BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian HRSG

HRSG (Heat Recovery Steam Generator) adalah ketel uap atau boiler yang

memanfaatkan energi panas sisa gas buang satu unit turbin gas untuk memanaskan

air dan mengubahnya menjadi uap, dan kemudian uap tersebut dipergunakan

untuk menggerakkan turbin uap. Pada umumnya HRSG tidak dilengkapi

pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar, sehingga tidak terjadi

proses perpindahan/penyerapan panas radiasi. Proses perpindahan/penyerapan

yang terjadi hanyalah proses konveksi dan konduksi dari gas buang turbin gas ke

dalam air yang akan diproses menjadi uap melalui elemen-elemen pemanas

didalam ruang boiler HRSG.

Gbr. 2.1 Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU)

HRSG sangat bermanfaat untuk meningkatkan hasil guna (efisiensi) bahan

bakar yang dipakai pada unit turbin gas, yang selanjutnya akan menggerakkan

unit turbin uap. Sistem pembangkit listrik yang memanfaatkan proses ini yaitu

PLTGU (Pusat listrik tenaga gas dan uap). HRSG adalah bagian penting PLTGU,

dimana unit pembangkit PLTGU disebut juga Blok PLTGU.

Universitas Sumatera Utara

Kapasitas produksi uap yang dapat dihasilkan HRSG tergantung pada

kapasitas energi panas yang masih mengandung gas buang dari unit turbin gas

yang berarti masih tergantung pada beban unit turbin gas. Pada dasarnya turbin

gas yang beroperasi pada putaran tetap, aliran udara masuk kompressor juga tetap,

perubahan beban turbin yang tidak konstan dengan aliran bahan bakar tetap,

sehingga suhu gas buang juga berubah mengikuti perubahan turbin gas.

2.2 Bagian Bagian Utama HRSG

Heat Recovery Steam Generator terdiri dari beberapa bagian elemen yaitu

pemanas awal kondensat (kondensat preheater), ekonomiser, evaporator, dan

superheater yang masing-masing memiliki fungsi yang berbeda. Pada sub bab ini

akan membahas fungsi masing-masing elemen pada Heat Recovery Steam

Generator.

1. Pemanas awal kondensat (condensate preheater atau CPH)

Pemanas awal kondensat berfungsi memanaskan air yang berasal dari

kondensat keluaran turbin uap, kemudian air yang sudah dipanaskan ini

dialirkan dan dikumpulkan ke tangki air umpan. Umumnya pemanas awal

kondensat ini diletakkan di bagian paling atas sekali dari posisi pipa pipa

pemanas yang ada dan diikuti oleh pipa pipa lainnya.

2. Ekonomiser

Ekonomiser terdiri dari pipa-pipa air yang ditempatkan pada lintasan gas

asap setelah pipa-pipa evaporator. Pipa-pipa ekonomiser dibuat dari bahan

baja atau besi tuang yang sanggup untuk menahan panas dan tekanan tinggi.

Ekonomiser berfungsi untuk memanaskan air pengisi sebelum memeasuki

steam drum dan evaporator sehingga proses penguapan lebih ringan dengan

memanfaatkan gas buang dari HRSG yang masih tinggi sehingga

memperbesar efisiensi HRSG karena dapat memperkecil kerugian panas pada

HRSG tersebut. Air yang masuk pada evaporator sudah pada temperatur tinggi

sehingga pipa - pipa evaporator tidak mudah rusak karena perbedaan

temperatur tidak terlalu tinggi.

Universitas Sumatera Utara

3. Evaporator

Evaporator merupakan elemen HRSG yang berfungsi untuk mengubah

air hingga menjadi uap jenuh. Pada evaporator dengan adanya pipa pipa

penguap akan terjadi pembentukan uap. Biasanya pada evaporator kualitas uap

sudah mencapai 0,8 0,98 sehingga sebagian masih berbentuk fase cair.

