Raw Energy dan Koversinya (2)AirEnergi potensial Air diubah menjadi tenaga mekanik dalam turbin. Kemudian turbin air memutar generator menjadi energi listrik

P=k .μ . H .q [kW ]UapEnergi primer dikonversi menjadi energi kalor. Energi kalor digunakan untuk memanaskan air. Uap digunakan untuk menggerakkan turbin uap. Turbin akan menggunakan energi mekanis untuk memutar generator GasGas dimasukkan dalam ruang bakar (dapat juga menggunakan BBM). Gas bertekanan tinggi dialirkan menuju turbin, turbin akan memanfaatkan energi mekanik untuk menjadi energi listrikJenis Pembangkit (1)Pembangkit listrik biasanya dibedakan oleh jenis energi primer Di Indonesia biasanya disebut dengan PLT (Pusat Listrik Tenaga)Penggunaan PLT sangat tergantung dari karakteristik konsumen dan kemudahan suplai bahan bakuPusat Listrik Tenaga Air (PLTA)

Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU)

Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG)

Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU)

Pusat Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP)

Pusat Listrik Tenaga Diesel (PLTD)

Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

Bab 2 Working Substance Pembangkitan SuhuDerajat panas dinginnya suatu benda Alat pengukur suhu : thermometer Termometer ini memiliki sifat termometrik zat yang berubah jika dipanaskan .Pada prinsipnya semua termometer mempunyai acuan yang sama dalam menetapkan scalar.Titik lebur es murni dipakai sebagai titik tetap bawah, sedangkan suhu uap diatas air yang sedang mendidih pada tekanan 1 atm sebagai titik tetap atas Kalor (1) Energi yang mengalir karena adanya perbedaan suhu dan atau karena adanya usaha atau kerja yang dilakukan pada sistem.Kalor mempunyai satuan kalori. 1 kalori didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan 1 gram air untuk menaikkan suhunya 1 derajat Celcius. Dalam sistem SI satuan kalor adalah Joule. Satu kalori setara dengan 4,18 joule Kalor yang diberikan pada benda sebanding dengan kenaikan suhu. Kalor yang diberikan pada benda menaikkan suhu sebanding massa benda. Kalor yang diberikan pada benda menaikkan suhu

tergantung jenis benda. Q=m.c .∆T

Konduksi Perpindahan kalor secara konduksi terjadi pada zat padat yang dipanaskan

(Q/t)= laju perpindahan kalor (J/s=W) A = luas penampang (m2) L = panjang bahan (m) K = kondusivitas bahan (W/m.K) Δ T = selisih suhu (OC atau K) Konveksi Perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada gas atau zat cair yang dipanaskan

(Q/t)= laju perpindahan kalor (J/s=W) A = luas penampang (m2 h = koef. konveksi (W/m2.K) Δ T = selisih suhu (OC atau K)

Daya Usaha yang dilakukan ke benda per satuan waktu

P=Wt

.Satuan daya antara lain Watt, Kilowatt,

Joule/ sekon, Kilo joule/ sekon, hp. Besarnya daya dipengaruhi oleh usaha yang dilakukan oleh benda dan waktu yang diperlukan untuk melakukan usaha tersebut, serta sudut antara permukaan bidang dengan arah gaya.Usaha Bagaimana dikerahkannya gaya pada benda, hingga benda berpindah Usaha adalah besaran scalar

W=F . s 1 Joule = 1 N.m

Energi Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha.Energi potensial adalah energi yang dipengaruhi oleh kedudukan/ketinggian suatu benda. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena memiliki kecepatan Entropi (1) Bentuk ketidakteraturan perilaku partikel dalam sistem terhadap semesta (lingkungan) Hukum kedua Clausius: “Untuk suatu mesin siklis maka tidak

mungkin untuk menghasilkan efek lain, selain dari menyampaikan kalor secara kontinu dari sebuah benda ke benda lain pada temperatur yang lebih tinggi" Entropi didasarkan pada perubahan setiap keadaan yang dialami partikel dari keadaan awal hingga keadaan akhirnya. Semakin tinggi entropi suatu sistem, semakin tidak teratur pula sistem tersebut (sistem menjadi lebih rumit, kompleks, sukar diprediksi secara absolut dan eksak). Hukum ke dua Termodinamika menyatakan secara teori ‐bahwa semua proses di alam cenderung terjadi hanya dengan peningkatan entropi (derajat ketidakteraturan)

dan bahwa arah perubahan selalu menuju ke entropi yang lebih tinggi.

Entalpi Istilah yang menyatakan jumlah energi internal dari suatu sistem termodinamika ditambah energi yang digunakan untuk melakukan kerja. Entalpi tidak bisa

diukur, yang bisa dihitung adalah nilai

perubahannya.∆ H=∆U+P .∆V

H = entalpi sistem (joule);U = energi internal (joule); P = tekanan dari sistem (Pa) ;V = volume sistem (m3)

Diagram Mollier (1) Diagram Mollier merupakan sebagian kecil data dari tabel uap yang diplot ke dalam grafik entalpi (h) – entropi (s) Diagram T-S

Persamaan Energi (1)

Bab 3 Bahan Bakar dan PembakaranPembentukan Bahan BakarEnergi matahari diubah menjadi energi kimiawi dalam proses fotosintesisEnergi dapat diubah menjadi bentuk lain dengan membakar kayu atau bahan bakar fosil. Contoh bahan bakar fosil: batu bara, minyak, dan gas. Jenis Bahan BakarBahan Bakar Cair. Banyak digunakan dalam aplikasi industri. Contoh: Kerosin,Bensin, Avtur,Minyak Tanah, Ethanol

