BAB II

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Defenisi Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap
Pembangkit listrik tenaga uap adalah sistem yang dapat membangkitkan tenaga
listrik dimana generator atau pembangkit digerakkan oleh turbin dengan
menggunakan uap yang dihasilkan dari heat engine yang menggunakan bahan bakar
seperti batu bara, minyak bumi, atau natural gas.
Sederhananya
pembangkit listrik ini terdiri dari boiler, superheater, turbin,
kondenser, dan pompa. Bahan bakar dibakar didalam boiler dan superheater, panas
yang dihasilkan digunakan untuk menghasilkan uap. Uap kemudian dijadikan
menjadi fasa superheated atau panas lanjut agar mencapai fasa uap kering dengan
suhu tinggi di superheater. Uap ini kemudian digunakan untuk memutar turbin yang
memberikan daya pada generator. Energi listrik dibangkitkan ketika belitan
generator berputar didalam kuat medan magnet. Setelah uap meninggalkan turbin,
kemudian dikondensasikan menjadi air didalam kondenser. Kemudian air diberikan
tekanan oleh pompa untuk dialirkan kembali ke boiler. Siklus pembentukan uap
yang terjadi di sistem pembangkit uap ini adalah berdasarkan pada siklus rankine.
2-1
Gambar 2.1 Siklus Sistem Pembangkit Uap
2.2 Siklus Rankine
Siklus rankine adalah siklus uap-cair , maka biasanya siklus ini digambarkan
oleh dua diagram yaitu P-V dan T-S dengan garis-garis yang menunjukkan uapjenuh dan cairan-jenuh. Fluida kerjanya biasanya H2O Gambar 2.1 Siklus sistem
pembangkit uap menunjukkan diagram aliran sederhana siklus rankine. Pada gambar
2.2 dibawah ditunjukkan siklus Rankine ideal
pada (a) diagram P-V dan (b)
diagram T-s. Garis lengkung disebelah kiri titik kritis (CP=Critical Point) pada
kedua diagram itu adalah tempat kedudukan semua titik cairan-jenuh dan
merupakan garis cairan-jenuh. Daerah disebelah kirinya adalah daerah cairan
dingin-lanjut. Garis lengkung disebelah kanan CP adalah tempat kedudukan semua
titik uap-jenuh dan merupakan garis uap-jenuh. Daerah di sebelah kanan garis ini
adalah daerah panas-lanjut . Daerah di bawah kubah merupakan daerah campuran
dua fase ( cairan dan uap ), yang kadang-kadang disebut daerah basah.
Siklus 1-2-3-4-B-1 adalah siklus Rankine jenuh, yang berarti bahwa yang masuk
ke turbin adalah uap jenuh. 1’-2’-3-4-B-1’ adalah siklus Rankine panas lanjut, yang
2-2
berarti uap panas lanjut yang masuk ke turbin. Siklus-siklus ini terdiri atas prosesproses berikut.
Gambar 2-2 Siklus Rankine ideal (a) diagram P-v dan (b) Diagram T-S.1-2-3-4-B1 = siklus jenuh, 1’-2’-3-4-B-1’ = Siklus Panas lanjut, CP = Titik kritis
1-2 atau 1’-2’ : Ekspansi mampu balik adiabatik melalui turbin. Uap keluar pada 2 atau
2’, biasanya berada dalam daerah 2 fase.
2-3 atau 2’-3’ : Proses suhu tetap karena merupakan proses dua fase, juga tekanan tetap
untuk pembuangan kalor pada kondensor.
3-4
: Kompresi adiabatik mampu balik oleh pompa terhadap cairan jenuh
pada tekanan kondensor , 3, menjadi cairan dingin lanjut pada tekanan
pembangkit uap, 4. Garis 3-4 ,merupakan garis vertikal pada diagram
P-v atau T-s karena cairan itu pada dasarnyatak mampu mampat dan
pompa itu mampu balik adiabatik.
4-1 atau 4-1’ : Penambahan kalor pada tekanan tetap pada kedua diagram. Bagian 4-B
adalah proses membawa cairan dingin lanjut, 4, menjadi cairan jenuh
pada B.
