BAB II DASAR TEORI
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Uap
Pembangkit Listrik Tebaga Uap (PLTU) adalah suatu pusat pembangkit
tenaga listrik yang menggunakan turbin uap sebagai penggerak mulanya atau
dengan kata lain menggunakan energi uap untuk memutar turbin. 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:
Pertama air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh permukaan pemindah panas. Di dalam boiler, air ini mendapatkan panas dengan
menyerap gas panas hasil pembakaran bahan bakar batubara, HSD serta
udara sehingga berubah menjadi uap untuk memutar turbin.
Kedua, uap hasil prduksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu
diarahkan untuk memutar turbin HP (High Pressure), IP (intermediet
Pressure) dan LP (Low Pressure) sehingga menghasilkan daya mekanik
berupa putaran.
Ketiga, generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar
menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan megnet
dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik
dari terminal output generator.
Keempat, Uap bekas keluaran turbin masuk kedalam kondensor untuk
didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air
kondensat. Air kondensat hasil kondensiasi uap kemudian digunakan lagi
sebagai air pengisian boiler.
Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.
Gambar 2.1 dibawah ini akan menjelaskan garis besar prinsip kerja dari
Gambar 2.1 Siklus fluida kerja sederhana pada PLTU
2.2 Siklus Rankine
Siklus kerja PLTU yang merupakan siklus tertutup dapat digambarkan
dengan diagram T - s (Temperatur – entropi). Siklus ini adalah penerapan siklus
rankine ideal. Gamabar 2.2 menunjukkan urutan kerja dari diagram T – s Siklus
PLTU.
Gambar 2.2 Diagram T–s Siklus PLTU (Siklus Rankine)
1 - 2 : Air dipompa dari tekanan P2 menjadi P1. Langkah ini adalah
langkah kompresi isentropis, dan proses ini terjadi pada pompa air pengisi. 2 - 3 : Air bertekanan ini dinaikkan temperaturnya hingga mencapai titik
wujud menjadi uap jenuh. Langkah ini disebut vapourising (penguapan)
dengan proses isobar isothermis, terjadi di boiler yaitu di wall tube (riser)
dan steam drum.
3 - 4 : Uap dipanaskan lebih lanjut hingga uap mencapai temperatur
kerjanya menjadi uap panas lanjut (superheated vapour). Langkah ini
terjadi di superheater boilerdengan proses isobar.
4 - 5 : Uap melakukan kerja sehingga tekanan dan temperaturnya turun.
Langkah ini adalah langkah ekspansi isentropis, dan terjadi didalam
turbin.
5 - 1 : Pembuangan panas laten uap sehingga berubah menjadi air
kondensat.Langkah ini adalah isobar isothermis, dan terjadi didalam
kondensor. [8]
2.3 Blok Diagram PLTU
PLTU Pangkalan Susu UPK Kitsum 2 adalah PLTU terbesar di Pulau
Sumatera (2 Unit) dengan kapasitas 2 X 220 MW. PLTU merupakan pusat
pembangkit tenaga listrik dengan menggunakan turbin uap sebagai penggerak
mula dari generator. Gambar 2.3 merupakan blok diagram dari Pangkalan Susu. [8]
2.4 Peralatan-Peralatan Pendukung PLTU 2.4.1 Desalination Plant [8]
Fungsi desalination plant adalah mengolah air laut menjadi air murni.
Proses desalination yang umum dilakukan adalah dengan cara menguapkan
(evaporating) air laut. Bila air laut dipanaskan, maka airnya akan menjadi uap
dan garam-garamnya akan tertinggal. Selanjutnya bila uap tersebut didinginkan
akan diperoleh air kondensat yang disebut air desal atau fresh water.
Gambar 2.4 berikut ini menunjukkan skema dari desalination plant di PLTU
Pangkalan Susu.
Gambar 2.4 Skema Desalination Plant
Untuk lebih jelasnya berikut proses desalinasi air laut:
1. Air laut yang menjadi bahan baku utama dialirkan menuju sea water pit, dan
untuk menghambat pertumbuhan biota-biota laut diinjeksikan Chlorin dengan
kadar tertentu. Selanjutnya air laut difiltrasi untuk menghilangkan
kotoran-kotoran yang berukuran besar.
2. Dari sea water pit, air laut dialirkan menuju primary filter dengan
menggunakan sebuah pompa. Diperjalanan, air tersebut diinjeksi senyawa
berukuran kecil menjadi partikel-partikel berukuran lebih besar sehingga lebih
mudah dilakukan proses filtrasi.
3. Kemudian air laut selanjutnya dipanaskan dalam pemanas garam dan
kemudian dialirkan ke dalam chamber
4. Air laut yang telah panas mengalir dari tahap bertemperatur tinggi ke tahap
bertemperatur rendah melalui suatu bukaan kecil, sementara itu penguapan
tiba-tiba (flash evaporates) terjadi dalam chamber
5. Uap air yang terjadi dalam chamber pada setiap tahap mengalir melalui
pemisah, dan mengeluarkan panas laten ke dalam tabung penukar panas
sementara air laut mengalir melalui bagian dalam dan kemudian uap
berkondensasi. Air yang terkondensasi dikumpulkan dalam penampung dan
kemudian dipompa keluar sebagai air tawar.
2.4.2 Demineralizer Plant [8]
Berfungsi untuk menghilangkan kadar mineral (ion) yang terkandung dalam
air tawar. Air sebagai fluida kerja PLTU harus bebas dari mineral, karena jika air
masih mengandung mineral berarti konduktivitasnya masih tinggi. Hal ini dapat
menimbulkan korosi pada peralatan PLTU. Gambar 2.5 di bawah ini
menunjukkan skema dari Demineralizer Plant di PLTU Pangkalan Susu.
