6 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Biomassa
Biomassa merupakan bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintetik, baik berupa produk maupun buangan. Contoh biomassa antara lain adalah tanaman, pepohonan, rumput, ubi, limbah pertanian, limbah hutan, tinja dan kotoran ternak. Selain digunakan untuk tujuan primer serat, bahan pangan, pakan ternak, miyak nabati, bahan bangunan dan sebagainya. Biomassa juga digunakan sebagai sumber energi (bahan bakar).
Sumber energi biomassa mempunyai beberapa kelebihan antara lain merupakan sumber energi yang dapat diperbaharui (renewable) sehingga dapat menyediakan sumber energi secara berkesinambungan (sustainable). Di Indonesia, biomassa merupakan sumber daya alam yang sangat penting dengan berbagai produk primer sebagai serat, kayu, minyak, bahan pangan dan lain-lain yang selain digunakan untuk memenuhi kebutuhan domestik juga diekspor dan menjadi tulang punggung penghasil devisa negara.
7 2.1.1 Biomassa Sebagai Sumber Energi
Biomassa sebagai Sumber Energi Terbarukan yang selalu dapat ditanam ulang dan dituai dengan cara-cara sebagaimana manusia memanfaatkannya sebagai bahan bakar sejak dahulu kala. Kegiatan memanfaatkan biomassa sebagai bahan bakar energi sering juga kita sebut sebagai kegiatan “menanam energi hijau” (energy farming) tanpa membutuhkan modal/ biaya yang terlalu tinggi tetapi mampu melibatkan tenaga kerja sehingga disebut dengan “pro job action”.
Menurut (Gan Thay Kong, 2011) pemanfaat biomassa memiliki dampak-dampak sebagai berikut:
1. Udara di sekitar proses pembakaran biomassa lebih bersih dibandingkan dengan kualitas udara di dekat proses pembakaran BBM fosil.
2. Bagi pengelola pembangkit daya yang berbahan bakar biomassa, hal ini dapat menekan baik biaya investasi-unit pencegah emisi tidak perlu yang terlalu canggih-maupun biaya operasional harian. Semakin kompleks pengoperasiannya, semakin besar energi listrik yang diperlukan karena setiap unit pencegah polusi pun perlu energi listrik.
3. CO2 hasil pembakaran biomassa pun dikategorikan sebagai “carbon neutral”
karena diserap kembali oleh tumbuh-tumbuhan guna menopang pertumbuhannya.
8 5. Bila lahan-lahan “tidur” tadi dimanfaatkan untuk tanaman-tanaman maka
fungsi “penyerap” air hujan diaktifkan kembali sebagai salah satu cara mencegah banjir.
Potensi biomassa di Indonesia yang bisa digunakan sebagai sumber energi jumlahnya sangat melimpah. Limbah yang berasal dari hewan maupun tumbuhan semuanya potensial untuk dikembangkan. Tanaman pangan dan perkebunan menghasilkan limbah yang cukup besar, yang dapat dipergunakan untuk keperluan lain seperti bahan bakar nabati. Pemanfaatan limbah sebagai bahan bakar nabati memberi tiga keuntungan langsung. Pertama, peningkatan efisiensi energi secara keseluruhan karena kandungan energi yang terdapat pada limbah cukup besar dan akan terbuang percuma jika tidak dimanfaatkan. Kedua, penghematan biaya, karena seringkali membuang limbah bisa lebih mahal dari pada memanfaatkannya. Ketiga, mengurangi keperluan akan tempat penimbunan sampah karoena penyediaan tempat penimbunan akan menjadi lebih sulit dan mahal, khususnya di daerah perkotaan.
9 2.1.2 Densifikasi Biomasa Menjadi Pellet
Biomasa pada umumnya memiliki volume yang besar sehingga tidak efisien dalam pengangkutan dan penanganannya. Sehingga untuk mengatasi masalah tersebut volume biomasa perlu dikecilkan dengan dimampatkan dengan alat press. Pengaplikasian tekanan apalagi dengan suhu tinggi membuat biomasa tersebut akan mampat dan merekat kuat. Pemampatan tersebut akan membuat bahan bakar padat yang memiliki densitas lebih tinggi dan energi tiap volumenya sama. Pada umumnya dengan cara ini tidak dibutuhkan lagi tambahan perekat dari luar, karena senyawa lignin dalam biomasa tersebut yang akan berperan sebagai perekat.
