PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (Analisa Sistem Termal Boiler Furnace dan Kinerja Turbin Uap)

  

PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

(Analisa Sistem Termal Boiler Furnace dan Kinerja Turbin Uap)

Diajukan untuk Memenuhi Syarat Menyelesaikan Pendidikan Sarjana

Terapan

  

(D IV) Teknik Energi Jurusan Teknik Kimia

Politeknik Negeri Sriwijaya

Oleh:

ADE CLARA PRETTY SUNDARI

  

0611 4041 1541

POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA

PALEMBANG

  

2015

  

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR

PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

(Analisa Sistem Termal Boiler Furnace dan Kinerja Turbin Uap)

  

Oleh:

Ade Clara Pretty Sundari

NIM. 061140411541

  Palembang, Juni 2015 Pembimbing I, Pembimbing II, Ir. Arizal Aswan, M.T. Ir. K.A. Ridwan, M.T.

  

NIP. 195804241993031001 NIP. 196002251989031002

Mengetahui,

Ketua Program Studi

Sarjana Terapan (D IV) Teknik Energi

  

Ir. Arizal Aswan, M.T.

NIP. 195804241993031001

  

MOTTO

  “Sesungguhnya Kami telah memberikan kepadamu kemenangan yang “Sesungguhnya Kami telah memberikan kepadamu kemenangan yang “Sesungguhnya Kami telah memberikan kepadamu kemenangan yang nyata.” (Q.S.Al-Fath:48, ayat 1) nyata.” (Q.S.Al-Fath:48, ayat 1) nyata.” (Q.S.Al-Fath:48, ayat 1) “Kerendahan hati adalah hasil dari pengetahuan.” (Rasulullah Muhammad “Kerendahan hati adalah hasil dari pengetahuan.” (Rasulullah Muhammad “Kerendahan hati adalah hasil dari pengetahuan.” (Rasulullah Muhammad

  “Barangsiapa merintis jalan mencari dan berbagi ilmu, maka Allah akan “Barangsiapa merintis jalan mencari dan berbagi ilmu, maka Allah akan “Barangsiapa merintis jalan mencari dan berbagi ilmu, maka Allah akan memudahkannya jalan ke surga.” (HR. Muslim) memudahkannya jalan ke surga.” (HR. Muslim) memudahkannya jalan ke surga.” (HR. Muslim)

  

“I don’t give up easily. I fight for what I want.” (Ade Clara Alexander) “I don’t give up easily. I fight for what I want.” (Ade Clara Alexander) “I don’t give up easily. I fight for what I want.” (Ade Clara Alexander)

Kupersemba rsembahkan Untuk : Allah SWT

  Tn. & . & Ny. Alexander

Kedua Dosen Pembi embimbing (Ir. Arizal Aswan, M.T. dan Ir. K.A .A. Ridwan,M.T.)

Kerabat erabat & Sahabat Almamater

  Indonesia

  

ABSTRAK

PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

(Analisa Sistem Termal Boiler Furnace dan Kinerja Turbin Uap)

  

(Ade Clara Pretty Sundari, 2015, 120 Halaman, 39 Tabel, 45 Gambar, 7 Lampiran)

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah pembangkitan yang menggunakan uap untuk

memutar turbin yang akan menggerakkan generator dan akhirnya menghasilkan listrik. Dalam

prosesnya pada PLTU terdapat berbagai macam peralatan utama seperti boiler, turbin, kondensor,

dan generator. Konversi energi tingkat pertama yang berlangsung dalam PLTU adalah konversi

energi primer menjadi energi panas (kalor). Hal ini dilakukan dalam ruang bakar. Energi panas ini

kemudian dipidahkan dalam air yang ada dalam shell boiler untuk menghasilkan uap. Uap ini

dialirkan ke turbin uap. yang di dalamnya, energi (entalpi) uap dikonversikan menjadi energi

mekanik penggerak generator, dan akhirnya energi mekanik dari turbin uap ini dikonversikan

menjadi energi listrik oleh generator. Demikian pentingnya peran boiler dan turbin uap sebagai

komponen-komponen utama pada PLTU, maka penting untuk melakukan uji kinerja dan analisis

termal pada kedua perangkat tersebut, serta mempelajari berbagai faktor dan variabel yang dapat

menyebabkan pemborosan penggunaan energi dan mencari adanya peluang untuk mengoptimalkan

kinerja sistem dalam upaya konservasi energi. Adapun paramater yang diamati meliputi bahan

bakar, flue gas, temperatur dan tekanan steam, hingga putaran turbin dan generator. Berdasarkan

parameter tersebut, prototipe PLTU yang dirancang memiliki efisiensi termal sebesar 36,48 %,

dimana masih dapat ditingkatkan nilai efisiensinya dengan meminimasi kebocoran kalor radiasi

dan konveksi pada area permukaan boiler. Demikian pula dengan hasil uji kinerja terhadap turbin

uap, diperoleh beberapa karakteristik yang mempengaruhi performa kerja sistem turbin tersebut

seperti penurunan tekanan steam selama operasi yang berdampak pada penurunan putaran turbin,

serta kenaikan putaran turbin yang berbanding lurus dengan kenaikan efisiensi turbin.

