PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (PLTU)

1.1  Definisi PLTU

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik.Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap panas/kering. Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam bahan bakar seperti:

- Gas (LNG, PLG maupun gas lainnya)

- Minyak (minyak ringan hingga minyak berat)

- Batu bara (berkualitas tinggi hingga rendah

- MFO

-Biomass lainnya (bahan lain yang bisa dibakar)

Keunggulan PLTU:

-          Dapat dioperasikan menggunakan berbagai jenis bahan bakar (padat, cair dan gas)

-          Dapat dibangun dengan kapasitas yang bervariasi

-          Dapat dioperasikan dengan berbagai mode pembebanan

-          Kontinuitas operasinya tinggi

-          Usia pakai (life time) relatif lama

Kelemahan PLTU:

-          Sangat tergantung pada tersedianya pasokan bahan bakar

-          Tidak dapat dioperasikan (start) tanpa pasokan listrik dari luar

-          Memerlukan tersedianya air pendingin yang sangat banyak dan kontinyu

-          Investasi awalnya mahal

1.2  Konsep PLTU

1.       Pertama air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh luas permukaan pemindah panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap.

2.       Kedua, uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran.

3.       Ketiga, generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar menghasilkan energi listrik  sebagai hasil dari perputaran medan magnet dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik dari terminal output generator

4.       Keempat, Uap bekas keluar turbin masuk ke kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air yang disebut air kondensat. Air kondensat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler.

5.       Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.

1.2.1        Siklus PLTU

1.      Pertama-tama air demin ini berada disebuah tempat bernama Hotwell.

2.      Dari Hotwell, air mengalir menuju Condensate Pump untuk kemudian dipompakan menuju LP Heater (Low Pressure Heater) yang pungsinya untuk menghangatkan tahap pertama. Lokasi hotwell dan condensate pump terletak di lantai paling dasar dari pembangkit atau biasa disebut Ground Floor. Selanjutnya air mengalir masuk ke Deaerator.

3.      Di dearator air akan mengalami proses pelepasan ion-ion mineral yang masih tersisa di air dan tidak diperlukan seperti Oksigen dan lainnya. Bisa pula dikatakan deaerator memiliki pungsi untuk menghilangkan buble/balon yang biasa terdapat pada permukaan air. Agar proses pelepasan ini berlangsung sempurna, suhu air harus memenuhi suhu yang disyaratkan. Oleh karena itulah selama perjalanan menuju Dearator, air mengalamai beberapa proses pemanasan oleh peralatan yang disebut LP Heater. Letak dearator berada di lantai atas (tetapi bukan yang paling atas). Sebagai ilustrasi di PLTU Muara Karang unit 4, dearator terletak di lantai 5  dari 7 lantai yang ada.

4.      Dari dearator, air turun kembali ke Ground Floor. Sesampainya di Ground Floor, air langsung dipompakan oleh Boiler Feed Pump/BFP (Pompa air pengisi) menuju Boiler atau tempat “memasak” air. Bisa dibayangkan Boiler ini seperti drum, tetapi drum berukuran raksasa. Air yang dipompakan ini adalah air yang bertekanan tinggi, karena itu syarat agar uap yang dihasilkan juga bertekanan tinggi. Karena itulah konstruksi PLTU membuat dearator berada di lantai atas dan BFP berada di lantai dasar. Karena dengan meluncurnya air dari ketinggian membuat air menjadi bertekanan tinggi.

5.      Sebelum masuk ke Boiler untuk “direbus”, lagi-lagi air mengalami beberapa proses pemanasan di HP Heater (High Pressure Heater). Setelah itu barulah air masuk boiler yang letaknya berada dilantai atas.

6.      Didalam Boiler inilah terjadi proses memasak air untuk menghasilkan uap. Proses ini memerlukan api yang pada umumnya menggunakan batubara sebagai bahan dasar pembakaran dengan dibantu oleh udara dari FD Fan (Force Draft Fan) dan pelumas yang berasal dari Fuel Oil tank.

7.      Bahan bakar dipompakan kedalam boiler melalui Fuel oil Pump. Bahan bakar PLTU bermacam-macam. Ada yang menggunakan minyak, minyak dan gas atau istilahnya dual firing dan batubara.

