Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) / STEAM POWER PLAN

Pembangkit listrik tenaga uap, dihasilkan lewat pembakaran batu bara yang di konversi menjadi uap dengan bantuan boiler sebagai alat pemanas air. Uap yang di hasilkan dari boiler di gunakan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan tenaga listrik di generator. Energi listrik yang di hasilkan oleh generator harus di naikan voltasenya sebelum di kirim melalui jalur transmisi (transmisi line). Naiknya voltase ini digunakan untuk mengurangi energi yang terbuang selama proses pengiriman.

Tipikal boiler berdasarkan metode pembakaran. (Sumber: Idemitsu Kosan Co., Ltd)

Komponen dari PLTU

PLTU batubara secara umum terdiri dari bagian – bagian sebagai berikut :

1. Cooling tower2. Cooling water pump3. Transimission line 3 phase4. Transformer 3-phase5. Generator Listrik 3-phase6. Low pressure turbine7. Boiler feed pump8. Condenser9. Intermediate pressure turbine10. Steam governor valve11. High pressure turbine12. Deaerator13. Feed heater14. Conveyor batubara15. Penampung batubara16. Pemecah batubara17. Tabung Boiler18. Penampung abu batubara19. Pemanas20. Forced draught fan21. Preheater22. combustion air intake23. Economizer24. Air preheater25. Precipitator26. Induced air fan27. Cerobong

Perinsip Kerja PLTU

Prinsip kerja PLTU batubara secara singkat adalah sebagai berikut :

1. Batubara dari luar dialirkan ke penampung batubara dengan conveyor, kemudian dihancurkan dengan pemecah batu bara, sehingga menjadi tepung batubara.

2. Kemudian batubara halus tersebut dicampur dengan udara panas oleh forced draught fan sehingga menjadi campuran udara panas dan bahan bakar (batu bara).

3. Dengan tekanan yang tinggi, campuran udara panas dan batu bara disemprotkan kedalam Boiler sehingga akan terbakar dengan cepat seperti semburan api.

4. Kemudian air dialirkan keatas melalui pipa yang ada dinding Boiler, air tersebut akan dimasak dan menjadi uap, dan uap tersebut dialirkan ke tabung boiler untuk memisahkan uap dari air yang terbawa.

5. Selanjutnya uap dialirkan ke superheater untuk melipatgandakan suhu dan tekanan uap hingga mencapai suhu 570°C dan tekanan sekitar 200 bar yang meyebabkan pipa ikut berpijar merah.

6. Uap dengan tekanan dan suhu yang tinggi inilah yang menjadi sumber tenaga turbin tekanan tinggi yang merupakan turbin tingkat pertama dari 3 tingkatan.

7. Untuk mengatur turbin agar mencapai set point, kita dapat menyeting steam governor valve secara manual maupun otomatis.

8. Suhu dan tekanan uap yang keluar dari Turbin tekanan tinggi akan sangat berkurang drastis, untuk itu uap ini dialirkan kembali ke boiler re-heater untuk meningkatkan suhu dan tekanannya kembali.

9. Uap yang sudah dipanaskan kembali tersebut digunakan sebagai penggerak turbin tingkat kedua atau disebut turbin tekanan sedang dan keluarannya langsung digunakan untuk menggerakkan turbin tingkat 3 atau turbin tekanan rendah.

10. Uap keluaran dari turbin tingkat 3 mempunyai suhu sedikit diatas titik didih, sehingga perlu di alirkan ke condensor agar menjadi air untuk dimasak ulang.

11. Air tersebut kemudian dialirkan melalui deaerator oleh feed pump untuk dimasak ulang. awalnya dipanaskan di feed heater yang panasnya bersumber dari high pressure set, kemudian ke economiser sebelum di kembalikan ke tabung boiler.

12. Sedangkan Air pendingin dari condensor akan di semprotkan kedalam cooling, dan inilah yang meyebabkan timbulnya asap air pada cooling tower. kemudian air yang sudah agak dingin dipompa balik ke condensor sebagai air pendingin ulang.

