SISTEM TENAGA UAP
1.Jelaskan proses kerja dari sistem Tenaga Uap yang di kaitkan dengan Siklus Rankine
2.Lengkapi gambar skematis dan Siklus rankine yang di perlukan
3.Jelaskan fungsi dan prinsip kerja dari masing-masing kmponen
4.Jelaskan 2 alat bantu utama yang di gunakan pada sistem Tenaga Uap
Sistem Tenaga Uap yng menggunakan salah satu jenis boiler...
Menggunakan jenis Boiler Pipa Air (Water Tube). boiler merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan uap/steam untuk berbagai keperluan(Djokosetyardj M.J 1990). Jenis air dan uap air sangat dipengaruhi oleh tingkat efisiensi boiler itu sendiri. Pada mesin boiler, jenis air yang digunakan harus dilakukan demineralisasi terlebih dahulu untuk mensterilkan air yang digunakan, sehingga pengaplikasian untuk dijadikan uap air dapat dimaksimalkan dengan baik.
Sistem Tenaga Uap adalah pembangkit yang mengandalkan energi kinetik dari uap untek menghasilkan energi gerak(Andre Pradana 2016). Sedangkan untuk siklus Rankine adalah siklus thermodinamika yang mengubah panas menjadi kerja(Andre Pradana 2016).siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum di temukan pada pembangkit listrik.
PENGERTIAN CFB BOILER
• CIRCULATING
Terjadinya sirkulasi Batubara yang belum habis terbakar dari FURNACE ke CYCLONE kemudian masuk ke SEALPOT dan kembali ke FURNACE.
• FLUIDIZED
Penghembusan udara primer untuk menjaga material Bed dan batubara tetap melayang di dalam FURNACE.
• BED
Material berupa partikel-partikel kecil ( pasir kuarsa, bottom ash ) yang digunakan sebagai media awal transfer panas dari pembakaran HSD ke pembakaran batubara.
ALUR AIR
1. Air diambil dari Sungai melalui Water Intake. Di dalam water intake, air dilewatkan steel gate ( Normaly Open ) kemudian Bar Screen / Trash Machine dan terakhir Travelling Screen sebagai Filter terhadap ikan maupun sampah dengan diameter tertentu. Baru kemudian dipompakan ke ( Cooling Water ) CW Pipe melalui Circulating Water Pump.
2. Dari CW Pipe, air sungai yang mengalir terbagi menjadi 2 , sebagai supply air di DM Water dan Kondenser.
3. Dari DM Water air masuk ke Boiler ( Economizer ) melalui BFP ( Boiler Feed Pump ) . dan langsung dialirkan ke Steam Drum turun melalui Downcomerdan masuk ke Waterwall, Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar diserap oleh pipa-pipapenguap/Waterwall menjadi uap jenuh/, kemudian masuk ke Steam Drum, di dalam Steam Drum air dan uap dipisahkan.
5. Kemudian keluaran dari Superheater ini akan langsung masuk ke Turbine.
6. Sementara itu, uap bekas dikembalikan menjadi air di Condensor. Di dalam condenser, uap mengalami Heat Exchanger ( pertukaran panas ) dengan air sungai yang dipasok oleh C.W. (Circulating Water) Pump). Inilah yang membuat uap menjadi air dan kenaikan temperature air sungai keluaran Discharge Canal.
7. Air kondensasi akan digunakan kembali di Boiler. Air dipompakan dari Condensor dengan menggunakan Condensate Extraction Pump, dipanaskan lagi oleh L.P. (Low Pressure) Heater, dinaikkan ke Deaerator . Di dalam daerator tank, gelembung-gelembung oksigen yang membahayakan pipa-pipa Boiler ( korosi : red ) diserap.
8. Keluar dari Daerator, air kemudian dipompa olehBoiler Feed Pump melalui H.P. (High Pressure) Heater. Dari sinilah air yang sudah dinaikkan tekanannya masuk ke Economizer untuk diberi pemanasan awal.
