pengaruh perubahan beban generator listrik

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP
Pada PLTU, energi sebagai suatu arus panas dihasilkan dari pembakaran
bahan bakar fosil/konvensional. Energi berupa panas tersebut digunakan untuk
memanaskan boiler dan menghasilkan uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi.
Energi
berupa
panas
dikonversikan
menjadi
energi
mekanikal
yang
menggerakkan/memutar sebuah generator, perubahan energi panas menjadi mekanikal
dan energi listrik ini melalui suatu siklus konversi energi yang sangat bergantung pada
jumlah panas, pola suhu dan suhu lingkungan atau suhu penerima panas yang tersedia
(dalam hal ini boiler). Suatu siklus panas menerima sejumlah energi panas pada suatu
suhu tertentu, dan merubah sebagian energi panas itu menjadi kerja, membuang atau
meneruskan yang selebihnya kepada lingkungan atau penerima panas itu sebagai
“energi kerugian” pada suhu yang lebih rendah (dalam hal ini dapat dilihat pada
fungsi kondensor).
II.1.1 Siklus Tenaga Uap
Siklus Rankine atau siklus tenaga uap merupakan
siklus teoritis paling
sederhana yang mempergunakan uap sebagai media kerja sebagaimana dipergunakan
pada sebuah pusat listrik tenaga uap. Pusat listrik tenaga uap yang terdiri atas
komponen-komponen terpenting yaitu : Boiler, Turbin Uap, Kondensor dan Generator
listrik. Jumlah energi masuk sebagai bahan bakar melalui boiler adalah Em,
sedangkan energi efektif yang tersedia pada poros turbin adalah energi kerja Ek.
Energi yang terbuang melalui kondensor adalah sebesar Eb. Dengan menganggap
semua kerugian lainya adalah Eb, maka dapat sikatakan bahwa berlaku :
Em = Ek + Eb
Sedangkan untuk efisiensi kerja dapat ditulis :
η=
Ek
Em − Eb
=
Em
Em
Universitas Sumatera Utara
Dalam gambar 2.2, merupakan suatu diagram suhuentropi konstelasi, menurut
gambar 2.2, luas 1-2-3-4 merupakan energai keluaran E k , sedangkan luas a-b-3-4
merupakan energi terbuang E b , luas wilayah a-b-2-1 mewakili jumlah energi
masukan E m . Untuk meningkatkan dayaguna siklus ini dapat dilakukan dengan
menurunkan tekanan kondensor. Secara ideal takanan kondenser yang terendah adalah
tekanan jenuh sesuai suhu terendah dari air pendingin atau udara yang dipakai sebagai
penerima. Dalam diagram suhu-entropi hal ini berarti menutunkan garis suhu 4-3. hal
ini dapaat dilakukan dengan menggunakan air pendingin pada kondensor yang
mempunyai suhu yang lebih rendah. Akan tetapi hal ini sangat terbatas, karena air
pendingin yang dapat dipakai hanyalah apa yang tersedia, yaitu air laut, air sungai,
atau danau yang ada.
suhu
Pemanas
lanjut
uap
2
boiler
Ek
turbin
1
air
2
1
3
Em
4
4
pompa
3
Eb
kondensor
Gambar 2.1. Skema pusat listrik tenaga uap
a
b
entropi
Gambar2.2. Siklus Rankine
II.1.2 Siklus Pemanasan Ulang
Peningkatan efisiensi dapat pula dilakukan dicapai dengan mempergunakan
proses pemanasan ulang. Proses pemanasan ulang ini terlihat pada gambar 2.3. turbin
uap tebagi dua bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT) dan bagian Tekanan Rendah
(TR). Uap yang telah dipakai pada taraf pertama meninggalkan bagian TT pada titik 3
dan dialirkan kembali ke boiler untuk pemanasan ulang, kemudian dimasukkan
kembali ke turbin pada titik 4 dan dipakai oleh bagian TR turbin uap tersebut.
