mesin tenaga uap

23
MESIN TENAGA UAP Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar [gambar 19.1] dimana fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap panas dibangkitkan di dalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap untuk diekspansi yang akan menghasilkan energi mekanik. Di dalam turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik di dalam sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin uap akan menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga uap. A. Siklus Termodinamika Mesin Uap Proses termodinamika dari siklus Rankine di atas adalah sebagai berikut [gambar 19.2 dan 19.3] ; 1-2 Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pompa 2-3 Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler 3-4 Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin uap 4-1 Prose pengeluaran panas pada tekanan konstan pada kondensor. Fluida kerja berupa air jenuh dari kondensor dikompresi di pompa sampai masuk boiler . Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur T1 ke T2 kemudian di dalam boiler air dipanaskan dari T2 ke T3. Sumber energi panas (qmasuk) berasal dari proses pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap panas masuk masuk

Upload: mohamad-hasyim-zayadi

Post on 05-Jul-2015

674 views

Category:

Documents


13 download

TRANSCRIPT

Page 1: MESIN TENAGA UAP

MESIN TENAGA UAP Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar [gambar 19.1] dimana fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap panas dibangkitkan di dalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap untuk diekspansi yang akan menghasilkan energi mekanik.

Di dalam turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik di dalam sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin uap akan menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga uap.

A. Siklus Termodinamika Mesin Uap

Proses termodinamika dari siklus Rankine di atas adalah sebagai berikut [gambar 19.2 dan 19.3] ;1-2 Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pompa2-3 Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler3-4 Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin uap4-1 Prose pengeluaran panas pada tekanan konstan pada kondensor.Fluida kerja berupa air jenuh dari kondensor dikompresi di pompa sampai masuk boiler . Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur T1 ke T2 kemudian di dalam boiler air dipanaskan dari T2 ke T3. Sumber energi panas (qmasuk) berasal dari proses pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap panas masuk masuk turbin dan berekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun (T3 ~T4). Selama proses ekspansi pada turbin terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu menghasilkan putaran poros turbin. Uap yang ke luar dari turbin kemudian dikondensasi (pendinginan) pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun, kemudian siklus berulang lagi.

B. Siklus Aktual dari Siklus Rankine

Penyimpangan siklus aktual dari siklus ideal dikarenakan karena beberapa faktor seperti gesekan fluida, kerugian panas, dan kebocoran uap [gambar 19.4 dan 19.5]. Gesekan fluida mengakibatkan tekanan jatuh pada banyak perlatan seperti boiler, kondensor dan di pipa-pipa yang menghubungkan banyak peralatan. Tekanan

Page 2: MESIN TENAGA UAP

jatuh yang besar pada boiler mengkibatkan pompa membutuhkan tenaga yang lebih untuk mempompa air ke boiler. Tekanan jatuh juga mengakibatkan tekanan uap dari boiler ke turbin menjadi lebih rendah sehingga kerja turbin tidak maksimal.Kerugian energi panas banyak terjadi pada peralatan. Pada turbin karena proses ekspansi uap panas pada sudu-sudu dan rumah turbin banyak kehilangan panas. Kebocoran uap juga mengibatkan kerugian yang tidak dapat diremehkan, biasanya terjadi di dalam turbin. Karena sebab-sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun. Proses termodinamika dari siklus Rankine di atas adalah sebagai berikut [gambar 19.2 dan 19.3] ;1-2 Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pompa2-3 Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler3-4 Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin uap4-1 Proses pengeluaran panas pada tekanan konstan pada kondensor.

Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap. Dimana komponen utama

dari sistem tersebut yaitu : Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai

fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap.

C. Peralatan Sistem Tenaga Uap

C.1. BoilerPeralatan yang paling penting pada mesin tenaga uap berbentuk bejana tekan berisi fluida air yang dipanasi lansung oleh energi kalor dari proses pembakaran, atau dengan elemen listrik atau energi nuklir. Air pada boiler akan terus menyerap kalor sehingga temperaturnya naik sampi temperatur didih, sehingga terjadi penguapan. Pada boiler yang menggunakan drum sebagai penampung uap, air akan mengalami sirkulasi selama proses pendidihan. Ada dua cara sirkluasi air yaitu sirkulasi alamiah dan sirkulasi paksa. Sirkulasi air alamiah terjadi karena perbedaan massa jenis antara air panas dengan air yang lebih dingin, air panas akan naik ke permukaan drum dan air lebih dingin turun. Sirkulasi air paksa terjadi karena air disirkulasikan dengan bantuan dari pompa. Untuk menghasilkan kapasitas uap yang besar, dibutuhkan jumlah kalor yang besar sehingga sirkulasi air harus bagus sehingga tidak terjadi overheating pada pipa-pipa airnya. [gambar 19.7] Untuk boiler yang tidak menggunakan drum uap akan langsung dikirim ke turbin uap, boiler jenis ini disebut boiler satu laluan.

