Studi Pengaruh Operating Heat Rate Terhadap Efisiensi Kinerja Pltu Labuhan Angin Sibolga
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pembangkit Listrik Tenaga Uap
Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) merupakan suatu pusat pembangkit
tenaga listrik yang bekerja dengan menggunakan uap air sebagai fluida kerjanya,
yaitu dengan memanfaatkan energi kinetik uap untuk menggerakan poros sudusudu turbin. Pada prinsipnya, menghasilkan listrik dengan sistem tenaga uap adalah
dengan mengambil energi panas yang terkandung di dalam bahan bakar batubara
yang terbakar didalam boiler untuk produksi uap, kemudian dipindahkan ke dalam
turbin, kemudian turbin tersebut akan mengubah energi panas yang diterima
menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak putar. Gerakan putar ini kemudian
seporos dengan generator yang akhirnya dapat menghasilkan listrik.
PLTU menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup.
Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang.
Urutan sirkulasinya secara singkat adalah sebagai berikut :
Pertama air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh
permukaan pemindah panas. Di dalam boiler, air ini mendapatkan
panas dengan menyerap gas panas hasil pembakaran bahan bakar
batubara, HSD serta udara sehingga berubah menjadi uap untuk
memutar turbin.
Kedua, uap hasil prduksi boiler dengan tekanan dan temperatur
tertentu diarahkan untuk memutar turbin HP (High Pressure), IP
7
Universitas Sumatera Utara
(intermediet Pressure) dan LP
(Low
Pressure) sehingga
menghasilkan daya mekanik berupa putaran.
Ketiga, generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar
menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan
megnet dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan
energi listrik dari terminal output generator.
Keempat, Uap bekas keluaran turbin masuk kedalam kondensor
untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali
menjadi air kondensat. Air kondensat hasil kondensiasi uap
kemudian digunakan lagi sebagai air pengisian boiler.
Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.
Pada gambar 2.1 dibawah ini akan menjelaskan garis besar prinsip
kerja dari PLTU.
Gambar 2.1 Siklus fluida kerja sederhana pada PLTU.
8
Universitas Sumatera Utara
2.2
Siklus Rankine
Siklus merupakan rangkaian sebuah proses dimana dimulai dari suatu tingkat
kondisi yang akan kembali ke tingkat kondisi semula dan selalu berulang. Pada
pembangkit tenaga uap, fluida yang mengalami proses-proses tersebut adalah air.
Air berfungsi sebagai fluida kerja. Air dalam siklus kerjanya mengalami prosesproses pemanasan, penguapan, ekspansi, pendinginan,dan kompresi. Siklus standar
pembangkit tenaga uap adalah siklus Rankine. Pada siklus kerja PLTU digunakan
adalah siklus tertutup yang dapat digambarkan dengan diagram T - s (Temperatur
– entropi). Selain diagram T-s juga dikenal Mollier diagram (h - s diagram).
Diagram h - s menggambarkan hubungan antara energi total total (entalpi (h))
dengan entropi (s). Sama seperti diagram T - s, untuk setiap fluida memiliki diagram
h - s yang tersendiri. Kedua diagram ini dapat digunakan untuk menghitung kinerja
pembangkit listrik tenaga uap dengan menggunakan siklus Rankine. Siklus ini
adalah penerapan siklus rankine ideal. Pada gambar 2.2 menunjukkan urutan kerja
dari diagram T – s Siklus PLTU.
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Diagram T–s Siklus PLTU (Siklus Rankine)
o 1-2
: Air dipompakan oleh pompa (dari tekanan P2 menjadi P1)
sehingga mengalami kenaikan temperature dan tekanan. Proses ini terjadi di
pompa air pengisi yang disebut kompresi isentropis.
o 2-2’
: Air yang dipompakan ini selanjutnya dipanaskan sampai mencapai
titik didihnya. Proses ini terjadi di LP heater, HP heater dan Economiser.
o 2’-3
: Pada tahap ini terjadi proses penguapan secara isobar isotermis
karena air yang berubah wujud menjadi uap jenuh.. Proses ini terjadi di boiler
yaitu pada wall tube.
o 3-4
: Uap dipanaskan lebih lanjut hingga uap mencapai temperatur
kerjanya menjadi uap panas lanjut (superheated vapour). Langkah ini terjadi
di superheater boilerdengan proses isobar.
o 4-5
: Uap melakukan kerja sehingga tekanan dan temperaturnya turun.
Langkah ini adalah langkah ekspansi isentropis, dan terjadi didalam turbin.
10
Universitas Sumatera Utara
o 5-1
: Pembuangan panas laten uap sehingga berubah menjadi air
kondensat. Langkah ini adalah isobar isothermis, dan terjadi didalam
kondensor
Proses ini adalah proses sederhana yang berlangsung pada saat memanaskan air.
Proses ini hampir sama dengan proses yang terjadi di dalam boiler pada unit
pembangkit uap di PLTU. Adapun siklus rankine ideal sederhana terdiri dari :
1. Boiler sebagai alat pembangkit uap
2. Turbin uap sebagai alat mengubah uap menjadi kerja
3. Kondensor sebagai alat pengembun uap
4. Pompa boiler sebagai alat memompa air ke boiler
2.3
Diagram Alir PLTU
PLTU Labuhan Angin menggunakan fluida kerja air uap dengan sirkulasi
tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulangulang untuk menghasilkan uap jenuh untuk memutar poros turbin. Siklus kerja
PLTU Labuhan Angin dapat dilihat pada diagram alir PLTU Labuhan Angin
gambar 2.3.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Diagram Alir PLTU Labuhan Angin
12
Universitas Sumatera Utara
2.4
Komponen – komponen Pembangkit Listrik Tenaga Uap
1. Stack /cerobong
Berfungsi untuk membuang Flue Gas hasil pembakaran, setelah
dibersihkan di Elektro Static Precipitator (ESP) baru dibuang ke Atmosfir.
2. Conveyor
Conveyor berfungsi untuk menyalurkan batubara dari unloading area
sampai ke bunker.
3. Coal Yard
Coal Yard berfungsi sebagai tempat penyimpan batu bara (stock) yang mana
batu bara masih dalam keadaan kasar atau harus dilakukan proses penghancuran.
4. Crusher
Crusher berfungsi untuk menghancurkan batu bara yang melalui peralatan
tersebut yang mempunyai ukuran lebih besar dari 32 mm peralatan ini di rancang
hanya untuk menghancurkan batu bara bukan untuk batu atau material lain .
5. Cool Silo
Coal Silo adalah tempat penampungan batubara terakhir sebelum digunakan
untuk pembakaran di boiler.
6. Boiler
Boiler berfungsi untuk mengubah air (feed water) menjadi uap panas lanjut
(super heated steam) yang akan digunakan untuk memutar turbin.
7. Elektro Static Precipitator
Elektro Static Precipitator berfungsi sebagai menangkap debu-debu hasil
pembangkaran (Fly Gas) dengan teknik pengumpulan elektrostatik.
13
Universitas Sumatera Utara
8. Boiler Drum
Boiler drum berfungsi untuk menampung air dan uap juga untuk menjaga
boiler pada suatu tekanan tertentu.
9. High Preasure Turbine
Berfungsi sebagai turbin dengan tekanan uap kering dan temperature yang
tinggi, yang mana uap kering awal dari hasil pemanasan air di boiler menuju ke
high pressure turbine untuk menghasilkan putaran.
10. Low Pressure Turbine
Berfungsi sebagai turbin dengan tekanan uap kering dan temperature yang
rendah, yang mana uap kering untuk memutar turbin berasal dari sisa putaran high
pressure turbine dengan poros yang sama.
11. Generator
Generator berfungsi untuk mengubah energi putar dari turbin menjadi
energi listrik.
12. Trafo
Berfungsi untuk memindahkan dan mengubah daya listrik bolak-balik (AC)
dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya.
13. Condensor
Condensor berfungsi untuk mengkondensasikan uap bekas dari turbin (uap
yang telah digunakan untuk memutar turbin).
14
Universitas Sumatera Utara
14. Circulate Water Pump
Circulate Water Pump adalah bagian pertama dari sistem pendingin. Pompa
ini yang bertugas untuk mengambil air pendingin dari laut. Pompa ini biasanya
terletak pada areal Water Intake.
15. Sea
Air laut berfungsi sebagai media air pemanas pada boiler dan media air
pendingin untuk mendinginkan komponen-komponen pada PLTU.
16. Reverse Osmosis
Reverse Osmosis berfungsi sebagai upaya untuk menyeimbangkan
konsentrasi garam pada kedua sisi.
17. Mixed Bed
Mixed bed berfungsi sebagai pengolah air laut menjadi air demin dengan
menggunakan resin penukar ion baik itu ion positf maupun ion negatif.
18. Demin Water Tank
Berfungsi sebagai tempat penyimpanan air demineralizer yang digunakan
sebagai air proses pemanasan pada boiler dan sebagai sistem pendingin komponen.
19. Condensate Pump
Condensate pump berfungsi untuk memindahkan condensate dari hotwell
dan Low Pressure Heater ke deaerator
20. Low Preassure Heater
Low Pressure Heater yang mana memiliki fungsi untuk menaikkan
temperatur secara bertahap atau sebagai pemanas lanjut yang mendapat panas dari
uap ekstraksi turbin.
15
Universitas Sumatera Utara
21. Dearator
Deaerator berfungsi untuk memanaskan dan menghilangkan gas dan udara
terlarut dalam air pengisi. Udara dan gas dapat menyebabkan korosi di dalam pipapipa air uap ketel uap.
22. Boiler Feed Pump
Boiler feed pump berfungsi untuk menaikkan tekanan air pengisi sehingga
air pengisi tersebut dapat mengalir dan masuk ke dalam boiler drum.
23. High Preassure Heather
High Pressure Heater befungsi untuk menaikkan temperatur secara
bertahap atau sebagai pemanas lanjut yang menggunakan uap ekstraksi dari turbin
sebagai sumber pemanasan.
24. Oil Tank
Berfungsi sebagai tempat penyimpanan minyak/tangki minyak untuk proses
pembakaran awal/pemantik boiler sebelum masuknya batu bara dan campuran
lainnya.