8.      Sedangkan udara diproduksi oleh Force Draft Fan (FD Fan). FD Fan mengambil udara luar untuk membantu proses pembakaran di boiler. Dalam perjalananya menuju boiler, udara tersebut dinaikkan suhunya oleh air heater (pemanas udara) agar proses pembakaran bisa terjadi di boiler.

9.      Kembali ke siklus air. Setelah terjadi pembakaran, air mulai berubah wujud menjadi uap. Namun uap hasil pembakaran ini belum layak untuk memutar turbin, karena masih berupa uap jenuh atau uap yang masih mengandung kadar air. Kadar air ini berbahaya bagi turbin, karena dengan putaran hingga 3000 rpm, setitik air sanggup untuk membuat sudu-sudu turbin menjadi terkikis.

10.  Untuk menghilangkan kadar air itu, uap jenuh tersebut di keringkan di super heater sehingga uap yang dihasilkan menjadi uap kering. Uap kering ini yang digunakan untuk memutar turbin.

11.  Ketika Turbin berhasil berputar berputar maka secara otomastis generator akan berputar, karena antara turbin dan generator berada pada satu poros. Generator inilah yang menghasilkan energi listrik.

12.  Pada generator terdapat medan magnet raksasa. Perputaran generator menghasilkan beda potensial pada magnet tersebut. Beda potensial inilah cikal bakal energi listrik.

13.  Energi listrik itu dikirimkan ke trafo untuk dirubah tegangannya dan kemudian disalurkan melalui saluran transmisi PLN.

14.  Uap kering yang digunakan untuk memutar turbin akan turun kembali ke lantai dasar. Uap tersebut mengalami proses kondensasi didalam kondensor sehingga pada akhirnya berubah wujud kembali menjadi air dan masuk kedalam hotwell.

Siklus PLTU ini adalah siklus tertutup (close cycle) yang idealnya tidak memerlukan lagi air jika memang kondisinya sudah mencukupi. Tetapi kenyataannya masih diperlukan banyak air penambah setiap hari.Hal ini mengindikasikan banyak sekali kebocoran di pipa-pipa saluran air maupun uap di dalam sebuah PLTU.

Untuk menjaga siklus tetap berjalan, maka untuk menutupi kekurangan air dalam siklus akibat kebocoran, hotwell selalu ditambah air sesuai kebutuhannya dari air yang berasal daridemineralized tank.

1.3  Pengolahan Air Pada PLTU

Tujuan utama pengelolaan air adalah untuk membuat air  dimineral (air murni) dan mencegah terjadinya gangguan-gangguan yang diakibatkan oleh air yang masih mengandung ion-ion dan zat-zat vang dapat merusak pipa-pipa air yang ada di Boiler. Ganggungan-gangguan itu seperti kerak. korosi dan gangguan-gangguan lainnya.

Proses pengolahan air ini dilakukan dengan tahapan-tahapan sebagai berikut :

1.3.1        Tahap Penjernihan

Air yang diambil dari sungai Keramasan dengan Bantuan pompa (Raw Water Pump) dengan putaran pompa yang cukup besar yaitu 1450 rpm. Air yang di pompa RWP terlebih dahulu masuk kedalam saringan pasir, kemudian ke tower tank dari tower tank ke Reaktor disini air mengalami penjernihan dengan menggunakan tawas dan kapur.Air yang sudah mengalami penjernihan sebagian digunakan sebagai air minum yang dialirkan ke perumahan.

1.3.2        Tahap Pemurnian

Pada tahap pemurnian ini dilakukan dengan menggunakan peralatan-peralatan sebagai berikut:

-          Penukar kation

-          Penukar Anion

Air yang sudah dijernihkan dengan tawas dan air kapur dialirkan ke sand filter kasar dan halus kemudian dialirkan ke rasin kation sebagai zat yang dapat menyerap ion positif. Kemudian dari proses penukaran kation, air dialirkan ke penukar anion (Anion Exchanger) pada proses ini digunakan Resin Anion yaitu proses penyerapan ion-ion negatif.

Air yang sudah mengalami kedua proses diatas sudah terbebas dari mineral dan biasanya disebut dengan air murni (Air Demineral) selanjutnya air mumi (Air Demineral) dipompakan ke Feed water Tank dengan kapasitas 45000 liter yang akan digunakan sebagai air penambah boiler. Disini air mengalami pemanasan yaitu dengan memanfaatkan BME (Boiler Mud Expander)

1.3.3        Proses Sirkulasi Air

Air yang sudah terbebas dari mineral biasa disebut dengan air murni (Air Dimineral) selanjutnya air dipompakan ke FWT (Feed Water Tank), dengan kapasitas 45000 liter. disini air mengalami pemanasan dengan BME (Boiler Mud Exspander) kemudian air yang mengalami pemanasan tadi melewati BMC (Boiler Mud Cooler) dan kemudian masuk ke dearator.

