10 3.1 Turbin Uap
3.1.1 Pengertian Turbin Uap
Turbin uap adalah sebuah turbin yang 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. Sistem kerja turbin uap ini yaitu uap yang masuk ke dalam turbin akan menabrak sudu-sudu turbin sehingga menggerakkan rotor atau shaft dari turbin. Turbin bisa berputar akibat adanya perbedaan tekanan.
Turbin uap merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, lansung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang akan digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digunakan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang seperti pada bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi. Pada proses perubahan energi potensial menjadi energi mekanisnya yaitu dalam bentuk putaran poros dilakukan dengan berbagai cara.
Pada dasarnya turbin uap terdiri dari dua bagian utama, yaitu stator dan rotor yang merupakan komponen utama pada turbin kemudian di tambah komponen lainnya yang meliputi pendukungnya seperti bantalan, kopling dan sistem bantu lainnya agar kerja turbin dapat lebih baik. Sebuah turbin uap memanfaatkan energi kinetik dari fluida kerjanya yang bertambah akibat penambahan energi termal.
3.1.2 Sejarah dan Perkembangan Turbin Uap
Konsep itu telah diusulkan dan digambarkan jauh-jauh hari oleh orang Italia Giovanni Branca pada tahun 1629 dalam bukunya Le Machine. William Avery mengembangkan penerapan awalnya pada tahun 1831 di Amerika Serikat, tetapi mesinnya tidak berjalan lancar dan tidak efisien.
Seorang penemu berkebangsaan Swedia Gustave De Laval mengembangkan sebuah sistem turbin uap yang efektif pada tahun 1883, dan ia memiliki andil sebagai penemu turbin uap modern. Dia menggunakan turbin kecil untuk menggerakkan sebuah alat yang memisahkan busa dan susu dengan gaya sentrifugal, mcngoperasikannya pada tingkat yang teramat sangat tinggi sebanyak 30.000 putaran dalam satu menit. Kecepatan itu terlalu tinggi untuk digunakan dalam transportasi praktis, meskipun De Laval segera membuat turbin uap untuk beragam penerapan stasioner, dan perusahaannya belakangan juga memproduksi turbin gas.
3.1.3 Klasifikasi Turbin Uap
Turbin Uap dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori yang berbeda berdasarkan pada konstruksinya, prinsip kerjanya dan menurut proses penurunan tekanan uap sebagai berikut:
a. Klasifikasi Turbin Berdasarkan Prinsip Kerjanya
Turbin Impulse
Turbin impulse atau turbin tahapan impuls adalah turbin sederhana berrotor satu atau banyak (gabungan) yang mempunyai sudu-sudu pada rotor itu. Sudu biasanya simetris dan mempunyai sudut masuk dan sudut keluar.
Gambar 3.1 Prinsip Kerja Turbin Impuls
(Sumber : Academy Artworks)
Ciri-ciri dari turbin impuls adalah proses pengembangan uap/penurunan tekanan seluruhnya terjadi pada sudu diam/nosel. Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan Tekanan Rata.
Turbin Reaksi
Gambar 3.2 Prinsip Kerja Turbin Reaksi
(Sumber : Academy Artworks)
b. Klasifikasi Turbin Berdasarkan Tingkat Penurunan Tekanan Dalam Turbin
Turbin Tunggal (Single Stage)
Dengan kecepatan satu tingkat atau lebih turbin ini cocok untuk untuk daya kecil, misalnya penggerak kompresor, blower, dll.
Turbin Bertingkat (Aksi dan Reaksi)
Disini sudu-sudu turbin dibuat bertingkat, biasanya cocok untuk daya besar. Pada turbin bertingkat terdapat deretan sudu dua atau lebih. Sehingga turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan/tekanan.
c. Klasifikasi Turbin Berdasarkan Proses Penurunan Tekanan Uap
Turbin Kondensasi.
Tekanan keluar turbin kurang dari 1 atm dan dimasukkan kedalam kompresor.
Turbin Tekanan Lawan.
Turbin Ekstraksi.
