BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Dewasa ini, perkembangan industri ketenagalistrikan di Indonesia semakin meningkat seiring munculnya pembangkit – pembangkit listrik yang beroperasi di Indonesia, baik itu PLTA, PLTD, PLTU, PLTG, ataupun kombinasi dari tenaga gas dan uap yang disebut sebagai PLTGU. Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap merupakan pembangkit listrik dengan mengkombinasikan dua bahan utama selama pembuatan listriknya, yaitu dengan uap dan gas. Berikut akan dipaparkan sedikit gambaran mengenai proses pembangkitan listrik menggunakan tenaga kombinasi gas dan uap. Proses produksi energi listrik dengan kombinasi gas dan uap merupakan salah satu upaya dalam meningkatkan efisiensi untuk menghasilkan energi listrik. Proses ini menggabungkan dua siklus, berupa Siklus PLTG (Siklus Brayton) dan Siklus PLTU ( Siklus Rankine sehingga diperoleh efisiensi termal yang tinggi . Sebelum masuk ke proses pembangkitan energi listrik dengan gas dan uap, akan dijelaskan secara singkat terlebih dahulu siklus PLTG. Siklus PLTG dimulai dari pengambilan udara oleh kompresor. Dalam kompresor ini udara diolah sehingga tekanannya naik. Udara ini dimasukkan kedalam Combustion Chamber atau ruang bakar bersama dengan bahan bakar (gas / bbm). Pembakaran menghasilkan gas bertekanan dan bersuhu tinggi (Suhu sekitar 2000 derajat celcius). Gas bertekanan inilah yang memutar turbin gas Turbin berputar, generator ikut berputar dan listrik pun dihasilkan. Setelah memutar turbin, gas tersebut dibuang di atmosfer. Dibawah ini adalah skema siklus PLTG.
1
Gambar 1.1 Skema PLTG
Pada siklus PLTGU, gas yang telah digunakan untuk memutar urbin gas diatas tidak langsung dibuang ke atmosfer, melainkan masuk ke sebuah unit bernama HRSG (Heat Recovery Steam Generator) , dimana gas ini akan dugunakan untuk memanaskan uap sehingga dari HRSG dihasilkan uap kering. Perlu diingat, bahwa HRSG ini seperti boiler, hanya saja jika pada boiler terjadi pemanasan secara langsung, maka pada HRSG hanya terjadi proses perpindahan panas saja untuk menghasilkan uap kering. Selanjutnya, uap kering yang dihasilkan oleh HRSG akan digunakan untuk memutar turbin uap. Setelah digunakan untuk memutar turbin uap, maka uap ini akan didinginkan oleh kondenser dan kemudian setelah menjadi air masuk lagi ke hotwell. Berikut adalah siklus kombinasi untuk PLTGU.
2
Gambar 1.2 Siklus PLTGU Dengan menggabungkan siklus tunggal PLTG dan siklus PLTU menjadi siklus PLTGU, maka akan diperoleh keuntungan diantaranya adalah : 1. Efisiensi termalnya tinggi sehingga biaya operasi (Rp/Kwh) lebih rendah dibandingkan dengan pembangkit termal lainnya. 2. Konsumsi bahan bakar menjadi rendah. 3. Pembangunannya relatif cepat 4. Kapasitas dayanya bervariasi dari kecil hingga besar. 5. Menggunakan bahan bakar gas yang bersih dan ramah lingkungan. 6. Pengoperasian
PLTGU
yang
menggunakan
komputerisasi
memudahkan pengoperasian . 7. Waktu yang dibutuhkan untuk membangkitkan beban maksimal 1 blok PLTGU relatif singkat yaitu 150 menit. 8. Prosedur pemeliharaan lebih mudah dilaksanakan dengan adanya fasilitas sistem diagnosa. Salah satu komponen utama pada sistem PLTGU adalah bagian Ruang Bakarnya (Combustion Chamber). Jika dipisahkan dari siklus kombinasi,
3
Ruang Bakar termasuk ke dalam sistem PLTG. Pada ruang bakar ini nantinya akan menentukan kualitas gas yang dihasilkan yang akan digunakan untuk memutar turbin gas tersebut.
1.2
Tujuan Tujuan dibuatnya makalah ini antara lain adalah sebagai berikut : 1. Mendorong mahasiswa agar lebih memahami mengenai salah satu bagian utama pada sistem PLTG (dalam hal ini , penulis mendapatkan bagian ruang bakar PLTG). 2. Sebagai pemicu mahasiswa untuk lebih mengetahui tentang analisis salah satu komponen PLTG beserta perhitungan termodinamikanya. 3. Memahami Standart Operational Procedure pada Ruang Bakar PLTG. 4. Mengetahui kemungkinan – kemungkinan masalah yang terjadi pada ruang bakar dan cara penanganannya. 5. Sebagai salah satu syarat untuk memenuhi nilai tugas pada mata kuliah Sistem PLTG pada Semester V pada Program Studi Diploma III Teknik Mesin Kerjasama PT. PLN (Persero) Universitas Diponegoro.
1.3
Batasan Masalah Pada kesempatan ini, penulis akan membahas mengenai salah satu komponen utama PLTG, yaitu pada bagian Ruang Bakarnya yang mencakup pengertian, jenis – jenis ruang bakar yang dipakai, analisis perhitungan secara termodinamika yang terjadi pada ruang bakar, Standart Operational Procedure serta Troubleshooting saat terjadi permasalahan yang mungkin terjadi pada Ruang Bakar PLTG.
1.4
Metode Pengumpulan Data Penulis mengumpulkan data dengan cara mencari informasi yang berkaitan dengan pembahasan yang akan dituliskan oleh penulis dengan
4
cara membaca , mencatat serta memahami pada panduan buku manual di perpustakaan. Selain dengan membaca buku literatur, penulis juga menambahkan informasi dari sumber internet.