Faktor Penentu Kualitas Bahan Bakar Cair (Kepadatan (Massa Jenis)Perbandingan massa dan volum bahan bakar pada suhu 15 oC (kg/m3)Berguna untuk menentukan kuantitas dan kualitas bahan bakarBerat Jenis Perbandingan berat dan volum bahan bakar pada suhu tertentu. Berat jenis air = 1. Jenis Light Diesel Oil berat jenis 0.85-0.87. Minyak bumi 0.89-0.95Low Sulphur Heavy Stock LSHS 0.88-0.98Kelekatan Pengukuran resistan internal bahan bakar terhadap aliran bahan bakar Faktor paling penting untuk penyimpananBerkurang dengan meningkatnya suhuTitik nyala. Suhu terendah di mana bahan bakar dapat dipanaskan dan uap mengeluarkan letupan saat didekatkan ke api. Titik nyala minyak bumi: 66 oCTitik tuang. Suhu terendah di mana bahan bakar masih dapat mengalir. Indikasi temperatur di mana bahan bakar masih dapat dipompaPanas spesifik kCal yang diperlukan untuk meningkatkan suhu 1 kg minyak sebesar 1oC (kCal/ kgoC). Menunjukkan berapa banyak uap / energi listrik yang dibutuhkan untuk memanaskan minyak ke suatu suhu yang diinginkanNilai kalor. Panas atau energi yang dihasilkan. Gross Calorific value (GCV): uap sepenuhnya terkondensasi. Net Calorific Value (NCV): air tidak sepenuhnya terkondensasiJenis Minyak dan Gross Calorific Value (kCal/kg). Kerosin 11,100;Minyak Diesel 10,800;L.D.O10,700;Minyak Bumi 10,500 LSHS10,60 Kadar Sulphur. Tergantung pada sumber minyak mentah dan kualitas proses penyulingan. Minyak bumi: sulfur 2-4% Asam sulfat menyebabkan korosi Kadar abu. Materi anorganik dalam bahan bakar.Biasanya 0,03-

0,07%. Korosi pada tungku dan kerusakan pada material / peralatan pada suhu tinggi Residu Karbon Kecenderungan minyak untuk menyimpan residu padat karbon pada suhu yang panasMinyak sisa: residu karbon > 1%

Kadar air Biasanya rendah di minyak bumi yang tersuplai (<1% di kilang).Bebas dari bentuk teremulsi. Dapat merusak permukaan tungku

Penyimpanan bahan bakar. Penyimpanan dalam tangki silinder di atas atau di bawah tanah. Rekomendasi penyimpanan: maksimal 10 hari konsumsi normal. Dibersihkan secara berkalaBahan Bakar Padat. Klasifikasi Batubara Anthracite: keras dan tua;Bituminous Lignite: lunak dan mudaKlasifikasi lanjut: semi- anthracite, semi-bituminous, and sub-bituminous

Faktor Penentu Kualitas Bahan Bakar Padat Sifat fisik Pemanasan atau nilai kalor (GCV)kadar air;abuSifat kimia Kimia konstituen: karbon, hidrogen, oksigen, sulfurKadar air Persentase Dari kelembaban dalam bahan bakar (0,5 - 10%);Mengurangi nilai kalor bahan bakarKandungan pembakaranMetana, hidrokarbon, hidrogen, CO, lainnya Biasanya 25-35%.Memudahkan pembakaranPemanasan atau nilai kalorGCV untuk berbagai batu bara adalah:

AbuPengotor yang tidak akan terbakar (5-40%)Penting untuk desain tungkuAbu = residu setelah pembakaranKarbon tetapkarbon tetap = 100 - (kelembaban + abu + faktor pembakar)Karbon + hidrogen, oksigen, sulfur, nitrogen residuPanas Generator selama pembakaranAnalisis batu bara sederhanaMenentukan karbon tetap, kelembaban, material yang mudah terbakar, dan abuBerguna untuk mengetahui nilai kalor (GCV)Sederhana peralatan analisis

Penyimpanan, Penanganan & PersiapanPenyimpanan untuk meminimalkan kerugian akibat pembakaran spontanMengurangi kerugian permukaan yang keras standar beton / bata penyimpananPersiapan Batubara penting diterapkan untuk pembakaran yang baik

Klasifikasi Bahan Bakar GasBahan Bakar alami ditemukan di alam gas alam Metana dari tambang batubaraBahan bakar yang terbuat dari bahan bakar pada: Gas yang berasal dari batubara;Gas yang berasal dari limbah dan biomassa. Dari proses industri lainnyaGas yang terbuat dari minyak bumi: Liquefied Petroleum Gas (LPG);kilang gasGas dari gasifikasi minyakGas hasil fermentasi Keuntungan Bahan Bakar GasSedikitnya penanganan,Sistem pembakar paling sederhana,Tungku pembakaran paling murah pemeliharaannya,Manfaat lingkungan: GHG dan emisi terendahNilai Kalor Harus dibandingkan berdasar Net Calorific Value (NCV), terutama untuk gas alam

Liquefied Petroleum Gas (LPG)Propana dan butana yang tidak jenuh Hidrokarbon yang berbentuk gas pada tekanan atmosfer, tetapi dapat terkondensasi ke bentuk cair LPG uap lebih padat daripada udara: kebocoran gas dapat mengalir jauh dari sumbernyaGas alam Metana: 95%Sisa 5%: etana, propana, butana, pentana, nitrogen, karbon dioksida, dan gas lain.Nilai kalor tinggi Tidak memerlukan fasilitas penyimpanan Tidak mengandung sulfurMudah bercampur dengan udara tanpa memproduksi asap atau jelaga