Page 3: MESIN TENAGA UAP

Ada dua tipe dari boiler yang sudah biasa dipakai yaitu;a. Firetube Boiler atau Boiler pipa api.Boiler jenis ini pada bagian tubenya dialiri dengan gas pembakaran dan bagian lainya yaitu sell dialiri air yang akan diuapkan [gambar 16.20]. Tube-tubenya langsung didinginkan oleh air yang melingkupinya. Jumlah pass dari boiler bergantung dari jumlah laluan horizontal dari gas pembakaran diantara furnace dan pipa-pipa api. Laluan gas pembakaran pada furnace dihitung sebagai pass pertama. Boiler jenis ini banyak dipakai untuk industri pengolahan mulai skala kecil sampai skala menengah.

b.Watertube boiler atau boiler pipa air.Boiler jenis ini banyak dipakai untuk kebutuhan uap skala besar [gambar 19.7]. Prinsip kerja dari boiler pipa air berkebalikan dengan pipa api, gas pembakaran dari furnace dilewatkan ke pipa-pipa yang berisi air yang akan diupakan. Ada dua keuntungan menggunakan boiler pipa air daripada pipa api yaitu kapasitas yang besar dapat dicapai dengan memperbanyak jumlah tube atau pipa tanpa bergantung ukuran dari sell dan drum.Keuntungan kedua adalah sell dan drum uap tidak terkena radiasi langsung dari kalor pembakaran sehingga dimungkinkan dibuat boiler dengan kapasitas dan tekanan uap yang besar. Berbagai jenis bahanbakar dapat dipakai pada boiler tipe ini, variasi ukuran juga tidak menimbulkan masalah.

C.2. Turbin uapPerlatan yang paling utama dalam sistem tenaga uap adalah TURBIN UAP. Turbin uap berfungsi sebagai tempat untuk mengkonversikan energi yang terkandung dari uap panas dari boiler menjadi energi mekanik poros turbin.Secara umum turbin uap dibagi menjadi dua yaitu turbin uap jenis impuls dan jenis reaksi. Prinsip kerja kedua jenis turbin uap sudah dibahas pada bab turbin. Komponen turbin uap yang paling penting adalah sudu-sudu, karena di sudu-sudu inilah sebagian besar energi uap panas ditransfer menjadi energi mekanik. [gamba 21.12]

C.3. KondensorProses konversi energi dari satu energi menjadi energi lainnya untuk mesin-mesin panas selama transfer energi selalu ada transfer panas pada fluida kerja. Jadi tidak semua energi panas dapat dikonversikan menjadi energi berguna atau dengan kata lain "harus ada yang dibuang ke lingungan" Pada sistem tenaga uap proses transfer panas ke lingkungan terjadi pada kondensor. Sudah jelas fungsi kondensor adalah alat penukar kalor untuk melepaskan panas sisa uap dari turbin. Uap sisi dari turbin uap masih dalam keadaan uap jenuh dengan energi yang sudah berkurang. Di dalam kondensor semua energi dilepaskan ke fluida pendingin

D. Ekonomiser

Peralatan tambahan yang sangat penting pada mesin tenaga uap adalah ekonomiser. Ekonomiser adalah sejenis heat exchanger yang terdiri dari fluida air yang akan masuk boiler. Pemasangan ekonomiser pada laluan gas buang dan cerobong asap [gambar 19.16]. Ekonimiser dirancang mempunyai banyak sirip dari material logam untuk memperluas permukaan singgung perpindahan kalor dari gas buang yang bertemperatur tinggi ke fluida air bertemperatur lebih rendah dibanding lKarena hal tersebut fluida air pada ekonomiser akan mudah menyerap panas dari gas buang dari proses pembakaran. Temperatur air yang ke luar dari ekonomiser lebih tinggi dari temperatur lingkungan sehingga setelah masuk boiler tidak dibutuhkan energi kalor yang besar. Energi kalor yang dibutuhkan hanya untuk menaikkan temperatur dari ekonomiser menjadi temperatur didih boiler. Jadi dengan pemasangan ekomiser akan menaikkan efisiensi sistem. Karena ekonomiser disinggungkan dengan gas buang yang banyak

Page 4: MESIN TENAGA UAP

mengandung zat- zat polusi yang dapat menimbulkan korosi, maka pemilihan material dari ekonomiser bergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan pada stoker atau burner [

E. Superheater

Kondisi uap dari boiler yang masuk instalasi perpipaan sebelum masuk turbin akan banyak mengalami perubahan terutama kehilangan kalor yang tidak sedikit dan kondensasi sehingga pada waktu masuk turbin energinya tidak maksimal. Untuk mengatasi hal tersebut uap dari boiler dipanaskan kembali sampai kondisi uap panas lanjut. Saluran pipa yang berisi uap jenuh setelah dari boiler dilewatkan ke gas pembakaran sehingga terjadi perpindahan kalor kembali ke uap (gambar). Karena ada kalor yang masuk, temperatur uap jenuh akan naik sampai kondisi uap panas lanjut. Sebagai contoh uap jenuh yang ke luar dari boiler bertmperatur sekitar 200 C akan naik sampai 540 C dalam kondisi superheated. Dengan kondisi uap panas lanjut yang masuk turbin akan menaikkan efisiensi turbin. Setiap kenaikan 6 C temperatur uap akan mengurangi kebutuhan uap sebesar 1% [gambar 19.18]

F.Burner

Sumber energi kalor atau panas diperoleh dari proses pembakaran.Proses pembakaran pada mesin tenaga uap terjadi pada furnace. Pada furnace terdapat burner. Furnace ditempatkan menyatu dengan boiler dan terpisah dengan fluida kerja air yang mengalir pada pipa-pipa boiler.Berdasarkan dari jenis bahan bakar yang digunakan, burner diklasifikasikan menjadi tiga yaitu1. Burner untuk bahan- bakar cair2. Burner untuk bakar bakar gas3. Burner untuk bahan bakar padatBerbagai macam teknologi telah dikembangkan untuk menaikkan efisiensi dari proses pembakaran. Efiseinsi proses pembakaran yang tinggi akan menaikkan efisiensi total dari furnace dan jumlah panas yang ditransfer ke boiler menjadi semakin besar. Furnace harus mudah dikendalikan untuk merespon jumlah uap dengan temperatur dan tekanan tertentu.

