Buku Ajar
Jurusan Teknik Konversi Energi
SISTEM PENDINGIN PEMBANGKIT
Dikumpulkan oleh Bambang puguh M
Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Bandung
2012
Pada pembangkit tenaga listrik, system pelepasan kalor sebagai konsekwensi dari tuntutan system mutlak diperlukan, bahkan system pelepasan kalor harus di maintain dengan baik untuk menjaga agar kinerja system bisa optimal. Proses pelepasan kalor di pembangkit ini lebih popular dikenal dengan Sistem Pendingin Pembangkit. Sistem pendinginan pada pembangkit adalah pelepasan panas ke lingkungan sekitarnya.
Dalam buku ini dijelaskan bagaimana system pembangkit melepaskan ke lingkungan antara lain udara, sungai, danau dan laut.
Buku ini di tulis untuk melengkapi buku yang sudah ada sebagai bacaan penunjang pada matakuliah Sistem Pendingin Pembangkit di Program Studi Teknik Pembangkit Energi Listrik politeknik Negeri Bandung.
Penulis berharap semoga buku ini bermanfaat bagi pembaca. Salam Energi
Penulis
BAB I
PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK
Industri pembangkit tenaga listrik adalah industri yang berperan memproduksi dan membangkitkan energi listrik dari berbagai sumber tenaga, seperti PLTD, PLTU,
PLTA dan sumber tenaga lainnya. Dalam melakukan kerjanya, sumber tenaga ini menggerakan sudu sudu turbin sehingga poros generator berputar dan menghasilkan energi listrik. Seperti halnya pada pembangkit listrik tenaga uap, berbagai jenis bahan bakar seperti batu bara, solar dan lainnya merupakan sumber panas yang bertugas menguapkan air didalam boiler, kemudian uap dialirkan menuju turbin dan berekspansi didalam turbin sehingga menggerakan sudu sudu turbin. Hal yang sama dilakukan oleh pembangkit listrik tenaga nuklir, panas bumi dimana dalam prosesnya adalah mengalirkan energi uap menuju turbin. Berbeda dengan pembangkit listrik tenaga air, dimana sumber air dari bendungan dialirkan melalui pipa pesat menuju turbin untuk menggeakan sudu sudu turbin. Sedangkan pada pembangkit listrik tenaga diesel memperlihatkan system yang berbeda, dimana energi bahan bakar dipergunakan untuk proses pembakaran pada engine sehingga poros utama engine berputar dan menggerakkan generator.
Pada beberapa proses pembangkit tersebut terlihat dari berbagai sumber tenaga dan sumber energi bahan bakar pada akhirnya bermuara pada bekerjanya generator untuk menghasilkan listrik. Dari total sumber tenaga yang didefinisikan sebagai sumber energi masuk 100%, maka keluaran yang dihasilkan generator bila dinilai dari sumber energi masuk jauh dibawah angka 100%. Inilah yang disebut sebagai efisiensi sistem, dimana nilai efisiensi untuk berbagai sistem pembangkit tenaga listrik berbeda beda. Nilai efisiensi ini menunjukan bahwa sejumlah energy masuk sebesar 100% dirubah menjadi energi keluaran dalam bentuk energy listrik dan keluaran lainnya. Salah satu keluaran lainnya ini adalah sejumlah panas untuk memenuhi persyaratan sisten harus dibuang dan dilepas ke lingkungan sehingga sisten ini dapat bekerja dengan baik.
Pada system PLTN, PLTP, PLTU, fluida kerja yang digunakan adalah uap sebagai sumber tenaga penggerak turbin. Persyaratan system mengharuskan setelah uap berekspansi dalam turbin selanjudnya diembunkan didalam kondensor. Pada proses kondensasi ini diperlukan media fluida bertemperatur dingin untuk untuk proses kondensasi dan selanjudnya panas dilepas ke lingkungan.
Adakah proses pelepasan panas pada system yang bekerja pada PLTA. Sepintas apabila kita mendengar pembangkit listrik tenaga air, dimana sumber tenaga yang bekerja adalah air untuk berekpansi didalam turbin selanjudnya air dilepas keluar maka seakan tidak ada kebutukan dan keharusan pelepasan panas. Akan tetapi bila kita kaji lebih mendalam, bagaimana proses bekerjanya turbin dan generator maka terlihat ada proses pembangkitan panas. Proses pembangkitan panas ini bila tidak dirawat maka akan terjadi kemaikan temperature pada system tersebut sehingga berdapmak pada kinerjanya. Pada kondisi ini maka diperlukan system pelepasan panas secara kontinyu agar system bekerja bengan aman.
Lain halnya pada system pembangkit lstrik tenaga diesel. Pada pembangkit listrik tenaga diesel terlihat jelas bahwa pada proses pembakaran yang terjadi pada mesin diesel menimbulkan panas, sehingga diperlukan system pendingin untuk menjamin mesin diesel beroperasi dengan aman.
BAB II
BAGIAN UTAMA SISTEM PENDINGIN
Prinsip pendinginan pada system pembangkit listrik adalah proses menurunkan temperature fluida kerja dalam hal ini utamanya uap. Namun kenyataan sebenarnya yang diharapkan adalah proses perubahan fasa dari fasa uap ( Air-uap) menjadi cair, sehingga sehingga proses yang terjadi adalah proses pengembunan (kondensasi). Proses kondensasi terjadi apabila ada perpindahan panas dari fluida kerja (uap) dan melepaskan sejumlah kalor kepada media pendingin, sehingga proses pengembunan ini terjadi karena terjadinya penurunan temperature.
Media pendingin umumnya menggunakan air, disamping beberapa system ada yang menggunakan udara. Pemilihan air utamanya adalah karena pada daerah tertentu mudah didapat dab biayanya sangat murah. Selain itu pertimbangan utama adalah ait bertemperatur lebih rendah disbanding temperature udala lingkungan.
Secara umum beberapa tipe pembangkit menggunakan kondensor khususnya pada pembangkit yang menggunakan fluida kerja uap antara lain PLTU, PLTN, PLTP, sehingga cara pembahasan system pendingin utamanya adalan serupa hanya pada PLTD dan PLTG serta beberapa pembangkit lainnya yang tidak memerlukan kondensor, sehingga perlu kiranya sebelum mengenal system pendingin pada berbagai pembangkit perlu diperkenalkan terlebih dahulu komponen utama system pendingin yaitu ondensor dan cooling tower.
2.1 Kondensor
Kondensor merupakan komponen sistem pendingin yang sangat penting dalam siklus pembangkit listrik tenaga uap. Dalam sistem pembangkit energi, aliran uap air yang keluar turbin melepaskan kalor pada kondensor. Uap ini dikondensasikan menjadi fasa cair (air) untuk dipompakan kembali ke pembangkit uap.
Uap keluaran dari turbin dikondensasikan oleh alat kondensor menjadi air kondensat. Kondensor merupakan komponen pendingin yang sangat penting yang berfungsi untuk memaksimalkan efisiensi pada turbin uap, oleh karena itu tekanan dan temperatur pada keluaran uap air diusahakan serendah mungkin sehingga diperoleh beda tekanan optimum pada turbin. Untuk itu, uap air yang keluar dari turbin yang telah bertekanan rendah perlu dilewatkan kondensor yang akan dikondensasikan menjadi air kondensat. Pada kondensor ini, terjadi pelepasan kalor secara kondensasi dan kalor sensibel. Pada instalasi PLTU umumnya menggunakan kondensor tipe permukaan (surface condenser), tipe kondensor ini merupakan jenis shell-tube yang-mana air pendingin disirkulasikan melalui tube. Uap keluar (exhaust steam) dari turbin masuk ke sisi-shell kondensor yang bertekanan rendah dikondensasikan dan dikonversikan menjadi air kondensat pada bagian luar permukaan tube. Kondensor biasanya menggunakan sirkulasi air pendingin dari menara pendingin (cooling tower) untuk melepaskan kalor ke atmosfir, atau once-through water dari sungai, danau atau laut.
Uap air yang keluar dari turbin akan kehilangan energinya yang selanjutnya dikondensasikan dan didinginkan oleh kondensor untuk dikembalikan sebagai umpan air ke pembangkit uap. Kondensor ini terletak di bawah turbin, Pendinginan pada kondensor ini menggunakan sirkulasi mengalirkan air dari menara pendingin atau sistem once-through dari sumber air pendingin eksternal.
Secara umum, terdapat berbagai macam kondensor sesuai untuk aplikasi steam power plant, chemical-prossesing plant dan nuclear power plant. Pada prinsipnya terdapat 2 kelompok tipe kondensor yaitu tipe spray dan tipe surface. Tipe Spray menggunakan kontak langsung air pendingin dengan uap. Air pendingin disebarkan di dalam kondensor dalam bentuk semprotan air. Tipe ini biasanya
menggunakan dry cooling towers. Sebagian kondensat dari kondensor disirkulasikan melalui dry cooling tower dan dikembalikan ke kondensor. Kondensor permukaan pada dasarnya merupakan tipe shell-tube heat exchanger yang terdiri dari water boxes untuk mengalirkan air pendingin ke dan dari horizontal tubes. Tube dirangkai pada tube sheets dan didukung oleh tube support plates. Jumlah tube cukup banyak untuk transfer kalor yang besar. Water boxes dilengkapi dengan kanal pemisah sehingga dapat mengalirkan air pendingin pada sisi-masuk dan keluar.