Bagian 4-B dalam pembangkit uap disebut ekonomisator
2-3
(economizer). Bagian B-1
menjadi uap jenuh
menunjukan pemanasan cairan jenuh
pada tekanan dan suhu tetap ( karena campuran
dua fase ), dan bagian B-1 dalam pembangkit uap disebut pendidih
( Boiler ) atau evaporator ( penguap ). Bagian 1-1’, dalam siklus
panas lanjut, menunjukkan pemanasan uap jenuh pada 1 menjadi 1’.
Bagian 1-1’ dalam
pembangkit uap disebut pemanas lanjut
( Superheater ).
Siklus-siklus yang ditunjukkan itu semuanya mampu balik secara intern,
sehingga turbin dan pompa itu mampu balik adiabatik dan karena itu membentuk garis
vertikal dalam diagram T-S, tidak ada kehilangan tekanan pada pipa, sehingga garis 4B-1-1’ merupakan garis tekanan tetap.
Analisis sederhana siklus tersebut adalah sebagai berikut :
KOMPONEN
EFISIENSI
THERMAL ( Efisiensi Konversi Energi Pusat
Tenaga )
•
Boiler/Superheater
•
Kondenser
•
Turbin
•
Pompa
2-4
2.3
Bagian – bagian Utama Pembangkit Listrik Tenaga Uap
2.3.1
Pompa
Pompa adalah alat atau mesin yang mengkonversi energi mekanis ke energi zat
alir ( fluida ). Pada sistem pembangkit listrik tenaga uap, peranan pompa adalah
mengalirkan air sebagai feed water atau air umpan pada boiler.
2.3.2
Boiler
Boiler merupakan suatu mesin koversi energi yang berfungsi untuk
menkonversikan energi kimia baik yang berasal dari bahan bakar ( fuel ) maupun
panas gas buang (exhaust gas ) dari suatu mesin menjadi tenaga uap atau energi
panas. Pada dasarnya boiler dapat diklasifikasikan menurut tipe pembakaran dan
perpindahan panas menjadi tiga golongan utama yaitu:
i. Fire tube Boiler
Pada tipe boiler ini, gas panas yang mengalir didalam pipa. Tekanan yang
mengalir sekitar 150 psig , menghasilkan sekitar 29.000 lbs uap per jam dari 10 hp
sampai 850 hp. Boiler tipe ini sangat digemari dan digunakan pada industri yang
tidak terlalu besar.
Keuntungan dari fire tube ini adalah:
a. Membutuhkan investasi yang kecil dan tidak terlalu mahal dibandingkan dengan
water tube boiler.
2-5
b. Mempunyai efisiensi yang tinggi sekitar 80 % atau lebih.
c. Dapat menghadapi perubahan yang tiba-tiba ( sudden load ) dengan hanya
mempengaruhi sebagian kecil tekanannya.
d. Langsung bisa digunakan setelah dikirim sampai tempat.
ii. Water Tube Boiler
Pada boiler tipe ini air mengalir didalam pipa yang dikelilingi oleh pembakaran
gas panas dalam shell ( selubung ). Watertube boiler dapat menghasilkan 2000
lbs/jam sampai 10.000 lbs/jam atau lebih uap.
Karakteristik dari boiler ini adalah :
a. Digunakan pada uap yang bertekanan tinggi.
b. Membutuhkan banyak instrumen dan alat kontrol.
c. Mempunyai
beberapa konfigurasi (tergantung pada penempatan pipa dan
drumnya)
iii. Electrical Boiler
Pada boiler jenis ini mempunyai effisiensi yang lebih rendah dibandingkan fuel
fired boiler. Akan tetapi elektrikal boiler tidak mempunyai kerugian stack dan tidak
ada pembersihan pada burner-nya.
