1

PRAKATA

Alhamdulillah, segala puji bagi Allah Yang Maha Kuasa, berkat bimbingan dan ridlonya

akhirnya saya bisa menyelesaikan penulisan buku buku ini. Buku ini saya tulis dengan maksud

untuk memenuhi kebutuhan bahan pengajaran pada Sekolah Tinggi Teknologi PLN sebagaimana

ditentukan didalam buku panduan pengajaran bidang studi pengetahuan Pembangkit Thermal pada

program studi D III, dan bidang studi Tehnik Tenaga Uap dan Gas pada program studi S I.

Mengingat buku ini mencakup berbagai jenis pembangkit, dan diperuntukkan untuk

program studi 2 ( dua ) SKS, maka pembahasannya tidaklah begitu mendalam, dan sekedar memberi

gambaran kepada mahasiswa untuk mengenal secara garis besar dari pembangkit pembangkit

tersebut. Untuk lebih mengenal secara lebih detail disarankan agar para pembaca / mahasiswa

membaca pula buku buku terkait dari masing masing jenis pembangkit maupun peralatan terkait

seperti buku: turbin uap, turbin gas, penukar kalor, pompa dlsb.

Akhirnya kami mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah

membantu terselesaikannya buku ini, terutam kepada Civitas Akademika STT PLN yng telah

banyak mendorong kami meneyelesaikan buku ini.

Semoga bermanfaat.

Jakarta 1 Juli 2008

Habib Rochani

2

DAFTAR ISI

PRAKATA 1

DAFTAR ISI 2

I. PENGUSAHAAN ENERGI LISTRIK 5

II. DASAR-DASAR THERMODINAMIKA 8

2.1 Besaran besaran Termodinamika. 8

2.2 Hukum Pertama Thermodynamika. 8

2.3 Factor Konversi Energy. 9

2.4 Hukum Hukum Gas Ideal. 10

2.5 Proses proses Ideal. 11

2.6 Proses Keliling. 17

2.7 Hukum Thermodinamika II. 14

2.8 Proses Keliling Carnot. 19

2.9 Sifat sifat Air dan Uap. 21

2.10 Tabel Uap. 23

2.11 Diagram Entalpi – Entropi. 23

2.12 Soal –Soal. 23

III. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP 25

3.1 Umum. 25

3.2 Bagian bagian Utama. 25

3.3 Siklus Rankine. 26

3.4 Boiler. 29

3.4.1 Klasifikasi Boiler. 29

3.4.2 Effisiensi & kerugian didalam Boiler. 34

3.4.3 Kelengkapan Boiler. 37

3.4.4 Air Pengisi Boiler. 40

3.5 Turbin. 42

3.5.1 Klasifikasi Turbin. 43

3.5.2 Daya Turbin. 45

3.5.3 Konsumsi Kalor Turbin ( Turbine Heat Rate ). 47

3.5.4 Kelengkapan Turbin. 48

3.6 Kondensor. 52

3.6.1 Klasifikasi Kondensor. 52

3.6.2 Kelengkapan Kondensor. 53

3.6.3 Jalannya proses Perpindahan Panas. 57

3.7 Pemanas Air Pengisi Boiler. 60

3.8 Sistim Kontrol PLTU. 63

3.9 Soal soal. 64

Hal.

3

IV. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS BUMI 65

4.1 Umum. 65

4.2 Klasifikasi. 67

4.3 Energi yang dibangkitkan. 69

4.4 Komponen Utama. 69

V. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR 71

5.1 Umum. 71

5.2 Klasifikasi. 71

5.3 Reaksi Nuklir. 72

5.4 Keuntungan dan Kerugian Energian. 75

VI. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS 78

6.1 Umum. 78

6.2 Prinsip kerja Turbin Gas / Siklus Brayton. 79

6.3 Effisiensi Turbin Gas. 80

6.4 Siklus Brayton yang Dimodifikasi. 81

6.5 Klasifikasi Turbin Gas. 84

6.6 Bagian utama Turbin Gas. 85

6.7 Kelengkapan Turbin Gas. 90

6.8 Faktor faktor yang mempengaruhi umur bagian Turbin Gas. 94

6.9 Faktor faktor yang mempengaruhi unjuk kerja ( perfor-

mance ) Turbin Gas. 95

VII PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DAN UAP 103

7.1 Umum. 103

7.2 Klassifikasi PLTGU. 104

7.3 Siklus Kombinasi. 105

7.4 Bagian bagian utama PLTGU. 106

VIII PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL 109

8.1 Umum. 109

8.2 Cara kerja / Siklus Diesel. 111

8.3 Effisiensi. 115

8.4 Bagian bagian utama Mesin Diesel. 116

8.5 Kelengkapan Mesin Diesel. 121

8.6 Unjuk kerja ( performance ). 127

IX GENERATOR. 132

9.1 Umum. 132

9.2 Prinsip kerja Generator. 132

9.3 Beban Generator. 135

9.4 Generator 3 phasa. 137

9.5 Generator Sinkron. 138

9.6 Penguatan Generator. 139

9.7 Generator beroperasi didalam Jaringan. 141

4

9.8 Batas batas Pengoperasian Generator. 143

9.9 Pendinginan Generator. 144

X PENGOPERASIAN PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK. 146

10.1 Umum. 146

10.2 Memparalelkan Pembangkit. 146

10.3 Operasi pembangkit dalam Jaringan Interkoneksi. 147

10.4 Faktor faktor Operasi dan Keandalan Pembangkit. 147

10.5 Penentuan Harga Listrik Keluar Pembangkit. 149

XI LIMBAH PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA THERMAL 150

11.1 Umum. 150

11.2 Batasan Pencemaran. 150

XII LAMPIRAN 158

1. Diagram Mollier 158

5

I

PENGUSAHAAN ENERGI LISTRIK

Energi listrik sebagaimana dapat dinikmati dirumah tangga, di kantor dan industri-industri

berasal dari berbagai bentuk energi primer yang terdapat didalam alam, sebagaimana dapat dilihat di

dalam tabel 1.1. Didalam tabel tersebut dapat dilihat bahwa energi listrik dapat diusahakan dari

berbagai macam bentuk energi primer, namun sampai saat ini pengusahaan energi listrik dengan

skala besar hanya dapat dilakukan melalui generator listrik yang digerakkan oleh mesin penggerak.

.

Tabel 1.1 : Berbagai proses perubahan energi primer kedalam energi listrik

ENERGI

PRIMER

Energi Inti Energi Kimia Energi Panas Energi

Mekanik

Energi Listrik

Beda potensial

diantara unsur-

unsur kimia

Panas bumi

Bahan bakar

fosil

Air terjun

Bahan bakar

Nuklir

Angin

Sinar matahari

Reaktor nuklir

Elemen

galvanis

Pembakaran

Ketel Uap

Penukar

kalor

Ketel matahari

Turbin uap

Turbin

Uap

Turbin

Gas

Motor

Diesel

Turbin air

Turbin uap

Turbin

Angin

Turbin uap

Kutub-kutub

elemen galvanis

Generator

Generator

Generator

Generator

Generator

Generator

Generator

Generator

Sel matahari

Mesin penggerak ( engine ) adalah adalah mesin yang dapat merubah energi primer menjadi

kerja mekanik. Mesin penggerak terbagi menjadi dua golongan utama yaitu mesin penggerak dengan

pembakaran ( combustion engine ) dan mesin penggerak dengan tanpa pembakaran ( non combustion

engine ). Mesin penggerak dengan pembakaran dibagi menjadi dua kelompok yaitu mesin penggerak

dengan pembakaran didalam ( internal combustion engine ) dan mesin penggerak dengan

6

pembakaran diluar ( external combustion engine ). Mesin penggerak dengan tanpa pembakaran

diperoleh dari gerakan gerakan didalam alam seperti angin, air tejun dan gelombang laut. Dengan

gerakan gerakan alam tersebut kemudian dirubah menjadi gerak putar guna memutar generator listrik

dan menghasilkan listrik.

Mesin penggerak yang menggunakan suhu tinggi digolongkan sebagai mesin thermal ( mesin

panas ), karena itu mesin penggerak dengan pembakaran, baik pembakaran didalam ( internal )

maupun pembakaran diluar ( external ) juga disebut sebagai mesin thermal. Yang termasuk kedalam

mesin dengan pembakaran didalam adalah mesin Diesel, mesin Otto, mesin Wankle dan mesin turbin

gas, sedang yang termasuk kedalam mesin dengan pembakaran diluar adalah, mesin uap, turbin uap

dan mesin Sterling.

Energi thermal adalah energi panas yang dapat diperoleh dari pembakaran bahan bakar,

reaksi berantai didalam reactor nuklir, sinar matahari atau langsung dari dalam tanah berupa uap

panas. Pengusahaan energi listrik dari energi thermal dilakukan dengan suatu proses tertentu didalam

berbagai jenis pembangkit tenaga listrik seperti berikut:

PLTD : Pembangkit Listrik Tenaga Diesel

PLTG : Pembangkit Listrik Tenaga Gas

PLTU : Pembangkit Listrik Tenaga Uap.

PLTGU : Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap.

PLTN : Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir

PLTP : Pembangkit Listrik Tenaga Panas bumi.

Pada PLTD proses perubahan energi thermal menjadi energi mekanik ( yang kemudian

digunakan untuk menggerakkan generator listrik ) berlangsung dengan menggunakan mesin diesel,

sedang pada PLTG menggunakan turbin gas.

Pada PLTU, PLTN dan PLTP proses perubahan energi thermal menjadi energi mekanik

berlangsung dengan menggunakan turbin uap. Energi mekanik yang diperoleh kemudian digunakan

untuk menggerakkan generator listriknya. Uap sebagai pengge-rak turbin diperoleh dari:

Pemanasan air didalam boiler oleh pembakaran bahan bakar pada jenis pembangkit PLTU.

Pemanasan air tidak langsung didalam reaktor nuklir oleh reaksi berantai dari bahan bakar

inti pada jenis pembangkit PLTN.

Pemanasan air didalam perut bumi oleh panasnya magma pada jenis pembangkit PLTP.

Ketiga jenis pembangkit tsb, mempunyai media dan prinsip kerja yang sama, dan terutama

PLTU dan PLTN dapat dijumpai dalam skala yang besar (sampai 1.300 MW untuk satu unitnya).

Ketiganya mempunyai teknologi yang komplex. Berbagai masalah akan ditemui di dalam

pembangkit ini misalnya korosi, erosi, stress, vibrasi dan lain lain.

7

Pada PLTGU proses perubahan energi thermal menjadi kerja mekanik terjadi baik didalam

turbin gas maupun turbin uap. Disini terjadi bahwa gas panas hasil pembakaran didalam ruang bakar

digunakan untuk menggerakkan turbin dari turbin gas, diteruskan untuk memanaskan air didalam

boiler guna menghasilkan uap untuk menggerakkan turbin uap.

8

II

DASAR-DASAR THERMODINAMIKA

2.1 BESARAN BESARAN TERMODINAMIKA.

PLTD dan PLTG menggunakan media kerja udara, sedangkan PLTU, PLTN maupun PLTP

menggunakan media kerja yang sama yaitu air dan uap. Air dan uap mempunyai rumus kimia yang

sama, namun keduanya mempunyai sifat fisik yang berbeda.

Untuk mengenal lebih lanjut tentang peranan media kerja pada masing masing jenis

pembangkit, terlebih dahulu perlu diketahui tentang besaran-besaran thermodinamika. Besaran

besaran tersebut akan terus digunakan didalam pembahasan pembahasan selan-jutnya.

Besaran besaran yang digunakan didalam pembahasan mesin mesin pembangkit ter-mal

antara lain adalah:

V : Total volume m3

v : Volume spesifik m3/kg

p : Tekanan kg/cm2

t : Suhu oC

T : Suhu absolute oK (

oC +273 )

h : Enthalpy dalam kkal/kg

s : Entrophi dalam kkal/kg oC

Q : Total energi thermis kkal.

q : Energi thermis kkal / kg

L : Total kerja mekanik kgm.

l : Kerja spesifik kgm / kg.

A : Faktor konversi = 1/427 kkal /kgm

u : Energi dalam kkal / kg.

Cv : Panas jenis untuk volume konstan kkal / kgoC

Cp : Panas jenis pada tekanan konstan kkal / kgoC

R : Kontanta keadaan kgm / kgoC.

2.2 HUKUM PERTAMA THERMODYNAMIKA.

Hubungan antara energy thermal dengan energy mekanik adalah sesuai dengan hukum

hukum Thermodynamika. Hukum pertama Thermodynamika mengatakan :

9

Energi bersifat kekal, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, melainkan hanya dapat

dirubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain atau sebaliknya. Pada perubahan bentuk

energi tsb atau lebih dikenal dengan transformasi energi dari bentuk yang satu ke bentuk

yang lain, nilai besarannya tetap konstan / tidak berubah.

Panas adalah merupakan suatu bentuk energy, seperti halnya bentuk energi potensial atau

energi kinetis.

Panas dapat dirubah kedalam bentuk kerja mekanik dan kerja mekanik dapat pula dirubah ke

dalam bentuk panas.

Hukum pertama Thermodynamika di atas dapat di tulis dalam bentuk persamaan sebagai

berikut

dq = du + Apdv …………………………… (2-1)

h = u + Apv ……………………….….. (2-2)

dh = du + Apdv + Avdp

dimana :

du = perubahan energi dalam

= Cv dT

pdv = kerja mekanik

dq = dh - Avdp …….……..……………… (2-3)

dq

T

q = s ( T2 – T1

2.3 FACTOR KONVERSI ENERGI

Perubahan dari energy panas dengan satuan kilo kalori ( kkal ), Kilo Joule ( kJ ) atau British

Thermal Unit ( Btu ) menjadi energy mekanik dengan satuan kilogram meter ( kgm ), kilowatt

hours ( kwh ) atau feet pound ( ftlb ) memerlukan suatu factor konversi tertentu berdasarkan hasil

reasearch yang dilakukan oleh Newton.

= ds ..…….………………....................... (2-4)

10

Tabel 2.1 Konversi dari berbagai jenis satuan energy.

Faktor factor konversi tersebut dan hubungannya dengan masing masing satuan dapat dilihat

dalam tabel 2.1. Faktor konversi ini sangat diperlukan didalam praktek mengingat pembangkit

pembangkit listrik di Indonesia berasal dari berbagai negara dengan standard satuannya masing

masing.

2.4 HUKUM HUKUM GAS IDEAL.

Gas ideal adalah gas yang dapat mengikuti hukum hukum / rumus rumus thermo-dynamika.

Hukum Gas Ideal tersebut antara lain Hukum Boyle Gay Lusac dan Hukum Persamaan Keadaan.

Hukum Boyle Gay Lusac:

Hasil kali tekanan dengan volume dibagi temperature absolutnya adalah konstan / tidak

berubah

…………………… ( 2.5 )

Hukum Persamaan Keaadaan:

………………….. ( 2.6 )

R = konstanta keadaan, untuk udara = 29,27 kgm / kgoC

konstan2

22

1

11 T

pv

T

vp

T

vp

RTpvRTv;pRTvp 222111

11

2.5 PROSES PROSES IDEAL.

a. Proses volume tetap ( iso volume / isochoric )

Panas yang diberikan hanya akan menambah besarnya energi dalam.

Gb 2.1 Proses volume tetap v1= v2

…………………………………………… ( 2.7 )

……………………. ( 2.8 )

………………………….. ( 2.9 )

b. Proses tekanan tetap ( isobaric )

Panas yang diberikan akan menambah besarnya energi dalam dan melakukan kerja.Panas yang

diberikan pada proses tekanan tetap semata mata hanya untuk menambah besarnya entalpi (

panas kandung ).

………………………………………………. ( 2.10 )

………………………. ( 2.11 )

................. ( 2.12 )

………… ( 2.13 )

012

12

1

2

1

2

)vp(vlpdvdl

) T(Tcqdtcdudq

;T

T

p

p

vv

)TR(T)vp(vlpdv dl

Al)T(TcqAdldtcdq

)T(Tcqdtcdq

T

T

v

v

vv

pp

1212

12

12

2

1

1

2

12

Gb 2.2 Proses tekanan tetap p1= p2

c. Proses temperature tetap ( isothermic )

Panas yang diberikan hanya semata mata untuk melakukan kerja.

……………………… ( 2.14 ).

………… ( 2.15 )

Gb 2.3 Proses temperatur tetap T1 = T2

1

2

1

211

1

2

2

12211

lnln0v

vART

v

vvApAl q

dvv

pvdtcApdvduAdl dq

v

v

p

pRTvpvp

v

13

d. Proses panas ( kalor ) tetap ( adiabatic / isentropic)

Perubahan energi dalam = Perubahan kerja

Avdp CpdT Avdp dhdq

Avdp dqAvdpApdvdu dh

Apdv CvdTApdvduApdvdudq

0

00

Gb 2.4 Proses panas / kalor tetap, q1 = q2

Jika persamaan tersebut diintegrasikan diperoleh:

……………………. ( 2.16 )

atau ………………. ( 2.17 )

Dari persamaan 2.5 dan disubstitusikan kedalam persaman 2.17 diperoleh:

…………………………. ( 2.18 )

Kerja proses adiabatic:

kk

k

k

k

kk

k

kk

k

dvpvdvv

pvpdvdl

p

p

v

v

T

T

v

v

p

pvpvp

pv

1

1

1

2

1

2

1

1

2

2

1

1

22211

konstan

0p

dp

v

dvkvdpkpdvk

pdv

vdp-

Cv

Cp

14

2211

1122

1

1

1

211

2

1

1

1

1

1

1

1

vpvpk

l

vpvpk

l

vvk

vpdvpvl

kkk

kk

e. Proses politropic

Adalah sembarang proses yang memenuhi persamaan pvn = konstan.

Untuk :

n = 0 v0 = 1 p1 = p2 ( proses tekanan tetap / isobaric )

n = 1 p v = konstan; p1v1 = p2v2 ( proses suhu tetap / isothermic ).

n = k kpv = konstan; kk vpvp 2211 ( proses kalor tetap / adiabatic ).

n = ∞ pv∞ = konstan; v1 = v2 ( proses volume tetap/ isochoric)

Gb 2.5 Proses politrop digambarkan didalam diagram p-v dan T-S

Mengacu pada proses adiabatic, besarnya kerja yang diperoleh:

22111

1vpvp

nl

…………………………. ( 2.20 )

Sebagaimana diuraikan didalam proses proses diatas, terdapat besaran Cv, Cp dan R yang

nilainya tergantung dari jenis gas yang bersangkutan. Tabel berikut ( tabel 2.1 ) menunjukkan

besaran besaran tersebut untuk berbagai jenis gas.

……………………. ( 2.19 )

15

Tabel 2.2 Sifat sifat berbagai jenis gas.

Jenis Gas

Rumus

Kimia

Berat

Jenis

Kg/m3

Konstanta

Keadaan R

Kgm/kgoC

Panas Jenis

Cp

kkal/kgoC

Cv

kkal/kgoC

Oxigen

Hydrogen

Nitrogen

Carbon Monoxide

Udara

Carbon dioxide

Acetylene

Methane

Ethylene

O2

H2

N2

CO

CO2

C2H2

CH4

C2H4

1,429

0,09

1,251

1,250

1,293

1,963

1,16

0,715

1,25

26,5

420,6

30,26

30,29

29,27

19,28

32,6

52,9

30,25

0,218

3,405

0,249

0,250

0,240

0,202

0,370

0,518

0,361

0,156

2,42

0,178

0,179

0,172

0,157

0,294

0,394

0,290

Contoh soal.

1. 1 kg udara didalam ruang pasangan silinder dan piston dengan tekanan 1 kg/cm2 absolut,

dipanaskan dari suhu 30oC menjadi 200

oC, berapa besarnya panas yang diberikan dan kerja yang

diperoleh jika prosesnya

a. Volume konstan ( isochoric ).

b. Tekanan konstan ( isobaric ).

Jawaban:

a. Pada proses volume konstan, besarnya panas yang diberikan:

q = Cv ( T2- T1)

= 0,172 ( 200 -30 )

= 29,24 kkal.

Kerja diperoleh dl = pdv → dv = 0

l = 0.

b. Pada proses tekanan konstan, besarnya panas yang diberikan

q = Cp ( T2- T1)

= 0,240 ( 200 -30 )

= 40,8 kkal.

Kerja diperoleh dl = pdv

l = p ( v2 – v1 ) → 303

473

27330

273200

1

2

1

2

T

T

v

v

=1,56

16

Untuk 1 kg udara pada tekanan atmosfir atau 1kg/cm2 , berat jenisnya

adalah 1,293 kg/m3, sehingga volumenya =

293,1

1 0,7734 m3

l = 10 000 kg/m2 x (1,56 – 0,7734 ) m

3

= 5196 kgm

2. 1 m3

udara dengan tekanan awal 10 kg/cm2 berexpansi menjadi 5 m

3.Berapa panas yang

diperlukan dan kerja diperoleh jika prosesnya adalah:

a. Isothermic.

b. Adiabatic.

Jawaban:

a. Proses isothermic,

2

1

2

2

1 pv

v

p

p = 10

2

1

v

v = 2 m

3

Panas yang diberikan

1

5ln1100000

427

1

ln1

211

q

v

vvApq

= 376,92 kkal.

Kerja yang diperoleh

L =

1

211 ln

v

vvp

= 1

5ln1100000

= 160944 kgm.

b. Pada proses adiabatic, besarnya panas yang diberikan:

dq = 0

q2 - q1=0

Kerja yang diperoleh:

105,05

1

1

14,1

2

1

1

22211

k

v

v

p

pvpvp

k l

05,1105,0102 p kg/cm2

17

510500110000014,1

1

l

= 131250 kgm.

2.6 PROSES KELILING.

Dari proses proses yang sudah disampaikan sebelumnya diketahui bahwa setiap expansi gas

akan menghasilkan kerja. Untuk bisa berexpansi maka gas tersebut membutuhkan energy, baik dari

energi dalam yang telah diperoleh sebelumnya atau oleh karena adanya penambahan panas pada

saat proses berlangsung. Jika proses expansi tersebut digambarkan didalam pasangan piston dan

silinder, maka pada akhir proses expansi, piston harus kembali lagi ketitik awal agar mesin terus bisa

berjalan, dan kembalinya piston ketitik awal memerlukan energy tertentu yang berlawanan dengan

proses expansi. Jika didalam proses expansi diperlukan pemberian panas, pada proses sebaliknya

diperlukan pembuangan panas.

Gb.2.6 a menunjukkan proses yang terjadi didalam pasangan piston dan silinder. Proses 1-m-

2 adalah proses expansi dimana gas yang bersangkutan memberikan kerja l1 ( luas 1-m-2-2’-1’-1 ),

dan proses 2-n-1 adalah proses pengembalian piston ketitik awal atau juga disebut sebagai proses

kompressi dan diperlukan kerja l2 ( luas 2-1-1’-2’-2 ). Kerja proses keliling l0 merupakan selisih dari

kedua luas tsb diatas.

Gb 2.6 b adalah diagram T-s yang menggambarkan bahwa untuk melakukan kerja l1 pada

proses expansi 1-m-2 diperlukan pemberian kalor q1 dan untuk melakukan kerja l2 pada proses

kompressi 2-n-1 diperlukan pelepasan kalor q2 . Besarnya kalor yang diperlukan ataupun yang

dibuang adalah:

q = T. ds …………………………….. …………….. ( 2-21 )

18

a) b)

Gb. 2.6 Proses keliling dalam diagram pv dan diagram T-s.

Dengan melalui media kerja, panas yang diberikan q1 ( = luas 1-m-2-s2–s1-1) mengakibatkan

bertambah tingginya “energi dalam” dari media kerja tersebut. Didalam mesin-mesin panas, expansi

media kerja disertai dengan perubahan energi menjadi kerja mekanik. Setelah proses expansi selesai,

media kerja mempunyai kondisi thermodinamic yang berbeda dibanding dengan kondisi sebelum

expansi.

Untuk mendapatkan transformasi energi menjadi kerja mekanik selanjutnya, media kerja

yang sama harus dikembalikan ke kondisi awal. Langkah kembali ini pada kenyataannya tidak bisa

melalui lintasan yang sama 1- m - 2, tetapi harus melalui lintasan yang lain yaitu 2 – n – 1, dan

harus dilepaskan panas q2 (= luas 2 – n –1- s1- s2 – 2). Selisih antara panas yang diberikan dan panas

yang dibuang / dilepaskan adalah sama dengan kerja mekanik yang dapat diberikan oleh mesin

tersebut.

q0 = q1 - q2 = A

1l0 =

A

1( l1- l2 )………………….... ( 2-22 )

Proses yang dilakukan oleh media kerja tersebut, terletak di dalam suatu kurva

tertutup 1 - 2 -1 yang disebut sebagai “ Proses keliling ”.

19

2.7 HUKUM THERMODINAMIKA II

Hukum kedua thermodynamika memberi arah dari jalannya proses transformasi energi, yaitu

perubahan dari satu bentuk energi ke bentuk yang lain. Sebagai gambaran adalah bahwa semua

bentuk energi dapat secara penuh dirubah ke dalam bentuk panas, tetapi dari energi panas tidak

dapat seluruhnya dirubah ke dalam bentuk lain, tanpa ada kerugian atau panas sisa. Berdasarkan hal

tersebut maka perubahan energi thermal (panas) kedalam bentuk kerja mekanik berlaku kaidah

sebagai berikut :

Panas hanya dapat dirubah ke dalam bentuk kerja mekanik jika terdapat penurunan suhu.

Dari seluruh panas yang diberikan, hanya sebagian saja yang dapat dirubah ke dalam bentuk

kerja mekanik, sisanya tidak dapat digunakan lagi dan harus dibuang.

Hukum kedua thermodynamika merupakan dasar dari teknik pembangkit thermal, dimana

didalamnya dibicarakan masalah proses perubahan energi dari bentuk panas kedalam bentuk kerja

mekanik. Di dalam teknik pembangkit thermal terdapat “panas diberikan”, “kerja diperoleh” dan

“panas dibuang”. Karena adanya panas yang dibuang tersebut maka besarnya kerja yang diperoleh

akan lebih kecil dari panas yang diberikan.

2.8 PROSES KELILING CARNOT.

Mesin panas yang diinginkan adalah yang dapat merubah sebagian besar energi panas yang

diberikan kedalam kerja mekanik. Dari keinginan diatas, maka didalam proses keliling, kerja

mekanik yang diperoleh akan lebih besar apabila pemberian panas berlangsung pada suhu yang

lebih tinggi, dan pembuangan panas berlangsung pada suhu yang lebih rendah. Proses keliling yang

sejalan dengan keinginan tersebut dikenal sebagai proses keliling Carnot ( gb. 2.7 ).

Proses keliling Carnot dibatasi dengan dua proses dengan suhu konstan ( isothermic ) dan

dua proses dengan kalor yang konstan ( adiabatic ), maka besarnya effisiensi (thermis) dapat ditulis :

Kerja yang diperoleh

th =

Panas yang diberikan

th = 1

21

q

qq ……………. ( 2-23 )

20

dimana :

q1 = T1.∆ s = luas 1- 2 - 3’ - 4’

q2 = T2.∆ s = luas 4 – 3 – 3’– 4’

diperoleh :

th Carnot = sT

sTsT

1

21

th Carnot = 1 - 1

2

T

T ……………… …… ( 2-24 )

Gb 2.7 Proses keliling Carnot

Contoh : T1 = 813oK

T2 = 308oK

th Carnot = 1 - K813

K 308 o

o

= 0,621 = 62,1 %

21

Selanjutnya effisiensi dari suatu proses keliling yang optimal tergantung dari tingginya suhu

dimana panas diberikan dan rendahnya suhu dimana panas dibuang. Karena panas yang dibuang

selamanya tidak pernah mencapai nol, maka effisiensi thermis juga tidak pernah mencapai 100%

baik di dalam proses Carnot maupun di dalam proses yang lain.

Prinsip proses keliling Carnot dimana effisiensi akan semakin tinggi jika saat pemberian

kalor dilakukan dengan suhu yang setinggi tingginya dan saat pembuangan kalor dilakukan dengan

suhu yang serendah rendahnya, akan berlaku untuk setiap jenis proses keliling pada mesin

pembangkit thermal. Untuk hal ini akan dibicarakan lebih lanjut pada bab bab terkait selanjutnya.

2.9 SIFAT SIFAT AIR DAN UAP.

Apabila air dipanaskan pada tekanan konstan maka pertama tama air akan memuai menuju

titik perpindahan phasa ( titik didih ), suhunya bertambah tinggi dan volumenya bertambah besar,

ditunjukkan dengan garis a – b pada gb 2.8

Pemanasan selanjutnya menjadikan air berpindah phasa dari phasa cair menjadi phasa gas (

uap ). Pada kondisi ini volumenya bertambah besar, namun suhunya tetap konstan sampai seluruh

bagian air menjadi uap. Kondisi ini ( b – c ) dikenal sebagi kondisi jenuh atau saturated. Pada titik b

dimana seluruh bagian masih berupa air disebut sebagai air jenuh, dan pada titik c dimana seluruh

bagian telah menjadi uap disebut sebagai uap jenuh. Daerah diantara titik b dan c adalah daerah

dimana terdapat bagian air dan bagian uap bersama sama, dikenal dengan sebutan uap basah yaitu

uap yang mengandung butir butir air. Besarnya bagian uap didalam uap basah disebut dengan derajat

kekeringan uap x yang besarnya antara 0,00 s/d 1,00. Pemanasan selanjutnya menjadikan uap

suhunya bertambah tinggi dan volumenya bertambah besar ( c – d ). Kondisi uap dengan suhu diatas

suhu jenuh disebut sebagai uap panas lanjut ( superheated steam ).

