i
PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (Analisa Sistem TermalBoiler Furnacedan Kinerja Turbin Uap)
Diajukan untuk Memenuhi Syarat Menyelesaikan Pendidikan Sarjana Terapan
(D IV) Teknik Energi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya
Oleh:
ADE CLARA PRETTY SUNDARI 0611 4041 1541
POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA
PALEMBANG
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (Analisa Sistem TermalBoiler Furnacedan Kinerja Turbin Uap)
Oleh:
Ade Clara Pretty Sundari NIM. 061140411541
Palembang, Juni 2015
Pembimbing I, Pembimbing II,
Ir. Arizal Aswan, M.T. Ir. K.A. Ridwan, M.T.
NIP. 195804241993031001 NIP. 196002251989031002
Mengetahui, Ketua Program Studi
Sarjana Terapan (D IV) Teknik Energi
xiii
“Sesungguhnya Kami telah memberikan kepadamu kemenangan yang nyata.” (Q.S.Al-Fath:48, ayat 1)
“Kerendahan hati adalah hasil dari pengetahuan.” (Rasulullah Muhammad SAW)
“Barangsiapa merintis jalan mencari dan berbagi ilmu, maka Allah akan memudahkannya jalan ke surga.” (HR. Muslim)
“I don’t give up easily. I fight for what I want.” (Ade Clara Alexander)
Kedua Dosen Pembi
xiii
MOTTO
“Sesungguhnya Kami telah memberikan kepadamu kemenangan yang nyata.” (Q.S.Al-Fath:48, ayat 1)
“Kerendahan hati adalah hasil dari pengetahuan.” (Rasulullah Muhammad SAW)
“Barangsiapa merintis jalan mencari dan berbagi ilmu, maka Allah akan memudahkannya jalan ke surga.” (HR. Muslim)
“I don’t give up easily. I fight for what I want.” (Ade Clara Alexander)
Kupersemba
Tn. &
embimbing (Ir. Arizal Aswan, M.T. dan Ir. K.A
Kerabat
xiii
“Sesungguhnya Kami telah memberikan kepadamu kemenangan yang nyata.” (Q.S.Al-Fath:48, ayat 1)
“Kerendahan hati adalah hasil dari pengetahuan.” (Rasulullah Muhammad SAW)
“Barangsiapa merintis jalan mencari dan berbagi ilmu, maka Allah akan memudahkannya jalan ke surga.” (HR. Muslim)
“I don’t give up easily. I fight for what I want.” (Ade Clara Alexander)
rsembahkan Untuk :
Allah SWT
. & Ny. Alexander
.A. Ridwan,M.T.)
erabat & Sahabat
Almamater
ABSTRAK
PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (Analisa Sistem TermalBoiler Furnacedan Kinerja Turbin Uap)
(Ade Clara Pretty Sundari, 2015, 120 Halaman, 39 Tabel, 45 Gambar, 7 Lampiran)
Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah pembangkitan yang menggunakan uap untuk memutar turbin yang akan menggerakkan generator dan akhirnya menghasilkan listrik. Dalam prosesnya pada PLTU terdapat berbagai macam peralatan utama sepertiboiler, turbin, kondensor, dan generator. Konversi energi tingkat pertama yang berlangsung dalam PLTU adalah konversi energi primer menjadi energi panas (kalor). Hal ini dilakukan dalam ruang bakar. Energi panas ini kemudian dipidahkan dalam air yang ada dalam shell boiler untuk menghasilkan uap. Uap ini dialirkan ke turbin uap. yang di dalamnya, energi (entalpi) uap dikonversikan menjadi energi mekanik penggerak generator, dan akhirnya energi mekanik dari turbin uap ini dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator. Demikian pentingnya peranboiler dan turbin uap sebagai komponen-komponen utama pada PLTU, maka penting untuk melakukan uji kinerja dan analisis termal pada kedua perangkat tersebut, serta mempelajari berbagai faktor dan variabel yang dapat menyebabkan pemborosan penggunaan energi dan mencari adanya peluang untuk mengoptimalkan kinerja sistem dalam upaya konservasi energi. Adapun paramater yang diamati meliputi bahan bakar,flue gas, temperatur dan tekanansteam, hingga putaran turbin dan generator. Berdasarkan parameter tersebut, prototipe PLTU yang dirancang memiliki efisiensi termal sebesar 36,48 %, dimana masih dapat ditingkatkan nilai efisiensinya dengan meminimasi kebocoran kalor radiasi dan konveksi pada area permukaanboiler.Demikian pula dengan hasil uji kinerja terhadap turbin uap, diperoleh beberapa karakteristik yang mempengaruhi performa kerja sistem turbin tersebut seperti penurunan tekanansteamselama operasi yang berdampak pada penurunan putaran turbin, serta kenaikan putaran turbin yang berbanding lurus dengan kenaikan efisiensi turbin.
