Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan

(1)

Ronny Samuel Sianturi : Studi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel Aplikasi PT. Musim Mas Kim II Medan, 2008.

STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

DAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL

APLIKASI PT. MUSIM MAS KIM II MEDAN

OLEH :

Nama : RONNY SAMUEL SIANTURI

NIM : 050422006

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO EKSTENSION

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP DAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL

APLIKASI PT. MUSIM MAS KIM II MEDAN Oleh :

RONNY SAMUEL SIANTURI NIM : 050422006

Disetujui oleh : Pembimbing

Ir. SATRIA GINTING NIP : 131 836 676

Diketahui oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara

Ir. NASRUL ABDI, MT NIP : 131 459 554

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSION FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(3)

ABSTRAK

PT. Musim Mas KIM 2 Medan adalah perusahaan pengolahan CPO

(Crude Palm Oil) menjadi beberapa bahan jadi seperti sabun, minyak makan, dan

beberapa bahan-bahan kimia lainnya yang masih berupa bahan baku untuk diolah

seperti fatty acid, alkohol, dan lain sebagainya.

Di dalam melakukan proses produksinya, perusahaan ini memiliki

pembangkit sendiri yaitu berupa Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan

Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD). Sedangkan sumber listrik dari PT.

PLN Persero hanya bisa memberikan daya sebesar 2000 kW. Untuk unit PLTU,

perusahaan ini memiliki empat unit mesin PLTU dengan kapasitas daya yang

diberikan berbeda-beda. Untuk unit PLTU 1 atau perusahaan ini menyebutnya

dengan nama Turbin 1 memiliki kapasitas sebesar 2400 kW, untuk PLTU 2 atau

Turbin 2 kapasitasnya adalah 3400 kW, Turbin 3 kapasitasnya 4000 kW

sedangkan yang terakhir adalah Turbin 4 dengan kapasitas 10 MW. Untuk unit

PLTD terdiri dari tujuh unit mesin yang terdiri dari 2 unit merek SKL dengan

masing-masing kapasitas 2800 kVA, 1 unit merek Caterpilliar dengan kapasitas

daya 2050 kVA, 4 unit merek MTU dengan kapasitas masing – masing 500 kVA

dan untuk masing-masing generator diesel memiliki factor daya 0,8.

Kedua jenis mesin pembangkit ini ( PLTU dan PLTD) beroperasi tidak

secara bersamaan, karena disesuaikan dengan kebutuhan daya pada perusahaan

ini. Untuk PLTU yang beroperasi secara terus-menerus hanya 2 unit yaitu Turbin

2 dan Turbin 4 sedangkan Turbin 1 dan Turbin 3 berfungsi sebagai cadangan jika

(4)

power atau dengan kata lain pemindahan beban dari PLN ke Turbin, karena untuk

daya dari PLN setiap pukul 18.00 sampai pukul 23.00 tidak digunakan, karena

pada jam terssebut PT. PLN Persero menggunakan dayanya untuk melayani beban

puncak di masyarakat. Di samping itu, PLTD juga berfungsi untuk memberikan

(5)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena

atas rahmat dan pertolongan-Nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Adapun judul dari Tugas Akhir ini adalah :

STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP DAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL

APLIKASI PT. MUSIM MAS KIM II MEDAN

Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat guna memperoleh gelar

Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro Program Pendidikan Sarjana

Ekstension Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.

Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, penulis mendapat bimbingan dan

arahan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Ayahanda dan Ibunda yang tercinta dan seluruh keluarga yang telah

memberikan bantuan baik material maupun moril sehingga penulis dapat

menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Bapak Ir. Satria Ginting selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis.

3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro

Program Pendidikan Sarjana Ekstension USU.

4. Bapak Ir. R Sugih Arto Yusuf selaku Dosen Wali penulis.

5. Para dosen dan seluruh staff pengajar dan pegawai di Jurusan Teknik

Elektro USU.

6. Seluruh rekan kerja di bagian Pembangkit Listrik dan Electrical Instrument

(6)

7. Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknik Elektro ekstension stambuk ’05

yang telah membantu penulis baik dalam perkuliahan maupun

penyelesaian Tugas Akhir ini.

8. Seluruh teman sepelayanan di Departemen Profetik Blessing Community

Gereja Kristen Baithani khususnya abang Timothius Ginting selaku

pembimbing rohani penulis.

9. dan buat seseorang yang istimewa yang selalu menemani penulis dalam

menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna

disebabkan keterbatasan dari penulis. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan

saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir ini.

Akhir kata semoga laporan ini beermanfaat bagi mahasiswa Departemen

Teknik Elektro Fakultas Teknik USU khususnya dan seluruh pembaca pada

umumnya.

Medan, Februari 2009

(7)

DAFTAR ISI

ABSTRAK………...……….i

KATA PENGANTAR………...…….iii

DAFTAR ISI………v

DAFTAR GAMBAR………...vii

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK………x

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Masalah……….1

I.2 Tujuan Penulisan……….2

I.3 manfaat Penulisan Tugas akhir………3

I.4 Batasan Masalah………...3

I.5 Metode dan Sistematika Penulisan………..….4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Pembangkit Listrik Tenaga Uap………..6

II.2 Komponen-komponen Utama PLTU………12

II.3 Pembangkit Listrik Tenaga Diesel……….22

II.4 Generator Sinkron………..26

II.5 Governor………53

II.6 Alat Pembagi Beban generator………..56

II.7 Kapasitor Bank...62

BAB III OPERASIONAL PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP DAN DIESEL PT. MUSIM MAS MEDAN III.1 Blok Diagram Uap dan Air...66

(8)

III.3 Operasional PLTD PT. Musim Mas KIM II Medan...87

III.4 Operasi Paralel Pembangkit PT. Musim Mas KIM II Medan...91

BAB IV PEMBEBANAN UNIT PEMBANGKIT

IV.1 Beban Yang Dipikul Pembangkit...98

IV.2 Pembagian Beban Pembangkit...101

IV.3 Biaya Operasional PLTU PT. MUSIM MAS KIM II MEDAN………..112

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan...118

V.2 Saran...118

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 : Siklus Turbin Uap...6

Gambar II.2 : PLTU Dengan Proses Pemanasan Ulang...10

Gambar II.3 : PLTU Dengan Siklus Regeneratif...10

Gambar II.4 : PLTU Diagram Rankine Sederhana pada Diagram T-S..11

Gambar II.5 : Komponen-komponen Utama PLTU...13

Gambar II.6 : Boiler...15

Gambar II.7 : Prinsip Kerja Turbin Reaksi...17

Gambar II.8 : Prinsip Kerja Turbin Impuls...17

Gambar II.9 : Turbin Ljungstorm (Turbin Aliran Radial)...18

Gambar II.10 : Turbin Tangensial...19

Gambar II.11 : Turbin Aliran Aksial...19

Gambar II.12 : Sistem Kondensor...20

Gambar II.13 : Deaerator...21

Gambar II.14 : Komponen-komponen Utama PLTD...22

Gambar II.15 : Prinsip Kerja Mesin Bensin 4-Langkah...24

Gambar II.16 : Siklus Percikan Kompresi...24

Gambar II.17 : Generator Sinkron...27

Gambar II.18 : Generator Sinkron yang menerima arus penguat medan dari Generator DC...31

Gambar II.19 : Sistem Brushless Exictation……….32

Gambar II.20 : Generator dengan Sistem Brushless Excitation dan PMG...34

(10)