Gb. 2.8 Perubahan keadaan dari air menjadi uap didalam pv dan diagram TS

22

Jika tekanan dinaikkan maka besarnya panas ( heat / kalor ) yang diperlukan untuk merubah

phasa menjadi lebih sedikit, dan jika tekanan terus dinaikkan maka akan dicapai dimana proses

perpindahan phasa menjadi tidak tampak lagi. Titik dimana proses perpindahan phasa menjadi tidak

tampak lagi tersebut disebut sebagai titik kritis. Titik kritis terletak pada tekanan 225,65 kg /cm2 dan

suhu 374,15oC.

Gb 2.9 Diagram h – s (enthalpy – entropy) untuk air dan uap.

23

2.10 TABEL UAP.

Untuk mengetahui besarnya entalpi, entropi dan volume spesifik air dan uap , jika suhu dan

tekanannya sudah diketahui dapat digunakan tabel uap. Dengan tabel uap pula dapat diketahui

besarnya panas penguapan atau panas pengembunan ( latent heat ).

Ada tiga jenis tabel uap yaitu:

tabel uap jenuh yang merujuk kepada besarnya tekanan.

tabel uap jenuh yang merujuk kepada tingginya suhu.

tabel air dan uap panas lanjut.

Ketiga jenis tabel uap tersebut diberikan sebagai lampiran buku ini.

2.11 DIAGRAM ENTALPI – ENTROPI.

Proses pemanasan air menjadi uap dapat digambarkan pula didalam diagram Entalpi

Entropi sebagaimana gb 2.9. Didalam diagram ini sebagai sumbu mendatar adalah besarnya nilai

entropi, dan sebagai sumbu tegak adalah besarnya nilai entalpi. Didalam diagram ini pula terdapat

garis garis tekanan konstan, suhu uap konstan, derajat kekeringan uap konstan, dan untuk diagram

yang lebih lengkap terdapat garis volume spesifik konstan.

2.12 SOAL –SOAL.

1. Udara dengan berat 10 kg, suhu 200oC berexpansi adiabatic dari tekanan 10 kg /cm

2 absolut

menjadi tekanan 1 kg/cm2 absolut. Berapa besarnya:

a. Kerja diperoleh.

b. Suhu terakhir dicapai.

c. Volume awal.

d. Volume akhir.

2. Gas oxygen dikompressi secara polytropic dengan n = 1,2. Tekanan awal 1kg /cm2 absolut,

tekanan akhir kompressi 120 kg/cm2 absolut, suhu awal 32

oC. Berapa besarnya :

a. Kerja diperlukan untuk proses kompressi tersebut.

b. Suhu akhir kompressi.

c. Volume akhir komprssi.

24

3. 300 m3 air dipanaskan dari suhu 200

oC menjadi suhu 500

0C pada tekanan 100 kg/cm

2.

Berapa besarnya:

a. Panas diperlukan untuk pemanasan tersebut.

b. Panas penguapan pada tekanan tersebut.

c. Entalpi dan entropi pada akhir pemanasan.

25

III

PEMBANGKIT LISTRIKTENAGA UAP

3.1 UMUM

Pembangkit Listrik Tenaga Uap adalah jenis pembangkit listrik sekala besar yang paling

banyak dijumpai. Kurang lebih 75 persen kebutuhan listrik di Jawa dan Bali disuplai dari jenis

pembangkit ini. PLTU mempunyai banyak kelebihan / keuntungan dibanding jenis pembangkit lain

sebagaimana yang akan diuraikan berikut ini, yaitu :

Dapat membakar segala jenis bahan bakar.padat, cair maupun gas dapat digunakan disini.

Dapat dibuat dalam sekala sangat besar, mencapai 1200 MW persatu unitnya.

Umurnya relatif panjang.

Harga listrik yang dihasilkan bisa murah jika digunakan bahan bakar yang harga per

kalorinya rendah.

Tidak terpengaruh banyak oleh kondisi atmosfir.

Disamping mempunyai banyak kelebihan / keuntungan, tetapi juga terdapat banyak

kelemahan / kerugian antara lain:

Membutuhkan air pendingin dalam jumlah sangat besar, karena itu banyak dipasang ditepi

pantai.

Karena bahan bakarnya, bisa menimbulkan pencemaran yang relatif tinggi.

Waktu startnya panjang.

Respons terhadap perubahan beban lambat.

Memerlukan lahan yang lebih luas.

Masa pembangunan lebih lama.

Tidak bisa start sendiri tanpa bantuan listrik dari luar.

Diperlukan air penambah dgn kualitas yang tinggi.

3.2 BAGIAN BAGIAN UTAMA

Pembangkit Listrik Tenaga Uap ( PLTU ) merupakan jenis pembangkit yang menggunakan

air dan uap sebagai media kerjanya.. Pembangkit Listrik Tenaga Uap sederhana digambarkan

didalam gb 3.1 mempunyai bagian2 utama sebagai berikut:

Boiler, untuk merubah energi panas dari bahan bakar menjadi energi panas pada uap, terdiri

dari tiga bagian yaitu economizer untuk memanaskan air menuju titik perpindahan phasa,

26

evaporator untuk merubah phasa air menjadi uap dan superheater untuk memanaskan lanjut

uap tersebut sampai shu tertentu.

Turbin, untuk merubah energi panas didalam uap menjadi energi mekanik pada poros turbin

guna menggerakkan rotor generator.

Condensor, untuk mengembunkan uap menjadi air kembali dengan menggunakan air

pendingin.

Generator. Untuk merubah energi mekanik pada rotor generator menjadi energi listrik pada

stator untuk disalurkan kekonsumen.

Gb 3.1 Siklus Rankine ( PLTU sederhana )

3.3 SIKLUS RANKINE

Pembangkit Listrik Tenaga Uap mengikuti sebuah proses siklus ( proses keliling ) yang

disebut siklus Rankine ( gb 3.1 dan 3.2 ), terdiri dari:

1. Proses pemompaan air masuk kedalam boiler ( 3-4 ). Disini tekanan bertambah tinggi dan

suhu sedikit naik.

2. Proses pemberian kalor dengan tekanan yang konstan didalam boiler yang menjadikan air

berubah menjadi uap panas lanjut ( 4-1 ). Disini terjadi bahwa volume bertambah besar, suhu

bertambah tinggi, dan entropi bertambah besar.

27

3. Proses expansi isentropis / adiabatis uap didalam turbin ( 1-2 ) yang menjadikan turbin

berputar guna memutar poros generator untuk menghasilkan listrik. Disini volume uap

bertambah besar, tekanan menurun, suhu menurun dan entropi konstan.

4. Proses pengembunan uap keluar turbin menjadi air kembali didalam kondensor pada tekanan

yang konstan ( 2-3 ). Disini suhu tetap konstan dan volume mengecil.

Proses proses tersebut diatas digambarkan didalam diagram tekanan – volume ( p-v ),

diagram suhu – entropi ( T – S ) dan diagram entalpi – entropi ( h – s ) sebagaimana dapat dilihat

didalam gb 3.2 Selanjutnya seperti sudah dijelaskan didalam siklus Carnot, besarnya effisiensi

thermis siklus Rankine adalah:

Kerja yang diperoleh

th =

Panas yang diberikan

Panas yang diberikan – Panas dibuang

th =

Panas yang diberikan

th = 1

21

q

qq

28

Gb 3.2 Siklus Rankine digambarkan dalam diagram p-v,

diagram T-s dan digram h-s.

Besarnya panas yang diberikan adalah sama dengan panas yang diterima oleh air dan uap

didalam boiler atau sama dengan luas 4-5-6-1-2’-3’-4 didalam diagram T- S, sedang besarnya panas

dibuang sama dengan luas 3-2-2’-3’-3. Jadi besarnya kerja diperoleh sama dengan luas 4-5-6-1-2-3-

4. Oleh karena besarnya panas diberikan adalah juga sama dengan besarnya selisih entalpi antara

sebelum dan sesudah panas diberikan, dan besarnya panas dibuang sama dengan selisih entalpi antara

sebelum dan sesudah panas dibuang maka rumus effisiensi diatas dapat ditulis:

th =

)

))

41

4241

hh

hhhh

= 41

21

hh

hh

Pada PLTU - PLTU yang besar dengan daya mampu diatas 100 000 kw, umumnya siklus

yang digunakan bukan siklus Rankine murni seperti diatas tetapi siklus Rankine yang telah

dimodifikasi menjadi siklus Rankine Reheat sebagimana digambarkan didalam diagram T – S dan

diagram h – S ( gb 3.3 ). Selanjutnya sebutan siklus Rankine Reheat biasa hanya disebut dengan

Siklus Reheat saja. Susunan peralatan sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Uap dengan siklus reheat

secara lebih lengkap dapat dilihat pada gb 3.4

29

a) b)

Gb 3.3 Diagram T- S dan diagram h - S siklus Rankine Reheat

3.4 BOILER.

Boiler merupakan bagian dari PLTU dimana air dirubah menjadi uap melalui pemanasan

yang dilakukan dengan pembakaran bahan bakar. Terdiri dua bagian utama yaitu bagian laluan air

dan uap dan bagian laluan udara dan gas hasil pembakaran. Bagian lauan air dan uap terdiri dari

ekonomiser, evaporator, drum uap, down comer dan su-perheater. Bagian laluan udara / gas panas

terdiri dari ruang bakar, ruang superheater dan ruang economizer.

3.4.1 Klasifikasi Boiler.

Berbagai jenis konstruksi boiler dapat dijumpai yang dapat diklasifikasikan me-nurut jenis

konstruksinya, menurut proses pembakarannya, menurut proses pemanasan uap-nya, menurut jenis

sirkulasi airnya, dan menurut tingkat tekanannya.

Dari segi konstruksi dibedakan:

Boiler tangki

Didalam boiler jenis ini, air terletak didalam sebuah bejana / tangki tunggal dan didalamnya

terdapat ruang bakar. Jenis boiler ini hanya untuk kapasitas produksi dan tekanan yang

rendah. Tidak digunakan didalam PLTU.

Boiler pipa api.

Pada dasarnya boiler ini adalah jenis boiler tangki namun luas bidang pemanasannya

diperluas dengan pipa pipa api dengan jumlah yang banyak. Api mengalir didalam pipa

sedang airnya berada diluar pipa. Termasuk kedalam jenis ini adalah boiler lokomotif uap.

30

Boiler pipa air.

Boiler ini merupakan kebalikan dari boiler pipa api, dimana air berada didalam pipa sedang

api / gas panas berada diluar pipa.

Boiler water wall.

Boiler ini adalah jenis boiler yang digunakan di PLTU. Terdiri dari pipa pipa air yang

berdiri tegak membentuk dinding dinding dimana ruang diantara dinding dinding tersebut

digunakan sebagai ruang untuk pembakaran bahan bakar. Panas hasil pembakaran bahan

bakar akan dipancarkan kedinding dinding pipa dan selanjutnya diteruskan kedalam air yang

berada didalam pipa. Air didalam pipa akan mendidih / berubah fasa danb ergerak naik

menuju drum pengumpul uap.

Gb.3.4 Pembangkit Listrik Tenaga Uap dengan siklus Reheat

31

Dari segi proses pembakarannya dibedakan:

Boiler dengan pembakaran stocker ( stocker fired )

Disini bahan bakar padat dilempar masuk kedalam kisi kisi pembakar dalam bentuk ukuran

yang relative besar ( bukan serbuk ). Udara pembakaran datang dari bawah kisi kisi

pembakar sebagai udara primer dan dari atas kisi kisi sebgai udara sekunder.

Boiler dengan pembakaran batubara serbuk ( pulverizer fired ) ( gb 3.5 ).

Disini batubara digiling menjadi serbuk dan dimasukkan kedalam ruang bakar bersama

sama dengan udara primer. Udara sekunder ditambahkan kedalam ruang bakar dari saluran

lain untuk menyempurnakan proses pembakaran.

Gb.3.5 Boiler water wall dengan bahan bakar batubara serbuk

( pulverized coal boiler )

32

Fluidized bed fired.

Didalam rangka meniadakan kandungan belerang didalam gas bekas, maka digunakan boiler

jenis ini. Ada dua jenis boiler fludized bed, yaitu Bubble Fluidized Bed dan Circulating

Fluidized Bed. Masing masing menggunakan batu kapur untuk mengikat kadar belerang

yang terdapat didalam bahan bakar. Didalam Bubble Fluidized Bed batubara terbakar

Gb 3.6 Boiler water wall dengan pembakaran fluidized bed

didalam ruang bakar dan bergerak bersama batu kapur laksana air mendidih, naik turun

didalam ruang bakar, sedang didalam Circulating Fluidized Bed, batubara dan batu kapur

bergerak bersama sama dan bersirkulasi dari ruang bakar masuk kedalam Cyclone dan

kembali kedalam ruang bakar. Abu batubara akan tercampur dengan batu kapur dengan

pengikatan unsur belerang oleh batu kapur.

33

Oil & Gas fired.

Boiler ini khusus digunakan untuk pembakaran bahan bakar minyak atau gas. Oleh karena

sifat proses pembakarannya yang relative lebih cepat dibanding proses pembakaran

batubara, maka ukuran ruang bakarnya menjadi lebih kecil.

Gb 3.7 Boiler water wall dengan bahan bakar minyak dan gas

Dari segi pemanasan uapnya dibedakan:

Boiler non reheat adalah boiler yang hanya terdiri dari unsur utama saja yaitu ekonomiser,

evaporator dan superheater.

Boiler reheat, adalah boiler yang padanya ditambahkan bagian pemanasan ulang dari uap

yang telah digunakan di turbin tekanan tinggi.

Dari segi sirkulasi air yang terjadi dibedakan:

Boiler dengan sirkulasi alam ( natural circulation ), yaitu boiler yang sirkulasi airnya

hanya mengandalkan perbedaan berat jenis antara bagian yang terkena panas dengan

34

bagian yang tidak terkena panas. Tempat dimana air terkena panas dan bergerak naik

disebut sebagai riser dan tempat air tidak terkena panas dan bergerak turun disebut sebagai

down comer. Riser atau juga disebut evaporator merupakan pipa pipa tegak yang

membentuk dinding ( disebut juga sebagai water wall ) yang mengelilingi ruang bakar.

Panas radiasi dari nyala api pembakaran akan memanaskan air didalam pipa dan

merubahnya menjadi uap.

Boiler dengan sirkulasi paksa ( Forced circulation ).adalah boiler yang sirkulasi airnya

menggunakan pompa.

Boiler dengan tanpa sirkulasi ( Once through ). Disini air masuk boiler langsung menjadi

uap tanpa ada sirkulasi. Karena itu boiler ini disebut dengan sebutan Once Through ( sekali

lewat ).

Dari segi tekanan uapnya dibedakan:

Boiler tekanan rendah, yaitu boiler dengan tekanan kurang dari 10 bar.

Boiler dengan tekanan menengah yaitu boiler dengan tekanan antara 10 s/d 88 bar

Boiler dengan tekanan tinggi yaitu boiler dengan tekanan antara 88 - 224 bar.

Boiler dengan tekanan super kritis yaitu boiler dengan tekanan diatas 225 bar.

3.4.2 Effisiensi & Kerugian didalam Boiler

Panas diberikan didalam Boiler.

Untuk membangkitkan uap dengan suhu dan tekanan seperti tersebut dalam 3-1.

diperlukan panas dari hasil pembakaran bahan bakar, baik padat, cair, maupun gas. Panas

yang dapat ditimbulkan oleh pembakaran 1 kg bahan bakar tergantung dari besarnya unsur-

unsur kimia yang terkandung di dalamnya sebagaimana dapat dilihat dalam rumus berikut :

Untuk bahan bakar padat dan cair :

Hu = 81C + 290 (H - 0/8) + 25S - 6W. k kal/kg……….. ( 3-1 )

dimana:

Hu = nilai kalor bawah k kal/kg

C = nilai unsur karbon %

H = nilai unsur hydrogen %

O = nilai unsur oxygen %

S = nilai unsur belerang %

W = nilai unsur air %

35

Untuk bahan bakar gas :

Hu = 30,2 CO+ 25,7 H2 + 85,5 CH4 + Z Cn Hm. kkal/N m3 … ( 3-2 )

Dimana rumusan Cn Hm dan besarnya nilai Z dapat dilihat didalam tabel:

Persamaan ( 3-3 ) disebut nilai kalor bawah yang biasa digunakan dalam perhitungan di negeri

Jerman. Sedang di Amerika dan Inggris digunakan nilai kalor atas yaitu :

Ho = 81C + 290 (H–0/8) + 25S. k kal/kg …………………. ( 3-3 )

Tabel 3.1: Rumusan hidrokarbon dan besarnya nilai Z.

Cn Hm Z

C2 H2

C2H4

C2H6

C3H6

C4H8

C6H6

136

143,2

153,7

210,7

223,5

271,9

335,2

Persamaan ( 3-3 ) disebut nilai kalor bawah yang biasa digunakan dalam perhitungan di

negeri Jerman. Sedang di Amerika dan Inggris digunakan nilai kalor atas yaitu :

Ho = 81C + 290 (H–0/8) + 25S. k kal/kg ………………… ( 3-4 )

Panas berguna didalam Boiler.

Boiler direncanakan untuk dapat memproduksi uap dengan jumlah, tekanan dan suhu tertentu

dari air dengan jumlah, tekanan dan suhu tertentu pula. Karena itu panas berguna dari sebuah boiler

adalah merupakan jumlah dari masing masing uap keluar boiler dikalikan entalpinya dikurangi berat

air masuk boiler dikalikan entalpinya. Oleh karena besarnya air masuk boiler sama dengan jumlah

uap keluar boiler maka dapat ditulis:

Qk = ∑ Gu (hu - ha) k kal/jam …………………………. ( 3-5 )

Untuk boiler – boiler yang menggunakan pemanas ulang ( reheater ) adalah :

Qk = Gu (hu - ha) + Gr (hrk – hrm) ……………………….. ( 3-6 )

36

dimana :

Qk = panas berguna dalam boiler k kal/jam

Gu = berat uap keluar boiler kg/jam

hu = enthalpi uap keluar boiler kal/kg

ha = enthalpi air pengisi masuk boiler k kal

Gr = berat uap masuk pemanas ulang (reheater) kg

hrm = enthalpi uap masuk reheater k kal/kg

hrk = enthalpi uap keluar reheater k kal/kg

Harga enthalpi dapat dilihat pada tabel air / uap atau pada diagram enthalpy entropi.

Effisiensi Boiler.

Panas yang dapat dibawa oleh uap masuk kedalam turbin hanyalah sebagian dari panas hasil

pembakaran bahan bakar di dalam boiler. Sebagian lain diperlukan untuk keperluan boiler itu sendiri

misalnya untuk pemanasan bahan bakar (minyak) untuk pemanasan awal udara pembakaran dan

sebagainya. Sisanya merupakan bagian yang tidak dapat dimanfaatkan dan terpaksa harus dibuang

dan ini merupakan kerugian boiler.

Effisiensi boiler adalah perbandingan dari panas yang dapat diserap oleh air/uap di dalam

boiler dengan panas maximum yang dapat diberikan oleh bahan bakar.

6) -(3......100 = k % …x Gbb.Hu

rk - hrm)a) + Gr (hGu (hu - h

Qbb

Qk

Effisiensi boiler juga dapat dihitung dari kerugian-kerugian yang terjadi di dalamnya.

%x Qbb

K - Q = η

nBB

k 100

............................................. ( 3. 7 )

dimana :

Kn = kerugian-kerugian di dalam boiler.

Kerugian didalam boiler

Kerugian didalam boiler merupakan panas yang tidak dapat dimanfaatkan untuk

memproduksi uap dan itu terdiri dari dua bagian yaitu :

Kerugian dalam pembakaran terdiri dari :

1. Kerugian dalam kisi-kisi pembakar.

2. Kerugian karena bahan bakar terbawa dalam abu.

37

3. Kerugian karena gas yang tidak terbakar.

4. Kerugian karena jelaga dan abu terbang.

Kerugian karena panas hilang :

1. Kerugian panas dalam gas bekas keluar cerobong.

2. Kerugian karena kerak yang mencair.

3. Kerugian karena radiasi dan bocoran.

3.4.3 Kelengkapan Boiler

Disamping bagian utama boiler yang sudah disebutkan diatas, boiler dilengkapi dengan

bagian bagian lain untuk memungkinkan boiler dapat beroperasi dengan lancar, aman dan otomatis.

Bagian bagian tersebut dapat dikelompokkan kedalam sistim sistim yaitu:

Sistim aliran air pengisi boiler

Sistim aliran bahan bakar

Sistim aliran udara dan gas pembakaran.

Sistim pengendalian suhu uap.

Sistim pengaman.

Sistim kontrol.

Sistim pembersih laluan gas panas.

Sistim aliran air pengisi boiler dan sistim pengendalian suhu uap ( gb 3.8 )

Sistim aliran air pengisi boiler terdiri dari Tangki Air Pengisi, Pompa Air Pengisi, Katup

Pengatur Air Pengisi, dan Pemanas Air Tekanan Tinggi. Air dihisap oleh Pompa Air Pengisi, dari

Tangki Air Pengisi kemudian dipanaskan didalam Pemanas Air Tekanan Tinggi dan selanjutnya

masuk kedalam Economizer. Jumlah air yang dimasukkan kedalam boiler dalam keadaan normal

diatur sesuai dengan besarnya aliran uap yang masuk keturbin, dengan menggunakan katup pengatur

aliran. Pengaturan aliran air pengisi juga bisa dilakukan dengan mengatur putaran Pompa Air

Pengisi.

Suhu uap masuk turbin harus dijaga kestabilannya, dan tidak boleh berubah oleh karena

adanya perubahan aliran uap keluar boiler. Untuk itu suhu uap dikendalikan dengan memberikan

injeksi air yang relative dingin dan dimasukkan kedalam superheater. Aliran air pendingin ini

dikendalikan secara otomatis, yang akan menambah jumlah alirannya jika ada tendensi suhu uap

mengalami kenaikan, dan akan mengurangi jumlah alirannya jika ada tendensi suhu uap menurun.

38

Gb 3.8 Sistim air pengisi boiler dan sistim air pancar pengendali suhu uap.

Sistim aliran batubara dan sistim aliran udara / gas hasil pembakaran ( gb 3.9 )

Sistim aliran bahan bakar padat ( batubara serbuk ) terdiri dari tempat penumpukan,

pengumpan, ban berjalan, bunker, pengukur aliran, penggiling dan pembakar. Batubara dipindahkan

dari tempat penumpukan dengan alat berat ( bulldozer ) menuju ban berjalan yang

menghantarkan batubara menuju bunker untuk diteruskan kepenggiling setelah ditimbang / diukur

jumlahnya oleh pengukur aliran. Selanjutnya didalam penggiling, batubara bertemu dengan udara

pembakaran yang disebut sebagai udara primer dan keduanya secara bersama sama masuk kedalam

pembakar. Ujung pembakar yang letaknya ditepi ruang bakar mengantarkan serbuk batubara masuk

kedalam ruang bakar dan terbakar didalamnya. Udara sekunder diberikan kedalam ruang bakar

untuk menyempurnakan proses pembakaran didalamnya.

Sistim aliran udara pembakaran terdiri dari Saluran Udara Masuk, Kipas Tekan, Pemanas

Udara, Pengukur Aliran, Kotak Angin ( Wind Box ), Pembakar, Penangkap Abu Terbang,

Penangkap Gas Belerang dan Cerobong. Udara pembakaran dihisap dengan Kipas Tekan dari

atmosfir melalui Saluran Udara Masuk, kemudian didorong masuk kedalam Pemanas Udara.

Setelah dipanaskan, sebagian udara masuk kedalam

39

Gb. 3.9 Sistim aliran batubara dan sistim udara / gas hasil pembakaran

Penggiling Batubara ( sebagai udara primer ) dan bersama dengan batubara tergiling masuk kedalam

pembakar; sebagian lainnya masuk kedalam wind box untuk selanjutnya masuk kedalam ruang

bakar sebagai udara sekunder.

Pembakaran bahan bakar akan menghasilkan nyala api dan gas dengan suhu yang tinggi

untuk memanaskan dinding dinding pipa air ( water wall ), pipa pipa super-heater, economizer,

pemanas udara dan menuju cerobong setelah melalui penangkap abu terbang dan penangkap gas

belerang.

Sistim pengaman Boiler

Sistim pengaman boiler terdiri dari pengaman tekanan lebih ( over pressure ), pengaman

suhu uap lebih ( over heat ), pengaman permukaan air dan pengaman nyala api. Pengaman tekanan

lebih berguna untuk mengamankan boiler dari tekanan lebih yang bisa mengakibatkan meledaknya

boiler. Pengamanan dilakukan dengan melengkapi boiler dengan satu atau lebih katup pengaman (

safety valve ) dimana katup pengaman tersebut akan membuka jika batas operasinya terlampaui.

Pengaman suhu uap lebih berguna untuk mengamankan material yang dilalui uap dari

kehilangan kekuatan akibat naiknya suhu. Pengaman ini akan memberikan alarm / peringatan buat

petugas untuk mengambil tindakan yang perlu agar suhu lebih tersebut tidak berlanjut.

Pengaman permukaan air terdiri dari pengaman permukaan air rendah dan pengaman

permukaan air tinggi. Pengaman permukaan air rendah digunakan untuk mengamankan boiler suhu

labih akibat tiadanya air didalamnya. Pengaman ini akan langsung mematikan nyala api jika

permukaan air kelewat rendah. Pengaman permukaan air tinggi digunakan untuk menghindari

40

mengalirnya air masuk kesuperheater dan terus keturbin. Pengaman ini hanya akan memberikan

alarm jika permukaan air kelewat tinggi.

Pengaman nyala api berguna untuk menghentikan aliran bahan bakar jika nyala api didalam

ruang bakar mati. Dengan demikian tidak ada lagi bahan bakar yang masuk kedalam ruang bakar

jika api tidak muncul.

Sistim kontrol

Sistim kontrol atau juga disebut sebagai sistim kendali operasi boiler berguna untuk

mengendalikan jumlah aliran bahan bakar, aliran air pengisi dan aliran udara pembakaran secara

otomatis berdasarkan jumlah aliran uap atau berdasarkan besarnya daya listrik yang dibangkitkan

generator. Terdiri dari pemungut ( sensor ), pemancar ( transmitter ) pengendali ( controller ) dan

pelaksana ( actuator ). Sensor akan mengambil sinyal aliran uap untuk diteruskan ke controller

melalui transmitter. Controller akan memberikan sinyal menambah atau mengurangi besarnya kerja

actuator berdasarkan perbedaan sinyal input dari sensor terhadap setpoint ( penyetelan awal ) yang

dimiliki controller.

Sistim pembersih laluan gas panas

Sistim pembersih laluan gas panas berguna untuk membersihkan abu dan jelaga yang

menempel pada pipa pipa boiler. Abu dan jelaga ini akan mengurangi proses transfer energi dari gas

hasil pembakaran kepada air didalam boiler. Pembersihan dilakukan dengan menyemprotkan uap

pada laluan gas panas ditempat dimana abu dan jelaga bisa menempel. Penyemprotan dilakukan

secara periodik dengan interval waktu tertentu tergantung dari kadar abu dan jelaga ybs.

3.4.4 Air pengisi Boiler.

Agar produksi uap berjalan terus, maka boiler harus diisi dengan air baru meng-gantikan

yang telah menjadi uap dan mengalir keturbin. Air tersebut sebagian besar diperoleh dari

pengembunan uap bekas keluar turbin yang terjadi didalam kondensor. Air boiler harus dirawat agar

tidak menimbulkan korosi dan bebas dari kotoran lainnya yaitu dengan menjaga agar air terbebas

dari oxygen dan menjaga air bersifat sedikit basa serta relative tidak menghantar listrik.

Perawatan air dibagi menjadi dua jenis yaitu perawatan air internal dan perawatan air

external. Dengan perawatan air internal dimaksudkan sebagai perlakuan yang dilakukan terhadap air

yang mengikuti siklus dari kondensor – deareator – boiler – turbin. Perawatan ini meliputi:

Injeksi Hydrazene ( N2H4) untuk mengikat Oxygen ( O2) sebelum air masuk kedalam

deareator.

Pemanasn air langsung dengan uap didalam deareator untuk membuang gas / udara yang

larut didalam air selama perjalanannya didalam siklus.

41

Injeksi Amoniak ( NH3) kedalam boiler untuk menaikkan pH air bila diperlukan. Injeksi

amoniak ini tidak disarankan bila pipa kondensor terbuat dari bahan tembaga, karena

amoniak bersifat korosi terhadap tembaga.

Injeksi Trisodium Phospat ( Na3PO4 ) kedalam boiler untuk mengikat kotoran kotoran

didalam air dan mebuangnya melalui saluran blow down.

Perawatan air external meliputi perlakuan terhadap air sebelum air tersebut digunakan

sebagai air penambah didalam siklus kondensor – deareator – boiler – turbin. Oleh karena adanya

kebocoran yang terjadi atau adanya penggunaan uap yang lain diluar yang masuk turbin dan

kebutuhan untuk pembuangan melalui saluran blowdown, maka diperlukan sejumlah air penambah.

Air penambah merupakan air murni yang tidak menghantar listrik, bebas dari keasaman dan

kesadahan. Umumnya air penambah diperoleh dari penyulingan air laut atau dengan cara Reverse

Osmosis untuk menghilangkan garam garamnya dan kemudian dimurnikan lagi didalam instalasi

Demineralizing Plant.

Instalasi Demineralizing Plant terdiri dari tangki tangki ( gb 3.10 ) dengan sebutan masing

masing sbb:

Tangki saringan karbon, didalamnya berisi bahan karbon aktif untuk menya-ring chlorine,

terutama jika air berasal dari Perusahaan Air Minum.

Gb 3.10 Instalasi pemurnian air ( demineralizing plant ).

Tangki penukar cation, didalamnya terdapat resin penukar kation, untuk menangkap ion

ion calsium, magnesium dan sodium. Resin tersebut pada suatu saat tertentu akan menjadi

jenuh dan harus diaktifkan kembali, yaitu dengan mengalirkan asam chlorida.