xiii
ABSTRACT
STEAM TURBINE PROTOTYPE
(Thermal System Analysis of Boiler Furnace and Steam Turbine Work)
(Ade Clara Pretty Sundari, 2015, 120 Pages, 39 Tables, 45 Pictures, 7 Attaachments)
Steam Turbine Generator (STG) is the plant which uses steam to turn turbine that will eventually drivethe generator and produce electricity. In its process, STG has some primary units such as boiler, turbine, condensor, and generator. The first stage of energy conversion which does in STG is the convertion of primary energy to be heat (calor). This one is done in the furnace. The heat then wil be moved into water in the boiler to produce steam. Steam is conveyed to the steam turbine, in it, energy (enthalpy) is converted to be mechanical energy, and finally mechanical energy from steam turbine is then converted to be electricity by generator. Due to its important roles of boiler and steam turbine as primary units os Steam Turbine Generator, so that it’s important to do thermal analysis and running test of those two units, also to study the factors and variables which caused heat losses and obtain the opportunity to optimize work system, concerning in energy conservation. Parameters which studied are fuel, flue gas, teperature and pressure of steam, also rpm of turbine and generator. Based on those parameters, steam turine generator prototype has thermal efficiency 36,48%, which that efficiency still can be proved with minimize heat losses of radiation and convection on the surface of boiler. In the study of steam turbine, got some charateristics that fluence the work of steam turbine such as the decrease of turbine rpm, also the increase of turbine rpm which will cause the increase of tubine efficiency.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah Subhana wa Ta’ala,
yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya, sehingga laporan Tugas Akhir
ini dapat terselesaikan sesuai rencana. Shalawat dan salam selalu tercurah kepada
Nabi Muhammad Shalallahu ’Alaihi Wassalam beserta para keluarga dan
sahabatnya hingga akhir zaman.
Penulis menyusun laporan ini berdasarkan hasil pengamatan dan data-data
yang diperoleh saat melakukan Rancang Bangun dan Penelitian di Laboratorium
Teknik Energi Politeknik Negeri Sriwijaya. Dalam melaksanakan Penelitian
Tugas Akhir ini penulis telah banyak menerima bimbingan dan bantuan dari
berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima
kasih kepada:
1. R.D Kusumanto, S.T, M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Sriwijaya.
2. H. Firdaus, S.T, M.T., selaku Pembantu Direktur I Bidang Akademik
Politeknik Negeri Sriwijaya.
3. Ir. Robert Junaidi, M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Politeknik
Negeri Sriwijaya.
4. Zulkarnain, S.T, M.T selaku Sekretaris Jurusan Teknik Kimia Politeknik
Negeri Sriwijaya.
5. Ir Arizal Aswan, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Energi
sekaligus Dosen Pembimbing I Tugas Akhir di Politeknik Negeri
Sriwijaya Palembang.
6. Ir. K.A. Ridwan, M.T., selaku Dosen Pembimbing II Tugas Akhir di
Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang.
7. Seluruh dosen dan staf Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya
Palembang.
8. Kedua orang tua dan para kerabat yang tak henti-hentinya mendoakan dan
menyemangatiku dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
9. Rekan-rekan seperjuangan Teknik Energi 2011 yang selalu menyemangati
xiii
Penulis telah berusaha semaksimal mungkin dalam menulis Tugas Akhir
ini, meskipun begitu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat
mendukung dari pembaca, guna menyempurnakan apa yang telah penulis buat.