Pada kondensor tipe surface horizontal,terdapat berbagai tipe aliran di sisi-shell diantaranya tipe E, G, H, J dan X. Kondensor tipe-X paling banyak digunakan untuk operasi vakum dan volume uap yang cukup besar untuk power-plant. Area aliran yang luas dan rugi tekanan yang rendah, sangat penting dalam sistem operasi vakum (untuk menghindari penurunan temperatur saturasi). Pada tipe-X juga dilengkapi dengan tube support untuk melindungi vibrasi dan distribusi uap yang baik. Kondensor horisontal pada umumnya yang merupakan jenis kondensor permukaan yang paling mudah estimasi desainnya dan memiliki kemampuan beban yang besar dan temperatur kondensasi yang rendah untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi. Temperatur kondensasinya di atas temperatur air pendinginnya atau sekitar tekanan saturasi 0,048 bar-absolut, oleh karena itu hanya terjadi rugi tekanan yang kecil. Kondensor tipe horisontal ini memiliki luas permukaan yang lebih besar dan rugi tekanan yang rendah. Sistem ventilasi yang baik dan rugi tekanan yang rendah merupakan faktor penting pada desainkondensor ini. Bejana sisi-shell dapat berbentuk box atau silinder yang dapat dilengkapi dengan sistem sub-cooler. Kondisi sub-cooling pada kondensat ini diperlukan untuk mendapatkanoperasipompa yang aman terhindar dari kavitasi.
.
Gambar 2.2. Surface Condenser horizontal
Kondensor Uap (steam condenser) pada PLTU merupakan alat pemindah-kalor yang memiliki ribuan tube. Uap terkondensasi ketika melalui bundel tube dan kontak dengan permukaan tube tersebut. Kondensor terdiri dari bagian bejana shell yang merupakan sisi-luar dan rangkaian tube pada bagian dalam sebagaimana ditampilkan pada Gambar 2. Material Shell biasanya terbuat dari plate carbon steel. Selain itu, hal yang juga sangat penting adalah penggunaan konstruksi/ bahan material pada tube, water box sisi-shell dan komponen yang berinteraksi dengan uap air. Faktor dan karakteristik yang penting adalah :
1. Proses kondensasi 2. Kondisi pendingin 3. Tekanan kondensasi 4. Sifat Korosi pendingin 5. Rentang temperatur
6. Ekspansi material dan aspek keselamatan. 7. Pengendalian kondensat
Fungsi utama dari kondensor pada PLTU adalah untuk merubah uap dari keluaran turbin dialirkan melalui bundel tube untuk dikondensasikan menjadi fasa cair (air). Temperatur kondensat menentukan tekanan di dalam sisi-shell kondensor. Tekanan yang selalu dijaga lebih rendah dari atmosfir (vakum) ini disebut sebagai turbine backpressure. Penurunan temperatur kondensat akan menghasilkan turbine backpressure yang rendah, sehingga penurunan ini dapat menaikkan efisiensi turbin. Kondensor juga mempunyai fungsi lain yaitu menampung kondensat pada hot-well pada bagian bawah kondensor sebagai sisi- hisap pompa sekunder disamping juga menampung gas yang tidak terkondensasi (non condensible gas).
Dalam operasi kondensor, terdapat gas atau udara terlarut dari atmosfir ke dalam sistem siklus uap (steam-cycle equipment) maupun dari zat kimia yang terdapat pada chemicals feedwater treatment. Udara tidak terkondensasi ini berada dibalik header tube ketika terjadi kondensasi uap. Udara ini akan terakumulasi apabila tidak dikeluarkan dari sistem kondensor. Oleh karena itu fitur yang juga penting pada kondensor adalah terdapatnya fasilitas ventilasi untuk pemindah udara tidak terkondensasi. Catatan bahwa kandungan udara tidak terkondensasi dapat mengurangi koefisien kondensasi. Othmer menyampaikan bahwa 1% udara tercampur ke dalam volume uap maka dapat menurunkan koefisien kondensasi 56% oleh karena itu gas yang terakumulasi ini tidak dapat ditoleransi selama operasi kondensor. Sistem kondensor uap yang terdapat pada instalasi power-plant, secara umum menggunakan prinsip perhitungan koefisien transfer kalor pada tube dan sisi-shell. Ketika uap masuk ke kondensor, maka akan memberikan kalor latent kondensasi isotermal yang merubah fasa uap menjadi cair. Setelah uap terkondensasi,
air saturasi ini mengalir dan terkumpul pada bottom (hot-well) kondensor. Kondisi subcooling oleh subcooler terpisah (separate subcooler) juga data diperlukan untuk melindungi kavitasi pada pompa kondensat. Pada umumnya dalam desain temperatur uap keluar turbin (discharge temperature) tidak lebih dari 158oF (70oC) hal ini karena temperatur yang lebih tinggi cenderung memberikan trouble deposit kerak. Sementara itu pengalaman dalam pengoperasian alat kondensor membuktikan bahwa kasus korosi telah mengakibatkan banyak trouble. Biasanya korosi terutama cenderung terjadi pada saltwater cooling system (SWCS) sistem pendingin tersier yang menggunakan air laut sebagai pendingin.
2.1.1 Transfer Kalor
Perhitungan desain untuk alat penukar kalor kondensor pada dasarnya adalah menentukan koefisien transfer kalor dan luasan transfer kalor (heat transfer area, A). persamaan berikut ini yang digunakan ,
∫
………. (1)
Dalam hal ini koefisien transfer kalor, menggunakan nilai overall heat transfer coefficients (Uo) yang merupakan gabungan dari faktor konstituen berdasarkan penurunan temperatur (temperature drop), Uo merupakan kombinasi koefisien konveksi pada permukaan kedua sisi.
Pada kondensor, jumlah kalor untuk melakukan kondensasi uap adalah;
selanjutnya persamaan konstitutif untuk pendinginan dan perubahan temperatur keluarmasuk aliran pendingin melalui tube :
……….…………(3)
mc dan mp adalah laju aliran uap dan air pendingin, (ii-io)=λ, kalor latent kondensasi, dan cp : kalor spesifik pendingin, (to-ti) = beda temperatur keluar dan masuk pendingin. Gambar 3 menunjukkan contoh profil temperatur pada kondensor.
Gambar 2.3. Profil temperatur Pada Kondensor
Nilai LMTD yang merupakan beda temperatur logaritmik antar fluida diekspresikan oleh persamaan berikut,
Untuk koefisien transfer kalor air pendingin pada sisi-tube menggunakan korelasi Dittus-Boelter untuk mendefinisikan Nusselt Number, Nu yakni:
ht= koef.transfer kalor pendingin dt = diameter tube,
kt = konduktifitas termal.
Gambar 2.4. Kondensasi pada tube horizontal
Persamaan ini didasarkan data eksperimental ekstensif pada rentang angka Reynold 10.000 – 120.000. Proses kondensasi di permukaan luar tube horisontal, merupakan model kondensasi film (film-wise) sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 2.4
Untuk menghitung koefisien kondensasi uap di luar tube horisontal (sisi-shell)menggunakan korelasi kondensasi film berikut ini [8] :
Dalam perhitungan sistem kondensasi film ini merupakan bentuk yang umum lazim digunakan dan cukup memuaskan. Namun di beberapa kasus kondensasi, terjadi tetesan kondensat yang tersisa pada permukaan kemudian jatuh dan tanpa menyebar melalui seluruh permukaan. Dalam model kondensasifilm itu sendiri dapat mengakibatkan resistansi laju transfer kalor, sehingga laju transfer kalor pada kondensasi film ini diharapkan lebih rendah dari pada laju transfer kalor pada kondensasi tetesan (drop condensation). Laju transfer kalor permukaan (surface heat-transfer rates) untuk kondensasi butiran lebih besar puluhan kali dibanding laju kondensasi film.Selanjutnya Uo dihitung dengan persamaan (7) berikut,
keterangan,
kc, ρc, µc = konduktifitas termal, densitas dan viskositas kondensat,
Re (Angka Reynolds) =dtube.v.ρ/µ,
g = percepatan gravitas,
tc = temperatur saturasi uap,
twall. = temperatur dinding tube,
Rd = faktor resistansi,
Ht = koef.transfer kalor sisi tube, Hs = koef.transfer kalor kondensasi.