F.1. Burner untuk bahan bakar cair

Burner dengan berbahan bakar cair mempunyai permasalahan khusus yaitu proses mixing antara bahan-bakar cair dan udara. Untuk memperbaiki pencampuran bahan-bakar udara, proses pengkabutan harus menjamin terjadi atomisasi yang bagus dari bahan-bakar sehingga udara dapat berdifusi dengan mudah masuk ke bahan bakar. Dari proses tersebut akan tercapai campuran yang lebih homogen. Proses pembakaran akan berlangsung menjadi lebih sempurna. Ada beberapa macam tipe dari burner berbahan bakar cair yaitu sebagai berikut :a.Vaporising burner.Burner jenis ini menggunakan bahan bakar cair seperi kerosen dan premium. Bahan-bakar diuapkan terlebih dahulu sebelum bercampur dengan udara. Udara didifusikan ke uap bahan-bakar secara alamiah atau dipaksa dengan fan. Burner tipe ini digunakan pada industri-industri skala kecil [gambar 19.22]

b. Pressure jet burner.Bahan-bakar cair bertekanan tinggi dimasukan melalui lubanglubang dengan posisi tangensial terhadap sumbu nosel, sehingga menghasilkan aliran radial. Di dalam nosel terjadi aliran swirl sehingga diharapkan terjadi atomisasi dengan sempurna, setelah ke luar nosel bahan bakar cair menjadi drople-droplet yang lebih mudah bercampur dengan suara [gambar 16.23]

Page 5: MESIN TENAGA UAP

C. Twin fluid atomizer burner.Proses pengkabutan dari burner model ini dibantu dengan fluida bertekanan, dimana pada waktu proses pengkabutan fluida mempunyai energi kinetik tinggi ke luar dari nosel. Fluida yang sering dipakai adalah udara atau uap bertekanan. Pengunaan uap dianggap lebih menguntungkan. Bahan bakar disemprotkan dengan tekanan tinggi, uap dengan tekanan sedang akan membantu proses pemecahan bahanbakar menjadi droplet, sehingga pengkabutan lebih bagus [gambar 19.24]

F.2. Burner dengan bahan-bakar gasProses pembakaran bahan bakar gas tidak memerlukan proses pengkabutan atau atomisasi, bahan bakar langsung berdifusi dengan udara. Ada dua tipe yaitua. Non aerated burner.Tipe ini bahan-bakar gas dan udara tidak dicampur dulu sebelum terjadi proses pembakaran. Bahan-bakar gas bertekanan dilewatkan melalui nosel, udara akan berdifusi secara alamih dengan bahan bakar. Proses pembakaran dengan burner tipe ini dinamakan pembakaran difusi. b.Aerated burner.Bahan bakar gas dan udara dicampu dulu sebelum terjadi proses pembakaran. Pada burner tipe ini selalu ada pengaman untuk mencegah nyala balik kesumber campuran bahan-bakar udara. Jenis burner ini yang paling umum adalah model bunsen [gambar 19.26]

F. 3. Burner untuk bakar padat.Bahan bakar padat merupakan bahan bakar yang sangat belimpah di alam. Bahan bakar ini harus melalui proses yang lebih rumit daripada jenis bahan-bakar lainnya untuk terbakar. Bahan bakar padat mengandung air, zat terbang, arang karbon dan abu. Air dan gas terbang yang mudah terbakar harus diuapkan dulu melalui proses pemanasan,,sebelum arang karbon terbakar.Bahan bakar padat banyak dipakai sebagai sumber energi pada mesin tenaga uap. Bahan-bakar tersebut dibakar di furnace dengan stoker atau dengan burner. Ada beberapa tipe burner atau stoker yang dipasang di furnace seperti berikut ini :1. Pulvizer fuel burner.Bahan-bakar padat akan dihancurkan lebih dahulu dengan alat pulvizer sampai ukuran tertentu sebelum dicampur dengan udara. Selanjutnya campuran serbuk batu bara dan udara diberi tekanan kemudian disemprotkan menggunakan difuser.  Proses pembakaran dibantu dengan penyalaan dengan bahanbakar gas atau cair untuk menguapkan air dan zat terbang. Udara tambahan diperlukan untuk membantu proses pembakaran sehingga lebih efesien. Burner tipe ini dapat dilihat pada gambar 19.272.Underfeed stokerStoker jenis ini banyak dipakai untuk industri skala kecil, konstruksinya sederhana. Bahan-bakar di dalam berupa batu bara dimasukan ke perapian dengan dengan srew pengumpan. Proses pembakaran terjadi di dalam retort, batu bara akan dipanaskan untuk menguapkan air dan zat terbang kemudian arang terbakar. Sisa pembakaran berupa abu akan digeser ke luar karena desakan batu bara baru yang belum terbakar. Udara tambahan digunakan untuk membantu proses pembakaran sehingga lebih efesien [gambar 19.28]Tempat pembakaran berbentuk plat yang memungkinkan udara utama dapat mengalir dari bawah. Serbuk batu bara dari pulvizer dipindahkan menuju burner dengan udara berkecapatan sedang dengan pipa pengumpan. Proses pembakaran dibantu dengan udara tambahan dari saluran saluran udara sekunder. Ada dua tipe yang umum dipakai yaitu front feed dan top feed fixed grate burner. 4.Chain grate stokerSerbuk batu bara diumpankan dari hopper dengan katup rotari ke grate berjalan, kapasitasnya dibatasi dengan menggunakan plat geloutin. Rotari vane juga digunakan untuk mencegah nyala balik dari grate berjalan ke hopper. Grate berjalan dapat divariasi kecepatannya. Udara pembakaran dilewatkan dari sela-sela grate dan udara tambahan dilewatkan melalui permukaan atas lapisan serbuk batu bara pada grate [gambar 19.30]