Gambar II.22 : Arus Sinkronisasi...……….…39

Gambar II.23 : Efek Tegangan Yang Tidak Sama……….…..42

Gambar II.24 : Pembagian Beban antara Dua Generator...43

Gambar II.25 : Karakteristik Generator yang Bekerja Paralel...45

Gambar II.26 : Generator yang Terhubung Paralel Dengan Infinite Bus.47 Gambar II.27 : Karakteristik Jaringan Tidak Berhingga...48

Gambar II.28 : Diagram Frekuensi-Daya ...48

Gambar II.29 : Diagram Frekuensi-Daya...49

Gambar II.30 : Diagram Frekuensi-Daya...50

Gambar II.31 : Hubungan Paralel Antar Generator...50

Gambar II.32 : Skema Rangkaian Paralel Generator...51

Gambar II.33 : Segitiga Daya Generator Paralel Akibat Efek Pengubahan Penguatan...52

Gambar II.34 : Segitiga Daya Efek Pengubahan Governor...52

Gambar II.35 : Skema Governor……….….54

Gambar II.36 : Pengaturan Sekunder Melalui titik B2...55

Gambar II.37 : Karakteristik Speed Droop...55

Gambar II.38 : Pengkabelan Alat Pembagi Beban...59

Gambar II.39 : Penggunaan Alat Pembagi Beban Generator...61

Gambar II.40 : Segitiga Daya……….………..62

Gambar II.41 : Kapasitor Sebagai Arus kVAr...64

Gambar III.1 : Blok Diagram Alir Uap dan Air...66

(11)

Gambar III.3 : Sistem Kerja Injector...70

Gambar III.4 : Kurva Karakteristik Pembangkit...71

Gambar III.5 : Konstruksi Turbin...72

Gambar III.6 : Turbin Tipe Back Pressure………..73

Gambar III.7 : Kurva Karakteristik Pembangkit...74

Gambar III.8 : Sistem Turbin 1 PT. Musim Mas KIM II Medan...75

Gambar III.9 : Sistem Turbin 2 PT. Musim Mas KIM II Medan...84

Gambar III.10 : Skema Generator Diesel PT. Musim Mas KIM II Medan...88

Gambar III.11 : Panel Sinkron...91

Gambar III.12 : Panel Bus Bar...92

Gambar III.13 : Diagram Satu Garis PT. Musim Mas...95

Gambar III.14 : Diagram Satu Garis PT. Musim Mas (lanjutan)...96

Gambar IV.1 : Segitiga Daya Generator Uap 19-11-2008 jam 09.00....103

(12)

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK

Tabel II.1 : Daftar Faktor Daya...65

Tabel III.1 : Daya per Jam (13 Januari 2009)...78

Tabel III.2 : Turbine 1 Log Sheet...79

Tabel III.3 : Turbine 1 Vacuum Condenser Log Sheet...79

Tabel III.4 : Turbine 1 Pumps Log Sheet...80

Tabel III.5 : Daya per Jam (13 Januari 2009)...85

Tabel VI.1 : Karakteristik Beban Pembangkit...98

Tabel IV.2 : Konsumsi Uap Turbin 2 Per Jam...113

Tabel IV.3 : Konsumsi Uap Turbin 4 Per Jam...115

Grafik IV.1 : Karakteristik Beban Setiap Pembangkit...99

(13)

BAB I PENDAHULUAN I.1 LATAR BELAKANG MASALAH

Tenaga listrik merupakan salah satu kebutuhan yang paling pokok untuk

menunjang kehidupan manusia saat ini. Untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari

dalam rumah tangga maupun bisnis, manusia memerlukan tenaga listrik. Secara

umum dapat dikatakan bahwa tenaga listrik merupakan salah satu prasyarat

kehidupan manusia, dan perkembangan kehidupan manusia memerlukan

tambahan penyediaan tenaga listrik. Orang mengatakan bahwa untuk

pertumbuhan ekonomi, diperlukan pertumbuhan kemampuan penyediaan tenaga

listrik.

Kebutuhan tenaga listrik di PT. Musim Mas KIM 2 Medan diperkirakan

masih akan terus tumbuh selama beberapa waktu ke depan, mengingat proses

pembangunan beberapa plant yang masih terus berlangsung.

Untuk penyediaan dan pelayanan energi listrik tersebut selain

mendapatkan daya dari PT. PLN Persero, maka perusahaan ini memiliki

mesin-mesin pembangkit yang terdiri dari unit PLTU dan unit PLTD.

Secara garis besar unit-unit pembangkit ini melayani beberapa plant atau

dengan kata lain beban-beban pembangkit, meliputi:

1. Oleic Acid

2. Flaker, Chiller dan Cooling Water

3. Spray Beading, TF-3 Bagging, Drumming

4. Soap Plant (Finishing dan Main Office)

(14)

6. Utility FA-2

7. Soap Plant (Sela dan Main Lab)

8. MCT

9. Speciallity Fat

10.Utility (RO Water, Air Comp.)

11.TF-4 dan Cooling Tower

12.Utility (TF-1, N2, Air Comp.)

13.Hydrogent (Caloric)

14.Main Plant FA-1

15.Fatty Alcohol-Turbo Compressor

16.Fatty Alcohol-Main Plant

17.Fatty Alcohol-Utilty / Hydrogent

Jenis pembangkit yang digunakan perusahaan ini adalah PLTU, karena

pembangkit jenis ini cukup ekonomis karena bahan bakar yang digunakan tidak

terlalu mahal berupa cangkang kelapa sawit dan lahan yang dibutuhkan tidak

terlalu luas.

I.2 TUJUAN PENULISAN

Adapun tujuan utama penulisan Tugas Akhir ini adalah :

1. Untuk memberikan penjelasan secara sistematis tentang prinsip kerja dan

cara pengoperasian Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan

Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) di PT. Musim Mas KIM 2

(15)

2. Untuk mendapatkan gambaran operasional PLTU dan PLTD di lapangan

dan menyesuaikannya dengan teori yang diperoleh di bangku kuliah.

I.3 MANFAAT PENULISAN TUGAS AKHIR

Laporan Tugas Akhir ini diharapkan bermanfaat bagi :

1. Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro yang ingin memperdalam wawasannya

tentang Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan Pembangkit Listrik

Tenaga Diesel (PLTD).

2. Penulis sendiri untuk menambah wawasan dan juga pengetahuan

mengenal operasional PLTU dan PLTD baik secara umum maupun

siklus-siklus yang terjadi pada pembangkit ini.

3. Setiap orang yang berkenan dengan penggunaan pembangkit yang efisien

dan sekaligus dapat memenuhi kebutuhannya akan tenaga listrik.

I.4 BATASAN MASALAH

Untuk mendapatkan hasil pembahasan yang maksimal, maka penulis perlu

membatasi masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah dalam Tugas

Akhir ini adalah:

1. Prinsip kerja dan cara pengoperasian Pembangkit Listrik Tenaga Uap

(PLTU) dan Pembangkit Listrik tenaga Diesel (PLTD).

2. Analisa termodinamika mengenai siklus tenaga uap Rankine.

3. Paralel generator dan daya yang dihasilkan oleh generator tersebut.

4. Tidak membahas secara detail tentang beban yang ditanggung oleh

(16)

I.5 METODE DAN SISTEMATIKA PENULISAN I.5.1 Metode Penulisan

Karena Laporan Tugas Akhir ini merupakan suatu studi penulisan, maka

penulis mencari dan mengumpulkan bahan-bahan dan data-data yang diperlukan

melalui :

1. Studi literatur : mengambil bahan dari buku-buku referensi, jurnal,

majalah, media elektronik (internet), dan sebagainya.