Untuk kaitan prose kerja sistem Tenaga Uap dengan siklus Rankine adalah sebagai berikut;
Pada siklus tenaga uap Rankine, fluida yang umum digunakan adalah air, sedangkan fluida kerja lainnya adalah potassium, sodium, rubidium, ammonia dan senyawa karbon aromatik. Merkuri juga pernah digunakan sebagai fluida kerja siklus Rankine, hanya saja harganya sangat mahal dan berbahaya.
Proses 1-2 : Fluida kerja (misalnya air) dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Pada tahap ini fluida kerja berfase cair sehingga hanya membutuhkan energi yang relatif kecil untuk proses pemompaan.
Proses 3-4: Uap jenuh berekspansi pada turbin sehingga menghasilkan kerja berupa putaran turbin. Proses ini menyebabkan penurunan temperatur dan tekanan uap, sehingga pada suhu turbin tingkat akhir kondensasi titik air mulai terjadi.
Proses 4-1: Uap basah memasuki kondenser dan didinginkan sehingga semua uap berubah menjadi fase cair. Air dipompakan kembali (Proses 1-2)
Besarnya kerja yang dibutuhkan pompa, panas yang diberikan boiler, kerja yang dihasilkan turbin dan panas yang dibuang pada Kondenser dapat diperhitungkan dengan bantuan tabel Enthalpy-entropy air-uap air.
Contoh T-s diagram Siklus Rankine
Dari diagram di atas saya dapat membuat sebuah sekema hubungan preses kerja boiler dengan siklus rankine. Dimana dalam sistem kerja tersebut terjadi sistem tertutup sama dengan siklus rankine.
1. a – b : Air dipompa dari tekanan P2 menjadi P1. Langkah ini adalah langkah kompresi isentropis, dan proses initer jadi pada pompa air pengisi.
2. b – c : Air bertekanan ini dinaikkan temperaturnya hingga mencapai titik didih. Terjadi di LPheater, HP heater dan Economiser. .
3. c – d : Air berubah wujud menjadi uap jenuh. Langkah ini disebutvapourising (penguapan) dengan proses isobar isothermis, terjadi di boiler yaitu di wall tube (riser) dan steam drum.
5. e – f : Uap melakukan kerja sehingga tekanan dan temperaturnya turun. Langkah ini adalah langkah ekspansi isentropis, dan terjadi didalam turbin.
6. f – a : Pembuangan panas laten uap sehingga berubah menjadi air kondensat. Langkah ini adalah isobar isothermis, dan terjadi didalam kondensor.
Komponen Utama Sistem Tenaga Uap
Pompa
Pompa adalah suatu peralatan mekanik yang digerakkan oleh suatu sumber tenaga yang digunakkan untuk memindahkan cairan (fluida) dari suatu tempat ke tempat lain, dimana cairan tersebut hanya mengalir apabila terdapat perbedaan tekanan(Yohana 2016). Perbedaan nilai data pompa antara data spesifikasi pabrikan dengan data aktualnya akan berdampak terhadap kondisi pompa. Perhitungan efisiensi secara analitik dibutuhkan untuk menentukan seberapa besar nilai efisiensi suatu pompa. Berdasarkan data pabrikannya, circulating water pump mempunyai head pada pompa 18 m, debit 7,17 m3/s dan mempunyai efisiensi 87,3 %. Analisa dilakukan pada pembangkit listrik tenaga uap melalui perhitungan efisiensi circulating water pump berdasarkan head, daya hidrolis dan daya poros yang dihasilkan circulating water pump, Dengan mengolah data secara analitik didapatkan efisiensi pompa circulating water pump sebesar 85,25 %. Efisiensi circulating water pump mengalami penurunan dari efisiensi pabrikannya, yaitu menjadi 87,3 % .Perbedaan nilai efisiensi antara nilai pabrikan dengan hasil perhitungan secara aktual disebabkan karena perbedaan nilai head pada pompa, pada spesifikasi pabrikan mempunyai head 18 m, sedangkan setelah dilakukan perhitungan analitik didapatkan head sebesar 8,9075 m. Semakin kecil head pada sebuah pompa maka efisiensi yang dihasilkan akan semakin kecil, begitu juga sebaliknya. Dengan adanya penghitungan ini dapat dilakukan perawatan pada circulating water pump sehingga dapat menghasilkan kerja yang lebih optimal.
