BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian HRSG
HRSG (Heat Recovery Steam Generator) adalah ketel uap atau boiler yang
memanfaatkan energi panas sisa gas buang satu unit turbin gas untuk memanaskan
air dan mengubahnya menjadi uap, dan kemudian uap tersebut dipergunakan
untuk menggerakkan turbin uap. Pada umumnya HRSG tidak dilengkapi
pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar, sehingga tidak terjadi
proses perpindahan/penyerapan panas radiasi. Proses perpindahan/penyerapan
yang terjadi hanyalah proses konveksi dan konduksi dari gas buang turbin gas ke
dalam air yang akan diproses menjadi uap melalui elemen-elemen pemanas
didalam ruang boiler HRSG.
Gbr. 2.1 Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU)
HRSG sangat bermanfaat untuk meningkatkan hasil guna (efisiensi) bahan
bakar yang dipakai pada unit turbin gas, yang selanjutnya akan menggerakkan
unit turbin uap. Sistem pembangkit listrik yang memanfaatkan proses ini yaitu
PLTGU (Pusat listrik tenaga gas dan uap). HRSG adalah bagian penting PLTGU,
Kapasitas produksi uap yang dapat dihasilkan HRSG tergantung pada
kapasitas energi panas yang masih mengandung gas buang dari unit turbin gas
yang berarti masih tergantung pada beban unit turbin gas. Pada dasarnya turbin
gas yang beroperasi pada putaran tetap, aliran udara masuk kompressor juga tetap,
perubahan beban turbin yang tidak konstan dengan aliran bahan bakar tetap,
sehingga suhu gas buang juga berubah mengikuti perubahan turbin gas.
2.2 Bagian – Bagian Utama HRSG
Heat Recovery Steam Generator terdiri dari beberapa bagian elemen yaitu
pemanas awal kondensat (kondensat preheater), ekonomiser, evaporator, dan
superheater yang masing-masing memiliki fungsi yang berbeda. Pada sub bab ini
akan membahas fungsi masing-masing elemen pada Heat Recovery Steam
Generator.
1. Pemanas awal kondensat (condensate preheater atau CPH)
Pemanas awal kondensat berfungsi memanaskan air yang berasal dari
kondensat keluaran turbin uap, kemudian air yang sudah dipanaskan ini
dialirkan dan dikumpulkan ke tangki air umpan. Umumnya pemanas awal
kondensat ini diletakkan di bagian paling atas sekali dari posisi pipa – pipa
pemanas yang ada dan diikuti oleh pipa – pipa lainnya.
2. Ekonomiser
Ekonomiser terdiri dari pipa-pipa air yang ditempatkan pada lintasan gas
asap setelah pipa-pipa evaporator. Pipa-pipa ekonomiser dibuat dari bahan
baja atau besi tuang yang sanggup untuk menahan panas dan tekanan tinggi.
Ekonomiser berfungsi untuk memanaskan air pengisi sebelum memeasuki
steam drum dan evaporator sehingga proses penguapan lebih ringan dengan
memanfaatkan gas buang dari HRSG yang masih tinggi sehingga
memperbesar efisiensi HRSG karena dapat memperkecil kerugian panas pada
HRSG tersebut. Air yang masuk pada evaporator sudah pada temperatur tinggi
sehingga pipa - pipa evaporator tidak mudah rusak karena perbedaan
3. Evaporator
Evaporator merupakan elemen HRSG yang berfungsi untuk mengubah
air hingga menjadi uap jenuh. Pada evaporator dengan adanya pipa – pipa
penguap akan terjadi pembentukan uap. Biasanya pada evaporator kualitas uap
sudah mencapai 0,8 – 0,98 sehingga sebagian masih berbentuk fase cair.
Evaporator akan memanaskan uap air yang turun dari drum uap panas lanjut
yang masih dalam fase cair agar berbentuk uap sehingga bisa diteruskan
menuju superheater. Perpindahan panas yang terjadi pada evaporator adalah
film pool boiling, dimana air yang dipanaskan mendidih sehingga mengalami
perubahan fase menjadi uap jenuh. Jenis evaporator ada 2 (dua) jenis yaitu
evaporator bersikulasi alami (bebas) dan evaporator bersikulasi paksa (dengan
pompa).
