PEMBIDANGAN PRAJABATAN S1 – D3
INDONESIA POWER
PENGOPERASIAN PLTGU
PEMBIDANGAN PRAJABATAN S1 - ENJINER
PEMBANGKITAN THERMAL
(A.1.4.2.78.2)
TUJUAN PEMBELAJARAN
: Setelah mengikuti pelatihan ini peserta mampumemahami prosedur pengoperasian dan pemeliharaan pembangkit tenaga listrik sesuai prosedur/standar operasi/ instruksi kerja dan petunjuk pabrikan.
DURASI : 320 JP / 40 HARI EFEKTIF
TIM PENYUSUN : 1. MURDANI
2. ERWIN 3. EFRI YENDRI 4. HAULIAN SIREGAR 5. PEPI ALIYANI
6. MUHAMAD MAWARDI
TIM VALIDATOR : 1. JOKO AGUNG
2. DODI HENDRA 3. SUDARWOKO
KATA PENGANTAR
MANAJER PLN PRIMARY ENERGY & POWER GENERATION ACADEMY
PLN CORPORATE UNIVERSITY
Puji syukur ke hadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat, taufik serta hidayahnya, sehingga penyusunan materi pembelajaran “PEMBIDANGAN PRAJABATAN S1 – D3 INDONESIA POWER” ini dapat diselesaikan dengan baik dan tepat pada waktunya.
Materi ini merupakan materi yang terdapat pada Direktori Diklat yang sudah disahkan oleh Direktur Pengadaan Strategis selaku Learning Council Primary Energy & Power Generation Academy. Materi ini terdiri dari 11 buku yang membahas mengenai K2 dan Lingkungan Hidup, Pengoperasian PLTU, Pengoperasian PLTGU, Pengenalan PLTP, Perencanaan, pengendalian, dan evaluasi O&M Pembangkit, Pemeliharaan Mekanikal Pembangkit Thermal dan Hidro, Pemeliharaan Listrik Pembangkit, Pemeliharaan Proteksi, Kontrol & Instrumen, Kimia Pembangkit, Pengoperasian PLTA, dan Pengenalan PLTD sehingga diharapkan dapat mempermudah proses belajar dan mengajar di Primary Energy dan Power Generation Academy.
Akhir kata, Pembelajaran ini diharapkan dapat membantu meningkatkan kinerja unit operasional dan bisa menunjang kinerja ekselen korporat. Tentunya tidak lupa kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah terlibat dalam penyusunan materi pembelajaran ini. Saran dan kritik dari pembaca/siswa sangat diharapkan bagi penyempurnaan materi ini.
Suralaya, 31 Januari 2014
DAFTAR BUKU PELAJARAN
Buku 1
K2 dan Lingkungan Hidup
Buku 2
Pengoperasian PLTU
Buku 3
Pengoperasian PLTGU
Buku 4
Pengenalan PLTP
Buku 5
Perencanaan, pengendalian, dan evaluasi O&M Pembangkit
Buku 6
Pemeliharaan Mekanikal Pembangkit Thermal dan Hidro
Buku 7
Buku 8
Pemeliharaan Proteksi, Kontrol & Instrumen
Buku 9
Kimia Pembangkit
Buku 10
Pengoperasian PLTA
Buku 11
Pengenalan PLTD
BUKU III
PENGOPERASIAN PLTGU
TUJUAN PELAJARAN
: Setelah mengikuti pelajaran pemeliharaan listrikpembangkitan Peserta diharapkan mampu memahami prinsip kerja, komponen dan sistem-sistem yang ada di PLTGU serta prosedur pengoperasian PLTGU sesuai standar perusahaan
DURASI : 16 JP
PENYUSUN : EFRI YENDRI
DAFTAR ISI
TUJUAN PELAJARAN ... v
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
1. PRINSIP KERJA PLTGU ... 1
1.1 Silus Turbin Gas (Brayton Cycle) ... 1
1.2 Siklus Kombinasi (Combined Cycle) ... 6
1.3 Prinsip Kerja PLTG ... 10
1.4 Prinsip kerja PLTGU ... 10
1.5 Bagian-Bagian PLTGU ... 11
1.6 Variasi Siklus Kombinasi PLTGU ... 28
2. SISTEM-SISTEM PLTGU ... 32
2.1. Sistem Udara Pendingin dan Perapat ... 32
2.2. Sistem Udara Pengabut (Atomizing Air) ... 34
2.3. Sistem Bahan bakar (Minyak atau Gas) ... 35
2.4. Sistem Minyak Pelumas (Lube Oil) ... 37
2.5. Sistem Minyak Pengangkat Poros (Jacking oil) ... 38
2.6 Sistem Minyak Pengaturan (Control Oil) ... 39
2.7 Sistem Kelistrikan (Electrical) ... 41
3. HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR (HRSG) ... 43
3.1. Prinsip Kerja HRSG ... 44
3.2. Sifat Air dan Uap ... 45
3.3. Kualitas Uap 48 3.4. Konstruksi dan Tata Letak HRSG 50 4. PENGOPERASIAN PLTGU 58 4.1 Pemeriksaan dan Persiapan Start ... 58
4.2 Pengoperasian Turbin Gas ... 58
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Turbin Gas Siklus Terbuka ... 2
Gambar 2 Siklus Brayton ... 3
Gambar 3 Diagram P-v dan T-s ... 5
Gambar 4 Siklus Kombinasi ... 6
Gambar 5 Siklus Brayton, Siklus Rankine dan Siklus kombinasi ... 7
Gambar 6 Diagram Combined Cycle ... 8
Gambar 7 . Diagram Cogeneration Cycle ... 9
Gambar 8 Combined Cycle Power Plant (PLTGU) ... 9
Gambar 9 Siklus air uap PLTGU ... 11
Gambar 10 Kompresor Utama ... 12
Gambar 11 Combustion Chamber & Gas Turbine ... 13
Gambar 12 Alat Bantu Turbin Gas (Gas Turbine Auxiliary) ... 15
Gambar 13 Peralatan Utama HRSG ... 16
Gambar 14 Boiler Drum ... 18
Gambar 15 Economizer ... 22
Gambar 16 Deaerator ... 26
Gambar 17 PLTGU dengan PLTG digabung dengan peleburan besi ... 28
Gambar 18 PLTGU dengan turbin gas berbahan bakar batubara ... 28
Gambar 19 Diagram PLTGU dengan konfigurasi 1 – 1 – 1... 30
Gambar 20 Diagram PLTGU dengan konfigurasi 2 – 2 – 1... 30
Gambar 21 Diagram PLTGU dengan konfigurasi 3 – 3 – 1 ... 31
Gambar 22 Saluran Pendingin Rotor Turbin Gas ... 32
Gambar 23 Lubang saluran pendingin pada sudu gerak dan sudu diam ... 33
Gambar 24 Sistem Udara Pengabut ... 34
Gambar 25 Sistem Bahan Bakar Minyak ... 35
Gambar 26 Sistem Bahan Bakar Gas ... 36
Gambar 27 Sistem Minyak Pelumas ... 38
Gambar 28 Sistem Jacking Oil ... 39
Gambar 29 Sistem Minyak Pengatur (Control Oil) ... 40
Gambar 30 Sistem Kelistrikan (Electrical) ... 42
Gambar 31 Diagram HRSG dengan aliran gas mendatar ... 43
Gambar 32 Heat Recovery Steam Generator ... 45
Gambar 33 Diagram pemanasan air ... 48
Gambar 36 Prinsip Sirkulasi Paksa (Forced Circulation) ... 52
Gambar 37 HRSG dengan aliran gas vertikal ... 53
Gambar 38 HRSG dengan tekanan tunggal (single pressure)... 54
Gambar 39 HRSG dengan dua tingkat tekanan (dual pressure) ... 55
Gambar 40 Diagram HRSG Multi Pressure ... 56
Gambar 41 HRSG dengan burner bantu ... 57
Gambar 42 Sistem Start ... 59
Gambar 43 Kurva operasi PLTG ... 60
Gambar 44 Grafik Sliding Pressure ... 66
Gambar 45 GrafikBuka tutup Damper ... 72
Gambar 46 Grafik Cold Start Single Cycle ... 73
Gambar 47 Grafik Cold Start Combined Cycle Auto ... 74
Gambar 48 Grafik Cold Start Combined Cycle Manual ... 74
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Temperatur didih pada nilai Tekanan tertentu ... 46 Tabel 2 Pembacaan tabel Saturated water dan Superheated steam... 49
PENGOPERASIAN PLTGU
1.