5
BAB II SISTEM RUANG BAKAR
2.1
Pengertian Ruang Bakar merupakan salah satu komponen utama yang menunjang keberhasilan sistem, baik sistem PLTG secara secara terpisah maupun jika digabung dengan Sistem PLTU menjadi sistem PLTGU. Pada Ruang Bakar ini, udara yang dihasilkan oleh kompresor yang telah terlebih dahulu dimampatkan akan masuk ke ruang bakar untuk kemudian dikabutkan bersama sama dengan bahan bakar. Selain ruang bakar, hal lain yang perlu diperhatikan agar hasil pengabutan diantara udara terkompresi dan bahan bakar yang disemprotkan maksimal, maka juga perlu memperhatikan kualitas bahan bakarnya. Oleh karena itu, berbicara mengenai masalah ruang bakar akan langsung berhubungan dengan bahan bakar yang digunakan pula. Ruang bakar terdiri dari tabung luar dan tabung dalam. Tabung luar merupakan bungkus dan sekaligus struktur penyangga ruang bakar. Sedangkan tabung dalam membentuk atau membatasi ruang dimana proses pembakaran itu berlangsung. Di dalam tabung dalam terdapat penyemprot bakar dan penyala, dan pemegang nyala (flame holder) yang berfungsi memperlambat aliran , membentuk vortex atau turbulensi sehingga api pembakaran menjadi menjalar merata. Dinding tabung dalam berlubang lubang yang menakar dan merupakan jalan udara sekunder masuk ke ruang pembakaran, sehingga lokasi , bentuk , ukuran dan jumlahnya sesuai dengan fungsinya dalam zone I, II dan III. Udara sekunder tersebut berfungsi mendinginkan ruang bakar. Letak penyala ditetapkan berdasarkan pengalaman dan pengujian, yaitu di tempat dimana campuran bahan bakar udara paling mudah terbakar tetapi juga dilindungi dari api yang panas. Hal tersebut disebabkan karena fungsi penyala adalah menyalakan campuran bahan bakar udara sampai terjadi pembakaran yang mandiri, setelah itu dimatikan. Pemilihan jenis dan dan penempatan ruang bakar tergantung pada spesifikasi motor, tetapi sebenarnya lebih banyak
6
dipengaruhi untuk memanfaatkan tempat yang tersedia secara efektif. Pada motor pesawat terbang yang besar biasanya digunakan jenis jenis aliran searah atau aliran lurus , dimana udara dan gas pembakaran mengalir searah sumbu ruang bakar . Sedangkan jenis aliran berlawanan banyak digunakan pada
motor kecil, dapat memberikan bentuk yang kompak dan jarak
kompresor dengan turbin yang lebih pendek.
2.2
Jenis – Jenis Ruang Bakar Ada tiga (3) jenis ruang bakar yang biasa dijumpai pada sistem PLTGU, yaitu jenis tubular (kan), jenis anular dan jenis turbo anular (kanular). Sedangkan pada motor propulsi pesawat terbang (utamanya pesawat tempur), terdapat ruang bakar kedua (afterburner).
Gambar 2.1 Motor Jet dengan Afterburner (Wiranto Arismunandar,2000) 2.2.1 Ruang Bakar Tubular (kan) Ruang bakar jenis tubular merupakan desain paling awal ruang bakar yang digunakan pada masa awal perkembangan turbin gas, Ruang bakar ini berukuran relatif kecil, terdiri dari beberapa buah yang dipasang melingkari sumbu motor. Pada setiap unit terdapat penyemprot bahan bakar, akan tetapi penyala (ignitor) tidak dipasang pada setiap unit. Biasanya hanya ada dua penyala saja pada setiap motornya. Penyalaan bahan bakar unit yang tidak dilengkapi dengan penyala
dilakukan
dengan
mengalirkan
api
dari
unit
yang
bersebelahan melalui pipa - pipa yang menghubungkan zona primer di setiap unit. Ruang bakar jenis tubular memiliki dua tipe ruang bakar,
7
yaitu ruang bakar tubular jenis aliran berlawanan dan ruang bakar tubular jenis aliran searah.
Gambar 2.2 Ruang Bakar Tubular (kan) Jenis Aliran Berlawanan (Wiranto Arismunandar,2000)
Gambar 2.3 Ruang Bakar Tubular (kan) Jenis Aliran Searah (Wiranto Arismunandar,2000)
8
2.2.2 Ruang Bakar Anular Ruang bakar jenis anular mulai banyak digunakan pada zaman turbin gas modern, Ruang bakar jenis ini berbentuk tabung anular , baik tabung luar maupun tabung dalam yang melingkari sumbu motor. Ruang bakar anular dilengkapi dengan beberapa penyemprot bahan bakar dalam zona primer yang melingkari sumbu poros motor, dengan satu, atau dua atau tiga penyala. Jumlah penyala tersebut ditetapkan berdasarkan kemudahan penyalaannya. Seperti pada ruang bakar jenis tubular, ruang bakar anular juga memiliki dua jenis ruang bakar menurut aliran udara dan bahan bakarnya, yaitu jenis aliran balik dan jenis aliran searah.
Gambar 2.4 Ruang Bakar Anular Jenis Aliran Balik (Wiranto Arismunandar,2000)
9
Gambar 2.5 Ruang Bakar Anular Jenis Aliran Searah (Wiranto Arismunandar,2000) 2.2.3 Ruang Bakar Turbo Anular Ruang bakar turbo anular atau kanular merupakan perpaduan antara ruang bakar tubular dan anular. Dinding tabung luar adalah serupa dengan ruang bakar anular. Tetapi dalam ada beberapa buah , berbentuk silinder, dipasang di dalam ruang anular dan melingkari sumbu ruang bakar (atau sumbu poros kompresor dan turbin). Pada setiap tabung dalam terdapat penyemprot bahan bakar.