Page 6: MESIN TENAGA UAP

5.Fluidized bed stokerBahan bakar berupa serbuk batu bara dikondisikan seperti fluida. Serbuk batu bara terangkat ankat dari grate karena desakan dari udara bertekanan dari bagian bawah grate. Udara bertekanan disuplai dari kompresor. Proses pembakaran terjadi sangat cepat, dibantu dengan penyalaan dengan bahan-bakar gas atau cair. Temperatur pembakaran tidak boleh melebihi dari temperatur leleh dari abu, sehingga tidak terjadi penyumbatan di grate oleh lelehan dari abu. Abu akan turun ke penampung abu di bagian bawah. Serbuk batu bara diumpankan dari feeder. Untuk mencegah emisi gas ke luar ditambahkan limestone atau zat lainnya untuk menetralisir zat polusi seperti sulfat dan nitrat [gambar 19.31]

Once through boilers

Fossil fuels prices become more uncertain and always have tendency to rise, because the lesser reserves on earth caused by the very extensive exploitations around the world. As a consequence, efficiency improvement becoming more important factor in designing power generation systems. Once through boiler is now adapted to design smaller capacity, lower pressure boilers to improve the thermal efficiency The advantages of once through is the mass of water and steam flowing within the boiler is smaller, because all water entered the boiler pipes is converted into steam on the other end of the pipes. In drum type boilers, only a fraction of water is converted into steam when the fluid re-entered into steam drum. Within the drum the steam is separated as the boiler steam output and the remaining water is circulated back into the boiler pipes. Circulation ratio is a factor to measure mass circulation in a boiler, which is the ratio of water mass flow rate circulated in the boiler pipes and steam output, as shown in the figure below.

CR = (mwater) / (msteam)

The CR for once through boilers is then equals to 1, while for drum type boilers the CR numbers is always more than 1 and can be up to 6 depending on the boiler pressure, capacity, and boiler types.

The schematic of smaller size once through boiler is shown below.

Source of heat.

Hydrocarbon fuels, especially fossil fuels, are the main boiler sources of energy accounting for more than 90% of the world total energy supply. Nuclear energy is the next important source energy for boilers accounting for about 11% of the total energy. The application of nuclear energy mainly for electrical energy in steam power plants, naval ship engines, which is shown in the schematic diagram of nuclear power plant below.

Page 7: MESIN TENAGA UAP

Solar energy of direct solar radiation from the has been used as heat source to produce steam on Solar Thermal Power Plant, such as in Solar One and Solar Two in the USA. Solar radiation is concentrated by reflectors and smaller area receiver, to increase energy flux of solar radiation and increase the temperature of the receiver. The picture of a solar thermal power plant is shown below.

TURBIN REAKSI

Turbin reaksi digerakkan dengan air, yang merubah tekanan sehingga melewati turbin dan menaikkan energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau mereka harus sepenuhnya terendam dalam aliran air.

Hukum ketiga Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin reaksi

Turbiin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium.

TURBIN IMPULS

Turbin impuls merubah aliran semburan air. Semburan turbin membentuk sudut yang membuat aliran turbin. Hasil perubahan momentum (impuls) disebabkan tekanan pada sudu turbin. Sejak turbin berputar, gaya berputar melalui kerja dan mengalihkan aliran air dengan mengurangi energi.

Sebelum mengenai sudu turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi menjadi energi kinetik oleh sebuah nosel dan difokuskan pada turbin. Tidak ada tekanan yang dirubah pada sudu turbin, dan turbin tidak memerlukan rumahan untuk operasinya.

Hukum kedua Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin impuls.

Turbin impuls paling sering digunakan pada aplikasi turbin tekanan sangat tinggi.

Page 8: MESIN TENAGA UAP

2.3 Klasifikasi turbin uap

Turbin Uap dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori yang berbeda berdasarkan pada

konstruksinya, prinsip kerjanya dan menurut peoses penurunan tekanan uap sebagai berikut:

2.3.1 Klasifikasi Turbin berdasarkan Prinsip Kerjanya

1. Turbin Impulse

Turbin impuls atau turbin tahapan impuls adalah turbin sederhana berrotor satu atau banyak (gabungan )

yang mempunyai sudu-sudu pada rotor itu. Sudu biasanya simetris dan mempunyai sudut masuk dan

sudut keluar.

Turbin satu tahap.

Turbin impuls gabungan.

Turbin impuls gabungan kecepatan.

Ciri-ciri dari turbin impuls antara lain:

- Proses pengembangan uap / penurunan tekanan seluruhnya terjadi pada sudu diam / nosel.

- Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan Tekanan Rata.

2. Turbin Reaksi

Turbin reaksi mempunyai tiga tahap, yaitu masing-masingnya terdiri dari baris sudu tetap dan dua baris

sudu gerak. Sudu bergerrak turbin reaksi dapat dibedakan dengan mudah dari sudu impuls karena tidak

simetris, karena berfungsi sebagai nossel bentuknya sama dengan sudu tetap walaupun arahnya

lengkungnya berlawanan.