  

Kata Kunci: Pembangkit Listrik Tenaga Uap, Boiler Furnace, Turbin Uap, Solar, Efisiensi

Termal

  

ABSTRACT

STEAM TURBINE PROTOTYPE

(Thermal System Analysis of Boiler Furnace and Steam Turbine Work)

  

(Ade Clara Pretty Sundari, 2015, 120 Pages, 39 Tables, 45 Pictures, 7 Attaachments)

Steam Turbine Generator (STG) is the plant which uses steam to turn turbine that will eventually

drivethe generator and produce electricity. In its process, STG has some primary units such as

boiler, turbine, condensor, and generator. The first stage of energy conversion which does in STG

is the convertion of primary energy to be heat (calor). This one is done in the furnace. The heat

then wil be moved into water in the boiler to produce steam. Steam is conveyed to the steam

turbine, in it, energy (enthalpy) is converted to be mechanical energy, and finally mechanical

energy from steam turbine is then converted to be electricity by generator. Due to its important

roles of boiler and steam turbine as primary units os Steam Turbine Generator, so that it’s

important to do thermal analysis and running test of those two units, also to study the factors and

variables which caused heat losses and obtain the opportunity to optimize work system,

concerning in energy conservation. Parameters which studied are fuel, flue gas, teperature and

pressure of steam, also rpm of turbine and generator. Based on those parameters, steam turine

generator prototype has thermal efficiency 36,48%, which that efficiency still can be proved with

minimize heat losses of radiation and convection on the surface of boiler. In the study of steam

turbine, got some charateristics that fluence the work of steam turbine such as the decrease of

turbine rpm, also the increase of turbine rpm which will cause the increase of tubine efficiency.

  

Keywords: Steam Turbine Generator, Boiler Furnace, Steam Turbine, Diesel, Thermal Efficiency

  Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah Subhana wa Ta’ala, yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya, sehingga laporan Tugas Akhir ini dapat terselesaikan sesuai rencana. Shalawat dan salam selalu tercurah kepada Nabi Muhammad Shalallahu ’Alaihi Wassalam beserta para keluarga dan sahabatnya hingga akhir zaman.

  Penulis menyusun laporan ini berdasarkan hasil pengamatan dan data-data yang diperoleh saat melakukan Rancang Bangun dan Penelitian di Laboratorium Teknik Energi Politeknik Negeri Sriwijaya. Dalam melaksanakan Penelitian Tugas Akhir ini penulis telah banyak menerima bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada: 1. R.D Kusumanto, S.T, M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Sriwijaya.

  2. H. Firdaus, S.T, M.T., selaku Pembantu Direktur I Bidang Akademik Politeknik Negeri Sriwijaya.

  3. Ir. Robert Junaidi, M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya.

  4. Zulkarnain, S.T, M.T selaku Sekretaris Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya.

  5. Ir Arizal Aswan, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Energi sekaligus Dosen Pembimbing I Tugas Akhir di Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang.

  6. Ir. K.A. Ridwan, M.T., selaku Dosen Pembimbing II Tugas Akhir di Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang.

  7. Seluruh dosen dan staf Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang.

  8. Kedua orang tua dan para kerabat yang tak henti-hentinya mendoakan dan menyemangatiku dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  9. Rekan-rekan seperjuangan Teknik Energi 2011 yang selalu menyemangati dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  Penulis telah berusaha semaksimal mungkin dalam menulis Tugas Akhir ini, meskipun begitu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat mendukung dari pembaca, guna menyempurnakan apa yang telah penulis buat. Akhir kata penulis mengharapkan semoga laporan ini dapat berguna dan bermanfaat bagi pembaca.

  Palembang, Juni 2015 Penulis

  DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL .......................................................................... i

LEMBAR PENGESAHAN .............................................................. ii

MOTTO .............................................................................................

  iv

  

ABSTRAK ......................................................................................... v

ABSTRACT ......................................................................................... vi

KATA PENGANTAR ....................................................................... vii

DAFTAR ISI ..................................................................................... ix

DAFTAR TABEL .............................................................................

  xi

  

DAFTAR GAMBAR ......................................................................... xii

DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................... xiv

BAB I PENDAHULUAN ..............................................................

  1 1.1 Latar Belakang ..........................................................