2.2 COOLING TOWER
2.2.1 Definisi Cooling Tower
Secara umum cooling tower dapat dikategorikan sebagai pendingin evaporatif yang digunakan untuk mendinginkan air atau media kerja lainnya sampai bertemperatur mendekati temperatur bola basah udara sekitar. Kegunaan utama dari cooling tower adalah untuk membuang panas yang diserap akibat sirkulasi air sistem pendingin yang digunakan pada pembangkit daya, kilang petroleum, pabrik petrokimia, pabrik pemrosesan gas alam, pabrik makanan, pabrik semikonduktor, dan fasilitas-fasilitas industri lainnya.(www.wikipedia.org, 2002)
Jika suatu pabrik tidak dilengkapi dengan cooling tower dan hanya menggunakan sirkulasi air pendingin sekali pakai, air pendingin yang telah digunakan dan mengalami kenaikkan temperatur selanjutnya dibuang ke laut, danau atau sungai yang ditentukan. Pembuangan sejumlah air hangat tersebut dapat meningkatkan temperatur sungai atau danau tersebut sehingga dapat merusak ekosistem lokal. Cooling tower dapat digunakan untuk membuang panas ke atmosfir sebagai pengganti angin serta difusi udara yang menyebarkan panas ke area yang lebih luas. Sistem operasi dari cooling tower ditunjukkan pada gambar 1.
Gambar 2.5 . Sistem operasi cooling tower
2.2.2 Klasifikasi Cooling Tower
Cooling tower dapat diklasifikasikan menurut beberapa hal, antara lain: 1. Menurut metode perpindahan panas
a. Wet cooling tower (cooling tower basah)
Pada cooling tower jenis ini, air panas didinginkan sampai pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur bola basah udara sekitar, jika udara relatif kering. Seperti udara jenuh yang melewati aliran air, kedua aliran akan relatif sama. Udara, jika tidak jenuh, akan menyerap uap air lebih banyak, meninggalkan sedikit panas pada aliran air. b. Dry cooler (pendingin kering)
Cooling tower ini beroperasi dengan pemindahan panas melewati permukaan yang memisahkan fluida kerja dengan udara ambient. Dengan demikian akan terjadi perpindahan panas konveksi dari fluida kerja, panas yang dipindahkan lebih besar daripada proses penguapan.
c. Fluid cooler (pendingin fluida)
Pada cooling tower ini saluran fluida kerja dilewatkan melalui pipa, dimana air hangat dipercikkan dan kipas dihidupkan untuk membuang panas dari air. Perpindahan panas yang dihasilkan lebih mendekati ke cooling tower basah, dengan keuntungan seperti pada pendingin kering yakni melindungi fluida kerja dari lingkungan terbuka.
2. Menurut metode pembangkitan aliran udara
Gambar 2.6. Natural Draft Cooling Tower
Udara dialirkan dengan memanfaatkan gaya buoyancy melewati cerobong yang tinggi. Udara campuran secara alami meningkat sampai terjadi perbedaan densiti dengan udara kering, pendingin udara luar. Udara campuran panas memiliki densiti yang lebih kecil daripada udara yang lebih kering pada temperatur dan tekanan yang sama. Buoyancy udara campuran tersebut menghasilkan arus udara melewati menara.
b. Mechanical draft (penggerak udara mekanik),
Gambar 2.7. Multi-cell Mechanical Draft Cooling Tower
Menara draft mekanik memiliki fan yang besar untuk mendorong atau mengalirkan udara melalui air yang disirkulasi. Air jatuh turun diatas permukaan bahan pengisi, yang membantu untuk meningkatkan waktu kontak antara air dan udara. hal ini membantu
dalam memaksimalkan perpindahan panas diantara keduanya. Menurut letak kipasnya jenis ini terbagi menjadi dua, antara lain:
1. Induced draft
Kipas pada cooling tower ini berada di bagian keluaran yang menghisap udara melintasi menara. Hal ini menghasilkan kecepatan udara masukan rendah dan kecepatan udara keluaran yang tinggi, sehingga mengurangi kemungkinan resirkulasi udara.
2. Forced draft
Pada cooling tower ini kipas terletak pada bagian masukan tower, sehingga menyebabkan kecepatan udara yang tinggi pada bagian masukan dan kecepatan yang rendah pada bagian keluaran. Kecepatan yang rendah pada bagian keluaran menyebabkan lebih mudah terjadi resirkulasi udara. Kerugian lainnya desain penggerak paksa membutuhkan daya motor yang lebih tinggi daripada desain kipas pada tipe induced draft. Keuntungan penggerak paksa adalah kemampuannya dalam bekerja pada tekanan statik yang tinggi.
3. Menurut arah aliran udara terhadap aliran air a. Aliran crossflow
Pada tipe ini, aliran udara bergerak memotong secara tegak lurus terhadap aliran air pada bahan pengisi. Kemudian udara melintasi menara melalui bagian keluaran udara akibat gaya tarik dari fan yang berputar. Gambar 2 menunjukkan desain tipe cooling tower dengan aliran crossflow.
Gambar 2.8. Cooling tower tipe aliran crossflow
b. Aliran counterflow
Pada tipe ini, aliran udara pada saat melewati bahan pengisi (fill material) sejajar dengan aliran air dengan arah yang berlawanan. Gambar 3 menunjukkan desain tipe cooling tower dengan aliran counterflow.
Gambar 2.9. Cooling tower tipe aliran counterflow
2.2.3 Komponen Cooling Tower
Komponen dasar sebuah cooling tower meliputi rangka dan wadah, bahan pengisi, kolam air dingin, eliminator aliran, saluran masuk udara, louver, nosel dan fan.
• Rangka dan wadah
Menara memiliki rangka berstruktur yang menunjang tutup luar (wadah/casing), motor, fan, dan komponen lainnya.
• Bahan Pengisi
Hampir seluruh menara menggunakan bahan pengisi (terbuat dari plastik atau kayu) untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air. Terdapat dua jenis bahan pengisi:
Air jatuh diatas lapisan yang berurut dari batang pemercik horisontal, secara terus menerus pecah menjadi tetesan yang lebih kecil, sambil membasahi permukaan bahan pengisi. Bahan pengisi percikan dari plastik memberikan perpindahan panas yang lebih baik daripada bahan pengisi percikan dari kayu.
2. Bahan pengisi berbentuk film
Terdiri dari permukaan plastik tipis dengan jarak yang berdekatan dimana diatasnya terdapat semprotan air, membentuk lapisan film yang tipis dan melakukan kontak dengan udara. Permukaannya dapat berbentuk datar, bergelombang, berlekuk, atau pola lainnya. Jenis bahan pengisi film lebih efisien dan memberi perpindahan panas yang sama dalam volume yang lebih kecil daripada bahan pengisi jenis splash.
Gambar 2.10. Bahan pengisi berbentuk film
Kolam air dingin terletak pada atau dekat bagian bawah menara, dan menerima air dingin yang mengalir turun melalui menara dan bahan pengisi. Kolam biasanya memiliki sebuah lubang atau titik terendah untuk pengeluaran air dingin. • Drift eliminator
Alat ini berfungsi untuk menangkap tetes-tetes air yang terjebak dalam aliran udara supaya tidak hilang ke atmosfir. Saat ini hampir kebanyakan spesifikasi pengguna akhir mengasumsikan kehilangan karena kerugian ini sebesar 0,02%. (www.energyefficiencyasia.org, 2004)
Gambar 2.11. Drift eliminator
• Saluran udara masuk
Merupakan titik masuk bagi udara menuju menara. Saluran masuk bisa berada pada seluruh sisi menara (desain aliran crossflow) atau berada di bagian bawah menara (desain aliran counterflow).
• Louver
Pada umumnya, menara dengan aliran crossflow memiliki saluran masuk louver. Kegunaan louver adalah untuk menyamakan aliran udara ke bahan pengisi dan menahan air dalam menara. Material yang sering digunakan untuk louver adalah asbes. Beberapa desain untuk menara aliran counterflow tidak memerlukan louver.
Gambar 2.12. Louver
• Nosel
Alat ini menyemprotkan air untuk membasahi bahan pengisi. Distribusi air yang seragam pada puncak bahan pengisi adalah penting untuk mendapatkan pembasahan yang benar dari seluruh permukaan bahan pengisi. Nosel dapat dipasang dan menyemprot dengan pola bundar atau segi empat, atau dapat menjadi bagian dari rakitan yang berputar seperti pada menara dengan beberapa potongan lintang yang memutar.