2. Studi lapangan : mengambil data dan informasi dari PLTU dan PLTD PT.

Musim Mas KIM 2 Medan tentang prinsip kerja dan cara pengoperasian

kedua pembangkit ini.

3. Studi bimbingan : diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing

yang telah ditunjuk oleh pihak Jurusan Teknik Elektro USU, mengenai

masalah-masalah yang timbul selama penulisan Tugas Akhir ini

berlangsung.

I.5.2 Sistematika Penulisan

Untuk memudahkan pemahaman terhadap Tugas Akhir ini, maka penulis

menyusun sistematika penulisan sebagai berikut :

1. BAB I : Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang

latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan

masalah, manfaat penulisan, metode dan sistematika

penulisan.

2. BAB II : Bab ini berisi tinjauan siklus turbin Uap pada PLTU,

(17)

3. BAB III : Bab ini berisi operasional Pembangk it Listrik Tenaga Uap

(PLTU) dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD).

4. BAB IV : Bab ini berisi mengenai beban yang dipikul pembangkit

dan prinsip pembagian beban pembangkit.

5. BAB V : Bab ini berisikan kesimpulan dan saran-saran yang

(18)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA II.1 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

Sesuai dengan nama pembangkitnya, PLTU adalah suatu pembangkit

tenaga listrik yang menggunakan energi bahan bakar seperti minyak residu,

batubara, cangkang kelapa sawit, gas alam atau sampah untuk memanaskan uap

secara berulang-ulang.

(19)

Gambar II.1 Siklus Turbin Uap II.1.1. Siklus Tenaga Uap

Siklus Rankine, atau siklus tenaga uap, merupakan siklus teoritis paling

sederhana yang mempergunakan uap sebagai medium kerja sebagaimana

dipergunakan pada sebuah Pusat Listrik tenaga Uap (PLTU). Gambar II.1(a)

memperlihatkan skema dari Pusat Listrik Tenaga Uap yang terdiri atas

komponen-komponen terpenting yaitu : boiler, turbin uap, dan kondensor. Jumlah energi

masuk sebagai bahan bakar melalui boiler adalah Em, sedangkan energi efektif

yang tersedia pada poros turbin adalah energi kerja Ek. Energi yang terbuang

melalui kondensor adalah sebesar Eb. Dengan menganggap semua kerugian

lainnya termasuk Eb, maka dapat dikatakan bahwa berlaku :

Em = Ek + Eb

sedangkan untuk efisiensi kerja dapat ditulis :

η Ek

Em =

= Eb

Em

-Dalam gambar II.1(b), yang merupakan suatu diagram suhu-entropi bagi

konstelasi menurut gambar II.1(a), luas 1-2-3-4 merupakan energi keluaran Ek,

sedangkan luas a-b-3-4 merupakan energi terbuang Eb (entropy : besaran

termodinamika yang menyertai perubahan setiap keadaan dari keadaan awal

sampai keadaan akhir sistem). Luas wilayah a-b-2-1 mewakili jumlah energi

masukan Em. Meningkatkan dayaguna siklus ini dapat dilakukan dengan

menurunkan tekanan kondensor. Secara ideal tekanan kondensor yang terendah

(20)

atau udara yang dipakai sebagai penerima. Dalam diagram suhu-entropi hal ini

berarti menurunkan garis suhu 4-3. Hal ini dapat dilakukan dengan air pendingin

pada kondensor yang mempunyai suhu yang lebih rendah. Akan tetapi hal ini

sangat terbatas, karena air pendingin yang dapat dipakai hanyalah apa yang

tersedia, yaitu air laut, air sungai, atau air danau yang ada.

Dalam gambar II.1(c) adalah identik dengan gambar sebelumnya yaitu

gambar II.1(a) dan II.1(b), hanya saja melalui gambar ini akan dijelaskan secara

rinci mengenai kondisi termodinamika dari siklus Rankine dengan melakukan

penurunan formulasi sebagai berikut :

1. Kerja pompa (A) :

Wpompa = h4 – h1 (tanda negatif menyatakan pompa menerima kerja luar).

2. Energi panas yang dimasukkan ke sistem (B) :

qboiler = h2 – h1

3. Kerja turbin (C) :

Wturbin = h2 – h3

4. Sistem kondensor (D) :

qkond = h4 – h3 ( tanda negatif menyatakan panas keluar dari kondensor).

5. Panas netto yang masuk ke sistem :

qnet = Qboiler + Qkondensor

6. Kerja netto (net work) yang dihasilkan sistem,

Wnet = Wturbin + Wpompa

7. Efisiensi siklus :

= boiler

net

q W

(21)

Keterangan :

Wpompa : kerja yang diperlukan untuk menggerakkan pompa (joule/kgm)

Wturbin : kerja yang diperlukan untuk menggerakkan turbin (joule/kgm)

Wnet : kerja netto yang dihasilkan sistem (joule/kgm)

h1 : entalpy air keluar dari pompa / entalpy air masuk ke boiler

(joule/kgm)

h2 : entalpy uap keluar dari boiler / entalpy uap masuk ke

turbin (joule/kgm)

h3 : entalpy uap keluar dari turbin / entalpy uap masuk ke kondensor

(joule/kgm)

h4 : entalpy air keluar dari kondensor / entalpy air masuk ke pompa

(joule/kgm).

qboiler : panas yang diberikan ke boiler (joule/kgm)

qkond : panas yang dibuang kondensor (joule/kgm)

qnet : panas netto yang masuk ke turbin (joule/kgm)

(entalpy suatu sistem : penjumlahan dari energi dalam / internal energy dengan

hasil kali tekanan dan volume sistem).

Peningkatan efisiensi dapat pula dicapai dengan proses pemanasan ulang.

Proses pemanasan ulang ini terlihat pada Gambar II.2(a). Turbin uap terbagi dua

bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT) dan bagian Tekanan Rendah (TR). Uap

yang telah dipakai pada taraf pertama meninggalkan bagian TT pada titik 3 dan

dialirkan kembali ke boiler untuk pemanasan ulang, kemudian dimasukkan lagi ke

(22)

a b _entropi

uap tekanan tinggi box

turbin

Luas 1-2-3-4-5-6 dari Gambar II.2(b) adalah jumlah energi yang

dimanfaatkan, dengan demikian menjadi lebih besar, dan daya guna atau efisiensi

termal dari pusat tenaga listrik menjdi besar pula. Untuk mesin-mesin yang lebih

besar, pemanasan ulang dapat dilakukan hingga 2 kali, dan turbin uap terbagi atas

tiga bagian, yaitu bagian Teknan Tinggi (TT), Tekanan Menengah (TM), dan

Tekanan Rendah (TR).

pompa

Gambar II.2 PLTU Dengan Proses Pemanasan Ulang

Dalam apa yang dinamakan siklus regeneratif sebagian dari energi yang

berada di dalam rangkaian panas dipertahankan beredar dalam rangkaian itu. Hal

demikian dilakukan dengan misalnya memanaskan air yang keluar dari kondensor

dengan uap yang dipakai dari turbin sebelum dimasukkan ke boiler sebagaimana

terlihat pada Gambar II.3(a). Lengkung suhu entropi menjadi sebagaimana tampak

pada Gambar II.3(b).

