BAB I

TEORI

1.1. TEORI PLTU

1.1.1. UMUM

Pada dasarnya rangkaian PLTU mini tidak berbeda jauh dengan PLTU

konvensional yang ada pada umumnya, dimana bagian utamanya terdiri dari :

Ekonomiser, Ketel uap, Superheater, Turbin, Kondensor, Tangki kondensat dan

pompa – pompa. Akan tetapi pada PLTU mini ini yang membedakannya dengan

PLTU konvensional yaitu adanya perangkat Steam separator yang digunakan

sebagai alat penangkap air yang masih terbawa oleh uap setelah keluar dari

superheater sehingga uap lebih kering pada saat masuk turbin dan Cooling Tower

sebagai media pendingin air yang digunakan untuk penyerapan panas fluida kerja

di kondensor. Hal ini dilakukan oleh karena adanya keterbatasan area dan debit

air yang ada untuk mendinginkan air pendingin kondensor, dimana PLTU

konvensional proses pendinginan kondensor dilakukan dengan perantara media

air laut.

1.1.2. KOMPONEN UTAMA PLTU MINI

Komponen utama yang ada pada PLTU mini tidak berbeda dengan

komponen pada PLTU konvensional yang terdiri atas :

1. Ekonomiser 5. Turbin

2. Boiler/Ketel 6. Kondensor

3. Burner 7. Cooling Tower

4. Superheater 8. Generator

1.1.2.1. Ekonomiser

Ekonomiser merupakan alat pemindah kalor yang berfungsi menaikan suhu

air yang keluar dari feed water pump hasil pemompaan dari tangki kondensat

sampai mencapai titik didih yang sesuai dengan tekanan boiler. Pemanasan

tersebut dilakukan oleh gas buang yang masih mempunyai suhu tinggi tersebut,

apabila tidak dimanfaatkan maka akan menimbulkan kerugian panas yang cukup

besar dalam ketersediaan bahan bakar dan effisiensi PLTU mini.

Pada PLTU mini sesuai desainnya, ekonomiser diletakkan pada saat gas

akan memasuki cerobong dan terletak di luar konstruksi ketel uap.

1.1.2.2. Boiler/Ketel Uap

Boiler/ketel uap adalah alat untuk memanaskan air yang mengubah fase

cair menjadi fase uap atau biasa disebut juga alat penghasil uap. Proses ideal

yang terjadi pada ketel uap adalah isobarik dimana proses berlangsung pada

tekanan konstan.

Ketel uap yang digunakan pada PLTU mini adalah jenis Vertikal Tubeless

Steam Boiler dengan tekanan maksimum 150 psig (11,3 bar abs), yaitu jenis ketel

uap tanpa pipa air atau pipa api dan bahan bakar yang digunakan adalah minyak

solar. Proses kerjanya yaitu bahan bakar dan udara disemprotkan melalui burner

(tipe AFG F31) ke dalam ruang bakar. Kemudian di dalam ruang bakar tersebut

berdasarkan desain ketel uapnya bahan bakar akan terbakar dengan temperatur

1.7600C, sehingga menghasilkan uap. Gas asap kemudian dialirkan ke ruang gas

asap 1, hingga memenuhi ruangan tersebut. Pada bagian sisi ruang gas asap 1

terdapat semacam saluran yang dapat mengalirkan gas asap hingga memenuhi

ruang gas asap 2. Ruang yang berisi air terdapat diantara ruang gas asap 1 dan

ruang gas asap 2, sehingga ruangan air terpanaskan pada sisi dalam dan sisi luar.

Setelah air terpanaskan maka akan dihasilkan campuran uap dan air, campuran

uap dan air tersebut kemudian naik ke ruang uap (Steam Chamber) dan kemudian

menuju separator. Di separator uap dipisahkan dari air, air yang terpisah dari uap

akan dialirkan ke Blowdown separator yang akhirnya dibuang menuju Drain,

sedangkan uap yang terpisah dari air dialirkan menuju Superheater.

Gas asap dibuang melalui saluran buang menuju cerobong, akan tetapi

sebelumnya melewati ekonomiser terlebih dahulu.