Gambar 2.13. Nosel
• Fan
Fan aksial (jenis baling-baling) dan sentrifugal keduanya digunakan dalam menara. Umumnya fan dengan baling-baling/propeller digunakan pada menara induced draft dan baik fan propeller dan sentrifugal dua-duanya ditemukan dalam menara forced draft. Tergantung pada ukurannya, jenis fan propeller yang digunakan sudah dipasang tetap atau dengan dapat dirubah-rubah/ diatur. Sebuah fan dengan baling-baling yang dapat diatur tidak secara otomatis dapat digunakan diatas range yang cukup luas sebab fan dapat disesuaikan untuk mengirim aliran udara yang dikehendaki pada pemakaian tenaga terendah. Baling-baling yang dapat diatur secara otomatis dapat beragam aliran udaranya dalam rangka merespon perubahan kondisi beban. (www.spxcooling.com, 2006)
Gambar 2.14. Fan aksial
D. Analisa Performansi Cooling Tower
Performansi cooling tower dievaluasi untuk mengetahui tingkat approach dan range yang terjadi terhadap nilai desain, mengidentifikasi area terjadinya pemborosan
energi dan memberikan saran perbaikan. Untuk mengukur performansi maka perlu diketahui beberapa parameter operasional cooling
tower,antara lain:
• Suhu udara wet bulb (Twb) • Suhu udara dry bulb (Tdb)
• Suhu air masuk menara pendingin (Tw,in) • Suhu air keluar menara pendingin (Tw,out) • Suhu udara keluar (Ta,out)
• Laju aliran massa air (L) • Laju aliran massa udara (G)
Sedangkan performansi dari cooling tower yang ditinjau antara lain: a) Range
Merupakan beda antara suhu air masuk dan keluar cooling tower. Range yang tinggi menunjukkan bahwa cooling tower mampu menurunkan suhu air secara efektif, dan kinerjanya bagus. Secara matematis nilai range dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (1) sebagai berikut:
Range (°C) = Tw,in – Tw,out (1) b) Approach
Merupakan beda antara suhu air dingin keluar cooling tower dan suhu wet bulb ambien. Semakin rendah approach semakin baik kinerja cooling tower. Approach merupakan indikator yang lebih baik untuk kinerja cooling tower. Persamaan (2) digunakan untuk mengetahui nilai approach yang dapat dicapai oleh cooling tower.
Approach (°C) = Tw,out – Twb (2)
Merupakan perbandingan antara range dan range ideal (dalam persentase), yaitu perbedaan antara suhu masuk air pendingin dan suhu wet bulb ambien, atau dengan kata lain:
d) Kapasitas Pendinginan (Qw)
Merupakan jumlah panas yang dibuang dari air, sebagai hasil dari kecepatan aliran masa air, panas spesifik (cpw) dan perbedaan suhu.
Qw (kW) = (4)
e) Rugi Penguapan (E)
Merupakan jumlah air yang diuapkan agar terjadi pendinginan. Jumlah air yang menguap dipengaruhi oleh panas laten air (hfg) itu sendiri:
E (kg/s) = (5)
E (m3/jam) = x vf x 3600 (6) f) Rugi Blowdown (B)
Rugi blowdown adalah kerugian yang diakibatkan oleh pembuangan sejumlah air sirkulasi untuk mencegah terjadinya konsentrasi larutan atau zat-zat lain pada air sirkulasi. Akibat konsentrasi larutan tersebut, maka larutan akan menjadi gumpalan-guimpalan yang dapat menyumbat saluran air sirkulasi, sehingga proses sirkulasi air terganggu. Besar nilai blowdown yang dibutuhkan bergantung pada range pendinginan yang dihasilkan dan komposisi zat-zat yang ada pada air make-up (suplai
air pengganti). Tabel 1 menunjukkan nilai persentase blowdown menurut nilai konsentrasi air dan range pendinginan yang terjadi.
Tabel 2.1. Persentase blowdown (Marley Corp.)
g) Drift Loss (D)
Yaitu kerugian massa air akibat terbawa aliran udara yang melintasi cooling tower. Jumlah drift loss terjadi relatif dan dapat diperkecil dengan penggunaan drift eliminators pada cooling tower. Berikut nilai persentase untuk drift loss yang dapat dipakai saat informasi nilai persentase drift loss yang direkomendasikan dari pabrikan tidak diketahui.
D = 0.3 – 1.0 persen dari L untuk cooling tower penggerak udara alami (natural draft) tanpa drift eliminators
D = 0.1 – 0.3 persen dari L untuk induced draft cooling tower tanpa drift eliminators D = sekitar 0.005 persen dari L (atau kurang) jika cooling tower dilengkapi
dengan drift eliminators.
Merupakan suplai air pengganti akibat kerugian air untuk terjadinya proses pendinginan. Laju aliran air make-up minimum yang diperlukan merupakan
jumlah akumulasi total kerugian yang terjadi. Make-up = B + D + E (7)
i) Perbandingan Cair/Gas (L/G)
Perbandingan L/G menara pendingin merupakan perbandingan antara laju aliran massa air dan udara. Menara pendingin memiliki nilai desain tertentu, namun variasi karena musim memerlukan pengaturan dan perubahan laju aliran air dan udara untuk mendapatkan efektivitas terbaik menara pendingin. Aturan termodinamika menyatakan bahwa panas yang dibuang dari air sama dengan panas yang diserap oleh udara sekitarnya. Oleh karena itu persamaan berikut dapat digunakan:
L.cp,w(Tw,in – Tw,out) = G(ha,out – ha,in) (8) (9)
Dimana:
ha,out = entalpi udara keluaran (kJ/kg) ha,in = entalpi udara masukan (kJ/kg)
BAB III
SISTEM PENDINGIN PADA PLTU
PLTU adalah Pembangkit Listrik dengan penggerak utama turbin uap, dimana uap tersebut diproduksi oleh ketel melalui proses pembakaran. Ciri fisik yang paling menonjol dari pembangkit listrik tenaga uap modern (selain cerobong asap) adalah generator uap atau boiler, seperti yang terlihat pada Gambar, dimana proses pembakaran, dari bahan bakar (fosil, minyak, gas alam, atau batubara memanaskan air sehingga meningkatkan suhu air sampai temperature cair jenuh, kemudian menguapkan air untuk membentuk uap jenuh dan selanjudnya meningkatkan suhu uap sampai kondisi uap superheat.
Gambar 3.1. Pembangkit listrik tenaga uap
Dalam siklus Rankine sederhana, uap mengalir ke turbin, di mana sebagian dari energi diubah menjadi energi mekanik yang diteruskan oleh poros untuk menggerakkan generator listrik. Setelah uap berekpansi didalam turbin kemudian mengalir keluar dari turbin dan mencair di kondensor. Sebuah pompa air umpan mengalirkan air ke generator uap. Panas yang dilepas dari kondensor selanjudnya disalurkan ke unit pelepas panas dan dibuang ke atmosfir, sungai, danau ataupun laut.
Gambar 3.2 Siklus Rankin sederhana
Persamaan aliran per satuan massa uap
Efisiensi Thermal siklus Rankine didefinisikan sebagai:
qinqout
winwout
hehi
kJ kg
Pump
q0
wpump,in
h2h1
v P2 P1
where h1hf@P1 vv1vf@P1 Boiler
0 w qin h3h2Turbine
q0
wturbine,out
h3h4
w0
qout h4h1 Condenser in out in net th q q q w 1 in pump out turbine out in net q q w w w , ,3.1 Sistem Pendinginan dengan Air Laut
Penggunaan air laut sebagai media pendingin pada sistem air pendingin utama PLTU berpotensi menimbulkan korosi dan menimbulkan fouling pada peralatan sistem air pendingin utama, mengingat pada air laut tersebut terdapaat mikroorganisme dan biota laut seperti teritip, karang, ganggang, tiram dan jenis tumbuhan laut lainnya yang menjadi penyebab utama terjadinya fouling.
Untuk mengantisipasi tejadinya fouling tersebut maka sebelum air laut melakukan proses pendinginan, dilakukan beberapa treatment diantaranya dilakukan penginjeksian chlorine yang bertujuan untuk melemahkan mikroorganisme dan biota laut agar tidak menempel pada saluran pipa, kemudian setelah itu air laut dilewatkan ke screening plant yang berfungsi untuk menyaring benda-benda padat dan biota laut. Tetapi pada kenyataannya penginjeksian chlorine ataupun screening plant masih dinilai kurang efektif mengingat masih banyak terdapat fouling pada beberapa peralatan sistem air pendingin utama. Maka untuk itu sebagai pencegahan terjadinya fouling digunakan sebuah peralatan tambahan yang disebut Impressed Current Anti-Fouling (ICAF).
Fungsi ICAF adalah untuk mencegah atau menghambat tumbuhnya fouling, dimana dalam hal ini fouling disebabkan oleh biota laut, seperti teritip, kerang, ganggang, tiram dan jenis tumbuhan laut lainnya.. ICAF tergolong metode terbaru untuk pencegahan pertumbuhan fouling yaitu dengan menggunakan impressed current. Metode ini diterapkan untuk menghambat tumbuhnya fouling pada lambung kapal atau pun pada sistem pendingin suatu kapal seperti halnya yang telah diterapkan
pada sistem pendingin salah satu kapal perang korvet kelas sigma yang dimiliki oleh TNI AL. Beracuan dengan hal tersebut maka tidak menutup kemungkinan jika metode ICAF ini juga dapat digunakan sebagai tambahan pencegahan terjadinya fouling seperti pada sistem air pendingin utama di PLTU Paiton khususnya pada unit 1 dan 2 yang menggunakan air laut sebagai media pendingin utamanya. Fouling ini sangatlah merugikan jika terdapat pada peralatan sistem air pendingin utama diantaranya adalah dapat mengurangi aliran air laut, mengurangi efisiensi alat penukar kalor, korosi pada pipa kondensor, dan membutuhkan biaya untuk pembersihan fouling tersebut.