Berikut proses demineralisasi air laut:
1. Air laut dipompakan menuju filter (reverse osmosis) yang mengalirkan air
asin yang berkonsentrasi tinggi menuju air tawar yang berkonsentrasi rendah
melalui suatu membrane semipermeabel
2. Kemudian air tawar dipompa menuju tangki tempat pertukaran kation.
Dimana HCL disuntikkan yang akan menukar ion-ion positif dalam air seperti
Ca, Mg, Na dengan ion H+
3. Air dipompakan lagi menuju sebuah tangki dimana CO2 harus dihilangkan
karena ia akan membentuk bikarbonat di dalam air dan dapat menurunkan pH.
Proses ini dengan jalan menghembuskan udara ke dalam tangki air sisi bawah
4. Air dipompakan lagi menuju tangki tempat pertukaran anion. Air yang keluar
dari cation bersifat asam maka NaOH perlu disuntikkan, anion menukar
ion-ion negatif dalam air seperti Cl, SO4, SiO2 dengan ion-ion OH- .
5. Kemudian air dipompakan lagi ketangki terakhir dimana HCl dan NaOH
disuntikkan kembali untuk memastikan tidak ada lagi ion ion positif dan
negative seperti Ca, Mg, Na, SO4, SiO2.
6. Air yang keluar dari hasil pertukaran ion ini disebut sebagai air demin dengan
konduktivitas rendah yang akan digunakan dalam proses siklus air-uap di
PLTU Pangkalan Susu
Gambar 2.5 Skema Demineralizer Plant
2.4.3 Reverse Osmosis (RO) [8]
Mempunyai fungsi yang sama seperti desalination plant namun metode
yang digunakan berbeda. Pada peralatan ini digunakan membran semi permeable
yang dapat menyaring garam-garam yang terkandung pada air laut, sehingga dapat
dihasilkan air tawar seperti pada desalination plant. Gambar 2.6 berikut ini
menunjukkan skema prinsip reverse osmosis di PLTU Pangkalan Susu dimana air
laut yang berkonsentrasi tinggi mengalir menuju air tawar yang berkonsentrasi
Gambar 2.6 Prinsip Osmosis dan Reverse Osmosis
2.4.4 Auxiliary Boiler (Boiler Bantu) [2] [8]
Pada umumnya merupakan boiler berbahan bakar minyak (fuel oil), yang
berfungsi untuk menghasilkan uap (steam) yang digunakan pada saat boiler utama
start up maupun sebagai uap bantu (auxiliary steam).
Penggunaan Auxiliary Boiler hanya bersifat sementara yaitu ketika unit
(boiler) utama masih belum menghasilkan utama.Jika unit sudah beroperasi
normal, pasokan dapat diambil dari ketel utama sehingga auxiliary boiler dapat
dimatikan.
2.4.5 Coal Handling System [8]
Coal handling system berfungsi menangani mulai dari pembongkaran
batubara dari kapal/tongkang (unloading area), penimbunan/penyimpanan di
stock area atapun pengisian ke bunker (power plant) yang digunakan untuk
pembakaran di Boiler. Alat transportasi yang digunakan dengan system conveyor.
2.4.6 Ash Handling (Unit Pembuangan Abu) [2] [8]
Ash handling Plant merupakan peralatan yang berfungsi sebagai
penampung dan penyalur abu sisa pembakaran yang berasal dari ruang bakar
(furnace).Ash handling Plant mempunyai 2 buah bagian / system, yaitu :
a. Fly Ash System
Fly Ash system adalah peralatan Ash Handling yang berfungsi menyalurkan
abu terbang (fly ash) yang merupakan sisa pembakaran dari ruang bakar boiler.
melalui ruang yang telah dipasang EP (Electrostatic Precipitator). Partikel abu
yang terdapat dalam sisa pembakaran akan ditangkap oleh EP dan disalurkan
ke pembuangan melalui Transporter atau Conveyor.
b. Bottom Ash
Bottom Ash System adalah sistem Ash Handling Plant yang khusus menangani
atau menyalurkan abu sisa pembakaran dari bagian bawah ruang bakar. Selain
menangani dan menyalurkan abu dari dalam furnace, Bottom Ash System juga
menyalurkan abu yang berasal dari Ruang Economizer dan coal rejhect dari
Pulverizer.
2.5 Bagian-Bagian Utama PLTU 2.5.1 Boiler [2] [8]
Boiler atau ketel uap adalah suatu perangkat mesin yang berfungsi untuk
mengubah air menjadi uap. Proses perubahan air menjadi uap terjadi dengan
memanaskan air yang berada di dalam pipa-pipa dengan memanfaatkan panas dari
hasil pembakaran bahan bakar. Pembakaran dilakukan secara kontinyu di dalam
ruang bakar dengan mengalirkan bahan bakar dan udara dari luar.
Uap yang dihasilkan boiler adalah uap superheat dengan tekanan dan
temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap tergantung pada luas permukaan
pemindah panas, laju aliran, dan panas pembakaran yang diberikan.
Jika dioperasikan dengan benar, boiler secara efisien dapat mengubah air
dalam volume yang besar menjadi steam yang sangat panas dalam volume yang
lebih besar lagi yang akan digunakan untuk memutar turbin.
