I. Konversi Energy

Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu :

a. Pertama, energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam

bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi.

b. Kedua, energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk

putaran.

c. Ketiga, energi mekanik diubah menjadi energi listrik.

Gambar 2.1 Proses Konversi Energi Pada PLTU

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 energy tingkat pertama yang berlangsung dalam PLTU

adalah konversi energy 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 dan turbin uap ini

dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator.

II. Jenis-Jenis PLTU

III.Dasar-Dasar Konversi Energy

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 :

a. 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.

b. Kedua, uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu

diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa

putaran.

c. 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

d. 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.

e. Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.

Gambar 2.2 Siklus Fluida Kerja Sederhana Pada PLTU

  Siklus kerja PLTU yang merupakan siklus tertutup dapat digambarkan

dengan diagram T – s (Temperatur – entropi). Siklus ini adalah penerapan siklus

rankine ideal. Adapun urutan langkahnya adalah sebagai berikut :

Gambar 2.3 Diagram T – s Siklus PLTU (Siklus Rankine)

a – b   : Air dipompa dari tekanan P2 menjadi P1. Langkah ini adalah

langkah kompresi isentropis, dan proses ini terjadi pada pompa air

pengisi.

b – c   : Air bertekanan ini dinaikkan temperaturnya hingga mencapai titik

didih. Terjadi di LPheater, HP heater dan Economiser. .

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.

d – e   : Uap dipanaskan lebih lanjut hingga uap mencapai temperatur

kerjanya menjadi uap panas lanjut (superheated vapour). Langkah

ini terjadi di superheater boiler dengan prosesisobar.

e – f    : Uap melakukan kerja sehingga tekanan dan temperaturnya turun.

Langkah ini adalah langkah ekspansi isentropis, dan terjadi didalam

turbin.

f – a    : Pembuangan panas laten uap sehingga berubah menjadi air

kondensat. Langkah ini adalah isobar isothermis, dan terjadi

didalam kondensor.

Secara sederhana sebuah pembangkit listrik tenaga uap digambarkan seperti pada

gambar dibawah. Ini.

Gambar 2.4 Skema Sebuah Pembangkit Tenaga Uap

Perbaikan siklus tenaga uap dapat dilakukan dengan jalan pemanasan

ulang (reheat), dimana setelah uap berekspansi didalam turbin, uap tersebut keluar

dari turbin dan dialirkan kedalam alat pemanas lanjut (reheater) yang berada

didalam ketel/boiler untuk dipanaskan kembali, kemudian baru uap itu

dimasukkan kedalam turbin berikutnya. Dengan demikian uap yang dialirkan ke

turbin energinya telah diperbesar dan setelah berekspansi di turbin uap, kondisi

akhir uap tekanannya menjadi berkurang (kurang dari 1 atmosfir) didalam

kondensor dengan kebasahan yang tertentu.

Gambar 2.5 Siklus Tenaga Uap

Air laut yang jumlahnya melimpah ruah dipompa oleh CWP (Circulating

Water Pump) yang sebagian besar dipakai untuk media pendingin

di Condenser dan sebagian lagi dijadikan air tawar diDesalination Evaporator.

Setelah air menjadi tawar, kemudian dipompa oleh Distillate Pump untuk

kemudian dimasukkan ke dalam Make Up Water Tank  yang kemudian dipompa

lagi masuk ke sistem pemurnian air (Demineralizer) dan selanjutnya dimasukkan

ke dalam Demin Water Tank. Dari sini air dipompa lagi untuk dimasukkan ke

dalam Condenser bersatu dengan air kondensat sebagai air benam ban. Air

kondensat yang kondisinya sudah dalam keadaan murni dipompa lagi dengan

menggunakan pompa kondensat, kemudian dimasukkan ke dalam 2 buah

pemanas Low Pressure Heater dan kemudian diteruskan ke Deaerator  untuk

mengeluarkan atau membebaskan unsur O2 yang terkandung dalam air tadi.

Selanjutnya air tersebut dipompa lagi dengan bantuan Boiler Feed

Pump dipanaskan lagi ke dalam 2 buah High Pressure Heater  untuk diteruskan

ke dalam boiler yang terlebih dahulu dipanaskan lagi dengan Economizer  baru

kemudian masuk ke dalam Steam Drum. Proses pemanasan di ruang bakar

menghasilkan uap jenuh dalam steam drum, dipanaskan lagi oleh

Superheater  untuk kemudian dialirkan dan memutar Turbin Uap. Uap bekas yang

keluar turbin diembunkan dalam condenser dengan bantuan pendinginan air laut

kemudian air kondensat ditampung di hot well.

Bahan bakar berupa residu/MFO dialirkan dari kapal/tongkang  ke

dalam Pumping House untuk dimasukkan ke dalam Fuel Oil Tank. Dari sini

dipompa lagi dengan fuel oil pumpselanjutnya masuk ke dalam Fuel Oil

Heater untuk dikabutkan di dalam Burner  sebagai alat proses pembakaran bahan

bakar dalam Boiler.