4. Superheater
Superheater rmerupakan alat yang berfungsi untuk menaikkan
temperatur uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut (superheater vapour). Uap lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi
didalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun, sehingga mengurangi
kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik
(back stroke) yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya
sehingga menimbulkan vakum ditempat yang tidak semestinya di daerah
ekspansi.
Selain komponen – komponen utama HRSG di atas, HRSG juga
dilengkapi peralatan bantu lainnya yang fungsinya sangat menunjang kinerja
HRSG, antara lain:
• Drum uap
Sebagai wadah yang berfungsi memisahkan campuran air – uap dan
keluarannya berupa uap jenuh kering (saturated steam), yang kemudian dialirkan ke superheater.
• Cerobong asap
Sebagai laluan yang membantu tarikan gas buang ke atmosfer. Cerobong
Gambar 2.2 Diagram PLTGU dengan HRSG Single Pressure
2.3 Siklus Gabungan (Combine Cycle)
Siklus gabungan adalah suatu siklus yang memanfaatkan gas buang dari
turbin gas (PLTGU) untuk memanaskan air dalam ketel, dengan menggunakan
heat exchanger berupa HRSG dan uap yang dihasilkan HRSG tersebut digunakan
untuk menggerakkan generator listrik.
Gas turbin dari turbin gas keluar pada umumnya 500°C. Disebabkan
tekanan rendah, suhu tinggi (entalpi tinggi) ini, gas buang tidak dapat
dimanfaatkan menjadi fluida kerja. Regenerator dapat digunakan untuk
memanfaatkan gas terbuang ini dengan cara memanaskan gas keluar dari
kompressor sebelum masuk ke ruang bakar. Beberapa halangan dalam
penggunaan regenerator:
1. Regenerator mengakibatkan penurunan tekanan antara outlet
kompressor dan inlet ruang bakar yang menyebabkan naiknya kerja
kompressor karena untuk tekanan inlet turbin yang tertentu. Outlet
2. Regenerator menimbulkan naiknya tekanan luar (back pressure) turbin
yang menyebabkan turunnya kerja turbin.
3. Regenerator sulit untik melayani debit aliran yang tinggi.
Pada gambar 2.3 berikut menampilkan skema pembangkit daya dengan
menggunakan HRSG.
HRSG
C
Gambar 2.3 Pembangkit daya siklus gabungan
Keterangan:
P = Pompa
HRSG = Heat Recovery Steam Generator
TU = Turbin Uap
C = Condenser
K = Kompressor
RB = Ruang Bakar
TG = Turbin Gas
Pembangkitan daya seperti gambar 2.3 diatas, disamping menghasilkan
efisiensi yang tinggi dan keluaran daya yang lebih besar siklus gabungan bersifat
luwes, mudah dinyalakan dengan beban tak penuh, cocok untuk operasi beban
RB
TG
TU
K
besar dan turbin bersiklus mempunyai efisiensi dalam daerah beban yang luas.
Kelemahannya berkaitan dengan keruwetannya, karena pada dasarnya instalasi ini
menggabungkan dua teknologi didalam satu kompleks pembangkit daya.
2.4 Siklus Turbin Gas
Turbin gas merupakan alat yang mengkonversi energi kimia bahan bakar
menjadi energi mekanis melalui proses pembakaran, kemudian energi mekanis
tersebut dikonversi oleh generator menjadi energi listrik.
Prinsip kerja sistem ini adalah udara atmosfer masuk ke dalam kompresor
yang berfungsi menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga
temperaturnya naik. Kemudian udara bertekanan tinggi itu masuk ke dalam ruang
bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara
tersebut, sehingga terjadi proses pembakaran.
Proses pembakaran tersebut berlangsung pada tekanan konstan, sehingga
bisa dikatakan bahwa ruang bakar hanyalah digunakan untuk menaikkan
temperatur udara. Gas pembakaran yang bertemperatur tinggi itu kemudian masuk
ke dalam turbin gas dimana energinya dipergunakan untuk memutar sudu turbin ±
60 % dari daya yang dihasilkan turbin untuk memutar kompresornya sendiri,
sisanya baru digunakan untuk memutar generator.
Siklus ideal ini terdiri dari 2 proses isobar yang terjadi diruang bakar dan
proses pembuangan gas bekas, serta 2 proses isentropik yang terjadi pada
kompresor dan ekspansi gas pada turbin.
Gambar 2.5 Diagram T-s
Gambar 2.6 Diagram P-V
Jalannya proses dapat diterangkan sebagai berikut (Frietz Dietzell, 1992,
hal 156) :
• 1-2 : merupakan proses kompresi isentropik dalam kompresor, kondisi 1 adalah udara atmosfer, sedangkan temperatur
udara hasil kompresi T2 dapat diketahui dari hubungan:
T2 = T1 .𝑟𝑟𝑟𝑟 𝛾𝛾−1
𝛾𝛾
Dimana : rp = rasio tekanan P2/P1
γ =perbandingan panas spesifik pada tekanan
• 2-3 : proses penambahan panas pada tekanan konstan dalam ruang bakar, panas yang ditambahkan pada ruang bakar adalah:
Qin = Cp (T3 – T2)
• 3-4 : proses ekspansi isentropik dalam turbin, temperatur gas keluar T4 dihitung dengan hubungan:
T4 = T3 . �
1
𝑟𝑟𝑟𝑟� 𝛾𝛾−1
𝛾𝛾
• 4-1 : merupakan proses pelepasan kalor ke lingkungan pada tekanan konstan, besarnya kalor yang dilepas dapat dihitung:
Qin = Cp (T4 – T1)
Kerja netto turbin ( Wnet ) merupakan kerja berguna yang dihasilkan
turbin setelah kerja ekspansi dikurangi dengan kerja kompresi. Besar kerja netto
turbin adalah:
Wnet = WT- WK
= (h3 – h4) – (h2 – h1)
Daya netto turbin merupakan daya keluaran turbin (daya yang dibutuhkan
generator) setelah memperhatiksn kerugian-kerugian, maka daya netto turbin
adalah:
Pnet = 𝑚𝑚̇g. WT – 𝑚𝑚̇g. WK
Efisiensi siklus merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang dengan
efektif dengan kalor yang dimasukkan ke sistem (Yunus A.Cengel, 1979), yaitu:
η = Wnet
Panas pada instalasi turbin gas murni (siklus brayton), panas Qout ini
dibuang ke udara atmosfer. Gas yang dibuang ini masih memiliki kandungan
energi panas yang tinggi. Dengan menggunakan HRSG panas yang dibuang ini
akan dimanfaatkan.
Panas yang dibuang ini dimanfaatkan untuk memanaskan air pada HRSG
Apabila dianggap tidak ada kerugian panas ke udara atmosfer peralatan, dapat
dituliskan kesetimbangan energi pada setiap peralatan HRSG:
1. Pipa superheater:
Jadi, jumlah energi panas yang dimanfaatkan HRSG adalah:
QHRSG = Qsup + Qeva + Qeko + Qpre
= ms (h7 – h2)
Laju aliran massa uap dapat diperoleh dari hukum kesetimbangan kalor,
dimana:
Quap = Qgas
𝑚𝑚̇uap (h2 – h1) = 𝑚𝑚̇gas (hg in – hg out)
𝑚𝑚̇uap = 𝑚𝑚̇gas (hg in – hg out) / h2 – h1
2.6 Proses Pembentukan Uap
Gas buang dari siklus gas masuk ke HRSG untuk mengubah air umpan
menjadi uap kering yang akan digunakan untuk memutar sudu-sudu turbin uap
hingga dapat memutar beban dalam hal ini generator listrik. Setelah melalui
beberapa tingkatan sudu turbin sebagian uap diekstraksikan ke pemanas awal
tekanan tinggi dan tekanan rendah, sedangkan sisanya masuk ke kondensor untuk
dikondensasikan dan selanjutnya akan dipompakan ke HRSG melalui pemanas air
pada tekanan tinggi, dari HRSG ini air umpan yang sudah menjadi uap kering
dialirkan ke turbin.
Beberapa parameter desain yang penting berkaitan dengan turbin uap
adalah tekanan uap masuk turbin. Mengambil tekanan uap masuk lebih tinggi
akan menguntungkan, karena ukuran sudu-sudu akan menjadi lebih kecil. Namun
Parameter lain yang penting dari turbin uap adalah tekanan kondensor, dalam hal
ini turbin uap dan kondensor akan disesuaikan dengan Heat Recovery Steam
Generator (HRSG).
2.7 Alat Penukar Kalor
Alat penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat yang berfungsi
sebagai tempat terjadinya perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya
tinggi ke tempat temperaturnya rendah atau sebaliknya, tanpa ada pencampuran
antara fluida satu dengan fluida lainnya.
• Kalor yang dilepas fluida panas sebesar: qh = 𝑚𝑚̇h . Ch . (𝑛𝑛ℎ1 - 𝑛𝑛ℎ2)
• Kalor yang diterima fluida dingin: qc = 𝑚𝑚̇c . Cc . (𝑛𝑛𝑐𝑐1 - 𝑛𝑛𝑐𝑐2)
• Dimana kalor yang dilepas fluida panas sama dengan klaor yang diterima fluida dingin.
• Subskrip h dan c masing – masing menandakan fluida panas dan dingin. qg = 𝑚𝑚̇ . c . dT
Dimana c = panas spesifik.
T°C T°C Th1 Th1
Th2 Tc2 Th2
Tc2 Tc1
Tc1
L(m) L(m)
a.Perpindahan panas searah b.Perpindahan panas berlainan arah
Gambar 2.7 Distribusi temperatur pada alat penukar kalor.
Laju pindahan panas dapat dinyatakan dengan beda temperatur rata – rata
Q = U . A . LTMD
Dimana:
U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m2.°C)
A = luas permukaan perpindahan kalor (m2)
LTMD = Beda temperatur logaritma rata – rata (°C)
LTMD = (𝑇𝑇ℎ1− Tc 1)− (Th 2− Tc 2)
ln[(𝑇𝑇ℎ1−𝑇𝑇𝑐𝑐1)/(𝑇𝑇ℎ2−𝑇𝑇𝑐𝑐2)] …………..(J.P.Holman,1998, hal.491)
Persamaan ini dapat digunakan untuk aliran lawan arah. Maka dapat
dikatakan LTMD adalah beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda
suhu pada ujung yang satu lagi dibagi logaritma almiah dari perbandingan kedua
suhu tersebut.
Pada proses penguapan evaporasi dan pengembunan (kondensasi) satu
fluida tidak mengalami perubahan suhu, walaupun perpindahan panas telah
berlangsung diantara kedua fluida. Hal ini disebabkan kalor yang diterima dan
yang dilepas oleh fluida (kalor laten) tidak digunakan untuk menaikkan
temperatur tetapi digunakan untuk mengubah fase fluida. Distribusi temperatur
evaporasi dapat dilihat pada gambar berikut:
T°C T°C Th1 Th1
Th2 Th2
Tc1 Tc2 Tc1 Tc2
L(m) L(m)
a.Distribusi temperatur aliran sejajar b.Distribusi temperatur aliran silang
Maka beda suhu rata – rata logaritma adalah:
LTMD = (𝑇𝑇ℎ1− Tc 1)− (Th 2− Tc 2)
ln[(𝑇𝑇ℎ1 −𝑇𝑇𝑐𝑐 1)/(𝑇𝑇ℎ2−𝑇𝑇𝑐𝑐2)]………….(J.P. Holman,1998, hal.491)
