1.
SIKLUS PLTGU
1.1. Siklus PLTG Prinsip kerja PLTG dapat dijelaskan melalui gambar dibawah ini :
Gambar 1.1. Skema PLTG
Proses yang terjadi pada PLTG adalah sebagai berikut : •
Pertama, turbin gas berfungsi menghasilkan energi mekanik untuk memutar kompresor dan rotor generator yang terpasang satu poros, tetapi pada saat start up fungsi ini terlebih dahulu dijalankan oleh penggerak mula (prime mover). Penggerak mula ini dapat berupa diesel, motor listrik atau generator turbin gas itu sendiri yang menjadi motor melalui mekanisme SFC (Static frequency Converter). Setelah kompresor berputar secara kontinu, maka udara luar terhisap hingga dihasilkan udara bertekanan pada sisi discharge (tekan) kemudian masuk ke ruang bakar.
•
Kedua, proses selanjutnya pada ruang bakar, jika start up menggunakan bahan bakar cair (fuel oil) maka terjadi proses pengkabutan (atomizing) setelah itu terjadi proses pembakaran dengan penyala awal dari busi, yang kemudian dihasilkan api dan gas panas bertekanan. Gas panas tersebut dialirkan ke turbin sehingga turbin dapat menghasilkan tenaga mekanik berupa putaran. Selanjutnya gas panas dibuang ke atmosfir dengan temperatur yang masih tinggi. Proses seperti tersebut diatas merupakan siklus turbin gas, yang merupakan penerapan Siklus Brayton. Siklus tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 1.2. Diagram P-v dan T-s Siklus seperti gambar diatas terdapat empat langkah: • Langkah 1-2 : Udara luar dihisap dan ditekan di dalam kompresor, menghasilkan udara bertekanan (langkah kompresi) • Langkah 2-3 : Udara bertekanan dari kompresor dicampur dengan bahan bakar, terjadi
reaksi pembakaran yang menghasilkan gas panas (langkah pemberian panas) • Langkah 3-4 : Gas panas hasil pembakaran dialirkan untuk memutar turbin (langkah ekspansi) • Langkah 4-1 : Gas panas dari turbin dibuang ke udara luar (langkah pembuangan)
Salah satu kelemahan mesin turbin gas (PLTG) adalah efisiensi termalnya yang rendah. Rendahnya efisiensi turbin gas disebabkan karena banyaknya pembuangan panas pada gas buang, maka telah dilakukan berbagai upaya sehingga menghasilkan mesin siklus kombinasi. 1.2. Siklus Kombinasi (Combined Cycle)
Untuk meningkatkan efisiensi termal turbin gas yang digunakan sebagai unit pembangkit listrik (PLTG), siklus PLTG digabung dengan siklus PLTU sehingga terbentuk siklus gabungan yang disebut “Combined Cycle” atau Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU).
Gambar 1.3. Siklus kombinasi Penggabungan siklus turbin gas dengan siklus turbin uap dilakukan melalui peralatan pemindah panas berupa boiler atau umum disebut “Heat Recovery Steam Generator” (HRSG).
Gambar 1.4, Combined Cycle Power Plant (PLTGU)
2.
