Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan

(1)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

DAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL

APLIKASI PT. MUSIM MAS KIM II MEDAN

OLEH :

Nama : RONNY SAMUEL SIANTURI

NIM : 050422006

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO EKSTENSION

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP DAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL

APLIKASI PT. MUSIM MAS KIM II MEDAN Oleh :

RONNY SAMUEL SIANTURI NIM : 050422006

Disetujui oleh : Pembimbing

Ir. SATRIA GINTING NIP : 131 836 676

Diketahui oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara

Ir. NASRUL ABDI, MT NIP : 131 459 554

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSION FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(3)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

ABSTRAK

PT. Musim Mas KIM 2 Medan adalah perusahaan pengolahan CPO (Crude Palm Oil) menjadi beberapa bahan jadi seperti sabun, minyak makan, dan beberapa bahan-bahan kimia lainnya yang masih berupa bahan baku untuk diolah seperti fatty acid, alkohol, dan lain sebagainya.

Di dalam melakukan proses produksinya, perusahaan ini memiliki pembangkit sendiri yaitu berupa Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD). Sedangkan sumber listrik dari PT. PLN Persero hanya bisa memberikan daya sebesar 2000 kW. Untuk unit PLTU, perusahaan ini memiliki empat unit mesin PLTU dengan kapasitas daya yang diberikan berbeda-beda. Untuk unit PLTU 1 atau perusahaan ini menyebutnya dengan nama Turbin 1 memiliki kapasitas sebesar 2400 kW, untuk PLTU 2 atau Turbin 2 kapasitasnya adalah 3400 kW, Turbin 3 kapasitasnya 4000 kW sedangkan yang terakhir adalah Turbin 4 dengan kapasitas 10 MW. Untuk unit PLTD terdiri dari tujuh unit mesin yang terdiri dari 2 unit merek SKL dengan masing-masing kapasitas 2800 kVA, 1 unit merek Caterpilliar dengan kapasitas daya 2050 kVA, 4 unit merek MTU dengan kapasitas masing – masing 500 kVA dan untuk masing-masing generator diesel memiliki factor daya 0,8.

Kedua jenis mesin pembangkit ini ( PLTU dan PLTD) beroperasi tidak secara bersamaan, karena disesuaikan dengan kebutuhan daya pada perusahaan ini. Untuk PLTU yang beroperasi secara terus-menerus hanya 2 unit yaitu Turbin 2 dan Turbin 4 sedangkan Turbin 1 dan Turbin 3 berfungsi sebagai cadangan jika terjadi kekurangan daya. Untuk unit PLTD, biasanya digunakan untuk change

(4)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

power atau dengan kata lain pemindahan beban dari PLN ke Turbin, karena untuk daya dari PLN setiap pukul 18.00 sampai pukul 23.00 tidak digunakan, karena pada jam terssebut PT. PLN Persero menggunakan dayanya untuk melayani beban puncak di masyarakat. Di samping itu, PLTD juga berfungsi untuk memberikan daya secara cepat jika unit PLTU mengalami gangguan.

(5)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat dan pertolongan-Nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Adapun judul dari Tugas Akhir ini adalah :

STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP DAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL

APLIKASI PT. MUSIM MAS KIM II MEDAN

Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro Program Pendidikan Sarjana Ekstension Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.

Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, penulis mendapat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Ayahanda dan Ibunda yang tercinta dan seluruh keluarga yang telah memberikan bantuan baik material maupun moril sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Bapak Ir. Satria Ginting selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis. 3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro

Program Pendidikan Sarjana Ekstension USU.

4. Bapak Ir. R Sugih Arto Yusuf selaku Dosen Wali penulis.

5. Para dosen dan seluruh staff pengajar dan pegawai di Jurusan Teknik Elektro USU.

6. Seluruh rekan kerja di bagian Pembangkit Listrik dan Electrical Instrument di PT. Musim Mas KIM 2 Medan.

(6)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

7. Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknik Elektro ekstension stambuk ’05 yang telah membantu penulis baik dalam perkuliahan maupun penyelesaian Tugas Akhir ini.

8. Seluruh teman sepelayanan di Departemen Profetik Blessing Community Gereja Kristen Baithani khususnya abang Timothius Ginting selaku pembimbing rohani penulis.

9. dan buat seseorang yang istimewa yang selalu menemani penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna disebabkan keterbatasan dari penulis. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir ini.

Akhir kata semoga laporan ini beermanfaat bagi mahasiswa Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU khususnya dan seluruh pembaca pada umumnya.

Medan, Februari 2009

(7)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

DAFTAR ISI

ABSTRAK………...……….i

KATA PENGANTAR………...…….iii

DAFTAR ISI………v

DAFTAR GAMBAR………...vii

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK………x

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Masalah……….1

I.2 Tujuan Penulisan……….2

I.3 manfaat Penulisan Tugas akhir………3

I.4 Batasan Masalah………...3

I.5 Metode dan Sistematika Penulisan………..….4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Pembangkit Listrik Tenaga Uap………..6

II.2 Komponen-komponen Utama PLTU………12

II.3 Pembangkit Listrik Tenaga Diesel……….22

II.4 Generator Sinkron………..26

II.5 Governor………53

II.6 Alat Pembagi Beban generator………..56

II.7 Kapasitor Bank...62

BAB III OPERASIONAL PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP DAN DIESEL PT. MUSIM MAS MEDAN III.1 Blok Diagram Uap dan Air...66

(8)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

III.3 Operasional PLTD PT. Musim Mas KIM II Medan...87 III.4 Operasi Paralel Pembangkit PT. Musim Mas KIM II Medan...91

BAB IV PEMBEBANAN UNIT PEMBANGKIT

IV.1 Beban Yang Dipikul Pembangkit...98 IV.2 Pembagian Beban Pembangkit...101 IV.3 Biaya Operasional PLTU PT. MUSIM MAS KIM II MEDAN………..112

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan...118 V.2 Saran...118 DAFTAR PUSTAKA...120

(9)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 : Siklus Turbin Uap...6

Gambar II.2 : PLTU Dengan Proses Pemanasan Ulang...10

Gambar II.3 : PLTU Dengan Siklus Regeneratif...10

Gambar II.4 : PLTU Diagram Rankine Sederhana pada Diagram T-S..11

Gambar II.5 : Komponen-komponen Utama PLTU...13

Gambar II.6 : Boiler...15

Gambar II.7 : Prinsip Kerja Turbin Reaksi...17

Gambar II.8 : Prinsip Kerja Turbin Impuls...17

Gambar II.9 : Turbin Ljungstorm (Turbin Aliran Radial)...18

Gambar II.10 : Turbin Tangensial...19

Gambar II.11 : Turbin Aliran Aksial...19

Gambar II.12 : Sistem Kondensor...20

Gambar II.13 : Deaerator...21

Gambar II.14 : Komponen-komponen Utama PLTD...22

Gambar II.15 : Prinsip Kerja Mesin Bensin 4-Langkah...24

Gambar II.16 : Siklus Percikan Kompresi...24

Gambar II.17 : Generator Sinkron...27

Gambar II.18 : Generator Sinkron yang menerima arus penguat medan dari Generator DC...31

Gambar II.19 : Sistem Brushless Exictation……….32

Gambar II.20 : Generator dengan Sistem Brushless Excitation dan PMG...34

(10)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Gambar II.22 : Arus Sinkronisasi...……….…39

Gambar II.23 : Efek Tegangan Yang Tidak Sama……….…..42

Gambar II.24 : Pembagian Beban antara Dua Generator...43

Gambar II.25 : Karakteristik Generator yang Bekerja Paralel...45

Gambar II.26 : Generator yang Terhubung Paralel Dengan Infinite Bus.47 Gambar II.27 : Karakteristik Jaringan Tidak Berhingga...48

Gambar II.28 : Diagram Frekuensi-Daya ...48

Gambar II.29 : Diagram Frekuensi-Daya...49

Gambar II.30 : Diagram Frekuensi-Daya...50

Gambar II.31 : Hubungan Paralel Antar Generator...50

Gambar II.32 : Skema Rangkaian Paralel Generator...51

Gambar II.33 : Segitiga Daya Generator Paralel Akibat Efek Pengubahan Penguatan...52

Gambar II.34 : Segitiga Daya Efek Pengubahan Governor...52

Gambar II.35 : Skema Governor……….….54

Gambar II.36 : Pengaturan Sekunder Melalui titik B2...55

Gambar II.37 : Karakteristik Speed Droop...55

Gambar II.38 : Pengkabelan Alat Pembagi Beban...59

Gambar II.39 : Penggunaan Alat Pembagi Beban Generator...61

Gambar II.40 : Segitiga Daya……….………..62

Gambar II.41 : Kapasitor Sebagai Arus kVAr...64

Gambar III.1 : Blok Diagram Alir Uap dan Air...66

(11)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Gambar III.3 : Sistem Kerja Injector...70

