ANALISIS
EFISIENSI
ENERGI
PADA
PEMBANGKIT
LISTRIK
TENAGA
UAP
(PLTU)
PT.
ENERGI
ALAMRAYA
SEMESTA
DI
KABUPATEN
NAGAN
RAYA
NANGGROE
ACEH
DARUSSALAM
SKRIPSI
NURMALITA
F14080108
DEPARTEMEN
TEKNIK
MESIN
DAN
BIOSISTEM
FAKULTAS
TEKNOLOGI
PERTANIAN
INSTITUT
PERTANIAN
BOGOR
ENERGY
ANALYSIS
ON
COAL
STEAM
POWER
PLANT
PT.
ENERGI
ALAMRAYA
SEMESTA
Nurmalita and Sri Endah Agustina
Departement of Mechanical And Biosystem Engineering, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Dramaga Campus, PO Box 220, Bogor, West Java,
Indonesia.
e-mail : nurmalitamuchtar@yahoo.co.id
ABSTRACT
Coal fired power plant system is the most type of power plant which has been used by national electric company (PLN) to fulfilled national electricity supply and also to reduce the dependency on diesel power plant system. The aim of this study is to knows energy efficiency on coal steam power plant in PT. Energy Alamraya Semesta and to analize factors which has been influenced the main equipment on coal steam power plant. The result shows that the capacity of power plant is 15 MW by using bituminous coal with Gross Calorific Value (GCV) 3575 cal/g, but daily acctual production only 10 MW. Total energy needed by equipments to support the production system is 1.3 MW. The average efficiency of coal steam power plant in PT. Energi Alamraya Semesta during the month of April 2012 was 87% and total power plant efficiency is 18 %.
Key words : power plant, coal fired, efficiency
NURMALITA. F14080108. Analisis Efisiensi Energi Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap
(PLTU) PT. Energi Alamraya Semesta di Kabupaten Nagan Raya, Nanggroe Aceh Darussalam.
Di bawah bimbingan Ir. Sri Endah Agustina, M. S. 2012
RINGKASAN
Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) batu bara merupakan jenis pembangkit terbesar yang dikembangkan oleh pemerintah Indonesia untuk mengatasi kekurangan pasokan listrik dan untuk mengurangi ketergantungan BBM pada PLTD ( Diesel). Jika dilihat dari bahan baku yang digunakan untuk menghasilkan uap, maka PLTU bisa dikatakan pembangkit yang berbahan baku air, karena untuk menghasilkan uap yang digunakan untuk memutar turbin, tentu diperlukan air.
Batubara yang dibakar di sub sistem boiler menghasilkan panas yang digunakan untuk mengubah air dalam pipa yang dilewatkan ke boiler tersebut menjadi uap, yang selanjutnya digunakan untuk menggerakkan turbin dan memutar generator. Kinerja pembangkitan listrik pada PLTU sangat ditentukan oleh efisiensi proses pembakaran batubara tersebut, karena selain berpengaruh pada efisiensi pembangkitan, juga mempengaruhi biaya pembangkitan.
Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui efisiensi energi pada sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) di PT. Energi Alamraya Semesta dan menganalisa faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja masing-masing unit (komponen) pada sistem PLTU tersebut.
Analisa efisiensi pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Energi Alam Raya Semesta dengan bahan bakar batubara ini dibatasi hanya pada peralatan utama seperti boiler, turbin dan generator . Peralatan pendukung tidak dihitung karena menurut pengamatan di lapangan, peralatan pendukung tidak terlalu mempengaruhi nilai efisiensi suatu sistem PLTU. Sehingga, sub sistem yang dihitung dalam penelitian ini adalah sistem pembakaran pada boiler yang dilengkapi dengan tungku bahan bakar tipe travelling grate, serta turbin tipe extraction-condensing, dan generator.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) PT. Energi Alamraya Semesta merupakan pembangkit dengan kapasitas 15 MW, tetapi dikarenakan alasan umur ekonomis mesin, daya aktual yang dibangkitkan maksimal hanya 10 MW dengan menggunakan 12-13 ton batubara (KA 43%), tetapi berdasarkan teoritis, daya sampai 10 MW hanya membutuhkan 11.19 ton batubara per jam.
sistem atau komponen utama PLTU ini adalah boiler tipe traveling grate, turbin 3 tingkat (high pressure, intermediate pressure dan low pressure), dan generator. Bentuk energi yang digunakan pada proses produksi listrik adalah energi uap yang bersumber dari energi bahan bakar berupa batubara jenis bituminus dengan nilai GCV 3575 cal/g, energi panas hasil ekstraksi turbin, dan energi air umpan ketel (boiler). Pengoperasian boiler ini pada beban 10 MW membutuhkan steam 53 ton / jam dengan pressure 53.7 bar dan temperature 445OC.
Rata-rata efisiensi kerja turbin uap selama bulan April 2012 adalah 79.58 %, untuk efisiensi kontruksi boiler adalah 84% yang mendekati efisiensi spesifikasi 86%, sedangkan untuk tungku atau ruang bakar dengan output steam dan panas ekstraksi diperoleh efisiensi sebesar 75% dan untuk efisiensi generator diperoleh sebesar 86 %.
Secara keseluruhan diperoleh efisiensi total pemanfaatan energi (steam) untuk PLTU Energi Alamraya Semesta adalah 18%. Hal ini terjadi karena energi (steam) yang dihasilkan hanya digunakan untuk memproduksi listrik saja, karena tidak ada industri yang memanfaatkan steam sehingga steam terkondensasikan kembali menjadi air.
ANALISIS EFISIENSI ENERGI PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
UAP (PLTU) PT. ENERGI ALAMRAYA SEMESTA DI
KABUPATEN NAGAN RAYA NANGGROE ACEH DARUSSALAM
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh :
NURMALITA
F14080108
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
Judul Skripsi : Analisis Efisiensi Energi Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) PT. Energi Alamraya Semesta di Kabupaten Nagan Raya, Nanggroe Aceh Darussalam Nama : Nurmalita
NIM : F14080108
Menyetujui,
Dosen Pembimbing Akademik
Ir. Sri Endah Agustina, M. S
NIP.
19621130
198703
1
003
Mengetahui,
Ketua Departemen Teknik Mesin dan Bosistem
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
NIP.