Page 9: MESIN TENAGA UAP

Ciri-ciri turbin ini adalah :

- Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di Nosel dan Sudu Gerak

- Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut Tekanan Bertingkat.

2.3.2 Klasifikasi turbin uap berdasarkan pada tingkat penurunan Tekanan Dalam Turbin

Turbin Tunggal ( Single Stage )

Dengan kecepatan satu tingkat atau lebih turbin ini cocok untuk untuk daya kecil, misalnya penggerak

kompresor, blower, dll.

Turbin Bertingkat (Aksi dan Reaksi ).

Disini sudu-sudu turbin dibuat bertingkat, biasanya cocok untuk daya besar. Pada turbin bertingkat

terdapat deretan sudu 2 atau lebih. Sehingga turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan.

2.3.3 Klasifikasi turbin berdasarkan Proses Penurunan Tekanan Uap

Turbin Kondensasi.

Tekanan keluar turbin kurang dari 1 atm dan dimasukkan kedalam kompresor.

Turbin Tekanan Lawan.

Apabila tekanan sisi keluar turbin masih besar dari 1 atm sehingga masih dapat dimanfaatkan untuk

menggerakkan turbin lain.

Turbin Ekstraksi.

Didalam turbin ini sebagian uap dalam turbin diekstraksi untuk roses pemanasan lain, misalnya proses

industri.

Pusat Pembangkit dan Operasi Ekonomisnya

Pusat pembangkit berfungsi untuk mengkonversikan sumber daya energi primer menjadi energi listrik.Untuk mendapatkan energi listrik dari energi primer dikenal 2 cara yaitu:

o Pembangkit listrik yang konvensional, pembangkit untuk mendapatkan energi listrik dari energi primer menggunakan media perantara (turbin air, turbin uap, turbin gas, motor bakar).

o Pembangkit listrik yang nonkonvensional, pembangkit untuk mendapatkan energi listrik dari energi primer langsung tanpa menggunakan media perantara.

 I. Pusat Pembangkit tenaga Listrik yang konvensional1. Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)Dibedakan atas:

o Macrohydro Power Plant, adalah PLTA yang mempunyai daya lebih besar dari 0.5 Mwatt misal PLTA karang kates, Jati Luhur dan sebagainya.

Page 10: MESIN TENAGA UAP

o Macrohydro Power Plant, adalah PLTA yang mempunyai daya 10KVA – 500 KVA, yang memanfaatkan tenaga air sungai-sungai kecil ataupun selokan-selokan irigasi dengan tinggi air terjun lebih dari 1-2 meter. Pembangkit ini lebih dikenal dengan PLTM (Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro), misal PLTM Maron di Probolinggo, PLTM Bajang di Blitar, PLTM Brumbung di Kediri dan sebagainya.

II. Pusat Pembangkit Listrik yang menggunakan Bahan Bakar Fosil

1. Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

Bahan bakar berupa minyak, gas, batubara dibakar untuk memanaskan air yang ada didalam boiler atau ketel sampai menghasilkan uap. Uap yang terbentuk ditampung sampai mencapai suhu dan tekanan yang didinginkan kemudian baru dialirkan untuk menggerakkan turbin uap. Turbin uap ini akan menggerakkan sebuah generator yang akan menghasilkan tenaga listrik. Uap yang meninggalkan turbin didinginkan dalam kondensor, kemudian air yang meninggalkan kondensor dipompa kembali ke boiler. Skema pembangkit listrik tenaga uap konvensional dapat dilihat pada gambar berikut:

2. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)

Sistem PLTG menggunakan prinsip siklus Brayton yang dibagi atas siklus terbuka dan siklus tertutup. Pada siklus terbuka, fluida kerja adalah udara atmosfer dan pengeluaran panas di atmosfer karena gas buang dari turbin dibuang ke atmosfer. Gambar berikut menunjukkan sistem dan siklus kerja Brayton:

 

Untuk meningkatkan efisiensi panas mesin Brayton sederhana dapat menggunakan alat pemanas ulang (Heat Recovery) yang disebut regenerator dan digunakan untuk memutar turbin uap. Regenerator adalah suatu penukar panas aliran lawan-arah, dimana panas dipindahkan dari gas buang ke gas buang kompresor. Sistem ini dikenal dengan teknologi Combined Cycle yang mana siklusnya ditunjukkan pada gambar berikut:

 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP)

Pada dasarnya sistem PLTP sama dengan PLTU yaitu menggunakan turbin uap. Hanya saja berbeda sumber uap yang digunakan sebagai penggerak turbin. Dan juga desain PLTP harus tahan korosif akibat air garam yang terkandung pada sumber air panas. Jenis pembangkit PLTP dapat dibedakan berdasarkan keadaan sumber panas bumi sebagai penghasil uap.

Page 11: MESIN TENAGA UAP

Bagian & Cara Kerja PLTU : Condenser, Feedwater, Water Treatment & Cooling Tower (3)

Pembakaran batu bara di dalam furnace meninggalkan sisa berupa abu batu bara. Abu tersebut menempel pada elemen-elemen superheater dan permukaan water wall panel. Lapisan abu yang semakin tebal akan mengurangi efisiensi pembakaran.

Oleh karena itu perlu dilakukan pembersihan secara rutin dengan mempergunakan alat yang bernama sootblower. Pembersihan elemen-elemen superheaters mempergunakan steam sootblower, sedangkan water sootblower dipergunakan untuk membersihkan water wall panel.