Gambar III.4 : Kurva Karakteristik Pembangkit...71

Gambar III.5 : Konstruksi Turbin...72

Gambar III.6 : Turbin Tipe Back Pressure………..73

Gambar III.7 : Kurva Karakteristik Pembangkit...74

Gambar III.8 : Sistem Turbin 1 PT. Musim Mas KIM II Medan...75

Gambar III.9 : Sistem Turbin 2 PT. Musim Mas KIM II Medan...84

Gambar III.10 : Skema Generator Diesel PT. Musim Mas KIM II Medan...88

Gambar III.11 : Panel Sinkron...91

Gambar III.12 : Panel Bus Bar...92

Gambar III.13 : Diagram Satu Garis PT. Musim Mas...95

Gambar III.14 : Diagram Satu Garis PT. Musim Mas (lanjutan)...96

Gambar IV.1 : Segitiga Daya Generator Uap 19-11-2008 jam 09.00....103

Gambar IV.2 : Segitiga Daya Generator Uap 19-11-2008 jam 10.00....105

Gambar IV.3 : Segitiga Daya Generator Uap 19-11-2008 jam 11.00....107

Gambar IV.4 : Segitiga Daya Generator Uap 19-11-2008 jam 12.00....108

Gambar IV.5 : Segitiga Daya Generator Uap 19-11-2008 jam 19.00....110

(12)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK

Tabel II.1 : Daftar Faktor Daya...65

Tabel III.1 : Daya per Jam (13 Januari 2009)...78

Tabel III.2 : Turbine 1 Log Sheet...79

Tabel III.3 : Turbine 1 Vacuum Condenser Log Sheet...79

Tabel III.4 : Turbine 1 Pumps Log Sheet...80

Tabel III.5 : Daya per Jam (13 Januari 2009)...85

Tabel III.6 : Turbine 2 Log Sheet...85

Tabel III.7 : Turbine 2 Log Sheet...86

Tabel VI.1 : Karakteristik Beban Pembangkit...98

Tabel IV.2 : Konsumsi Uap Turbin 2 Per Jam...113

Tabel IV.3 : Konsumsi Uap Turbin 4 Per Jam...115

Grafik IV.1 : Karakteristik Beban Setiap Pembangkit...99

(13)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

BAB I PENDAHULUAN I.1 LATAR BELAKANG MASALAH

Tenaga listrik merupakan salah satu kebutuhan yang paling pokok untuk menunjang kehidupan manusia saat ini. Untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari dalam rumah tangga maupun bisnis, manusia memerlukan tenaga listrik. Secara umum dapat dikatakan bahwa tenaga listrik merupakan salah satu prasyarat kehidupan manusia, dan perkembangan kehidupan manusia memerlukan tambahan penyediaan tenaga listrik. Orang mengatakan bahwa untuk pertumbuhan ekonomi, diperlukan pertumbuhan kemampuan penyediaan tenaga listrik.

Kebutuhan tenaga listrik di PT. Musim Mas KIM 2 Medan diperkirakan masih akan terus tumbuh selama beberapa waktu ke depan, mengingat proses pembangunan beberapa plant yang masih terus berlangsung.

Untuk penyediaan dan pelayanan energi listrik tersebut selain mendapatkan daya dari PT. PLN Persero, maka perusahaan ini memiliki mesin-mesin pembangkit yang terdiri dari unit PLTU dan unit PLTD.

Secara garis besar unit-unit pembangkit ini melayani beberapa plant atau dengan kata lain beban-beban pembangkit, meliputi:

1. Oleic Acid

2. Flaker, Chiller dan Cooling Water

3. Spray Beading, TF-3 Bagging, Drumming 4. Soap Plant (Finishing dan Main Office) 5. Main Plant FA-2

(14)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

6. Utility FA-2

7. Soap Plant (Sela dan Main Lab)

8. MCT

9. Speciallity Fat

10.Utility (RO Water, Air Comp.) 11.TF-4 dan Cooling Tower 12.Utility (TF-1, N2, Air Comp.) 13.Hydrogent (Caloric)

14.Main Plant FA-1

15.Fatty Alcohol-Turbo Compressor 16.Fatty Alcohol-Main Plant

17.Fatty Alcohol-Utilty / Hydrogent

Jenis pembangkit yang digunakan perusahaan ini adalah PLTU, karena pembangkit jenis ini cukup ekonomis karena bahan bakar yang digunakan tidak terlalu mahal berupa cangkang kelapa sawit dan lahan yang dibutuhkan tidak terlalu luas.

I.2 TUJUAN PENULISAN

Adapun tujuan utama penulisan Tugas Akhir ini adalah :

1. Untuk memberikan penjelasan secara sistematis tentang prinsip kerja dan cara pengoperasian Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) di PT. Musim Mas KIM 2 Medan.

(15)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

2. Untuk mendapatkan gambaran operasional PLTU dan PLTD di lapangan dan menyesuaikannya dengan teori yang diperoleh di bangku kuliah.

I.3 MANFAAT PENULISAN TUGAS AKHIR

Laporan Tugas Akhir ini diharapkan bermanfaat bagi :

1. Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro yang ingin memperdalam wawasannya tentang Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD).

2. Penulis sendiri untuk menambah wawasan dan juga pengetahuan

mengenal operasional PLTU dan PLTD baik secara umum maupun siklus-siklus yang terjadi pada pembangkit ini.

3. Setiap orang yang berkenan dengan penggunaan pembangkit yang efisien dan sekaligus dapat memenuhi kebutuhannya akan tenaga listrik.

I.4 BATASAN MASALAH

Untuk mendapatkan hasil pembahasan yang maksimal, maka penulis perlu membatasi masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah:

1. Prinsip kerja dan cara pengoperasian Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan Pembangkit Listrik tenaga Diesel (PLTD).

2. Analisa termodinamika mengenai siklus tenaga uap Rankine. 3. Paralel generator dan daya yang dihasilkan oleh generator tersebut.

4. Tidak membahas secara detail tentang beban yang ditanggung oleh pembangkit.

(16)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

I.5 METODE DAN SISTEMATIKA PENULISAN I.5.1 Metode Penulisan

Karena Laporan Tugas Akhir ini merupakan suatu studi penulisan, maka penulis mencari dan mengumpulkan bahan-bahan dan data-data yang diperlukan melalui :

1. Studi literatur : mengambil bahan dari buku-buku referensi, jurnal, majalah, media elektronik (internet), dan sebagainya.

2. Studi lapangan : mengambil data dan informasi dari PLTU dan PLTD PT. Musim Mas KIM 2 Medan tentang prinsip kerja dan cara pengoperasian kedua pembangkit ini.

3. Studi bimbingan : diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak Jurusan Teknik Elektro USU, mengenai masalah-masalah yang timbul selama penulisan Tugas Akhir ini berlangsung.

I.5.2 Sistematika Penulisan

Untuk memudahkan pemahaman terhadap Tugas Akhir ini, maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut :

1. BAB I : Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode dan sistematika penulisan.

2. BAB II : Bab ini berisi tinjauan siklus turbin Uap pada PLTU, generator sinkron, dan PLTD.

(17)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

3. BAB III : Bab ini berisi operasional Pembangk it Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD). 4. BAB IV : Bab ini berisi mengenai beban yang dipikul pembangkit dan prinsip pembagian beban pembangkit.

5. BAB V : Bab ini berisikan kesimpulan dan saran-saran yang diperoleh dari hasil pembahasan.

(18)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA II.1 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

Sesuai dengan nama pembangkitnya, PLTU adalah suatu pembangkit tenaga listrik yang menggunakan energi bahan bakar seperti minyak residu, batubara, cangkang kelapa sawit, gas alam atau sampah untuk memanaskan uap secara berulang-ulang.

pompa boiler

uap

turbin E_k

kondensor air 1 2 3 4 Eb Em 1 2 3 4

a b _entropi

suhu

(a) Skema Pembangkit Listrik Tenaga Uap (b) Siklus Rankine

boiler turbin pompa kondensor W+ (output) air 1 A B uap 2 uap 3 air 4 D C Q+ (input) W-

(19)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Gambar II.1 Siklus Turbin Uap II.1.1. Siklus Tenaga Uap

Siklus Rankine, atau siklus tenaga uap, merupakan siklus teoritis paling sederhana yang mempergunakan uap sebagai medium kerja sebagaimana dipergunakan pada sebuah Pusat Listrik tenaga Uap (PLTU). Gambar II.1(a) memperlihatkan skema dari Pusat Listrik Tenaga Uap yang terdiri atas komponen-komponen terpenting yaitu : boiler, turbin uap, dan kondensor. Jumlah energi masuk sebagai bahan bakar melalui boiler adalah Em, sedangkan energi efektif yang tersedia pada poros turbin adalah energi kerja Ek. Energi yang terbuang melalui kondensor adalah sebesar Eb. Dengan menganggap semua kerugian lainnya termasuk Eb, maka dapat dikatakan bahwa berlaku :

Em = Ek + Eb sedangkan untuk efisiensi kerja dapat ditulis :

η Ek

Em =

= Eb

-Dalam gambar II.1(b), yang merupakan suatu diagram suhu-entropi bagi konstelasi menurut gambar II.1(a), luas 1-2-3-4 merupakan energi keluaran Ek, sedangkan luas a-b-3-4 merupakan energi terbuang Eb (entropy : besaran termodinamika yang menyertai perubahan setiap keadaan dari keadaan awal sampai keadaan akhir sistem). Luas wilayah a-b-2-1 mewakili jumlah energi masukan Em. Meningkatkan dayaguna siklus ini dapat dilakukan dengan menurunkan tekanan kondensor. Secara ideal tekanan kondensor yang terendah dapat dicapai adalah tekanan jenuh sesuai dengan suhu terendah dari air pendingin

(20)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

atau udara yang dipakai sebagai penerima. Dalam diagram suhu-entropi hal ini berarti menurunkan garis suhu 4-3. Hal ini dapat dilakukan dengan air pendingin pada kondensor yang mempunyai suhu yang lebih rendah. Akan tetapi hal ini sangat terbatas, karena air pendingin yang dapat dipakai hanyalah apa yang tersedia, yaitu air laut, air sungai, atau air danau yang ada.