Evaporator akan memanaskan uap air yang turun dari drum uap panas lanjut

yang masih dalam fase cair agar berbentuk uap sehingga bisa diteruskan

menuju superheater. Perpindahan panas yang terjadi pada evaporator adalah

film pool boiling, dimana air yang dipanaskan mendidih sehingga mengalami

perubahan fase menjadi uap jenuh. Jenis evaporator ada 2 (dua) jenis yaitu

evaporator bersikulasi alami (bebas) dan evaporator bersikulasi paksa (dengan

pompa).

4. Superheater

Superheater rmerupakan alat yang berfungsi untuk menaikkan

temperatur uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut (superheater vapour).

Uap lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi

didalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun, sehingga mengurangi

kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik

(back stroke) yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya

sehingga menimbulkan vakum ditempat yang tidak semestinya di daerah

ekspansi.

Selain komponen komponen utama HRSG di atas, HRSG juga

dilengkapi peralatan bantu lainnya yang fungsinya sangat menunjang kinerja

HRSG, antara lain:

Drum uap

Sebagai wadah yang berfungsi memisahkan campuran air uap dan

keluarannya berupa uap jenuh kering (saturated steam), yang kemudian

dialirkan ke superheater.

Cerobong asap

Sebagai laluan yang membantu tarikan gas buang ke atmosfer. Cerobong

asap terdiri dari diffuser, diverter dan silencer.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Diagram PLTGU dengan HRSG Single Pressure

2.3 Siklus Gabungan (Combine Cycle)

Siklus gabungan adalah suatu siklus yang memanfaatkan gas buang dari

turbin gas (PLTGU) untuk memanaskan air dalam ketel, dengan menggunakan

heat exchanger berupa HRSG dan uap yang dihasilkan HRSG tersebut digunakan

untuk menggerakkan generator listrik.

Gas turbin dari turbin gas keluar pada umumnya 500C. Disebabkan

tekanan rendah, suhu tinggi (entalpi tinggi) ini, gas buang tidak dapat

dimanfaatkan menjadi fluida kerja. Regenerator dapat digunakan untuk

memanfaatkan gas terbuang ini dengan cara memanaskan gas keluar dari

kompressor sebelum masuk ke ruang bakar. Beberapa halangan dalam

penggunaan regenerator:

1. Regenerator mengakibatkan penurunan tekanan antara outlet

kompressor dan inlet ruang bakar yang menyebabkan naiknya kerja

kompressor karena untuk tekanan inlet turbin yang tertentu. Outlet

compressor tekanannya harus lebih tinggi.

Universitas Sumatera Utara

2. Regenerator menimbulkan naiknya tekanan luar (back pressure) turbin

yang menyebabkan turunnya kerja turbin.

3. Regenerator sulit untik melayani debit aliran yang tinggi.

Pada gambar 2.3 berikut menampilkan skema pembangkit daya dengan

menggunakan HRSG.

HRSG

C

Gambar 2.3 Pembangkit daya siklus gabungan Keterangan:

P = Pompa

HRSG = Heat Recovery Steam Generator

TU = Turbin Uap

C = Condenser

K = Kompressor

RB = Ruang Bakar

TG = Turbin Gas

Pembangkitan daya seperti gambar 2.3 diatas, disamping menghasilkan

efisiensi yang tinggi dan keluaran daya yang lebih besar siklus gabungan bersifat

luwes, mudah dinyalakan dengan beban tak penuh, cocok untuk operasi beban

RB

TG

TU

K

P

Universitas Sumatera Utara

besar dan turbin bersiklus mempunyai efisiensi dalam daerah beban yang luas.

Kelemahannya berkaitan dengan keruwetannya, karena pada dasarnya instalasi ini

menggabungkan dua teknologi didalam satu kompleks pembangkit daya.

2.4 Siklus Turbin Gas

Turbin gas merupakan alat yang mengkonversi energi kimia bahan bakar

menjadi energi mekanis melalui proses pembakaran, kemudian energi mekanis

tersebut dikonversi oleh generator menjadi energi listrik.

Prinsip kerja sistem ini adalah udara atmosfer masuk ke dalam kompresor

yang berfungsi menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga

temperaturnya naik. Kemudian udara bertekanan tinggi itu masuk ke dalam ruang

bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara

tersebut, sehingga terjadi proses pembakaran.

Proses pembakaran tersebut berlangsung pada tekanan konstan, sehingga

bisa dikatakan bahwa ruang bakar hanyalah digunakan untuk menaikkan

temperatur udara. Gas pembakaran yang bertemperatur tinggi itu kemudian masuk

ke dalam turbin gas dimana energinya dipergunakan untuk memutar sudu turbin

60 % dari daya yang dihasilkan turbin untuk memutar kompresornya sendiri,

sisanya baru digunakan untuk memutar generator.

Siklus ideal ini terdiri dari 2 proses isobar yang terjadi diruang bakar dan

proses pembuangan gas bekas, serta 2 proses isentropik yang terjadi pada

kompresor dan ekspansi gas pada turbin.

Gambar 2.4 Siklus Turbin Gas Terbuka

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.5 Diagram T-s

Gambar 2.6 Diagram P-V

Jalannya proses dapat diterangkan sebagai berikut (Frietz Dietzell, 1992,

hal 156) :

1-2 : merupakan proses kompresi isentropik dalam kompresor,

kondisi 1 adalah udara atmosfer, sedangkan temperatur

udara hasil kompresi T2 dapat diketahui dari hubungan:

T2 = T1 .1

Dimana : rp = rasio tekanan P2/P1 =perbandingan panas spesifik pada tekanan

konstan, untuk udara nilai = 1,4

Universitas Sumatera Utara

2-3 : proses penambahan panas pada tekanan konstan dalam ruang

bakar, panas yang ditambahkan pada ruang bakar adalah:

Qin = Cp (T3 T2)

3-4 : proses ekspansi isentropik dalam turbin, temperatur gas

keluar T4 dihitung dengan hubungan:

T4 = T3 . 11

4-1 : merupakan proses pelepasan kalor ke lingkungan pada

tekanan konstan, besarnya kalor yang dilepas dapat dihitung:

Qin = Cp (T4 T1)

Kerja netto turbin ( Wnet ) merupakan kerja berguna yang dihasilkan

turbin setelah kerja ekspansi dikurangi dengan kerja kompresi. Besar kerja netto

turbin adalah:

Wnet = WT - WK

= (h3 h4) (h2 h1) Daya netto turbin merupakan daya keluaran turbin (daya yang dibutuhkan

generator) setelah memperhatiksn kerugian-kerugian, maka daya netto turbin

adalah:

Pnet = g. WT g. WK Efisiensi siklus merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang dengan

efektif dengan kalor yang dimasukkan ke sistem (Yunus A.Cengel, 1979), yaitu:

= W net

= (3 2 ) (4 1)/(3 2) =1 - 4 1

32 2.5 Neraca Kalor

Panas pada instalasi turbin gas murni (siklus brayton), panas Qout ini

dibuang ke udara atmosfer. Gas yang dibuang ini masih memiliki kandungan

energi panas yang tinggi. Dengan menggunakan HRSG panas yang dibuang ini

akan dimanfaatkan.

Panas yang dibuang ini dimanfaatkan untuk memanaskan air pada HRSG

yang distribusikan pada superheater, evaporator, ekonimiser dan preheater.

Universitas Sumatera Utara

Apabila dianggap tidak ada kerugian panas ke udara atmosfer peralatan, dapat

dituliskan kesetimbangan energi pada setiap peralatan HRSG:

1. Pipa superheater:

Qsup = ms (h7 h6) = mgas (he hg)

2. Pipa evaporator:

Qeva = ms (h6 h5) = mgas (hg hf)

3. Pipa ekonomiser:

Qeko = ms (h5 h4) = mgas (hf - hh)

4. Pipa preheater:

Qpre = ms (h3 h2) = mgas (hh h1)

Jadi, jumlah energi panas yang dimanfaatkan HRSG adalah:

QHRSG = Qsup + Qeva + Qeko + Qpre

= ms (h7 h2)

Laju aliran massa uap dapat diperoleh dari hukum kesetimbangan kalor,

dimana:

Quap = Qgas

uap (h2 h1) = gas (hg in hg out)

uap = gas (hg in hg out) / h2 h1

2.6 Proses Pembentukan Uap

Gas buang dari siklus gas masuk ke HRSG untuk mengubah air umpan

menjadi uap kering yang akan digunakan untuk memutar sudu-sudu turbin uap

hingga dapat memutar beban dalam hal ini generator listrik. Setelah melalui

beberapa tingkatan sudu turbin sebagian uap diekstraksikan ke pemanas awal

tekanan tinggi dan tekanan rendah, sedangkan sisanya masuk ke kondensor untuk

dikondensasikan dan selanjutnya akan dipompakan ke HRSG melalui pemanas air

pada tekanan tinggi, dari HRSG ini air umpan yang sudah menjadi uap kering

dialirkan ke turbin.

Beberapa parameter desain yang penting berkaitan dengan turbin uap

adalah tekanan uap masuk turbin. Mengambil tekanan uap masuk lebih tinggi

akan menguntungkan, karena ukuran sudu-sudu akan menjadi lebih kecil. Namun

tekanan yang terlalu tinggi akan mengakibatkan efisiensi akan menurun.

Universitas Sumatera Utara

Parameter lain yang penting dari turbin uap adalah tekanan kondensor, dalam hal

ini turbin uap dan kondensor akan disesuaikan dengan Heat Recovery Steam

Generator (HRSG).

2.7 Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat yang berfungsi

sebagai tempat terjadinya perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya

tinggi ke tempat temperaturnya rendah atau sebaliknya, tanpa ada pencampuran

antara fluida satu dengan fluida lainnya.

Kalor yang dilepas fluida panas sebesar:

qh = h . Ch . (1 - 2) Kalor yang diterima fluida dingin:

qc = c . Cc . (1 - 2) Dimana kalor yang dilepas fluida panas sama dengan klaor yang diterima

fluida dingin.

Subskrip h dan c masing masing menandakan fluida panas dan dingin.

qg = . c . dT

Dimana c = panas spesifik.

TC TC

Th1 Th1

Th2 Tc2 Th2

Tc2 Tc1

Tc1

L(m) L(m)

a.Perpindahan panas searah b.Perpindahan panas berlainan arah

Gambar 2.7 Distribusi temperatur pada alat penukar kalor.

Laju pindahan panas dapat dinyatakan dengan beda temperatur rata rata

logaritma LTMD:

Universitas Sumatera Utara

Q = U . A . LTMD Dimana:

U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m2.C)

A = luas permukaan perpindahan kalor (m2)

LTMD = Beda temperatur logaritma rata rata (C)

LTMD = (1 Tc 1) (Th 2 Tc 2) ln[(1 1)/(2 2)] ..(J.P.Holman,1998, hal.491)

Persamaan ini dapat digunakan untuk aliran lawan arah. Maka dapat

dikatakan LTMD adalah beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda

suhu pada ujung yang satu lagi dibagi logaritma almiah dari perbandingan kedua

suhu tersebut.

Pada proses penguapan evaporasi dan pengembunan (kondensasi) satu

fluida tidak mengalami perubahan suhu, walaupun perpindahan panas telah

berlangsung diantara kedua fluida. Hal ini disebabkan kalor yang diterima dan

yang dilepas oleh fluida (kalor laten) tidak digunakan untuk menaikkan

temperatur tetapi digunakan untuk mengubah fase fluida. Distribusi temperatur

evaporasi dapat dilihat pada gambar berikut:

TC TC

Th1 Th1

Th2 Th2

Tc1 Tc2 Tc1 Tc2

L(m) L(m)

a.Distribusi temperatur aliran sejajar b.Distribusi temperatur aliran silang

Gambar 2.8 Distribusi temperatur pada proses evaporasi

Universitas Sumatera Utara

Maka beda suhu rata rata logaritma adalah:

LTMD = (1 Tc 1) (Th 2 Tc 2) ln[(1 1)/(2 2)].(J.P. Holman,1998, hal.491)

Gambar 2.9 Faktor koreksi untuk penukar kalor shell and tube

Universitas Sumatera Utara