13. Ketiga turbin di gabung dengan shaft yang sama dengan generator 3 phase, Generator ini kemudian membangkitkan listrik tegangan menengah ( 20-25 kV).

14. Dengan menggunakan transformer 3 phase, tegangan dinaikkan menjadi tegangan tinggi berkisar 250-500 kV yang kemudian dialirkan ke sistem transmisi 3 phase.

15. Sedangkan gas buang dari boiler di isap oleh kipas pengisap agar melewati electrostatic precipitator untuk mengurangi polusi dan kemudian gas yg sudah disaring akan dibuang melalui cerobong.

Proses Produksi Listrik Turbin Uap ( PLTU )

Gas bekas yang ke luar dari turbin gas dimanfaatkan lagi setelah terlebih dulu diatur oleh selector valve untuk dimasukkan ke dalam HRSG (Heat Recovery Steam Generator) yang memiliki steam drum. Uap yang dihasilkan dipanaskan pada bagian superheater dan dipakai untuk memutar turbin uap kemudian turbin dikopel dengan generator. Setelah uap masuk pada lingkungan steam turbine building, uap diatur oleh mekanisme katup sebelum masuk turbin. Yaitu stop valve dan control valve, Uap bekas dari turbin tadi diembunkan lagi di condensor kemudian air condensate di pompa oleh condensate pump, selanjutnya dimasukkan lagi ke dalam deaerator dan oleh feed water pump dipompa lagi ke dalam drum untuk kembali diuapkan. Inilah yang disebut dengan combined cycle / closed cycle. Jadi

secara singkat dapat dikatakan bahwa combined cycle/closed cycle merupakan rangkaian open cycle ditambah dengan proses pemanfaatan kembali gas buang dari proses open cycle untuk menghasilkan uap sebagai penggerak turbin uap

STEAM GENERATOR ATAU BOILER

Steam generator/boiler adalah alat yang digunakan untuk membuat uap dengan memberikan energi thermal dan bekerja pada tekanan di atas atmosfer. Sesuai dengan namanya, boiler adalah bangunan struktur rangka baja, di mana di dalamnya terpasang semua peralatan steam generator. Bangunan rangka baja ini tingginya antara 50 m (PLTU kapasitas 65 MW) hingga 100 m (PLTU kapasitas 600 MW). Pressure part system adalah bagian utama dari steam generator. Bagian inilah yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap bertekanan tinggi (superheated steam) dengan temperatur antara 500 – 600 derajat C.

STEAM

Steam dihasilkan dengan menambahkan panas yang cukup ke dalam air untuk mencapai titik didihnya. Kelebihan Steam sebagai Sumber Energi mengandung energi thermal/energi panas yang mempunyai tekanan dan  temperatur, mudah untuk merubah energi thermal

menjadi energi mekanik - Mudah untuk dioperasikan dan distribusi, mudah untuk memproduksinya, karena banyak sumber daya air di indonesia.

STG Steam Turbin Generator

Steam Turbin Generator merupakan pembangkit listrik dengan memanfaatkan tenaga uap untuk memutar turbin uap. Pada dasarnya turbin uap terdiri dari dua bagian yaitu rotor dan stator. Pada rotor terdapat banya blade (sudu) yang akan digerakan oleh uap bertekanan tinggi yang disemprotkan melalui nozzle. Turbin yang bergerak akan menghasilkan listrik melaui generator.

Penggunaan sistem combined cycle ini lebih efesien dan mampu menghasilkan daya yang lebih besar dengan cost yang rendah.

Skema pembangunan power plant combined cycle.