19661201
199103
1
004
Tanggal Lulus :
PERNYATAAN
MENGENAI
SKRIPSI
DAN
SUMBER
INFORMASI
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Analisis Efisiensi Energi Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) PT. Energi Alamraya Semesta di Kabupaten Nagan Raya, Nanggroe Aceh Darussalam adalah hasil karya saya dengan arahan dosen pembimbing akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apa pun pada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Bogor, Juli 2012
Yang membuat pernyataan
Nurmalita
© Hak cipta milik Nurmalita, tahun 2012 Hak cipta dilindungi
Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apa pun,
baik cetak, fotokopi, microfilm, dan sebagainya
BIODATA
PENULIS
Nurmalita dilahirkan di Meulaboh pada tanggal 6 Januari 1991, dari pasangan Muchtar dan Misma. Pendidikan formal yang pernah ditempuh adalah TK Pertiwi (1994-1996), SD Negeri 14 Meulaboh (1996-2002), MTs Negeri 1 Meulaboh (2002-2005), SMA Negeri 1 Meulaboh (2005-2008). Kemudian pada tahun 2008, penulis diterima sebagai mahasiswa Institut Pertanian Bogor (IPB) di Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor melalui jalur Beasiswa Utusan Daerah (BUD).
Pada tahun 2011, penulis melaksanakan kegiatan praktek lapangan di GIZ (Deutsche Gesellschaft fur Internationale Zusammenarbeit) FORCLIME dengan judul “Aspek Keteknikan Pertanian Pada Penerapan Teknologi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro di Dusun Sadap, Kalimantan Barat”. Penelitian dengan judul “Analisis
Efisiensi Energi Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) PT. Energi Alamraya Semesta di
Kabupaten Nagan Raya, Nanggroe Aceh Darussalam” telah dilakukan penulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana.
KATA
PENGANTAR
Dengan mengucapkan puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyusun skripsi yang berjudul “Analisis Efisiensi Energi Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Energi Alam Raya Semesta”. Skripsi ini dibuat berdasarkan diskusi dan konsultasi dengan dosen pembimbing dan tinjauan pustaka baik dari perpustakaan maupun website.
Penyusunan skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak yang secara langsung maupun tidak langsung membantu, mengarahkan, dan membimbing. Terimakasih penulis ucapkan kepada:
1.
Ir. Sri Endah Agustina, M.S, sebagai dosen pembimbing akademik yang telah memberikan bimbingan dan arahan dalam penyusunan skripsi ini.
2.
Kedua orang tua dan adik-adik tersayang (Ary, Mutia, Didi, Farhan dan Vicky) serta seluruh keluarga besar yang selalu memberikan dukungan, semangat, bantuan dan doa.
3.
Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, M.Si dan Ir. Susilo Sarwono sebagai dosen penguji yang telah memberikan masukan dalam perbaikan skripsi ini.
4.
Bpk Tri Purnomo, bpk Siregar, bpk Triono, dan seluruh karyawan PT. Energi Alamraya Semesta yang telah banyak memberikan bantuan selama melakukan penelitian ini.
5.
Bpk Zulfata Zakaria dan bpk Tutut Kurniadi dari PT. Sewatama yang telah memberikan banyak bimbingan dan saran untuk penelitian ini.
6.
Keluarga besar Pondok Nuansa Sakinah II (Aul, icut, nanda, azizah, dina, ayi, eya, dewi, nunu, jejes, fitjaw, dora, babeh dan teteh ) yang telah menjadi keluarga penulis selama menjalani perkuliahan di IPB.
7.
Seorang sahabat yang telah banyak memberikan bantuan dan dukungan selama masa perkuliahan sampai penulisan skripsi ini.
8.
Teman- teman sebimbingan (Ninggar, Ranto dan Nuha).
9.
Teman-teman di Departemen Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 45 (Magenta) atas semangat, dukungan, dan kebersamaannya.
10. Seseorang yang telah menjadi semangat dan inspirasi.
Penulis menyadari akan keterbatasan kemampuan dalam penulisan dan penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun sehingga bermanfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya.
Bogor, Juli 2012
Nurmalita
DAFTAR
ISI
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR LAMPIRAN... xv
DAFTAR ISTILAH... xvi
I. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Tujuan ... 3
1.3 Manfaat Penelitian ... 3
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1. Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)... 4
2.2. PLTU Batubara... 5
2.3 Bagian –Bagian Utama PLTU Batubra ... 8
2.3.1 Tungku... 8
2.3.2 Boiler ... 9
2.3.3 Turbin ... 18
2.3.4 Generator ... 25
2.3.5 Condenser atau kondensator... 26
III. METODOLOGI PENELITIAN... 27
3.1 Waktu dan tempat ... 27
3.2 Bahan dan alat ... 27
3.3 Batasan sistem ... 27
3.3.1 Sistem pembakaran pada Boiler yang dilengkapi dengan tungku bahan bakar... 27
3.3.2 Turbin dan generator... 27
3.4 Parameter pengukuran... 28
3.4.1 Sub Sistem tungku pembakaran dan boiler ... 28
3.4.2 Sub Sistem turbin uap ... 28
3.4.3 Sub sistem generator ... 28
3.5 Metode pengambilan data... 28
3.5.1 Tahap pendahuluan... 28
3.5.2 Pemeriksaan menyeluruh ... 28
3.6 Pengolahan data dan analisis ... 29
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 33
4.1 Tungku pembakaran dan boiler... 36
4.2 Turbin... 40
4.3 Generator... 42
4.4 Condenser... 44
4.5 Peralatan Penunjang... 45
V. KESIMPULAN DAN SARAN... 47
DAFTAR PUSTAKA ... 49
LAMPIRAN... 51
DAFTAR
TABEL
Tabel 1. Neraca energi pada sub sistem pembakaran (boiler)... 38 Tabel 2. Neraca energi pada sub sistem turbin BBC-BD2EEQ2e38... 41 Tabel 3. Neraca energi pada sub sistem generator BBC TDG 155/185/72-5 ... 43
DAFTAR
GAMBAR