Prinsip Dasar Pengoperasian PLTGU
2.1. Prinsip kerja PLTG PLTG memerlukan alat pemutar awal (Starting Device) untuk menjalankannya. Starting Device dapat berupa mesin diesel, motor listrik, motor-generator atau udara. Fungsi dari Starting Device adalah untuk memutar kompresor pada saat start up untuk menghasilkan udara bertekanan sebelum masuk ke ruang pembakaran (combustion chamber) Di dalam sistem turbin gas gas panas hasil pembakaran bahan bakar dialirkan untuk memutar turbin gas sehingga menghasilkan energi mekanik yang digunakan untuk memutar generator. Gas buang dari turbin gas yang masih mengandung energi panas tinggi dialirkan ke HRSG untuk memanaskan air sehingga dihasilkan uap. Setelah menyerahkan panasnya gas buang di buang ke atmosfir dengan temperatur yang jauh lebih rendah. Uap dari HRSG dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin uap yang dikopel dengan generator sehingga dihasilkan energi listrik. Uap bekas keluar turbin uap didinginkan didalam kondensor sehingga menjadi air kembali. Air kondensat ini dipompakan sebagai air pengisi HRSG untuk dipanaskan lagi agar berubah menjadi uap dan demikian seterusnya. 2.2. Prinsip kerja PLTGU Di dalam sistem turbin gas gas panas hasil pembakaran bahan bakar dialirkan untuk memutar turbin gas sehingga menghasilkan energi mekanik yang digunakan untuk memutar generator. Gas buang dari turbin gas yang masih mengandung energi panas tinggi dialirkan ke HRSG untuk memanaskan air sehingga dihasilkan uap. Setelah menyerahkan panasnya gas buang di buang ke atmosfir dengan temperatur yang jauh lebih rendah. Uap dari HRSG dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin uap yang dikopel dengan generator sehingga dihasilkan energi listrik. Uap bekas keluar turbin uap didinginkan didalam kondensor sehingga menjadi air kembali. Air kondensat ini dipompakan sebagai air pengisi HRSG untuk dipanaskan lagi agar berubah menjadi uap dan demikian seterusnya.
3.
KOMPONEN UTAMA PLTGU PLTGU yang merupakan siklus kombinasi mempunyai komponen utama yang terdiri dari :
a. PLTG dan alat bantunya serta generator b. HRSG dan alat bantunya c. Turbin uap dan alat bantunya serta generator
Apabila PLTG akan digunakan dalam siklus kombinasi, maka panas gas buang harus mempunyai suhu sekitar 500 0C agar dapat dimanfaatkan untuk menguapkan air didalam “Heat Recovery Steam Generator”. Apabila PLTD (Diesel) akan digunakan dalam siklus kombinasi, maka kapasitasnya harus cukup besar, yaitu sekitar 25 MW agar air pendingin mesin dapat dimanfaatkan untuk pemanas awal air pengisi boiler. 4. SISTEM-SISTEM PLTGU Peralatan bantu PLTGU selain terdiri dari peralatan yang berbentuk komponen juga terdapat peralatan bantu berupa suatu siklus atau sirkit yang disebut sistem. Adapun sistem tersebut diantaranya: 4.1. Sistem Udara Pendingin dan Perapat Sebagaimana telah disebutkan diatas sistem udara berfungsi untuk menyediakan udara untuk pembakaran, dimana udara dihasilkan oleh kompresor. Tetapi udara dari kompresor ini sebagian juga digunakan sebagai pendingin dan perapat. Udara pendingin berfungsi untuk mendinginkan sudu-sudu turbin. Material turbin gas akan mengalami stress karena dilalui oleh gas yang temperaturnya sangat tinggi hasil dari pembakaran bahan bakar. Untuk mencegah agar tidak terjadi overheating, maka bagian turbin yang dilalui oleh gas panas tersebut didinginkan dengan udara. Sudu-sudu gerak (moving blade) didinginkan dengan udara yang diambil dari kompresor tingkat tertentu. Udara pendingin ini sebelum digunakan, didinginkan terlebih dahulu dengan media udara atau air (air cooler atau water cooler). Fungsi udara perapat adalah mencegah bocornya minyak pelumas dari ujung bantalan (celah antara rumah bantalan dan poros). Sebagaimana pada udara pendingin, udara perapat sebelum digunakan juga didinginkan terlebih dahulu.