3.1.1. Penggunaan Klorin Sebagai Media Penanggulangan Fouling
Klorin (Cl2) merupakan salah satu unsur yang ada dibumi dan jarang dijumpai dalam bentuk yang bebas. Pada umumnya klorin dijumpai dalam bentuk terikat dengan unsur atau senyawa lain membentuk garam nantrium klorida (NaCl) atau dalam bentuk ion klorida di air laut. Dalam kehidupan manusia, klorin memegang peranan penting yaitu banyak benda-benda yang kita gunakan setiap hari mengandung klorin seperti peralatan rumah tangga, alat kesehatan, kertas, obat dan produk farmasi, pendingin, semprotan pembersih, pelarut dan berbagai produk lainnya.
Klorin pertama kali pertama kali diidentifikasi oleh seorang ahli farmasi dari Swedia, Carl Wilhem Scheele pada tahun 1774, dengan meneteskan sedikit larutan asam klorida (HCl) pada lempeng mangan oksida (MnO2) yang menghasilkan gas berwarna kuning kehijauan. Reaksi dari percobaan tersebut adalah sebagau berikut :
Pada saat itu, Schelee belum dapat memastikan kandungan gas tersebut. Pada tahun 1980 Sir Humphrey Davy, Seorang ahli kimia Inggris menyatakan bahwa gas kuning kehijauan pada percobaan Scheele adalah sebuah unsur dan menamakannya
Cholorine, berasal dari bahasa Yunani khloros yang berarti hijau.
Pada tahun 1994, Scott menyatakan bahwa klorin dalam suhu kamar berbentuk gas termasuk unsur halogen (Golongan VII), sangat reaktif ddan merupakan oksidator kuat yang mudah beraksi dengan unsur. Pada suhu -34oC, klorin berbentuk cair pada suhu -103 oC berbentuk padatan kristal.
Tabel 3.1 Kadar ion-ion halogen pada perairan alami
Anion Halogen Ait Tawar (mg/liter) Air Laut (mg/liter)
Klorida (Cl-) 8,3000 19000,00
Forida(Fl-) 0,2600 1,30
Bromida (Br-) 0,0060 66,00
Iodida (I-) 0,0018 0,06
Sumber : Effendi, H, 2003
Secara alami, klorin terdapat dalam bentuk ion klorida dengan jumlah yang relatif jauh lebih besar dibandingkan ion-ion halohen lainnya. Kelimpahan ion-ion halogen di perairan alami seperti ditunjukanpada tabel. Klorine dalam bentuk garam (contoh NaCl) merupakan bentuk yang paling aman, sedangkan dalam bentuk gas, klorin dapat diperoleh dengan mengekstraksi larutan garam NaCl dengan car elektrolisis. Proses elektrolisa larutan garam ini dapat diuraikan senagai berikut :
2NaCl(s) + 2H2O(a)elektrolisa Cl2(g) + 2NaOH(l) + H2(l)
Disamping mempunyai fungsi berarti bagi manusia, klorin juga berdampak negatif bagilingkungan. Untuk mencegah terjadinya kerusakan lingkungan akibat pembuangan limbah, korin maka suatu industri diwajibkan mengelola limbahnya terlebih dahulu sebelum dibuang ke lingkungan. Hal ini sesuai dengan pasa 16 ayat (1) Undang-undang no. 23 Tahun 1997 tentang pengelolaan lingkungan hidup yang menyebutkan bahwa “Setiap penanggung jawab usaha dan/atau kegiatan wajib melakukan pengelolaan limbah hasil usaha dan/atau kegiatan”. Selain itu untik mencegah terjadinya pencemaran pada badan air, Pemerintah melalui Keputusan Mentri Negara Lingkungan Hidup Nomor Kep-51/MenLH/1995 tentang Baku Mutu Limbah Cair Bagi Kegiatan Industri menetapkan parameter dan batasan konsentrasi dari limbah cair yang dibuang. Salah satu parameter terdapat dalam baku mutu tersebut adalah klorin dengan batasan 1 mg/liter dalam bentuk klorin bebas (Cl2). 3.1.2 Kualitas Air PLTU
Kualitas air yang dibutuhkan oleh sebuah PLTU tergantung dari kualitas sumber air, lokasi PLTU berdiri, karakteristik bahan bakar, desain tekanan dari boiler, serta regulasi mengenai penanganan air didaerah setempat. Sedangkan untuk kualitasnya, ada beberapa jenis air dengan spesifikasi yang berbeda-beda digunakan di PLTU. Secara umum jenis-jenis air yang digunakan di PLTU.
Untuk PLTU yang mengguanakan air laut sebagai media pendinginan, penggunaan airnya sama dengan pendinginan dengan mengguanakn media lain. Air dipergunakaan untuk merubah uap yang berasal dari turbin menjadi air kembali sebagai rangkaian siklus rankine. PLTU ini menggunakan kondensor dengan material yang tahan terhadap korosi. Air laut yang telah mengalami proses filtrasi dipompa
untuk masuk kedalam kondensor sisi tube sebagai media pendingin uap yang mengalir disisi shell. Proses filtrasi tersebut menggunakan alat bernama trash rake dan travelling screen. Trash rake menjadi tahap filtrasi sebelum travelling screen.
Trash rake berfungsi sebagai penagkal kotoran-kotoran laut yang ukurannya besar.
Sedangkan travelling screen berfungsi untuk memfilter air laut dari kotoran-kotoran yang beukuran lebih kecil.
Selain proses filtrasi, air laut tersebut juga telah disuntikan bahan kimia tertentu untuk mencegah hewan-hewan laut berkembang biak di area inlet dan outlet air laut. Pada sisi tube kondensor digunakan sistem tube cleaner yang berfungsi untuk menjaga kebersihan tubing kondensor agar tidak terjadi penyumbatan.
3.1.3 Penggunaan Klorin di PLTU
Pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) pemakaian klorin yang digunakan pada sistem pendingin (cooling system) sebagai pengontrol biological fouling. Untuk PLTU yang menggunakan air sungai maupun air tanah sebagai pendingin, klorin digunakan sebagai biosideuntik mengatasi fouling mussels. Pada PLTU yang menggunakan air laut sebagai pendingin, biasanya dilengkapi dengan unit klorinasi (chlorination plant). Fungsi klorin disini adalah untuk mencegah tumbuhny alga yang menjadi nutrisi tritip (barancles) pada dinding pipa kondensor. Apabila terjadi penempelan alga dan tritip pada pipa kondensor, akibatnya akan mengurangi efisiensi kondensor tersebut.
Tujuan yang paling mendasar dari penambahan klorin tersebut adalah untuk menciptakan suatu kondisi yang bertentangan dengan kondisi lingkungan hidup organisme laut, sehingga mereka tidak dapat tumbuh dan berkembang. Penambahn klorin juga bersifat kontinyu atau berkelanjutan dengan kejutan (frekuensi waktu). Titik-titik penambahan klorin yang menggunakan air laut sebagai pendingin, seperti
ditunjukan pada gambar 2. Penambahan klorin pada kepala pipa intake (Titik 1) secara kontinyu, akan efektif dalam mengontrol moluska, alga, slime dam weed, serta mencegah kerang/tritip mengendap dipipa. Penambahan klorin dekat dengan kepala
house pump (Titik 2) adalah untuk menjaga air agar bebas dari bio fouling.
Penambahan klorin di kondensor (Titik 3) adalah untuk menjaga agar permukaan pendingin kondensor bebas dari bio fouling, sehingga efisensi kondensor dapat dipertahankan.
Gambar 3.3 Titik lokasi penambahan klorin
3.1.4 Peralatan Sistem Pendingin A. Stop Blok
Sebagai pintu utama air laut masuk
Sebagai penahan air laut agar tidak masuk kanal pada saat ada pemeliharaan di circulating water pump (CWP)
Berfungsi untuk menangkap benda-benda berukuran sedang yang terbawa air pendingin.
Terbuat dari batang logam pipih yang dirangkai sehingga membentuk semacam teralis.
Dipasang pada mulut saluran masuk air pendingin sebelum saringan putar. Pada daerah yang kualitas airnya buruk (banyak sampah), didepan
saringan kasar dipasangi saringan berupa jaring yang biasa disebut net untuk menyaring sampah yang elastis seperti plastik dan sebagainya.
B.1 Saringan Putar ( Travelling Screen )
Untuk menyaring semua benda sampai yang berukuran relatif kecil dan yang lolos dari Barscreen.
Berupa rangkaian segmen – segmen kasa baja yang membentuk suatu screen.