Gambar 1. Rencana tambahan kapasitas listrik Indonesia dalam rentang waktu 2010-2030... 1
Gambar 2. Siklus PLTU... 4
Gambar 3. Sistem PLTU batubara ... 6
Gambar 4. Sistem PLTU dan komponen-komponen PLTU batubara ... 7
Gambar 5. Tipikal tungku berdasarkan metode pembakaran... 9
Gambar 6. Fire tube boiler... 10
Gambar 7. Water tube boiler... 11
Gambar 8. Paket boiler... 12
Gambar 9. Circulating fluidized bed boiler... 13
Gambar 10. Stoker fired boiler ... 13
Gambar 11. Pulverized fuel boiler... 14
Gambar 12. Boiler limbah panas ... 14
Gambar 13. Diagram neraca energi boiler... 15
Gambar 14. Turbine cassing... 18
Gambar 15. Rotor turbin ... 19
Gambar 16. Bearing turbin... 19
Gambar 17. Gland packing turbin ... 20
Gambar 18. Ring turbin... 20
Gambar 19. Impuls... 20
Gambar 20. Stationary blade... 21
Gambar 22. Reducing gear... 21
Gambar 23. Neraca entalpi turbin uap ... 22
Gambar 24. Mollier diagram for water – steam ... 23
Gambar 25. Blade turbin ... 24
Gambar 26 . Bagan turbin impuls dan turbin reaksi... 24
Gambar 27. Diagram turbin kondensasi... 25
Gambar 28. Turbin tekanan lawan... 25
Gambar 29. Siklus Rankine pada PLTU Energi Alamraya Semesta ... 33
Gambar 30. Dearator di PLTU PT. Energi Alamraya Semesta... 34
Gambar 31. PLTU Energi Alamraya Semesta ... 34
Gambar 32. Sistem boiler di PLTU Energi Alamraya Semesta ... 35
Gambar 33. Sistem turbin pada PLTU Energi Alamraya Semesta ... 35
Gambar 34. Boiler di PLTU PT. Energi Alamraya Semesta ... 36
Gambar 35. Boiler dengan ruang bakar tipe travelling grate ... 37
Gambar 36. Grafik energi input dan output pada sub sistem pembakaran (boiler) (KJ/jam)... 39
Gambar 37. Grafik efisiensi dengan hubungan pemakaian batubara dan beban yang dihasilkan ... 39
Gambar 38. Turbin uap di PLTU PT. Energi Alamraya Semesta ... 44
Gambar 39. Grafik energi input dan output pada sub sistem turbin BBC-BD2EEQ2e38 ... 44
Gambar 40. Generator PLTU di PT. Energi Alamraya Semesta... 43
Gambar 41. Hubungan antara daya input (MW) dengan daya listrik (MW) yang dihasilkan... 44
Gambar 42. Sistem kondensasi PLTU di PT. Energi Alamraya Semesta... 43
DAFTAR
LAMPIRAN
Lampiran 1. Contoh perhitungan efisiensi ketel uap (boiler) ... 52
Lampiran 2. Contoh perhitungan efisiensi siklus uap dan turbin ... 55
Lampiran 3. Contoh perhitungan efisiensi generator ... 56
Lampiran 4. Menghitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan... 57
Lampiran 5. Menghitung jumlah udara pembakaran ... 58
Lampiran 6. Data sheet proses (7-20 April 2012)... 59
DAFTAR
ISTILAH
Bituminus Fase batubara muda, setelah lignit
Boiler feed pump (BFP) Pompa yang berfungsi untuk pengisian air ke economizer Black out Keadaan saat daya listrik dalam keadaan mati total
Blade Sudu turbin
Condensing Keadaan perubahan wujud uap menjadi air Cooling tower Tempat persediaan air untuk pendingin
Coal feeder Alat untuk mendistribusikan batubara ke ruang bakar
Coal handling Penanga nan awal batubara sebelum menjadi bahan bakar boiler Demin Proses untuk membebaskan air dari unsur-unsur yang dapat
merusak peralatan
Daerator Peralatan / komponen yang digunakan untuk menaikkan temperatur air dan menghilangkan gelembung-gelembung yang terdapat dalam air
Economizer Peralatan yang digunakan untuk pemanasan awal air umpan boiler Feed water tank Tangki penyimpanan air yang akan di sirkulasikan ke sistem Flue gas Aliran udara panas hasil pembakaran yang dimanfaatkan kembali
untuk economizer
Furnace Ruang bakar (tungku) boiler
Gross calorific value (GCV) Nilai kalor bahan bakar yang didapatkan dari hasil analisis proximate
HP turbine High pressure turbine yaitu turbin yang menggunakan uap dengan tekanan tinggi
IP turbine Intermediate pressure turbine yaitu turbin yang menggunakan uap dengan temperature sedang.
LP turbine Low pressure turbine yaitu turbin yang menggunakan uap dengan temperatur rendah
Lignit Pembentukan awal batubara, setelah melewati fase gambut
Load Beban generator
Low heating value (LHV) Nilai panas bahan bakar dengan memperhitungkan uap air sebagai hasil dari pembakaran
Shut down Kegiatan memutuskan operasional suatu peralatan/sistem Start up Kegiatan penyalaan/pembangkitan awal sistem
Steam Uap yang dihasilkan dari air yang dipanaskan di dalam boiler Steam coal Batubara yang umumnya digunakan untuk pembakaran pada
boiler
Superheater Komponen yang berfungsi untuk mengubah uap basah menjadi uap kering yang digunakan untuk memutar turbin
Traveling grate Rantai pada dasar tungku ruang bakar
Volatile matter Bahan yang mudah menguap yang terkandung dalam bahan bakar
I.
PENDAHULUAN
1.1
Latar
Belakang
Menurut Outlook Energi Nasional 2011 (Standar Operasi Pusat Listrik Tenaga Uap Bagian Dua, Perusahaan Umum Listrik Negara), pada kurun waktu 2000-2009 konsumsi energi Indonesia meningkat dari 709.1 juta SBM (Setara Barel Minyak/BOE) ke 865.4 juta SBM atau meningkat rata- rata sebesar 2.2% pertahun. Konsumsi energi ini sampai akhir tahun 2011, terbesar masih diikuti oleh sektor industri, lalu diikuti oleh sektor rumah tangga dan sektor transportasi. Dari sektor ketenagalistrikan, saat ini pembangkit listrik di Indonesia masih di dominasi oleh penggunaan bahan bakar fosil, khususnya batubara.
Saat ini, selain meningkatkan rasio elektrifikasi Indonesia, pengurangan pemakaian BBM untuk pembangkitan listrik juga menjadi tujuan utama pemerintah. Oleh karena itu pemerintah berusaha mengurangi pemakaian BBM dengan cara mempercepat pembangunan PLTU batubara dan gas bumi.