Berdasarkan bahan bakar yang digunakan, boiler dapat diklasifikasikan sebagai
berikut:
a. Bahan bakar berbentuk cair, Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi.
b. Gas alam
c. Batu bara
d. Bahan bakar berbentuk padat
e. Kombinasi
2-6
2.3.2.1 Perpindahan panas pada boiler
Boiler dalam prosesnya menyerap panas yang ditransfer ke ketel dengan cara
radiasi atau pancaran, konveksi atau aliran dan konduksi atau perambatan yang
besarnya tergantung dari kebutuhan dan perencanaan boiler tersebut.
a. Perpindahan panas secara radiasi
Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas antara suatu benda
ke benda yang lain dengan jalan melalui gelombang-gelombang elektromagnetis
tanpa tergantung kepada ada atau tidaknya media atau zat diantara benda yang
menerima pancaran panas tersebut dengan defenisi lain radiasi thermal ialah radiasi
elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Sifat dari
radiasi yaitu bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian
dari radiasi itu dipantulkan ( refleksi ), sebagian diserap ( absorbsi ), dan sebagian
lagi diteruskan (transmisi). Dalam hal boiler radiasi ditimbulkan dari hasil
pembakaran bahan bakar dengan udara, radiasi thermal yang terbentuk
menghasilkan panas atau energi hasil pembakaran ditransfer melalui gelombanggelombang elektromagnetik kepada benda atau bidang yang akan dipanasi ( dinding
ketel, dinding tungku, lorong api, pipa-pipa ketel dan sebagainya).
Adapun banyaknya panas yang diterima secara pancaran atau Qp berdasarkan rumus
dari Stephan-Boltzmann adalah sebesar :
Qp = Cz . F . [ ( Tapi : 100)4 - ( Tbenda : 100 )4 ] Kj/Jam
Cz =
Konstanta pancaran dari Stephan - Boltzmann yang dinyatakan dalam
Kj / m2 . Jam . oK4 atau dalam Watt / m2 . oK4 dengan harga Qp dinyatakan
dalam Watt.
2-7
Adapun besarnya Cz ditentukan oleh antaralain; keadaan permukaan bidang
yang dipanasi ( kasar atau halus ), bahan benda yang dipanasi ( besi, tembaga,
aluminium, dsb ), warna bidang benda yang dipanasi ( hitam, abu-abu, putih ) , dan
lain-lain. Untuk perhitungan praktis dalam teknik ketel uap, besarnya harga
konstanta Stephan-Boltzmann Cz = 16.75 Kj / m2 . Jam . oK4 = 4.65 Watt / m2 . oK4
b. Perpindahan panas secara aliran atau konveksi
Perpindahan panas konveksi yaitu perpindahan panas yang dilakukan oleh
pergerakan molekul-molekul suatu fluida ( cair atau gas ).
Konveksi terdiri dari dua jenis yaitu Konveksi alamiah atau konveksi bebas
dimana pergerakan molekul terjadi karena perbedaan temperatur pada fluidanya
sendiri, dan jenis konveksi yang lain yaitu konveksi paksa dimana pergerakan
molekul terjadi akibat dari kekuatan mekanis ( karena dipompa atau karena
dihembus kipas ).
Adapun jumlah panas yang diserahkan secara konveksi yaitu :
Qk = α . F . ( Tapi – Tdinding ) KJ / Jam
α =
Angka peralihan panas dari api ke dinding ketel dinyatakan dalam
KJ/m2.Jam.oK dengan Qk dinyatakan dalam KJ/Jam atau Watt/m2.oK dengan
Qk dinyatakan dalam Watt
F = Luas bidang yang dipanasi dalam m2
T = Temperatur dalam oKelvin
2-8
c. Perpindahan panas secara perambatan atau konduksi
Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas dari satu bagian
benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama, atau dari benda padat yang
satu ke benda padat yang lain karena terjadinya persinggungan phisik.
Jumlah panas yang dirambatkan = QR melalui dinding ketel adalah sebesar :
λ
QR =
. F . ( Td1 – Td2 ) KJ / Jam
s
λ =
Angka perambatan panas didalam dinding ketel dinyatakan dalam
KJ/m.Jam.oK atau Watt/m.oK.