Didalam turbin ini sebagian uap dalam turbin diekstraksi untuk proses pemanasan lain, misalnya proses industri.
3.2 Mekanisme Kerja PLTU PTBA 3×10 MW
Mekanisme kerja di PLTU ini terbagi menjadi menjadi lima bagian, yaitu Water Treatment Process (WTP), Coal Handling System (CHS), Boiler
System, Turbin System, dan Electricity.
Gambar 3.3 Diagram Alur Proses Sistem PLTU PTBA 3×10 MW
(Sumber : Management Pembangkit Listrik PLTU PTBA 3×10 MW)
3.2.1 Water Treatment Plant (WTP)
Tujuan dari proses yang ada pada Water Treatment Process adalah
untuk supply air dan Standarisasi Demin. Dalam menjalankan prosesnya
ada beberapa alat yang digunakan, yaitu Intake Pump, Raw Water Tank,
Service Pump, Multimedia Filter, Carbon Filter, Reverse Oxydation /
Conductivity Reductor, Reject Tank, EDI System, Demin Tank, dan
Alur proses di WTP terbagi menjadi dua, yaitu Alur Proses Raw
Water Treatment dan Alur Proses Demin Plant Treatment.
a. Raw Water Treatment
Gambar 3.4 Diagram Alur Proses Pada Raw Water Treatment
(Sumber : Metode Penelitian Pribadi)
Diatas adalah gambar diagram alur proses pada raw water
treatment plant. Alir sungau dihisap menggunakan Intake Pump,
sebelum air memasuki Raw Water Purifying Tank, air di-injeksikan
tiga zat kimia, yaitu Poly Anionic Monomer (PAM), Poly
Alumimium Cloride (PAC), dan NaOCl. Fungsi ketiga zat itu
sendiri adalah sebagai berikut:
- PAM : Membuat lumpur-lumpur yang ikut terhisap menjadi terikat dalam ikatan yang kecil. - PAC : Membuat lumpur-lumpur yang sudah terikat
sebelumnya menjadi ikatan yang besar, bertumpuk hingga membuat lumpur-lumpur tersebut jatuh ke dasar tanki dan mengendap. - NaOCl : Membunuh atau membersihkan mikro orga-
nisme, menghambat dan menghentikan pertumbuhan lumut, serta menatralisirkan air. Setelah masuk ke Raw Water Purifying Tank, air disaring dan dijernihkan, dan disinilah akhir dari proses Raw Water Treatment. Air yang sudah diproses tadi dihisap oleh Service Pump dan siap didistribusikan pada tiga jalur utama, yaitu Demin Plant, Cooling Tower, dan Unit.
b. Demin Treatment Plant
Air yang sudah diproses oleh Raw Water Treatment diproses
Demin yang dibutuhkan. Proses yang dilakukan pada Demin Treatment Palnt ini yaitu air dari service pump masuk ke Multimedia Filter (MMF) dengan ditambahkan NaOCl untuk membersihkan kembali air yang keluar dari service pump yang melalui pipa-pipa sebelum sampai di MMF.
Gambar 3.5 Diagram Alur Proses Pada Demin Treatment Plant
(Sumber : Metode Penelitian Pribadi)
Setelah melalui pembersihan tahap pertama, air yang keluar dari MMF langsung memasuki Carbon Filter untuk membersihkan zat-zat minyak yang terkandung didalam air sebelum memasuki Conductivity Reductor yang berupa Reverse Oxydation (RO). Didalam RO konduktivitas airnya dikurangi dan air yang sudah melalui RO masuk ke Reject Tank hingga airnya sampai di EDI System. Di EDI System, ion-ion yang terkandung didalam air dihilangkan dan langsung disimpan ditempat penampungannya, yaitu Demin Tank dengan standarisasi pH 6-7. Air yang tersimpanpun siap dipompakan ke Dearator dengan menggunakan Make Up Pump.
3.2.2 Coal Handling System (CHS)
Tujuan dari proses yang ada pada Coal Handling System (CHS) ini
adalah untuk memenuhi kebutuhan batubara (Fuel Supply) pada Boiler.
