KETEL UAP (BOILER)1. PENDAHULUAN Unit utilitas merupakan sarana penunjang yang diperlukan untuk operasi suatu proses. Unit utilitas ini mencakup beberapa bagian, diantaranya adalah unit pengolahan air, unit pembangkit steam, unit pembangkit listrik, udara tekan dan lain-lain. Pada makalah ini, yang akan dibahas adalah masalah unit pembangkit steam (boiler). 1.1 Prinsip Kerja Boiler Boiler atau ketel uap merupakan sebuah alat untuk menghasilkan uap, dimana terdiri dari dua bagian yang penting : dapur pemanasan, yaitu untuk menghasilkan panas yang didapat dari pembakaran bahan bakar dan boiler proper, yaitu sebuah alat yang mengubah air menjadi uap. Fluida panas (uap) kemudian disirkulasikan dari ketel untuk berbagai proses dalam aplikasi industri, seperti untuk penggerak, pemanas, dan lain-lain. Hal-hal yang mempengaruhi effisiensi boiler adalah bahan bakar dan kualitas air umpan boiler. Parameter-parameter yang mempengaruhi kualitas air umpan boiler antara lain : 1. Oksigen terlarut; Dalam jumlah yang tinggi dapat menyebabkan korosi pada peralatan 2. boiler.

Kekeruhan; Dapat mengendap pada perpipaan dan peralatan proses serta mengganggu proses.

3.

pH; Bila tidak sesuai dengan standart kualitas air umpan boiler dapat menyebabkan korosi pada peralatan.

4.

Kesadahan; Merupakan kandungan ion Ca dan Mg yang dapat menyebabkan kerak pada peralatan dan perpipaan boiler sehingga

menimbulkan local overheating.

1

5.

Fe; Fe dapat menyebabkan air berwarna dan mengendap di saluran air dan boiler bila teroksidasi oleh oksigen.

6.

Asiditas; Kadar asiditas yang tinggi dapat menyebabkan korosi.

Gambar 1.1 prinsip dasar ketel uap

1.2 Tipe Boiler Secara umum, boiler digolongkan menjadi dua tipe : 1. Boiler Pipa Api (Fire Tube Boiler) Pada boiler pipa api, api dan gas panas yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar mengalir melalui pipa-pipa yang dikelilingi oleh air yang berfungsi sebagai penyerap panas. Panas dihantarkan melalui dindingdinding pipa dari gas-gas panas ke air disekelilingnya. Boiler pipa api dapat menggunakan bahan bakar minyak, gas, dan bahan bakar padat.

2

Gambar 1.2 ketel pipa api

Gambar 1.3 boiler pipa api

Boiler pipa api memiliki keuntungan sebagai berikut: Konstruksi yang relatif lebih kuat Biaya perawatan murah Pengoperasian dan perawatan mudah Flexibilitas dalam pengaturan dan perubahan beban pada saat pengoperasiannya

3

Akan tetapi, terdapat juga beberapa hal yang tidak menguntungkan, diantaranya: Kapasitas kecil Efisiensi termal rendah Lambat mencapai tekanan kerja maksimum

2. Boiler Pipa Air (Water Tube Boiler) Pada boiler pipa air, air berada di dalam pipa-pipa yang dikelilingi oleh api dan gas-gas panas yang berada di luar pipa, sehingga pembentukan uap terjadi di dalam pipa-pipa. Pada dinding dapur boiler pipa air, hampir semuanya tertutup oleh pipa-pipa air. Pipa-pipa air ini berfungsi sebagai permukaan perpindahan panas, dan sebagai pendingin dinding dapur boiler sehingga akan

memperpanjang usia pakainya.

Gambar 1.4 Ketel Pipa Air

4

Gambar 1.5 boiler pipa air

1.3 Bagian-Bagian Boiler 1. Ruang bakar/furnace merupakan tempat berlangsungnya pembakaran. 2. Alat pembakar/burner merupakan tempat bercampurnya bahan bakar dengan udara dan melakukan pembakaran. 3. Permukaan penguap/steaming surface, berfungsi menangkap energi kalor dari gas dan meneruskannya ke air sehingga air menjadi uap. 4. Cerobong/stack berfungsi sebagai saluran pembuangan gas asap dan menarik api. 5. Drum uap/steam drum, berfungsi sebagai pengumpul uap, pemisah uap dan tempat pemasukan air.

5

1.4 Alat Tambahan pada Ketel Boiler Alat tambahan pada ketel uap diantaranya yaitu: 1. Indikator tinggi air merupakan alat untuk menunjukan tinggi permukaan air yang ada pada boiler. Alat ini berada di depan boiler. 2. Katup pengaman berfungsi untuk menjaga dari terjadinya peledakan boiler karena tekanan yang melebihi batas. Terdapat empat macam jenis katup pengaman, yaitu: Lever safety valve Berfungsi untuk menjaga tekanan boiler tetap aman. Jika ada tekanan yang melebihiseting, maka katup akan terangkat dari kedudukannya dan uap akan keluar secaraotomatis,sehngga tekanan dalam air akan turun. Dead weight safety valve Umumnya dipakai pada boiler yang diam. Pada tekanan normal pemberat akanmenyebabkan katup terletak pada kedudukannya. Jika tekanan melebihi seting, katupakan terangkat dari

