltage dapat mengakibatkan terjadinya overspeed dan
merusak pengatur tegangan otomatis (AVR).
Under Voltage
Fungsi ini untuk mendeteksi mengatasi tegangan yang rendah pada output generator.
Apabila generator bekerja pada tegangan yang rendah maka akibat pada beban.
Tegangan yang rendah pada generator akan mengakibatkan daya yang dipasok ke
beban berkurang sehingga merugikan. Apabila generator berada dalam interkoneksi
maka akan mengakibatkan terjadinya aliran daya ke generator.
Over and Under Frequency
Fungsi ini untuk mendeteksi frekuensi generator, under frequensi dapat meyebabkan
membukanya CB sehingga perlu dideteksi, untuk mengatasinya dengan dilakukan
dengan menyeimbangkan beban dengan daya yang dibangkitkan. Over frequency
dapat meyebabkan over speed, overvoltage sehingga dapat membahayakan
generator.
Voltage Transformer Fuse Failure (VTFF)
Fungsi ini dapat operate untuk semua Partial loss dari tegangan AC yang disebabkan
satu atau lebih blown fuses, jika tegangan AC hilang negative squence voltage
detektor akan pickup dan positive squence detector akan akan drop out.
2.4.3 Circuit Breaker dan Sumber DC
Circuit breaker berfungsi sebagai switch atau saklar yang memutuskan dan
menghubungkan peralatan yang diproteksi dari sistem. Circuit breaker bekerja
berdasarkan perintah dari relay.
Sumber DC yang digunakan pada sistem proteksi Generator PLTG GE berasal dari
sebuah batterai dengan tegangan 125 volt.
2.4.4 Gangguan Pada Generator
Gangguan pada generator dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Gangguan Listrik (electric fault)
2. Gangguan Mekanis/Panas (mechanical thermal fault)
3. Gangguan Sistem (system fault)
Gangguan Listrik (electrical fault)
Jenis gangguan ini adalah gangguan yang timbul dan terjadi akibat gangguan pada bagian
listrik dari generator. Gangguan ini meliputi :
a. Hubung singkat tiga fasa
b. Hubung singkat dua fasa
c. Hubung singkat belitan stator ke tanah ( Stator ground fault )
Kerusakan pada gangguan dua fasa dapat diperbaiki dengan menyambung (laping) atau
mengganti sebagian dari konduktor, tetapi kerusakan akibat gangguan satu fasa ketanah
yang bunga api dan merusak isolasi serta inti besi. Kerusakan ini sangat fatal dan
memerlukan perbaikan total.
d. Hubung singkat belitan rotor hubung tanah (rotor ground fault)
Jika terjadi hubungsingkat satu titik ketanah belum memberikan pengaruh terhadap
roror, namun jika hubung singkat ketanah terjadi pada dua titik maka akan seolah-olah
hubung sinkat antara dua belitan. Pengaruh dari hubung singkat dua titik adalah :
Gaya tarik rotor menjadi tidak seimbang sehingga putarannya menjadi berayun
Mempercepat kerusakan bantalan.
Bisa menyebabkan gesekan antara rotor dan stator, yang menyebabkan pemanasan
pada bagian yang bergesek, sehingga dapat meyebabkan sifat isolasi dari belitan
stator berubah. Dan selanjutnya mentebabkan hubungsingkat antara belitan atau
hung tanah pada stator.
e. Kehilangan arus eksitasi (loss excitation)
Hilangnya arus eksitasi dapat menyebabkan putaran mesin menjadi naik dan mengubah
fungsi generator sinkron menjadi generator induksi. Kondisi ini akan menyebabkan
pemanasan lebih pada rotor akibat arus induksi yang bersirkulasi pada rotor.
f. Tegangan lebih (overvoltage)
Tegangan yang berlebih yang melampaui dari batas maksimum yang diijinkan dapat
menyebabkan kerusakan isolasi sari belitan stator dan berakibat pada hubung singkat
antara belitan. Selain itu overvoltage dapat mengakibatkan terjadinya overspeed dan
merusak pengatur tegangan otomatis (AVR).
Gangguan mekanis/panas (mechanical or thermal fault)
Jenis-jenis gangguan mekanis atau panas adalah :
a. Generator berfungsi sebagai motor
Motoring adalah peristiwa berubahnya fungsi generator menjadi motor akibat adanya
daya balik (reverse power)
Daya balik (reverse power) terjadi akibat turunnya daya masukan dari penggerak utama
(prime mover). Sehingga torka listrik lebih besar dari torka mekanik, hal ini
mengakibatkan terjadi perubahan bentuk dari sudu-sudu turbin (kavitasi sudu-sudu
turbin).
b. Pemanasan lebih pada stator
Pemanasan lebih pada stator meyebabkan :
Kerusakan laminasi
Kendornya bagian-bagian tertentu pada generator seperti pasak-pasak stator (stator
wedges), terminal /ujung belitan dan sebagainya.
c. Kesalahan paralel
Kesalahan dalam memparalelkan generator karena syarat-syarat paralel tidak terpenuhi
mengakibatkan kerusakan pada bagian poros dan kopling generator dan penggerak
utama karena terjadinya momen puntir.
d. Gangguan pada pendingin stator
Gangguan pada pendingin stator (pendingin dengan media udara, hydrogen atau air)
menyebabkan kenaikan suhu belitan stator dan berakibat pada isolasi belitan.
Gangguan sistem (system fault)
Gangguan pada system yang berakibat pada generator yaitu :
a. Terjadinya pelepasan beban secara mendadak ;
Terjadinya gangguan hubung singkat baik itu tiga fasa, dua fasa, dua fasa ketanah, satu
fasa ketanah dan open circuit menyebabkan bekerjanya relay proteksi dan berakibat
pada pelepasan beban. Pelepasan beban mengakibatkan daya yang dibangkitkan lebih
besar dari daya yang beban, akibatnya torka mekanik lebih besar dari torka listrik
sehingga frekuensi dan tegangan generator menjadi naik.
b. Lepas sinkron (loss of syncronization)
Apabila kondisi pada point a. berlanjut terus maka akan mengakibatkan ketidak stabilan
sistem. Hal ini mengakibat stress pada belitan generator dan gaya punter yang
berfluktuasi dan beresonansi, sehingga akan merusak turbine dari generator. Pada
kondisi ini Generator harus dilepas dari sistem.
2.5. Operasi PLTG
Secara garis besar urutan kerja dari proses operasi PLTG adalah sebagai berikut :
1.
Proses starting. Pada proses start awal untuk memutar turbin menggunakan mesin
diesel sampai putaran poros turbine/compressor mencapai putaran 3.400 rpm maka
secara otomatis diesel dilepas dan akan berhenti.
2.
Proses kompressi. Udara dari luar kemudian dihisap melalui air inlet oleh kompresor
dan masuk ke ruang bakar dengan cara dikabutkan bersama bahan bakar lewat nozzle
secara terus menerus dengan kecepatan tinggi.
3.
Transformasi energi thermis ke mekanik. Kemudian udara dan bahan bakar
dikabutkan ke dalam ruang bakar diberi pengapian (ignition) oleh busi (spark plug)
pada saat permulaan pembakaran. Pembakaran seterusnya terjadi terus menerus dan
hasil pembakarannya berupa gas bertemperatur dan bertekanan tinggi dialirkan ke
dalam cakram melalui sudu-sudu yang kemudian diubah menjadi tenaga mekanis pada
perputaran porosnya.
4.
Transformasi energi mekanik ke energi listrik. Poros turbin berputar hingga 5.100
rpm, yang sekaligus memutar poros generator sehingga menghasilkan tenaga listrik.
Putaran turbin 5.100 rpm diturunkan oleh load gear menjadi 3.000 rpm, dan kecepatan
putaran turbin ini digunakan untuk memutar generator.