Boiler/ketel uap merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam berupa energi kerja. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air panas atau steam pada tekanan dan suhu tertentu mempunyai nilai energi yang kemudian digunakan untuk mengalirkan panas dalam bentuk energi kalor ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam, maka volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga sistem boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.
Sistem 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 dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan 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.
Turbin
Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin dihubungkan baik secara langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit listrik, dan untuk transportasi.
Perubahan pada beban mekanis ini menyebabkan perubahan langsung pada kerja yang dilakukan oleh poros turbin.Turbin dituntut harus mempunyai kemampuan untuk beroperasi dengan kestabilan yang cukup dalam jangka waktu yang luas dari keadaan tanpa beban hingga ke beban penuh. Karena adanya hubungan langsung antara daya yang dihasilkan turbin dengan aliran massa uap melalui turbin tersebut, maka setiap variasi beban pada terminal generator akan langsung mempengaruhi laju aliran uap, bertambah atau berkurang tergantung pada apakah beban tersebut bertambah besar atau mengecil.
Pada kondisi beban yang konstan ada hubungan yang tetap antara momen putar yang dibangkitkan oleh sudu-sudu gerak dengan jumlah uap yang mengalir melalui turbin. Jika beban berubah hubungan ini tidak dapat lagi dipenuhi karena momen putar yang dibangkitkan tidak lagi sesuai dengan beban yang dipikul, sehingga akan terjadi kenaikan atau penurunan putaran poros turbin yang sebenarnya tidak dikehendaki.
Dengan menggunakan suatu alat kontrol suplai uap, kecepatan putar poros turbin dapat dijaga tetap konstan pada nilai tertentu tanpa dipengaruhi oleh bervariasinya beban.Jumlah uap yang mengalir akan selalu sesuai dengan beban yang dipikul oleh poros turbin. Semakin besar beban yang dipikul maka aliran uap bertambah besar dan begitu pun sebaliknya. Jadi dapat dikatakan turbin akan mengkonsumsi uap sesuai dengan beban yang dipikul.
Kondensor
Kondensor adalah peralatan yang berfungsi untuk mengubah uap menjadi air. Prinsip kerja Kondensor proses perubahannya dilakukan dengan cara mengalirkan uap ke dalam suatu ruangan yang berisi pipa-pipa (tubes). Uap mengalir di luar pipa-pipa (shell side) sedangkan air sebagai pendingin mengalir di dalam pipa-pipa (tube side). Kondensor seperti ini disebut kondensor tipe surface (permukaan). Kebutuhan air untuk pendingin di kondensor sangat besar sehingga dalam perencanaan biasanya sudah diperhitungkan.
Laju perpindahan panas tergantung pada aliran air pendingin, kebersihan pipa-pipa dan perbedaan temperatur antara uap dan air pendingin. Proses perubahan uap menjadi air terjadi pada tekanan dan temperatur jenuh, dalam hal ini kondensor berada pada kondisi vakum. Karena temperatur air pendingin sama dengan temperatur udara luar, maka temperatur air kondensatnya maksimum mendekati temperatur udara luar. Apabila laju perpindahan panas terganggu, maka akan berpengaruh terhadap tekanan dan temperatur.
Alat bantu untuk Sistem tenaga uap yang sangat penting untuk menujang proses kerja sistem Tenaga Uap itu sendiri.Ada banyak alat bantu yang menunjang berjalannya sistem itu agar tetap stabil dan konstan dalam sistem tertutup.