(23)

(a) (b)

Gambar II.3 PLTU Dengan Siklus Regeneratif

Siklus Rankine merupakan siklus standar PLTU yang dapat digambarkan

pada Diagram T-S (temperature-Entropy) seperti yang ditunjukkan pada

gambar-gambar sebelumnya, atau lebih jelasnya terlihat pada gambar-gambar berikut ini.

0

Gambar II.4 PLTU Diagram Rankine Sederhana pada Diagram T-S

Kondisi uap yang keluar dari boiler masuk ke dalam turbin ada pada titik

C yang merupakan uap jenuh kering (dry saturated). Diasumsikan tidak ada losses

pada pipa uap boiler dengan turbin. Di turbin, uap diekspansikan secara isentropic

dari titik C ke titik D.

Kondensor mengkondensasikan seluruh uap sehingga menjadi air jenuh

(24)

bertekanan P2 ini dikompresikan isentropic sehingga tekanannya naik menjadi P1

(garis proses kenaikan tekanan tidak digambarkan dan kerja pompa diabaikan).

Dengan tekanan sebesar P1, temperaturnya dinaikkan menjadi TB.

Dari titik B sampai titik C terjadi proses penguapan atau mengubah fasa

air menjadi fasa uap pada tekanan P1. Selama perubahan fasa ini tidak terjadi

perubahan tekanan maupun temperatur.

Proses A-B terjadi pada sistem air kondensat dan sistem air pengisi, sedangkan

proses B-C terjadi di dalam boiler pada siklus Rankine, energi yang masuk ke

dalam sistem adalah panas yang masuk ke boiler. Energi yang keluar dari sistem

sebagai losses adalah panas terbuang di kondensor.

II.2 KOMPONEN-KOMPONEN UTAMA PLTU

Keterangan Gambar II.3 :

1 : Boiler P : Pompa

2 : Drum Q1 : Pipa-pipa Boiler

3 : Turbin Tekanan Tinggi Q2 : Superhiter

4 : Turbin Tekanan Menengah Q3 : Pemanas Ulang

5 : Turbin Tekanan Rendah

6 : Kondensor

7 : Pemanasan Awal

8 : Pembakaran Bahan Bakar

9 : Kipas Udara Masuk

10 : Kipas Gas Buang

(25)

Gambar II.5 Komponen-komponen Utama PLTU II.2.1 Boiler

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air

sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu

kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media

yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air

dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali,

menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak,

sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan

sangat baik. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem

bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis

sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan

(26)

steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui system pemipaan ke titik pengguna.

Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau

dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang

digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang

dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada

jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke boiler untuk

dirubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: (1)

Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan (2) Air

makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang

boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi,

digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah

(27)

Gambar II.6 Boiler II.2.2 Turbin Uap

Turbin uap pada umumnya lebih banyak digunakan untuk memutar

generator pembangkit listrik. Cara kerjanya adalah sebagai penggerak mula

(28)

berupa putaran poros turbin. Selanjutnya poros turbin dikopel dengan poros

generator untuk menghasilkan energi listrik.

Ditinjau dari cara kerja transfer energi uap ke poros, turbin uap dapat

dibedakan atas dua tipe :

1. turbin reaksi

2. turbin impuls

Apabila ditinjau dari aliran uap, turbin uap dapat diklasifikasikan atas tiga tipe,

yaitu :

i. turbin aliran radial

ii. turbin aliran tangensial

iii. turbin aliran aksial

II.2.2.1 Turbin Reaksi

Dirancang pertama kali oleh Hero 120 tahun sebelum masehi. Reaksi ini

pancaran uap yang keluar dari nosel (nozzle) mendorong rotor sehingga berputar

(gambar II.7).

II.2.2.2 Turbin Impuls

Jenis turbin ini pertama kali dibuat oleh Branca pada tahun 1629, lihat

gambar II.8 untuk prinsip kerjanya. Pancaran uap yang keluar dari nosel

(29)

(a) Turbin reaksi (b) Diagram Sudu Turbin reaksi Ket : Sudu diam (A, A1, A2), sudu bergerak (B, B1, B2)

Gambar II.7 Prinsip Kerja Turbin Reaksi

(a) Turbin Buatan Branca 1629 (b) Diagram Sudu Turbin Impuls Ket : nozzle (A, AA), sudu bergerak (B1, B2, BB1, BB2), sudu diam (C, CC)

Gambar II.8 Prinsip Kerja Turbin Impuls

II.2.2.i Turbin Aliran Radial

Turbin terdiri dari dua rotor dengan blades dipasang berselangan. Turbin

aliran ini dikembangkan oleh Ljungstorm (gambar II.9). Kedua rotor berputar

dengan arah saling berlawanan, dan masing-masing rotor dikopel terhadap dua

generator terpisah. Arah aliran uapnya radial (tegak lurus menjauhi poros), oleh

(30)

II.2.2.ii Turbin Aliran Tangensial

Jenis turbin ini memliki konstruksi yang kokoh akan tetapi efisiensinya

sangat rendah. Pancaran uap dari nosel diarahkan untuk menghembus bucket yang

dipasang melingkar pada rotor (gambar II.10). arah hembusan uap adalah

tangensial (pada garis singgung putaran bucket).

II.2.2.iii Turbin Aliran Aksial

Tipe ini yang paling populer dan sangat cocok untuk kapasitas besar.

Turbin ini dapat merupakan tipe reaksi dan juga merupakan tipe impuls. Arah

aliran uap sejajar dengan poros (gambar II.11).

(31)

Gambar II.10 Turbin Tangensial Gambar II.11 Turbin Aliran Aksial

II.2.3 Kondensor

Kondensor merupakan peralatan untuk mengembunkan kembali uap yang

telah dimanfaatkan untuk memutar turbin uap. Hal ini diperlukan untuk

menghemat sumber air yng ada di sekitarnya serta menkamin kemurnian air yang

digunakan dalam sistem turbin uap agar tidak terjadi pengendapan maupun

kotoran-kotoran yang dapat merusak. Sebagai pendingin kondensor biasanya

menggunakan air dingin seperti air sungai, laut atau air tanah yang sudah diproses

(32)

air pendingin masuk ke pipa sekat

arah aliran air

air pendingin dari pipa

pompa air pendingin

pipa

uap dari turbin

air hasil kondensasi

Gambar II.12 Sistem Kondensor

II.2.4 Deaerator

Fungsi deaerator adalah untuk membuang gas-gas atau udara yang tidak

terkondensasi yang terbawa ke dalam air pengisi. Jenis deaerator ada yang

langsung terintegrasi dengan steam drum dan ada yang terpisahkan atau tersendiri.

Gas yang tidak bisa terkondensasi sifatnya merugikan yaitu menghambat

perpindahan panas dan udara bisa menyebabkan korosi di bagian dalam pipa-pipa

air.

Air yang telah dijernihkan maupun air yang telah jernih perlu dilunakkan

dengan proses kimia. Reaksi kimia ini menimbulkan berbagai endapan yang harus

disaring oleh saringan atau proses pemurnian pendahuluan. Langkah berikutnya

adalah demineralisasi, yaitu suatu proses kimia untuk menghilangkan

mineral-mineral yang masih terdapat dalam air. Kemudian air yang keluar dari instalasi

(33)

mengeluarkan gas-gas ini, air yang keluar dari instalasi demineralisasi dialrkan ke

deaerator.