Pembakaran: oksidasi berturutan dari bahan bakar. Pembakaran sempurna: oksidasi total bahan bakar (pasokan oksigen yang dibutuhkan mencukupi)

Qt= k . AL

(T2−T 1 )

Qt=h . A .(T 2−T 1 )

Udara: oksigen 20,9%, nitrogen 79% dan lainnyaNitrogen: mengurangi efisiensi pembakaran ;membentuk NOx pada suhu tinggiBentuk karbon CO2 COTips pemnbakaran Harus mengatur 3 T (Temperature,Turbulence,Time)Uap air merupakan produk sampingan dari pembakaran bahan bakar yang mengandung hidrogen

Sistem Pembuangan Untuk cerobong hasil pembakaran ke atmosfer.Rancangan natural:Disebabkan oleh perbedaan berat antara gas panas di dalam cerobong asap dan udara luarTidak ada kipas atau blower Rancangan mekanis:Diperlukan kipas Pembakaran yang Efisien Pemanasan awal minyak bakar;Kontrol suhu minyak ; pembakaran;Persiapan bahan bakar padat;Kontrol Pembakaran Pemanasan Minyak Pembakar Tujuan: untuk membuat minyak bakar lebih mudah untuk dipompa.Dua metode:Pemanasan seluruh tangki Pemanasan menggunakan gas buang Pengaturan Suhu Untuk mencegah overheating.Dengan mengurangi terhentinya aliran minyak.Menggunakan pemanas listrik.Menggunakan termostat. Persiapan Bahan Bakar Padat Pengukuran dan penyaringan batubara.Penting untuk pembakaran yang efisien.Ukuran pengurangan melalui ukuran melalui penghancuran (<4 - 6 mm).Disaring untuk untuk dipisahkan.Menggunakan magnet untuk memisahkan partikel besi Pengkondisian batubara:Campuran batubara menyebabkan masalah pembakaran.Pemisahan dapat dilakukan dengan merendam batubara dengan air. Penurunan% karbon yang tidak terbakar Penurunan kandungan udara berlebihKontrol Pembakaran Membantu tungku untuk mencapai efisiensi yang optimal melalui pengaturan pasokan bahan bakar, pasokan udara, dan penghapusan gas pembakaran. Tiga kontrol: On / Off kontrol: pembakar menyalakan pada tingkat penuh atau dimatikan Tinggi / Rendah / Off kontrol: pembakar dengan dua tingkat penyalaan Kontrol modulasi: pertandingan steam tekanan permintaan dengan mengubah laju pembakaran Bab 4 Pembangkit Uap Mengapa Uap? Sarana transfer energy.Keunggulan Efisien dan ekonomis;Mudah disalurkan;Mudah dikontrol;Mudah melakukan transfer proses;Fleksibel.Alternatif: air panas dan minyak Apakah Uap itu? Senyawa terkecil suatu zat: Molekul Air = H202 atom H 1 atom 0 Memiliki 3 wujud fisik Cair Padat Gas Ketiga wujud tersebut adalah: Air, Es, dan Uap.Pada Es: Molekul terikat dengan kuat, hanya dapat bervibrasi.Pada Air: Molekul dapat bergerak dengan bebas, namun saling berdekatan satu sama lain.Pada Uap: Molekul-molekul bergerak lebih bebas dan saling berjauhan Kurva Jenuh Uap

Entalpi air (hf)Panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari 0 derajat ke suhu sekarangEntalpi penguapan (hfg)Panas yang diperlukan untuk mengubah wujud air menjadi uapEntalpi uap jenuh (hg)Energi yang terkandung dalam uap jenuhhg = hf + hfg

Kekeringan Uap Kekeringan Uap merupakan perbandingan antara uap dengan bulir-bulir air.Fraksi kekeringan (x) = 0.95, artinya kandungan air dalam uap itu 5%Uap yang Berkualitas : Dalam kuantitas yang cukup; Pada suhu yang tepat;Bebas dari udara (oksigen) dan polutan gas;Bersih dari polutan fisik;Kering; Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga

boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam.Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang

digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan.

Dua sumber air umpan adalah: Kondensat atau steam

yang mengembun yang kembali dari proses dan Air

makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus

diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses Jenis Boiler Fire tube boiler;Water tube boiler;Paket boiler;Fluidized bed combustion boiler; Atmospheric fluidized bed combustion boiler;Pressurized fluidized bed combustion boiler;Circulating fluidized bed combustion boiler;Stoker fired boiler, Pulverized fuel boiler;Boiler pemanas limbah (Waste heat boiler) Pemanas fluida termis.Fire Tube Boiler Gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam.Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang.Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2.