B.2 Pompa Penyemprot Saringan Putar ( Screen Wash Pump )
Merupakan pemasok air bertekanan (3.0 kg/cm2 ) yang dialirkan ke nosel penyemprot guna membersihkan saringan putar. Air yang digunakan adalah juga air pendingin utama. Pompa ini dapat dioperasikan secara manual ataupun otomatis. Dalam posisi otomatis, pompa akan start secara otomatis bila perbedaan tekanan (Differensial Pressure) air melintasi saringan putar tinggi. Perbedaan tekanan yang tinggi mengindikasikan bahawa saringan sudah mulai tersumbat sampah. Manakala perbedaan tekanan sudah normal kembali, maka pompa akan stop secara otomatis.
B.3 Pompa Pendingin Utama ( Circulating Water Pump )
CWP adalah bagian pertama dari system pendingin. Pompa ini yang bertugas untuk mengambil air pendingin dari laut. Pompa ini biasanya terletak pada areal Water Intake. Pada PLTU Muara Karang terdapat 9 buah pompa CWP. Pompa ini bentuknya vertical dengan suctionnya berada pada kedalaman laut yang agak dalam, sehingga bisa dihasilkan air pendingin yang maksimal.
Dari CWP, air dipompakan menuju dua alat pendingin lainnya yakni kondensor dan Heat Exchanger.
C. Katup ( Valves )
Berfungsi sebagai katup pada proses open atau close menggunakan electric motor.
D. Kondensor
Kondensor adalah alat yang berfungsi untuk mengembunkan uap yang telah memutar turbin untuk dijadikan air yang akan digunakan untuk siklus selanjutnya
E. Heat Exchanger
Peralatan pada system pendingin selanjutnya adalah Heat Exchanger. HE adalah pendingin air tawar. Sama seperti kondensor, alat pendingin HE menggunakan air laut. Air tawar yang didinginkan di HE adalah air tawar yang juga berfungsi sebagai air pendingin. Air tawar ini berfungsi untuk mendinginkan :
1. Gas H2 pendingin generator 2. Minyak pelumas turbin
3. Minyak pelumas peralatan-peralatan unit lainnya seperti Pompa, FD Fan dan lain-lain
Pada gambar dibawah ini bisa dilihat cara kerja HE. Air laut mengalir melalui tube-tube HE, sedangkan air tawar yang didinginkan berputar mengelilingi tube-tubenya.
Gambar 3.4 Heat exchanger
F. ACW (Auxiliary Cooling Water) Pump
Alat terakhir pada system pendingin adalah ACW Pump (Auxiliary Cooling Water Pump) yang berfungsi untuk mendistribusikan air tawar yang sudah didinginkan oleh HE ke seluruh peralatan di unit.
G. Vacum Priming Pump
Menarik keluar udara yang tersekat dalam water box condensor bagian atas yang tidak terisi penuh air laut.
3.1.5 Prinsip Kerja Sistem Pendinginan PLTU dengan Media Air Laut (Pendinginan Utama)
Hasil pembakaran boiler berupa uap panas dengan tekanan dan temperatur tinggi akan masuk ke turbin dan akan digunakan untuk memutar sudu-sudu turbin. Uap bekas memutar turbin tersebut secara otomatis akan masuk ke kondensor karena adanya vakum kondensor. Uap yang masuk merupakan uap superheated sehingga untuk mengondensasikannya menjadi cair jenuh di kondensor diperlukan media pendingin. Media pendingin utama yang digunakan disini ialah air laut.
Air laut masuk melalui pintu (stop block) lalu tertampung dikanal dan disaring oleh saringan net untuk menyaring kotoran kasar yang terbawa oleh air laut, kemudian disaring kembali oleh saringan bar (bar screen) agar kotoran-kotoran yang lolos dari saringan net dapat tersaring kembali. Setelah melewati penyaringan di Net dan Bar Screen, air laut tersebut masuk ke Travelling screen agar kotoran yang lolos dari kedua saringan tersebut dapat terangkat. Kotoran yang menempel di screen dibersihkan oleh screen wash pump dengan menyemprotkan air dari sisi dalam
Travelling Screen, sampah/kotoran akan jatuh ke pit. Kemudian air laut yang telah
tersaring di Travelling Screen mengalir menuju ke Circulating Water Pump (CWP). Lalu oleh CWP air laut tersebut dipompakan masuk ke tube-tube kondensor. Di dalam kondensor terjadi transfer panas antara uap superheat dan air laut. Setelah uap terkondensasi menjadi air kondensat maka air kondensat tersebut akan ditampung di hotwell, sedangkan air laut dibuang ke Laut Jawa melalui Outfall.
3.1.6 Pengoperasian Pendinginan PLTU dengan Media Air Laut (Pendinginan Utama)
Sebelum sistem pendingin dioperasikan, maka harus dilakukan pemeriksaan dan persiapan peralatan terlebih dahulu Pemeriksaan mencakup kondisi alat apakah dalam pemeliharaan (di tagging) atau kondisi stand by
Persiapan pengoperasian sistem pendingin meliputi : Persiapan terhadap keselamatan kerja
Pelumasan
Level tangki (head tank) pendingin bantu cukup Sumber tenaga listrik
Sistem kontrol
Semua manhole pada saluran maupun pada kondensor dalam keadaan tertutup Salah satu heat exchanger air pendingin bantu siap dioperasikan
Posisi katup-katup dalam posisi yang benar (katup masuk kondensor membuka penuh, katup keluar kondensor tertutup penuh. Katup drain dan venting kondensor tertutup. Sistem backwash (bila ada) dalam kondisi tidak bekerja.
Venting atau priming pump (bila ada) dalam keadaan siap operasi. Air lincir (gland seal/lubricating water) untuk pompa CWP tersedia
Bila semua Permissive ( syarat-syarat) sudah terpenuhi, informasikan pada operator lokal pompa CWP yang akan distart. Kalau semua telah siap, tekan tombol ”START” pompa dan pompa akan start secara automatic menurut Sequencialnya : Check Sequence Start Permit
Start CWP
CWP Discharge Valve Timer CWP Sequence fault Timer
Closed CWP Discharge/ Seal Water Closed Discharge Valve & Stop CWP Closed CWP Seal Water
Sesaat pompa yang distart telah beroperasi, bersama itu pula atur pembukaan ”Outlet Valve”kondensor 25-30 % untuk mempertahankan tekanan Header 1,3 Kg/Cm2. Untukmenjalankan pompa CWP yang lain untuk kondensor yang sama, ikuti prosedur yang samakemudian buka ”Oulet Valve” kondensor 100 %.
3.2 Prinsip Kerja Sistem Pendingin PLTU Menggunakan Air Sungai
Gambar 3.5 Skema Sistem Pendingin PLTU Menggunakan Air Sungai
3.2.1 Tahap Pengolahan Air Sungai A. Tahap Pengolahan Awal
Sistem pengolahan air baku (air sungai) menjadi air bersih dapat dilakukan dengan beberapa tahap:
Penyaringan dan Pengendapan
Penyaringan dan pengendapan bertujuan untuk memisahkan air baku dari zat-zat, seperti: sampah, daun, rumput, pasir dan lain-lain berdasarkan berat jenis zat.
Koagulasi
Koagulasi adalah proses pembubuhan bahan kimia Al2(SO4)3 (Tawas) kedalam air agar kotoran dalam air yang berupa padatan resuspensi misalnya zat warna organik, lumpur halus, bakteri dan lain-lain dapat menggumpal dan cepat mengendap.
Flokulasi
Flokulasi adalah proses pembentukan flok sebagai akibat gabungan dari koloid-koloid dalam air baku (air sungai) dengan koagulan. Pembentukan flok akan terjadi dengan baik jika di tambahkan koagulan kedalam air baku (air sungai) kemudian dilakukan pengadukan lambat.
Sedimentasi
Setelah proses koagulasi dan flokulasi, air tersebut di diamkan sampai gumpalan kotoran yang terjadi mengendap semua. Setelah kotoran mengendap air akan tampak lebih jernih.
Filtrasi
Pada proses pengendapan tidak semua gumpalan kotoran dapat diendapkan semua. Butiran gumpalan kotoran kotoran dengan ukuran yang besar dan berat
akan mengendap, sedangkan yang berukuran kecil dan ringan masih melayang-layang dalam air. Untuk mendapatkan air yang betul-betul jernih harus dilakukan proses penyaringan. Penyaringan dilakukan dengan mengalirkan air yang telah diendapkan kotorannya ke bak penyaring yang terdiri dari saringan pasir silika.
Desinfeksi
Pemberian desinfektan (gas khlor) pada air hasil penyaringan bertujuan agar dapat mereduksi konsentrasi bakteri secara umum dan menghilangkan bakteri pathogen (bakteri penyebeb penyakit).