Menurut Rencana Umum Ketenagalistrikan Nasional (RUKN) 2010-2030, dalam kurun waktu 20 tahun kedepan Indonesia memerlukan tambahan tenaga listrik kumulatif sebesar 172 GW. Tambahan kapasitas PLTU batubara mencapai sekitar 79%.
Gambar 1. Rencana tambahan kapasitas listrik Indonesia dalam rentang waktu 2010-2030 (sumber : Departemen Energi dan Sumberdaya Mineral, 2012)
Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) batu bara merupakan jenis pembangkit terbesar yang dikembangkan oleh pemerintah Indonesia untuk mengatasi kekurangan pasokan listrik dan untuk mengurangi ketergantungan BBM pada PLTD ( Diesel). Jika dilihat dari bahan baku yang digunakan untuk menghasilkan uap , maka PLTU bisa dikatakan pembangkit yang berbahan baku air, karena untuk menghasilkan uap yang digunakan untuk memutar turbin, tentu diperlukan air.
Dalam PLTU terdapat proses yang terus-menerus berlangsung dan berulang-ulang. Prosesnya adalah air menjadi uap, kembali menjadi air dan seterusnya. Proses inilah yang dimaksud dengan proses PLTU. Prinsip kerja PLTU adalah air yang dipanaskan di dalam boiler sehingga menghasilkan steam yang digunakan untuk memutar turbin, karena turbin dikopel satu poros dengan generator
sehingga perputaran rotor turbin menyebabkan berputarnya rotor generator sehingga menghasilkan listrik.
Energi panas yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar sehingga pada PLTU batubara, sumber energi primer nya untuk pengoperasian sistem PLTU adalah batubara, sedangkan sumber energi sekunder pada sistem pembangkit listrik tersebut adalah uap karena untuk memproduksi uap dibutuhkan sumber energi panas yang diperoleh dari pembakaran batubara.
PLTU yang pertama kali beroperasi di Indonesia yaitu pada tahun 1962 dengan kapasitas 25 MW, suhu 500 derajat C, tekanan 65 Kg/cm2, boiler masih menggunakan pipa biasa dan pendingin generator dilakukan dengan udara. Kemajuan pada PLTU yang pertama adalah boiler sudah dilengkapi pipa dinding dan pendingin generator dilakukan dengan hidrogen, namun kapasitasnya masih 25 MW. Bila dayanya ditingkatkan dari 100 - 200 MW, maka boilernya harus dilengkapi superheater, ekonomizer dan tungku tekanan. Kemudian turbinnya bisa melakukan pemanasan ulang dan arus ganda dan pendingin generatornya masih menggunakan hidrogen. Hanya saja untuk kapasitas 200 MW uap dihasilkan mempunyai tekanan 131,5 Kg/cm2 dan suhu 540 derajat C dan bahan bakarnya masih menggunakan minyak bumi.
Banyaknya pemakaian batu bara tentunya akan menentukan besarnya biaya pembangunan PLTU. Harga batu bara itu sendiri ditentukan oleh nilai panasnya (Kcal/Kg), artinya bila nilai panas tetap maka harga akan turun 1 persen pertahun. Sedang nilai panas ditentukan oleh kandungan zat SOx yaitu suatu zat yang beracun, jadi pada pembangkit harus dilengkapi alat penghisap SOx. Hal inilah yang menyebabkan biaya PLTU Batu bara lebih tinggi sampai 20 persen dari pada PLTU minyak bumi. Bila batu bara yang digunakan rendah kandungan SOx-nya maka pembangkit tidak perlu dilengkapi oleh alat penghisap SOx dengan demikian harga PLTU batu bara bisa lebih murah. Keunggulan pembankit ini adalah bahan bakarnya lebih murah harganya dari minyak dan cadangannya tersedia dalam jumlah besar serta tersebar di seluruh Indonesia.
Air yang digunakan dalam siklus PLTU disebut dengan air demin (demineralized), yaitu air yang mempunyai kadar conductivity sebesar 0.2 us (mikro siemen). Sebagai perbandingan air mineral yang kita minum sehari-hari mempunyai kadar conductivity sekitar 100-200 us. Untuk mendapatkan air demin ini, setiap unit PLTU biasanya dilengkapi dengan desalination plant dan demineralization plant yang berfungsi untuk memproduksi yang air demin.
Secara sederhana siklus PLTU bia dilihat ketika proses memasak air. Mula-mula air ditampung dalam tempat memasak dan kemudian diberi panas dari sumbu api yang menyala dibawahnya. Akibat pembakaran menimbulkan air terus mengalami kenaikan suhu sampai pada batas titik didihnya. Karena pembakaran terus berlanjut sehingga mengakibatkan air mengalami kenaikan suhu sampai pada batas titik didihnya. Karena pembakaran terus berlanjut maka air yang dimasak melampaui titik didihnya sampai timbul uap panas. Uap inilah yang digunakan untuk memutar turbin dan generator yang akan digunakan untuk memutar turbin dan generator yang akan menghasilkan energi listrik.
Siklus PLTU merupakan 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 agar siklus tetap berjalan, maka untuk menutupi kekurangan air dalam siklus akibat kebocoran, hotwell selalu ditambah air sesuai kebutuhannya dari air yang berasal dari demineralized tank. Berdasarkan hal diatas, maka dilakukan suatu penelitian yaitu analisis efisiensi energi pada Pembangkit Listrik tenaga Uap (PLTU) untuk mengetahui efisiensi pemakaian bahan baku yang berupa air dan batubara.
1.2
Tujuan
1. Penelitian ini bertujuan mengetahui efisiensi energi pada sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) di PT. Energi Alam Raya Semesta.
2. Menganalisa faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja masing-masing unit (komponen) pada sistem PLTU tersebut.
1.3
Manfaat
Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang kinerja sistem PLTU Energi Alam Raya Semesta dan faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi sistem konversi energi pada PLTU tersebut, sehingga perbaikan-perbaikan sistem yang dibutuhkan dapat segera dilakukan.
II.
TINJAUAN
PUSTAKA
2.1.
Pembangkit
Listrik
Tenaga
Uap
(PLTU)
Secara umum, pengertian pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit listrik yang mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Uap merupakan sumber energi sekunder di dalam sistem PLTU, sedangkan bahan bakar yang digunakan untuk memproduksi uap tersebut merupakan sumber energi primer. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap panas/kering. Bahan bakar yang umum digunakan pada PLTU adalah bahan bakar padat dan bahan bakar cair. Yang termasuk ke dalam kategori bahan bakar padat adalah bagas, batubara, lignit, sekam padi, kayu. Sedangkan yang termasuk kedalam kategori bahan bakar cair adalah minyak bakar.
