BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Terjadinya Sistim Panas bumi
Dipermukaan bumi sering terdapat sumber-sumber air panas. Panas itu datangnya dari batu-batu yang meleleh atau magma, yang menerima panas dari inti bumi. Magma yang terletak didalam lapisan mantel, memanasi suatu lapisan batu padat. Diatas batu padat terletak suatu lapisan batu berpori, yaitu batu yang mempunyai banyak lubang kecil. Bila lapisan batu berpori ini berisi air yang berasal dari tanah, atau resapan air hujan, atau resapan danau maka air itu turut dipanaskan oleh lapisan batu padat yang panas itu. Bila panasnya besar, maka terbentuk air panas, bahkan dapat terbentuk uap dalam lapisan batu yang berpori. Bila diatas lapisan batu berpori terdapat satu lapisan padat, maka lapisan batu berpori berfungsi sebagai boiler. Uap dan juga air bertekanan akan berusaha keluar permukaan bumi.
2.2 Jenis-jenis Sistim Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi
Pada prisipnya Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTPB) sama dengan Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), yang membedakan kedua sistim tersebut hanya pada sumber uap nya, dimana pada PLTU uapnya bersumber dari Boiler, sedangkan pada PLTPB uap yang digunakan bersumber dari reservoir panas bumi.
Banyak sisitim pembangkitan listrik dari fluida panas bumi yang telah diterapkan saat ini, diantaranya:
1. Direct Dry Steam 2. Separated Steam 3. Single Flash Steam 4. Double Flash Steam 5. Multi Flash Steam 6. Binary Cycle 7. Combined Cycle
8. Hybrid/fossil-geothermal conversion system
2.3.Sistim Pembangkit pada PLTPB
Sistim yang digunakan pada PLTPB adalah sistim dominasi uap (separated sistim). Apabila panas bumi yang keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fase (fase uap dan fase cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida kedalam separator, sehingga fase uap akan dipisahkan dari fase cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator ini dialirkan ke dalam turbin.
Gambar 2.2.Skema diagram alir PLTPB
Pada titik 1 panas bumi berupa campuran dua fase. Sebelum memasuki turbin fluida menjalani proses isentalpik dari titik 1 ke titik 2. Pada kepala sumur diketahui laju alir massa fraksi uap fluida (kualitas uap pada kepala sumur). Pada titik 2 fluida masuk ke separator sehingga:
h1=hf1 + Xwh. hfg……… ………(Lit.1 Hal.IX-6) h2=h1=hf2 + X2. hfg2………..(Lit.1 Hal.IX-6) Dari persamaan diatas didapat fraksi uap yang masuk kedalam separator, sedangkan fraksi airnya di alirkan ke sumur reinjeksi. Pada tekanan dan temperatur inlet turbin ini di ketahui entalpi dan entropi fluida dari tabel uap. Entropi pada titik 4 dan titik 5 (inlet dan outlet turbin) dianggap sama (proses yang terjadi didalam turbin isentropik), sehingga:
S5 = S4 = Sf5 + X5.Sfg5...(Lit.1 Hal.IX-6) maka fraksi uap yang keluar dari turbin dapat diketahui. Harga fraksi uap ini digunakan untuk menghitung entalpi keluar turbin.
h5 = hf5 + X5.hfg5………...(Lit.1 Hal.IX-6) Daya turbin bisa dihitung dengan menggunakan persamaan
2.4 Fasilitas Produksi Uap Dan Fasilitas PLTPB 2.4.1 Fasilitas Produksi Uap
Fasilitas produksi tergantung dari jenis fluida yang mengalir dari sumur, tetapi secara garis besar komponen utamanya adalah sumur, kepala sumur, separator (untuk fluida dua fasa), silencer dan pipa alir permukaan. disamping itu juga digunakan condensate traps untuk membuang kondensat yang terbentuk dipipa alir uap karena adanya panas yang hilang, serta peralatan-peralatan untuk mengukur laju alir fluida, temperatur dan tekanan.