Dalam gambar II.1(c) adalah identik dengan gambar sebelumnya yaitu gambar II.1(a) dan II.1(b), hanya saja melalui gambar ini akan dijelaskan secara rinci mengenai kondisi termodinamika dari siklus Rankine dengan melakukan penurunan formulasi sebagai berikut :

1. Kerja pompa (A) :

Wpompa = h4 – h1 (tanda negatif menyatakan pompa menerima kerja luar). 2. Energi panas yang dimasukkan ke sistem (B) :

qboiler = h2 – h1 3. Kerja turbin (C) : Wturbin = h2 – h3

4. Sistem kondensor (D) :

qkond = h4 – h3 ( tanda negatif menyatakan panas keluar dari kondensor). 5. Panas netto yang masuk ke sistem :

qnet = Qboiler + Qkondensor

6. Kerja netto (net work) yang dihasilkan sistem, Wnet = Wturbin + Wpompa

7. Efisiensi siklus :

boiler net

q W

(21)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Keterangan :

Wpompa : kerja yang diperlukan untuk menggerakkan pompa (joule/kgm)

Wturbin : kerja yang diperlukan untuk menggerakkan turbin (joule/kgm)

Wnet : kerja netto yang dihasilkan sistem (joule/kgm)

h1 : entalpy air keluar dari pompa / entalpy air masuk ke boiler (joule/kgm)

h2 : entalpy uap keluar dari boiler / entalpy uap masuk ke turbin (joule/kgm)

h3 : entalpy uap keluar dari turbin / entalpy uap masuk ke kondensor (joule/kgm)

h4 : entalpy air keluar dari kondensor / entalpy air masuk ke pompa (joule/kgm).

qboiler : panas yang diberikan ke boiler (joule/kgm)

qkond : panas yang dibuang kondensor (joule/kgm) qnet : panas netto yang masuk ke turbin (joule/kgm)

(entalpy suatu sistem : penjumlahan dari energi dalam / internal energy dengan hasil kali tekanan dan volume sistem).

Peningkatan efisiensi dapat pula dicapai dengan proses pemanasan ulang. Proses pemanasan ulang ini terlihat pada Gambar II.2(a). Turbin uap terbagi dua bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT) dan bagian Tekanan Rendah (TR). Uap yang telah dipakai pada taraf pertama meninggalkan bagian TT pada titik 3 dan dialirkan kembali ke boiler untuk pemanasan ulang, kemudian dimasukkan lagi ke turbin pada titik 4 dan dipakai oleh bagian TR turbin uap tersebut.

(22)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

a b _entropi

suhu 1 2 3 6 4 5 7 8 boiler

uap tekanan tinggi box turbin kondensor air 1 2 3 Ek Eb 5 4 6 7 8 E_m G uap tekanan rendah

Luas 1-2-3-4-5-6 dari Gambar II.2(b) adalah jumlah energi yang dimanfaatkan, dengan demikian menjadi lebih besar, dan daya guna atau efisiensi termal dari pusat tenaga listrik menjdi besar pula. Untuk mesin-mesin yang lebih besar, pemanasan ulang dapat dilakukan hingga 2 kali, dan turbin uap terbagi atas tiga bagian, yaitu bagian Teknan Tinggi (TT), Tekanan Menengah (TM), dan Tekanan Rendah (TR).

pompa boiler

uap tekanan

tinggi kotak turbin

kondensor air

3 ₄

Em ₅

6 Ek Eb G uap tekanan rendah 1 2 3 6

a _b _entropi

suhu

(a) (b)

Gambar II.2 PLTU Dengan Proses Pemanasan Ulang

Dalam apa yang dinamakan siklus regeneratif sebagian dari energi yang berada di dalam rangkaian panas dipertahankan beredar dalam rangkaian itu. Hal demikian dilakukan dengan misalnya memanaskan air yang keluar dari kondensor dengan uap yang dipakai dari turbin sebelum dimasukkan ke boiler sebagaimana terlihat pada Gambar II.3(a). Lengkung suhu entropi menjadi sebagaimana tampak pada Gambar II.3(b).

(23)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

(a) (b)

Gambar II.3 PLTU Dengan Siklus Regeneratif

Siklus Rankine merupakan siklus standar PLTU yang dapat digambarkan pada Diagram T-S (temperature-Entropy) seperti yang ditunjukkan pada gambar-gambar sebelumnya, atau lebih jelasnya terlihat pada gambar-gambar berikut ini.

0 100 200 300 400

-100

-200

-273

1 2 3 4 5 6 7 8 9

temperatur

0 C

entropy, kJ/kg K 24,1

rejected heat usefull heat

D` D P2

A` A A``

B C

E P1

Gambar II.4 PLTU Diagram Rankine Sederhana pada Diagram T-S

Kondisi uap yang keluar dari boiler masuk ke dalam turbin ada pada titik C yang merupakan uap jenuh kering (dry saturated). Diasumsikan tidak ada losses pada pipa uap boiler dengan turbin. Di turbin, uap diekspansikan secara isentropic dari titik C ke titik D.

Kondensor mengkondensasikan seluruh uap sehingga menjadi air jenuh dan prosesnya berjalan dari titik D ke titik A pada tekanan P2. Air yang

(24)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

bertekanan P2 ini dikompresikan isentropic sehingga tekanannya naik menjadi P1 (garis proses kenaikan tekanan tidak digambarkan dan kerja pompa diabaikan). Dengan tekanan sebesar P1, temperaturnya dinaikkan menjadi TB.

Dari titik B sampai titik C terjadi proses penguapan atau mengubah fasa air menjadi fasa uap pada tekanan P1. Selama perubahan fasa ini tidak terjadi perubahan tekanan maupun temperatur.

Proses A-B terjadi pada sistem air kondensat dan sistem air pengisi, sedangkan proses B-C terjadi di dalam boiler pada siklus Rankine, energi yang masuk ke dalam sistem adalah panas yang masuk ke boiler. Energi yang keluar dari sistem sebagai losses adalah panas terbuang di kondensor.

II.2 KOMPONEN-KOMPONEN UTAMA PLTU

Keterangan Gambar II.3 :

1 : Boiler P : Pompa

2 : Drum Q1 : Pipa-pipa Boiler

3 : Turbin Tekanan Tinggi Q2 : Superhiter

4 : Turbin Tekanan Menengah Q3 : Pemanas Ulang

5 : Turbin Tekanan Rendah

6 : Kondensor

7 : Pemanasan Awal

8 : Pembakaran Bahan Bakar

9 : Kipas Udara Masuk

10 : Kipas Gas Buang 11 : Generator

(25)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

1 2

3 4 5

11 8

10 Q₃

Q₂

Q₁

air pendingin

uap tekanan tinggi

uap tekanan menengah

uap tekanan rendah

turbin

Gambar II.5 Komponen-komponen Utama PLTU II.2.1 Boiler

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi

(26)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui system pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: (1)

Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang

boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.

(27)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Gambar II.6 Boiler II.2.2 Turbin Uap

Turbin uap pada umumnya lebih banyak digunakan untuk memutar generator pembangkit listrik. Cara kerjanya adalah sebagai penggerak mula (prime mover) yang mengubah energi panas dalam uap menjadi energi mekanis

(28)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

berupa putaran poros turbin. Selanjutnya poros turbin dikopel dengan poros generator untuk menghasilkan energi listrik.

Ditinjau dari cara kerja transfer energi uap ke poros, turbin uap dapat dibedakan atas dua tipe :

1. turbin reaksi 2. turbin impuls

Apabila ditinjau dari aliran uap, turbin uap dapat diklasifikasikan atas tiga tipe, yaitu :

i. turbin aliran radial ii. turbin aliran tangensial iii. turbin aliran aksial II.2.2.1 Turbin Reaksi

Dirancang pertama kali oleh Hero 120 tahun sebelum masehi. Reaksi ini pancaran uap yang keluar dari nosel (nozzle) mendorong rotor sehingga berputar (gambar II.7).

II.2.2.2 Turbin Impuls

Jenis turbin ini pertama kali dibuat oleh Branca pada tahun 1629, lihat gambar II.8 untuk prinsip kerjanya. Pancaran uap yang keluar dari nosel menghembus daun-daun rotor (disebut blade) sehingga rotor berputar

(29)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

(a) Turbin reaksi (b) Diagram Sudu Turbin reaksi Ket : Sudu diam (A, A1, A2), sudu bergerak (B, B1, B2)

Gambar II.7 Prinsip Kerja Turbin Reaksi

(a) Turbin Buatan Branca 1629 (b) Diagram Sudu Turbin Impuls Ket : nozzle (A, AA), sudu bergerak (B1, B2, BB1, BB2), sudu diam (C, CC)

Gambar II.8 Prinsip Kerja Turbin Impuls

II.2.2.i Turbin Aliran Radial

Turbin terdiri dari dua rotor dengan blades dipasang berselangan. Turbin aliran ini dikembangkan oleh Ljungstorm (gambar II.9). Kedua rotor berputar dengan arah saling berlawanan, dan masing-masing rotor dikopel terhadap dua generator terpisah. Arah aliran uapnya radial (tegak lurus menjauhi poros), oleh karena itu dinamakan turbin aliran radial.

