5
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Proses Pabrik Kelapa Sawit
Pabrik kelapa sawit adalah suatu pabrik industri yang berfungsi sebagai tempat pengolahan Tandan Buah Segar (TBS) kelapa sawit menjadi minyak kelapa sawit / Crude Palm Oil (CPO) dan inti kelapa sawit (kernel), serta produk sampingan berupa fiber dan cangkang (shell). Dalam prosesnya, pabrik kelapa sawit memiliki 6 stasiun yang saling berhubungan antara satu dengan yang lainnya dalam mengolah tandan buah segar sampai menjadi minyak dan inti. Ada pun 6 stasiun tersebut diantaranya : (Pahan, 2008).
a. Stasiun Penerimaan Buah
Stasiun Penerimaan Buah terdiri dari timbangan dan dan loading ramp. Timbangan berfungsi untuk mengetahui berat dari apa saja yang keluar dan masuk di pabrik baik itu berupa Tandan Buah Segar (TBS), minyak kelapa sawit / Crude Palm Oil (CPO), kernel, fibre, shell, dan lainnya yang penting untuk ditimbang. Sedangkan untuk loading lamp berfungsi untuk pensortiran buah yang masuk sesuai dengan kriteria yang diterima pabrik. (Pahan, 2008). b. Stasiun Perebusan
Stasiun perebusan terdiri dari sterilizer. Tandan Buah Segar (TBS) yang sudah disortir selanjutnya akan direbus dengan sterilizer. Pada saat Tandan Buah Segar (TBS) direbus, tekanan dan suhu haruslah tinggi. Perebusan ini bertujuan untuk menurunkan tingkat keasaman lemak bebas dan mengurangi kadar air sehingga memudahkan saat proses pembrondolan pada thresher dan melembutkan daging buah untuk pemisahan antara biji dengan buahnya. (Pahan, 2008).
c. Stasiun Penebah
Stasiun Penebah terdiri dari hoasting crane / tippler dan threser. Setelah buah direbus dengan lori, lori kemudian diangkat dengan hoasting crane atau
tippler kemudian masuk ke thresser. Pada proses ini buah/brondolan
6
dengan cara mengangkat dan membanting tandan buah rebus tersebut. (Pahan, 2008).
d. Stasiun Press
Stasiun Press terdiri dari digester dan screw press. Buah yang telah diolah hingga ketahap ketiga akan digunakan proses pressing. Proses keempat ini merupakan proses inti dimana minyak diambil dari buah dengan melumatkan terlebih dahulu brondolan kemudian dilakukan penekanan dengan mesin press untuk mendapatkan minyak. (Pahan, 2008).
e. Stasiun Pemurnian Minyak
Stasiun Pemurnian Minyak terdiri dari Sand Trap Tank, Vibro Separator,
Crude Oil Tank, Vertical Continuous Tank, Oil Tank, Floater Tank, Vacum Dryer, Sludge Tank, Sand Cylone, Buffer Tank, Sludge Separator, Fat Fit dan Storage Tank. Setelah proses pressing minyak dari buah, barulah didapat
minyak kasar. Selanjutnya minyak tersebut akan kebih disempurnakan dengan berbagai macam proses seperti fraksinasi, sedimentasi, pengutipan dan penyaringan. Setelah melalui tahap penyempurnaan minyak dipompakan ke
storage tank untuk tempat penyimpanan sementara sebelum dikirim. (Pahan,
2008).
f. Stasiun Pengolahan Biji
Stasiun Pengolahan Biji terdiri dari Cake Breaker Conveyor, Depricarper, Nut
Polishing Drum, Destoner, Nut Gruding Drum, Nut silo, Ripple Mill, Cracked Mixer Conveyor, Light Tenera Dush Separator I/II, Claybath/Hydro Cyclone, Kernel Dryer dan Kernel Bunker. Pada proses pengolahan biji, biji akan
melalui beberapa dan menghasilkan produk utama berupa kernel dan produk samping berupa fibre dan shell. Fibre dan shell dimanfaatkan sebgai bahan bakar boiler dan bisa juga dijual sebagai produk samping (by product). (Pahan, 2008)
7
Berikut merupakan flow chart pabrik kelapa sawit:
Gambar 2.1 Diagram Alir Pengolahan TBS pabrik kelapa sawit ( Sumber : PTPN IV, 2019)
Keseluruhan proses yang terjadi pada masing-masing stasiun di pabrik tidak terlepas dari peran penting dari stasiun pembangkit tenaga sebagai pemasok
steam yang akan digunakan turbin yang digunakan untuk menghasilkan energi
listrik dan uap bekasnya digunakan untuk pengolahan pengolahan (Pahan, 2008).