Berdasarkan buku manual PLTU mini, ketel uap yang digunakan adalah tipe

CT series dengan spesifikasi sebagai berikut :

Tekanan uap maksimum = 150 psig (11,3 bar abs)

Daya = 7,45 kW

Panas pembakaran = 123.060 J/dt

Kapasitas bahan bakar = 818,28 liter/jam

Kapasitas air boiler = 122,74 liter

1.1.2.3. Burner

Burner adalah alat yang berfungsi untuk mengabutkan bahan bakar dan

udara ke dalam ketel, bahan bakar dan udara yang dipantik oleh api (penyalaan

awal) akan menghasilkan gas asap yang bertemperatur tinggi.

Konstruksi burner terdiri dari pompa bahan bakar dan kipas udara masuk

(blower), keduanya diputar oleh poros motor listrik.

Spesifikasi burner yang digunakan :

Model AFG Oil Burner tipe F 31, Produksi R.W BECKETT

CORPORASION, Eliria, Ohio

Kapasitas aliran bahan bakar (flow) 0,5 s/d 3 gallon/jam

Putaran motor maksimum 3450 rpm

Daya motor 1/7 HP

1.1.2.4. Superheater

Superheater merupakan alat untuk menaikkan temperatur uap yang akan

menuju turbin, dengan naiknya temperatur uap tersebut maka diharapkan akan

menjadi uap kering atau uap panas lanjut.

Superheater sangat penting dalam instalasi PLTU karena dapat

mengurangi kandungan kelembaban (embun) dan uap ketika akan berekspansi di

dalam turbin. Uap kering yang digunakan untuk menghasilkan kerja pada turbin

dengan jalan berekspansi tidak akan cepat mengembun, sehingga dapat

mengurangi terjadinya erosi dan korosi sudu akibat tumbukan butir – butir air pada

sudu turbin.

Superheater terdiri dari dua jenis, yaitu :

1. Superheater Konveksi ; dimana superheater diletakkan pada laluan

belakang dari boiler agar tidak terkena jilatan api secara langsung.

2. Superheater Radiasi ; dimana superheater diletakkan pada tempat yang

lebih panas dan terkena langsung oleh api.

Pada PLTU mini superheater yang digunakan adalah superheater jenis

konveksi arus searah dimana konstruksinya tidak menjadi satu dengan ketel

uapnya, tekanan maksimumnya adalah 11,35 bar abs dan temperatur desain

2600C (5000F).

Pemanasan uap basah menjadi uap kering berdasarkan desain menggunakan

media elemen pemanas dari sumber arus listrik, pengaturan arus listrik relatif

tergantung beban dari boiler.

1.1.2.5. Turbin

Turbin berfungsi untuk merubah energi thermal uap menjadi energi

mekanik dalam bentuk putaran poros turbin, dengan cara mengekspansikan uap

di dalam turbin. Prosesnya terjadi secara adiabatik yang berlangsung pada entropi

konstan.

Pada umumnya turbin dibagi atas dua golongan, yaitu :

1. Turbin Impuls ; ekspansi uap (proses penurunan tekanan) hanya terjadi

pada nosel (sudu tetap) saja.

2. Turbin Reaksi ; ekspansi uap (proses penurunan tekanan) terjadi baik pada

sudu tetap (nosel) dan sudu gerak.

Turbin yang digunakan pada PLTU mini berdasarkan buku manualnya adalah

Carling Turbin Blower C, turbin dengan tipe ; 16 A Class 1 Left Hand. Jenis

turbinnya adalah turbin impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan

(turbin Curtis dengan dua tingkat kecepatan) dan merupakan turbin tekanan tinggi

spesifikasi turbinnya adalah sebagai berikut :

o Tekanan uap masuk turbin = 18 bar abs (250 psig)

o Tekanan uap keluar turbin = 1,7 bar abs (10 psig)

o Temperatur uap masuk turbin = 2600C

o Daya turbin = 89,48 kW

o Putaran turbin = 3.000 rpm

Data operasi optimum untuk PLTU Mini

No Dimensi Nilai1 Tekanan uap masuk turbin 2,5 bar abs (36,75 Psia)2 Temperatur uap masuk turbin 1380C (3060F)3 Tekanan uap keluar turbin 1,7 bar abs (24,7 Psia)4 Massa aliran uap 0,4 Kg/dt5 Daya efektif yang dihasilkan pada poros turbin 13 kW