2.4.1 Boiler
Boiler atau ketel uap adalah suatu perangkat mesin yang berfungsi untuk
mengubah air menjadi uap. Proses perubahan air menjadi uap terjadi dengan
memanaskan air yang berada di dalam pipa-pipa dengan memanfaatkan panas dari
hasil pembakaran bahan bakar. Uap yang dihasilkan boiler adalah uap superheat
dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap tergantung pada
luas permukaan pemindah panas, laju aliran, dan panas pembakaran yang diberikan.
16
Universitas Sumatera Utara
Jika dioperasikan dengan benar, boiler secara efisien dapat mengubah air dalam
volume yang besar menjadi steam yang sangat panas dalam volume yang lebih
besar lagi yang akan digunakan untuk memutar turbin. Boiler mempunyai
spesifikasi sebagai berikut:
• Manufaktur
: Foster Wheler Co.
• Type
: Circulating Fluidized Bed (CFB)
• Capacity
: 423 ton/hour
• Steam temp
: 542 °C
• Steam pressure
: 10,32 Mpa
• Fuel
: Oil and Coal
Gambar 2.4 Boiler
Boiler terdiri atas beberapa bagian, antara lain :
1. Economizer
Economizer adalah alat yang merupakan pemanas air terakhir sebelum masuk
ke drum. Di dalam economizer air menyerap panas gas buang yang keluar dari
17
Universitas Sumatera Utara
superheater sebelum dibuang ke atmosfir melalui cerobong. Sumber panas yang
diperlukan oleh alat tersebut berasal dari gas buang dalam boiler dengan suhu
±460,1 oC. Dimana, air pertama-tama masuk ke ekonomiser. Ekonomier berfungsi
sebagai pemanas awal. Sesuai namanya alat ini berfungsi untuk meningkatkan
efisiensi boiler dengan cara menggunakan panas sisa gas buang untuk memanaskan
awal air yang masuk ke boiler.
2. Steam Drum (Evaporator)
Steam drum berfungsi sebagai pemisah uap dan air pada boiler, uap yang
dihasilkan akan menuju ke turbin, sebelum ke turbin uap yang dihasilkan masih
berupa uap basah dimana uap ini belum effektif untuk memutar turbin karena masih
mengandung air yang dapat merusak turbin uap, maka dari itu uap yang basah akan
melalui superheater untuk mendapatkan uap kering, lalu menuju ke turbin uap.
Tekanan pada steam drum mencapai 127 bar.
3. Superheater
Superheater merupakan kumpulan pipa Boiler yang terletak dijalan aliran
gas panas hasil pembakaran. Superheater berfungsi untuk memanaskan uap agar
kandungan energi panas dan kekeringannya bertambah sehingga menjadi uap
superheat (uap panas lanjut). Pemasanan dilakukan dalam dua atau tiga tahap,
sebagai pemanasnya adalah gas hasil pembakaran bahan bakar. Panas dari gas
ini dipindahkan ke Saturated Steam yang ada dalam pipa Superheater, sehingga
berubah menjadi Super Heated Steam sebelum disalurkan ke Turbin. Suhu pada
Superheater 540 oC dan tekanan 13.43 MPa.g.
18
Universitas Sumatera Utara
4. Reheater
Setelah tekanan dan temperatur SH Steam turun maka SH Steam tersebut
akan dikembalikan ke Boiler untuk pemanasan ulang. Pemanasan ulang ini
berlangsung di bagian Boiler yang disebut Re-Heater yang merupakan
kumpulan pipa Boiler yang diberi panas dari gas pembakaran seperti
Superheater dengan suhu inlet/outlet 322oC/540oC dan tekanan inlet/outlet
2,7/2,505 MPa.g. Di bagian Re-Heater, SH Steam akan dikembalikan untuk
memutar Intermediate Presure Turbine (IP) dan Low Presure Turbine (LP).
5. Air Preheater
Air Pre-Heater adalah instrument yang sistem kerjanya berputar dengan
putaran rendah dan berfungsi untuk memanasi udara pembakaran dengan suhu
350oC dan tekanan 500 Pa sebelum dikirim ke Furnace dan mendinginkan udara
keluar dengan suhu 140oC dan tekanan 1 kPa menuju stack (cerobong). Furnace
adalah ruang dalam boiler yang dirancang terjadinya proses pembakaran (bahan
bakar+udara+api/panas). Pemanas Udara pembakaran tersebut diambil dari gas
buang hasil pembakaran dari Furnace yang dialirkan melalui Air Pre-Heater
sebelum dibuang ke Chimney.
2.4.2 Steam Turbin
Steam turbin (turbin uap) berfungsi untuk mengkonversi energi panas yang
dikandung oleh uap menjadi energi putar (energi mekanik). Poros turbin dikopel
dengan poros generator sehingga ketika turbin berputar generator juga ikut berputar.
Uap yang telah melakukan kerja di turbin tekanan dan temperatur turun hingga
19
Universitas Sumatera Utara
kondisinya menjadi uap basah.Uap keluar turbin ini kemudian dialirkan kedalam
kondensor untuk didinginkan agar menjadi air kondensat, sedangkan tenaga putar
yang dihasilkan digunakan untuk memutar generator. Steam Turbine mempunyai
spesifikasi sebagai berikut:
•
Manufaktur
: Shanghai Turbine Co. LTD
•
Type
: N115-9,32/537
•
Speed
: 3000 RPM
•
No. extraction
:5
•
Rotation
: Clock wise
•
Steam flow
: 409,437 t/h
Gambar 2.5 Steam Turbin
Turbin uap terdiri atas beberapa bagian, antara lain :
Casing
Casing adalah bagian yang diam merupakan rumah atau wadah dari rotor.
Pada casing terdapat sudu-sudu diam atau disebut stator yang dipasang melingkar
dan berjajar terdiri dari beberapa baris yang merupakan pasangan dari sudu gerak
pada rotor.Sudu diam berfungsi untuk mengarahkan aliran uap agar tepat dalam
20
Universitas Sumatera Utara
mendorong sudu gerak pada rotor.
Rotor
Rotor adalah bagian yang berutar terdiri dari poros dan sudu-sudu gerak
yang terpasang mengelilingi rotor. Jumlah baris sudu gerak pada rotor sama dengan
jumlah baris sudu diam pada casing. Pasangan antara sudu diam dan sudu gerak
disebut tingkat (stage).Sudu gerak (rotor) berfungsi untuk mengubah energi kinetik
uap menjadi energi mekanik.
Bantalan
Fungsi bantalan adalah untuk menopang dan menjaga rotor turbin agar tetap
pada posisi normalnya. Ada dua macam bantalan pada turbin, yaitu:
-
Bantalan journal yang berfungsi untuk menopang dan mencegah
poros turbin daripergeseran arah radial
-
Bantalan aksial (thrust bearing) yang berfungsi untuk mencegah
turbin bergeserkearah aksial.
Katup Utama
Katup utama turbin terdiri dari :
Main Stop Valve (MSV)
Katup ini berfungsi sebagai katup penutup cepat jika turbin trip atau
sebagai katup pengisolasi turbin terhadap uap masuk. MSV bekerja dalam dua
posisi yaitu menutup penuh atau membuka penuh. Pada saat turbin beroperasi maka
MSV membuka penuh. Sebagai penggerak untuk membuka MSV digunakan
tekanan minyak hidrolik. Sedangkan untuk menutupnya dengan kekuatan pegas.
21
Universitas Sumatera Utara
Governor Valve (GV)
Turbin harus dapat beroperasi dengan putaran yang konstan pada beban
yang berubah ubah. Untuk membuat agar putaran turbin selalu tetap digunakan
governor valve yang bertugas mengatur aliran uap masuk turbin sesuai dengan
bebannya. Sistem governor valve yang digunakan umumnya adalah mechanic
hydraulic (MH) atau electro hydraulic (EH).
Pada turbin dengan kapasitas > 100 MW dilengkapi dengan katup uap reheat, yaitu
Reheat Stop Valve (RSV) dan Interceptor Valve (ICV).
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai
berikut :
1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar
dengan udara kemudian dibakar.
3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar
melalui nozel (nozzle).
4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran
pembuangan.
Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas
dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian
tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab
terjadinya kerugian antara lain :
1. Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan
22
Universitas Sumatera Utara
(pressure losses) di ruang bakar.
2. Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan
terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
3. Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan
temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
4. Adanya mechanical loss.
2.4.3 Generator
Produksi untuk menghasilkan energi listrik merupakan target dari proses
konversi energi di PLTU. Generator yang dikopel langsung dengan turbin akan
menghasilkan tegangan listrik ketika turbin berputar. Proses konversi energi
didalam generator adalah dengan memutar medan magnet didalam kumparan.
Rotor generator sebagai medan magnet menginduksi kumparan yang dipasang pada
stator sehingga timbul tegangan diantara kedua ujung kumparan generator. Untuk
membuat rotor agar menjadi medan magnet, maka dialirkan arus DC ke kumparan
rotor. Generator mempunyai spesifikasi sebagai berikut :
•
Manufaktur
: Shandong Jinan Power Machinery Equipment
•
Rated power
: 115 MW
•
Rated voltage
: 13,8 kV
•
Rated current
: 6014 A
•
Power factor
: 0,8
•
Frekuensi
: 50 Hz
•
Rated power
: 143,75 MVA
23
Universitas Sumatera Utara
•
Exciting current : 1341,6 A
Gambar 2.6 Generator
2.4.4 Ship Unloader
Ship Unloader merupakan peralatan yang di gunakan untuk memindahkan
batubara yang terdapat pada kapal angkutan menuju ke coal yard (unloading) atau
diteruskan ke coal bunker. Ship Unloader mempunyai spesifikasi sebagai berikut :
•
TypMfg : Wuhan Power Equipment Work
•
e
•
Kapasitas : 500 ton/jam
•
Line
: Stable Catenary Chain Bucket
:2
24
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Ship Unloader
2.4.5 Stacker & Reclaimer
Stacker adalah alat besar yang digunakan untuk menata batubara yang
datang melalui konveyor menuju stockpile. Reclaimer merupakan alat yang
berfungsi untuk mengambil batubara dari stockpile menuju konveyor untuk
selanjutnya ditransport ke PLTU. Stacker & Reclaimer mempunyai spesifikasi
sebagai berikut :
•
Type : Traveling Bucket wheel stacker reclaimer
•
Number : 1 set
•
Stacking Capacity : 1500 ton/hr
•
Reclaiming Capacity : 360 ton/hr (by using bucket wheel)
25
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Stacker & Reclaimer
2.4.6 Coal Yard
Coal Yard merupakan fasilitas atau tempat penyimpanan batubara yang
digunakan untuk pemanasan dan menghasilkan energi. Coal Yard mempunyai
spesifikasi sebagai berikut :
•
Dead storage area 1.24 ha ≈ 76,450 ton batubara.