8 2.2 Power Plant di Pabrik Kelapa Sawit
Power Plant merupakan stasiun yang menghasilkan tenaga listik yang
sumbernya dari generator diesel dan turbin uap yang menggerakkan generator. Stasiun pembangkit listrik adalah sumber tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan mesin pada pengolahan, juga sebagai tempat masuknya uap dari boiler ke setiap stasiun yang ada di PKS. Berikut merupakan alat/mesin yang ada di sistem power plant di pabrik kelapa sawit: Power Plant merupakan sarana pendukung atau bagian utilitas di Pabrik Kelapa Sawit (PKS), yang berfungsi sebagai:
a. Boiler merupakan bejana bertekanan dengan bentuk dan ukuran yang didesain untuk menghasilkan uap panas atau steam. Steam dengan tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Ketel uap berasal dari kata ”boil” yang artinya mendidih dan menguap. Dengan demikian boiler dapat diartikan sebagai suatu peralatan pembangkit/ pembentuk uap atau disebut juga sebagai suatu peralatan yang berfungsi untuk mengkonversikan energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas pembentukan uap (Naibaho, 1996).
b. Turbin Uap : Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi. (Shlyakhin, 1999)
c. Genset : Mengubah energi kimia dari bahan bakar diesel kedalam energi listrik dengan menggunakan alternator diesel (Naibaho, 1996)
d. Back Preasure Vessel (BPV) : Menyimpan dan mendistribusikan uap dengan tekanan rendah untuk proses pengolahan di pabrik (Naibaho, 1996)
9 2.2.1 Turbin Uap
Turbin Uap : Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi. (Shlyakhin, 1999)
Sistem turbin uap merupakan salah satu jenis mesin panas yang mengkonversi sebagian panas yang diterimanya menjadi kerja. Sebagian panas lainnya dibuang ke lingkungan dengan temperatur yang lebih rendah. Dengan kata lain mengubah energi entalpi fluida menjadi energi mekanik.(Firdani, 2015)
Turbin Uap sendiri merupakan salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap, dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. Turbin telah mengalami perkembangan dalam desainnya. Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang diantara sudu tersebut. Apabila roda turbin dapat berputar, maka terdapat gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut terjadi akibat perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu. (Firdani, 2015).
A. Komponen Turbin Uap
Secara umum komponen-komponen utama dari sebuah turbin uap adalah : (Winnadeak, 2016)
• Nosel, sebagai media ekspansi uap yang merubah energi potensial menjadi energi kinetik.
• Sudu, alat yang menerima gaya dari energi kinetik uap melalui nosel. • Cakram, tempat sudu-sudu dipasang secara radial pada poros.
10
• Poros, sebagai komponen utama tempat dipasangnya cakram-cakram sepanjang sumbu.
• Bantalan, bagian yang berfungsi uuntuk menyokong kedua ujung poros dan banyak menerima beban.
• Kopling, sebagai penghubung antara mekanisme turbin uap dengan mekanisme yang digerakkan.
Untuk melihat komponen-komponen utama pada turbin dapat dilihat pada gambar berikut ini :
Gambar 2.2 komponen-komponen Turbin
(Sumber : https://www.google.com/-Pengoperasian-turbin-uap-b.html&psig)
1. Cassing adalah sebagai penutup bagian-bagian utama turbin.
2. Rotor adalah bagian turbin yang berputar yang terdiri dari poros, sudu turbin atau deretan sudu yaitu Stasionary Blade dan Moving Blade. Untuk turbin bertekanan tinggi atau ukuran besar, khususnya unuk turbin jenis reaksi maka motor ini perlu di Balance untuk mengimbagi gaya reaksi yang timbul secara aksial terhadap poros.
11
4. Journal bearing adalah Turbin Part yang berfungsi untuk menahan gaya radial atau gaya tegak lurus rotor.
5. Thrust bearing adalah Turbin Part yang berfungsi untuk menahan atau untuk menerima gaya aksial atau gaya sejajar terhadap poros yang merupakan gerakan maju mundurnya poros rotor.
6. Main oli pump berfungsi untuk memompakan oli dari tangki untuk disalurkan pada bagian – bagian yang berputar pada turbin, dimana fungsi dari Lube Oil adalah :
Sebagai Pelumas pada bagian–bagian yang berputar.
Sebagai Pendingin (Oil Cooler) yang telah panas dan masuk ke bagian turbin dan akan menekan / terdorong keluar secara sirkuler
Sebagai Pelapis (Oil Film) pada bagian turbin yang bergerak secara rotasi.
Sebagai Pembersih (Oil Cleaner) dimana oli yang telah kotor sebagai akibat dari benda-benda yang berputar dari turbin akan terdorong ke luar secara sirkuler oleh oli yang masuk .
7. Gland packing sebagai penyekat untuk menahan kebocoran baik kebocoran uap maupun kebocoran oli.
8. Labirinth ring mempunyai fungsi yang sam dengan gland packing.
9. Impuls stage adalah sudu turbin tingkat pertama yang mempunyai sudu sebanyak 116 buah
10. Stasionary blade adalah sudu-sudu yang berfingsi untuk menerima dan mengarahkan steam yang masuk.
11. Moving blade adalah sejumlah sudu-sudu yang berfungsi menerima dan merubah energi steam menjadi energi kinetik yang akan memutar generator.