Spesifikasi utama dari boiler yang digunakan di PLTU Pangkalan Susu akan
Tabel 2.1 Spesifikasi Boiler
Bagian-Bagian Boiler
Economizer
Economizer adalah alat yang merupakan pemanas air terakhir sebelum masuk
ke drum. Di dalam economizer air menyerap panas gas buang yang keluar dari
superheater sebelum dibuang ke atmosfir melalui cerobong. Sumber panas
yang diperlukan oleh alat tersebut berasal dari gas buang dalam boiler dengan
suhu ±460,1 oC.
Steam Drum.
Steam drum berfungsi sebagai pemisah uap dan air pada boiler, uap yang
dihasilkan akan menuju ke turbin, sebelum ke turbin uap yang dihasilkan
masih berupa uap basah dimana uap ini belum effektif untuk memutar turbin
karena masih mengandung air yang dapat merusak turbin uap, maka dari itu
uap yang basah akan melalui superheater untuk mendapatkan uap kering, lalu
Superheater
Superheater merupakan kumpulan pipa Boiler yang terletak dijalan aliran gas
panas hasil pembakaran. Superheater berfungsi untuk memanaskan uap agar
kandungan energi panas dan kekeringannya bertambah sehingga menjadi uap
superheat (uap panas lanjut). Pemasanan dilakukan dalam dua atau tiga tahap,
sebagai pemanasnya adalah gas hasil pembakaran bahan bakar. Panas dari gas
ini dipindahkan ke Saturated Steam yang ada dalam pipa Superheater,
sehingga berubah menjadi Super Heated Steam sebelum disalurkan ke Turbin.
Suhu pada Superheater 540 oC dan tekanan 13.43 MPa.g.
Reheater
Setelah tekanan dan temperatur SH Steam turun maka SH Steam tersebut akan
dikembalikan ke Boiler untuk pemanasan ulang. Pemanasan ulang ini
berlangsung di bagian Boiler yang disebut Re-Heater yang merupakan
kumpulan pipa Boiler yang diberi panas dari gas pembakaran seperti
Superheater dengan suhu inlet/outlet 322oC/540oC dan tekanan inlet/outlet
2,7/2,505 MPa.g. Di bagian Re-Heater, SH Steam akan dikembalikan untuk
memutar Intermediate Presure Turbine (IP) dan Low Presure Turbine (LP).
Air Preheater
Air Pre-Heater adalah instrument yang sistem kerjanya berputar dengan
putaran rendah dan berfungsi untuk memanasi udara pembakaran dengan suhu
350oC dan tekanan 500 Pa sebelum dikirim ke Furnace dan mendinginkan
udara keluar dengan suhu 140oC dan tekanan 1 kPa menuju stack (cerobong).
Furnace adalah ruang dalam boiler yang dirancang terjadinya proses
pembakaran (bahan bakar+udara+api/panas). Pemanas Udara pembakaran
tersebut diambil dari gas buang hasil pembakaran dari Furnace yang dialirkan
melalui Air Pre-Heater sebelum dibuang ke Chimney. Tipe Air pre-heater
Peralatan Bantu Pada Boiler Mill Pulverizer
Pulverizer adalah alat untuk menggiling batubara sehingga menjadi halus dan
kemudian bersama dengan udara primer akan dialirkan ke Furnace dan untuk
mengeringkan batubara sehingga mudah dihaluskan dan dibakar.
Dalam penggunaan Pulverizer yang perlu diperhatikan adalah temperatur dari
udara primer, temperatur yang terlalu tinggi dapat menyalakan batubara dari
dalam Pulverizer dan menyebabkan ledakan. Jika temperatur terlalu rendah,
batubara tidak bisa kering dan sulit dihaluskan. Temperatur idealnya kira-kira
650C.
Coal Feeder
Peralatan yang berfungsi untuk mengatur laju aliran (Flow) ± 21 t/h (untuk
membangkitkan 220 MW) batu bara dari Coal Banker menuju Mill Pulverizer.
ID Fan, FD Fan dan PA Fan.
Udara pembakaran ada dua macam, yaitu udara primer dan udara sekunder.
Udara primer dipasok oleh Primary Air Fan (PA Fan) yang dihembuskan
menuju ke alat penggiling batubara (Pulverizer) dengan suhu ±50oC dan
tekanan ±15 kPa kemudian bersama-sama dengan serbuk batubara dialirkan
ke Furnace.
Udara primer tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan untuk menghasilkan
pembakaran sempurna. Untuk itulah diperlukan pasokan dari udara sekunder
yang dihasilkan oleh FD Fan dengan suhu ±30oC dan tekanan ±2 kPa bersama
ID Fan dengan suhu ±150 oC dan tekanan 300 Pa.
Gambar 2.7 di bawah ini akan menunnjukkan siklus air dan uap pada boiler
Gambar 2.7 Siklus Air dan Uap pada Boiler PLTU Pangkalan Susu
2.5.2 Turbin Uap [4] [8]
Turbin uap berfungsi untuk mengkonversi energi panas yang dikandung
oleh uap menjadi energi putar (energi mekanik). Poros turbin dikopel dengan
poros generator sehingga ketika turbin berputar generator juga ikut berputar.
Uap yang telah melakukan kerja di turbin tekanan dan temperatur turun
hingga kondisinya menjadi uap basah.Uap keluar turbin ini kemudian dialirkan
kedalam kondensor untuk didinginkan agar menjadi air kondensat, sedangkan
tenaga putar yang dihasilkan digunakan untuk memutar generator.