1.1.2.6. Kondensor

Fungsi dari kondensor adalah untuk mengembunkan uap buangan dari

turbin sehingga dapat digunakan kembali sebagai air pengisi ketel uap. Kunci

operasinya adalah menjaga tekanan uap keluar turbin (vacum) serendah mungkin

sehingga effisiensi turbin meningkat.

Kondensor yang digunakan PLTU mini adalah model T1, dengan kapasitas

tangki kondensor 100 liter. Bagiannya terdiri atas pipa berisi air pendingin yang

berasal dari cooling tower.

Pada kondisi saat ini kemampuan kondensor menyerap panas 100,2 kW

pada cooling range 120C pada Cooling Tower. Jika PLTU mini dioperasikan pada

saat ini kondensor hanya mampu beroperasi pada beban turbin PLTU Mini 4,9

kW.

1.1.2.7. Cooling Tower

Cooling Tower adalah alat pembuang kalor air pendingin kondensor,

bangunannya dibuat seperti menara menjulang ke atas dengan maksud

mendapatkan effek pendinginan yang optimal dengan memanfaatkan gaya

gravitasi bumi.

Pada cooling tower, air panas yang berasal dari kondensor selalu masuk

melalui bagian atasnya dan jatuh ke bawah sambil mengalami kontak dengan

udara sehingga menjadi dingin pada saat sampai di bagian bawah cooling tower.

Macam – macam cara kontak antara udara dengan air, yakni :

1. Counter Current

Atau disebut juga Counter Flow adalah jenis cooling tower dimana aliran

udara berlawanan arah dengan jatuhnya air.

2. Parallel Flow

Adalah jenis cooling tower dimana aliran udara searah dengan jatuhnya air

yang berasal dari kondensor.

3. Cross Flow

Adalah jenis cooling tower dimana aliran udara memotong tegak lurus arah

jatuhnya air.

Pada PLTU mini, oleh karena keterbatasan area dan debit air yang ada

maka cooling tower digunakan sebagai media pembuang kalor air pendingin

kondensor. Jenis cooling tower yang digunakan adalah tipe Counter Flow, dimana

arah aliran udara berlawanan arah dengan arah aliran jatuh air.

1.1.2.8. Generator

Generator yang digunakan pada PLTU mini memiliki spesifikasi sebagai

berikut :

1. Putaran : 1500 rpm

2. Daya/HP : 1500 Watt

3. Frekuensi : 50 HZ / 3 Phase

4. Tegangan : 220 Volt

5. Amp : 3.75 Amp

1.1.3. KOMPONEN PENDUKUNG PLTU MINI

1.1.3.1. Pompa Boiler

Pompa Boiler berfungsi sebagai pompa pengisi air dari tangki kondensat

menuju ekonomiser yang selanjutnya ke Ketel/Boiler

1.1.3.2. Tangki Hot Well

Tangki hot well berfungsi sebagai penampung uap basah yang berasal dari

kondensor agar uap tersebut berubah menjadi cair basah sehingga dapat

dipompakan ke dalam tangki kondensat. Pada tangki hot well terdapat pipa

menuju blowdown yang fungsinya untuk membuang sisa uap yang terbawa dari

kondensor.

1.1.3.3. Tangki Kondensat

Tangki kondensat berfungsi untuk menampung cairan basah yang berasal

dari tangki hot well. Di dalam tangki kondensat cairan basah yang berasal dari

tangki hot well akan bercampur dengan uap basah yang berasal dari Steam

Separator sebelum akhirnya dipompakan ke dalam ekonomiser melalui feed water

pump. Penambahan volume air untuk menggantikan air yang hilang karena

penguapan atau jika beban meningkat juga dilakukan melalui tangki kondensat

dimana air ditampung terlebih dahulu di dalam boiler make-up water tank.