Gambar 2.6 Ruang Bakar Turbo Anular (Wiranto Arismunandar,2000)
2.3
Kelebihan dan Kekurangan dari Beberapa Jenis Ruang Bakar
Masing – masing dari jenis ruang bakar memiliki kelebihan dan kekurangan. Berikut adalah tabel mengenai kelebihan dan kekurangan dari tiga jenis ruang bakar tersebut :
10
Tabel 2.1 Keuntungan dan Kerugian dari Beberapa Jenis Ruang Bakar No. Jenis Ruang bakar 1. Tubular atau kan
Keuntungan Kerugian 1. Konstruksi yang 1. Dapat berukuran tegar dan kuat. besar dan berat (tunggal), ataupun 2. Aliran bahan bakar kecil (banyak), dan aliran udara penampang frontal mudah dipadukan motor besar. 3. Pengujiannya 2. Kerugian tekanan sederhana, hanya besar memerlukan sebagian kecil dari 3. Memerlukan pipatotal laju aliran pipa penghubung, massa udara dari interkonektor, pipa motor yang api. bersangkutan. Mudah 4. Adanya masalah pengembangannya. penyalaan melalui pipa api. 4. Ringan.
2.
Anular
5. Mudah perawatan dan pemeriksaannya 1. Panjang dan berat minimum, konstruksi sederhana 2. Penampang minimum.
frontal
3. Kerugian minimum.
tekanan
4. Penyalaan mudah.
lebih
5. Relatif tidak banyak membentuk asap. 6. Pendinginan dan pembersihannya lebih mudah.
1. Masalah tekukan yang serius pada selubung luar. 2. Pengujian memerlukan laju aliran massa penuh (sama dengan pada motor yang bersangkutan). 3. Penyesuaian pola aliran bahan bakar dan udara agak sulit. 4. Sukar menjamin distribusi emperatur keluar yang stabil dan uniform.
11
3.
Turboanular atau kanular
1. Konstruksi tegar.
yang
2. Pola aliran bahan bakar dan udara mudah dissuaikan. 3. Pengujiannya memerlukan sebagian kecil dari laju aliran massa udara motor yang bersangkutan. 4. Kergian rendah.
1. Kurang kompak dibandingkan dengan jenis anular. 2. Memerlukan pipa penghubung. 3. Ada masalah light round yang tidak sempurna.
tekanan
5. Lebih pendek dan lebih ringan daripada jenis tubular. 2.4
Persyaratan Kontruksi Ruang Bakar Turbin Gas Desain ruang bakar untuk turbin gas sistem pembangkit tenaga listrik merupakan suatu hal yang kompleks dan mempunyai karakteristik yang memungkinkan adanya berbagai persyaratan yang mungkin saling bertentangan. Selain itu juga melibatkan berbagai disiplin ilmu, antara lain kimia pembakaran, dinamika fluida, perpindahan panas, analisis tegangan dan material.
Gambar 2.7 Skema Nosel Penyemprot Bahan Bakar (Wiranto Arismunandar,2000)
12
Ruang bakar sangat menentukan mutu gas pembakaran atau fluida kerja turbin gas, tidak hanya dari segi energi yang disediakan tetapi juga emisi gas buangnya. Untuk menjamin hal tersebut maka ruang bakar turbin gas harus memenuhi syarat – syarat dasar berikut ini : 1.
Efisiensi pembakaran harus tinggi. Bahan bakar harus terbakar sempurna sehingga semua energi kimia dapat dikonversikan menjadi energi panas. Untuk hal tersebut zona primer harus menjamin terjadinya pencampuran turbulen yang baik. Perbandingan bahan bakar udara yang tepat dan pada tekanan dan temperatur yang sesuai pula.
2.
Mudah dalam proses penyalaannya dalam seluruh daerah operasinya (misal di darat untuk ruang bakar turbin gas industri, maupun di udara untuk motor pesawat terbang). Oleh karena rancangan zona primer sangat sesuai dengan standar prosedur, hendaknya digunakan bahan bakar yang memenuhi syarat yang diminta.
3.
Area pembakarannya stabil, maksudnya nyala api tidak akan padam dalam keadaan dipengaruhi oleh tekanan dan kecepatan.
4.
Bebas dari pulsasi / ketidakteraturan tekanan.
5.
Mampu mengurangi atau menekan kerugian tekanan. Setelah terjadi pembakaran di dalam zona primer, kecepatan gas pembvakaran naik (serupa dengan aliran adiabatik) sehingga pada waktu keluar dari ruang bakar dapat mencapai 500 m/s.
6.
Keseragaman dalam distribusi temperatur keluar ruang bakar.
7.
Emisi dan polutan yang dihasilkan (berupa CO, HC, NOxSOx) harus rendah. Untuk mencapai hal tersebut, maka pembakaran haruslah sempurna. Time residence tidak boleh terlalu panjang, dan kadar aromatik dalam bahan bakar tidak terlalu tinggi untuk menghindari timbulnya asap.
8.
Bentuk dan ukuran harus menyesuaikan dengan ruangan yang tersedia.
9.
Konstruksi dan material harus baik, tahan lama dan yang paling utama adalah sistem pendinginannya harus baik.
13
10.