Tangki degassifier, untuk mebuang gas gas yang larut didalam air. Untuk membuang gas ini

air dibuat jatuh seperti hujan dan ditiup dengan udara dari arah bawah keatas dengan

bantuan sebuah blower.

42

Tangki penukar anion, didalamnya terdapat resin anion untuk menangkap ion ion silica,

carbon dioxid, chloride dan sulfat. Jika resin ini menjadi jenuh harus diaktifkan kembali

dengan mengalirkan larutan caustic soda.

3. 5 T U R B I N.

Turbin uap adalah mesin penggerak yang merubah secara langsung energi panas dari uap

menjadi gerak putar pada poros. Proses perubahan energi panas menjadi kerja mekanik berupa

gerak putar tsb dapat dilihat di dalam gb. 3.11.

Gb. 3.11 Cara kerja Turbin Uap

Pertama-tama uap dengan suhu dan tekanan yang ada padanya masuk ke dalam nozzle atau

sudu tetap yang terpasang di dalam rumah turbin. Didalam nozzle, uap berex-pansi ( tekanan turun

dan volumenya bertambah besar ) sehingga diperoleh kecepatan yang tinggi dan masuk kedalam

laluan diantara sudu-sudu jalan. Akibat dari perjalanan yang membelok maka sudu-sudu jalan

tersebut akan terdorong kearah belakang ( tanda panah ).

Turbin mempunyai dua bagian utama yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian yang berputar,

ditumpu oleh dua bantalan, padanya terpasang sudu sudu jalan yang menerima pancaran uap dari

sudu tetap. Stator adalah bagian yang diam, padanya terpasang sudu sudu tetap yang mengubah

enthalpy uap menjadi kecepatan untuk mendorong sudu jalan, sehingga rotor menjadi berputar. Pada

stator juga terdapat saluran saluran uap pemanas untuk pemanasan air masuk boiler. Juga terpasang

katup uap masuk turbin, perapat poros dll.

43

3.5.1 Klasifikasi Turbin.

Turbin uap diklasifikasikan menurut berbagai segi seperti: proses expansi uap, arah aliran

uap, tekanan uap masuk, tekanan uap keluar turbin, pengaturan uap masuk dan jumlah silinder

casingnya sebagaimana uraian berikut ini.

a)Tingkat impulse b) tingkat reaksi c) tingkat kecepatan d) tingkat reaksi

Gb 3.12 Bentuk sudu turbin impuls dan turbin reaksi

Dari segi proses expansi uap didalam sudu-sudu turbin dibedakan antara turbin impulse dan

turbin reaksi. Turbin impulse adalah jenis turbin yang expansi uapnya hanya terjadi didalam nozzle

atau sudu tetap saja, sedang turbin reaksi adalah jenis turbin yang proses expansi uapnya berlangsung

baik didalam sudu tetap maupun sudu jalan.

Gb 3.12 menujukkan bagaimana proses penurunan tekanan dan proses pertambahan

kecepatan masing masing pada turbin impulse ( juga disebut sebagai turbin tingkat kecepatan ) dan

turbin reaksi ( juga disebut sebagai turbin tingkat tekanan ). Masing masing menggambarkan untuk

jumlah tingkat tunggal dan jumlah tingkat ganda atau lebih.

Dari segi arah aliran uapnya dibedakan antara turbin axial dan turbin radial. Turbin axial adalah

turbin yang aliran uapnya sejajar sumbu poros. Terdapat dua jenis turbin axial yaitu yang arah

alirannya hanya satu arah ( single flow ) dan yang arah alirannya dobel ( double flow ). Turbin radial

adalah turbin yang arah aliran uapnya tegak lurus sumbu poros.

Dari segi tekanan uap masuk turbin , dibedakan berdasarkan standard yang berlaku di Jerman

( DIN 4304 ):

44

Tekanan super kritis ( ≥225 bar )

Tekanan tinggi ( 88 -224 bar )

Tekanan menengah ( 10 - 88 bar ).

Tekanan rendah ( <10bar )

Dari segi tekanan uap meninggalkan sudu terakhir dibedakan antara turbin tekanan lawan (

back pressure ) dan turbin condensing. Turbin back pressure adalah turbin yang tekanan keluar sudu

terakhir masih mengandung tekanan diatas tekanan atmosfir, dan uap keluar turbin digunakan untuk

keperluan lain misalnya untuk pemanasan atau untuk melakukan suatu proses didalam industri,

sedang turbin condensing adalah turbin yang tekanan keluar sudu terakhirnya berada dibawah

tekanan atmosfir ( vacuum ) dan uapnya langsung diembunkan menjadi air kembali didalam

condenser.

Dari segi pengaturan jumlah aliran uap masuk turbin, dibedakan antara turbin tekanan

konstan dengan pengaturan throttle, turbin tekanan konstan dengan pengaturan kelompok nosel, dan

turbin dengan tekanan berubah ( varabel ).

Dari segi jumlah silinder/casing dibedakan turbin dengan silinder tunggal, silinder ganda

dan seterusnya. Gb 3.13 menunjukkan sebuah turbin PLTU dengan silinder tunggal, terdiri dari dua

tingkat impuls dan 21 tingkat reaksi dengan tekanan 88 bar gauge dan suhu 5100C, sedang gb 3.14

menunjukkan turbin dengan tiga silinder / casing yaitu silinder turbin tekanan tinggi, silinder turbin

tekanan menengah dan silinder turbin tekanan rendah.

Gb 3.13 Turbin PLTU dengan silinder tunggal, terdiri dari dua tingkat impuls dan 21

tingkat reaksi dengan 88 bar suhu 5100C

45

Gb 3.14 Turbin dengan tiga silinder / casing: silinder tekanan tinggi, silinder tekanan

menengah dan silinder tekanan rendah.

3.5.2 Daya Turbin.

Daya yang bisa dibangkitkan oleh turbin ditentukan oleh jumlah uap yang mengalir dan

besarnya heat drop ( turun entalpi ) uap yang terjadi didalam turbin. Secara ideal proses yang terjadi

didalam turbin adalah proses adiabatic atau proses dengan entropy konstan, yaitu proses yang

berlangsung dengan tidak adanya panas yang masuk maupun panas keluar. Oleh karena adanya

kerugian kerugian didalam turbin maka heat drop ideal tersebut tidak bisa terpenuhi.

Gb 3.15 adalah diagram entalpi entropi ( h – s ) untuk proses uap didalam turbin. Disini

digambarkan tentang heat drop ideal, heat drop aktual dan kerugian kerugian yang terjadi didalam

turbin dan dapat dijelaskan sebagai berikut:

Heat drop ideal ( Hi ) adalah turunnya intalpi ideal ( proses adiabatis / entropi konstan ) dari

uap sebelum masuk turbin sampai masuk kondensor digambarkan sebagai garis lurus

kebawah dari titik 0 ketitik 2i.

Heat drop ideal didalam turbin ( Hi’) adalah turunnya intalpi ideal ( proses adiabatis / entropi

konstan ) dari uap setelah katup masuk turbin sampai masuk kondensor digambarkan

sebagai garis lurus kebawah dari titik 1 ketitik 2.

Heat drop aktual didalam turbin ( Ha ) adalah turunnya entalpi aktual dari uap setelah katup

masuk turbin sampai masuk kondensor. Disini proses expansi uap tidak lagi adiabatis /

entropi konstan lagi, tetapi entrpi menjadi bertambah besar, digambarkan sebagai garis

miring kebawah dari titik 1 ketitik 2’. Besarnya heat drop disini merupakan selisih entalpi

antara entalpi uap sesudah katup masuk turbin ( h1) dengan entalpi keluar turbin aktual (

h2’).

Kerugian kerugian yang terjadi didalam turbin terdiri dari:

46

a) Kerugian karena throtling ( penyempitan pada katup uap masuk turbin ). Penyempitan

katup menyebabkan tekanan sesudah katup menjadi lebih rendah dari sebelumnya ( p0

menjadi p2). Besarnya kerugian disini digambarkan sebagai selisih entalpi ∆ H.

b) Kerugian didalam nozzle atau sudu tetap .Pancaran uap keluar nozzle atau sudu tetap

akan bergesekan dengan dinding nozzle atau sudu tetap tersebut, sehingga akan

mengurangi dorongan uap terhadap sudu jalan. Kerugian ini digambarkan sebagai k1.

Gb 3.15 Proses expansi uap didalam turbin dan kerugian kerugian didalam turbin

c) Kerugian gesekan uap didalam sudu jalan. Seperti halnya didalam nozzle atau sudu

tetap, uap didalam sudu jalan juga mengalir dan bergesekan dengan dinding sudu,

karena itu ia akan mengurangi besarnya momentum dan impulse yang diberikan

kepermukaan lengkung sudu. Kerugian ini digambarkan sebagai k2.

d) Kerugian karena uap lolos pada celah antara poros dan sudu tetap. Karena perbedaan

tekanan antara sebelum dan sesudah tingkat sudu, maka uap akan mengalir melalui

celah tersebut dan tidak bisa dirubah menjadi energi mekanik. Kerugian ini

digambarkan sebagai k3.

e) Kerugian karena uap bergerak membalik. Pancaran uap keluar nozzle / sudu tetap

menyebabkan tekanan yang rendah pada ujung keluar nozzle / sudu tetap. Akibatnya

uap keluar sudu jalan sebagian akan bergerak membalik melalui celah diantara sudu

47

jalan dan casing turbin dan menghambat jalannya uap keluar nozzle. Kerugian ini

digambarkan sebagai k4

f) Kerugian karena kebasahan uap. Butir butir air yang timbul akibat kondisi uap yang

masuk daerah jenuh ( saturated ) akan menghambat aliran uap. Air yang mempunyai

massa lebih tinggi dari uap bergerak lebih lambat, karenanya ia menjadi hambatan bagi

jalannya uap. Kerugian ini belum digambarkan, dan bisa ditambahkan sebagai k5.

g) Kerugian karena kecepatan uap meninggalkan sudu terakhir. Uap masih mempunyai

kecepatan ketika meninggalkan sudu terakhir, yang berarti memiliki energi yang tidak

bisa dirubah menjadi energi mekanik. Kerugian ini juga belum digambarkan, dan bisa

ditambahkan sebagai k6.

Contoh soal

Jika besarnya aliran uap adalah 300 ton /jam, entalpi uap masuk turbin 800.kkal / kg dan

entalpi uap keluar turbin adalah 200 kkal / kg maka besarnya daya turbin ideal adalah:

hhGP= iu

860

20

kwhkkal

kkalkg

/860

200800300000

= 209302 kwh/jam = 209,302Mw

Jika jumlah kerugian didalam turbin mencapai 200 kkal /kg, maka besarnya daya turbin

yang bisa dibangkitkan menjadi:

khhGP= iu

860

20

=

kwhkkal

kkalkkalkg

/860

200200800300000

= 139535 kwh/jam = 139,535Mw

3.5.3 Konsumsi Kalor Turbin ( Turbine Heat Rate ).

Uap dari boiler masuk kedalam turbin dengan tekanan dan suhu tertentu. Dengan tekanan

dan suhu tsb berarti uap mengandung sejumlah nilai kalor tertentu yang dikenal dengan sebutan

entalpi. Penggunaan jumlah kalor didalam turbin dibanding dengan besarnya output yang dihasilkan

disebut sebagai Turbin Heat Rate. Pada PLTU pengukuran besarnya turbin heat rate dihitung bukan

dari ouput pada poros turbin tetapi dihitung dari output generator. Pada turbin turbin besar

48

pembangkit listrik juga dilengkapi dengan saluran saluran pengambilan uap dari dalam turbin untuk

keperluan pemanasan air pengisi boiler. Karena itu besarnya turbine heat rate dihitung berdasarkan

jumlah kalor bersih yang digunakan didalam turbin dibagi dengan jumlah kwh yang dibangkitkan

dari generator listriknya.

Gb 3.16 menunjukkan neraca kalor ( heat balans ) dari sebuah PLTU dengan daya mampu

( 0utput ) Generator 26860 kw Jika berat uap masuk kedalam turbin perjam diberi simbol Gu dengan

entalpi hu dan berat air pengisi boiler Gap dengan entalpi hap maka besarnya Turbine Heat Rate

adalah:

Btu/kwh

,-,

kitkankwh dibang

hGhGt Rate Turbin Hea

apapuu

9605

26860

133923160011453600231

Turbin Heat Rate tsb diatas juga disebut dengan Turbin Gross Heat Rate karena belum

dikurangi dengan listrik untuk pemakaian sendiri didalam PLTU, dan disebut sebagai Turbin Nett

Heat Rate jika dihitung dengan menyertakan pengurangan dari pemakaian sendiri didalam

pembangkit ybs.

3.5.4 Kelengkapan Turbin.

Disamping bagian utama yang sudah disebutkan diatas, turbin dilengkapi dengan bagian

bagian lain untuk memungkinkan turbin dapat beroperasi dengan lancar, aman dan otomatis. Bagian

bagian tersebut dapat dikelompokkan kedalam sistim sistim yaitu:

Sistim pelumasan.

Sistim perapat poros.

Sistim pengatur putaran.

Sistim pengambilan uap ( extraction )

Sistim pengaman.

Sistim pelumasan turbin berfungsi untuk melumasi dan mendinginkan bantalan karena

panas yang timbul akibat gesekan yang terjadi dengan poros. Karena itu sistim pelumasan harus bisa

mengalir dengan kontinue, bersih dengan suhu yang relative rendah. Untuk itu sistim pelumas

terdiri dari. Pompa Utama, Pompa Pembantu, Pompa Darurat, Pendingin, Saringan dan Perawat

Pelumas.

49

Gb 3.16 Neraca kalor turbin

Sistim perapat poros berguna untuk mencegah keluarnya uap dari celah antara poros dan

casing pada sisi turbin tekanan tinggi dan mencegah masuknya udara kedalam turbin pada sisi

turbin tekanan rendah. Perapatan poros menggunakan uap yang telah diturunkan suhu dan

tekanannya disesuaikan dengan suhu dan tekanan pada sisi turbin ybs. Uap tersebut dihisap masuk

dan diembunkan didalam condenser perapat poros.

Sistim pengatur putaran turbin atau juga

lebih dikenal dengan sebutan “Governor”

berguna untuk memperta-hankan putaran turbin

pada level yang sudah ditentukan. Sistim

pengaturan putaran ini akan menambah jumlah

aliran uap ketika beban turbin bertambah dan

akan mengurangi jumlah uap yang mengalir

jika beban turbin mengalami penurunan. Ada

tiga jenis governor yaitu jenis mekani, jenis

hidrolik dan jenis electrik. Gb 3.17 adalah

sebuah bentuk governor mekanik. Jika putaran

mengalami penurunan akibat beban naik

Gb 3.17 Sistim Governor Turbin

50

maka bandul 1 akan tertarik kedalam, slipper 2 dan pilot 6 bergerak turun, minyak tekanan tinggi

masuk kebawah piston pada silinder 3, dan piston bergerak keatas memperbesar pembukaan katup

uap dan menambah jumlah aliran uap. Dengan demikian putaran turbin tidak berlanjut turun.

Demikian sebaliknya jika putaran turbin mengalami kenaikan akibat berkurangnya beban. Governor

mempunyai karakteristik tertentu yang dikenal dengan sebutan speed droop yaitu berubahnya

putaran turbin dibanding putaran nominal pada perubahan beban 100%.

Dengan bertambah majunya teknologie, governor mekanik seperti diatas telah digantikan

dengan sistim hidrolik ( gb 3.18 ), dimana fungsi bandul digantikan dengan impeller pompa. Pada

governor hidrolik, bertambahnya putaran poros akan mengakibatkan bertambah besarnya tekanan

hidrolik keluar impeller, demikian sebaliknya jika putaran poros menurun maka akan menurunkan

tekanan hidrolik keluar impeller.

Kini sistim governor hidrolik juga sudah mulai ditinggalkan, digantikan dengan sistim

electro hidrolik ( gb 3.19 ), dimana untuk bagian listriknya merupakan rangkaian electronik. Bandul

pada sistim governor mekanik atau impeller pada sistim governor hidrolik digantikan dengan speed

picked up, dimana speed picked up ini akan memberikan sinyal listrik kepada sistim kontrol putaran

turbin ( governor controller ).

Gb 3.18 Sistim governor hidrolik

Output dari governor controller merupakan sinyal listrik yang kemudian dirubah

menjadi sinyal hidrolik oleh E/H converter. Sinyal hidrolik kemudian diteruskan untuk membuka

atau menutup aliran uap masuk turbin.

51

Gb. 3.19 Sistim governor Electro Hidrolik

Sistim pengambilan uap dari turbin dilakukan sedemikian rupa ditempat mana uap dianggap

telah mengalami saturated ( jenuh ) ketika berhubungan dengan casing turbin. Uap ini harus

dikeluarkan untuk menghindari timbulnya butir butir air akibat pengembunan yang terjadi.

Pengeluaran uap ini dimanfaatkan untuk memanaskan air yang mau masuk keboiler. Dengan

demikian suhu air masuk keboiler menjadi lebih tinggi sehingga dapat memperkecil penggunaan

bahan bakarnya. Sistim pengambilan uap dilengkapi dengan katup otomatis penutup cepat untuk

menghindari membaliknya aliran kedalam turbin ketika turbin berhenti seketika ( trip ).

Sistim pengaman turbin berguna untuk mengamankan turbin dari kerusakan berat akibat

tidak berfungsinya kelengkapan turbin. Sistim pengaman turbin terdiri dari:

Pengaman tekanan pelumas rendah, untuk menghinadari rusaknya bantalan akibat gesekan

kering oleh karena tidak adanya pelumasan.

Pengaman suhu bantalan tinggi. Gesekan yang terjadi pada bantalan akan mengakibatkan

suhu yang tinggi, dan suhu yang tinggi akan melumerkan metal bantalan, karena itu

kenaikan suhu harus dicegah sebelum metal bantalan menjadi rusak dengan

memberhentikan turbin seketika.

Pengaman gaya axial tinggi. Dorongan uap kesudu jalan akan mengkibatkan timbulnya gaya

axial pada poros. Dari sisi desain gaya axial ini sudah dieliminasi / dihilangkan, namun

dengan perjalanan waktu bisa timbul gaya axial yang besar yang bisa menjadikan sudu sudu

turbin bergesekan.

Pengaman getaran tinggi. Walupun pembuatan rotor telah dilakukan secara teliti, namun

pada tahap akhirnya tetap ditemukan adanya ketidak samaan berat antara satu sisi dengan

sisi yang lain ( arah radial ) pada rotor. Ketidak samaan berat ini disebut sebagai unbalans (

tidak seimbang ). Pada rotor baru unbalans ini telah dibuat menjadi balans ( seimbang ),

yang menghasilkan getaran yang kecil. Seiring dengan perjalanan waktu getaran turbin bisa

menjadi besar dan melampaui batas yang ditentukan, karena itu turbin harus diberhentikan

untuk menghindari kerusakan lebih lanjut.

52

Pengaman perbedaan pemuaian rotor dan stator tinggi. Pada waktu start pemuaian rotor

akan lebih cepat daripada statornya, karena itu start turbin harus dilakukan dengan cermat

dan hati hati agar pemuaian rotor terhadap stator masih dalam batas yang ditentukan. Jika

pemuaian rotor menjadi diluar batas maka turbin harus diberhentikan seketika guna

mengindari terjadinya gesekan antara rotor dan stator arah axial.

Disamping itu turbin juga dilengkapi dengan tombol darurat untuk memberhentikan turbin

dengan seketika jika diketahui terdapat hal hal yang membahayakan bagi berlangsungnya operasi.

3.6 KONDENSOR.

Fungsi kondensor adalah untuk mengembunkan uap bekas yang keluar dari turbin tekanan

rendah. Pengembunan uap keluar turbin diusahakan pada tekanan yang serendah rendahnya agar

turunnya entalpi uap didalam turbin menjadi tinggi. Semakin tinggi penurunan entalpi uap maka

semakin besar daya turbin yang bisa dibangkitkan. Untuk menghindari kerugian, maka kondensor

dipasang sedekat mungkin dengan sisi keluar turbin, karena itu umumnya kondensor dipasang tepat

dibawah turbin tekanan rendah ( gb 3.20 ). Tergantung dari suhu air pendingin yang ada, kondensor

direncanakan untuk mampu membentuk tekanan rendah antara 0,03 sampai dengan 0,10 bar absolute.

3.6.1 Klasifikasi Kondensor

Dari segi konstruksinya, kondensor dapat dibedakan antara kondensor kontak ( Contact

Condensor ) dan kondensor permukaan ( Surface Condensor ). Pada Kondensor Kontak, air

pendingin dipancarkan langsung pada saluran uap bekas keluar turbin, dan air pendingin bercampur

dengan air kondensat yang terjadi.. Kondensor semacam ini dipakai apabila air kondensat tidak

digunakan lagi didalam sistim sirkulasi air uap, seperti halnya yang terjadi didalam Pembangkit

Listrik Tenaga Panas Bumi.

Pada Kondensor Permukaan, air pendingin terpisah dengan uap bekas maupun air kondensat

yang terjadi. Air pendingin mengalir didalam pipa-pipa yang biasa disebut pipa kondensor, sedang

uap bekas / air kondensat berada diluar pipa. Besarnya kalor dari uap bekas yang harus dibuang pada

tekanan yang serendah-rendahnya menyebabkan diperlukannya luas bidang kontak ( antara

permukaan air pendingin disatu sisi dan permukaan uap dilain sisi) yang besar. Untuk memenuhi hal

tersebut disusun ratusan bahkan ribuan pipa kondensor tergantung dari besarnya jumlah uap bekas

yang akan diembunkan.

Dari segi arah alirannya dibedakan antara kondensor dengan arah aliran tunggal ( single

flow ) dan kondensor dengan arah aliran ganda ( double flow ) atu lebih, dan dari segi material pipa

53

kondensor yang digunakan dibedakan antara pipa kondensor dengan bahan dasar tembaga, bahan

dasar nickel dan bahan titanium.

3.6.2 Kelengkapan Kondensor.

Disamping konstruksi yang sudah disebutkan diatas, kondensor dilengkapi dengan bagian

bagian lain untuk memungkinkan terjadinya proses pengembunan uap berjalan dengan baik

sehingga dapat menghasilkan tekanan didalam ruang uap yang serendah rendahnya. Kelengkapan

kondensor terdiri dari sistim air pendingin, sistim pembuang udara dan sistim pembersih pipa.

Sistim air pendingin.

Sistim air pendingin kondensor adalah suatu instalasi yang digunakan untuk mengalirkan air

pendingin kedalam kondensor. Air pendingin yang dialirkan masuk kedalam kondensor jumlahnya

sangat besar, diperoleh dari air laut, air danau, air sungai atau dari menara pendingin. Air tersebut

harus dialirkan kedalam kondensor dalam keadaan bersih bebas dari sampah. Untuk mencapai

tujuan tersebut sistim pengaliran air pendingin ( selanjutnya disebut sebagai Sistim Air Pendingin

Utama ) dilengkapi dengan Pintu Air, Saringan Kasar , Saringan Putar, Pompa Pencuci Saringan,

Pompa Air Pendingin Utama, Saringan Sampah Sisa, Instalasi Cuci Balik Kondensor , dan beberapa

katup. Gb 3.20 menunjukkan susunan peralatan tersebut dengan penjelasan sebagai berikut:

Pintu air masuk digunakan sewaktu waktu jika diperlukan perbaikan atau pembersihan

phisik pada bagian bagian sistim air pendingin yang sudah disebutkan diatas.

Saringan kasar digunakan untuk menyaring sampah sampah besar dan berat. Terdiri dari

pelat pelat strip yang disusun dibelakang pintu air. Saringan kasar ini juga dilengkapi

dengan penggaruk sampah, untuk mengambil sampah yang tertahan dan membuangnya

ketempat penampungan sementara. Selanjutnya dengan truk sampah tersebut diangkut

ketempat pembuangan akhir.

Saringan putar digunakan untuk menyaring sampah / kotoran yang lolos dari saringan kasar.

Saringan ini berputar secara kontinue jika jumlah sampah yang ikut aliran air pendingin

berjumlah banyak, dan berputar sewaktu waktu jika jumlah sampahnya sedikit. Untuk

membuang sampah yang menempel pada saringan digunakan semprotan air yang diberikan

oleh pompa pencuci saringan.

Pompa Air Pendingin Utama, adalah pompa air dengan kapasitas besar untuk menghisap

dan mendorong air pendingin masuk kedalam kondensor. Pompa ini dilengkapi dengan

katup penutup aliran guna mengatur aliran air pendingin secara bertahap ketika pompa

distart.

Saringan sampah sisa ( Debris Filter ) digunakan untuk menangkap sampah yang lolos dari

Saringan Putar.

54

Gb 3.20 Susunan turbin tekanan rendah dan kondensor

55

Gb 3.21 Sistim air pendingin kondensor

Instalasi Cuci Balik digunakan untuk membuang sampah yang tertahan pada mulut

kondensor. Instalasi ini biasanya tidak dipasang jika instalasinya dilengkapi dengan debris

filter tsb diatas.

Sistim pembersih pipa kondensor

Instalasi pembersih pipa kondesor. Aliran air pendingin dengan jumlah yang sangat besar

juga akan mengandung kotoran halus seperti lumpur yang tidak mungkin disaring oleh saringan

saringan tersebut yang sudah dibahas diatas. Kotoran kotoran ini akan menempel pada dinding pipa

kondensor ( pada kondensor permukaan ) dan akan menghambat jalannya perpindahan panas. Karena

itu kotoran yang menempel ini harus secara periodic atau secara kontinue dibersihkan. Gb 3.22

menunjukkan sebuah instalasi pembersih pipa kondensor yang bisa beroperasi secara kontinue atau

sewaktu waktu sehingga kebersihan pipa kondensor dapat dipertahankan. Instalasi pembersih ini

dikenal sebagai instalasi Tapproge. Adapun cara kerjanya adalah sebagai berikut:

Bola dimasukkan kedalam Tangki Bola 5 dan ditutup rapat, Penangkap bola 9 ditutup, dan

Pompa 8 djalankan. Bola 7 akan bergerak masuk kedalam aliran air pendingin dan masuk kedalam

pipa kondensor. Bola yang bersfat elastis dan dengan ukuran sedikit lebih besar dari diameter pipa

kondensor serta mempunyai permukaan yang kasar akan menyikat permukaan pipa dan dengan

demikian lumpur atau kotoran lain akan terkikis dan terdorong menuju sisi keluar pipa.

Keluar dari pipa bola masuk kedalam Penangkap 9 dan seterusnya masuk kedalam Pompa 8

dan kembali didorong menuju sisi masuk kondensor lagi. Demikian seterusnya sampai pipa

kondensor dinyatakan bersih. Jika proses pembersihan sudah dinyatakan cukup, pergerakan bola

dihentikan / ditahan pada Tangki Bola 5 dan Pompa 8 di stop, Penangkap Bola 5 dibuka dan bola 7

dikeluarkan. Gerakan bola selama bersirkulasi dapat dilihat pada Kaca monitor 6.

56

1. Air pendingin masuk.

2. Saluran pembuangan sampah.

3. Saringan sampah sisa.

4. Kondensor.

5. Tangki bola pembersih

Gb 3.22 Sistim pembersih pipa kondensor

Sistim penghisap udara

Tekanan rendah dibawah tekanan at-mosfir didalam ruang uap kondensor memung-

kinkan udara masuk kedalamnya, dan akan men-jadi pemghambat perpindahan panas. Karena itu

udara atau gas lain yang tidak bisa mengem-bun harus dikeluarkan. Pengeluaran udara dilakukan

dengan menggunakan ejector uap atau pompa hampa. Gb 3.23 menunjukkan sebuah ejector uap,

dimana uap dengan tekanan dan suhu terten-tu masuk kedalam ruang uap kemudian berexpansi

didalam nozel sehingga menghasilkan kecepatan yang tinggi.

6. Kaca monitor

7. Tampang bola pembersih

8. Pompa pelempar bola.

9. Penangkap bola.

10 Air pendingin keluar

57

Gb 3.23 Ejector

Kecepatan uap yang tinggi tersebut menimbulkan tekanan yang rendah pada ruang penghisap

dan karenanya udara tersedot kedalamnya serta terdorong masuk kedalam ruang diffuser terus keluar

keujung bawah ejector.

3.6.3 Jalannya proses perpindahan panas.

Pada kondensor kontak air pendingin akan bercampur dengan air kondensat hasil

pengembunan uap keluar turbin. Besarnya suhu dan entalpi air kondensat dan suhu air pendingin

setelah proses pendinginan menjadi sama besar, karena itu berlaku persamaan sbb:

apu

apapuu

camp

campapapcampuu

GG

hGhGh

hhGhhG

)()(

dimana: Gu = Jumlah berat aliran uap masuk kondensor kg / jam

hu = Entalpi uap masuk kondensor kkal /kg.

hcamp = Entalpi campuran air kondensat dan air pendingin kkal / kg.

Gap = Jumlah berat aliran air pendingin masuk kondensor kg / jam.

hap = Entalpi air pendingin masuk kondensor kkal / kg.

58

Untuk entalpi uap dapat dicari dari tabel uap atau dari diagram h – s, sedang untuk entalpi

air dapat dicari juga dari tabel air dan uap atau merupakan hasil kali dari panas jenis air dengan

suhu terkait.

Pada kondensor permukaan air pendingin tidak bercampur dengan air kondensat hasil

pengembunan uap keluar turbin. Pada kondensor jenis ini diperlukan luas bidang pemanas yang

besar, untuk mendapatkan tekanan ruang uap dan suhu air kondensat yang rendah. Disini berlaku

persamaan sbb

rinoutapconduu tkFhhGhhG )()(

dimana: hcond = entalpi air kondensat kkal / kg.

hout = entalpi air pendingin keluar kondensor kkal / kg.

k = koeffisient perpindahan panas dari uap keair pendingin melalui dinding

pipa kondensor berkisar antara 3000 – 5000 kkal /m2 jam

oC

F = Luas permukaan bidang pendingin m2.