PRINSIP KERJA PLTGU
1.1 Silus Turbin Gas (Brayton Cycle)
Siklus dasar turbin gas disebut siklus Brayton, yang pertama kali diajukan pada tahun 1870 oleh George Brayton seorang insinyur dari Boston. Sekarang siklus Brayton digunakan hanya pada turbin gas dengan proses kompresi dan ekspansi terjadi pada alat permesinan yang berputar. John Barber telah mempatenkan dasar turbin gas pada tahun 1791. Dua penggunaan utama mesin turbin gas adalah pendorong pesawat terbang dan pembangkit tenaga listrik. Turbin gas digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik yang berdiri sendiri (simple cycle) atau bergandengan dengan turbin uap (combined cycle) pada sisi suhu tingginya. Turbin uap (combined cycle) memanfaatkan gas buang turbin gas sebagai sumber panasnya. Turbin uap dianggap sebagai mesin pembakaran luar (external combustion), dimana pembakaran terjadi diluar mesin. Energi termal dipindah ke uap sebagai panas.
Turbin gas pertama kali berhasil dioperasikan pada pameran nasional Swiss (Swiss National Exhibition) tahun 1939 di Zurich. Turbin gas yang dibangun antara tahun 1940-an hingga tahun 1950-an efisiensinya hanya sekitar 17 persen; hal ini disebabkan oleh rendahnya efisiensi kompresor dan turbin dan suhu masuk turbin yang rendah karena keterbatasan teknologi metalurgi pada saat itu. Turbin gas terpadu dengan turbin uap (combined cycle) yang pertama kali dipasang pada tahun 1949 di Oklahoma oleh General Electric menghasilkan daya 3,5 MW.
Sebelum ini, pembangkit daya ukuran besar berbahan bakar batu bara ataupun bertenaga nuklir telah mendominasi pembangkitan tenaga listrik. Tetapi sekarang, turbin gas berbahan baker gas alam yang telah mendominasinya karena kemampuan start (black start) yang cepat, efisiensi yang tinggi, biaya
awal yang lebih rendah, waktu pemasangan yang lebih cepat, karakter gas buang yang lebih baik dan berlimpahnya persediaan gas alam. Biaya pembangunan pembangkit tenaga turbin gas kira-kira setengah kali biaya pembangunan pembangkit tenaga turbin uap berbahan bakar fosil yang merupakan pembangkit tenaga utama hingga awal tahun 1980-an. Lebih dari separoh dari seluruh pembangkit daya yang akan dipasang dimasa akan datang diperkirakan akan merupakan pembangkit daya turbin gas ataupun dikombinasikan dengan turbin uap (combined cycle).
Di awal tahun 1990-an, General Electric telah memasarkan turbin gas dengan ciri perbandingan tekanan (pressure ratio) 13,5 menghasilkan daya net 135,7 MW dengan efisiensi termal 33 persen pada operasi sendiri (simple cycle operation). Turbin gas terbaru yang dibuat General Electric bersuhu masuk 1425
O
C (2600 OF) menghasilkan daya hingga 282 MW dengan efisiensi termal
mencapai 39.5 persen pada operasi sendiri (simple cycle operation).
Bahan bakar minyak ringan seperti minyak diesel, minyak tanah, minyak mesin jet, dan bahan bakar gas yang bersih (seperti gas alam) paling cocok untuk turbin gas. Bagaimanapun , bahan bakar tersebut diatas akan menjadi lebih mahal dan pasti akan habis. Oleh karena itu, pemikiran kemasa depan harus dilakukan untuk menggunakan bahan bakar alternatif lain.
Biasanya turbin gas beroperasi pada siklus terbuka. Udara yang segar mengalir ke kompresor, suhu dan tekanannya dinaikkan. Udara bertekanan terus mengalir ke ruang pembakaran, dimana bahan bakar dibakar pada tekanan tetap.
Gas panas yang dihasilkan masuk ke turbin, kemudian berekpansi ke tekanan udara luar melalui berbaris sudu nosel. Ekspansi ini menyebabkan sudu turbin berputar, yang kemudian memutar poros rotor berkumparan magnet, sehingga menghasilkan teganan listrik dikumparan stator generator. Gas buang (exhaust gases) yang meninggalkan turbin siklus terbuka tidak digunakan kembali.
Gambar 2 Siklus Brayton
Turbin gas siklus terbuka dapat dibentuk menjadi sebagai turbin gas siklus tertutup dengan menggunakan anggapan udara standar (air-standard assumptions). Proses kompresi dan ekspansi tetap sama, tetapi proses pembuangan gas panas tekanan tetap ke udara luar diganti dengan proses
pendinginan qout.
Siklus ideal yang fluida kerja jalani dalam siklus tertutup ini adalah siklus Brayton, yang terdiri dari empat proses dalam dapat balik (internally reversible):
1 - 2 Kompresi isentropik (isentropic compression) di kompresor
2 - 3 Penambahan panas tekanan tetap (constant pressure heat addition)
3 - 4 Expansi isentropik (isentropic expansion) di turbin
4 - 1 Pembuangan panas tekanan tetap (constant pressure heat rejection)
Proses yang terjadi pada PLTG adalah sebagai berikut :
Pertama, turbin gas berfungsi menghasilkan energi mekanik untuk memutar kompresor dan rotor generator yang terpasang satu poros, tetapi pada saat start
up fungsi ini terlebih dahulu dijalankan oleh penggerak mula (prime mover).
Penggerak mula ini dapat berupa diesel, motor listrik atau generator turbin gas itu sendiri yang menjadi motor melalui mekanisme SFC (Static frequency
Converter). Setelah kompresor berputar secara kontinu, maka udara luar
terhisap hingga dihasilkan udara bertekanan pada sisi discharge (tekan) kemudian masuk ke ruang bakar.
Kedua, proses selanjutnya pada ruang bakar, jika start up menggunakan bahan bakar cair (fuel oil) maka terjadi proses pengkabutan (atomizing) setelah itu terjadi proses pembakaran dengan penyala awal dari busi, yang kemudian dihasilkan api dan gas panas bertekanan. Gas panas tersebut dialirkan ke turbin sehingga turbin dapat menghasilkan tenaga mekanik berupa putaran. Selanjutnya gas panas dibuang ke atmosfir dengan temperatur yang masih tinggi.
Proses seperti tersebut diatas merupakan siklus turbin gas, yang merupakan penerapan Siklus Brayton. Siklus tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 3 Diagram P-v dan T-s
Siklus seperti gambar, terdapat empat langkah:
Langkah 1-2 : Udara luar dihisap dan ditekan di dalam kompresor, menghasilkan udara bertekanan (langkah kompresi)
Langkah 2-3 : Udara bertekanan dari kompresor dicampur dengan bahan bakar, terjadi reaksi pembakaran yang menghasilkan gas panas (langkah pemberian panas)
Langkah 3-4 : Gas panas hasil pembakaran dialirkan untuk memutar turbin (langkah ekspansi)
Langkah 4-1 : Gas panas dari turbin dibuang ke udara luar (langkah pembuangan)
Salah satu kelemahan mesin turbin gas (PLTG) adalah efisiensi termalnya yang rendah. Rendahnya efisiensi turbin gas disebabkan karena banyaknya pembuangan panas pada gas buang. Dalam usaha untuk menaikkan efisiensi termal tersebut,
maka telah dilakukan berbagai upaya sehingga menghasilkan mesin siklus kombinasi seperti yang dapat kita jumpai saat ini.
1.2 Siklus Kombinasi (Combined Cycle)
Di bidang industri saat ini, dilakukan usaha untuk meningkatkan efisiensi turbin gas yaitu dengan cara menggabungan siklus turbin gas dengan siklus proses sehingga diperoleh siklus gabungan yang biasa disebut dengan istilah “Cogeneration”. Sedangkan untuk meningkatkan efisiensi termal turbin gas yang digunakan sebagai unit pembangkit listrik (PLTG), siklus PLTG digabung dengan siklus PLTU sehingga terbentuk siklus gabungan yang disebut “Combined Cycle” atau Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU).
Siklus PLTGU terdiri dari gabungan siklus PLTG dan siklus PLTU. Siklus PLTG menerapkan siklus Brayton, sedangkan siklus PLTU menerapkan siklus ideal Rankine seperti gambar :
Gambar 5 Siklus Brayton, Siklus Rankine dan Siklus kombinasi
Penggabungan siklus turbin gas dengan siklus turbin uap dilakukan melalui peralatan pemindah panas berupa boiler atau umum disebut “Heat Recovery Steam
Generator” (HRSG). Siklus kombinasi ini selain meningkatkan efisiensi termal juga
akan mengurangi pencemaran udara.
Dengan menggabungkan siklus tunggal PLTG menjadi unit pembangkit siklus kombinasi (PLTGU) maka dapat diperoleh beberapa keuntungan, diantaranya adalah :
Efisiensi termalnya tinggi, sehingga biaya operasi (Rp/kWh) lebih rendah dibandingkan dengan pembangkit thermal lainnya.
Biaya pemakaian bahan bakar (konsumsi energi) lebih rendah
Pembangunannya relatif cepat
Kapasitas dayanya bervariasi dari kecil hingga besar
Menggunakan bahan bakar gas yang bersih dan ramah lingkungan
Fleksibilitasnya tinggi
Siklus Brayton Siklus Rankine Brayton + Rankine
Tempat yang diperlukan tidak terlalu luas, sehingga biaya investasi lahan lebih sedikit.
Pengoperasian PLTGU yang menggunakan komputerisasi memudahkan pengoperasian.