Jenis Turbin Uap
Jenis turbin menurut prinsip kerjanya terdiri dari :
1. Turbin Impuls (aksi)
Turbin impuls atau turbin tekanan tetap, adalah turbin yang ekspansi
uapnya hanya terjadi pada sudu-sudu tetap atau nosel. Ketika uap
melewati sudu tetap, maka tekanan turun dan uap mengalami peningkatan
energi kinetik. Sudu-sudu tetap berfungsi sebagai nosel (saluran pancar)
dan mengarahkan aliran uap ke sudu-sudu gerak. PLTU Pangkalan Susu
2. Turbin Reaksi
Pada turbin reaksi penurunan tekanan terjadi pada sudu tetap dan sudu
gerak. Kedua jenis turbin ini mempunyai karakteristik yang berbeda
seperti ditunjukkan dalamgambar dibawah. Gambar 2.8 berikut ini
menunjukkan jenis turbin uap dan karakeristiknya.
Gambar 2.8 Jenis Turbin Uap dan Karakteristiknya
Bagian Turbin Uap
Casing
Casing adalah bagian yang diam merupakan rumah atau wadah dari rotor.Pada
casing terdapat sudu-sudu diam (disebut stator) yang dipasang melingkar dan
berjajar terdiri dari beberapa baris yang merupakan pasangan dari sudu gerak
pada rotor.Sudu diam berfungsi untuk mengarahkan aliran uap agar tepat
dalam mendorong sudu gerak pada rotor.
Rotor
Rotor adalah bagian yang berutar terdiri dari poros dan sudu-sudu gerak yang
terpasang mengelilingi rotor. Jumlah baris sudu gerak pada rotor sama dengan
gerak disebut tingkat (stage).Sudu gerak (rotor) berfungsi untuk mengubah
energi kinetik uap menjadi energi mekanik.
Bantalan
Fungsi bantalan adalah untuk menopang dan menjaga rotor turbin agar tetap
pada posisi normalnya. Ada dua macam bantalan pada turbin, yaitu:
- Bantalan journal yang berfungsi untuk menopang dan mencegah poros
turbin daripergeseran arah radial
- Bantalan aksial (thrust bearing) yang berfungsi untuk mencegah turbin
bergeserkearah aksial.
Katup Utama
Katup utama turbin terdiri dari :
Main Stop Valve (MSV)
Katup ini berfungsi sebagai katup penutup cepat jika turbin trip atau sebagai
katup pengisolasi turbin terhadap uap masuk. MSV bekerja dalam dua posisi
yaitu menutup penuh atau membuka penuh. Pada saat turbin beroperasi maka
MSV membuka penuh. Sebagai penggerak untuk membuka MSV digunakan
tekanan minyak hidrolik. Sedangkan untuk menutupnya dengan kekuatan
pegas.
Governor Valve (GV)
Turbin harus dapat beroperasi dengan putaran yang konstan pada beban yang
berubah ubah. Untuk membuat agar putaran turbin selalu tetap digunakan
governor valve yang bertugas mengatur aliran uap masuk turbin sesuai dengan
bebannya. Sistem governor valve yang digunakan umumnya adalah mechanic
hydraulic (MH) atau electro hydraulic (EH).
Pada turbin dengan kapasitas > 100 MW dilengkapi dengan katup uap reheat,
yaitu Reheat Stop Valve (RSV) dan Interceptor Valve (ICV).
Spesifikasi utama dari turbin uap yang digunakan di PLTU Pangkalan Susu
Tabel 2.2 Spesifikasi Turbin Uap
2.5.3 Kondensor [8]
Kondensor berfungsi untuk mengkondensasikan uap bekas dari turbin (uap
yang telah digunakan untuk memutar turbin).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). Kebutuhan air untuk pendingin
di kondensor sangat besar sehingga dalam perencanaan biasanya sudah
diperhitungkan. Air pendingin diambil dari sumber yang cukup persediannya,
yaitu dari danau, sungai atau laut. Posisi kondensor umumnya terletak dibawah
turbin sehingga memudahkan aliran uap keluar turbin untuk masuk kondensor
karena gravitasi.
Konstruksi Kondensor
Aliran air pendingin ada dua macam, yaitu satu lintasan (single pass) atau
dua lintasan (double pass). Untuk mengeluarkan udara yang terjebak pada water
box (sisi air pendingin), dipasang venting pump atau priming pump.Udara dan non
condensable gas pada sisi uap dikeluarkan dari kondensor dengan ejector atau
Gambar 2.9 berikut ini menunnjukkan konstruksi dari kondensor yang digunakan
di PLTU Pangkalan Susu.
Gambar 2.9 Konstruksi Kondensor
2.5.4Generator Sinkron [3] [8]
Tujuan utama dari kegiatan di PLTU adalah menghasilkan energi
listrik.Produksi energi listrik merupakan target dari proses konversi energi di
PLTU. Generator yang dikopel langsung dengan turbin akan menghasilkan
tegangan listrik ketika turbin berputar. Gambar 2.10 berikut ini merupakan
Generator PLTU dengan main exciter dan pilot exciter.
Proses konversi energi didalam generator adalah dengan memutar medan
magnet didalam kumparan. Rotor generator sebagai medan magnet menginduksi
kumparan yang dipasang pada stator sehingga timbul tegangan diantara kedua
ujung kumparan generator. Untuk membuat rotor agar menjadi medan magnet,
maka dialirkan arus DC ke kumparan rotor. Spesifikasi utama dari generator yang
digunakan di PLTU Pangkalan Susu akan dijelaskan pada tabel 2.3 berikut ini.