•
Life storage area 0.33 ha ≈15,290 ton batubara.
•
Life storage semi open type with shed (roof steel structures).
Gambar 2.9 Coal Yard
26
Universitas Sumatera Utara
2.4.7 Reverse Osmosis Plant
Reverse Osmosis Plant merupakan pabrik tempat di mana proses reverse
osmosis terjadi. Rata-rata yang pabrik modern, reverse osmosis membutuhkan
enam kilowatt-jam
listrik untuk menghilangkan garam satu meter kubik air.
Reverse Osmosis Plant mempunyai spesifikasi sebagai berikut:
•
Type
: SWRO dan BWRO
•
Mfg
: Asian Tec Limited(Hong Kong)
•
Set / Stage : 2/2
•
Capacity
: 2 x 1000 ton/day
Gambar 2.10 Reverse Osmosis Plant
2.4.8 Desalination Plant
Fungsi desalination plant adalah mengolah air laut menjadi air murni.
Proses desalination yang umum dilakukan adalah dengan cara menguapkan
(evaporating) air laut. Bila air laut dipanaskan, maka airnya akan menjadi uap dan
garam-garamnya akan tertinggal. Selanjutnya bila uap tersebut didinginkan akan
diperoleh air kondensat yang disebut air desal atau fresh water. Adapun proses
desalinasi air laut antara lain :
27
Universitas Sumatera Utara
1. Air laut yang menjadi bahan baku utama dialirkan menuju sea water pit,
dan untuk menghambat pertumbuhan biota-biota laut diinjeksikan
Chlorin dengan kadar tertentu. Selanjutnya air laut difiltrasi untuk
menghilangkan kotoran- kotoran yang berukuran besar.
2. Dari sea water pit, air laut dialirkan menuju primary filter dengan
menggunakan sebuah pompa. Diperjalanan, air tersebut diinjeksi
senyawa koagulan
FeSO4 yang
berfungsi
untuk
mengumpulkan
partikel-partikel berukuran kecil menjadi partikel-partikel berukuran
lebih besar sehingga lebih mudah dilakukan proses filtrasi.
3. Kemudian air laut selanjutnya dipanaskan dalam pemanas garam dan
kemudian dialirkan ke dalam chamber
4. Air laut yang telah panas mengalir dari tahap bertemperatur tinggi ke
tahap bertemperatur rendah melalui suatu bukaan kecil, sementara itu
penguapan tiba-tiba (flash evaporates) terjadi dalam chamber
5. Uap air yang terjadi dalam chamber pada setiap tahap mengalir melalui
pemisah, dan mengeluarkan panas laten ke dalam tabung penukar panas
sementara air laut mengalir melalui bagian dalam dan kemudian uap
berkondensasi. Air yang terkondensasi dikumpulkan dalam penampung
dan kemudian dipompa keluar sebagai air tawar.
2.4.9 Demineralizer Plant
Berfungsi untuk menghilangkan kadar mineral (ion) yang terkandung
dalam air tawar. Air sebagai fluida kerja PLTU harus bebas dari mineral, karena
28
Universitas Sumatera Utara
jika air masih mengandung mineral berarti konduktivitasnya masih tinggi. Hal ini
dapat menimbulkan korosi pada peralatan PLTU.
2.5
Bahan Bakar Batubara
Batubara merupakan bahan baku pembangkit energi listrik yang pada
umumnya digunakan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik tenaga uap.
Batubara dibedakan berdasarkan nilai kalor serta lama proses pembentukannya.
Pengelompokan ini menunjukkan kualitas batubara yang akan membedakan nilai
ekonomis serta kegunaan batubara tersebut. Terdapat empat jenis batubara mulai
dari kualitas rendah hingga tinggi, yaitu: lignit, sub-bituminous, bituminous, dan
antrasit.
Antrasit adalah kelas batu bara tertinggi, dengan warna hitam berkilauan
(luster) metalik, mengandung antara 86% - 98% unsur Karbon (C) dengan
kadar air kurang dari 8%. Nilai kalor batubara jenis ini lebih dari 6900
kcal/kg.
Bituminous mengandung 68 - 86% unsur Karbon (C) dan berkadar air 810% dari beratnya. Kelas batu bara yang paling banyak ditambang di
Indonesia, tersebar di pulau sumatera, kalimantan dan Sulawesi, biasa
digunakan untuk proses pemanasan. Bituminous memiliki nilai kalor 5700
kcal/kg hingga 6900 kcal/kg.
Sub-bituminus mengandung sedikit Karbon dan banyak air, dan oleh
karenanya menjadi sumber panas yang kurang efisien dibandingkan dengan
bituminous. Batubara sub-bituminous memiliki nilai kalor 4166 kcal /kg
29
Universitas Sumatera Utara
hingga 5700 kcal/kg.
Lignit atau batu bara coklat adalah batu bara yang sangat lunak yang
mengandung air 35-75% dari beratnya. Lignit atau sering disebut sebagai
brown coal. Batubara ini merupakan batubara kelas rendah dengan nilai kalor
kurang dari 4165 kcal/kg.
Dari segi kualitas, batubara yang sudah dicuci (washing) yang di kecilkan ukuran
butirannya (crushing) kemudian dibakar dan menyisakan abu. Pengotor ini
merupakan pengotor bawaan pada saat pembentukan batubara, pengotor tersebut
dapat berupa gipsum (CaSO42H2O), anhidrit (CaSO4), pirit (FeS2), silika (SiO2)
dapat pula berbentuk tulang-tulang binatang (diketahui dari senyawa-senyawa
fosfor dari analisis abu). Pengotor bawaan ini tidak mungkin dihilangkan sama
sekali, tetapi dapat dikurangi dengan cara pembersihan. Proses ini dikenal dengan
tenologi batubara bersih.
Komposisi kimiawi batubara berpengaruh kuat pada daya pembakarannya.
Sifat-sifat batubara secara luas diklasifikasikan kedalam sifat fisik dan sifat kimia.
Sifat fisik batubara termasuk nilai panas, kadar air, bahan mudah menguap dan abu.
Sifat kimia batubara tergantung dari kandungan berbagai bahan kimia seperti
karbon, hidrogen, oksigen, dan sulfur.
2.6
Proses Pembakaran
Pembakaran secara umum yaitu terjadinya oksidasi cepat dari bahan bakar
disertai dengan produksi panas dan cahaya. Pembakaran sempurna bahan bakar
terjadi jika ada pasokan oksigen yang cukup. Dalam setiap bahan bakar, unsur
30
Universitas Sumatera Utara
yang mudah terbakar adalah karbon, hidorgen, dan sulfur.
Tujuan dari pembakaran yang sempurna adalah melepaskan seluruh panas
yang terdapat dalam bahan bakar. Hal ini dilakukan dengan pengontrolan “Tiga
T” yaitu :
a. T-Temperatur
Temperatur yang digunakan dalam pembakaran yang baik harus cukup
tinggi sehingga dapat menyebabkan terjadinya reaksi kimia
b. T-Turbulensi
Turbulensi yang tinggi menyebabkan terjadinya pencampuran yang
baik antara bahan bakar dan pengoksidasi
c. T-Time (Waktu)
Waktu yang cukup agar input panas dapat terserap oleh reaktan
sehingga berlangsung proses termokimia
Dalam proses pembakaran tidak terlepas dari tahap awal yaitu penyalaan
dimana keadaan transisi dari tidak reaktif menjadi reaktif karena dorongan eksternal
yang memicu reaksi termokimia diikuti dengan transisi yang cepat sehingga
pembakaran dapat berlangsung. Penyalaan terjadi bila panas yang dihasilkan oleh
pembakaran lebih besar dari panas yang hilang ke lingkungan. Dalam proses
penyalaan ini dapat dipicu oleh energi thermal yang merupakan transfer energi
termal ke reaktan oleh konduksi, konveksi, radiasi atau kombinasi dari ketiga
macam proses tersebut. Proses pembakaran batubara sendiri adalah melalui tiga
tahap yaitu: pengeringan (drying), penguapan volatile (devolatilization) dan
pembakaran char (char combustion). Untuk batubara pulverized maka proses
31
Universitas Sumatera Utara
drying, devolatilization dan char combustion akan berlangsung secara berurutan
dengan periode pembakaran char (char burn period) yang relative lebih lama bila
dibandingkan pada tahap drying maupun devolatilization.
1. Drying
Drying adalah proses penguapan/pengeringan moisture di dalam batubara.
Moisture dalam batubara terbagi menjadi dua jenis yaitu: dalam bentuk free water
(air bebas) yang terletak diantara pori-pori batubara dan dalam bentuk bounded
water (air terikat) yang terserap di dalam struktur permukaan batubara.
2. Devolatilization
Ketika proses drying telah selesai maka partikel batubara mulai mengalami
perubahan komposisi dengan melepas volatile. Volatile adalah kandungan gas-gas
yang ada di batubara. Selama volatile keluar dari pori-pori batubara, external
oxygen tidak dapat masuk penetrasi ke dalam partikel. Proses devolatilization
dikenal juga sebagai tahap pyrolysis. Laju devolatilization dan produk pyrolysis
tergantung pada temperature dan tipe bahan bakar. Dalam proses pyrolysis akan
terjadi pelepasan carbon monoxide, hydrocarbon, dan soot. Bersamaan dengan
lepasnya volatile, akan terjadi diffuse oxygen sehingga produk pyrolysis mulai
terbakar. Semakin tinggi kadar Volatile Matter maka batubara akan semakin mudah
terbakar dan pembakaran akan semakin stabil.
3. Char Combustion
Tahap akhir dari proses pembakaran batubara adalah char combustion. Saat
devolatilization komplit, yang tersisa dari batubara adalah carbon char dan ash.