kedudukannya dan uap akan keluar sehingga tekanan normallagi. Jumlah pemberat disesuaikan dengan tekanan perencanaan. High steam and lower safety valve Katup ini terletak di puncak pada ketel uap Cornish dan Lancashire. Katup inidigunakan jika tekanan kerja uap lebih besar daripada seting, dan jika level air dalam boiler terlalu rendah. Spring loaded safety valve Biasanya dipakai pada boiler yang bergerak, misalnya pada kereta api. Terdapat duakatup yang di tempatkan pada dudukan katup. Jika tekanan melebihi seting, makauap mendesak katup. 3. Pemanas air, befungsi untuk menaikkan temperatur air yang masuk ke boiler. Dengan pemanas ini, maka beban termis boiler akan lebih ringan, dan mengurangikerak-kerak pada boiler.

6

4. Pompa pengisi air, berfungsi sebagai pengisi air pada boiler. 5. Pengatur air merupakan alat kontrol otomatis untuk mengatur pemasukan air agar tingginya tetap di dalam boiler. 6. Ekonomiser merupakan jenis dari pemanas air. Akan tetapi, ekonomiser menerima panas dari gas-gas sisa pembakaran yang menuju stack Keuntungan dari ekonomiser yaitu: Mengefisiensikan bahan bakar antara 15-20% Dapat mencegah timbulnya kerak dalam pipa air, karena boiler sudah dipanaskan dan kerak terbentuk dalam pipa-pipa

ekonomiser. 7. Water treatment plant, berfungsi untuk mengolah air agar air tersebut baik untuk boiler. 8. Separator, berguna untuk menghilangkan moist ure - moist ure uap setelah dari boiler untuk didistribusikan. Uap dari boiler dibawa ke dalam chamber yang jauh lebih besar dari pipanya sendiri, sehingga terjadi ekspansi volume. 9. Kipas udara atau blower, berfungsi untuk memasukkan udara ke dalam ruang bakar boiler.

7

Instalasi Ketel Uap

Gambar 1.6 Instalasi Ketel Uap Komponen Utama : 1. Pompa air umpan ketel 2. Economiser 3. Boiler 4. Superheater 5. Alat Pemanas Udara ( APL) 6. Ruang Bakar 7. Cerobong Asap 8. Blower

8

Cara kerja Air umpan ketel dari tangki dipompakan ke economizer untuk dipanaskan awal sebelum masuk ketel uapm Dari economizer air yang sudah hangat dialirkan ke ketel, selanjutnya dipanaskan sampai menghasilkan uap jenuh (saturated steam). Uap jenuh dari ketel dipanaskan lanjut di pemanas lanjut (superheater) dan menghasilkan uap panas lanjut (superheated steam) yang siap untuk digunakan, seperti : Menggerakkan turbin uap (steam turbine) Untuk keperluan pemrosesan (merebus, memanaskan, dll.) Steam generation juga dilengkapi dengan peralatan peralatan keselamatan, seperti : Pengukur level air di ketel Pengukur tekanan di ketel dll

1.5 Bahan Bakar dan Proses Pembakaran Unsur-unsur kimia yang terkandung dalam bahan bakar dan dapat menghasilkan energi panas adalah karbon (C), hidrogen (H2), dan belerang (S). Unsur-unsur tersebut akan teroksidasi di ruang bakar dan membentuk gas-gas yang disebut gas asap. Pada umumnya, bahan bakar juga mengandung oksigen (O2) yang bereaksi terlebih dahulu dengan hidrogen. Adanya hidrogen merupakan kerugian energi panas karena jumlah hidrogen yang seharusnya menghasilkan energi panas di ruang bakar seluruhnya, sebagian telah terambil oleh oksigen.

1.6 Kebutuhan Udara Pembakaran Udara yang dibutuhkan untuk membakar bahan bakar dengan reaksi kimia yang sempurna disebut keperluan udara teoritik dan stokiometrik. Kebutuhan udara biasanya dinyatakan dengan jumlah udara yang diperlukan untuk membakar 1 kg bahan bakar. Dari reaksi kimia dapat ditentukan udara dan

9

gas asap yang terjadi. Kebutuhan udara dan gas asap yang terjadi untuk setiap kg unsur bahan bakar dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 1.1 Kebutuhan udara dan gas asap yang terjadi Keperluan Udara Unsur Bahan Bakr (kg) Oksigen kg/kg Unsur 2,667 8 1 Nitrogen terbawa kg/kg Unsur 8,828 26,483 3,31 Udara Kg/kg Unsur 11,495 34,483 4,31 Gas Asap Hasil hasil reaksi Rumus Kimia CO2 H2O SO2 Jumlah kg/kg unsur 3,667 9 2 Nitroge n kg/kg Unsur 8,828 26,483 3,31 Total kg/kg Unsur 12,495 35,483 5,31

C H S

Jika setiap bahan bakar mengandung unsur-unsur sebagai berikut: Karbon (C) = c kg

Hidrogen (H2) = h kg Belerang (S) = s kg Nitrogen (N2) = n kg Oksigen (O2) = o kg Air (H2O) Abu (A) Total = w kg = a kg 1 kg Maka keperluan udara teoritik (Lt) adalah sebagai berikut: Lt = 11,495 (c) + 34,483 (h-o/8) + 4,31 (s)kg udara/kg bb Keperluan udara yang sebenarnya (Ls) dinyatakan dengan persamaan : Ls = (1 - ) Lt = faktor kelebihan udara (exess air) Harga bergantung pada jenis bahan bakar, ukuran bahan bakar dan cara pembakaran. Ls juga biasa disebut perbandingan bahan bakar/air fuel ratio (AF).