Pellet saat ini diproduksi hingga skala besar dan penggunanya besar sedangkan briket umumnya diproduksi pada skala lebih kecil dan penggunanya tidak sebanyak pellet. Baik pellet maupun briket dibuat dari kayu keras dan kayu lunak. Secara sepintas kita bisa membedakan pellet dan briket berdasarkan dimensinya. Pellet berukuran lebih kecil dengan diameter sekitar 10 mm sedangkan briket berukuran lebih besar dengan ukuran sekitar 50 hingga 100 mm dengan panjang biasanya 60 hingga 150 mm dan bahkan lebih besar. Bahan bakar biomasa semakin mendapat perhatian dan diminati karena ramah lingkungan (kandungan sulfurnya hampir nol) dan termasuk energi terbarukan. Aplikasi pellet dan briket biomasa ini untuk bahan bakar rumah tangga hingga industri.
10 berpotensi merusak tungku (furnace). Pellet dan briket yang digunakan ekport perlu disampling dan diuji untuk meyakinkan terhadap standar yang berlaku. Briket kayu atau Synthetic Logs atau Uncarbonized Briquette berbeda dengan briket arang, karena bahan baku briket kayu ini adalah biomasa (biasanya serbuk gergaji) yang tidak diarangkan/ karbonisasi atau secara fisik menyerupai pellet kayu hanya ukurannya lebih besar.
Sebagai bahan bakar yang karbon netral karena berasal dari biomasa, pellet dan briket adalah bahan bakar alternatif untuk pemanas-pemanas batubara dan boiler yang bisa digunakan untuk berbagai sistem pembakaran modern. Sebagai bahan bakar baik briket maupun pellet sebanding dengan batubara dalam hal kandungan energi, dan menawarkan berbagai pengurangan emisi gas NOx dan Sox dan juga kadar abu yang rendah. Di sejumlah negara di Eropa dan Amerika bahan bakar pellet dan briket ini semakin popular akhir-akhir ini karena dorongan untuk menngunakan yang ramah lingkungan dan terbarukan. Mempertimbangkan Industri Wood Pellet dan Biomass Briquette Untuk Indonesia Wood pellet lebih luas penggunaannya dibandingkan biomass briquette. Ukuran fisiknya lebih kecil (6-25 mm / cylindrical) dan tingkat kepadatannya juga lebih kecil (600-800 kg/m3) dibandingkan biomass briquette (screw type size 40-125 mm dan 1000-1400 kg/m3).
Wood pellet juga diproduksi dari pabrik ukuran kecil hingga ukuran besar
11 hingga pembangkit listrik, sedangkan pasar biomass briquette berkisar dari rumah tangga hingaa industri kecil dan menengah saja.
Ditinjau dari bahan bakunya wood pellet dan biomass briquette menggunakan jenis biomassa yang sama yakni serbuk gergaji (sawdust) dari kayu atau dalam bentuk woodchip. Bila kita tinjau lebih detail tidak semua bagian dari pohon memiliki kandungan unsur yang sama. Lebih khusus untuk aplikasi wood pellet dan biomass briquette karena untuk aplikasi thermal bahan yang mengandung banyak kalsium (Ca) yakni dibatang pohon menjadi pilihan utama.
Sebagai negara tropis dengan besarnya luas wilayah, tanah yang subur dan keanekaragaman hayati yang tinggi maka sangat potensial untuk produksi wood pellet dan biomass briquette baik untuk konsumsi lokal maupun pasar luar negeri asalkan budidaya dan pengelolaan tumbuhan “kayu energi” tersebut secara berkesinambungan dengan memperhatikan kelestarian alam.