Sebuah pembangkit listrik dengan bahan bakar batubara jika dilihat dari bahan baku untuk memproduksinya maka pembangkit listrik tenaga uap bisa dikatakan pembangkit yang berbahan baku air, karena untuk menghasilkan uap dalam jumlah tertentu diperlukan bahan dasar air. Dalam PLTU terdapat proses yang terus menerus berlangsung dan berulang-ulang. Prosesnya antara air menjadi uap kemudian uap kembali menjadi air dan seterusnya. Proses inilah yang disebut siklus uap pada sistem PLTU.
Menurut Adhi Hartono (2011), secara umum siklus uap yang digunakan pada PLTU adalah sebagai berikut :
Gambar 2. Siklus PLTU (sumber : cara kerja PLTU „INDOBANGUN PROJECT html)
1.
Pertama-tama air demin berada dalam sebuah tempat bernama hotwell. Air Demin (demineralized) adalah air yang mempunyai konduktivitas (kemampuan untuk menghantarkan listrik) sebesar 0.2 us (mikro siemen). Sebagai perbandingannnya air mineral yang kita minum sehari-hari mempunyai konduktivitas sekitar 100-200 us. Untuk mendapatkan air demin ini, setiap unit PLTU biasanya dilengkapi dengan desalination plant dan demineralization plant yang berfungsi untuk memproduksi air demin. Dari hotwell, air mengalir menuju condensate pump untuk kemudian dipompakan menuju LP heater (low pressure heater) yang berfungsi untuk menghangatkan air pada tahap pertama. Lokasi hotwell dan condensate pump terletak dilantai paling dasar dari sebuah pembangkit listrik atau biasa disebut dengan ground floor. selanjutnya air akan masuk ke daerator.
memiliki fungsi untuk menghilangkan gelembung yang biasa terdapat dipermukaan air. Agar proses pelepasan ini berlangsung sempurna, suhu air harus memenuhi suhu yang disyaratkan. Oleh karena itu selama perjalanan menuju daerator air mengalami beberapa proses pemanasan oleh peralatan yang disebut dengan LP heater. Letak daerator berada di lantai atas tetapi bukan yang paling atas yaitu sekitar 4 m dari bagian dasar kontruksi boiler.
3.
Dari daerator, air turun kembali ke ground floor. Sesampainya di ground floor, air langsung dipompakan oleh boiler feed pump / BFP (Pompa Air Pengisi) menuju boiler. Air yang dipompakan adalah air yang bertekanan tinggi, karena itu syarat agar uap yang dihasilkan juga bertekanan tinggi. Karena itulah kontruksi PLTU membuat daerator berada di lantai atas dan BFP berada di lantai dasar. Karena dengan meluncurnya air dari ketinggian membuat air menjadi bertekanan tinggi.
4.
Sebelum masuk ke boiler, air kembali mengalami beberapa proses pemanasan di HP heater (High Pressure Heater). Setelah itu air masuk ke boiler yang letaknya berada di lantai atas. Di dalam boiler inilah terjadi proses memanaskan air untuk menghasilkan uap. Proses ini memerlukan energi panas yang pada umumnya diperoleh dari pembakaran bahan bakar.
5.
Bahan bakar PLTU bermacam-macam. Ada yang menggunakan minyak, minyak dan gas atau istilahnya dual firing dan batubara.
6.
Udara untuk pembakaran bahan bakar dipasok oleh force draft fan (FD fan). FD Fan mengambil udara luar untuk membantu proses pembakaran di boiler. Dalam perjalanannya menuju ke boiler, udara tersebut dinaikkan suhunya oleh air heater (pemanas udara).
7.
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 tinggi (uap basah). Kadar air ini berbahaya bagi turbin, karena dengan putaran hingga 3000 rpm, setitik air sanggup untuk membuat sudu-sudu turbin terkikis.
8.
Oleh karena itu uap basah dikeringkan kadar air nya sehingga menjadi uap yang benar- benar kering dan dapat digunakan untuk menggerakkan turbin dan kemudian memutar generator yang terhubung satu poros dengan turbin.
2.2.
PLTU
Batubara
Pada PLTU batubara, bahan bakar yang digunakan adalah steam coal yang terdiri dari kelas sub bituminus dan bituminus. Pembakaran batu bara ini akan menghasilkan uap dan gas buang yang panas. Gas buang itu berfungsi juga untuk memanaskan pipa boiler yang berada di atas lapisan mengambang. Gas buang selanjutnya dialiri ke pembersih yang di dalamnya terdapat alat pengendap abu setelah gas itu bersih lalu dibuang ke udara melalui cerobong.
Batubara yang dibakar di sub sistem boiler menghasilkan panas yang digunakan untuk mengubah air dalam pipa yang dilewatkan ke boiler tersebut menjadi uap, yang selanjutnya digunakan untuk menggerakkan turbin dan memutar generator. Kinerja pembangkitan listrik pada PLTU sangat ditentukan oleh efisiensi proses pembakaran batubara tersebut, karena selain berpengaruh pada efisiensi pembangkitan, juga mempengaruhi biaya pembangkitan.
Terdapat 2 metode untuk menganalisi batubara yaitu analisis ultimate dan analisis proximate. Analisis ultimate menganalisis seluruh komponen batubara, termasuk komponen padat dan gas, sedangkan analisis proximate hanya menganalisis fixed carbon, bahan yang mudah menguap, kadar air dan persen abu.
Steam coal yang termasuk dalam kelompok batubara bituminus merupakan batubara yang skala penggunaannnya paling luas. Berdasarkan metodenya pemanfaatan batubara uap terdiri dari pemanfaatan secara langsung yaitu batubara yang telah memenuhi spesifikasi tertentu langsung digunakan setelah melalui proses peremukan (crushing/milling) terlebih dahulu seperti pada PLTU batubara, kemudian pemanfaatan dengan memproses terlebih dahulu untuk memudahkan penanganan (handling) seperti CWM (Coal Water Slurry), COM (Coal Oil Mixture), dan CCS (Coal Cartridge System), dan selanjutnya permintaan melalui prosses konversi seperti gasifikasi dan pencairan batubara.