12. Control valve adalah merupakan katup yang berfungsi untuk mengatur
steam yang masuk kedalam turbin sesuai dengan jumlah steam yang
diperlukan.
13. Stop valve merupakan katup yang berfungsi untuk menyalurkan atau menghentikan aliran steam yang menuju turbin.
12
14. Reducing gear adalah suatu bagian dari turbin yang biasanya dipasang pada turbin-turbin dengan kapasitas besar dan berfungsi untuk menurunkan putaran poros rotor dari 5500 rpm menjadi 1500 rpm. Bagian-bagian dari Reducing Gear adalah :
Gear cassing adalah merupakan penutup gear box dari bagian-bagian dalam reducing gear.
Pinion (high speed gear) adalah roda gigi dengan type helical yang putarannya merupakan putaran dari shaft rotor turbin uap.
Gear wheal (low speed gear) merupakan roda gigi type helical yang putarannya akan mengurangi jumlah putaran dari Shaft rotor turbin yaitu dari 5500 rpm menjadi 1500 rpm.
Pinion bearing yaitu bantalan yang berfungsi untuk menahan / menerima gaya tegak lurus dari pinion gear.
Pinion holding ring yaitu ring berfungsi menahan pinion bearing terhadap gaya radial shaft pinion gear.
Wheel bearing yaitu bantalan yang berfungsi menerima atau menahan gaya radial dari shaft gear wheel.
Wheel holding ring adalah ring penahan dari wheel bearing terhadap gaya radial atau tegak lurus shaft gear wheel.
Wheel trust bearing merupakan bantalan yang berfungsi menahan atau menerima gaya sejajar dari poros gear wheel (gaya aksial) yang merupakan gerak maju mundurnya poros.
B. Prinsip Kerja Turbin Uap
Pada intinya prinsip kerja turbin uap adalah menerima energi kinetik dari
superheated vapor (uap kering) yang dikeluarkan oleh nosel sehingga
sudu-sudu turbin terdorong secara anguler atau bergerak memutar, berikut penjelasan prinsip kerja: (Yulianto dan Sepriansyah, 2015)
1. Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan. Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke
13
dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel. Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin.( Yulianto dan Sepriansyah, 2015)
2. Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkan sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap (guide blade) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat.( Yulianto dan Sepriansyah, 2015)
3. Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil.(Firdani, 2015)
C. Klasifikasi Turbin Uap
Turbin uap dapat diklasifikasikan ke dalam kategori yang berbeda yang tergantung pada konstuksinya, proses penurunan kalor, kondisi-kondisi awal dan akhir uap dan pemakainya dibilang industri sebagai berikut (Shlyakhin, 1999) :
a. Menurut Jumlah Tingkat Tekanan
1) Turbin satu tingkat dengan satu atau lebih tingkat kecepatan yang biasanya berkapasitas kecil ; turbin ini kebanyakan dipakai untuk menggerakkan
14
2) Turbin implus dan reaksi neka tingkat, turbin ini dibuat dalam jangka kapasitas yang luas mulai dari yang kecil hingga yang besar.
b. Menurut Arah Aliran Uap
1) Turbin aksial, yang uapnya mengalir dengan arah yang sejajar terhadap poros turbin, tegak lurus terhadap sumbu turbin satu atau lebih tingkat kecepatan-rendah pada turbin itu dibuat aksial.
2) Turbin radial, yang uapnya mengalir dalam arah tegak lurus terhadap sumbu turbin.
c. Menurut Jumlah Silinder 1) Turbin silinder-tunggal 2) Turbin silinder-ganda 3) Turbin tiga-silinder, dan 4) Turbin empat-silinder. d. Menurut Metode Pengaturan
1) Turbin dengan pengaturan pencekikan (throttling) yang uap segarnya masuk melalui satu atau lebih (yang tergantung pada daya yang dihasilkan) katup pencekik yang dioperasikan serempak
2) Turbin dengan pengaturan nosel yang uap segarnya masuk melalui dua atau lebih pengaturan pembuka (opening regulator) yang berurutan
3) Turbin dengan pengaturan langkau (by-pass governing) yang uap segarnya disamping dialirkan ke tingkat pertama juga dialirkan ke satu, dua atau bahkan tiga tingkat menengah turbin tersebut.