2.2. Wood Pellet Kaliandra Merah
13 semusim berumur pendek, atau tanaman perdu berbunga yang disukai lebah seperti bunga matahari, lombok, terong, dll. Kaliandra sangat cepat bertunas setelah di potong. karena itu, kaliandra seringkali dipakai untuk sember makanan ternak baik kambing maupun sapi. Pemotongan terjadwal dapat dilakukan untuk menjaga kontinuitas pasokan pakan sepanjang waktu. Kaliandra mempunyai kandungan nutrisi yang baik untuk pakan ternak, hal ini telah dilakukan banyak penelitian mengenai manfaat kaliandra sebagai suplemen makanan ternak. Di Jawa Barat, kaliandra telah dimanfaatkan sebagai sumber pakan ternak kambing dan domba. Di Bedugul, Bali, kaliandra dipakai sebagai pakan sapi. Di berbagai penelitian, telah mempublikasikan kaliandra sebagai tanaman yang sangat mudah beradaptasi dan sebagai tanaman yang mampu merehbilitasi tanah yang tercemar. Di Kalimantan, kaliandra dipakai untuk merehabilitasi tanah bekas tambang batu baru. Kaliandra mampu mengikat unsur-unsur tertentu (hara) sehingga mampu memulihkan kesuburan tanah, dan juga mampu menguraikan zat pencemar seperti sisa hasil tambang.
Gambar 2.1 Pohon Kaliandra
14 sebesar 1.618,40 MW atau baru 3,25%-nya. Padahal biomasa tersebut bisa dimanfaatkan untuk berbagai keperluan antara lain untuk energi, memperbaiki kesuburan tanah, menyerap karbon dioksida dari atmosfer hingga produksi berbagai bahan kimia.
Tentu berbagai penelitian dan menumbuhkembangkan industri terkait akan terus dilakukan dan digalakkan untuk pengolahan limbah biomassa tersebut sehingga memberikan kemanfaatan yang besar terutama di bidang ekonomi, teknologi dan lingkungan.
Gambar 2.2 Wood Pelet Kaliandra
2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)
PLTU adalah suatu pembangkit yang menggunakan uap sebagai penggerak utama (prime mover). Untuk menghasilkan uap, maka haruslah ada proses pembakaran untuk memanaskan air. PLTU merupakan suatu sistem pembangkit tenaga listrik yang mengkonversikan energi kimia menjadi energi listrik dengan menggunakan uap air sebagai fluida kerjanya, yaitu dengan sudu-sudu turbin menggerakkan poros turbin, untuk selanjutnya poros turbin
15 Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap. Di mana komponen utama dari sistem tersebut yaitu: Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh ketel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap.
Gambar: 2.3 Blok Diagram PLTU berbahan Bakar Wood Pellet Kaliandra Proses Konversi energi pada PLTU mengalami tiga tahapan, yaitu:
1. Energi Kimia dalam bahan Bakar diubah menjadi energi panas dalam bentuk uap bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi.
2. Energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. 3. Energi Mekanik diubah menjadi energi listrik.
2.3.1 Siklus Rankine
16
2 3
Wp WT
1 4
Gambar 2.4 Blok Diagram Siklus Rankine
Siklus ideal yang terjadi di dalam turbin adalah siklus Rankine; Air pada siklus 1 dipompakan, kondisinya adalah isentropik s1 = s2 masuk ke boiler
dengan tekanan yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi super panas h3 = h4 dan keluaran dari turbin berbentuk
uap jenuh dimana laju aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin, ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram T-s berikut:
BOILER
konderser Q in
17 3
T Cp
2
4 1
s
Menurut Hukum pertama Thermodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu proses siklus adalah sama dengan Jumlah Perpindahan Kalor pada fluida kerja selama proses siklus tersebut berlangsung. Jadi untuk proses Siklus 1 – 2 – 2’ – 3 – 3’ – 4 – 1
Dengan rumus:
W = φ T dS...(2.1) W = Kerja per satuan berat fluida kerja
Ds = Luas 1 – 2 - 2 – 2’ – 3 – 4 - 1 pada diagaram ( T – s )
Dalam kenyataannya, Siklus sistem Turbin Uap menyimpang dari Siklus Ideal (Siklus Rankine ) antara lain karena faktor tersebut di bawah ini:
1. Kerugian dalam pipa atau saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfer di sekitarnya.
18 2. Kerugian tekanan dalam ketel uap.
3. Kerugian energi didalam turbin karena adanya gesekan pada fluida kerja dan bagian-bagian dari turbin.
2.3.2 Prinsip Kerja Turbin Uap
Secara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut :
Uap masuk ke dalam turbin melalui nosel. Di dalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan. Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel.
Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti
lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin.
Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkan sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak.
Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap ( guide blade ) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat.
Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil.
19 Sedangkan energi listrik bolak balik (AC) akan dihasilkan pada rangkaian jangkarnya. Kumparan medan pada generator sinkron disebut rotor (bagian yang berputar) dan kumparan jangkar disebut stator (bagian yang tidak berputar)
Turbin Uap Jenis Bertingkat
Turbin uap dibuat dengan daya yang telah ditentukan. Daya yang
dihasilkan turbin diperoleh dari selisih entalphi (panas jatuh) dan kapasitas uap ( massa aliran uap persatuan waktu ) yang masuk kedalam turbin. Dan pada saat transformasi energi didalam turbin terjadi kerugian, sehingga daya yang dihasilkan turbin dapat dihitung dengan persamaan berikut:
P = h . ms . ηi . ηm (KW)...(2.2)
dimana :
h : selisih entalpi dari ekspansi esentropik antara uap baru masuk kedalam turbin dengan uap bekas yang keluar dari turbin , dalam KJ/Kg.
Ms : kapasitas uap (massa uap yang masuk kedalam turbin persatuan waktu).
ηi : Rendemen dalam turbin.
ηm : Rendamen mekanis dari turbin.
Dan randemen dari kopling dari turbin
ηI . ηm = ηc ...(2.3)
20 kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat pada turbin bertingkat aksi dan
reaksi. Turbin reaksi mengalami ekspansi pada sudu pengarah maupun pada sudu gerak sehingga menggerakan dan mendorong sudu dalam arah aksial. Untuk mengurangi dorongan aksial ini, adalah biasanya dengan memasang sudu-sudu gerak pada pada drum yang juga berfungsi sebagai rotor.
Proses Induction Steam Turbin
Uap masuk kedalam emergency stop valve, dimana fungsinya menutup total suplai uap dari boiler ke turbin dalam waktu yang singkat. Setelah dari stop valve, uap melewati HP control valve. Control valve ( katup pengatur ) ini digerakkan oleh sebuah balok yang diatur naik atau turun oleh sebuah silinder melalui serangkai tuas. Silinder ini menerima sinyal dari Governor.
Katup pengatur uap tekanan tinggi ( HP Control Valve ) mengatur jumlah uap yang masuk ke nosel ( pipa semprot ), yang selanjutnya menggerakkan turbin impuls satu tingkat. Energi uap yang masih tersisa kemudian menggerakkan turbin reaksi yang terdiri atas 14 tingkat. Desain turbin ini memungkinkan penggunaan uap tekanan rendah (LP steam) yang diijeksikan/induction untuk membantu menggerakkan turbin reaksi tingkat ke 13 dan tingkat ke 14.
21 dikembalikan kembali ke boiler untuk diubah menjadi uap kembali, jadi sistem yang digunakan adalah sistem tertutup.
Rumah turbin terbagi dua dalam arah horizontal yang dipasangkan pada dudukan Bantalan (Bearing Pendestal ).
Pipa keluaran uap dan kondensat dihubungkan dengan turbin memakai sambungan Flens dan arah aliran kebawah. Poros turbin terbuat dari baja tempa yang kemudian dikerjakan dengan proses permesinan. Sudu turbin terdiri dari sudu impuls dan sudu reaksi. Bantalan Luncur ( Jounal Bearing ) penyangga poros terdiri dari dua bahagian. Dudukan bagian depan juga merupakan Rumah
Bantalan Aksial (Trust Bearing) yang meredam gaya aksial. Kelonggaran yang tepat antara sudu tetap dengan sudu gerak akan menghasilkan pemanfaatan energi yang optimum.
Balancing Piston dipasang pada turbin untuk mengimbangi gaya aksial yang ditimbulkan oleh sudu reaksi. Besarnya gaya aksial bergantung kepada beban yang terjadi yang kelebihannya ditahan oleh bantalan aksial. Pada saat bersamaan Balancing piston menyekat uap tekanan tinggi didaerah sudu impuls. Diafragma memisahkan uap bertekanan tinggi dengan uap bertekanan rendah. Turbin dikontrol oleh governor hidrolik.