10

Keperluan udara per kg bahan bakar sering dinyatakan dalam Nm3 dengan persamaan: Lsv = = Nm3kg bb

1.7 Gas Asap/ Flue Gas Hasil Pembakaran Jumlah asap yang terjadi jika bahan bakar tidak mengandung abu harus sama dengan penjumlahan udara yang diberikan dengan bahan bakar yang terbakar. Jika udara yang diberikan memiliki faktor untuk setiap kg bahan bakar, udara sejumlah. Lt tidak melakukan reaksi pembakaran. Udara tersebut masih tetap dan berada dengan asap. 1.8 Pengujian Boiler Pengujian boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boilerdari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan. Di dalam pengujian boiler, hal yang harus diperhatikan, yaitu: 1.8.1 Neraca Panas Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk terhadap energi total yang keluar boiler dalam bentuk yang berbeda. Proses pembakararan pada boiler dapatdigambarkan pada diagram neraca energi. Diagram ini menggambarkan energi yang masukdari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadialiran energi dan panas yang hilang.

Gambar 1.7 Diagram neraca energi boiler

11

1.8.2 Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah proses terjadinya perpindahan panas dari temperature tinggi ke temperatur rendah melalui suatu media. Panas selalu bergerak dari tempat yangpanas ke tempat dingin. Perpindahan panas dibagi dalam tiga cara, yaitu konduksi, radiasi dan konveksi. Perpindahan panas secara konduksi, Konduksi merupakan proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel.

Qk = - kAdi mana , q : laju perpindahan kalor k : konduktivitas terma A : luas permukaan gradien suhu ke arah perpindahan kalor Perpindahan perpindahan panas secara Radiasi, kalor Radiasi dalam merupakan bentuk

energi

gelombang elektromagnetik.

q= - hAT4

di mana,

q : kalor : proporsionalitas/Stefan- Boltzmann, 5,669 x 10-8 W/m2.K4 A : luas permukaan T : perubahan temperatur

Perpindahan panas secara konveksi, Konveksi merupakanproses perpindahan panas dari suatu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri. Perpindahan panas konveksi diklasifikasikandalam konveksi alami (natural convection) dan konveksi paksa (force convection) menurutcara menggerakkan

12

alirannya.

Bila

perpindahannya

dikarenakan

perbedaan

kerapatandisebut konveksi alami (natural convection) dan bila didorong, misal dengan fan ataupompa disebut konveksi paksa (forced convection).

Q = hATdi mana, q : kalor h : koefisien perpindahan kalor A : luas permukaan T: perubahan temperatur

1.8.3 Perhitungan Efisiensi Boiler Untuk menghitung efisiensi boiler diperlukan data hasil perhitungan keseimbanganmassa dan energi. Perhitungan yang akan dilakukan merupakan efisiensi termal denganmenggunakan metode langsung. Efisiensi dihitung menggunakan parameter-parameterenergi masuk dan energi keluar sistem boiler yang berguna.

effesiensi = effisiensi = Di mana: = laju alir air umpan (kg/jam) H = entalpi air pengisi boiler (kJ/kg)

x 100%

Mb = laju alir bahan bakar (kg/jam) NHF = nilai kalor bahan bakar (kJ/kg) Mu = laju alir udara (kg/jam) Hu Hu = entalpi udara (kJ/kg) = entalpi uap (kJ/kg)

13

1.8.4 Parameter pengukuran Di dalam pengujian ini, parameter pengukuran yang diamati yaitu: Air pengisi boiler Laju alir air pengisi boiler Temperatur Bahan bakar Laju alir bahan bakar Temperatur Udara pembakaran Laju alir udara Temperatur udara sekitar Uap Temperatur Tekanan

14

2.

Turbin Uap

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.Q in

2BOILER

3

Wp

WT

1

konderser

4

Q out

Gambar 2.1 Siklus rankine Siklus ideal yang terjadi didalam turbin adalah siklus Renkine ; Air pada siklus 1 dipompakan, kondisinya adalah isentropik s1 = s2 masuk ke boiler

dengan tekanan yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi super panas h3 = h4 dan keluaran dari turbin berbentuk uap jenuh dimana laju aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin, ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram T-s berikut:

15

3 T Cp

2 4 1

sGambar.2.2 Diagram Temperatur (T) Entropi (S)

Menurut Hukum pertama Thermodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu proses siklus adalah sama dengan Jumlah Perpindahan Kalor pada fluida kerja selama proses siklus tersebut berlangsung. Jadi untuk proses Siklus 1 2 2 3 3 4 1 Dengan rumus: W = T dS W = Kerja per satuan berat fluida kerja Ds = Luas 1 2 - 2 2 3 4 - 1 pada diagaram ( T s ) Dalam kenyataan Siklus sistem Turbin Uap menyimpang dari Siklus Ideal (Siklus Rankine ) antara lain karena faktor tersebut dibawah ini : 1. Kerugian dalam pipa atau saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfer disekitarnya . 2. Kerugian tekanan dalam ketel uap 3. Kerugian energi didalam turbin karena adanya gesekan pada fluida kerja dan bagian-bagian dari turbin.

16

2.1 Prinsip Kerja Turbin Uap Secara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut : Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan. Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel. Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin. Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkn sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap ( guide blade ) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat. Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil.

17

2.2 Klasifikasi Turbin Uap Turbin Uap dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori yang berbeda berdasarkan pada konstruksinya, prinsip kerjanya dan menurut proses penurunan tekanan uap sebagai berikut: 2.2.1 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. Ciri-ciri turbin ini adalah : Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di Nosel dan Sudu Gerak Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut Tekanan Bertingkat.

18

2.2.2 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. 2.2.3 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 masih dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin lain. Turbin Ekstraksi. Didalam turbin ini sebagian uap dalam turbin diekstraksi untuk roses pemanasan lain, misalnya proses industri. sehingga

2.3 Prinsip Kerja Turbin Uap Jenis Bertingkat 905 TG 1 / 2 / 3 / 4 Turbin pembangkit listrik tenaga uap UP II Dumai adalah turbin yang mempunyai Condensing Axial Flow Type dan memiliki turbin jenis bertingkat. Turbin uap yang diinjeksikan steam LP kedalam turbin dan keluaran dalam bentuk condence (uap jenuh) dan disebut dengan turbin uap kondensasi. Besarnya tekanan keluaran 0,04 bar sampai dengan 0,1 bar. Turbin uap dibuat dengan daya yang telah ditentukan. Daya yang dihasilkan turbin diperoleh dari selisih entalphi (panas jatuh) dan kapasitas uap ( massa aliran uap persatuan waktu ) yang masuk kedalam turbin. Dan pada saat

19

transformasi energi didalam turbin terjadi kerugian, sehingga daya yang dihasilkan turbin dapat dihitung dengan persamaan berikut: P = h . ms . i . m dalam KW

Dimana : h : selisih entalpi dari ekspansi esentropik antara uap baru masuk kedalam turbin dengan uap bekas yang keluar dari turbin , dalam KJ/Kg. Ms : kapasitas uap (massa uap yang masuk kedalam turbin persatuan waktu). i : Rendemen dalam turbin. m : Rendamen mekanis dari turbin.

Dan randemen dari kopling dari turbin I . m = c

Besarnya harga randemen dari turbin tergantung dari kepada sistem sudu-sudu turbin. Pada turbin bertingkat deretan sudu ada dua atau lebih sehingga dalam turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan, tegantung dari jenis turbin ( aksi dan reaksi ) serta hasil-hasil fabrikasi. Berikut gambar grafik kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat pada turbin bertingkat aksi dan reaksi. Turbin reaksi mengalami ekspansi pada sudu pengarah maupun pada sudu gerak sehingga menggerakan dan mendorong sudu dalam arah aksial. Untuk mengurangi dorongan aksial ini, adalah biasanya dengan memasang sudusudu gerak pada pada drum yang juga berfungsi sebagai rotor.

20

2.3.1 Proses Induction Steam Turbin. Proses pemasukan uap di turbin uap 905 GT 1/2/3/4 secara sederhana : Uap masuk kedalam emergency stop valve, dimana fungsinya menutup total suplay uap dari boiler ke turbin dalam waktu yang singkat. Setelah dari stop valve, uap melewati HP control valve. Control valve ( katup pengatur ) ini digerakkan oleh sebuah balok yang diatur naik atau turun oleh sebuah silinder melalui serangkai tuas. Silinder ini menerima sinyal dari Governor. Katup pengatur uap tekanan tinggi ( HP Control Valve ) mengatur jumlah uap yang masuk ke nosel ( pipa semprot ), yang selanjutnya menggerakkan turbin impuls satu tingkat. Energi uap yang masih tersisa kemudian menggerakkan turbin reaksi yang terdiri atas 14 memungkinkan penggunaan uap tekanan tingkat. Desain turbin ini (LP steam) yang

rendah

diijeksikan/induction untuk membantu menggerakkan turbin reaksi tingkat ke 13 dan tingkat ke 14. Pola operasi dengan uap tekanan rendah yang bertekanan konstan diatur oleh LP control valve ( katup pengatur uap tekanan rendah ). Governor mengatur aliran uap tekanan rendah dan daya keluaran turbin yang tidak saling bergantung satu sama lainnya. Uap yang telah diekspansikan keluar melalui pipa buangan berdiameter 70 inchi. Pipa buangan dari tiap turbin 905 - TG 1/2/3/4 bergabung pada satu pipa berdiameter 110 inchi yang selanjutnya mengalirkan uap dan kondensat ke surface condensor (pendingin dengan media udara). Sebelum air tersebut dikembalikan ke Boiler (ketel), air kondensat digabungkan dengan air yang ada pada bak penampung dan dipompakan ke Turbin 1 Tingkat yang berjumlah dua buah untuk menjaga kekurangan kuantitas air ke Boiler. Air dikembalikan kembali ke boiler untuk diubah menjadi uap kembali, jadi sistem yang digunakan adalah sistem tertutup. Rumah turbin terbagi dua dalam arah horizontal yang dipasangkan pada dudukan Bantalan (Bearing Pendestal ).

21

Pipa keluaran uap dan kondensat dihubungkan dengan turbin memakai sambungan Flens dan arah aliran kebawah. Poros turbin terbuat dari baja tempa yang kemudian dikerjakan dengan proses permesinan. Sudu turbin terdiri dari sudu impuls dan sudu reaksi. Bantalan Luncur ( Jounal Bearing ) penyangga poros terdiri dari dua bahagian. Dudukan bagian depan juga merupakan Rumah Bantalan Aksial (Trust Bearing) yang meredam gaya aksial. Kelonggaran yang tepat antara sudu tetap dengan sudu gerak akan menghasilkan pemanfaatan energi yang optimum. Balancing Piston dipasang pada turbin untuk mengimbangi gaya aksial yang ditimbulkan oleh sudu reaksi. Besarnya gaya aksial bergantung kepada beban yang terjadi yang kelebihannya ditahan oleh bantalan aksial. Pada saat bersamaan Balancing piston menyekat uap tekanan tinggi didaerah sudu impuls. Diafragma memisahkan uap bertekanan tinggi dengan uap bertekanan rendah. Turbin dikontrol oleh governor hidrolik. Pompa pelumas utama dan Impeler dari governor diputar oleh turbin melalui roda gigi. Governor adalah sebagai pengatur yang berfungsi untuk mengurangi aliran uap ke turbin bila kecepatan putar melebihi yang diinginkan (Over Speed).

2.3.2 Bagian bagian Turbin Uap 905 TG 1 / 2 / 3 / 4

Dari data yang didapatkan dari Blue Book dan menurut lampiran dari gambar Turbin Part SR 434450 maka bagian bagian Turbin dapat diuraikan sebagai berikut : 1. CASSING Adalah sebagai penutup bagian-bagian utama turbin. 2. ROTOR Adalah bagian turbin yang berputar yang terdiri dari poros, sudu turbin atau deretan sudu yaitu Stasionary Blade dan Moving Blade. Untuk turbin

22

bertekanan tinggi atau ukuran besar, khususnya unuk turbin jenis reaksi maka motor ini perlu di Balanceuntuk mengimbagi gaya reaksi yang timbul secara aksial terhadap poros. 3. BEARING PENDESTAL Adalah merupakan kekdudukan dari poros rotor. 4. JOURNAL BEARING Adalah Turbine Part yang berfungsi untuk menahan Gaya Radial atau Gaya Tegak Lurus Rotor. 5. THRUST BEARING adalah Turbine Part yang berfungsi untuk menahan atau untuk menerima gaya aksial atau gaya sejajar terhadap poros yang merupakan gerakan maju mundurnya poros rotor. 6. MAIN OLI PUMP Berfungsi untuk memompakan oli dari tangki untukdisalurkan pada bagian bagian yang berputar pada turbin . Dimana fungsi dari Lube Oil adalah : Sebagai Pelumas pada bagian bagian yang berputar. Sebagai Pendingin ( Oil Cooler ) yang telah panas dan masuk ke bagian turbin dan akan menekan / terdorong keluar secara sirkuler Sebagai Pelapis ( Oil Film ) pada bagian turbin yang bergerak secara rotasi. Sebagai Pembersih ( Oil Cleaner ) dimana oli yang telah kotor sebagai akibat dari benda-benda yang berputar dari turbin akan terdorong ke luar secara sirkuler oleh oli yang masuk . 7. GLAND PACKING Sebagai Penyekat untuk menahan kebocoran baik kebocoran Uap maupun kebocoran oli. 8. LABIRINTH RING Mempunyai fungsi yang sam dengan gland packing. 9. IMPULS STAGE

23

Adalah sudu turbin tingkat pertama yang mempunyai sudu sebanyak 116 buah 10. STASIONARY BLADE Adalah sudu-sudu yang berfingsi untuk menerima dan mengarahkan steam yang masuk. 11. MOVING BLADE Adalah sejumlah sudu-sudu yang berfungsi menerima dan merubah Energi Steam menjadi Energi Kinetik yang akan memutar generator. 12. CONTROL VALVE Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk mengatur steam yang masuk kedalam turbin sesuai dengan jumlah Steam yang diperlukan. 13. STOP VALVE Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk menyalurkan atau menghentikan aliran steam yang menuju turbin. 14. REDUCING GEAR Adalah suatu bagian dari turbin yang biasanya dipasang pada turbin-turbin dengan kapasitas besar dan berfungsi untuk menurunkan putaran poros rotor dari 5500rpm menjadi 1500 rpm. Bagian-bagian dari Reducing Gear adalah : Gear Cassing adalah merupakan penutup gear box dari bagianbagian dalam reducing gear. Pinion ( high speed gear ) adalah roda gigi dengan type Helical yang putarannya merupakan putaran dari shaft rotor turbin uap. Gear Wheal ( low speed gear ) merupakan roda gigi type Helical yang putarannya akan mengurangi jumlah putaran dari Shaft rotor turbin yaitu dari 5500 rpm menjadi 1500 rpm. Pinion Bearing yaitu bantalan yang berfungsi untuk menahan / menerima gaya tegak lurus dari pinion gear.

24

Pinion Holding Ring yaitu ring berfungsi menahan Pinion Bearing terhadap gaya radial shaft pinion gear.

Wheel Bearing yaitu bantalan yang berfungsi menerima atau menahan gaya radial dari shaft gear wheel.

Wheel Holding Ring

adalah ring penahan dari wheel Bearing

terhadap gaya radial atau tegak lurus shaft gear wheel. Wheel Trust Bearing merupakn bantalan yang berfungsi menahan atau menerima gaya sejajar dari poros gear wheel ( gaya aksial ) yang merupakan gerak maju mundurnya poros.

3.

Pembangkit Energi dan Penggunaannya

3.1 Definisi Kogenerasi dan Sistem kogenerasi Menurut definisi, kogenerasi adalah suatu proses pembangkitan dan pemanfaatan energi dalam bentuk yang berbeda secara serempak dari energi bahan bakar untuk menghasilkan tingkat efisiensi maksimum, ekonomis dan ramah lingkungan. Aplikasi kogenerasi yang lazim digunakan adalah pembangkitan energi listrik dan pembangkitan energi termal. Energi listrik akan dipakai untuk catu daya bagi peralatan kelistrikan. Energi termalnya akan digunakan untuk membangkitkan uap, air panas, atau untuk proses pendingin sebuah absorption chiller. Sistem kogenerasi adalah serangkaian atau pembangkitan secara bersamaan beberapa bentuk energi yang berguna (biasanya mekanikan dan termal) dalam satu sistem yang terintegrasi. Sistem CHP (Combined Heat & Power) terdiri dari sejumlah komponen individu mesin penggerak (mesin panas), generator, pemanfaatan kembali panas, dan sambungan listrik tergabung menjadi suatu integrasi. Jenis peralatan yang menggerakkan seluruh system (mesin penggerak) mengidentifikasi secara khusus sistim CHPnya. Mesin penggerak untuk sistim CHP terdiri dari mesin reciprocating, pembakaran atau25

turbin gas, turbin uap, turbin mikro dan sel bahan bakar. Mesin penggerak ini dapat membakar berbagai bahan bakar, yaitu gas alam, batubara, minyak bakar, dan bahan bakar alternatif untuk memproduksi daya poros atau energy mekanis. Meskipun umumnya energi mekanis dari mesin penggerak digunakan untuk menggerakkan generator untuk membangkitkan listrik, tetapi dapat juga digunakan untuk menggerakkan peralatan yang bergerak seperti kompresor, pompa, dan fan. Energi termal dari sistim dapat digunakan untuk penerapan langsung dalam proses atau tidak langsung untuk memproduksi steam, air panas, udara panas untuk pengeringan, atau air dingin/ chilled water untuk proses pendinginanan.

Gambar 3.1 Efisiensi Energi Advantage Pada Sistim Kogenerasi (UNESCAP, 2000) Gambar 3.1 menunjukkan efisiensi energi canggih CHP dibandingkan dengan stasiun pusat pembangkit listrik konvensional dan pembangkit boiler. Sistim CHP hanya menggunakan energy tiga perempat bagian dari energi yang digunakan jika sistim panas dan daya terpisah. Penurunan konsumsi bahan bakar primer ini merupakan keuntungan utama sistim CHP, karena jika pembakaran lebih efisien atau kebutuhan bahan bakar lebih sedikit, berarti emisi akan lebih sedikit untuk hasil yang sama.

26

3.2 Sistem Kogenerasi Turbin Uap Turbin uap merupakan salah satu teknologi mesin penggerak yang multi guna dan tertua yang masih diproduksi secara umum. Pembangkitan energi dengan menggunakan turbin uap telah berlangsung sekitar 100 tahun, ketika alat tersebut menggantikan mesin steam reciprocating karena efisiensinya yang tinggi dan biayanya yang murah. Kapasitas turbin uap dapat berkisar dari 50 kW hingga ratusan MWs untuk plant utilitas energi yang besar. Turbin uap digunakan secara luas untuk penerapan gabungan panas dan daya (CHP). Siklus termodinamika untuk turbin uap merupakan siklus Rankine. Siklus merupakan dasar bagi stasiun pembangkitan daya konvensional dan terdiri dari sumber panas (boiler) yang mengubah air menjadi steam tekanan tinggi. Dalam siklus steam, air pertama-tama dipompa ke tekanan sedang hingga tinggi, kemudian dipanaskan hingga suhu didih yang sesuai dengan tekanannya, dididihkan (dipanaskan dari cair hingga uap), dan kemudian biasanya diberikan panas berlebih/superheated (dipanaskan hingga suhu diatas titik didih). Turbin multi tahap mengekspansi steam bertekanan sampai ke tekanan rendah dan steam kemudian dikeluarkan ke kondensor pengembun pada kondisi vakum atau menuju sistim distribusi suhu menengah yang mengirimkan steam ke penggunaan industry atau komersial. Kondensat dari kondensor atau dari sistim penggunaan steam dikembalikan ke pompa air umpan untuk keberlanjutan siklus. Dua jenis turbin uap yang banyak digunakan adalah jenis tekanan balik dan ekstraksi kondensasi. Pemilihan diantara keduanya sangat tergantung pada besarnya panas dan daya, kualitas panas dan faktor ekonomi. Titik ekstraksi steam dari turbin dapat lebih dari satu, tergantung pada tingkat suhu dari panas yang diperlukan oleh proses.

27

3.2.1. Turbin Steam Tekanan Balik

Turbin steam tekanan balik merupakan rancangan yang paling sederhana. Steam keluar turbin pada tekanan yang lebih tinggi atau paling tidak sama dengan tekanan atmosfir, yang tergantung pada kebutuhan beban panas. Hal ini yang menyebabkan digunakannya istilah tekanan balik. Dengan cara ini juga memungkinkan mengekstraksi steam dari tahap intermediate turbin uap, pada suhu dan tekanan yang sesuai dengan beban panas. Setelah keluar dari turbin, steam diumpankan ke beban, dimana steam ini akan melepaskan panas dan kemudian diembunkan. Embun kondensat kembali ke sistim dengan laju alir yang dapat lebih rendah dari laju alir steam, jika steam digunakan dalam proses atau jika terdapat kehilangan-kehilangan sepanjang jalur pipa. Air make-up digunakan untuk menjaga neraca bahan.

Sistem tekanan balik memiliki keuntungan-keuntungan sebagai berikut:

Rancangannya sederhana dengan hanya beberapa komponen Biaya tahapan tekanan rendah yang mahal dihindarkan. Modalnya rendah Kebutuhan air pendingin berkurang atau bahkan tidak ada. Efisiensi totalnya tinggi, sebab tidak terdapat pembuangan panas ke lingkungan yang melalui kondensor.28

Sistim tekanan balik memiliki kerugian-kerugian sebagai berikut: Turbin uap lebih besar untuk keluaran energi yang sama, sebab turbin ini beroperasi pada perbedaan entalpi steam yang lebih rendah. Laju alir massa steam yang menuju turbin tergantung pada beban termis. Sebagai akibatnya, listrik yang dihasilkan oleh steam dikendalikan oleh beban panas, yang menghasilkan sedikit atau tidak ada fleksibilitas pada penyesuaian langsung keluaran listrik terhadap beban listrik. Oleh karena itu, terdapat kebutuhan bagi hubungan dua arah jaringan listrik untuk pembelian listrik tambahan atau penjualan listrik berlebih yang dihasilkan.

3.2.2 Ekstraksi Kondensasi Turbin Uap Pada sisitim ini, steam untuk beban panas diperoleh dengan cara ekstraksi dari satu atau lebih tahap intermediate pada tekanan dan suhu yang sesuai. Steam yang tersisa dibuang ke tekanan kondensor, yang besarnya 0,05 bar dengan suhu sekitar 33 C, sehingga tidak memungkinkan untuk dimanfaatkan karena suhunya sangat rendah. Sebagai akibatnya, steam ini dibuang ke atmosfir. Jika dibandingkan dengan sistim tekanan balik, turbin jenis kondensasi memiliki biaya investasi yang lebih tinggi dan, umumnya, efisiensi totalnya lebih rendah. Namun demikian, untuk tingkatan tertentu, turbin ini dapat mengendalikan energy listrik yang tidak tergantung pada beban panas dengan cara pengaturan laju alir steam yang tepat melalui turbin.

29

3.3 Turbin Gas Sistem Kogenerasi Sistem turbin gas beroperasi pada siklus termodinamika yang dikenal dengan siklus Brayton. Pada siklus Brayton, udara atmosfir dikompresi, dipanaskan, diekspansikan, dengan kemudian berlebih yang dihasilkan oleh turbin atau ekspander yang dipakai oleh kompresor digunakan untuk pembangkitan energi. Turbin gas sistim kogenerasi dapat menghasilkan seluruh atau sebagian permintaan energy setempat, dan energi yang dilepas pada suhu tinggi pada cerobong pengeluaran dapat dimanfaatkan kembali untuk berbagai pengunaan pemanasan dan pendinginan (lihat Gambar 4). Walau gas alam sudah hampir umum digunakan, bahan bakar lain seperti bahan bakar minyak ringan atau diesel dapat juga dipakai. Ukuran turbin gas yang digunakan bervariasi dari beberapa MW hingga sekitar 100 MW. Turbin gas kogenerasi memiliki pengalaman perkembangan yang tercepat akhir-akhir ini karena besarnya ketersediaan gas alam, kemajuan teknologi yang cepat, penurunan biaya Pemasangan yang cukup berarti, dan kinerja lingkungan yang lebih baik. Selanjutnya, masa persiapan untuk perkembangan suatu proyek lebih pendek dan peralatan dapat dikirim dengan cara modul. Turbin gas memiliki waktu startup yang pendek dan memberi fleksibilitas operasi yang berubah-ubah. Walau turbin tersebut memiliki panas rendah terhadap efisiensi energi, panas yang dapat dimanfaatkan kembali pada suhu tinggi lebih banyak. Jika keluaran panas kurang dari yang diperlukan oleh pengguna, maka memungkinkan untuk memiliki pembakaran tambahan gas alam dengan cara mencampurkan bahan bakar tambahan terhadap gas buang yang masih kaya dengan oksigen untuk meningkatkan keluaran panas yang lebih efisien.

30

3.3.1 Turbin gas siklus terbuka sistem kogenerasi Hampir seluruh sistim turbin gas yang tersedia saat ini, pada berbagai sektor penggunaan, beroperasi pada siklus Brayton terbuka (juga dikenal dengan siklus Joule bila ketidak dapat baliknya diabaikan) dimana kompresor mengambil udara dari atmosfir dan membawanya pada tekanan yang lebih tinggi ke pembakar. Suhu udara juga meningkat karena kompresi. Unit yang lebih tua dan lebih kecil beroperasi pada perbandingan tekanan sekitar 15:1, sementara unit yang lebih baru dan lebih besar beroperasi pada perbandingan tekanan mendekati 30:1.

Udara dikirimkan melalui sebuah diffuser ke ruang pembakaran yang bertekanan konstan, dimana bahan bakar diinjeksi dan dibakar. Diffuser menurunkan kecepatan udara ke nilai yang dapat diterima dalam pembakar. Terdapat penurunan tekanan/ pressure drop di dalam pembakar sekitar 1,2%. Pembakaran berlangsung dengan udara berlebih. Gas buang keluar pembakar pada suhu tinggi dengan konsentrasi oksigen sampai 15-16%. Semakin tinggi suhu pada siklus ini, akan semakin tinggi efisiensi siklusnya. Batas atasnya

31

ditentukan daya tahan material turbin terhadap suhu, juga oleh efisiensi sudusudu pendingin. Batasan suhu pada teknologi terbaru adalah sekitar 1300C. Gas buang yang bersuhu dan bertekanan tinggi ini menuju turbin gas menghasilkan kerja mekanis untuk menggerakan kompresor dan beban (generator listrik). Gas buang meninggalkan turbin pada suhu yang cukup besar (450-600 C), yang ideal untuk dimanfaatkan kembali panas yang bersuhu tinggi. Untuk pemanfaatan yang lebih efisien, dipengaruhi oleh boiler pemanfat kembali panas yang bertekanan tunggal atau ganda. Steam yang dihasilkan dapat memiliki tekanan dan suhu yang tinggi, yang menjadikannya cocok tidak hanya untuk proses termal saja namun juga untuk menggerakkan turbin uap sehingga menghasilkan energi tambahan.

3.3.2 Sistem kogenerasi turbin gas siklus tertutup Dalam sistim siklus tertutup, fluida kerja (biasanya gas helium atau udara) bersirkulasi dalam suatu sirkuit tertutup. Fluida ini dipanaskan dalam suatu penukar panas sebelum masuk menuju turbin, dan didinginkan setelah keluar turbin dan melepaskan panas yang berguna. Sehingga maka fluida kerjanya bersih dan tidak menyebabkan korosi ataupun erosi. Sumber panas dapat berasal dari pembakaran eksternal berbagai bahan bakar. Juga dapat digunakan energi nuklir atau energi matahari.

3.4 Sistim Kogenerasi Mesin Reciprocating Mesin-mesin reciprocating cocok untuk berbagai penggunaan pembangkitan yang terdistribusi, industri, komesial, dan fasilitas institusional untuk pembangkitan daya dan CHP. Mesin reciprocating mudah menyalakannya, mengikuti beban dengan baik, memiliki efisiensi beban sebagian yang bagus, dan umumnya memiliki kehandalan yang tinggi. Dalam beberapa kasus, unit mesin multiple reciprocating meningkatkan kapasitas total. Mesin reciprocating memiliki efisiensi listrik lebih tinggi dibanding turbin gas dengan ukuran yang32

sebanding, dengan demikian merendahkan biaya operasi yang berhubungan dengan bahan bakar. Disamping itu, biaya awal genset mesin reciprocating umumnya lebih rendah dari genset turbin gas hingga ukuran 3-5 MW. Biaya perawatan mesin reciprocating umumnya lebih tinggi dari turbin gas, namun perawatan kadang dapat ditangani oleh karyawan setempat atau disediakan oleh organisasi layanan setempat. Potensi penerapan pembangkitan yang terdistribusi untuk mesin

reciprocating terdiri dari standby, pemangkasan beban puncak, penyangga grid, dan penerapan CHP dimana diperlukan air panas, steam tekanan rendah, atau limbah absorpsi panas pembakaran pada pendingin. Mesin reciprocating juga digunakan secara luas sebagai penggerak mekanik langsung dalam berbagai penerapan seperti pompa air, kompresi udara dan gas dan pendinginan.

Gambar 3.2.1 : Sistim Kogenerasi Mesin Reciprocating (UNESCAP, 2000) Sementara penggunaan mesin reciprocating tumbuh di berbagai penerapan pembangkitan yang terdistribusi, penerapan pembangkitan yang paling umum di lokasi untuk mesin SI gas alam secara tradisional adalah CHP, dan kecenderungan ini nampaknya akan berlanjut terus. Segi ekonomi dari mesin gas alam pada penerapan pemangkitan di tempat diperbaiki dengan penggunaan energi panas

33

yang efektif dari energi panas yang terkandung dalam sistim gas buang dan pendinginan, yang biasanya sebesar 60 hingga 70% dari energi bahan bakar masuk. Terdapat empat sumber limbah panas yang dapat digunakan dari mesin reciprocating: gas buang, air pendingin jaket mesin, air pendingin minyak pelumas, dan pendingin turbocharger. Panas yang termanfaatkan umumnya dalam bentuk air panas atau steam tekanan rendah (