1 TUGAS SISTEM KONVERSI ENERGI I
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP
PENDAHULUAN
Siklus pembangkit daya memiliki banyak bentuk, beberapa diantaranya adalah siklus pembangkit daya uap dengan bahan bakar fosil, siklus pembangkit daya tenaga nuklir, siklus turbin gas, siklus gabungan, dll. Dari semua jenis siklus pembangkit daya tersebut, pembangkit daya uap dengan bahan bakar batubara merupakan jenis yang paling banyak digunakan terutama di negara-negara berkembang. Hal tersebut dikarenakan jumlah batubara yang melimpah dan impor batubara tidak mahal sehingga terjangkau oleh negara-negara berkembang.
Siklus Rankine merupakan siklus pembangkit daya uap yang paling banyak digunakan. Siklus gabungan juga sudah banyak digunakan di negara maju menggantikan pembangkit daya dengan siklus pembangkit daya uap. Siklus gabungan merupakan gabungan dari siklus pembangkit daya uap dan siklus pembangkit daya gas. Siklus gabungan dengan kompleksitas yang tinggi dapat memiliki efisiensi daya hingga 60%. Berikut merupakan data efisiensi dari alat-alat yang digunakan pada pembangkit daya tenaga uap
Tabel 1. Kondisi uap dan efisiensi pada pembangkit listrik tenaga uap dengan bahan bakar fosil.
ANALISIS SIKLUS RANKINE
Proses-proses pada siklus Rankine ideal adalah sebagai berikut :
1-2 : Fluida kerja pada kondisi cair jenuh dipompa secara isentropik dari kondenser menuju boiler (kondisi 2)
2-3 : Fluida kerja dipanaskan pada tekanan tetap pada boiler sampai mencapai kondisi uap jenuh
3-4 : Uap jenuh mengalami proses ekspansi pada turbin dan menuju memasuki kondesor 4-1 : Fluida kerja mengalami perpindahan panas ke lingkungan pada kondesor
Kondisi Uap
Pompa dan turbin isentropik 82%
Kondenser 85%
2 Gambar 01. Diagram alir
(gambar kiri) dan kurva T-s (gambar kanan) dari siklus pembangkit daya Rankine.
Jika perubahan energi kinetik dan potensial dari fluida kerja diabaikan, maka total kalor yang dimasukkan boiler ke fluida kerja direpresentasikan sebagai luas daerah yang diarsir pada Gambar 01. Efisiensi termal dari siklus tersebut didefinisikan sebagai kerja netto (Wnet) dibagi dengan input kalor yang diberikan ke siklus (Qh).
Berikut merupakan beberapa keunggulan siklus Rankine dibandingkan dengan siklus Carnot Proses perpindahan panas pada boiler di siklus Carnot terjadi pada keadaan
temperatur konstan, sedangkan pada siklus Rankine uap dapat dipanaskan pada tekanan konstan untuk mencapai tingkat keadaan uap superpanas. Tingkat keadaan uap superpanas juga dapat dicapai pada siklus Carnot, tetapi tekanan uap akan turun selama pemanasan untuk mempertahankan temperaturnya agar konstan. Tekanan uap yang turun artinya uap mengalami proses ekspansi di boiler selama pemanasan pada siklus Carnot sehingga siklus Carnot tidak praktis.
Pada siklus Carnot, fluida kerja pada fasa campuran cair-uap dikompres secara isentropik sehingga mencapai tekanan pada boiler. Pompa yang dibutuhkan untuk proses kompresi fluida pada keadaan cair-uap secara isentropik sangat sulit untuk dirancang dan dioperasikan. Sebagai perbandingan, pada siklus Rankine, fluida kerja dikompresi pada keadaan cair jenuh sehingga mencapai tekanan pada boiler, kerja pompa yang dibutuhkan lebih sedikit dan proses kompresi lebih praktis dibandingkan dengan siklus Carnot.
Efisiensi dari siklus Rankine dapat ditingkatkan dengan memodifikasi siklus Rankine tersebut, salah satunya adalah dengan memanaskan fluida kerja sampai keadaan superpanas sebelum mengalami proses ekspansi di turbin.
3 Variasi lainnya adalah dengan menggunakan reheater yaitu setelah uap superpanas mengalami proses ekspansi di turbin sampai tekanan dan temperatur tertentu, uap tersebut dikeluarkan dan dipanaskan kembali di boiler pada tekanan tetap. Kemudian uap tersebut akan mengalami proses ekspansi kembali di turbin. Variasi ini dapat meningkatkan kerja netto dari turbin sehingga efisiensi termal dari siklus tersebut dapat meningkat.
Gambar 03. Skema diagram alir (gambar kiri) dan kurva T-s siklus Rankine dengan reheater Variasi lain dari siklus Rankine merupakan siklus regeneratif. Siklus regeneratif menggunakan uap yang diekstraksi dari turbin untuk memanaskan fluida kerja pada tingkat keadaan cair jenuh yang dipompakan menuju boiler, sehingga fluida kerja pada tingkat keadaan cair jenuh tersebut mengalami pemanasan awal sebelum masuk boiler. Dengan siklus regeneratif ini, kalor yang dibutuhkan boiler menjadi lebih sedikit sehingga efisiensi siklus dapat meningkat.
4 BOILER
Boiler merupakan komponen paling penting pada pembangkit listrik tenaga uap, yang memiliki fungsi untuk menggunakan panas dari hasil pembakaran bahan bakar untuk mengkonversi air menjadi uap. Terdapat dua jenis boiler yaitu Drum-Type Boilers dan Once-Through Boilers. Beberapa komponen penting pada boiler adalah economizer, superheaters, reheaters dan spray attemperators.