Carbon char sangat porous (berpori) sehingga oxygen dapat berdiffusi ke dalam
32
Universitas Sumatera Utara
char menembus lapisan luar (externally layer) dan terus ke dalam partikel char. Laju
terbakarnya char tergantung pada laju reaksi kimia dari reaksi carbon-oxygen di
permukaan char dan laju diffusi internal oxygen dalam lapisan batas (boundary
layer). Optimasi pembakaran batubara dicapai bila moisture batubara saat masuk
ke ruang bakar hanya tinggal sebesar 1%. Sisanya harus telah menguap (drying)
saat di dalam pulverizer dan coal pipe. Hal ini bertujuan agar batubara saat akan
masuk ke ruang bakar telah tepat pada tahap devolatilization, yaitu mulai terbentuk
api. Sisa 1% moisture dimaksudkan sebagai batas aman agar tidak terjadi precombustion (sebelum terbakar) di dalam pipa. Kandungan batubara Low Rank
mempunyai moisture lebih tinggi sehingga total waktu untuk pembakaran batubara
juga semakin tinggi. Artinya akan terjadi delay combustion di furnace. Selain waktu
terbakarnya batubara, yang perlu diperhatikan adalah kecepatan aliran batubara ke
dalam furnace. Semakin cepat aliran batubara maka jarak tempuh dari pembakaran
api akan semakin jauh. Low rank mempunyai nilai kalor lebih rendah sehingga
butuh batubara dan udara lebih banyak, otomatis kecepatan aliran juga tinggi. Dua
faktor tersebut, waktu dan kecepatan, akan menentukan waktu tinggal batubara
(resident time) di dalam furnace.
Pembakaran yang sempurna akan menghasilkan tingkat konsumsi bahan
bakar ekonomis dan berkurangnya besar kepekatan asap hitam gas buang karena
pada pembakaran sempurna campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar
seluruhnya dalam waktu dan kondisi yang tepat. Kualitas bahan bakar perlu
diperhatikan sesuai dengan karakteristiknya sehingga homogenitas campuran
bahan bakar dengan udara dapat terjadi secara sempurna agar terjadi pembakaran
33
Universitas Sumatera Utara
yang sempurna. Pembakaran yang sempurna akan menghasilkan jumlah panas yang
maksimum. Serbuk batubara ini dicampur dengan udara panas dari primary air fan
dan dibawa ke coal bunker yang menyemburkan batubara tersebut ke dalam ruang
bakar untuk proses pembakaran dan terbakar seperti gas untuk mengubah air
menjadi uap. Udara pembakaran yang digunakan pada ruang bakar dipasok dari
Forced Draught Fan (FDF) yang mengalirkan udara pembakaran melalui Air
Preheater .
Hasil proses pembakaran yang terjadi menghasilkan limbah berupa abu. Abu
yang jatuh ke bagian bawah boiler secara periodik dikeluarkan dan dikirim Ash
Valley. Gas hasil pembakaran dihisap keluar dari boiler oleh Induced Draught Fan
(IDF) dan dilewatkan melalui Elektro Static Precipitator (ESP) yang menyerap
99,5 % abu terbang dan debu dengan sistem elektroda, lalu dihembuskan ke udara
melalui Stack/Cerobong. Di elecktro Static Precipitator debu menempel di plat-plat
dengan metode elektroda, untuk merontokan Fly Ash (debu) plat di hammer (di
pukul). Abu kemudian dikumpulkan dan diambil dengan peneumatic gravity
conveyor yang digunakan sebagai material pembuat jalan, semen dan bahan
bangunan (Conblock).
Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar, diserap oleh pipa
penguap (Water Walls) yang berada di dindig-dinding boiler (Furnace Boiler)
menjadi uap jenuh atau uap basah yang kemudian dipanaskan di Super Heater (SH)
yang menghasilkan uap kering. Kemudian uap tersebut dialirkan ke Turbin
bertekanan tinggi High Preassure Turbine, dimana uap tersebut diexpansikan
melalui Nozzels ke sudu-sudu turbin. Tenaga dari uap mendorong sudu-sudu turbin
34
Universitas Sumatera Utara
dan membuat turbin berputar. Setelah melalui High Pressure Turbine, uap
kembalikan kedalam Boiler untuk dipanaskan ulang di Reheater guna menambah
kualitas panas uap sebelum uap tersebut digunakan kembali di Intermediate
Pressure (IP) dan Low Preasure Turbine (LPT).
Sementara itu, uap bekas dikembalikan menjadi air di Condensor dengan
pendinginan air laut yang dipasok oleh Circlation Water Pump. Air kondensasi
akan digunakan kembali sebagai air pengisi Boiler. Air dimpompakan dari
kondensor dengan menggunakan Condensate Extraction Pump, pada awalnya
dipanaskan melalui Low Preassure Heater, dinaikkan ke Deaerator untuk
menghilangkan gas-gas yang terkandung didalam air. Air tersebut kemudian
dipompakan oleh Boiler Feed Pump melalui High Preassure Heater, dimana air
tersebut dipanaskan lebih lanjut sebelum ke Steam Drum. Siklus air dan uap ini
berulang secara terus menerus selama unit beroperasi. Poros turbin dikopel dengan
Rotor Generator, maka kedua poros memiliki jumlah putaran yang sama.
2.7
Spesific Fuel Consumption (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifi merupakan parameter unjuk kerja mesin yang
berhubungan langsung dengan nilai ekonomi suatu mesin. Dengan parameter ini
maka jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya
dalam selang waktu tertentu dapat dihitung dengan berdasarkan SPLN No. 80 tahun
1989. Berikut persamaan yang digunakan untuk menghitung konsumsi spesifik
bahan bakar adalah ;
35
Universitas Sumatera Utara
1. Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Bruto (SFCB)
Konsumsi spesifik pemakaian bahan bakar dengan mengukur jumlah
bahan bakar yang dipakai dibagi dengan jumlah kWh yang dibangkitkan generator.
Dengan demikian formula pemakaian bahan bakar spesifik bruto dapat ditulis
sebagai berikut :
=
( 2.1 )
ℎ
2. Pemakaian Bahan Bakar Netto (SFCN)
Konsumsi pemakaian bahan bakar dengan mengukur jumlah bahan
bakar yang dipakai dibagi dengan selisih jumlah kWh yang dibangkitkan generator
dan jumlah kWh yang dibutuhkan untuk pemakaian sendiri.
Dengan demikian formula pemakaian bahan bakar spesifik bruto dapat ditulis
sebagai berikut :
( 2.2 )
=
2.8
ℎ
Heat Rate
Heat Rate merupakan perbandingan antara jumlah energi yang diberikan
kepada suatu sistem dan hasil yang diperoleh dari sistem tersebut dalam suatu
periode tertentu. Pada PLTU, heat rate dapat berupa heat rate untuk turbin
generator atau heat rate untuk unit. Salah satu cara menilai kinerja PLTU secara
keseluruhan adalah dengan menghitung berapa heat rate PLTU tersebut. Heat rate
dapat juga didefinisikan sebagai banyaknya panas yang diperlukan untuk
36
Universitas Sumatera Utara
membangkitkan satu kwh listrik. Heat rate diperoleh dengan cara membagi
konsumsi panas per jam dengan output energi listrik dalam satu jam. Karena itu
heat rate dinyatakan dalam satuan KJ/Kwh, BTU/Kwh atau Kcal/Kwh. Secara
umum dikenal dua macam heat rate yaitu Heat Rate Bruto dan Heat Rate Netto.
Pada heat rate bruto, maka output energi listrik yang diukur adalah energi listrik
yang dihasilkan oleh generator. Sedangkan untuk heat rate netto, energi listrik yang
diukur adalah energi listrik yang dihasilkan generator dikurangi energi listrik yang
dipakai untuk menggerakkan alat-alat bantu PLTU (energi listrik yang bangkitkan
generator – pemakaian sendiri) dan juga ditambah dengan losses trafo.
Perhitungan heat rate disini menggunakan rumus berdasarkan SPLN No.80 tahun
1989. Berikut persamaan yang digunakan untuk menghitung heat rate dan efisiensi
thermal adalah ;
1. Heat Rate Bruto (HRB)
Heat rate unit brutto (HRB) merupakan jumlah kalor bahan bakar
dihitung berdasarkan nilai kalor untuk menghasilkan setiap kWh brutto. Dengan
demikian formula heat rate bruto dapat ditulis sebagai berikut ;
=
( 2.3 )
ℎ
2. Heat Rate Netto (HRN)
Heat rate unit netto (HRN) merupakan jumlah kalor bahan bakar yang
dihitung berdasarkan nilai kalor untuk menghasilkan setiap kWh netto. Dengan
demikian formula heat rate netto dapat ditulis sebagai berikut ;
37
Universitas Sumatera Utara
=
ℎ
( 2.4 )
3. Efisiensi Termal
Efisiensi merupakan perbandingan antara energi yang dihasilkan dengan
energi dimasukkan dalam suatu sistem dalam periode yang ditentukan. Besarnya
efisiensi termal tergantung pada beban, semakin tinggi beban maka semakin besar
efisiensinya. Efisiensi termal unit (ɳth) adalah presentase keluaran energi terhadap
masukan kalor.
Adapun energi yang terdapat pada PLTU adalah :
a. Energi yang berasal dari bahan bakar. Energi ini dihitung berdasarkan Nilai
Kalori dari bahan bakar yang bersangkutan dengan satuan Kcal/kg.
b. Energi yang ada pada fluida kerja ( Uap )
Besarnya Energi ini dapat diketahui dengan menggunakan diagram Mollier.
Jika suhu dan tekanan uap diketahui, maka pada Mollier diagram dapat
diketahui entalpinya yaitu perpotongan dari garis tekanan dan suhu yang
merupakan besaran entalpi yang dicari.
c. Energi yang dihasilkan berupa tenaga listrik yang berasal dari generator.