Pompa pelumas utama dan Impeler dari governor diputar oleh turbin melalui roda gigi. Governor adalah sebagai pengatur yang berfungsi untuk mengurangi aliran uap ke turbin bila kecepatan putar melebihi yang diinginkan (Over Speed).
Bagian – bagian Turbin Uap
Dari data yang didapatkan dari Blue Book dan menurut lampiran dari gambar Turbin Part SR 434450 maka bagian – bagian Turbin dapat diuraikan sebagai berikut :
1. CASSING
22 Adalah bagian turbin yang berputar yang terdiri dari poros, sudu turbin atau deretan sudu yaitu Stasionary Blade dan Moving Blade. Untuk turbin
bertekanan tinggi atau ukuran besar, khususnya unuk turbin jenis reaksi maka motor ini perlu di Balanceuntuk mengimbagi gaya reaksi yang timbul secara aksial terhadap poros.
3. BEARING PENDESTAL
Adalah merupakan kekdudukan dari poros rotor. 4. JOURNAL BEARING
Adalah Turbine Part yang berfungsi untuk menahan Gaya Radial atau Gaya Tegak Lurus Rotor.
5. THRUST BEARING
adalah Turbine Part yang berfungsi untuk menahan atau untuk menerima gaya aksial atau gaya sejajar terhadap poros yang merupakan gerakan maju
mundurnya poros rotor. 6. MAIN OLI 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.
Sebagai Pembersih ( Oil Cleaner ) dimana oli yang telah kotor sebagai akibat dari benda-benda yang berputar dari turbin akan terdorong ke luar secara sirkuler oleh oli yang masuk .
7. GLAND PACKING
Sebagai Penyekat untuk menahan kebocoran baik kebocoran Uap maupun kebocoran oli.
23 Mempunyai fungsi yang sam dengan gland packing.
9. IMPULS STAGE
Adalah sudu turbin tingkat pertama yang mempunyai sudu sebanyak 116 buah 10. STASIONARY BLADE
Adalah sudu-sudu yang berfingsi untuk menerima dan mengarahkan steam yang masuk.
11. MOVING BLADE
Adalah sejumlah sudu-sudu yang berfungsi menerima dan merubah Energi Steam menjadi Energi Kinetik yang akan memutar generator.
12. CONTROL VALVE
Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk mengatur steam yang masuk kedalam turbin sesuai dengan jumlah Steam yang diperlukan.
13. STOP VALVE
Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk menyalurkan atau menghentikan aliran steam yang menuju turbin.
14. REDUCING GEAR
Adalah suatu bagian dari turbin yang biasanya dipasang pada turbin-turbin dengan kapasitas besar dan berfungsi untuk menurunkan putaran poros rotor dari 5500rpm menjadi 1500 rpm.
Bagian-bagian dari Reducing Gear adalah :
Gear Cassing adalah merupakan penutup gear box dari bagian-bagian dalam reducing gear.
Pinion ( high speed gear ) adalah roda gigi dengan type Helical yang putarannya merupakan putaran dari shaft rotor turbin uap.
Gear Wheal ( low speed gear ) merupakan roda gigi type Helical yang putarannya akan mengurangi jumlah putaran dari Shaft rotor turbin yaitu dari 5500 rpm menjadi 1500 rpm.
24 Pinion Holding Ring yaitu ring berfungsi menahan Pinion Bearing
terhadap gaya radial shaft pinion gear.
Wheel Bearing yaitu bantalan yang berfungsi menerima atau menahan gaya radial dari shaft gear wheel.
Wheel Holding Ring adalah ring penahan dari wheel Bearing terhadap gaya radial atau tegak lurus shaft gear wheel.
Wheel Trust Bearing merupakn bantalan yang berfungsi menahan atau menerima gaya sejajar dari poros gear wheel ( gaya aksial ) yang merupakan gerak maju mundurnya poros.
2.3.3 Klasifikasi turbin uap
Turbin Uap dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori yang berbeda berdasarkan pada konstruksinya, prinsip kerjanya dan menurut peoses penurunan tekanan uap sebagai berikut:
2.3.3.1 Berdasarkan Prinsip Kerjanya 2. Turbin Impulse
Turbin impuls 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.
Turbin satu tahap.
Turbin impuls gabungan.
