Chapter II 3

5

BAB II

PEMBANGKITAN ENERGI LISTRIK

2.1 Umum

Pembangkitan tenaga listrik sebagian besar dilakukan dengan cara memutar

generator sinkron sehingga didapat tenaga listrik dengan tegangan bolak-balik

tiga fasa. Energi mekanik yang diperlukan untuk memutar generator sinkron

didapat dari mesin penggerak generator atau biasa disebut penggerak mula (

prime mover ). Mesin penggerak generator yang banyak digunakan dalam

praktik, yaitu : mesin diesel, turbin uap, turbin air, dan turbin gas. Mesin-mesin

penggerak generator ini mendapat energi dari proses pembakaran bahan bakar (

mesin-mesin termal ) atau pun air terjun ( turbin air ).

Jadi, sesungguhnya mesin penggerak generator melakukan konversi energi

primer menjadi energi mekanik penggerak generator. Proses konversi energi

primer menjadi energi mekanik menimbulkan “produk” sampingan berupa

limbah dan kebisingan yang perlu dikendalikan agar tidak menimbulkan masalah

lingkungan.

Dari segi ekonomi teknik, komponen biaya penyediaan tenaga listrik yang

terbesar adalah biaya pembangkitan, khususnya biaya bahan bakar. Oleh sebab

itu, berbagai teknik untuk menekan biaya bahan bakar terus berkembang, baik

dari segi unit pembangkit secara individu maupun dari segi operasi sistem tenaga

listrik secara terpadu.

Pusat Listrik adalah tempat di mana proses pembangkitan tenaga listrik

dilakukan. Mengingat proses pembangkitan tenaga listrik merupakan proses

konversi energi primer ( bahan bakar atau potensi tenaga air ) menjadi energi

mekanik penggerak generator, yang selanjutnya energi mekanik ini diubah

Universitas Sumatera Utara

6

menjadi energi listrik oleh generator, maka dalam pusat listrik umumnya

terdapat:

a. Instalasi Energi Primer, yaitu instalasi bahan bakar atau instalasi tenaga air.

b. Instalasi Mesin Penggerak Generator, yaitu instalasi yang berfungsi sebagai

pengubah energi primer menjadi energi mekanik penggerak generator. Mesin

penggerak generator ini dapat berupa ketel uap beserta turbin uap, mesin

diesel, turbin gas, atau turbin air.

c. Instalasi Pendingin, yaitu instalasi yang berfungsi mendinginkan instalasi

mesin penggerak yang menggunakan bahan bakar.

d. Instalasi Listrik, yaitu instalasi yang secara garis besar terdiri dari:

Instalasi Tegangan Tinggi, yaitu instalasi yang menyalurkan energi listrik

yang dibangkitkan generator.

Instalasi Tegangan Rendah, yaitu instalasi alat-alat bantu dan instalasi

penerangan.

Instalasi Arus Searah, yaitu instalasi yang terdiri dari baterai aki beserta

pengisinya dan jaringan arus searah yang terutama digunakan untuk

proteksi, kontrol, dan telekomunikasi.

2.2 Masalah Utama dalam Pembangkitan Tenaga Listrik

Sebagaimana telah diuraikan diatas, proses pembangkitan tenaga listrik pada

prinsipnya merupakan konversi energi primer menjadi energi mekanik

penggerak generator yang selanjutnya energi mekanik ini dikonversi oleh

generator menjadi tenaga listrik. Proses yang demikian ini menimbulkan

masalah-masalah sebagai berikut:

a. Penyediaan Energi Primer

Energi primer untuk pusat listrik termal adalah bahan bakar. Penyediaan

bahan bakar meliputi: pengadaan, transportasi, dan penyimpanannya,

terutama yang memerlukan perhatian terhadap resiko kebakaran.


7

b. Penyediaan Air Pendingin

Masalah penyediaan air pendingin timbul pada pusat listrik termal seperti

PLTU dan PLTD. PLTG tidak memerlukan air pendingin yang banyak.

c. Masalah Limbah

PLTU batu bara menghasilkan limbah berupa abu batu bara dan asap

yang mengandung gas SO2, CO2, dan NOx. Semua PLTU mempunyai limbah

bahan kimia dari ketel uap.

d. Masalah Kebisingan

Pusat listrik termal menimbulkan suara keras yang merupakan kebisingan

bagi masyarakat yang tinggal di dekatnya. Tingkat kebisingan harus dijaga

agar tidak melampaui standar yang berlaku.

e. Operasi

Operasi pusat listrik sebagian besar 24 jam sehari. Selain itu biaya

penyediaan tenaga listrik sebagian besar untuk operasi pusat listrik,

khususnya untuk membeli bahan bakar. Oleh karena itu, perlu dilakukan

operasi pusat listrik yang seefisien mungkin. Jika pusat listrik beroperasi

dalam sistem interkoneksi ( yaitu pusat listrik yang beroperasi paralel dengan

pusat-pusat listrik lain melalui saluran transmisi ), maka pusat listrik ini harus

mengikuti pola operasi sistem interkoneksi.

f. Pemeliharaan

Pemeliharaan peralatan diperlukan untuk :

Mempertahankan efisiensi

Mempertahankan keandalan

Mempertahankan umur ekonomis

Bagian-bagian peralatan yang memerlukan pemeliharaan terutama adalah :

Bagian-bagian yang bergeser, seperti: bantalan, cincin pengisap ( piston

ring ), dan engsel-engsel.

Bagian-bagian yang mempertemukan zat-zat dengan suhu yang berbeda,

seperti: penukar panas ( heat exchanger ) dan ketel uap.

Kontak-kontak listrik dalam sakelar serta klem-klem penyambung listrik.


8

g. Gangguan dan Kerusakan

Gangguan adalah peristiwa yang menyebabkan Pemutus Tenaga ( PMT )

membuka ( trip ) di luar kehendak operator sehingga terjadi pemutusan

pasokan tenaga listrik. Gangguan sesungguhnya adalah peristiwa hubung

singkat yang penyebabnya kebanyakan petir dan tanaman. Gangguan dapat

juga disebabkan karena kerusakan alat, sebaliknya gangguan ( misalnya yang

disebabkan petir ) yang terjadi berkali-kali akhirnya dapat mengakibatkan alat

( misalnya transformator ) menjadi rusak.

h. Pengembangan Pembangkitan

Pada umumnya, pusat listrik yang berdiri sendiri maupun yang ada dalam

sistem interkoneksi memerlukan pengembangan. Hal ini disebabkan karena

beban yang dihadapi terus bertambah, sedangkan di lain pihak unit

pembangkit yang ada menjadi semakin tua dan perlu dikeluarkan dari operasi.

Jika gedung pusat listrik yang ada masih memungkinkan untuk penambahan

unit pembangkit, maka pengembangan pembangkitan dapat dilakukan dengan

menambah unit pembagkit dalam gedung pusat listrik yang telah ada tersebut.

Tetapi jika tidak ada lagi kemungkinan memperluas gedung pusat listrik yang

ada, maka harus dibangun pusat listrik yang baru. Pengembangan

pembangkitan khususnya dalam sistem interkoneksi, selain harus

memperhatikan masalah gangguan dan kerusakan, juga harus memperhatikan

masalah saluran transmisi dalam sistem.

i. Perkembagan Teknologi Pembangkitan

Perkembangan teknologi pembangkitan umumnya mengarah pada

perbaikan efisiensi dan penemuan teknik konversi energi yang baru dan

penemuan bahan bakar baru. Perkembangan ini meliputi segi perangkat lunak

( software ) seperti pengembangan model-model matematika untuk optimasi.

2.3 Mutu Tenaga Listrik

Dengan makin pentingnya peranan tenaga listrik dalam kehidupan sehari-hari,

khususnya bagi keperluan industri, maka mutu tenaga listrik juga menjadi

tuntutan yang makin besar dari pihak pemakai tenaga listrik.


9

Mutu tenaga listrik ini meliputi :

a. Kontinuitas penyediaan; apakah tersedia 24 jam sehari sepanjang tahun.

b. Nilai tegangan; apakah selalu ada dalam batas-batas yang diijinkan.

c. Nilai frekuensi; apakah selalu ada dalam batas-batas yang diijinkan.

d. Kedip tegangan; apakah besarnya dan lamanya masih dapat diterima oleh

pemakai tenaga listrik

e. Kandungan harmonisa; apakah jumlahnya masih dalam batas-batas yang

dapat diterima oleh pemakai tenaga listrik.