∆tr = perbedaan suhu logaritmik rata rata antara uap dan air pendingin.

outs

ins

inout

tt

tt

tt

ln3,2

ts = suhu uap dalam ruang uap kondensor oC

Contoh soal

1. Kondensor kontak dengan tekanan pada sisi uap = 0,06 kg / cm2, aliran uap 200 ton /

jam, suhu air pendingin masuk = 30oC.Berapa jumlah air pendingin harus dialirkan?

Jawaban:

Dari tabel uap jenuh, untuk tekanan 0,06 kg / cm2, didapat entalpi uap jenuh = 613 kkal

/ kg; suhu jenuh atau = suhu air kondensat = 36oC.

Panas jenis air adalah = 1kkal / kgoC, maka besarnya hcamp= 36 kkal /kg.

Dari persmaan apu

apapuu

campGG

hGhGh

→36=

ap

ap

G

G

200000

30613200000

Gap =19233333kg/jam = 19233,333m3/jam

59

2. Kondensor permukaan dengan suhu air kondensat 40oC, aliran uap masuk kondensor

200 ton / jam, suhu air pendingin masuk 30oC, keluar 36

oC.

a) Berapa jumlah air pendingin diperlukan?

b) Berapa luas bidang pemanas diperlukan jika koeffisien perpindahan panas pipa

kondensor k = 4000 kkal / m2jam

oC.

c) Jika panjang pipa kondensor 5 meter dan diameter pipa 25 cm berapa jumlah

pipa diperlukan?

Jawaban:

a. Dari tabel uap jenuh didapat entalpi uap jenuh hu= 614,7 kkal, tekanan jenuh=0,075

kg / cm2.

Dari persamaan )()( inoutapconduu hhGhhG , maka besarnya air pendingin

diperlukan:

)(

)(

inout

conduuap

hh

hhGG

)3036(

)407,614(200000

= 19156666kg / jam = 19156,666 m3/ jam.

b. Perbedaan suhu logaritmik rata rata antara uap dan air pendingin.

∆tr

outs

ins

inout

tt

tt

tt

ln3,2

3640

3040ln3,2

3036

= 2,85oC.

Luas bidang pemanas

F =

tr

k

hhG conduu =

2,854000

407,614200000

= 10082 m2

60

c. Luas bidang pemanas untuk satu buah pipa kondensor adalah:

f =πdl= 3,14 x 0,254 x 5 = 3,9878 m2

Jumlah pipa diperlukan:

n = f

F =

3,9878

10082=2528 buah.

3.7 PEMANAS AIR PENGISI BOILER.

Ada dua tujuan penggunaan Pemanas Air Pengisi Boiler yaitu:

1. Untuk meningkatkan effisiensi siklus air – uap.

2. Untuk menghindari kejutan panas ( thermal schock ) dari bagian bagian boiler.

Pemanas Air Pengisi Boiler terdiri dari tiga jenis yaitu Pemanas Tekanan Rendah, Deareator

dan Pemanas Tekanan tinggi. Untuk Pemanas Tekanan Rendah dan Pemanas Tekanan Tinggi

biasanya terdiri dari satu, dua atau tiga buah, tergantung dari besar kecilnya PLTU, sedang untuk

Deareator hanya terdiri dari satu buah. Masing masing pemanas menggunakan uap extraction dari

turbin sebagai media pemanasnya. Uap extraction dari bagian turbin tekanan tinggi untuk Pemanas

Tekanan Tinggi dan seterusnya uap extraction dari bagian turbin tekanan rendah untuk Pemanas

Tekanan Rendah. Disebut sebagai Pemanas Tekanan Rendah bila ia ditempatkan sebelum Deareator

dan disebut Pemanas Tekanan Tinggi bila ia ditempatkan sesudah Pompa Air Pengisi Boiler

sebelum economizer.

Konstruksi Pemanas Tekanan Tinggi terdiri dari pipa pipa baja karbon atau stainless steel

berbentuk U yang ujungnya diroll dan dilas pada tube sheet. Air mengalir didalam pipa sedang

uapnya mengalir pada bagian luar pipa didalam tangki. Umumnya Pemanas Tekanan Tinggi

diletakkan mendatar atau berdiri tegak. Sesuai dengan kondisi uap yang digunakan, maka Pemanas

Tekanan Tinggi terbagi menjadi tiga zona ( gb 3.24 ) yaitu:

a. Zona Desuperheater yaitu zona dimana uap panas lanjut mengalami penurunan suhu

menuju kondisi jenuh. Disini diusahakan agar seluruh bagian uap dapat brsinggungan

dengan sisi keluar pipa pipa yang dilalui air pengisi boiler. Karena itu didalam zona ini uap

dialirkan dengan berbelok belok memotong arah pipa.

b. Zona kondensasi, yaitu zona dimana uap jenuh mengalami pengembunan. Oleh karena

panas yang dapat diserap disini adalah yang terbesar dengan suhu yang konstan maka

diperlukan ruangan yang besar dibanding zona desuperheater.

61

c. Zona Subcooling yaitu bagian dimana air kondensat mengalami penurunan suhu. Seperti

halnya zona desuperheater, disini juga diusahakan agar semua bagian air kondensat dapat

bersinggungan dengan sisi masuk pipa pipa yang dilalui air pengisi.

Gb 3.24 Pemanas Air Pengisi Tekanan Tinggi

Gb 3.25 Diagram suhu – panjang laluan Pemanas Air Pengisi Boiler.

Pemanas Tekanan Rendah mempunyai konstruksi yang sama dengan Pemanas Tekanan

Tinggi, dengan perbedaan ukuran sesuai perbedaan tekanannya. Perbedaan lain adalah

konstruksinya lebih sederhana antara lain pipa pipa airnya terbuat dari pipa lurus bukan pipa U.

62

Deareator disamping berfungsi sbagai pemanas, juga terutama berfungsi untuk membuang

udara / gas yang larut didalam air. Air dipecah pecah menjadi butir butir kecil dan dipanaskan

dengan uap dari extraction turbin. Pemanasan dilakukan sampai mencapai titik didihnya sehingga

bagian gasnya terlepas dan terdorong keluar dibagian atas tangki deareator. Sejalan dengan proses

pemecahan air tersebut, deareator dibedakan antara deareator type tray dan deareator type jet.

Gb .3.26 Deareator type tray

Dengan deareator type tray ( gb. 3.26 ) dimaksudkan bahwa air kondensat dijatuhkan dari

atas ke kisi kisi ( tray ) pertama. Pada kisi kisi pertama tersebut air akan tersebar kekiri kekanan,

kedepan dan kebelakang dan jatuh ke tray kedua. Demikian seterusnya berlangsung sampai tray

yang terakhir. Uap dialirkan dari bawah dan memo-tong jatuhnya air dari setiap tray. Air kondensat

yang telah dipanaskan dan terbuang gasnya ditampung didalam tangki air pengisi untuk selanjutnya

dipompakan kedalam boiler.

63

Dengan deareator nozzle, air kondensat dipancarkan dengan nozzle membentur dinding

tangki deareator sebelah atas dan memantul dalam bentuk hujan / butir butir kecil. Uap juga

dipancarkan sehingga menyebar, memotong dan memanaskan butir butir air kondensat tsb.

Dalam hal pencegahan korosi didalam boiler, injeksi hydrazine kedalam air kondensat

dilakukan sebelum air kondensat masuk kedalam vent cooler, dan gas yang dibuang menjadi berupa

gas nitrogen hasil reaksi dari oksigen dan hydrazene. Gas lainnya yang juga terlepas dari air

kondensat keluar bersama sama melalui saluran ventilasi pada vent cooler.

3.8 SISTIM KONTROL PLTU

Bertambahnya beban listrik, harus diimbangi dengan bertambahnya aliran uap masuk

keturbin, dan bertambahnya aliran uap masuk keturbin juga harus diimbangi dengan bertambahnya

aliran air pengisi boiler, aliran bahan bakar, dan aliran udara pembakaran. Demikian pula sebaliknya

berkurangnya beban listrik harus diimbangi dengan berkurangnya aliran uap masuk keturbin, dan

berkurangnya aliran uap masuk keturbin juga harus diimbangi dengan berkurangnya aliran air

pengisi boiler, aliran bahan bakar, dan aliran udara pembakaran. Semuanya itu harus berjalan secara

serempak, dan untuk itu diperlukan sistim kontrol yang akan mengendalikan perubahan perubahan

aliran tersebut secara otomatis.

Gb 3.27 Sistim control PLTU

64

Gb 3.27 menunjukkan sebuah sistim control PLTU. Perubahan aliran uap ditentukan oleh

penyimpangan putaran turbin dari set point S yang ditentukan ( 3000 rpm ) sebagaimana

sudah dijelaskan dimuka pada sistim governor. Bertambahnya aliran uap akan memberikan sinyal

kepada kontroller aliran bahan bakar bahwa terjadi penyimpangan terhadap set point S aliran bahan

bakar, karena itu kontroller akan memberikan komando kepada katup pengatur aliran bahan bakar

untuk menambah jumlah alirannya. Demikian terjadi hal yang sama pada sistim kontrol air pengisi

dan aliran udara pembakaran.

3.9 Soal soal.

1.

65

IV

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA

PANAS BUMI

4.1 UMUM

Bumi yang kita tempati pada bagian dalamnya mengandung sumber energi yang sangat

besar ( gb 4.1 ), berupa inti magma. Inti magma ini pada tempat tempat tertentu muncul

kepermukaan bumi melalui tempat yang kita kenal sebagai gunung berapi. Pada tempat tempat

tertentu pula kita bisa melihat adanya uap air atau air panas yang keluar dari permukaan bumi. Ini

menandakan bahwa didalam perut bumi terdapat sejumlah kandungan air yang bersinggungan

langsung dengan sumber panas yaitu pada mantel ( berupa lapisan batu keras ) yang porous, dimana

air bisa menyusup langsung sampai kedekat sumber panas magma. Selanjutnya sumber panas akan

menaikkan suhu air tersebut atau jika panasnya cukup akan mengubah air tersebut menjadi uap

dengan tekanan yang relatif tinggi. Sumber air datang dari air hujan yang masuk kedalam tanah

melalui akar akar pohon atau karena adanya tingkat porositas tanah yang tinggi.

Produksi uap didalam perut bumi ternyata dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan tenaga

listrik dengan kapasitas yang cukup besar, dan selama sumber airnya dapat selalu diperbaharui,

sumber energi ini tidak akan habis. Karena itu untuk menjaga agar kandungan air tidak menjadi

habis pada proses pembangkit listrik panas bumi, maka uap keluar turbin yang telah diembunkan

didalam kondensor, dipompakan kembali masuk kedalam perut bumi ( gb 4.2 )

Besarnya energi yang terdapat didalam uap diukur dengan berapa besarnya tekanan, suhu,

kandungan air, dan berapa besar aliran yang bisa diberikan. Tingginya. tekanan dan suhu

menentukan besarnya enthalpy yang terkandung didalam uap tersebut. Rumusan rumusan yang

berlaku pada PLTU diluar rumusan rumusan untuk boiler berlaku untuk pula PLTP.

PLTP mempunyai keuntungan disbanding dengan jenis pembangkit lainnya antara lain:

– Merupakan sumber energi yang terbarui, karena sumber panas didalam inti bumi / magma

merupakan sumber panas abadi sehingga sepanjang air dapat masuk kedalam daerah mantel

maka uap tetap dapat dihasilkan.

– Tidak memerlukan biaya bahan bakar.

– Tidak menimbulkan polusi jika konstruksinya adalah binary.

66

Gb 4.1 Susunan lapisan lapisan bumi , kedalaman dan suhu yang terkait dengan

kedalaman

Gb 4.2 Sebuah instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi.

Adapun kerugiannya adalah :

– Tidak bisa ditempatkan disegala tempat, terbatas pada tempat yang ada sumber panas

buminya saja, umumnya berada didaerah pegunungan, jauh dari pusat kota, dan biasanya

juga tidak ada sumber air pendingin, sehingga diperlukan transmisi yang panjang untuk

menyalurkan listriknya dan menara pendingin untk mendinginkan uap keluar kondensor.

– Bahaya yang timbul saat pengeboran. Oleh karena tekanan uap yang tinggi bisa terjadi

semburan uap liar saat pengeboran, karena itu diperlukan tingkat keberhati hatian yang

tinggi.

67

– Pecahnya pipa akibat korosi.Kandungan asam belerang yang dibawa uap dapat

mengakibatkan korosi pada pipa yang dilaulinya,karena itu pemilihan material yang tahan

korosi harus menjadi pilihan, karena itu bayanya menjadi tinggi.

– Uapnya mengandung pollutan seperti asam belerang, partikel padat dan gas beracun.

4.2 KLASIFIKASI

Dari segi sumber panas buminya PLTP dibedakan:

– PLTP hydrothermal, yaitu bahwa uap yang keluar dari perut bumi banyak mengandung air,

dan ini yang paling banyak ditemui. Untuk menggerakkan turbin, butir butir yang ada harus

dibuang terlebih dahulu didalam separator, sehingga uap masuk turbin dalam keadaan

kering.

– PLTP Geopressurized, yaitu bahwa yang keluar dari perut bumi berupa air panas dengan

tekanan yang tinggi, kemudian dengan menurunkan tekanannya diperoleh uap.

– PLTP Hot dry rock. Pada dasarnya lapisan bebatuan panas didalam perut bumi ada yang

bersifat kering / tidak mengandung air ( hot dry ) dan ada yang mengandung air ( wet dry ).

Pada PLTP Hot dry rock, uap panas yang diperoleh berasal dari injeksi air dari permukaan

bumi kedalam lapisan bebatuan panas didalam perut bumi.

Dari segi konstruksi PLTP dibedakan:

– PLTP uap kering ( gb 4.3 ), Dari perut bumi berupa uap kering ( tidak meng-andung air )

dengan tekanan yang tinggi. Uap tersebut setelah melalui saringan / separator kemudian

dimasukkan kedalam turbin untuk mendorong sudu sudu turbin dan menghasilkan tenaga

mekanik untuk menggerakkan generator listrik. Uap keluar turbin diembunkan menjadi air

kembali dan kemudian diinjeksikan lagi kedalam perut bumi.

Gb 4.3 PLTP uap kering

68

– PLTP flash ( gb 4.4 ), Dari perut bumi berupa air panas dengan tekanan yang tinggi. Air

tersebut kemudian dikabutkan kedalam ruang bertekanan rendah sehingga air tersebut

berubah menjadi uap dan kemudian digunakan untuk menggerakkan turbin.

Gb 4.4 PLTP flash

- PLTP binary ( gb 4.5 ), Uap atau air panas dari perut bumi tidak digunakan langsung

untuk menggerakkan turbin, tetapi digunakan untuk memanaskan fluida didalam heat

exchanger. Fluida tersebut yang memiliki suhu didih yang rendah kemudian menguap

dan menggerakkan sudu sudu turbin. Dengan cara ini turbin dapat dijaga selalu bersih,

dan gas ikutan yang tidak menguntungkan dapat dicegah keluar keudara, tetapi

diinjeksikan kembali kedalam perut bumi.

Gb 4.5 PLTP binary

69

4.3 ENERGI YANG DIBANGKITKAN

Besarnya energi yang bisa dikonversi menjadi tenaga mekanik didalam turbin, tergantung

dari effisiensi instalasi pembangkit listrik yang bersangkutan dan besarnya tekanan uap keluar

turbin. Untuk jelasnya lihat persamaan 2.20 berikut:

E = G( h1- h2 )η.................................... ( 2.20 ).

dimana : E = energi yang bisa dperoleh kJ.

G = berat uap yang mengalir kg/jam.

h1= enthalpy uap masuk turbin kJ/kg.

h2= enthalphy uap keluar turbin.kJ/kg.

η = effisiensi turbo generator%

Contoh soal.

Sebuah sumber uap panas bumi menghasilkan tekanan uap 9 kg/cm2 gauge, dengan suhu 350

0C dan

aliran uap maksimum sebesar 150 ton per jam. Berapa Kwh listrik bisa dihasilkan bila tekanan uap

keluar turbin absolut 0,1 kg/cm2..Effisiensi turbin generator = 85%.

Jawaban.

Tekanan uap 9kg/cm2 gauge = 10 kg/cm

2 absolut. Entalphy uap pada suhu dan

tekanan tsb adalah ( tabel uap ) = 3158,5 kJ/kg, dengan entropy = 7,3031kJ/ kg0C. Proses

didalam turbin adalah proses isentropis / adiabatis = entropy konstan, sehingga, entalpy uap

keluar turbin sesuai tekanan 0,1 kg/cm2 dan entropy = 7,3031 adalah = 2314,378 kJ/kg.

Besarnya energi yang dihasilkan

E = G( h1 - h2) η

= 150 000 ( 3158,5 – 2314,378)0,85

= 126588300 kJ

= 35163,42 kwh.

4.4 KOMPONEN UTAMA.

– Sumur produksi, adalah bagian bumi yang dibor dan lubang bor tsb mengalir uap atau air

panas yang kemudian disalurkan melalui pipa menuju turbin. Pipa penyalur yang berada

didalam perut bumi harus betul betul tahan korosi terhadap unsur kimia yang terbawa oleh

uap, guna menghindari blow out.

70

– Pipa penyalur, untuk menyalurkan uap menuju turbin. Pipa ini harus diisolasi dengan baik

untuk menghindari terjadinya penurunan suhu dan pengembunan,

– Separator atau demister untuk membuang kotoran padat dan butir butir air sebelum uap

masuk kedalam turbin. Kualitas dan kemampuan separator ini dalam membuang butir butir

air dan kotoran padat sangat menentukan daya mampu dan effisiensi turbin.

– Turbin Uap untuk merubah energi panas dari uap menjadi energi mekanik guna memutar

generator.

– Condensor untuk mengembunkan uap keluar turbin menjadi air kembali dan selanjutnya

diinjeksikan kembali kedalam perut bumi. Umumnya kondensor yang dipakai adalah

kondensor kontak, dimana air pendingin berhubungan langsung dengan uap keluar turbin.

– Menara pendingin ( Cooling Tower ), untuk mendinginkan air pendingin keluar kondensor.

Pendinginan menggunakan aliran udara atmosfir yang dialirkan dengan menggunakan kipas

atau secara alami.

71

V

PEMBANGKIT LISTRIK

TENAGA NUKLIR

5.1 UMUM

Sebagaimanan PLTU, PLTN menggunakana uap sebagai penggerak turbinnya, hanya disini

uap yang digunakan adalah uap basah, karena pada PLTN tidak dilengkapi superheater. Uap

diperoleh dari pemanasan air didalam bangunan beton kuat. Didalam bangunan beton kuat tersebut

terdapat reactor dimana bahan bakar nuklir bereaksi dan menghasilkan panas. Panas kemudian

diserahkan kepada air yang secara kontinue dialirkan kedalamnya.

Tergantung dari jenis proses yang digunakan, panas yang diperoleh didalam reaktor ada

yang langsung untuk merubah air tersebut menjadi uap, dan ada yang tidak. Yang tidak langsung

dirubah menjadi uap, air panas dari reaktor dialirkan kedalam sebuah penukar kalor ( heat exchanger

), dan panas yang terbawa digunakan untuk merubah air ( siklus kedua ) menjadi uap yang

digunakan untuk memutar turbin.

Uap keluar dari turbin selanjutnya diembunkan menjadi air dan dipompakan kembali masuk

kedalam penukar kalor atau reaktor sesuai proses yang digunakan

5.2 KLASIFIKASI

Berdasarkan jenis transformasi energy yang berlaku, dari reaksi nuklir didalam reactor

sampai menjadi uap untuk menggerakkan turbin, PLTN dibagi menjadi 3 golongan besar yaitu:

1. PWR ( Presurized Water Reactor).

Disini terdapat dua siklus yaitu siklus primer dan siklus sekunder. Siklus primer berfungsi

membawa panas dari dalam reactor menuju penukar kalor. Siklus ini mempunyai tekanan

yang tinggi dan karenanya air yang digunakan didalam siklus ini tidak menguap, tetapi

suhunya naik didalam reaktor dan turun didalam heat penukar kalor. Siklus sekunder adalah

siklus air –uap, dimana uap akan terbentuk didalam penukar kalor,kemudian mengalir

masuk dan menggerakkan turbin. Selanjutnya uap keluar turbin diembunkan dan

dipompakan kembali masuk kedalam penukar kalor.

72

2. BWR ( Boiled Water Reaktor ). BWR

BWR hanya memiliki satu siklus, dimana reaktor sekaligus berfungsi sebagai boiler yang

merubah air menjadi uap. Keuntungan BWR dibanding yang lain adalah tidak

diperlukannya penukar kalor sehingga proses pembentukan uapnya menjadi lebih cepat, dan

instalasinya menjadi lebih sederhana. Kerugiannya adalah jika terjadi kebocoran didalam

reactor maka kadar radioaktifnya akan terbawa langsung keturbin, keluar dari bangunan

beton, dan tentu saja akan terlepas keluar.

Gb 5.1 Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir

3. HWR ( Heavy Water Reactor ).

Seperti halnya PWR, HWR juga memiliki dua siklus yaitu siklus primer dan siklus

sekunder. Fluida yang digunakan pada siklus primer bukan air biasa seperti didalam PWR

melainkan fluida yang disebut sebagai air berat ( Heavy Water )

Gb 5.1 menunjukkan sebuah PLTN lengkap jenis PWR. Penukar kalor yang diuraikan diatas

didalam gambar tsb disebut sebagai steam generator ( pembangkit uap ), dimana didalmnya uap

dibentuk dari air ( didalam siklus sekunder ) oleh suhu air bertekanan tinggi yang mengalir secara

kontinue dari reactor (siklus primer ).

5.3 REAKSI NUKLIR

. Didalam reactor terjadi reaksi nuklir, yaitu penembakan neutron bebas kepada sebuah inti (

nuclei), sehingga nuclei menjadi kelebihan neutron yang mengakibatkan nuclei terpecah menjadi

dua atau tiga dan melepas dua atau tiga neutron lagi dengan kecepatan yang sangat tinggi.

Kecepatan yang sangat tinggi ini menyebabkan timbulnya panas yang didalam reaktor kemudian

diserahkan ke dinding reaktor. Kedua neutron bebas tadi akan bertemu dengan nuclei yang lain

73

sehingga nuclei yang lain tersebut terpecah dan melepas neutron bebas juga. Demikian seterusnya

terjadi reaksi berantai dengan kecepatan yang sangat tinggi

Sebagai bahan inti dipakai uranium 235 ( U235 ), yang merupakan bahan olahan dari biji

uranium U3O8 yang biasa dikenal dengan sebutan "Yellow Cake" karena warnanya yang kuning dan

bentuknya yang menyerupai kue. Yellow Cake ini mengandung kadar uranium sebesar 0,7%.Untuk

bisa digunakan sebagai bahan bakar nuklir harus diperkaya dulu sehingga kandungan uraniumnya

mencapai 2-3% dengan rumus kimia menjadi UO2 dengan bentuk menyerupai tablet atau pellet.

Dibanding dengan batu bara, uranium tidak banyak makan tempat dan tidak menimbulkan

polusi, walaupun pengoperasiannya memerlukan kecermatan yang tinggi karena sifat bahaya radiasi

radioaktifnya. Sebagai gambaran untuk pembangkit listrik

600 MW dengan bahan bakar nuklir akan memerlukan uranium sejumlah 30 ton per tahun.

PLTU batu bara dengan kapasitas yang sama akan memerlukan sejumlah batu bara sebanyak ± 2

600 000 ton.

Gb 5.2 menunjukkan sebuah proses pengolahan uranium dari penambangan sampai

digunakan didalam reaktor sebuah PLTN disertai dengan penyimpanan limbahnya, sementara gb 2.5

menunjukkan reaksi berantai yang telah diuraikan diatas.

Kecepatan reaksi nuklir dapat dikendalikan dengan memasukkan apa yang disebut dengan

"moderator" kedalam reaktor. Keberadaan moderator ini sangat penting untuk reaktor yang

diperuntukkan bagi PLTN mengingat energi nuklir yang dilepas didalam reaktor harus sebanding

dengan energi listrik yang dibangkitkan, sedangkan energi listrik tersebut sangat tergantung dengan

naik turunnya kebutuhan listrik konsumen. Dengan demikian proses pelepasan panas didalam

reaktor harus dikendalikan sesuai permintaan konsumen.. Namun demikian naik turunnya

produksi dari sebuah PLTN merupakan pilihan terakhir setelah pembangkit pembang-kit jenis lain.

Energi yang dilepaskan pada setiap pembelahan inti ( fisi ) atom U235 adalah = 192 MeV,

sementara untuk pembakaran atom zat arang dengan O2 hanya menghasilkan 4 eV, karena itu 1

gram U235 akan lebih kurang sama dengan

66

10.45,212

4:

235

10192

gram = ( 2,45 ton) zat arang

Dari perbandingan diatas jelas nampak bahwa penggunaan energi nuklir akan jauh lebih

hemat ditinjau dari segi transportasi bahan bakarnya , karena 1 gram U235 setara dengan 2,45 ton

batu bara dengan asumsi kadar C batu bara = 100%. Namun demikian masalah pencemaran radiasi

dari sisa reaksi nuklir yang masih mengandung bahan radio aktif menjadi masalah tersendiri yang

memerlukan penanganan yang cermat dengan biaya yang tidak sedikit. Limbah radio aktif tidak

boleh dibuang sembarangan harus disimpan didalam tanah yang tidak mengandung air tanah.

74

Gb. 5.2 Proses pengolahan, pemanfaatan dan daur ulang Uranium.

Gb 5.3 Proses pemecahan inti (nuclei ) didalam reaktor nuklir.

Untuk mengurangi pencemaran radio aktif tsb bahan limbah yang biasanya bermuatan

uranium dalam bentuk UNH diolah kembali menjadi UO2 melalui proses pengkayaan .Namun

demikian tidaklah semua bahan buangan dapat didaur ulang . Yang tidak bisa didaur ulang tetap

harus disimpan sebagaimana sudah disebutkan diatas.

75

5.4 KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN

Telah terjadi polemik yang berkepanjangan di Indonesia tentang pembangunan sebuah

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir. Hal tersebut mungkin disebabkan belum banyak masyarakat

yang tahu tentang keuntungan dan kerugian sebuah PLTN. Dibawah ini disebutkan tentang

keuntungan dan kerugian sebuah PLTN dibanding jenis pembangkit yang lain sebagai bahan

masukan bagi para mahasiswa dan para pembaca umunya.

Keuntungan

• Tidak menimbulkan pencemaran udara. Emisi pembakaran yang terjadi pada PLTU

batubara seperti adanya gas belerang dan gas karbon dioksida tidak terjadi pada PLTN. Gb

5.4 menunjukkan perbandingan emisi karbon dioksida dari berbagai jenis pembangkit di

Jepang dan Swedia, dimana untuk PLTN berada pada kurang dari 1% nya PLTU batubara.

Demikian pula kadar abu yang selalu ada pada PLTU batubara juga tidak ditemukan pada

PLTN.

• Murah biaya bahan bakarnya. Gb 5.5 menunjukkan perbandingan harga dari berbagai jenis

bahan bakar, dimana bahan bakar nuklir adalah yang terendah untuk pembangkitan tenaga

listrik.

• Cadangan yang luas ( Canada & Australia )

Kerugian

• Jika terjadi kecelakaan dampaknya sangat luas. Kecelakaan yang terjadi pada PLTN

Chernobil Rusia merupakan pelajaran yang sangat berharga untuk menge-lola sebuah PLTN.

Karena itu konstruksi dan peralatan peralatan pengaman bagian reaktornya harus betul betul

memenuhi standard yang ditentukan Badan Tenaga Atom Internasional, dan pengoperasiannya

juga

76

h

arus mendapat pengawasan dari badan tersebut.

Gb 5.4 Emisi CO2 pada berbagai jenis pembangkit.

Gb 5.5 Struktur biaya pada jenis pembangkit gas, batubara dan nuklir.

77

• Limbah nuklir tetap berbahaya dalam ribuan tahun. karena itu harus diproses kembali, dan

yang sudah tidak bisa diproses kembali harus disimpan didalam ruang bawah tanah yang

kedap radiasi.

• Bahan bakar nuklir dapat digunakan untuk memproduksi bom, karena itu penga-wasan oleh

Badan Tenaga Atom Internasional harus dapat berjalan sebagaimana mestinya sehingga

kemungkinan terjadinya penyimpangan dalam industri nuklir tidak mengarah ke hal yang

negative.

• Biaya investasi, pemeliharaan dan decomissioningnya tinggi. Gb 5.5 menunjuk-kan struktur

biaya pembangkitan tenaga listrik dari pembangkit listrik dengan bahan bakar gas, batubara

dan nuklir.

78

VI

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA

GAS

6.1 UMUM

Pembangkit Listrik Tenaga Gas ( PLTG ) adalah pembangkit listrik yang generator

listriknya digerakkan dengan Turbin Gas. PLTG adalah jenis pembangkit listrik sekala besar kedua

setelah PLTU yang banyak dijumpai, terutama untuk tujuan memikul beban puncak, karena sifatnya

yang cepat dapat distart. PLTG juga mempunyai keuntungan dan kerugian dibanding jenis

pembangkit lain. Adapun keuntungannya ada-lah sebagai berikut.

1. Ringan. Berat PLTG per satuan daya ( kg / kw ) adalah kecil, lebih-lebih pada putaran

yang tinggi, karena itu tidak memerlukan fondasi yang berat.

2. Cepat dapat distart. Dibanding dengan PLTU, PLTG sangat mudah untuk distart dan

cepat menghasilkan daya yang besar, karena itu sangat cocok dioperasikan untuk

memikul beban puncak dan sebagai pembangkit cadangan untuk kepentingan darurat.

3. Tidak memerlukan air pendingin. Dibanding pembangkit jenis lain yang

memerlukan air pendingin seperti PLTU dan PLTD, maka PLTG sangat cocok untuk

daerah-daerah kering dan gurun pasir karena tidak memerlukan air pendingin.

