Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik yang menggunakan peralatan atau mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya.
Gambar 2.2 Sistem PLTG [17]
Energi untuk memutar turbin gas diperoleh dari gas hasil pembakaran yang memiliki temperature sekitar 1100°C dan tekanan sekitar 14 bar absolut. Gas panas berekspansi di dalam turbin gas sehingga mencapai tekanan disisi exchaust sebesar 1,03 bar absolut dan temperaturnya sekitar 540°C. Penurunan tekanan, temperatur
10 dan enthalpy gas panas akan berubah menjadi energi mekanik pada rotor turbin. Semakin tinggi temperatur gas masuk turbin akan semakin tinggi juga energi mekanis yang dihasilkannya, akan tetapi temperatur gas perlu dibatasi mengingat keterbatasan kemampuan material untuk bekerja pada temperatur tinggi. Sebagian energi mekanik (± 20%) yang dihasilkan oleh turbin akan diberikan kepada kompresor aksial (untuk memutar kompresor). Energi yang diberikan ke kompresor ini akan dikembalikan ke turbin dalam bentuk udara bertekanan, akan tetapi jumlahnya berkurang karena adanya losses. Sebagian besar energi mekanik yang dihasilkan oleh turbin diberikan kepada generator untuk membangkitkan energi listrik. Kerugian energi yang paling besar terjadi akibat terbawanya energi panas oleh gas buang kecerobong karena temperatur gas masih cukup tinggi. Oleh karenanya banyak PLTG yang dikombinasikan dengan PLTU menjadi PLTGU untuk memanfaatkan energi panas yang terbuang dari cerobong PLTG.
2.2.1 Prinsip Kerja PLTG
Turbin gas suatu PLTG berfungsi untuk mengubah energi yang terkandung didalambahan bakar menjadi energi mekanis. Fluida kerja untuk memutar turbin gas adalah gaspanas yang diperoleh dari proses pembakaran. Proses pembakaran memerlukan tiga unsur utama yaitu : bahan bakar, udara, danpanas. Dalam proses pembakaran ini bahan bakar diperoleh dari pompa bahan bakar (Fuel Oli Pump) apabila digunakan bahan bakar minyak atau bisa diperoleh dari kompresor gas apabila menggunakan bahan bakar gas alam.
Udara untuk pembakaran diperoleh dari kompresor utama, sedangkan panas untuk awal pembakaran dihasilkan oleh busi. Proses pembakarannya dilaksanakan di dalam combustion chamber (Ruang Pembakaran). Energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin gas digunakan untuk memutar generator listrik, sehingga diperoleh energi listrik. Tentu untuk dapat berjalannya operasi PLTG dengan baik perlu dilengkapi dengan alat-alat bantu, kontrol, instrumentasi, proteksi, dan sebagainya.
Gambar 2.3 Komponen Listrik Tenaga Gas [11] Siklus Kerja Turbin Gas
Siklus ideal untuk kerja turbin gas adalah siklus brayton. Siklus turbin gas disebut juga siklus tekanan tetap dan merupakan penerapan siklus brayton yang terdiri dari :
1 –2 : Udara masuk dan ditekan dalam kompresor menghasilkanudara bertekanan (langkah kompresi).
2 - 3: Udara dari kompresor dan bahan bakar bereaksi didalam ruang pembakaran menghasilkan gas panas (langkah pembakaran atau heat input).
3 –4 : Gas panas hasil pembakaran masuk dan berekspansi dalam turbin (langkah ekspansi).
4 :Gas bekas dari turbin dibuang ke udara luar (langkah pembuangan atau exhaust)
12
2.2.2 Komponen PLTG
Komponen PLTG diantaranya adalah inlet filter dan inlet silence, kompresor aksial, combustion chamber, turbin gas, exhaust silencer, load gear, generator, exciter, starting device, alat bantu, kontrol, instrumentasi dan pengaman, peralatan listrik, dan lain-lain.
Gambar 2.5 Komponen Utama Gas Turbin [7] Keterangan gambar:
1. Generator
2. Oil Reservoir with Mountings 3. Intake Structure
4. Compressor
5. Combustion Chamber 6. Turbine
Gambar 2.6 Turbin Gas Tipe V 94.2 Siemens [7] 2.2.2.1 Generator
Generator berfungsi merubah energi mekanik (putaran turbin) menjadi energi listrik seperti konsep gaya gerak listrik, yang mana didalam medan magnet yang diberi kumparan, jika ada gerakan didalam fluks magnet akan memunculkan arus listrik dirancang untuk berperan sebagai motor diesel agar dapat menghidupkan gas turbin.