Air yang masuk ke dearator tadi mengalami pemanasan yang berasal dari Extraksion 2 yang terdapat pada Turbin Uap, kemudian air di alirkan FWT (Feed Water Tank).sesudah itu air dialirkan ke HPH dengan menggunakan Feed Water Pump. HPH adalah pemanas tekanan tingkat tinggi, pemanasnya berasal dari uap extraksion I pada turbin uap.

Setelah air mengalami pemanasan tingkat tinggi di HPH. air dialirkan terus masuk ke Economiser  lalu dari Economiser air masuk ke Boiler drum.

Air yang masuk ke Boiler drum mengalami pemanasan sehingga air yang masuk tadi menjadi uap kemudian uap masuk ke Superheater dan uap dialirkan, sebagai penggerak turbin.

Uap yang sudah dimanfaatkan oleh  turbin turun ke Condensor. fungsi kondensor untuk mendinginkan uap dalam turbin setelah di dinginkan uap menjadi air. Air dialirkan ke Condensate Cooler setelah melewati condensate cooler dialirkan ke Low Press Heater (LPH).

1.4  Siklus Rankine

1.4.1 Siklus Rankine Sederhana

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

Skema siklus Rankine ideal sederhana dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Garis kerjanya pada diagram T-s seperti pada gambar berikut ini.

Keterangan gambar:

Proses 1 – 2 adalah proses pada tekanan konstan yang berlangsung pada boiler. Pada proses ini kalor masuk ke dalam sistem (Q_in).

Proses 2 – 3 adalah proses ekspansi isentropis (adiabatis reversibel) yang berlangsung di dalam turbin uap. Pada proses ini terjadi kerja keluar sistem (W_out)

Proses 3 – 4 adalah proses pada tekanan konstan yang berlangsung di dalam kondensor. Pada proses ini kalor keluar dari sistem (pembuang kalor) (Q_out).

Proses 4 – 1 adalah proses penekanan secara isentropis oleh pompa. Pada proses ini kerja masuk ke dalam sistem (W_in).

Pada siklus Rankine ideal sederhana, air dipompa oleh pompa pengisi boiler ke dalam boiler. Pompa yang bertugas untuk memompakan air ke dalam boiler disebut feed water pump. Pompa ini harus dapat menekan air ke boiler dengan tekanan yang cukup tinggi (sesuai dengan tekanan kerja siklus). Secara ideal pompa bekerja menurut proses isentropis (adiabatis reversibel) dan secara aktual pompa bekerja menurut proses adiabatis irreversibel.

Di dalam boiler, air yang bertekanan tinggi dipanaskan hingga menjadi uap panas lanjut, prosesnya adalah sebagai berikut:

1.      Ekonomiser, 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.      Evaporator, dari ekonomiser, air masuk ke drum penampung air di evaporator. Di dalam evaporator air dipanaskan melalui pipa-pipa evaporasi hingga berubah menjadi uap. Uap air yang keluar dari evaporator adalah uap jenuh.

3.      Superheater, selanjutnya uap jenuh dari evaporator masuk ke superheater. Superheater adalah alat penukar kalor yang dirancang khusus untuk memanaskan uap jenuh menjadi uap panas lanjut dengan menggunakan gas panas hasil pembakaran. Uap panas lanjut yang keluar dari superheater siap digunakan untuk memutar turbin uap.

Uap panas lanjut dari boiler kemudian dialirkan ke turbin uap melalui pipa – pipa uap. Di dalam turbin uap , uap panas lanjut diekspansikan dan digunakan untuk memutar rotor turbin uap. Proses ekspansi di dalam turbin uap berlangsung melalui beberapa tahap yaitu:

1.      Proses ekspansi awal di dalam turbin tekanan tinggi (roda Curtis)

Uap panas lanjut yang bertekanan tinggi diekspansikan di nosel dan kemudian digunakan untuk memutar roda Curtis.Roda Curtis adalah turbin uap jenis turbin implus.Pada roda Curtis terjadi penurunan tekanan yang signifikan.