1.1.3.4. Pompa Kondensat

Pompa Kondensat berfungsi memompakan air dari tangki hot well menuju

tangki kondensat.

1.1.3.5. Steam Separator

Steam separator adalah alat yang berfungsi untuk menangkap butiran –

butiran air yang masih terbawa oleh uap keluar dari superheater sehingga uap

menuju turbin dalam keadaan kering. Prinsip kerjanya adalah dengan

menggunakan gaya sentrifugal, dimana uap yang melalui steam separator akan

mengalami gaya sentrifugal sehingga mengakibatkan butiran – butiran air yang

massa jenisnya lebih berat akan terkumpul di bawah sedangkan uap yang

massanya lebih ringan akan berada di atas kemudian mengalir menuju turbin. Air

yang terkumpul lalu dialrkan ke dalam tangki kondensat untuk dicampur dengan

air yang berasal dari uap buangan turbin yang telah dikondensasi.

1.1.3.6. Cerobong

Cerobong adalah saluran buang dari gas hasil pembakaran di dalam boiler

sehingga dapat menyebar di atmosfir. Cerobong berfungsi untuk membantu

mengatasi susut tekan gas buang setelah melewati ekonomiser, selain itu juga

berfungsi untuk membantu menyebarkan gas buangan ke atmosfir secara merata

sehingga tidak mengganggu lingkungan sekitarnya.

1.1.3.7. Governor

Governor berfungsi untuk mengatur keseimbangan putaran poros turbin

sesuai dengan beban yang terjadi pada generator secara otomatis.

Governor yang dipergunakan pada PLTU mini adalah merk Woodward.

1.2. TEORI POMPA (CLOSE CIRCUIT)

Pompa adalah mesin fluida yang merupakan suatu mekanisme dimana

tenaga luar yang diberikan dari poros penggerak digunakan untuk memberikan

gaya pada cairan yang dipompa dalam bentuk tenaga potensial dan tenaga

kinetis, sehingga memungkinkan cairan mengalir dari suatu tempat ke tempat

lainnya.

Menurut garis besarnya, pompa dibagi dalam dua kelompok besar, yang

mana setiap kelompoknya diklasifikasikan lagi dalam beberapa macam.

Pengelompokan pompa tersebut adalah sebagai berikut :

1. Positive Displacement Pumps

Adalah suatu unit pompa yang dalam kerjanya terutama untuk

menghasilkan static head atau potensial energi dari liquid yang dipompakan.

Didalam tiap siklus kerjanya, memberikan volume liquid tetap tanpa memandang

tahanan yang diberikan selama masih memenuhi kapasitas unit dan tenaga

penggerak yang tersedia. Aliran yang dikeluarkan secara grafis merupakan bentuk

pulsa – pulsa dan akan bertambah atau berkurang secara periodik. Yang

termasuk didalam positive displacement pumps adalah Rotary pumps dan

Reciprocating pumps.

Rotary pumps ;

Adalah pompa yang bekerja dari hasil transmisi unit tenaga penggerak

terhadap liquid, dengan perantaraan suatu elemen impeller berupa rotor yang

bergerak berputar di dalam pump body atau casingnya.

Didalam pelaksanaannya pompa rotary dibagi dua macam, yaitu :

- Single rotor, yang meliputi gear, screw, piston dan flexible member type

- Multiple rotor, yang meliputi gear, screw dan circumferential piston type

Reciprocating pumps ;

Adalah pompa yang bekerja dari hasil pemberian tenaga mekanis yang

dirubah menjadi tenaga didalam bentuk aliran liquid, karena adanya pergerakan

bolak – balik dari suatu element di dalam silinder.

Didalam pelaksanaannya menurut sistem penggeraknya dibagi menjadi

dua macam, yaitu :

- Power driven, yang menggunakan tenaga melalui suatu crank mekanisme

motor.

- Steam driven direct acting, yang menggunakan tenaga langsung dari suatu

mesin uap torak atau steam engine.

Bila dibutuhkan aliran yang lebih rata, biasanya digunakan jumlah silinder

yang lebih dari satu yaitu jenis pompa – pompa : duplex, triplex, quintuplex dan

seterusnya, dengan desain penggerak baik yang berupa piston ataupun plunger

type.