Gambar II.13 Deaerator

II.2.5 Pompa-pompa Pelumasan

Pompa-pompa pelumasan adalah alat bantu pelumasan oli pada sistem

mesin pembangkit, di antaranya adalah :

• Pompa Pelumasan Utama

Pompa ini dikopel dengan poros turbin, pompa ini berfungsi untuk memberikan

suplai pelumasan pada turbin ketika turbin telah berputar pada putaran normalnya.

Selain itu, pompa pelumas utama juga mensuplai oli untuk keperluan sistem

governor seperti power oil dan pilot oil.

(34)

Pompa ini digerakkan oleh motor listrik AC dan mensuplai minyak ke turbin bila

pompa minyak pelumas utama tidak dapat mensuplai misalnya ketika putaran

rendah atau pada saat start turbin. Seperti pompa minyak utama, selain mensuplai

sistem pelumasan, pompa ini juga untuk mensuplai power oil dan pilot oil.

II.3 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL

II.3.1 Komponen-komponen Utama PLTD

1

2 3

4

5

6 7

8 9

10 ₁₁

12

13

14

15 16

17

18

19

Gambar II.14 Komponen-komponen Utama PLTD

Keterangan gambar :

1 : mesin diesel 10 : tangki udara start

2 : generator 11 : kompresor

3 : saringan udara 12 : tangki air

(35)

5 : tangki bahan bakar harian 14 : menara pendingin

6 : tangki bahan bakar 15 : suplesi air

7 : pompa bahan bakar 16 : pendingin minyak pelumas

8 : saringan bahan bakar 17 : tangki minyak pelumas

9 : pompa injeksi bahan bakar 18 : pompa minyak pelumas

19 : pembersih minyak pelumas

II.3.2 Prinsip Kerja Mesin Diesel

Pembangkit Listrik tenaga Diesel atau PLTD adalah suatu stasiun

pembangkit tenaga, di mana sebagai penggerak mulanya adalah sebuah mesin

diesel yang mendapat energi dari bahan bakar cair yang dikenal sebagai minyak

solar, dan merubah energi tersebut menjadi energi mekanik dan dikopel dengan

sebuah generator untuk mengubah energi mekanik dari mesin diesel menjadi

energi listrik.

Kebanyakan mesin diesel siklus operasinya empat langkah, karena lebih

efisien dibandingkan dengan mesin dua langkah. Diesel mendapatkan daya dari

hasil pembakaran bahan bakar di dalam silinder mesin atau dengan kata lain

proses kerja ini ini disebut siklus Otto yang ditemukan oleh insinyur jerman

bernama Otto pada tahun 1876. pembakaran bahan bakar tersebut menghasilkan

kenaikan temperatur dan tekanan di dalam silinder mesin. Dan tahanan yang

dibangkitkan mendorong piston yang terdapat pada silinder mesin.

Daya mekanik yang dibangkitkan, diteruskan ke batang engkol

(connecting rod), yang dipasang pada poros engkol (crank shaft) untuk

(36)

udara & bahan bakar masuk

Gambar II.15 Prinsip Kerja Mesin Bensin 4-Langkah

Pada sebuah mesin yang mempergunakan siklus percikan kompresi tidak

dipergunakan busi. Percikan terjadi karena suhu tinggi disebabkan oleh kompresi

udara yang tinggi di silinder. Gambar II.16 memperlihatkan suatu siklus teoritis

dan actual untuk jenis mesin yang demikian.

(a) (b) (c)

Gambar II.16 Siklus Percikan Kompresi

Proses yang terjadi dalam mesin diesel ini adalah sebagai berikut :

1-2 : kompresi isentropic

(37)

3-4 : penambahan panas pada tekanan konstan

4-5 : ekspansi isentropik

5-1 : pembuangan panas pada volume konstan

Mesin ini sering disebut juga motor diesel sesuai dengan nama dari pembuatnya,

yaitu seorang Jerman yang bernama Diesel. Pada mesin ini penambahan panas

atau energi senantiasa dilakukan pada tekanan yang konstan. Efisiensi termal dari

motor diesel adalah sebagai berikut :

η =

Q2-3 = energi yang ditambahkan pada keadaan 2-3,

Q3-4 = energi yang ditambahkan pada keadaan 3-4,

Q5-1 = energi yang dibuang pada keadaan 5-1,

V5 = volume pada keadaan 5,

V2 = volume pada keadaan 2,

k = rasio panas spesifik = 1,3 – 1,4 untuk udara.

Gambar II.16(a) memperlihatkan diagram Tekanan-Volume (P-V) untuk keadaan

teoritis, sedangkan gambar II.16(b) memperlihatkan untuk suatu siklus yang

(38)

II.4 GENERATOR SINKRON II.4.1 Umum

Generator sinkron merupakan komponen penting untuk pembangkitan

daya tiga fasa dalam suatu pembangkit listrik. Generator sinkron mengubah energi

mekanik dari turbin menjadi energi listrik.

Konversi energi mekanik menjadi energi lisrtrik secara besar-besaran

praktis hanya dilakukan dengan generator sinkron. Hal ini dikarenakan generator

sinkron sebagai mesin pembangkit dapat dibuat untuk pembangkit tenaga listrik

berkapasitas besar dan dapat diparalelkan dengan generator lain maupun infinite

bus dalam suatu sistem interkoneksi.

Sebuah generator sinrkon standar utamanya terdiri dari sebuah rotor yang

dimagnetisasi oleh arus medan DC dan sebuah stator dengan belitan tiga fasa AC.

Istilah mesin sinkron didasarkan pada kenyataan bahwa rotor berputar secara

sinkron dengan medan putaran magnettik stator.

II.4.2 Komponen Utama Generator Sinkron

Generator sinkron merupakan generator yang paling umum digunakan

dalam pembangkitan energi listrik boloak-balik. Konstrtuksi generator sinkron

(39)

Gambar II.17 Generator Sinkron

Komponen terpenting dari generator sinkron terdiri dua bagian utama yaitu

stator dan rotor.

1. Stator

Stator terdiri dari tiga komponen utama :

a. Rangka Stator

Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang menyangga jangkar

generator, yang terbuat dari besi tuang dan dilengkapi dengan slot-slot (parit)

sebagai tempat melekatnya kumparan jangkar. Rangka stator memilki celah yang

berfungsi sebagai ventilasi udara, sehingga udara dapat keluar masuk dalam inti

stator sebagai pendingin.

b. Inti Stator

Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetic

khusus yang terpasang ke rangka stator. Laminasi-laminasi diisolasi satu sama

lain dan mempunyai jarak antara laminasi yang memungkinkan udara pendingin

lewat. Di sekeliling inti terdapat slot-slot tempat melekatkan konduktor / belitan

jangkar.

(40)

Kumparan jangkar merupakan kumparan tempat timbulnya ggl induksi,

sehingga melalui terminal output kumparan jangkar, yang merupakan terminal

output generator, diperoleh energi listrik yang siap untuk disalurkan.