Universitas Sumatera Utara
suhu
uap tekanan 2
kotak turbin
tinggi
boiler
Ek
air
Em
4
G
3
3
4
uap tekanan
rendah
1
2
1
5
6
5
6
pompa
Eb
kondensor
(a)
a
b
entropi
(b)
Gambar 2.3. PLTU dengan Proses Pemanasan Ulang
Luas 1-2-3-4-5-6 dari gambar 2.3b yang mewakili jumlah energi yang dimanfaatkan,
dengan demikian menjadi lebih besar, dan dayaguna atau efisiensi termal dari pusat
tenaga listrik menjadi lebih besar pula. Untuk mesin-mesin yang lebih besar,
pemanasan ulang dapat dilakukan hingga dua kali, dan turbin uap terbagi atas tiga
bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT), Tekanan Menengah (TM), dan Tekanan
Rendah (TR). Keuntungan dari pemanasan kembali adalah untuk menghindari
terjadinya korosi, pengikisan, peningkatan kualiltas uap, peningkatan efisiensi sudu
dan nosel, efisiensi panas, dan daya luaran. Tetapi biaya yang diperlukan untuk
pemanasan kembali lebih besar dibandingkan dengan keuntungan yang didapat dari
peningkatan efisiensi panas, disamping itu pemelliharaan menjadi lebih banyak
II.1.3 Siklus Regeneratif
Dalam apa yang dinamakan siklus regeneratif sebagian dari energi yang
berada didalam rangkaian panas dipertahankan beredar dalam rangkaian itu. Hal
demikian dilakukan dengan misalnya memanaskan air yang keluar dari kondensor
dengan uap yang “dipinjam” dari turbin, sebelum dimasukkan ke boiler sebagaimana
terlihaat dalam gambar 2.4b.
Universitas Sumatera Utara
suhu
uap tekanan tinggi
1
uap tekanan
rendah
box
turbin
boiler
Ek
2
1
G
3
8
4
air
Em
6
5
8
7
2
7
3
5
4
Eb
6
kondensor
a
b
entropi
(a)
(b)
Gambar 2.4. PLTU dengan Siklus Regeneratif
II.2 KOMPONEN UTAMA PLTU
Strukutur dan komponen-komponen utama sebuah pusat listrik tenaga uap
(PLTU) terlihat pada gambar 2.5. Sebuah boiler bekerja sebagai tungku,
memindahkan panas berasal dari bahan bakar kepada barisan pipa-pipa air yang
mengelilingi api. Air harus berada senantiasa dalam keadaan mengalir walaupun
dilakukan dengan pompa.
Sebuah drum berisi air dan uap bertekanan dan suhu tinggi menghasilkan uap
yang diperlukan turbin. Drum itu juga menerima air pengisi yang diterima dari
kondensor. Uap mengalir ke turbin tekanan tinggi setelah melewai superhiter guna
meningkatkan suhu kira-kira 200 O C. Dengan demikian uap menjadi kering dan
efisiensi seluruh PLTU meningkat.
Turbin tekanan tinggi merubah energi termal menjadi energi mekanikal
dengan mengembangnya uap yang melewati sudu-sudu turbin. Uap dengan demikian
menurun baik tekanan maupun suhunya. Agar meningkatkan efisiensi termal dan
menghindari terjadinya kondensasi terlalu dini, uap dilewatkan
sebuah pemanas
ulang yang juga terdiri atas barisan-baarisan pipa yang dipanaskan.
Uap yang yang meninggalkan pemanas ulang dialirkan ke turbin tekanan
menengah. Turbin ini ukuranya lebih besar dari turbin tekanan tinggi, karena dengan
menurunya tekanan uapvolume menjadi naik. Uap kemudian dialirkan ke turbin
tekanan rendah, yang memiliki ukuran yang lebih besar. Uap lalu dialirkan ke dalam
Universitas Sumatera Utara
kondensor. Uap terpakai yang memasuki kondensor didinginkan oleh air pendingin,
sehingga menjadi kondensasi. Air pendingin biasanya berasal dari laut, sungai atau
danaua tersekat. Proses kondensai uap menyebabkan terjadinya pakem yang
diperlukan guna meningkatkan efisiensi turbin. Air hangat yang meninggalkan
kondensor dipompakan ke sebuah pemanas awal sebelum dikembalikan ke drum
boiler. Pemanas awal memperoleh panas dari uap yang diambil dari turbin tekanan
tinggi. Menurut beberapa studi yang dilakukan, hal demikian meningkatkan efisiensi
keseluruhan PLTU.
Bahan bakar yang dipakai biasanya tersdiri atas batu bara, minyak bakar, atau
gas bumi. Sebelum dimasukkan ke pembakar boiler. Batu bara digigling terlebih
dahulu. Demikian juga minyak bakar perlu dipanaskan, sebelum dapat dialirkan ke
pembakar boiler. Sebuah kipas mengatur masuknya udara kedalam boiler dalam
jumlah besar sebagaimana diperlukan guna pembakaran. Dan sebuah kipas lain
mengatur agar semua gas buang melewati berbagai alat pembersih sebelum dialirkan
ke cerobong dan dilepas diudara bebas. Geberator listrik terpasang pada poros sama
dengan ketiga turbin.