4. Masa pembangunan yang pendek. Dibanding pembangunan PLTU maka

pembangunan sebuah PLTG memerlukan jangka waktu yang lebih pendek, karena itu ia

cocok untuk mengatasi krisis-krisis tenaga listrik disuatu daerah.

5. Murah. Dibanding pembangkit listrik yang lain harga sebuah PLTG merupakan yang

paling murah untuk setiap daya (MW) terpasangnya.

6. Dapat ditempatkan disegala lokasi. Karena sifatnya yang ringan dan tidak

memerlukan air pendingin maka ia dapat ditempatkan disegala lokasi, baik dipantai,

digurun pasir maupun didaerah kutub yang bersalju.

Adapun kerugian yang dimiliki PLTG antara lain adalah:

1. Effisiensinya rendah. Untuk daya terpasang yang sama diantara jenis Pembangkit

Tenaga Listrik maka PLTG memiliki effisiensi yang paling rendah, karena itu biaya

operasinya menjadi tinggi.

2. Umurnya pendek. Oleh karena beroperasi dengan suhu yang tinggi maka umur bagian-

bagin turbin menjadi pendek dan memerlukan penggantian yang lebih sering.

Disamping itu karena beroperasi dengan fluida kerja udara atmosfir dengan volume

yang besar, partikel-partikel padat yang terdapat dalam udara akan mengakibatkan

79

pengotoran dan erosi pada sudu-sudu compressor, sehingga secara berangsur-angsur

daya mampunya akan menurun.

3. Daya mampunya sangat dipengaruhi oleh udara atmosfir. Suhu dan tekanan udara

atmosfir sangat mempengaruhi daya mampu sebuah turbin gas. Makin tinggi suhu udara

maka semakin rendah daya mampunya, demikian sebaliknya semakin rendah suhu

udara, semakin tinggi daya mampunya. Makin tinggi tekanan udara atmosfir maka

tinggi pula daya mampunya, demikian pula sebaliknya makin rendah tekanan udara

atmosfir makin rendah pula daya mampunya.

4. Harga spare partnya mahal. Oleh karena beroperasi pada suhu yang tinggi maka

harus dipilih material dengan kualitas yang tinggi disamping harus digunakan teknologi

yang tinggi pula. Konsekuensinya adalah harganya menjadi mahal.

Untuk mengatasi rendahnya effisiensi beberapa cara dilakukan yaitu dengan

menggabungkan atau memperbaiki siklus termodinamiknya seperti yang dikenal dengan siklus

regenerasi, siklus kombinasi dan lain-lain yang akan dibahas pada bab-bab selanjutnya.

6.2 PRINSIP KERJA TURBIN GAS

Turbin gas memiliki tiga buah bagian utama yaitu Kompressor, Ruang Bakar (

Combustor ) dan Turbin, mempunyai cara kerja sbb.

Gb 6.1 Susunan peralatan sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Gas

Udara atmosfir dihisap masuk kedalam compressor dan dikompresssi didalamnya sehingga

tekanannya naik. Selanjutnya udara tersebut 95% mengalir masuk kedalam ruang bakar

80

(combustor), dan yang 5% digunakan sebagai pendinginan sudu turbin. Udara yang masuk kedalam

combustor terbagi menjadi dua bagian, sebagian ( 30% ) disebut sebagai udara primer digunakan

untuk proses pembakaran bahan bakar yang dimasukkan kedalam combustor, sebagian lagi ( 65% )

digunakan sebagai pencampur dan penurun suhu nyala api sehingga nyala api tidak akan membakar

bagian turbin.

Bahan baker dimasukkan secara continue kedalam combustor sehingga penyalaan

didalamnya juga terjadi secara continue dari mulai penyalaan pertama ( yang dilakukan dengan busi

) sampai bahan baker behenti mengalir ( turbin gas distop ). Disebabkan panas yang diberikan oleh

penyalaan bahan baker, maka udara dari compressor tadi memuai dan menghasilkan kecepatan yang

tinggi dan mampu mendorong sudu sudu turbin. Tenaga mekanik yang diperoleh didalam turbin

sebagian besar digunakan untuk memutar kompressornya, dan sisanya digunakan untuk memutar

generator untuk menghasilkan listrik, dan gas panas keluar turbin dikembalikan lagi ke atmosfir.

Pada mesin turbo jet, tenaga mekanik yang dihasilkan hanya khusus diperuntukkan untuk

memutar compressor, sedang sisa gas panas keluar turbin digunakan untuk menghasilkan gaya

dorong guna mendorong badan pesawat terbang bergerak maju kedepan.

6.3 EFFISIENSI TURBIN GAS

Secara ideal Turbin Gas mengikuti proses siklus Brayton ( gb 6.2 ) terdiri dari :

Kompressi adiabatis / isentropis ( kalor tetap ) terjadi didalam kompressor.

Pemberian kalor pada tekanan tetap ( isobaris ) terjadi didalam combustor.

Expansi adiabatis / isentropis terjadi di dalam turbin

Pembuangan kalor pada tekanan tetap ( isobaris ) terjadi dialam terbuka ( atmosfir ).

Gb 6.2 Proses keliling ( siklus ) turbin gas digambarkan dalam diagram p-v dan T-s

Effisiensi thermis dari siklus sederhana turbin gas dapat ditentukan dengan rumus umum

effisiensi :

81

1

21

q

qqt

Jumlah kalor 1q dan

2q secara berturut-turut sama dengan :

231 TTcq p dan 142 TTcq p

Karena itu untuk effisiensi thermis

1

1

11

2

32

1

41

23

14

T

TT

T

TT

TT

TTt

Untuk proses adiabatic (kalor tetap) 1-2 dan 3-4 dapat ditulis :

k

k

k

k

p

p

T

Tdan

p

p

T

T1

4

3

4

3

1

1

2

1

2

Oleh karena p 2 = p3 dan p1 = p4 maka

2

3

1

4

4

3

1

2

T

T

T

Tatau

T

T

T

T

Sehingga rumus diatas dapat ditulis:

2

11T

Tt

k

k

P

P1

2

11

Jadi besarnya effisiensi thermis tergantung dari besarnya perbandingan tekanan keluar dan

masuk compressor. Makin tinggi perbandingan tekanan tersebut semakin tinggi pula besarnya

effisiensi thermis, demikian sebaliknya makin rendah besarnya perbandingan tersebut semakin

rendah pula besarnya effisiensi thermisnya.

6.4 SIKLUS BRAYTON YANG DIMODIFIKASI

Untuk memperbaiki effisiensi turbin gas, terdapat berbagai usaha perbaikan yang secara

thermodinamik dapat dilakukan. Perbaikan tersebut berupa memodifikasi siklus Brayton menjadi

siklus-siklus yang dikenal dengan siklus regenerasi, siklus intercooling, siklus precooling, siklus

reheat dan siklus gabungan antara siklus yang satu dengan siklus yang lainnya.

Siklus regenerasi. Siklus ini ( gb 6.3 ) diartikan sebagai usaha memanfaatkan gas panas

keluar turbin yang suhunya masih tinggi untuk digunakan sebagai pemanas udara keluar

82

compressor sebelum masuk ruang bakar. Dengan demikian jumlah bahan bakar yang diberikan

menjadi lebih sedikit untuk daya mampu yang sama, atau dengan kata lain effisiensi turbin gas

tersebut menjadi lebh baik. Proses penyerahan kalor dari gas panas keluar turbin ke udara keluar

compressor dapat dilihat pada diagram TS sebagaimana ditunjukkan oleh gb 6.3b dimana besarnya

nilai kalor yang diserahkan merupakan luas bagian yang diarsir 03-03X-07-07X.

Gb 6.3 Turbin gas dengan siklus regenerasi.

Siklus intercooling. Siklus ini ( gb 6.4 ) dimaksudkan sebagai usaha untuk mengurangi

besarnya energi yang diperlukan untuk mengkompressi udara. Kompressi udara berlangsung secara

bertingkat dimana udara keluar dari compressor tingkat pertama didinginkan dulu sebelum masuk

compressor berikutnya. Proses pengurangan energi untuk kompressi dapat dilihat pada diagram TS

gb 6.4b, dimana besarnya energi yang bisa dihemat merupakan luas bagian yang ditutup oleh garis

01-02-02C.

Gb 6.4 Turbin gas dengan siklus intercooling

83

Gb 6.5 Siklus Reheat

Siklus reheat. Didalam siklus ini turbinnya terdiri dari dua tingkat, yaitu tekanan tinggi dan

tekanan rendah. Gas panas keluar turbin tekanan tinggi yang mengandung udara dalam jumlah besar

diberi bahan bakar kembali ( gb 6.5 ) sehingga menambah besarnya entalpi gas panas tersebut dan

dengan demikian akan mampu memberikan daya yang lebih besar pada turbin tekanan rendahnya.

Proses expansi gas panas didalam turbin dan pemberian bahan bakar kembali dapat dilihat pada

diagram TS gb 2.10 b yaitu berupa garis 04-05-05R-06- e0 .

Siklus precooling. Siklus ini didasari atas sifat udara yang akan mempunyai kerapatan

lebih tinggi pada suhu yang rendah dibanding pada suhu yang tinggi. Dengan

Gb 6.6 Turbin gas dengan precooling

84

demikian akan menambah jumlah udara yang masuk kedalam compressor dan dengan sendirinya

akan menambah besarnya daya mampu turbin gas tersebut. Pada lokasi dengan kelembaban yang

rendah proses pendinginan semacam ini dapat dilakukan dengan menginjeksikan kabut air ke sisi

masuk compressor, namun teknik ini akan terbatas pada besarnya selisih suhu “dry bulb dan wet

bulb” udaranya. Pendinginan dengan menggunakan teknik pendinginan (chiller) juga dapat

dilakukan, namun secara keseluruhan hanya akan menjadi effisien apabila energi yang digunakan

untuk mendinginkan menggunakan kalor yang keluar dari gas panas keluar turbin.

Siklus gabungan. Dari beberapa modifikasi siklus Brayton yang telah dikemukakan diatas

digabungkan sedemikian rupa, sehingga membentuk satu kesatuan secara skematis yang dapat

dilihat dalam gb 6.7 dan proses yang terjadi dapat dilihat didalam diagram TS gb 6.7. Dengan siklus

ini diharapkan effisiensi yang rendah yang dimiliki turbin gas dapat lebih diperbaiki lagi.

Gb 6.7 Siklus gabungan dari beberapa modifikasi siklus Brayton.

6.5 KLASIFIKASI TURBIN GAS.

Turbin Gas dapat diklasifikasikan dari berbagai segi, baik dari segi konstruksi maupun segi

penggunaanya.

Dari segi konstruksi Turbin Gas dibagi menjadi:

Turbin Gas dengan compressor sentrifugal.Disini udara atmosfir dihisap masuk kedalam

compressor melalui laluan sekitar sumbu poros dan keluar compressor dengan arah tegak

lurus sumbu poros. Besarnya tekanan yang diperoleh tergantung besarnya putaran dan

diameter luar impellernya. Makin besar putaran dandiameter makin besar tekanan yang

diperoleh.

Turbin Gas dengan compressor axial. Disini udara atmosfir dihisap dan masuk kedalam

compressor melalui saluran melingkar poros. Sudu sudu komprssor yeng terpasang

85

melingkar poros dan dengan kecepatan yang tinggi mendorong udara bergerak kedepan.

Tekanan yang dperoleh tergantung benyaknya jumlah tingkat dan kecepatan putaran sudu.

Dari segi penggunaanya turbin gas dibagi menjadi:

Turbin Gas Aeroengine, yaitu turbin gas untuk mesin pesawat. Putarannya dibuat tinggi

untuk mendapatkan berat yang ringan.

Turbin Gas Heavy Duty, adalah turbin gas untuk pembangkit listrik, untuk penggerak

compressor pada saluran pipa gas alam, dan untuk keperluan lainnya yang bersifat operasi

kontinnue. Biasanya turbin gas semacam ini mempunyai putaran yang relative rendah dan

berat yang lebih.

Turbin Gas Aeroderivative. Ini adalah turbin gas jenis mesin pesawat terbang, namun pada

laluan gas panas keluar turbin dipasang turbin baru penggerak generator listrik.

6.6.1 BAGIAN UTAMA TURBIN GAS

Kompressor.

Untuk turbin gas dengan kapasitas kecil digunakan compressor sentrifugal sedang untuk

turbin gas dengan kapasitas besar digunakan compressor axial. Pada compressor sentrifugal ( gb 6.8

), udara masuk pada bagian tengah sejajar poros dan keluar tegak lurus poros. Udara yang masuk

kedalam compressor akan terlempar keluar akibat gaya sentrifugal yang ditimbulkan oleh gerak putar

rotor.

Gb 6.8 Rotor kompressor sentrifugal

Pada compressor axial ( gb 6.9 dan 6.10 ) udara mengalir sejajar poros. Gerak sudu sudu

rotor akibat berputarnya rotor menyebabkan udara terlempar kebelakang. Kecepatan gerakan sudu

menyebabkan kecepatan aliran udara bertambah tinggi atau dengan kata lain mempunyai tekanan

dinamis yang lebih tinggi. Tekanan dinamis ini kemudian dirubah menjadi tekanan statis didalam

sudu tetap ( stator vane ). Tekanan yang diperoleh didalam kompresssor axial tergantung dari jumlah

86

tingkat dan kecepatan putar rototr. Jumlah udara yang masuk kedalam compressor diatur dengan

menggunakan Inlet Guide Vane.

Gb 6.9 Rotor compressor axial

Gb 6.10 Cara kerja compressor axial

87

Ruang bakar.

Ada dua type ruang bakar turbin gas yaitu type ruang bakar tunggal ( gb 6.1 ) dan ruang

bakar banyak melingkar poros yang dikenal dengan sebutan “can type” ( gb 6.11 ). Untuk

menggambarkan bagaimana proses pembakaran didalam ruang bakar berikut adalah uraian proses

yang terjadi didalam “can type”

Suhu nyala api yang ditengah berkisar 32000F ( 6.11 b) jika unit beroperasi dengan beban

penuh. Logam yang digunakan untuk ruang bakar tidak mampu menahan suhu setinggi itu, karena itu

konstruksi ruang bakar dibuat dengan menghadirkan aliran udara yang menyelimuti permukaan

dinding bagian luar dan bagian dalam. Udara mengalir kedalam liner dengan melalui lubang lubang

kecil guna membentuk nyala api selalu ditengah, dan tidak menyentuh dinding liner. Kira kira 82%

aliran udara masuk combustion chamber ( ruang bakar ) digunakan untuk pendinginan dan membuat

bentuk nyala api, dan hanya 18% untuk proses pembakaran.

.

Gb 6.11 Konstruksi ruang bakar “can

type” dan aliran udara didalam masing

masing ruang bakar

Dengan ruang bakar tunggal berarti terdapat banyak nozzle bahan bakar didalam satu ruang

pembakaran, sedang dengan ruang bakar “can type” berarti terdapat banyak ruang bakar dengan

nozzle bahan bakarnya masing masing.

Turbin.

Transformasi energi panas menjadi energi mekanik terjadi didalam turbin. Turbin bisa

berupa jenis turbin impuls maupun jenis turbin reaksi, tergantung dari pertimbangan pabrik pembuat

masing masing,dengan jumlah tingkat antara 1 sampai dengan 5 tingkat. Poros turbin merupakan

sambungan terusan dari poros kompressor ( gb 6.12 ). Pada gb 6.12 tersebut terlihat bahwa

88

masing masing sudu turbin dapat dilepas,untuk tujuan penggantian jika telah mencapai umur

operasinya.

Gb 6.12 Rotor turbin gas.

Sesuai prinsip Carnot yang telah disampaikan pada bab II, effisiensi akan semakin baik jika suhu

pada waktu pemberian kalor dapat dibuat setinggi tingginya, dan suhu pada saat pembuangan kalor

dibuat serendah rendahnya, maka pada turbin gas juga berlaku hal yang sama. Karena itu orang

berusaha agar suhu masuk turbin dibuat setinggi tingginya, namun semuanya itu dibatasi pada

kekuatan material sudu turbin yang digunakan.

Gb 6.13 Konstruksi sebuah sudu tetap ( nozzle ) tingkat I turbin gas dan aliran udara

pendingin.

89

Untuk dapat mempertahankan material sudu turbin dari tingginya suhu gas panas yang

melaluinya maka baik pada sudu tetap maupun sudu jalan turbin mempunyai konstruksi berrongga

dan kepadanya dilewatkan udara dingin yang diambilkan dari tingkat tertentu kompressor. Gb 6.13

menunjukkan bagaimana konstruksi sebuah sudu tetap dan udara pendingin mengalir didalamnya,

sedang gb 6.14 menunjukkan konstruksi sudu jalan dan aliran udara pendingin didalam maupun

diluarnya.

Rotor kompressor dan rotor turbin tersambung menjadi satu dan membentuk satu kesatuan (

gb 6.15 ) Rotor ini akan mengalami pemeriksaan dan penggantian sudu turbin setelah mencapai umur

operasi yang ditentukan yaitu pada saat dilakukannya inspeksi turbin, dimulai dengan penggantian

sudu turbin tingkat I pada inspection turbin pertama dilanjutkan dengan penggantian sudu turbin

tingkat I dan II pada inspection berikutnya. Demikian pula terjadi pada bagian sudu tetap juga

dilakukan dengan kurun waktu yang sama.

Gb 6.14 Konstruksi sudu jalan ( bucket ) tingkat I turbin gas dan aliran udara

pendinginnya

90

Gb 6.15 Rotor turbin gas ( rotor kompressor dan rotor turbin tersambung )

6.7 KELENGKAPAN TURBIN GAS.

Disamping bagian utama yang sudah disebutkan diatas, turbin gas dilengkapi dengan bagian

bagian lain untuk memungkinkan turbin gas dapat beroperasi dengan lancar, aman dan otomatis.

Bagian bagian tersebut dapat dikelompokkan kedalam sistim sistim yaitu:

Sistim pemutar poros.

Sistim pelumasan.

Sistim udara pendingin

Sistim bahan bakar

Sistim kontrol.

Sistim pencucian kompressor.

Sistim pengaman.

Bangunan pelindung ( enclosure / compartement )

Sistim pemutar poros turbin gas terdiri dari alat pemutar poros diwaktu turbin gas stand by,

pemutar poros untuk start dan pemindah torsi. Pemutar poros waktu turbin gas standby memutar

poros secara periodik atau kontinue dengan putaran sangat lambat. Pemutar ini digunakan terutama

untuk menghindari terjadinya lendutan poros diwaktu habis beroperasi karena panas. Namun

91

demikian pemutaran poros juga dilakukan menjelang beroperasi jika dikhawatirkan akan terjadi

lendutan sewaktu rotor tidak berputar, karena itu untuk unit yang standby dianjurkan untuk selalu

dioperasikan. Pemutar poros untuk start bisa berupa motor listrik, motor hidrolik atau mesin diesel,

tergantung dari besar kecilnya kapasitas turbin gas yang bersangkutan. Untuk turbin gas besar dan

digunakan untuk pembangkit listrik, generator listriknya bisa berfungsi pula sebagai motor start.

Untuk turbin gas yang menggunakan mesin diesel atau motor listrik sebagai alat start dilengkapi

dengan pemindah torsi, dimana mesin diesel atau motor listrik dengan putaran yang tinggi akan

memindahkan torsinya keporos turbin gas dari putaran nol sampai putaran tertentu dimana nyala api

didalam ruang bakar telah terjadi dan turbin gas telah mampu untuk berputar sendiri.

Sistim pelumasan turbin gas berfungsi untuk melumasi dan mendinginkan bantalan karena

panas yang timbul akibat gesekan yang terjadi dengan poros. Pelumas yang sama juga digunakan

sebagai sarana penggerak hidrolik untuk menggerakkan Inlet Guide Vane ( gb 6.10 ). Sistim

pelumasan harus bisa mengalirkan pelumas dengan kontinue, bersih dengan suhu yang relative

rendah. Untuk itu sistim pelumas terdiri dari. Pompa Utama, Pompa Pembantu, Pompa Darurat,

Pendingin dan Saringan pelumas.. Pendinginan pelumas dilakukan dengan menggunakan air

pendingin yang didinginkan dengan radiator atau langsung dengan radiator yang didinginkan dengan

kipas udara.

Gb 6.16 Sistim bahan bakar cair

Sistim udara pendingin digunakan untuk mengalirkan udara dari kompressor untuk

ditujukan kelubang lubang pendingin sudu turbin. Pengambilan udara dari kom-pressor disesuaikan

dengan tekanan yang ada pada msing masing tingkat sudu turbin. Oleh karena lubang lubang

pendingin pada sudu turbin ukurannya relatif kecil, maka udara pendingin tersebut harus dilewatkan

melalui saringan terlebih dahulu sebelum masuk ke lubang pendingin masing masing sudu turbin.

92

Sistim bahan bakar turbin gas terdiri dari tiga jenis yaitu sistim bahan bakar gas, sistim

bahan bakar cair dan sistim bahan bakar campuran. Gb 6.16 menunjukkan sebuah sistim bahan

bakar cair, dimana minyak diambil dari tangki melalui floating suction ( pipa

hisap apung ) untuk menghindari terhisapnya kotoran dalam tangki. Dari tangki minyak ditransfer ke

unit PLTG dengan pompa transfer, kemudian disring didalam saringan tekanan rendah dan

selanjutnya dipompa dengan pompa tekanan tinggi menuju flow devider melalui saringan tekanan

tinggi. Flow devider adalah pembagi aliran sama untuk masing masing burner pada msing masing

combustor.

Sistim kontrol turbin gas meliputi kontol untuk start ( yang mengatur terjadinya penyalaan

didalam ruang bakar, mengatur aliran bahan bakar untuk start, mengatur pembukaan Inlet Guide

Vane, mengatur pemberhentian alat start dan mengatur penutup-an katup extraction kompressor ),

.kontrol putaran, kontrol suhu dan kontrol beban. Kontrol putaran adalah untu mengatur

putaranturbin tetap berada putaran nominalnya. Kontrol suhu adalah untuk mengatur besarnya beban

turbin gas berdasarkan suhu maximum pembakaran yang ditetapkan, dan oleh karena tidak ada alat

ukur yang langsung dapat mendeteksi suhu langsung pembakaran, sinyal kontrol suhu diambil dari

suhu keluar turbin yang mewakili suhu pembakaran tersebut. Kontrol beban digunakan untuk

memberi beban dasar atau beban puncak pada turbin gas. Dengan beban dasar dimaksudkan bahwa

turbin gas dapat dioperasikan secara kantinue tanpa mengakibatkan pemendekan umur bagian

bagian panasnya, sedang dengan beban puncak dimaksudakan bahwa turbin gas dibebani lebih

tinggi dengan resiko akan terjad pemendekan umur pada bagian bagian panasnya.

Sistim pencucian kompressor digunakan untuk membersihkan sudu sudu kompressor dari

kotoran yang tidak bisa tersaring oleh filter udara masuk. Berupa kotoran debu, uap minyak atau

kotoran dari asap industri. Pembersihan dilakukan dengan air ditambah zat kimia pembersih yang

disemprotkan dimulut kompressor ketika turbin gas sedang beroperasi. Hisapan kompressor akan

membawa butir butir air masuk kedalamnya dan membasuh sudu sudu kompressor. Kecepatan

putaran sudu dan adanya bahan kimia pembersih menyebabkan kotoran yang menempel terlepas.

Sistim pengaman turbin gas berguna untuk mengamankan turbin gas dari kerusakan berat

akibat tidak berfungsinya kelengkapan turbin. Sistim pengaman turbin terdiri dari:

Pengaman tekanan pelumas rendah, untuk menghinadari rusaknya bantalan akibat

gesekan kering oleh karena tidak adanya pelumasan.

Pengaman suhu bantalan tinggi. Gesekan yang terjadi pada bantalan akan

mengakibatkan suhu yang tinggi, dan suhu yang tinggi akan melumerkan metal

bantalan, karena itu kenaikan suhu harus dicegah sebelum metal bantalan menjadi rusak

Pengaman gaya axial tinggi. Penghisapan udara oleh kompressor dan dorongan gas

panas pada sudu turbin akan menyebabkan gaya axial walaupun kedua gaya ini

93

berlawanan dan dibuat relatif seimbang, kerusakan pada sudu turbin atau pengotoran

pada sudu kompressor dapat mengkibatkan gaya yang timbul berlebih kearah tertentu.

dan menjadikan sudu kompressor bergesekan.

Pengaman getaran tinggi. Walupun pembuatan rotor telah dilakukan secara teliti, namun

pada tahap akhirnya tetap ditemukan adanya ketidak samaan berat antara satu sisi

dengan sisi yang lain ( arah radial ) pada rotor. Ketidak samaan berat ini disebut sebagai

unbalans ( tidak seimbang ). Pada rotor baru unbalans ini telah dibuat menjadi balans

( seimbang ), yang menghasilkan getaran yang kecil. Seiring dengan perjalanan waktu

getaran turbin bisa menjadi besar dan melampaui batas yang ditentukan, karena itu

turbin harus diberhentikan untuk menghindari kerusakan lebih lanjut.

Pengaman suhu lebih. digunakan untuk mengamankan bagian bagian panas turbin gas

dari kemungkinan kerusakan akibat terjadinya suhu gas panas yang melampaui batas.

Disamping itu turbin gas juga dilengkapi dengan tombol darurat untuk member-hentikan

turbin gas dengan seketika jika diketahui terdapat hal hal yang mebahayakan bagi berlangsungnya

operasi.

Bangunan pelindung meliputi bangunan untuk melindungi mesin turbin gas, generator

listrik, panel kontrol dan lain lain dari hujan dan pengaruh lingkungan lainnya, serta untuk

mempermudah pemadaman api jika terjadi nyala api. Umumnya bangunan ini menempel bersama

sama dengan turbin gas pada base plate yang sama, sehingga jika turbin gas ingin dipindahkan

ketempat lain bangunan tersebut otomatis tidak perlu dilepas tersendiri. Tetapi bagi turbin gas yang

digunakan untuk PLTGU bisa dibuat satu bangunan saja untuk beberapa turbin gas. Gb 6.17

menunjukkan susunan sebuah PLTG dengan bangunan bangunan terkait ( turbine enclosure,

generator encloser, elctrical package, mechanical package, starting package dan lain lain ).

94

Gb 6.17 Susunan PLTG Westinghause W 251

6.8 FAKTOR FAKTOR YANG MEMPENGARUHI UMUR BAGIAN TURBIN GAS.

Bagian turbin gas terutama bagian yang terkena panas umurnya sangat dipenga-ruhi oleh

intensitas suhu nyala api yang terjadi didalam ruang bakar, dan intensitas suhu nyala api dipengaruhi

oleh jenis bahan bakar yang digunakan dan tingginya pembebanan. Disamping itu umur peralatan

turbin gas juga dipengaruhi oleh baban siklik yang terjadi, dan beban siklik ditentukan oleh jumlah

start dan stop yang dilakukan dan jumlah trip ( stop diluar stop normal ) yang terjadi.

Turbin Gas buatan General Electric type MS6B dan MS7EA menentukan interval

pemeriksaan bagian ruang bakar sebesar 8000 jam atau 400 kali strat mana yang dicapai lebih dulu,

bagian turbin sebesar 24000 jam operasi atau 1200 kali start, dan pemeriksaan seluruh bagian turbin

pada jam operasi 48000 jam atau 2400 kali start. Hal ersebut jika turbin gas dioperasikan dengan

bahan bakar gas. Jika diopersikan dengan bahan bakar minyak distilate , maka interval pemeriksaan

menjadi lebih sering, sebagaimana dapat dilihat pada tabel 6.1.

95

Tabel 6.1 Faktor yang mempengaruhi umur peralatan / interval pemeliharaan.

Jenis Faktor yang mempengaruhi Nilai faktor

Faktor jam operasi

Bahan bakar gas

Bahan bakar distilate

Bahan bakar crude oil

Bahan bakar residu

Beban puncak

Injeksi uap

Injeksi air

Jumlah kali start

Faktor start

Trip dari beban penuh

Start cepat

Start sangat cepat ( emergency )

1

1,5

2 atau 3

3 atau 4

6

1

1,9

20

8

2

20

Dari tabel diatas dapat dihitung pada jam operasi berapa turbin gas harus dilakukan overhaul (

inspection ). Untuk jelasnya ikuti contoh soal berikut:

Contoh soal

Sebuah turbin gas dioperasikan dengan minyak distilate, mempunyai jumlah start 100, jam operasi

12000 jam dan trip dari beban penuh 3 kali.. Pada jam operasi berapa lagi turbin gas tersebut harus

dilakukan overhaul bagian turbinnya?.

Jawaban:

Jam operasi equivalent: 1,5 x 12000 + 100 x 20 + 3 x 8 x 20 = 20 460 jam. Sisa jam operasi

menjelang overhaul turbin = 24000 – 20480 = 3520 jam atau kurang lebih = 5 bulan lagi.

6.8.1 FAKTOR FAKTOR YANG MEMPENGARUHI UNJUK KERJA ( PERFOR-

MANCE ) TURBIN GAS.

Turbin gas menggunakan udara atmosfir sebagai media kerjanya, karena itu segala sesuatu

yang mempengaruhi kondisi dan sifat sifat udara atmosfir seperti suhu, tekanan, dan kelembaban

akan berpengaruh terhadap unjuk kerja turbin gas. Yang dimaksud dengan unjuk kerja atau

96

performance adalah besarnya daya mampu maksimum dan konsumsi penggunaan panas yang dapat

dtunjukkan oleh turbin gas yang bersangkutan.

Oleh karena unjuk kerja turbin gas sangat dipengaruhi oleh kondisi udara atmosfir tersebut,

maka unjuk kerja turbin gas harus ditunjukkan dalam kondisi standard yaitu yang disebut sebagai

kondisi ISO ( International Standard Organisation ). Kondisi ISO adalah kondisi udara pada suhu

15oC ( 59

oF ) dan permukaan air laut atau sesuai dengan tekanan barometer 760 mmHg ( = 14,969

psia = 1,033kg/cm2 dan kelembaban relative = 60%.