(30)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

II.2.2.ii Turbin Aliran Tangensial

Jenis turbin ini memliki konstruksi yang kokoh akan tetapi efisiensinya sangat rendah. Pancaran uap dari nosel diarahkan untuk menghembus bucket yang dipasang melingkar pada rotor (gambar II.10). arah hembusan uap adalah tangensial (pada garis singgung putaran bucket).

II.2.2.iii Turbin Aliran Aksial

Tipe ini yang paling populer dan sangat cocok untuk kapasitas besar. Turbin ini dapat merupakan tipe reaksi dan juga merupakan tipe impuls. Arah aliran uap sejajar dengan poros (gambar II.11).

(31)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Gambar II.10 Turbin Tangensial Gambar II.11 Turbin Aliran Aksial

II.2.3 Kondensor

Kondensor merupakan peralatan untuk mengembunkan kembali uap yang telah dimanfaatkan untuk memutar turbin uap. Hal ini diperlukan untuk menghemat sumber air yng ada di sekitarnya serta menkamin kemurnian air yang digunakan dalam sistem turbin uap agar tidak terjadi pengendapan maupun kotoran-kotoran yang dapat merusak. Sebagai pendingin kondensor biasanya menggunakan air dingin seperti air sungai, laut atau air tanah yang sudah diproses melalui water treatment terlebih dahulu.

(32)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

air pendingin masuk ke pipa sekat

arah aliran air

air pendingin dari pipa

pompa air pendingin pipa

uap dari turbin

air hasil kondensasi

Gambar II.12 Sistem Kondensor

II.2.4 Deaerator

Fungsi deaerator adalah untuk membuang gas-gas atau udara yang tidak terkondensasi yang terbawa ke dalam air pengisi. Jenis deaerator ada yang langsung terintegrasi dengan steam drum dan ada yang terpisahkan atau tersendiri. Gas yang tidak bisa terkondensasi sifatnya merugikan yaitu menghambat perpindahan panas dan udara bisa menyebabkan korosi di bagian dalam pipa-pipa air.

Air yang telah dijernihkan maupun air yang telah jernih perlu dilunakkan dengan proses kimia. Reaksi kimia ini menimbulkan berbagai endapan yang harus disaring oleh saringan atau proses pemurnian pendahuluan. Langkah berikutnya adalah demineralisasi, yaitu suatu proses kimia untuk menghilangkan mineral-mineral yang masih terdapat dalam air. Kemudian air yang keluar dari instalasi deminearalisasi masih mengandung gas-gas oksigen dan amoniak. Untuk

(33)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

mengeluarkan gas-gas ini, air yang keluar dari instalasi demineralisasi dialrkan ke deaerator.

Gambar II.13 Deaerator

II.2.5 Pompa-pompa Pelumasan

Pompa-pompa pelumasan adalah alat bantu pelumasan oli pada sistem mesin pembangkit, di antaranya adalah :

• Pompa Pelumasan Utama

Pompa ini dikopel dengan poros turbin, pompa ini berfungsi untuk memberikan suplai pelumasan pada turbin ketika turbin telah berputar pada putaran normalnya. Selain itu, pompa pelumas utama juga mensuplai oli untuk keperluan sistem governor seperti power oil dan pilot oil.

(34)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Pompa ini digerakkan oleh motor listrik AC dan mensuplai minyak ke turbin bila pompa minyak pelumas utama tidak dapat mensuplai misalnya ketika putaran rendah atau pada saat start turbin. Seperti pompa minyak utama, selain mensuplai sistem pelumasan, pompa ini juga untuk mensuplai power oil dan pilot oil.

II.3 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL

II.3.1 Komponen-komponen Utama PLTD

2 3

6 7

8 9

10 ₁₁

15 16

Gambar II.14 Komponen-komponen Utama PLTD

Keterangan gambar :

1 : mesin diesel 10 : tangki udara start

2 : generator 11 : kompresor

3 : saringan udara 12 : tangki air

(35)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

5 : tangki bahan bakar harian 14 : menara pendingin

6 : tangki bahan bakar 15 : suplesi air

7 : pompa bahan bakar 16 : pendingin minyak pelumas

8 : saringan bahan bakar 17 : tangki minyak pelumas

9 : pompa injeksi bahan bakar 18 : pompa minyak pelumas

19 : pembersih minyak pelumas II.3.2 Prinsip Kerja Mesin Diesel

Pembangkit Listrik tenaga Diesel atau PLTD adalah suatu stasiun pembangkit tenaga, di mana sebagai penggerak mulanya adalah sebuah mesin diesel yang mendapat energi dari bahan bakar cair yang dikenal sebagai minyak solar, dan merubah energi tersebut menjadi energi mekanik dan dikopel dengan sebuah generator untuk mengubah energi mekanik dari mesin diesel menjadi energi listrik.

Kebanyakan mesin diesel siklus operasinya empat langkah, karena lebih efisien dibandingkan dengan mesin dua langkah. Diesel mendapatkan daya dari hasil pembakaran bahan bakar di dalam silinder mesin atau dengan kata lain proses kerja ini ini disebut siklus Otto yang ditemukan oleh insinyur jerman bernama Otto pada tahun 1876. pembakaran bahan bakar tersebut menghasilkan kenaikan temperatur dan tekanan di dalam silinder mesin. Dan tahanan yang dibangkitkan mendorong piston yang terdapat pada silinder mesin.

Daya mekanik yang dibangkitkan, diteruskan ke batang engkol (connecting rod), yang dipasang pada poros engkol (crank shaft) untuk meneruskan daya dari piston ke poros yang digerakkan.

(36)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

P V 1 2 3 4 5 T S 1 2 3 4 5 P V ekspansi awal injeksi kompresi

masuk & keluar udara & bahan

bakar masuk poros engkol silinder torak tangan engkol batang penghubung busi _katub masuk katub keluar gas buang keluar (1) Langkah pemasukan dan penghisapan (2) Langkah kompresi (3) Langkah ekspansi & kerja

(4) Langkah pembuangan

Gambar II.15 Prinsip Kerja Mesin Bensin 4-Langkah

Pada sebuah mesin yang mempergunakan siklus percikan kompresi tidak dipergunakan busi. Percikan terjadi karena suhu tinggi disebabkan oleh kompresi udara yang tinggi di silinder. Gambar II.16 memperlihatkan suatu siklus teoritis dan actual untuk jenis mesin yang demikian.

(a) (b) (c)

Gambar II.16 Siklus Percikan Kompresi

Proses yang terjadi dalam mesin diesel ini adalah sebagai berikut : 1-2 : kompresi isentropic

(37)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

3-4 : penambahan panas pada tekanan konstan 4-5 : ekspansi isentropik

5-1 : pembuangan panas pada volume konstan

Mesin ini sering disebut juga motor diesel sesuai dengan nama dari pembuatnya, yaitu seorang Jerman yang bernama Diesel. Pada mesin ini penambahan panas atau energi senantiasa dilakukan pada tekanan yang konstan. Efisiensi termal dari motor diesel adalah sebagai berikut :

η =

4 3 3 2 1 5 4 3 3 2 − − − − − + − − Q Q Q Q Q

= ₁

2 5 1 −     k V V

di mana :

Q2-3 = energi yang ditambahkan pada keadaan 2-3, Q3-4 = energi yang ditambahkan pada keadaan 3-4, Q5-1 = energi yang dibuang pada keadaan 5-1, V5 = volume pada keadaan 5,

V2 = volume pada keadaan 2,

k = rasio panas spesifik = 1,3 – 1,4 untuk udara.

Gambar II.16(a) memperlihatkan diagram Tekanan-Volume (P-V) untuk keadaan teoritis, sedangkan gambar II.16(b) memperlihatkan untuk suatu siklus yang sebenarnya bagi sebuah motor diesel.

(38)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

II.4 GENERATOR SINKRON II.4.1 Umum

Generator sinkron merupakan komponen penting untuk pembangkitan daya tiga fasa dalam suatu pembangkit listrik. Generator sinkron mengubah energi mekanik dari turbin menjadi energi listrik.

Konversi energi mekanik menjadi energi lisrtrik secara besar-besaran praktis hanya dilakukan dengan generator sinkron. Hal ini dikarenakan generator sinkron sebagai mesin pembangkit dapat dibuat untuk pembangkit tenaga listrik berkapasitas besar dan dapat diparalelkan dengan generator lain maupun infinite bus dalam suatu sistem interkoneksi.

Sebuah generator sinrkon standar utamanya terdiri dari sebuah rotor yang dimagnetisasi oleh arus medan DC dan sebuah stator dengan belitan tiga fasa AC. Istilah mesin sinkron didasarkan pada kenyataan bahwa rotor berputar secara sinkron dengan medan putaran magnettik stator.

II.4.2 Komponen Utama Generator Sinkron

Generator sinkron merupakan generator yang paling umum digunakan dalam pembangkitan energi listrik boloak-balik. Konstrtuksi generator sinkron dapat dilihat pada gambar II.17.

(39)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Gambar II.17 Generator Sinkron

Komponen terpenting dari generator sinkron terdiri dua bagian utama yaitu stator dan rotor.

1. Stator

Stator terdiri dari tiga komponen utama : a. Rangka Stator

Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang menyangga jangkar generator, yang terbuat dari besi tuang dan dilengkapi dengan slot-slot (parit) sebagai tempat melekatnya kumparan jangkar. Rangka stator memilki celah yang berfungsi sebagai ventilasi udara, sehingga udara dapat keluar masuk dalam inti stator sebagai pendingin.

b. Inti Stator

Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetic khusus yang terpasang ke rangka stator. Laminasi-laminasi diisolasi satu sama lain dan mempunyai jarak antara laminasi yang memungkinkan udara pendingin lewat. Di sekeliling inti terdapat slot-slot tempat melekatkan konduktor / belitan jangkar.