Dapat menggunakan beberapa macam bahan bakar, utamanya dalam keadaan penting / darurat. Untuk pesawat terbang, faktor ukuran (yang kecil) dan beratnya yang
ringan sangat diutamakan. Sedangkan ruang bakar untuk perindustrian lebih mengutamakan pada masa / umur pengoperasian yang panjang, efisiensi dan kemampuang ruang bakar untuk menggunakan beberapa macam ruang bakar. Berdasarkan persyaratan tersebut, maka rancangan ruang bakar sebenarnya mempertimbangkan beberapa faktor diatas, dengan menekankan satu atau dua aspek yang nantinya akan menjadi ciri keunggulannya. Proses pembakaran berlangsung kontinu dengan intensitas pembakaran yang tinggi (~40000 Btu/s.ft3 atau 11150 MW/m3 pada motor turbojet) dibandingkan dengan ruang bakar pada ketel uap (10 Btu/s.ft3 = 2.8 MW/m3 ). Penyalaan campuran bahan bakar udara di dalam ruang bakar turbin gas dapat dilaksanakan dengan memperhatikan kondisi batas nyala (limits of inflamability) dari campuran bahan bakar udara, waktu tinggal (residence time) yang cukup lama, dan letak dari ignitor yang efektif. Temperatur penyalaan sendiri dari bahan bakar turbin gas ada pada sekitar 500 K. Apabila temperatur campuran di dalam ruang bakar ada di bawah temperatur nyala sendiri, diperlukan sumber energi (penyala) untuk menyalakan campuran tersebut. Dalam hal tersebut, penyala menaikkan temperatur campuran yang akan dinyalakan sampai di atas temperatur nyala sendiri. Energi yang diperlukan bergantung berdasarkan perbandingan bahan bakar dan udara, dan energi penyalaan yang minimum tidak selalu pada perbandingan bahan bakar udara stoikiometrik. Energi penyalaan biasanya berisar 0,3 mJ, pada tekanan dan temperatur standar, Untuk penyalaan dapat digunakan busi tegangan tinggi (beberapa ribu volt pada ujung elektrode dengan 3-12 J) atau penyala api (torch ignitor) yang disemburkan ke zona primer. Penyalaan dapat dipermudah dengan pengabutan bahan bakar yang baik dan menaikkan temperatur campuran bahan bakar udara.
14
2.5
Bagian - Bagian Ruang Bakar Sistem pembakaran ini terdiri dari komponen-komponen berikut yang jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas. Komponen-komponen itu adalah : 1.
Combustion
Chamber,
berfungsi
sebagai
tempat
terjadinya
pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar yang masuk. 2.
Combustion Liners, terdapat di dalam combustion chamber yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.
3.
Fuel Nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam combustion liner.
4.
Ignitors (Spark Plug), berfungsi untuk memercikkan bunga api ke dalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar.
5.
Transition Fieces, berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas.
6.
Cross Fire Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua combustion chamber.
7.
Flame Detector, merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi proses pembakaran terjadi. Ruang Bakar yang ada disusun kosentris mengelilingi axial flow
compressor dan disambungkan dengan keluaran kompresor udara dari aksial flow compressor yang dialirkan langsung ke masing-masing ruang. Zona pembakaran pada combustion chamber ada tiga yaitu: 1.
Primary Zone, merupakan tempat dimana bahan bakar berdifusi dengan udara kompresor untuk membentuk campuran udara bahan bakar yang siap dibakar.
2.
Secondary Zone, adalah zona penyempurnaan pembakaran sebagai kelanjutan pembakaran pada primary zone.
15
3.
Dilution Zone, merupakan zona untuk mereduksi temperatur gas hasil pembakaran pada keadaan yang diinginkan pada saat masuk ke first stage nozzles.
Combustion liners didesain dengan satu seri lubang dan louvers yang ditempatkan di dalam chambers. Digunakan untuk mencampurkan bahan udara dari kompresor dan bahan bakar dari nozel yang membakar campuran ini. Fuel nozzle terdapat pada ujung combustion chamber dan masuk ke combustion liners. Fungsi dari fuel nozzle ini adalah untuk mengabutkan bahan bakar dan mengarahkannya ke reaction zone pada ruang bakar. Transition piece terdapat antara combustion liners dan first stage nozzle. Alat ini digunakan untuk mengarahkan udara panas yang dihasilkan pada combustion section ke first stage nozzle. Spark plugs terdapat pada bagian samping combustion chamber dan masuk ke combustion liners. Spark plugs berfungsi untuk menyulut campuran bahan bakar dan udara pada saat turbin gas start up. Pembakaran akan terus terjadi selama suplai bahan bakar dan udara terus berlangsung. Spark plugs terpasang pada sebuah pegas setelah proses pembakaran terjadi, tekanan yang dihasilkan meningkat dan akan memaksa plugs naik menuju casing dan mengeluarkan gas panas. Cross fire tube berfungsi untuk menghubungkan semua combustion chamber. Tabung ini digunakan untuk mengirimkan pengapian dari satu combustion liners ke yang berikutnya selama start up.
16
Gambar 2.8 Bagian - Bagian Combustion Chamber pada PLTGU (Inisiator Aceh Power Investment)
17
BAB III BAHAN BAKAR YANG BIASA DIGUNAKAN OLEH RUANG BAKAR PLTGU 3.1
Bahan Bakar Minyak Bahan bakar minyak pada PLTG yang bergabung menjadi siklus kombinasi pada PLTGU biasanya menggunakan minyak jenis HSD ( High Speed Diesel), walaupun minyak IDO ( Industrial Diesel Oil) dan residu juga dapat digunakan apabila unit PLTG dilengkapi dengan sarana pengolah bahan bakar, misalnya dengan memasang pemanas minyak dan centrifuge. Penerimaan bahan bakar minyak dari pemasok dapat dilaksanakan melalui tongkang mobil tangki maupun langsung menggunakan pipa. Di sistem PLTG, bahan bakar minyak tersebut ditampung di dalam bungker atau tangki bulanan (monthly tank). Untuk pemakaian sehari hari, bahan bakar tersebut terlebih dahulu ditransfer ke dalam tangki harian (daily tank) lalu dipompakan ke unit yang memerlukannya. Untuk PLTG yang tidak dilengkapi dengan tangki harian, pengambilan minyak langsung dari tangki bulanan. Selanjutnya bahan bakar diisap oleh Fuel Forwarding Pump atau Booster Pump(3) yang berfungsi untuk menjamin agar sisi hisap Main Inlet Pump (5) tidak mendapat tekanan negatif. Tidak semua PLTG memiliki Fuel Forwarding Pump Filter yang lebih halus (4) berukuran sekitar 200 mesh dapat mencegah kotoran terbawa masuk ke dalam Main Inlet Pump (5).