Coal and Ash Handling adalah bagian tak terpisahkan dari PLTU. Peralatan paling dominan dari coal handling system ini adalah belt conveyor. Conveyor tersebut berfungsi untuk mengangkut batu bara dari unloader port ke coal storage yard, dan dari storage yard ke boiler house.

Sementara dalam ash handling system, pengangkutan debu batu bara dilakukan melalui sistem perpipaan dibantu dengan udara bertekanan. Bisa juga dilakukan secara manual menggunakan dump truck.

Page 12: MESIN TENAGA UAP

System terakhir dari PLTU yang akan saya tulis adalah Balance of Plant. Balance of Plant ini terdiri dari beberapa sub sistem, di mana yang paling penting adalah =-  Condenser system, Feedwater system, Water Treatment Plant, Cooling Tower.

Setelah selesai memutar turbine, uap dibuang ke condenser yang posisinya tepat berada di bawah LP Turbine. Di dalam condenser uap tersebut diubah menjadi air untuk dipompakan kembali ke dalam boiler.

Condenser memerlukan air pendingin untk mengubah uap menjadi air. Beberapa PLTU memanfaatkan air laut sebagai pendingin condenser, sementara PLTU yang lain mempergunakan cooling tower untuk mendinginkan air condenser yang diputar terus menerus dalam sistem tertutup (closed loop).

Condenser system terdiri dari beberapa peralatan utama, yaitu condenser itu sendiri, condenser tube cleaning system, condenser vaccum system dan condensate pump. Condenser vaccum system berfungsi untuk menjaga agar tekanan di dalam condenser selalu lebih kecil dari tekanan atmosfer. Hal ini dilakukan untuk meningkatkan plant efficiency dari PLTU.

Water Treatment plant berfungsi untuk memproduksi semua kebutuhan air bagi operasional PLTU. Pada dasarnya ada 2 jenis air yang dibutuhkan PLTU. Yang pertama adalah demineralized water (demin water) untuk mensuplai boiler dalam memproduksi uap penggerak turbin. Disebut demineralized water karena air tersebut sudah dihilangkan kandungan mineralnya.

Yang kedua adalah raw water yang diperlukan untuk pendingin (cooling water) bagi mesin-mesin PLTU dan untuk dipergunakan sebagai service water.

Secara umum water treatment system PLTU terdiri dari desalination plant untuk memproses air laut atau air payau menjadi raw water, demineralized plant untuk memproduksi demin water dan tanki-tanki atau kolam penyimpanan air.

Sebagaimana saya tulis di muka, uap yang meninggalkan turbin masuk ke condenser untuk diubah kembali menjadi air. Air tersebut dipompa kembali masuk ke boiler untuk diproses menjadi superheated steam yang siap memutar turbin.

Jadi di sini terjadi closed-loop system. Air dan uap diolah terus menerus dalam sistem tertutup untuk menggerakkan turbin uap (steam turbine). Meskipun demikian tetap ada air atau uap yang hilang sebagai system loses dalam proses tersebut. Maka selama PLTU beroperasi selalu diperlukan penambahan demin water baru secara kontinyu.

Air yang dipompa masuk kembali ke dalam boiler biasa dikenal dengan nama boiler feedwater. Sistem yang mensuplai feedwater ini terdiri dari beberapa peralatan utama, yaitu :

-  Feedwater pumps-  Feedwater tank yang dilengkapi dengan deaerator tank-  Feedwater heaters

Feedwater tank berfungsi untuk menampung feedwater sebelum dipompa masuk ke boiler oleh feedwater pumps. Pada PLTU berkapasitas kecil, pompa feedwater digerakkan oleh motor listrik, sedangkan pada PLTU berkapasitas besar mempergunakan turbin uap mini.

Page 13: MESIN TENAGA UAP

Untuk meningkatkan efisiensi PLTU, sebelum dipompa masuk ke boiler, feedwater harus dipanaskan terlebih dahulu hingga mencapai suhu tertentu. Pemanasan tersebut dilakukan dengan heater (heat exchanger), yang berlangsung secara konduksi dengan memanfaatkan uap panas yang diambil (diektraksi) dari turbin. Jadi selain diteruskan ke condenser, ada sejumlah kecil uap dari turbin yang diambil untuk memanaskan feedwater heater.

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) terdiri dari beberapa system utama, yaitu :

1. Turbine & Generator

2. Boiler (Steam Generator)

3. Coal Handling System

4. Ash Handling System

5. Flue Gas System

6. Balance of Plant

Turbine & generator bisa dibilang sebagai the heart of the plant, karena dari bagian inilah energi listrik dihasilkan. Generator yang berputar dengan kecepatan tetap, menghasilkan energi listrik yang disalurkan ke jaringan interkoneksi dan selanjutnya didistribusikan ke konsumen.

Steam turbine (turbin uap) yang berfungsi untuk memutar generator, terdiri dari HP (high-pressure) turbine, IP (intermediate-pressure) turbine dan LP (low-pressure) turbine.Turbine & generator memiliki beberapa peralatan pendukung, yaitu lubricating oil system dan generator cooling system.

Boiler (steam generator) berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. Uap bertekanan sangat tinggi yang dihasilkan boiler dipergunakan untuk memutar turbine. Boiler terbagi menjadi beberapa sub system, yaitu :

- Boiler house steel structure- Pressure parts- Coal system- Air system- Boiler cleaning system

Boiler (Steam Generator)

Air yang disuplai ke boiler, pertama kali masuk ke economizer inlet header, terus didistribusikan ke economizer elements, berkumpul kembali di eco outlet header lalu disalurkan ke steam drum. Economizer terletak di dalam backpass area (di bagian belakang boiler house), sementara steam drum ada di bagian depan roof area.