Sebagai contoh performance sebuah turbin gas Westinghause yang ditempatkan di Duri

propinsi Riau dengan bahan bakar gas,mempunyai unjuk kerja pada kondisi ISO seperti berikut:

Daya mampu : 120 MW.

Heat rate : 9900 Btu/kwh ( open cycle )

Rotation : 3600 rpm.

Bahan bakar : gas.

Inlet loss : 4,4”H2O

Outlet loss : 5,0”H2O

Cos ϕ generator : 0,9.

Untuk mengetahui berapa besar unjuk kerja turbin gas tsb pada kondisi setempat diperlukan

faktor faktor koreksi yang digambarkan dalam bentuk grafik sebagaimana yang akan dijelaskan

berikut ini.

Faktor suhu udara:

Suhu udara mempengaruhi kerapatan udara, makin tinggi suhunya semakin rendah

kerapatannya. Kerapatan udara akan mempengaruhi jumlah massa udara yang terhisap masuk

kedalam compressor, sehingga jumlah gas panas yang mendorong turbin juga berkurang. Akibatnya

daya mampu turbin gas tersebut menjadi menurun ( gb 6.18 )

97

Gb 6.18 Faktor koreksi suhu udara atmosfir.

Faktor ketinggian tempat.

Altitude atau ketinggian tempat akan berpengaruh terhadap tekanan udara atmosfir.

Berkurangnya tekanan udara masuk compressor juga akan menurukan kerapatan udara tersebut

sehingga jumlah berat udara yang masuk kedalam compressor akan berkurang. Turunnya tekanan

masuk compressor juga akan menurunkan tekanan keluar kompressor, sehingga daya mampu turbin

gas juga akan mengalami penurunan ( gb 6.19 ).

Ketinggian tempat biasanya ditunjukkan dengan penurunan tekanan barometer sebagaimana

ditunjukkan dalam gb 6.20, yaitu untuk setiap kenaikan altitude 1000 feet, tekan barometer turun ±

0,05 psia.

98

Gb 6. 19 Faktor koreksi ketinggian tempat

Gb 6.20 Faktor konversi tekanan barometer terhadap altitude.

99

Faktor kelembaban udara.

Udara lembab adalah udara yang mengandung uap air. Semakin tinggi kelembaban berarti

semakin tinggi kandungan uap air didalam udara. Kelembaban ini mempunyai pengaruh buruk

terhadap heat rate maupun power output walaupun dalam prosentase yang kecil ( gb 6.21 ).

Sebaliknya pada kondisi udara dengan kelembaban yang rendah pemberian kabut air kedalamnya

dapat menurunkan suhu udara tersebut dan karenanya daya mampu turbin gas dapat ditingkatkan (

6.22 )

Gb 6.21 Faktor koreksi kelembaban udara

Gb 6.22 Pendinginan aliran udara masuk kompressor dengan chilling

dan evaporative ( injeksi kabut air ).

100

Faktor injeksi air kedalam ruang bakar.

Injeksi air kedalam combustor diperlukan untuk menurunkan suhu pembakaran sehingga

dapat mengurangi besarnya gas NOx. Injeksi air akan menambah besarnya

fluida yang menggerakkan turbin. Karena itu power output turbin menjadi semakin tinggi dengan

bertambah besarnya injeksi air. Sedang heat ratenya mengalami peningkatan atau bertambah buruk

karena sebagian panas dari bahan bakar digunakan untuk menguapkan air tsb. ( gb 6.23 ).

Gb. 6.23 Faktor koreksi terhadap injeksi air kedalam ruang bakar.

Faktor hambatan pada saluran udara masuk compressor.

Hambatan yang terjadi pada saluran udara masuk kompressor akan menurunkan tekanan

udara disisi masuk kompressor, turunnya jumlah udara yang dihisap dan turun-nya tekanan keluar

kompressor. Akibat selanjutnya adalah turunnya output/power, dan

bertambahnya heat rate ( gb 6.24 ).

Faktor hambatan pada saluran gas keluar turbin

Hambatan yang terjadi pada laluan gas keluar turbin akan meningkatkan tekanan gas disisi

keluar turbin dan menurunkan besarnya selisih entalpi antara gas panas masuk turbin dan gas panas

keluar turbin. Turunnya selisih entalpi tsb atau sering disebut sebagai turunnya heat drop akan

menurunkan daya mampu turbin gas ( gb 6. 25 ). Hal semacam ini biasa terjadi pada turbin

gas yang digunakan pada PLTGU dimana kotoran hasil pembakaran menempel pada pipa pipa

HRSG ( Heat Recovery Steam Generator ) dan mempersempit saluran gas panas keluar turbin.

101

Gb 6.24 Faktor koreksi terhadap tambahan kerugian didalam

saluran udara masuk kompressor

Gb 6.25 Koreksi terhadap kelebihan kerugian didalam saluran

gas panas keluar turbin inch kolom air

102

Faktor kekotoran kompressor.

Udara atmosfir tidak bisa diharapkan bersih 100%. Udara akan selalu mengandung kotoran

kotoran padat dalam ukuran yang sangat kecil. Kotoran kotoran limbah industri, asap kendaraan

bermotor yang mengandung minyak dan debu akan selalu ikut didalam udara. Kotoran kotoran

dengan ukuran diatas 5 mikron akan dapat disaring didalam saringan yang ditempatkan didepan

kompressor, tetapi kotoran kotoran yang lebih kecil akan lolos dan terbawa masuk kedalam

kompressor. Kotoran kotoran ini akan menempel pada sudu sudu kompressor dan menghambat

jalannya udara untuk melewatinya.

Gb 6.26 menunjukkan turunnya daya mampu dan effisiensi turbin gas ABB GT 13E2 setelah

dilakukan pencucian kompressor. Penurunan daya mampu dan effisiensi ini semata mata akibat

bertambahnya kotoran didalam kompressor.

Gb 6.26 Penurunan daya mampu dan effisiensi akibat bertambahnya kompressor

103

VII

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA

GAS DAN UAP

7.1 UMUM

Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap ( PLTGU ) atau juga dikenal sebagai Combined

Cycle Power Plant ( Pembangkit Listrik dengan Siklus Gabungan ) adalah merupakan gabungan

antara PLTG dan PLTU ( gb 7.1 ). Gas panas keluar trubin gas yang suhunya relatif tinggi ( 500o C )

digunakan untuk memanaskan air dan memproduksi uap, dan uap tersebut digunakan untuk memutar

turbin generator untuk menghasilkan listrik. Dengan demikian diperoleh effisiensi gabungan yang

lebih tinggi dibanding effisiensi masing masing PLTU maupun PLTG.

Proses pemanasan air dan pembentukan uap terjadi didalam Heat Recovery Steam Generator (

HRSG ) sebagai pengganti boiler pada PLTU. HRSG berfungsi sebagai penukar kalor yang akan

memindahkan panas yang terkandung didalam gas bekas ke air dan uap. Karena fungsinya sebagai

penukar kalor maka HRSG harus dapat menangkap sebagian besar panas yang terkandung didalam

gas bekas, karena itu diperlukan luas permukaan yang besar. Untuk memenuhi tujuan tersebut

konstrukgi HRSG terdiri dari sejumlah pipa yang dilengkapi dengan sirip sirip diseluruh panjang

pipa.

Gb 7.1 Susunan Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap

104

7.2 KLASSIFIKASI PLTGU

Dari berbagai jenis konstruksi PLTGU, maka dapat dibedakan satu dan lainnya sebagai

berikut:

– Berdasar pola pembakarannya:

• Fired combined cycle, terdapat tambahan pembakaran pada sisi gas masuk HRSG.

Oleh karena kandungan oxigen keluar turbin gas masih relatif tinggi, tambahan

pembakaran sebelum HRSG tidak memerlukan kipas udara lagi..

• Unfired combined cycle, tanpa tambahan pembakaran pada sisi masuk HRSG.

– Berdasar pada tekanan uap:

• Single pressure.( tekanan tunggal ) ( gb. 7.1 ).

• Double pressure ( tekanan tinggi dan tekanan rendah ).

• Multiple pressure ( tekanan lebih dari 2 )

– Berdasar pada susunan turbinnya:

• Single shaft ( poros tunggal ). Antara poros turbin gas dan poros turbin uap tersambung

menjadi satu.

• Susunan 2-2-1 ( 2 Turbin Gas, 2 HRSG dan 1Turbin Uap ). Dalam susunan ini masing

masing turbin gas memiliki HRSG sendiri sendiri dan dari masing masing HRSG hasil

uapnya kemudian digabungkan menjadi satu untuk menggerakkan satu turbin uap yang

memutar satu generator. Dengan pola semacam ini juga bisa disusun dalam komposisi

3.3.1

• Susunan 2-1-1 ( 2 Turbin Gas , 1 HRSG, 1TurbinUap ). Disini gas panas dari masing

masing turbin gas dimasukkan kedalam sau HRSG dan uap dari HRSG tersebut

digunakan untuk menggerakkan satu turbin uap.

Dibanding jenis pembangkit yang lain, PLTGU mempunya beberapa keuntungan dan kerugian.

Adapun keuntungannya antara lain adalah sbb:

– Effisiensi lebih baik dari jenis pembangkit yang lain.Dibanding PLTU yang mempunyai

effisiensi 40 % dan PLTG 30%, PLTGU bisa memiliki effisiensi sampai 60%.

– Biaya investasi lebih murah. Dibanding PLTU biaya investasinya lebih murah.

– Masa pembangunan yang lebih pendek. Dibanding PLTU dan PLTA, PLTGU memerlukan

waktu pembangunan yang lebih pendek.

– Lebih mudah mengikuti fluktuasi beban. Dibanding dengan PLTU batubara yang

pembakaran bahan bakarnya lambat, dan PLTN yang dikhususkan untuk beban dasar,

PLTGU lebih mudah untuk mengikuti fluktuasi beban.

– Tidak memakan banyak tempat. Untuk kapasitas yang sama, PLTGU memerlu-kan lahan

yang lebih sedikit dibanding PLTU.

105

Adapun kerugiannya antara lain adalah sbb:

– Jenis bahan bakar terbatas pada jenis bahan bakar gas dan cair saja yang harga-nya relatip

lebih mahal.

– Bahan bakar cair memerlukan treatment terlebih dahulu.untuk menghindari korosi suhu

tinggi pada bagian turbin gasnya.

– Umur turbin gas dan HRSG nya lebih pendek dibanding umur PLTU.

7.3 SIKLUS KOMBINASI.

Didalam PLTGU berlangsung dua siklus sekaligus, yaitu siklus udara dan gas panas yang

berlangsung didalam turbin gas dan siklus air dan uap yang berlaku untuk turbin uap. Siklus udara

dan gas panas dikenal sebagai siklus Brayton ( gb 6.2 ) dan siklus air - uap dikenal sebagai siklus

Rankine ( 3.2 ). Gabungan antara keduanya disebut sebagai Siklus Gabungan ( Combined Cycle )

dan digambarkan dengan diagram T-S seperti terlihat pada gb 7.2.

Gb 7.2 a menunjukkan sebuah siklus gabungan dengan tekanan uap tunggal. Besar-nya panas

yang diberikan oleh pembakaran bahan bakar adalah sesuai luas 1”- 2-3-6”-1 dan panas keluar turbin

gas sesuai luas 1”-1-4-6”-1, dan kerja yang diperoleh didalam turbin gas adalah sesuai luas 1-2-3-4-1.

Panas yang keluar turbin gas, dimanfaatkan untuk pemanasan air dan pembentukan uap, dan

besarnya panas yang bisa diserap oleh air dan uap adalah sesuai luas 1”-2’-3’-4’-5’-6”-1”. Panas

yang dibuang didalam siklus air uap adalah sebesar luas 1” -1’ – 6’- 6” – 1”, sehingga besarnya kerja

yang diperoleh didalam siklus air uap adalah sebesar luas 1’-2’-3’-4’-5’-6’-1’.

a) b)

Gb 7.2 Siklus gabungan:

a) dengan tekanan uap tunggal.

b) dengan tekanan uap ganda

106

Dari gb 7.2 terlihat bahwa tidak semua panas yang dilepas turbin gas dapat diserap oleh air dan

uap didalam HRSG, karena sifat alami air dan uap itu sendiri. Panas yang tidak bisa diserap tersebut

adalah sebesar luasan 3’-4-5’-4’-3’.Untuk memperkecil jumlah panas yang tidak bisa diserap

tersebut, maka siklus air uap dibuat menjadi dua tingkat te-kanan yaitu tingkat rendah dan tingkat

tinggi sebagaimana ditunjukkan didalam gb 7.2 b. Untuk lebih memperkecil lagi besarnya panas

yang tidak bisa diserap, maka tingkat tekanan air dan uap dibuat lebih dari dua tingkat atau disebut

juga sebagai multiple pressure. Dengan gb 7.2 ini nampak jelas bahwa siklus gabungan yang berlaku

bagi sebuah PLTGU mempunyai effisiensi yang lebih baik dibanding PLTG maupun PLTU.

7.4 BAGIAN BAGIAN UTAMA PLTGU.

PLTGU terdiri dari dua bagian utama yaitu bagian PLTG dan bagian PLTU. Oleh karena

bagian bagian tersebut telah dibahas dimuka, maka tidak akan dibahas lagi kecuali untuk HRSG yang

mempunyai konstruksi sangat berbeda dengan boiler pada PLTU.

HRSG ( Heat Recovery Steam Generator ) sesuai namanya adalah untuk menyerap panas yang

terkandung didalam gas bekas PLTG. Gas bekas PLTG mengalir memotong pipa pipa HRSG disisi

luar pipa pipa yang berisi air / uap didalamnya. Karena itu panas gas bekas akan menyebabkan air

didalam pipa suhunya bertambah tinggi, menguap dan akhirnya menjadi uap panas lanjut.Uap

tersebut kemudian digunakan untuk memutar turbin. Proses perpindahan panas yang terjadi didalam

HRSG, berlangsung secara konveksi dan konduksi. Oleh karena panas jenis gas bekas disatu sisi jauh

lebih kecil dibanding panas jenis air dilain sisi, maka diperlukan luas bidang permukaan pada sisi

gas panas jauh lebih besar disbanding pada sisi air .Untuk memenuhi hal tersebut bagian luar pipa /

sisi gas bekas dibuat dengan banyak sirip sebagaimana dapat dilihat pada gb 7.3

Dari segi susunan pipa HRSG terdapat pipa pipa dengan susunan horisontal dan pipa pipa

dengan susunan vertikal. Susunan pipa pipa horisontal diperuntukkan bagi aliran gas bekas keluar

turbin yang vertikal, sedang susunan pipa pipa vertikal untuk aliran gas bekas keluar turbin yang

horisontal. Dengan demikian terdapat perpotongan tegak lurus antara gas bekas keluar turbin dengan

susunan pipa pipa ekonomizer, evaporator maupun superheaternya.

107

Gb 7.3 Permukaan pipa HRSG sisi pemanas ( gas bekas turbin gas ).

Gb 7.4 Susunan sebuah PLTGU dengan HRSG pipa vertikal

108

Gb 7.5 Konstruksi HRSG pipa vertikal

109

VIII

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL

8.1 UMUM

Pembangkit Listrik Tenaga Diesel ( PLTD ) adalah pembangkit listrik yang paling banyak

digunakan diluar pulau Jawa dan daerah daerah terpencil lainnya yang belum dapat dijangkau oleh

jaringan listrik dengan pembangkit bersekala besar. Pembangkit listrik ini digerakkan dengan mesin

Diesel yang merupakan suatu hasil research yang dilakukan oleh Rudolf Diesel di Jerman. Mesin ini

termasuk kedalam golongan mesin dengan pembakaran didalam ( Internal Combustion Engine )

dengan penyalaan yang tanpa menggunakan busi. Penyalaan dilakukan dengan tekanan dan suhu

udara yang tinggi akibat kompressi oleh gerak piston, karena itu mesin ini juga dikenal sebagai mesin

dengan pembakaran dengan kompressi ( compression ignition ). Secara prinsip mesin Diesel dapat

digambarkan seperti gb 8.1 dan secara lengkap mesin Diesel dapat dilihat pada gb 8.2 ( potongan

melintang ) dan gb 8.3 ( potongan memanjang ).

Dibanding mesin mesin penggerak yang lain mesin Diesel mempunyai beberapa keuntungan

antara lain:

– Lebih effisien dibanding dengan turbin gas dan mesin bensin. Karena mempunyai

perbandingan kompressi yang lebih tinggi, maka mesin Diesel menjadi lebih effisien

dibanding turbin gas maupun mesin bensin.

– Mempunyai daya lebih besar dengan ukuran yang sama dengan mesin bensin.

– Mudah dipindah pindah.

– Tidak memerlukan instalasi listrik untuk pembakaran bahan bakarnya. Karena

menggunakan penyalaan dengan kompressi maka pembakaran bahan bakarnya tidak

menggunakan busi, karena itu tidak diperlukan instalasi listrik. Busi pemanas yang ada

didalam gambar hanya digunakan untuk pemanasan awal ketika mesin Diesel masih

dingin dan belum distart.

Adapun kerugiannya antara lain adalah:

– Getaran lebih tinggi dan lebih berisik.Karena perbandingan kompressi yang tinggi

menyebabkan getaran menjadi lebih tinggi, dan gas buang keluar silinder menyebabkan

suara yang lebih keras

– Kapasitas rendah. Dibanding turbin uap dan turbin gas mesin Diesel mempu-nyai

kapasitas / daya mampu yang rendah.

– Karena bahan bakarnya harga listriknya menjadi mahal.

– Memerlukan fondasi yang lebih berat.

– Lebih berat dibanding turbin gas.

110

Gb 8.1 Prinsip sebuah mesin Diesel 1 silinder.

Gb 8.2 Potongan melintang mesin Diesel

111

Gb 8.3 Potongan memanjang mesin Diesel 8 silinder 2 langkah.

8.2 CARA KERJA

Mesin diesel pada umumnya terdiri dari satu sampai banyak silinder, masing masing silinder

mempunyai cara kerja sesuai langkah pistonnya. Cara kerja mesin diesel dibedakan antara mesin

diesel 2 langkah dan mesin diesel 4 langkah. Untuk mesin Diesel 4 langkah mempunyai cara kerja

sebagai berikut ( gb 8 .4 ).

Gb 8.4 Cara kerja mesin Diesel 4 langkah

Langkah hisap ( gb 8.4 a ).Piston bergerak kebawah mulai dari titik mati atas ( TMA ) ketitik mati

bawah ( TMB ). Pada saat yang sama katup masuk membuka menyebabkan udara terhisap masuk

kedalam silinder.

112

Langkah Kompressi ( gb 8.4 b ). Piston bergerak ketas dari Titik Mati Bawah ( TMB ) ke

Titik Mati Atas ( TMA ). Pada saat yang sama katup masuk maupun katup buang dalam keadaan

tertutup. Udara didalam silinder terkompressi oleh gerak piston keatas dan menjadikan udara pada

akhir langkah kompressi mempunyai tekanan dan suhu yang tinggi.

Langkah Kerja ( gb 8.4 c ). Pada akhir langkah kompressi bahan bakar dikabutkan kedalam

silinder. Suhu udara yang tinggi hasil kompressi pada langkah kompressi tersebut menyebabkan

bahan bakar menyala dengan sendirinya, menyebabkan udara tsb memuai dan mendorong piston

kebawah. Pemuaian udara tersebut ditandai dengan gerakan piston kebawah dengan tekanan udara

yang konstan ( gb 8.5 ). Selanjutnya setelah pengabutan bahan bakar berhenti, tekanan didalam

silinder mulai menurun, dan akhirnya pada saat piston mencapai TMB, katup buang membuka, gas

hasil pembakaran keluar dari dalam silinder melalui saluran pembuangan.

Langkah Pembilasan. ( gb 8.4 d ). Piston bergerak dari TMB ke TMA dan katup buang dalam

keadaan terbuka. Gas bekas hasil pembakaran didorong oleh gerak piston keluar silinder,

menjadikan ruang didalam silinder bersih terbebas dari gas bekas dan memungkinkan udara baru

masuk keseluruh ruang silinder ketika piston bergerak ke TMB kembali sebagai langkah pertama (

langkah hisap ).

Langkah langkah tersebut diatas jika digambarkan didalam diagram tekanan dan volume

akan terlihat sebagaimana gb 8.3, dimana langkah hisap ditunjukkan sebagai garis lurus 1-2, langkah

kompressi 2-3, langkah kerja 3-4-5, pembuangan gas 5-6 dan langkah pembilasan 6-1.

Untuk mesin Diesel 2 langkah mempunyai cara kerja sebagai berikut ( lihat gb 8.6 )

Gb 8.5 Diagram p-v untuk mesin Diesel 4 langkah

113

Gb 8.6 Cara kerja mesin Diesel 2 langkah

Proses pembilasan dan pengisian udara baru terjadi sekaligus ketika piston berada di Titik Mati

Bawah. Gas bekas didorong keluar oleh aliran udara baru yang datang dari turbo charger ( gb 8.6 a ).

Langkah kompressi ( gb 8.6 b ) Piston bergerak ketas dari Titik Mati Bawah ( TMB ) ke Titik Mati

Atas ( TMA ). Pada saat yang sama katup buang dalam keadaan tertutup, dan kompressi dimulai

ketika lubang lubang pemasukan udara pada dinding silinder tertutup oleh gerak piston keatas.

Kompressi menghasilkan tekanan dan suhu udara yang tinggi pada akhir langkah piston.

Langkah Kerja ( gb 8.6 c ). Pada akhir langkah kompressi bahan bakar dikabutkan kedalam

silinder. Suhu udara yang tinggi hasil kompressi pada langkah kompressi tersebut menyebabkan

bahan bakar menyala dengan sendirinya, menyebabkan udara memuai dan mendorong piston

kebawah. Pemuaian udara tersebut ditandai dengan gerakan piston kebawah dengan tekanan udara

yang konstan ( gb 8.5 ). Selanjutnya setelah pengabutan bahan bakar berhenti, tekanan didalam

silinder mulai menurun, dan akhirnya sebelum piston mencapai TMB, katup buang membuka dan

gas hasil pembakaran keluar dari dalam silinder. Pengisian udara baru berlangsung ketika piston

telah melewati lubang pemasukan udara pada dinding silinder.

a b c

114

Langkah kompressi dan langkah kerja tersebut jika digambarkan dalam diagram p-v dapat

dilihat pada gb 8.7

Gb 8.7 Diagram p- v untuk mesin Diesel 2 langkah

Mesin Diesel 2 langkah mempunyai beberapa keuntungan dibanding mesin Diesel 4 langkah

yaitu:

Mempunyai daya yang lebih besar untuk ukuran dan putaran yang sama ( 1,5 – 1,6 kali )

Mesin lebih ringan dan lebih kecil volumenya.

Konstruksi lebih sederhana.

Sedang kerugiannya adalah:

Proses pembilasannya kurang sempurna, sehingga bahan bakarnya lebih boros.

Untuk mesin Diesel yang memanfaatkan Crankcase ( Karter )nya sebagai suplai udara

masuk kedalm silinder, penggunaan pelumasnya menjadi boros karena banyak pelumas

terbawa oleh udara dan terbakar didalam silinder.

115

8.3 EFFISIENSI.

Effisiensi thermis mesin Diesel dihitung berdasarkan proses keliling ( siklus ) Diesel,

sebagaimana yang sudah digambarkan pada gb 8.7. dimana proses kompressi 1- 2 berlangsung

secara adiabatis, proses pembakaran 2-3 berlangsung pada tekanan konstan ( isobaris ), expansi

setelah pembakaran 3-4 berlangsung adiabatis dan pembuangan kalor 4 -1 pada volume konstan (

isovolume ).

Besarnya kalor yang diberikan:

Q1 = cp ( T3 - T2)

Besarnya kalor yang dibuang:\

Q2 = cv ( T4 – T1).

sehingga effisiensi thermis mesin Diesel menjadi:

23

14

23p

14v

T - T

T - T11

)T - T ( c

)T - T ( c1

kt

ρ

TTatau ρ

v

v

T

T 23

2

3

2

3 ;

1k

34

1k

1k

4

3

4

3

δ

TTatau δ

v

v

T

T

;

1k

1k

2

1

1

2 εv

v

T

T

atau

1k

3

1k

21

ρε

T

ε

TT

dimana ρ = 2

3

v

v= disebut perbandingan expansi isobaris.

δ =

4

3

v

v = disebut perbandingan expansi adiabatis

ε = 2

1

v

v= disebut perbandingan kompressi adiabatis

116

Selanjutnya dapat ditulis:

23

14

T - T

T - T=

ρ

11

ρε

1

δ

1

ρ

TT

ρε

T

δ

T1k1k

33

1k

3

1k

3

δ =

3

1

v

v=

2

1

v

vx

3

2

v

v=ρ

ε

Dengan demikian dapat ditulis:

23

14

T - T

T - T=

1ρ

1ρ

ε

1

ρ

1ρ

ρε

1

ε

ρk

1k

1k1k

1k

Karena itu effisiensi thermis dapat ditulis:

1ρ

1ρ

ε

111

k

1k

kt

Jadi effisiensi mesin Diesel ditentukan oleh besarnya perbandingan kompressi dan

perbandingan expansi isobaris. Effisiensi akan menjadi tinggi jika perbandingan kompressinya

besar dan perbandingan expansi isobarisnya kecil., demikian sebaliknya effisiensi menjadi rendah

jika perbandingan kompressinya kecil dan perbandingan expansi isobarisnya besar.

8.4 BAGIAN BAGIAN UTAMA MESIN DIESEL.

Mesin Diesel terbagi menjadi dua bagian utama yaitu bagian yang diam dan bagian yang

bergerak. Bagian yang diam terdiri dari Cylinder Block, Cylinder Liner dan Cylinder Head, sedang

bagian yang bergerak terdiri dari Piston, Connecting Rod, Crankshaft, Flywheel, Valve dan

Penggerak valve.

Cylinder Block atau juga biasa disebut sebagai Frame atau Kerangka, merupakan bagian

yang diikatkan pada fondasi untuk mesin yang tidak bergerak, atau diikatkan pada chasis untuk

mesin kendaraan. Bagian ini dibuat dari baja tuang atau dari baja dengan sambungan las. Padanya

117

terletak cylinder liner sebagai pasangan piston yang bergerak maju mundur melakukan proses

kompressi dan expansi. Padanya juga terpasang bantalan untuk crankshaft dan bantalan untuk cam

shaft. Untuk mesin yang kecil, cylinder liner dituang menjadi satu bagian dengan cyilinder block,

atau dibuat terpisah kemudian dimasukkan kedalamnya, sedang untuk mesin yang besar cylinder

liner dibuat terpisah, dan dapat dilepas dari cylinder block untuk tujuan perbaikan atau penggantian.

Diantara cylinder liner dan cylinder block terdapat rongga untuk air pendingin, guna mendinginkan

cylinder liner dari panasnya pembakaran bahan bakar yang terjadi didalamnya.. Gb 8.8

menunjukkan sebuah cylinder block mesin Diesel type V ( V engine ) dengan konstruksi las, sedang

gb 8.9 menunjukkan cylinder block type lurus ( Straight Line Engine ).

Gb 8.9 Frame Mesin Diesel model lurus ( Straigt Line Engine ) 6 silinder.

Gb 8.8 Frame mesin Diesel model V

( V engine )12 silinder.

118

Cylinder Head ( Kepala Silinder ) adalah bagian penutup silinder. Padanya terletak Inlet

Valve ( katup udara masuk ) , Exhaust Valve ( katup buang gas bekas ), dan Fuel Injector ( injector

bahan bakar ). Padanya juga terdapat rongga rongga untuk saluran air pendingin guna

mempertahankan bagian yang terkena panas agar tidak mengalami panas lebih. Rongga rongga air

ini juga terhubung langsung dengan rongga air yang ada didalam cylinder blok. Pada mesin kecil

cylinder head dibuat menjadi satu bagian untuk seluruh silinder, sedang untuk mesin besar cylinder

head dibuat terpisah sesuai silindernya masing masing.

Piston adalah bagian yang mengkonversi pembakaran bahan bakar didalam silinder manjadi

gerak mekanik. Bagian ini menerima panas pembakaran secara langsung, karena itu harus

mendapat pendinginan secara cukup. Pendinginan piston dilakukan oleh minyak yang mangalir

kepadanya dan oleh udara didalam Crankcase. Untuk memenuhi hal tersebut piston dibuat berongga

dibagian bawahnya, dan dialirkan pelumas kepadanya melalui saluran yang ada didalam connecting

rod (batang piston), lihat gb 8.10. Pada bagian samping piston terpasang ring piston masing masing

sebagai ring kompressi terletak dibagian atas, dan ring pelumas terletak dibagian bawah. Piston

tersambung bebas

dengan batang piston oleh piston pin.

Gb 8. 10 Piston dan batang piston

119

Crankshaft atau poros engkol adalah bagian mesin Diesel yang merubah gerak maju mundur

batang piston menjadi gerak putar. Bentuk dari crankshaft ini ditentukan oleh jumlah silinder dan

urutan pembakaran yang berlaku. Urutan pembakaran ditentukan untuk mendapatkan momen puntir

yang seimbang disepanjang crankshaft ketika mesin beroperasi, karena itu urutan pembakaran (

Firing Order ) tidak berurutan sesuai nomor silinder. Sesuai dengan jumlah silinder masing masing

dan jenis langkahnya urutan pembakaran dapat dilihat pada tabel 8.1.

Gb

8.11 Porosengkol mesin Diesel 6 silinder

Disepanjang crankshaft terdapat lubang saluran pelumas guna mengalirkan pelumas dari

pompa menuju piston. Pelumas ini mengalir dari pompa melalui bantalan, masuk kedalam poros

Tabel 8.1 Susunan urutan pembakaran ( Firing Order ).