Waktu yang dibutuhkan: untuk membangkitkan beban maksimum 1 blok PLTGU relatif singkat yaitu 150 menit.
Prosedur pemeiliharaan lebih mudah dilaksanakan dengan adanya fasilitas sistem diagnosa.
Skema siklus PLTGU dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
1.3 Prinsip Kerja PLTG
Sebagai mesin pembangkit, PLTG memerlukan alat pemutar awal (Starting Device) untuk menjalankannya. Starting Device dapat berupa mesin diesel, motor listrik, motor-generator atau udara. Fungsi dari Starting Device adalah untuk memutar kompresor pada saat start up untuk menghasilkan udara bertekanan sebelum masuk ke ruang pembakaran (combustion chamber).
Tahapan start up PLTG meliputi :
a. Persiapan dan pemeriksaan sebelum start. b. Ready to start
c. Starting device energized, terhubung ke turbin dan start
d. Bahan bakar diinjeksikan ke ruang bakar dan terjadi penyalaan. e. Periode warming-up, bahan bakar ditambah dan putaran naik
f. PLTG mampu berputar dengan kemampuan sendiri dan Starting Device lepas dan berhenti.
g. Putaran bertambah dan mencapai full speed no load (100,3%) h. Sinkronisasi generator
i. Pembebanan
1.4 Prinsip kerja PLTGU
Di dalam sistem turbin gas gas panas hasil pembakaran bahan bakar dialirkan untuk memutar turbin gas sehingga menghasilkan energi mekanik yang digunakan untuk memutar generator. Gas buang dari turbin gas yang masih mengandung energi panas tinggi dialirkan ke HRSG untuk memanaskan air sehingga dihasilkan uap. Setelah menyerahkan panasnya gas buang di buang ke atmosfir dengan temperatur yang jauh lebih rendah.
Uap dari HRSG dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin uap yang dikopel dengan generator sehingga dihasilkan energi listrik. Uap bekas keluar turbin uap didinginkan didalam kondensor sehingga menjadi air kembali. Air kondensat ini dipompakan sebagai air pengisi HRSG untuk dipanaskan lagi agar berubah menjadi uap dan demikian seterusnya.
Gambar 9 Siklus air uap PLTGU
1.5 Bagian-Bagian PLTGU
PLTGU yang merupakan siklus kombinasi mempunyai komponen utama yang terdiri dari :
1.5.1 Instalasi Turbin Gas
Turbin gas dan alat bantunya pada umumnya merupakan suatu paket set unit PLTG yang dapat berdiri sendiri maupun digabung menjadi siklus kombinasi.
Kompresor Utama berfungsi untuk menaikan tekanan dan temperatur udara sebelum masuk ruang bakar. Udara juga dimanfaatkan untuk : udara pembakaran, udara pengabut bahan bakar, udara pendingin sudu dan ruang bakar dan perapat pelumas bantalan.
Gambar 10 Kompresor Utama
Ruang Bakar (Combustion Chamber)
Ruang Bakar (Combustion Chamber) adalah ruangan tempat proses terjadinya pembakaran. Energi kimia bahan bakar diubah menjadi energi thermal pada proses pembakaran tersebut. Ada Turbin Gas yang memiliki satu atau dua Combustion Chamber yang letaknya terpisah dari casing turbin, akan tetapi yang lebih banyak di jumpai adalah memiliki Combustion Chamber dengan beberapa buah Combustor Basket, mengelilingi sisi masuk (inlet) turbin. Contohnya PLTG di PLTGU Gresik memiliki satu Combustion Chamber berisi 18 buah Combustor Basket, sedangkan PLTG Bali memiliki satu Combustion Chamber berisi 8 buah Combustor Basket yang terpasang jadi satu dengan casing turbin.
Gambar 11 Combustion Chamber & Gas Turbine
Turbin Gas
Turbin berfungsi untuk mengubah energi thermal dari hasil pembakaran di dalam ruang bakar menjadi energi kinetik dalam sudu tetap kemudian menjadi energi mekanik dalam sudu jalan sehingga energi mekanik akan memutar poros turbin.
Generator
Generator berfungsi untuk mengubah energi mekanik putaran pada rotor yang terdapat kutub magnet, kemudian menjadi energi listrik pada kumparan stator.
Alat Bantu Turbin Gas (Gas Turbine Auxcilliary)
- Penggerak Mula (Prime Mover), yaitu Diesel, Starting Motor (Cranking Motor), Generator sebagai Motor, memutar poros turbin gas sampai kekuatan bahan bakar dapat menggantinya (turbin gas mampu berdiri sendiri).
- Hydraulic Ratchet, berfungsi memutar poros turbin sebelum start, sebanyak 45º setiap 3 menit, untuk memudahkan pemutaran oleh penggerak mula dan meratakan pendinginan poros saat turbin gas stop.
- Turning Gear, fungsinya sama seperti juga Ratchet, hanya poros diputar kontinyu dengan putaran lambat (± 6 RPM).
- Accessories Gear, adalah tempat roda gigi untuk memutar alat-alat bantu seperti : pompa bahan bakar, pompa pelumas, pompa hidrolik, main atomizing air compressor, water pump, tempat hubungan Ratchet.
- Torque Converter, sebagai kopling hidrolik, saat digunakan kopling diisi dengan minyak pelumas. Sedangkan saat dilepas, minyak pelumas di drain. - Load Gear, disebut juga Reduction Gear atau Load Coupling untuk
mengurangi kecepatan turbin menjadi kecepatan yang dibutuhkan oleh Generator. Load Gear Westinghouse dimanfaatkan untuk penggerak pompa bahan bakar dan pelumas.
- Exciter, yaitu peralatan yang berfungsi memberikan arus searah untuk penguatan kutub magnet Generator Utama.
- Starting Clutch, disebut juga Jaw Clutch, sebagai kopling mekanik yang berfungsi menghubungkan poros Penggerak Mula dengan poros kompresor saat proses Start.
- Bantalan (Bearing), terdiri dari bantalan aksial dan bantalan luncur. Bantalan luncur disebut juga disebut juga Journal Bearing, yang berfungsi sebagai penyangga berat poros turbin, kompresor dan generator. Sedangkan bantalan aksial disebut juga Thrust Bearing, berfungsi sebagai penahan gaya aksial
Gambar 12 Alat Bantu Turbin Gas (Gas Turbine Auxiliary)
1.5.2 HRSG (Heat Recovery Steam Generator)
Bagian-bagian HRSG adalah bagian per bagian dalam bentuk jadi (pre-assembled) yang telah dikerjakan di bengkel pabrikan dan diangkut ke tempat pemasangan. Kemudahan pemasangan bagian-bagian modular di lapangan dan melakukan pengerjaan bagian-bagian sebanyak mungkin di bengkel pabrik akan meningkatkan mutu peralatan dan mempercepat waktu pemasangan konstruksi.
Peralatan utama HRSG dapat diidentifikasi seperti gambar berikut:
Gambar 13 Peralatan Utama HRSG
KETERANGAN GAMBAR :
1. Diverter box, bypass stack, and bypass stack silencer. 2. Blanking plate for conversion to simple cycle operation. 3. Superheater.
4. Reheater.
5. High pressure evaporator. 6. High pressure economizer.
7. Intermediate pressure superheater. 8. Low pressure superheater.
9. High pressure economizer.
10. Intermediate pressure evaporator.
11. High pressure economizer/intermediate pressure economizer. 12. Low pressure evaporator.
13. Low pressure economizer. 14. Stack and silencer.
Bypass stack silencer
Bypass stack silencer adalah cerobong asap dari gas buang hasil pembakaran pada turbin gas. Apabila suatu turbin gas dioperasikan dengan Open Circle, maka gas buang tersebut akan dialirkan ke atmosfir melalui bypass stack.
Drum
Drum adalah bejana tempat menampung air yang datang dari Economizer dan uap hasil penguapan dari Tube Wall (Riser). Kira-kira setengah dari drum berisi air dan setengahnya lagi berisi uap.
Boiler Drum terbuat dari plat baja dilas dan dilengkapi diantaranya :
- Man hole
- Saluran menuju Superheater - Saluran menuju Feedwater Inlet - Saluran menuju Blow Down - Saluran menuju Down Comer - Saluran menuju Safety Valve - Pipa injeksi bahan kimia - Pipa Sampling
- Pipa menuju alat ukur dan alat kontrol
Seperti terlihat pada gambar di bagian dalam Boiler Drum terdapat peralatan-peralatan Screen dryer (pengering uap) dan Steam separator (pemisah uap).
Gambar 14 Boiler Drum
Level air didalam drum harus dijaga agar selalu tetap kira-kira setengah dari tinggi drum. Banyaknya air pengisi yang masuk ke dalam drum harus sebanding dengan banyaknya uap yang meninggalkan drum, sehingga level air terjaga konstant.