Dinamakan economizer karena bagian ini berfungsi untuk menaikkan temperatur air yang baru masuk boiler dengan cara memanfaatkan gas buang dari pembakaran batu bara di furnace area (combustion chamber). Dengan pemanasan awal di economizer ini effisiensi ketel uap dapat ditingkatkan.

Page 14: MESIN TENAGA UAP

Akibat pemanasan secara konveksi di daerah furnace dan karena gaya gravitasi, air di dalam steam drum air mengalami sirkulasi turun ke water wall lower header melalui pipa downcomers. Dari waterwall lower header air kembali mengalami sirkulasi karena panas, naik menuju water wall upper header melalui tube-tube water wall panel. Kemudian dari waterwall upper header air dikembalikan ke steam drum melalui riser pipes.

Jadi akibat panas pembakaran batu bara air mengalami sirkulasi terus menerus. Sirkulasi ini menyebabkan air di water wall panel & steam drum sebagian berubah menjadi uap.

Pada PLTU berkapasitas besar, sirkulasi tersebut dibantu oleh Boiler water Circulating Pump yang terpasang pada pipa downcomers bagian bawah. Sirkulasi yang lebih cepat akan menyebabkan kecepatan perubahan air menjadi uap juga lebih besar.

Di dalam steam drum terdapat separator yang berfungsi untuk memisahkan uap dari air. Uap yang sudah dipisahkan tersebut, dari steam drum disalurkan ke roof steam inlet header yang terhubung ke boiler roof panel. Boiler roof panel ini yang membawa uap ke belakang menuju backpass panel.

Dari backpass panel, uap disalurkan ke Low Temperature Superheater (LTS) yang ada di dalam backpass area, di atas economizer elements. dari LTS uap disalurkan ke Intermediate Temperature Superheaters (ITS). Selanjutnya melalui pipa superheater-desuperheater, uap dibawa ke High Temperature Superheater (HTS) elements untuk menjalani proses pemanasan terakhir menjadi superheated steam.

ITS dan HTS elements lokasinya berada di dalam furnace (ruang pembakaran batu bara) bagian atas. Beberapa boiler manufacturers memberikan nama yang berbeda kepada LT, IT dan HT superheater.

Dari High Temperature Superheater outlet header, superheated steam dengan temperature 500-600 derajat C dan tekanan sangat tinggi disalurkan ke steam turbine melalui pipa main steam.

Pada PLTU berkapasitas kecil, uap tersebut masuk ke High Pressure Turbine, terus ke Low Pressure Turbine dan keluar menuju condenser. Sedangkan pada PLTU berkapasitas besar, setelah memutar HP turbine uap tersebut dibawa kembali ke boiler melalui pipa cold reheat.

Di dalam boiler uap tersebut mengalami pemanasan kembali di dalam Reheater elements. Reheater elements ini biasanya terletak di antara furnace area dan backpass area.

Setelah mengalami pemanasan kembali, reheated steam disalurkan ke Intermediate Pressure Turbine melalui pipa Hot Reheat. Setelah memutar Intermediate dan Low Pressure Turbine, baru uap keluar ke condenser.

Secara sederhana bagaimana siklus PLTU itu bisa dilihat ketika proses memasak air. Mula-mula air ditampung dalam tempat memasak dan kemudian diberi panas dari sumbu api yang menyala dibawahnya. Akibat pembakaran menimbulkan air terus mengalami kenaikan suhu sampai pada batas titik didihnya. Karena pembakaran terus berlanjut maka air yang dimasak melampaui titik didihnya sampai timbul uap panas. Uap ini lah yang digunakan untuk memutar turbin dan generator yang nantinya akan menghasilkan energi listrik.

Secara sederhana, siklus PLTU digambarkan sebagai berikut :

Page 15: MESIN TENAGA UAP

Siklus PLTU

1. Pertama-tama air demin ini berada disebuah tempat bernama Hotwell.2. Dari Hotwell, air mengalir menuju Condensate Pump untuk kemudian dipompakan menuju LP Heater

(Low Pressure Heater) yang pungsinya untuk menghangatkan tahap pertama. Lokasi hotwell dan condensate pump terletak di lantai paling dasar dari pembangkit atau biasa disebut Ground Floor. Selanjutnya air mengalir masuk ke Deaerator.

3. Di dearator air akan mengalami proses pelepasan ion-ion mineral yang masih tersisa di air dan tidak diperlukan seperti Oksigen dan lainnya. Bisa pula dikatakan deaerator memiliki pungsi untuk menghilangkan buble/balon yang biasa terdapat pada permukaan air. Agar proses pelepasan ini berlangsung sempurna, suhu air harus memenuhi suhu yang disyaratkan. Oleh karena itulah selama perjalanan menuju Dearator, air mengalamai beberapa proses pemanasan oleh peralatan yang disebut LP Heater. Letak dearator berada di lantai atas (tetapi bukan yang paling atas). Sebagai ilustrasi di PLTU Muara Karang unit 4, dearator terletak di lantai 5  dari 7 lantai yang ada.

4. Dari dearator, air turun kembali ke Ground Floor. Sesampainya di Ground Floor, air langsung dipompakan oleh Boiler Feed Pump/BFP (Pompa air pengisi) menuju Boiler atau tempat “memasak” air. Bisa dibayangkan Boiler ini seperti drum, tetapi drum berukuran raksasa. Air yang dipompakan ini adalah air yang bertekanan tinggi, karena itu syarat agar uap yang dihasilkan juga bertekanan tinggi. Karena itulah konstruksi PLTU membuat dearator berada di lantai atas dan BFP berada di lantai dasar. Karena dengan meluncurnya air dari ketinggian membuat air menjadi bertekanan tinggi.