Akhir kata penulis mengharapkan semoga laporan ini dapat berguna dan
bermanfaat bagi pembaca.
Palembang, Juni 2015
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL... i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
MOTTO ... iv
ABSTRAK ... v
ABSTRACT... vi
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR LAMPIRAN... xiv
BAB I PENDAHULUAN... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan ... 3
1.3 Manfaat ... 4
1.4 Permasalahan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Dasar Termodinamika ... 5
2.1.1 Hukum Pertama Termodinamika ... 5
2.1.2 Hukum Kedua Termodinamika ... 6
2.2 Perubahan Fase pada Zat Murni ... 9
2.2.1 Cair Tekan (Compressed Liquid) ... 9
2.2.2 Cair Jenuh (Saturation Liquid) ... 10
2.2.3 Campuran Air-Uap (Liquid-Vapor Mixture) ... 10
2.2.4 Uap Jenuh (Saturated Vapor) ... 11
2.2.5 Uap Panas Lanjut (Superheated Vapor) ... 12
2.3 Tabel Properti... 13
2.3.1 Entalpi ... 13
2.3.2 Keadaan Cair Jenuh dan Uap Jenuh ... 13
2.3.3 Keadaan Campuran Air dan Uap ... 14
2.3.4 Keadaan Uap Panas Lanjut ... 16
2.3.5 Keadaan Cair Tekan ... 16
2.4 Teknik Pembakaran ... 16
2.4.1 Prinsip Pembakaran ... 16
2.4.2 Kebutuhan Udara Teoritis ... 19
2.4.3 Konsep Udara Berlebih (Excess Air) ... 20
2.5 Bahan Bakar ... 21
2.5.1 Solar ... 21
xiii
2.6 Proses Perpindahan Panas ... 23
2.6.1 Perpindahan Panas secara Konduksi ... 23
2.6.2 Perpindahan Panas secara Konveksi ... 23
2.6.3 Perpindahan Panas secara Radiasi ... 26
2.7 Pembangkit Listrik Tenaga Uap dan Siklus Rankine . 26 2.8 Ketel Uap (Boiler) ... 29
2.8.1 Jenis-JenisBoilerBerdasarkan Tipe Pipa ... 30
2.8.2 Neraca Kalor ... 32
2.9 Superheater... 33
2.10 Turbin Uap ... 34
2.6.1 Prinsip Kerja Turbin Uap ... 34
2.6.2 Klasifikasi Turbin Uap ... 35
2.11 Generator ... 39
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 40
3.1 Pendekatan Desain Fungsional ... 40
3.2 Pendekatan Desain Struktural ... 40
3.2.1 Desain Peralatan ... 41
3.2.2 Pembuatan Ruang Bakar,Shell and Tube BadanBoiler, RangkaianSteam Turbine Generator, dan Penampungan Kondensat pada Kondensor ... 43
3.3 Pertimbangan Percobaan ... 45
3.3.1 Waktu dan Tempat ... 45
3.3.2 Alat dan Bahan ... 45
3.3.3 Perlakuan dan Rancangan Percobaan ... 46
3.4 Pegamatan ... 47
3.5 Prosedur Percobaan ... 47
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 50
4.1 Hasil Penelitian ... 53
4.2 Pembahasan ... 53
4.2.1 Analisa Sistem Termal SeputarBoiler Furnace ... 53
4.2.2 Uji Kinerja Turbin Uap ... 54
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 58
5.1 Kesimpulan ... 58
5.2 Saran ... 59
DAFTAR PUSTAKA ... 60
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
1. Kondisi Gas Ideal ... 20
2. Spesifikasi Solar ... 22
3. Spesifikasi LPG ... 23
4. Neraca Massa SeputarBoiler Furnace ... 50
5. Neraca Energi SeputarBoiler Furnace ... 51
6. Data Waktu Pemanasan untukStart Up ... 51
7. Data Perubahan Kondisi Operasi SaatRunning... 52
8. Hubungan Putaran Turbin terhadap Daya Turbin... 52
9. Hubungan Putaran Turbin terhadap Efisiensi Turbin ... 52