120

dan diteruskan keconnecting rod, dan akhirnya kepiston untuk mendinginkan dinding piston dan

melumasi bidang gesek antara piston dan cylinder liner.

Flywheel atau roda gila adalah bagian mesin Diesel yang berfungsi sebagai akumulator

energi, yaitu bersifat menampung dan menyimpan energi ketika piston melakukan langkah kerja,

dan menyerahkannya kembali ketika piston melakukan langkah yang lainnya. Dengan demikian

putaran mesin Diesel menjadi lebih rata.

Pada mesin Diesel 4 langkah, Inlet Valve berfungsi untuk mengatur pemasukan udara

kedalam silinder dan Exhaust Valve berfungsi untuk mengatur pembuangan gas bekas

hasil pembakaran keluar silinder. Pada mesin 2 langkah hanya terdapat Inlet Valve

Gb 8. 12 Susunan Cam Shaft, Push Rod, Rocker Arm dan Valve untuk mesin 2

langkah

atau Exhaust Valve saja, karena fungsi valve lainnya digantikan oleh gerakan pistonnya sendiri.

Pembukaan dan penutupan masing masing valve tersebut adalah sesuai dengan masing masing

proses yang terjadi didalam silinder. Sebagai penggerak valve adalah camshaft ( gb 8.12 ), dimana

gerak putar camshaft menyebabkan push rod ( batang pendorong ) bergerak maju untuk mendorong

rocker arm dan membuka valve, Sebaliknya pegas katup mengembalikan katup keposisi menutup

ketika gerakan putar camshaft menjadikan posisi pushrod mundur. Putaran camshaft tergantung dari

putaran mesin, dimana untuk mesin 4 langkah besarnya adalah setengah dari putaran mesin, sedang

untuk mesin 2 langkah adalah satu kali putaran mesin.

121

8.5 KELENGKAPAN MESIN DIESEL.

Disamping bagian utama yang sudah disebutkan diatas, mesin Diesel dilengkapi dengan

bagian bagian lain untuk memungkinkan mesin Diesel dapat beroperasi dengan lancar, aman dan

otomatis. Bagian bagian tersebut dapat dikelompokkan kedalam sistim sistim yaitu:

Sistim pemutar poros.

Sistim pelumasan.

Sistim air pendingin

Sistim bahan bakar.

Sistim saluran udara masuk dan gas buang.

Sistim kontrol.

Sistim pengaman

Sistim pemutar poros mesin Diesel digunakan untuk memutar poros diwaktu mesin Diesel

distart dan belum dapat memutar dirinya sendiri. Ada dua jenis pemutar poros mesin Diesel yaitu

jenis motor listrik dan jenis motor udara. Jenis motor listrik banyak dijumpai pada mesin mesin

Diesel untuk kendaraan dan mesin mesin dengan kapasitas rendah, sedang untuk mesin mesin

pembangkit listrik atau yang stasioner dengan kapasitas besar, digunakan motor udara. Motor listrik

digerakkan oleh sumber listrik DC dari battery, dimana battery tersebut setelah digunakan diisi

kembali. Pengisian battery menggunakan pengisi battery ( battery charger ) yang listriknya disupply

dari generator listrik yang digerakkan oleh mesin Diesel terkait. Motor udara digerakkan dengan

udara bertekanan yang diperoleh dari tangki udara, dimana tangki udara ini selalu dijaga tekanannya

dengan kompressor.

Sistim pelumasan mesin Diesel berfungsi untuk melumasi dan mendinginkan bagian

bagian yang bergesekan seperti piston dengan linernya, bantalan crankshaft, bantalan camshaft,

valve dll. Disamping itu pelumas juga digunakan untuk mendinginkan dinding piston yang terkena

langsung oleh panasnya pembakaran bahan bakar seperti sudah dikemukakan dimuka. Gb 8.13

menunjukkan sebuah sistim pelumasan mesin Diesel, dimana mula mula pelumas dihisap dari

crankcase oleh pompa pelumas melalui pipa hisap.

122

Gb

8.13 Sistim pelumasan mesin Diesel

Dari pompa pelumas dialirkan menuju filter ( saringan halus ) untuk menyaring kotoran kotoran

padat yang terbawa, dan selanjutnya dialirkan menuju bantalan dan masuk kedalam lubang saluran

crankshaft, masuk kedalam saluran didalam connecting rod, dan keluar didinding piston dan

connecting pin. Pelumas juga dialirkan menuju rocker arm support, rocker arm, inlet dan exhaust

valve, pushrod dan camshaft. Dari masing masing bagian yang dilumasi pelumas akan jatuh

kebawah kembali kedalam crankcase. Untuk mempertahankan suhu pelumas pada level yang

ditentukan, khususnya pada mesin mesin besar diberikan pendingin pelumas tersendiri.

minyak pelumas mesin Diesel akan terkontaminasi oleh unsur bahan bakar dan proses pembakaran

yang terjadi didalam silinder. Karena itu pelumas mesin Diesel memerlukan penggantian yang lebih

123

sering dibanding pelumas turbin uap maupun turbin gas. Untuk mengurangi besarnya kontaminasi

tersebuat dapasang alat tambahan yang diletakkan diluar mesin. Alat ini yang disebut sebagai “Oil

Purifier” akan menghisap pelumas dari dalam crankcase, membuang kotorannya dan

mengembalikannya lagi kedalam crankcase.

Sistim air pendingin mesin Diesel berfungsi untuk mendinginkan mesin agar tidak terjadi

panas lebih yang bisa menyebabkan keretakan pada cylinder head, cylinder block atau cylinder liner.

Juga untuk mendinginkan udara masuk silinder setelah turbocharger agar daya mesin dapat

dipertahankan pada level yang ditentukan. Air pendingin mengalir dengan sirkulasi tertutup dari

radiator kemesin dan balik lagi keradiator untuk didingin-kan dengan udara atmosfir. Air yang

digunakan haruslah air distillate ditambah bahan penambah ( additive ) untuk menghindari

terjadinya pengerakan dan korosi. Penggunaan air PDAM, atau air kali tidak dianjurkan karena akan

menimbulkan kerak.

Sistim bahan bakar mesin Diesel terbagi menjadi dua bagian yaitu sistim bahan bakar

didalam mesin dan sistim bahan bakar diluar mesin. Sistim bahan bakar didalam mesin meliputi

pompa bahan bakar tekanan tinggi, pengatur aliran bahan bakar dan injektor. Injektor berfungsi

untuk membuat bahan bakar masuk kedalam silinder dalam bentuk terpecah pecah menjadi butir

butir kecil ( kabut ) sehingga mudah dapat bereaksi dengan udara. Untuk mencapai tujuan tersebut

injektor terdiri dari dua jenis yaitu jenis injektor mekanis dan jenis injektor udara. Dengan injektor

mekanis dimaksudkan bahwa pengabutan bahan bakar terjadi atas dasar proses makanis yaitu

dengan tekanan tinggi yang menghasilkan kecepatan tinggi sehingga bahan bakar terpecah menjadi

butir butir kecil ketika bersinggungan dengan udara didalam silinder. Dengan injektor udara

dimaksudkan bahwa pengabutan terjadi atas dasar kecepatan udara yang tinggi, dimana bahan bakar

terbawa dan terpecah masuk kedalam silinder. Jenis injektor semacam ini sekarang sudah

jarang digunakan karena memerlukan tambahan alat berupa kompressor dan tangki udara.

Gb 8.14 menunjukkan sebuah injektor mekanis. Bahan bakar masuk melalui saluran masuk

dengan tekanan yang tinggi. Dengan tekanan tersebut spindle akan terangkat keatas mendorong

pegas penekan, dan karenanya bahan bakar masuk kedalam ruang bakar melalui lubang pengabut (

nozzle ). Nozzle mempunyai banyak bentuk tergantung bentuk dan besar kecilnya ruang

pembakaran sebagaimana dapat dilihat pada gb 8.15.

124

Gb 8.14 Nozzle mekanis

Gb 8.15 Berbagai bentuk nozzle bahan bakar

Pompa bahan bakar tekanan tinggi adalah jenis pompa langkah positip yaitu jenis roda gigi,

jenis sekerup atau jenis plunyer. Pada jenis pompa plunyer, masing masing plunyer berhubungan

langsung dengan masing masing injector didalam silinder. Pompa plunyer ini juga sekaligus

berfungsi sebagai penakar jumlah bahan bakar yang dimasuk-kan kedalam silinder sesuai dengan

besarnya daya mesin yang dikehendaki. Gb 8.16 menunjukkan sebuah pompa plunyer dan injector

yang terkait. Pompa ini mempunyai langkah plunyer yang tetap, tetapi dengan posisi sudut yang bisa

digeser / diputar. Jumlah bahan bakar yang dimasukkan kedalam silinder tergantung kepada posisi

sudut plunyer, semakin besar sudut plunyer semakin besar jumlah bahan bakar yang dialirkan, dan

pompa tidak akan mengalirkan bahan bakar sama sekali jika posisi sudutnya adalah 0 ( nol ).

125

Sistim bahan bakar diluar mesin ( gb 8.17 ) untuk jenis minyak HSD ( solar ) meliputi

instalasi penerimaan, penimbunan dan penyaluran bahan bakar kepompa bahan bakar didalam

mesin. Pada sisi penerimaan terdapat saringan penerimaan, pengukur aliran penerimaan dan

pemompaan kedalam tangki persediaan. Persediaan bahan bakar ditempatkan didalam tangki

persediaan, terdidri minimal 2 buah tangki, dengan maksud satu buah untuk penerimaan dan

pengen-dapan, dan yang lainnya untuk dioperasikan melayani unit yang sedang beroperasi. Dari

tangki persediaan bahan bakar dipompakan masuk kedalam tangki harian yang diletakkan pada

posisi diatas mesin. Posisi tangki harian ini diperlukan untuk menjamin agar mesin masih bisa

berjalan jika terjadi aliran listrik terputus. Selanjutnya dari tangki harian bahan bakar dialirkan

masuk kedalam mesin melalui saringan dan pengukur aliran.

Gb 8.17 Sistim bahan bakar diluar mesin

a b c d e

awal akhir awal akhir awal

langkah langkah langkah langkah langkah

Aliran maximum Aliran normal Aliran 0

Gb 8.16 Pompa plunyer dengan berbagai posisi

126

Sistim bahan bakar diluar mesin untuk minyak jenis MFO ( residu ) memerlukan tambahan

peralatan berupa pemanas dan sentrifugal. Pemanas diperlukan untuk mendapatkan nilai viskositas (

kekentalan ) yang sesuai untuk tujuan pengabutan, sedang sentrifugal diperlukan untuk membuang

air dan kotoran lainnya yang bisa mengganggu proses injeksi dan pembakaran bahan bakar tersebut

didalam silinder.

Sistim saluran udara masuk terdiri dari saringan, saluran, kompressor, pendingin udara

dan inlet manifold. Saringan digunakan untuk menyaring kotoran padat yang terbawa oleh udara

yang bisa mengakibatkan pengotoran atau kerusakan pada bagian kompressor maupun bagian

silinder. Kompressor berfungsi untuk meningkatkan jumlah udara masuk kedalam silinder, guna

meningkatkan daya mesin. Kompressor ini digerakkan oleh turbin yang digerakkan oleh aliran gas

bekas keluar silinder. Pasangan kompressor dan turbin dikenal dengan sebutan turbocharger.

Kompressor juga bisa digerakkan oleh mesinnya sendiri dan untuk ini dikenal dengan sebutan

supercharger. Inlet manifold adalah bagian mesin Diesel yang mendistribusikan aliran udara masuk

silinder dengan jumlah aliran yang sama.

Sistim saluran gas bekas keluar silider terdiri dari exhaust manifold, turbin , exhaust pipe

dan exhaust silencer. Exhaust manifold berfungsi untuk menyalurkan gas bekas keluar masing

masing silinder untuk digabung menjadi satu menuju turbin turbocharger. Gas bekas yang masih

memiliki energi cukup tinggi dimanfaatkan untuk memutar turbin guna memutar kompressor

turbocharger sebagaimana sudah dijelaskan dimuka. Exhaust pipe digunakan untuk menyalurkan gas

bekas dari turbin turbocharger kesilenser guna menurunkan intensitas suara yang ditimbulkan oleh

aliran gas bekas.

Pada mesin yang beroperasi terdapat keseimbangan antara daya, putaran dan beban. Ketika

daya mesin lebih besar dari beban maka putaran mesin akan naik, demikian sebaliknya jika daya

lebih rendah dari beban maka putaran akan turun. Naik atau turunnya putaran akan terus berlanjut

jika tidak disertai dengan perubahan daya guna mendapatkan keseimbangn baru.. Peranan sistim

kontrol adalah untuk menambah daya mesin dengan menambah aliran bahan bakar ketika terjadi

putaran turun dan mengurangi daya mesin dengan mengurangi aliran bahan bakar ketika terjadi

putaran naik, dan sistimkontrol semacam ini disebut governor. Governor mempunyai mempunyai

karakteristik yang dikenal dengan sebutan speeddroop dengan satuan persen.

Speed droop = 100%kerjaputaran

100%beban perubahan padaputaran perubahan

127

Sistim pengaman digunakan untuk mengamankan mesin dari kerusakan berat oleh karena

kondisi operasi yang diluar batas. Sistim pengaman harus segera mematikan mesin secara otomatis

jika kondisi operasi telah melampaui batasan yang telah ditentukan. Sistim pengaman terdiri dari

pengaman putaran lebih, pengaman tekanan pelumas rendah, pengaman generator dan stop darurat.

8.6 UNJUK KERJA ( PERFORMANCE ).

Unjuk kerja atau performance mesin Diesel terdiri dari daya indikatif, daya efektif,

pemakaian bahan bakar spesifik dan effisiensi.

Daya indikatif adalah daya mesin yang diperoleh dari hasil pengukuran parameter

parameter operasi dari mesin yaitu tekanan rata rata didalam silinder ( Indicated Mean Effectif

Pressure ), langkah piston, diameter piston, jenis langkah mesin, dan putaran mesin.

Gb 8.18 Mesin Indikator

Tekanan rata rata didalam silinder diperoleh dari diagram indikator yang menunjukkan

langkah piston dan tekanan didalam silinder sebagaimana ditunjukkan didalam gb 8.18. Tekanan

didalam silinder diperoleh melalui saluran ( i ) dimana tekanan ini diteruskan ke piston ( h ) yang

akan bergerak naik turun didalam liner ( g ) sesuai dengan tinggi rendahnya tekanan didalam silinder.

Gerakan piston diteruskan kepengungkit ( f ) yang menyebabkan pinsil ( d ) bergerak keatas dan

kebawah dan menulis diatas kertas ( c ). Tali ( a ) yang terhubung dengan gerakan poros

menyebabkan drum ( b ) dimana padanya terletak kertas ( c ) bergerak kekiri dan kekanan sesuai

dengan putaran mesin. Gabungan gerakan pinsil dan gerakan kertas menyebabkan terbentuknya

gambar sebagaimana ditunjukkan didalam gb 8.19. Dengan gambar tersebut dapat diketahui

besarnya tekanan rata rata pi ( IMEP ) didalam silinder.

128

Gb 8.19 Diagram Indikator

1. Titik Mati Bawah

1’. Awal langkah kompressi.

2. Titik Mati Atas / Awal masa pembakaran

3. Puncak tekanan pada volume konstan

4. Akhir masa pembakaran.

5. Katup buang membuka

Daya indikatif ( yang juga biasa disebut dengan Indicatif Horse Power / IHP ) mesin Diesel

dirumuskan sebagai berikut:

7560

aznsd4

πp

N

2

i

i

Ni = daya indikatif dlm pk.

pi = Tekanan rata rata indikatif dlm kg /cm2.

d = diameter silinder dlm cm.

s = langkah piston dlm m.

n = putaran mesin permenit.

a = jenis langkah mesin

= 1 untuk mesin 2 langkah

= 0,5 untuk mesin 4 langkah.

129

Daya effektif, adalah daya mesin yang diperoleh dari pengukuran momen puntir Mt pada

poros. Daya efektif yang juga biasa disebut sebagai Brake Horse Power besarnya lebih kecil

daripada Daya Indikatif karena adanya kerugian gesekan didalam mesin. Daya effektif diukur

dengan menggunakan alat ukur rem sebagaimana terlihat pada gb 8.20. Pengukuran dilakukan

dengan mengencangan mur f sampai putaran mesin mengalami sedikit penurunan ( proses

pengereman bekerja ). Proses pengereman ini akan menyebabkan gaya puntir yang ada pada pada

poros diteruskan oleh lengan momen g sebagai gaya puntir W. Dan gaya puntir ini besarnya dapat

ditunjukkan oleh timbangan i atau alat ukur lain yang disediakan.

Selanjutnya besarnya Daya Effektif dihitung sebgaimana rumus berikut

6075

n2πlW

6075

n2πM

75

ωMN tt

e

dimana:

Ne = daya effectif dlm pk.

Mt = momen puntir kgm

n = putaran mesin per menit.

W = Gaya puntir yang ditunjukkan oleh timbangan kg.

l = panjang lengan rem dalam meter.

Effisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya effektif dengan daya indikatif dalam %.

% 100

N

Nη

i

em

130

Gb 8.20 Pengukur Brake Horse Power.

a. Poros mesin

b. Sepatu rem bawah.

c. Baut pengikat rem kanan.

d. Sepatu rem atas.

e. Baut pengikat rem kiri.

f. Mur pengatur pengereman

Effisiensi thermal indikatif, adalah perbandingan antara energi indikatif ( daya indikatif

dalam satu jam ) yang ditunjukkan oleh mesin dengan energi yang diberikan oleh bahan bakar

dengan satuan yang sama

427HG

606075Nη

bbbb

it

Gbb = Berat bahan bakar per jam

Hbb = Nilai kalor bahan bakar kkal /kg.

427 = Nilai konversi kkal → kgm

Pemakaian bahan bakar spesifik, adalah jumlah pemakaian bahan bakar dalam kurun waktu

tertentu dibagi dengan energi yang dibangkitkan dengan waktu yang sama.

g. Lengan momen.

h. Batang penerus gaya puntir..

i. Timbangan / pengukur gaya puntir.

j. Panjang lengan momen.

n. Putaran poros

131

kg/pkh pkhjumlah

GSFC bb

atau untuk mesin PLTD berlaku:

liter/kwh kwhjumlah

VSFC bb

Gbb = berat bahan bakar yang digunakan dalam waktu tertentu ( kg ).

pkh = jumlah energi yang dibangkitkan dalm kurun waktu yang sama ( pkh ).

Vbb = Volume bahan bakar yang digunakan dalam waktu tertentu ( liter ).

kwh = jumlah energi listrik yang dibangkitkan dalam kurun waktu yang sama ( kwh )

132

IX

GENERATOR

9.1 UMUM.

Semua transformasi energi dari energi termal menjadi energi mekanik yang terjadi didalam

mesin mesin kalor yang dibahas dimuka pada akhirnya digunakan untuk memutar medan magnet

didalam generator listrik. Listrik yang keluar dari generator mempunyai tegangan yang relatif rendah,

kemudian dengan menggunakan sebuah transformator, tegangan tersebut dinaikkan menjadi

teganagan tinggi atau extra tinggi. Semua pambangkit pembangkit listrik beriterkoneksi didalam

suatu sistim jaringan listrik tegangan tinggi atau extra tinggi.

Dari jaringan listrik teganagan extra tinggi, tegangan diturunkan dan masuk kedalam jaringan

tegangan tinggi, dan dari jaringan tegangan tinggi kemudian tegangan diturunkan dan masuk

kedalam jaringan listrik distribusi. Selanjutnya tegangan listrik kemudian diturunkan menjadi

tegangan pemakaian dan disalurkan kepada konsumen.

9.2 PRINSIP KERJA GENEATOR

Prinsip kerja dari sebuah generator adalah sesuai dengan proses induksi yaitu apabila

sebuah penghantar bergerak memotong suatu medan magnit maka didalam penghantar tersebut akan

timbul tegangan yang disebut tegangan induksi. Apabila kepada kedua ujung penghantar tersebut

dihubungkan dengan sebuah tahanan maka akan timbul arus listrik ( gb 9.1).

Besarnya tegangan yang dihasilkan tergantung dari kekuatan medan magnit, kecepatan

penghantar, panjang penghantar yang memotong medan magnit, atau dengan rumus dapat ditulis :

Φ = B l V

133

Gb 9.1 Prinsip sebuah generator listrik

α = sudut arah gerakan terhadap arah medan magnet

ω = kecepatan sudut gerakan penghantar

r = jari jari gerakan penghantar terhadap sumbu putar

dimana :

Φ = tegangan induksi : Volt

B = kekuatan medan magnik : Gauss

l = panjang penghantar : meter

V = kecepatan penghantar : meter/det

Oleh karena gerakan penghantar didalam generator melingkari sumbu, maka besarnya

tegangan induksi dapat ditulis:

Φ = B l r ω cos α → dt

dαω

Besarnya tegangan setiap saat.

E = B l r ω dt

d cos

= B l r sin ω t

= B l r sin ω t , akan menjadi max, jika sin ω t = l

atau Φ = E max sin ω t

134

Gb. 9-2 Bentuk sinus soida

Jadi tegangan generator merupakan bentuk sinus soida yang besarnya tergantung dari sudut

penghantar terhadap arah medan magnit. Apabila kedua ujung penghantar dihubungkan dengan

tahanan, maka akan mengalir arus yang berbentuk sinus soida pula.

I = I0 sin ω t

Arus dan tegangan yang keluar dari generator disebut arus / tegangan bolak balik yang

berbentuk sinus soida. Didalam sebutan sehari-hari tegangan dan arus yang dipakai adalah nilai

tegangan atau arus effektif, yaitu tegangan / arus yang menghasilkan daya yang sama dengan arus

searah.

W = I2 . R ( arus searah )

Weff = 0,5 W

= 0,5 I2 R ( arus bolak balik )

jadi :

I2eff = 0,5 I

2

I eff = ½ I 2

Dengan jalan yang sama :

E eff = ½ E 2

135

9.3 BEBAN GENERATOR

Beban Generator terdiri dari tiga macam yang masing-masing mempunyai pengaruh yang

berbeda terhadap generator, yaitu beban resistif, induktif dan kapasitif.

1. Beban Resistif.

Beban ini berupa tahanan murni seperti bola lampu pijar dan seterika listrik. Tahanan murni

akan menimbulkan arus yang sejajar dengan arah tegangan ( gb 9-3 ).

Gb. 9-3 Beban Resistif.

2. Beban Induktif.

Beban ini ditimbulkan oleh belitan, seperti terdapat pada motor listrik, transformator dan

sebagainya. Belitan akan menimbulkan arus yang membentuk sudut + 90 0 terhadap

tegangan ( gb 9-4 ).

Gb. 9-4 Beban Induktif.

136

3. Beban Kapasitif.

Beban ini ditimbulkan oleh kapasitor, yaitu dua penghantar yang sejajar dan saling

berdekatan. Keduanya dimuati listrik yang berbeda, seperti yang terjadi pada kawat

transmisi, kabel listrik dan peralatan yang disebut kapasitor atau kondensator. Kapasitor

akan menimbulkan arus yang terbelakang 900 dari tegangan ( gb 9-5 ).

Gb. 9-5 Beban Kapasitif

4. Beban Campuran.

Didalam praktek generator akan dibebani secara bersama-sama dari ketiga jenis beban

tersebut. Disini arus akan membentuk sudut terhadap tegangan antara – 90o

dan + 90o,

tergantung jenis beban mana yang dominan.

Gb. 9-6 Beban campuran

Besarnya beban:

W = E I Cos Φ

137

9.4 GENERATOR TIGA FASA.

Generator 1 fasa menghasilkan putaran rotor yang tidak stabil, dan hal tersebut didalam

putaran yang tinggi merupakan vibrasi. Generator 3 fasa akan menghasilkan putaran yang lebih

stabil, dan getaran yang terjadi dengan sendirinya akan lebih baik. Gambar 9-7a menunjukkan

sebuah generator dengan medan magnit yang berputar dan dengan 3 belitan yang terpasang pada

stator masing-masing terpisah dengan sudut 120 0.

ddd

Gb. 9-7 a. Pembangkitan dari 3 buah generator arus bolak balik yang

masing-masing terpisah 120°

b. Penggambaran listrik dari gambar -a.

c. Bentuk tegangan induksi dari gambar - a

d. Sambungan ∆ ( delta / segitiga )

e. Sambungan Y ( star / bintang )

Perputaran medan magnit akan menimbulkan tegangan bolak balik pada masing-masing

belitan yang masing-masing juga terpisah 1200 sebagaimana ditunjukkan dalam gambar 9-7c. Ketiga

belitan tersebut membentuk apa yang dinamakan Fasa, dan tegangan yang timbul padanya disebut

tegangan fasa.

Titik awal dari ketiga belitan fasa tersebut masing-masing diberi simbol U1, V1, dan W1,

dan titik akhirnya diberi simbol U2, V2, dan W2. Dengan Generator seperti ini maka diperlukan enam

penghantar untuk mencapai beban yang harus dipikul ( gb. 9.7 b ). Apabila beban pada masing-

masing belitan dapat disamakan, maka titik U2, V2 dan W2 dapat dihubungkan menjadi satu,

sehingga jumlah penghantar cukup empat buah saja. Generator semacam ini akhirnya disebut

sebagai generator 3 fasa.

d e

a b c

138

Penyambungan antara U2, V2 dan W2 seperti yang dilakukan diatas disebut sambungan

bintang, dimana titik sambung tersebut disebut sebagai titik Netral ( N ) . Jika penyambungan

dilakukan antara U1 – W2 , U2 – V1, V2 – W1, maka belitan tersebut disebut belitan segitiga dan

penghantar yang diperlukan hanya 3 buah. Tegangan diantara U1 – V1, U1 – W1 dan V1 – W1 disebut

tegangan antar fasa dan besarnya :

2EE U1NW1U1

Generator dengan sambungan bintang maupun sambungan segi tiga biasa disebut

generator synchron.

9.5 GENERATOR SYNCHRON.

Generator yang dipergunakan didalam pembangkit tenaga listrik bersekala besar adalah

jenis generator synchron. Terdiri dari dua bagian utama yaitu rotor dan stator. Rotor terbuat dari besi

tempa berbentuk silinder. Pada dua pertiga bagian rotor terdapat alur-alur (gb. 9-8a) dimana

penghantar tembaga diletakkan dan membentuk belitan. Pada bagian yang tidak beralur terletak

kutub-kutub magnit yang ditimbulkan oleh arus searah yang mengalir pada belitan selama generator

bekerja. Tegangan dan arus searah ini dikenal sebagai tegangan atau arus penguatan.

Stator terdiri dari pelat-pelat yang sangat tipis yang disusun saling berhimpitan membentuk

sebuah silinder berongga. Pada bagian dalam silinder ini terdapat alur-alur dimana belitan tembaga

diletakkan. Belitan ini terbagi menjadi tiga kelompok yang masing-masing membentuk 120 o.

Didalam alur belitan terbagi menjadi 2, yaitu belitan luar dan belitan dalam. Ketiga kelompok

belitan tadi dihubungkan dengan jaringan transmisi melalui 3 buah penghantar. Pada generator ini

putaran rotor akan lebih stabil dari pada bentuk tersebut dalam gb. 9-7.

139

Gb. 9.8 Bentuk dasar sebuah generator synchron dan bentuk belitannya.

9.6 PENGUATAN GENERATOR.

Pada generator-generator kecil, medan magnit yang diperlukan untuk membangkitkan

tegangan cukup diperoleh dari magnit permanent. Pada generator semacam ini besarnya tegangan

tergantung dari besarnya putaran dan beban yang dipikul. Jika putaran bertambah maka tegangan

akan naik, dan demikian sebaliknya jika putaran turun. Demikian pula halnya, jika beban bertambah

maka tegangan juga turun, dan jika beban berkurang maka tegangan akan naik.

Pada generator besar, dimana diperlukan tegangan yang tinggi dan stabil serta arus yang

besar, dipergunakan magnit buatan yang terpasang pada rotor. Besarnya medan magnit yang

diperoleh tergantung dari besarnya tegangan arus searah yang mengalir masuk kedalam belitan

rotor. Tegangan dan arus searah ini disebut tegangan dan arus penguatan ( exitasi ). Sehubungan

dengan arus penguatan ini ada 2 karakteristik yang perlu diketahui yaitu :

140

1. Karakteristik Beban Nol.

Apabila generator telah mencapai putaran kerja maka pemberian arus penguatan diberikan

untuk mendapatkan tegangan pada titik keluar ( U, V, W ) generator. Mula-mula naiknya

tegangan generator sebanding dengan naiknya arus penguatan. Tetapi kemudian tegangan

generator tidak bisa naik lagi walaupun arus penguatan diperbesar. Dalam hal ini inti besi

dimana belitan generator bertaut, telah mencapai titik jenuh. Kondisi jenuh ini diperlukan

untuk menghindari naiknya tegangan yang sangat tinggi jika generator kehilangan beban

akibat gangguan. Pada waktu beban penuh besarnya arus penguatan sebesar 2 – 3 kali arus

penguatan pada beban nol. Karena itu naiknya tegangan akibat hilangnya beban secara

matematis adalah 2 – 3 kalinya. Namun karena sifat jenuh tadi maka naiknya tegangan

hanya akan mencapai ± 40 % saja.

2. Karakteristik Hubung Singkat.

Jika titik keluar generator ( U, V, W ) dihubung singkat kemudian diberikan penguatan,

maka arus penguatan yang diberikan akan menimbulkan arus yang mengalir didalam belitan

stator. Besarnya arus ini sebanding dengan besarnya arus penguatan yang diberikan.

Tegangan didalam belitan stator dapat dikatakan = 0 ( demikian kecilnya sekedar cukup

untuk menimbulkan arus saja ). Didalam belitan stator timbul induksi yang sangat besar

dibanding dengan tahanan R ( L >> R ). Karena itu arus yang mengalir berada ± 90o

didepan tegangan. Pemberian arus penguatan terlihat tidak akan memberikan titik jenuh

pada stator. Hal ini sama halnya dengan apabila generator dibebani dengan beban induktif.