5.
Udara luar yang dihisap masuk compressor, kemudian dimanfaatkan hingga pada sisi
keluarannya menghasilkan tekanan yang cukup tinggi. Bersama dengan udara yang
yang bertekanan tinggi, bahan bakar dikabutkan secara terus menerus dan hasil dari
pembakaran tersebut dengan suatu kecepatan yang tinggi mengalir dengan
perantaraan transition piece menuju nozzle dan sudu - sudu turbin dan pada akhirnya
keluar melalui exhaust dan dibuang ke udara bebas.
2.6. Single Line Diagram PLTG dan Sistem Kelistrikan PLTG
2.7. Layout PLTG
Gambar 2. Layout PLTG
2.8. Kelebihan dan Kekurangan PLTG
Dari segi operasi, unit PLTG tergolong unit yang masa startnya singkat yaitu
sekitar 15 ~ 30 menit dan umumnya dapat distart tanpa pasokan daya listrik dari luar,
karena menggunakan mesin diesel sebagai penggerak awalnya. (Diesel engine motor
start). Dari segi pemeliharaan, unit PLTG mempunyai selang waktu pemeliharaan (time
between overhaul) yang pendek yaitu sekitar 4000 ~ 5000 jam operasi. Selain ukuran
jam operasi juga dapat dipakai jumlah start-stop sebagai acuan dalam penentuan waktu
overhaul. Jadi walaupun belum mencapai 5000 jam operasi tetapi telah mencapai 300
kali start-stop maka unit PLTG tersebut sudah harus di-inspeksi untuk pemeliharaan.
Dalam proses inspeksi, hal-hal yang perlu diperhatikan adalah bagian-bagian yang
terkena aliran gas hasil pembakaran yang suhunya bisa mencapai 1.300 oC seperti ruang
bakar, saluran gas panas (hot-gas-path) dan juga sudu-sudu turbin. Bagian-bagian ini
umumnya mengalami kerusakan (retak) sehingga perlu dilas atau diganti bila perlu.
Proses start-stop akan mempercepat proses kerusakan (keretakan) karena proses
start-stop menyebabkan proses pemuaian dan pengerutan yang tidak kecil pada bagianbagian yang disebutkan di atas. Hal ini disebabkan sewaktu unit PLTG dingin suhunya
sama dengan suhu ruangan yaitu sekitar 30 oC namun pada saat beroperasi suhunya dapat
mencapai hingga 1.300 oC, demikian pula sebaliknya. Pada saat unit PLTG shut-down,
porosnya harus tetap diputar secara perlahan untuk menghindari terjadinya
pembengkokan pada poros hingga suhunya dianggap cukup aman untuk itu.
Dengan memperhatikan buku petunjuk dari pabrik, ada unit PLTG boleh dibebani
lebih tinggi 10% dari ratingnya untuk waktu 2 jam yang diistilahkan sebagai Peak
Operation. Pengoperasian dalam kondisi seperti ini perlu diperhitungkan sebagai proses
pemendekan selang waktu inspeksi dan pemeliharaan karena peak operation ini
menambah keausan yang terjadi pada turbin sebagai akibat kenaikan suhu operasi.
Dari segi aspek lingkungan, yang perlu mendapat perhatian adalah masalah
kebisingan, jangan sampai melebihi ambang batas yang diizinkan. Masalah lainnya
adalah masalah kebocoran instalasi bahan bakar yang perlu mendapat perhatian
khususnya dari bahaya kebakaran.
Unit PLTG umumnya merupakan unit pembangkit dengan efisiensi yang paling
rendah, yaitu sekitar 15 ~ 25 % saja. Sementara ini sedang dikembangkan penggunaan
Aero Derivative Gas Turbine yaitu turbin gas pesawat terbang yang dimodifikasi menjadi
turbin penggerak generator. Hal ini dilakukan karena untuk daya output yang sama
diperoleh dimensi yang lebih kecil.
BAB III
METODELOGI
3.1. Perancangan PLTG
Untuk membuat sebuah perancangan sistem pembangkit listrik tenaga gas, kami
mengambil contoh dari soal latihan bahwa :
Gambar 3.1 Skema PLTG
P T = 800 kW
P 1 = 1,01 Bar dengan T = 150C
Rasio P = 6 Siklus dengan T max = T 4 = 7000C
η regenerator = 75 %
P cc = 0,15 Bar
P regenerator = 0,15 Bar
η Compressor = 80 %
η turbin = 85 %
Dari data diatas sehingga kita harus bisa menentukan energi pada Compressor (W c )
dan energi pada Turbin (W T), serta menghitung kalor (Q s ), effieciency thermal. Dapat kita
rumuskan bahwa :
T 1 = 150C + 2730C = 2880 Kelvin
P 2 = P 1 * Rasio Siklus = 1,01 * 6 = 6,06
P 3 = P 2 - 0,15 = 6,06 – 0,15 = 5,91 Bar
P 4 -> 5 = 1,01 + 0,15 = 1,16 Bar
T2’ = T1 * Rp
η Compressor =
(ɣ-1) / ɣ
= 288 * 6 ( 1,4 – 1) / 1,4 = 4800 Kelvin
( 𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 )
( 𝑇𝑇2 ′ − 𝑇𝑇1 )
T 2 = T 1 + ( η Compressor * ( T 2 ’ – T 1 ) )
= 288 + ( 0.8 * ( 480 – 288 ) )
= 5280 Kelvin
η Regenerator =
( 𝑇𝑇5 − 𝑇𝑇2 )
( 𝑇𝑇3 − 𝑇𝑇2 )
T 3 = T 2 + ( η Regenerator * ( T 5 – T 2 ) )
= 528 + ( 0.75 * ( 612 – 528 ) )
= 5910 Kelvin
T max = T 4 = 7000C + 2730C = 9730 Kelvin
T5’ =
𝑇𝑇4
(𝛾𝛾−1)
𝑃𝑃
�� 3 � 𝛾𝛾 �
𝑃𝑃4
=
973
(1,4−1)
5,91
��
� 1,4 �
1,16
=
973
1,59
= 611,94 0 Kelvin = 6120 Kelvin
P
W compressor = C p * (T 2 – T 1 ) = 1 * ( 528 - 288 ) = 240 kJ/Kg
W turbin = C p * (T 4 – T 5 ) = 1 * ( 973 - 612 ) = 361 kJ/Kg
W n = W turbin - W compressor = 361 – 240 = 121 kJ/Kg
Q s = C p * ( T 4 – T 3 ) = 1 * ( 973 – 591 ) = 382 kJ/Kg
η Thermal =
𝑊𝑊𝑛𝑛
𝑄𝑄𝑠𝑠
=
121
382
= 0,31 %
Sehingga, apabila ditinjau dari siklus Brayton, maka siklusnya akan seperti berikut ini :
Gambar 3.2 Sikuls Brayton
Dari Siklus Brayton diatas sehingga dapat dijelaskan bahwa :
1 ke 2 = Kompresi Isentropik Ke Kompressor
2 ke 3 = Pemasukan panas pada tekanan konstan ( Pengganti proses pembakaran )
3 ke 4 = Ekspansi Isentropik di turbin
4 ke 1 = pengeluaran panas pada tekanan konstan
BAB IV
KESIMPULAN
4.1. Kesimpulan
Dari laporan tugas besar ini penulis dapat menyimpulkan bahwa :
a. Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik
yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya.
Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi
panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi
mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai
dengan kebutuhannya.
b. Komponen Utama PLTG terdiri dari : Compressor, Combution Chamber, Turbin gas,
dan generator.
c. Apabila kita berbicara tentang PLTG maka kita harus berpikir tentang open cycle.