2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Uap

2.4.1 Proses Konversi Energi

Dalam PLTU, energi primer yang dikonversikan menjadi energi listrik

adalah bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan dapat berupa batubara

( padat ), minyak ( cair ), atau gas. Ada kalanya PLTU menggunakan

kombinasi beberapa macam bahan bakar.

Konversi energi tingkat pertama yang berlangsung dalam PLTU

adalah konversi energi primer menjadi energi panas ( kalor ). Hal ini

dilakukan dalam ruang bakar dari ketel uap PLTU. Energi panas ini kemudian

dipindahkan ke dalam air yang ada dalam pipa ketel untuk menghasilkan uap

yang dikumpulkan dalam drum dari ketel. Uap dari drum ketel dialirkan ke

turbin uap. Dalam turbin uap, energi ( enthalpy ) uap dikonversikan menjadi

energi mekanis penggerak generator, dan akhirnya energi mekanik dari turbin

uap ini dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator.

2.4.2 Siklus Energi Mesin Tenaga

Energi sebagai suatu arus panas dapat berasal dari pembakaran bahan

bakar fosil, radiasi surya, atau reaksi nuklir. Pemanasan atau pendinginan

ruangan dan berbagai proses industri mempergunakan energi dalam jumlah

yang besar. Energi berupa panas dapat dikonversikan menjadi energi

mekanikal yang menggerakkan sebuah piston atau memutar sebuah generator,

sehingga menjadi “kerja”. Pusat-pusat tenaga listrik mengubah energi panas

menjadi energi mekanikal dan energi listrik melalui suatu siklus konversi


10

energi. Kerja atau energi yang bermanfaat, yang diperoleh dari suatu arus

energi akan tergantung dari jumlah panas, pola suhu dan lingkungan atau

suhu penerima panas yang tersedia. Suatu siklus panas menerima sejumlah

energi panas pada suatu suhu tertentu, dan mengubah sebagian energi panas

itu menjadi kerja atau energi bermanfaat, dan “membuang” atau meneruskan

yang selebihnya kepada lingkungan atau penerima panas itu sebagai “energi

kerugian” pada suhu yang lebih rendah.

Gambar 2.1a memperlihatkan suatu siklus panas yang umum pada

koordinat-koordinat suhu dan entropi. Luas 1-2-b-a merupakan jumlah energi

panas pada suhu T1 yang diterima oleh medium kerja pada suhu T2. Luas 1-

2-3-4 merupakan energi yang “bermanfaat”. Siklus ini dikenal sebagai siklus

Carnot. Siklus Carnot ini merupakan suatu siklus “ideal”. Namun dalam

kenyataannya siklus sistem turbin uap menyimpang dari siklus ideal antara

lain karena ada berapa faktor, yaitu:

1. Kerugian dalam pipa fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian

kalor ke atmosfer sekitarnya. Dengan demikian tekanan dan temperatur

uap masuk turbin menjadi lebih rendah daripada keadaan yang ideal.

2. Di dalam ketel uap juga terdapat kerugian tekanan. Dengan demikian air

masuk ke dalam ketel uap harus bertekanan lebih tinggi daripada tekanan

uap yang harus dihasikan.

3. Kerugian energi di dalam turbin karena adanya gesekan antara fluida kerja

dan bagian dari turbin.

4. Kerugian di kondensor relatif kecil, sehingga mengakibatkan perpindahan

kalor lebih banyak daripada keadaan ideal.

Efisiensi termal mesin menurut siklus Carnot ini adalah sebesar:

η -

dimana:

T1 = Suhu sumber energi ( K ), dan

T2 = Suhu penerima energi ( K ).


11

( a ) ( b )

Gambar 2.1. Siklus Panas Carnot. ( a ) Siklus Panas Ideal Carnot

( b ) Siklus Panas Realistik Carnot

Siklus energi sebagaimana terjadi dalam keadaan yang nyata sehari-

hari dilukiskan oleh Gambar 2.1b. Suhu T1 bukanlah merupakan besaran yang

konstan sebagaimana dilukiskan oleh Gambar 2.1, melainkan merupakan

lengkung 1-2 yang tidak rata. Sedangkan suhu T2 naik dari 3-4 menjadi 3’-4’,

dan jumlah “energi terbuang” adalah sesuai dengan luas 3’-4’-a-b, yang lebih

besar dari luas 3-4-a-b.

Dalam suatu siklus energi, perlu berbagai faktor dipertimbangkan,

misalnya jenis sumber energi yang dipakai untuk proses pembakaran, reaksi

nuklir, atau radiasi surya. Penting juga diperhatikan bahan siklus yang

dimanfaatkan, yaitu uap atau gas. Juga mesin yang dimanfaatkan untuk

proses ini, misalnya boiler uap, atau motor diesel. Serta juga medium, atau

penerima panas dengan suhu yang terendah.

2.4.3 Siklus Tenaga Uap

Siklus Rankine atau siklus tenaga uap merupakan siklus teoritis

paling sederhana yang mempergunakan uap sebagai medium kerja

sebagaimana dipergunakan pada sebuah pusat listrik tenaga uap. Gambar 2.2a


12

memperlihatkan skema dari Pusat Listrik Tenaga Uap ( PLTU ) yang terdiri

atas komponen-komponen terpenting yaitu : boiler, turbin uap, dan kondensor.

Jumlah energi masuk sebagai bahan bakar melalui boiler adalah Em,

sedangkan energi efektif yang tersedia pada poros turbin adalah energi kerja

Ek. Energi yang terbuang melalui kondensor adalah sebesar Eb. Dengan

menganggap semua kerugian lainya adalah Eb, maka dapat dikatakan bahwa

berlaku :

Em = Ek + Eb

Sedangkan untuk efisiensi kerja dapat ditulis :

-

Dalam Gambar 2.2b, yang merupakan suatu diagram suhu entropi

bagi konstelasi menurut Gambar 2.2a, luas 1-2-3-4 merupakan energai

keluaran Ek, sedangkan luas a-b-3-4 merupakan energi terbuang Eb. Luas

wilayah a-b-2-1 mewakili jumlah energi masukan Em. Meningkatkan daya

guna siklus ini dapat dilakukan dengan menurunkan tekanan kondensor.

Secara ideal tekanan kondenser yang terendah dapat dicapai adalah tekanan

jenuh sesuai dengan suhu terendah dari air pendingin atau udara yang dipakai

sebagai penerima. Dalam diagram suhu-entropi hal ini berarti menutunkan

garis suhu 4-3. Hal ini dapat dilakukan dengan mempergunakan air pendingin

pada kondensor yang mempunyai suhu yang lebih rendah. Akan tetapi hal ini

sangat terbatas, karena air pendingin yang dapat dipakai hanyalah apa yang

tersedia, yaitu air laut, air sungai, atau air danau yang ada.


13

Gambar 2.2. Siklus Tenaga Uap: (a) Skema Pusat Listrik Tenaga Uap;

(b) Siklus Rankine.

2.4.4 Siklus Pemanasan Ulang

Peningkatan efisiensi dapat pula dicapai dengan mempergunakan

proses pemanasan ulang. Proses pemanasan ulang ini terlihat pada gambar

2.3.a. Turbin uap tebagi dua bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT) dan

bagian Tekanan Rendah (TR). Uap yang telah dipakai pada taraf pertama

meninggalkan bagian TT pada titik 3 dan dialirkan kembali ke boiler untuk

pemanasan ulang, kemudian dimasukkan kembali ke turbin pada titik 4 dan

dipakai oleh bagian TR turbin uap tersebut.

Luas 1-2-3-4-5-6 dari gambar 2.3b yang “mewakili” jumlah energi

yang dimanfaatkan, dengan demikian menjadi lebih besar, dan daya guna atau

efisiensi termal dari pusat tenaga listrik menjadi lebih besar pula. Untuk

mesin-mesin yang lebih besar, pemanasan ulang dapat dilakukan hingga dua

kali, dan turbin uap terbagi atas tiga bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi

(TT), Tekanan Menengah (TM), dan Tekanan Rendah (TR).

Keuntungan dari pemanasan kembali adalah untuk menghindari

terjadinya korosi dan pengikisan, peningkatan kualiltas uap, peningkatan

efisiensi sudu dan nosel, efisiensi panas, dan daya keluaran. Tetapi biaya

yang diperlukan untuk pemanasan kembali lebih besar dibandingkan dengan

keuntungan yang didapat dari peningkatan efisiensi panas, disamping itu

pemeliharaan menjadi lebih banyak.