Turbin impuls gabungan kecepatan. Ciri-ciri dari turbin impuls antara lain:
- Proses pengembangan uap / penurunan tekanan seluruhnya terjadi pada sudu diam / nosel.
- Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan Tekanan Rata. 3. Turbin Reaksi
25 berfungsi sebagai nossel bentuknya sama dengan sudu tetap walaupun
arahnya lengkungnya berlawanan. Ciri-ciri turbin ini adalah :
- Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di Nosel dan Sudu Gerak
- Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut Tekanan Bertingkat.
2.3.3.2 Berdasarkan pada 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 2 atau lebih. Sehingga turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan.
2.3.3.3 Turbin Berdasarkan Proses Penurunan Tekanan Uap Turbin Kondensasi.
Tekanan keluar turbin kurang dari 1 atm dan dimasukkan kedalam kompresor.
Turbin Tekanan Lawan.
Apabila tekanan sisi keluar turbin masih besar dari 1 atm sehingga masih dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin lain.
Turbin Ekstraksi.
26 2.3.4 Generator Sinkron
Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan generator sinkron. Oleh sebab itu generator sinkron memegang peranan penting dalam sebuah pusat pembangkit listrik. Generator sinkron (sering disebut alternator) merupakan sebuah mesin sinkron yang berfungsi mengubah energi mekanik berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC).
Generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin sinkron tidak dapat start sendiri karena kutub-kutub tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala-jala. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga phasa atau generator sinkron satu phasa.
2.3.4.1 Konstruksi Generator Sinkron
Pada prinsipnya, konstruksi Generator sinkron sama dengan motor sinkron. Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu generator sinkron memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke-stator.
27 Gambar 2.6 Konstruksi generator sinkron secara umum
A. Rotor
Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang kemudian tegangan dihasilkan dan akan diinduksikan ke stator. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu :
1.) Rotor berbentuk kutub sepatu (salient pole)
2.) Rotor berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical) 1. Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor)
Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, di mana kutub-kutub diberi laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy, kumparan-kumparan medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek.
28 Gambar 2.7 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron
Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120-400 rpm). Generator sinkron tipe seperti ini biasanya dikopel oleh mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan untuk putaran rendah dan sedang karena :
• Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.
• Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi yang besar dan bersuara bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.
2. Rotor kutub tak menonjol (Rotor Silinder)
29 Gambar 2.8 Rotor Kutub tak Menonjol Generator Sinkron
Rotor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu : 1. Slip Ring
Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke-slip ring ini kemudian dihubungkan kesumber arus searah melalui sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.
2. Sikat
Sebagaian dari generator sinkron ada yang memiliki sikat ada juga yang tidak memiliki sikat. Sikat pada generator sinkron berfungsi sebagai saklar putar untuk mengalirkan arus DC ke-kumparan medan pada rotor generator sikron. Sikat terbuat dari bahan karbon tertentu.
3. Kumpara rotor (kumparan medan)
Kumparan medan merupakan unsure yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi tertentu.
4. Poros Rotor
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor.
B. Stator
30 lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam (tidak bergerak). Oleh karena itu, komponen ini juga disebut dengan stator. Lilitan armatur generator dalam wye dan titik netral dihubungkan ke tanah. Lilitan dalam wye dipilih karena: 1. Meningkatkan daya output.
2. Menghindari tegangan harmonik, sehingga tegangan line tetap sinusoidal dalam kondisi beban apapun.
Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permeabilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Gambar 2.9 berikut memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar
Gambar 2.9 Inti Stator dan Alur Pada Stator 2.3.4.2 Prinsip kerja
Adapun prinsip kerja dari suatu generator sinkron adalah:
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya persamaan (6.1) dimana : � =120�
31 p = Jumlah kutub rotor
f = frekuensi (Hz)
3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor, akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan persamaan
dimana : �= −��∅�� ...(2.5)
�= −��∅���� sin ���� ...(2.6)
�= −��∅��������� ...(2.7)
E = ggl induksi (Volt) N = Jumlah belitan C = Konstanta p = Jumlah kutub n = Putaran (rpm) f = Frequensi (Hz)
ϕ = Fluks magnetik (weber)
32 2.3.4.3 Reaksi Jangkar
Bila beban terhubung ke terminal generator maka pada belitan stator akan mengalir arus, sehigga timbul medan magnet pada belitan stator. Medan magnet ini akan mendistorsi medan magnet yang dihasilkan belitan rotor. Seperti yang dijelaskan pada Gambar:
Gambar 2.10 Model Reaksi Jangkar
2.3.3. 4 Sistem Eksitasi
Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi terdiri dari dua jenis yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan sikat (brushless excitation) dan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless). Ada dua jenis sistem eksitasi dengan menggunakan sikat yaitu :