2. Rotor

Rotor terdiri dari tiga komponen utama, yaitu :

a. Slip Ring

Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi

dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke slip

ring. Slip ring ini kemudian dihubungkan ke sumber DC daya luar melalui sikat

(brush) yang ditempatkan menempel pada slip ring. Sikat ini merupakan batang

grafit yang terbuat dari senyawa karbon yang bersifat konduktif dan memiliki

koefisien gaya gesekan yang sangat rendah.

b. Kumparan Rotor (medan)

Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama dalam

menghasilkan medan magnet. Kumparan medan ini ditempatkan di bagian rotor

dari generator. Kumparan ini mendapatkan arus searah dari sumber eksitasi

tertentu.

c. Poros Rotor

Poros rotor merupakan tempat peletakan kumparan medan, di mana pada

poros rotor tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor

sehingga penempatan kumparan medan dapat diatur sesuai dengan rancangan

(41)

II.4.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Suatu mesin listrik (generator atau motor) akan berfungsi bila memiliki :

1. kumparan medan, untuk menghasilkan medan magnet;

2. kumparan jangkar, untuk mengimbaskan ggl pada konduktor-konduktor

yang terletak pada alur-alur jangkar; dan

3. celah udara yang memungkinkan berputarnya jangkar dalam medan

magnet

Untuk menghasilkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan maka fluks

magnetic yang memotong kumparan harus berubah. Dengan kata lain ggl induksi

yang timbul pada ujung-ujung penghantar atau kumparan adalah sebanding

dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar

tersebut, yang dirumuskan oleh :

E = – N

dt dΦ

= – N

dt BA d( cosθ)

= – NBA dt d(cosθ)

Laju perubahan fluks magnetik ini bisa disebabkan oleh salah satu

perubahan berikut :

1. perubahan luas bidang kumparan A (B dan θ tetap)

2. perubahan besar induksi magnetik B(A dan θ tetap)

(42)

Khusus untuk generator, timbulnya ggl induks i disebabkan oleh perubahan

sudut θ antara B dan arah normal bidang. Inilah yang mendasari bagaimana

generator sinkron dapat menghasilkan energi listrik.

Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai

berikut :

1. Kumparan medan yang diletakkan di rotor dihubungkan dengan sumber

eksitasi yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan.

Dengan adanya arus yang mengalir melalui kumparan medan akan

menimbulkan fluks magnetik yang besarnya terhadap waktu adalah tetap.

2. Penggerak mula (prime mover) yang sudah terkopeldengan rotor segera

dioperasikan sehingga rotor akan berputar dengan kecepatan tertentu

sesuai dengan diharapkan.

3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang

dihasilkan oleh kumparan medan. Dengan demikian, kumparan jangkar

yang terletak di stator akan dilingkupi oleh fluks magnetik yang

berubah-ubah besarnya setiap waktu. Adanya perberubah-ubahan fluks magnetik terhadap

yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada

ujung-uung kumparan tersebut. Untuk generator sinkron tiga fasa,

digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun

dalam bentuk tertentu, sehingga susunan kumparan jangkar yang

sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan

jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sma lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan siap dioperasikan untuk menghasilkan energi

(43)

II.4.4 Sistem Penguatan (Exiter) Generator Sinkron

Sistem penguatan generator sinkron terus mengalami perkembangan

seiring dengan penigkatan kapasitas generator itu sendiri. Pada generator sinkron,

arus medan yang diperlukan untuk membangkitkan medan magnet rotor disuplai

dari sumber daya DC tertentu. Karena kumparan medan terletak pada rotor yang

berputar, maka diperlukan perancangan khusus untuk membentuk rangkaian

sumber daya DC terhadap kumparan medan.

a. DC Exicter

Prinsip DC exicter ini adalah pengkopelan poros secara mekanis dari suatu

generator sinkron dengan sebuah generator arus searah untuk mensuplai arus

searah pada belitan medan di rotornya diperlihatkan pada gambar II.16.

generator sinkron

generator DC

Gambar II.18 Generator Sinkron yang menerima arus penguat medan dari Generator DC

Dari gambar di atas terlihat bahwa pada generator sinkron tersebut antara

generator utama dan generator DC sebagai pensuplai arus medan pada belitan

medannya dikopel secara langsung dengan shaft pada masing-masing generator.

(44)

Brushless Exicter (exicter tanpa sikat) diaplikasikan pada mesin sinkron,

di mana suplai arus searah ke belitan medan dilaksanakan tanpa melalui sikat.

Biasanya arus searah yang disuplai ke belitan medan berasal dari generator arus

bolak-balik yang memiliki shaft yang sama dengan generator utama. Output dari

generator bolak-balik (exicter) ini dikonversikan menjadi arus searah dengan

penyearah yang diletakkan pada bagian shaft ataupun pada bagian dalam dari

rotor generator sinkron. sistem kerjanya dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

input tiga fasa (arus rendah) kumparan medan exicter

RF

rotor

stator

output tiga fasa

kumparan jangkar generator utama kumparan medan

generator utama kumparan jangkar

exicter

exicter penyearah tiga fasa generator sinkron

IF

Gambar II.19 Sistem Brushless Exictation

Pada gambar di atas terlihat bahwa untuk menghindari adanya kontak

geser pada bagian rotor generator sinkron, maka exicter-nya dirancang sedemikian

(45)

bagian belitan medan dari generator sinkron. Hal ini dimungkinkan karena dioda

penyearah ditempatkan pada bagian shaft yang dimiliki bersama-sama oleh rotor

generator sinkron dan exicter-nya, kemudian pada shaft inilah dioda penyearah

tadi dilekatkan.

Arus medan pada generator sinkron langsung dikontrol oleh arus yang

mengalir pada medan exicter, dan dalam hal ini exicter berfungsi sebagai suatu

power amplifier. Dioda penyearah yang dipergunakan dirancang sedemikian rupa

sehingga mampu bertahan melawan daya sentrifugal yang dirasakannya.

c. Permanent Magnet Generator (PMG)

Suatu generator sinkron harus memiliki sebuah medan magnet yang

berputar agar generator tersebut dapat menghasilkan tegangan pada statornya.

Medan magnet ini dapat dihasilkan dari belitan rotor yang disuplai dengan sumber

listrik arus searah. Cara lain untuk menghasilkan medan magnet pada rotor adalah

dengan magnet permanen yang dilekatkan pada shaft dari generator tersebut.

Generator yang menggunakan magnet permanen sebagai eksitasinya disebut

dengan Permanent Magnet Generator (PMG).

Biasanya PMG ini dipergunakan pada mesin-mesin berkapasitas kecil saja.

Hal ini disebabkan karena kesulitandalam mencegah efek magnet permanen yang

dapat menarik benda-benda logam di sekitarnya, sehingga sulit dalam perawatan

dan pemasangannya. Selain itu PMG biasanya dipergunakan sebagai pilot exiciter

yang mensuplai arus medan pada bagian rotor suatu generator sinkron sehingga

(46)

Pada suatu generator besar biasanya mempergunakan paduan dari sistem

brushless excitation yang dilengkapi PMG. Hal ini dimaksudkan agar sistem

eksitasi dari generator sama sekali tidak tergantung dari sumber daya listrik dari

luar mesin itu. Bentuk skematik dari sistem ini digambarkan sebagai berikut.

penyearah tiga fasa

tiga fasa generator sinkron IF

Gambar II.20 Generator dengan Sistem Brushless Excitation dan PMG

Terlihat pada bagian mesin yang berputar (rotor) terdapat magnet

permanen, kumparan jangkar exicter, kumparan utama medan dari generator. Hal

ini memungkinkan generator tersebut untuk tidak menggunakan slip ring dan sikat

dalam pengoperasiannya secara keseluruhan sehingga lebih efektif dan efisien.