e. Menurut Prinsip Aksi Uap
1) Turbin implus, yang energi potensial uapnya diubah menjadi energi kinetik di dalam nosel atau laluan yang dibentuk oleh sudu-sudu diam yang berdekatan, dan di dalam sudu-sudu gerak, energi kinetik uap diubah menjadi energi mekanis. Menurut praktek turbin implus yang dilakukan sekarang ini, pengklasifikasian ini adalah relatif, karena turbin ini beroperasi dengan derajat reaksi yang agak membesar pada sudu-gerak tingkat-tingkat yang berikutnya (pada turbin kondensasi)
15
2) Turbin reaksi aksial yang ekspansi uap di antara laluan sudu baik sudu pengarah maupun sudu-gerak tingkat-tingkat berlangsung hampir pada derajat yang sama
3) Turbin reaksi radial tanpa sudu pengarah yang diam 4) Turbin reaksi radial dengan sudu pengarah yang diam. f. Menurut Proses Penurunan Kalor
1) Turbin kondensasi (condensing turbine) dengan regenerator. Pada turbin jenis ini uap pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfer dialirkan ke kondensor, di samping itu uap juga dicerat dari tingkat-tingkat menengahnya untuk memanaskan air pengisian ketel, jumlah penceratan yang demikian itu biasanya dari 2-3 hingga sebanyak 8-9. Kalor laten uap buang selama proses kondensasi semuanya hilang pada turbin ini. Turbin kapasitas kecil pada desain yang terdahulu sering tidak mempunyai pemanasan air pengisian yang regeneratif
2) Turbin kondensasi dengan satu atau dua penceratan dari tingkat menegahnya pada tekanan tertentu untuk keperluan-keperluan pemanasan dan proses
3) Turbin tekanan lawan (back pressure turbine), uap buang dipakai untuk keperluan-keperluan industri dan pemanasan, ke dalam turbin jenis ini juga dapat ditambahkan (dalam artian yang relatif) turbin dengan kevakuman yang dihilangkan (deteriorated), yang uap buangnya dapat dipakai untuk keperluan-keperluan pemanasan dan proses
4) Turbin tumpang. Turbin ini juga adalah jenis turbin tekanan lawan dengan perbedaan bahwa uap buang dari turbin jenis ini lebih lanjut masih dipakai untuk turbin-turbin kondensasi tekanan menengah dan rendah. Turbin ini, secara umum, beroperasi pada kondisi tekanan dan temperatur uap awal yang tinggi, dan di pakai kebanyaan untuk membesarkan kapasitas pembangkit pabrik, dengan maksud untuk mendapatkan efisiensi yang lebih baik
5) Turbin tekanan lawan (back pressure turbin) dengan penceratan uap dari tingkat-tingkat menengah pada tekanan tertentu. Turbin jenis ini
16
dimaksudkan untuk mensuplai uap kepada konsumen pada berbagai kondisi tekanan dan temperatur
6) Turbin tekanan rendah (tekanan buang) yang uap buang dari mesin-mesin uap, palu uap, mesin tekan, dan lain- lain, dipakai untuk keperluan pembangkit tenaga listrik
7) Turbin tekanan-campur dengan dua atau tiga tingkat-tekanan, dengan suplai uap buang ke tingkat-tingkat menengahnya
g) Menurut kondisi-kondisi uap pada sisi masuk turbin
1) Turbin tekanan rendah, yang memakai uap pada tekanan 1,2 sampai 2 ata 2) Turbin tekanan menengah, yang memakai uap pada tekanan sampai 40 ata 3) Turbin tekanan tinggi, yang memakai uap pada tekanan di atas 40 ata 4) Turbin tekanan yang sangat tinggi, yang memakai uap pada tekanan 170
ata atau lebih dengan temperatur di atas 550 oC atau lebih h) Menurut pemakaiannya di bidang industri
1) Turbin stasioner dengan kepesatan putar yang konstan dipakai terutama untuk menggerakkan alternator
2) Turbin uap stasioner dengan kepesatan yang bervariasi dipakai untuk menggerakkan blower-turbo, pengedar udara (air circulator), pompa dan lain-lain
3) Turbin uap stasioner dengan kepesatan yang bervariasi, turbin jenis ini biasanya dipakai pada kapal-kapal uap, kapal, lokomotif kereta api
D. Efisiensi Turbin
Efisiensi merupakan salah satu persamaan yang penting dalam termodinamika untuk mengetahui seberapa baik proses konversi energi terjadi. Hal tersebut berhubungan dengan Hukum Termodinamika yang menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Energi dalam suatu sistem bertambah atau berkurang karena perubahan bentuk energi yang satu menjadi bentuk energi yang lain di dalam sistem tersebut. Penentuan besar efisiensi (%) dari mesin turbin tiap kelompok data berdasarkan persamaan berikut :
17 = ̇ .
Dimana : = Efisiensi turbin
= Daya Listrik (KW) ̇ = Laju aliran masa
= Entalpi pada masukan turbin (KJ/Kg) = Entalpi keluaran turbin (KJ/Kg). 2.3 Proses Pembentukan Uap
Proses terbentuknya uap terjadi melalui perubahan energi panas pembakaran bahan bakar menjadi energi panas dalam bentuk uap. Panas hasil pembakaran digunakan untuk menaikkan entalpi air sampai terbentuk uap air yang mengandung energi dalam yang disimpan dalam bentuk panas dan tekanan. Salah satu proses pembentukan uap adalah mendidih, dimana titik didih suatu zat cair tergantung pada tekanan pada tekanan yang diberikan pada permukaan zat cair. Untuk menghasilkan uap yang lebih besar digunakan ketel uap, dimana fluida kerja yang digunakan adalah air, karena air memiliki sifat-sifat yang lebih menguntungkan bila dibandingkan dengan fluida kerja yang lain. Adapun keuntungan penggunaan air sebagi fluida kerja yang lain:
a. Mudah diperoleh dengan harga yang murah.
b. Air dapat bersifat netral (pH = 7) sehingga sifat korosif yang merusak logam dapat diatasi.
c. Air tidak terbakar.
d. Mampu menerima kalor dalam jumlah besar. e. Dapat bekerja pada tekanan yang tinggi.