2.4.1.1 Sumur
Sumur panas bumi umumnya menggunakan serangkaian casing yang berukuran 20”, 13 3/8 “, 9 5/8 “, dan bagian bawahnya (dimuka zona produksi) dibiarkan terbuka atau menggunakan liner berukuran 7”. Wellpads atau area tempat sumur-sumur produksi atau injeksi dilapangan panas bumi biasanya satu sama lainnya berjarak 1 sampai 2 km. Sumur-sumur injeksi biasanya dibor ditempat yang mempunyai elevasi lebih rendah dari sumur-sumur produksi, agar air yang akan diinjeksikan dapat mengalir karena gravitasi sehingga tidak diperlukan pompa.
2.4.1.2 Kepala Sumur Dan Katup
Pada sumur panas bumi dipasang beberapa katup untuk mengatur aliran fluida. katup -katuptersebut ada yang dipasang diatas atau didalam sebuah lubang yang di beton (concrete celler).
2.4.1.3 Separator
Separator yang digunakan adalah separator tipe coalescence memberikan halangan dalam aliran uap. Halangan atau rintangan ini biasanya berupa bantalan kawat (kadangkala disebut juga sebagai bantalan demister), dimana molekul air akan terjebak. Molekul air tersebut cenderung bersatu, menghasilkan tetesan yang terlalu besar untuk dibawa oleh sistim gas, sehingga akan menjadi sangat berat dan jatuh ke bagian bawah separator. Diharapkan uap yang keluar dari separator adalah uap bersih sehingga tidak merusak turbin.
Gambar 2.3. Separator tipecoalescence
2.4.1.4 Silincer
Apabila fluida dari sumur akan disemburkan untuk dibuang, fluida dari sumur akan menimbulkan kebisingan yang luar biasa sehingga dapat memekakan telinga dan bahkan tanpa perlindungan yang baik dapat menyebabkan rusaknya pendengaran. Untuk mengurangi kebisingan dan pada waktu yang sama juga mengontrol aliran fluida yang akan dibuang, fluida biasanya dialirkan melalui
silencer atau peredam suara. Bagian atas dari silencer ini biasanya dibiarkan terbuka sehingga silencer sering juga disebut atmospheric separator.
2.4.1.5 Pipa Alir
Pipa alir dilapangan panas bumi terdiri dari pipa alir uap dan pipa alir uap-air apabila fluida dari sumur terdiri dari dua fasa. Dilapangan panas bumi dominasi air, pipa alir dua fasa (campuran uap-air dimulai dari sumur hingga separator, sedangkan pipa alir uap membentang dari separator hingga ke turbin dan pipa alir air membentang dari separator hingga sumur injeksi. Disamping itu juga terdapat pipa alir kondensat untuk mengalirkan kondensat dari PLTPB hingga kesumur injeksi.
2.4.1.6 Insulator
Untuk menghindarkan kehilangan panas yang berlebihan, pipa alir uap harus selalu diinsulasi. Material yang digunakan sebagai bahan insulasi sangat beragam baik bentuk, ukuran, ketebalan dan jenis materialnya. Material yang banyak tersedia adalah:Mineral fibrous atau cellular: Alumunia, asbestos, glass, rock, silica, cane, cotton, wood dan lain-lain
2.4.1.7 Condensate Traps (Condensate pots)
Meskipun pipa sudah diselubungi dengan insulator, tetapi kondensasi biasanya masih tetap terjadi dalam pipa alir uap. kehilangan panas harus diupayakan seminimal mungkin agar kondensat yang masuk keturbin masih dalam kondisi batas yang diijinkan sehingga turbin tidak cepat rusak.
2.4.2 Fasilitas PLTPB
Adapun fasilitas pada unit PLTPB adalah sebagai berikut: 2.4.2.1 Turbin Uap
Turbin adalah suatu mesin penggerak dimana energi fluida kerja, dalam hal ini adalah uap, dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Pada umumnya turbin pada PLTPB tidak berbeda dengan turbin yang digunakan pada PLTU. Yang berbeda hanya pada pemilihan bahan turbin dimana turbin PLTPB harus lebih tahan korosif, karena umumnya uap PLTPB mengandung sulfur.