Selain komponen-komponen utama yang disebutkan diatas, sebuah PLTU
masih memiliki ratusan lagi komponen dan alat lain guna menjalankan seluruh sistem,
seperti katup uap, pembersih air, pompa minyak pelumas, dan lain sebagainya.
Kemudian perlu juga disebut sistem air pendingin, yang terdiri atas tempat air masuk
dan kembali ke laut, sungai ayaua danau. Kemungkinan adanya menara pendingin.
Kemudian instalasi untuk membuat air bersih bagi boiler. Dan bilamana pendinginan
generator dilakukan dengan hidrogen, terdapat pula sebuah instalasi hidrogen. Sebuah
PLTU batu bara juga perlu memiliki sebuaha fasilitas untuk penerimaan batu bara dari
kereta api atau dari laut/sungai serta sebuah halaman batu bara dengan fasilitas
penggilingan. Banyak PLTU batu bara juga dilengkapi dengan fasilitas untuk
memanfaatkan abu terbangnya guna dibuat batu bata untuk bangunan atau jalanan.
Dan tidak kalah penting perlu adanya fasilitas untuk mengurangi pencemaran. Agar
partikel-partikel tidang dibuang ke uadara melalui cerobong, digunakan presipitator
elektrostatik ( electrostatik presipitator). Dan untuk mengurangi emisi belerang
digunakan peralatan desulfuralisasi gas buang (fluegas desulfurization, FGD). Sulfur
sering terdapat pada batu bara. Untuk mengurangi masalh ini dikembangkan apa yang
dinamakan teknologi batu bara bersih (clean coal technology).
Universitas Sumatera Utara
10
uap tekanan
menengah
1 Q
3
2
Q2
uap tekanan
rendah
uap tekanan
tinggi
turbin
Q1
P
4
3
5
11
8
air
pendingin
6
9
P
7
P
Gambar 2.5 Komponen utama PLTU
1
: Boiler
P
: Pompa
2
: Drum
Q1
: Pipa-pipa Boiler
3
: Turbin Tekanan Tinggi
Q2
: Superhiter
4
: Turbin Tekanan Menengah
Q3
: Pemanas Ulang
5
: Turbin Tekanan Rendah
6
: Kondensor
7
: Pemanasan Awal
8
: Pembakaran Bahan Bakar
9
: Kipas Udara Masuk
10
: Kipas Gas Buang
11
: Generator
II.2.1 Boiler
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air
sampai terbentuk air panas atau uap (steam). Air panas atau steam pada tekanan
tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah
media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air
dididihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali,
Universitas Sumatera Utara
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. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan.
Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam
dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem,
tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan.
Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan
bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan
pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada
sistem.
Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan.
Dua sumber air umpan adalah: (1) Kondensat atau steam yang mengembun yang
kembali dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus
diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi
boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan
menggunakan limbah panas pada gas buang.
Pada umumnya ketel uap diperlukan pada semua industri/perusahaan yang
memerlukan pemanasan di dalam produksinya atau menggunakan tenaga uap untuk
menjalankan mesin-mesinya. Ketel uap dipakai juga di rumah-rumah sakit untuk
memasak, memanasi suatu bejana, tempat pencucuian dan digunakan untuk penggerak
mesin-mesin yang harus berputar cepat (turbin uap) dan suatu mesin yang
memerlukan suatu tenaga dorong yang sangat kuat (mesin uap), kapal-kapal laut
hingga masa kini masih banyak menggunakan tenaga uap sebagai penggeraknya.
Ketel uap adalah pesawat yang disusun untuk mengubah air dingin (dari air
sumur atau air sungai) untuk menjadi uap dengan jalan pemanasan, karena panas yang
perlu untuk pembentukan uap ini didapat dari pembakaran bahan bakar.
Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio penguapan, berkurang
terhadap waktu disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukaan penukar
panas dan buruknya operasi dan pemeliharaan. Bahkan untuk boiler yang baru
sekalipun, alasan seperti buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat
mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat membantu dalam
mengidentifikasi kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi
Universitas Sumatera Utara
boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari
efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan. Proses
pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi.
Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari
bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi
aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang
dikandung dalam aliran masing-masing.
Gambar 2.6. Diagram neraca energi boiler
Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang
meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikut memberikan
gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.
