3. Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN

Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

3. HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR (HRSG ) HRSG berfungsi untuk memanaskan air dengan menggunakan panas gas buang dari turbin turbin gas sehingg sehingga a dihasilk dihasilkan an uap dengan dengan tekanan tekanan dan temperat temperatur ur tertentu tertentu yang konstan. konstan. HRSG merupakan penghubung antara PLTG (siklus Brayton) dengan PLTU (siklus Rankine). Ditin Ditinjau jau dari dari sumbe sumberr pana panasn snya, ya, HRSG HRSG diba dibagi gi menjad menjadii dua, dua, yaitu yaitu unfired dan fired (auxiliary auxiliary burner burner atau supplementary supplementary burner ). ). HRSG HRSG unfired adalah adalah HRSG HRSG yang seluruh seluruh sumber sumber panasn panasnya ya diperole diperoleh h dari gas buang buang (exhaus (exhaustt gas) gas) turbin turbin gas. gas. Sedang Sedangkan kan HRSG supplementary burner adalah adalah HRSG yang yang dilengk dilengkapi api dengan dengan peralata peralatan n pembaka pembakaran ran bahan bahan bakar (burner (burner ) sehingga sumber panas nya dapat diperoleh dari gas buang turbin gas dan atau dari pembakaran bahan bakar. Tetapi pada umumnya HRSG yang terpasang tidak dilengkapi dengan burner karena penerapan HRSG pada PLTGU tujuan utamanya adalah memanfaatkan panas gas buang dari PLTG yang masih tinggi temperaturnya untuk menghasilkan uap yang akan memutar turbin uap. Dengan cara ini diperoleh peningkatan efisiensi termal yang besar. HRSG juga disebut Waste Heat Recovery Boiler (WHRB). Boiler (WHRB).

Gambar 3.1. Diagram HRSG dengan aliran gas mendatar. On Becoming The Centre of Excellences

37



3.1. Prinsip Kerja HRSG Gas buang dari turbin gas yang temperaturnya masih tinggi (sekitar 550

0

C) dialirkan

masuk ke HRSG untuk memanaskan air didalam pipa-pipa pemanas, kemudian gas buang ini dibuang ke atmosfir melalui cerobong dengan temperatur yang sudah rendah (sekitar 130

0

C).

Air didalam pipa-pipa yang berasal dari drum sebagian berubah menjadi uap karena pemanasan tersebut. Campuran air dan uap ini selanjutnya masuk kembali ke dalam drum. Di dalam drum, uap dipisahkan dari air menggunakan separator. Uap yang terkumpul kemudian diarahkan untuk memutar turbin uap, sedangkan air nya dikembalikan kedalam drum untuk disirkulasikan lagi kedalam pipa-pipa pemanas bersama dengan air pengisi yang baru. Demikian proses ini terjadi berulang-ulang selama HRSG beroperasi. Agar dapat memproduksi uap yang banyak dalam waktu yang relatif cepat, maka perpindahan panasnya dilakukan dengan aliran berlawanan atau cross flow, dan sirkulasi airnya harus cepat. Pada prinsip nya HRSG dan boiler adalah sama, yaitu suatu peralatan pemindah panas yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap dengan bantuan panas. Perbedaan utama terletak pada sumber panas yang digunakan dan susunan pipa pemanasnya. Sumber panas untuk membangkitkan uap pada HRSG berasal dari energi panas yang terkandung didalam gas buang PLTG. Sedangkan pada boiler (ketel), sumber panas untuk membangkitkan uap berasal dari pembakaran bahan bakar didalam ruang bakar (furnace) boiler. Pada boiler pipa-pipa pemanas disusun menjadi dinding ruang bakar, sedangkan pada HRSG pipa-pipa pemanas disusun tegak lurus terhadap aliran gas buang. Dengan kondisi demikian, maka HRSG : •

Tidak memiliki ruang bakar

•

Tidak dilengkapi sistem bahan bakar

•

Tidak ada sistem udara bakar

•

Tidak memiliki penghembus jelaga (soot blower).

On Becoming The Centre of Excellences

38



Gambar 3.2, Heat Recovery Steam Generator

3.2. Sifat Air dan Uap Air apabila dipanaskan temperaturnya akan naik. Apabila pemanasan terhadap air dilakukan terus, maka pada temperatur tertentu akan terjadi pendidihan. Makin tinggi panas yang diberikan makin cepat proses pendidihan terjadi dan pada temperatur tertentu seluruh air berubah menjadi uap. Uap tersebut berbentuk gelembung dan gelembung ini berisi uap jenuh. Supaya gelembung uap dapat terbentuk, tekanan uap pada temperatur itu harus sama dengan tekanan pada permukaan air. Jadi air dikatakan mendidih apabila tekanan dari uap yang terbentuk sama dengan tekanan sekitarnya. Pada tekanan atmosfir normal (1,013 bar), air akan mendidih pada temperatur 100 0C. Pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfir, air mendidih pada temperatur lebih rendah dari 100 0C. Temperatur pendidihan tergantung pada tekanan yang bekerja pada air tersebut. Makin tinggi tekanan pada air tersebut makin tinggi temperatur pendidihan, dan


39



sebaliknya. Sebagai contoh dibawah ini hubungan antara tekanan dan temperatur pendidihan (boiling temperature).


40



Tabel 3.1. Temperatur didih pada nilai Tekanan tertentu

Tekanan (bar)

0,1574

0,3116

0,5780

1,0132

2,000

3,500

55

70

85

100

120,2

138,9

Temperatur (oC)

Pendidihan dibedakan menjadi dua macam, yaitu : •

Nucleate Boiling Yaitu proses pendidihan normal dalam boiler (HRSG). Temperatur Air dinaikkan mencapai titik didih. Gelembung-gelembung uap secara individu terbentuk saat air berhubungan dengan permukaan logam pipa yang panas. Ketika gelembung ini terbentuk, dan meninggalkan permukaan logam pipa, air dingin berikutnya akan membasahi pipa (karena adanya sirkulasi), dengan demikian temperatur pipa selalu berada dalam batas yang diizinkan.

•

Film Boiling Adalah kondisi pendidihan yang tidak normal, disebabkan oleh aliran air (sirkulasi air) tidak cukup (lambat). Gelembung uap terbentuk ketika air menyentuh permukaan logam pipa. Gelembung uap berkumpul dan membentuk film uap dan menyelimutinya. Karena permukaan dalam tube tidak didinginkan oleh air, maka temperatur logam tube akan naik. Tube dapat menjadi rusak ( overheating , pecah). Istilah yang digunakan untuk kejadian ini adalah DNB (Departure from Nucleate Boiling )

Kalor atau panas dapat dibedakan menjadi : •

Kalor Sensibel


41



Sebagaimana disebutkan diatas pemberian panas pada air (zat cair) akan menyebabkan temperatur zat tersebut naik. Panas yang diterima air sehingga temperaturnya naik sampai titik didihnya disebut panas sensibel atau enthalpi didih dan diberi simbol hf dalam tabel uap. Apabila tekanannya naik, maka temperatur didih juga naik dan panas sensibelnya juga bertambah. •

Kalor Laten Pemberian panas pada air yang telah mendidih tidak akan menaikkan temperatur air tersebut, tetapi akan mengakibatkan air berubah menjadi uap jenuh. Atau dikatakan air berubah fase (wujud) menjadi uap jenuh. Panas yang diberikan untuk merubah air menjadi uap disebut panas penguapan atau panas latent atau enthalpi penguapan dan diberi simbol hfg didalam notasi tabel uap.

•

Kalor Total Jumlah panas yang diberikan untuk merubah air menjadi uap jenuh, yaitu panas sensibel dan panas laten disebut panas total atau enthalpi total uap jenuh dan diberi simbol hg . Jadi hg = hf + hfg


42



Gambar 3.3. Diagram pemanasan air

3.3. Kualitas Uap Didalam membahas kualitas uap kita mengenal istilah uap jenuh, uap basah dan uap kering . Uap jenuh artinya uap yang sudah tidak mengandung air lagi, jadi seluruh materinya berwujud uap. Uap basah adalah uap yang masih mengandung butir-butir air atau campuran antara uap dan air. Sedangkan uap kering sama dengan uap jenuh atau uap yang kadar airnya sudah 0 % (tidak mengandung air). Tingkat kebasahan uap dapat dinyatakan dengan banyaknya kandungan air didalam campuran air uap. Sedangakan apabila ditinjau dari sisi uapnya, dikenal istilah tingkat kekeringan (dryness fraction), yaitu banyaknya kandungan uap dalam campuran air uap. Uap jenuh apabila dipanaskan lebih lanjut, maka temperaturnya akan naik dan disebut uap superheat (uap panas lanjut). Uap superheat tentunya mempunyai kandungan kalor yang lebih tinggi dibanding uap jenuh.


43



Contoh : Dari tabel di bawah ditunjukkan bahwa dengan tekanan 500 kPa, temperatur jenuhnya 151,8

o

C dan mempunyai enthalpy 2748,1 kJ/kg. Jika superheater menaikkan

temperaturnya sampai 500 oC, maka uap akan berubah menjadi uap panas lanjut sehingga enthalpy uap naik menjadi : 3484,5 kJ/kg

Tabel 3.2. Pembacaan tabel Saturated water dan Superheated steam

Enthalpi adalah energi panas yang dikandung dalam suatu zat. Enthalpi juga disebut panas dalam (heat content). Di dalam menghitung panas dalam uap selain entalpi, juga digunakan entropi. Entropi berhubungan dengan proses ekspansi adiabatis dalam mesin. Perubahan entropi bernilai positif ketika panas diserap oleh gas, dan bernilai negatif (berkurang) ketika panas dibuang.


44


3.4.


Konstruksi dan Tata Letak HRSG Sistem tata letak HRSG mempunyai banyak variasi baik jenis maupun jumlahnya. Ditinjau

dari sistem sirkulasi airnya HRSG dibedakan menjadi : •

HRSG sirkulasi alam

•

HRSG sirkulasi paksa. Bila ditinjau dari tekanan kerjanya, HRSG dapat dibedakan menjadi :

•

HRSG dengan satu tekanan (single pressure)

•

HRSG dengan dua tekanan (dual pressure)

•

HRSG dengan tekanan bertingkat (multi pressure) Sedangkan bila ditinjau dari sumber panasnya, HRSG dapat dikelompokkan menjadi :

•

HRSG tanpa bantuan pembakaran (nonfire)

•

HRSG dengan bantuan pembakaran (auxiliary/supplementary burner)

3.4.1. HRSG sirkulasi Alam (Natural Circulation) HRSG dengan sirkulasi alam memiliki pipa-pipa pemanas yang disusun secara vertikal berjajar sepanjang HRSG. Arah aliran gas buang dari turbin gas mendatar memotong pipa-pipa pemanas secara tegak lurus. Selanjutnya gas buang keluar melalui cerobong yang dipasang pada ujung HRSG. Susunan pipa-pipa didalam HRSG sirkulasi alami dibuat vertikal dengan ketinggian yang relatif rendah. Inlet duct HRSG disambungkan dengan exhaust turbin gas dengan menggunakan expansion joint . Ketika mendapat pemanasan, sirkulasi air alami terjadi dari drum ke evaporator dan kembali ke drum.


45



Gambar 3.4, Prinsip Sirkulasi Alami (Natural Circulation)

Gambar 3.5, HRSG sirkulasi alami (aliran gas mendatar).

3.4.2. HRSG sirkulasi Paksa (Forced Circulation) Konstruksi pipa-pipa pemanas pada HRSG dengan sirkulasi paksa dipasang dengan posisi mendatar disusun dari bawah keatas. Gas panas dari turbin gas masuk dari sisi bawah keatas memotong pipa-pipa pemanas dan selanjutnya keluar melalui cerobong yang berada diatas HRSG. Air pengisi masuk ke dalam drum melewati ekonomiser. Selanjutnya air di sirkulasikan dari drum ke pipa-pipa penguap (evaporator) dan kembali ke drum dengan menggunakan pompa sirkulasi. Proses perpindahan panas dari gas panas ke air terjadi didalam pipa-pipa penguap sehingga sebagian air berubah menjadi uap.


46



Uap yang terbentuk bersama-sama dengan air masuk kembali ke dalam drum. Didalam drum uap dipisahkan dari air, dan uap selanjutnya mengalir ke superheater atau langsung ke turbin, sedangkan air bercampur kembali dengan air yang ada didalam drum.