II.4.5 Proteksi Pada Generator Sinkron

Sistem proteksi generator sinkron terbagi ke dalam dua jenis, yaitu :

(47)

- proteksi rotor

Proteksi stator meliputi proteksi tegangan lebih, proteksi arus lebih,

proteksi impedansi, proteksi stator terhadap gangguan tanah, proteksi arus

diferensial, proteksi terhadap cairan yang masuk ke generator.

Proteksi rotor meliputi pembatas sudut beban, proteksi underexcitation,

proteksi beban tidak seimbang, proteksi rotor terhadap gangguan tanah. Umumnya

sistem proteksi juga terbagi menjadi proteksi mekanik dan proteksi elektrik.

1. proteksi tegangan lebih

Di dalam generator biasanya sudah dilengkapi dengan pengatur tegangan

otomatis (AVR), yang akan mengatur kestabilan tegangan keluarannya. Namun

demikian untuk mengantisipasi kalau pengatur tegangan otomatis tidak bekerja,

maka relai tegangan lebih digunakan sebagai pengaman. Relai tegangan lebih

(Over Voltage Relay) yang digunakan dilengkapi dengan piranti tunda waktu

(time delay) agar diperoleh selektivitas yang memadai, khususnya untuk

koordinasi dengan karakteristik pengatur tegangan otomatis. Relai tegangan lebih

digunakan pada generator-generator yang mempunyai kapasitas sekitar 10 MVA

keatas dengan tegangan kerja 6 KV atau lebih.

2. proteksi arus lebih

Relai arus lebih digunakan sebagai pengaman generator, terutama terhadap

gangguan-gangguan didepan pemutus tenaga (PMT) generator, baik antar fase

maupun gangguan fase ketanah. Penyetelan tunda waktu dari relai harus

(48)

hubung singkat yang terjadi didepan generator. Sebagaimana diketahui bahwa

pada saat terjadi hubung singkat, ada tiga kondisi arus atau reaktansi yang ada

pada generator , yaitu arus subperalihan (subtransient), arus peralihan (transient),

dan arus tetap (steady state). Oleh karena itu, penyetelan (settings) arus dan tunda

waktu hendaknya juga mempertimbangkan kondisi-kondisi tersebut . Penyetelan

arus hendaknya lebih besar dari nilai arus nominal generator sehingga

memungkinkan generator mampu menahan beban lebih untuk beberapa detik. Hal

yang penting pada pengaman generator terhadap arus lebih adalah adanya

koordinasi relai, baik koordinasi besaran arus maupun waktu tundanya (time

delay). Disamping itu perlu dipertimbangkan pula adanya relai-relai pengaman

cadangan (back-up) pada generator.

3. proteksi stator terhadap hubungan tanah

Pengaman ini digunakan untuk mendeteksi adanya gangguan-gangguan stator

hubung tanah pada generator yang dihubungkan dengan transformator tenaga.

Relai ini dapat mendeteksi gangguan-gangguan tanah sampai 95% dari kumparan

generator. Sedangkan dengan peralatan kompensasi khusus dapat mendeteksi

sampai 100% dari kumparan generator. Adanya gangguan hubung tanah pada

stator harus segera diatasi, sebab gangguan ini dapat menimbulkan panas yang

berlebihan, kerusakan laminasi alur generator bahkan kebakaran. Oleh karena itu,

jika terjadi gangguan seperti itu: pemutus generator, pemutus arus penguat medan,

dan penggerak awal harus secepatnya dimatikan.

4. proteksi arus diferensial

Relai diferensial digunakan untuk mengamankan generator dari kerusakan akibat

(49)

masing-masing dipasang pada kedua sisi kumparan generator, Sekunder CT

terhubung bintang yang ujung-ujungnya dihubungkan melalui kawat-kawat pilot.

Pada kondisi normal dan tidak ada gangguan internal, besarnya arus kedua sisi

kumparan sama, sehingga arus yang mengalir pada sisi-sisi sekunder CT juga

sama. Hal ini menyebabkan tidak ada arus yang mengalir pada relai. Pada saat

terjadi gangguan pada kumparan generator, mungkin fase dengan fase atau fase

dengan ground, maka arus yang mengalir pada kedua sisi kumparan akan berbeda,

sehingga ada arus yang mengalir pada relai. Relai bekerja menarik kontak

sehingga kumparan triping mendapat tenaga dari catudaya searah yang

selanjutnya akan menarik kontak pemutus tenaga untuk memutuskan hubungan

generator dengan sistem.

II.4.6 OPERASI PARALEL GENERATOR

Operasi paralel pusat-pusat tenaga listrik pada asasnya merupakan

perluasan bekerja paralel satu generator dengan generator lain, dengan tambahan

resistansi dan reaktansi saluran-saluran interkoneksi. Proses menghubungkan

paralel satu generator dengan generator lain dinamakan sinkronisasi.

1. Syarat-Syarat Operasi Paralel Generator

Dalam melakukan sinkronisasi, generator yang akan diparalelkan harus

memenuhi syarat-syarat operasi paralel, di antaranya adalah sebagai berikut :

1. tegangan apitan dari generator yang akan diparalelkan harus sama dengan

tegangan di jaringan

2. frekuensi generator harus sama dengan frekuensi jaringan

3. sudut fasa dari fasa-fasa yang dihubungkan satu sama lain harus sama

(50)

4. urutan fasa kedua generator harus sama atau urutan fasa generator yang

akan diparalelkan harus sama dengan jaringan.

2. Dua Generator Bekerja Paralel

Umpamakan dua generator G1 dan G2 yang bekerja paralel sebagaimana

terlihat pada Gambar II.8. Masing-masing generator memiliki impedansi Z1 dan

Z2 yang terdiri atas resistansi R1 dan R2 serta X1 dan X2. Gaya gerak listrik E yang

diinduksikan dalam masing-masing mesin adalah E1 dan E2.

G1

G2

X1 R1

Z1

}

X2 R2

Z2

}

E1

E2

Gambar II.21 Dua Generator Bekerja Paralel

Is

E2

0 E1

Er

(51)

0 E1

Er

E2

Is

Gambar II.21b Resistansi Diabaikan

Misalkan kini suatu keadaan khusus di mana dari kedua mesin

reaktansinya dapat diabaikan. Dalam keadaan demikian kedua ggl E1 dan E2

memiliki selisih fasa sekitar 1800 (Gambar II.8a), dan resultan Er hampir tegak

lurus pada E1 dan E2. Besar arus sinkronisasi dinyatakan dengan rumus :

(

Z1 Z2

)

E

Isy r

+ =

Misalkan kini kedua mesin hanya memiliki reaktansi mendekati nol. Arus

sinkronisasi Is kan tegak lurus terhadap ggl Er atau sefasa dengan ggl salah satu

mesin, misalkan E2 (Gambar II.8b). Dalam hal ini mesin 2 akan memberi daya

nyata kepada mesin 1, agar mesin ini dapat berjalan. Dengan demikian dapat

disimpulkan bahwa untuk memungkinkan generator beroperasi paralel, adanya

reaktansi mutlak diperlukan.

Bilamana dua generator berada dalam keadaan sinkronisasi penuh maka

kedua ggl yang diinduksikan adalah sama dan berbeda fasa 1800, sebagaimana terlihat pada Gambar II.9a, dan tidak terdapat arus mengalir dalam rangkaian

setempat. Bilamana kedua ggl sama besarnya tapi berbeda fasa tidak tepat 1800, maka resultan ggl Er bergerak di dalam rangkaian setempat dan mengakibatkan

(52)

0 Gambar II.22 Arus Sinkronisasi

Misalkan perbedaan fasa antara kedua ggl sebesar dan E1 = E2 = E, maka

Pendekatan di atas berlaku jika sudut memilki nilai yang kecil sekali. Besar

(53)

di mana Z merupakan impedansi gabungan per fasa dari kedua generator atau

generator dengan jaringan yang memilki kekuatan yang tak terhingga. Bilamana

reaktansi generator diketahui, maka arus sinkronisasi adalah :

Is =

s X

E

tertinggal fasa 900 dengan gerak listrik resultan Er.