Gambar 2.7 Generator [7] 2.2.2.2 Air Inlet Section
Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Aliran udara yang dibutuhkan di combustion chamber di suplai melalui sistem air intake. Dengan digunakannya sistem ini mencegah
14 masuknya pasir dan debu melalui filter yang di susun pada filter house. Sistem air intake terdiri dari : weatherhood, bird screen, dan moisture separator / Filter
Fungsi inlet filter adalah untuk menyaring udara yang akan masuk ke dalam kompresor utama (Kompresor Aksial) untuk proses pembakaran. Kotoran tidak boleh terbawa ke dalam kompresor maupun turbin gas karena dapat mengakibatkan pengotoran dan erosi pada komponen yang dilaluinya yang pada akhirnya dapat mengurangi umur pakai (life time) serta menurunkan efisiensi. Pengotoran filter yang berakibat turunnya tekanan udara disisi masuk kompresor mengakibatkan juga turunnya tekanan dan besar aliran udara disisi keluar kompresor sehingga output maksimum turbin gas menurun.
2.2.2.3 Compressor Section
Komponen utama bagian ini adalah aksial flow compressor, fungsi kompresor aksial adalah untuk memasok udara bertekanan ke dalam ruang bakar yang sesuai dengan kebutuhan. Alat ini berfungsi untuk memampatkan udara yang akan digunakan sebagai fluida kerja hingga mencapai tekanan 10 bar dan temperatur 300 Kelvin. Kapasitas kompresor harus cukup besar karena pasokan udara lebih untuk turbin gas dapat mencapai 350%, udara lebih ini digunakan untuk pendingin dan menurunkan suhu gas hasil pembakaran.
Komponen – Komponen yang Mendukung Compressor : a. Casing.
Casing merupakan pembungkus kompresor, dibuat dari baja cor carbon rendah. Untuk memudahkan pembuatan, pemasangan serta pembongkarannya, casing kompresor terdiri dari beberapa segmen pada bidang bagi horisontal maupun vertikal.Pada bidang horisontal terdiri atas upper casing (casing atas) dan lower casing (casing bawah), sedangkan pada bidang vertikal casing tersebut dapat terbagi dalam tiga segmen. Inlet Casing terbuat dari plat baja dibentuk sedemikian rupa sehingga aliran udara masuk ke dalam kompresor dengan halus tanpa terjadinya turbulensi.
b. Compressor Stationary Blade Assembly
Alat ini berfungsi untuk melindungi stationary blade rings, menjaga agar stationary blade tetap pada posisinya dan mentransmisikan gaya reaksi dan tekanan yang terjadi akibat aliran udara ke casing terluar (outler casing)
Gambar 2.8 Compressor Stationary Blade Assembly [7] Keterangan :
1. Center Casing 6. Seal Plug
2. Compressor Bearing Housing 7. Hydraulic Cylinder 3. Stationary Blade Carrier II 8. Eccentric Bolt 4. Stationary Blade Carrier III 9. Eccentric Bolt I5. Round Bar Steel A. Air Bleed
16
c. Rotor
Alat ini berfungsi untuk merubah tenaga putaran (torque) menjadi energi kinetik.
Gambar 2.9 Rotor Kompressor [7] Keterangan :
1. Front Hollow Shaft 5. Turbine Wheel 2. Balancing Planes 6. Rear Hollow Shaft 3. Compressor Wheel 7. Tie Rod
d. Compressor Outlet Diffuser
Alat ini berfungsi untuk merubah energi kinetik yang dihasilkan dari pemampatan aliran udara menjadi tekanan statis dengan kemungkinan effisiensi tertinggi.
Gambar 2.10 Compressor Outlet Difusser [7] Keterangan :
1. Compressor Stationary Blade Carrier III 2. Compressor Stationary Blade Ring 3. Outer Shell
4. Flow Baffle
5. Inner Shell 6. Mounting Recess 7. Protective Shell
18 e. Compressor Rotor Blades
Alat ini berfungsi untuk merubah energi mekanis menjadi energi kinetik dan energi potensial, dan jika dihubungkan dengan stator blades akan meningkatkan tekanan udara.