Gambar 3.6, Prinsip Sirkulasi Paksa (Forced Circulation) Umumnya pompa sirkulasi mempunyai laju sirkulasi sekitar 1,7. Artinya jumlah air yang disirkulasikan 1,7 kali kapasitas penguapan. Beberapa keuntungan dari sistem sirkulasi paksa •

Waktu start (pemanasan) lebih cepat

•

Mempunyai respon yang lebih baik dalam mempertahankan aliran air ke pipa-pipa pemanas pada saat start maupun beban penuh.

•

Mencegah kemungkinan terjadinya stagnasi pada sisi penguapan


47



Gambar 3.7. HRSG dengan aliran gas vertikal.

3.4.3. HRSG dengan tekanan tunggal ( Single Pressure) Pada HRSG ini uap yang dihasilkan hanya memiliki satu tekanan. Susunan PLTGU dengan satu tekanan biasanya turbin gas, generator, dan turbin uapnya dibuat menjadi satu poros.


48



Gambar 3.8, HRSG dengan tekanan tunggal ( single pressure)

3.4.4. HRSG Dengan Dua Tekanan (Dual Pressure) HRSG ini menghasilkan dua tingkat tekanan, yaitu tekanan tinggi dan tekanan rendah. Uap tekanan tinggi digunakan untuk memutar turbin tekanan tinggi ( High Pressure turbine), sedangkan uap tekanan rendah bersama-sama dengan uap bekas dari turbin tekanan tinggi digunakan untuk menggerakkan turbin tekanan rendah ( Low Pressure turbine). Tujuan membuat dua tingkat tekanan adalah untuk meningkatkan efisiensi termal siklus kombinasi. Dengan dua tingkat tekanan, maka gas buang sebelum dibuang ke atmosfir dapat digunakan untuk menghasilkan uap dengan tekanan dan temperatur yang rendah sehingga panas gas buang dimanfaatkan dengan lebih optimal. Aliran gas panas dari turbin gas masuk melalui sisi bawah HRSG mengalir ke atas melewati pipa-pipa superheater, evaporator, ekonomiser tekanan tinggi sambil menyerahkan panas. Selanjutnya melewati pipa-pipa dengan fungsi yang yang sama tetapi dengan tekanan lebih rendah yang berada dibagian atasnya kemudian dibuang keatmosfir melalui cerobong yang terletak diatas HRSG. On Becoming The Centre of Excellences

49



Gambar 3.9, HRSG dengan dua tingkat tekanan ( dual pressure)

3.4.5. HRSG Tekanan Bertingkat (Multi Pressure) HRSG jenis ini mempunyai tiga tingkat tekanan yang berbeda, yaitu tekanan tinggi (HP), tekanan menengah (IP), dan tekanan rendah (LP). Dengan tiga tingkat tekanan efisiensi termal siklus kombinasi akan lebih baik karena celah diantara tekanan tinggi dan rendah masih dimanfaatkan untuk menghasilkan uap tekanan menengah. Gas buang dari turbin gas mengalir mendatar sambil menyerahkan panasnya ke pipapipa pemindah panas yang dipasang tegak sebagaimana pada sistem satu tekanan ataupun dua tekanan.


50



Gambar 3.10, Diagram HRSG Multi Pressure

Gambar 3.11, HRSG dengan burner bantu


51



3.4.6. HRSG dengan Burner bantu (Auxiliary burner) Pada umumnya HRSG yang digunakan di Indonesia adalah unfire, tetapi dalam industri terdapat HRSG dengan bantuan burner ( auxiliary burner ) . Hal ini diterapkan apabila ketersediaan gas panas dari luar tidak konstan. Penggunaan burner bantu pada HRSG tujuannya adalah untuk meningkatkan temperatur gas (sekitar 820

0

C) sehingga diperoleh

produksi uap yang lebih besar. Pembakaran bahan bakar dengan memanfaatkan excess air yang tinggi dalam gas buang. Dengan cara ini dapat menaikkan kapasitas output turbin uap hingga 85 %, tetapi disisi lain polusi akibat emisi gas buang menjadi lebih besar.


52

3. Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

Recommend Documents