(40)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Kumparan jangkar merupakan kumparan tempat timbulnya ggl induksi, sehingga melalui terminal output kumparan jangkar, yang merupakan terminal output generator, diperoleh energi listrik yang siap untuk disalurkan.

2. Rotor

Rotor terdiri dari tiga komponen utama, yaitu : a. Slip Ring

Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke slip ring. Slip ring ini kemudian dihubungkan ke sumber DC daya luar melalui sikat (brush) yang ditempatkan menempel pada slip ring. Sikat ini merupakan batang grafit yang terbuat dari senyawa karbon yang bersifat konduktif dan memiliki koefisien gaya gesekan yang sangat rendah.

b. Kumparan Rotor (medan)

Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan medan ini ditempatkan di bagian rotor dari generator. Kumparan ini mendapatkan arus searah dari sumber eksitasi tertentu.

c. Poros Rotor

Poros rotor merupakan tempat peletakan kumparan medan, di mana pada poros rotor tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor sehingga penempatan kumparan medan dapat diatur sesuai dengan rancangan yang dikehendaki.

(41)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

II.4.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Suatu mesin listrik (generator atau motor) akan berfungsi bila memiliki : 1. kumparan medan, untuk menghasilkan medan magnet;

2. kumparan jangkar, untuk mengimbaskan ggl pada konduktor-konduktor yang terletak pada alur-alur jangkar; dan

3. celah udara yang memungkinkan berputarnya jangkar dalam medan

magnet

Untuk menghasilkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan maka fluks magnetic yang memotong kumparan harus berubah. Dengan kata lain ggl induksi yang timbul pada ujung-ujung penghantar atau kumparan adalah sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar tersebut, yang dirumuskan oleh :

E = – N dt

dΦ

= – N

dt BA

d( cosθ)

= – NBA dt d(cosθ)

Laju perubahan fluks magnetik ini bisa disebabkan oleh salah satu perubahan berikut :

1. perubahan luas bidang kumparan A (B dan θ tetap) 2. perubahan besar induksi magnetik B(A dan θ tetap)

(42)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Khusus untuk generator, timbulnya ggl induks i disebabkan oleh perubahan sudut θ antara B dan arah normal bidang. Inilah yang mendasari bagaimana generator sinkron dapat menghasilkan energi listrik.

Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai berikut :

1. Kumparan medan yang diletakkan di rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus yang mengalir melalui kumparan medan akan menimbulkan fluks magnetik yang besarnya terhadap waktu adalah tetap. 2. Penggerak mula (prime mover) yang sudah terkopeldengan rotor segera

dioperasikan sehingga rotor akan berputar dengan kecepatan tertentu sesuai dengan diharapkan.

3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Dengan demikian, kumparan jangkar yang terletak di stator akan dilingkupi oleh fluks magnetik yang berubah-ubah besarnya setiap waktu. Adanya perberubah-ubahan fluks magnetik terhadap yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-uung kumparan tersebut. Untuk generator sinkron tiga fasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sma lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik.

(43)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

II.4.4 Sistem Penguatan (Exiter) Generator Sinkron

Sistem penguatan generator sinkron terus mengalami perkembangan seiring dengan penigkatan kapasitas generator itu sendiri. Pada generator sinkron, arus medan yang diperlukan untuk membangkitkan medan magnet rotor disuplai dari sumber daya DC tertentu. Karena kumparan medan terletak pada rotor yang berputar, maka diperlukan perancangan khusus untuk membentuk rangkaian sumber daya DC terhadap kumparan medan.

a. DC Exicter

Prinsip DC exicter ini adalah pengkopelan poros secara mekanis dari suatu generator sinkron dengan sebuah generator arus searah untuk mensuplai arus searah pada belitan medan di rotornya diperlihatkan pada gambar II.16.

generator sinkron

generator DC

Gambar II.18 Generator Sinkron yang menerima arus penguat medan dari Generator DC

Dari gambar di atas terlihat bahwa pada generator sinkron tersebut antara generator utama dan generator DC sebagai pensuplai arus medan pada belitan medannya dikopel secara langsung dengan shaft pada masing-masing generator.

(44)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Brushless Exicter (exicter tanpa sikat) diaplikasikan pada mesin sinkron, di mana suplai arus searah ke belitan medan dilaksanakan tanpa melalui sikat. Biasanya arus searah yang disuplai ke belitan medan berasal dari generator arus bolak-balik yang memiliki shaft yang sama dengan generator utama. Output dari generator bolak-balik (exicter) ini dikonversikan menjadi arus searah dengan penyearah yang diletakkan pada bagian shaft ataupun pada bagian dalam dari rotor generator sinkron. sistem kerjanya dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

input tiga fasa (arus rendah) kumparan medan exicter

rotor

stator

output tiga fasa

kumparan jangkar generator utama kumparan medan

generator utama kumparan jangkar

exicter

exicter penyearah tiga fasa generator sinkron

Gambar II.19 Sistem Brushless Exictation

Pada gambar di atas terlihat bahwa untuk menghindari adanya kontak geser pada bagian rotor generator sinkron, maka exicter-nya dirancang sedemikian sehingga arus searah yang dihasilkan dari penyearah langsung disampaikan ke

(45)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

bagian belitan medan dari generator sinkron. Hal ini dimungkinkan karena dioda penyearah ditempatkan pada bagian shaft yang dimiliki bersama-sama oleh rotor generator sinkron dan exicter-nya, kemudian pada shaft inilah dioda penyearah tadi dilekatkan.

Arus medan pada generator sinkron langsung dikontrol oleh arus yang mengalir pada medan exicter, dan dalam hal ini exicter berfungsi sebagai suatu power amplifier. Dioda penyearah yang dipergunakan dirancang sedemikian rupa

sehingga mampu bertahan melawan daya sentrifugal yang dirasakannya.

c. Permanent Magnet Generator (PMG)

Suatu generator sinkron harus memiliki sebuah medan magnet yang berputar agar generator tersebut dapat menghasilkan tegangan pada statornya. Medan magnet ini dapat dihasilkan dari belitan rotor yang disuplai dengan sumber listrik arus searah. Cara lain untuk menghasilkan medan magnet pada rotor adalah dengan magnet permanen yang dilekatkan pada shaft dari generator tersebut. Generator yang menggunakan magnet permanen sebagai eksitasinya disebut dengan Permanent Magnet Generator (PMG).

Biasanya PMG ini dipergunakan pada mesin-mesin berkapasitas kecil saja. Hal ini disebabkan karena kesulitandalam mencegah efek magnet permanen yang dapat menarik benda-benda logam di sekitarnya, sehingga sulit dalam perawatan dan pemasangannya. Selain itu PMG biasanya dipergunakan sebagai pilot exiciter yang mensuplai arus medan pada bagian rotor suatu generator sinkron sehingga generator tersebut dapat men-starting sendiri.

(46)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Pada suatu generator besar biasanya mempergunakan paduan dari sistem brushless excitation yang dilengkapi PMG. Hal ini dimaksudkan agar sistem

eksitasi dari generator sama sekali tidak tergantung dari sumber daya listrik dari luar mesin itu. Bentuk skematik dari sistem ini digambarkan sebagai berikut.

penyearah tiga fasa

kumparan medan exicter

rotor

stator

output tiga fasa

kumparan jangkar generator utama

kumparan medan generator utama kumparan jangkar

exicter

exicter penyearah

tiga fasa generator sinkron

kumparan jangkar pilot exiciter

magnet permanen pilot exciter

medan pilot exicter

Gambar II.20 Generator dengan Sistem Brushless Excitation dan PMG

Terlihat pada bagian mesin yang berputar (rotor) terdapat magnet permanen, kumparan jangkar exicter, kumparan utama medan dari generator. Hal ini memungkinkan generator tersebut untuk tidak menggunakan slip ring dan sikat dalam pengoperasiannya secara keseluruhan sehingga lebih efektif dan efisien.

II.4.5 Proteksi Pada Generator Sinkron

Sistem proteksi generator sinkron terbagi ke dalam dua jenis, yaitu : - proteksi stator

(47)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

- proteksi rotor

Proteksi stator meliputi proteksi tegangan lebih, proteksi arus lebih, proteksi impedansi, proteksi stator terhadap gangguan tanah, proteksi arus diferensial, proteksi terhadap cairan yang masuk ke generator.

Proteksi rotor meliputi pembatas sudut beban, proteksi underexcitation, proteksi beban tidak seimbang, proteksi rotor terhadap gangguan tanah. Umumnya sistem proteksi juga terbagi menjadi proteksi mekanik dan proteksi elektrik.

1. proteksi tegangan lebih

Di dalam generator biasanya sudah dilengkapi dengan pengatur tegangan otomatis (AVR), yang akan mengatur kestabilan tegangan keluarannya. Namun demikian untuk mengantisipasi kalau pengatur tegangan otomatis tidak bekerja, maka relai tegangan lebih digunakan sebagai pengaman. Relai tegangan lebih (Over Voltage Relay) yang digunakan dilengkapi dengan piranti tunda waktu (time delay) agar diperoleh selektivitas yang memadai, khususnya untuk koordinasi dengan karakteristik pengatur tegangan otomatis. Relai tegangan lebih digunakan pada generator-generator yang mempunyai kapasitas sekitar 10 MVA keatas dengan tegangan kerja 6 KV atau lebih.