Tabel 2.3 Spesifikasi Generator
Konstruksi Generator Sinkron
Generator sinkron pada prinsipnya terdiri atas 2 bagian utama, yaitu:
1. Rotor
Rotor adalah bagian generator yang berputar. Pada rotor terdapat
kumparan konduktor sebagai pembangkit medan magnet utama. Medan
magnet ini timbul karena adanya arus yang mengalir pada kumparan rotor
yang diperoleh dari exciter. Jika rotor berputar maka medan magnet akan
memotong kumparan jangkar stator, sehingga timbul gaya gerak listrik
(GGL) yang kemudian disalurkan ke terminal generator. Rotor dari generator
besar yang diputar dengan turbin uap biasanya tipe silinder dengan 2 atau 4
kutub magnet. Konstruksi rotor di PLTU Pangkalan Susu ditunjukkan pada
Gambar 2.11 Rotor Non- sailent dan penampang rotor pada generator sinkron di PLTU Pangkalan Susu
2. Stator
Stator terdiri dari casing yang berisi kumparan dan rotor yang merupakan
medan magnet listrik terdiri dari inti yang berisi kumparan.Inti ini terbentuk
dari susunan plat-plat baja silikon yang mempunyai sifat kemagnetan yang
baik. Plat-plat tersebut dikompres dengan rapat sekali, tetapi diisolasi satu
sama lain dengan pernis atau kertas berisolasi. Susunan plat baja silikon yang
membentuk inti ini biasanya disebut laminasi. Laminasi-laminasi ini
membentuk saluran yang baik sekali bagi flux magnet yang dihasilkan oleh
rotor. Isolasi pada laminasi mengurangi besarnya arus pusar, sehingga
mengurangi rugi-rugi panas. Gambar 2.12 di bawah ini menunjukkan
Gambar 2.12 Stator Generator di Pangkalan Susu
Prinsip kerja generator adalah sebagai berikut:
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.
= .
dimana : n = Kecepatan putar rotor (rpm) 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
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 :
= −� �
= −� � �� � �
= −� � � �� cos � .
bila: � = �
= −� � � �� cos � .
bila:
=
�.= −� ( . � . . ) � �� cos � .
�� = � ( . , . . ) � �� .
= ��
√ =
� . , . . � ��
√
= , � � �� .
bila:
= , �
maka:
= . . � �� .
Dimana:
Eeff = ggl induksi (Volt) n = Putaran (rpm)
C = Konstanta Φmaks = Fluks magnetik (weber)
p = Jumlah kutub
Untuk generator sinkron tiga fasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang
ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan
kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada
ketiga kumparanjangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sama
lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk
menghasilkan energi listrik. [12]
Reaksi Jangkar Generator Sinkron [12]
Saat generator sinkron bekerja pada beban nol tidak ada arus yang mengalir
melalui kumparan jangkar (stator), sehingga yang ada pada celah udara hanya
fluksi arus medan rotor. Namun jika generator sinkron diberi beban, arus jangkar
Ia akan mengalir dan membentuk fluksi jangkar. Fluksi jangkar ini kemudian
mempengaruhi fluksi arus medan dan akhirnya menyebabkan berubahnya harga
tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian dikenal sebagai reaksi
jangkar seperti pada gambar 2.13 berikut :
Keterangan gambar :
a) Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi EAmax
b) Tegangan resultan menghasilkan arus lagging saat generator berbeban
induktif
c) Arus stator menghasilkan medan magnet sendiri BS dan tegangan Estat pada
belitan stator
d) Vektor penjumlahan BS dan BR yang menghasilkan Bnet dan penjumlahan
Estat dan EAmax menghasilkan VΦ pada outputnya.
Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung kepada beban
dan faktor daya beban, yaitu:
1) Untuk beban resistif (cosφ = 1)
Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanya sebatas
mendistorsinya saja tanpa pengaruh kekuatannya (cross magnetizing)
2) Untuk beban induktif murni (cosφ = 0 lag)
Arus akan tertinggal 900 dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan oleh arus
jangkar akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain reaksi jangkar
akan demagnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan melemahkan
fluksi arus medan.
3) Untuk beban kapasitif murni (cosφ = 0 lead)
Arus akan mendahului tegangan sebesar 900. Fluksi yang dihasilkan arus
jangkar akan searah dengan fluksi arus medan sehingga reaksi jangkar
yang terjadi magnetizing artinya pengaruh reaksi jangkar akan menguatkan
fluksi arus medan.
4) Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif)
Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagaian magnetizing dan
sebagaian demagnetizing. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar
akan sebagian distortif dan sebagian magnetizing. Sementara itu saat beban
adalah induktif, maka reaksi jangkar akan sebagaian distortif dan sebagaian
2.6 Pengaturan Frekuensi dan Daya Aktif
Daya aktif mempunyai hubungan erat dengan nilai frekuensi sistem.
Penyediaan daya aktif harus disesuaikan dengan kebutuhan daya aktif beban,
penyesuaian ini dilakukan dengan mengatur kopel penggerak generator, sehingga
tidak ada pemborosan penggunaan daya.
Pada umumnya dalam sistem tenaga listrik digunakan generator sinkron tiga
fasa untuk pembangkit tenaga listrik yang utama. Oleh karena itu, pengaturan
frekuensi sistem tergantung pada karakteristik generator sinkron. Menurut Hukum
Newton ada hubungan antara kopel mekanik penggerak generator dengan
perputaran generator :
�− � = � .