18
Gambar 3.1 Diagram Alir Bahan Bakar Minyak Menuju Ruang Bakar ( PT. PLN Persero,2011) Main Fuel Pump (5) umumnya berupa pompa ulir atau pompa sentrifugal bertingkat banyak agar tekanan bahan bakar yang dihasilkan cukup tinggi. Beberapa model PLTG menggunakan pompa bahan bakar HSD yang diputar oleh poros turbin. Pada model lainnya ada juga yang diputar oleh motor listrik. Pompa ini mensuplai bahan bakar ke nozzle. Untuk mendapatkan tekanan bahan bakar yang konstan disisi discharge , main fuel pump dipasang dua katup pressure regulator (6 & 7). Kelebihan tekanan akan dikembalikan ke tangki. Oversped trip valve (8) adalah katup bahan bakar yang akan menutup apabila turbin mengalami overspeed atau gangguan lain seperti overheat dan sebagainya. Dalam keadaan normal atau tidak ada gangguan, katup ini akan terbuka terus. Untuk mengetahui jumlah bahan bakar yang digunakan dipasang Flowmeter (9) sesudah Overspeed trip valve.
19
Governing Valve atau Throttle Valve (10) berfungsi untuk menaikkan / menurunkan putaran turbin gas pada saat start up dan shut down, serta mengatur beban setelah turbin dibebani. Ada turbin gas yang memiliki katup pengatur bahan bakar khusus untuk periode start up (dinamakan Starting Valve). Nozzle bahan bakar yang memiliki lubang sangat halus perlu dijaga agar tidak dimasuki kotoran yang akan mengakibatkan penyumpatan. Oleh karena itu bahan bakar minyak terlebih dahulu dilewatkan melalui filter yang sangat halus (11). Isolation Valve (12) berfungsi untuk memblokir bahan bakar selama turbin tidak dioperasikan. Agar pembagian bahan bakar minyak ke setiap fuel nozzle merata, maka sebelum fuel nozzle dipasang manifold (13), pembagian bahan bakar harus merata untuk mencegah terjadinya perbedaan temeperatur antar ruang bakar . Pada turbin gas tertentu fungsi manifold digantikan Flow Divider. Pipa dan saluran sesudah Isolation Valve tidak boleh terisi bahan bakar minyak pada saat turbin gas tidak beroperasi . Oleh karena itu semua bahan bakar minyak yang ada di dalam manifold, dibuang melalui Manifold Drain Valve (14) saat turbin stop. Agar tidak terjadi ledakan saat mulai penyalaan, maka sisa bahan bakar yang ada di dalam Ruang Bakar dibuang melalui Combustion Shell Drain Valve (16) . Katup ini terbuka terus selama turbin gas tidak beroperasi. Bahan bakar minyak yang di Drain dari Combustion Shell ditampung dalam drain tank (17) untuk selanjutnya dikembalikan ke tangki bahan bakar minyak oleh transfer pump (18). Flow Divider adalah suatu peralatan mekanis yang berguna untuk mengatur serta membagi rata aliran bahan bakar minyak yang akan dibakar oleh setiap fuel nozzle. Pada dasarnya, flow divider adalah pompa pompa yang dipasang pada satu poros. Setiap pompa melayani satu fuel nozzle. Pompa pompa ini ada yang diputar oleh motor listrik. Tapi juga ada yang diputar oleh bahan bakar minyak.
20
3.2
Bahan Bakar Gas Bahan bakar yang umum digunakan PLTG adalah natural gas (gas alam), namun demikian beberapa macam gas lainnya juga dipakai , diantaranya blast furnace gas dan coke oven gas. Penggunaan bahan bakar gas untuk turbin gas (PLTG) akan lebih menguntungkan dibandingkan dengan bahan bakar minyak, karena : 1.
Lebih bersih, sehingga periode pemeliharaan akan lebih panjang.
2.
Titik nyala rendah, sehingga mengurangi faktor kegagalan start.
3.
Tidak memerlukan tangki penampungan dan pompa sehingga akan lebih hemat dalam biaya investasi maupun biaya operasi. Disamping ada keuntungannya, penggunaan bahan bakar gas juga
mempunyai kelemahan, yaitu : 1.
Kebocoran gas dan instalasi tidak dapat terlihat langsung dan beresiko bahaya kebakaran yang mungkin terjadi.
2.
Hanya dapat diperoleh di tempat – tempat tertentu saja, atau harus disuplai dengan memasang instalasi pipa yang panjangnya sampai ratusan kilometer. Untuk mencegah mencegah agar kondensat dan kotoran lain tidak
terbawa masuk ke dalam instalasi gas PLTG, maka terlebih dahulu bahan bakar gas tersebut dialirkan melalui fuel gas separator dan Filter (Gas Treatment). Disini kondensat dan kotoran akan dipisahkan dan ditampung di dalam condensate tank atau langsung dibuang melalui Cold Stack atau burning pit. Selanjutnya bahan bakar gas yang sudah bersih dialirkan ke instalasi gas PLTG untuk digunakan didalam proses pembakaran. Main Valve (1) adalah valve utama yang berupa manual valve untuk memblokir bahan bakar gas ke sistem PLTG apabila saat tidak digunakan . Agar tekanan gas yang diterima oleh sistem bahan bakar gas selalu konstan, maka terlebih dahulu gas dialirkan melalui Pressure Regulator (2), sehingga tekanan bahan bakar gas mencapai range tertentu (misalnya 200 sampai dengan 400 psi). Sedangkan tekanan gas supply dapat mencapai 800 psi .