Udara di luar dihisap oleh FDF (Forced Draught Fan)  yang kemudian

dialirkan ke dalam pemanas udara (Air Heater) dengan memakai gas bekas sisa

pembakaran bahan bakar di dalam Boiler sebelum dibuang ke udara luar melalui

Cerobong/Stack. Perputaran Generator akan menghasilkan energi listrik yang oleh

penguat/exciter tegangan mencapai 11,5 kV, kemudian oleh Trafo Utama/Main

Transformater tegangan dinaikkan menjadi 150 kV. Energi listrik itu lalu dibagi

melalui Switch Yard untuk kemudian dikirim ke Gardu Induk melalui Transmisi

Tegangan Tinggi. Kemudian, tenaga listrik itu dialirkan lagi pada para konsumen.

IV. Komponen-Komponen PLTU

V. Generator

Generator adalah alat untuk membangkitkan listrik,  generator sendiri terdiri

dari stator dan rotor. Rotor dihubungkan dengan shaft turbin sehingga berputar

bersam-sama. Stator bars di dalam sebuah generator membawa arus hubungan

output pembangkit. Arus Direct Current (DC) dialirkan melalui Brush Gear yang

langsung bersentuhan dengan slip ring yang dipasang jadi satu dengan rotor

sehingga  akan timbul  medan magnet (flux). Jika rotor  berputar , medan magnet

tersebut memotong kumparan di stator sehingga pada ujung-ujung kumparan

stator timbul tegangan listrik. Untuk penyediaan arus listrik Generator  diambilkan

arus DC dari luar . Setelah  sesaat generator timbul tegangan, sehingga melalui

exitasi transformer arus AC akan disearahkan oleh rectifier dan arus DC akan

kembali ke Generator, proses ini disebut dengan Self Excitation.

Dalam sistem tenaga, disamping Generator menyuplai listrik ke jaringan extra

tinggi 500 KV, juga dipakai untuk pemakaian sendiri dimana tegangan output

Generator diturunkan melalui transformer sesuai dengan kebutuhan. Untuk

kebutuhan  saat start diambilkan dari 150 KV line. Untuk sistem tegangan ekstra

tinggi tenaga listrik yang dihasilkan  oleh Power Plant disuply ke jaringan sebesar

500 KV dan selanjutnya oleh beberapa transformer tegangannya diturunkan sesuai

dengan kebutuhan.

Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk

mengahasilkan mdan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover

menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini

menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada

generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub

medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor

silinder). Gambaran bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada

gambar di bawah ini.

Generator sinkron secara umum dapat diklasifikasikan berdasarkan bentuk

rotornya, yaitu generator turboatau cylindrical-rotor generator dan salient pole

generator. Generator yang digunakan pada pembangkit lisrik yang besar biasanya

merupakan jenis generator turbo yang beroperasi pada kecepatan tinggi dan

dikopel dengan turbin gas atau uap. Sedangkan generator salient-pole biasanya

digunakan untuk pembangkit listrik kecil dan menengah.

Gambar 2.6 (a) Salient-pole Rotor. (b) Cylindrical-rotor.

Pada generator sinkron, arus searah dialirkan pada kumparan rotor yang kemudian

menghasilkan medan magnet rotor. Rotor dari generator akan diputar oleh prime

mover, menghasilkan medan magnet putar di dalam mesin. Pada stator generator

juga terdapat kumparan. Medan magnet putar menyebabkan medan magnet yang

melingkupi kumparan stator berubah secara kontinu. Perubahan medan magnet

secara kontinu ini menginduksikan tegangan pada kumparan stator. Tegangan

induksi ini akan berbentuk sinusoidal dan besarnya bergantung pada kekuatan

medan magnet serta kecepatan putaran dari rotor. Untuk membuat generator tiga

fasa, pada stator ditempatkan tiga buah kumparan yang terpisah sejauh 120o satu

sama lain, sehingga tegangan yang diinduksikan akan terpisah sejauh 120o satu

sama lain pula.

Komponen Generator Sinkron

Secara umum ada dua komponen utama penyusun generator sinkron yaitu stator

dan rotor. Stator merupakan bagian dari generator sinkron yang diam, tempat

dimana tegangan induksi dibangkitkan. Sedangkan rotor merupakan bagian dari

generator sinkron yang bergerak dan dialiri arus searah pada kumparannya.

Pada stator, terdapat beberapa komponen utama, yaitu:

a. Rangka stator

Rangka luar yang biasanya terbuat dari baja berfungsi untuk menyokong struktur

stator dan mempunyai kaki-kaki yang dipasang pada bagian fondasi. Rangka

stator ini dibuat kokoh untuk mengatasi perubahan beban secara tiba-tiba atau

hubung singkat tiga fasa.

b. Inti stator

Inti stator menyediakan jalur permeabilitas yang tinggi untuk proses magnetisasi.