Dimana :
TB = Kopel penggerak generator
TG = Kopel beban yang membebani generator
H = momen inersia dari generator beserta mesin penggeraknya
ω = kecepatan sudut perputaran generator
Frekuensi akan turun jika daya aktif yang dibangkitkan tidak mencukupi
kebutuhan beban dan sebaliknya frekuensi akan naik jika kelebihan daya aktif
dalam sistem. Secara mekanis apabila :
Sistem governing pada turbin berfungsi untuk mengontrol aliran uap agar
dapat mempertahankan putaran sesuai yang dikehendaki (3000 rpm untuk 50 Hz).
Sebenarnya apabila beban turbin konstan maka governing tidak diperlukan lagi
Tetapi apabila terjadi beban turbin turun dengan pembukaan katup uap yang
tetap, maka putaran akan naik akibat jumlah uap melebihi yang dibutuhkan.
Untuk mengembalikan keputaran normal maka perlu memperkecil pembukaan
katup uap agar menyesuaikan jumlah uap yang dibutuhkan. Begitu juga dengan
sebaliknya jika beban turbin naik. Untuk mengatasi hal-hal tersebut di atas, maka
governor dapat melakukan perubahan-perubahan sesuai kebutuhan secara
automatik. [9]
Speed Droop Governor
Speed Droop adalah bilangan prosentase yang menyatakan kepekaan turbin
merespon perubahan frekuensi. Semakin kecil nilai prosentase speed droop, maka
semakin peka terhadap perubahan frekuensi. Demikian pula sebaliknya, semakin
besar nilai prosentase speed droop, maka semakin malas merespon perubahan
frekuensi.
Speed droop menentukan hubungan antara sinyal pengaturan putaran
(governor) dengan output beban yang dibangkitkan oleh Generator. Speed Droop
merupakan perbandingan beban dengan frekuensi.
Makin kecil nilai speed droop dari governor maka makin peka terhadap perubahan
beban. Sekilas jika pada suatu pembangkit memiliki nilai speed droop sebesar 5 %
maka dapat dihitung :
5 % = 0,05 x 50 Hz = 2,5 Hz
Artinya sistem dibatasi untuk penurunan frekuensi maksimal 2,5 Hz dari batas
2.8 Bahan Bakar Batubara
Dalam PLTU, energi primer yang dikonversikan menjadi energi listrik
adalah bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan dapat berupa batubara (padat),
minyak (cair), atau gas. Ada kalanya PLTU menggunkan kombinasi beberapa
macam bahan bakar. Untuk setiap macam bahan bakar, komposisi perpindahan
panas berbeda. [6]
Batubara merupakan bahan baku pembangkit energi listrik yang pada
umumnya digunakan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik tenaga uap.
Batubara dibedakan berdasarkan nilai kalor serta lama proses pembentukannya.
Pengelompokan ini menunjukkan kualitas batubara yang akan membedakan nilai
ekonomis serta kegunaan batubara tersebut. Terdapat empat jenis batubara mulai
dari kualitas rendah hingga tinggi, yaitu: lignit, sub-bituminous, bituminous, dan
antrasit.
Indonesia, tersebar di pulau sumatera, kalimantan dan Sulawesi, biasa
digunakan untuk proses pemanasan. Bituminous memiliki nilai kalor 5700
kcal/kg hingga 6900 kcal/kg.
Sub-bituminus mengandung sedikit Karbon dan banyak air, dan oleh
karenanya menjadi sumber panas yang kurang efisien dibandingkan dengan
bituminous. Batubara sub-bituminous memiliki nilai kalor 4166 kcal /kg
hingga 5700 kcal/kg.
Lignit atau batu bara coklat adalah batu bara yang sangat lunak yang
mengandung air 35-75% dari beratnya. Lignit atau sering disebut sebagai
brown coal. Batubara ini merupakan batubara kelas rendah dengan nilai
Komposisi kimiawi batubara berpengaruh kuat pada daya pembakarannya.
Sifat-sifat batubara secara luas diklasifikasikan kedalam sifat fisik dan sifat kimia.
Sifat fisik batubara termasuk nilai panas, kadar air, bahan mudah menguap dan
abu. Sifat kimia batubara tergantung dari kandungan berbagai bahan kimia seperti
karbon, hidrogen, oksigen, dan sulfur.
Terdapat dua metode untuk menganalisis batubara, yaitu analisis ultimate
dan analisis proximate. Analisis ultimate menganalisis seluruh elemen komponen
batubara, padat atau gas dan analisis proximate meganalisis hanya fixed carbon,
bahan yang mudah menguap, kadar air dan persen abu. Analisis ultimate harus
dilakukan oleh laboratorium dengan peralatan yang lengkap oleh ahli kimia yang
trampil, sedangkan analisis proximate dapat dilakukan dengan peralatan yang
sederhana. [1]
2.9 Rugi – Rugi
Sesuai dengan hukum II termodinamika yang menyatakan bahwa energi
termal tidak dapat dikonversi menjadi kerja oleh proses siklus dengan efisiensi
100% maka setiap alat konversi energi akan mempunyai rugi-rugi. Pada
pembangkit listriktenaga uap terdapat tiga alat konversi energi yang bekerja pada
sistem yaitu boiler atau ketel uap, turbin uap dan generator listrik atau alternator.
Proses pembakarn dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram
aliran 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 dikandung dalam aliran masing-masing.
Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler
terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Kerugian
ditiap-tiap tingkat turbin adalah kerugian di sudu-sudu turbin, kerugian gesekan dan
kerugian ventilasi, serta kerugian kebocoran (celah). Sudu-sudu turbin adalah
suatu tempat dimana energi aliran uap harus diubah menjadi gaya keliling. [5]
Pada turbin uap terjadi kerugian gesekan dengan roda uap, harga gesekan ini
akan makin besar bila diameter roda makin besar dan makin tinggi kecepatan
roda serta makin besar kerapatan uapnya. Karena hanya sebagian dari sudu
disekeliling roda yang dimasuki/digerakkan oleh uap, maka akibatnya akan timbul
kerugian ventilasi. Bila sudu jalan yang bergerak melewati bagian yang tidak ada
nozel atau sudu pengarahnya, sehingga sudu jalan tersebut tidak dialiri/dimasuki
uap, maka pada bagian ini akan terdapat olakan pada pusaran-pusaran uap, dan
hasilnya dari peristiwa ini akan bekerja sebagai rem. Kerugian ventilasi ini
tergantung kepada panjang sudu, besarnya pemasukan uap kedalam sudu-sudu
turbin dan kecepatan keliling serta kepada kerapatan uap. Untuk turbin yang kecil
kerugian ventilasi ini dapat diketahui dengan jelas dan sangat mengurangi
efisiensi turbin. Kerugian kebocoran (celah) terdapat diantara rotor dan rumah
turbin pada ujung dari sudu pengarah dan sudu jalan. Makin pendek panjangnya
sudu dan makin besar kebutuhan celah untuk mengatasi perbedaan temperatur
pada saat turbin start, makin besarlah kerugian kebocorannya. Sebab uap tersebut
mengalir di ujung-ujung sudu melalui penampang celah tanpa bekerja
(memberikan energinya untuk bekerja).
Pertimbangan terhadap rugi-rugi mesin listrik merupakan hal yang penting
berdasarkan ketiga alasan berikut : (1) rugi-rugi menentukan efisiensi mesin dan
cukup berpengaruh terhadap biaya pemakaiannya; (2) rugi-rugi menentukan
pemanasan mesin sehingga menentukan pula keluaran daya atau ukuran yang
dapat diperoleh tanpa mempercepat keausan isolasinya; dan (3) jatuhnya tegangan
atau komponen arus yang bersangkutan dengan rugi-rugi yang dihasilkan harus
diperhitungkan dengan semestinya dalam penampilan mesin.
Rugi-rugi mekanis. Rugi-rugi ini terdiri atas gesekan sikat dan bantalan,
perlilitan, dan daya yang diperlukan untuk mengalirkan udara melalui mesin dan
(kecuali daya yang diperlukan untuk mendorong udara melalui terowongan luar
yang panjang terhadap mesin). Rugi-rugi gesekan dan perlilitan dapat diukur
dengan menentukan masukan pada mesin yang bekerja pada kecepatan yang
semestinya tetapi tidak diberi beban dan tidak diteral. Kadang-kadang juga
dimasukkan rugi-rugi inti dan ditentukan pada saat yang sama.
Rugi-rugi inti rangkaian terbuka, atau tanpa beban. Rugi-rugi inti rangkaian
terbuka terdiri atas rugi-rugi histerisis dan arus-eddy yang timbul dari perubahan
kecepatan fluks pada besi mesin dengan hanya lilitan peneral utama yang diberi
tenaga. Peda mesin dc dan mesin serempak, rugi-rugi ini terutama dialami oleh
besi armatur, meskipun pembentukan pulsa fluks yang berasal dari mulut celah
akan menyebabkan rugi-rugi pada besi medan juga, terutama pada sepatu kutub
atau permukaan besi medan. Rugi-rugi inti rangkaian terbuka dapat diperoleh
dengan mengukur masukan pada mesin pada saat bekerja tanpa beban pada
kecepatan ukuran atau frekuensi ukuran dan dengan fluks atau tegangan yang
semestinya dan kemudian mengurangan rugi-rugi perlilitan dan gesekan dan, jika
mesin tersebut bekerja sendiri selama dites, rugi-rugi I2 R armatur tanpa beban
(rugi-rugi I2 R stator beban pada motor induksi). Biasanya data diambil untuk
suatu kurva rugi-rugi inti sebagai fungsi dari tegangan armatur di sekitar tegangan
ukuran. Maka rugi-rugi inti dalam keadaan dibebani ditentukan sebagai harga
pada suatu tegangan yang besarnya sama dengan tegangan ukuran yang
merupakan perbedaan dari jatuhnya tahanan-ohm armatur pada saat dibebani
(pada mesin ac merupakan pembetulan fasor). Rugi-rugi arus eddy tergantung
pada kuadrat dari kerapatan fluks, frekuensi, dan ketebalan dari lapisan. Pada
keadaan mesin normal besarnya dapat didekati dengan:
Pe = Ke . (Bmaks. f . τ)2 (2.10)
Dimana :
τ = tebal lapisan
Bmaks = kerapatan fluks maksimum
f = frekuensi
Harga Ke tergantung pada satuan yang digunakan, volume besi, dan resistivitas
besi. Ragam dari rugi-rugi histerisis dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan
empiris saja. Persamaan yang banyak digunakan adalah :
Ph = Kh f Bnmaks (2.11)
Dimana Kh merupakan tetapan pembanding yang besarnya tergantung pada
karakteristik dan volume besi dan satuan yang dipergunakan dan pangkat n
berkisar antara 1,5 sampai dengan 2,5 dan biasa diambil 2,0 dalam
memperkirakan penampilan mesin. Pada kedua persamaan diatas frekuensi dapat
diganti dengan kecepatan dan kerapatan fluks dengan tegangan yang sesuai,
dengan mengubah besarnya tetapan pembanding juga. [11]
2.10 Efisiensi
Seperti telah kita ketahui bahwa energi masukan pada PLTU adalah
pemasukan sejumlah bahan bakar pada ruang bakar ketel uap dan dan
dikonvesikan melalui media uap sehingga keluaran dari unit pembangkit ini
adalah berupa daya listrik pada generator listrik. Keluaran dari generator listrik
berupa GGL listrik sebesar :
jadi jika nilai f dimasukkan ke persamaan di atas, maka:
= , .�. . Φ . N volt .