Dengan demikian formula efisiensi termal dapat ditulis sebagai berikut ;
859,845
ηth =
ℎ
( 2.5 )
100%
38
Universitas Sumatera Utara
Dimana
:
•
Qf
: Bahan bakar yang dipakai selama pengujian (kg)
•
kWhB
: Jumlah kWh yang dibangkitkan generator (kWh)
•
kWhPS
: Jumlah kWh yang dibutuhkan untuk pemakaian sendiri
(kWh)
•
ηth
: Efisiensi termal (%)
•
1 kJ
= 0,2388kKal = 0,2948 BTU = 0,000277 kWh
•
1 kcal
= 0,001163 kWh = 4,187 kJ
•
1 kWh = 859,845 kkal
2
3
39
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pembangkit Listrik Tenaga Uap
Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) merupakan suatu pusat pembangkit
tenaga listrik yang bekerja dengan menggunakan uap air sebagai fluida kerjanya,
yaitu dengan memanfaatkan energi kinetik uap untuk menggerakan poros sudusudu turbin. Pada prinsipnya, menghasilkan listrik dengan sistem tenaga uap adalah
dengan mengambil energi panas yang terkandung di dalam bahan bakar batubara
yang terbakar didalam boiler untuk produksi uap, kemudian dipindahkan ke dalam
turbin, kemudian turbin tersebut akan mengubah energi panas yang diterima
menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak putar. Gerakan putar ini kemudian
seporos dengan generator yang akhirnya dapat menghasilkan listrik.
PLTU menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup.
Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang.
Urutan sirkulasinya secara singkat adalah sebagai berikut :
Pertama air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh
permukaan pemindah panas. Di dalam boiler, air ini mendapatkan
panas dengan menyerap gas panas hasil pembakaran bahan bakar
batubara, HSD serta udara sehingga berubah menjadi uap untuk
memutar turbin.
Kedua, uap hasil prduksi boiler dengan tekanan dan temperatur
tertentu diarahkan untuk memutar turbin HP (High Pressure), IP
7
Universitas Sumatera Utara
(intermediet Pressure) dan LP
(Low
Pressure) sehingga
menghasilkan daya mekanik berupa putaran.
Ketiga, generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar
menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan
megnet dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan
energi listrik dari terminal output generator.
Keempat, Uap bekas keluaran turbin masuk kedalam kondensor
untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali
menjadi air kondensat. Air kondensat hasil kondensiasi uap
kemudian digunakan lagi sebagai air pengisian boiler.
Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.
Pada gambar 2.1 dibawah ini akan menjelaskan garis besar prinsip
kerja dari PLTU.
Gambar 2.1 Siklus fluida kerja sederhana pada PLTU.
8
Universitas Sumatera Utara
2.2
Siklus Rankine
Siklus merupakan rangkaian sebuah proses dimana dimulai dari suatu tingkat
kondisi yang akan kembali ke tingkat kondisi semula dan selalu berulang. Pada
pembangkit tenaga uap, fluida yang mengalami proses-proses tersebut adalah air.
Air berfungsi sebagai fluida kerja. Air dalam siklus kerjanya mengalami prosesproses pemanasan, penguapan, ekspansi, pendinginan,dan kompresi. Siklus standar
pembangkit tenaga uap adalah siklus Rankine. Pada siklus kerja PLTU digunakan
adalah siklus tertutup yang dapat digambarkan dengan diagram T - s (Temperatur
– entropi). Selain diagram T-s juga dikenal Mollier diagram (h - s diagram).
Diagram h - s menggambarkan hubungan antara energi total total (entalpi (h))
dengan entropi (s). Sama seperti diagram T - s, untuk setiap fluida memiliki diagram
h - s yang tersendiri. Kedua diagram ini dapat digunakan untuk menghitung kinerja
pembangkit listrik tenaga uap dengan menggunakan siklus Rankine. Siklus ini
adalah penerapan siklus rankine ideal. Pada gambar 2.2 menunjukkan urutan kerja
dari diagram T – s Siklus PLTU.
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Diagram T–s Siklus PLTU (Siklus Rankine)
o 1-2
: Air dipompakan oleh pompa (dari tekanan P2 menjadi P1)
sehingga mengalami kenaikan temperature dan tekanan. Proses ini terjadi di
pompa air pengisi yang disebut kompresi isentropis.
o 2-2’
: Air yang dipompakan ini selanjutnya dipanaskan sampai mencapai
titik didihnya. Proses ini terjadi di LP heater, HP heater dan Economiser.
o 2’-3
: Pada tahap ini terjadi proses penguapan secara isobar isotermis
karena air yang berubah wujud menjadi uap jenuh.. Proses ini terjadi di boiler
yaitu pada wall tube.
o 3-4
: Uap dipanaskan lebih lanjut hingga uap mencapai temperatur
kerjanya menjadi uap panas lanjut (superheated vapour). Langkah ini terjadi
di superheater boilerdengan proses isobar.
o 4-5
: Uap melakukan kerja sehingga tekanan dan temperaturnya turun.
Langkah ini adalah langkah ekspansi isentropis, dan terjadi didalam turbin.
10
Universitas Sumatera Utara
o 5-1
: Pembuangan panas laten uap sehingga berubah menjadi air
kondensat. Langkah ini adalah isobar isothermis, dan terjadi didalam
kondensor
Proses ini adalah proses sederhana yang berlangsung pada saat memanaskan air.
Proses ini hampir sama dengan proses yang terjadi di dalam boiler pada unit
pembangkit uap di PLTU. Adapun siklus rankine ideal sederhana terdiri dari :
1. Boiler sebagai alat pembangkit uap
2. Turbin uap sebagai alat mengubah uap menjadi kerja
3. Kondensor sebagai alat pengembun uap
4. Pompa boiler sebagai alat memompa air ke boiler
2.3
Diagram Alir PLTU
PLTU Labuhan Angin menggunakan fluida kerja air uap dengan sirkulasi
tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulangulang untuk menghasilkan uap jenuh untuk memutar poros turbin. Siklus kerja
PLTU Labuhan Angin dapat dilihat pada diagram alir PLTU Labuhan Angin
gambar 2.3.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Diagram Alir PLTU Labuhan Angin
12
Universitas Sumatera Utara
2.4
Komponen – komponen Pembangkit Listrik Tenaga Uap
1. Stack /cerobong
Berfungsi untuk membuang Flue Gas hasil pembakaran, setelah
dibersihkan di Elektro Static Precipitator (ESP) baru dibuang ke Atmosfir.
2. Conveyor
Conveyor berfungsi untuk menyalurkan batubara dari unloading area
sampai ke bunker.
3. Coal Yard
Coal Yard berfungsi sebagai tempat penyimpan batu bara (stock) yang mana
batu bara masih dalam keadaan kasar atau harus dilakukan proses penghancuran.
4. Crusher
Crusher berfungsi untuk menghancurkan batu bara yang melalui peralatan
tersebut yang mempunyai ukuran lebih besar dari 32 mm peralatan ini di rancang
hanya untuk menghancurkan batu bara bukan untuk batu atau material lain .
5. Cool Silo
Coal Silo adalah tempat penampungan batubara terakhir sebelum digunakan
untuk pembakaran di boiler.
6. Boiler
Boiler berfungsi untuk mengubah air (feed water) menjadi uap panas lanjut
(super heated steam) yang akan digunakan untuk memutar turbin.
7. Elektro Static Precipitator
Elektro Static Precipitator berfungsi sebagai menangkap debu-debu hasil
pembangkaran (Fly Gas) dengan teknik pengumpulan elektrostatik.
13
Universitas Sumatera Utara
8. Boiler Drum
Boiler drum berfungsi untuk menampung air dan uap juga untuk menjaga
boiler pada suatu tekanan tertentu.
9. High Preasure Turbine
Berfungsi sebagai turbin dengan tekanan uap kering dan temperature yang
tinggi, yang mana uap kering awal dari hasil pemanasan air di boiler menuju ke
high pressure turbine untuk menghasilkan putaran.
10. Low Pressure Turbine
Berfungsi sebagai turbin dengan tekanan uap kering dan temperature yang
rendah, yang mana uap kering untuk memutar turbin berasal dari sisa putaran high
pressure turbine dengan poros yang sama.
11. Generator
Generator berfungsi untuk mengubah energi putar dari turbin menjadi
energi listrik.
12. Trafo
Berfungsi untuk memindahkan dan mengubah daya listrik bolak-balik (AC)
dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya.
13. Condensor
Condensor berfungsi untuk mengkondensasikan uap bekas dari turbin (uap
yang telah digunakan untuk memutar turbin).
14
Universitas Sumatera Utara
14. Circulate Water Pump
Circulate Water Pump adalah bagian pertama dari sistem pendingin. Pompa
ini yang bertugas untuk mengambil air pendingin dari laut. Pompa ini biasanya
terletak pada areal Water Intake.
15. Sea
Air laut berfungsi sebagai media air pemanas pada boiler dan media air
pendingin untuk mendinginkan komponen-komponen pada PLTU.
16. Reverse Osmosis
Reverse Osmosis berfungsi sebagai upaya untuk menyeimbangkan
konsentrasi garam pada kedua sisi.
17. Mixed Bed
Mixed bed berfungsi sebagai pengolah air laut menjadi air demin dengan
menggunakan resin penukar ion baik itu ion positf maupun ion negatif.
18. Demin Water Tank
Berfungsi sebagai tempat penyimpanan air demineralizer yang digunakan
sebagai air proses pemanasan pada boiler dan sebagai sistem pendingin komponen.
19. Condensate Pump
Condensate pump berfungsi untuk memindahkan condensate dari hotwell
dan Low Pressure Heater ke deaerator
20. Low Preassure Heater
Low Pressure Heater yang mana memiliki fungsi untuk menaikkan
temperatur secara bertahap atau sebagai pemanas lanjut yang mendapat panas dari
uap ekstraksi turbin.
15
Universitas Sumatera Utara
21. Dearator
Deaerator berfungsi untuk memanaskan dan menghilangkan gas dan udara
terlarut dalam air pengisi. Udara dan gas dapat menyebabkan korosi di dalam pipapipa air uap ketel uap.
22. Boiler Feed Pump
Boiler feed pump berfungsi untuk menaikkan tekanan air pengisi sehingga
air pengisi tersebut dapat mengalir dan masuk ke dalam boiler drum.
23. High Preassure Heather
High Pressure Heater befungsi untuk menaikkan temperatur secara
bertahap atau sebagai pemanas lanjut yang menggunakan uap ekstraksi dari turbin
sebagai sumber pemanasan.
24. Oil Tank
Berfungsi sebagai tempat penyimpanan minyak/tangki minyak untuk proses
pembakaran awal/pemantik boiler sebelum masuknya batu bara dan campuran
lainnya.