Pengaturan level didalam Boiler Drum dilakukan dengan mengatur besarnya pembukaan Flow Control Valve. Apabila level didalam air drum terlalu rendah/tidak terkontrol akan menyebabkan terjadinya overheating pada pipa-pipa Boiler, sedangkan bila level drum terlalu tinggi, kemungkinan butir-butir air terbawa ke turbin dan mengakibatkan kerusakan pada turbin. Untuk mengamankannya pada boiler drum dipasang alarm untuk level high dan level low serta trip untuk level very
low dan very high.
Level air didalam boiler drum dapat dimonitor dengan menggunakan peralatan level
gauge/level indikator yang terdapat didekat boiler drum lokal), atau dengan cara
remote (jarak jauh) di control room, juga dicatat pada level recorder.
Uap yang dihasilkan dari dalam tube wall (riser), terkumpul didalam boiler drum. Uap akan mengalir ke arah puncak boiler drum melewati steam separator dan screen
dryer lalu keluar dari dalam drum dalam keadaan kering menuju separator dan
akhirnya ke turbin.Butir-butir air yang terpisah dari uap akan jatuh dan bersirkulasi kembali bersama air yang baru masuk.
DRYER STEAM OUTLET FEED WATER INLET DOWNCOMER RISER TUBES PRIMARYY SEPARATOR SECONDARY SEPARATOR BAFFLE PLATES
Superheater
Superheater adalah peralatan yang berfungsi untuk menaikkan temperatur uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut sesuai dengan kebutuhan untuk menggerakkan turbin. Karena uap yang terbentuk dari pemanasaan didalam pipa pipa di ruang bakar berada dalam wujud kenyang (jenuh) atau basah maka uap yang demikian jika digunakan atau diekspansikan dalam turbin, akan menimbulkan pengembunan yang cepat.
Reheater
Reheater adalah peralatan yang berfungsi untuk menaikkan temperatur uap dari turbin tekanan tinggi untuk dipanaskan ulang sesuai dengan kebutuhan untuk menggerakkan turbin tingkat tekanan berikutnya. Uap yang telah digunakan untuk memutar turbin tekanan tinggi (HP Turbine) mengakibatkan tekanan dan temperaturnya turun. Dengan memanfaatkan gas bekas maka uap tersebut dipanaskan ulang untuk menaikkan temperaturnya dengan tekanan tetap, sehingga mendapatkan entalpi yang lebih tinggi .
Sesuai analisa Termodinamika, baik superheater maupun reheater, efisiensi termis suatu instalasi akan naik apabila menggunakan uap panas lanjut. Dengan menggunakan uap basah, akan menimbulkan erosi pada sudu-sudu turbin .
Superheater (pemanas uap lanjut) dan reheater terpasang disaluran gas buang
dalam ketel uap. Didalam superheater uap jenuh atau basah yang berasal dari drum ketel temperaturnya dinaikkan pada tekanan tetap sampai temperatur yang diinginkan. Energi panas diambil dari gas-gas bekas, berlangsung secara radiasi dan/atau konveksi. Sebagaimana halnya pada pipa – pipa air lainnya. Temperatur uap dibuat sedemikian tinggi sehingga material ketel harus mampu menahan suhu maupun tekanan kerjanya.
Pada turbin tekanan bertingkat , pada saat uap mencapai kadar tertentu, diadakan pemanasan ulang didalam alat yang dinamakan reheater (pemanas ulang). Uap
yang telah dipanaskan ulang dalam reheater ini selanjutnya diekspansikan pada turbin tingkat berikutnya.
Superheater dibedakan atas dua tipe yakni : - Superheater konveksi
- Superheater radiasi-konveksi
Prinsip Superheater konveksi sama seperti ekonomiser, yakni menyerap panas gas bekas yang melewati superheater. Kenaikan temperatur uap praktis terjadi pada tekanan tetap sampai akhirnya gas bekas meninggalkan supeheater.
Menurut penempatannya superheater ditempatkan pada : - Diantara pipa – pipa air
- Diatas pipa – pipa air
Evaporator
Evaporator pada boiler dikenal juga dengan nama Tube wall. Didalam tube wall terdapat air yang bersirkulasi dari boiler drum melalui down comer dan low header. Panas yang dihasilkan dari proses pembakaran didalam furnance sebagian diberikan kepada air yang ada didalam tube wall sehingga air berubah menjadi uap. Selain berfungsi untuk membuat air menjaadi uap, tube wall juga mencegah penyebaran panas daari dalam furnance ke udara luar dan untuk lebih menjamin agar panas tersebut tidak terbuang ke udara luar melewati tube wall, maka dibalik
tube wall (arah udara luar) dipasang dinding isolasi yang terbuat dari mineral fiber.
Sedangkan pada down comer merupakan pipa yang berukuran besar, menghubungkan bagian bawah boiler drum dengan lower header. Down comer (pipa turun) tidak terkena panas secara langsung dari ruang bakar. Dan untuk menghindari kerugian panas yang terbuang pada down comer, maka down comer diberi isolasi.
Economizer
Ekonomiser terdiri dari pipa – pipa air yang ditempatkan pada lintasan gas asap sebelum meninggalkan ketel. Pipa – pipa ekonomiser dibuat dari bahan baja atau besi tuang yang sanggup menahan panas dan tekanan tinggi. Korosi yang mungkin terbentuk sebelah sisi air dapat dihindarkan dengan jalan melunakkan air pengisi terlebih dahulu, dan korosi di sebelah luar (sisi gas asap) diatasi dengan mempertahankan temperatur gas asap tinggi diatas titik embun gas sulphur. Konduktivitas panas dan tahanan aliran gas yang disebabkan oleh abu/debu yang melekat pada pipa – pipa dicegah dengan pembersihan pipa – pipa secara berkala. Dengan menggunakan ekonomiser, efisiensi thermis ketel naik; diperkirakan penghematan pemakaian bahan bakar dapat berkurang 1% tiap kenaikan temperatur air pengisi 50C.
Agar pemakaian ruangan kecil, maka permukaan pipa – pipa biasanya dibuat polos (licin) dan berliku dan dipasang horizontal serta sejajar satu sama lain dalam saluran gas buang. Di kedua ujung pipa dibuat kotak pengumpul (header) atas dan bawah dan juga sejajar satu sama lain. Penyerapan panas dari gas – gas kepada air akan lebih bermanfaat bila gas asap mengalir ke bawah dan air mengalir berliku – liku keatas.
Ekonomiser yang banyak dipakai pada ketel Pembangkit Tenaga Listrik pada masing – masing seksi terdapat kotak pengumpul (header) atas dan kotak pengumpul bawah; kotak itu dihubungkan ke delapan buah pipa – pipa polos (licin)dan kadang bersirip yang juga dipasang sejajar satu sama lain. Kotak – kotak pengumpul dan pipa – pipa dibuat dari bahan besi tuang. Kotak – kotak pengumpul itu tidak mempunyai kampuh dan di kedua ujungnya dibulatkan.
Air pengisi dimasukkan ke dalam header melalui down comer, kemudian disebarkan ke semua pipa pemanas. Air mengalir ke atas dengan kecepatan rendah melalui deretan pipa – pipa vertikal tang dipanasi oleh gas – gas panas yang mengalir tegak lurus terhadap pipa dan selanjutnya air panas yang dihasilkan ditekan ke dalam
drum ketel melalui sebuah pipa pipa yang dihubungkan ke drum. Temperatur air itu dapat mencapai 100 – 1500C tergantung pada temperatur gas pembakaran.
Gambar 15 Economizer
Didalam pipa-induk-atas (tepat di atas pipa – pipa vertikal) dibuat lubang pembersih untuk membersihkan bidang dalam pipa – pipa. Dalam pipa-induk-bawah dibuat pula lubang untuk membuang lumpur yang mengendap.
Debu dan abu melayang yang dibawa oleh gas – gas asap melekat pada sisi-luar pipa, dibersihkan dengan blower yang bergerak pelahan-lahan turun-naik terus-menerus..
Banyak juga ekonomiser yang memakai pipa-pipa bersirip. Dengan penambahan sirip sirip ini luas bidang panas bertambah besar sehingga pada jumlah penerima panas yang sama dengan pipa polos, ekonomiser dapat diperkecil. Pipa –pipa bersirip untuk tekanan sedang dibuat dari bahan besi tuang yang disusut sekitar
pipa-pipa baja yang tidak berkampuh. Dengan bantuan katup-by pass, gas asap dapat dialirkan langsung kecerobong, jadi ekonomiser tidak bekerja. Temperatur air pengisi dan gas asap, diatur dengan bantuan katup by pass ini.
Pipa air itu dipasang horizontal dengan sumbu belah-ketupat (berliku-liku) satu sama lain. Agar gas asap terpaksa mengalir berbelok-belok. Akibatnya, perpindahan panas kepada air dapat berlangsung lebih baik. Air pengisi masuk ke dalam ekonomiser melalui pipa induk bawah, demikian juga halnya dengan pipa bagian atas.
Untuk membersihkan pipa-pipa dan sirip sirip dari ikatan abu dan debu-debu yang berterbangan, dilakukan dengan memakai pipa penghembus-abu (soot blower) yang dipasang diantara pipa-pipa bersirip. Pipa-pipa penghembus tadi dilubangi dimana (bila pembersihan hendak dilakukan) dialirkan uap dari ketel.