Karena nilai P dan N tidak berubah pada generator maka harga-harga yang tidak
berubah akan dijadikan menjadi suatu ketetapan yang kita sebut dengan konstanta
(C), sehingga persamaan lebih mudah untuk dipahami.
E = C . n . Φ .
Gambar 2.15 Rangkaian listrik generator berbeban
Dimana:
E : GGL induksi (volt)
C : konstanta
Φ : besarnya fluks magnet (Weber)
Pada generator sinkron berbeban, maka pada kumparan armatur timbul Ia
dan Xm akibatnya timbul penurunan GGL armatur tanpa beban. Tegangan
terminal Vt yang timbul adalah :
Vt = Ea – I (Ra + j Xs)
Vt = Ea – Ia Zs . Daya sebuah generator 3 phasa dinyatakan dalam rumus berikut :
= √ . ��−�. . cos φ . Atau
= . ��−� . . cos φ .
Bila generator diberi beban yang berubah -ubah maka besarnya tegangan
Resistansi jangkar, resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya
kerugian tegangan jatuh/fasa dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar.
Reaktansi bocor jangkar, saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang sudah
ditentukan, hal seperti ini disebut fluks bocor.
Reaksi jangkar, adanya arus mengalir pada kumparan jangkar saat
generator dibebani akan menimbulkan fluks jangkar (ФA) yang ber integrasi dengan fluks yang dihasilkan medan rotor (ФF), sehingga akan dihasilkan suatu fluks resultan sebesar ФR = ФA + ФF. [12]
Dalam sistem tenaga listrik ada dua variabel yang dapat diatur secara bebas,
disebut variabel pengatur (control variabel), yaitu daya nyata (MW) dan daya
reaktif (MVAR). Pengaturan daya nyata akan mempengaruhi frekwensi dan
konsumsi bahan bakar, sedangkan pengaturan daya reaktif akan mempengaruhi
tegangan dan arus eksitasi (fluksi).
Pada saat beban listrik naik maka daya yang timbul untuk melawan
generator akan makin besar juga sehingga putaran generator akan turun begitu
juga dengan tegangan. Turunnya putaran generator maka putaran turbin ikut
turun, oleh sebab itu maka diperlukan lebih banyak jumlah uap untuk menaikkan
putaran turbin. Untuk menaikkan jumlah uap maka pasokan bahan bakar pada
ruang bakar harus ditambah sehingga produksi uap bertambah. Begitu juga
sebaliknya jika beban generator berkurang maka putaran generator naik dan
tegangan juga naik maka konsumsi bahan bakar perlu dikurangi untuk menjaga
frekuensi tetap stabil.
Dari uraian di atas tampak bahwa perubahan beban secara mendadak
memerlukan pula langkah pengurangan produksi uap secara mendadak agar tidak
terlalu banyak uap yang harus dibuang ke udara. Langkah pengurangan produksi
ini dilakukan dengan mematikan nyala api dalam ruang ketel dan mengurangi
pengisian air ketel. Masalahnya disini bahwa walaupun nyala api dalam ruang
bakar ketel padam, masih cukup banyak panas yang tertinggal dalam ruang bakar
untuk menghasilkan uap sehingga pompa pengisian ketel harus tetap mengisi air
ke dalam ketel untuk mencegah penurunan level air dalam drum yang tidak
Mengingat masalah-masalah tersebut diatas yang menyangkut masalah
proses produksi uap dan masalah –masalah pemuaian yang terjadi dalam turbin,
sebaiknya PLTU tidak dioperasikan dengan persentase perubahan-perubahan
beban yang besar. Efisiensi PLTU banyak dipengaruhi ukuran PLTU, karena
ukuran PLTU menentukan ekonomis tidaknya penggunaan pemanas ulang dan
pemanas awal. [11]
Efisiensi pada boiler diberikan dengan persamaan sebagai berikut:
� � � � � = %
� � � � � = . (ℎ − ℎ ). � % .
Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler adalah: Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam
Jumlah bahan bakar yang dipergunakan per jam (q) dalam kg/jam Tekanan kerja (kg/cm2) dan suhu lewat panas (0C), jika ada Suhu air umpan (0C)
Jenis bahan bakar dan nilai kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg
bahan bakar
Dimana:
hf : Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam hg : Entalpi air umpan dalam kkal/kg air
Efisiensi perubahan energi pada turbin uap sampai kepada tenaga mekanis
di kopling turbin didapat dari :
� =ℎ − ℎℎ = � .
Efisiensi generator listrik dapat dihitung dengan persamaan berikut:
� � � = +
Dimana:
Pout = daya yang dikeluarkan = Vt . IL (Watt)
Pin = daya yang dimasukkan = Pout + Prugi-rugi
Prugi-rugi = rugi-rugi mekanik + histerisi + inti dll
Jadi efisiensi keseluruhan pada PLTU mulai dari bahan bakar sampai pada energi
listrik yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan berikut:
� =�
�� % .
Dimana:
Pout = energi keluaran pada generator (Watt)
Pin = energi masukan pada boiler/ketel uap(kkal/jam) atau kJ/jam [10]
Catatan:
1 watt = 1 Joule/detik
1 kkal = 4186 Joule