Pada open cycle dimulai dari pemompaan bahan bakar dan pemasukan udara dari
intake air filter menuju combuster. Di combuster campuran bahan bakar dan udara
disemprotkan oleh nozzle sehingga di ruang bakar terjadi pembakaran. Pembakaran
tadi akan memutar turbin gas yang selanjutnya akan memutar generator yang akan
menghasilkan energi listrik.
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS
Diajukan untuk memenuhi tugas besar mata kuliah Pembangkit Energi Elektrik
Dosen :
Syahrial M.T.
Disusun oleh :
M. Robbie K.
11.2011.026
Fauzi Hadianto
11.2011.030
Ahmad Robby N.M
11.2011.031
Agytia Indrajaya
11.2011.032
Aulia N.F
11.2011.033
M. Ramdhan
11.2011.035
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL
BANDUNG
2014
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Sejalan dengan berlangsungnya waktu, sumber daya manusia yang terus bertambah
ini akan menyebabkan suatu peristiwa kebutuhan sumber daya alam yang semakin
meningkat. Salah satu dari kebutuhan yang sangat penting di dunia ini adalah sumber
energi listrik, Di mana pada jaman modern ini bisa dikatakan bahwa segala sesuatu selalu
berhubungan dengan yang namanya listrik. Tidak dapat dipungkiri bahwa semakin
sulitnya menyalurkan energi listrik ini dalam jumlah banyak, terbukti adanya jadwal
pemadaman listrik secara bergilir untuk beberapa wilayah guna mengurangi pemakaian
listrik.
Di negara Indonesia sedang dalam proses pemenuhan kebutuhan dari pasokan listrik,
sehingga para ilmuwan dan pihak pemerintah sedang menjalankan suatu solusi dimana
akan membangun Pembangkit Listrik dengan bahan baku yang tidak hanya minyak. Kita
tahu bahwa Pembangkit listrik yang jumlahnya sangat banyak di Indonesia dan mungkin
seluruh dunia ialah menggunakan bahan bakar solar, mengingat bahwa ironisnya solar
merupakan SDM yang tidak dapat diperbaharui dan mulai sedikit keberadaannya.
Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) merupakan salah satu pembangkit listrik
yang memanfaatkan bahan bakar gas. Dalam proses menghasilkan energi listrik,
Pembangkit Listrik Tenaga Gas memiliki beberapa komponen utama antara lain
Kompresor, Turbin Gas, Combuster, dan Generator. Semua komponen tersebut
terintegrasi menjadi satu kesatuan sistem unit yang bekerja untuk dapat menghasilkan
listrik. Dalam proses produksinya, unit PLTG sangat dipengaruhi oleh evaluasi kinerja
dari setiap komponen komponen yang terlibat di dalam unit PLTG tersebut.
Dari pernyataan diatas, sehingga penulis akan menjelaskan tentang Pembangkit
Listrik Tenaga Gas secara detail di bab selanjutnya.
1.2. Rumusan masalah
Berdasarkan latar belakang di atas dapat diberikan perumusan masalah sebagai
berikut:
1. Sejarah awal mula Pembangkit Listrik Tenaga Gas ?
2. Definisi PLTG ?
3. Prinsip Kerja dari PLTG ?
4. Siklus PLTG ?
5. Instrumentasi dan Sistem Proteksi PLTG ?
6. Operasi PLTG
7. Sistem Kelistrikan PLTG ?
8. Single Line Diagram PLTG ?
9. Layout PLTG ?
10. Kelebihan dan kekurangan PLTG ?
1.3. Tujuan Penulisan
Dari rumusan masalah diatas, dapat disimpulkan bahwa tujuan pembuatan makalah
ini agar dapat mengetahui :
1. Sejarah awal mula Pembangkit Listrik Tenaga Gas
2. Definisi PLTG
3. Prinsip Kerja dari PLTG
4. Siklus PLTG
5. Instrumentasi dan Sistem Proteksi PLTG
6. Operasi PLTG
7. Sistem Kelistrikan PLTG
8. Single Line Diagram PLTG
9. Layout PLTG
10. Kelebihan dan kekurangan PLTG
1.4. Manfaat Penulisan
Penulisan tugas besar ini, supaya penulis dan pembaca bisa lebih memahami tentang
pembangkit listrik tenaga gas, beserta sistem operasi dari PLTG.
1.5. Pembatasan Masalah
Adapun batasan-batasan masalah dalam pembuatan tugas besar ini hanya menjelaskan apa
yang dipaparkan dalam rumusan masalah diatas.
1.6. Sistematika Penulisan
BAB I
: Pada bab ini penulis akan membahas tentang latar
belakang, rumusan masalah, tujuan penulisan,
PENDAHULUAN
manfaat penulisan, pembatasan masalah serta
sistematika penulisan.
BAB II
TEORI DASAR
:
Pada bab ini akan menjelaskan : Sejarah awal
mula Pembangkit Listrik Tenaga Gas, Definisi
PLTG, Prinsip Kerja dari PLTG, Siklus PLTG,
Instrumentasi dan Sistem Proteksi PLTG,
Operasi PLTG, Sistem Kelistrikan PLTG, Single
Line Diagram PLTG, Layout PLTG, serta
Kelebihan dan kekurangan PLTG.
BAB III
METODELOGI
: Pada bab ini penulis menjelaskan perancangan
PLTG yang diambil dari contoh soal tentang
PLTG.
BAB IV
KESIMPULAN DAN SARAN
: Pada bab ini penulis akan menyimpulkan dari
hasil
penjelasan-penjelasan
sebelumnya.
pada
bab
BAB II
TEORI DASAR
2.1. Sejarah awal mula Pembangkit Listrik Tenaga Gas
Teknologi transmisi dan distribusi jaringan listrik hampir tidak mengalami
perubahan selama 100 tahun. Sementara teknologi lain seperti media digital pribadi dan
energi yang terdistribusi sudah sangat berkembang, dan perkembangan tersebut gagal
diikuti oleh teknologi jaringan listrik. Pada sisi transmisi, yang menjadi permasalahan
adalah cukupkah transmisi yang ada untuk mengalirkan listrik yang bersumber dari energi
terbarukan ke dalam jaringan transmisi dan distribusi. Karena banyak sumber energi
terbarukan yang terletak di lokasi yang sangat jauh dari pusat beban. Untuk saat ini, ada
beberapa teknologi jaringan listrik yang bisa dipertimbangkan para pengembang jaringan,
yaitu HVDC dan kabel berteknologi nano. High Voltage Direct Current (HVDC), meski
bukan merupakan konsep baru, tetapi di Amerika Serikat menjadi perhatian seiring dengan
banyaknya energi listrik yang bersumber dari energi terbarukan yang harus dikirimkan
kepada beban.
Sektor distribusi menghadapi masalah yang lain lagi, meteran dan laju beban yang
bisa timbul dengan adanya pembangkit-pembangkit listrik energi terbarukan skala kecil.
Artinya, dibutuhkan sistem jaringan listrik yang ”cerdas”. Untuk mengatur dan
mengendalikan listrik masuk ke dalamnya, peralatan pengatur interaktif, pengawasan
jaringan, fasilitas penyimpanan energi dan sistem yang bisa memberikan respon adanya
permintaan perlu diterapkan. Meng-upgrade infrastruktur transmisi dan distribusi tidak
murah dan tidak bisa dapat dilakukan dalam waktu dekat. Menurut Electric Power
Research Institute, biaya yang diperlukan untuk upgrading jaringan dengan teknologi
”cerdas” sebesar US$ 100 milyar. Penyedia listrik dan jaringan akan membayar mahal
untuk upgrading tersebut, sama halnya dengan para pelanggannya yang akan membayar
lebih mahal. Tetapi, walau bagaimanapun, besarnya biaya yang dibutuhkan untuk upgrade
sebanding dengan dampak ekonomi yang akan terjadi jika terjadi kegagalan jaringan
listrik. Sebagai contoh, di tahun 2003 sebagian wilayah utara Amerika Serikat mengalami
black out dan kerugian yang dialami sekitar US$ 6 milyar hanya untuk beberapa hari.
Bersamaan dengan ini, akhirnya tenaga listrik dibangkitkan di pusat–pusat listrik
(power station) dan menambah pembangkit PLTG, kemudian disalurkan melalui saluran
transmisi setelah terlebih dahulu dinaikkan tegannya oleh transformator penaik tegangan
yang berada di pusat listrik. Saluran tegangan tinggi di Indonesia mempunyai tegangan
150 kV yang disebut sebagai Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) dan tegangan 500
kV yang disebut sebagai Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi (SUTET).
2.2. Definisi PLTG
Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik
yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin
gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang
dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan
selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya.
2.3. Cara Kerja PLTG
Gambar 2.1 Skema PLTG
Apabila kita berbicara tentang PLTG maka kita harus berpikir tentang open cycle.
Pada open cycle dimulai dari pemompaan bahan bakar dan pemasukan udara dari intake
air filter menuju combuster. Di combuster campuran bahan bakar dan udara disemprotkan
oleh nozzle sehingga di ruang bakar terjadi pembakaran. Pembakaran tadi akan memutar
turbin gas yang selanjutnya akan memutar generator yang akan menghasilkan energi
listrik.
Sedangkan pinsip kerja dari sebuah PLTG didasarkan pada siklus Brayton seperti
pada diagram (p, v dan t, s) dibawah ini:
Gambar 2.2 Diagram siklus Brayton
Pada Gambar 2.25 dijelaskan bahwa mula-mula udara dari atmosfir ditekan di dalam
kompresor hingga temperature dan tekanannya naik dan proses ini biasa disebut dengan
proses kompresi dimana sebagian udara yang dihasilkan ini digunakan sebagai udara
pembakaran dan sebagiannya digunakan untuk mendinginkan bagian-bagian turbin gas.
Didalam ruang bakar sebagian udara pembakaran tersebut akan bercampur dengan bahan
bakar yang diinjeksikan kedalamnya dan dipicu dengan spark plug akan menghasilkan
proses pembakaran hingga menghasilkan gas panas (energi panas) dengan temperature dan
tekanan yang tinggi, dari energi panas yang dihasilkan inilah kemudian akan dimanfaatkan
untuk memutar turbin dimana didalam sudu-sudu gerak dan sudu-sudu diam turbin, gas
panas tersebut temperature dan tekanan mengalami penurunan dan proses ini biasa disebut
dengan proses ekspansi. Selanjutnya energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin
digunakan untuk memutar generator hingga menghasilkan energi listrik.
Ada beberapa macam siklus kerja turbin gas sebagai berikut:
1. Turbin gas siklus terbuka (open cycle)
Seperti pada proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang
diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan
temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan
atmosfir, selanjutnya gas bekas ini dibuang atau dialirkan ke udara luar, yang
ditunjukkan seperti pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Turbin Gas siklus terbuka
2.
Turbin gas siklus tertutup (closed cycle)
Seperti pada proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang
diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan
temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan
atmosfir, selanjutnya gas bekas ini dialirkan ke kedalam penukar panas (heat
rejected) untuk didinginkan dengan menggunakan media pendingin air atau udara
hingga temperaturnya turun dan dialirkan lagi kedalam sisi masuk (suction)
kompresor untuk dikompresi lagi, yang ditunjukkan seperti pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Turbin gas siklus tertutup
3.
Turbin gas siklus terbuka dilengkapi dengan regenerator
Seperti pada kedua proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang
diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan
temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan
atmosfir, selanjutnya gas bekas (flue gas) ini dialirkan kedalam heat exchanger
yang dikenal dengan istilah regenerator dimana didalamnya gas bekas ini
digunakan untuk memanaskan udara keluar kompresor sebelum digunakan
sebagai udara pembakaran didalam ruang bakar (combustion chamber), seperti
ditunjukkan pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Turbin gas siklus terbuka dengan regenerator
4.
Turbin gas siklus terbuka dilengkapi dengan intercooler, regenerator dan
reheater
Pada siklus ini baik kompresor maupun turbin gas masing-masing terdiri
dari 2 (dua) bagian yang terpisah dan biasa disebut dengan kompresor tekanan
rendah dan kompresor tekanan tinggi serta turbin gas tekanan rendah dan turbin
gas tekanan tinggi. Aliran udara dan gas-gas yang dihasilkan dapat dijelaskan
sebagai berikut, mula-mula udara atmosfir masuk kedalam kompresor tekanan
rendah untuk dikompresi, dari udara tekan yang dihasilkan dialirkan kedalam
intercooler untuk didinginkan hingga menghasilkan temperature dan
kelembaban serta tekanan yang diinginkan dengan menggunakan media
pendingin air atau media pendingin lainnya, dari sini udara tersebut dialirkan ke
dalam kompresor tekanan tinggi untuk dikompresi lagi hingga menghasilkan
temperature yang tinggi dan tekanan dengan kepadatan yang lebih tinggi.
Dari keluaran kompresor tekanan tinggi udara tersebut dialirkan
kedalam regenerator untuk mendapatkan temperature yang lebih tinggi lagi
yang bertujuan untuk memudahkan terjadinya proses pembakaran dengan
melalui media pemanas gas bekas/buang (flue gas) yang memanfaatkan gas
bekas hasil dari turbin tekanan rendah. Selanjutnya udara keluaran dari
regenerator dialirkan kedalam ruang bakar utama (primary combustionchamber)
yang menghasilkan proses pembakaran dan dari proses ini dihasilkan gas panas
yang digunakan untuk memutar turbin tekanan tinggi, hasil ekspansi gas panas
dari turbin tekanan tinggi ini berupa gas bekas (flue gas) dialirkan kedalam
ruang bakar kedua (secondary combustion chamber) dan biasa disebut juga
dengan reheater chamber yang selanjutnya gas bekas tersebut digunakan untuk
udara pembakaran didalamnya yang mampu menghasilkan gas panas lagi dan
digunakan untuk memutar turbin tekanan rendah, siklustersebut diatas seperti
ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 2.6 Turbin gas siklus terbuka dengan intercooler, regenerator
dan reheater
Dari ketiga terakhir siklus turbin gas diatas secara keseluruhan
dimaksudkan untuk menghasilkan sebuah pusat listrik tenaga gas (PLTG)
dengan tingkat efisiensi yang diharapkan lebih tinggi dari turbin gas siklus
terbuka. Adapun sebagai pendukung pusat listrik tenaga gas ini digunakan
untuk beberapa alat bantu (auxiliary equipments) untuk membantu proses
siklus turbin gas berjalan dengan baik, seperti:
1.
Sistem pelumas (lube oil system).
2.
Sistem bahan bakar (fuel system).
3.
Sistem pendingin (cooler system).
4.
Sistem udara kontrol (air control system).
5.
Sistem hidrolik (hydraulic system).
6.
Sistem udara tekan (air pressure system).
7.
Sistem udara pengkabutan (atomizing air system).
2.4. Instrumensasi dan Sistem Proteksi PLTG
A. Kompresor Utama
Kompresor utama adalah kompesor aksial yang berguna untuk memasok udara
bertekanan ke dalam ruang bakar yang sesuai dengan kebutuhan. Kapasitas kompresor
harus cukup besar karena pasokan udara lebih (excess air) untuk turbin gas dapat
mencapai 350 %. Disamping untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna, udara
lebih ini digunakan untuk pendingin dan menurunkan suhu gas hasil pembakaran.
B. Inlet Guide Vanes (IGV)
Pada kompresor berkapasitas besar, diisi udara masuk kompresor, yaitu pada inlet
guide vanes dipasang variabel IGV, sedangkan pada kompresor berukuran kecil
umumnya dipasang Fixed Guide Vanes. Variabel IGV berfungsi untuk mengatur
volume udara yang dikompresikan sesuai dengan kebutuhan atau beban turbin. Pada
saat Start Up, IGV juga berfungsi untuk mengurangi surge. Pada saat stop dan selama
start up, IGV tertutup ( pada unit tertentu, posisi IGV 34-48% ), kemudian secara
bertahap membuka seiring dengan meningkatnya beban turbin. Pada beban turbin
tertentu, IGV terbuka penuh (83-92%). Selama stop normal IGV perlahan-lahan
ditutup bersamaan dengan turunnya beban, sedangkan pada stop emergency, IGV
tertutup bersamaan dengan tertutupnya katup bahan bakar.
C. Combustion Chamber
Combustion Chamber adalah ruangan tempat proses terjadinya pembakaran. Ada
turbin gas yang mempunyai satu atau dua Combustion Chamber yang letaknya terpisah
dari casing turbin, akan tetapi yang lebih banyak dijumpai adalah memiliki
Combustion Chamber dengan beberapa buah Combustion basket, mengelilingi sisi
masuk (inlet) turbin. Di dalam Combustion Chamber dipasang komponen-komponen
untuk proses pembakaran beserta sarana penunjangnya, diantaranya: Fuel Nozzle,
Combustion Liner, Transition Piece, Igniter, Flame Detektor
D. Turbin Gas
Turbin Gas berfungsi untuk membangkitkan energi mekanis dari sumber energi panas
yang dihasilkan pada proses pembakaran. Selanjutnya energi mekanis ini akan
digunakan untuk memutar generator listrik baik melalui perantaraan Load Gear atau
tidak, sehingga diperoleh energi listrik. Bagian-bagian utama Turbin Gas adalah: Sudu
Tetap, Sudu Jalan, Saluran Gas Buang, Saluran Udara Pendingin, Batalan, Auxiallary
Gear.
Gambar Turibn Gas
E. Load Gear
Load Gear atau main Gear adalah roda gigi penurun kecepatan putaran yang dipasang
diantara poros Turbin Compressor dengan poros Generator. Jaringan listrik di
Indonesia. Memilii frekwensi 50 Hz, sehngga putaran tertinggi generator adalah 3000
RPM, sedangkan putaran turbin ada yang 4800 RPM atau lebih.
F. Alat Bantu
Pada saat muai start up, belum tersedia udara untuk pembakaran. Udara pembakaran
disuplai oleh kompresor aksial, sedangkan kompresor aksial harus diputar oleh turbin
yang pada saat start up belum menghasilkan tenaga bahkan belum berputar. Oleh
karenanya, pada saat start up perlu ada tenaga penggerak lain yang dapat diperoleh dari
: Motor generator, Motor Listrik, Mesin Diesel
Peralatan pendukung PLTG
Berikut adalah peralatan pendukung yang digunakan dalam kinerja Pembangkit Listrik
Tenaga Gas (PLTG):
a. Air intake. Berfungsi mensuplai udara bersih ke dalam kompresor.
b. Blow off valve. Benrfungsi mengurangi besarnya aliran udara yang masuk kedalam
kompressor utama atau membuang sebagian udari dari tingkat tertentu untuk
menghindari terjadi stall tekanan udara yang besar dan tiba-tiba terhadap suhu
kompresor yang menyebabkan patahnya suhu kompresor)
c. VIGV (Variavle Inlet Guide Fan) Berdungsi penyalaan awal atau start up. Campuran
bahan bakar dengan udara dapat menyala oleh percikan bunga api dari ignitor yang
terpasang di dekat fuel nozzle burner dan campuran bahan bakar menggunakan bahan
bakar propane atau LPG
d. Lube oil system. Berfungsi memberikan pelumasan dan juga sebagai pendingin
bearing-bearing seperti beraring turbin, kompressor, generator. Memberikan minyak
pelumas ke jacking oil system, memberikan suplai minyak pelumas ke power oil
system. Sistem pelumas di dinginkan oleh pendingin siklus tertutup.
e. Hydraulic Rotor Varring. Rotor bearing system terdiri dari : DC pump, Manual
Pump, Constant pressure valve, pilot valve, hydraulic piston rotor barring. Rotor
barring beroperasi pada saat unit stand by dan unit shutdown (selesai operasi). Rotor
barring on < 1 rpm. Akibat yang timbul apabila rotor barring bermasalah ialah rotor
bengkok dan pada saat start up akan timbul vibrasi yang tinggi dan dapat menyebabkan
gas turbin trip.
f. Exhaust fan oil vapour. Berfungsi utama membuang gas-gas yang tidak terpakai yang
terbawa oleh minyak pelumas setelah melumasi bearing-bearing turbin, kompressor
dan generator. Fungsi lain adalah membuat vaccum di lube oil tank yang tujuannya
agar proses minyak kembali lebih vepat dan untuk menjaga kerapatan minyak pelumas
di bearing-bearing (seal oil) sehingga tidak terjadi kebocoran minyak pelumas sisi
bearing.
g. Power Oil System berfungsi mensuplai minyak pelumas ke:
- Hydraulic piston untuk menggerakan VIGV
- Control-control valve (CV untuk bahan bakar dan CV untuk air)
- Protection dan safety system (trip valve staging valve)
Terdiri dari 2 buah pompa yang digerakan oleh 2 motor AC.
Jacking Oil System berfungsi mensuplai minyak ke journal bearing saat unit shut
down atau standby dengan tekanan yang tinggi dan membentuk lapisan film di
bearing.
Terdiri dari 6 cylinder piston-piston yang mensuplai ke line-line:
- Dua line mensuplai minyak pelumas ke journal bearing.
- Dua line mensuplai minyak pelumas ke compressor journal bearing.
- Satu line mensuplai minyak pelumas ke drive end generator journal bearing.
- Satu line mensuplai minyak pelumas ke non drive end generator journal bearing.
Filosofi dasar dari sistem proteksi adalah bagaimana melindungi sistem tenaga listrik dari
ekses gangguan yang terjadi pada sistem dengan cara memisahkan gangguan tersebut dari
sistem lainnya dengan cepat dan tepat. Kualitas sistem proteksi yang diinginkan adalah
yang cepat,sensitif,selektif dan andal. Cepat berarti, reaksi sistem proteksi tersebut harus
secepat mungkin memisahkan daerah yang terganggu dari sistem lainnya, tanpa
menimbulkan hal-hal lain yang menimbulkan bentuk gangguan baru pada sistem. Sensitif
berarti, sistem proteksi tersebut bereaksi terhadap gangguan yang bagaimanapun kecilnya
selama gangguan tersebut termasuk dalam tugasnya. Selektif berarti, sistem proteksi
tersebut harus bereaksi dengan tepat, sehingga yang dipisahkan dari sistem hanya bagian
yang terganggu, tanpa menyebabkan bagian lain yang tidak seharusnya terpisah dari sistem
turut dipisahkan dari sistem.
Andal berarti, sistem proteksi tersebut akan bekerja sesuai apa yang diharapkan, dimana
keandalan dapat mengacu pada konsep”security”atau”dependability”. Keandalan dengan
konsep security berarti, suatu kepastian bahwa sistem proteksi tidak akan salah operasi,
yang berarti sistem proteksi tidak akan bereaksi terhadap gangguan yang bukan
diperuntukkan kepadanya bagaimanapun besarnya gangguan tersebut, sedangkan
keandalan dengan konsep dependability berarti suatu kepastian bahwa sistem proteksi
pasti bereaksi untuk kondisi yang dirasakan sebagai kondisi gangguan.
Dalam banyak sistem kedua hal di atas tidak mungkin kedua duanya dipenuhi 100%,
sehingga banyak sistem yang merupakan sistem kompromi antar keduannya.
Kesederhanaan, dimana digunakan peralatan dan rangkaian yang sederhana akan tetapi
tujuan tercapai. Ekonomis, dimana dengan biaya yang minimum dapat dicapai fungsi
proteksi yang maksimum.
2.4.1 Alat Sensor
Alat sensor berfungsi untuk mendeteksi perubahan parameter pada sistem dari
peralatan yang diproteksi. Alat sensor ini berupa VT (voltage transformer) dan CT
(current transformer).
2.4.2 Relay Proteksi
Pada PLTG GE relay proteksi yang digunakan adalah relay numeric yang mana
dikendalikan oleh sebuah microprocessor. Relay numeric atau relay digital yang
digunakan adalah DGP System. DGP system adalah sebuah mikroprosesor yang
dikombinasikan dengan relay digital di mana menggunakan sampling bentuk
gelombang dari arus dan tegangan input untuk keperluan proteksi, control, dan
memonitor generator. Sampling tadi digunakan untuk menghitung arus dan phasa
tegangan yang mana digunakan untuk fungsi alogaritma proteksi. DGP System
menggunakan interface MMI (Man Machine Interface) dan DGP LINK software
komunikasi yang sesuai dengan GE digital relay system.
Di bawah ini beberapa fungsi proteksi yang ada pada DGP System :
1. Stator Differential (87G)
2. Current Unbalance (46)
3. Loss of Exicitation (40)
4. Antimotoring (32-1)
5. Time overcurrent with voltage restraint (51V)
6. Stator Ground (64G1)
7. Ground Overcurrent ( 51 GN)
8. Over exicitation (24)
9. Overvoltage (59)
10. Undervoltager (27)
11. Over and Undefrequency (81)
12. Voltage Transformer Fuse Failure (VTFF)
Stator Differential
Fungsi ini menyediakan Proteksi dengan kecepatan tinggi selama terjadi gangguan
phasa-phasa, dan tiga phasa didalam stator generator. Stator differential
menggunakan sebuah produk restraint alogaritma dengan dual slope karakteristik.
Stator differential tidak akan bekerja untuk gangguan berulang pada belitan mesin.
Ini juga tidak akan bekerja untuk ganguan satu fasa ketanah, jika sistem tersebut
tidak ditanahkan atau ditanahkan dengan impedansi yang tinggi. Proteksi terhadap
hubung tanah akan berfungsi jika netral dari mesin ( atau salah satu mesin yang
dioperasikan parallel) ditanahkan. Sebuah bagian kecil dari belitan sampai titik
netral tidak dapat diproteksi, jumlah gangguan sangat ditentukan dari tegangan yang
dapat menyebabkan arus pick-up minimum yang mengalir sampai titik netral dan
impedansi pentanahan. Peralatan pembatas arus pada rangkaian netral tanah akan
meningkatkan impedansi netral dan akan menurunkan fungsi proteksi gangguan
tanah.
Current Unbalance
Di sini ada beberapa kondisi tidak normal pada generator, kondisi tidak normal ini
dapat berupa ketidakseimbangan beban, gangguan pada sistem dan rangkaian
terbuka. Komponen urutan negative (I2) dari arus stator berhubungan langsung
dengan kondisi tidak normal ini dan pengaturan jumlah putaran fluks medan pada
mesin. Kekurangan ini akan menyebabkan pemanasan pada inti rotor. Kemampuan
dari mesin untuk bertahan dari pemanasan yang disebabkan oleh arus yang tidak
terbatas (unbalance current). Proteksi current unbalance dari DGP sistem
menyediakan karakteristik waktu operasi yang cepat sesuai I2² T = K. Sebuah
karakteristik linear yang dibuat kira-kira untuk pendinginan mesin sementara pada
kondisi arus yang tidak terbatas ( unbalance current ). Didalamya ditambahkan 46T,
DGP sistem juga memasukkan sebuah alarm unbalance current (46A) yang mana
dioperasikan oleh komponen urutan negative (I2) disesuaikan dengan pick-up dan
time delay.
Loss of Excitation
Fungsi ini digunakan untuk mendeteksi kekurangan eksitasi pada mesin sinkron.
DGP sistem memasukkan dua karakteristik mho, untuk mendeteksi mesin, tiap
bagian disesuaikan jangkauan, waktu mati dan pewaktuan. Logika disediakan dalam
DGP system untuk memblok fungsi ini dari adanya tegangan urutan negative (
dideteksi oleh sebuah Voltage transformer fuse failure condition) dan sebuah
eksternal VTFF Digital input DI6. Eksitasi dapat hilang karena tripnya field breaker,
rangkaian terbuka atau hubung singkat pada belitan medan, kerusakan pada
regulator, atau hilangnya sumber untuk meyupplai belitan medan. Ketika sebuah
generator sinkron kehilangan eksitasi, ini cenderung membuatnya menjadi sebuah
generator induksi. Jika ini berlangsung pada kecepatan normal, beroperasi dengan
daya yang berkurang, dan penerimaan daya reaktif (VARS) dari sistem. Impedansi
ini dilihat oleh relay, relay melihat generator bukan sebagai gangguan tetapi
merupakan karakteristik mesin. Aliran daya sebelumnya berkurang akibat eksitasi.
Studi mengindikasi bahwa fungsi dari zona mho dapat diset untuk mendeteksi kasus
kegagalan eksitasi dalam waktu yang singkat. Dan zona kedua dapat mendeteksi
semua kasus kegagalan eksitasi. Setting waktu yang lama dibutuhkan oleh second
zone (40-2) untuk keamanan selama kondisi ayunan daya untuk sistem stabil.
Anti Motoring
Fungsi ini untuk mengatasi terjadinya aliran daya aktif dari sistem ke generator.
Kondisi ini terjadi saat semua atau sebagian prime mover hilang daya putarnya, dan
saat itu juga daya yang dibangkitkan kurang dari daya beban. Daya aktif / nyata akan
mulai mengalir ke dalam generator dari sistem. Motoring power secara khusus
membedakan jenis penggerak mula seperti yang ditunjukkan oleh Tabel di bawah.
Untuk spesifikasi penggunaan, minimum penggerak daya dari generator dapat
diperoleh dari supply setiap unit.
DGP system menyediakan sebuah fungsi untuk reverse power (32-1) dan
disesuaikan dengan time delay.
Time overcurrent with voltage restraint (51V)
Sebuah sistem harus dapat dilindungi dari gangguan, untuk itu time overcurrent with
voltage restraint yang terdapat pada DGP sistem berfungsi untuk sebagai back up
protection.
Stator Ground (64G1)
Fungsi ini untuk mendeteksi adanya gangguan stator ground fault dengan sebuah
impedansi ground yang tinggi pada generator. Pada keadaan normal netral dari
belitan stator mempunyai potensial tertutup terhadap ground.
Ground Overcurrent ( 51 GN)
Fungsi ini untuk mengatasi adanya arus lebih yang terjadi akibat adanya hubung
singkat pada generator. Prinsip kerja dari Ground over current sama dengan prinsip
kerja overcurrent relay.
Over exicitation (24)
Fungsi ini untuk mengatasi arus eksitasi yang berlebih pada rotor, eksitasi yang lebih
pada generator dapat menaikkan temperatur pada belitan stator akibat arus yang
besar sehingga dapat merusak belitan rotor.
Over Voltage
Fungsi ini untuk mengatasi adanya tegangan lebih pada generator. Tegangan yang
berlebih yang melampaui dari batas maksimum yang diijinkan dapat menyebabkan
kerusakan isolasi dari belitan stator dan berakibat pada hubung singkat antara
belitan. Selain itu overvoltage dapat mengakibatkan terjadinya overspeed dan
merusak pengatur tegangan otomatis (AVR).
Under Voltage
Fungsi ini untuk mendeteksi mengatasi tegangan yang rendah pada output generator.
Apabila generator bekerja pada tegangan yang rendah maka akibat pada beban.
Tegangan yang rendah pada generator akan mengakibatkan daya yang dipasok ke
beban berkurang sehingga merugikan. Apabila generator berada dalam interkoneksi
maka akan mengakibatkan terjadinya aliran daya ke generator.
Over and Under Frequency
Fungsi ini untuk mendeteksi frekuensi generator, under frequensi dapat meyebabkan
membukanya CB sehingga perlu dideteksi, untuk mengatasinya dengan dilakukan
dengan menyeimbangkan beban dengan daya yang dibangkitkan. Over frequency
dapat meyebabkan over speed, overvoltage sehingga dapat membahayakan
generator.
Voltage Transformer Fuse Failure (VTFF)
Fungsi ini dapat operate untuk semua Partial loss dari tegangan AC yang disebabkan
satu atau lebih blown fuses, jika tegangan AC hilang negative squence voltage
detektor akan pickup dan positive squence detector akan akan drop out.
2.4.3 Circuit Breaker dan Sumber DC
Circuit breaker berfungsi sebagai switch atau saklar yang memutuskan dan
menghubungkan peralatan yang diproteksi dari sistem. Circuit breaker bekerja
berdasarkan perintah dari relay.
Sumber DC yang digunakan pada sistem proteksi Generator PLTG GE berasal dari
sebuah batterai dengan tegangan 125 volt.
2.4.4 Gangguan Pada Generator
Gangguan pada generator dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Gangguan Listrik (electric fault)
2. Gangguan Mekanis/Panas (mechanical thermal fault)
3. Gangguan Sistem (system fault)
Gangguan Listrik (electrical fault)
Jenis gangguan ini adalah gangguan yang timbul dan terjadi akibat gangguan pada bagian
listrik dari generator. Gangguan ini meliputi :
a. Hubung singkat tiga fasa
b. Hubung singkat dua fasa
c. Hubung singkat belitan stator ke tanah ( Stator ground fault )
Kerusakan pada gangguan dua fasa dapat diperbaiki dengan menyambung (laping) atau
mengganti sebagian dari konduktor, tetapi kerusakan akibat gangguan satu fasa ketanah
yang bunga api dan merusak isolasi serta inti besi. Kerusakan ini sangat fatal dan
memerlukan perbaikan total.
d. Hubung singkat belitan rotor hubung tanah (rotor ground fault)
Jika terjadi hubungsingkat satu titik ketanah belum memberikan pengaruh terhadap
roror, namun jika hubung singkat ketanah terjadi pada dua titik maka akan seolah-olah
hubung sinkat antara dua belitan. Pengaruh dari hubung singkat dua titik adalah :
Gaya tarik rotor menjadi tidak seimbang sehingga putarannya menjadi berayun
Mempercepat kerusakan bantalan.
Bisa menyebabkan gesekan antara rotor dan stator, yang menyebabkan pemanasan
pada bagian yang bergesek, sehingga dapat meyebabkan sifat isolasi dari belitan
stator berubah. Dan selanjutnya mentebabkan hubungsingkat antara belitan atau
hung tanah pada stator.
e. Kehilangan arus eksitasi (loss excitation)
Hilangnya arus eksitasi dapat menyebabkan putaran mesin menjadi naik dan mengubah
fungsi generator sinkron menjadi generator induksi. Kondisi ini akan menyebabkan
pemanasan lebih pada rotor akibat arus induksi yang bersirkulasi pada rotor.
f. Tegangan lebih (overvoltage)
Tegangan yang berlebih yang melampaui dari batas maksimum yang diijinkan dapat
menyebabkan kerusakan isolasi sari belitan stator dan berakibat pada hubung singkat
antara belitan. Selain itu overvoltage dapat mengakibatkan terjadinya overspeed dan
merusak pengatur tegangan otomatis (AVR).
Gangguan mekanis/panas (mechanical or thermal fault)
Jenis-jenis gangguan mekanis atau panas adalah :
a. Generator berfungsi sebagai motor
Motoring adalah peristiwa berubahnya fungsi generator menjadi motor akibat adanya
daya balik (reverse power)
Daya balik (reverse power) terjadi akibat turunnya daya masukan dari penggerak utama
(prime mover). Sehingga torka listrik lebih besar dari torka mekanik, hal ini
mengakibatkan terjadi perubahan bentuk dari sudu-sudu turbin (kavitasi sudu-sudu
turbin).
b. Pemanasan lebih pada stator
Pemanasan lebih pada stator meyebabkan :
Kerusakan laminasi
Kendornya bagian-bagian tertentu pada generator seperti pasak-pasak stator (stator
wedges), terminal /ujung belitan dan sebagainya.
c. Kesalahan paralel
Kesalahan dalam memparalelkan generator karena syarat-syarat paralel tidak terpenuhi
mengakibatkan kerusakan pada bagian poros dan kopling generator dan penggerak
utama karena terjadinya momen puntir.
d. Gangguan pada pendingin stator
Gangguan pada pendingin stator (pendingin dengan media udara, hydrogen atau air)
menyebabkan kenaikan suhu belitan stator dan berakibat pada isolasi belitan.
Gangguan sistem (system fault)
Gangguan pada system yang berakibat pada generator yaitu :
a. Terjadinya pelepasan beban secara mendadak ;
Terjadinya gangguan hubung singkat baik itu tiga fasa, dua fasa, dua fasa ketanah, satu
fasa ketanah dan open circuit menyebabkan bekerjanya relay proteksi dan berakibat
pada pelepasan beban. Pelepasan beban mengakibatkan daya yang dibangkitkan lebih
besar dari daya yang beban, akibatnya torka mekanik lebih besar dari torka listrik
sehingga frekuensi dan tegangan generator menjadi naik.
b. Lepas sinkron (loss of syncronization)
Apabila kondisi pada point a. berlanjut terus maka akan mengakibatkan ketidak stabilan
sistem. Hal ini mengakibat stress pada belitan generator dan gaya punter yang
berfluktuasi dan beresonansi, sehingga akan merusak turbine dari generator. Pada
kondisi ini Generator harus dilepas dari sistem.
2.5. Operasi PLTG
Secara garis besar urutan kerja dari proses operasi PLTG adalah sebagai berikut :
1.
Proses starting. Pada proses start awal untuk memutar turbin menggunakan mesin
diesel sampai putaran poros turbine/compressor mencapai putaran 3.400 rpm maka
secara otomatis diesel dilepas dan akan berhenti.
2.
Proses kompressi. Udara dari luar kemudian dihisap melalui air inlet oleh kompresor
dan masuk ke ruang bakar dengan cara dikabutkan bersama bahan bakar lewat nozzle
secara terus menerus dengan kecepatan tinggi.
3.
Transformasi energi thermis ke mekanik. Kemudian udara dan bahan bakar
dikabutkan ke dalam ruang bakar diberi pengapian (ignition) oleh busi (spark plug)
pada saat permulaan pembakaran. Pembakaran seterusnya terjadi terus menerus dan
hasil pembakarannya berupa gas bertemperatur dan bertekanan tinggi dialirkan ke
dalam cakram melalui sudu-sudu yang kemudian diubah menjadi tenaga mekanis pada
perputaran porosnya.
4.
Transformasi energi mekanik ke energi listrik. Poros turbin berputar hingga 5.100
rpm, yang sekaligus memutar poros generator sehingga menghasilkan tenaga listrik.
Putaran turbin 5.100 rpm diturunkan oleh load gear menjadi 3.000 rpm, dan kecepatan
putaran turbin ini digunakan untuk memutar generator.
5.
Udara luar yang dihisap masuk compressor, kemudian dimanfaatkan hingga pada sisi
keluarannya menghasilkan tekanan yang cukup tinggi. Bersama dengan udara yang
yang bertekanan tinggi, bahan bakar dikabutkan secara terus menerus dan hasil dari
pembakaran tersebut dengan suatu kecepatan yang tinggi mengalir dengan
perantaraan transition piece menuju nozzle dan sudu - sudu turbin dan pada akhirnya
keluar melalui exhaust dan dibuang ke udara bebas.
2.6. Single Line Diagram PLTG dan Sistem Kelistrikan PLTG
2.7. Layout PLTG
Gambar 2. Layout PLTG
2.8. Kelebihan dan Kekurangan PLTG
Dari segi operasi, unit PLTG tergolong unit yang masa startnya singkat yaitu
sekitar 15 ~ 30 menit dan umumnya dapat distart tanpa pasokan daya listrik dari luar,
karena menggunakan mesin diesel sebagai penggerak awalnya. (Diesel engine motor
start). Dari segi pemeliharaan, unit PLTG mempunyai selang waktu pemeliharaan (time
between overhaul) yang pendek yaitu sekitar 4000 ~ 5000 jam operasi. Selain ukuran
jam operasi juga dapat dipakai jumlah start-stop sebagai acuan dalam penentuan waktu
overhaul. Jadi walaupun belum mencapai 5000 jam operasi tetapi telah mencapai 300
kali start-stop maka unit PLTG tersebut sudah harus di-inspeksi untuk pemeliharaan.
Dalam proses inspeksi, hal-hal yang perlu diperhatikan adalah bagian-bagian yang
terkena aliran gas hasil pembakaran yang suhunya bisa mencapai 1.300 oC seperti ruang
bakar, saluran gas panas (hot-gas-path) dan juga sudu-sudu turbin. Bagian-bagian ini
umumnya mengalami kerusakan (retak) sehingga perlu dilas atau diganti bila perlu.
Proses start-stop akan mempercepat proses kerusakan (keretakan) karena proses
start-stop menyebabkan proses pemuaian dan pengerutan yang tidak kecil pada bagianbagian yang disebutkan di atas. Hal ini disebabkan sewaktu unit PLTG dingin suhunya
sama dengan suhu ruangan yaitu sekitar 30 oC namun pada saat beroperasi suhunya dapat
mencapai hingga 1.300 oC, demikian pula sebaliknya. Pada saat unit PLTG shut-down,
porosnya harus tetap diputar secara perlahan untuk menghindari terjadinya
pembengkokan pada poros hingga suhunya dianggap cukup aman untuk itu.
Dengan memperhatikan buku petunjuk dari pabrik, ada unit PLTG boleh dibebani
lebih tinggi 10% dari ratingnya untuk waktu 2 jam yang diistilahkan sebagai Peak
Operation. Pengoperasian dalam kondisi seperti ini perlu diperhitungkan sebagai proses
pemendekan selang waktu inspeksi dan pemeliharaan karena peak operation ini
menambah keausan yang terjadi pada turbin sebagai akibat kenaikan suhu operasi.
Dari segi aspek lingkungan, yang perlu mendapat perhatian adalah masalah
kebisingan, jangan sampai melebihi ambang batas yang diizinkan. Masalah lainnya
adalah masalah kebocoran instalasi bahan bakar yang perlu mendapat perhatian
khususnya dari bahaya kebakaran.
Unit PLTG umumnya merupakan unit pembangkit dengan efisiensi yang paling
rendah, yaitu sekitar 15 ~ 25 % saja. Sementara ini sedang dikembangkan penggunaan
Aero Derivative Gas Turbine yaitu turbin gas pesawat terbang yang dimodifikasi menjadi
turbin penggerak generator. Hal ini dilakukan karena untuk daya output yang sama
diperoleh dimensi yang lebih kecil.
BAB III
METODELOGI
3.1. Perancangan PLTG
Untuk membuat sebuah perancangan sistem pembangkit listrik tenaga gas, kami
mengambil contoh dari soal latihan bahwa :
Gambar 3.1 Skema PLTG
P T = 800 kW
P 1 = 1,01 Bar dengan T = 150C
Rasio P = 6 Siklus dengan T max = T 4 = 7000C
η regenerator = 75 %
P cc = 0,15 Bar
P regenerator = 0,15 Bar
η Compressor = 80 %
η turbin = 85 %
Dari data diatas sehingga kita harus bisa menentukan energi pada Compressor (W c )
dan energi pada Turbin (W T), serta menghitung kalor (Q s ), effieciency thermal. Dapat kita
rumuskan bahwa :
T 1 = 150C + 2730C = 2880 Kelvin
P 2 = P 1 * Rasio Siklus = 1,01 * 6 = 6,06
P 3 = P 2 - 0,15 = 6,06 – 0,15 = 5,91 Bar
P 4 -> 5 = 1,01 + 0,15 = 1,16 Bar
T2’ = T1 * Rp
η Compressor =
(ɣ-1) / ɣ
= 288 * 6 ( 1,4 – 1) / 1,4 = 4800 Kelvin
( 𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 )
( 𝑇𝑇2 ′ − 𝑇𝑇1 )
T 2 = T 1 + ( η Compressor * ( T 2 ’ – T 1 ) )
= 288 + ( 0.8 * ( 480 – 288 ) )
= 5280 Kelvin
η Regenerator =
( 𝑇𝑇5 − 𝑇𝑇2 )
( 𝑇𝑇3 − 𝑇𝑇2 )
T 3 = T 2 + ( η Regenerator * ( T 5 – T 2 ) )
= 528 + ( 0.75 * ( 612 – 528 ) )
= 5910 Kelvin
T max = T 4 = 7000C + 2730C = 9730 Kelvin
T5’ =
𝑇𝑇4
(𝛾𝛾−1)
𝑃𝑃
�� 3 � 𝛾𝛾 �
𝑃𝑃4
=
973
(1,4−1)
5,91
��
� 1,4 �
1,16
=
973
1,59
= 611,94 0 Kelvin = 6120 Kelvin
P
W compressor = C p * (T 2 – T 1 ) = 1 * ( 528 - 288 ) = 240 kJ/Kg
W turbin = C p * (T 4 – T 5 ) = 1 * ( 973 - 612 ) = 361 kJ/Kg
W n = W turbin - W compressor = 361 – 240 = 121 kJ/Kg
Q s = C p * ( T 4 – T 3 ) = 1 * ( 973 – 591 ) = 382 kJ/Kg
η Thermal =
𝑊𝑊𝑛𝑛
𝑄𝑄𝑠𝑠
=
121
382
= 0,31 %
Sehingga, apabila ditinjau dari siklus Brayton, maka siklusnya akan seperti berikut ini :
Gambar 3.2 Sikuls Brayton
Dari Siklus Brayton diatas sehingga dapat dijelaskan bahwa :
1 ke 2 = Kompresi Isentropik Ke Kompressor
2 ke 3 = Pemasukan panas pada tekanan konstan ( Pengganti proses pembakaran )
3 ke 4 = Ekspansi Isentropik di turbin
4 ke 1 = pengeluaran panas pada tekanan konstan
BAB IV
KESIMPULAN
4.1. Kesimpulan
Dari laporan tugas besar ini penulis dapat menyimpulkan bahwa :
a. Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik
yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya.
Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi
panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi
mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai
dengan kebutuhannya.
b. Komponen Utama PLTG terdiri dari : Compressor, Combution Chamber, Turbin gas,
dan generator.
c. Apabila kita berbicara tentang PLTG maka kita harus berpikir tentang open cycle.
Pada open cycle dimulai dari pemompaan bahan bakar dan pemasukan udara dari
intake air filter menuju combuster. Di combuster campuran bahan bakar dan udara
disemprotkan oleh nozzle sehingga di ruang bakar terjadi pembakaran. Pembakaran
tadi akan memutar turbin gas yang selanjutnya akan memutar generator yang akan
menghasilkan energi listrik.