Untuk merencanakan suatu turbin uap, dibutuhkan kecermatan dalam menentukan jenis turbin uap agar kelangsungan operasi pembangkit tidak mengalami kerugian yang besar. Oleh sebab itu perlu diketahui beberapa jenis turbin uap sebagai perbandingan terhadap turbin yang direncanakan.
2.4.2.1.1.Klasifikasi Turbin Uap
Adapun jenis-jenis turbin yang umum digunakan adalah sebagai berikut: 1.Turbin uap De Lapal
Turbin uap De Lapal adalah turbin uap yang bekerja menurut prinsip impuls aksi dengan aliran aksial, satu tingkat tekanan dan satu tingkat kecepatan. Turbin ini mempunyai satu rotor penggerak dan satu susunan sudu gerak sehingga seluruh panas jatuh uap diekspansikan dalam satu baris sudu gerak. Turbin ini mempunyai kecepatan putar yang tinggi dengan daya yang dihasilkan kecil sebesar 1500 kw. Turbin jenis ini membutuhkan roda gigi transmisi yang cukup besar.
2.Turbin Uap Jenis Curtis
Turbin Curtis adalah turbin uap yang bekerja dengan prisip impuls-aksi dengan aliran aksial. Dalam hal ini turbin yang dimaksud adalah turbin impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan. Dalam prinsipnya turbin Curtis mengambil untung sebanyak mungkin dari tenaga gerak uap dari ekspansi sekelilingnya. Kelemahan dari turbin Curtis antara lain:
• Tidak ekonomis dipakai pada daya yang besar • Gesekan antara uap dengan dinding sudu besar • Tidak dapat dibuat turbin yang besar
mengingat hal itu semua maka turbin Curtis hanya dibuat paling banyak tiga tingkat saja.
3.Turbin Uap jenis Zoelly
Turbin uap Zoelly adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip impuls aksi dengan system tekanan bertingkat. Tekanan uap turun secara bertahap didalam baris sudu tetap saja. Sedangkan didalam baris sudu gerak tidak terjadi penurunan tekanan.
Daya yang dihasilkan adalah daya yang besar pada putaran yang rendah. Sehingga turbin ini dipakai sebagai penggerak daya yang besar. keuntungan turbiin ini adalah effisiensinya yang tinggi, tetapi biayanya mahal, dan konstruksi yang lebih rumit dari turbin dari turbin satu tingkat tekanan.
4.Turbin Uap Jenis Parson
Turbin parson adalah suatu turbin dengan beberapa tingkat tekanan dan kecepatan pada garis besarnya konstruksi turbin adalah sumbu turbin yang berupa tromol dengan dikelilingi oleh sejumlah sudu-sudu jalan. Tiap rumahan sudu jalan ada tersusun sudu-sudu antar dalam rumah rumah turbin. Sudu antar mengatur supaya bagian uap dapat masuk diantara sudu jalan dengan tidak saling bersentuhan (bertumbukan).
Kelemahan dari turbin parson adalah bahwa uap yang mengalir ke puncak-puncak sudu antar dan dalam perbandingan makin besar jika sudu-sudu itu semakin rendah. Keuntungan dari turbin ini adalah effisiensinya lebih baik dari turbin Zoellly dan sistim pengaturannya lebih rumit dan biayanya mahal dibandingkan dengan tubin Zoelly, Curtis, dan De LaVal.
Dari beberapa altenatif diatas maka turbin yang akan direncanakan di gunakan untuk menggerakkan generator pada PLTPB disesuaikan dengan data di lapangan adalah turbin impuls enam tingkat tekanan dan dua tingkat kecepatan yaitu jenis turbin curtis yang arah alirannya adalah arah aliran aksial.
Adapun alasan dan pertimbangan dalam pemilihan jenis turbin ini adalah: • Pertimbangan efisiensi dan keandalan
Turbin curtis mempunyai effisiensi yang cukup tinggi sehingga energi potensial uap dapat dimanfaatkan seefisien mungkin. Turbin curtis dapat bekerja dengan pengisihan sebagian. Hal ini memudahkan dalam hal pengaturan kapasitas uap. Dengan dua tingkat kecepatan masudnya supaya kemungkinan panas jatuh pada saat melalui turbin lebih besar.