Stack and Silencer
Stack adalah cerobong asap dari gas bekas dari turbin uap setelah melalui HRSG (boiler). Untuk jenis HRSG horizontal stack terdapat dibelakang HRSG, sementara untuk untuk type vertikal terdapat diatas.
1.5.3 Instalasi Turbin Uap
Karena siklus PLTGU merupakan gabungan antara siklus PLTG dengan PLTU, maka komponen utama PLTGU adalah PLTU beserta sistem dan peralatan bantunya. Bagian PLTU pada siklus PLTGU tersebut, antara lain :
Turbin Uap
Turbin uap adalah penggerak mula (prime mover) yang mengubah energi panas dalam uap menjadi energi mekanis berupa putaran poros turbin. Selanjutnya poros turbin dikopel dengan mekanisme yang digerakkan, misalnya dengan poros generator untuk menghasilkan energi listrik. Selain sebagai penggerak generator
listrik, turbin uap dapat juga digunakan untuk memutar pompa, transportasi dan sebagainya.
Uap untuk memutar turbin dapat diperoleh dari uap panas bumi, boiler berbahan bakar fosil, boiler nuklir atau panas buangan (waste heat) PLTG.
Pompa Air Pengisi
Fungsi pompa air pengisi adalah untuk menciptakan tekanan pada air pengisi dan mengalirkannya ke boiler HRSG. Jenis pompa yang digunakan adalah pompa sentrifugal, dengan tekanan stabil pada aliran yang berubah naik turun. Pompa air pengisi digerakkan oleh motor listrik melalui kopling hidrolik pengatur putaran (variable speed hydraulic coupling).
Pada umumnya tersedia tiga unit pompa pada sistem air pengisi BFP pada satu unit blok PLTGU, masing-masing dengan kapasitas 65% dari kebutuhan blok. Pada saat start-up hingga 50% beban kapasitas blok, cukup hanya satu unit pompa air pengisi yang beroperasi, dua unit pompa lainnya stand-by. Sedangkan bila beban blok PLTGU telah lebih dari 50% hingga maksimum, maka dua unit pompa air pengisi yang harus beroperasi,satu unit pompa lainnya stand-by.
Sistem pompa air pengisi beroperasi secara otomatis dengan DCS, tetapi dapat juga dioperasikan secara manual dari Control Room maupun dari lokal. Sistem pompa air pengisi dilengkapi alat bantu seperti sistem pelumasan, sistem pendingin, sistem pengaman proteksi dan interlok, serta peralatan control dan instrumentasi.
Setiap pompa dilengkapi dengan saluran dan katup sirkulasi. Ketika pompa beroperasi dengan kapasitas aliran beban rendah, maka sebagian besar tenaga daya yang yang butuhkan pompa akan dirubah menjadi panas yang menaikkan suhu air pengisi. Aliran sirkulasi akan mencegah air didalam pompa menjadi terlalu panas hingga menguap dan menyebabkan kapitasi yang akan merusak impleller pompa. Pipa saluran sirkulasi menghubungkan sisi keluar (discharge) pompa sebelum katup cek (check valve) kembali ke sisi masuk (suction) pompa, dilengkapi dengan katup kontrol sirkulasi untuk mempertahankan aliran minimum pompa, dan dua katup isolasi sebelum dan sesudah katup kontrol sirkulasi.
Kondensor
Kondensor adalah peralatan untuk merubah uap menjadi air. Proses perubahan nya dilakukan dengan cara mengalirkan uap kedalam suatu ruangan yang berisi pipa-pipa (tubes). Uap mengalir diluar pipa-pipa-pipa-pipa sedangkan air sebagai pendingin mengalir didalam pipa-pipa. Kondensor seperti ini disebut surface (tubes) condenser. Sebagai pendingin digunakan air sungai atau air laut.
Proses perubahan uap menjadi air terjadi pada tekanan dan temperatur jenuh, dalam hal ini kondensor berada pada kondisi vakum. Karena temperatur air pendingin sama dengan temperatur udara luar, maka temperatur air kondensatnya maksimum mendekati temperatur udara luar. Apabila laju perpindahan panas terganggu, maka akan berpengaruh terhadap tekanan dan temperatur.
Deaerator
Deaerator berfungsi untuk menghilangkan oksigen dan gas yang terlarut dari air pengisi. Jenis yang digunakan adalah jenis semprot (spray type).
Deaerasi awal (pre-deaeration) dilakukan dengan alat penyemprotan (spraying device). Pada setiap kondisi operasi, penyemprot menjamin pemanasan air kondensat hingga suhu jenuh (saturation) dan permukaan yang cukup luas untuk perpindahan masa. Karena secara praktis, kelarutan oksigen didalam air pada suhu jenuh adalah nol, sehingga oksigen yang terbawa dalam tetesan air akan terlepas dan berada bersama uap disekelilingnya. Karena uap mengkondensasi pada air, maka konsentrasi oksigen di daerah sekitar penyemprot menjadi naik sehingga memungkinkan membuang (vent out) sejumlah uap yang konsentrasi oksigennya relatif tinggi.
Prinsip operasi deaerator didasarkan pada deaerasi fisikal yang terjadi pada dua tahap, yaitu:
- Deaerasi awal (pre-deaeration) dimana air pengisi disemprotkan pada satu sisi ruang uap (area 1)
- Deaerasi akhir (final-deaeration) dalam tangki air dimana uap dikenakan langsung ke air yang akan di-deaerasi (area 2).
Gambar 16 Deaerator
Deaerasi akhir (final-deaeration) terjadi dengan cara menyuntikkan uap kedalam air pada tangki. Tergantung pada kondisi uap, suhu dan tekanan air, campuran uap/air dapat digunakan untuk deaerasi.
Alat penyuntik uap yang dirancang dengan tepat, dengan memperhitungkan hidro-dinamik didalam tangki untuk mendapatkan kontak langsung yang baik antara uap dan air akan memungkinkan oksigen berpindah keluar dari air dan terbawa kedalam uap.
a. Membuang oksigen (O2 Removal)
Membuang oksigen adalah alasan utama pendeaerasian air pengisi, dan paling ekonomis dilakukan secara mekanikal daripada menggunakan bahan kimia walaupun dengan kimia lebih sempurna.
Area 1
Seperti telah diketahui bahwa, oksigen terlarut 10 kali lebih korosif dari pada karbon dioksida, terutama pada suhu lebih tinggi. Misalnya, air dua setengah kali lebih korosif pada suhu 90°C dari pada suhu 60°C.
b. Membuang Karbon Dioksida (Carbon Dioxide Removal)
Jika karbon dioksida ada bersama oksigen, kedua gas ini beraksi bersama-sama menjadi 40% lebih korosif dari pada bila beraksi sendiri-sendiri. Ferrous hydroxide adalah senyawa alkaline, dan laju kelarutannya tergantung pada pH airnya. Semakin rendah pH airnya, semakin cepat kelarutan ferrous hydroxide. Air kondensat yang mengandungi karbon dioksida akan membentuk asam karbonik (carbonic acid):
CO2 + H2O = H2CO3
Karbon dioksida menyebabkan korosi pada saluran uap yang ditandai dengan penipisan pipa atau alur-alur (grooving) dibagian bawah pipa.
Susunan HRSG dan alat bantunya harus dirancang agar dapat menyerap panas gas buang (exhaust gas) dari turbin gas seoptimal mungkin sehingga dapat menghasilkan uap dengan tekanan dan temperatur yang diperlukan untuk memutar turbin uap. Sistem sirkulasi air uap yang diterapkan disesuaikan dengan temperatur gas buang dari turbin gas agar fleksibel terhadap pembebanan.
Jumlah tingkat dan jumlah silinder dari turbin uap disesuaikan dengan tekanan dan temperatur uap yang dihasilkan oleh HRSG. Turbin uapnya biasanya non ekstraksi, karena pemanasan air dilakukan di dalam HRSG.
Apabila PLTG akan digunakan dalam siklus kombinasi, maka panas gas buang harus mempunyai suhu sekitar 500 0C agar dapat dimanfaatkan untuk menguapkan air didalam “Heat Recovery Steam Generator”. Apabila PLTD (Diesel) akan digunakan dalam siklus kombinasi, maka kapasitasnya harus cukup besar, yaitu sekitar 25 MW agar air pendingin mesin dapat dimanfaatkan untuk pemanas awal air pengisi boiler.