14

Gambar 2.3. PLTU dengan Proses Pemanasan Ulang

2.4.5 Siklus Regeneratif

Dalam apa yang dinamakan siklus regeneratif sebagian dari energi

yang berada di dalam rangkaian panas dipertahankan beredar dalam

rangkaian itu. Hal demikian dilakukan dengan misalnya memanaskan air

yang keluar dari kondensor dengan uap yang “dipinjam” dari turbin, sebelum

dimasukkan ke boiler sebagaimana terlihat dalam gambar 2.4a. Lengkung

suhu entropi menjadi sebagaimana tampak pada Gambar 2.4b.


15

Gambar 2.4. PLTU dengan Siklus Regeneratif

2.5 Komponen-Komponen Utama PLTU

Struktur dan komponen-komponen utama sebuah pusat listrik tenaga uap

( PLTU ) terlihat pada Gambar 2.6. Sebuah boiler bekerja sebagai tungku,

memindahkan panas berasal dari bahan bakar kepada barisan pipa air yang

mengelilingi api. Air harus berada senantiasa dalam keadaan mengalir walaupun

dilakukan dengan pompa.

Sebuah drum berisi air dan uap bertekanan dan suhu tinggi menghasilkan uap

yang diperlukan turbin. Drum itu juga menerima air pengisi yang diterima dari

kondensor. Uap mengalir ke turbin tekanan tinggi setelah melewati superheater

guna meningkatkan suhu kira-kira 200OC. Dengan demikian uap juga menjadi

kering dan efisiensi seluruh PLTU meningkat.

Turbin tekanan tinggi merubah energi termal menjadi energi mekanikal

dengan mengembangnya uap yang melewati sudu-sudu turbin. Uap dengan

demikian menurun baik tekanan maupun suhunya. Agar meningkatkan efisiensi

termal dan menghindari terjadinya kondensasi terlampau dini, uap dilewatkan

sebuah pemanas ulang yang juga terdiri atas barisan-baarisan pipa yang

dipanaskan.


16

Uap yang meninggalkan pemanas ulang dialirkan ke turbin tekanan

menengah. Turbin ini ukurannya lebih besar dari turbin tekanan tinggi, karena

dengan menurunnya tekanan uap volume menjadi naik. Uap kemudian dialirkan

ke turbin tekanan rendah, yang memiliki ukuran yang lebih besar. Uap lalu

dialirkan ke dalam kondensor.

Uap terpakai yang memasuki kondensor didinginkan oleh air pendingin,

sehingga terjadi kondensasi. Air pendingin biasanya berasal dari laut, sungai

atau danau terdekat. Proses kondensai uap menyebabkan terjadinya pakem yang

diperlukan guna meningkatkan efisiensi turbin. Air hangat yang meninggalkan

kondensor dipompakan ke sebuah pemanas awal sebelum dikembalikan ke drum

boiler. Pemanas awal memperoleh panas dari uap yang diambil dari turbin

tekanan tinggi. Menurut beberapa studi yang dilakukan, hal demikian

meningkatkan efisiensi keseluruhan PLTU.

Bahan bakar yang dipakai biasanya terdiri atas batu bara, minyak bakar, atau

gas bumi. Sebelum dimasukkan ke pembakar boiler, batu bara digiling terlebih

dahulu. Demikian juga minyak bakar perlu dipanaskan, sebelum dapat dialirkan

ke pembakar boiler. Sebuah kipas mengatur masuknya udara ke dalam boiler

dalam jumlah besar sebagaimana diperlukan guna pembakaran. Dan sebuah

kipas lain mengatur agar semua gas buang melewati berbagai alat pembersih

sebelum dialirkan ke cerobong dan dilepas ke udara bebas. Generator listrik

terpasang pada poros sama dengan ketiga turbin.

Selain komponen-komponen utama yang disebutkan diatas, sebuah PLTU

masih memiliki ratusan lagi komponen dan alat lain guna menjalankan seluruh

sistem, seperti katup uap, pembersih air, pompa minyak pelumas, dan lain

sebagainya. Kemudian perlu juga disebut sistem air pendingin, yang terdiri atas

tempat air masuk dan kembali ke laut, sungai atau danau. Kemungkinan adanya

menara pendingin. Kemudian instalasi untuk membuat air bersih bagi boiler.

Dan bilamana pendinginan generator dilakukan dengan hidrogen, terdapat pula

sebuah instalasi hidrogen. Sebuah PLTU batu bara juga perlu memiliki sebuah

fasilitas untuk penerimaan batu bara dari kereta api atau dari laut/sungai serta


17

sebuah halaman batu bara dengan fasilitas penggilingan. Banyak PLTU batu

bara juga dilengkapi dengan fasilitas untuk memanfaatkan abu terbangnya guna

dibuat batu bata untuk bangunan atau jalanan. Dan tidak kalah penting perlu

adanya fasilitas untuk mengurangi pencemaran. Agar partikel-partikel tidak

dibuang ke udara melalui cerobong, digunakan presipitator elektrostatik

( electrostatic presipitator ). Dan untuk mengurangi emisi belerang digunakan

peralatan desulfuralisasi gas buang ( fluegas desulfurization, FGD). Sulfur sering

terdapat pada batu bara. Untuk mengurangi masalah ini dikembangkan apa yang

dinamakan teknologi batu bara bersih ( clean coal technology ).


18

Keterangan :

1. Boiler

2. Drum

3. Turbin Tekanan Tinggi

4. Turbin Tekanan Menengah

5. Turbin Tekanan Rendah

6. Kondensor

7. Pemanas Awal

8. Pembakaran Bahan Bakar

9. Kipas Udara Masuk

10. Kipas Gas Buang

11. Generator

P Pompa Q2 Superhiter

Q1 Pipa-pia Boiler Q3 Pemanas Ulang

Gambar 2.6. Komponen-komponen Utama PLTU


19

2.5.1 Boiler / Ketel Uap

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke

air sampai terbentuk air panas atau uap ( steam ). Air panas atau steam pada

tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu

proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas

ke suatu proses.

Syarat-syarat ketel uap yang ideal, yaitu :

Memiliki konstruksi yang sederhana, mempunyai kinerja yang bagus,

dan terbuat dari bahan yang memerlukan biaya pemeliharaan yang

rendah.

Memiliki konstruksi yang mudah untuk keperluan ekspansi.

Memiliki sistem sirkulasi air dan uap air yang bagus.

Memiliki efisiensi yang tinggi dalam hal combustion dan heat transfer.

Memiliki respon cepat terhadap beban seketika dan beban lebih.

Memiliki kemudahan untuk pembersihan dan perbaikan.

Memiliki tingkat keselamatan yang tinggi.

Pada umumnya ketel uap diperlukan pada semua industri / perusahaan

yang memerlukan pemanasan di dalam produksinya atau menggunakan

tenaga uap untuk menjalankan mesin-mesinya. Ketel uap dipakai juga di

rumah-rumah sakit untuk memasak, memanasi suatu bejana, tempat

pencucian dan digunakan untuk penggerak mesin-mesin yang harus berputar

cepat ( turbin uap ) dan suatu mesin yang memerlukan suatu tenaga dorong

yang sangat kuat ( mesin uap ), kapal-kapal laut hingga masa kini masih

banyak menggunakan tenaga uap sebagai penggeraknya.

Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio penguapan,

berkurang terhadap waktu disebabkan buruknya pembakaran, kotornya

permukaan penukar panas dan buruknya operasi dan pemeliharaan. Bahkan

untuk boiler yang baru sekalipun, alasan seperti buruknya kualitas bahan

bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca

panas dapat membantu dalam mengidentifikasi kehilangan panas yang dapat

atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam


20

menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target

area permasalahan untuk tindakan perbaikan. Proses pembakaran dalam

boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini

menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan

bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi

aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi

yang dikandung dalam aliran masing-masing.

Gambar 2.7. Diagram Neraca Energi Boiler

2.5.1.1 Perpindahan Panas Pada Ketel Uap

Panas yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar dan udara,

yang berupa api (yang menyala) dan gas asap (yang tidak menyala)

dipindahkan kepada air, uap ataupun udara, melalui bidang yang dipanaskan

atau heating surface, pada suatu instalasi ketel uap, dengan tiga cara:

a. Dengan cara pancaran atau radiasi,

b. Dengan cara aliran atau konveksi,

c- Dengan cara perambatan atau konduksi.

a. Perpindahan panas secara pancaran atau radiasi.


21

Pemindahan panas secara pancaran atau radiasi adalah perpindahan

panas antara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui

gelombang- gelombang elektro-magnetis tanpa tergantung kepada ada

atau tidaknya media atau zat diantara benda yang menerima pancaran

panas tersebut.