21
Selanjutnya gas akan melalui flowmeter (3) guna mengukur jumlah gas yang terpakai. Sama seperti pada sistem bahan bakar minyak, pada sistem bahan bakar gas juga dilengkapi Overspeed Trip Valve (4) yang terbuka terus selama turbin beroperasi dan menutup segera jika ada gangguan tertentu. Starting Valve (5) berfungsi untuk mengatur aliran bahan bakar ke nozzle saat start up, sedangkan apabila kondisi operasi sudah melampaui periode start up, pengaturan bahan bakar dilakukan oleh governing valve atau throttle valve (6). Isolation Valve (7) akan terbuka saat turbin start up dan menutup apabila turbin shut down . Header (8) sebagai penampung akhir sebelum bahan bakar gas diterima oleh nozzle, berfungsi untuk menstabilkan tekanan , sedangkan nozzle (9) untuk pengabutan bahan bakar di dalam Combustion Basket
Gambar 3.2 Diagram Alir Bahan Bakar Gas ( PT. PLN Persero,2011)
22
BAB IV PERHITUNGAN TERMODINAMIKA DAN PENERAPANNYA PADA RUANG BAKAR PLTGU 4.1
Persamaan Energi yang Umum untuk Proses Aliran Tunak Aliran tunak adalah aliran fluida yang besaran dan sifatnya tidak berubah dengan waktu. Sedangkan sistem yang dibahas dapat mengenai apa saja yang didefinisikan dengan jelas dan tegas. Sistem yang dimaksudkan disini adalah serupa dengan diagram benda bebas dalam analisis mekanika dan dinamika struktur atau mekanime mesin mesin pada umumnya. Pada sistem energi, semua bentuk energi yang terlibat hendaknya digambarkan dengan lengkap, seperti pada gambar dibawah ini, yaitu antara lain energi dalam, energi aliran, energi kinetik, energi potensial, energi panas dan energi kerja mekanik. Salah satu penerapan persamaan energi untuk aliran tunak diatas dapat diterapkan pada bagian ruang bakar PLTGU. Pada dasarnya persamaan tersebut merupakan jabaran dari hukum kekekalan energi . Berikut ini digambarkan mengenai massa fluida masuk sistem penampang / dan keluar sistem e yang masing masing dapat lebih dari satu. Melalui penampang i dan e tersebut fluida kerja memiliki energi dalam, energi aliran, energi kinetik, dan energi potensial.
Gambar 4.1 Gambaran Sistem dan Batas Sistem pada Ruang Bakar 23
Sedangkan panas masuk ke dalam sistem sebesar Q dan sistem menghasilkan kerja mekanik sebesar W. Sebenarnya Q = ƩQ, dan W=ƩW, karena Qi dapat masuk ke dalam sistem melalui banyak tempat, dan Wi dapat juga dihasilkan di beberapa tempat. Qi dan Wi masing masing dapat bernilai positif atau negatif. Qi adalah positif jika panas masuk ke dalam sistem dan negatif jika panas keluar dari sistem, sedangkan Qi = 0 berlaku untuk proses adiabatik. Demikian pula Wi bernilai positif jika sistem menghasilkan kerja, seperti pada motor torak atau turbin, dan bernilai negatif jika sistem dikenai kerja atau memerlukan kerja, seperti pada pompa, blower, dan kompresor maupun ruang bakar. Dengan demikian, persamaan energi yang umum untuk proses aliran tunak dapat dituliskan sebagai berikut : W–Q=0 Ʃme [ = Ʃmi [
.....(1) ] + Ʃme [ ] + Ʃmi[
]+Ʃ ]+Ʃ
+ ƩQi - Ʃ
.....(2)
atau, Ʃme.he + Ʃme [
]+Ʃ
= Ʃmi.hi + Ʃmi [
]+Ʃ
+ ƩQi - Ʃ
.....(3)
dimana, : mi
: massa fluida masuk sistem (kg)
me
: massa fluida keluar sistem (kg)
h
: u + pv/J = entalpi
u
: energi per satuan massa
p
: tekanan
v
: volume spesifik
g
: percepatan gravitasi
(kJ/kg)
24
J
: faktor pengubah satuan,
Q
: perpindahan panas, negatif jika panas keluar dari sistem, dan positif jika panas masuk ke sistem
W
: kerja mekanik, positif jika sistem menghasilkan kerja mekanik seperti pada turbin, jika sistem dikenai atau memerlukan kerja mekanik seperti pada kompresor atau pompa. Subskrip i dan subskrip e berturut – turut menyatakan pada seksi
masuk dan keluar sistem. Jika pada sistem hanya terdapat satu lubang fluida masuk dan satu lubang fluida keluar, maka mi = me, sehingga persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi : he +
+
=
he +
+
+q-
....(4)
Jika faktor J tidak diikutsertakan (dalam hal ini, satuan diantara faktor faktor yang telah diketahui sudah sesuai satuan Internasional) , maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi : W-Q
= Ʃme . [ h +
] - Ʃmi . [ h +
] .....(5)
Pada kasus tertentu, gas yang mengalir ke ruang bakar itu terjadi secara steady state, dengan mengabaikan energi tekanan dan energi kinetik , selama gas dikabutkan bersama bahan bakar. Jika terjadi aliran steady state, maka persamaan diatas bisa diturunkan menjadi :
W - Q = Ʃme . [ he +
w-q
= [ he +
w – q = he – hi + w – q = he – hi +[ (
] - Ʃmi . [ hi +
] - [ hi +
] :m
]
+ g (ze – zi) ] + [ g (ze – zi) ]
w – q = he – hi ..... (6) 25
Jadi dengan dengan mengetahui entalpi pembakaran di ruang bakar, dapat ditemukan tekanan dan temperatur gas yang dilewatkan di ruang bakar tersebut, baik yang masuk ke ruang bakar maupun yang keluar dari ruang bakar. 4.2
Contoh Perhitungan Termodinamika Berikut ini akan diberikan suatu contoh permasalahan mengenai perhitungan termodinamika yang berlaku pada ruang bakar PLTGU. Kasus 1 : Berdasarkan analisa termal dan data dari spesifikasi suatu ruang bakar di suatu PLTGU, Entalpi minyak HSD yang diinjeksikan sekitar 3412,23 kj/kg. Udara bertekanan yang masuk ke ruang bakar bertemperatur 50 °C bertekanan 350 kpa dan memiliki entalpi sebesar 365,67 kj/kg. Setelah memasuki ruang bakar, tekanan dan temperatur udara yang dikabutkan meningkat menjadi 700 °C pada tekanan 3 Mpa. Jika kecepatan gas masuk ruang bakar dan keluar ruang bakar masing – masing 34 m/s dan 75 m/s, serta tinggi sisi masuk ruang bakar dari zona datum dan sisi keluar ruang bakar dari zona datum masing masing adalah 8m dan 13 m, hitung energi total yang dhasilkan ruang bakar tersebut selama 1 menit, jika proses tersebut berada pada keadaan adiabatik ! Penyelesaian
:
Diketahui
:
h minyak HSD
: 3412, 23 kj/kg.