2.      Proses ekspansi pada turbin tingkat menengah

Turbin tingkat menengah menggunakan turbin jenis reaksi dan tersusun atas beberapa tingkat turbin.

3.      Proses ekspansi tingkat akhir.

Pada tingkat akhir ini uap terus diekspansikan hingga tekanan sangat rendah (biasanya dibawah tekanan atmosfir ) dengan bantuan kondensor.

Putaran poros yang dihasilkan dari proses ekspansi uap panas lanjut di dalam turbin digunakan untuk memutar beban. Beban dapat berupa generator listrik seperti di PLTU atau propeler (baling-baling) untuk menggerak kapal.

Uap tekanan rendah dari turbin uap mengalir ke kondensor.Di dalam kondensor, uap didinginkan dengan media pendingin air hingga berubah fase menjadi air.Kemudian air ditampung di dalam tangki dan dipisahkan dari gas-gas yang tersisa dan siap untuk dipompa ke dalam boiler oleh pompa pengisi boiler. Proses ini terus berlanjut dan berulang membentuk sebuah siklus yang disebut siklus Rankine.

Pada siklus Rankine ideal.Ke 4 alat dianggap bekerja pada kondisi Steady flow. Sehingga persamaan energi untuk kondisi steady flow dapat ditulis :

Beberapa proses yang berlangsung pada masing-masing alat adalah :

Kerja pompa :

Dimana ν adalah volume spesifik yang besarnya

Kalor masuk ke boiler :

Kerja yang dihasilkan turbin uap :

Kalor yang dibuang oleh kondensor :

Efisiensi thermal siklus Rankine ideal sederhana dapat dihitung :

Dimana  :

Untuk menghitung kinerja siklus Rankine, diperlukan tabel sifat-sifat air dan uap air. Berikut ini tabel sifat-sifat air dan uap air.

Untuk uap jenuh variabel tetap temperatur air:

Untuk uap jenuh dengan variabel tetap tekanan

Untuk uap panas lanjut

Contoh Soal:

Sebuah siklus Rankine sederhana ideal bekerja pada temperatur 400 ^oC dan tekanan 80 bar. Tekanan kondensor 0,1 bar. Aliran massa uap yang masuk ke turbin 100 kg/s. Hitunglah kerja turbin, kerja pompa, kalor masuk, kalor keluar dan efisiensi siklus. daya yang dihasilkan turbin dan daya netto siklus.

Jawab

Pertama-tama gambarkan skema siklus Rankine sederhana dan lengkapi dengan data-data yang ada di dalam soal

Ditanya:

-          Kerja turbin (W_t)

-          Kerja pompa (W_p)

-          Kalor masuk (Q_in­)

-          Kalor keluar (Q_out)

-          Efisiensi termodinamika (η_th)

-          Daya turbin (P_t)

-          Daya netto siklus (P_nett).

·         Dari tabel sifat-sifat uap panas lanjut  di dapat:

Entalpi uap masuk ke turbin : h₁ = 3139,4 kJ/kg

Entropi uap masuk ke turbin : s₁ = 6,3658 kJ/kg.K

Entropi uap keluar turbin sama dengan entropi uap masul turbin (proses ideal atau isentropis) sehingga s₁  = s₂  = 6,3658 kJ/kg.K

·         Dari tabel uap jenuh, pada tekanan 0,1 bar (10 kPa) didapat:

Entalpi fase uap (h_g2) = 2583,9 kJ/kg

Entalpi fase cair (h_f2) = 191,81 kJ/kg

Entalpi perubahan fase (h_fg2) = 2392,1 kj/kg

Entropi fase uap (s_g1) = 8,1488 kJ/kg.K

Entropi fase cair (s_f2) = 0,6492 kJ/kg.K

Entropi perubahan fase (s_fg2) = 7,4996 kJ/kg.K

Fraksi (kadar) uap (X) dapat dihitung :

Artinya kadar uap yang keluar dari turbin menuju kondensor adalah 76,22 % atau fluida yang keluar dari turbin 76,22 % uap dan 23.78 % cair. Bagian yang cair ini tidak perlu lagi diembunkan, tetapi 76,22 % uap ini yang harus dibuang kalornya supaya fasenya berubah menjadi cair. Maka energi total yang terkandung di dalam 76,22% uap dapat dihitung :