5. Sebelum masuk ke Boiler untuk “direbus”, lagi-lagi air mengalami beberapa proses pemanasan di HP Heater (High Pressure Heater). Setelah itu barulah air masuk boiler yang letaknya berada dilantai atas.

6. Didalam Boiler inilah terjadi proses memasak air untuk menghasilkan uap. Proses ini memerlukan api yang pada umumnya menggunakan batubara sebagai bahan dasar pembakaran dengan dibantu oleh udara dari FD Fan (Force Draft Fan) dan pelumas yang berasal dari Fuel Oil tank.

7. Bahan bakar dipompakan kedalam boiler melalui Fuel oil Pump. Bahan bakar PLTU bermacam-macam. Ada yang menggunakan minyak, minyak dan gas atau istilahnya dual firing dan batubara.

8. Sedangkan udara diproduksi oleh Force Draft Fan (FD Fan). FD Fan mengambil udara luar untuk membantu proses pembakaran di boiler. Dalam perjalananya menuju boiler, udara tersebut dinaikkan suhunya oleh air heater (pemanas udara) agar proses pembakaran bisa terjadi di boiler.

9. Kembali ke siklus air. Setelah terjadi pembakaran, air mulai berubah wujud menjadi uap. Namun uap hasil pembakaran ini belum layak untuk memutar turbin, karena masih berupa uap jenuh atau uap yang masih mengandung kadar air. Kadar air ini berbahaya bagi turbin, karena dengan putaran hingga 3000 rpm, setitik air sanggup untuk membuat sudu-sudu turbin menjadi terkikis.

10. Untuk menghilangkan kadar air itu, uap jenuh tersebut di keringkan di super heater sehingga uap yang dihasilkan menjadi uap kering. Uap kering ini yang digunakan untuk memutar turbin.

Page 16: MESIN TENAGA UAP

11. Ketika Turbin berhasil berputar berputar maka secara otomastis generator akan berputar, karena antara turbin dan generator berada pada satu poros. Generator inilah yang menghasilkan energi listrik.

12. Pada generator terdapat medan magnet raksasa. Perputaran generator menghasilkan beda potensial pada magnet tersebut. Beda potensial inilah cikal bakal energi listrik.

13. Energi listrik itu dikirimkan ke trafo untuk dirubah tegangannya dan kemudian disalurkan melalui saluran transmisi PLN.

14. Uap kering yang digunakan untuk memutar turbin akan turun kembali ke lantai dasar. Uap tersebut mengalami proses kondensasi didalam kondensor sehingga pada akhirnya berubah wujud kembali menjadi air dan masuk kedalam hotwell.

Siklus PLTU ini adalah siklus tertutup (close cycle) yang idealnya tidak memerlukan lagi air jika memang kondisinya sudah mencukupi. Tetapi kenyataannya masih diperlukan banyak air penambah setiap hari. Hal ini mengindikasikan banyak sekali kebocoran di pipa-pipa saluran air maupun uap di dalam sebuah PLTU.

Mengapa uap yang keluar dari turbin tidak langsung dipakai lagi dimasukkan ke boiler?

1. Setelah terjadi pembakaran pada boiler, air mulai berubah wujud menjadi uap. Namun uap hasil pembakaran ini belum layak untuk memutar turbin, karena masih berupa uap jenuh atau uap yang masih mengandung kadar air. Kadar air ini berbahaya bagi turbin, karena dengan putaran hingga 3000 rpm, setitik air sanggup untuk membuat sudu-sudu turbin menjadi terkikis.

2. Untuk menghilangkan kadar air itu, uap jenuh tersebut di keringkan di super heater sehingga uap yang dihasilkan menjadi uap kering. Uap kering ini yang digunakan untuk memutar turbin.

3. Ketika turbin berhasil berputar berputar maka secara otomastis generator akan berputar, karena antara turbin dan generator berada pada satu poros. Generator inilah yang menghasilkan energi listrik.

4. Uap kering yang digunakan untuk memutar turbin akan turun kembali ke lantai dasar. Uap tersebut mengalami proses kondensasi didalam kondensor sehingga pada akhirnya berubah wujud kembali menjadi air dan masuk kedalam hotwell.

1.Air demineralized (air tanpa kandungan mineral/air murni) dipompakan ke boiler dari condenser (kita bicara boiler turbin uap yang siklus airnya tertutup) dengan pompa melalui pipa economiser, di economiser , air menerima panas tapi belum menguap/masih fasa air.2. Air tersebut masuk ke boiler drum dan diteruskan ke seluruh water tube evaporator untuk dirubah fasanya menjadi uap jenuh (saturated steam) dan kembali lagi ke boiler drum.3. Uap di boiler drum dialirkan (uap melalui saluran diatas, sedangkan air dibawah) ke superheater tube yg berada paling dekat dengan sumber panas untuk merubah uap jenuh menjadi uap panas lanjut (superheated steam)4. superheated steam kemudian dialirkan ke steam turbin untuk menggerakkan blade turbin.5. setelah melalui turbin temperatur uap menurun/begitu juga enthalpy nya, fasanya berubah kembali ke uap jenuh & mengalir ke condenser.6. di condenser fasanya dirubah kembali ke fasa cair dan kemudian dipompakan kembali ke boiler.