T in ruang bakar
: 50 °C,
h gas in
: 365,67 kj/kg
T out ruang bakar
: 700 °C,
P in : 350 kpa
P out : 3 Mpa
Dari tabel diperoleh h gas out dari T=700 °C P = 3 Mpa adalah 3911,7 kj/kg.
v gas in
: 34 m/s
z in
:8m
v gas out
: 75 m/s
z out
: 13 m
q
: 0 (karena proses adiabatik) 26
Ditanyakan
:
w yang dihasilkan ruang bakar ... Jawab
:
L.1. Masukkan persamaan untuk proses energi dalam ruang bakar : w - q=h minyak HSD +{ [ he +
] - [ hi +
]}
L.2 masukkan angka yang telah diketahui dari data diatas + 9,81 m/s2 .
w – 0 = 3412, 23 kj/kg + {[ 3911,7 kj/kg + 13m] - {[ 365,67 kj/kg +
+ 9,81 m/s2. 8m]}
w – 0 = 3412, 23 kj/kg + {[ 3911,7 kj/kg + 5625 m2/s2
+
127,53
m2/s2] - {[ 365,67 kj/kg + 1156 m2/s2 +78,48 m2/s2 ]} ( satuan kj/kg = m2/s2 ), jadi bisa dituliskan , w – 0 = 3412, 23 kj/kg + {[ 3911,7 kj/kg + 5625 kj/kg
+
127,53
kj/kg] - {[ 365,67 kj/kg + 1156 kj/kg +78,48 kj/kg ]} w – 0 = 3412, 23 kj/kg + {9664,23 kj/kg – 1600,15}
w
= 3412,23 kj/kg + 8064,08 kj/kg
w
= 11.476,23 kj/kg
Jadi, kerja total yang dihasilkan dari proses diatas adalah 11.476,23 kj/kg.
27
BAB V STANDART OPERATIONAL PROCEDURE (SOP) RUANG BAKAR TURBIN GAS
Agar pelaksanaan proses awal start up dan shut down ruang bakar yang akan digunakan dalam sistem PLTGU, hendaknya operator perlu memahami langkah langkah yang harus dilaksanakan untuk menghindari kejadian yang tidak diinginkan. Langkah – langkah tersebut dikenal sebagai Standart Operational Procedure (SOP). Ada tiga (3) macam Standart Operational Procedure untuk pengoperasian ruang bakar, yaitu : 1.
Start Up Sistem Ruang Bakar
2.
Pengoperasian Ruang Bakar secara Normal
3.
Shut Down Sistem Ruang Bakar. Berikut akan diuraikan langkah – langkah dari masing – masing jenis SOP diatas. 5.1
SOP Start Up Sistem Ruang Bakar Jenis SOP untuk Start Up Sistem Ruang Bakar ini dilaksanakan ketika sistem berada dalam keadaan shut down / mati. Langkah – langkahnya sebagai berikut : 1.
Periksa pada layar pada bagian Ready to Start / Trips yang berada pada Ruang Kontrol (Control Room).
2.
Pilih tombol “Initiate to Trips Reset” pada layar monitor.
3.
Ketika menu Ready to Start pada monitor memunculkan dialog “Ready To Start”, tayangkan pilihan menu pada bagian Start Up Overview.
4.
Pilih bagian pada tombol “Pre Start Selection”
5.
Pilih tombol Start untuk memulai Siklus Permulaan (Start Cycle).
6.
Jika muncul pilihan menu untuk pensikronan (Synchronizer) secara manual, tutup Generator Breaker pada electrical Package.
28
5.2
SOP Pengoperasian Ruang Bakar secara Normal SOP Pengoperasian Ruang Bakar secara Normal dilakukan bila sistem sudah distart up.Langkah – langkah yang harus dilakukan untuk Pengoperasian Ruang Bakar secara manual dilakukan dengan cara : 1.
Sesaat setelah penutupan pada generator breker, baca dan catat tekanan dan temperaturnya.
2.
Untuk meningkatkan beban minimum yang perlu dicapai, dilakukan dengan : a.
Piliha Based Load Control
b.
Jika pilihan menu Load Control sudah muncul, masukkan beban target yang diinginkan beserta rating bebannya.
c.
Pilih menu Temperature Control dan lakukan pemonitoran pada pilihan menu MW Reference amati sampai terjadi kenaikan sesuai yang diinginkan tadi
d.
Untuk menghentikan laju kenaikan beban yang diinginkan secara tiba tiba, pilih tombol Load Hold.
3.
Untuk menurunkan beban sesuai permintaan, maka : a.
Pilih tombol Minimum Load dan amati pada menu MW Reference sampai terjadi penurunan beban yang diinginkan.
b.
Untuk menghentikan proses penurunan beban secara tiba – tiba, pilih Load Hold.
4.
Pada proses menuju beban yang ditentukan, amati pada kolom Reactive Load, dan atur dengan Voltage Regulator. Jika Voltage regulator menunjukkan posisi manual, pindahkan ke Auto pada Electrical Package.
5.3
SOP Shut Down Sistem Ruang Bakar Prosedur untuk menghentikan proses bekerjanya ruang bakar PLTGU dapat dilaksanakan dengan cara : 1.
Turunkan beban,
2.
Tutup Generator Breaker,
29
3.
Pilih menu Normal Stop,
4.