Dalam keadaan di atas mesin 1 memberi daya sebesar E1 Is cos 1

sedangkan mesin 2 menerima daya sebesar E2 Is cos 2. Karena daya yang

dipasok mesin 1 adalah sama dengan daya diterima mesin-mesin ditambah

rugi-rugi, maka berlaku :

E1 Is cos 1 = E2 Is cos 2 + rugi-rugi

Daya yang dipasok mesin 1 dinamakan daya sinkronisasi dan dinyatakan

dengan rumus :

Untuk daya sinkronisasi sistem tiga fasa dengan demikian adalah :

Ps3 =

s X

(54)

Bilamana Ts merupakan torsi sinkronisasi (berdimensi newton meter)

maka daya sinkronisasi dapat dinyatakan dengan rumus berikut :

Ps3 = Ts 2π

60

s

n

Ts = Ps3

s n π 2

60

di mana :

ns : kecepatan putar sinkron =

p f 120

f : frekuensi

p : jumlah kutub

Misalkan kembali dua generator yang memiliki ggl tepat sefasa (relatif

terhadap beban luar), akan tetapi besaran E1 dan E2 tidak sama (E1 lebih besar dari

E2). Resultan Er adalah sebesar E1 – E2 dan bertindak di dalam rangkaian setempat

dan menyebabkan terjadinya arus sinkronisasi Is di dalam rangkaian lokal. Arus

sinkronisasi Is ini terbelakang fasa pada Er atau E1 sebesar 900. Sebaliknya E2

tertinggal fasa 900 pada Is, sebagaimana terlihat pada Gambar II.10. Dengan

demikian arus sinkronisasi memiliki efek demagnetisasi pada mesin pertama,

sehingga menghasilkan penurunan E1 serta efek demagnetisasi pada mesin kedua

dan mengakibatkan peningkatan E2. Dengan demikian perbedaan antara E1 dan E2

(55)

0

900 900

E2 E1

Is

Er

Gambar II.23 Efek Tegangan Yang Tidak Sama

Misalkan dua mesin dengan karakteristik kecepatan-beban yang tepat

sama yang bekerja paralel dengan suatu tegangan apitan bersama sebesar V dan

dengan beban impedansi sebesar Z. Misalkan selanjutnya ggl dari mesin 1 dan

mesin 2 sebesar E1 dan E2 sedangkan impedansi fasa masing-masing Z1 dan Z2.

Tegangan apitan mesin 1 adalah :

V = E1 – I1 Z1, dan

tegangan apitan mesin 2 adalah :

V = E2 – I2 Z2

E1

E2

Z1

Z2

Z

I1

I2

I

Gambar II.24 Pembagian Beban Antara Dua Generator

Juga berlaku :

V = I Z = (I1 + I2) Z

(56)

I1 =

selanjutnya dapat diperoleh pula :

I1 + I2 =

II.4.7 JENIS OPERASI PARALEL GENERATOR

Ketika generator beroperasi sendiri dalam melayani beban, besarnya daya

nyata P dan daya reaktif Q yang disuplai oleh generator pasti sebesar total beban

yang dipikul oleh generator. Atau dengan kata lain, besarnya daya nyata P dan

daya reaktif Q dari generator tidak dapat diatur melalui kontrol generator. Untuk

setiap kondisi beban, setting governor yang dikenakan hanyalah untuk mengatur

frekuensi operasi generator, begitu juga dengan fungsi pengaturan besarnya arus

medan generator hanyalah untuk mengendalikan tegangan terminal sistem VT

(bukan untuk mengatur besarnya output daya reaktif generator). Pada operasi

paralel karena perubahan beban pada pelayanannya akan menyebabkan tegangan

(57)

mengubah daya reaktif, kita perlu mengatur daya reaktif yang dihasilkan karena

akan mempengaruhi daya reaktif yang merupakan daya yang disuplai ke beban.

Karakteristik pembebanan generator yang beroperasi paralel dalam hubungannya

dengan pengaturan frekuensi dan tegangan terminal generator dapat dilihat pada

Gambar II.25.

N

kW

0 Pbp

Nbp

Nbn

(a) Kurva Kecepatan Poros Rotor Terhadap Daya Aktif P

f

kW

0 Pbp

fbp

fbn

(58)

V

0 Qbp

Vbp

Vbn

Q (daya reaktif) suplai kVAr -Q

konsumsi kVAr

+

-(c) Kurva Tegangan Terminal-Daya Reaktif (Q)

Gambar II.25 Karakteristik Generator yang Bekerja Paralel

Keterangan gambar :

N : putaran generator (ppm-putaran per menit)

f : frekuensi

V : tegangan terminal

P : daya nyata

O : daya reaktif

bn : kondisi beban nol (tanpa beban)

bp : kondisi beban penuh

Tanda positif (+) pada Gambar II.25 (c) di atas, generator memasok daya rektif,

sedangkan tanda minus (-) berarti generator menyerap / mengkonsumsi daya

reaktif. Dari Gambar II.25 (b) dapat diturunkan rumus hubungan frekuensi dan

daya listrik sebagai berikut :

Pout = kk . (fbn – fsis)

di mana :

Pout : daya keluaran generator (kW)

(59)

fbn : frkuensi beban nol generator (Hz)

fsis : frekuensi sistem listrik keseluruhan (Hz).

Secara umum ada dua jenis operasi paralel generator yang ditemukan

dalam sistem tenaga listrik, yaitu :

1. operasi paralel generator dengan sistem daya yang besar

2. operasi paralel generator dengan generator lain yang berkapasitas sama

besar.

1. Operasi Paralel Generator dengan Sistem Daya yang Besar

Sistem daya yang besar sering disebut dengan infinite bus. Infinite bus

adalah suatu sistem daya yang berkapasitas sangat besar sehingga tegangan dan

frekuensi dari sistem tersebut tidak lagi dipengaruhi oleh besarnya daya nyata P

dan daya rektif Q yang dibutuhkan oleh beban. Karena daya listrik jaringan ini

jauh lebih besar dari pada generator, maka efek yang ada pada generatortersebut

hampir tidak berpengaruh (untuk idealnya dianggap tidak berpengaruh sama

sekali) pada jaringan yang ada tersebut. Karena itu pula jaringan listrik tersebut

untuk idealnya disebut sebagai jaringan / jala-jala tidak berhingga (infinite bus).

generator

infinite bus beban

(60)

Karakteristik frekuensi-daya nyata P, karakteristik tegangan-daya reaktif Q

untuk jenis operasi paralel generator dengan infinite bus dapat dilihat pada

Gambar II.27 berikut ini.

f

0 P (daya aktif)

suplai kW -P

konsumsi

+

-(a) Karakteristik frekuensi-Daya Aktif P

V

0 Q (daya reaktif) suplai kVAr -Q

konsumsi

+

-(b) Karakteristik Tegangan-Daya Reaktif Q

Gambar II.27 Karakteristik Jaringan Tidak Berhingga

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa jaringan tidak berhingga dapat