Sebagai salah satu unit pembangkitan tenaga listrik yang dimiliki, Unit Bisnis Pembangkitan memiliki 3 jenis pembangkit, yaitu :

• Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU),• Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG)• Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU)

Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) merupakan pembangkit jenis combined cycle. Pembangkit jenis ini memanfaatkan gas panas pembuangan dari pembangkit tenaga gas untuk memanasi air dalam pipa-pipa Heat Recovery Steam Generator ( HRSG ) menjadi uap untuk menggerakkan turbin uap. Penggunaan teknologi combined cycle menjadikan operasi pembangkit lebih efisien sebab cara ini memanfaatkan gas panas pembuangan pembangkit listrik primer pada turbin gas menjadi tenaga listrik pada tahap sekunder. Selain itu, pembangkit tenaga gas merupakan pembangkit yang akrab dengan lingkungan karena tingkat

pembakarannya yang hampir sempurna menghasilkan emisi karbon dioksida dan limbah lain yang sangat rendah. Jadi, selain efisien, jenis pembangkit ini merupakan bukti kepedulian terhadap lingkungan. Sedangkan Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU) merupakan jenis pembangkit yang menggunakan bahan bakar minyak untuk memanasi air pada ketel dan uap hasilnya diapakai untuk menggerakkan turbin uap.

Sistem produksi tenaga listrik PLTGU dibagi menjadi dua siklus, yaitu :

Open Cycle

Open cycle merupakan proses produksi listrik pada PLTGU dimana gas buangan dari turbin gas langsung dibuang ke udara melalui cerobong exhaust. Suhu gas buangan di cerobong exhaust ini mencapai 550 C. Proses seperti ini pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU) dapat disebut sebagai proses Pembangkitan / Produksi Listrik Turbin Gas (PLTG) yaitu suatu proses pembangkitan listrik yang dihasilkan oleh putaran turbin gas .

Closed Cycle / Combined Cycle

Pada proses combined cycle / closed cycle, gas buang dari tubin gas dimanfaatkan untuk memproduksi uap yang berada di HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Kemudian uap yang dihasilkan dari HRSG digunakan untuk memutar turbin uap turbin uap dikopel dengan generatoruntuk menghasilkan lisrik. Jadi proses combined cycle / closed cycle inilah yang disebut sebagai proses Pembangkitan / Produksi Listrik Tenaga Gas Uap ( PLTGU ) yaitu proses pembangkitan listrik yang dihasilkan oleh putaran turbin gas dan turbin uap.Pusat Listrik Sistem Kombinasi Tambak Lorok Blok II phase I dan Blok I phase II masing-masing berkapasitas 500 MW dan tiap-tiap blok terdiri dari :

Turbin gas tersebut buatan General Electric (GE). Untuk temperatur udara luar 270 C, 38 % humidity dan bahan bakar gas alam akan mampu membangkitkan 110 MW. Meskipun direncanakan untuk bahan bakar gas tetapi untuk saat ini yang dipakai pada PLTGU Tambak Lorok adalah bahan bakar HSD. Turbin gas ini langsung memutar generator dengan putaran 3000 rpm, berpendingin hidrogen, dan tegangan keluar 11,5 KV.

Setiap turbin gas mempunyai HRSG dan setiap HRSG mempunyai sistem uap tekanan rendah 5,81 Bar (g), dan sistem uap tekanan tinggi sekitar 87,28 Bar (g). Ketiga HRSG (1 Blok) ini mendapatkan supply air pengisi dari Condensate pump pada gedung steam turbine.Uap dari tiap-tiap HRSG dialirkan ke header tekanan rendah untuk sistem uap tekanan rendah dan header tekanan tinggi untuk sistem uap tekanan tinggi. Dari sini uap dialirkan ke turbin uap.

Satu block combine cycle dapat dioperasikan sebagai berikut :

1. Gas turbine saja ( Open cycle )2. Normal operasi, yaitu Combined Cycle dengan tiga turbin gas.3. Combined Cycle dengan dua turbin gas, turbin gas yang satu dimatikan.4. Combined Cycle dengan satu turbin gas, dua turbin gas dimatikan.