Uap yang terbentuk dari pemanasan ini diubah menjadi uap basah ataupun kering melalui beberapa tahap. Oleh sebab itu uap yang terbentuk dapat digolongkan kedalam berbagai bentuk jenis uap yaitu:
2.3.1 Uap Basah
Kondisi uap ini mengandung titik-titik air. Kualitas uap ini dapat dinyatakan dengan kwalitas uap tertentu (x), dimana harga x berkisar antara 0<x<1,
18
dimana temperatur air dan uap adalah sama seperti ditunjukkan pada gambar dibawah. Kondisi uap berada pada titik 2 dan 3.
2.3.2 Uap Jenuh
Kondisi uap ini tidak mengandung titik-titik air lagi. Kualitas uap pada kondisi ini x = 100%. Uap ini diperoleh dengan penambahan kalor pada uap basah sama sehingga mencapai titik 3.
2.3.3 Uap Panas Lanjut
Kondisi uap ini diperoleh dengan memanaskan uap jenuh pada tekanan konstan sehingga temperaturnya meningkat.
Gambar 2.3 Diagram T-S Proses pembentukan uap (Sumber : Junior 1989)
2.4 Siklus Rankine
2.4.1 Pengertian Siklus Rankine
Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi. Siklus yang mengubah energi panas menjadi energi gerak disebut sebagai siklus Rankine. Dari luar, panas disuplai menuju siklus tertutup dan biasanya menggunakan air sebagai fluida kerjanya. Kelebihan utama dari siklus ini adalah pompa hanya membutuhkan sedikit usaha untuk menyalurkan air bertekanan tinggi ke boiler. Kekurangan yang mungkin dimiliki adalah bahwa proses ekspansi didalam turbin biasanya memasuki daerah kualitas, sehingga mengakibatkan terjadinya butiran-butiran cairan yang dapat merusak bilah-bilah turbin. (Kulshrestha, 1989)
19
Untuk setiap proses dalam siklus daya uap bersifat hipotesis dan berbagai proses yang diidealisasikan. Pada boiler uap, terjadi proses tekanan konstan yang reversibel, proses pemanasan air untuk membentuk uap. Pada turbin terjadi proses ideal adiabatik reversibel ekspansi uap. Pada kondenser terjadi proses tekanan konstan reversibel, pembuangan kalor sebagai mengembun uap sampai menjadi cairan jenuh. Dan pada pompa terjadi proses ideal adiabatik reversibel kompresi cairan ini kembali pada tekanan awal. Pada saat ke empat proses ini adalah ideal, siklusnya merupakan siklus ideal yang disebut sebagai siklus Rankine. (Nag, 2002)
2.4.2 Prinsip Kerja dari Siklus Rankine
Gambar 2.4 Prinsip kerja siklus rankine (Sumber : Dzulqornain, 2019)
Siklus Rankine merupakan siklus ideal di mana rugi-rugi yang disebabkan oleh gesekan di dalam masing-masing dari keempat komponennya dapat diabaikan. Rugi-rugi ini biasanya sangat kecil dan akan diabaikan sepenuhnya. (Potter dan Craig, 2011)
A. Kerja Utama dan Perpindahan Kalor
Kerja utama dan perpindahan kalor dapat dilustrasikan oleh Gambar 2.5, dimulai dari kondisi 1 dan dilanjutkan kerjanya melalui setiap komponen lainnya. Perpindahan energi ini dianggap positif ke arah tanda panah. Perpindahan kalor liar yang tidak dapat dihindari antara komponen
20
pembangkit listrik dan seklilingnya dapat diabaikan. Perubahan energi kinetik dan potensial juga diabaikan. Setiap komponen dianggap beroperasi dalam kondisi tunak.
Gambar 2.5 Prinsip Kerja dan Perpindahan Kalor (Sumber: Moran dan Howard, 2000)
Turbin. Pada kondisi 1, Uap dari boiler yang berada pada temperatur dan tekanan yang sudah dinaikan, berekspansi melalui turbin untuk menghasilkan kerja dan kemudian dibuang ke kondenser pada kondisi 2 dengan tekanan yang relatif rendah. Dengan mengabaikan perpindahan kalor dengan sekelilingnya serta pada energi potensial satuan massa, perubahan ketinggiannya diabaikan. Kesetimbangan laju energi dan massa untuk volume atur di sekitar turbin pada kondisi tunak serta perubahan entalpi menjadi 212 1 2) 2 1 2 1 ( 2 0 QCV Wt m h h V V g z z (2.3) atau 2 1 h h m Wt (2.4)
21 Dimana
m menyatakan laju aliran massa dari fluida kerja, dan
m
W / adalah laju kerja yang dihasilkan per unit massa uap yang melalui turbin.