Water Tube Boiler Air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum.Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum.Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga

Paket Boiler Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkanpenguapan yang lebih cepat.Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik.Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik.Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang lebih baik.Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler lainnya. Parameter Kinerja Boiler Efisiensi dan rasio penguapan.Berkurang terhadap waktu disebabkan buruknya pembakaran. Kotornya permukaan penukar panas dan buruknya operasi dan pemeliharaan Neraca Panas

Masalah Loss pada Boiler Loss gas cerobong. Loss karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abuLoss dari blowdown;Loss dari kondensat;Loss dari konveksi dan radiasi

Solusi Masalah Loss Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner,

operasi (kontrol), dan pemeliharaan);Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan), beban; burner yang lebih baik dan teknologi boiler);mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang lebih baik Efisiensi Boiler (Metode Langsung)

Efisiensi Boiler (Metode Tidak Langsung)

BAB 5 TURBIN UAP Sistem turbin uap merupakan salah satu jenis mesin panas yang mengkonversi sebagian panas yang diterimanya menjadi kerja. Sebagian panas lainnya dibuang ke lingkungan dengan temperatur yang lebih rendah.

Fluida kerja (air-uap air) menjalani proses-proses: penyerapan panas pada tekanan tetap di boiler; ekspansi adiabatik untuk menghasilkan kerja;pembuangan panas pada tekanan tetap di condenser;pemompaan untuk menaikkan tekanan Dasar TermodinamikaSistem turbin uap didasari Siklus Rankine

Peningkatan efisiensi sistem turbin uappeningkatan tekanan uap masuk turbin peningkatan temperatur uap masuk turbin (superheating)penurunan tekanan keluar turbin (penurunan temperatur kondensasi; dengan resiko kenaikan fraksi cairan dalam uap keluar turbin)pemanasan air umpan boiler (regenerative process) dllSiklus Rankine SEDERHANA

Tentukan efisiensi sebuah sistem turbin uap dgn kondisi aliran sebagai berikut:

uap masuk turbin : saturated steam P2 = 2000 kPa uap masuk kondenser : P3 = 7,5 kPa.air keluar kondenser : air jenuh P4 = 7,5 kPaair masuk boiler: P1 = 2000 kPa

Dari contoh soal di atas, beberapa hal perlumendapat perhatian:

a. kerja pompa relatif sangat kecil dibandingkan terhadap kerja hasil ekspansi di turbin (wp << w)

b. wp sering diabaikan, sehingga entalpi air sebelum dan sesudah pompa dianggap sama

c. efisiensi siklus dipengaruhi oleh kondisi uap di titik masuk turbin dan kondisi uap keluar turbin

d. jumlah cairan dalam uap keluar turbin tergantung spesifikasi turbin masing-masing

Efek Kenaikan Temperatur Uap thd Efisiensi Siklu

Kondisi masuk turbin superheated steam:T3a = 500 C (Td2000kPa = T3 = 212,4 C)P3a = 2000 kPah3a = 3467,6 kJ/kgs3a = 7,4317 kJ/(kg.K)

(1)kondisi 4a: P4a = 7,5 kPa (lihat contoh sebelumnya)s4a = s3a = 7,4317 kJ/(kg.K) (ekspansi isentropik)a). cair jenuh: sAa = 0,5764 kJ/(kg.K); hAa = 168,79 kJ/kgb). uap jenuh: sBa = 8,2515 kJ/(kg.K); hBa = 2574,8 kJ/kgxa = (s4a - sBa)/(sAa - sBa) = 0,1068 (kandungan air) h4a = xa.hAa + (1 – xa).hBa = 2317,8 kJ/kg

Efek Kenaikan Tekanan Uap thd Efisiensi SiklusKondisi masuk turbin superheated steam:

T3’ = 500 CP3’ = 3000 kPah3’ = 3456,5 kJ/kgs3’ = 7,2338 kJ/(kg.K)

(1) kondisi 4': P4' = 7,5 kP (diketahui)

s4' = s3' = 7,2338 kJ/(kg.K) (ekspansi isentropik)a). cair jenuh: sA' = 0,5764 kJ/(kg.K); hA' = 168,79 kJ/kgb). uap jenuh: sB' = 8,2515 kJ/(kg.K); hB' = 2574,8 kJ/kg

x' = (s4' - sB')/(sA' - sB') = 0,1326 (kandungan air)

h4' = x'.hA' + (1 – x').hB' = 2255,8 kJ/kg

Pemanasan Awal Air Umpan Boiler

Ekspansi dalam Turbin

EKSPANSI DALAM TURBIN Turbin merupakan salah satu bagian dalam siklus Rankine. Di dalam turbin, konversi energi termal uap menjadi energi mekanikmelalui beberapa tahap, misalnya: steam lewatkan nosel, sehingga terjadi penurunan tekanan dan kenaikan kecepatan ;momentum steam keluar nosel digunakan untuk menggerakkan sudu-

turbin.

condensing turbinesteam keluar = saturated steam atau bahkan sebagian steam telah terkondensasijenis ini banyak digunakan di pembangkit listrik

extraction/induction turbinegabungan back-pressure dan condensing turbine dalam satu rumah casingbanyak digunakan dalam cogeneration

Rugi-rugi internal turbin

a. available work: entalpi steam yang mungkin dikonversi menjadi kerjab. stage work: entalpi steam yang terkonversi nyata menjadi kerja Rugi-rugi di dalam turbin satu tingkat :nozzle reheat: rugi-rugi ketika steam diekspansikan di nosel secara adiabatik tak-reversibel dan mengakibatkan kenaikan temperatur steam (relatif terhadap temperatur jika steam diekspansikan isentropik)blade reheat: rugi-rugi gesekan aliran steam ketika lewat sudu-gerakwindage losses: rugi-rugi gesekan ketika steam meninggalkan sudu-gerak stage reheat: jumlah semua rugi-rugi dalam satu tahap ekspansiEfisiensi Isentropik

dengan h1= entalpi steam masukh2= entalpi steam keluar (nyata)h2,s = entalpi steam keluar (jika ekspansi isentropik, s2s = s1Rugi internal turbin banyak tingkat