Daya listrik yang dihasilkan pada proses open cycle tentu lebih kecil dibandingkan dengan daya listrik yang dihasilkan pada proses produksi listrik combined cycle / closed cycle. Pada prakteknya, kedua siklus diatas disesuaikan dengan kebutuhan listrik masyarakat. Misalnya

hanya diinginkan open cycle karena pasokan daya dari open cycle sudah memenuhi kebutuhan listrik masyarakat. Sehingga stack holder yang membatasi antara cerobong gas dan HRSG dibuat close, dengan demikian gas buang dialirkan ke udara melalui cerobong exhaust. Dan apabila dengan open cycle kebutuhan listrik masyarakat belum tercukupi maka diambil langkah untuk menerapkan combined cycle / closed cycle. Namun demikian dalam sistem mekanik elektrik, suatu mesin akan lebih baik pada kondisi continous running, karena apabila mesin berhenti akan banyak mengakibatkan korosi, perubahan setting, mur atau baut yang mulai kendur dan sebagainya. Selain itu dengan continous running lebih mengefektifkan daya, sehingga daya yang dihasilkan menjadi lebih besar. Jadi secara garis besar untuk produksi listrik di Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap ( PLTGU ) pada PT. Indonesia Power UBP Semarang dapat dibagi menjadi 2 proses yaitu :1. Proses Pembangkitan / Produksi Listrik Turbin Gas ( PLTG )2. Proses Pembangkitan / Produksi Listrik Turbin Uap ( PLTU )

Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

HRSG merupakan heat exchanger dari gas ke air dengan memanfaatkan energi sisa gas turbin untuk menghasilakan uap dengan tekanan dan temparatur yang tinggi. Dalam setiap aplikasi combined cycle, uap dihasilkan dengan beberapa macam tekanan dan temperatur sehingga tidak tidak banya gas sisa yang terbuang..Selain itu ada yang dipanaskan kembali sehingga nantinya menjadi main steam yang akan dikirim ke STG. Pada umunnya terdiri dari tiga lapisan yaitu superheater, evaporator dan economizer. Hasi dari pemanasan ini akan menghasilkan uap bertekanan tinggi yang akan ditampung di drum High Pressure (HP) dan Low Pressure (LP).

GAMBARAN UMUM HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR

Heat Recovery Steam Generator (HRSG) merupakan salah satu komponen dari pembangkit listrik yang menggunakan prinsip combine cycle dimana digunakan dua turbin yaitu turbin gas sebagai turbin utama dan turbin uap. Pembangkitan listrik menggunakan turbin gas atau

mesin disel tentu menghasilkan panas dalam jumlah yang besar, dan panas itu dapat dikatakan sebagai sampah. Gas panas yang keluar sebagai hasil proses pembakaran pada

turbin gas ( exhaust ) sangat tinggi temperaturnya, yaitu sekitar 6000 C. Gas tersebut digunakan untuk membangkitkan uap. Prinsip dasar HRSG hampir sama dengan boiler tetapi

uap yang dihasilkan pada HRSG tentunya uap yang bertekanan rendah yaitu sekitar 80 bar sampai 100 bar, untuk high pressure sistem. Efektifitas penggunaan energi pada sistem gas turbine heat recovery adalah fungsi dari energi yang ditransferkan oleh exhaust gas turbine.

Pada prinsipnya antara HRSG dan boiler adalah sama yaitu suatu peralatan yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap dengan bantuan panas. Yang sangat mendasar dari perbedaan ini adalah sumber panas yang digunakan untuk membangkitkan uap. Pada HRSG sumber panas utama yang digunakan untuk membangkitkan uap berasal dari energi panas yang terkandung dalam gas buang turbin gas/PLTG yang dialirkan masuk ke dalam HRSG untuk memanaskan pipa-pipa pemanas. Sedangkan pada boiler/ketel uap, sumber panas yang digunakan berasal dari pembakaran bahan bakar di dalam ruang bakar.

Kecuali perbedaan yang sangat mendasar tersebut, perbedaan lainnya adalah HRSG tidak mempunyai ruang bakar, tidak ada sistem bahan bakar, tidak ada sistem udara bakar, dan tidak ada penghembus jelaga / soot blower.