2.4.1 Boiler
Boiler atau ketel uap adalah suatu perangkat mesin yang berfungsi untuk
mengubah air menjadi uap. Proses perubahan air menjadi uap terjadi dengan
memanaskan air yang berada di dalam pipa-pipa dengan memanfaatkan panas dari
hasil pembakaran bahan bakar. Uap yang dihasilkan boiler adalah uap superheat
dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap tergantung pada
luas permukaan pemindah panas, laju aliran, dan panas pembakaran yang diberikan.
16
Universitas Sumatera Utara
Jika dioperasikan dengan benar, boiler secara efisien dapat mengubah air dalam
volume yang besar menjadi steam yang sangat panas dalam volume yang lebih
besar lagi yang akan digunakan untuk memutar turbin. Boiler mempunyai
spesifikasi sebagai berikut:
• Manufaktur
: Foster Wheler Co.
• Type
: Circulating Fluidized Bed (CFB)
• Capacity
: 423 ton/hour
• Steam temp
: 542 °C
• Steam pressure
: 10,32 Mpa
• Fuel
: Oil and Coal
Gambar 2.4 Boiler
Boiler terdiri atas beberapa bagian, antara lain :
1. Economizer
Economizer adalah alat yang merupakan pemanas air terakhir sebelum masuk
ke drum. Di dalam economizer air menyerap panas gas buang yang keluar dari
17
Universitas Sumatera Utara
superheater sebelum dibuang ke atmosfir melalui cerobong. Sumber panas yang
diperlukan oleh alat tersebut berasal dari gas buang dalam boiler dengan suhu
±460,1 oC. Dimana, air pertama-tama masuk ke ekonomiser. Ekonomier berfungsi
sebagai pemanas awal. Sesuai namanya alat ini berfungsi untuk meningkatkan
efisiensi boiler dengan cara menggunakan panas sisa gas buang untuk memanaskan
awal air yang masuk ke boiler.
2. Steam Drum (Evaporator)
Steam drum berfungsi sebagai pemisah uap dan air pada boiler, uap yang
dihasilkan akan menuju ke turbin, sebelum ke turbin uap yang dihasilkan masih
berupa uap basah dimana uap ini belum effektif untuk memutar turbin karena masih
mengandung air yang dapat merusak turbin uap, maka dari itu uap yang basah akan
melalui superheater untuk mendapatkan uap kering, lalu menuju ke turbin uap.
Tekanan pada steam drum mencapai 127 bar.
3. Superheater
Superheater merupakan kumpulan pipa Boiler yang terletak dijalan aliran
gas panas hasil pembakaran. Superheater berfungsi untuk memanaskan uap agar
kandungan energi panas dan kekeringannya bertambah sehingga menjadi uap
superheat (uap panas lanjut). Pemasanan dilakukan dalam dua atau tiga tahap,
sebagai pemanasnya adalah gas hasil pembakaran bahan bakar. Panas dari gas
ini dipindahkan ke Saturated Steam yang ada dalam pipa Superheater, sehingga
berubah menjadi Super Heated Steam sebelum disalurkan ke Turbin. Suhu pada
Superheater 540 oC dan tekanan 13.43 MPa.g.
18
Universitas Sumatera Utara
4. Reheater
Setelah tekanan dan temperatur SH Steam turun maka SH Steam tersebut
akan dikembalikan ke Boiler untuk pemanasan ulang. Pemanasan ulang ini
berlangsung di bagian Boiler yang disebut Re-Heater yang merupakan
kumpulan pipa Boiler yang diberi panas dari gas pembakaran seperti
Superheater dengan suhu inlet/outlet 322oC/540oC dan tekanan inlet/outlet
2,7/2,505 MPa.g. Di bagian Re-Heater, SH Steam akan dikembalikan untuk
memutar Intermediate Presure Turbine (IP) dan Low Presure Turbine (LP).
5. Air Preheater
Air Pre-Heater adalah instrument yang sistem kerjanya berputar dengan
putaran rendah dan berfungsi untuk memanasi udara pembakaran dengan suhu
350oC dan tekanan 500 Pa sebelum dikirim ke Furnace dan mendinginkan udara
keluar dengan suhu 140oC dan tekanan 1 kPa menuju stack (cerobong). Furnace
adalah ruang dalam boiler yang dirancang terjadinya proses pembakaran (bahan
bakar+udara+api/panas). Pemanas Udara pembakaran tersebut diambil dari gas
buang hasil pembakaran dari Furnace yang dialirkan melalui Air Pre-Heater
sebelum dibuang ke Chimney.
2.4.2 Steam Turbin
Steam turbin (turbin uap) berfungsi untuk mengkonversi energi panas yang
dikandung oleh uap menjadi energi putar (energi mekanik). Poros turbin dikopel
dengan poros generator sehingga ketika turbin berputar generator juga ikut berputar.
Uap yang telah melakukan kerja di turbin tekanan dan temperatur turun hingga
19
Universitas Sumatera Utara
kondisinya menjadi uap basah.Uap keluar turbin ini kemudian dialirkan kedalam
kondensor untuk didinginkan agar menjadi air kondensat, sedangkan tenaga putar
yang dihasilkan digunakan untuk memutar generator. Steam Turbine mempunyai
spesifikasi sebagai berikut:
•
Manufaktur
: Shanghai Turbine Co. LTD
•
Type
: N115-9,32/537
•
Speed
: 3000 RPM
•
No. extraction
:5
•
Rotation
: Clock wise
•
Steam flow
: 409,437 t/h
Gambar 2.5 Steam Turbin
Turbin uap terdiri atas beberapa bagian, antara lain :
Casing
Casing adalah bagian yang diam merupakan rumah atau wadah dari rotor.
Pada casing terdapat sudu-sudu diam atau disebut stator yang dipasang melingkar
dan berjajar terdiri dari beberapa baris yang merupakan pasangan dari sudu gerak
pada rotor.Sudu diam berfungsi untuk mengarahkan aliran uap agar tepat dalam
20
Universitas Sumatera Utara
mendorong sudu gerak pada rotor.
Rotor
Rotor adalah bagian yang berutar terdiri dari poros dan sudu-sudu gerak
yang terpasang mengelilingi rotor. Jumlah baris sudu gerak pada rotor sama dengan
jumlah baris sudu diam pada casing. Pasangan antara sudu diam dan sudu gerak
disebut tingkat (stage).Sudu gerak (rotor) berfungsi untuk mengubah energi kinetik
uap menjadi energi mekanik.
Bantalan
Fungsi bantalan adalah untuk menopang dan menjaga rotor turbin agar tetap
pada posisi normalnya. Ada dua macam bantalan pada turbin, yaitu:
-
Bantalan journal yang berfungsi untuk menopang dan mencegah
poros turbin daripergeseran arah radial
-
Bantalan aksial (thrust bearing) yang berfungsi untuk mencegah
turbin bergeserkearah aksial.
Katup Utama
Katup utama turbin terdiri dari :
Main Stop Valve (MSV)
Katup ini berfungsi sebagai katup penutup cepat jika turbin trip atau
sebagai katup pengisolasi turbin terhadap uap masuk. MSV bekerja dalam dua
posisi yaitu menutup penuh atau membuka penuh. Pada saat turbin beroperasi maka
MSV membuka penuh. Sebagai penggerak untuk membuka MSV digunakan
tekanan minyak hidrolik. Sedangkan untuk menutupnya dengan kekuatan pegas.
21
Universitas Sumatera Utara
Governor Valve (GV)
Turbin harus dapat beroperasi dengan putaran yang konstan pada beban
yang berubah ubah. Untuk membuat agar putaran turbin selalu tetap digunakan
governor valve yang bertugas mengatur aliran uap masuk turbin sesuai dengan
bebannya. Sistem governor valve yang digunakan umumnya adalah mechanic
hydraulic (MH) atau electro hydraulic (EH).
Pada turbin dengan kapasitas > 100 MW dilengkapi dengan katup uap reheat, yaitu
Reheat Stop Valve (RSV) dan Interceptor Valve (ICV).
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai
berikut :
1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar
dengan udara kemudian dibakar.
3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar
melalui nozel (nozzle).
4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran
pembuangan.
Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas
dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian
tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab
terjadinya kerugian antara lain :
1. Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan
22
Universitas Sumatera Utara
(pressure losses) di ruang bakar.
2. Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan
terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
3. Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan
temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
4. Adanya mechanical loss.
2.4.3 Generator
Produksi untuk menghasilkan energi listrik merupakan target dari proses
konversi energi di PLTU. Generator yang dikopel langsung dengan turbin akan
menghasilkan tegangan listrik ketika turbin berputar. Proses konversi energi
didalam generator adalah dengan memutar medan magnet didalam kumparan.
Rotor generator sebagai medan magnet menginduksi kumparan yang dipasang pada
stator sehingga timbul tegangan diantara kedua ujung kumparan generator. Untuk
membuat rotor agar menjadi medan magnet, maka dialirkan arus DC ke kumparan
rotor. Generator mempunyai spesifikasi sebagai berikut :
•
Manufaktur
: Shandong Jinan Power Machinery Equipment
•
Rated power
: 115 MW
•
Rated voltage
: 13,8 kV
•
Rated current
: 6014 A
•
Power factor
: 0,8
•
Frekuensi
: 50 Hz
•
Rated power
: 143,75 MVA
23
Universitas Sumatera Utara
•
Exciting current : 1341,6 A
Gambar 2.6 Generator
2.4.4 Ship Unloader
Ship Unloader merupakan peralatan yang di gunakan untuk memindahkan
batubara yang terdapat pada kapal angkutan menuju ke coal yard (unloading) atau
diteruskan ke coal bunker. Ship Unloader mempunyai spesifikasi sebagai berikut :
•
TypMfg : Wuhan Power Equipment Work
•
e
•
Kapasitas : 500 ton/jam
•
Line
: Stable Catenary Chain Bucket
:2
24
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Ship Unloader
2.4.5 Stacker & Reclaimer
Stacker adalah alat besar yang digunakan untuk menata batubara yang
datang melalui konveyor menuju stockpile. Reclaimer merupakan alat yang
berfungsi untuk mengambil batubara dari stockpile menuju konveyor untuk
selanjutnya ditransport ke PLTU. Stacker & Reclaimer mempunyai spesifikasi
sebagai berikut :
•
Type : Traveling Bucket wheel stacker reclaimer
•
Number : 1 set
•
Stacking Capacity : 1500 ton/hr
•
Reclaiming Capacity : 360 ton/hr (by using bucket wheel)
25
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Stacker & Reclaimer
2.4.6 Coal Yard
Coal Yard merupakan fasilitas atau tempat penyimpanan batubara yang
digunakan untuk pemanasan dan menghasilkan energi. Coal Yard mempunyai
spesifikasi sebagai berikut :
•
Dead storage area 1.24 ha ≈ 76,450 ton batubara.