Kondenser. Terjadi perpindahan kalor dari uap ke air pendingin yang mengalir dalam aliran terpisah di dalam kondenser. Uap terkondensasi dan temperatur air pendingin meningkat. Pada kondisi tunak, kesetimbangan laju massa dan energi untuk volume atur yang melingkupi bagian kondensasi dari penukar kalor adalah
3 2 h h m Qout (2.5)
Dimana Qout/m merupakan laju perpindahan energi dari fluida kerja ke air pendingin per unit massa fluida kerja yang melalui kondenser.
Pompa. Di kondisi 3, kondensat cair yang meninggalkan kondenser di pompa dari kondenser ke dalam boiler yang bertekanan lebih tinggi. Dengan menggunakan volume atur di sekitar pompa dan mengasumsikan tidak ada perpindahan kalor dengan sekitarnya. Kesetimbangan laju massa dan energi adalah 3 4 h h m WP (2.6)
Dimana W P/m adalah tenaga masuk per unit massa yang melalui pompa.
Boiler. Fluida kerja menyelesaikan siklus ketika cairan yang meninggalkan pompa pada kondisi 4 yang disebut air-pengisian, dipanaskan sampai jenuh dan diuapkan di dalam boiler. Dengan menggunakan volume atur yang melingkupi tabung boiler dan drum yang mengalirkan air-pengisian dari kondisi 4 ke kondisi 1. Kesetimbangan laju massa dan energi menghasilkan
22 4 1 h h m Qin (2.7)
Dimana Q in/m adalah laju perpindahan kalor dari sumber energi ke dalam fluida kerja per unit massa yang melalui boiler. (Moran, M. J dan Howard, N. S, 2000)
B. Siklus Rankine Ideal
Penurunan tekanan secara fraksional tidak akan terjadi di dalam boiler dan kondenser, jika fluida kerja mengalir melalui berbagai komponen dari sebuah siklus tenaga uap sederhana tanpa ireversibilitas, serta fluida kerja akan mengalir melalui komponen-komponen ini pada tekanan konstan. Selain itu, dengan tidak adanya ireversibiitas dan perpindahan kalor dengan lingkungan sekitar, proses yang terjadi melalui turbin dan pompa adalah isentropik. Suatu siklus mendekati idealisasi ini adalah siklus Rankine ideal. Seperti pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Diagram Temperatur-Entropi untuk Siklus Rankine Ideal (Sumber: Moran dan Howard, 2000)
Mengacu pada Gambar 2.6 terlihat fluida kerja melalui urutan proses yang reversibel secara internal sebagai berikut :
Proses 1-2 : Pada kondisi 1 terjadi proses ekspansi isentropik dari fluida kerja melalui turbin dari uap jenuh hingga mencapai tekanan kondenser pada kondisi 2.
23
Proses 2-3 : Pada kondisi 3, perpindahan kalor dari fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan melalui kondenser dengan cairan jenuh.
Proses 3-4 : Kompresi isentropik dalam pompa menuju ke kondisi 4 dalam daerah cairan hasil kompresi.
Proses 4-1 : Perpindahan kalor ke fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan melalui boiler untuk menyelesaikan siklus.
Siklus Rankine ideal juga mencakup kemungkinan melakukan pemanasan lanjut pada uap, seperti siklus 1’-2’-3-4-1’.
Karena pompa diidealisasikan beroprasi tanpa ireversibilitas, maka untuk mengevaluasi kerja pompa dapat digunakan persamaan
4 3 int v dp m W rev p (2.8)Tanda minus telah dihilangkan untuk menjaga konsistensi dengan nilai positif kerja pompa pada persamaan 2.6. Untuk mengingatkan bahwa persamaan ini terbatas untuk suatu proses yang reversibel secara internal melalui pompa, maka Subskrip “int rev” dipertahankan.
Pada proses penyelesaian integral Persamaan 2.8 memerlukan suatu hubungan antara volume spesifik dan tekanan pada proses yang dimaksud. Karena volume spesifik dari cairan biasanya berubah hanya sedikit ketika cairan mengalir dari bagian masuk ke bagian keluar pompa. Nilai dari integral tersebut dapat diperkirakan dengan cukup baik dengan menggunakan nilai volume spesifik v3, dibagian masuk pompa sebagai nilai yang konstan selama proses berlangsung. Maka
) ( 4 3 3 int v p p m W rev p (2.9)
24
Bentuk persamaan 2.9 berguna bila hubungan-hubungan fungsional antara volume dan tekanan diketahui atau bila volume spesifik konstan. (Moran dan Howard, 2000)
C. Siklus Rankine dengan Pengulangan Panas
Pada diagram Mollier (h-s), titik – titik keadaan yang dapat dengan mudah dicari untuk uap menunjukan bahwa terjadi proses ekspansi, walaupun dengan memperhatikan ketak efisienan turbin. Jika dari 1800 atau 2400 psi, dan kira-kira pada 1000 oF ke tekanan buang yang kurang dari 2 inci Hg. Mutlak akan menghasilkan uap basah yang kualitasnya sangat rendah.