Gambar 2.11 Compressor Rotor Blade [7] Keterangan :
1. Blade Root 3. Rotor Blade 5.Wheel
2. Airfoil 4. Caulked End
f. Compressor Stator Blades
Alat ini berfungsi untuk membelokkan aliran udara yang melewati blade passages dalam arah yang berlawanan menjadi searah dengan putaran rotor.
g. Compressor Shaft Glands
Pada compressor inlet, alat ini berfungsi untuk mencegah pipa saluran masuk dialiri/dilalui oleh minyak/oli dari luar.
h. Compressor Bearing Housing
Alat ini berfungsi untuk melindungi rotor dan berfungsi juga sebagai pondasi untuk compressor/turbin
Gambar 2.12 Combined Journal Bearing [7]
2.2.2.3 Combustion Chamber
Pada setiap gas turbin, energi kimia yang tersimpan dalam bahan bakar harus terlebih dahulu diubah menjadi energi panas. Kemudian panas yang dihasilkan dari perubahan energi kimia tersebut di konversikan menjadi energi mekanik pada turbin. Energi mekanik yang dihasilkan turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor dan generator untuk menghasilkan energi listrik. Proses perubahan energi kimia yang tersimpan dalam bahan bakar menjadi energi panas berlangsung di ruang pembakaran yang disebut dengan combustion chamber. Dua buah combustion chamber terletak pada posisi vertikal yang berada di kedua sisi turbin dan disambungkan ke lateral flanges pada casing turbin. Desain ini memungkinkan udara bertekanan yang berasal dari kompressor terkumpul ke combustion chambers lalu ke turbin. Udara bertekanan dari kompressor mengalir melalui rongga udara panas yang terdapat diantara pressure jacket dan inner cassing .Udara panas tersebut menjadi udara primer untuk pasokan ke combustion chamber dalam proses pembakaran.
20
Combustion chamber mempunyai enam unit burner yang terpisah satu sama lain dan dapat dioperasikan dengan menggunakan bahan bakar gas, HSD maupun dengan keduanya. Konsumsi bahan bakar untuk bahan bakar gas pada kondisi beban rendah yaitu 9,16 kg/s sedangkan pada beban puncak yaitu 9,56 kg/s. Dan konsumsi bahan bakar untuk bahan bakar HSD pada kondisi beban rendah yaitu 9,63 kg/s sedangkan pada kondisi beban puncak sebesar 10,05 kg/s. Data teknis dari komponen combustion chamber dengan seluruh komponennya didapat berat keseluruhan yaitu 23.608 kg. Panas yang dihasilkan pada proses pembakaran di combustion chamber berkisar 1100ºC.
Keterangan : 1. Burner Assembly 2. Diagonal Swirler 3. Pressure Jacket 4. Adjusting Ring 5. Internal Parts 6. Manhole 7. Inspecting Tube 8. Flame Monitor 9. Flame Tube
10. Hot Gas Inlet for Diffusion Burnerburner Assembly 11. Diagonal Swirler 12. Pressure Jacket 13. Adjusting Ring 14. Internal Parts 15. Manhole 16. Inspecting Tube 17. Flame Monitor 18. Flame Tube A. Hot Gas Outlet
B. Annular Space for Compressor Air
C. Variable Air Openings
D. Annular Space for Primary Air E. Annular Space for Primary Air a. Fuel Oil Supply Flow/Cooling Air Supply
b. Fuel Oil Return Flow c. Hot Gas Inlet for Diffusion
Komponen – Komponen yang Mendukung Combustion Chamber
a. Pressure Jacket
Pressure jacket terletak pada bagian terluar dari combustion chamber. Pressure jacket memiliki ketahanan terhadap tekanan dalam dan menjadi penentu dari letak komponen - komponen dibagian dalam.Udara bertekanan yang berasal dari kompressor di alirkan melalui rongga antara pressure jacket dan inner casing. Udara bertekanan tersebut mengalir sebagai udara primer pada combustion chamber.
22
Gambar 2.14 Pressure Jacket[7]
Keterangan :
1. Nozzle 13. Nozzle
2. Dome 14. Nozzle for lights receivers 3. Lifting Eye 15. Centering Piece
4. Protective Liner 16. Bolt 5. Flanged Pipe 17. Guide Pin 6. Support Leg
7. Flange A.Penetration For Burner Assembly
8. Flange B. Manhole
9. Hex Nut C. Air Inlet 10. Bolt
11. Stud
b. Internal Parts
Internals parts dari combustion chamber berfungsi mengisolasi ruangan dimana gas pembakaran dihasilkan, dicampur dan diteruskan ke inlet turbine. Permukaan dalam dari ruang bakar dilapisi oleh lapisan keramik/batu tahan api.