Secara umum HRSG terdiri dari preheater, ekonomiser, evaporator, dan superheater. Komponen-komponen tersebut merupakan alat penukar kalor jenis tubular atau pipa dengan fluida kerja (air/uap) berada di dalam dan gas buang berada di luar. Panas/kalor dipindahkan dari gas buang tersebut secara konveksi ke fluida kerja. Dan oleh karena gas buang dari turbin gas bersih dari partikulat maka dimungkinkan penggunaan tube atau pipa bersirip untuk meningkatkan laju perpindahan panas dan mengurangi ukurannya tube HRSG tersebut. Ukuran dan jenis tube tergantung dari parameter desain HRSG yang bervariasi yang mencakup unsur-unsur gas buang dan temperaturnya.

Secara filosofi, desain suatu HRSG pada dasarnya bertujuan untuk mengubah besarnya energi panas dari gas buang pada fluida kerja dengan perbedaan temperatur yang setinggi mungkin. Hal ini dilakukan dengan jalan membuat gradien temperatur antara gas buang dan fluida kerja

sejajar.

Komponen Utama HRSG

Sebagaimana yang telah dijelaskan di atas bahwa HRSG biasanya terdiri dari beberapa pipa pemanas seperti preheater, economizer, evaporator, dan superheater.

Preheater

Preheater merupakan penukar kalor yang biasanya digunakan untuk memperoleh energi panas tambahan dari gas buang. Preheater berada pada bagian akhir atau paling atas dari HRSG untuk menyerap energi terendah dari gas buang.

Aplikasi yang paling umum dari preheater ialah sebagai pemanas awal air kondensat sebelum memasuki deaerator untuk mengurangi jumlah uap yang dibutuhkan untuk proses deaerasi. Di dalam preheater, pemanasan air pengisi mencapai temperatur sedikit di bawah titik didih. Modul dari preheater sendiri berupa tube yang terbuat dari pipa-pipa bersirip. Tata letak preheater ditunjukkan dalam gambar berikut:

Ekonomiser (Economizer)

Ekonomiser merupakan alat penukar kalor untuk memanaskan awal air pengisi ketel sebelum masuk ke evaporator. Pada bagian ini jika dimungkinkan terjadi korosi yang tergantung dari besarnya temperatur air pengisi yang masuk.

Evaporator (Pipa Penguapan)

Evaporator atau boiler bank merupakan alat penukar kalor yang menghasilkan uap jenuh (saturated) dari air pengisi ketel. Evaporator terletak di antara ekonomiser dan superheater.Campuran air dan uap meninggalkan evaporator dan masuk drum uap melalui pipa-pipa yang disebut riser. Drum uap merupakan bejana tekan silindris yang terletak di bagian atas HRSG. Di bagian dalam drum, piranti mekanis seperti cyclone dan screen pemisah campuran air dan uap. Uap meninggalkan drum melalui pipa yang menuju ke superheater. Sedangkan air disirkulasikan kembali melalui pipa-pipa yang disebut downcomer masuk kembali ke evaporator. Uap yang masuk ke superheater merupakan uap kering karena jika uap basah yang masuk maka kandungan partikulat padat yang terlarut dalam uap akan mengendap dalam tube superheater yang dapat mengakibatkan temperatur logam tube akan naik dan selanjutnya mengakibatkan terjadinya kegagalan tube.

Superheater (Pipa Pemanas Uap Lanjut)

Superheater merupakan alat penukar kalor pada HRSG yang menghasilkan uap panas lanjut (superheated steam). Superheater dapat terdiri dari satu atau lebih modul penukar kalor. Pada modul superheater yang banyak biasanya mempunyai kontrol temperatur uap di antara modul-modulnya untuk mencegah terjadinya temperatur logam yang berlebih pada bagaian akhir dari modul dan untuk meminimalkan kemungkinan kandungan air yang masuk ke dalam turbin uap.