1. Sistem eksitasi konvensional (menggunakan generator arus searah). 2. Sistem eksitasi statis.
Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat terdiri dari : 1. Sistem eksitasi dengan menggunakan baterai.
2. Sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator (PMG)
33 Dalam prinsip dasar konversi energi kita mengacu pada hukum kekekalan energi yaitu energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan melainkan hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.
Hampir semua bentuk energi, sebelum diubah menjadi energi listrik harus diubah dulu menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. Termasuk diantaranya energi dalam bentuk angin, aliran air dan aliran uap semuanya harus diubah terlebih dahulu menjadi energi mekanik berbentuk putaran agar bisa dikonversikan menjadi energi listrik. Sementara uap diperoleh melalui proses pemanasan air di dalam boiler dan boiler memerlukan bahan bakar. Jadi, secara sederhana dapat kita katakan bahwa segala sesuatu yang dapat dibakar dan dipergunakan untuk memanaskan air sehingga air tersebut berubah menjadi uap bertekanan yang akan digunakan untuk memutar turbin uap yang dikopel dengan generator, dapat diubah menjadi energi listrik.
Pelet Kaliandra Merah dapat dijadikan bahan bakar merupakan sebuah PLTU.
PLTU menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang. Urutan sirkulasinya secara singkat adalah sebagai berikut:
1. Air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh luas permukaan pemindah panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap.
2. Uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran.
34 Uap bekas keluar turbin masuk ke kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air. Air kondensat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler. Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.
Sekalipun siklus fluida kerjanya merupakan siklus tertutup, namun jumlah air dalam siklus akan mengalami pengurangan. Pengurangan air ini disebabkan oleh kebocoran - kebocoran baik yang disengaja maupun yang tidak disengaja. Untuk mengganti air yang hilang, maka perlu adanya penambahan air kedalam siklus. Kriteria air penambah (make up water) ini harus sama dengan air yang ada dalam siklus.
Adapun bahan bakar boiler pada PLTU ini adalah pelet kayu Pohon Kaliandra Merah. Pohon Kaliandra Merah yang sudah ditebang, dikurangi kadara airnya, kemudian diolah menjadi potongan-potongan kecil berupa pelet.
2.3.6 Peralatan Utama pada PLTU berbahan Bakar Pelet Kaliandra a. Raw Water Tank
Raw Water Tank berfungsi untuk tempat penampungan air hasil
demineralisasi.
b. Water Treatment Plant ( WTP )
WTP berfungsi sebagai tempat terjadinya proses demineralisasi air. Air ini yang akan disuplai ke boiler.
c. Circuling Water Pump
Circuling Water Pump berfungsi sebagai pompa untuk menyirkulasi air.
35 Tempat dikumpulkannya air sebelum disupply ke boiler.
e. Boiler Feed Pump
Pompa untuk memompakan air dari Feed Water Tank ke dalam boiler.
f. Economizer
Adalah suatu perangkat mekanik yang dimaksudkan untuk mengurangi konsumsi energi, atau untuk melakukan fungsi lain, seperti memanaskan cairan.
g. Boiler
Suatu boiler (pembangkit uap) merupakan kombinasi kompleks dari economizer, ketel, pemanas lanjut, pemanas ulang, dan pemanas udara awal.