• Segi pemeliharaan
Perawatan dan pengoperasian yang baik dari turbin curtis akan mencegah kerusakan dan dapat menjamin umur dari pemakaian turbin. Perawatan dan pengoperasian turbin impuls tidak sulit.
• Segi konstruksi Konstruksi
turbin Curtis lebih sederhana jika dibandingkan dengan jenis turbin lainnya. Dari segi pengadaan komponen (sparepart)mudah dilakukan, seperti nosel, sudu, bantalan dan sebagainya.
• Pertimbangan Tempat dan Kondisi Pemakaian
Turbin ini digunakan untuk memutar generator pada PLTPB dengan kapasitas menengah. Mengingat lokasi pemakaian turbin pada daerah yang korosif sehingga dibutuhkan turbin yang handal, mudah pengoperasiannya, mudah perawatan, dan biaya yang tidak terlalu mahal.
• Pertimbangan investasi
Karena turbin ini digunakan sebagai penggerak mula generator listrik pada PLTPB, sehingga dari segi konstruksinya dipilih turbin yang relative sederhana untuk menghemat biaya investasi.
2.4.2.1.2.Kerugian-kerugian Kalor pada Turbin Uap
Pada saat pengoperasiannya turbin uap mengalami kehilangan energi yang dapat dikategorikan atas dua jenis, (Menurut lit 2, hal. 59-71) yaitu:
Kerugian internal,adalah kerugian yang berkaitan dengan kondisi-kondisi uap sewaktu mengalir melalui turbin, yang meliputi:
1. Kerugian pada katup Pengatur
Uap sebelum masuk ke turbin haruslah melalui katup penutup (stop valve) dan katup pengatur yang mana ini merupakan bagian terpadu dari turbin tersebut. Aliran uap melalui katup penutup dan katup pengatur disertai oleh kerugian energi akibat proses pencekikan. Kerugian energi akibat proses pencekikan dinyatakan sebagai:
……….…………...(lit.2.hal. 59) Dimana:
H = Besarnya kerugian energi akibat proses pencekikan ( Kkal/kg) Ho = Penurunan kalor isentropis dengan mengabaikan kerugian ( Kkal/kg)
= Penurunan kalor isentropis dengan memperhitungkan kerugian kalor akibat proses pencekikan (Kkal/kg).
besarnya kerugian tekanan akibat pencekikan dengan katup pengatur terbuka lebar dapat diandaikan sebesar 5% dari tekanan uap segar Po. Untuk tujuan perancangan, kerugian tekanan adalah:
……….…(lit.2 hal.60) Dimana:
= Besarnya kerugian tekanan (bar)
Po = Tekanan uap sebelum memasuki turbin (Bar)
2. Kerugian pada nosel
Kerugian energi pada nosel disebabkan oleh adanya gesekan uap pada dinding nosel, turbulensi, dan lai-lain. Kerugian kalor pada nosel dalam bentuk kalor adalah:
hn= 8378 2 1 2 1 c ct − ………...………...(lit.2.hal.25) Dimana:
= Besarnya kerugian pada nosel (Kkal/kg) = Kecepatan uap masuk teoritis (m/s)
= c1t . φ = kecepatan uap masuk mutlak dari nosel (m/s) φ = koefisien kecepatan atau angka kualitas nosel.
Untuk tujuan perancangan, nilai-nilai koefisien kecepatan nosel dapat diperoleh dari grafik (Lit2.hal. 61).