Gambar 2.7. Kehilangan panas pada boiler yang berbahan bakar batubara
Universitas Sumatera Utara
Ketel uap dapat diklasifikasikan berdasarkan :
1. Jenisnya
A. Ketel Pipa api (Fire Tube Boiler)
B. Ketel Piapa Air (Water Tube Boiler)
C. Ketel Tangki
2. bahan bakar yang digunakan
A. Padat
B. Cair
C. Gas
3. Kegunaan
A. Di darat (stationer)
B. Di laut atau transportasi (locomobile)
4. Tekanan kerja
A. Rendah (< 5 ata)
B. Menengah/medium (5-40 ata )
C. Tinggi (40-80 ata )
D. Ekstra tinggi (super kritis)
5. Produksi uap
A. Kecil (<250 kg/jam)
B. Menengah (250-5000 kg/jam)
C. Besar (>5000 kg/jam)
Gambar 2.8. Jenis boiler bahan bakar minyak
Universitas Sumatera Utara
II.2.1.1 Ketel pipa api (fire tube boiler)
Pada fire tube boiler gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan ada di dalam
shell untuk dirubah menjadi uap. Fire tube boiler biasanya digunakan untuk boiler
dengan kapasitas uap yang relatif kecil dengan tekanan uap rendah sampai sedang.
Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan uap sampai 12000
kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm 2 . Fire Tube Boilers dapat menggunakan
bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk
alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler
(dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.
Air
Pipa api
Gambar 2.9. Gambar sederhana fire tube boiler (ketal pipa api)
II.2.1.2 Ketel pipa air (water tube boiler)
Pada ketel pipa air (water tube boiler), air umpan boiler mengalir melalui pipapipa 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. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam
antara 4500 – 12000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers
yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas.
Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang
secara paket.
Universitas Sumatera Utara
Uap keluar
Air masuk
Udara dan
bahan
bakar
masuk
Ruang bakar
Aliran
Pipa air
Gambar. 2.10. Diagram sederhana Ketel pipa air/water tube boilers
Karakteristik water tube boilers sebagai berikut :
•
Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi
pembakaran.
•
Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air.
•
Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.
II.2.1.3 Ketel tangki (shell type boiler)
Ketel tangki adalah drum atau selongsong (shell) silinder tertutup yang berisi
air. Bagian dari selongsong sedemikian rupa sehingga bagian bawahnya secara
sederhana terekspose ke atas, yaitu gas hasil pembakaran dari luar. Ketel jenis
selongsong berkembang secara perlahan menjadi bentuk yang modern seperti ketel
elektrik,
yang mana panas disuplai elektroda yang dipasang dalam air, atau
akumulator, yang didalamya panas disuplai oleh uap dari sumber luar yang mengalir
melalui pipa-pipa (tubes) di dalam selongsong. Dalam kedua kasus ini selongsong
tidak terekspose ke panas. Jenis ketel ini adalah tangki tegak dan tangki horisontal.
Universitas Sumatera Utara
II.2.2 Turbin Uap
Turbin uap adalah pesawat dengan aliran tetap (steady-flow) machine. Turbin
uap mendapat energi uap yang bertemperatur dan bertekanan tinggi yang berekspansi
melalui sudu-sudu turbin, dimana uap melalui nosel diekspansikan ke sudu-sudu
turbin dengan penuruna tekanan yang drastis sehingga terjadi perubahan energi
kinetik pada uap. Energi kinetik uap yang keluar dari nosel diberikan pada sudu-sudu
turbin. Akibatnya, poros turbin berputar dan menghasilkan tenaga.
Ditinjau dari cara kerja transfer energi uap ke poros, turbin uap dapat
dibedakan atas dua tipe :
1. turbin reaksi
2. turbin impuls (aksi)
Apabila ditinjau dari aliran uap, turbin uap dapat diklasifikasikan atas tiga tipe, yaitu :
1. turbin aliran radial
2. turbin aliran tangensial
3. turbin aliran aksial
II.2.2.1 Turbin Reaksi
Turbin uap reaksi biasanya juga memiliki tingkat Curtis pada awal turbin.
Bagian kedua terbangun sebagai turbin tekanan tersusun reaksi (jenis Parsons).