Uap basah dengan kualitas rendah pada akhir ekspansi dapat dihindari dengan siklus pengulangan panas (reheat cycle) yang ditunjukan pada Gambar 2.7
Gambar 2.7 Siklus Rankine dengan Pengulang Panas (Reheat) (Sumber : Harahap, 1987)
Pada siklus ini uap dengan tekanan ph diekspansikan dari c ke d ’
sampai pada
tekanan menengah pi. Pada tekanan ini, kukus dikeluarkan dari turbin kembali ke ketel semula atau sumber kalor lainnya hingga mencapai
25
temperatur panas lanjut Tc, yang kira-kira sama dengan Tc. Ekspansi ke f pada tekanan akhir pL membuat titik keadaan akhir cukup mendekati kondisi uap jenuh kering.
Pengaruh pengulangan panas ini pada efesiensi termal tidak langsung tampak baik pada diagram T-s maupun h-s. Tergantung pada kondisi-kondisi operasi, pengulangan panas ini secara teoritis dapat menghasilkan sedikit kenaikan maupun penurunan efesiensi. Sekalipun demikian, di samping perbaikan pada kualitas buang, keuntungan lain sudah jelas, lebih banyak kerja yang dikeluarkan per pound fluida kerja yang diedarkan. Ini tampak jelas pada luas kerja yang bertambah pada diagram T-s dan penurunan entalpi yang lebih besar yang tampak pada diagram h-s disebabkan oleh divergensi (melebarnya) garis-garis tekanan konstan.
Suatu jumlah pengulangan panas yang sangat banyak secara teoritis dapat memungkinkan didekatkannya perpindahan kalor secara isotermal diantara titik c dan e seperti yang ditunjukan garis berbentuk mata gergaji pada diagram T-s. Efesiensi termal ideal dengan demikian akan meningkat, tetapi kerugian-kerugian akan bertambah. Lebih dari satu pengulang panasjarang ekonomis pada beberapa sistem tekanan yang mendekati kritis atau superkritis.
Masing-masing tingkat utama pengekspansian secara aktual mungkin membutuhkan turbin neka tingkat (multi stage). Kedua tingkat ekspansi utama dapat dicapai pada turbin yang terpisah, seperti yang ditunjukan, atau dengan kedua rotor pada poros yang sama. Ada keuntungan pada susunan poros terpisah, karena kedua turbin dapat didesain untuk kepesatan operasi yang berbeda. (Harahap, 1987)
D. Siklus Rankine dengan Regenerasi
Untuk meningkatkan efesiensi siklus Rankine, Regenerasi dapat ditambahkan pada siklus Rankine sederhana. Dalam teorinya, efesiensi dapat menjadi sama dengan efesiensi siklus carnot. Gambar 2.8 menunjukan sistem yang di
26
idealkan dimana air pengisisan ketel (feed water) yang kembali ke kondenser dibuat berhubungan langsung dengan turbin sedemikian sehingga ada perpindahan kalor yang cukup dari uap yang mengembang untuk melakukan prapemanasan pada air pengisian ketel sampai ke temperatur TH. Pada diagram T-s, luas dibawah garis cd akan identik dengan luas yang ada dibawah garis ae. Satu-satunya perpindahan kalor luar adalah melalui garis ec pada ketel dan da pada kondenser, dan perpindahan itu masing-masing berlangsung secara isotermal.