Inti stator dibuat berlaminasi untuk mengurangi rugi eddy current dan juga rugi

histeresis. Bahan-bahannon-magnetic atau penggunaan perisai fluks yang terbuat

dari tembaga juga digunakan untuk mengurangi stray loss.

c. Slot

Slot merupakan tempat untuk meletakkan kumparan stator yang dibentuk dengan

sistem berbuku-buku.

d. Kumparan stator

Kumparan stator merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi pada generator

dan didesain untuk menghasilkan kutub-kutub elektromagnetik stator yang

sinkron dengan kutub magnet rotor.

Sedangkan pada bagian rotor terdapat tiga bagian utama, yaitu:

e. Collector ring atau slip ring

Collector ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor, tetapi

dipisahkan oleh isolasi tertentu. Bagian ini merupakan bagian yang terhubung

dengan sumber arus searah yang untuk selanjutnya dialirkan menuju kumparan

rotor.

f. Kumparan rotor

Kumparan rotor merupakan bagian yang dialiri arus searah sebagai sumber medan

magnet melalui sistem eksitasi tertentu.

g. Poros

Poros merupakan tempat untuk meletakkan kumparan rotor dan merupakan bagian

yang terkopel dengan dan diputar oleh prime mover.

Prinsip Kerja Generator Sinkron

Prinsip kerja generator sinkron dapat dijelaskan dengan menggunakan dua kaidah

sederhana. Kaidah pertama untuk rangkaian magnetik dan kaidah yang kedua

untuk tegangan yang diinduksi pada sebuah konduktor yang disebabkan karena

variasi medan magnet.

Fluks ϕ dalam suatu rangkaian magnet yang mempunyai reluktansi Rm dihasilkan

karena adanyamagnetomotive force (mmf) Fm, dimana mmf itu sendiri berasal dari

adanya arus I yang mengalir melalui lilitan berjumlah N.ϕ = Fm / Rm 

dan

Fm=IN 

Bagian magnetik dan elektrik yang utama dari generator salient-pole dapat dilihat

pada gambar berikut:

Gambar 2.7 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Pada gambar diatas arus searah dialirkan menuju kumparan rotor

melalui brush dan collector ring. Produk antara arus medan I dan jumlah

lilitan N menghasilkan Fm, sedangkan adanya reluktansi rangkaian magnet akan

menghasilkan fluks magnet. Jalur fluks magnet ini ditunjukkan oleh garis putus-

putus pada gambar 2 (b). Ketika rotor diputar, jalur fluks yang dibentuk karena

adanya mmf Fm juga ikut berputar bersama putaran rotor. Hal ini diilustrasikan

pada gambar kedua dari gambar 2 (b). Ketika fluks magnet ϕ memotong

rangkaian magnetik dengan luas penampang A, maka kepadatan fluks B dapat

dinyatakan sebagai berikut:

B=ϕ/A 

Gambar diatas juga menunjukkan stator dengan lilitan tunggal sepanjang l.

Ketika rotor berputar, fluks magnet rotor akan memotong lilitan stator dengan

kecepatan v, sehingga electromotive force (emf)eind akan muncul, sesuai dengan

persamaan:

eind =(v x B) . l  (4)

Dengan arah yang sesuai dengan aturan tangan kanan Fleming sebagaimana yang

ditunjukkan oleh gambar 2 (a) di atas. Melalui penurunan matematis secara lanjut

akan dihasilkan persamaan tegangan rms pada stator sebagai berikut:

eind =kϕω  (5)

Gambar 2.7 menunjukkan bahwa ketika medan magnet berotasi, kepadatan fluks

pada lilitan stator berubah. Ketika pole berhadapan dengan lilitan, kepadatan fluks

celah udara B pada kondisi ini bernilai paling tinggi, dan akan bernilai nol

ketika pole berada sejauh 90o dari lilitan. Oleh karena itu, besar emf induksi atau

tegangan V akan bervariasi terhadap waktu sesuai dengan variasi kepadatan fluks

di sekitar rotor. Hasil variasi ini dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 2.8 Gelombang Tegangan Induksi

Bentuk seperti gambar 3 akan terus berulang setiap kali rotor berevolusi.

Frekuensi dari bentuk gelombang sinusoidal ini dapat ditentukan dengan

menggunakan persamaan:

Dengan :

f = frekuensi (Hz)

ns = kecepatan sinkron (rpm)

p = jumlah kutub

Oleh karena itu, untuk menghasilkan frekuensi sebesar 50 Hz, generator

berkutub dua harus berputar dengan kecepatan sebesar 3000 rpm, generator

berkutub empat dengan kecepatan 1500 rpm, dan seterusnya.

Jika jumlah lilitan pada stator ditambah, seperti yang tergambar pada

gambar 4 (a), dan jika lilitan ini terpisah dengan jarak yang sama satu sama lain,

maka keluaran tiga fasa sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar 4.4 (b) dapat

dibangkitkan.

Gambar 4. Pembangkitan Tiga Fasa

VI. Pembangkit