Penurunan tekanan tiap tingkat lebih rendah dari turbin impuls, sehingga turbin
memerlukan tingkat lebih banyak, namun sudu-sudunya lebih murah. Karena
penurunan tekanan dalam sudu tetap kecil, desain diafragma menjadi lebih sederhana
dan piringannya adalah jenis drum. Efisiensi untuk satu tingkat sedikit lebih baik dari
turbin impuls.
a. Turbin reaksi pertama
b. Sudu turbin reaksi
Ket : Sudu diam (A, A1, A2), sudu bergerak (B, B1, B2)
Gambar 2.11. Prinsip kerja turbin reaksi
Universitas Sumatera Utara
II.2.2.2 Turbin Impuls (Aksi)
Uap mula-mula memasuki tingkat Curtis dengan kecepatan tersusun seperti
pada turbin uap impuls. Uap memasuki tingkat ini melalui regulator, dan tanpa
regulator pada bagian kedua, yaitu turbin tekanan tersusun impuls (Rateau). Pada
setiap tingkat di Rateau, penurunan tekanan atau panas terjadi pada sudu-sudu tetap
dan penurunan tekanan ini dikonversikan menjadi energi kinetik. Karena penurunan
tekanan antara bagian masuk dan keluar sudu tetap adalah besar, maka diperlukan
sealing yang efektif. Susunan yang demikian memerlukan rotor jenis piringan.
Panjang aksial dari satu tingkat adalah relatif lebar karena rancangan diafragma
piringan.
(a) Turbin Buatan Branca 1629
(b) Diagram Sudu Turbin Impuls
Ket : nozzle (A, AA), sudu bergerak (B1, B2, BB1, BB2), sudu diam (C, CC)
Gambar 2.12. Prinsip Kerja Turbin Impuls
II.2.2.3 Turbin Radial
Turbin Ljungstrom adalah turbin uap aliran kearah luar. Panjang aksial sudu
membesar kearah radial untuk memberi kesempatan uap berekspansi. Jumlah rotor
dan casing adalah dua buah yang berputar berlawanan, dengan tiap rotor dihubungkan
dengan satu generator. Turbin ini tidak mempunyai sudu pengarah , dan sudunya
bertipe reaksi. Efisiensinya tinggi, namun tidak dibuat untuk keluaran daya tinggi
karena sudu yang terlalu panjang pada bagian luar terkena tegangan bengkok yang
besar pada bagian akar sudu. Arah aliran uap adalah pada bidang tegak lurus sumbu
mesin, dan arahnya bisa masuk dan keluar.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13. Turbin Ljungstrom
II.2.2.4 Turbin Tangensial
Jenis turbin ini memliki konstruksi yang kokoh akan tetapi efisiensinya sangat
rendah. Pancaran uap dari nosel diarahkan untuk menghembus bucket yang dipasang
melingkar pada rotor (gambar 2.14). arah hembusan uap adalah tangensial (pada garis
singgung putaran bucket).
Gambar 2.14 Turbin Tangensial
Gambar 2.15 Turbin Aliran Aksial
II.2.2.5 Turbin aliran aksial
Tipe ini yang paling populer dan sangat cocok untuk kapasitas besar. Turbin
ini dapat merupakan tipe reaksi dan juga merupakan tipe impuls. Arah aliran uap
sejajar dengan poros (gambar 2.15).
Universitas Sumatera Utara
II.2.3 Kondensor
Kondensor merupakan peralatan untuk mengembunkan kembali uap yang
telah dimanfaatkan untuk memutar turbin uap. Hal ini diperlukan untuk menghemat
sumber air yng ada di sekitarnya serta menjamin kemurnian air yang digunakan dalam
sistem turbin uap agar tidak terjadi pengendapan maupun kotoran-kotoran yang dapat
merusak. Sebagai pendingin kondensor biasanya menggunakan air dingin seperti air
sungai, laut atau air tanah yang sudah diproses melalui water treatment terlebih
dahulu.
uap dari
turbin
Air pendingin menjadi panas keluar pipa
air pendingin dari pipa
sekat
arah aliran air
pompa air
pendingin
pipa
air hasil
kondensasi
air pendingin masuk ke pipa
Gambar 2.16 Kondensor Uap
II.2.4 Generator Listrik
Generator AC yang akan dibahas adalah generator yang termasuk jenis mesin
serempak (mesin sinkron) dimana frekwensi listrik yang dihasilkan sebanding dengan
jumlah kutup dan putaran yang dimilikinya. Listrik yang dihasilkan adalah listrik arus
bolak balik (listrik AC). Mesin penggerak (prime mover) nya dapat berasal dari
tenaga air, tenaga uap, mesin diesel, dan sebagainya.
Generator AC banyak kita jumpai pada pusat-pusat listrik (dengan kapasitas
yang relatif besar). Misalnya pada PLTA, PLTU, PLTD, PLTN, PLTG, dan lain lain.
Universitas Sumatera Utara
Disini umumnya generator AC disebut dengan alternator atau generator saja. Selain
generator AC dengan kapasitas yang relatif besar tersebut, kita mengenal pula
generator dengan kapasitas yang relatif kecil. Misalnya generator yang dipakai untuk
penerangan darurat, untuk penerangan daerah-daerah terpencil (yang belum
terjangkau PLN), dan sebagainya. Generator tersebut sering disebut home light atau
generator set.