Pemindahan panas secara pancaran dapat dibayangkan berlangsung

melalui media berupa Aether yaitu suatu jenis materi bayangan tanpa

bobot, yang mengisi seluruh sela-sela ruangan di antara molekul-molekul

dari suatu zat tertentu, ataupun di dalam ruang hampa sekalipun. Molekul-

molekul api yang merupakan hasil pembakaran bahan bakar dan udara

akan menyebabkan terjadinya gangguan keseimbangan elektro-magnetis

terhadap Aether tersebut.

Sebagian dari panas atau energi yang timbul dari hasil pembakaran

tersebut, diserahkan kepada aether, dan yang akan menyerahkannya lebih

lanjut melalui gelombang-gelombang elektro-magnetik kepada benda atau

bidang yang akan dipanasi ( dinding ketel, dinding tungku, lorong api,

pipa-pipa ketel dan sebagainya ).

Penyerahan panas dari api atau gas asap melalui aether kepada bidang

yang akan dipanasi tersebut melalui gelombang-gelombang elektro-

magnetik yang lintasannya lurus seperti halnya lintasan sinar.

Apabila lintasan penyerahan panas melalui gelombang-gelombang

elektro-magnetis dari aether tersebut tertutup atau terhalang oleh benda

lain, maka bidang yang akan dipanasi tadi tidak akan menerima panas

secara pancaran, atau terhalang penyerahan panas secara pancarannya.

Dengan demikian: bidang yang akan dipanasi hanya dapat menerima

perpindahanpanas secara pancaran bila benda / bidang tersebut dapat

melihat api tersebut. Dan bila sesuatu benda / bidang terhalang

penglihatannya oleh api, maka bidang / benda tersebut tidak akan

memperoleh panas secara pancaran.


22

b. Perpindahan panas secara aliran atau konveksi.

Perpindahan panas secara aliran atau konveksi adalah perpindahan

panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida ( cair ataupun

gas ). Molekul-molekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang-layang

kesana kemari membawa sejumlah panas. Pada saat molekul fluida

tersebut menyentuh dinding ketel makan panasnya dibagikan sebagian,

dan selebihnya dibawa pergi. Bila gerakan dari molekul-molekul yang

melayang-layang kesana kemari tersebut disebabkan karena perbedaan

temperatur di dalam fluida itu sendiri, maka perpindahan panasnya disebut

konveksi bebas atau konveksi alamiah. Bila gerakan molekul-molekul

tersebut sebagai akibat dari kekuatan mekanis ( karena dipompa atau

karena dihembus dengan kipas ) maka perpindahan panasnya disebut

konveksi paksa.

Dalam gerakannya, molekul-molekul tersebut tidak perlu melalui

lintasan yang lurus untuk mencapai dinding ketel atau bidang yang

dipanasi.

c. Perpindahan panas secara perambatan atau konduksi.

Perpindahan panas secara perambatan atau konduksi adalah

perambatan panas dari satu bagian benda padat ke bagian lain dari benda

padat yang sama, atau dari benda padat yang satu ke benda padat yang lain

karena terjadinya persinggungan fisik ( kontak fisik atau menempel ),

tanpa terjadinya perpindahan molekul-molekul dari benda padat itu sendiri.

Di dalam dinding ketel tersebut, panas akan dirambatkan oleh

molekul-molekul dinding ketel sebelah luar yang berbatasan dengan api,

menuju molekul-molekul dinidnig ketel sebelah dalam yang berbatasan

dengan air, uap ataupun udara. Perambatan panas melalui benda padat

menempuh jarak yang terpendek.


23

2.5.1.2 Klasifikasi Ketel Uap

Ketel uap merupakan suatu pesawat konversi energi yang

mengkonversikan energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas. Energi

panas ini akan dimanfaatkan untuk proses pendidihan ( boiling ) air menjadi

uap air. Uap air yang terbentuk masih bersifat jenuh sehingga perlu ada

pemanasan lanjut untuk menghasilkan uap superpanas yang akan mempunyai

sifat-sifat seperti gas sempurna. Uap superpanas tersebut digunakan untuk

menggerakkan sudu-sudu turbin uap sebagai penggerak mula (prime mover).

Berdasarkan pemakaiannya, ketel dapat diklasifikasikan menjadi:

a. Ketel stasioner ( stasionary boiler ) atau ketel tetap. Yang termasuk

dalam ketel ini adalah ketel-ketel yang didudukkan di atas fondasi

yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk industri

dan lain-lain.

b. Ketel mobil ( mobile boiler ) ketel pindah Ketel ini merupakan jenis

ketel yang dipasang pada pondasi yang berpindah-pindah (mobile),

seperti boiler lokomotif, loko mobil dan ketel panjang serta yang

lain termasuk ketel kapal ( marine boiler ).

Berdasarkan letak dapur ( furnace position ), diklasifikasikan menjadi:

a. Ketel dengan sistem pembakaran di dalam ( internal fire steam

boiler ), dalam hal ini dapur berada pada bagian dalam ketel.

Kebanyakan digunakan dalam ketel pipa api.

b. Ketel dengan system pembakaran di luar ( outernally fire steam

boiler ), dalam hal ini dapur berada di luar ketel dan sering

digunakan pada ketel pipa air.

Menurut jumlah lorong ( boiler tube ), dapat diklasifikasikan menjadi:

a. Ketel dengan lorong tunggal ( single tube steam boiler ). Pada jenis

ini hanya terdapat satu lubang saja, apakah itu merupakan lubang

api maupun lubang air.


24

b. Ketel dengan lorong ganda ( multi tube steam boiler ) Contoh dari

ketel ini adalah ketel scotch dan multi water tube boiler ( ketel B

dan W )

Tergantung pada poros tutup drum (shell), ketel ini diklaisfikasikan:

a. Ketel tegak ( vertical steam boiler ), seperti ketel Cochcram, ketel

Clarkson dan sebagainya.

b. Ketel mendatar ( horizontal steam boiler ), seperti ketel Cornish,

Lancashire, scoth dan lain sebagainya.

Menurut bentuk dan letak pipa, diklasifikasikan menjadi:

a. Ketel dengan pipa lurus, bengkok, dan lekuk-lekuk ( straight, bent,

and sinous tubuler heating )

b. Ketel dengan pipa miring-datar dan miring-tegak ( horizontal,

incliened or vertical tubeler heating surface )

Menurut sistem peredaran air ketel ( water circulation ), dibedakan

menjadi:

a. Ketel dengan peredaran alami ( natural circulation steam boiler )

Pada ketel ini, peredaran air dalam ketel terjadi secara alami, yaitu

air yang ringan naik sedang air yang berat turun sehingga terjadi

aliran konveksi alami. Ketel yang beroperasi secara aliran alami

adalah ketel Lanchasire, Babcock dan Wilcox, dan lain-lain.

b. Ketel dengan peredaran paksa ( force circulation steam boiler ).

Pada ketel dengan aliran paksa, aliran paksa diperoleh dari sebuah

pompa sentrifugal yang digerakkan dengan elektrik motor. Ketel

aliran paksa dipakai pada ketel-ketel yang bertekanan tinggi seperti

La-Mont Boiler, Benson Boiler, Luffer Boiler, dan Velcan Boiler.

Tergantung dari sumber panasnya ( heat surface ) untuk pembuatan

uap, ketel jenis ini dapat diklasifikasikan menjadi:

a. Ketel uap dengan bahan bakar alami

b. Ketel uap dengan bahan bakar buatan

c. Ketel uap dengan dapur listrik

d. Ketel uap dengan energi nuklir


25

Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka ketel dapat

diklasifikasikan sebagai berikut

a. Fire Tube Boiler. Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-

pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi

steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam

yang relatif kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang.

Sebagai pedoman fire tube boilers mampu menghasilkan uap

sebesar 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube

boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau

bahan bakar padat dalam operasinya.

b. Water Tube Boiler. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan

tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk

pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern

dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam,

dengan tekanan sangat tinggi. Karakteristik water tube boilers

sebagai berikut: Forced, induced dan balanced draft membantu

untuk meningkatkan efisiensi pembakaran. Kurang toleran terhadap

kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air.

Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.

c. Paket Boiler. Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai

paket yang lengkap. Ciri-ciri dari packaged boilers adalah:

Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas

menghasilkan penguapan yang lebih cepat. Banyaknya jumlah pipa

yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas

konvektif yang baik.

d. Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed ( CFB ). Pembakaran

dengan fluidized bed ( CFB ) muncul sebagai alternatif yang

memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti

dibanding sistim pembakaran yang konvensional dan memberikan


26

banyak keuntungan – rancangan boiler yang kompak, fleksibel

terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan

berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx.

Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara,

sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized bed

memiliki kisaran kapasitas bahan bakar yang digunakan antara 0.5

T/jam sampai lebih dari 100 T/jam.

e. Atmospheric Fluidized Bed Combustion ( AFBC ) Boiler.

Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah

Atmospheric Fluidized Bed Combustion ( AFBC ) Boiler. Alat ini

hanya berupa shell boiler konvensional biasa yang ditambah

dengan sebuah fluidized bed combustor.

f. Pressurized Fluidized Bed Combustion ( PFBC ) Boiler. Pada tipe

Pressurized Fluidized bed Combustion ( PFBC ), sebuah

kompresor memasok udara Forced Draft ( FD ), dan pembakarnya

merupakan tangki bertekanan. Sistim PFBC dapat digunakan untuk

pembangkitan kogenerasi ( uap dan listrik ) atau pembangkit tenaga

dengan siklus gabungan / combined cycle. Operasi combined cycle

( turbin gas & turbin uap ) meningkatkan efisiensi konversi

keseluruhan sebesar 5 hingga 8 persen.

g. Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers

( CFBC ). Boiler CFBC pada umumnya lebih ekonomis daripada

boiler AFBC, untuk penerapannya di industri memerlukan lebih

dari 75 – 100 T/jam steam. Untuk unit yang besar, semakin tinggi

karakteristik tungku boiler CFBC akan memberikan penggunaan

ruang yang semakin baik, partikel bahan bakar lebih besar, waktu

tinggal bahan penyerap untuk pembakaran yang efisien dan

penangkapan SO2 yang semakin besar pula, dan semakin mudah

penerapan teknik pembakaran untuk pengendalian NOx daripada

pembangkit steam AFBC.


27

h. Stoker Fired Boilers. Diklasifikasikan menurut metode

pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis grate nya.

2.5.2 Turbin Uap

Turbin uap adalah pesawat dengan aliran tetap ( steady-flow )

machine. Turbin uap mendapat energi uap yang bertemperatur dan bertekanan

tinggi yang berekspansi melalui sudu-sudu turbin, dimana uap melalui nosel

diekspansikan ke sudu-sudu turbin dengan penuruna tekanan yang drastis

sehingga terjadi perubahan energi kinetik pada uap. Energi kinetik uap yang

keluar dari nosel diberikan pada sudu-sudu turbin. Akibatnya, poros turbin

berputar dan menghasilkan tenaga.

Turbin uap modern pertama kali dikembangkan oleh Sir Charles

Parsons pada tahun 1884. Pada perkembangannya, turbin uap ini mampu

menggantikan peranan dari kerja mesin uap piston torak. Hal ini disebabkan

karena turbin uap memiliki kelebihan berupa efisiensi termal yang besar dan

perbandingan berat dengan daya yang dihasilkan yang cukup tinggi. Pada

prosesnya turbin uap menghasilkan gerakan rotasi, sehingga hal ini sangat

cocok digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Pada saat ini, banyak

pembangkit listrik di seluruh dunia telah menggunakan turbin uap.

2.5.2.1 Klasifikasi Turbin Uap

Turbin uap dapat diklasifikasikan ke dalam kategori yang berbeda-

beda, tergantung dari konstruksi, panas jatuh yang dihasilkan, keadaan mula-

mula dan akhir dari uap, penggunaan dalam industri serta jumlah tingkat yang

ada padanya.

Sesuai dengan jumlah tingkat

a. Turbin uap dengan satu tingkat tekanan dengan satu atau beberapa

tingkat kecepatan, biasanya menghasilkan tenaga kecil. Banyak

digunakan pada kompresor sentrifugal, blower dan lain-lain.


28

b. Turbin uap dengan bebrapa tingkat tekanan, turbin ini dibuat

dengan beberapa macam variasi dari kapasitas besar sampai

kapasitas kecil.

Sesuai dengan aliran uap

a. Turbin aksial yaitu suatu turbin dimana uap masuk ke sudu jalan

dengan poros turbin.

b. Turbin radial yaitu dimana suatu aliran uap masuk ke sudu jalan

tegak lurus terhadap poros turbin. Biasanya beberapa turbin satu

atau lebih dengan tingkat tekanan rendah dibuat secara aksial.

Sesuai dengan jumlah silinder

a. Turbin dengan satu silinder.

b. Turbin dengan dua silinder.

c. Turbin dengan tiga silinder dan lain-lain.

Sesuai dengan pengaturan cara masuknya uap

a. Turbin dengan pengatur katub (throttle), uap baru masuk ke sudu

jalan di atur oleh satu atau beberapa katub.

b. Turbin dengan pengatur pipa pemancar, dimana uap baru masuk

melalui dua atau beberapa alat pengatur yang dipasang secara

berderet-deret.

c. Turbin dengan pengatru terusan, dimana setelah uap baru masuk ke

sudu jalan di teruskan ke sudu yang lain, bahkan sampai beberpa

tingkat berikutnya.

Sesuai dengan prinssip kerja dari uap

a. Turbin aksi, dimana energy potensial uap direubah menjadui tenaga

kinetis di dalam sudu tetap dan sudu jalan ernerggi kinetic di ubah

menjadi energy mekanik.

b. Turbin reaksi aksial, pengembangan uap dilakukan di dalam sudu

tetap dan sudu jalan, keduanya diletakkan dan sama luasnya.

c. Turbin reaksi radial tanpa beberapa sudu antar tetap.

d. Turbin reaksi radial yang mempunyai sudu antar tetap.

Sesuai dengan proses panas jatuh


29

a. Condensing turbin dengan generator, pada turbin ini tekanan uap

yang kurang dari satu atrmosfer dimasukan ke dalam kondensor.

Disamping itu uapa juga dikeluarakan dari tingkat perantara untuk

pemanasan air penambah. Turbin dengan kapasitas yang kecil pada

perencanaan mulanya sering tidak mempunyai regenerator panas.

b. Condensing turbin dengan satu atau dua tingkat penurunan

perantara pada tekanan spesifik untuk keperluan pemanasan dan

industri.

c. Turbin tekanan akhir atau back pressure turbin, dimana

pengeluaran uap dipakai untuk tujuan industri dan pemanasan.

d. Topping turbin, turbin ini seperti tipe pressure back turbine dengan

perbedaaan bahwa pengeluaran uap dari turbin ini juga digunakan

dalam medium dan turbin dengan tekanan rendah.

e. Turbin tekanan rendah ( tekanan pengeluaran rendah ), dimana

pengeluaran uap dari mesin uap torak, hammer uap, press uap

dipakai untuk menggerakkan generator.

f. Mix pressure turbine ( turbine dengan tekanan campuran ), dengan

dua atau tiga tingkat tekanan, dengan mengganti uap yang keluar

padanya dengan uap baru pada tingkat perantara.

Sesuai dengan kondisi tekanan uap yang masuk pada turbin

a. Turbin tekanan rendah.

b. Turbin tekanan menengah.

c. Turbin tekanan tinggi.

d. Turbin tekanan sangat tinggi.

e. Turbin dengan tekanan super.

Sesuai penggunaan dalam industri

a. Turbin stasioner dengan kecepatan konstan, untuk penggerak

altenator.

b. Turbin stasioner dengan variasi kecepatan untuk menggerakkan

turbo blewer, pompa dan lain-lain.


30

c. Turbin non-stasioner dengan variasi kecepatan, biasanya dipakai

pada kalap, lokomotif dan lain-lain.

Sesuai dengan prinsip kerjanya

a. Turbin Impulse ( Aksi )

Turbin impuls atau turbin tahapan impuls adalah turbin sederhana

berrotor satu atau banyak (gabungan ) yang mempunyai sudu-sudu

pada rotor itu. Sudu biasanya simetris dan mempunyai sudut masuk

dan sudut keluar.

Turbin satu tahap.

Turbin impuls gabungan.

Turbin impuls gabungan kecepatan.

Ciri-ciri dari turbin impuls antara lain:

- Proses pengembangan uap / penurunan tekanan seluruhnya

terjadi pada sudu diam / nosel.

- Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan

tekanan rata.

b. Turbin Reaksi

Turbin reaksi mempunyai tiga tahap, yaitu masing-masingnya

terdiri dari baris sudu tetap dan dua baris sudu gerak. Sudu

bergerrak turbin reaksi dapat dibedakan dengan mudah dari sudu

impuls karena tidak simetris, karena berfungsi sebagai nossel

bentuknya sama dengan sudu tetap walaupun arahnya lengkungnya

berlawanan.

Ciri-ciri turbin ini adalah :

- Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di nosel dan sudu

gerak.

- Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut

tekanan bertingkat.


31

Gambar 2.8. Turbin Impuls ( Aksi ) vs Turbin Reaksi

2.5.3 Kondensor

Kondensor merupakan peralatan untuk mengembunkan kembali uap

yang telah dimanfaatkan untuk memutar turbin uap. Hal ini diperlukan untuk

menghemat sumber air yng ada di sekitarnya serta menjamin kemurnian air

yang digunakan dalam sistem turbin uap agar tidak terjadi pengendapan

maupun kotoran-kotoran yang dapat merusak. Sebagai pendingin kondensor

biasanya menggunakan air dingin seperti air sungai, laut atau air tanah yang

sudah diproses melalui water treatment terlebih dahulu. Air yang dihasilkan

dinamakan air suling atau kondensat.

Kondensor terdiri dari tube-tube kecil yang melintang. Pada tube-tube

inilah air pendingin dari laut dialirkan. Sedangkan uap mengalir dari atas

menuju ke bawah agar mengalami kondensasi atau pengembunan. Sebelum

masuk kedalam kondensor, air laut biasanya melewati debris filter yang

berfungsi untuk menyaring kotoran-kotoran ataupun lumpur yang terbawa air

laut.

Cara kerja kondensor yaitu pompa menghisap air dari sumber air lalu

dialirkan ke kondensor untuk mendinginkan uap bekas. Uap bekas yang

berubah menjadi air kembali dialirkan ke boiler. Kemampuan kondensor


32

tergantung dari kemampuannya menyerap panas latent penguapan dari uap

buang turbin. Kondensor tersebut menjadi berkurang akibat dari laju

perpindahan panas antara air pendingin dengan uap buang turbin terhambat

oleh kotoran atau kerak.

Secara umum, terdapat 2 jenis kondensor yaitu : direct-contact

condenser dan surface condenser. Seperti namanya, direct-contact condenser

mengkondensasikan steam dengan mencampurnya langsung dengan air

pendingin. Direct-contact atau open condenser digunakan pada beberapa

kasus khusus, seperti : ketika digunakan menara pendingin, pada pembangkit

listrik tenaga panas bumi, dan pada pembangkit liastrik yang menggunakan

perbedaan temperatur air laut. Surface condenser merupakan jenis yang

paling banyak digunakan di pembangkit listrik. Jenis ini merupakan heat

exchanger tipe shell and tube, dimana mekanisme perpindahan panas

utamanya adalah kondensasi saturated steam pada sisi luar tube dan

pemanasan secara konveksi paksa dari circulating water di dalam tube.

2.5.4 Pompa

Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu

cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan

tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi

hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat

berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Zat

cair tersebut contohnya adalah air, oli atau minyak pelumas, serta fluida

lainnya yang tak mampu mampat. Industri-industri banyak. menggunakan

pompa sebagai salah satu peralatan bantu yang penting untuk proses

produksi. Sebagai contoh pada pembangkit listrik tenaga uap, pompa

digunakan untuk menyuplai air umpan ke boiler atau membantu sirkulasi air

yang akan diuapkan di boiler

Pompa juga merupakan alat mesin konversi energi, tetapi mesin ini

banyak diaplikasikan sebagai alat bantu proses konversi. Sebagai contoh


33

pompa banyak dipakai sebagai alat sirkulasi air pada instalasi pembangkit

tenaga uap. Pompa bekerja dengan penggerak dari luar. Jadi mesin ini adalah

pengguna energi.

Pompa Secara umum pompa dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian

yaitu pompa kerja positif ( positive displacement pump ) dan pompa kerja

dinamis ( non positive displacement pump ).

Pada pompa kerja positif kenaikan tekanan cairan di dalam pompa

disebabkan oleh pengecilan volume ruangan yang ditempati cairan tersebut.

Adanya elemen yang bergerak dalam ruangan tersebut menyebabkan volume

ruangan akan membesar atau mengecil sesuai dengan gerakan elemen

tersebut. Secara umum pompa kerja positif diklasifikasikan menjadi Pompa

Reciprocating dan Pompa Rotari.

Pada pompa kerja dinamis energi penggerak dari luar diberikan

kepada poros yang kemudian digunakan untuk menggerakkan baling-baling

yang disebut impeler. Impeler memutar cairan yang masuk ke dalam pompa

sehingga mengakibatkan energi tekanan dan energi kinetik cairan bertambah.

Cairan akan terlempar ke luar akibat gaya sentrifugal yang ditimbulkan

gerakan impeler. Yang termasuk jenis pompa ini adalah pompa sentrifugal.

2.6 Siklus Uap dan Air

Gambar 2.9 menggambarkan siklus uap dan air yang berlangsung dalam

PLTU, yang dayanya relatif besar, di atas 200 MW. Untuk PLTU ukuran ini,

PLTU umumnya memiliki pemanas ulang dan pemanas awal serta mempunyai

tiga turbin yaitu turbin tekanan tinggi, turbin tekanan menengah, dan turbin

tekanan rendah. Siklus yang digambarkan oleh Gambar 2.9 telah disederhanakan,

yaitu bagian yang menggambarkan sirkuit pengolahan air untuk suplisi

dihilangkan untuk penyederhanaan. Suplisi air ini diperlukan karena adanya

kebocoran uap pada sambungan-sambungan pipa uap dan adanya blow down air

dari drum ketel.

Air dipompakan ke dalam drum dan selanjutnya mengalir ke pipa-pipa air

yang merupakan dinding yang mengelilingi ruang bakar ketel. Ke dalam ruang


34

bakar ketel disemprotkan bahan bakar dan udara pembakaran. Bahan bakar yang

dicampur udara ini dinyalakan dalam ruang bakar sehingga terjadi pembakaran

dalam ruang bakar. Pembakaran bahan bakar dalam ruang bakar mengubah

energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar menjadi energi panas ( kalori ).

Energi panas hasil pembakaran ini dipindahkan ke air yang ada dalam pipa air

ketel melalui proses radiasi, konduksi dan konveksi.

Untuk setiap macam bahan bakar, komposisi perpindahan panas berbeda.

misalnya bahan bakar minyak paling banyak memindahkan kalori hasil

pembakarannya melalui radiasi dibandingkan bahan bakar lainnya. Untuk

melaksanakan pembakaran diperlukan oksigen yang diambil dari udara. Oleh

karena itu, diperlukan pasokan udara yang cukup ke dalam ruang bakar. Untuk

keperluan memasok udara ke ruang bakar, ada kipas ( ventilator ) tekan dan

kipas isap yang dipasang masing-masing pada ujung masuk udara ke ruang

bakar dan pada ujung keluar udara dari ruang bakar.

Gas hasil pembakaran dalam ruang bakar setelah diberi "kesempatan"

memindahkan energi panasnya ke air yang ada di dalam pipa air ketel, dialirkan

melalui saluran pembuangan gas buang untuk selanjutnya dibuang ke udara

melalui cerobong. Gas buang sisa pembakaran ini masih mengandung banyak

energi panas karena tidak semua energi panasnya dapat dipindahkan ke air yang

ada dalam pipa air ketel. Gas buang yang masih mempunyai suhu di atas 400oC

ini dimanfaatkan untuk memanasi.

2.6.1 Pemanas Lanjut ( Super Heater )

Di dalam pemanas lanjut, mengalir uap dari drum ketel yang menuju

ke turbin uap tekanan tinggi. Uap yang mengalir dalam pemanas lanjut ini

mengalami kenaikan suhu sehingga uap air ini semakin kering, oleh karena

adanya gas buang di sekeliling pemanas lanjut.

2.6.2 Pemanas Lanjut ( Reheater )

Uap yang telah digunakan untuk menggerakkan turbin tekanan tinggi,

sebelum menuju turbin tekanan menengah, dialirkan kembali melalui pipa


35

yang dikelilingi oleh gas buang. Di sini uap akan mengalami kenaikan suhu

yang serupa dengan pemanas lanjut.

2.6.3 Economizer

Gas asap setelah meniggalkan superheater maupun reheater,

temperaturnya masih cukup tinggi sekitar 500oC hingga 800

oC, sehingga akan

merupakan kerugian panas yang besar bila gas asap tersebut langsung

dibuang lewat cerobong. Gas asap yang masih panas ini dapat dimanfaatkan

untuk memanasi air terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam drum ketel,

sehingga air telah dalam keadaan panas, sekitar 30oC sampai 50

oC dibawah

temperatur mendidihnya.