Gambar 2.15 Internal Parts [7]
Keterangan :
1. Outer Top Plate A. Hot Gas Outlet
2. Inner Top Plate B.Openinng Of Burner Assembly
3. Insert C. Manhole
4. Frame Work D. Variable Secondary Opening 5. Flame Tube Top Plate
6. Flame Tube 7. Rib
24 9. Tile 10. Sealing Plate 11. Ring 12. Guide Piece 13. Mixing Chamber 14. Trunions 15. Brick Holder 16. Adjusting Ring 17. Brick Holder 18. Trunions c. Burner Assembly
Burner assembly digunakan untuk mendistribusikan bahan bakar dengan takaran yang tepat sehingga memudahkan pencampuran dengan udara bertekanan sehingga pembakaran yang dihasilkan sempurna. Burner assembly dapat dioperasikan dengan menggunakan dua jenis bahan bakar yaitu bahan bakar gas dan HSD maupun keduanya.
Gambar 2.16 Burner Assembly For Liquid And Gaseous Fuels [7] Keterangan :
1. fuel oil burner 2. spark plug 3. burner support 4. igniter
5. diagonal swirler 6. axial swirler 7. fuel gas burner a. fuel oil return flow b. fuel oil supply
c. ignition gas inlet
d. gas outlet from the igniter
e. gas outlet from the fuel gas burner f. air inlet into the diagonal swirler g. air inlet into the axial swirler h. gas inlet into the fuel gas burner A. ring zone for fuel gas
B. ring zone for burner core air C. combustion zone
26 d. Air Mixing Adjustment
Air mixing adjustment berfungsi mengontrol campuran udara yang memasuki ruang bakar/combustion chamber sebagai udara primer.
Gambar 2.17 Air Mixing Adjustment [7] Ketearangan
1. Adjusting Ring 2. Lever
3. Gearbox
e. Manhole With Inspecting Tube
Manhole berfungsi agar operator dalam melakukan inspeksi dapat melihat bagian dalam dari ruang bakar dan bagian atas dari turbin. Lubang untuk inspeksi pada manhole cover memungkinkan proses pembakaran dapat diamati.
Gambar 2.18 Manhole With Inspecting Tube [7]
Keterangan
1. Mixing Chamber 8. Inspecting Tube 2. Pressure Jacket 9. Packing
3. Manhole Cover 10. Packing
4. Bolt 11. Quartz Lens I
5. Support Arm 12. Quartz Lens Ii 6. Funnel
28 2.2.2.4 Turbine
Fungsi dari turbin adalah mengubah energi dari gas yang dibangkitkan dari ruang bakar menjadi energi mekanik berupa putaran poros turbin
Komponen – komponen yang mendukung Turbin :
a. Rotor
Alat ini berfungsi untuk merubah energi kinetik menjadi tenaga putaran (torque).
Gambar 2.19 Turbine Rotor [7] Keterangan :
1. Front hollow shaft 2. Balancing planes 3. Compressor wheel 4. Central hollow shaft 5. Turbine wheel 6. Rear hollow shaft 7. Tie rod
b. Turbine Stationary Blade Assembly
Alat ini berfungsi untuk mengatur/menjaga agar stationary blade tetap pada posisinya dan meneruskan atau mentransmisikan gaya reaksi dan tekanan yang dihasilkan akibat aliran udara ke casing terluar (outler casing).
30 a. Turbine Rotor Blade
Alat ini berfungsi untuk merubah energi thermal dari uap panas menjadi energi mekanis.
Gambar 2.21 Turbine Rotor Blade [7] Keterangan :
1. Cooling air inlet, 1st stage rotor blade 2. Trailing edge holes, 1st stage rotor blade 3. Air foil
4. Blade platform 5. Blade root
6. Cooling air outlet, 2nd stage rotor blade 7. Cooling air inlet, 2nd stage rotor blade
b. Turbine Stator Blades
Bersama dengan rotor blades turbine, stator blades merubah energi yang dihasilkan dari fluida kerja menjadi energi mekanis.
Gambar 2.22 Turbine Stator Blade [7] KeteranganGambar : 1. Outer shroud 2. Airfoil 3. Inner shroud 4. Holes 5. Paritition
c. Turbine Shaft Glands
Alat ini berfungsi untuk meminimalisasi kehilangan jarak dan mencegah uap panas keluar melewati ruangan antara stationary blade assembly dan rotor.
d. Turbine Bearing Housing
32 e. Exhaust Gas Diffuser
Alat ini berfungsi sebagai saluran gas buang dari turbin menuju cerobong asap (stack).
Gambar 2.23 Exhaust Gas Diffuser [7] Keterangan:
1. Bellows expansion joint 2. Blow off pipe
connection
3. Conical shell course
4. Bellows expansion joint 5. Blow off pipe