F =
Luas dinding ketel yang merambatkan panas, dalam m2
s
Tebal dinding ketel dinyatakan dalam meter
=
Td1 =
Temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan api
Td2 =
Temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan air, uap atau udara
2.3.3
Superheater
Pada sistem pembangkit listrik tenaga uap dibutuhkan pemanas lanjut uap atau
superheater, uap berasal dari boiler. Fungsi pemanas lanjut pada pemanasan ini yaitu
meningkatkan kualitas uap yang dihasilkankan boiler. Uap yang dihasilkan boiler
masih berupa uap basah. Jika uap basah ini digunakan langsung untuk
menggerakkan turbin, maka kurang menguntungkan. Selain sudu turbin uap akan
cepat rusak, kerja yang dihasilkan juga tidak optimum. Dengan pemakaian pemanas
lanjut, uap basah dari boiler akan dikeringkan, sehingga meningkatkan kualitas dan
memberikan kerja pada turbin uap yang lebih baik.
2-9
Pemanas lanjut umumnya terbuat dari pipa-pipa dengan diameter luar 2 sampai
3 inchi. Pipa dengan diameter kecil mempunyai tegangan tekanan yang lebih rendah
dan dapat menahan tekanan dengan lebih baik. Pipa dengan diameter lebih besar,
penurunan tekanan aliran uapnya lebih rendah dan lebih mudah dibersihkan. Oleh
karena pipa-pipa itu mengalami suhu yang tinggi, bahan konstruksinya harus dipilih
dengan baik. Dibawah 850oC kita dapat memakai baja karbon. Tetapi, pemanas
lanjut modern yang beroperasi dibawah 1000oC biasanya terbuat dari paduan baja
khusus berkekuatan tinggi yang dipilih karena kekuatannya dan ketahanannya
terhadap tahanan korosi. Paduan mana yang dipakai bergantung pada kondisi uap
dan jenis bahan bakar, terlebih-lebih bila bahan bakar itu mengandung
ketakmurnian. Tegangan yang diijinkan untuk bahan itu berkurang secara drastis
bila suhu meningkat..
Ada beberapa jenis pemanas lanjut yang umum ditemui antaralain ;
a. Pemanas lanjut konveksi
b. Pemanas lanjut radiasi
c. Pemanas lanjut radiasi-konveksi.
a. Pemanas lanjut konveksi
Pemanas lanjut konveksi merupakan jenis pemanas lanjut yang perpindahan
kalor antara gas bakaran atau gas asap dan pipa-pipa berlangsung secara konveksi.
Pada Pemanas lanjut konveksi, bila permintaan akan uap meningkat ,aliran bakar
dan udara meningkat dan oleh karena itu juga aliran gas bakaran akan meningkat
pula. Koefisien perpindahan kalor didalam dan diluar pipa juga meningkat, sehingga
koefisien perpindahan kalor menyeluruh antara gas dan uap meningkat lebih cepat
2-10
daripada peningkatan laju aliran massa uap itu sendiri. Jadi, uap akan menerima
perpindahan kalor persatuan aliran massa lebih besar dan suhunya pun meningkat
bersamaan dengan peningkatan beban.
Panas yang diterima secara konveksi dari gas asap sebanyak :
Qk = Ggas x P.Jgas x ( tgas masuk – tgas keluar ) [KJ/Jam]
Ggas = Jumlah gas asap yang lewat [ Kg/Jam]
P.Jgas = Panas Jenis gas asap [ KJ/Kg.oC]
t = Temperatur dalam [oC]
Jumlah Ggas atau gas asap yang lewat tergantung dari jumlah bahan bakar yang
di bakar (Be), dengan ini Ggas sebanding atau berbanding lurus dengan sedikit atau
banyaknya jumlah bahan bakar (Be) yang dibakar.