Superheater
Superheater merupakan alat yang berfungsi untuk menaikan temperatur uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut (superheat vapour). Uap panas lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi di dalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik atau back stroke yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya sehingga menimbulkan vakum di tempat yang tidak semestinya di daerah ekspansi. Superheater ditempatkan pada daerah aliran gas asap yang bertempratur tinggi.
Temperatur uap yang dihasilkan superheater sangat dipengaruhi temperatur gas asap Perbedaan temperatur yang terkecil antara dua aliran gas asap dengan uap disebut dengan titik penyempitan (pinch point) a-x dan b-y minimum 20 oC.
Keuntungan utama menggunakan boiler superheater dapat mengurangi konsumsi bahan bakar dan air, namun di sisi lain ada biaya tambahan yang diperlukan untuk perawatan yang lebih besar. Tanpa adanya perawatan yang baik pada boiler superheater, resiko keselamatan sangat mungkin terjadi. Karena boiler superheater bekerja pada tekanan dan temperatur yang tinggi, sangat berbahaya bila terjadi kerusakan pipa pada boiler tersebut.
Ilustrasi superheater
Economizer
Fungsi Economizer pada Boiler adalah untuk memanaskan air pengisi Boiler dengan memanfaatkan panas dari gas sisa pembakaran di dalam Boiler. Dengan meningkatnya temperatur air pengisi Boiler maka Efisiensi Boiler juga akan meningkat.
Gas sisa pembakaran bahan bakar di dalam Boiler masih mempunyai temperatur yang cukup tinggi. Dengan melewatkan gas sisa pembakaran melalui pipa-pipa Economizer maka akan terjadi transfer panas yang akan diserap oleh pipa-pipa Economizer dan panas tersebut diteruskan kedalam air pengisi Boiler yang terdapat di dalam pipa-pipa Economizer.
Aliran air pada Economizer
yang terdapat dalam pipa-pipa Ekonomiser lebih rendah dari temperatur gas buang Boiler yang berada di bagian luar pipa-pipa Economizer, sehingga akan terjadi perpindahan panas dari gas buag pembakaran ke air pengisi Boiler. Temperatur gas buang Boiler akan turun setelah melewati Economizer dan sebaliknya Temperatur air pengisi Boiler Drum akan meningkat setelah melewati Economizer.
Temperatur air yang masuk ke Economizer bergantung dari temperatur air dari Deaerator Tank dan HPH ( High Pressure Heater ). Jika Temperatur air pengisi Boiler dari Deaerator tinggi dan HPH juga dioperasikan maka temperatur air masuk ke Economizer juga akan tinggi. Biasanya pada saat beban Turbin Generator Tinggi dan Uap Extraction Turbin melimpah maka temperatur Deaerator dan Outlet HPH juga akan tinggi dan tentu saja temperatur air pengisi Boiler yang akan memasuki Economiser juga akan tinggi.
Alian Gas Buang pada Economizer
Gas buang pembakaran Boiler akan melewati Economizer bada bagian luar pipa Economizer. Pembakaran di dalam Boiler disamping menghasilkan Panas juga akan menghasilkan gas buang yang akan di buang ke Atmosfir. Aliran gas buang pembakaran di ruang bakar akan melewati Komponen Boiler seperti Superheater, Economizer, Air Heater, ESP, FGD, Cerobong baru ke Atmosfir.
Gas sisa pembakaran Boiler akan melewati superhaeater dan diteruskan ke bagian outlet Economizer baru menuju ke bagian Inlet Economizer sebelum menuju ke Air Heater.
Sedang kan untuk alat bantu utama dalam proses tenaga uap adalah
Pengumpul Abu (Dust Collector)
Deaerator
Deaerator adalah salah satu jenis alat pemanas yang digunakan oleh banyak pembangkit listrik didunia. Deaerator berfungsi untuk menghilangkan oksigen dan gas-gas lainnya yang terkandung dalam feedwater ( air boiler ). Mengapa perlu dilakukan proses tersebut ?
Perlu diketahui terlebih dahulu, bahwa deaerator memiliki banyak tipe. Type monomer deaerator, built-in deaerator, no-head deaerator, spray type deaerator, vertical deaerator, horizontal deaerator, tergantung berdasarkan klasifikasinya masing-masing.