Maka kerja turbin dapat dihitung yaitu :

Daya turbin adalah :

Kalor yang dibuang oleh kondensor :

h₂ adalah entalpi uap yang masuk ke kondensor = 2015,07 kJ/kg

h₃ adalah entalpi air yang keluar dari kondensor = 191,81 kJ/kg

maka kalor yang dibuang oleh kondensor adalah :

Daya kondensor yang dibutuhkan untuk membuang kalor tersebut adalah :

Kerja pompa dapat dihitung dengan rumus :

ν = volume jenis air pada tekanan 0,1 bar = 0,00101 m³/kg

p₄ = tekanan air keluar pompa = tekanan boiler (proses ideal tidak ada rugi-rugi tekanan) maka p₄ = p₁= 400 bar = 40 Mpa.

p₃ = tekanan air masuk pompa = tekanan air keluar kondensor, untuk proses ideal tidak ada rugi-rugi tekanan sehingga p₃ = 0,1 bar = 10 kPa

maka kerja pompa :

Bila aliran massa air yang dipompa 100 kg/s maka daya yang diperlukan oleh pompa adalah:

Daya netto siklus :

Kalor yang masuk ke sistem (q_in­) dapat dihitung :

h₁ = entalpi uap panas lanjut keluar dari boiler = 3139,4 kJ/kg

h₄ = entalpi air keluar pompa yang besarnya = entalpi air masuk pompa + kerja pompa, maka h₄ = 191,81 + 40,3899 = 232,1999 kJ/kg

maka kalor yang masuk ke sistem adalah :

Daya yang dihasilkan Boiler : P_B = 2900,2 kJ/kg x 100 kg/s = 290.020 kW = 290,02 MW

Efisiensi termodinamika siklus adalah :

hasil perhitungan dapat dituangkan ke dalam gambar berikut ini.

Gambar 8 hasil perhitungan

Dari hasil perhitungan dapat dilihat hanya 37,37 % dari daya yang diberikan ke dalam boiler yang dapat diubah menjadi energi mekanis, sisanya hilang atau dibuang ke alam melalui kondensor dan ada sebagian kecil yang digunakan untuk mengerakan pompa.

1.4.2 Modifikasi Siklus Rankine

Pada penggunaannya ada beberapa modifikasi proses sehingga didapatkan efisiensi termal total yang lebih tinggi. Seperti penggunaan preheater atau pemanasan awal sebelum masuk boiler, dan juga penggunaan pemanasan ulang uap air yang keluar dari turbin pertama (high pressure turbine) sehingga dapat digunakan lagi untuk masuk ke turbin kedua (intermediate pressure turbine).Untuk lebih mudah memahaminya dapat kita lihat skema prosesnya pada gambar di bawah ini.

Siklus Rankine Dengan Preheater dan Reheater

Pada gambaran di atas, air kondensat yang dipompa oleh pompa ekstraksi kondensat dari kondensor menuju ke deaerator/Feed Water Tank mengalami proses preheating. Dan air yang dipompa oleh Feed Water Pump dari Feed Water Tank menuju boiler juga melewati preheater.Sumber panas yang digunakan oleh preheater tersebut berasal dari extraction steam yang diambil dari turbin uap pada stage-stage tertentu.

Diagram Temperatur-Entropi Untuk Modifikasi Siklus Rankine

Selain itu perbedaan yang lain dengan siklus rankine konvensional adalah adanya pemanasan kembali uap air yang keluar dari turbin pertama (High Pressure Turbine) oleh boiler reheater untuk kembali mendapatkan fase superheater dan hasilnya kembali dimasukkan ke turbin kedua (Intermediate Pressure Turbine).

Selain itu juga ada sistem bypass uap air untuk tidak dilewatkan ke turbin uap. Uap superheater yang keluar dari boiler tidak masuk ke turbin dan di-bypass masuk kembali ke boiler sisi reheater.Dan uap yang keluar dari boiler reheater di-bypass untuk masuk langsung ke kondensor. Fungsi dari sistem bypass ini adalah sebagai sistem proteksi apabila terjadi suatu masalah di siklus rankine tersebut sehingga dapat terhindar dari kerusakan yang parah. Dan juga digunakan pada saat proses penyalaan awal sistem siklus tersebut dan jua proses mematikannya.

1.5  Komponen Utama PLTU