Gas yang dihasilkan proses gasifikasi batubara, dapat pula dipakai sebagai bahan bakar untuk sebuah pembangkit listrik tenaga uap. Umumnya hal ini dapat dipertimbangkan untuk gas yang mempunyai nilaikalori yang terendah. Gas yang dengan kalori yang tinggi dapat dipakaidengan lebih baik untuk keperluan industri lainnya. (Abdul Kadir, 1995).
Di industri, batubara di handling secara manual maupun dengan conveyor. Pada saat handling diusahakan supaya sesedikit mungkin batubara yang hancur membentuk partikel kecil dan sesedikit mungkin partikel keci yang tercecer. Persiapan batubara sebelum pengumpanan ke boiler merupakan tahap penting untuk mendapatkan pembakaran yang baik. Bongkahan batubara yang besar dan tidak beraturan dapat menyebabkan permasalahan yaitu kondisi pembakaran yang buruk dan suhu tungku yang tidak mencukupi, udara berlebih yang terlalu banyakmengakibatkan kerugian cerobong yang tinggi, dan rendahnya efisiensi pembakaran.
Keunggulan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dengan bahan bakar batubara adalah harga bahan bakarnya lebih murah dibandingkan dengan minyak dan cadangannya tersedia dalam jumlah besar serta tersebar di seluruh Indonesia.
Gambar 3. Sistem PLTU batubara (sumber : coal fired power station course, Sewatama 2011)
Siklus uap pada sistem PLTU dengan bahan bakar batubara dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 4. Sistem PLTU dan komponen-komponen PLTU batubara (sumber : http://www.engineeringtoolbox.com (Senin, 2 April 2012)
2.3
Bagian
–Bagian
Utama
PLTU
Batubra
Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) terdiri dari beberapa sistem utama yaitu boiler yang dilengkapi dengan tungku pembakaran, turbin dan generator. Selain dari sistem utama PLTU juga dilengkapi dengan beberapa sistem pendukung atau penunjang yaitu water treatment, feedwater tank, daerator, air preheater,secondary fan, primary fan, induced draft fan, economizer, super heater, desuperheater, kondensor, cooling tower, electro static precipitator dan chimney.
2.3.1 Tungku
Sebelum batubara dibakar, batubara dihaluskan hingga menjadi serbuk. Serbuk batubara tersebut kemudian dicampur dengan udara panas. Campuran batubara dan udara menghasilkan pembakaran sempurna dan panas yang maksimal.
Besarnya efisiensi termal tergantung beban, makin tinggi beban maka makin besar efisiensinya. Efisiensi termal unit ( adalah persentase keluaran energi terhadap masukan kalor. (Saadat, 1991)
Sistem pembakaran batubara bersih
Adapun prinsip kerja PLTU itu adalah batubara yang akan digunakan / dipakai dibakar di dalam boiler secara bertingkat. Hal ini dimaksudkan untuk memperoleh laju pembakaran yang rendah dan tanpa mengurangi suhu yang diperlukan sehingga diperoleh pembentukan NOx yang rendah. Batu bara sebelum dibakar digiling hingga menyerupai butir-butir beras, kemudian dimasukkan ke wadah (boiler) dengan cara disemprot, di mana dasar wadah itu berbentuk rangka panggangan yang berlubang. Pembakaran bisa terjadi dengan bantuan udara dari dasar yang ditiupkan ke atas dan kecepatan tiup udara diatur sedemikian rupa, akibatnya butir bata bara agak terangkat sedikit tanpa terbawa sehingga terbentuklah lapisan butir-butir batu bara yang mengambang. Selain mengambang butir batu bara itu juga bergerak berarti hal ini menandakan terjadinya sirkulasi udara yang akan memberikan efek yang baik sehingga butir itu habis terbakar. Karena butir batu bara relatif mempunyai ukuran yang sama dan dengan jarak yang berdekatan akibatnya lapisan mengambang itu menjadi penghantar panas yang baik. Karena proses pembakaran suhunya rendah sehingga NOx yang dihasilkan kadarnya menjadi rendah, dengan demikian sistim pembakaran ini bisa mengurangi polutan. Bila ke dalam tungku boiler dimasukkan kapur (Ca) dan dari dasar tungku yang bersuhu 750 - 950 ¼C dimasukkan udara akibatnya terbentuk lapisan mengambang yang membakar. Pada lapisan itu terjadi reaksi kimia yang menyebabkan sulfur terikat dengan kapur sehingga dihasilkan CaSO4 yang berupa debu sehingga mudah jatuh bersama abu sisa pembakaran. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya pengurangan emisi sampai 98 persen dan abu CaSO4-nya bisa dimanfaatkan. Keuntungan sistim pembakaran ini adalah bisa menggunakan batu bara bermutu rendah dengan kadar belerang yang tinggi dan batu bara seperti ini banyak terdapat di Indonesia.
Pada dasarnya metode pembakaran pada PLTU terbagi 2, yaitu pembakaran lapisan tetap (fixed bed combustion) dan pembakaran batubara serbuk (pulverized coal combustion /PCC). Gambar 3 di bawah ini menampilkan jenis – jenis boiler yang digunakan untuk masing – masing metode pembakaran.
Gambar 5. Tipikal tungku berdasarkan metode pembakaran (Sumber: Idemitsu Kosan, 1999)
Pembakaran Lapisan Tetap
Metode lapisan tetap menggunakan stoker boiler untuk proses pembakarannya. Sebagai bahan bakarnya adalah batubara dengan kadar abu yang tidak terlalu rendah dan berukuran maksimum sekitar 30mm. Selain itu, karena adanya pembatasan sebaran ukuran butiran batubara yang digunakan, maka perlu dilakukan pengurangan jumlah fine coal yang ikut tercampur ke dalam batubara tersebut. Alasan tidak digunakannya batubara dengan kadar abu yang terlalu rendah adalah karena pada metode pembakaran ini, batubara dibakar di atas lapisan abu tebal yang terbentuk di atas kisi api (traveling fire grate) pada stoker boiler. Bila kadar abunya sangat sedikit, lapisan abu tidak akan terbentuk di atas kisi tersebut sehingga pembakaran akan langsung terjadi pada kisi, yang dapat menyebabkan kerusakan yang parah pada bagian tersebut. Oleh karena itu, kadar abu batubara yang disukai untuk tipe boiler ini adalah sekitar 10 – 15%. Adapun tebal minimum lapisan abu yang diperlukan untuk pembakaran adalah 5cm. Jadi, abu tersebut berfungsi sebagai lapisan (bed) agar pembakaran tidak merusak kisi (bagian dalam tungku).