Efisiensi isentropik turbin banyak tingkat

Konsumsi Steam Spesifik Konsumsi Uap Spesifik (specific steam rate): konsumsi steam per satuan waktu untuk menghasilkan satu satuan daya.

w = he - hiW = m . (he - hi)

dengan: w = energi/massa W = daya, kW atau HP m = laju massa steam, kg/jam h = entalpi spesifik steam, kJ/kg subskrip: i = inlet dan e = exit

Konsumsi steam:

TSR (Theoretical Steam Rate):Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara isentropik.TSR = 1/ (hi - he)TSR dapat dinyatakan dalam berbagai satuan:Jika entalpi h dalam kJ/kg, maka TSR = 3600/(hi - he) kg/kWhJika entalpi h dalam Btu/lb, maka TSR = 2545/(hi - he) lb/HPhASR (Actual Steam Rate)Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara adiabatic tak-reversibel.ASR = TSR / dengan = efisiensi isentropic

ContohTurbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated steam

(Pi = 2000 kPa, Ti = 500 C). Steam keluar turbin pada keadaan jenuh (Pe = 7,5 kPa). Efisiensi isentropik turbin 70%. Hitung konsumsi steam.Contoh

Turbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated steam (Pi = 2000 kPa, Ti = 500 C). Steam keluar turbin pada keadaan jenuh (Pe = 7,5 kPa). Efisiensi isentropik turbin 70%. (1) Data termodinamika steam (dari steam table) Pi = 2000 kPa dan Ti = 500 oC hi = 3467,6 kJ/kg dan si = 7,4317 kJ/(kg.K)(2) Pe = 7,5 kPa dan se = si = 7,4317 kJ/(kg.K) campuran uap dan cair.

uap: suap = 8,2515 kJ/(kg.K) ; huap = 2574,8 kJ/kg cair: scair = 0,5762 kJ/(kg.K) ; hcair = 168,79 kJ/kgfraksi uap: y = (7,4317-0,5764)/(8,2515-0,5764) = 0,893 he = 0,893 x 2574,8 + (1 - 0,893) x 168,79 = 2317,35 kJ/kg (3) TSR = 3600/(3467,6 – 2317,35,8) = 3,13 kg/kWh(4) ASR = 3,13/70% = 4,47 kg/kWh(5) Konsumsi steam: m = W.ASR = 2000. 4,47 = 8940 kg/jamKonsumsi Panas Spesifik (Heat Rate)turbin untuk produksi energi listrik

a. GHR (Gross Heat Rate, konsumsi panas spesifik bruto):

b. NHR (Net Heat Rate, konsumsi panas spesifik netto):

Listrik netto setelah dikurangi dengan konsumsi listrik untuk sistem pembangkit listrik yang bersangkutan (pompa, blower, penerangan dll).

c. PNHR (plant net heat rate) :

(ef. boiler) = efisiensi boiler [%aux. power] = daya yang diserap oleh internal power plant.Konsumsi panas spesifik dipengaruhi berbagai faktor.Penurunan tekanan kondensor akan menurunkan NHR atau PNHR.Temperatur uap masuk turbin mempengaruhi heat rate. Pemanasan awal udara pembakaran (air preheating) sebelum masuk boiler dapat mengurangi konsumsi panas spesifik sebesar 2%. Air preheating ini dapat dilakukan dengan memanfaatkan panas sensibel gas cerobong.Hilang tekanan (pressure drop) di saluran uap dapat meningkatkan heat rate.Efisiensi turbin mempengahur heat rate.Faktor di atas perlu mendapat perhatian dalam program penghematan energi.Contoh Efek Tekanan Kondensor thd Konsumsi Steam Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.

Perkirakan kenaikan konsumsi steam dan penurunan daya turbin jika tekanan kondensernya naik dari 2,5 menjadi 4,5 inHg absolut.Dari kurva karakteristik di atas:

NHR (2,5 inHg) = 7200 Btu/kWh = 7596 kJ/kWh NHR (4,5 inHg) = 7750 Btu/kWh = 8177 kJ/kWh

(1) Jika daya turbin tetap, maka heat rate (konsumsi steam) meningkat:

(NHR) = 8177 – 7596 = 581 kJ/kWh (7,6%)(2) Jika laju uap dijaga konstan, maka kenaikan NHR mengakibatkan penurunan daya keluar turbin):

(NKW) = - 0,0765/ (1 - 0,0765) = - 8,28%

Efek Tekanan Steam masuk Turbin thd Konsumsi SteamSebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.

Perkirakan kenaikan konsumsi panas spesifik pada beban 600 MW, jika tekanan uap masuk turbin turun dari 3500 menjadi 2400 kPa.Dari kurva karakteristik di atas

NHR (3500 kPa) = 7450 Btu/kWh = 7860 kJ/kWhNHR (2400 kPa) = 7700 Btu/kWh = 8124 kJ/kWh