Deaerator biasanya terletak pada bagian atas dari ruangan turbin. Sebenarnya fungsi utama dearator adalah bukan untuk menghilangkan oksigen melainkan mengurangi kadar/konsentrasi oksigen sehingga berada pada level yang sangat rendah seolah-olah tidak ada lagi oksigen pada air tersebut. Padahal kita tahu bahwa air itu komposisi kimianya terdiri dari unsur Hidrogen dan oksigen.
Induced Draft Fan (ID Fan)
ID Fan dipasang di dekat stack (cerobong pembuangan gas hasil pembakaran batubara) dan electrostatic precipitator (penangkap abu batubara jenis Fly Ash yang beterbangan sehingga dapat mengurangi polusi udara yang akan dikeluarkan melalui stack). ID Fan berfungsi untuk mempertahankan pressure pada furnace boiler dan bekerja pada tekanan atmosfir rendah karena digunakan untuk menghisap gas dan abu sisa pembakaran pada boiler untuk selanjutnya dibuang melalui stack. Sebelum gas dan abu sisa pembakaran dibuang, terlebih dahulu dilewatkan pada electrostatic precipitator agar bisa mengurangi prosentase polusi udara yang dihasilkan dari sisa pembakaran tersebut.
Force Draft Fan (FD Fan)
FD Fan terletak pada bagian ujung saluran air intake boiler dan digerakkan oleh motor listrik. Fan ini bekerja pada tekanan tinggi dan berfungsi menghasilkan udara sekunder (Secondary Air) yang akan dialirkan ke dalam boiler untuk mencampur udara dan bahan bakar dan selanjutnya digunakan sebagai udara pembakaran pada furnace boiler. Udara yang diproduksi oleh Force Draft Fan (FD Fan) diambil dari udara luar. Dalam perjalananya menuju boiler, udara tersebut dinaikkan suhunya oleh secondary air heater (pemanas udara sekunder) agar proses pembakaran bisa terjadi di boiler. FD Fan dan PA Fan bekerja sama untuk membuat campuran antara udara dan serbuk batubara dengan perbandingan kurang lebih 13 : 1 agar terjadi pembakaran sempurna. Bercampurnya udara dan serbuk batubara dibantu oleh Dumper tetap yaitu pengatur pengaduk udara sehingga menimbulkan turbulensi yang memungkinkan terjadinya pembakaran yang efisien. Turbulensi mengacu pada gerakan udara didalam Furnace, gerakan ini perlu karena dapat menyempurnakan pencampuran udara dan bahan bakar.
Cerobong asap (chimnery)
sangat mendekati vertikal. Hal ini dimaksudkan untuk memastikan apakah aliran gas telah mengalir dengan lancar atau belum.
Diameter cerobong berkisar berukuran 3 m dan tinggi cerobong 40 m tetapi tekadang ada yang di buat lebih tinggi di karenekan permintaan warga sekitar pltu atau industri agar bisa langsung lepas ke langit dan tidak akan terhirup warga sekitar.
Tingginya pembangunan cerobong asap dimaksudkan untuk menarik tinggi-tingi udara yang ada dan selanjutnya melenyapkan polutan-polutan yang terkandung dalam gas buang menuju wilayah yang lebih luas sehingga dapat mengurangi konsentrasi polutan yang telah disesuaikan dengan batasan peraturan yang berlaku.
Daftar Pustaka
http://repository.umy.ac.id/bitstream/handle/123456789/8485/BAB%20II.pdf? sequence=5&isAllowed=y
https://jurnal.umj.ac.id/index.php/sintek/article/viewFile/95/77
http://ejournal.undip.ac.id/index.php/rotasi/article/view/13343
http://repository.usu.ac.id/bitstream/handle/123456789/11855/09E01547.pdf? sequence=1
cpanel.petra.ac.id/ejournal/index.php/emas/article/download/17648/17560