B. Tahap Demineralisasi
Tahap ini menggunakan air dari hasil tahap desalinasi. Demineralisasi juga menggunakan proses reverse osmosis, yang membedakan adalah penggunaan membran semi permeable jenis lain. Air yang keluar dari proses ini akan memiliki nilai konduktifitas sebesar hanya 20-30 μS/cm dari 1000 μS/cm pada saat sebelum proses.
Selanjutnya air dialirkan menuju mixed bed dengan tujuan untuk menangkap ion-ion baik positif maupun negatif yang terdapat di dalam air dengan menggunakan resin. Resin merupakan polimerisasi dari difinil benzena dan stirine serta ditambah dengan gugus aktif. Kation resin memiliki gugus aktif H+ sedangkan anion resin memiliki gugus aktif OH-.
Gambar 3.5 Reverse osmosis
Air hasil dari proses demineralisasi inilah yang selanjutnya dipergunakan sebagai media kerja untuk proses siklus air – uap air. Selain itu juga dipergunakan sebagai media kerja auxiliary cooling water dan pendingin pada stator generator.
BAB IV
SISTEM PENDINGIN PADA PLTP
Energi pans bumi adalah salah satu sumber daya alam yang berupa air panas atau uap yang terbentuk melalui pemanasan secara alami. Hal-hal yang perlu mendapat perhatian dalam pemilihan teknologi penggunaan energi panas bumi untuk dikonversikan menjadi listrik antara lain :
a. Temperatur
Fluida panas bumi bertemperatur tinggi > 225 oC telah lama digunakan untuk pembangkit listrik. Temperatur sedang 150 – 225 oC.
b. Cadangan sumberdaya hingga 25 – 30 tahun c. Kwalitas uap :
Diharapkan yang mempunyai pH hampir netral, karena bila pH sangat rendah laju korosi kematerial akan lebih cepat.
d. Kedalaman sumur dan kandungan kimia : biasanya tidak lebih dari 3 km, tidak terlalu dalam. Lokasi relatif mudah dicapai.
e. Dilokasi yang kemungkinan terjadinya erupsi hydrothermal relatif rendah. Diproduksinya fluida panas bumi dapat meningkatkan kemungkinan terjadinya erupsi hydrothermal.
4.2 Pembangkit Listrik Tenaga Panas (PLTP)
Panas bumi adalah energi terbaru yang bersih dan memiliki beberapa keunggulan : Mudah didapat secara kontinyu dalam jumlah besar, ketersediaan tidak berpengaruh oleh cuaca, bebas polusi udara karena tidak menghasilkan gas berbahaya. Lapangan panas bumi kamojang diperkirakan memiliki potensi energi sebesar 300 Mwe. Indonesia merupakan negara dengan potensi panas bumi terbesar di dunia dengan potensi panas bumi sebesar 27 GWe (potensi panas bumi dunia 50 Gwe). Potensi ini perlu dikembagkan untuk memenuhi kebutuhan energi dalam negeri dan mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil yang semakin menipis. Saat ini UBP kamojang mengoperasikan PLTP dengan kapasitas total sebesar 375 MW.
4.3 Komponen Utama dari PLTP 4.3.1 Kepala Sumur dan Valve
Seperti halnya sumur-sumur minyak dan gas, disumur panas bumi juga dipasang beberapa valve (katup) untuk mengatur aliran fluida. Valve – valve tersebut ada yang dipasang di atas atau didalam sebuah lubang yang dibeton (concrete cellar).
Gambar 4.2 Rangkaian valve di lapangan panas bumi
A : Master Valve atau Shut off Valve : untuk mengisolasi sumur untuk keperluan perawatan.
B : Service Valve : untuk mengatur aliran fluida yang akan dimanfaatkan.
C : By pass Valve : untuk mengatur aliran fluida yang ke Silincer, atau tempat penampungan air/pembuangan.
D : Untuk memungkinkan peralatan atau reamer diturunkan secara vertikal.
Disamping itu biasanya dilengkapi juga oleh Bleed Valve : yaitu valve untuk menyemburkan ke udara dengan laju aliran sangat kecil (bleeding), saat sumur tidak diproduktifkan. Fluida perlu dikeluarkan dengan laju alir sangat kecil agar sumur tetap panas dan gas tidak terjebak di dalam sumur, dan juga untuk menghindari terjadinya thermal shock atau perubahan panas secara tiba-tiba yang disebabkan karena pemanasan atau pendinginan mendadak dapat dihindarkan.
4.3.2 Separator
Separator berfungsi untuk memisahkan uap dari air yang bercampur dalam aliran dua fasa. Separator yang mempunyai effisiensi yang tinggi adalah jenis Cyclon, dimana aliran uap yang masuk dari arah samping dan berputar menimbulkan gaya sentrifugal. Air akan terlempar ke dinding, sedangkan uap akan mengisi bagian tengah pipa, dan mengalir keatas.
Uap yang keluar dari jenis ini mempuyai dryness yang sangat tingg, lebih dari 99%. Effisiensi dari jenis ini akan berkurang bila kecepatan masuk lebih dari 50 m/detik.
4.3.3 Silincer
Silincer adalah merupakan silinder yang didalamnya diberi suatu pelapis untuk mengendap suara dab bagian atasnya terbuka. Fluida dari sumur yang akan ddisemburkan untuk dibuang, akan menimbulkan kebisingan yang luar biasa hingga dapat memekakkan telinga dan bahkan bila tanpa perlindungan telinga, dapat menyebabkan rusaknya pendengaran. Untuk mengurangi kebisingan dan biasanya juga mengontrol aliran fluida yang akan dibuang.
Gambar 4.4 Silincer
4.3.4 Turbin Uap
Turbin uap adalah suatu mesin penggerak, yang menggunakan energi dari fluida kerja (uap) untuk menggerakkan/memutar sudu-sudu Turbin. Sudu-sudu Turbin ini memutar poros, poros karena dikopling dengan Generator, maka akan menggerakkan Generator menghasilkan listrik.
Pada dasarnya dikenal 2 jenis :
Turbin dengan tekanan keluaran sama dengan tekanan udara luar (Atmospheric Exhaust / Back Pressure Turbine) atau disebut juga Turbin tanpa Condenser.
Pada jenis ini uap keluar dari Turbin langsung dibuang ke udara. Turbin dengan Condenser (Condensing unit Turbine).
Pada jenis ini uap keluar dari Turbin dikondensasikan lagi menjadi air di Condenser.
Gambar 2.2.4 Turbin Back Pressure
Gambar 2.2.5 Turbin Uap dengan Condensor
4.3.5 Condensor
Fungsi Condenser adalah untuk mengkondensasikan uap menjadi air dengan cara membuat kondisi vakum di dalam bejana (condenser). Proses terjadinya vakum dengan cara Thermodinamika bukan cara mekanik.
Fluida yang keluar dari Turbin masuk ke Condenser sebagian besar adalah uap bercampur dengan air dingin, di condenser akan mencapai kesetimbangan massa dan energi.
Pada volume yang sama, air akan mempunyai massa ratusan kali lipat dibandingkan dengan uap. Sehingga jika uap dalam massa tertentu mengisi seluruh ruangan dalam condenser, kemudian disemprotkan air maka uap akan menyusut volumenya, karena sebagian atau seluruhnya berubah menjadi air (tergantung jumlah air yang disemprotkan) yang memiliki volume jauh lebih kecil. Akibat penyusutan volume uap dalam Condneser inilah akan mengakibatkan kondisi ruangan dalam Condenser menjadi vacuum.
Gambar 2.2.6 Direct Contact Condensor
4.3.6 Gas Extraction
Untuk menjaga agar kondisi di dalam comndenser tetap vacuum, maka Non Condensable Gas (NCG) harus dikeluarkan dari Condenser, dengan cara diisap oleh Ejector.
Gambar 2.2.7 Sistem Gas Extraction
4.3.7 Menara Pendingin (Cooling Tower)
Cooling Tower ini menggunakan Fan/kipas untuk menghisap udara. Udara dihisap melalui Louver/pengarah dari samping masuk ke dalam Cooling Tower terus dihisap ke atas, udara dingin ini kontak langsung dengan air yang jatuh dari bak atas menuju bak bawah, sehingga air panas keluar dari Condenser (50 C) dipompa menuju ke Cooling Tower didinginkan dengan udara sehingga temperaturnya turun menjadi 26-27 C.
4.3.8 Proses Produksi Energi Listrik
Energi primer untuk PLTP kamojang adalah uap panas bumi yang dipasok Pertamina dimana uap dari sumur produksi lapangan panas bumi Kamojang dialirkan melalui beberapa Pipe Line (PL 401, 402, 403, 404).
Uap dari sumur produksi mula-mula dialirkan ke steam receiving header, yang berfungsi menampung uap panas bumi yang di supply dari beberapa lapangan sumur produksi uap (Vent structured) yang berfungsi untuk menjaga tekanan pasokan uap ke pembangkit apabila terjadi perubahan pasokan dari sumur produksi maupun terjadi perubahan pembebanan dari pembangkit. Selanjutnya melalui flow meter dialirkan ke separator yang berfungsi untuk memisahkan partikel padat yang terbawa dari sumur produksi dan demister untuk memisahkan butiran air dari uap panas bumi. Hal ini dilakukan untuk menghindari terjadinya vibrasi erosi dan pembentukkan kerak pada sudu dan nozzle turbine.