(NHR) = 250 Btu/kWh = 264 kJ/kWh (3,3%)atau kenaikan laju steam (pemborosan) pada 600 MW = 360000 kg/jam (ekspansi di turbin, Δh = 440 kJ/kg)BAB 6 Kondensasi UapKondensasi Kondensasi adalah suatu proses untuk merubah suatu gas atau uap menjadi cairan.Gas dapat berubah menjadi cair dengan menurunkan temperaturnya atau meningkatkan tekanan.Umumnya, pendekatan yang digunakan adalah dengan menurunkan temperatur, sedangkan dengan meningkatkan tekanan gas lebih mahal. Pengendalian gas dengan kondensasi lebih sederhana dan murah peralatannya, umumnya digunakan air atau udara sebagai media pendingin. Efisiensi penyisihan gas dengan proses kondensasi pada umumnya rendah, dibandingkan dengan proses adsorpsi, absorpsi atau combustion, kecuali gas tersebut dapat terkondensasi pada temperatur tinggi. Kondensasi secara tipikal digunakan sebagai pretreatment (pengendalian pendahuluan), sebelum digunakan alat pengendali yang mempunyai efisiensi lebih tinggi seperti adsorber, absorber atau insinerator, dengan menggunakan pretreatment, maka beban alat pengendali berikutnya lebih ringan.Prinsip Kondensasi Jika gas polutan yang panas berkontak dengan media pendingin (air atau udara), maka terjadi transfer panas dari gas panas ke medium pendingin, temperatur uap gas akan turun, maka energi kinetik molekul gas akan berkurang sehingga molekul-molekul gas akan bergerak saling berdekatan (Gaya van der Waals) yang akan menyebabkan gas terkondensasi menjadi liquid.Kondisi aktual dimana molekul gas akan terkondensasi tergantung kepada sifat fisik dan kimia dari molekul gas tersebut mencapai (sama dengan) tekanan uapnya. Ada tiga cara untuk menurunkan tekanan uap parsial gas yaitu : dengan cara meningkat tekanan gas sehingga tekanan parsial gas tersebut mencapai tekanan uap gas ;Gas didinginkan sampai tekanan parsial gas tersebut mencapai tekanan uapnya ;gabungan kedua cara di atas, yaitu dengan cara meningkatkan tekanan gas dan mendinginkannya. Suatu kondisi gas ( temperatur, tekanan ) yang berada pada kurva kesetimbangan tekanan uap, maka kondensasi mulai terjadi. Dari titik tersebut, campuran gas-liquid mengikuti kurva garis tekanan uap tersebut. Jika campuran tersebut terus didinginkan, tekanan partial gas akan selalu ada pada kurva kesetimbangan tekanan uapnya, sehingga tidak semua polutan dapat dikondensasikan, akan selalu ada polutan dalam bentuk uap.Kondensor Proses kondensasi untuk mengendalikan/ menyisihkan gas polutan dibedakan atas teknik kondensasi kontak langsung dan tidak langsung (surface). Dalam teknik kondensasi kontak langsung, gas polutan berkontak langsung dengan media pendingin, dan kondensat (polutan yang terkondensasi) akan bercampur dengan media pendingin. Sedangkan dalam teknik tidak langsung, gas polutan dan pendingin dipisahkan oleh suatu permukaan Kondensor, permukaan disebut pula shell-and-tube heat exchanger. Kondensor Kontak Langsung Kondensor kontak langsung, lebih sederhana peralatannya, biaya instalasinya lebih murah dan hanya membutuhkan sedikit peralatan pembantu dan biaya perawatan. Lebih murah media pendingin yang umum digunakan adalah air, volume media pendingin yang digunakan lebih banyak jika dibandingkan dengan kondensor permukaan, yaitu 10 sampai 20 kali lebih banyak. Aliran air sebagai media pendingin meninggalkan kondensor bersama dengan polutan yang terkondensasi. Proses absorpsi dapat terjadi pada kondensor kontak langsung jika polutan dapat larut dalam air. Adanya proses absorpsi tersebur meningkatkan efisiensi penyisihan.Spray tower condenser adalah jenis kondensor kontak langsung, dimana aliran zat polutan masuk dari bagian bawah, dan aliran air di buat spray dari bagian atas.Ejector dan

barometric condenser dioperasikan dengan arah laju aliran air dan udara sama, perbedaannya terletak pada penggunaan spray air. Untuk ejector condenser air di-spray-kan menggunakan alat venturi.Kondensor Permukaan Kondensor permukaan sering Juga disebut shell-and-tube heat exchanger. Alat kondensor permukaan terdiri dari tabung silinder luar untuk mengalirkan gas polutan, sedangkan air sebagai media pendingin mengalir di dalam tabung-tabung kecil dalam silinder tersebut. Gas berkontak dengan tabung- pendingin, kemudian terkondensasi, kemudian kondensat ditampung. Sedangkan gas yang tidak- terkondensasi keluar. Desain Kondensor Kondensor berfungsi menurunkan temperatur gas dengan cara dilewatkan pada media pendingin air atau udara. Transfer panas terjadi dari gas panas ke media pendingin, dengan demikian proses kondensasi dapat disebut proses transfer panas atau pertukaran panas. Pada prinsipnya desain kondensor sama dengan desain heat exchanger.

Heat exchanger didesain berdasarkan teori transfer panas. Dalam desain kondensor terjadi transfer panas dan juga transfer massa, sebagaimana aliran gas panas melewati kondensor, yang menyebabkan terjadinya perubahan temperatur dan komposisi gas.Untuk analisis proses transfer panas di dalam kondensor digunakan hubungan neraca panas antara panas yang masuk dengan panas yang keluar.