1.6 Variasi Siklus Kombinasi PLTGU
Terdapat beberapa variasi dari siklus kombinasi PLTGU dalam memanfaatkan gas buang untuk menghasilkan uap sebagai penggerak turbin PLTU. Gambar di bawah menunjukkan contoh variasi siklus PLTGU :
Gambar 17 PLTGU dengan PLTG digabung dengan peleburan besi
Ditinjau dari konfigurasi jumlah turbin gas dan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) dan turbin uapnya, suatu PLTGU dapat di susun dengan beberapa konfigurasi, tetapi umumnya dibedakan menjadi 3, yaitu :
- Konfigurasi : 1 turbin gas (GT), 1 HRSG, 1 turbin uap (ST) = konfigurasi 1 – 1 – 1
- Konfigurasi : 2 turbin gas (GT), 2 HRSG, 1 turbin uap (ST) = konfigurasi 2 – 2 – 1
- Konfigurasi : 3 turbin gas (GT), 3 HRSG, 1 turbin uap (ST) = konfigurasi 3 – 3 – 1
Konfigurasi 1 – 1 – 1
Konfigurasi ini merupakan PLTGU yang paling sederhana karena hanya terdiri dari 1 turbin gas (GT), 1 HRSG dan 1 turbin uap (ST). Pada sebagian PLTGU ini bahkan generatornya hanya satu sehingga turbin gas, turbin uap dan generator merupakan mesin satu poros (single shaft combined cycle). Posisi generator dapat berada diantara turbin gas dan turbin uap atau turbin uap diatara turbin gas dan generator.
Kelebihan susunan PLTGU 1–1–1 antara lain adalah mampu memenuhi kebutuhan permintaan daya secara cepat dan ekonomis, konsumsi air dan bahan bakar nya rendah serta konsumsi listrik pemakaian sendiri (works power) juga rendah.
Gambar 19 Diagram PLTGU dengan konfigurasi 1 – 1 – 1
Konfigurasi 2 – 2 – 1
PLTGU dengan susunan 2–2–1 lebih fleksibel dalam pengoperasian maupun pemeliharaan dibanding susunan 1–1–1. Dengan susunan 2–2–1, apabila satu turbin gas terganggu, maka turbin gas yang lain tetap dapat beroperasi dalam siklus kombinasi. Sedangkan bila HRSG nya yang terganggu, maka turbin gas dapat beroperasi dalam mode siklus terbuka (open cycle).
Konfigurasi 3
– 3 – 1
Konfigurasi 3–3–1 merupakan konfigurasi yang menghasilkan output daya paling besar dengan variasi operasi paling banyak.
2.
SISTEM-SISTEM PLTGU
Peralatan bantu PLTGU selain terdiri dari peralatan yang berbentuk komponen juga terdapat peralatan bantu berupa suatu siklus atau sirkit yang disebut sistem. Adapun sistem tersebut diantaranya:
2.1. Sistem Udara Pendingin dan Perapat
Udara pendingin dan perapat diambil dari kompresor melalui saluran pengambilan blow-off tingkat pertama. Adapun untuk pendingin poros dan susu-sudu gerak turbin, udaranya diambil dari keluaran kompresor melalui sisi dalam poros , dan untuk dudukan sudu tetap dan sudu-sudu tetap udaranya diambil dari keluaran kompresor sebelum melalui ruang bakar.
Gambar 22 Saluran Pendingin Rotor Turbin Gas
Sistem udara pendingin dan perapat berfungsi :
a. Melindungi dan mendinginkan rotor dan bagian-bagian turbin gas pada saluran gas panas serta bantalan rotor dari suhu yang berlebihan (over heating)
b. Sebagai perapat (seals) sehingga mencegah keluarnya gas panas melalui celah antara poros dengan rumah turbin Inner casing.
c. Sebagai perapat (seals) sehingga mencegah udara tidak bersih (yang tidak disaring) masuk ke kompresor melalui bagian bantalan (bearing) kompresor
Gambar 23 Lubang saluran pendingin pada sudu gerak dan sudu diam
Bagian-bagian yang didinginkan oleh sistem udara pendingin pada PLTGU, antara lain :
a. Ujung sisi keluar turbin (turbine exhaust end) - sebagai pendingin dan perapat b. Diffusor turbin dan kompresor dengan pendingin udara pendingin rotor - sebagai
pendingin dan perapat
c. Ujung sisi masuk kompresor - sebagai perapat saja
d. Rumah turbin bagian dalam (inner housing/hot gas casing) - sebagai pendingin saja
e. Rumah bantalan turbin pada sisi ujung keluaran turbin dan pada sisi tengah antara turbin dan kompresor
f. Poros (rotor) turbin dan sudu-sudu gerak turbin tingkat pertama dan kedua - sebagai pendingin saja
g. Dudukan sudu tetap dan sudu-sudu tetap turbin tingkat pertama dan kedua - sebagai pendingin saja
2.2. Sistem Udara Pengabut (Atomizing Air)
Sistem udara pengabut berfungsi untuk menghasilkan udara bertekanan tinggi yang digunakan untuk menyemprotkan bahan bakar minyak di ruang bakar, sehingga bahan bakar minyak terkabutkan (atomized), untuk memudahkan serta menyempurnakan pembakaran.
Sistem udara pengabut hanya digunakan pada unit turbin gas menggunakan bahan bakar minyak yang bertekanan rendah. Pada unit turbin gas yang menggunakan bahan bakar minyak bertekanan tinggi, pengabutan dilakukan secara mekanik oleh nosel dan tekanan minyak itu sendiri, disebut mechanical atomizing.
Sedangkan penggunaan bahan bakar gas, tidak memerlukan pengabutan (atomizing).
Bagian-bagian dari sistem udara pengabut : a. Kompresor udara bertekanan tinggi b. Motor penggerak kompresor
c. Pendingin udara d. Saringan udara
e. Katup-katup dan aliran masuk bahan bakar f. Pencerat cairan (water trap)
2.3. Sistem Bahan bakar (Minyak atau Gas)
Sistem bahan bakar berfungsi untuk menyediakan/mensuplai bahan bakar ke unit turbin gas sesuai tekanan, suhu dan kebersihan yang dibutuhkan, juga ketersediaan bahan bakar; baik bahan bakar minyak maupun bahan bakar gas.
Bagian-bagian pada sistem bahan bakar minyak :
a. Tangki harian (daily tank) untuk ketersediaan bahan bakar b. Pompa penyedia bahan bakar
c. Pemanas bahan bakar d. Saringan bahan bakar e. Pompa injeksi
f. Katup-katup dan aliran masuk bahan bakar g. Katup pengatur tekanan bahan bakar h. Katup dan aliran kembali bahan bakar i. Katup-katup by-pass dan kembali (return)
Gambar 26 Sistem Bahan Bakar Gas
Bagian sistem bahan bakar gas :
a. Pemisah bahan bakar gas (gas separator) b. Katup-katup dan aliran masuk bahan bakar c. Katup pengatur tekanan bahan bakar d. Saringan bahan bakar
2.4. Sistem Minyak Pelumas (Lube Oil)
Sistem minyak pelumas berfungsi untuk menyediakan/menyiapkan minyak pelumas yang bersih dengan tekanan dan temperatur yang dibutuhkan untuk keperluan: - Pelumasan bantalan-bantalan turbin, kompresor, generator, peralatan start
(starting device) dan alat bantu lainnya (bearing pedestal) - Minyak untuk pengangkat poros (jacking oil)
- Minyak untuk pemutar poros (turning/barring oil) - Minyak untuk pengaturan (control oil)
- Minyak untuk pengaman turbin (hydraulic trip/emergency oil)
Bagian-bagiannya dari system pelumas, antara lain : - Penampungan minyak
- Tangki minyak pelumas (lube oil tank) - Pemanas minyak (oil heaters)
- Pemisah minyak (oil separator)
- Kipas pembuang gas (vapor exhaust fan) - Pengaliran minyak
- Pompa utama minyak pelumas (main lube oil pump) - Pompa bantu minyak pelumas (auxiliary lube oil pump) - Pompa darurat minyak pelumas (emergency lube oil pump) - Katup pengatur temperatur (thermostat)
- Pendingin minyak pelumas (lube oil cooler) - Saringan ganda minyak pelumas (duplex oil filter)
- Pemipaan untuk pencatuan dan aliran kembali ke tangki pelumas
- Perlengkapan pengamanan dan pemantauan (safety and monitoring equipment); seperti pengukur tekanan, level, temperature, dll.
Gambar 27 Sistem Minyak Pelumas
2.5. Sistem Minyak Pengangkat Poros (Jacking oil)
Minyak bertekanan tinggi akan mengangkat dan melumasi (hydrodynamic lubrication) poros untuk mengurangi puntiran dan menghindari gesekan di bantalan pada saat poros berputar pelan.
Bagian-bagian sistem minyak pengangkat poros (jacking oil) :
- Pompa minyak pengangkat poros (jacking oil pump) yang menaikkan tekanan dan mengalirkan minyak pelumas dari tangki minyak pelumas.
- Pemipaan yang mencatukan minyak bertekanan dari pompa pengangkat poros ke seluruh bantalan-bantalan yang ada; setelah dari bantalan, minyak kembali melalui saluran kembali minyak pelumas.
- Perlengkapan pengamanan dan pemantauan (safety and monitoring equipment); seperti pengukur tekanan, pelepas tekanan lebih dan katup satu arah (check valve), dll.