Uap yang telah dibersihkan itu dialirkan melalui main steam valve/electric control valve/governor valve menuju ke turbin. Di dalam turbin, uap tersebut berfungsi untuk memutar double flow condensing yang dikopel dengan generator pada kecepatan 3000 rpm. Proses ini menghasilkan energi listrik dengan arus 3 fasa, frekuensi 50 Hz, dan tegangan 11,8 kV. Melalui step-up transformer, arus listrik dinaikkan tegangannya hingga 150 kV, selanjutnya dihubungkan secara parallel dengan sistem penyaluran Jawa-Bali.
Agar turbin bekerja secara efisien, maka exhaust steam yang keluar dari turbin harus dalam kondisi vakum (0,10 bar), dengan mengkondensasikan uap dalam kondensor kontak langsung yang dipasang di bawah turbin. Exhaust steam dari turbin masuk dari sisi atas kondensor, kemudian terkondensasi sebagai akibat penyerapan
panas oleh air pendingin yang di injeksikan lewat spray-nozzle. Level kondensat dijaga selalu dalam kondisi normal oleh dua buah cooling water pump, lalu di dinginkan dalam cooling water sebelum disirkulasikan kembali.
Untuk menjaga kevakuman kondensor, gas yang tak terkondensasi harus dikeluarkan secara kontinyu oleh sistem ekstrasi gas. Gas-gas ini mengandung CO2 85-90 % wt ; H2S 3,5 % wt; sisanya adalah N2 dan gas-gas lainnya. Di kamojang dan Gunung Salak, sistem ekstrasi gas terdiri atas first-stage dan second-stage sedangkan di Darajat terdiri dari ejector dan liquid ring vacuum pump.
Sistem pendingin di PLTP merupakan sistem pendingin dengan sirkulasi tertutup dari air hasil kondensasi uap,dimana kelebihan kondensat yang terjadi direinjeksi ke dalam sumur reinjeksi. Prinsip penyerapan energi panas dari air yang disirkulasikan adalah dengan mengalirkan udara pendingin secara paksa dengan arah aliran tegak lurus, mengunakan 5 forced draft fan. Proses ini terjadi dalam cooling water.
4.3.9 Diagram Proses PLTP
4.3.11 Sistem Pendingin pada PLTP Sistem Pendingin
Sistem pendingin adalah sistem yang sangat diperlukan karena sistem ini yang mengatur perpindahan panas den menjaga kestabilan suhu dan tekanan unit.
Sistem pendingin pada PLTP terdiri dari 3 komponen utama, yaitu :
- Condensor - Cooling tower
BAB V
SISTEM PENDINGIN PLTN
5.1 Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir
Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) adalah stasiun pembangkit listrik thermal di mana panas yang dihasilkan diperoleh dari satu atau lebih reaktor nuklir pembangkit listrik. PLTN termasuk dalam pembangkit daya base load, yang dapat bekerja dengan baik ketika daya keluarannya konstan (meskipun boiling water reactor dapat turun hingga setengah dayanya ketika malam hari). Daya yang dibangkitkan per unit pembangkit berkisar dari 40 MWe hingga 1000 MWe.
5.2 Cara kerja PLTN
Prinsip kerja PLTN sebenarnya mirip dengan pembangkit listrik lainnya, misalnya Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). Uap bertekanan tinggi pada PLTU digunakan untuk memutar turbin. Tenaga gerak putar turbin ini kemudian diubah menjadi tenaga listrik dalam sebuah generator.
Perbedaan PLTN dengan pembangkit lain terletak pada bahan bakar yang digunakan untuk menghasilkan uap, yaitu Uranium. Reaksi pembelahan (fisi) inti Uranium menghasilkan tenaga panas (termal) dalam jumlah yang sangat besar serta membebaskan 2 sampai 3 buah neutron.
Pada PLTN terdapat reaktor nuklir yang menghasilkan panas (lihat gambar), selanjutnya panas tersebut diserap oleh oleh air dengan tekanan tinggi yang disirkulasikan kereaktor tersebut kemudian dialirkan kedalam steam generator (semacam boiler) untuk memanaskan air. Akibat pemanasan ini maka temperatur air didalam steam generator akan meningkat sehingga pada tempreratur tertentu akan berubah menjadi uap dengan temperatur dan tekanan yang tinggi dan dialirkan
kedalam steam turbine sehingga turbin dapat berputar. Karena turbine dihubungkan dengan electric generator, maka ketika electric generator berputar dapat mengasilkan tenaga listrik, dan dengan sistim jaringan transmisi tenaga listrik dari PLTN tersebut didistribusikan ke semua pelanggan.
Sementara itu uap air yang keluar dari steam turbine setelah memutarkan turbine dialirkan kedalam condensor untuk didinginkan sehinga kembali menjadi air dan dipompakan kembali kedalam steam generator.
Secara sederhana, skematik tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut. Reaksi fisi berantai terjadi di reaktor, dengan bahan bakar U-235 dalam bentuk batangan (kira-kira sepanjang 2,5 cm). Batangan U-235 dikontrol oleh batang pengontrol. Operator menaikturunkan batang pengontrol ini untuk mengontrol kecepatan reaksi berantai. Batang turun berarti semakin cepat reaksi terjadi, begitu juga sebaliknya.
Energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi dibawa dalam bentuk panas oleh fluida khusus ke tabung air. Panas ini mendidihkan air yang uapnya dibawa oleh pipa untuk menggerakkan turbin. Di belakang turbin ada generator yang mengubah energi gerak mekanik menjadi listrik.
Uap air yang telah menggerakkan turbin kehilangan panasnya dan berubah kembali menjadi air. Untuk mempercepat proses pendinginan, air dingin dari menara air disalurkan lewat pipa. Air yang telah dingin dipompa kembali ke tabung air. Begitu seterusnya.
Jadi sesungguhnya cuma ada tiga jenis pembangkit listrik: bertenaga air (turbin digerakkan oleh air), bertenaga uap (digerakkan oleh uap air), dan bertenaga angin (turbin digerakkan oleh angin ). Permasalahannya adalah: dari mana mendapatkan air, uap, dan angin tersebut.
5.3 Jenis reaktor PLTN
5.3.1 Pressurized Water Reactor (PWR)
PWR adalah jenis reaktor daya nuklir yang menggunakan air ringan biasa sebagai pendingin maupun moderator neutron. Reaktor ini pertama kali dirancang oleh Westinghouse Bettis Atomic Power Laboratory untuk kepentingan kapal perang, tetapi kemudian rancangan ini dijadikan komersial oleh Westinghouse Nuclear Power Division. Reaktor PWR komersial pertama dibangun di Shippingport, Amerika Serikat yang beroperasi sampai tahun 1982.
Selain Westinghouse, banyak perusahaan lain seperti Asea Brown Boveri-Combustion Engineering (ABB-CE), Framatome, Kraftwerk Union, Siemens, and Mitsubishi yang mengembangkan dan membangun reaktor PWR ini. Reaktor jenis ini merupakan jenis reaktor yang paling umum. Lebih dari 230 buah reaktor digunakan untuk menghasilkan listrik, dan beberapa ratus lainnya digunakan sebagai tenaga penggerak kapal.
Gambar Skema Reaktor Pressurized Water Reactor (PWR)
Pada reaktor jenis PWR, aliran pendingin utama yang berada di teras reaktor bersuhu mencapai 325oC sehingga perlu diberi tekanan tertentu (sekitar 155 atm) oleh
perangkat pressurizer sehingga air tidak dapat mendidih. Pemindah panas, generator uap, digunakan untuk memindahkan panas ke aliran pendingin sekunder yang kemudian mendidih menjadi uap air dan menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik. Uap kemudian diembunkan di dalam kondenser menjadi aliran pendingin sekunder. Aliran ini kembali memasuki generator uap dan menjadi uap kembali, memasuki turbin, dan demikian seterusnya
5.3.2 Boiling water reactor (BWR)
Reaktor jenis BWR merupakan rancangan reaktor jenis air ringan sebagai pendingin dan moderator, yang juga digunakan di beberapa Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir. Reaktor BWR pertama sekali dirancang oleh Allis-Chambers dan General Electric (GE). Sampai saat ini, hanya rancangan General Electric yang masih bertahan. Reaktor BWR rancangan General Electric dibangun di Humboldt Bay di California. Perusahaan lain yang mengembangkan dan membangun reaktor BWR ini adalah ASEA-Atom, Kraftwerk Union, Hitachi. Reaktor ini mempunyai banyak persamaan dengan reaktor PWR; perbedaan yang paling kentara ialah pada reaktor BWR, uap yang digunakan untuk memutar turbin dihasilkan langsung oleh teras reaktor.