Pembakaran Batubara Serbuk (Pulverized Coal Combustion/PCC)
Saat ini, kebanyakan PLTU terutama yang berkapasitas besar masih menggunakan metode PCC pada pembakaran bahan bakarnya. Hal ini karena sistem PCC merupakan teknologi yang sudah terbukti dan memiliki tingkat kehandalan yang tinggi. Upaya perbaikan kinerja PLTU ini terutama dilakukan dengan meningkatkan suhu dan tekanan dari uap yang dihasilkan selama proses pembakaran. Perkembangannya dimulai dari sub critical steam, kemudian super critical steam, serta ultra super critical steam (USC). Sebagai contoh PLTU yang menggunakan teknologi USC adalah pembangkit no. 1 dan 2 milik J-Power di teluk Tachibana, Jepang, yang boilernya masing – masing berkapasitas 1050 MW buatan Babcock Hitachi. Tekanan uap yang dihasilkan adalah sebesar 25 MPa (254.93 kgf/cm2) dan suhunya mencapai 600 0C/610 0C (1 stage reheat cycle).
2.3.2 Boiler
digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam , volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dengan baik. Air yang telah dimurnikan dipompa melalui pipa ke dalam boiler, kemudian diubah menjadi uap oleh panas yang dihasilkan dari pembakaran batubara. Pada temperatur hingga 1000 derajat fahrenheit dan dibawah tekanan sampai dengan 3500 pon per inci persegi, uap disalurkan ke turbin.
Sisitem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam,dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem perpipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan.peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.
Air yang disuplai ke boiler untuk diubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah :
1. Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan
2. Air make up (air baku yang sudah diolah) yang sudah diumpankan dari luar ruang boiler dan plant process.
Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.
Tipe-tipe boiler
Boiler terdiri dari bermacam-macam tipe yaitu :
1. Fire Tube Boiler
Pada fire tube boiler , gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada di dalam shell untuk diubah menjadi steam. fire tube boiler biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Fire tube boiler kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 Kg/jam dengan tekanan sampai 18 Kg/cm2. Fire tube boiler dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas tau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar
fire tube boiler dikontruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.
2. Water Tube Boiler
Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk ke dalam drum. Air yang tersikulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500-12.000 Kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boiler yang dikontruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak dan gas. Untuk water tube boiler yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket.
Gambar 7. Water tube boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006)
3. Paket Boiler
Disebut boiler paket karena sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirimkan ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi.
Gambar 8. Paket boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006)
4. Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed Combustion (FBC)
Pembakaran dengan fluidized bed Combustion (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan melebihi kelebihan yang cukup berarti dibanding sistem pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan antara lain rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, sekam padi, bagas dan limbah pertanian. Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas yang luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam.
5. Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler
Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah Atsmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler konvensional biasa yang ditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistem seperti ini telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/boiler pipa air konvensional.
6. Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler
Pada tipe Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler, sebuah kompresor memasok udara Forced Draft (FD), dan pembakaranya merupakan tangki bertekanan. Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas.
7. Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC)
Dalam sistem sirkulasi, parameter bed dijaga untuk membentuk padatan melayang dari bed. Padatan diangkat pada fase yang relatif terlarut dalam pengangkatan padatan dan sebuah down-comer dalam sebuah siklon merupakan aliran sirkulasi padatan. Tidak terdapat pipa pembangkit steam yang terletak di dalam bed. Pembangkitan dan pemanasan berlebih steam berlangsung di bagian konveksi dan dinding air.
Gambar 9. Circulating fluidized bed boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006)
8. Stoker Fired Boilers
Stokers di klasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis grate nya. Klasifikasi utamanya adalah spreader stoker dan chain –gate atau traveling-gate stoker.
Gambar 10. Stoker fired boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006)
9. Pulverized Fuel Boiler
Sistem ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi. Salah satu sistem yang paling populer untuk pembakaran batubara halus adalah pembakaran tangensial dengan menggunakan empat buah burner dari keempat sudut untuk menciptakan bola api pada pusat tungku.
Gambar 11. Pulverized fuel boiler (sumber : United Nations Environment Programme, 2006)
10. Boiler Limbah Panas
Dimanapun tersedia limbah panas pada suhu sedang atau tinggi, boiler limbah panas dapat dipasang secara ekonomis. Jika kebutuhan steam lebih dari steam yang dihasilkan menggunakan gas buang panas, dapat digunakan burner tambahan yang menggunakan bahan bakar. Jika steam tidak langsung dapat digunakan, steam dapat dipakai untuk memproduksi daya listrik menggunakan generator turbin uap. Hal ini banyak digunakan dalam pemanfaatan kembali panas dari gas buang dari turbin gas dan mesin diesel.
Gambar 12. Boiler limbah panas (sumber : United Nations Environment Programme, 2006)
Evaluasi kinerja boiler
permasalahan untuk tindakan perbaikan. Pengujian boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dan efisiensi terbaik. Di dalam pengujian boiler, hal yang harus diperhatikan yaitu :
Neraca panas
Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukkan jumlah energi yang terkandung dalam aliran masing-masing.
Gambar 13. Diagram neraca energi boiler
(sumber : pedoman efisiensi energi untuk industri di Asia, www.energyefficiencyasia.org)
Metode langsung dan tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler
1. Metode langsung dengan menghitung input (bahan bakar) dan output (steam)
Dikenal juga sebagai metode „input-output’ karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output steam dan panas masuk / input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus :
Efisiensi Boiler (n) = panas masuk/panas keluar x 100 Efisiensi boiler (n) = (Qx(hg-hf)) : (qx GCV) x100
Parameter yang digunakan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metoda langsung adalah : ‐ Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam Kg/jam
‐ Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam Kg/jam ‐ Tekanan kerja (dalam Kg/cm2(g)) dan suhu panas (oC), jika ada. ‐ Suhu air umpan (oC)
‐ Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam Kkal/Kg bahan bakar. Dimana :
‐ hg-Entalpi steam jenuh dalam Kkal/Kg steam ‐ hf-entalpi air umpan dalam Kkal/Kg air
‐ Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler ‐ Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan
‐ Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan
‐ Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark
2. Metode tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler
Standar acuan untuk uji boiler di tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units. Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut :
Efisiensi boiler (%) (n)=100-(i+ii+iii+iv+v+vi+vii)
Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh : i. Gas cerobong yang kering
ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar
iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran
v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/fly ash vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung
Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan. Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah :
1.
Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, s, c, kadar air, kadar abu) 2.
Persentase oksigen dan CO2 dalam gas buang
3.
Suhu gas buang dalam 0C (Tf)
4.
Suhu ambien dalam 0C (Ta) dan kelembaban udara dalam Kg/Kg udara kering 5.
GCV bahan bakar dalam Kkal/Kg
6.
Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat) 7.
GCV abu dalam Kkal/Kg (untuk bahan bakar padat)
Tahap 1. Menghitung kebutuhan udara teoritis
=[(11,43 x C)+{34,5 x (H2-02/8)}+(4,32 x S)]/100 Kg/Kg bahan bakar
Tahap.2 Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA)
=persen O2 x 100/(21-persen O2)
Tahap 3. Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok / Kg bahan bakar (AAS)
={1 + EA/100} x udara teoritis
Tahap 4. Menghitung seluruh kehilangan panas
i. Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oleh gas buang yang kering
Dimana : m = massa gas buang kering dalam Kg/Kg bahan bakar M = (massa hasil pembakaran kering / Kg bahan bakar) + (massa N2 dalam massa udara pasokan yang sebenarnya). Cp = Panas jenis gas buang (0.23 Kkal/Kg)
GCV = Gross Calorific Value (nilai kalor bahan bakar) (Kkal/kg)
ii. Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar
=[9 x H2 {584+Cp(Tf-Ta)} x 100] / GCV bahan bakar
Dimana : H2 = Persen H2 dalam 1 Kg bahan bakar
Cp = panas jenis superheated steam (0,45 Kkal/Kg)
iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar
=[M {584 + Cp (Tf-Ta)} x 100] / GCV bahan bakar
Dimana : M = persen kadar air dalam 1 Kg bahan bakar
Cp = panas jenis steam lewat jenuh / superheated steam (0.45 Kkal/Kg)
iv. Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara
= [AAS x faktor kelembaban x Cp (Tf-Ta) x 100] / GCV bahan bakar
Dimana : Cp = panas jenis steam lewat jenuh / superheated steam (0.45 Kkal/Kg)
v. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang / fly ash
= [Total abu terkumpul / Kg bahan bakar yang terbakar x GCV abu terbang x 100] / GCV bahan bakar
vi. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah / bottom ash
= [Total abu terkumpul per Kg bahan bakar terbakar x GCV abu bawah x 100] / GCV bahan bakar
vii. Persen kehilangan panas karena radiasi
Tahap 5. Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler
Efisiensi boiler (%) (n) = 100 – (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)
Rasio penguapan = panas yang digunakan untuk pembangkitan steam / panas yang ditambahkan ke steam.
Rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kg bahan bakar yang digunakan. Contohnya adalah boiler berbahan bakar batubara 6 (yaitu 1 Kg batubara dapat menghasilkan 6 Kg steam). Walau demikian, rasio penguapan akan tergantung pada jenis boiler, nilai kalor berbahan bakar dan efisiensi.
2.3.3 Turbin
Turbin adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda/poros turbin. Pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi, melainkan gerakan rotasi. Bagian turbin yang berputar biasa disebut dengan istilah rotor/roda/poros turbin, sedangkan bagian turbin yang tidak berputar dinamai dengan istilah stator. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang digerakkannya atau memutar bebannya yaitu generator. Di dalam turbin, fluida kerja mengalami ekspansi yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinu. Penamaan turbin didasarkan pada jenis fluida yang mengalir di dalamnya, apabila fluida kerjanya berupa uap maka turbin tersebut disebut dengan turbin uap.
Bagian – bagian utama sebuah turbin uap adalah :
1.
Cassing
Adalah sebagai penutup bagian-bagian utama turbin.
Gambar 14. Turbine cassing (sumber : http://www.engineeringtoolbox.com)
2. Rotor
Adalah bagian turbin yang berputar yang terdiri dari poros, sudu turbin atau deretan sudu. Untuk turbin bertekanan tinggi atau ukuran besar, khususnya unuk turbin jenis reaksi maka motor ini perlu di balance untuk mengimbagi gaya reaksi yang timbul secara aksial terhadap poros.
Gambar 15. Rotor turbin (sumber : http://www.engineeringtoolbox.com)
3.
Bearing pendestal
Adalah merupakan dudukan dari poros rotor.
4.
Journal bearing
Adalah bagian turbin yang berfungsi untuk menahan gaya radial atau gaya tegak lurus Rotor.
5.
Thurst bearing
adalah bagian turbin yang berfungsi untuk menahan atau untuk menerima gaya aksial atau gaya sejajar terhadap poros yang merupakan gerakan maju mundurnya poros rotor.
Gambar 16. Bearing turbin (sumber : http://www.engineeringtoolbox.com)
6. Main oil pump
Berfungsi untuk memompakan oli dari tangki untukdisalurkan pada bagian – bagian yang berputar pada turbin . Dimana fungsi dari lube oil adalah :
Sebagai Pelumas pada bagian – bagian yang berputar.
Sebagai Pendingin ( oil cooler ) yang telah panas dan masuk ke bagian turbin dan akan menekan / terdorong keluar secara sirkuler
Sebagai Pelapis ( oil film ) pada bagian turbin yang bergerak secara rotasi.
[image:35.612.257.424.401.545.2]7. Gland packing
Sebagai penyekat untuk menahan kebocoran baik kebocoran uap maupun kebocoran oli.
[image:36.612.254.424.149.257.2]
Gambar 17. Gland packing turbin (sumber : http://www.engineeringtoolbox.com)
8. Labirinth ring
Mempunyai fungsi yang sama dengan gland packing.
[image:36.612.269.419.352.503.2]
Gambar 18. Ring turbin (sumber : http://www.engineeringtoolbox.com) 9. Impuls stage
Adalah sudu turbin tingkat pertama yang mempunyai sudu sebanyak 116 buah.
Gambar 19. Impuls (sumber : http://www.engineeringtoolbox.com)
3. Stasionary blade
Adalah sudu-sudu yang berfingsi untuk menerima dan mengarahkan steam yang masuk.
[image:37.612.249.430.114.249.2]
Gambar 20. Stationary blade (sumber : http://www.engineeringtoolbox.com)
4. Moving blade
Adalah sejumlah sudu-sudu yang berfungsi menerima dan merubah energi steam menjadi energi kinetik yang akan memutar generator.
5. Control valve
Ada