Tekan tombol pertama Cycle cooling Spin (pendinginan) lima menit sebelum pengoperasian Turning Gear,
5.
Satu jam setelah proses pendinginan pada
Cycle Cooling Spin
pertama selesai, mulai proses untuk proses Cycle Cooling Spin yang kedua, 6.
Pilih menu pengoperasian turbin, kemudian klik tombol Spin Hold.
7.
Atur putaran Spin sampai kecepatan Spin yang stabil terlihat. Jangan sampai lebih dari lima menit pengoperasian Starting Motor untuk menghindari overcooling.
8.
Kembalikan pada unit Turning Gear, kemudian pilih tombol Normal Stop.
9.
Proses Cycle cooling Spin tambahan bisa dilakukan satu jam setelah proses shut down unit apabila memang perlu penambahan proses pendinginan.
30
BAB VI TROUBLESHOOTING RUANG BAKAR
Ruang Bakar merupakan salah satu komponen utama di dalam sistem PLTGU. Di dalam ruang bakar terjadi proses pembakaran, antara udara yang dikompresikan dan memiliki tekanan dan temperatur yang tinggi dan dengan waktu yang sama ruang bakar juga menginjeksikan bahan bakar supaya terjadi ledakan energi. Ruang bakar merupakan bagian yang paling rawan kerusakannya, karena setiap saat pada saat beroperasi, ruang bakar selalu berkontak dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Beberapa masalah yang sering terjadi pada ruang bakar yang mengakibatkan berhentinya kerja ruang bakar di PLTGU diantaranya adalah : 1.
Gejala Flame Anchoring and Flashback Gejala Flame Anchoring and Flashback adalah gejala overheating pada bagian burner , tepatnya ruangan sebelum pencampuran , yaitu premixer pada ruang bakar yang disebabkan karena
udara yang
dikompresikan dan bahan bakar yang diinjeksikan tidak bercampur secara sempurna. Efek yang terjadi adalah kehancuran / kerusakan akibat panas terlebih tersebut pada bagian sisi burner seperti pada gambar dibawah.
Gambar 6.1 Damaged Flashback pada Burner (Angello and Castaldini,2004)
31
2.
Gejala Autoignitions Gejala ini merupakan peristiwa penginjeksian bahan bakar oleh injector yang dilakukan secara otomatis, meskipun ruang bakar sedang tidak dioperasikan. Gejala ini dapat dihindari dengan cara mendesain bagian premixer fuel injection berdasarkan karakteristik waktu autoignitions. Sebagai tambahan, autoignitions time untuk metana lebih lama daripada residence time di premixer sehingga dengan metana, autoignition bisa dihindari. Bahan bakar minyak yang mengandung metana antara lain HFO dan MFO.
3.
Gejala Dynamic Flame Stability Gejala ini terjadi akibat adanya ketidakstabilan aliran gas yang menyebabkan perubuhan reaksi kimia secara stoikiometri. Sedikit saja terdapat ketidakstabilan (turbulensi) pada aliran gas, maka akan berdampak dengan adanya kehilangan panas daam jumlah yang besar sehingga mengurangi kerja dari ruang bakar.
Gambar 6.2 Kerusakan pada Transition Piece akibat Ketidakstabilan Airflow (Angello and Castaldini,2004)
32
Gambar 6.3 Kerusakan pada connecting Tube karena Denyutan Airflow (Angello and Castaldini, 2004) Secara keseluruhan, untuk menghindari gangguan yang mungkin terjadi pada ruang bakar (Wilkes and Dean,1997), dapat dilakukan dengan cara : 1.
Jalur pipa untuk aliran gas sebaiknya dibuat dari stainless steel.
2.
Jalur pipa untuk gas dan jalur pipa untuk media penghilang panas (heat tracing) diisolasi.
3.
Memasang alat filter gas sedekat mungkin dengan turbin gas.
4.
Ketika dilaksanakan komisioning, bersihkan komponen – komponen ruang bakar sedetail mungkin.
5.
Perhatikan pula pada bagian mixer, gas dan bahan bakar minyak harus tercampur dengan sempurna sehingga ratio diantara gas dan bahan bakar minyak selalu tetap dan menghindari tingginya FARs (fuel air ratios).
6.
Memperkecil waktu sisa pembakaran (residence time) dengan selalu menggunakan bahan bakar minyak yang mengandung metana seperti High Speed Diesel (HSD).
33
BAB VII KESIMPULAN
Dari pemaparan makalah diatas, dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Salah satu komponen utama dalam siklus gabungan dalam sistem PLTGU adalah bagian ruang bakarnya. Udara bertekanan dari kompresor dimasukkan ke ruang bakar dan diinjeksikan bersama bahan bakar minyak, kemudian dikeluarkan dalam bentuk kerja untuk memutar turbin gas. 2. Sistem Ruang Bakar juga berhubungan dengan bahan bakar minyak yang digunakan, karena nantinya akan menentukan kualitas baik buruknya hasil kerja yang dikeluarkan oleh ruang bakar. 3. Di ruang bakar, berlaku persamaan termodinamika di bawah sehingga tercapai keseimbangan proses selama proses pembentukan energi. W-Q 4.
= Ʃme . [ h +
] - Ʃmi . [ h +
]
Untuk mengoperasikan maupun menghentikan ruang bakar dalam sistem, operator perlu memahami mengenai langkah – langah kerja yang harus dilakukan dengan benar dengan memahami Standart Operational Procedure (SOP) agar tidak terjadi hal – hal yang tidak diinginkan. Ada tiga macam SOP yang berlaku dalam pengoperasian ruang bakar yaitu : a. Start Up Sistem Ruang Bakar b. Pengoperasian Ruang Bakar secara Normal c. Shut Down Sistem Ruang Bakar
5.
Ruang Bakar merupakan bagian yang saling berkontak dengan tekanan dan temperatur tinggi, sehingga perlu dilakukan perawatan maupun penggantian komponen – komponen yang telah rusak.
34