Drum-Type Boilers
Boiler tipe ini menggunakan resirkulasi air yang konstan pada komponen penghasil uap untuk menghasilkan uap dan mencegah komponen tersebut mengalami pemanasan yang berlebihan. Sirkulasi air pada boiler ini dibagi menjadi dua jenis yaitu sirkulasi secara alami dan sirkulasi yang diatur. Sirkulasi secara alami menggunakan perbedaan massa jenis dari air dan uap sedangkan sirkulasi yang diatur menggunakan pompa untuk mensirkulasi air pada komponen penghasil uap.
Once-Through Boilers
Pada boiler ini, air tidak mengalami resirkulasi pada komponen boiler, dengan kata lain air akan menjadi uap dan meninggalkan boiler setelah mengalami satu kali proses pemanasasn pada boiler.
Gambar 05. Boiler tipe drum (gambar kiri) dan boiler tipe once-through (gambar kanan) Beberapa komponen-komponen pada boiler adalah sebagai berikut :
Economizer merupakan bagian dari boiler dimana umpan air dimasukkan ke boiler dan bagian dimana gas sisa pembakaran digunakan untuk memanaskan temperatur air Steam drum hanya terdapat pada boiler jenis drum, berfungsi untuk memisahkan uap
kering dari air
Superheaters merupakan tabung-tabung pada boiler yang berisi air yang akan
dipanaskan menjadi uap, panas yang digunakan berasal dari pembakaran bahan bakar Reheaters merupakan tabung-tabung pada boiler yang berisi air yang dipanaskan oleh
gas sisa pembakaran
Spray attemperators merupakan nosel yang menyemprotkan air diantara dua
5 TURBIN UAP
Beberapa komponen pada turbin uap adalah sebagai berikut : 1. Sudu Turbin
Merupakan bagian paling kritis dari turbin yang menerima tegangan paling besar. Sudu turbin mengalami gaya sentrifugal, beban termal serta bending dari fluida kerjda dan beban eksitasi harmonik. Untuk mengatasi beban eksitasi harmonik, sudu turbin dirancang sedemikian rupa sehingga memiliki frekuensi pribadi yang berbeda dengan frekuensi kerja dari sudu turbin tersebut. Sudu-sudu turbin dirancang untuk dapat dialiri fluida kerja secara halus dan terhindar dari tabrakan dengan fluida kerja agar kerja yang dihasilkan semakin besar.
2. Rotor Turbin
Rotor merupakan komponen kedua paling kritis pada turbin, dirancang untuk
memenuhi beberapa hal seperti mampu menahan beban sentrifugal dari rotor sendiri dan beban sentrifugal dari semua sudu turbin, tahan terhadap patah getas yang dapat diakibatkan oleh kecepatan operasi turbin yang tinggi dan memiliki ketahanan mulur yang tinggi.
3. Katup
Turbin membutuhkan katup-katup untuk mengatur kecepatan putar, kontrol darurat, pengurasan, hidrolik, katup untuk bypass, dan beberapa fungsi lainnya.
PENUKAR KALOR
Heaters, terdapat dua klasifikasi yaitu direct contact heater dan closed or tube heater
o Direct contact heater menggunakan uap yang berkontakan langsung dengan air untuk menguapkan air tersebut. Cara tersebut lebih efisien daripada pemanasan tanpa kontak langsung. Tetapi cara ini jarang digunakan karena memiliki resiko yang lebih untuk masuknya air ke dalam turbin.
o Closed heater menggunakan uap untuk memanaskan air tanpa berkontakan langsung. Terdapat tiga bagian dari pemanasan pada umpan air. Bagian pertama adalah umpan air dipanaskan pada bagian kondensor. Bagian kedua adalah pemanasan umpan air pada tabung oleh uap air yang akan dikondensasi. Bagian ketiga adalah pemanasan umpan air oleh uap yang diekstraksi dari turbin.
Condenser
6 POMPA
Pompa kondesat
Berfungsi untuk mengeluarkan kondesat dari kondeser menuju pemanas bertekanan rendah (Low Pressure Heater). Biasanya terdapat dua atau lebih pompa sentrifugal yang dipasang pada outlet dari kondensor. Pompa kondensat juga berfungsi untuk menaikkan tekanan dari kondensat sebelum menuju deaerator.
Feedwater Booster Pump
Dipasang pada outlet dari deaerator, berfungsi untuk mengondisikan tekanan fluida kerja sama dengan tekanan pada inlet Boiler Feed Pump.
Boiler Feed Pump
Terdiri dari beberapa tahap/stages dari pompa sentrifugal, jumlah tahap tersebut bergantung pada siklus, pompa tersebut dapat digerakkan oleh motor maupun turbin. GENERATOR
Generator elektrik berfungsi mengkonversi energi rotasi dari poros turbin menjadi energi listrik tiga fasa dengan tegangan berkisar antara 13,8 sampai 26 kV. Generator terdiri dari sistem ventilasi, sistem pembantu dan sistem pemicu (exciter). Bagian rotor dari generator menghasilkan medan elektormagnet yang berputar sehingga akan menghasilkan arus induksi pada bagian stator. Bagian stator terhubung pada kumparan armatur yang menghasilkan tegangan AC tiga fasa. Kumparan tersebut terhubung pada sistem , biasanya melalui transformator step-up. Pembangkit listrik yang menggunakan turbin uap bahan bakar fosil pada umumnya menggunakan generator dua pole dan beroperasi pada kecepatan 3600rpm untuk menghasilkan frekuensi listrik 60 Hz dan kecepatan 3000rpm untuk menghasilkan frekuensi 50Hz. Pada sistem pembangkit listrik turbin uap dengan sumber energi nuklir menggunakan generator empat pole dengan kecepatan putar 1800rpm atau 1500rpm untuk menghasikan frekuensi 60 dan 50 Hz.