Gambar 2.4. Grafik untuk Menentukan Koefisien φ sebagai Fungsi Tinggi Nosel
3. Kerugian pada sudu gerak
Kerugian pada sudu gerak dipengaruhi oleh beberapa faktor: • Kerugian akibat tolakan pada ujung belakang sudu
• Kerugian akibat kebocoran uap melalui ruang melingkar antara stator dan rotor
• Kerugian akibat gesekan
Semua kerugian diatas disimpulkan sebagai koefisien kecepatan sudu-sudu gerak (ψ). Akibat koefisien ini maka kecepatan relative uap keluar dari sudu W2 lebih kecil dari kecepatan relatif uap masuk sudu W1. Besarnya kerugian pada sudu gerak adalah: hb = 8378 2 2 2 1 w w − ………..………....(Lit2.hal.36) Dimana:
W1 = Kecepatan uap masuk relatif dari nosel (m/s) W2 = Kecepatan uap keluar relatif dari sudu (m/s) hb = Kehilangan energi dari sudu-sudu (Kkal/kg)
ψ = Koefisien kecepatan sudu. Ditentukan berdasarkan tingi sudu-sudu gerak (Lit2.hal.62)
Gambar 2.5. Grafik untuk menentukan Koefisien ψ berdasarkan tinggi sudu gerak
4. Kerugian akibat kecepatan keluar
Uap meninggalkan sisi keluar sudu gerak dengan kecepatan mutlak C2. pada turbin neka tingkat (multi stage), energi kecepatan uap yang keluar dapat dipakai sebagian atau seluruh nya pada tingkat-tingkat yang berikutnya. Besarnya
he = 8378 2 2 c ………..…………..(Lit2.hal 63) dimana:
he = Kerugian akibat kecepatan keluar (Kkal/kg) C2 = Kecepatan mutlak uap meninggalkan sudu gerak
5. Kerugian Akibat Gesekan Cakram dan pengadukan
Kerugian ini terjadi karena adanya gesekan antara rotor dengan uap dan kerugian pengadukan dalam hal pemasukan parsial. Sebagai akibat kerja digunakan untuk melawan gesekan, dan kecepatan pertikel uap akan dikonversi menjadi kalor sehingga memperbesar kandungan kalor uap. Kerugian ventilasi sulit dihitung secara teoritis dan umum nya dihitung dengan rumus emperis salah satunya adalah rumus emperis former, yaitu:
Nge.o= βd4n3l1yx 10-10...(Lit2.hal.64) dimana:
Ngea = Daya yang hilang dalam mengatasi gesekan dan ventilasi (kW) β = Kofisien yang sama dengan 1,76 untuk cakram baris tunggal d = Diameter cakram yang diukur pada tinggi rata-rata sudu (m) n = Putaran poros turbin (rpm)
l = Tinggi sudu (m)
γ = Bobot spesifik dimana cakram tersebut berputar (kg/m)
kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi dalam satuan kalor dapat ditentukan dari persamaam berikut:
hge.a. = G Ngea 427 102 .. ………...(Lit2.hal64)
dimana:
hgea = Besar kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi (kkal/kg) G = Massa alir uap melalui tingkat turbin (kg/s)
6. Kerugian Ruang Bebas
Ada perbedaan tekanan diantara kedua sisi cakram nosel yang dipasang pada stator turbin, sebagai akibat ekspansi uap di dalam nosel. Besarnya kebocoran yang terjadi adalah:
hkebocoran = ( 0 1) 0 h h G Gkebocoran − ……….…..(Lit2.hal.64)
dimana Gkebocoran ditentukan berdasarkan tekanan kritis, yaitu:
pkr = 5 , 1 85 , 0 1 + z p ………..(Lit2.hal.67)
bila tekanan kritis lebih rendah dari p2, maka kecepatan uap didalam labirin adalah lebih rendah daripada kecepatan kritis dan massa alir kebocoran, ditentukan dengan persamaan:
………..(Lit2.hal.67)
sebaliknya, bila tekanan kritis lebih tinggi dari p2, maka kecepatan uap didalam labirin adalah lebih rendah daripada kecepatan kritis dan massa alir kebocoran ditentukan dengan persamaan:
Gkebocoran = 100fs 1 1 5 , 1 υ p x z g + ……….………(Lit2.hal.67)
7. Kerugian Akibat Kebasahan Uap
Dalam hal turbin kondensasi, beberapa tingkat yang terakhir biasanya beroperasi pada kondisi uap basah yang menyebabkan terbentuknya tetesan air. Tetesan air ini oleh pengaruh gaya sentrifugal akan terlempar kearah keliling. Pada saat yang bersamaan tetesan air ini menerima gaya percepatan dari partikel-pertikel uap searah dengan aliran, jadi sebagian energi kinetik uap hilang dalam mempercepat tetesan air ini. Kerugian akibat kebasahan uap dapat pitentukan dengan persamaan:
hkebasahan= (1-x)hi……….(Lit.2.hal.68) dimana:
x = Fraksi kekeringan uap didalam tingkat turbin yaitu sebelum nosel sudu pengarah dan sesudah sudu gerak tingkat tersebut
hi= Penurunan kalor yang dimanfaatkan pada tingkat turbin dengan memperhitungkan semua kerugian kecuali akibat kebasahan uap (kkal/kg) .