Ketel adalah bagian dari pembangkit uap di mana air jenuh diubah menjadi uap jenuh. Ketel ini dapat diklasifikasikan berdasar:
1. Jenisnya
a. Ketel tangki b. Ketel pipa air c. Ketel pipa api
2. Bahan Bakar yang Digunakan
a. Padat (dalam hal ini, pelet kayu Pohon Kaliandra Merah). b. Cair
c. Gas 3. Kegunaan
36 b. Di laut atau transportasi (locomobile)
4. Tekanan Kerja a. Rendah (≤ 5 ata )
b. Menengah (medium) (5 ÷ 40 ata) c. Tinggi (40 ÷ 80 ata)
d. Ekstra tinggi (super kritis) 5. Produksi Uap
a. Kecil (≤ 250 kg/jam)
b. Menengah (250 ÷ 5000 kg/jam) c. Besar (> 5000 kg/jam)
h. Boiler Drum
Merupakan sebuah wadah air / uap di ujung atas tabung air. Boiler drum menyimpan uap yang dihasilkan oleh tabung air dan bertindak sebagai pemisah antara uap dan air [6].
i. Turbin Uap
Turbin uap merupakan mesin dengan aliran tetap, di mana uap melalui nosel diekspansikan ke sudu – sudu turbin dengan penurunan tekanan yang drastis sehingga terjadi perubahan energi kinetik pada uap. Energi kinetik uap yang keluar dari nosel diberikan pada sudu – sudu turbin.
Nosel adalah saluran yang mempunyai luas permukaan bervariasi sehingga dirancang untuk menurunkan tekanan dari bagian masuk ke bagian keluar guna mempercepat aliran.
37 Merupakan mesin listrik yang berfungsi mengubah energi mekanik berupa putaran menjadi energi listrik. Generator yang umumnya digunakan dalam pusat listrik adalah generator sinkron tiga fasa. Generator ini diputar satu poros dengan turbin. Dapat dikopel langsung dengan turbin ataupun dikopel dengan gear reducer terlebih dahulu sebelum dikopel dengan turbin dengan tujuan memperoleh kecepatan putar yang sesuai.
k. Kondensor
Kondensor adalah tempat terjadinya proses kondensasi/ pengembunan. Adapun tujuan kondensasi uap adalah:
Agar diperoleh air pengisi ketel bersuhu tinggi yang dapat dialirkan ke ketel uap dengan bantuan pompa.
1. Dengan proses kondensasi, uap dapat dikeluarkan dari penggerak utama dengan tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfer secara lebih ekonomis. Kerja yang dihasilkan sebagian besar diperoleh dari proses ekspansi uap.
2. Efisiensi termodinamik lebih besar, tekanan balik akan rendah. Akan tetapi perlu diketahui bahwa seiring dengan turunnya tekanan balik, akan diikuti dengan kenaikan harga peralatan.
Ditinjau dari proses pencampuran air pendingin dengan uap, kondensor dapat digolongkan dalam dua kelas:
1. Kondensor jet
38 Pada kondensor tipe jet, proses kondensasi dari uap dilakukan dengan pencampuran uap dengan air. Air untuk kebutuhan kondensasi uap harus murni, minimal sama dengan kualitas air kondensat yang menuju suatu sumber panas. Air pengisi ketel diambil dari sumber panas.
Kondensor jet dapat digolongkan menurut arah dari aliran air dan uap, yaitu aliran sejajar dan aliran berlawanan. Selain itu ada pula jenis ejektor dan kondensor barometer. Pada kondensor jet jenis aliran sejajar, uap dan percikan air pendingin dimasukkan dari sisi atas dan kemudian bersama – sama jatuh ke bawah akibat gaya gravitasi. Pada kondensor jet jenis aliran berlawanan, uap mengalir menuju bagian atas melintasi kondensor dan bertemu dengan air pendingin yang dialirkan dari sisi atas. Pengeluaran udara terapat di bagian atas dan pemisahan air berada di bagian bawah kondensor. Pada kondensor jenis ejektor terdapat sejumlah pipa konus yang di dalamnya terjadi pencampuran uap dan air. Energi kinetik uap dimanfaatkan untuk menggerakkan air pendingin dari dalam kondensor menuju sumber panas yang bertekanan atmosfer. Kondensor jet barometer mempunyai pipa keluaran yang panjang dan dipasang tegak lurus. Kegunaan pipa ini ialah untuk mengalirkan air hasil kondensasi yang bersuhu tinggi ke tangki penyimpanan di bagian bawah kondensor tanpa bdantuan pompa. Udara dikeluarkan dari bagian atas kondensor.