• Heat in = Heat out

• Neraca panas tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan di bawah ini :

• q = m CPG (TG1 - T dew point) + m Hv = LCPL (TL1 - TL2)

Dari persamaan tersebut diatas, laju aliran massa gas dan temperatur gas masuk (TG1) dapat diketahui dari kondisi gas yang diemisikan. Temperatur liquid pendingin yang masuk kondensor (TL1) juga dapat diketahui. Panas spesifik dari gas dan liquid pendingin, panas kondensasi (Hv) dan temperatur titik embun (dew point) dapat diperoleh dari pustaka. Dengan demikian yang harus ditentukan adalah laju aliran masa liquid pendingin dan temperatur liquid yang keluar dari kondensor.Persamaan neraca panas tersebut di atas merupakan perkiraan kasar karena beberapa keterbatasan; yaitu panas spesifik tergantung pada temperatur, dan temperatur dalam kondensor tidak konstan. Temperatur titik embun dari suatu senyawa tergantung konsentrasi senyawa tersebut dalam fase gas. Laju aliran massa dalam kondensor berubah karena terjadi kondensasi, dan temperatur titik embun berubah.Dalam kondensor permukaan atau heat exchanger, panas ditransfer dari gas menuju pendingin melalui permukaan heat exchanger. Laju transfer panas tergantung kepada tiga faktor yaitu : Total luas permukaan condenser;hambatan untuk tranfer panas dan rata-rata perbedaan temperatur antara gas dengan pendingin.

Q = UADTm

Untuk menentukan ukuran sebuah kondensor digunakan persamaan

A = ( q ) / (UDTlm)dimana :A = luas permukaan shell-and-tube condensor, ft2q = laju transfer panas, Btu/lbU = koefisien transfer panas total, Btu/°F.ft2.hrDTlm = log temperatur rata-rata, °F.Untuk menentukan luas permukaan tersebut, nilai U harus dihitung dari koefisien hambatan panas masing – masing Persamaan tersebut diatas hanya valid untuk kondensasi isothermal satu komponen, implikasinya bahwa polutan merupakan gas murni (hanya satu komponen senyawa), sedangkan pada umumnya gas yang diemisikan yang akan dikendalikan terdiri dari campuran beberapa komponen senyawa, maka prosedur penentuan desain kondensor menjadi lebih sulit.Jika laju aliran gas yang masuk ke dalam kondensor mempunyai temperatur diatas dewpoint (superheated), maka langkah pertama harus didinginkan hingga mencapai dewpoint, sehingga perlu dipertimbangkan ukuran kondensor untuk kondensasiSuatu gas buang dari kegiatan cooker yang banyak mengandung uap air dan uap organik yang berbau. Kondensor digunakan untuk menyisihkan uap air dari gas, yang selanjutnya bau dari gas buang akan dihilangkan dengan insinerasi, absorbsi atau adsorbsi. Laju emisi gas adalah 20000 acfm pada temperatur 250 °F. Gas buang mengandung 95 % uap air, sisanya adalah udara dan senyawa organik yang berbau. Gas buang tersebut dimasukkan ke dalam kondensor permukaan untuk menyisihkan uap air, yang selanjutnya akan dilewatkan ke dalam adsorbent untuk menghilangkan bau. Temperatur air pendingin yang masuk ke dalam kondensor 60 °F, dan yang keluar dari kondensor 120 °F, perkirakan luas area dari kondensor.Laju massa uap air yang akan di kondensasikan 20.000 acfm x 0,95 = 19.000 acfm uap.PV = nRTn = PV = (1 atm) (19.000 acfm)RT (0,73 atm.ft3/lb mol. °R) (250 + 460 °R)= 33,66 lb mol / minm = (33,66 lb mol / min) (18 lb / lb mol) = 660 lb / min.Laju massa uap air yang akan dikondensasikan = 660 lb / min.Menentukan laju panas ( q ) untuksuperheated dan kondensasi uap air.

q = m Cp DT + mHvPanas spesifik rata untuk uap air pada 250 °F = 0,45 Btu / lb. °F.

• Panas penguapan air 212 °F = 970,3 Btu/lb.q = (660 lb/min) (0,45 Btu/lb. °F) (250 – 212) + (660 lb/min) (970,3 Btu/lb) = 11286 + 640398 Btu/min = 651700 Btu/min

Memperkirakan luas permukaan kondensor.A = (q) / (U DTlm)DTlm = (TG1 – TL2) – (TG2 – TL1)ln(TG1 – TL2) / (TG1 – TL1)=(212 – 120) – (212 – 60) = 119,5°F ln (212 – 120) / (212 – 60)Koefisien transfer panas U untuk stabilizer replux vapor diasumsikan 100 Btu / °F.ft2.hr. A = (651700 Btu/min) (60 min/hr) = 3272 ft2 (100 Btu/°F.ft2.hr) (119,5°F)Untuk memperkirakan ukuran total kondensor. Untuk itu diperlukan subcooling water (212°F -160°F).Neraca panas untuk pendingin airq = m Cp DTm = 660 lb/min ( diasumsikan semua uap terkondensasi)Cp untuk air = 1 Btu/lb. °Fq = (660 lb/min) (1 Btu/lb. °F) (212 – 160) = 34320 Btu/min DTlm = (212 – 120) – (160 – 60) = 96°Fln ( 212 – 120) / (160 – 60)Koefisien transfer panas untuk pendingin air 200 Btu/°F.ft2.hrA = (34320 Btu/min) (60 min/hr) = 107 ft2(200 Btu/°F.ft2.hr) (96°F)Jadi total luas permukaan kondensorA = 3272 + 107 ft2 = 3379 ft2 = 3380 ft2

BAB 6 Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU) Proses Konversi Energi Dalam PLTU, energi primer yang dikonversikan menjadi energi listrik adalah bahan bakar;Bahan bakar yang digunakan dapat berupa batubara (padat), minyak (cair), atau gas Ada kalanya PLTU menggunakan kombinasi beberapa macam bahan bakar Konversi pertama yang terjadi: konversi energi primer menjadi energi panas (kalor), dilakukan di dalam ruang bakar dari ketel uap;Energi panas dipindahkan ke dalam air yang ada dalam pipa ketel untuk menghasilkan uap, dan dikumpulkan dalam drum ketel;Uap dialirkan ke turbin uap, energi entalpi uap dikonversikan menjadi energi mekanis penggerak generator. Energi mekanis turbin uap dikonversi menjadi energi listrik oleh generator.