Dibandingkan dengan generator DC, generator AC lebih cocok untuk
pembangkit tenaga listrik berkapasitas besar. Hal ini didasarkan atas pertimbanganpertimbangan, antara lain :
•
Timbulnya masalah komutasi pada geberator DC
•
Timbulnya persoalan dalam hal menaikkan/menurunkan tegangan pada listrik
DC. Hal ini menimbulkan persoalan untuk hantaran dalam pengiriman tenaga
listrik (transmisi/distribusi), masalah penampang kawat, tiang transmisi, rugirugi, dan sebagainya.
•
Listrik AC relatif lebih mudah untuk diubah menjadi listrik DC.
•
Masalah efisiensi mesin dan lain-lain pertimbangan.
Konstruksi generator AC lebih sederhana dibandingkan generatoe DC. Bagian-bagian
terpenting dari generator AC adalah :
•
RANGKA STATOR, dibuat dari besi tuang. Rangka stator merupakan rumah
dari bagian-bagian generator yang lain.
•
STATOR, bagian ini tersusun dari plat-plat (seperti yang digunakan juga pada
jangkar dari mesin-mesin arus searah) stator yang mempunyai alur-alur
sebagai tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator berfungsi sebagai
tempat terjadinya GGL induksi.
•
ROTOR, rotor merupakan bagian yang berputar. Pada rotor terdapat kutubkutub magnet dengan lillitannya yang dialiri arus searah, melewati cincin
geser dan sikat-sikat.
•
SLIP RING atau CINCIN GESER, dibuat dari bahan kuningan atau tembaga
yang dipasang pada poros dengan memakai bahan isolasi. Slip ring ini
berputar bersama-sama dengan poros rotor. Jumlah slip ring ada dua buah
yang masing-masing slip ring dapat menggeser sikat arang yang masingmasing merupakan sikat positif dan sikat negatif, berguna untuk mengalirkan
arus penguat magnet ke lilitan magnet pada rotor.
Universitas Sumatera Utara
•
GENERATOR PENGUAT, generator penguat adalah suatu generator arus
searah yang dipakai sebagai sumber arus. Biasanya yang dipakai adalah
dinamo shunt. Generator arus searah ini biasanya dikopel terhadap mesin
pemutarnya bersama generator utama. Akan tetapi sekarang banyak generator
yang tidak menggunakan generator arus searah (dari luar) sebagai sumber
penguat, sumber penguat diambil dari GGL sebagian kecil belitan statornya.
GGL tersebut ditransformasikan kemudian disearahkan dengan penyearah
elektronik sebelum masuk pada bagian penguat.
Generator generator sinkron umumnya dibuat sedemikian rupa sehingga lilitan
tempat terjadinya GGL tidak bergerak, sedangkan kutub-kutub akan menimbulkan
medan magnet berputar. Generator semacam ini disebut generator kutub dalam.
Keuntungan generator kutub dalam ialah bahwa untuk mengambil arus listrik tidak
dibutuhkan cincin geser dan sikat arang. Hal ini disebabkan lilitan-lilitan tempat
terjadinya GGL itu tidak berputar. Genertor sinkron tersebut terutama sangat cocok
untuk mesin-mesin dengan tegangan yang tinggi dan arus yang besar.
Untuk mengalirkan arus penguat ke lilitan penguat yang berputar tetap
diperlukan cincin geser dan sikat arang. Meskipun demikian bukan berarti bahwa hal
tersebut memberatkan karena arus penguat magnet tidak begitu besar dan
tegangannya pun rendah.
Bagian-bagian terpenting dari stator adalah rumah stator, inti stator dan lilitan
stator. Inti stator adalah sebuah silinder yang berlubang, terbuat dari plat-plat dengan
alur-alur di bagian kelilling dalamnya. Didalam alur-alur itu dipasang lilitan statornya.
Ujung-ujung lilitan stator ini dihubungkan dengan jepitan-jepitan penghubung tetap
dari mesin. Bagian-bagian terpenting dari rotor adalah kutup-kutup, lilitan penguat,
cincin geser dan sumbu (as). Konstruksi generator yang umum digunakan adalah jenis
kutub dalam dan yang selanjutnya dibicarakan adalah konstruksi generator kutub
dalam ini. Kelebihan generator kutub dalam pada intinya adalah bahwa genrator ini
dapat menghasilkan tenaga listrik yang sebesar-besarnya, karena tegangan yang
terbentuk dapat langsung diambil dari lilitan statornya.