Air yang telah dalam keadaan panas pada saat masuk ke dalam drum

ketel membawa keuntungan karena di tempat air masuk ke dalam drum,

dinding ketel tidak mengerut sehingga drum ketel dapat lebih awet. Dengan

demikian, biaya perawatan atau biaya maintenance nya menjadi lebih murah.

Lain halnya bila air dalarn keadaan dingin masuk ke dalam drum tersebut,

dinding drum akan mengerut dan mudah pecah atau bocor, sehingga biaya

perawatannya mahal.

Keuntungan kedua ialah dengan memanfaatkan gas asap yang masih

mempunyai temperatur yang tinggi tersebut untuk memanasi air sebelum

masuk ke dalam drum ketel, berarti akan memperbesar efisiensi dari ketel uap,

karena dapat memperkecil kerugian panas yang diderita oleh ketel.

Keuntungan berikutnya ialah dengan air yang telah dalam keadaan

panas masuk ke dalam drum ketel tersebut, untuk menguapkannya di dalarn

tungku hanya sedikit saja dibutuhkan panas, sehingga dengan demikian untuk

menguapkan air di dalam tungku hanya dibutuhkan sedikit bahan bakar,

sehingga pemakaian bahan bakamya lebih hemat atau dengan kata lain, biaya

operasinya menjadi lebih ekonomis.

Keuntungan keempat ialah, bila air telah dalam keadaan panas

memasuki drum ketel, maka untuk menguapkannya hanya dibutuhkan panas

yang sedikit di dalam penguap, sehingga luas bidang yang dipanaskan atau


36

heating surface dari penguap atau evaporator menjadi lebih sedikit, akibatnya

ukuran-ukuran tungku menjadi lebih kecil, oleh karena itu harga tungku

menjadi lebih murah atau secara keseluruhannya harga ketel atau harga

investasinya menjadi lebih murah, sekalipun harus dipasang alat untuk

memanaskan air terlebih dahulu sebelum masuk drum ketel.

2.6.4 Pemanas Udara

Udara yang akan dialirkan ke ruang pembakaran yang digunakan

untuk membakar bahan bakar terlebih dahulu dialirkan melalui pemanas

udara agar mendapat pemanasan oleh gas buang sehingga suhu udara

pembakaran naik yang selanjutnya akan mempertinggi suhu nyala

pembakaran.

Dengan menempatkan alat-alat tersebut di atas dalam saluran gas

buang. maka energi panas yang masih terkandung dalam gas buang dapat

dimanfaatkan semaksimal mungkin. Sebelum melalui pemanas udara, gas buang

diharapkan masih nrempunyai suhu di atas suhu pengembunan asam sulfat

H2SO4, yaitu sekitar 1800C. Hal ini perlu untuk menghindari terjadinya

pengembunan asam sulfat di pemanas udara. Apabila hal ini terjadi, maka akan

terjadi korosi pada pemanas udara dan pemanas udara tersebut akan menjadi

rusak (keropos).

Energi panas yang timbul dalam ruang pembakaran sebagai hasil

pembakaran. Setelah dipindahkan ke dalam air yang ada dalam pipa air ketel,

akan menaikkan suhu air dan menghasilkan uap. Uap ini dikumpulkan dalam

drum ketel. Uap yang terkumpul dalam drum ketel mempunyai tekanan dan suhu

yang tinggi di mana bisa mencapai sekitar 100 kg/cm2 dan 530"C. Energi uap

yang tersimpan dalam drum ketel dapat digunakan untuk mendorong atau

memanasi sesuatu ( uap ini mengandung enthalpy ). Drum ketel berisi air di

bagian bawah dan uap yang mengandung enthalpy di bagian atas.

Uap dari drum ketel dialirkan ke turbin uap, dan dalam turbin uap,

energi ( enthalphy ) dari uap dikonversikan menjadi energi mekanis penggerak


37

generator. Turbin pada PLTU besar, di atas 150 MW, umumnya terdiri dari 3

kelompok, yaitu turbin tekanan tinggi, turbin tekanan menengah, dan turbin

tekanan rendah. Uap dari drum ketel mula-mula dialirkan ke turbin tekanan

tinggi dengan terlebih dahulu melalui pemanas lanjut agar uapnya menjadi

kering. Setelah keluar dari turbin tekanan tinggi, uap dialirkan ke pemanas ulang

untuk menerima energi panas dari gas buang sehingga suhunya naik. Dari

pemanas ulang, uap dialirkan ke turbin tekanan menengah.

Keluar dari turbin tekanan menengah, uap langsung dialirkan ke

turbin tekanan rendah. Turbin tekanan rendah umumnya merupakan turbin

dengan aliran uap ganda dengan arah aliran yang berlawanan untuk mengurangi

gaya aksial turbin.

Dari turbin tekanan rendah, uap dialirkan ke kondensor untuk

diembunkan. Kondensor memerlukan air pendingin untuk mengembunkan uap

yang keluar dari turbin tekanan rendah. Oleh karena itu, banyak PLTU dibangun

di pantai, karena dapat menggunakan air laut sebagai air pendingin kondensor

dalam jumlah yang besar. Di lain pihak, penggunaan air laut sebagai air

pendingin menimbulkan masalah-masalah sebagai berikut :

a. Material yang dialiri air laut harus material anti korosi ( tahan air laut ).

b. Binatang laut ikut masuk dan berkembang biak dalam saluran air pendingin

yang memerlukan pembersihan secara periodik.

c. Selain binatang laut, kotoran air laut juga ikut masuk dan akan menyumbat

pipa-pipa kondensor sehingga diperlukan pembersihan pipa kondensor

secara periodik.

d. Ada resiko air laut masuk ke dalam sirkuit uap. Hal ini berbahaya bagi

sudu-sudu turbin uap. Oleh karena itu, harus dicegah.

Setelah air diembunkan dalam kondensor, air kemudian dipompa ke

tangki pengolah air. Dalam tangki pengolah air, ada penambahan air untuk

mengkompensasi kehilangan air yang terjadi karena kebocoran. Dalam tangki

pengolah air, air diolah agar memenuhi mutu yang diinginkan untuk air ketel.

Mutu air ketel antara lain menyangkut kandungan NaCl, Cl, O2, dan derajat


38

keasaman ( pH ). Dari tangki pengolah air, air dipompa kembali ke ketel, tetapi

terlebih dahulu melalui economizer. Dalam economizer, air mengambil energi

panas dari gas buang sehingga suhunya naik, kemudian baru mengalir ke ketel

uap.

2.7 Masalah Operasi

Untuk menstart PLTU dari keadaan dingin sampai operasi dengan beban

penuh, dibutuhkan waktu antara 6-8 jam. Jika PLTU yang telah beroperasi

dihentikan, tetapi uapnya dijaga agar tetap panas dalam drum ketel dengan cara

tetap menyalakan api secukupnya untuk menjaga suhu dan tekanan uap ada di

sekitar nilai operasi ( yaitu sekitar 5000C dan sekitar 100 kg/cm

2 ) maka untuk

mengoperasikannya kembali sampai beban penuh diperlukan waktu kira-kira 1

jam. Waktu yang lama untuk mengoperasikan PLTU tersebut di atas terutama

diperlukan untuk menghasilkan uap dalam jumlah yang cukup untuk operasi

( biasanya dinyatakan dalam ton per jam ). Selain waktu yang diperlukan untuk

menghasilkan uap yang cukup untuk operasi, juga perlu diperhatikan masalah

pemuaian bagian-bagian turbin. Sebelum distart, suhu turbin adalah sama

dengan suhu ruangan, yaitu sekitar 300C. Pada waktu start, dialirkan uap dengan

suhu sekitar 5000C. Hal ini harus dilakukan secara bertahap agar jangan sampai

terjadi pemuaian yang berlebihan dan tidak merata. Pemuaian yang berlebihan

dapat menimbulkan tegangan mekanis ( mechanical stress ) yang berlebihan,

sedangkan pemuaian yang tidak merata dapat menyebabkan bagian yang

bergerak ( berputar ) bergesekan dengan bagian yang diam, misalnya antara

sudu-sudu jalan turbin dengan sudu-sudu tetap yang menempel pada rumah

turbin.

Apabila turbin sedang berbeban penuh kemudian terjadi gangguan yang

menyebabkan pemutus tenaga ( PMT ) generator yang digerakkan turbin trip,

maka turbin kehilangan beban secara mendadak. Hal ini menyebabkan putaran

turbin akan naik secara mendadak dan apabila hal ini tidak dihentikan, maka

akan merusak bagian-bagian yang berputar pada turbin maupun pada generator,

seperti: bantalan, sudu jalan turbin, dan kumparan arus searah yang ada pada


39

rotor generator. Untuk mencegah hal ini, aliran uap ke turbin harus dihentikan,

yaitu dengan cara menutup katup uap turbin. Pemberhentian aliran uap ke turbin

dengan menutup katup uap turbin secara mendadak menyebabkan uap

mengumpul dalam drum ketel sehingga tekanan uap dalam drum ketel naik

dengan cepat dan akhirnya menyebabkan katup pengaman pada drum membuka

dan uap dibuang ke udara. Bisa juga sebagian dari uap di by pass ke kondensor.