Gambar 28 Sistem Jacking Oil
2.6 Sistem Minyak Pengaturan (Control Oil)
Fungsi sistem minyak pengaturan (control oil), antara lain :
- Menyediakan minyak pengaturan yang bersih dan bertekanan sesuai kebutuhan, minyak berasal dari saluran keluar minyak pelumasan setelah pompa minyak pelumas
- Menggerakkan penggerak (actuator) katup utama bahan bakar (main stop valve, katup pengatur aliran bahan bakar (fuel control valve) dan katup stop darurat (emergency stop valve)
Gambar 29 Sistem Minyak Pengatur (Control Oil)
Bagian-bagian sistem minyak pengatur (control oil) :
- Pompa minyak pengaturan (Control Oil pump) untuk menaikkan tekanan dan mengalirkan minyak pengaturan ke penggerak-penggerak katup
- Saringan minyak pengaturan (control oil filter) untuk membersihkan minyak yang mengalir ke penggerak katup (actuator)
- Penyangga tekanan minyak (accumulator) untuk menjaga kestabilan tekanan minyak pengaturan
-
Katup stop darurat (trip valve) untuk melepas (to drain) aliran/tekanan minyak pengaturan segera kembali ke tangki minyak, sehingga minyak pengaturan kehilangan tekanannya dan fungsinya.2.7 Sistem Kelistrikan (Electrical)
Bila ditinjau dari sisi luar (jaringan luar), maka pasokan listrik dari bus 70 atau 150 kV melewati CB (circuit breaker) kemudian trafo utama (generator transformer). Dari trafo utama tegangan diturunkan dan dicabang menjadi dua saluran. Satu saluran ke generator dan saluran yang lain ke alat bantu (auxiliary).
Saluran ke generator melewati PMT (generator circuit breaker) dan digunakan untuk kebutuhan penyaluran daya keluar generator. Energi listrik yang dibangkitkan dari generator disalurkan ke pelanggan melalui saluran ini.
Saluran ke alat bantu melewati CB dan auxiliary transformer (trafo alat bantu). Pada
auxiliary transformator tegangan diturunkan sesuai dengan tegangan alat-alat bantu.
Setelah diturunkan tegangannya energi listrik didistribusikan ke alat-alat bantu berupa motor-motor listrik dan sebagainya melalui motor control center (MCC). Karena percabangan saluran listrik dari sistem jaringan terjadi setelah PMT generator, maka pasokan listrik untuk alat bantu selalu tersedia sekalipun generator dalam keadaan stop (tidak menghasilkan listrik).
MCC untuk alat bantu biasanya terdiri dari dua bagian, yaitu MCC untuk peralatan yang berada menjadi satu dengan unit PLTG dan MCC untuk peralatan yang terpisah dari unit PLTG, seperti misalnya sistem pendingin atau pompa forwading. Sistem kelistrikan untuk alat bantu dilengkapi dengan batere charger dan station batere yang berfungsi sebagai sumber pasok listrik DC. Kebutuhan listrik DC antara lain digunakan untuk :
Tegangan kontrol
Pompa darurat
3.
HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR (HRSG)
HRSG berfungsi untuk memanaskan air dengan menggunakan panas gas buang dari turbin gas sehingga dihasilkan uap dengan tekanan dan temperatur tertentu yang konstan. HRSG merupakan penghubung antara PLTG (siklus Brayton) dengan PLTU (siklus Rankine).
Gambar 31 Diagram HRSG dengan aliran gas mendatar
Ditinjau dari sumber panasnya, HRSG dibagi menjadi dua, yaitu unfired dan fired (auxiliary burner atau supplementary burner). HRSG unfired adalah HRSG yang seluruh sumber panasnya diperoleh dari gas buang (exhaust gas) turbin gas. Sedangkan HRSG supplementary burner adalah HRSG yang dilengkapi dengan peralatan pembakaran bahan bakar (burner) sehingga sumber panas nya dapat diperoleh dari gas buang turbin gas dan atau dari pembakaran bahan bakar. Tetapi
penerapan HRSG pada PLTGU tujuan utamanya adalah memanfaatkan panas gas buang dari PLTG yang masih tinggi temperaturnya untuk menghasilkan uap yang akan memutar turbin uap. Dengan cara ini diperoleh peningkatan efisiensi termal yang besar. HRSG juga disebut Waste Heat Recovery Boiler (WHRB).
3.1. Prinsip Kerja HRSG
Gas buang dari turbin gas yang temperaturnya masih tinggi (sekitar 550 0C) dialirkan masuk ke HRSG untuk memanaskan air didalam pipa-pipa pemanas, kemudian gas buang ini dibuang ke atmosfir melalui cerobong dengan temperatur yang sudah rendah (sekitar 130 0C). Air didalam pipa-pipa yang berasal dari drum sebagian berubah menjadi uap karena pemanasan tersebut. Campuran air dan uap ini selanjutnya masuk kembali ke dalam drum. Di dalam drum, uap dipisahkan dari air menggunakan separator.
Uap yang terkumpul kemudian diarahkan untuk memutar turbin uap, sedangkan air nya dikembalikan kedalam drum untuk disirkulasikan lagi kedalam pipa-pipa pemanas bersama dengan air pengisi yang baru. Demikian proses ini terjadi berulang-ulang selama HRSG beroperasi. Agar dapat memproduksi uap yang banyak dalam waktu yang relatif cepat, maka perpindahan panasnya dilakukan dengan aliran berlawanan atau cross flow, dan sirkulasi airnya harus cepat.
Pada prinsip nya HRSG dan boiler adalah sama, yaitu suatu peralatan pemindah panas yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap dengan bantuan panas. Perbedaan utama terletak pada sumber panas yang digunakan dan susunan pipa pemanasnya.
Sumber panas untuk membangkitkan uap pada HRSG berasal dari energi panas yang terkandung didalam gas buang PLTG. Sedangkan pada boiler (ketel), sumber panas untuk membangkitkan uap berasal dari pembakaran bahan bakar didalam ruang bakar (furnace) boiler. Pada boiler pipa-pipa pemanas disusun menjadi dinding ruang bakar, sedangkan pada HRSG pipa-pipa pemanas disusun tegak lurus terhadap aliran gas buang.
Dengan kondisi demikian, maka HRSG :
Tidak memiliki ruang bakar
Tidak dilengkapi sistem bahan bakar
Tidak ada sistem udara bakar
Tidak memiliki penghembus jelaga (soot blower).
Gambar 32 Heat Recovery Steam Generator
3.2. Sifat Air dan Uap
Air apabila dipanaskan temperaturnya akan naik. Apabila pemanasan terhadap air dilakukan terus, maka pada temperatur tertentu akan terjadi pendidihan. Makin tinggi panas yang diberikan makin cepat proses pendidihan terjadi dan pada temperatur
Uap tersebut berbentuk gelembung dan gelembung ini berisi uap jenuh. Supaya gelembung uap dapat terbentuk, tekanan uap pada temperatur itu harus sama dengan tekanan pada permukaan air. Jadi air dikatakan mendidih apabila tekanan dari uap yang terbentuk sama dengan tekanan sekitarnya. Pada tekanan atmosfir normal (1,013 bar), air akan mendidih pada temperatur 100 0C.
Pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfir, air mendidih pada temperatur lebih rendah dari 100 0C. Temperatur pendidihan tergantung pada tekanan yang bekerja pada air tersebut. Makin tinggi tekanan pada air tersebut makin tinggi temperatur pendidihan, dan sebaliknya. Sebagai contoh dibawah ini hubungan antara tekanan dan temperatur pendidihan (boiling temperature).
Tabel 1 Temperatur didih pada nilai Tekanan tertentu
Pendidihan dibedakan menjadi dua macam, yaitu :
Nucleate Boiling
Yaitu proses pendidihan normal dalam boiler (HRSG). Temperatur Air dinaikkan mencapai titik didih. Gelembung-gelembung uap secara individu terbentuk saat air berhubungan dengan permukaan logam pipa yang panas. Ketika gelembung ini terbentuk, dan meninggalkan permukaan logam pipa, air dingin berikutnya akan membasahi pipa (karena adanya sirkulasi), dengan demikian temperatur pipa selalu berada dalam batas yang diizinkan.
Tekanan (bar) 0,1574 0,3116 0,5780 1,0132 2,000 3,500
Film Boiling
Adalah kondisi pendidihan yang tidak normal, disebabkan oleh aliran air (sirkulasi air) tidak cukup (lambat). Gelembung uap terbentuk ketika air menyentuh permukaan logam pipa. Gelembung uap berkumpul dan membentuk film uap dan menyelimutinya. Karena permukaan dalam tube tidak didinginkan oleh air, maka temperatur logam tube akan naik. Tube dapat menjadi rusak (overheating, pecah). Istilah yang digunakan untuk kejadian ini adalah DNB (Departure from Nucleate Boiling)
Kalor atau panas dapat dibedakan menjadi :
Kalor Sensibel
Sebagaimana disebutkan diatas pemberian panas pada air (zat cair) akan menyebabkan temperatur zat tersebut naik. Panas yang diterima air sehingga temperaturnya naik sampai titik didihnya disebut panas sensibel atau enthalpi
didih dan diberi simbol hf dalam tabel uap. Apabila tekanannya naik, maka
temperatur didih juga naik dan panas sensibelnya juga bertambah.