2.4.2.1.3 Effisiensi pada Turbin 1. Effisiensi relatif sudu
Hubungan antara kerja satu kilogram uap pada keliling cakram yang mempunyai sudu-sudu gerak terhadap kerja teoritis yang dapat dilakukan.
u o u u u i i L A L L − = = . 0 η ……….……..………..(Lit2.hal.71) 2. Effisiensi internal
o i t o o u oi H H i i i i L L = − − = = 1 2 0 η …...………….……….…….(Lit2.hal.71)
3. Daya dalam turbin dapat ditulis sebagai berikut: • Daya dalam turbin
……….……….………..(Lit2.hal.71)
2.4.2.2 Kondensor
Fungsi dari kondensor adalah untuk menciptakan tekanan vakum (tekanan dibawah tekanan atmosfer). Proses terjadinya kondisi vakum ini adalah secara termodinamik bukan secara mekanik. Hal ini dimungkinkan karena setelah fluida keluar dari turbin yang sebagian besar masih berupa uap akan bercampur dengan air dingin di kondensor akan mencapai kesetimbangan massa dan energi. Pada PLTPB sibayak digunakan jenis kondensor campur langsung, hal ini digunakan untuk mengatasi keterbatasan sumber air pada lokasi PLTPB.
2.5 Analisa Termodinamika Siklus PLTPB
Pada titik 1 fluida panas bumi berupa campuran dua fasa. sebelum memasuki turbin fluida menjalani proses isentalpik dari titik1 ke titik 2 (Gambar 2.6). Pada kepala sumur diketahui laju alir fraksi uap fluida (Kualitas uap pada kepala sumur) yaitu:
Data uap Pada PLTPB sibayak (Data survey):
Massa Uap (Ms) = 50 ton/jam = 13,89 kg/det Mass air (Mw) = 111 ton/jam
Massa total = 161 ton/jam Tekanan separator = 9,7 bar Tekanan Masuk Turbin = 8,3 bar Tekanan uap keluar Turbin = 0,1 bar Maka fraksi uap di kepala sumur adalah:
Xwh = T S M Ms M + Xwh= jam ton jam ton jam ton / 111 / 50 / 50 + = = 0,31
jadi besar nya entalpi pada separator adalah:
tekanan separator = 9,7 bar (data hasil survey), maka diperolah nilai entalpi dari tabel uap:
hf1 =175,284 kkal/kg hg1 = 661,388 kkal/kg hfg1= 486,103 kkal/kg Maka hseparator = hf1+xwh.hfg
Pada titik 4 uap hasil pemisahan dari separator dilairkan kedalam turbin, pada titik ini tekanan uap masuk turbin 8,3 bar, sehingga: hg=h4=659,453 kkal/kg, s4=sg=1,6045 kkal/kg ok. Proses yang terjadi pada turbin dalah proses isentropik, sehingga fraksi uap yang keluar dari turbin dapat di ketahui. Harga fraksi uap ini digunakan untuk menghitung entalpi keluar turbin.
s4=s5=sf + x.sfg...(Pada tekanan keluar turbin P= 0,1 bar)
x5= 0,81 5006 , 7 6488 , 0 718 , 6 − =
dari tabel uap diperoleh:
hf5=45,80 kkal/kg sf5= 0,1550 kkal/kgok hfg5=571,28 kkal/kg sfg5= 1,7914 kkal/kgok maka besarnya entalpi keluar turbin adalah:
h5=hf5 + x5.hfg5 h5=45,80 kkal/kg+0,81 x 571,28 kkal/kg = 508,53 kkal/kg daya turbin (Pt) Pt = ms.(h4- h5) Pt = 13,89.(659,453 – 508,53 kkal/kg) Pt = 8537,4 kw