10. Analisa Sistem Termal SeputarBoiler Furnace ... 53
11. Spesifikasi Ruang Bakar ... 62
12. SpesifikasiFire Tube Boiler ... 62
13. SpesifikasiSuperheater ... 62
14. Spesifikasi Turbin ... 62
15. Spesifikasi Generator ... 63
16. Spesifikasi Kondensor ... 63
17. Spesifikasi Kompresor ... 63
18. SpesifikasiOil Tank... 63
19. Spesifikasi Pompa ... 64
20. Data Komposisi Bahan Bakar Solar ... 65
21. Data Waktu Pemanasan untukStart Up... 66
22. DataPressure Dropspada SaatRunning ... 66
23. Data Perubahan Kondisi Operasi SaatRunning... 66
24. Perhitungan Komposisi Solar ... 94
25. Komposisi MolFlue GasBasah ... 97
26. Komposisi Mol Udara Basah Masuk ke Ruang Bakar ... 97
27. Neraca Massa padaFurnace ... 98
28. Neraca Massa SeputarBoiler Furnace ... 98
29. Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor)... 100
30. Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor)... 101
31. Komposisi MolFlue GasKering ... 102
32. Konstanta Komponen Gas ... 102
33. Panas Sensibel KomposisiFlue Gas... 103
34. Properties of Saturated Water (Liquid-Vapor)... 104
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
1. Diagram Temperatur-Entropi ... 8
2. Diagram Entalpi-Entropi ... 9
3. Air pada Fase Cair Tekan (Compressed Liquid) ... 10
4. Air pada Fase Cair Jenuh (Saturated Liquid) ... 10
5. Campuran Air dan Uap ... 11
6. Uap Jenuh (Saturated Vapor)... 11
7. Uap Panas Lanjut (Superheated Vapor) ... 12
8. Diagram T-v Pemanasan Air pada Tekanan Konstan ... 12
9. Contoh TabelProperties of Saturated Water (Liquid-Vapor). 14 10. Kulaitas Uap Air ... 15
11. Pembakaran yang Sempurna, yang Baik, dan Tidak Sempurna ... 18
12. Grafik Hubungan Efisiensi Pembakaran dengan Udara Berlebih ... 20
13. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Uap... 27
14. Siklus Rankine Sederhana... 27
15.Fire Tube Boiler ... 30
16.Water Tube Boiler ... 31
17. Sistem Neraca Massa dan Panas ... 32
18. Rugi-Rugi padaBoiler ... 33
19. Segitiga Kecepatan pada Suatu Turbin Impuls ... 36
20. Proses Ekspansi Pada Nosel ... 38
21. Prinsip Dasar Sudu Reaksi dan Sudu Impuls ... 38
22. Profil dan Karakteristik Sudu Reaksi dan Impuls ... 39
23.Fire Tube Boiler... 41
24. DesainFire Tube Boiler ... 42
25. DesainPrototype Power Generationsecara Keseluruhan ... 43
26. Grafik Hubungan Kenaikan Temperatur dan Tekanan terhadap Waktu Pemanasan ... 55
27. Grafik Pengaruh Penurunanan TekananSteamterhadap Putaran Turbin ... 56
28. Grafik Hubungan Putaran Turbin dengan Efisiensi Turbin .... 57
29. Boiler ... 109
30.Tubesheet ... 109
31.Superheater ... 109
32.Furnace ... 109
33. Komporesor ... 110
34. Tangki Bahan Bakar ... 110
36. Kondensor ... 110
37. Pompa ... 110
38. Level Volume ... 110
39. Panel Listrik ... 111
40. Generator ... 111
41.PulleyTurbin ... 111
42. Burner ... 111
43.Temperature Gauge ... 111
44.Pressure Gauge ... 111
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran Halaman
A. Spesifikasi Alat... 62
B. Data Pengamatan ... 65
C. Perhitungan Desain ... 67
D. Perhitungan Aktual ... 94
E. Gambar Alat ... 109