•
Life storage area 0.33 ha ≈15,290 ton batubara.
•
Life storage semi open type with shed (roof steel structures).
Gambar 2.9 Coal Yard
26
Universitas Sumatera Utara
2.4.7 Reverse Osmosis Plant
Reverse Osmosis Plant merupakan pabrik tempat di mana proses reverse
osmosis terjadi. Rata-rata yang pabrik modern, reverse osmosis membutuhkan
enam kilowatt-jam
listrik untuk menghilangkan garam satu meter kubik air.
Reverse Osmosis Plant mempunyai spesifikasi sebagai berikut:
•
Type
: SWRO dan BWRO
•
Mfg
: Asian Tec Limited(Hong Kong)
•
Set / Stage : 2/2
•
Capacity
: 2 x 1000 ton/day
Gambar 2.10 Reverse Osmosis Plant
2.4.8 Desalination Plant
Fungsi desalination plant adalah mengolah air laut menjadi air murni.
Proses desalination yang umum dilakukan adalah dengan cara menguapkan
(evaporating) air laut. Bila air laut dipanaskan, maka airnya akan menjadi uap dan
garam-garamnya akan tertinggal. Selanjutnya bila uap tersebut didinginkan akan
diperoleh air kondensat yang disebut air desal atau fresh water. Adapun proses
desalinasi air laut antara lain :
27
Universitas Sumatera Utara
1. Air laut yang menjadi bahan baku utama dialirkan menuju sea water pit,
dan untuk menghambat pertumbuhan biota-biota laut diinjeksikan
Chlorin dengan kadar tertentu. Selanjutnya air laut difiltrasi untuk
menghilangkan kotoran- kotoran yang berukuran besar.
2. Dari sea water pit, air laut dialirkan menuju primary filter dengan
menggunakan sebuah pompa. Diperjalanan, air tersebut diinjeksi
senyawa koagulan
FeSO4 yang
berfungsi
untuk
mengumpulkan
partikel-partikel berukuran kecil menjadi partikel-partikel berukuran
lebih besar sehingga lebih mudah dilakukan proses filtrasi.
3. Kemudian air laut selanjutnya dipanaskan dalam pemanas garam dan
kemudian dialirkan ke dalam chamber
4. Air laut yang telah panas mengalir dari tahap bertemperatur tinggi ke
tahap bertemperatur rendah melalui suatu bukaan kecil, sementara itu
penguapan tiba-tiba (flash evaporates) terjadi dalam chamber
5. Uap air yang terjadi dalam chamber pada setiap tahap mengalir melalui
pemisah, dan mengeluarkan panas laten ke dalam tabung penukar panas
sementara air laut mengalir melalui bagian dalam dan kemudian uap
berkondensasi. Air yang terkondensasi dikumpulkan dalam penampung
dan kemudian dipompa keluar sebagai air tawar.
2.4.9 Demineralizer Plant
Berfungsi untuk menghilangkan kadar mineral (ion) yang terkandung
dalam air tawar. Air sebagai fluida kerja PLTU harus bebas dari mineral, karena
28
Universitas Sumatera Utara
jika air masih mengandung mineral berarti konduktivitasnya masih tinggi. Hal ini
dapat menimbulkan korosi pada peralatan PLTU.
2.5
Bahan Bakar Batubara
Batubara merupakan bahan baku pembangkit energi listrik yang pada
umumnya digunakan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik tenaga uap.
Batubara dibedakan berdasarkan nilai kalor serta lama proses pembentukannya.
Pengelompokan ini menunjukkan kualitas batubara yang akan membedakan nilai
ekonomis serta kegunaan batubara tersebut. Terdapat empat jenis batubara mulai
dari kualitas rendah hingga tinggi, yaitu: lignit, sub-bituminous, bituminous, dan
antrasit.
Antrasit adalah kelas batu bara tertinggi, dengan warna hitam berkilauan
(luster) metalik, mengandung antara 86% - 98% unsur Karbon (C) dengan
kadar air kurang dari 8%. Nilai kalor batubara jenis ini lebih dari 6900
kcal/kg.
Bituminous mengandung 68 - 86% unsur Karbon (C) dan berkadar air 810% dari beratnya. Kelas batu bara yang paling banyak ditambang di
Indonesia, tersebar di pulau sumatera, kalimantan dan Sulawesi, biasa
digunakan untuk proses pemanasan. Bituminous memiliki nilai kalor 5700
kcal/kg hingga 6900 kcal/kg.
Sub-bituminus mengandung sedikit Karbon dan banyak air, dan oleh
karenanya menjadi sumber panas yang kurang efisien dibandingkan dengan
bituminous. Batubara sub-bituminous memiliki nilai kalor 4166 kcal /kg
29
Universitas Sumatera Utara
hingga 5700 kcal/kg.
Lignit atau batu bara coklat adalah batu bara yang sangat lunak yang
mengandung air 35-75% dari beratnya. Lignit atau sering disebut sebagai
brown coal. Batubara ini merupakan batubara kelas rendah dengan nilai kalor
kurang dari 4165 kcal/kg.
Dari segi kualitas, batubara yang sudah dicuci (washing) yang di kecilkan ukuran
butirannya (crushing) kemudian dibakar dan menyisakan abu. Pengotor ini
merupakan pengotor bawaan pada saat pembentukan batubara, pengotor tersebut
dapat berupa gipsum (CaSO42H2O), anhidrit (CaSO4), pirit (FeS2), silika (SiO2)
dapat pula berbentuk tulang-tulang binatang (diketahui dari senyawa-senyawa
fosfor dari analisis abu). Pengotor bawaan ini tidak mungkin dihilangkan sama
sekali, tetapi dapat dikurangi dengan cara pembersihan. Proses ini dikenal dengan
tenologi batubara bersih.
Komposisi kimiawi batubara berpengaruh kuat pada daya pembakarannya.
Sifat-sifat batubara secara luas diklasifikasikan kedalam sifat fisik dan sifat kimia.
Sifat fisik batubara termasuk nilai panas, kadar air, bahan mudah menguap dan abu.
Sifat kimia batubara tergantung dari kandungan berbagai bahan kimia seperti
karbon, hidrogen, oksigen, dan sulfur.
2.6
Proses Pembakaran
Pembakaran secara umum yaitu terjadinya oksidasi cepat dari bahan bakar
disertai dengan produksi panas dan cahaya. Pembakaran sempurna bahan bakar
terjadi jika ada pasokan oksigen yang cukup. Dalam setiap bahan bakar, unsur
30
Universitas Sumatera Utara
yang mudah terbakar adalah karbon, hidorgen, dan sulfur.
Tujuan dari pembakaran yang sempurna adalah melepaskan seluruh panas
yang terdapat dalam bahan bakar. Hal ini dilakukan dengan pengontrolan “Tiga
T” yaitu :
a. T-Temperatur
Temperatur yang digunakan dalam pembakaran yang baik harus cukup
tinggi sehingga dapat menyebabkan terjadinya reaksi kimia
b. T-Turbulensi
Turbulensi yang tinggi menyebabkan terjadinya pencampuran yang
baik antara bahan bakar dan pengoksidasi
c. T-Time (Waktu)
Waktu yang cukup agar input panas dapat terserap oleh reaktan
sehingga berlangsung proses termokimia
Dalam proses pembakaran tidak terlepas dari tahap awal yaitu penyalaan
dimana keadaan transisi dari tidak reaktif menjadi reaktif karena dorongan eksternal
yang memicu reaksi termokimia diikuti dengan transisi yang cepat sehingga
pembakaran dapat berlangsung. Penyalaan terjadi bila panas yang dihasilkan oleh
pembakaran lebih besar dari panas yang hilang ke lingkungan. Dalam proses
penyalaan ini dapat dipicu oleh energi thermal yang merupakan transfer energi
termal ke reaktan oleh konduksi, konveksi, radiasi atau kombinasi dari ketiga
macam proses tersebut. Proses pembakaran batubara sendiri adalah melalui tiga
tahap yaitu: pengeringan (drying), penguapan volatile (devolatilization) dan
pembakaran char (char combustion). Untuk batubara pulverized maka proses
31
Universitas Sumatera Utara
drying, devolatilization dan char combustion akan berlangsung secara berurutan
dengan periode pembakaran char (char burn period) yang relative lebih lama bila
dibandingkan pada tahap drying maupun devolatilization.
1. Drying
Drying adalah proses penguapan/pengeringan moisture di dalam batubara.
Moisture dalam batubara terbagi menjadi dua jenis yaitu: dalam bentuk free water
(air bebas) yang terletak diantara pori-pori batubara dan dalam bentuk bounded
water (air terikat) yang terserap di dalam struktur permukaan batubara.
2. Devolatilization
Ketika proses drying telah selesai maka partikel batubara mulai mengalami
perubahan komposisi dengan melepas volatile. Volatile adalah kandungan gas-gas
yang ada di batubara. Selama volatile keluar dari pori-pori batubara, external
oxygen tidak dapat masuk penetrasi ke dalam partikel. Proses devolatilization
dikenal juga sebagai tahap pyrolysis. Laju devolatilization dan produk pyrolysis
tergantung pada temperature dan tipe bahan bakar. Dalam proses pyrolysis akan
terjadi pelepasan carbon monoxide, hydrocarbon, dan soot. Bersamaan dengan
lepasnya volatile, akan terjadi diffuse oxygen sehingga produk pyrolysis mulai
terbakar. Semakin tinggi kadar Volatile Matter maka batubara akan semakin mudah
terbakar dan pembakaran akan semakin stabil.
3. Char Combustion
Tahap akhir dari proses pembakaran batubara adalah char combustion. Saat
devolatilization komplit, yang tersisa dari batubara adalah carbon char dan ash.