Dalam menjalankan prosesnya, CHS memiliki beberapa alat seperti
Excavator, Grab Crane, Vibro 1 & 2, Conveyor 1 - 3, Magnet, Crusher 1
& 2, Dustor 1 sampai 5, Coal Plough, Bunker, dan Coal Feeder.
MW. Di Stock Pile, batubara yang masih berukuran besar dihancurkan dihancurkan dan dirapikan dengan menggunakan alat berat yang berupa Excavator, setelah dihancurkan dan dirapikan, batubara yang ada di Stock Pile diangkut oleh Grab Crane menuju Vibro.
Gambar 3.6 Diagram Alur Proses Pada Coal Handling System (CHS)
(Sumber : Metode Penelitian Pribadi)
Sesampainya di Vibro, batubara tersebut dibersihkan dari debu dengan menggunakan Dustor 1 dan dibawa dengan menggunakan Conveyor 1 melewati Magnet untuk menarik besi-besi kecil yang terbawa dari tambang agar tidak ikut masuk kedalam Crusher. Conveyor 1 terus berjalan dengan membawa batubara tersebut menuju ke Crusher dan setelah sampai disana, batubara dihancurkan kembali menjadi ukuran sekitar 0,1 – 1 cm, namun nantinya masih ada beberapa batubara yang ukurannya mencapai sekitar 5 cm, tetapi itu tidak akan menjadi masalah karena boiler yang dipakai disini masih mampu untuk memprosesnya. Batubara tadi dibersihkan lagi dengan Dustor 2 dan dibawa ke atas menuju Bunker dengan menggunakan Conveyor 2. Setelah sampai diatas batubara tersebut dipindahkan ke Conveyor 3 dan dibersihkan kembali dari debu dengan Dustor 3 sampai Dustor 5 sebelum diatur oleh Coal Plough untuk memasuki Bunker mana yang kita inginkan. Batubara yang ada di Bunker siap dibawa ke Boiler dengan bantuan Coal Feeder.
3.2.3 Boiler System
Ignition, Burner, Coal Feeder, Furnace, Primary Air Fan (PAF), Secondary Air Fan (SAF), Dearator, Boiler Feed Water Pump (BFWP), HP Heater, Economizer, Steam Drum, Water Wall, Super Heater, Electro Static Precipitator (ESP), Compressor, Ash Silo, Induced Draught Fan (ID Fan), dan Chimney.
Proses dalam operasi Boiler terbagi menjadi tiga bagian, yaitu:
a. Fuel And Combustion Process
PLTU PTBA 3×10 MW menggunakan boiler berjenis CFB (Continuous Fluidized Bed), yang mana mempunyai tiga bahan yang menjadi dasar dari proses pembakaran, yaitu:
Solar (Diesel Fuel)
Gambar 3.7 Diagram Alur Fuel And Combustion Process pada Diesel Fuel
(Sumber : Metode Penelitian Pribadi)
Solar ini hanya digunakan pada saat cool start (Pemanasan furnace dalam kondisi dingin). Solar yang dibawa oleh tanky truck didistribusikan ke Oil Supply Tanks, meskipun pada tanky truck sudah tersedia pompa untuk memindahkan solarnya, PLTU PTBA 3×10 MW ini juga memiliki pompa hisap untuk membantu proses hisap solar untuk sampai ke Oil Supply Tanks. Ada dua tahapan yang dilakukan pada solar ini sebelum memasuki burner, tahapan tersebut yaitu sebagai berikut.
Pemisahan Kotoran Dari Solar
Solar didalam Oil Supply Tanks dihisap menggunakan pompa hisap (Oil Pump) melewati Oil Filter untuk member sihkan solar dari kotoran ada didalamnya.
Setelah melewati Oil Filter untuk memisahkan kotoran yang terbawa, solar dipisahkan kandungan airnya dengan menggunakan Oil Separator.