Kalor Laten
Pemberian panas pada air yang telah mendidih tidak akan menaikkan temperatur air tersebut, tetapi akan mengakibatkan air berubah menjadi uap jenuh. Atau dikatakan air berubah fase (wujud) menjadi uap jenuh. Panas yang diberikan untuk merubah air menjadi uap disebut panas penguapan atau panas latent atau
enthalpi penguapan dan diberi simbol hfg didalam notasi tabel uap.
Kalor Total
Jumlah panas yang diberikan untuk merubah air menjadi uap jenuh, yaitu panas sensibel dan panas laten disebut panas total atau enthalpi total uap jenuh dan diberi simbol hg.
Gambar 33 Diagram pemanasan air
3.3. Kualitas Uap
Didalam membahas kualitas uap kita mengenal istilah uap jenuh, uap basah dan uap kering. Uap jenuh artinya uap yang sudah tidak mengandung air lagi, jadi seluruh materinya berwujud uap. Uap basah adalah uap yang masih mengandung butir-butir air atau campuran antara uap dan air. Sedangkan uap kering sama dengan uap jenuh atau uap yang kadar airnya sudah 0 % (tidak mengandung air).
Tingkat kebasahan uap dapat dinyatakan dengan banyaknya kandungan air didalam campuran air uap. Sedangakan apabila ditinjau dari sisi uapnya, dikenal istilah tingkat kekeringan (dryness fraction), yaitu banyaknya kandungan uap dalam campuran air uap.
Uap jenuh apabila dipanaskan lebih lanjut, maka temperaturnya akan naik dan disebut uap superheat (uap panas lanjut). Uap superheat tentunya mempunyai kandungan kalor yang lebih tinggi dibanding uap jenuh.
Contoh : Dari tabel di bawah ditunjukkan bahwa dengan tekanan 500 kPa, temperatur jenuhnya 151,8 o C dan mempunyai enthalpy 2748,1 kJ/kg. Jika
superheater menaikkan temperaturnya sampai 500 oC, maka uap akan berubah menjadi uap panas lanjut sehingga enthalpy uap naik menjadi : 3484,5 kJ/kg
Enthalpi adalah energi panas yang dikandung dalam suatu zat. Enthalpi juga disebut
panas dalam (heat content). Di dalam menghitung panas dalam uap selain entalpi, juga digunakan entropi. Entropi berhubungan dengan proses ekspansi adiabatis dalam mesin. Perubahan entropi bernilai positif ketika panas diserap oleh gas, dan bernilai negatif (berkurang) ketika panas dibuang.
3.4. Konstruksi dan Tata Letak HRSG
Sistem tata letak HRSG mempunyai banyak variasi baik jenis maupun jumlahnya. Ditinjau dari sistem sirkulasi airnya HRSG dibedakan menjadi :
HRSG sirkulasi alam
HRSG sirkulasi paksa.
Bila ditinjau dari tekanan kerjanya, HRSG dapat dibedakan menjadi :
HRSG dengan satu tekanan (single pressure)
HRSG dengan dua tekanan (dual pressure)
HRSG dengan tekanan bertingkat (multi pressure)
Sedangkan bila ditinjau dari sumber panasnya, HRSG dapat dikelompokkan menjadi:
HRSG tanpa bantuan pembakaran (nonfire)
HRSG dengan bantuan pembakaran (auxiliary/supplementary burner)
3.4.1. HRSG sirkulasi Alam (Natural Circulation)
HRSG dengan sirkulasi alam memiliki pipa-pipa pemanas yang disusun secara vertikal berjajar sepanjang HRSG. Arah aliran gas buang dari turbin gas mendatar memotong pipa-pipa pemanas secara tegak lurus. Selanjutnya gas buang keluar melalui cerobong yang dipasang pada ujung HRSG.
Susunan pipa-pipa didalam HRSG sirkulasi alami dibuat vertikal dengan ketinggian yang relatif rendah. Inlet duct HRSG disambungkan dengan exhaust turbin gas dengan menggunakan expansion joint. Ketika mendapat pemanasan, sirkulasi air alami terjadi dari drum ke evaporator dan kembali ke drum.
Gambar 34 Prinsip Sirkulasi Alami (Natural Circulation)
3.4.2. HRSG sirkulasi Paksa (Forced Circulation)
Konstruksi pipa-pipa pemanas pada HRSG dengan sirkulasi paksa dipasang dengan posisi mendatar disusun dari bawah keatas. Gas panas dari turbin gas masuk dari sisi bawah keatas memotong pipa-pipa pemanas dan selanjutnya keluar melalui cerobong yang berada diatas HRSG.
Air pengisi masuk ke dalam drum melewati ekonomiser. Selanjutnya air di sirkulasikan dari drum ke pipa-pipa penguap (evaporator) dan kembali ke drum dengan menggunakan pompa sirkulasi. Proses perpindahan panas dari gas panas ke air terjadi didalam pipa-pipa penguap sehingga sebagian air berubah menjadi uap.
Uap yang terbentuk bersama-sama dengan air masuk kembali ke dalam drum. Didalam drum uap dipisahkan dari air, dan uap selanjutnya mengalir ke superheater atau langsung ke turbin, sedangkan air bercampur kembali dengan air yang ada didalam drum.
Umumnya pompa sirkulasi mempunyai laju sirkulasi sekitar 1,7. Artinya jumlah air yang disirkulasikan 1,7 kali kapasitas penguapan.
Beberapa keuntungan dari sistem sirkulasi paksa
Waktu start (pemanasan) lebih cepat
Mempunyai respon yang lebih baik dalam mempertahankan aliran air ke pipa-pipa pemanas pada saat start maupun beban penuh.
Mencegah kemungkinan terjadinya stagnasi pada sisi penguapan
3.4.3. HRSG dengan tekanan tunggal (Single Pressure)
Pada HRSG ini uap yang dihasilkan hanya memiliki satu tekanan. Susunan PLTGU dengan satu tekanan biasanya turbin gas, generator, dan turbin uapnya dibuat menjadi satu poros.
Gambar 38 HRSG dengan tekanan tunggal (single pressure)
3.4.4. HRSG Dengan Dua Tekanan (Dual Pressure)
HRSG ini menghasilkan dua tingkat tekanan, yaitu tekanan tinggi dan tekanan rendah. Uap tekanan tinggi digunakan untuk memutar turbin tekanan tinggi (High
Pressure turbine), sedangkan uap tekanan rendah bersama-sama dengan uap
bekas dari turbin tekanan tinggi digunakan untuk menggerakkan turbin tekanan rendah (Low Pressure turbine).
Tujuan membuat dua tingkat tekanan adalah untuk meningkatkan efisiensi termal siklus kombinasi. Dengan dua tingkat tekanan, maka gas buang sebelum dibuang ke atmosfir dapat digunakan untuk menghasilkan uap dengan tekanan dan temperatur yang rendah sehingga panas gas buang dimanfaatkan dengan lebih optimal. Aliran gas panas dari turbin gas masuk melalui sisi bawah HRSG mengalir ke atas melewati pipa-pipa superheater, evaporator, ekonomiser tekanan tinggi sambil menyerahkan panas. Selanjutnya melewati pipa-pipa dengan fungsi yang yang sama tetapi dengan tekanan lebih rendah yang berada dibagian atasnya kemudian dibuang keatmosfir melalui cerobong yang terletak diatas HRSG.
3.4.5. HRSG Tekanan Bertingkat (Multi Pressure)
HRSG jenis ini mempunyai tiga tingkat tekanan yang berbeda, yaitu tekanan tinggi (HP), tekanan menengah (IP), dan tekanan rendah (LP). Dengan tiga tingkat tekanan efisiensi termal siklus kombinasi akan lebih baik karena celah diantara tekanan tinggi dan rendah masih dimanfaatkan untuk menghasilkan uap tekanan menengah.
Gas buang dari turbin gas mengalir mendatar sambil menyerahkan panasnya ke pipa-pipa pemindah panas yang dipasang tegak sebagaimana pada sistem satu tekanan ataupun dua tekanan.
3.4.6. HRSG dengan Burner bantu (Auxiliary burner)
Pada umumnya HRSG yang digunakan di Indonesia adalah unfire, tetapi dalam industri terdapat HRSG dengan bantuan burner (auxiliary burner). Hal ini diterapkan apabila ketersediaan gas panas dari luar tidak konstan. Penggunaan burner bantu pada HRSG tujuannya adalah untuk meningkatkan temperatur gas (sekitar 820 0 C) sehingga diperoleh produksi uap yang lebih besar.
Pembakaran bahan bakar dengan memanfaatkan excess air yang tinggi dalam gas buang. Dengan cara ini dapat menaikkan kapasitas output turbin uap hingga 85 %, tetapi disisi lain polusi akibat emisi gas buang menjadi lebih besar.