Dengan cara by pass ini tidak terlalu banyak uap yang hilang sehingga sewaktu

turbin akan dioperasikan kembali banyak waktu dapat dihemat untuk start.

Tetapi sistem by pass memerlukan biaya investasi tambahan karena kondensor

harus tahan suhu tinggi dan tekanan tinggi dari hasil by pass.

Dari uraian di atas tampak bahwa perubahan beban secara mendadak

memerlukan pula langkah pengurangan produksi uap secara mendadak agar

tidak terlalu banyak uap yang harus dibuang ke udara. Langkah pengurangan

produksi ini dilakukan dengan mematikan nyala api dalam ruang bakar ketel dan

mengurangi pengisian air ketel. Masalahnya di sini bahwa walaupun nyala api

dalam ruang bakar padam, masih cukup banyak panas yang tertinggal dalam

ruang bakar untuk menghasilkan uap sehingga pompa pengisi ketel harus tetap

mengisi air ke dalam ketel untuk mencegah penurunan level air dalam drum

yang tidak dikehendaki.

Mengingat masalah-masalah tersebut di atas yang menyangkut masalah

proses produksi uap dan masalah-masalah pemuaian yang terjadi dalam turbin,

sebaiknya PLTU tidak dioperasikan dengan persentase perubahan-perubahan

beban yang besar.

2.8 Pemeliharaan

Bagian-bagian PLTU yang memerlukan pemeliharaan secara periodik adalah

bagian-bagian yang berhubungan dengan gas buang dan dengan air pendingin,

yaitu pipa-pipu air ketel uap dan pipa-pipa air pendingin termasuk pipa-pipa

kondensor. Pipa-pipa ini semua memerlukan pembersihan secara periodik.

Pada pipa air ketel umurnnya banyak abu yang menempel dan perlu

dibersihkan agar proses perpindahan panas dari ruang bakar ke air melalui


40

dinding pipa tidak terhambat. Walaupun telah ada soot blower yang dapat

digunakan untuk menyemprotkan air pembersih pada pipa air ketel, tetapi tidak

semua bagian pipa air ketel uap dapat dijangkau oleh air pembersih soot blower

ini sehingga diperlukan kesempatan untuk pembersihan bagian yang tidak

terjangkau oleh soot blower tersebut.

Saluran air pendingin, terutama jika menggunakan air laut, umumnya

ditempeli binatang laut yang berkembang biak dan juga ditempeli kotoran air

laut sehirigga luas penampang efektif dari saluran tersebut menurun. Untuk

mengurangi binatang laut ini ada chlorination-plant yang menyuntikkan gas klor

ke dalam air pendingin ( air laut ) ini. Oleh karena itu, secara periodik saluran

air pendingin ( baik yang berupa saluran terbuka maupun pipa ) perlu secara

periodik dibersihkan. Pipa kondensor yang juga dilalui air pendingin, dan karena

penampangnya kecil, pipa ini juga memerlukan pembersihan yang lebih sering

daripada bagian saluran air pendingin yang lain. Namun pembersihan pipa air

kondensor tidak memerlukan penghentian operasi dari unit pembangkit yang

bersangkutan, hanya memerlukan penurunan beban karena pipa kondensor

dapat dibersihkan secara bertahap.

Pipa kondensor PLTU yang digunakan ada yang terbuat dari tembaga dan ada

yang terbuat dari titanium. Daya hantar panas tembaga lebih baik daripada

titanium, tetapi kekuatan mekanisnya tidak sebaik titanium. Oleh karena itu,

pada unit PLTU yang besar, misalnya pada unit 400 MW, digunakan pipa

titanium karena diperlukan pipa yang panjang. Karena daya hantar panas

titanium tidak sebaik daya hantar panas tembaga, maka soal kebersihan dinding

pipa titanium lebih memerlukan perhatian daripada pipa tembaga. Itulah

sebabnya, pada penggunaan pipa titanium dilengkapi dengan bola-bola

pembersih.

Sambungan pipa kondensor dengan dindingnya merupakan bagian yang

rawan terhadap kebocoran. Apabila terjadi kebocoran, maka air laut yang

mengandung NaCl masuk ke dalam sirkuit air ketel dan sangat berbahaya bagi

ketel uap dan ketel turbin. Tingkat kebocoran ini dapat dilihat dari daya hantar


41

listrik air ketel. Apabila daya hantar listrik ini tinggi, hal ini berarti tingkat

kebocoran kondensor tinggi.

Semua peralatan yang ada dalam saluran gas buang perlu dibersihkan secara

periodik, yaitu pemanas lanjut, pemanas ulang, economizer, dan pemanas udara.

Bagian-bagian PLTU lain yang rawan kerusakan dan perlu

perhatian/pengecekan periodik adalah bagian-bagian yang bergesek satu sama

lain, seperti bantalan dan roda gigi ; bagian-bagian yang mempertemukan dua

zat yang suhunya berbeda, misalnya kondensor dan penukar panas ; kotak-kotak

saluran listrik dan sakelar-sakelar.

Karena sebagian besar dari pekerjaan pemeliharaan tersebut di atas

memerlukan penghentian operasi unit yang bersangkutan apabila dilaksanakan,

maka pekerjaan-pekerjaan tersebut dilakukan sekaligus sewaktu unit menjalani

overhaul yang dilakukan secara periodik yakni sekali dalam 10.000 jam operasi

untuk waktu kira-kira 3 minggu. Dibandingkan dengan ketel uap, turbin uap

tidak banyak memerlukan pemeliharaan asal saja kualitas uap terjaga dengan

baik. Oleh karena itu, pemeriksaan turbin uap dapat dilakukan dalam setiap

20.000 jam operasi.

2.9 Penyimpanan Bahan Bakar

Karena banyaknya bahan bakar yang ditimbun di PLTU, maka perlu

perhatian khusus mengenai pengelolaan penimbunan bahan bakar agar tidak

terjadi kebakaran. Seharusnya di sekeliling tangki BBM dibangun bak pengaman

yang berupa dinding tembok. Volume bak pengaman ini harus sama dengan

volume tangki sehingga kalau terjadi kebocoran besar, BBM ini tidak mengalir

ke mana-mana karena semuanya tertampung oleh bak pengaman tersebut.

Pada penimbunan batubara, harus dilakukan pembalikan serta penyiraman

batubara agar tidak terjadi penyalaan sendiri.

Pada penimbunan bahan bakar minyak ( BBM ), harus dicegah terjadinya

kebocoran yang dapat mengalirkan BBM tersebut ke bagian instalasi yang

bersuhu tinggi sehingga dapat terjadi kebakaran.


42

Pada penggunaan gas sebagai bahan bakar, pendeteksian kebocoran bah.an

bakar gas ( BBG ) lebih sulit dibandingkan dengan kebocoran bahan bakar

minyak ( BBM ). Oleh karena itu, penggunaan gas, alat-alat pendeteksian

kebocoran harus dapat diandalkan untuk mencegah terjadinya kebakaran.

Pengawasan kebocoran gas hidrogen yang digunakan sebagai bahan

pendingin generator serupa dengan pengawasan kebocoran BBG, mengingat gas

hidrogen juga mudah terbakar.

Karena resiko terjadinya kebakaran pada PLTU besar, maka harus ada

instalasi pemadam kebakaran yang memadai dan personil perlu dilatih secara

periodik untuk menghadapi kemungkinan terjadinya kebakaran.

2.10 Water Treatment

Water Treatment atau proses penjernihan air merujuk ke sejumlah proses

yang dijalankan untuk membuat air layak untuk penggunaan akhir tertentu. Ini

mencakup penggunaan seperti air minum, proses industri, medis dan

penggunaan lainnya. Tujuan semua proses penjernihan air adalah

menghilangkan pencemar yang ada dalam air atau mengurangi kadarnya agar air

menjadi layak untuk penggunaan akhirnya. Dalam proses penjernihan air,

digunakan bahan-bahan kimia seperti HCl, NaOH, Resin, dan sebagainya.


http://id.wikipedia.org/wiki/Air

http://id.wikipedia.org/wiki/Air_minum

Chapter II 3

Documents

Transcript of Chapter II 3