2. proteksi arus lebih

Relai arus lebih digunakan sebagai pengaman generator, terutama terhadap gangguan-gangguan didepan pemutus tenaga (PMT) generator, baik antar fase maupun gangguan fase ketanah. Penyetelan tunda waktu dari relai harus mempertimbangkan kemampuan generator untuk bertahan terhadap kondisi

(48)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

hubung singkat yang terjadi didepan generator. Sebagaimana diketahui bahwa pada saat terjadi hubung singkat, ada tiga kondisi arus atau reaktansi yang ada pada generator , yaitu arus subperalihan (subtransient), arus peralihan (transient), dan arus tetap (steady state). Oleh karena itu, penyetelan (settings) arus dan tunda waktu hendaknya juga mempertimbangkan kondisi-kondisi tersebut . Penyetelan arus hendaknya lebih besar dari nilai arus nominal generator sehingga memungkinkan generator mampu menahan beban lebih untuk beberapa detik. Hal yang penting pada pengaman generator terhadap arus lebih adalah adanya koordinasi relai, baik koordinasi besaran arus maupun waktu tundanya (time delay). Disamping itu perlu dipertimbangkan pula adanya relai-relai pengaman cadangan (back-up) pada generator.

3. proteksi stator terhadap hubungan tanah

Pengaman ini digunakan untuk mendeteksi adanya gangguan-gangguan stator hubung tanah pada generator yang dihubungkan dengan transformator tenaga. Relai ini dapat mendeteksi gangguan-gangguan tanah sampai 95% dari kumparan generator. Sedangkan dengan peralatan kompensasi khusus dapat mendeteksi sampai 100% dari kumparan generator. Adanya gangguan hubung tanah pada stator harus segera diatasi, sebab gangguan ini dapat menimbulkan panas yang berlebihan, kerusakan laminasi alur generator bahkan kebakaran. Oleh karena itu, jika terjadi gangguan seperti itu: pemutus generator, pemutus arus penguat medan, dan penggerak awal harus secepatnya dimatikan.

4. proteksi arus diferensial

Relai diferensial digunakan untuk mengamankan generator dari kerusakan akibat adanya gangguan internal pada kumparan stator. Dua unit transformator arus (CT)

(49)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

masing-masing dipasang pada kedua sisi kumparan generator, Sekunder CT terhubung bintang yang ujung-ujungnya dihubungkan melalui kawat-kawat pilot. Pada kondisi normal dan tidak ada gangguan internal, besarnya arus kedua sisi kumparan sama, sehingga arus yang mengalir pada sisi-sisi sekunder CT juga sama. Hal ini menyebabkan tidak ada arus yang mengalir pada relai. Pada saat terjadi gangguan pada kumparan generator, mungkin fase dengan fase atau fase dengan ground, maka arus yang mengalir pada kedua sisi kumparan akan berbeda, sehingga ada arus yang mengalir pada relai. Relai bekerja menarik kontak sehingga kumparan triping mendapat tenaga dari catudaya searah yang selanjutnya akan menarik kontak pemutus tenaga untuk memutuskan hubungan generator dengan sistem.

II.4.6 OPERASI PARALEL GENERATOR

Operasi paralel pusat-pusat tenaga listrik pada asasnya merupakan perluasan bekerja paralel satu generator dengan generator lain, dengan tambahan resistansi dan reaktansi saluran-saluran interkoneksi. Proses menghubungkan paralel satu generator dengan generator lain dinamakan sinkronisasi.

1. Syarat-Syarat Operasi Paralel Generator

Dalam melakukan sinkronisasi, generator yang akan diparalelkan harus memenuhi syarat-syarat operasi paralel, di antaranya adalah sebagai berikut :

1. tegangan apitan dari generator yang akan diparalelkan harus sama dengan tegangan di jaringan

2. frekuensi generator harus sama dengan frekuensi jaringan

3. sudut fasa dari fasa-fasa yang dihubungkan satu sama lain harus sama besar

(50)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

4. urutan fasa kedua generator harus sama atau urutan fasa generator yang akan diparalelkan harus sama dengan jaringan.

2. Dua Generator Bekerja Paralel

Umpamakan dua generator G1 dan G2 yang bekerja paralel sebagaimana terlihat pada Gambar II.8. Masing-masing generator memiliki impedansi Z1 dan Z2 yang terdiri atas resistansi R1 dan R2 serta X1 dan X2. Gaya gerak listrik E yang diinduksikan dalam masing-masing mesin adalah E1 dan E2.

X1 R1

}

X2 R2

}

Gambar II.21 Dua Generator Bekerja Paralel

0 E1

(51)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

0 E1

Is Gambar II.21b Resistansi Diabaikan

Misalkan kini suatu keadaan khusus di mana dari kedua mesin reaktansinya dapat diabaikan. Dalam keadaan demikian kedua ggl E1 dan E2 memiliki selisih fasa sekitar 1800 (Gambar II.8a), dan resultan Er hampir tegak lurus pada E1 dan E2. Besar arus sinkronisasi dinyatakan dengan rumus :

(

Z1 Z2

)

Isy r

+ =

Misalkan kini kedua mesin hanya memiliki reaktansi mendekati nol. Arus sinkronisasi Is kan tegak lurus terhadap ggl Er atau sefasa dengan ggl salah satu mesin, misalkan E2 (Gambar II.8b). Dalam hal ini mesin 2 akan memberi daya nyata kepada mesin 1, agar mesin ini dapat berjalan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk memungkinkan generator beroperasi paralel, adanya reaktansi mutlak diperlukan.

Bilamana dua generator berada dalam keadaan sinkronisasi penuh maka kedua ggl yang diinduksikan adalah sama dan berbeda fasa 1800, sebagaimana terlihat pada Gambar II.9a, dan tidak terdapat arus mengalir dalam rangkaian setempat. Bilamana kedua ggl sama besarnya tapi berbeda fasa tidak tepat 1800, maka resultan ggl Er bergerak di dalam rangkaian setempat dan mengakibatkan mengalirnya apa yang dikenal sebagai arus sinkronisasi.

(52)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

0 0

E2 E1

E2 E2 Er Is E1 θ α φ2 φ1

(a) Sinkronisasi Penuh (b) Sinkronisasi Tidak Penuh Gambar II.22 Arus Sinkronisasi

Misalkan perbedaan fasa antara kedua ggl sebesar dan E1 = E2 = E, maka resultan ggl Er adalah :

Er = 2E cos

  

 −

1800 α

= 2E cos 

     ₋ 2 900 α

= 2E sin 

     2 α

= 2E 

     2 α

= E

Pendekatan di atas berlaku jika sudut memilki nilai yang kecil sekali. Besar sinkronisasi Is adalah :

Is =

Z Er = Z E α

dengan catatan bahwa Is tertinggal fasa sebesar θ, di mana :

θ = arc tg 

     R X_s

(53)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

di mana Z merupakan impedansi gabungan per fasa dari kedua generator atau generator dengan jaringan yang memilki kekuatan yang tak terhingga. Bilamana reaktansi generator diketahui, maka arus sinkronisasi adalah :

Is =

X E

tertinggal fasa 900 dengan gerak listrik resultan Er.

Dalam keadaan di atas mesin 1 memberi daya sebesar E1 Is cos 1

sedangkan mesin 2 menerima daya sebesar E2 Is cos 2. Karena daya yang

dipasok mesin 1 adalah sama dengan daya diterima mesin-mesin ditambah rugi-rugi, maka berlaku :

E1 Is cos 1 = E2 Is cos 2 + rugi-rugi

Daya yang dipasok mesin 1 dinamakan daya sinkronisasi dan dinyatakan dengan rumus :

Ps = E1 Is cos 1= E1 Is karena :

E1 = E

dan 1 kecil sekali, maka :

Ps = E

   

X E α

X E2 α

Untuk daya sinkronisasi sistem tiga fasa dengan demikian adalah :

Ps3 =

X E2 3α

(54)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Bilamana Ts merupakan torsi sinkronisasi (berdimensi newton meter) maka daya sinkronisasi dapat dinyatakan dengan rumus berikut :

Ps3 = Ts 2π

60 s

Ts = Ps3

2 60

di mana :

ns : kecepatan putar sinkron = p

f 120

f : frekuensi

p : jumlah kutub

Misalkan kembali dua generator yang memiliki ggl tepat sefasa (relatif terhadap beban luar), akan tetapi besaran E1 dan E2 tidak sama (E1 lebih besar dari E2). Resultan Er adalah sebesar E1 – E2 dan bertindak di dalam rangkaian setempat dan menyebabkan terjadinya arus sinkronisasi Is di dalam rangkaian lokal. Arus sinkronisasi Is ini terbelakang fasa pada Er atau E1 sebesar 900. Sebaliknya E2 tertinggal fasa 900 pada Is, sebagaimana terlihat pada Gambar II.10. Dengan demikian arus sinkronisasi memiliki efek demagnetisasi pada mesin pertama, sehingga menghasilkan penurunan E1 serta efek demagnetisasi pada mesin kedua dan mengakibatkan peningkatan E2. Dengan demikian perbedaan antara E1 dan E2 diperkecil dan kondisi stabil diperoleh kembali.