2. Non Positive Displacement Pumps

Adalah suatu unit pompa yang dalam kerjanya merubah energi kinetik

daripada aliran liquid kedalam bentuk energi potensial atau dengan kata lain

merubah dari dynamic head menjadi static head. Didalam siklus kerjanya, volume

liquid yang dikeluarkan tergantung daripada tahanan yang ada atau ketinggian

tekanannya. Aliran cairan yang dikeluarkan adalah continue pada setiap

kecepatan.

Pompa non positive displacement lazim disebut dengan pompa dynamic,

mengingat daripada prinsip kerjanya. Pada pompa dynamic atau pompa non

positive displacement ini, bila saluran discharge (pengeluarannya) ditutup saat

beroperasi maka tekanan di dalam pompa akan naik sampai batas maksimum

yang dapat dicapai. Keadaan ini tidak akan mengakibatkan rusaknya casing

(rumah pompa) maupun motor penggerak, tetapi hanya menimbulkan panas di

dalamnya. Sedangkan pada pompa positive displacement, bila hal tersebut

dilakukan akan menyebabkan kerusakan (pecahnya) unit pompa. Yang termasuk

didalam non positive displacement pumps adalah Centrifugal dan Jet pumps.

1.2.1. HEAD POMPA

Head adalah suatu ketinggian kolom cairan vertikal yang merupakan

tekanan pada bidang horizontal, di kaki kolom cairan tersebut. Tekanan ini

dinyatakan dalam gaya per satuan luas atau equivalent dalam satuan tinggi dari

cairan.

Pengukuran head pompa dilakukan dengan mengamati “pressure gauge”

yang terpasang sebelum dan sesudah pompa. Dengan menggunakan persamaan

energi “Bernoulli”. Head pompa dapat dihitung sebagai berikut :

Dimana :

P1 = Tekanan (pressure gauge) pada inlet pompa

P2 = Tekanan (pressure gauge) pada outlet pompa

v1 = Kecepatan aliran masuk pompa

v2 = Kecepatan aliran keluar pompa

Z1 = Ketinggian inlet pompa

Z2 = Ketinggian outlet pompa

v1 = v2, karena A1 = A2, sehingga = 0

Losses 1-2 merupakan losses dari ketinggian head antara seksi 1 ke seksi 2,

kecuali yang berada dalam pompa.

1.2.2. DAYA INPUT POMPA

Pompa digerakkan (diputar) dengan motor listrik, daya input pompa

dihitung dengan mengukur besarnya tegangan dan arus motor listrik saat

memutar pompa.

Pmotor = V x I (1 phase)

Pmotor = V x I x (3 phase)

Dimana :

P = Daya input motor

V = Voltage motor listrik

I = Besarnya arus motor

Untuk pompa 1 phase, P = V . I, tapi harus diperhatikan bahwa effisiensi

yang dihitung dengan formula di atas adalah effisiensi keseluruhan karena daya

input turbin motor listrik untuk sampai ke impeller pompa harus melalui kerugian –

kerugian dari motor listrik bantalan motor listrik bantalan pompa.

Untuk dapat menghitung effisiensi atau output dari impeller pompa sendiri

kita harus mampu menaksir effisiensi, bantalan motor listrik dan pompa. Besarnya

effisiensi bantalan selain tergantung kelicinan bantalan, selain itu dipengaruhi oleh

sentrisitas poros akibat pemasangan ataupun pembuatan.

Dalam pengujian ini ditaksir :

η Winding motor listrik = 0,8

η Bantalan motor listrik = 0,85

η Bantalan pompa = 0,8

Sehingga,

Pin = Pmotor x η Winding motor listrik x η Bantalan motor listrik x η Bantalan pompa

1.2.3. EFFISIENSI POMPA

Effisiensi pompa dapat dihitung berdasarkan formula :

Dimana :

H = Head pompa

Q = Debit pompa

= Berat jenis air

η = Effisiensi pompa

Pin = Pmotor x η Winding motor listrik x η Bantalan motor listrik x η Bantalan pompa