Arus penguatan menimbulkan medan magnit penguatan, sedang arus yang timbul

pada belitan stator juga akan menimbulkan medan magnit yang bersifat melawan medan

magnit penguatan. Didalam hal karakteristik hubung singkat ini dapat ditulis.

141

Gb. 9.9 Karakteristik penguatan generator

Besaran : if → Φf → Ei = dt

dφ → Is → Φlawan

Phasa : 00 → 0

0 → 90

0 → 180

o → 180

o

Dimana : if = Arus penguatan

Φf = Kekuatan medan magnit penguatan

ES = Tegangan stator

IS = Arus stator

Φ lawan = Kekuatan medan magnit lawan

9.7 GENERATOR BEROPERASI DIDALAM JARINGAN.

Gambar 9.10 menunjukkan perputaran kutub-kutub magnit pada rotor generator dalam

berbagai posisi. Didalam rotor tersebut terdapat belitan-belitan penguatan ( digambarkan satu

belitan saja ). Arus searah yang diberikan If menyebabkan timbulnya medan magnit Φf.

142

Gb. 9.10 Perputaran rotor

Tegangan dan arus yang timbul didalam belitan stator juga akan menimbulkan medan

magnit yang bersifat melawan medan magnit rotor. Arah medan magnit rotor mempunyai sudut

yang tetap terhadap belitan rotor, namun arah medan magnit stator sangat tergantung dari jenis

beban yang dipikul dimana ia berpengaruh terhadap kedudukan arus Is terhadap tegangan Es. Pada

gb 9-10d ditunjukkan kedudukan arah medan magnit rotor Φf dan medan magnit stator ΦS, sehingga

resultante dari keduanya Φres membentuk sudut δ dengan arah medan magnit rotor Φf.

Kini jelas bahwa dalam keadaan normal ( tidak ada perubahan beban / gangguan ) maka

antara medan magnit rotor dan medan magnit stator ( kedua-duanya berputar ) terdapat suatu ikatan

tetap. Putaran rotor dan medan magnitnya berjalan bersama-sama ( synchron ) dengan medan magnit

stator dan karena itu disebut generator synchron.

Arah medan magnit rotor dan stator menghasilkan medan magnit resultante Φ0, dan ini

merupakan tegangan induksi yang terdapat dalam klem ( titik keluar ) generator. Karena itu

besarnya Φ0 dengan sendirinya setara dengan tegangan generator yang ditunjukkan oleh Volt meter.

Perubahan beban akan menyebabkan perubahan arus didalam belitan stator IS, demikian

pula dengan besarnya medan magnit lawan ΦS. Perubahan beban juga akan menyebabkan perubahan

terhadap arus penguatan If serta besar medan magnit penguatan Φf. Sementara itu besarnya medan

magnit resultante adalah konstan. Jadi perubahan beban menyebabkan berubahnya apa yang

dinamakan “ sudut angker δ “.

143

Peristiwa diatas dapat dijumpai pula didalam gb. 9.11 yang disebut “ diagram pembebanan

“. Oleh karena besarnya medan magnet resultante Φ0 sebanding dengan tegangan generator EK

didalam gb. 9.10 adalah juga sebanding dengan θ0 di gb. 9.11 maka arus stator IS yang membentuk

medan magnit lawan ( θlawan ) adalah penyebab dari besar dan arah apa yang disebut “ daya generator

“ ( sudut φ dan MVA ). Dengan menghubungkan kedua ujung θ0 dan θlawan maka diperoleh medan

magnit penguatan yang di gambar 9.11 diberi simbol θres , dimana ia sebanding dengan arus

penguatan If.

Untuk beban yang dipikul sebesar P pada putaran n = konstan, momen generator adalah :

M ~ P = 3 ES IS Cos φ → ES = EN 3 = tegangan fasa

Dari gb. 9-13 : θlawan . Cos φ = θ res . Sin δ

dan θlawan ~

IS → θres ~

If

maka berlaku : M ~ P ~

IS. If . Sin δ

9.8 BATAS BATAS PENGOPERASIAN GENERATOR.

Operasi generator dengan beban kosong , atau beban hubung singkat merupakan hal khusus

dan jarang terjadi ; pengoperaisan yang normal adalah seperti yang tergambar didalam diagram

beban generator ( gb. 9.11 ). Terdapat 3 batas operasi generator yaitu :

Gb. 9.11 Diagram pembebanan Generator

144

1. Batas maksimal pemanasan rotor.

Φ res ~ If = Constan Φ res = Φ resistif

If = arus penguatan

2. Batas maksimal pemanasan stator.

Φ lawan ~ IS = Constan Φ lawan = medan magnit lawan

IS = arus stator

~ = sebanding.

3. Batas maksimal stabilitas belitan rotor.

Untuk butir 1 dan 2 jelas dapat dimengerti bahwa arus yang mengalir pada belitan rotor

maupun stator akan menghasilkan panas, dan hal tersebut harus dibatasi sesuai dengan sistim

pendinginan yang digunakan.

Untuk butir 3 berlaku bahwa ( pembebanan kapasitip ) moment terbesar terjadi apabila

sudut menjadi 90o ( Sin δ = 1 ). Jika sudut ini menjadi lebih besar dari 90

o, maka moment turbin dan

moment listrik tidak lagi sama, kemudian turbin akan mengalami percepatan dan putarannya

bertambah cepat. Generator tidak lagi synchron dengan jaringan, dan terjadilah gangguan. Kejadian

ini disebut “ Generator Lepas Synchron “.

Dalam hal ini turbin kehilangan beban, sehingga katup masuk uap akan tertutup. Generator

akan berubah fungsi menjadi motor dan memutar turbin. Peristiwa semacam ini akan menyebabkan

kerusakan didalam turbin karena itu tidak boleh terjadi. Untuk menghindari hal itu, generator

dilengkapi dengan rele daya kembali, yang berguna untuk melepas PMT generator, sehingga

generator tidak lagi terhubung dengan jaringan.

Pada umumnya generator tidak boleh dioperasikan sampai mencapai batas stabilitas theoritis

seperti tersebut diatas (sudut δ = 90 o), tetapi hanya dibatasi sampai dengan batas stabilitas praktis (

aktual ) atas dasar naiknya suhu pada bagian stator yang bertepatan dengan adanya medan magnit

yang paling kuat ( gb. 9.11 ).

9.9 PENDINGINAN GENERATOR

Arus listrik yang mengalir melalui belitan rotor maupun stator pada akhirnya akan

menimbulkan panas. Untuk menghindari terjadinya suhu yang tinggi pada belitan, maka belitan

harus cukup terdinginkan dengan baik. Ada beberapa cara pendinginan belitan generator yaitu:

Pendinginan dengan udara terbuka.

Pendinginan dengan udara tertutup.

Pendinginan dengan gas hydrogen.

Pendinginan dengan air.

145

Pendinginan dengan udara terbuka dilakukan pada generator generator dengan kapasitas

kecil ( 25 MW kebawah ). Pada pendinginan semacam ini akan banyak kotoran yang terdapat

didalam udara ikut terbawa masuk kedalam generator dan menempel pada belitan. Untuk

mengurangi besarnya intesitas pengotoran maka dipasang saringan halus ( filter ) pada sisi masuk

laluan udara pendingin tersebut. Selanjutnya secara periodik filter tersebut harus dibersihkan atau

diganti baru jika telah menjadi kotor.

Pendinginan dengan udara tertutup akan lebih menjamin kebersihan belitan rotor

maupun stator. Disini udara pendingin didinginkan oleh air pendingin yang didinginkan oleh

radiator atau oleh air pendingin kondensor. Kelemahan dari pendinginan dengan udara tertutup ini

adalah bahwa udara pendingin akan mempunyai suhu yang lebih tinggi daripada pendinginan

dengan udara terbuka, kecuali jika udara pendingin dilakukan dengan air.

Pendinginan dengan gas Hydrogen digunakan untuk generator generator yang lebih besar.

Gas hydrogen mempunyai thermal conductivity hampir 7 ( tujuh ) kali, dan berat jenis 1/14 (

seperempat belas ) kali dari udara. Karena itu penggunaan gas hydrogen sebagai pendingin generator

menjadikan pendinginan lebih effektif dan pengaliran gas yang lebih ringan. Sebagaimana pada

pendinginan dengan udara tertutup, gas hydrogen selanjutnya juga didinginkan dengan air

pendingin.

Kemampuan gas hydrogen mendinginkan mendinginkan generator sangat tergantung dari

kerapatan gas hydrogen tersebut, dan kerapatan tergantung dari tekanannya. Pada gb 9.11

ditunjukkan juga tentang batasan batasan pembebanan generator terkait dengan tekanan gas

hydrogen didalam ruang pendinginan generator.

Oleh karena gas hydrogen merupakan gas yang mudah terbakar, maka diusahakan agar gas

hydrogen tidak berhubungan dengan udara baik pada waktu pengisian maupun pada waktu

beroperasi. Pada waktu pengisisan sebelum gas hydrogen dimasukkan, udara didorong keluar dari

ruang pendinginan dengan gas CO2, selanjutnya gas hydrogen baru dimasukkan. Pada waktu

generator beroperasi diusahakan agar gas hydrogen tidak bocor keluar dari ruang pendinginan.

Untuk ini diperlukan perapatan khusus terutama pada celah antara poros dan rumah generator ( gb 9.

12 ).

Pendinginan dengan air secara langsung terhadap belitan stator dilakukan terhadap

generator generator dengan kapasitas sangat besar ( 1200 MW ) keatas, ketika pendinginan dengan

hydrogen dirasa sudah tidak effektif lagi. Disini air pendingin dialirkan diantara penghantar

panghantar listrik yang berfungsi sebagai belitan stator, sehingga dengan demikian panas yang

timbul akibat mengalirnya arus listrik pada belitan dapat langsung dibuang melalui air pendingin ini

146

X

PENGOPERASIAN PEMBANGKIT TENAGA

LISTRIK.

10.1 UMUM

Pengoperasian pembangkit terbagi menjadi dua kategori yaitu operasi tunggal ( single

operation ) dan operasi parallel ( parallel operation.). Pada operasi tunggal pembangkit beroperasi

dengan memikul beban sendirian. Jika pembangkit mengalami kerusakan maka terjadilah

pemadaman. Diluar itu jika terjadi perubahan beban, akan diikuti dengan perubahan frequensi yang

tajam, sehingga mutu listrik yang dihasilkan menjadi kurang baik. Operasi tunggal semacam ini

hanya dapat ditemui di daerah daerah terpencil, dimana jaringan listrik interkoneksi belum ada.

Pada operasi parallel, output generator dari dua pembangkit atau lebih digabung menjadi

satu untuk bersama sama memikul beban. Dengan operasi semacam ini frequensi menjadi lebih

stabil karena setiap perubahan beban akan dipikul bersama sama oleh seluruh pembangkit

Disamping itu rusaknya satu pembangkit tidak perlu terjadi pemadaman karena rusaknya satu

pembangkit akan digantikan oleh pembangkit yang lainnya secara bersama sama.

Kualitas penyediaan tenaga listrik oleh suatu pembangkit ditunjukkan oleh faktor faktor

operasi dan faktor faktor keandalan dan kesediaan, sementara itu besarnya harga penjualan listrik

keluar pembangkit ditentukan oleh beberapa komponen yang akan diuraikan pada paragrap paragrap

berikut.

10.2 MEMPARALELKAN PEMBANGKIT.

Suatu pembangkit untuk bisa operasi paralel dengan pembangkit lain harus memenuhi

syarat syarat sbb:

Mempunyai tegangan yang sama.

Mempunyai frequensi yang sama.

Mempunyai fasa yang sama.

Mempunyai urutan fasa yang sama.

Untuk mengetahui bahwa empat syarat diatas sudah terpenuhi diperlukan sebuah alat yang disebut

dengan nama “ synchronizer” berupa jarum penunjuk yang akan menunjuk ketitik 0. Synchronizer

juga bisa ditunjukkan oleh sebuah lampu yang akan menunjuk terang sekali, atau sebaliknya

menunjuk gelap.

147

10.3 OPERASI PEMBANGKIT DALAM JARINGAN INTERKONEKSI.

Didalam jaringan interkoneksi terdapat 3 jenis pola pengoperasian pembangkit, masing

masing mempunyai dampak terhadap mutu listrik yang disalurkan sebagaimana akan

diuraikan berikut ini:

Pembebanan dengan load limit, maksudnya membatasi agar pembangkit yang

bersangkutan tidak berubah bebannya kecuali dilakukan oleh operator Didalam

pengoperasian semacam ini pembangkit tidak akan merespons perubahan perubahan

frequensi kecuali untuk frequensi naik setelah melam-paui nilai setelan tertentu.

Pembebanan dengan governor, maksudnya pembangkit yang bersangkutan secara

otomatis akan menambah dayanya ketika terjadi frequensi turun, dan sebaliknya akan

mengurangi dayanya ketika terjadi freqensi naik. Dengan demikian frequensi tidak

akan terus merosot atau terus naik ketika terjadi perubahan beban. Namun demikian

frequensi tidak akan kembali normal sebelum operator membantunya dengan

menambah atau menurunkan lagi daya pembangkitnya.

Pembebanan dengan LFC ( Load Frequensi Control ). Pembangkit akan merespons

perubahan frequensi sesuai speed droop governornya ditambah dengan pemulihan

frequensinya yang dikendalikan oleh Pusat Pengatur Beban.

10.4 FAKTOR FAKTOR OPERASI DAN KEANDALAN PEMBANGKIT.

Faktor faktor ini merupakan suatu ukuran keberhasilan pembangkit didalam menyediakan

dan menjual tenaga listriknya. Faktor faktor ini dilaporkan kepada manajemen perusahaan

pembangkit yang bersangkutan untuk diperbandingakan dengan standard dan keberhasilan

dimasa sebelumnya. Dengan demikian dapat diketahui seberapa jauh penurunan kualitas

pembangkit ybs, untuk kemudian diambil langkah guna merencanakan perbaikannya dan

penentuan biaya yang diperlukannya.

a ) Faktor faktor operasi pembangkit..

1. CF ( Capacity Factor / Faktor Kapasitas )

= %100periode jam terpasangDaya

periode jam dalam brutokwh Produksi

2. LF ( Load Factor / Faktor beban )

148

= %100periode jamtinggipuncak terBeban

periode jam dalam brutokwh Produksi

3. OF (Output Factor / Faktor produksi )

= %100operasi jam terpasangDaya

periode jam dalam brutokwh Produksi

4. SFC ( Spesific Fuel Consumption / Pemakaian bahan bakar spesifik ):

= kwh. / ) kg (liter periode jam dalamkwh Produksi

periode jam dalambakar bahan Pemakaian

5. SLC ( Spesific Lube Consumption / Pemakaian pelumas spesifik ):

kwh / cc periode jam dalamkwh Produksi

periode jam dalam pelumasminyak Pemakaian

6. Heat Rate ( Pemakaian bahan bakar dalam nilai kilo kalori / kwh:

kwh / kkal periode jam dalamkwh Produksi

periode jam dalam )kalor nilaibakarbahan Pemakaian (

b ) Faktor faktor keandalan dan kesediaan pembangkit:

1. DF ( Dependable Factor / Faktor Daya Mampu ):

%100 terpasangDaya

mampu Daya

2. AF ( Availability Factor / Faktor kesediaan ):

%100periode jam

mesinstandby jamopersi Jam

3. EAF ( Equivalent Availability Factor / Faktor Kesediaan Equivalent ):

%100periode jam terpasangdaya

derated jamderated kw terpasangdayastandby) jamoperasi (Jam

4. FF ( Failure Factor / Faktor Gangguan ).

149

100%periode jam

periode jam didalamgangguan jamJumlah

5. MF ( Maintenace Factor / Faktor Pemeliharaan

%100periode jam

periode jam didalamn pemelihraa jamJumlah

6. SRF ( Starting Reliability Factor / Faktor Keandalan Start ) ( khusus untuk unit

emergency )

%100startjumlah

berhasilstart Jumlah

10.5 PENENTUAN HARGA LISTRIK KELUAR PEMBANGKIT.

Harga listrik keluar pembangkit terdiri dari 4 komponen yaitu komponen A, komponen B,

komponen C dan komponen D yang akan dijelaskan seperti uraian berikut.

Komponen A adalah komponen biaya yang menyangkut biaya pengembalian modal yang

sudah ditanam.Dihitung berdasarkan jumlah kwh yang dibangkitkan dalam jangka waktu

operasi tertentu. Komponen A ini dibayarkan berdasarkan jumlah kwh listrik yang dikeluarkan

dari pembangkit. Harga listrik dari unsur ini bersifat tetap, tidak berobah dan ditetapkan sesuai

persetujuan antara pembeli dan penjual sebelum pembangkit ybs dibangun.

Komponen B adalah komponen biaya yang menyangkut biaya operasi dan pemeliharaan

yang juga bersifat tetap dan tidak berobah, seperti biaya overhaul, biaya pegawai, biaya

pemeliharaan dan sparepart.

Komponen C adalah komponen biaya bahan bakar. Komponen biaya ini bersifat variable (

berubah ubah ) sesuai dengan harga bahan bakar yang berlaku dipasaran. Komponen biaya ini

juga berubah berdasarkan tingkat pembebanan yang diberikan. Semakin tinggi pembebanannya

maka semakin rendah harganya dan semakin rendah pembebanan maka semakin mahal

harganya.

Komponen D adalah komponen biaya operasi dan pemeliharaan yang bersifat variabel

diluar biaya bahan bakar, seperti untuk biaya pelumas, bahan kimia, biaya untuk start dan stop.

Seluruh komponen biaya tersebut dijumlahkan menjadi satu dan dibayarkan setiap bulan

dari pembeli kepada penjual masing masing yang bersangkutan.

150

XI

LIMBAH PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA

THERMAL

11.1 UMUM

Semua jenis pembangkit thermal disamping menghasilkan listrik juga menghasilkan limbah.

Setiap limbah akan menimbulkan pencemaran bagi lingkungan, kecuali jika limbah tersebut diolah

terlebih dahulu sebelum dibuang. Limbah Pembangit Listrik Tenaga Thermal bisa berbentuk padat,

cair, gas atau panas.

Limbah padat berasal dari kadar abu yang terdapat didalam bahan bakar, dimana abu

merupakan bagian yang tidak terbakar dan ikut mengalir didalam aliran gas hasil pembakaran,

karena itu abu ini harus ditangkap sebelum gas hasil pembakaran keluar kecerobong.

Limbah cair berasal dari tumpahan minyak, deterjen pembersih, bahan kimia untuk

pemurnian air dan bahan cair lainnya yang digunakan didalam Pembangkit Listrik yang

bersangkutan. Limbah cair ini harus dialirkan ketempat pengolahan limbah untuk diolah dan

dinetralkan agar tidak mencemari lingkungan.

Limbah gas berupa gas gas hasil pembakaran keluar dari cerobong. Gas gas keluar cerobong

yang dianggap sebagai pencemar lingkungan adalah gas Oxida Nitrogen dengan rumus kimia NOx

dan Oxida Belerang dengan rumus kimia SOx. Sementara Carbon Dioxida atau CO2 bukan dianggap

sebagai pencemar lingkungan karena pada dasarnya gas ini akan diserap oleh hijau daun yang

dimiliki oleh pepohonan. Pepohonan ini sebagian besar membentuk hutan, dan dari sanalah Oxigen

baru yang diperlukan untuk kehidupan didunia ini diperoleh. Jika CO2 tidak cukup terserap oleh

jumlah hutan yang ada maka akan membentuk lapisan diatmosfir dan menimbulkan effek rumah

kaca yang menjadi penyebab terjadinya pemanasan global.

Limbah panas berupa panas sisa hasil pembakaran bahan bakar yang tidak bisa dikonversi

menjadi energi mekanik. Limbah ini dibuang keatmosfir melalui air pendingin atau langsung

keatmosfir melalui cerobong.

11.2 BATASAN PENCEMARAN

Keluarnya limbah dari Pembangkit Tenaga Listrik dan industri lainnya baik berupa limbah

padat, limbah cair maupun limbah gas tidak mungkin dihilangkan sepenuhnya, namun harus dibatasi

agar tidak menimbulkan dampak yang buruk bagi lingkungan. Dalam hal ini pemerintah mengambil

151

peranan yang sangat menentukan, dari mulai menentukan ambang batas limbah terkait sampai

dengan pelaksanaan pengawasannya.

Ambang batas limbah gas buang keluar cerobong PLTU batubara mula mula ditentukan

dengan Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup no 13 tahun 1995 tanggal 7 Maret 1995

tentang Baku Mutu Emisi sebagaimana dapat dilihat pada tabel 11-1 dan tabel 11-2 berikut ini.

Tabel 11-1. merupakan batasan yang diberlakukan mulai tahun 1995 sampai tahun 2000, sedang

tabel 11-2 berlaku mulai tahun 2000, dengan batasan batasan yang lebih diperketat.

Tabel 11-1: Baku Mutu Emisi PLTU BATUBARA berlaku efektif tahun 1995

Tabel 11-1: Baku Mutu Emisi PLTU BATUBARA berlaku effektif tahun 2000

152

Untuk memperkecil besarnya emisi gas buang yang keluar dari Pembangkit Listrik Tenaga

Uap Berbahan Bakar Batubara dilakukan dengan cara cara sebagai berikut.

Partikel

Ada tiga cara penangkapan partikel atau kandungan zat padat yang ikut mengalir didalam

gas buang yaitu:

1) Mechanical Collector,

2) Elektrostatic Precipitator dan

3) Bag Filter.

Mechanical Collector ( Pengumpul Mekanik ) menggunakan cara gabungan antara

centrifugal dan grafitasi.. Gas panas dari boiler yang mengandung partikel dialirkan didalam sebuah

silinder tegak dengan arah tangensial. Gerakan didalam silinder disamping melingkar juga mengarah

kebawah, sehingga dengan demikian partikel yang mempunyai berat jenis lebih besar akan

terlempar kesisi luar, dan dengan beratnya sendiri dan

dorongan aliran udara partikel tsb akan jatuh kebawah.. Selanjutnya gas panas bergerak membelok

keatas meninggalkan pertikel yang sudah terlempar kebawah ( gb 11.1 ).

Gb.11.1 Prinsip kerja pembersih gas bekas jenis mechanical collector.

153

Electrostatic Precipitator ( Penangkap Electrostatic ) digunakan didalam semua PLTU

modern, yang menggunakan pembakaran batubara serbuk. Gas panas keluar boiler dialirkan diantara

kutub kutub listrik arus searah dengan tegangan tinggi. Aliran partikel yang berupa abu batubara

akan termuati oleh listrik negatif yang berasal dari kutub listrik negatif yang juga disebut sebagai

discharge electrode. Partikel yang sudah termuati , akan tertarik menuju kutub listrik positif yang

disebut sebagai Collecting Electrode dan terkumpul padanya. Untuk melepas partikel dari Collecting

Electrode ( yang berupa jajaran pelat pelat ) digunakan cara mekanik yaitu secara pariodik

digetarkan sehingga partikel jatuh kebawah dan terkumpul pada pengumpul abu, untuk selanjutnya

disalurkan ketempat pembuangan abu. Electrostatic Pecipitator dapat menangkap abu dengan sangat

effisient yaitu mencapai 99,8%, karena itu untuk PLTU PLTU besar diwajibkan untuk menggunakan

penangkap abu jenis ini.

Gb.11.2 Prinsip kerja pembersih gas bekas jenis Electrostatic Precipitator.

Bag filter adalah saringan yang berupa kantong kantong kain atau fiber. Gas bekas hasil

pembakaran didalam boiler mengalir masuk dari sisi dalam kesisi luar kantong, atau sebaliknya dari

sisi luar kesisi dalam. Partikel abu akan tersaring dan menempel pada kain tersebut. Secara periodik

kantong ini dibersihkan dengan mengalirkan udara bertekanan yang arahnya berlawanan dengan

arah aliran gas bekas ( gb 11.4 a ) Pembersihan kantong juga bisa dilakukan dengan cara

menggoyang- goyangkan salah satu ujung kantong ( gb 11.4 b ) Dengan demikian kotoran akan

terlepas dan jatuh kedalam penampung abu.

154

Gb 11.3 Instalasi Electrostatic Precipitator

Diperlukan jumlah katong yang sangat banyak, untuk menghindari besarnya turun tekanan (

pressure drop ), yaitu kurang lebih sebanyak 20 kantong per MW, sehingga untuk unit dengan

kapasitas 100 MW diperlukan sejumlah 2000 kantong.

Gb.11.4 Prinsip kerja pembersih gas bekas jenis Bag Filter

155

Sulfur Dioxida ( SO2 ).

Ada tiga jenis cara pencegahan emisi gas belerang atau Sulfur Dioxida yang mengalir

bersama gas bekas yaitu:

1) Memilih bahan bakar yang mengandung kadar belerang rendah.

2) Menggunakan pembersih gas belerang pada saluran gas bekas yang disebut dengan

nama Flue Gas Desulfurization.

3) Menggunakan boiler jenis Fluidized Bed.

Bahan bakar yang memiliki kadar belerang rendah diantaranya adalah gas alam. Gas alam

dapat dieroleh dari sumur sumur gas secara langsung melalui pipa penyalur atau dari kapal

pengangkut yang mengangkut gas tersebut dalam bentuk yang sudah dicairkan. Gas yang sudah

dicairkan ini dikenal dengan sebutan Liquified Natural Gas yang disingkat dengan LNG.

Flue Gas Desulfurisation terdiri dari dua type yaitu type basah dan type kering. Dengan type

basah diartikan bahwa penangkapan kadar belerang didalam gas bekas menggunakan banyak air,

sedang dengan jenis kering boleh dikata tidak menggunakan air sama sekali.

Dengan type basah ( gb 11.5 ) gas bekas dilewatkan pada 3 bagian utama yaitu:

1) Bagian pembasahan. Disini gas bekas yag bergerak dari bawah keatas mendapat

pendinginan dan pembasahan dari kabut air yang disemprotkan kedalamnya. Dengan

demikian kadar belerang yang masih berupa gas berubah menjadi embun dan larut

kedalam butir butir air.

2) Bagian penangkapan. Kadar belerang yang telah larut kedalam butir butir air ditangkap

dengan menginjeksikan larutan batu kapur ( calsium ). Larutan batu kapur ( calsium ) akan

bereaksi dengan belerang ( SO2 atau SO3) menjadi Calsium Sulfat ( CaSO4) atau yang

dikenal dengan gibsum, dimana selanjutnya larutan gibsum ini dapat diproses lebih lanjut

menjadi bahan bangunan.

3) Bagian pembuangan kadar air ( mist eliminator ). Gas bekas setelah melalui kedua bagian

diatas akan mengalami kebasahan, karena itu kadar air yang ada harus ditangkap dan

dibuang keluar. Untuk tujuan ini diperlukan lapisan serat fiber glass atau serat nilon yang

berguna untuk menangkap uap air dan melewat-kan gas keringnya.

FGD type basah memiliki beberapa keuntungan antara lain:

Dapat untuk segala jenis bahan baker dengan kadar belerang rendah sampai tinggi.

Bahan penangkap relatip harganya murah.

Effisiensi penangkapan tinggi sampai 90%.

156

Adapun kerugiannya antara lain adalah:

Menghasilkan banyak kotoran berupa lumpur gibsum.

Lumpur merupakan suatu benda yang sulit ditangani

Jika lumpur gibsum tidak diolah lebih lanjut, diperlukan tempat pembuangan tersendiri.

Gb 11.5 Flue Gas Desulfurisation type basah.

FGD type kering tidak menggunakan proses pembasahan / pendinginan gas bekas. Larutan

batu kapur langsung dikabutkan kedalam laluan gas bekas yang masih panas, sehingga bagian air

didalam larutan tersebut menguap dan batu kapur membentuk butiran butiran padat dan menyerap

gas SO2 dan SO3 membentuk butiran Calsium sulfat. Selanjutnya butiran butiran Calsium sulfat ini

ditangkap pada Elektrostatic Presipitator atau bagfilter dan dikeluarkan dari aliran gas bekas

sebagaimana proses penangkapan partikel padat

FGD type kering adalah lebih sederhana dibanding type basah, tetapi tidak cocok untuk

jenis batubara yang berkadar belerang tinggi.

157

DAFTAR REFERENSI

1. Habib Rochani ; EFFISIENSI DAN KEANDALAN PLTU.

2. I, SHVETS, THERMAL ENGINEERING, Peace Publishers - Moscow, TECHNICAL.

3. Prof.VV.Sushkov, THERMODYNAMICS, Peace Publishers - Moscow.

4. MODERN POWER STATION PRACTICE, British Electricity International Ltd.

5. Fritz Dietzel, DAMPFTURBINEN, Carl Hauser Verlag, Monchen Wien 1980.

6. P.R.Khajuria, GAS TURBINES, THEORY, DESIGN & APPLICATION Dhanpat Roi &

Sous, Delhi 6 India.

7. GE TURBINE STATE OF THE ART TECHNOLOGY SEMINAR, August 1996.

8. Woodruff, Lammers, & Lammers, STEAM PLANT OPERATION, Mc Graw Hill.

9. W501D5A GAS TURBINE INSTRUCTION MANUAL, Westing House USA.

10. LM2500 GAS TURBINE INSTRUCTION MANUAL, GE, USA.

11. Ir. Abdul Kadir, ENERGY; SUMBER DAYA, INOVASI, TENAGA LISTRIK DAN

POTENSI EKONOMI.

12. Eshbach, HANDBOOK OF ENGINEERING FOUNDAMENTAL, Wiiley Handbook Serries,

New York.

13. Joseph G Sniger, P.E, COMBUSTION FOSSIL POWER, COMBUSTION ENGINEERING,

Inc, Windsor Connecticut 06095.

158

XII

L A M P I R A N

DIAGRAM MOLLIER

( DIAGRAM H-S UNTUK UAP )