Setelah melewati dua tahapan tersebut solar tersebut siap di-inject kedalam burner, untuk mengatur kapasitas semprotan solar nya digunakanlah Oil Valve. Solar didalam burner diberikan udara, tekanan, dan percikan api dari Ignition hingga solar itupun terbakar didalam burner. Uap panas yang dihasilkan burner naik, masuk ke furnace melalui nozzles yang ada didasar furnace, untuk memanaskan pasir silika sampai mencapai temperatur sekitar 350°C sebelum batubara dapat dimasukkan kedalam furnace.
Pasir Silika (Silica Sand)
Continous Fluidized Bed, bed yang dimaksud adalah pasir silika ini. Dalam pemanasannya, pasir silika ini di jaga agar tetap ditengah furnace, agar tidak mengendap didasar dan sisi furnace. Untuk menjaga agar pasir silika ini tetap melayang ditengah furnace, ada dua pompa yang berperan dalam hal ini, yaitu Primary Air Fan (PAF) yang meniupkan udara dari bawah agar membuat pasir silika melayang, sementara untuk menjaga agar pasir tersebut tetap ditengah dan tidak mengendap disisi-sisi furnace, digunakanlah Secondary Air Fan (SAF). Untuk PAF tekanan yang digunakan sekitar 6 KPA dan untuk SAF tekanan yang digunakan sekitar 2 KPA. Pasir silika ini berfeungsi sebagai cool start sampai temperaturnya mencapai sekitar 350°C dan sebagai pengunci panas.
Batubara (Coal)
telah ditentukan tadi, batubara yang berasal dari bunker dimasukkan kedalam furnace dengan menggunakan coal feeder yang kemudian jatuh ke pipa yang menuju ke furnace didalam pipa itu batubara jatuh dan terlempar karena tekanan udara dari PAF yang juga disalurkan ke pipa tersebut. Alur proses dari stock pile sampai ke bunker sendiri sudah dijelaskan sebelumnya pada bagian Coal Handling System (CHS). Pembakaran terus terjadi didalam furnace dan sebisa mungkin temperaturnya dijaga konstan dikisaran 740°C sampai 850°C. Inilah proses pembakaran yang terjadi didalam operasi boiler.
b. Water To Steam Process
Gambar 3.8 Diagram Alur Water to Steam Process
(Sumber : Metode Penelitian Pribadi)
Dari dearator air dipompakan ke Water Wall dengan menggunakan Boiler Feed Water Pump (BFWP). Namun, sebelum sampai di Water Wall, air melalui beberapa pemanasan awal, yaitu mulai dari HP Heater (High Pressure Temperature) atau pemanas bertekanan tinggi, HP Heater ini memanfaatkan panas dari turbin, panas air disini ditingkatkan menjadi sekitar 135°C sampai 140°C. Setelah melewati HP Heater air terus bergerak menuju ke economizer, sumber panas di economizer berasal dari panas furnace dan Fly Ash (Debu Batubara Ringan Sisa Pembakaran) yang terhisap oleh ID Fan, di economizer temperatur menjadi berada diksaran 145°C sampai 260°C. Air yang sudah dipanaskan oleh economizer masuk ketempat pemisah antara uap dan air yaitu Steam Drum, barulah setelah itu air turun melalui pipa Down Comer, Low Header, dan masuk ke Water Wall. Pada Water Wall air dipanaskan oleh pembakaran batubara didalam furnace sampai menjadi uap dan dikembalikan ke Steam Drum, namun uap ini masih kategori uap dengan kandungan air yang masih tergolong banyak. Uap dari Steam Drum naik, bergerak menuju ke Super Heater untuk dipanaskan kembali sehingga lebih panas dan kandungan airnya semakin berkurang. Saat melalui Super Heater Inlet uap tersebut temperaturnya meningkat sampai di kisaran 360°C, namun temperatur ini harus dikurangi agar panas setelah melewati Steam Header stabil di range 470°C sampai 490°C. Temperatur uap tersebut dikurangi dengan cara memberikan water spray yang disebut DeSH atau De-Super Heater. Setelah temperatur tersebut diatas tercapai barulah uap tersebut siap memasuki bagian turbin.