  1 1.2 Tujuan .......................................................................

  3 1.3 Manfaat ......................................................................

  4 1.4 Permasalahan .............................................................

  4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................

  5 2.1 Dasar Termodinamika ...............................................

  5 2.1.1 Hukum Pertama Termodinamika ................

  5 2.1.2 Hukum Kedua Termodinamika ...................

  6 2.2 Perubahan Fase pada Zat Murni ................................

  9 2.2.1 Cair Tekan (Compressed Liquid) ................

  9 2.2.2 Cair Jenuh (Saturation Liquid) ....................

  10

  2.2.3 Campuran Air-Uap (Liquid-Vapor Mixture) ......................................................................

  10 2.2.4 Uap Jenuh (Saturated Vapor) .....................

  11 2.2.5 Uap Panas Lanjut (Superheated Vapor) .....

  12 2.3 Tabel Properti.............................................................

  13 2.3.1 Entalpi .........................................................

  13 2.3.2 Keadaan Cair Jenuh dan Uap Jenuh ............

  13 2.3.3 Keadaan Campuran Air dan Uap ................

  14 2.3.4 Keadaan Uap Panas Lanjut .........................

  16 2.3.5 Keadaan Cair Tekan ....................................

  16 2.4 Teknik Pembakaran ...................................................

  16 2.4.1 Prinsip Pembakaran ....................................

  16 2.4.2 Kebutuhan Udara Teoritis ...........................

  19 2.4.3 Konsep Udara Berlebih (Excess Air) ..........

  20 2.5 Bahan Bakar ..............................................................

  21 2.5.1 Solar ...........................................................

  21 2.5.2 LPG .............................................................

  21

  2.6 Proses Perpindahan Panas .........................................

  23 2.6.1 Perpindahan Panas secara Konduksi ...........

  23 2.6.2 Perpindahan Panas secara Konveksi ...........

  23 2.6.3 Perpindahan Panas secara Radiasi ..............

  26 2.7 Pembangkit Listrik Tenaga Uap dan Siklus Rankine .

  26 2.8 Ketel Uap (Boiler) .....................................................

  29 2.8.1 Jenis-Jenis Boiler Berdasarkan Tipe Pipa ...

  30 2.8.2 Neraca Kalor ...............................................

  32 2.9 Superheater ................................................................

  33 2.10 Turbin Uap .................................................................

  34 2.6.1 Prinsip Kerja Turbin Uap ............................

  34 2.6.2 Klasifikasi Turbin Uap ................................

  35 2.11 Generator ...................................................................

  39 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................

  40 3.1 Pendekatan Desain Fungsional ..................................

  40 3.2 Pendekatan Desain Struktural ...................................

  40 3.2.1 Desain Peralatan ..........................................

  41

  3.2.2 Pembuatan Ruang Bakar, Shell and Tube Badan Boiler, Rangkaian Steam Turbine Generator, dan Penampungan Kondensat pada Kondensor ..........................................

  43 3.3 Pertimbangan Percobaan ..........................................

  45 3.3.1 Waktu dan Tempat ......................................

  45 3.3.2 Alat dan Bahan ............................................

  45 3.3.3 Perlakuan dan Rancangan Percobaan .........

  46 3.4 Pegamatan .................................................................

  47 3.5 Prosedur Percobaan ...................................................

  47 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .........................................

  50 4.1 Hasil Penelitian ............................................................

  53 4.2 Pembahasan .................................................................

  53

  4.2.1 Analisa Sistem Termal Seputar Boiler Furnace .......................................................

  53 4.2.2 Uji Kinerja Turbin Uap ..............................

  54 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .........................................

  58 5.1 Kesimpulan ....................................................................

  58 5.2 Saran .............................................................................

  59 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................

  60 LAMPIRAN .......................................................................................

  62

  

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman 1. Kondisi Gas Ideal ..................................................................

  98 28. Neraca Massa Seputar Boiler Furnace .................................

  66 22. Data Pressure Drops pada Saat Running ..............................

  66 23. Data Perubahan Kondisi Operasi Saat Running.....................

  66 24. Perhitungan Komposisi Solar ...............................................

  94 25. Komposisi Mol Flue Gas Basah ...........................................

  97 26. Komposisi Mol Udara Basah Masuk ke Ruang Bakar .........

  97 27. Neraca Massa pada Furnace .................................................

  98

  64 20. Data Komposisi Bahan Bakar Solar .....................................

  29. Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor) ..................... 100

  30. Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor) ..................... 101

  31. Komposisi Mol Flue Gas Kering .......................................... 102

  32. Konstanta Komponen Gas .................................................... 102

  33. Panas Sensibel Komposisi Flue Gas ..................................... 103

  34. Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor) ..................... 104

  65 21. Data Waktu Pemanasan untuk Start Up ................................