Secara umum kutub magnet mesin sinkron dibedakan atas :
1. Kutub magnet dengan bagian kutub yang menonjol (salient pole). Konstruksi
seperti ini digunakan untuk putaran rendah, dengan jumlah kutub yang
banyak.
Universitas Sumatera Utara
2. Kutub magnet dengan bagian kutub yang tidak menonjol (non salient pole).
Konstruksi seperti ini digunakan untuk putaran tinggi, dengan jumlah kutub
yang sedikit. Kira-kira 2/3 dari seluruh permukaan rotor dibuat alur-alur untuk
tempat lilitan penguat. Yang 1/3 bagian lagi merupakan bagian yang utuh,
yang berfungsi sebagai inti kutub
Menurut teori listrik, GGL induksi yang dihubungkan pada kumparan dalam
medan magnet ialah :
E = 4.44 . f . ф . N (Volt)
E = 2,22 . f . ф . Z (Volt)
Dimana :
E
: GGL induksi (Volt)
f
: Frekwensi listrik (Hz)
ф
: besarnya fluks magnet (Weber)
N
: jumlah lilitan
Z
: jumlah sisi lilitan
f=
P.n
120
Dimana:
f
: frekuensi listrik
P
: banyaknya kutub magnet
n
: putaran generator per menit
Jadi jika nilai f dimasukkan ke persaman diatas maka :
E = 4.44 .
P.n
. ф . N (Volt)
120
Karena nilai P dan N tidak berubah pada generator maka harga-harga yang
tidak berubah akan dijadikan menjadi suatu ketetapan yang kita sebut dengan
Konstanta (K) sehingga persamaan lebih mudah untuk dipahami.
E=K.n.ф
Dimana :
E
: GGL induksi (Volt)
K
: konstanta
ф
: besarnya fluks magnet (Weber)
Universitas Sumatera Utara
Banyak penyediaan
listrik terdiri atas sistem tiga fase, dan terdapat tiga
pasangan elektromagnet yang terpisah serta tiga set kumparan yang juga terpisah.
Antara masing-masing fase terdapat selisih 120 derajat listrik antara arus ketiga fase.
Ketiga fase itu biasanya ditandai u-v-w, atau juga r-s-t, dan dapat menurut hubungan
delta atau hubungan bintang. Tegangan antara dua fase adalah V. Khusus pada
hubungan bintang, terdapat titik bintang, yang diberi tanda 0. Tegangan antara fase
dan titik bintang adalah V
3 . Daya sebuah generator 3 phasa dinyatakan dalam
rumus berikut :
P=
3 V L− L .I cosφ.
Atau
P = 3 V L− N . I . cosφ ( V dalam satu phasa)
Di mana :
P
: daya (W)
V L− L
: tegangan phasa-phasa (V)
V L− N
: tegangan phasa-netral (V)
I
: arus beban (A)
Cosφ
: faktor daya
Gambar 2.17 Rangkaian listrik generator tanpa beban
Universitas Sumatera Utara
Keteraangan :
If
: arus kumparan medan atau arus penguat
Rf
: hambatan kumparan medan
Ra
: hambatan armatur
Xl
: reaktansi bocor
Vt
: tegangan output/terminal
Ea
: gaya gerak listrik armatur
Pada generator sinkron keadaan jalan tanpa beban menandung arti bahwa arus armatur
(Ia) = 0. Dengan demikian besar tegangan terminal adalah :
Vt = Ea = Eo
Gambar 2.18 Rangkaia listrik generator berbeban
Pada generator sinkron berbeban, maka pada kumparan armatur timbul Ia dan Xm
akibatnya timbul penurunan GGL armatur tanpa beban. Tegangan terminal Vt yang
timbul adalah :
Vt = Ea – I (Ra + j Xs)
Vt = Ea – Ia Zs
Daya nominal sebuah generator biasanya dinyatakan dalam kW, atau MW, ataupun
dalam kVA atau MVA. Daya nominal ditentukan oleh suhu kerja dari kumparan,
sedangkan faktor daya biasanya adalah 0,8. Efisiensi sebuah generator dinyatakan
dalam rasio keluaran dibagi masukan. Keluaran yang bermanfaat merupakan seluruh
masukan dikurangi rugi-rugi. Terdapat dua jenis rugi-rugi yaitu : mekanikal dan
elektrikal. Rugi-rugi mekanikal termasuk gesekan bantalan dan udara, sedangkan
Universitas Sumatera Utara
rugi-rugi elektrikal terdiri atas rugi-rugi besi dan tembaga. Semua rugi-rugi akan
mengakibatkan terjadinya panas yang harus dihilangkan melalui pendinginan.