c. Disposal of Combustion Residue Process
yang akan dibuang, yaitu Silica Sand Ash, Bottom Ash, dan Fly Ash. Silica Sand Ash atau debu pasir silika akan dibuang langsung melalui Drain Pipe yang ada di bawah furnace jika dinilai mulai menumpuk, begitu pula dengan Bottom Ash atau sisa pembakaran batubara yang masih berat, Bottom Ash tersebut dibuang melalui Drain Pipe jika mulai menumpuk didalam Cyclone atau tempat penampungan Bottom Ash yang seharusnya bisa kembali ke furnace untuk dibakar lagi. Namun jika dinilai keberadaan Bottom Ash mulai mengganggu proses pembakaran didalam furnace karena terlalu banyak, akhirnya Bottom Ash dibuang menggunakan Drain Pipe. Untuk Fly Ash setelah membantu pemanasan di Economizer dan Air Heater, Fly Ash tersebut terus bergerak terhisap ID Fan hingga memasuki sistem penyaringan Elekrostatik. Penyaringan Elektrostatik ini disebut Electro Static Precipitator, alat ini berfungsi menyaring Fly Ash sampai benar-benar bersih dan layak dibuang dengan Chimney agar proses pembakaran yang dilakukan ramah terhadap lingkungan.
Gambar 3.9 Diagram Alur Pada Disposal of Combustion Residue Process
Didalam Electro Static Precipitator atau disingkat ESP ini terdiri dari tiga buah penyaring Elektromagnetik dan palu pemukul disetiap penyaringnya untuk menjatuhkan Fly Ash yang terhisap dan dikirim ke Ash Silo. Di Ash Silo sendiri udara dipisahkan dari debu, untuk kemudian udara tersebut dibuang ke lingkungan, sementara debu tersbut diaduk dengan air terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke Truck dan dibuang ke Tempat Penampungan Sementara (TPS). Dan proses pembuangan sisa hasil pembakaran selesai sampai disini.
3.2.4 Turbin System
Tujuan dari operasi turbin adalah untuk membuat steam yang dihasilkan oleh boiler dimanfaatkan menjadi energi gerak yang kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. Alat-alat yang dioperasikan oleh operator turbin adalah Motor Valve (MOV), Main Stop Valve (MSV), Governor Valve, Sudu-sudu turbin, HP Heater, Dearator, LP Heater, Condensor, Hot Well, Condensat Equipment Pump (CEP), Turbine Water Jet, Equal Pressure Tank, Steam Ejector Equipment, Main Oil Tank, Oil Ejector, Oil Cooler, dan Oil Filter.
Alur proses dalam pengoperasiannya dapat dibagi menjadi dua, yaitu:
a. Alur Proses Sistem Uap dan Air
Gambar 3.10 Diagram Alur Proses Sistem Uap dan Air Pada Sistem
Turbin
Uap dari Steam Header yang berasal dari boiler bergerak menuju ke turbin dengan melalui beberapa Valve, yaitu Motor Valve (MV), kemudian Main Stop Valve (MSV) untuk mengatur banyak nya uap yang menuju Governor Valve, dan Governor Valve sebagai Emergency Valve, dimana saat terjadi kelebihan supply uap yang masuk ke turbin, Governor Valve tersebut akan tertutup dengan sendirinya. Setelah memasuki turbin, uap menabrak sudu-sudu hingga memutar Shaft (Poros) turbin yang dibuat sama dengan Generator, hingga menghasilkan listrik.
Didalam turbin, uap yang telah menabrak sudu dimanfaatkan kembali sebagai pemanas awal air sebelum memasuki Steam Drum pada sistem boiler. Penggunaan uap tersebut terbagi menjadi tiga, yang mana biasa disebut Extraction, ke-tiga Extraction itu sendiri adalah sebagai pemanas di HP Heater untuk uap yang memilikitekanan tinggi (High Pressure), pemanas pada Dearator untuk uap yang memiliki tekanan sedang (Intermediate Pressure), dan pemanas di LP Heater untuk uap bertekanan rendah (Low Pressure).