  63 19. Spesifikasi Pompa .................................................................

  20 2. Spesifikasi Solar ....................................................................

  52 9. Hubungan Putaran Turbin terhadap Efisiensi Turbin ...........

  22 3. Spesifikasi LPG ....................................................................

  23 4. Neraca Massa Seputar Boiler Furnace .................................

  50 5. Neraca Energi Seputar Boiler Furnace .................................

  51 6. Data Waktu Pemanasan untuk Start Up ...............................

  51 7. Data Perubahan Kondisi Operasi Saat Running ....................

  52 8. Hubungan Putaran Turbin terhadap Daya Turbin..................

  52 10. Analisa Sistem Termal Seputar Boiler Furnace ...................

  63 18. Spesifikasi Oil Tank ..............................................................

  53 11. Spesifikasi Ruang Bakar .......................................................

  62 12. Spesifikasi Fire Tube Boiler .................................................

  62 13. Spesifikasi Superheater ........................................................

  62 14. Spesifikasi Turbin .................................................................

  62 15. Spesifikasi Generator ............................................................

  63 16. Spesifikasi Kondensor ..........................................................

  63 17. Spesifikasi Kompresor ..........................................................

  35. Neraca Energi Seputar Boiler Furnace ................................. 106

  DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 1. Diagram Temperatur-Entropi ..................................................

  27. Grafik Pengaruh Penurunanan Tekanan Steam terhadap Putaran Turbin ......................................................................................

  38 22. Profil dan Karakteristik Sudu Reaksi dan Impuls ...................

  39 23. Fire Tube Boiler.......................................................................

  41 24. Desain Fire Tube Boiler ..........................................................

  42 25. Desain Prototype Power Generation secara Keseluruhan ......

  43

  26. Grafik Hubungan Kenaikan Temperatur dan Tekanan terhadap Waktu Pemanasan ...................................................................

  55

  56 28. Grafik Hubungan Putaran Turbin dengan Efisiensi Turbin ....

  36 20. Proses Ekspansi Pada Nosel ....................................................

  57

  

29. Boiler ....................................................................................... 109

  30. Tubesheet ................................................................................ 109

  31. Superheater ............................................................................. 109

  32. Furnace ................................................................................... 109

  33. Komporesor ............................................................................. 110

  34. Tangki Bahan Bakar ................................................................ 110

  38 21. Prinsip Dasar Sudu Reaksi dan Sudu Impuls ..........................

  33 19. Segitiga Kecepatan pada Suatu Turbin Impuls .......................

  8 2. Diagram Entalpi-Entropi .........................................................

  14 10. Kulaitas Uap Air .....................................................................

  9 3. Air pada Fase Cair Tekan (Compressed Liquid) .....................

  10 4. Air pada Fase Cair Jenuh (Saturated Liquid) ..........................

  10 5. Campuran Air dan Uap ...........................................................

  11 6. Uap Jenuh (Saturated Vapor)...................................................

  11 7. Uap Panas Lanjut (Superheated Vapor) ..................................

  12 8. Diagram T-v Pemanasan Air pada Tekanan Konstan ..............

  12 9. Contoh Tabel Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor) .

  15

  32 18. Rugi-Rugi pada Boiler ............................................................

  11. Pembakaran yang Sempurna, yang Baik, dan Tidak Sempurna ..................................................................................................

  18

  12. Grafik Hubungan Efisiensi Pembakaran dengan Udara Berlebih ..................................................................................................

  20 13. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Uap ..................................

  27 14. Siklus Rankine Sederhana .......................................................

  27 15. Fire Tube Boiler ......................................................................

  30 16. Water Tube Boiler ...................................................................

  31 17. Sistem Neraca Massa dan Panas .............................................

  35. Sudu Turbin ............................................................................. 110

  36. Kondensor ............................................................................... 110

  37. Pompa ...................................................................................... 110

  38. Level Volume .......................................................................... 110

  39. Panel Listrik ............................................................................ 111

  40. Generator ................................................................................. 111

  41. Pulley Turbin ........................................................................... 111

  

42. Burner ..................................................................................... 111

  43. Temperature Gauge ................................................................ 111

  44. Pressure Gauge ....................................................................... 111

  45. Prototipe Steam Turbine Generator Keseluruhan.................... 112

  xiii DAFTAR LAMPIRAN Lampiran

  Halaman A. Spesifikasi Alat.........................................................................

  62 B. Data Pengamatan .....................................................................

  65 C. Perhitungan Desain ..................................................................

  67 D. Perhitungan Aktual ..................................................................

  94 E. Gambar Alat ............................................................................ 109

  F. Gambar Teknik Alat ................................................................. 113 G. Surat-surat ................................................................................