(55)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

0 900 900

E2 E1

Gambar II.23 Efek Tegangan Yang Tidak Sama

Misalkan dua mesin dengan karakteristik kecepatan-beban yang tepat sama yang bekerja paralel dengan suatu tegangan apitan bersama sebesar V dan dengan beban impedansi sebesar Z. Misalkan selanjutnya ggl dari mesin 1 dan mesin 2 sebesar E1 dan E2 sedangkan impedansi fasa masing-masing Z1 dan Z2. Tegangan apitan mesin 1 adalah :

V = E1 – I1 Z1, dan tegangan apitan mesin 2 adalah :

V = E2 – I2 Z2

Gambar II.24 Pembagian Beban Antara Dua Generator

Juga berlaku :

V = I Z = (I1 + I2) Z Dari persamaan-persamaan di atas diperoleh :

(56)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

I1 =

1 1 Z V E − , dan

I2 =

2 2 Z V E − ,

selanjutnya dapat diperoleh pula :

I1 + I2 =

1 1 Z V E − + 2 2 Z V E − Atau : V 2 2 1 1 2 1 1 1 1 Z E Z E Z Z

Z = +

 

 ₊ ₊

Atau :

V =

Z Z Z Z E Z E 1 1 1 2 1 2 2 1 1 + + +

II.4.7 JENIS OPERASI PARALEL GENERATOR

Ketika generator beroperasi sendiri dalam melayani beban, besarnya daya nyata P dan daya reaktif Q yang disuplai oleh generator pasti sebesar total beban yang dipikul oleh generator. Atau dengan kata lain, besarnya daya nyata P dan daya reaktif Q dari generator tidak dapat diatur melalui kontrol generator. Untuk setiap kondisi beban, setting governor yang dikenakan hanyalah untuk mengatur frekuensi operasi generator, begitu juga dengan fungsi pengaturan besarnya arus medan generator hanyalah untuk mengendalikan tegangan terminal sistem VT (bukan untuk mengatur besarnya output daya reaktif generator). Pada operasi paralel karena perubahan beban pada pelayanannya akan menyebabkan tegangan terminal berubah, sehingga tegangan terminal perlu diubah yang juga akan

(57)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

mengubah daya reaktif, kita perlu mengatur daya reaktif yang dihasilkan karena akan mempengaruhi daya reaktif yang merupakan daya yang disuplai ke beban. Karakteristik pembebanan generator yang beroperasi paralel dalam hubungannya dengan pengaturan frekuensi dan tegangan terminal generator dapat dilihat pada Gambar II.25.

0 Pbp

Nbp

Nbn

(a) Kurva Kecepatan Poros Rotor Terhadap Daya Aktif P

0 Pbp

fbp

fbn

(58)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

0 Qbp

Vbp

Vbn

Q (daya reaktif) suplai kVAr -Q

konsumsi kVAr

-(c) Kurva Tegangan Terminal-Daya Reaktif (Q)

Gambar II.25 Karakteristik Generator yang Bekerja Paralel

Keterangan gambar :

N : putaran generator (ppm-putaran per menit) f : frekuensi

V : tegangan terminal

P : daya nyata

O : daya reaktif

bn : kondisi beban nol (tanpa beban) bp : kondisi beban penuh

Tanda positif (+) pada Gambar II.25 (c) di atas, generator memasok daya rektif, sedangkan tanda minus (-) berarti generator menyerap / mengkonsumsi daya reaktif. Dari Gambar II.25 (b) dapat diturunkan rumus hubungan frekuensi dan daya listrik sebagai berikut :

Pout = kk . (fbn – fsis) di mana :

Pout : daya keluaran generator (kW)

(59)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

fbn : frkuensi beban nol generator (Hz)

fsis : frekuensi sistem listrik keseluruhan (Hz).

Secara umum ada dua jenis operasi paralel generator yang ditemukan dalam sistem tenaga listrik, yaitu :

1. operasi paralel generator dengan sistem daya yang besar

2. operasi paralel generator dengan generator lain yang berkapasitas sama besar.

1. Operasi Paralel Generator dengan Sistem Daya yang Besar

Sistem daya yang besar sering disebut dengan infinite bus. Infinite bus adalah suatu sistem daya yang berkapasitas sangat besar sehingga tegangan dan frekuensi dari sistem tersebut tidak lagi dipengaruhi oleh besarnya daya nyata P dan daya rektif Q yang dibutuhkan oleh beban. Karena daya listrik jaringan ini jauh lebih besar dari pada generator, maka efek yang ada pada generatortersebut hampir tidak berpengaruh (untuk idealnya dianggap tidak berpengaruh sama sekali) pada jaringan yang ada tersebut. Karena itu pula jaringan listrik tersebut untuk idealnya disebut sebagai jaringan / jala-jala tidak berhingga (infinite bus).

generator

infinite bus beban

(60)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Karakteristik frekuensi-daya nyata P, karakteristik tegangan-daya reaktif Q untuk jenis operasi paralel generator dengan infinite bus dapat dilihat pada Gambar II.27 berikut ini.

0 P (daya aktif)

suplai kW -P

konsumsi

-(a) Karakteristik frekuensi-Daya Aktif P

0 Q (daya reaktif)

suplai kVAr -Q

konsumsi

-(b) Karakteristik Tegangan-Daya Reaktif Q

Gambar II.27 Karakteristik Jaringan Tidak Berhingga

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa jaringan tidak berhingga dapat bertindak sebagai pemasok maupun sebagai konsumen daya listrik. Jadi apabila

(61)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

generator memasok daya yang melebihi dari yang dibutuhkan beban, maka daya listrik tersebut akan dikonsumsi oleh jaringan tersebut.

Berikut ini adalah gambar / diagram frekuensi-daya generator yang dihubungkan paralel dengan jaringan tidak berhingga.

f (Hz)

fbp

fbn

Pb=Pj +Pg

kW generator Pg

jaringan

Gambar II.28 Diagram Frekuensi-Daya Generator Paralel Dengan Jaringan

Di mana :

Pj : daya aktif jaringan Pg : daya aktif generator Pb : daya aktif beban fbn : frekuensi tanpa beban fbp : frekuensi beban penuh

pada saat kondisi sinkron dengan jaringan tercapai, maka generator akan mengambang (floating) pada jaringan tersebut dan memasok daya nyata yang kecil, serta dengan daya reaktif yang kecil pula (atau tidak sama sekali). Hal ini dapat dilukiskan pada diagram frekuensi-daya sebagai berikut :

(62)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

f (Hz)

fbp

fbn

kW Pg

Gambar II.29 Diagram Frekuensi-Daya Generator Paralel Dengan Jaringan Pada Saat Sinkron

Tapi kadang-kadang ada kalanya ketika kondisi sinkron dengan jaringan tercapai, frekuensi generator lebih rendah dari frekuensi jaringan, maka secara otomatis generator akan beroperasi sebagai motor (mengkonsumsi daya listrik) lihat Gambar II.30. Dalam sistem tenaga listrik modern, biasanya untuk menghindari hal tersebut di atas, panel kontrol generator selalu dilengkapi dengan rele anti daya balik (power reverse relay). Rele ini secara otomatis memutuskan hubungan antara generator dan jaringan bila generator bertindak sebagai motor.

f (Hz)

fbp

fbn

kW Pg

-Pg< 0

(63)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

generator2

beban generator1

Dengan Jaringan Pada Saat Sinkron, di mana Frekuensi Generator Sedikit Lebih Rendah Dari Frekuensi Jaringan

2. Operasi Paralel Generator Dengan Generator Lain Yang Berkapasitas Sama Besar.

Operasi paralel ini adalah salah satu jenis operasi paralel generator di mana generator-generator yang dioperasikan secara paralel mempunyai rating daya yang sama besar, kalaupun berbeda selisihnya tidak terlalu jauh.

Keberadaan sistem jenis operasi pralel ini dpat dilihat pada Gambar II.31 berikut ini.

Gambar II.31 Hubungan Paralel Antar Generator

Pembagian beban generator yang bekerja paralel dipengaruhi oleh dua hal, yaitu :

a. efek pengubahan penguatan b. efek pengubahan setelan governor a. Efek Pengubahan Penguatan

Misalkan generator GA dan GB bekerja paralel dan masing-masing memasok arus sebesar I, sehingga total arus beban yang dipasok sebesar 2I. Kemudian penguatan GA dinaikkan, sehingga EA > EB yang berakibat mengalirnya arus sirkulasi :

(64)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

2I 2I Ia

EA EB

GA GB

Ia=Ib=I

Gambar II.32 Skema Rangkaian Paralel Generator

IS =

S B A Z E E 2 −

(dengan catatan ZA = ZB, sehingga ZA + ZB = 2ZS, di mana EA = ggl generator A, dan EB = ggl generator B).

Arus IS ini mempengaruhi arus beban pada GA dan GB secara vektoris, sehinnga besarnya arus GA sebesar Ia dengan factor daya sebesar cos A dan arus GB sebesar Ib dengan factor daya cos B.

Perubahan ini hamper tidak berpengaruh pada besarnya daya nyata beban, namun berpengaruh pada perubahan daya reaktif yang dipikul oleh generator.

Berikut ini gambar segitiga daya akibat perubahan penguatan pada generator yang bekerja paralel :

GA GB A B S Pbeban Qbeban

PA=PB=12Pbeban A= B

GA GB A B S Pbeban Qbeban Q_A QB

kondisi 1 kondisi 2

Gambar II.33 Segitiga Daya Generator Paralel Akibat Efek Pengubahan Penguatan

(65)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Pada kondisi 1 beban yang dipikul GA dan GB sama besarnya, namun ketika penguatan GA dinaikkan maka cos A meningkat dan mengakibatkan besarnya daya reaktif yang ditanggung GA menurun yang berakibat GB menanggung limpahan daya reaktif GA dan cos B pun menurun.

b. Efek Perubahan Setelan Governor

Jika penguatan antar dua generator yang diparalelkan dijaga tetap, dam misalkan setelan governornya (pasokan bahan bakar / daya masukan penggerak mula) generator GA dinaikkan, karena GA dan GB terhubung parallel, maka kecepatan GA tidak dapat melebihi kecepatan (over run) GB. Sebagai kompensasainya maka GA akan menaggung beban (PA) lebih besar dari pada (PB) yang ditanggung oleh GB.