II.2.4.1 Pengaturan beban aktif dan reaktif
Sistem tenaga listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi para
pelanggan dengan frekwensi yang praktis kontan. Penyimpangan frekwensi dari nilai
nominal harus selalu dalam batas toleransi yang diperbolehkan.
Daya aktif mempunyai hubungan erat dengan nilai frekwensi dalan sistem,
sedangkan beban sistem yang berupa daya aktif maupun rektif selalu berubah
sepanjang waktu. Hal dengan hal ini, maka untuk mempertahankan frekwensi dalam
batas toleransi yang diperbolehkan, penyediaan/pembangakitan daya reaktif dalam
sistem harus disesuaikan dengan kebutuhan pelanggan atas daya aktif, harus selalu
disesuaikan dengan beban daya aktif. Penyesuaian daya aktif ini dilakukan dengan
mengatur besarnya kopel penggerak generator. Penambahan kopel pemutar generator
memerlukan tambah bahan bakar pada unit pembangkit termis dan pada unit PLTA
memerlukan penambahan air. Oleh karenanya produksi MWH memerlukan bahan
bakar pada unit pembangkit termis dan memerlukan sejumlah air pada unit PLTA.
Menurut hukum Newton ada hubungan antara kopel mekanis penggerak
generator dengan perputaran generator yaitu :
(T G - T B ) = H x
dω
dt
Dimana :
TG
: Kopel penggerak generator
TB
: Kopel beban yang membebani generator
H
: Momen inersia dari generator beserta mesin penggeraknya
ω
: kecepatan sudut perputaran generator
sedangkan frekwensi yang dihasilkan generator adalah :
f =
ω
2π
Hal ini berarti bahwa pengaturan frekwensi dalam sistem berarti pula pengaturan
kopel penggerak generator atau juga berarti pengaturan daya aktif dari generator.
Ditinjau dari segi mesin penggerak generator ini berarti bahwa pengaturan frekwensi
sistem adalah pengaturan pemberian bahan bakar pada unit termis dan pengaturan
pemberian air pada unit PLTA. Ditinjau dari segi beban sistem, frekwensi akan turun
Universitas Sumatera Utara
apabila daya aktif yang dibangkitkan tidak mencukupi kebutuhan beban dan
sebaliknya frekwensi akan naik apabila ada surplus daya aktif dalam sistem.
Secara tidak langsung penyediaan daya reaktif dapat pula mempengaruhi
frekwensi sistem, karena penyediaan daya reaktif mempunyai pengaruh besar
terhadap kenaikan tegangan yang selanjutnya dapat menyebabkan kenaikan beban
daya aktif.
Dalam penyediaan tenaga listrik bagi para pelanggan, tegangan yang konstan
seperti halnya frekwensi yang konstan, merupakan salah satu syarat utama yang harus
dipenuhi. Oleh karenanya masalah pengaturan tegangan merupakan masalah operasi
sistem tenaga listrik yang perlu mendapat penanganan tersendiri. Pengaturan tegangan
erat kaitanya dengan
pengaturan daya reaktif dalam sistem. Berbeda dengan
frekwensi yang sama dalam semua bagian sistem, tegangan tidak sama dalam setiap
bagian sistem, sehingga pengaturan tegangan adalah lebih sulit dibandingkan dengan
pengaturan frekwensi. Kalau frekwensi praktis hanya dipenuhi oleh daya nyata MW
dalam sistem, di lain pihak tegangan dipenuhi oleh :
A. Arus penguat generator (eksitasi)
B. Daya reaktif beban
C. Daya reaktif yang didapat dalam sistem (selain generator), misalnya dari
kondensator dan dari reaktor
D. Posisi tap transformator
Dalam sistem tenaga listrik ada dua variabel yang dapat diatur secara bebas, disebut
variabel pengatur (control variabel), yaitu daya nyata (MW) dan daya reaktif
(MVAR). Seperti telah diuraikan diatas, pengaturan daya nyata akan mempengaruhi
frekwensi, sedangkan pengaturan daya reaktif akan mempengaruhi tegangan. Butir a
sampai d tersebut diatas adalah cara untuk mengatur daya reaktif yang harus
disediakan dalam sistem. Secara singkat dapat dikatakan bahwa :
MW merupakan variabel pengatur frekwensi.
MVAR merupakan variabel pengatur tegangan.
Universitas Sumatera Utara