Gambar 3.11 Diagram Alur Proses Air Dari Condensor
Sementara, untuk uap yang tidak bagus lagi untuk menjadi pemanas akan diubah menjadi air kembali dengan Condensor, pendinginannya sendiri menggunakan air dari Cooling Tower. Dari condensor sendiri uap yang telah menjadi air tersebut digunakan untuk beberapa kebutuhan, seperti digunakan untuk Water Sampling System sebagai bahan pengujian air, Turbine Water Jet sebagai pendingin bagian turbin, pada Equal Pressure Tank air dicampur dengan uap kemudian dialirkan diujung dan pangkal turbin untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk serta keluar dari turbin, dan yang terakhir adalah digunakan pada Steam Ejector Equipment sebagai penjaga kevakuman didalam Condensor.
Pada Cooling Tower berlaku siklus tertutup dimana setelah mendinginkan uap hingga menjadi air pada Condensor, air yang menjadi panas akan dikembalikan ke Cooling Tower, didinginkan, dan digunakan untuk keperluan pendinginan di Condensor lagi.
b. Alur Proses Oli Pada Sistem Turbin
Gambar 3.12 Diagram Alur Proses Oli Pada Sistem Turbin
(Sumber : Metode Penelitian Pribadi)
Cooler untuk didinginkan, dan terus ke Oil Filter untuk disaring. Setelah disaring, oli didistribusikan ke seluruh titik pelumasan, yaitu pada Bearing 1, Bearing 2 & 3 dengan jalur supply yang sama, dan bearing 4. Untuk pertama digunakan, oli digerakkan menggunakan tiga pompa, yaitu AC Pump, DC Pump, dan Auxillary Oil Pump (AOP). Ketiga nya memiliki fungsi yang berbeda, sesuai dengan namanya, AC Pump adalah pompa dengan tenaga penggerak arus AC, digunakan jika membutuh tekanan yang tidak lebih besar dari tekanan AOP, DC Pump adalah pompa pendorong oli dengan tenaga penggerak arus DC, digunakan saat dalam keadaan tanpa supply listrik. Sementara AOP sendiri adalah pompa Oli yang digunakan saat pelumasan membutuhkan tekanan yang besar. Namun, jika turbin sudah beroperasi pompa tersebut akan dihentikan pemakaiannya karena turbin sudah menghasilkan tekanan, sehingga oli bergerak didalam siklus itu dengan sendirinya.
3.2.5 Electricity
Tujuan operasi pada Electricity adalah mengatur distribusi beban yang dihasilkan generator, monitoring, dan menjaga batas parameter yang sudah ditentukan. Alat-alat yang dioperasikan yaitu Automatic Voltage Regulator (AVR), Synchronous Panel, Main Transformer, Generator Excitation Power Panel, Switch Generator, Excitation
Potensial Transformation, Generator Potential Transformation, Excitation Transformation, dan Generator Protectio And Measuring.
Gambar 3.13 Diagram Alur Proses Operasi Pada Electricity
Dalam pengoperasiannya putaran turbin harus mencapai 3000 rpm terlebih dahulu, jika sudah mencapai 3000 rpm, dilakukanlah pengaturan pada Automatic Voltage Regulator atau disingkat AVR. Pada AVR saat putaran sudah mencapai 3000 rpm, QS di close, kemudian setelah itu FCB juga di close, untuk menjaga supaya AVR tetap berada dalam kondisi dingin, Cooling Fan harus dihidupkan. Setelah langkah-langkah pada AVR dilakukan, selanjutnya adalah melakukan pengaturan pada Generator Excitation Power Panel. Disini terlebih dahulu kita harus menghidupkan CHA AC Power dan CHB AC Power untuk menghidupkan monitor pada Generator Excitation Power Panel ini. Setelah monitor menyala, Generator distart, tunggu dan atur UG hingga mencapai 6,14 kV dan usahakan stabil, untuk mengatur hal tersebut digunakan tombol Raise / Lower. Setelah sudah mencapai 6,14 kV, barulah disinkron dengan menekan tombol Syn yang ada pada Synchronous Panel.