GB A

B S

Pbeban Q_beban

PA=PB=12Pbeban A= B

GB A

B S

Pbeban Q_beban

Q_B

kondisi 1 kondisi 2

Gambar II.34 Segitiga Daya Efek Pengubahan Governor II.5 GOVERNOR

Governor adalah suatu alat yang harus digunakan di semua sistem pembangkit, untuk mengatur bahan bakar yang masuk ke sistem pembangkit tersebut di dalam menyesuaikan kebutuhan bahan bakar tersebut terhadap perubahan frekuensi. Misalkan pada suatu keadaan tertentu frekuensi turun pada nilai di bawah normal, penurunan frekuensi ini dirasakan oleh governor dan governor akan beraksi untuk mengembalikan frekuensi ke nilai normal dengan

(66)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

mengatur bahan bakar yang masuk sistem pembangkit agar dapat memutar turbin ke putaran normalnya sehingga frekuensi menjadi normal kembali.

Terdapat dua tipe governor yang biasa digunakan yaitu tipe elektronik dan hidrolik mekanik. Governor elektronik dipasang pada mesin yang baru tetapi yang paling umum digunakan adalah governor hidrolik mekanik.

Pada governor mekanis, kecepatan putar poros generator yang sebanding dengan frekuensi yang dihasilkan generator didapat dengan menggunakan bola-bola berputar yang menghasilkan gaya sentrifugal. Gaya sentrifugal ini dibandingkan dengan gaya mekanik yang didapat dari pegas referensi. Selisih besarnya gaya sentrifugal dengan pegas ini menjadi sinyal penggerak sistem mekanis atau sistem hidrolik yang selanjutnya akan menambah uap.

Gambar II.35 Skema Governor

Gambar II.35 menggambarkan skema dan prinsip kerja governor hidrolik di mana pengukuran frekuensi didapat melalui gaya sentrifuga l dari bola-bola berputar. Tampak adanya sistem umpan balik melalui engsel E untuk menghentikan kerja governor. Hal ini diperlukan untuk menghindari osilasi

(67)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

(keadaan tidak stabil) pada governor. Besarnya umpan balik dapat diatur melalui penyetelan posisi engsel E.

Pada governor elektronik, deteksi frekuensi dilakukan melalui generator kecil yang mempunyai magnet permanen sehingga tegangan jepitnya sebanding dengan putarannya. Karena generator kecil ini dikopel secara mekanis dengan poros generator utama maka putarannya sebanding dengan putaran generator utama, sehingga tegangan jepit generator kecil ini sebanding dengan frekuensi generator utama. Selanjutnya tegangan jepit generator kecil ini dibandingkan dengan tegangan referensi di mana selisihnya menajdi sinyal penggerak sistem elektronik seperti halnya pada governor hidrolik.

Gambar II.36 Pengaturan Sekunder Melalui titik B2

Untuk menghindari terjadinya osilasi pada governor, perlu adanya umpan balik melalui engsel E yang menghentikan kerja governor. Adanya umpan balik menyebabkan timbul speed droop, yaitu turunnya frekuensi yang diatur governor. Intervensi ini disebut pengaturan sekunder. Pengaturan oleh governor sendiri tanpa intervensi yang menghasilkan speed droop disebut pengaturan primer.

(1)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

Maka untuk 1 kWh = 20.7 kg uap kering.

Data di lapangan diperoleh :

1 ton uap kering = 195 kg cangkang kelapa sawit

Maka, untuk 0.0207 ton uap kering adalah = 0.0207 × 195

Maka untuk 1 kWh = 4.04 kg cangkang kelapa sawit

∴untuk tanggal 19 November 2008, Turbin 2 mengkonsumsi bahan bakar cangkang kelapa sawit sebanyak 73.7 ton dengan konsumsi uap kering adalah 20.7 kg / kWh atau membutuhkan cangkang kelapa sawit sebesar 4.04 kg / kWh.

Biaya cangkang kelapa sawit = Rp 400 / kg, maka biaya bahan bakar Turbin 2 untuk tanggal 19 November 2008 adalah :

73678.8 kg × Rp 400 = Rp 29.471.520

• Turbin 4

Tabel VI.3 Konsumsi Uap Turbin 4 Per Jam

w a k t u

( pe r j a m )

be ba n t u r bin 4 -1 0 M W ( k W )

k on su m si u a p ( t on / j a m )

09.00 7200 33.84 10.00 8300 39.13 11.00 7200 33.75 12.00 7200 33.82 13.00 7200 33.85 14.00 7300 34.31 15.00 7300 34.32 16.00 7300 34.29 17.00 7350 34.55 18.00 8050 37.84 19.00 7950 37.37

(2)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

20.00 7950 37.36 21.00 8000 37.65 22.00 7900 37.15 23.00 7050 33.14 24.00 7000 32.95 01.00 7000 32.93 02.00 7000 32.91 03.00 7000 32.94 04.00 7070 33.22 05.00 7040 33.09 06.00 7070 33.26 07.00 6950 32.67 08.00 7030 33.04

Jum lah :

176410 k Wh

829.38 t onh

Data dari perusahaan diperoleh untuk 1 MW membutuhkan 4.7 ton uap kering. Lama beroperasi = 24 jam

Energi listrik yang dihasilkan = 176410 kWh Jumlah uap yang dikonsumsi = 829.38 tonh Turbin 4 mengkonsumsi uap dari BC-4,

1 ton uap = 230 kg cangkang kelapa sawit,

maka untuk 829.38 ton uap = 829.38 × 230 = 190.7574 ton

= 190757.4 kg cangkang kelapa sawit Atau dengan kata lain, untuk setiap 1 kWh

= jam x selama listrik energi jam x selama uap konsumsi

(3)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

176410 829.38

= 0.0047 ton uap kering

Maka untuk 1 kWh = 4.701 kg uap kering.

Data di lapangan diperoleh :

1 ton uap kering = 230 kg cangkang kelapa sawit

Maka, untuk 0.0047 ton uap kering adalah = 0.0047 × 230

Maka untuk 1 kWh = 1.081 kg cangkang kelapa sawit

∴untuk tanggal 19 November 2008, Turbin 4 mengkonsumsi bahan bakar cangkang kelapa sawit sebanyak 190.7574 ton.

Biaya cangkang kelapa sawit = Rp 400 / kg, maka biaya bahan bakar Turbin 4 untuk tanggal 19 November 2008 adalah :

190757.4 kg × Rp 400 = Rp 76.302.960

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 KESIMPULAN

Berdasarkan uraian dan pengamatan terhadap Studi Pembangkit Tenaga Uap dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. operasi paralel kedua jenis pembangkit di dalam prakteknya sedikit berbeda dengan teori yang dipelajari, di mana pada saat sinkronisasi

(4)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

frekuensi generator yang akan diparalelkan harus sedikit lebih tinggi dari frekuensi jaringan.

2. Pembangkit Listrik Tenaga Uap tipe kondensing mengkonsumsi bahan bakar lebih sedikit dari pada Pembangkit Listrik tenaga Uap tipe back pressure.

3. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel merupakan pembangkit cadangan apabila terjadi kekurangan daya dan juga digunakan untuk melakukan pemindahan beban dari jaringan PLN ke jaringan turbin dan sebaliknya.

V.2 SARAN

Dari studi koordinasi Pembangkit Listrik Tenaga Uap dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Medan, penulis ingin menyampaikan beberapa saran sebagai berikut :

1. Perlu dilakukan pengecekan atau up grade terhadap boiler agar dapat menghasilkan tekanan uap yang benar-benar maksimal sehingga masing-masing generator dapat beroperasi secara maksimal dalam memberikan daya ke beban.

2. Atau untuk mendapatkan hasil tekanan dan konsumsi uap yang maksimal, maka unit boiler untuk pembangkit harus dipisah dengan unit boiler yang dipakai ke bagian proses produksi.

3. walaupun saat ini kapasitas pembangkit mampu untuk memenuhi

(5)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

pembangkit atau up grade sistem pembangkit, karena pembangunan beberapa plant yang masih terus berlangsung di perusahaan ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. Abdul Kadir, Prof, Pembangkit Tenaga Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1990

2. Djiteng Marsudi, Ir, Operasi Sistem Tenaga Listrik, Balai Penerbit Dan Humas ISTN Bhumi Srengseng Indah, Jakarta, 1990.

3. Djiteng Marsudi, Ir, Pembangkitan Energi Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2005.

4. Neno Suhana, Rangkaian Kontrol Genset Seri Teknik, Penerbit ITB, Bandung, 2002.

(6)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

5. P. Shlyakhin, Turbin Uap Teori Dan Rancangan, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1990.

6. Sumanto, MA, Drs, Mesin Sinkron, Penerbit Andi, Yogyakarta, 1996. 7. Werlin. S. Nainggolan, Teori Dan Penyelesaian Thermodinamika, Penerbit

Armico, Bandung, 1978.

8. Woodruff and Lammers, Steam Plant Operation, McGraw-Hill Book

Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan