Bab Ii Perbaikan

BAB II LANDASAN TEORI

2.1.

Pembangkit Tenaga Listrik Pembangkitan tenaga listrik pada dasarnya dilakukan dengan memutar rotor

generator sehingga didapat tenaga listrik dengan tegangan bolak-balik tiga fasa (AC). Generator merupakan salah satu peralatan yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik dimana pada sebuah generator, energi listrik yang dihasilkan merupakan perubahan dari energi mekanis (putaran) diubah menjadi energi listrik. Energi mekanis (putaran) yang digunakan untuk memutar hingga menghasilkan listrik dapat menggunakan beberapa peralatan penggerak (prime mover) seperti mesin diesel, turbin gas, turbin air dan turbin uap, dll. Hubungan diantara kedua peralatan tersebut adalah (driven and driver) yang dilakukan dengan mengkopel pada ujung-ujung porosnya (shaft) secara kencang (rigid). Besarnya ukuran dari sebuah generator dan penggeraknya ditentukan berdasarkan energi listrik yang dihasilkan oleh generator dan daya yang mampu dihasilkan oleh penggerak generator tersebut. Semakin besar energi listrik dan energi mekanis yang dihasilkan oleh generator dan penggeraknya akan semakin besar pula ukuran kedua peralatan tersebut.

2.2.

Generator Generator serempak (synchron) pada unit pembangkit adalah mesin arus

bolak balik yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik, dengan landasan hukum Faraday. Jika pada sekeliling penghantar terjadi perubahan medan magnet, maka pada penghantar tersebut akan dibangkitkan suatu gaya gerak

7

listrik (GGL) yang sifatnya menentang perubahan medan tersebut. Untuk dapat terjadinya gaya gerak listrik (GGL) tersebut diperlukan dua kategori masukan, yaitu: 1. Masukan tenaga mekanis yang akan dihasilkan oleh penggerak mula (prime mover). 2. Arus masukan (If) yang berupa arus searah yang akan menghasilkan medan magnet yang dapat diatur dengan mudah.

Pada gambar 2.1. dibawah dijelaskan secara sederhana cara pembangkitan energi listrik dari sebuah generator.

Gambar 2.1. Sistem Pembangkitan Generator Synchron.

Dimana : If

: Arus Medan

U–S

: Kutub generator

Sumbu Putar : Poros generator Φ

: Fluks medan

Apabila rotor generator diputar pada kecepatan nominalnya, dimana putaran tersebut diperoleh dari putaran penggerak mulanya (prime mover), kemudian pada

8

kumparan medan rotor diberikan arus medan sebesar (If), maka garis-garis fluksi yang dihasilkan melalui kutub-kutub inti akan menghasilkan tegangan induksi pada kumparan jangkar stator sebesar:

Ea = C. n. ɸ Dimana : Ea

: Tegangan induksi yang dibangkitkan pada jangkar generator

C

: Konstanta

n

: Kecepatan putar

ɸ

: Fluksi yang dihasilkan oleh arus penguat (arus medan)

Apabila generator digunakan untuk melayani beban, pada kumparan jangkar generator akan mengalir arus. Untuk generator 3 fasa, setiap belitan jangkar akan memilki beda fasa sebesar 120°.

Gambar 2.2. Kumparan 3 Fasa.

2.2.1. Kontruksi Generator Generator terdiri dari dua bagian yang paling utama, yaitu :

8

1. Bagian yang diam (stator). 2. Bagian yang bergerak (rotor).

Gambar 2.3. Kontruksi Generator Sinkron.

1.2.1.1.Bagian yang diam (Stator)

Bagian yang diam (stator) terdiri dari beberapa bagian, yaitu:

Rumah Stator Inti Stator

Belitan Stator

Alur Stator

Gambar 2.4. Stator Generator.

1. Inti stator.

7

Bentuk dari inti stator ini berupa cincin laminasi-laminasi yang diikat serapat mungkin untuk menghindari rugi-rugi arus eddy (eddy current losses). Pada inti ini terdapat slot-slot untuk menempatkan konduktor dan untuk mengatur arah medan magnetnya. 2. Belitan stator. Bagian stator yang terdiri dari beberapa batang konduktor yang terdapat di dalam slot-slot dan ujung-ujung kumparan. Masing-masing slot dihubungkan untuk mendapatkan tegangan induksi. 3. Alur stator. Merupakan bagian stator yang berperan sebagai tempat belitan stator ditempatkan. 4. Rumah stator. Bagian dari stator yang umumnya terbuat dari besi tuang yang berbentuk silinder. Bagian belakang dari rumah stator ini biasanya memiliki sirip-sirip sebagai alat bantu dalam proses pendinginan.

1.2.1.1.Bagian Yang Bergerak (Rotor)

Rotor adalah bagian generator yang bergerak atau berputar. Konstruksi rotor untuk generator yang memiliki nilai putaran relatif tinggi biasanya menggunakan konstruksi rotor dengan kutub silindris atau ”cylinderica poles” dan jumlah kutubnya relatif sedikit (2, 4 dan 6). Konstruksi ini dirancang tahan terhadap gayagaya yang lebih besar akibat putaran yang tinggi. Untuk putaran generator yang relatif rendah atau sedang (kurang dari 1000 rpm), dipakai konstruksi rotor dengan kutub menonjol atau ”salient pole” dengan jumlah kutub-kutub yang relatif banyak.

8

Bagian – bagian rotor generator, yaitu :

Gambar 2.5. Rotor Generator.

1. Slips Ring Ring penghubung rotor dengan tegangan DC melalui perantara sikat arang (Brushs), berfungsi untuk membentuk gelombang sinusoida pada generator. 2. Retaining Ring Berfungsi untuk mengatasi gaya sentifugal akibat putaran rotor. 3. Fan Untuk mensirkulasi gas pendingin ke badan rotor dan stator. 4. Coil Slot Tempat untuk belitan rotor generator.

1.2.1.1.Bearing Generator

7

Sebagai penyangga rotor agar berputar pada porosnya. Thrust Bearing, berfungsi sebagai penahan gaya aksial. Journal Bearing, berfungsi sebagai penahan gaya radial.

Gambar 2.6. Bearing Generator.

1.2.1.2.Pendingin (Cooling)

Berfungsi mendinginkan Coil Conductor dengan menggunakan media pendingin (Udara dan Hidrogen).

Gambar 2.7. Sirkulasi Pendingin dengan Hidrogen.

1.2.1.3.Braking dan Jacking 8

Generator kapasitas besar dilengkapi dengan Braking untuk membantu pengereman saat berhenti serta Jacking yang berfungsi untuk mengangkat poros rotor sesaat sebelum berputar (PLTU besar > 200 MW).

Gambar 2.8. Braking dan Jacking.

1.2.2. Pengatur Putaran Putaran adalah salah satu faktor yang penting yang memberi pengaruh besar terhadap tegangan yang timbul oleh arus bolak-balik (alternating current). Frekuensi listrik yang dihasilkan oleh generator sinkron harus sebanding dengan kecepatan putar generator tersebut. Dalam hal ini, rotor sebagai bagian yang bergerak terdiri atas rangkaian-rangkaian elektromagnet dengan arus searah (DC) sebagai sumber arusnya. Medan magnet rotor akan bergerak sesuai dengan arah

8

putaran rotor. Untuk menjaga putaran tetap konstan, maka pada penggerak mula (prime mover) dilengkapi governor. Governor itu sendiri adalah suatu alat yang berfungsi mengatur putaran tetap konstan pada keadaan yang bervariasi. Besar kecepatan putaran generator dapat dihitung melalui persamaan berikut: n=120.fp

dimana : n

: Kecepatan putaran (rpm)

f

: Frekuensi (Hz)

p

: Jumlah kutub

Tegangan dan arus bolak-balik (AC) yang dihasilkan oleh generator umumnya mempunyai frekuensi diantara 50 Hz – 60 Hz. Untuk menentukan jumlah pasang kutub (p) atau kecepatan putar rpm (n), besarnya frekuensi harus sebanding dengan jumlah kutub dan kecepatan putarannya.

1.2.3. Pengatur Tegangan Nilai relatif, yaitu nilai selisih antara tegangan dalam keadaan berbeban penuh dengan keadaan tanpa beban biasanya disebut dengan regulasi tegangan atau voltage regulation (VR).

VR=VNL-VFLVFLx100%

dimana : VR

: Regulasi tegangan (Voltage Regulation)

8

VNL : Tegangan tanpa beban (No Load Voltage) VFL

: Tegangan beban penuh (Full Load Voltage)

Generator-generator sekarang dirancang dan dibuat untuk tegangan yang bervariasi akibat dari adanya variasi arus jangkar atau variasi beban yang menimbulkan turunnya tegangan (voltage drop) pada kumparan jangkar yang bervariasi pula. Jatuhnya tegangan impedansi tersebut tergantung kepada besar arus dan faktor daya beban. Dengan pengaturan arus eksitasi, tegangan dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Untuk menaikkan tegangan, arus eksitasi dapat ditambah dan berlaku juga sebaliknya.

Yang dimaksud dengan eksitasi atau biasa disebut sistem penguatan adalah suatu perangkat yang memberikan arus penguat (If) kepada kumparan medan generator arus bolak-balik (alternating current) yang dijalankan dengan cara membangkitkan medan magnetnya dengan bantuan arus searah. Sistem penguatan dapat digolongkan berdasarakan cara penyediaan tenaganya, yaitu: 1. Sistem penguatan sendiri. 2. Sistem pengutan terpisah.

Untuk generator berkapasitas besar umumnya digunakan sistem penguatan sendiri. Sistem penguatan ini digunakan pada generator tanpa sikat (brushless alternator). Generator tanpa sikat ini mempunyai exiter yang kumparan jangkarnya pada rotor dan kumparan medannya pada stator. Arus penguatan didapat dari induksi magnet sisa (remanensi) pada stator generator utama yang diberikan oleh stator generator penguat. Arus tersebut diatur terlebih dahulu oleh AVR (automatic

8

voltage regulator) yang merupakan alat pengatur tegangan yang bekerja secara otomatis. AVR dalam hal ini melakukan pengaturan tegangan. Arus yang dihasilkan oleh rotor generator penguat akan disearahkan dengan menggunakan dioda putar (rotating diode) yang ikut berputar dengan kedua rotor generator yang berputar. Sistem penguatan sendiri dipasang pada ujung poros generator utamanya.

Gambar 2.9. Sistem Penguatan Sendiri menggunakan AVR Controlled Generator.

Sebagai salah satu contoh sistem eksitasi penguatan sendiri yang dipakai adalah sistem eksitasi penguatan sendiri dengan menggunakan magnet permanen (permanent magnet generator excited-AVR controlled generators). Dalam hal ini, Generator Magnet Permanen (PMG) berperan memberikan suplai untuk sistem eksitasi melalui AVR dimana AVR berperan sebagai alat untuk mengontrol tingkat

8

eksitasi yang disediakan untuk medan exiternya. AVR akan memberikan respon terhadap sinyal tegangan yang dirasakannya melalui transformator berisolasi (isolating transformer) dari kumparan stator utama. Dengan mengendalikan suplai yang rendah dari medan eksitasinya, kontrol untuk suplai yang tinggi yang diperlukan pada medan exiter dapat terpenuhi melalui keluaran penyearah dari stator eksitasi. Sistem ini menghasilkan sumber eksitasi yang konstan dan mampu menyediakan start motor yang tinggi dan juga memiliki kekebalan terhadap gangguan berbentuk gelombang (waveform distortion) pada keluaran stator utama yang dapat terjadi karena adannya beban yang non linear. AVR akan merasakan tegangan dua fasa rata-rata mendekati regulasi tegangan yang diinginkan. AVR ini juga mampu mendeteksi perubahan kecepatan mesin dan dapat mengatasi tegangan turun sebagai akibat turunnya kecepatan putaran mesin dibawah frekuensi yang telah ditentukan sehingga dapat menghindari eksitasi berlebih pada saat kecepatan mesin rendah dan memperhalus dampak dari perubahan beban (load switching) untuk menghindari kerusakan mesin. Sistem ini juga menyediakan proteksi untuk eksitasi berlebih yang bekerja dengan waktu tunda tertentu ketika terjadi lonjakan tegangan medan eksitasi.

2.2.4. Generator PLTU 1 JATIM Pacitan :

Daya

: 315 MW

Ampere

: 10189 A

Voltage

: 20 kV

Frekuensi

: 50 Hz

R.P.M

: 3000 r/min

8

P.F.

: 0,85

Type

:QFSN-300-2-20B

Manufacture : Dongfang Electrical Machinery Co.Ltd

2.3.

Sistem Pembangkitan Pembangkit tenaga listrik bekerja dengan penggerak mula (prime mover)

yang memutar generator sehingga didapat tenaga listrik dengan tegangan bolakbalik tiga fasa. Energi mekanik penggerak generator didapat dari mesin penggerak mula (prime mover) seperti mesin diesel, turbin uap, turbin air, kincir angin dan turbin gas. Mesin-mesin tersebut umumnya mendapatkan energinya dari : 1. Proses pembakaran bahan bakar 2. Air 3. Angin Proses konversi energi primer menjadi energi mekanik akan menimbulkan “produk” sampingan berupa limbah dan kebisingan, yang perlu dikendalikan agar tidak menimbulkan masalah lingkungan.

2.3.1. Jenis Pembangkit Jenis-jenis pusat Pembangkit meliputi antara lain : 1. Pembnagkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) 2. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) 3. Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) 4. Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP)

5. Pembangki Listrik Tenga Air (PLTA)

8

6. Pusat istrik Tenaga Uap (PLTU)

2.3.1.1.Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD)

SUMBER ENERGI à

DIESEL

GENERATOR

GAS BUANG + BISING

Pembangkit Listrik Tenaga Diesel adalah pembangkit yang menggunakan motor diesel atau motor penyalaan kompresi (compression ignition engine) untuk menghasilkan energy listrik. Penyalaan atau Start PLTD dilakukan dengan cara menyemprotkan bahan bakar minyak kedalam udara bertekanan dan bertemperatur tinggi didalam ruang bakar.

Prinsip kerja dari sebuah PLTD didasarkan pada siklus udara tekanan konstan (Siklus Diesel) sebagai berikut.

7

volume pressure Q 3 4 1 2 0 Qk m spesifik

7

Gambar 2.10. Grafik Proses PLTD.

1. Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan. 2. Langkah isap (0 – 1) merupakan proses tekanan konstan. 3. Langkah kompresi (1 – 2) ialah proses isentropic (entropi yang konstan). 4. Proses pembakaran pada tekanan konstan (2 – 3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor. 5. Langkah kerja (3 – 4) ialah proses isentropic (entropi yang konstan). 6. Proses pembuangan (4 – 1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan. 7. Langkah buang (1 – 0) ialah proses tekanan konstan. 8. Siklus tertutup artinya siklus berlangsung dengan fluida kerja yang sama.

Siklus ini berlangsung secara terus menerus didalam operasi sebuah motor diesel yang digunakan menggerakkan generator untuk menghasilkan energi listrik. Sebagai pendukung pusat listrik tenaga diesel digunakan beberapa alat bantu (auxiliary equipments) untuk membantu proses motor diesel berjalan dengan baik, seperti: 1. Sistem pelumas (lube oil system).

8

2. Sistem bahan bakar (fuel system). 3. Sistem pendingin (cooler system). 4. Sistem udara kontrol (air control system). 5. Sistem hidrolik (hydraulic system). 6. Sistem udara tekan (air pressure system).

2.3.1.1.Pembangkit Listik Tenaga Gas (PLTG)

SUMBER ENERGI à

TURBIN GAS

GENERATOR

GAS BUANG + BISING

Pusat listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya. Adapun kekurangan dari turbin gas adalah sifat korosif pada material yang digunakan untuk komponen-komponen turbinnya karena harus bekerja pada temperature tinggi dan adanya unsur kimia bahan bakar minyak yang korosif (sulfur, vanadium dll), tetapi dalam perkembangannya pengetahuan material yang terus berkembang hal tersebut mulai dapat dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan dihilangkan. Dengan tingkat efisiensi yang rendah hal ini merupakan salah satu dari kekurangan sebuah turbin gas juga dan pada perkembangannya untuk menaikkan efisiensi dapat diatur/diperbaiki temperature

7

kerja siklus dengan menggunakan material turbin yang mampu bekerja pada temperature tinggi dan dapat juga untuk menaikkan efisiensinya dengan menggabungkan antara pembangkit turbin gas dengan pembangkit turbin uap dan hal ini biasa disebut dengan combined cycle.

Prinsip kerja dari sebuah PLTG didasarkan pada siklus Brayton seperti pada diagram (p, v dan t, s) dibawah ini :

8

entrophy press tvolume 4 3 2 1 e empe ure m rature p er at ur e

Gambar 2.11. Grafik Proses PLTG.

Mula-mula udara dari atmosfir ditekan didalam kompresor hingga temperature dan tekanannya naik dan proses ini biasa disebut dengan proses kompresi dimana sebagian udara yang dihasilkan ini digunakan sebagai udara 7

pembakaran dan sebagiannya digunakan untuk mendinginkan bagian-bagian turbin gas. Didalam ruang bakar sebagian udara pembakaran tersebut akan bercampur dengan bahan bakar yang diinjeksikan kedalamnya dan dipicu dengan spark plug akan menghasilkan proses pembakaran hingga menghasilkan gas panas (energi panas) dengan temperature dan tekanan yang tinggi, dari energi panas yang dihasilkan inilah kemudian

akan dimanfaatkan untuk memutar turbin dimana

didalam sudu-sudu gerak dan sudu-sudu diam turbin, gas panas tersebut temperature dan tekanan mengalami penurunan dan proses ini biasa disebut dengan proses ekspansi.

Selanjutnya energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin digunakan untuk memutar generator hingga menghasilkan energi listrik. Ada beberapa macam siklus kerja turbin gas sebagai berikut :

1.

Turbin gas siklus terbuka (open cycle). Seperti pada proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang

diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan atmosfir, selanjutnya gas bekas ini dibuang atau dialirkan ke udara luar, yang ditunjukkan seperti pada gambar dibawah.

8

generator Combustion turbine compressor chamber

7

Gambar 2.12. Turbin Gas Siklus Terbuka.

2.

Turbin gas siklus tertutup (closed cycle). Seperti pada proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang

diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan atmosfir, selanjutnya gas bekas ini dialirkan ke kedalam penukar panas (heat rejected) untuk didinginkan dengan menggunakan media pendingin air atau udara hingga temperaturnya turun dan dialirkan lagi kedalam sisi masuk (suction) kompresor untuk dikompresi lagi, yang ditunjukkan seperti pada gambar dibawah. turbine compressor Heat generator Combustion rejected chamber

7

Gambar 2.13. Turbi Gas Siklus Tertutup.

3.

Turbin gas siklus terbuka dengan regenerator.

Seperti pada kedua proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan atmosfir, selanjutnya gas bekas (flue gas) ini dialirkan kedalam heat exchanger yang dikenal dengan istilah regenerator dimana didalamnya gas bekas ini digunakan untuk memanaskan udara keluar kompresor sebelum digunakan sebagai udara pembakaran didalam ruang bakar (combustion chamber), seperti ditunjukkan pada gambar dibawah.

8

combustion chamber turbine compressor generator regenerator

7

Gambar 2.14. Gambar Turbin gas siklus dengan regenerator.

4.

Turbin gas siklus terbuka dengan intercooler, regenerator dan reheater. Pada siklus ini baik kompresor maupun turbin gas masing-masing terdiri dari

2 (dua) bagian yang terpisah dan biasa disebut dengan kompresor tekanan rendah dan kompresor tekanan tinggi serta turbin gas tekanan rendah dan turbin gas tekanan tinggi. Aliran udara dan gas-gas yang dihasilkan dapat dijelaskan sebagai berikut, mula-mula udara atmosfir masuk kedalam kompresor tekanan rendah untuk dikompresi, dari udara tekan yang dihasilkan dialirkan kedalam intercooler untuk didinginkan hingga menghasilkan temperature dan kelembaban serta tekanan yang diinginkan dengan menggunakan media pendingin air atau media pendingin lainnya, dari sini udara tersebut dialirkan kedalam kompresor tekanan tinggi untuk dikompresi lagi hingga menghasilkan temperature yang tinggi dan tekanan dengan kepadatan yang lebih tinggi. Dari keluaran kompresor tekanan tinggi udara tersebut dialirkan kedalam regenerator untuk mendapatkan temperature yang lebih tinggi lagi yang bertujuan untuk memudahkan terjadinya proses pembakaran dengan melalui media pemanas gas bekas/buang (flue gas) yang memanfaatkan gas bekas hasil dari turbin tekanan rendah. Selanjutnya udara keluaran dari regenerator dialirkan kedalam ruang bakar utama (primary combustion chamber) yang menghasilkan proses pembakaran dan dari proses ini dihasilkan gas panas yang digunakan untuk

9

memutar turbin tekanan tinggi, hasil ekspansi gas panas dari turbin tekanan tinggi ini berupa gas bekas (flue gas) dialirkan kedalam ruang bakar kedua (secondary combustion chamber) dan biasa disebut juga dengan reheater chamber yang selanjutnya gas bekas tersebut digunakan untuk udara pembakaran didalamnya yang mampu menghasilkan gas panas lagi dan digunakan untuk memutar turbin tekanan rendah, siklus tersebut diatas seperti ditunjukkan pada gambar dibawah. regenerator combustion highpressure inter generator reheating low pressure cooler

chamber turbine chamber compressor

8

Gambar 2.15. Gambar Turbin gas dengan intercooler, regenerator dan reheater.

Dari keempat siklus turbin gas diatas secara keseluruhan dimaksudkan untuk menghasilkan sebuah pusat listrik tenaga gas (PLTG) dengan tingkat efisiensi yang diharapkan lebih tinggi dari turbin gas siklus terbuka. Adapun sebagai pendukung pusat listrik tenaga gas ini digunakan beberapa alat bantu (auxiliary equipments) untuk membantu proses siklus turbin gas berjalan dengan baik, seperti : 1. Sistem pelumas (lube oil system). 2. Sistem bahan bakar (fuel system). 3. Sistem pendingin (cooler system). 4. Sistem udara kontrol (air control system). 5. Sistem hidrolik (hydraulic system). 6. Sistem udara tekan (air pressure system). 7. Sistem udara pengkabutan (atomizing air system).

2.3.1.1.Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU) SUMBER ENERGI à

TURBIN GAS/DIESEL

GENERATOR

GAS BUANG + KEBISINGAN

a 8

a

HRSG

TURBIN UAP

GENERATOR

GAS BUANG + BISING

PLTGU merupakan pengembangan dari PLTG dengan memanfaatkan gas buang yang keluar dari PLTG yang masih tinggi (>500 0 C). PLTGU mengunakan sistem combine cycle. PLTGU merupakan pembangkit yang cepat menghasilkan energi listrik sehingga pola operasinya banyak diperuntukkan pemikul beban puncak (kecuali PLTGU dengan bahan bakar gas). Komponen utama PLTGU : 1. Gas Turbine Generator ( GTG ) 2. Heat Recovery Steam Generator ( HRSG ) 3. Steam Turbine Generator ( STG )

2.3.1.1.Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP/Geothermal)

UAP DARI BUMI

TURBIN UAP

GENERATOR

GAS BUANG DAN AIR DINJEKSIKAN KEMBALI KE BUMI FILTER GAS GAS BERSIH LINGKUNGAN

9

Seperti halnya pada aplikasi turbin uap pada sebuah PLTU, dimana energi panas dari uap yang dihasilkan oleh proses didalam boiler akan menghasilkan uap panas yang bertemperatur dan bertekanan tinggi, maka pada pusat listrik tenaga panas bumi turbin berfungsi sebagai mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda/poros turbin. Pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi, melainkan gerakan rotasi. Bagian turbin yang berputar biasa disebut dengan istilah rotor/roda/poros turbin, sedangkan bagian turbin yang tidak berputar dinamai dengan istilah stator. Roda turbin terletak didalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang digerakkannya atau memutar bebannya (generator listrik, pompa, kompresor, baling-baling, dll).

Didalam turbin fluida kerja mengalami ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinyu. Penamaan turbin didasarkan pada jenis fluida yang mengalir didalamnya, apabila fluida kerjanya berupa uap maka turbin biasa disebut dengan turbin uap. Pusat listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) mempunyai beberapa peralatan utama sebagai berikut : 1. Turbin uap (steam turbine). 2. Condensor (Condenser). 3. Separator. 4. Demister. 5. Pompa. Sebuah pusat listrik tenaga panas bumi digambarkan seperti pada gambar 2.16. dibawah.

8

Gambar 2.16. Siklus Pembangkit Listrik Tenga Panas Bumi.

Uap dari sumur produksi mula-mula dialirkan ke steam receiving header (1), yang berfungsi menjamin pasokan uap tidak akan mengalami gangguan meskipun terjadi perubahan pasokan dari sumur produksi. Selanjutnya melalui flow meter (2) dialirkan ke separator (3) dan demister (4) untuk memisahkan zat-zat padat, silika dan bintik-bintik air yang terbawa didalamnya. Hal ini dilakukan untuk menghindari terjadinya vibrasi, erosi, dan pembentukan kerak pada sudu dan nozzle turbine.

Uap yang telah bersih itu dialirkan melalui main steam valve/electric control valve/governor valve (5) menuju ke turbine (6). Di dalam turbine, uap tersebut berfungsi untuk memutar double flow condensing yang dikopel dengan generator (7), pada kecepatan 3000 rpm. Proses ini menghasilkan energi listrik dengan arus 3 phase, frekuensi 50 Hz, dan tegangan 11,8 kV. Melalui step-up transformer (8), arus listrik dinaikkan tegangannya hingga 150 kV, selanjutnya dihubungkan secara paralel dengan sistem penyaluran (9).

7

Agar turbin bekerja secara efisien, maka exhaust steam yang keluar dari turbin harus dalam kondisi vakum (0,10 bar), dengan mengkondensasikan uap dalam condenser (10) kontak langsung yang dipasang di bawah turbine. Exhaust steam dari turbin masuk dari sisi atas condenser, kemudian terkondensasi sebagai akibat penyerapan panas oleh air pendingin yang diinjeksikan lewat spray-nozzle. Level kondensat dijaga selalu dalam kondisi normal oleh dua buah cooling water pump (11), lalu didinginkan dalam cooling water (12) sebelum disirkulasikan kembali.

Untuk menjaga kevakuman condenser, gas yang tak terkondensasi harus dikeluarkan secara kontinyu oleh sistem ekstraksi gas. Gas-gas ini mengandung: CO2 85-90% wt; H2S 3,5% wt; sisanya adalah N2 dan gas-gas lainnya. Sistem ekstraksi gas terdiri atas first-stage dan second-stage (13) sedangkan di pada PLTP yang lain dapat terdiri dari ejector dan liquid ring vacuum pump.

Sistem pendingin di PLTP merupakan sistem pendingin dengan sirkulasi tertutup dari air hasil kondensasi uap, dimana kelebihan kondensat yang terjadi direinjeksi ke dalam sumur reinjeksi (14). Prinsip penyerapan energi panas dari air yang disirkulasikan adalah dengan mengalirkan udara pendingin secara paksa dengan arah aliran tegak lurus, menggunakan 5 forced draft fan. Proses ini terjadi di dalam cooling water.

Sekitar 70% uap yang terkondensasi akan hilang karena penguapan dalam cooling water, sedangkan sisanya diinjeksikan kembali ke dalam reservoir (15). Reinjeksi dilakukan untuk mengurangi pengaruh pencemaran lingkungan, mengurangi ground subsidence, menjaga tekanan, serta recharge water bagi

8

reservoir. Aliran air dari reservoir disirkulasikan lagi oleh primary pump (16). Kemudian melalui after condenser dan intercondenser (17) dimasukkan kembali ke dalam reservoir.

Adapun sebagai pendukung pusat listrik tenaga uap ini digunakan beberapa alat bantu (auxiliary equipments) untuk membantu proses siklus turbin uap berjalan dengan baik, seperti: 1. Sistem pelumas (lube oil system). 2. Sistem pendingin (cooler system). 3. Sistem udara kontrol (air control system). 4. Sistem udara servis (air service system). 5. Sistem hidrolik (hydraulic system). 6. Sistem udara tekan (air pressure system).

2.3.1.1.Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)

AIR HUJAN/AIR SUNGAI

DAM/BENDUNGAN

TURBIN AIR

GENERATOR

AIR BUANGAN

9

Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun disungai-sungai dan dipegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam 2 (dua) golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah. Pada pusat tenaga air tekanan tinggi dapat diketahui bahwa dengan didirikannya bendungan di daerah yang tinggi akan terdapatlah sebuah reservoir air cukup besar.

Dengan menggunakan pipa air tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga yang dibangun dibagian bawah bendungan, dan didalam rumah tersebut telah dipasang dua buah nosel turbin, lewat nosel itulah air akan menyemprot keluar dan memutar roda turbin, kemudian baru air tersebut dibuang ke sungai. Dari selisih tinggi permukaan air atas (TPA) dan permukaan air bawah (TPB) terdapat tinggi air jatuh (H). Dan dengan menggunakan rumus-rumus mekanika fluida, daya turbin,luas penampang lintang saluran dan dimensi bagian-bagian turbin lainnya serta bentuk energi dari aliran air dapat ditentukan. Bagian-bagian utama dari sebuah pusat listrik tenaga air (PLTA) terdiri dari sbb. : 1. Bendungan/dam (water reservoir). 2. Pipa pesat (pipe line). 3. Turbin air (water turbine).

8

Gambar 2.17. Siklus PLTU.

Air sungai merupakan salah satu potensi yang cukup besar untuk dapat membangkitkan tenaga listrik. Aliran sungai dengan jumlah debit air yang cukup besar ditampung dalam waduk (1) yang ditunjang dengan bangunan bendungan (3). Air tersebut dialirkan melalui saringan Power Intake (2) kemudian masuk ke Pipa Pesat (Penstock) (4) untuk merubah energi potensial menjadi energi kinetik. Pada ujung pipa pesat dipasang Katup Utama (Main Inlet Valve) (5) untuk mengalirkan air ke turbin. Katup utama akan ditutup otomatis apabila terjadi gangguan atau di stop atau dilakukan perbaikan/pemeliharaan turbin. Air yang telah mempunyai tekanan dan kecepatan tinggi (energi kinetik) dirubah menjadi energi mekanik dengan dialirkan melalui sirip-sirip pengarah (sudu tetap) akan mendorong sudu jalan/runner yang terpasang pada turbin (6). Energi putar yang diterima oleh turbin selanjutnya digunakan untuk menggerakkan

7

generator (7) yang kemudian menghasilkan tenaga listrik. Air yang keluar dari turbin melalui Tail Race (8) selanjutnya kembali ke sungai (9). Tenaga listrik yang dihasilkan oleh generator, tegangannya masih rendah (13,8 kV). Oleh karena itu, tegangan tersebut terlebih dahulu dinaikkan dengan Trafo Utama (10) menjadi 154 kV untuk efisiensi penyaluran energi dari pembangkit ke pusat beban. Tegangan tinggi tersebut kemudian diatur/dibagi di Switch Yard 150 kV Gardu Induk (11) dan selanjutnya disalurkan/interkoneksi ke sistem tenaga listrik melalui kawat saluran Tegangan Tinggi 150 kV (12). Disamping itu pada waduk dengan sungai yang menjadi sumber energi utamanya apabila terjadi banjir maka kelebihan air tersebut akan dibuang melalui pintu pelimpas otomatis (spillway) (13).

Pada pusat listrik tenaga air (PLTA) ini energi listrik yang dihasilkan generator sangatlah bergantung dari tingkat ketersediaan air yang ada dan sumbersumber air yang mampu untuk dimanfaatkan serta kondisi geografis yang ada. Seperti pada pusat listrik tenaga air (PLTA) dinegeri Cina energi listrik yang mampu dihasilkan oleh generator sampai diatas 1000 MW karena tingkat ketersediaan air yang sangat berlimpah dan berlangsung dalam periode tahunan, dimana air sebagai sumber energi utamanya diambil dari aliran sungai kuning (yellow river). Sedangkan pada pusat listrik tenaga air (PLTA) dengan skala energi listrik yang dihasilkan oleh generator kecil dapat diambil contoh pada PLTA Sudirman di Banjarnegara, dimana air sebagai sumber energi utamanya diambil dari aliran beberapa sungai yang ada dan ditampung didalam bendungan/dam, sehingga hal ini tingkat ketersediaan air sangatlah terbatas. Sedangkan pada pusat listrik tenaga air (PLTA) dengan skala energi listrik yang dihasilkan oleh generator adalah skala menengah seperti pada PLTA Saguling di Jawa Barat, dimana air sebagai

8

sumber energi utamanya diambil dari aliran beberapa sungai yang ada dan ditampung didalam bendungan/dam serta ditambah dengan curah hujan yang relative cukup tinggi dan dalam rentang periode yang cukup lama, maka air sebagai sumber energi utama PLTA tersebut dapat dimanfaatkan secara optimal.

2.3.1.1.Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) SUMBER ENERGI (Batubara atau HSD)

PENANGANAN BAHAN BAKAR

BOILER

TURBIN UAP GENERATOR

GAS BUANG + BISING

ESP/BF + AH + SOX & NOX Removal

GAS BERSIH LINGKUNGAN

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah jenis pembangkit listrik tenaga termal yang banyak digunakan, karena efisiensinya tinggi sehingga menghasilkan energi listrik yang ekonomis.

PLTU merupakan mesin konversi

energi yang mengubah energi kimia dalam bahan bakar menjadi energi listrik. 9

A. Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap. Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu : 1. Energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi. 2. Energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. 3. Energi mekanik diubah menjadi energi listrik.

Energi Kimia Poros BOILE Uap GENERAT Bahan Listrik TURBI Energi Energi bakar Panas (ada carbon) R NE OR Mekanik menjadi menjadi Energi menjadi Mekanik Energi Panas Energi Listrik

Gambar 2.18. Proses Konversi Energi PLTU.

Dibanding jenis pembangkit lainnya PLTU memiliki beberapa keunggulan. Keunggulan tersebut antara lain : 1. Dapat dioperasikan menggunakan berbagai jenis bahan bakar (padat, cair dan gas). 2. Dapat dibangun dengan kapasitas yang bervariasi. 3. Dapat dioperasikan dengan berbagai mode pembebanan. 4. Kontinyuitas operasinya tinggi. 5. Usia pakai (life time) relatif lama.

9

Namun PLTU mempunyai beberapa kelemahan yang harus dipertimbangkan dalam memilih jenis pembangkit termal. Kelemahan itu adalah : 1. Sangat tergantung pada tersedianya pasokan bahan bakar 2. Tidak dapat dioperasikan (start) tanpa pasokan listrik dari luar

3. Memerlukan tersedianya air pendingin yang sangat banyak dan kontinyu 4. Investasi awalnya mahal

PLTU menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang. Urutan sirkulasinya secara singkat adalah sebagai berikut : 1. Pertama air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh luas permukaan pemindah panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap. 2. Kedua, uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran. 3. Ketiga,

generator

yang

dikopel

langsung

dengan

turbin

berputar

menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan magnet dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik dari terminal output generator 4. Keempat, Uap bekas keluar turbin masuk ke kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air yang disebut air kondensat. Air kondensat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler. 5. Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.

7

Gambar 2.19. Siklus Fluida Kerja sederhana PLTU

Sekalipun siklus fluida kerjanya merupakan siklus tertutup, namun jumlah air yang terdapat dalam siklus akan mengalami pengurangan. Pengurangan air ini disebabkan oleh kebocoran-kebocoran baik yang disengaja maupun yang tidak disengaja. Untuk mengganti air yang hilang, maka perlu adanya penambahan air kedalam siklus. Kriteria air penambah (make up water) ini harus sama dengan air yang teradapat dalam siklus.

Siklus kerja PLTU yang merupakan siklus tertutup dapat digambarkan dengan diagram T – s (Temperatur – entropi). Siklus ini adalah siklus rankine ideal. Adapun urutan langkahnya adalah sebagai berikut :

7

Gambar 2.20. Diagram T – s Siklus Rankine.

Keterangan : 1. a - b

:

Air dipompa dari tekanan P2 menjadi P1. Langkah ini adalah langkah kompresi isentropis, dan proses ini terjadi pada pompa air pengisi. 2. b - c

:

Air bertekanan ini dinaikkan temperaturnya hingga mencapai titik didih. Terjadi di LP heater, HP heater dan Economiser. . 3. c - d

:

Air berubah wujud menjadi uap jenuh. Langkah ini disebut vapourising (penguapan) dengan proses isobar isothermis, terjadi di boiler yaitu di wall tube (riser) dan steam drum..

7

4. d - e

:

Uap dipanaskan lebih lanjut hingga uap mencapai temperatur kerjanya menjadi uap panas lanjut (superheated vapour). Langkah ini terjadi di superheater boiler dengan proses isobar. 5. e - f

:

Uap melakukan kerja sehingga tekanan dan temperaturnya turun. Langkah ini

adalah langkah ekspansi isentropis, dan terjadi didalam turbin.

6. f – a : Pembuangan panas laten uap sehingga berubah menjadi air kondensat. Langkah ini adalah isobar isothermis, dan terjadi didalam kondensor.

A. Bagian – bagian PLTU 1. Peralatan Utama yang terdapat pada PLTU :

a. Boiler Boiler berfungsi untuk mengubah air (feed water) menjadi uap panas lanjut (superheated steam) yang akan digunakan untuk memutar turbin. b. Turbin Uap Turbin uap berfungsi untuk mengkonversi energi panas yang dikandung oleh uap menjadi energi putar (energi mekanik). Poros turbin dikopel dengan poros generator sehingga ketika turbin berputar generator juga ikut berputar. c. Kondensor Kondensor berfungsi untuk mengkondensasikan uap bekas dari turbin (uap yang telah digunakan untuk memutar turbin). d. Generator

7

Generator berfungsi untuk mengubah energi mekanik (putar) dari turbin menjadi energi listrik.

2. Peralatan Pendukung PLTU a. Desalination Plant (Unit Desal)

Peralatan ini berfungsi untuk mengubah air laut (brine) menjadi air tawar (fresh water) dengan metode penyulingan (kombinasi evaporasi dan kondensasi). Hal ini dikarenakan sifat air laut yang korosif, sehingga jika air laut tersebut dibiarkan langsung masuk ke dalam unit utama, maka dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan PLTU. b. Reverse Osmosis (RO) Mempunyai fungsi yang sama seperti desalination plant namun metode yang digunakan berbeda. Pada peralatan ini digunakan membran semi permeable yang dapat menyaring garam-garam yang terkandung pada air laut, sehingga dapat dihasilkan air tawar seperti pada desalination plant. c. Pre Treatment Pre-Treatment berfungsi untuk menghilangkan endapan, kotoran dan mineral yang terkandung di dalam air tersebut. d. Demineralizer Plant (Unit Demin) Berfungsi untuk menghilangkan kadar mineral (ion) yang terkadung dalam air tawar. Air sebagai fluidda kerja PLTU harus bebas dari mineral,

karena

jika

air

masih

mengandung

mineral

berarti

konduktivitasnya masih tinggi sehingga dapat menyebabkan terjadinya

8

GGL induksi pada saat air tersebut melewati jalur perpipaan di dalam PLTU. Hal ini dapat menimbulkan korosi pada peralatan PLTU. e. Hidrogen Plant (Unit Hidrogen) Pada PLTU digunakan hydrogen (H2) sebagai pendingin Generator. f. Chlorination Plant (Unit Chlorin) Berfungsi untuk menghasilkan senyawa natrium hipoclorit (NaOCl) yang digunakan untuk memabukkan/melemahkan mikro organisme laut pada area water intake. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari terjadinya pengerakkan (scaling) pada pipa-pipa kondensor maupun unit desal akibat perkembangbiakan mikro organisme laut tersebut. g. Coal Handling (Unit Pelayanan Batubara) Merupakan unit yang melayani pengolahan batubara yaitu dari proses bongkar muat kapal (ship unloading) di dermaga, penyaluran ke stock area sampai penyaluran ke bunker unit. h. Ash Handling (Unit Pelayanan Abu) Merupakan unit yang melayani pengolahan abu baik itu abu jatuh (bottom ash) maupun abu terbang (fly ash) dari Electrostatic Precipitator hopper dan SDCC (Submerged Drag Chain Conveyor) pada unit utama sampai ke tempat penampungan abu (ash valley)

i. Auxiliary Boiler (Boiler Bantu)

8

Pada umumnya merupakan boiler berbahan bakar minyak (fuel oil), yang berfungsi untuk menghasilkan uap (steam) yang digunakan pada saat boiler utama start up maupun sebagai uap bantu (auxiliary steam).

2.3.1. Kapasitas Daya Mampu Pembangkit

Gambar 2.21. Kurva Beban Pembangkit.

Untuk melayani beban yang ada, semua jenis pembangkit akan dinyalakan sesuai dengan tingkat kenaikan beban. Umumnya Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP/GEO), Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG), Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU) dan Pembangkit Lisrik Tenaga Uap (PLTU) akan dinyalakan untuk melayani beban dasar (base load). Pada pembangkit yang menggunakan bahan bakar minyak tidak akan dinyalakan apabila beban masih mampu dilayani oleh pembangkit non-BBM. Sedangkan Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) hanya akan dinyalakan ketika beban puncak (pick load) bersama pembangkit berbahan bakar minyak. Hal ini dilakukan untuk efisiensi bahan bakar

8

minyak pada pembangkit. Namun pada saat beban yang dilayani lebih tinggi dari daya mampu yang dimiliki oleh pembangkit maka semua pembangkit akan dinyalakan. Namun pada saat beban yang dilayani lebih tinggi dari daya mampu yang dimiliki oleh pembangkit maka semua pembangkit akan dinyalakan.

Dalam proses penyalaan pembangkit membutuhkan waktu yang cukup lama untuk mencapai daya maksimal yang di miliki pembangkit itu sendiri. Kondisi ini dapat menurunkan daya yang disalurkan. Untuk itu diperlukan adanya alat pembantu (Auxiliary) untuk mempercepat proses penyalaan (Starting). Khususnya pada PLTU yang diperlukan waktu 10 – 18 jam ketika penyalaan.

8