Siklus Uap dan AirGambar di atas tadi adalah proses yang terjadi di dalam PLTU yang dayanya relatif besar, di atas 200MW. PLTU ukuran tersebut biasanye memiliki pemanas ulang dan pemanas awalBiasanya memiliki 3 turbin yaitu turbin tekanan tinggi, tekanan menengah, dan tekanan rendahPemanas Lanjut (Super Heater)Di dalam pemanas lanjut, mengalir uap dari drum ketel yang menuju ke turbin uap tekanan tinggi. Uap yang mengalir dalam pemanas lanjut ini mengalami kenaikan suhu sehingga uap air ini semakin kering, karena adanya gas buang di sekeliling pemanas lanjut. Pemanas Ulang (Reheater)Uap yang telah digunakan untuk menggerakkan turbin tekanan tinggi, sebelum menuju turbin tekanan menengah, dialirkan kembali melalui pipa yang dikelilingi oleh gas buang. Di sini uap akan mengalami kenaikan suhu yang serupa dengan pemanas lanjutEconomizerAir yang dipompakan ke dalam ketel, terlebih dahulu dialirkan melalui exonomizer agar mendapat pemanasan oleh gas buang. Dengan demikian suhu air akan lebih tinggi ketika masuk ke pipa air di dalam ruang bakar.Pemanas UdaraUdara yang akan dialirkan ke ruang pembakaran yang digunakan untuk membakar bahan bakar terlebih dahulu dialirkan melalui pemanas udara agar mendapat pemanasan oleh gas buang sehingga suhu udara pembakaran naik. Selanjutnya akan mempertinggi suhu nyala pembakaranDengan menempatkan alat-alat tersebut di atas dalam saluran gas buang, maka energi panas yang masih terkandung dalam gas buang dapat dimanfaatkan semaksimal mungkin. Sebelum melalui pemanas udara, gas buang diharapkan masih mempunyai suhu di atas suhu pengembunan asam sulfat, yaitu sekitar 180 derajat Celcius.Hal ini perlu untuk menghindari terjadinya pengembunan asam sulfat di pemanas udara (menghindari korosi)Penggunaan air laut sebagai pendingin dapat menimbulkan masalah:Material yang dialiri harus anti korosiBinatang laut ikut masuk dan berkembang biak dalam saluran air pendinginKotoran air laut juga ikut masuk dan akan menyumbat pipa-pipa kondensor Ada risiko air laut masuk ke dalam sirkuit uap. Hal ini berbahaya bagi sudu-sudu turbin uap

Masalah OperasiStart PLTU dari keadaan dingin sampai operasi dengan beban penuh dibutuhkan waktu antara 6-8 jam.Jika PLTU yang telah beroperasi dihentikan, tetapi uapnya dijaga agar tetap panas dalam drum ketel dengan cara tetap menyalakan api secukupnya, maka hanya perlu waktu 1 jamWaktu yang lama untuk mengoperasikan PLTU, karena diperlukan uap dalam jumlah besar. Apabila turbin sedang berbeban penuh kemudian terjadi gangguan, maka turbin kehilangan beban secara mendadak.Hal ini dapat merusak bagian berputar pada turbin dan generator. Untuk mencegah hal ini, aliran uap ke turbin harus dihentikan, yaitu dengan cara menutup katup uap turbin. Efisiensi PLTUEfisiensi PLTu banyak dipengaruhi ukuran PLTUUkuran PLTU menentukan ekonomis tidaknya penggunaan pemanas ulang dan pemanas awal.Efisiensi termis dari PLTU berkisar antara 35%-38%. PemeliharaanBagian dari PLTU yang memerlukan pemeliharaan secara periodik adalah bagian yang berhubungan dengan gas buang dan dengan air pendingin. Pipa-pipa air ketel uap, pipa-pipa air pendingin, dan pipa-pipa kondensor. Bagian lain yang harus diperhatikan:Bagian-bagian yang bergesek satu sama lain, seperti bantalan dan roda gigi.Bagian yang mempertemukan dua zat yang suhunya berbeda, misal kondensor dan heat exchangerKotak-kotak saluran listrik dan saklar-saklar.Penyimpanan Bahan BakarPerhatian khusus mengenai penyimpanan bahan bakar merupakan hal yang sangat penting (karena banyaknya bahan bakar)Sekeliling tangki harus dibangun bak pengaman berupa dinding tembok.Volum bak pengaman ini harus sama dengan volum tangki. Pada penimbunan batubara, harus dilakukan pembalikan serta penyiraman batubara agar tidak terjadi penyalaan sendiri.

Pada penyimpanan bahan bakar gas, harus dibangun sistem pendeteksi kebocoran bahan bakar gas (lebih sulit dari BBM). Resiko terjadinya kebakaran pada PLTU cukup besar, sehingga harus ada instalasi pemadam kebakaran.