Carbon char sangat porous (berpori) sehingga oxygen dapat berdiffusi ke dalam
32
Universitas Sumatera Utara
char menembus lapisan luar (externally layer) dan terus ke dalam partikel char. Laju
terbakarnya char tergantung pada laju reaksi kimia dari reaksi carbon-oxygen di
permukaan char dan laju diffusi internal oxygen dalam lapisan batas (boundary
layer). Optimasi pembakaran batubara dicapai bila moisture batubara saat masuk
ke ruang bakar hanya tinggal sebesar 1%. Sisanya harus telah menguap (drying)
saat di dalam pulverizer dan coal pipe. Hal ini bertujuan agar batubara saat akan
masuk ke ruang bakar telah tepat pada tahap devolatilization, yaitu mulai terbentuk
api. Sisa 1% moisture dimaksudkan sebagai batas aman agar tidak terjadi precombustion (sebelum terbakar) di dalam pipa. Kandungan batubara Low Rank
mempunyai moisture lebih tinggi sehingga total waktu untuk pembakaran batubara
juga semakin tinggi. Artinya akan terjadi delay combustion di furnace. Selain waktu
terbakarnya batubara, yang perlu diperhatikan adalah kecepatan aliran batubara ke
dalam furnace. Semakin cepat aliran batubara maka jarak tempuh dari pembakaran
api akan semakin jauh. Low rank mempunyai nilai kalor lebih rendah sehingga
butuh batubara dan udara lebih banyak, otomatis kecepatan aliran juga tinggi. Dua
faktor tersebut, waktu dan kecepatan, akan menentukan waktu tinggal batubara
(resident time) di dalam furnace.
Pembakaran yang sempurna akan menghasilkan tingkat konsumsi bahan
bakar ekonomis dan berkurangnya besar kepekatan asap hitam gas buang karena
pada pembakaran sempurna campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar
seluruhnya dalam waktu dan kondisi yang tepat. Kualitas bahan bakar perlu
diperhatikan sesuai dengan karakteristiknya sehingga homogenitas campuran
bahan bakar dengan udara dapat terjadi secara sempurna agar terjadi pembakaran
33
Universitas Sumatera Utara
yang sempurna. Pembakaran yang sempurna akan menghasilkan jumlah panas yang
maksimum. Serbuk batubara ini dicampur dengan udara panas dari primary air fan
dan dibawa ke coal bunker yang menyemburkan batubara tersebut ke dalam ruang
bakar untuk proses pembakaran dan terbakar seperti gas untuk mengubah air
menjadi uap. Udara pembakaran yang digunakan pada ruang bakar dipasok dari
Forced Draught Fan (FDF) yang mengalirkan udara pembakaran melalui Air
Preheater .
Hasil proses pembakaran yang terjadi menghasilkan limbah berupa abu. Abu
yang jatuh ke bagian bawah boiler secara periodik dikeluarkan dan dikirim Ash
Valley. Gas hasil pembakaran dihisap keluar dari boiler oleh Induced Draught Fan
(IDF) dan dilewatkan melalui Elektro Static Precipitator (ESP) yang menyerap
99,5 % abu terbang dan debu dengan sistem elektroda, lalu dihembuskan ke udara
melalui Stack/Cerobong. Di elecktro Static Precipitator debu menempel di plat-plat
dengan metode elektroda, untuk merontokan Fly Ash (debu) plat di hammer (di
pukul). Abu kemudian dikumpulkan dan diambil dengan peneumatic gravity
conveyor yang digunakan sebagai material pembuat jalan, semen dan bahan
bangunan (Conblock).
Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar, diserap oleh pipa
penguap (Water Walls) yang berada di dindig-dinding boiler (Furnace Boiler)
menjadi uap jenuh atau uap basah yang kemudian dipanaskan di Super Heater (SH)
yang menghasilkan uap kering. Kemudian uap tersebut dialirkan ke Turbin
bertekanan tinggi High Preassure Turbine, dimana uap tersebut diexpansikan
melalui Nozzels ke sudu-sudu turbin. Tenaga dari uap mendorong sudu-sudu turbin
34
Universitas Sumatera Utara
dan membuat turbin berputar. Setelah melalui High Pressure Turbine, uap
kembalikan kedalam Boiler untuk dipanaskan ulang di Reheater guna menambah
kualitas panas uap sebelum uap tersebut digunakan kembali di Intermediate
Pressure (IP) dan Low Preasure Turbine (LPT).
Sementara itu, uap bekas dikembalikan menjadi air di Condensor dengan
pendinginan air laut yang dipasok oleh Circlation Water Pump. Air kondensasi
akan digunakan kembali sebagai air pengisi Boiler. Air dimpompakan dari
kondensor dengan menggunakan Condensate Extraction Pump, pada awalnya
dipanaskan melalui Low Preassure Heater, dinaikkan ke Deaerator untuk
menghilangkan gas-gas yang terkandung didalam air. Air tersebut kemudian
dipompakan oleh Boiler Feed Pump melalui High Preassure Heater, dimana air
tersebut dipanaskan lebih lanjut sebelum ke Steam Drum. Siklus air dan uap ini
berulang secara terus menerus selama unit beroperasi. Poros turbin dikopel dengan
Rotor Generator, maka kedua poros memiliki jumlah putaran yang sama.
2.7
Spesific Fuel Consumption (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifi merupakan parameter unjuk kerja mesin yang
berhubungan langsung dengan nilai ekonomi suatu mesin. Dengan parameter ini
maka jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya
dalam selang waktu tertentu dapat dihitung dengan berdasarkan SPLN No. 80 tahun
1989. Berikut persamaan yang digunakan untuk menghitung konsumsi spesifik
bahan bakar adalah ;
35
Universitas Sumatera Utara
1. Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Bruto (SFCB)
Konsumsi spesifik pemakaian bahan bakar dengan mengukur jumlah
bahan bakar yang dipakai dibagi dengan jumlah kWh yang dibangkitkan generator.
Dengan demikian formula pemakaian bahan bakar spesifik bruto dapat ditulis
sebagai berikut :
=
( 2.1 )
ℎ
2. Pemakaian Bahan Bakar Netto (SFCN)
Konsumsi pemakaian bahan bakar dengan mengukur jumlah bahan
bakar yang dipakai dibagi dengan selisih jumlah kWh yang dibangkitkan generator
dan jumlah kWh yang dibutuhkan untuk pemakaian sendiri.
Dengan demikian formula pemakaian bahan bakar spesifik bruto dapat ditulis
sebagai berikut :
( 2.2 )
=
2.8
ℎ
Heat Rate
Heat Rate merupakan perbandingan antara jumlah energi yang diberikan
kepada suatu sistem dan hasil yang diperoleh dari sistem tersebut dalam suatu
periode tertentu. Pada PLTU, heat rate dapat berupa heat rate untuk turbin
generator atau heat rate untuk unit. Salah satu cara menilai kinerja PLTU secara
keseluruhan adalah dengan menghitung berapa heat rate PLTU tersebut. Heat rate
dapat juga didefinisikan sebagai banyaknya panas yang diperlukan untuk
36
Universitas Sumatera Utara
membangkitkan satu kwh listrik. Heat rate diperoleh dengan cara membagi
konsumsi panas per jam dengan output energi listrik dalam satu jam. Karena itu
heat rate dinyatakan dalam satuan KJ/Kwh, BTU/Kwh atau Kcal/Kwh. Secara
umum dikenal dua macam heat rate yaitu Heat Rate Bruto dan Heat Rate Netto.
Pada heat rate bruto, maka output energi listrik yang diukur adalah energi listrik
yang dihasilkan oleh generator. Sedangkan untuk heat rate netto, energi listrik yang
diukur adalah energi listrik yang dihasilkan generator dikurangi energi listrik yang
dipakai untuk menggerakkan alat-alat bantu PLTU (energi listrik yang bangkitkan
generator – pemakaian sendiri) dan juga ditambah dengan losses trafo.
Perhitungan heat rate disini menggunakan rumus berdasarkan SPLN No.80 tahun
1989. Berikut persamaan yang digunakan untuk menghitung heat rate dan efisiensi
thermal adalah ;
1. Heat Rate Bruto (HRB)
Heat rate unit brutto (HRB) merupakan jumlah kalor bahan bakar
dihitung berdasarkan nilai kalor untuk menghasilkan setiap kWh brutto. Dengan
demikian formula heat rate bruto dapat ditulis sebagai berikut ;
=
( 2.3 )
ℎ
2. Heat Rate Netto (HRN)
Heat rate unit netto (HRN) merupakan jumlah kalor bahan bakar yang
dihitung berdasarkan nilai kalor untuk menghasilkan setiap kWh netto. Dengan
demikian formula heat rate netto dapat ditulis sebagai berikut ;
37
Universitas Sumatera Utara
=
ℎ
( 2.4 )
3. Efisiensi Termal
Efisiensi merupakan perbandingan antara energi yang dihasilkan dengan
energi dimasukkan dalam suatu sistem dalam periode yang ditentukan. Besarnya
efisiensi termal tergantung pada beban, semakin tinggi beban maka semakin besar
efisiensinya. Efisiensi termal unit (ɳth) adalah presentase keluaran energi terhadap
masukan kalor.
Adapun energi yang terdapat pada PLTU adalah :
a. Energi yang berasal dari bahan bakar. Energi ini dihitung berdasarkan Nilai
Kalori dari bahan bakar yang bersangkutan dengan satuan Kcal/kg.
b. Energi yang ada pada fluida kerja ( Uap )
Besarnya Energi ini dapat diketahui dengan menggunakan diagram Mollier.
Jika suhu dan tekanan uap diketahui, maka pada Mollier diagram dapat
diketahui entalpinya yaitu perpotongan dari garis tekanan dan suhu yang
merupakan besaran entalpi yang dicari.
c. Energi yang dihasilkan berupa tenaga listrik yang berasal dari generator.
Dengan demikian formula efisiensi termal dapat ditulis sebagai berikut ;
859,845
ηth =
ℎ
( 2.5 )
100%
38
Universitas Sumatera Utara
Dimana
:
•
Qf
: Bahan bakar yang dipakai selama pengujian (kg)
•
kWhB
: Jumlah kWh yang dibangkitkan generator (kWh)
•
kWhPS
: Jumlah kWh yang dibutuhkan untuk pemakaian sendiri
(kWh)
•
ηth
: Efisiensi termal (%)
•
1 kJ
= 0,2388kKal = 0,2948 BTU = 0,000277 kWh
•
1 kcal
= 0,001163 kWh = 4,187 kJ
•
1 kWh = 859,845 kkal
2
3
39
Universitas Sumatera Utara