Gambar 2.8 Regenerasi Ideal pada Siklus Rankine dengan Kondisi-kondisi Cekik Jenuh
(Sumber : Harahap, 1987)
Perpindahan kalor sempurna yang demikian tanpa perbedaan temperatur terminal tidak akan mungkin. Selanjutnya, kandungan kelembaban uap yang sangat tinggi sesudah pengekspansian tidak akan dikehendaki berdasarkan alasan-alasan yang telah disebutkan, namun prinsip pemanasan air pegisian ketel secara regenerasi dapat diterapkan melalui proses ekstraksi. Pada prosedur ini, uap dengan persentase yang relatif kecil yang mengalir melalui turbin di cerat dari turbin pada satu atau lebih tekanan menengah antara tekanan suplai dan tekanan buang, dan uap yang dicerat ini dipakai untuk prapemanasan air pengisian ketel pada penukar kalor tertutup atau terbuka. Laju ekstraksi dikendalikan oleh paras (level) kondensat. Perubahan entalpi pada pengondensasian uap ini akan menaikan temperatur sebagian atau
27
seluruh air pengisian hingga mendekati temperatur jenuh uap yang dicerat. (Harahap, 1987)
2.4.3 Efesiensi Pada Siklus Rankine
Persamaan untuk efesiensi termal siklus Rankine dapat diperoleh dalam bentuk temperatur rata-rata selama proses interaksi kalor, karena siklus Rankine Ideal seluruhnya terdiri dari proses yang reversibel secara internal. Luas area dibawah garis-garis proses pada Gambar 2.5 dapat diinterpretasikan sebagai perpindahan kalor per unit massa yang mengalir melalui masing-masing komponen. Sebagai contoh, luas total area 1-b-c-4-a-1 mewakili perpindahan kalor ke fluida kerja per unit massa yang melalui boiler. Dalam simbol
1 4 1 1 4 int
a c b area ds T m Q rev in (2.10)Integral ini dapat ditulis dalam bentuk temperatur rata-rata penambahan kalor, Tin sebagai berikut
) ( 1 4 int T s s m Q in rev in (2.11)
Dimana tanda garis diatas menunjukan rata-rata. Demikian juga, area 2-b-c-3-2 mewakili perpindahan kalor dari uap kondensasi per unit massa yang melewati kondenser 2 3 2 ) ( 2 3 int c b area s s T m Q out rev out (2.12) Toit(s1s4)
28
Dimana Tout menyatakan temperatur pada sisi uap dari kondenser pada siklus Rankine seperti diperlihatkan pada Gambar 2.5. Efesiensi termal dari siklus Rankine ini dapat dinyatakan dalam bentuk perpindahan kalor sebagai
in out rev in rev out ideal T T m Q m Q 1 ) ( ) ( 1 int int (2.13)
Dari Persamaan 2.13 dapat disimpulkan bahwa efesiensi termal siklus ideal cendrung meningkat jika temperatur rata-rata penambahan energi melalui proses perpindahan kalor meningkat dan atau temperatur pelepasan energi menurun. (Moran dan Howard, 2000)
Proses dari siklus aktual berbeda dengan siklus ideal. Pada kondisi siklus aktual ditunjukan seperti pada Gambar 2.9 dan Gambar 2.10 yang menunjukan berbagai macam kerugian.
Gambar 2.9 Berbagai Kerugian pada Siklus Aktual (Sumber : Nag, 2002)
29
Gambar 2.10 Berbagai Kerugian ditampilkan pada Grafik T-s (Sumber : Nag, 2002)
Efesiensi termal dari siklus uap aktual yaitu
B p T q w w (2.14)
Namun, usaha pompa biasanya sangat kecil jika dibandingkan dengan usaha turbin dan seringkali dapat diabaikan. Dengan aproksimasi ini diperoleh
B T q w (2.15)
Dimana qB merupakan kalor pada boiler.
Hubungan ini digunakan untuk efesiensi termal dari siklus rankine. (Potter dan Craig, 2011)
30 2.5 Interpolasi
Interpolasi adalah proses pencarian dan perhitungan nilai suatu fungsi yang grafiknya melewati sekumpulan titik yang di berikan. Interpolasi bertujuan untuk menentukan nilai fungsi pada suatu titik dengan menggunakan nilai fungsi titik disekitarnya. ( Ilham, 2014)
Metode simulasi dilakukan dengan mengikuti beberapa langkah; langkah pertama adalah melakukan input data berupa jumlah kelompok data yang diperoleh dari pengoperasian turbin uap di PKS Unit Mayang, dengan Output data adalah efisiensi. Langkah berikut ialah berupa pengolahan data untuk menghitung entalphi berdasarkan data pada tabel superheated steam , menggunakan metode numerik Interpolasi Lagrange yang mengacu pada persamaan (2.16) ( Muhammad, 2011)
( ) ( ) ( ) (2.16)
Pembagian beda hingga yang ada dalam persamaan diatas mempunyai bentuk: ( ) ( ) ( ) ( ) (2.17)
Substitusi persamaan (2.17) ke dalam persamaan (2.16) memberikan : ( ) ( )
( )
( ) (2.18) Dengan mengelompokkan suku-suku di ruas kanan maka persamaan diatas menjadi : ( ) [ ] ( ) ( ) (2.19) atau ( ) ( ) ( ) (2.20)
Joseph Louis Lagrange, seorang Matematikawan Perancis, menuliskan
polinom interpolasi tersebut dengan cara lain. Dia menyusunnya sebagai berikut.
( )
31 Dimana :
( ) = Fungsi ditanya = Fungsi atas = Fungsi Bawah = Entalphi batas atas = Entalphi batas bawah
Kita dapat menuliskan (2.21) sebagai : ( ) ( ) ( ) = ( ) = = ( ) =
Interpolasi Lagrange digunakan untuk mencari titik-titik antara dari n buah titik P1 (X1, X2), P3(X3,Y3), …, PN(XN,YN) dengan menggunakan pendekatan fungsi polinomial.