Disamping itu, jumlah bahan bakar yang dibakar (Be) sebanding dengan jumlah
uap yang diproduksi oleh sebuah ketel (S). Karena Ggas sebanding dengan Be dan
Be sebanding pula dengan S, maka Ggas sebanding pula dengan S atau jumlah uap
yang diproduksi. Adapun panas yang diserap oleh uap sebanyak :
Qs = S x P.Juap x (tuap keluar – tuap jenuh)
S
=
Jumlah uap yang diproduksi oleh ketel ( Kg/Jam)
P.Juap
=
Panas jenis uap (KJ/Kg.oC), yang dalam hal ini harganya konstan
tuap jenuh
=
Temperatur uap jenuh masuk superheater (oC).
Untuk ketel
dengan tekanan uap tertentu, temperatur uap jenuhnya tertentu
pula dan konstan.
2-11
Dengan asumsi tidak terjadi kehilangan panas , maka:
Qk = Qs
atau :
Ggas x P.Jgas x ( tgas masuk – tgas keluar ) [KJ/Jam] = S x P.Juap x (tuap keluar – tuap
jenuh)
b. Pemanas Lanjut Radiasi
Pemanas lanjut radiasi adalah pemanas lanjut yang mengalami perpindahan
kalor secara radiasi atau menerima panas dari api secara pancaran. Pemanas lanjut
ini digunakan karena kebutuhan akan penyerapan kalor yang lebih besar, sehingga
penempatan pemanas lanjut lebih dekat ke suhu tinggi, dan tampak dari nyala
bakaran. Kecepatan aliran uap ditingkatkan demi meningkatnya koefisien
perpindahan kalor, dan keseluruhan rancangan pemanas lanjut itu diperbaiki untuk
mengatasi suhu logam yang lebih tinggi.
Perpindahan kalor melalui radiasi sebanding dengan Tf4-Tw4 dimana tf dan tw
masing-masing adalah suhu absolut nyala dan dinding pipa. oleh karena tf jauh lebih
besar dari tw, perpindahan kalor terutama sebanding dengan Tf4. Oleh karena tf
tidak banyak tergantung dari beban, perpindahan kalor persatuan massa aliran uap
akan berkurang jika aliran uap bertambah. Jadi peningkatan aliran uap karena
peningkatan beban akan mengakibatkan terjadinya penurunan pada suhu uap
keluar ; kebalikan dari dari pengaruh pemanas lanjut konveksi.
Panas yang diterima secara radiasi sebanyak ;
Qp = C x F x [ ( 0.01 x Tapi )4 – (0.01 x Tpipa sup. )4 ] [KJ/Jam]
2-12
C =
Konstanta pancaran dari Stephan-Boltzmann [ Kj / m2 . Jam . oK4 ]
F =
Luas bidang superheater yang dipanaskan [ m2 ]
Tapi =
Temperatur api didalam tungku [ oK ] yang harganya senantiasa konstan
tidak tergantung dari besar kecilnya api didalam tungku. tetapi
tergantung dari jenis bahan bakar yang dibakar dan temperatur udara
pembakaran yang dimasukkan kedalam tungku.
Tpipa sup. = Temperatur pipa superheater [ oK ], yang harganya relatif konstan, tidak
tergantung dari besar kecilnya api.
Adapun panas yang diserap oleh uap di dalam superheater radiasi yaitu :
Qs = S x P.Juap x (tuap keluar – tuap jenuh )
Bila tidak ada kerugian panas maka : Qp = Qs
Pada pembangkit uap suhu rendah digunakan hanya pemanas lanjut konveksi
saja. Pemanas lanjut radiasi-konveksi digunakan untuk suhu tinggi.
2.3.3.1 Pengaturan suhu panas uap lanjut
Untuk suhu uap diatas 480oC, ketel harus dilengkapi dengan suatu sistem
pengatur suhu yang gunanya untuk menjaga suhu uap tetap pada batas yang aman.
sehingga tegangan yang berlebihan pada superheater dapat dihindari, batasan suhu
uap ini tergantung dari spesifikasi material yang digunakan.
Pengaturan suhu dapat dilakukan dengan berbagai cara seperti berikut :
a. Mengatur damper
b. Mengatur kemiringan burner
c.
merubah posisi burner
d. Desuperheater
2-13
e. Kombinasi superheater –kondenser
f. Mengatur sirkulasi gas panas
g. Menyusun dua buah damper
2.3.4 Turbin Uap
Turbin uap adalah peralatan untuk mengubah energi uap menjadi energi gerak.
Uap yang dihasilkan oleh pembangkit uap diubah menjadi energi gerak dengan cara
menyemprotkan aliran uap tersebut melalui nosel yang ditangkap oleh sudu-sudu
turbin sehingga poros turbin berputar.
2.3.5 Kondensor
Tugas utama kondensor adalah untuk mengembunkan uap buangan dari turbin
dan dengan demikian memulihkan air umpan berkualitas tinggi untuk dipakai lagi
didalam siklus tenaga uap. Dalam melaksanakan itu, kondensor juga melaksanakan
fungsi lain yang malah lebih penting. Jika suhu air pendingin yang bersirkulasi
cukup rendah, dan biasanya memang demikian, ini akan menimbulkan tekanan balik
yang rendah (vakum) untuk membuang uap keluar turbin. Tekanan ini sama dengan
tekanan jenuh yang sehubungan dengan suhu kondensasi uap, yang merupakan
fungsi suhu air pendingin itu. Seperti diketahui, penurunan entalpi, dan karena itu
juga kerja turbin, persatuan penurunan tekanan, jauh lebih besar
pada bagian
bertekanan rendah daripada di ujung yang bertekanan tinggi pada turbin itu.
Kondensor , dengan menurunkan tekanan hilir beberapa psia saja, efisiensi instalasi
meningkat, dan aliran uap pun berkurang untuk suatu keluaran instalasi yang tetap.
Makin rendah tekanan, makin besar efek ini. Jadi, dari segi thermodinamika, penting
2-14
sekali menggunakan suhu air pendingin yang serendah mungkin. Instalasi daya
dengan kondensasi, oleh karena itu lebih efisien daripada tidak menggunakan
kondensasi.
2.3.6 Generator
Generator adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengubah tenaga mekanik
menjadi tenaga listrik. Berdasarkan macam tegangan listriknya, maka generator
dibedakan menjadi :

AC Generator

DC Generator
AC generator adalah yang menghasilkan tegangan AC, sedangkan DC generator
adalah generator yang menghasilkan tegangan DC.
Umumnya pembangkit listrik menggunakan AC generator atau sering disebut
juga dengan Alternator ( mesin sinkron ). Pada dasarnya alternator terdiri dari dua
bagian yaitu bagian yang berputar ( rotor ) dan bagian yang tidak berputar/diam
(stator). Pada dasarnyagenerator bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetik,
dimana bila suatu konduktor digerakkan pada medan magnet (fluks) maka tegangan
akan dibangkitkan pada konduktor tersebut..
Berdasarkan teori elektromagnetik, dapat diturunkan rumus sebagai berikut :
E = CnΦ Volt
dimana :
E =
Tegangan Induksi (volt)
Φ =
Fluks ( webber )
2-15
n
=
Putaran ( rpm )
C =
Konstanta ( volt / rpm Wb )
Pada putaran konstan ( n = konstan ), maka tagangan induksi sebanding dengan
fluks
( E ~ Φ ), sedangkan fluks magnet adalah Φ = N.Iex
dimana :
N = Jumlah lilitan kutub
Iex = Arus penguatan kutub atau arus exsitasi
Maka dapat disimpulkan bahwa E = f (Iex), dimana besarnya tegangan yang
dihasilkan tergantung dari besarnya arus penguatan.
Pada saat medan magnet diputar maka garis fluks yang dibangkitkan akan
memotong konduktor-konduktor pada stator yang disusun sedemikian rupa sehingga
konduktor tersebut akan terinduksi dan menghasilkan tegangan.
Pada alternator hubungan kecepatan putaran rotor (rpm), frekuensi (hz), dan
jumlah
kutub
(P),
secara
matematis
ns = 120 . f / P
dimana :
ns = Putaran sinkron
2-16
dapat
ditulis
sebagai
berikut :