Gambar 4.1 Diagram sistem udara pendingin dan perapat
4.2. Sistem Udara Pengabut (Atomizing) Untuk mempermudah pencampuran antara bahan bakar dan udara dalam proses pembakaran, maka bahan bakar harus dipecah menjadi partikel yang sangat kecil. Proses memecah bahan bakar menjadi partikel yang kecil ini disebut atomisasi (pengabutan). Bahan bakar minyak pada turbin gas umumnya diatomisasi dengan udara. Pada saat start, udara pengabut biasanya diambil dari kompresor khusus, dan setelah operasi normal udara pengabut diambil dari kompresor utama. 4.3. Sistem Pendingin Sistem pendingin berfungsi untuk mendinginkan peralatan bantu dan sistem PLTG. Peralatan yang mendapat pendinginan antara lain adalah minyak pelumas, udara pendingin, mesin diesel start up, generator dan sebagainya. Media pendingin menggunakan air demin yang diberi bahan kimia. Pemberian bahan kimia bertujuan untuk mencegah korosi dan pengerakan. Jenis bahan kimia yang digunakan adalah magnesium chromat. Sirkulasi air pendingin merupakan siklus tertutup. Setelah mendinginkan peralatan, air pendingin ini didinginkan dengan udara dari kipas (fin fan) didalam radiator.
4.4. Sistem Bahan Bakar a.
Bahan bakar minyak Bahan bakar minyak yang banyak digunakan di PLTG adalah 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 b.
Bahan Bakar Gas Bahan bakar yang umum dipakai untuk 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 dibanding dengan bahan bakar minyak karena : •
Lebih bersih, sehingga periode pemeliharaan lebih panjang .
•
Titik nyala rendah, sehingga mengurangi faktor kegagalan start.
•
Tidak memerlukan tangki penampungan dari pompa, sehingga akan lebih hemat dalam biaya investasi maupun biaya operasi. Disamping ada keuntungannya, penggunaan bahan bakar gas juga mempunyai
kelemahan yaitu : •
Kebocoran gas dari intalasi tidak dapat terlihat langsung, dan ini mengundang bahaya kebakaran .
•
Hanya dapat diperoleh ditempat–tempat tertentu saja, atau harus disuplai dengan memasang instalasi pipa yang panjangnya sampai ratusan kilometer. Untuk mencegah agar kondensat dan kotoran lain tidak terbawa masuk ke dalam intalasi
gas PLTG, maka terlebih dahulu bahan bakar gas tersebut dialirkan melalui fuel gas separator dan Filter (Gas treatment). Disini kondensat dan kotoran dipisahkan dari gas dan ditampung didalam 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. 4.5 Sistem Kelistrikan Bila ditinjau dari sisi luar (jaringan luar), maka pasokan listrik dari bus 70 atau 150 kV melewati CB (circuit breaker) kemudian trafo utama (generator transformer). Dari trafo utama tegangan diturunkan dan dicabang menjadi dua saluran. Satu saluran ke generator dan saluran yang lain ke alat bantu (auxiliary).
Saluran ke generator melewati PMT (generator circuit breaker) dan digunakan untuk kebutuhan penyaluran daya keluar generator. Energi listrik yang dibangkitkan dari generator disalurkan ke pelanggan melalui saluran ini. Saluran ke alat bantu melewati CB dan auxiliary transformer (trafo alat bantu). Pada auxiliary transformator tegangan diturunkan sesuai dengan tegangan alat-alat bantu. Setelah diturunkan tegangannya energi listrik didistribusikan ke alat-alat bantu berupa motor-motor listrik dan sebagainya melalui motor control center (MCC). Karena percabangan saluran listrik dari sistem jaringan terjadi setelah PMT generator, maka pasokan listrik untuk alat bantu selalu tersedia sekalipun generator dalam keadaan stop (tidak menghasilkan listrik). MCC untuk alat bantu biasanya terdiri dari dua bagian, yaitu MCC untuk peralatan yang berada menjadi satu dengan unit PLTG dan MCC untuk peralatan yang terpisah dari unit PLTG, seperti misalnya sistem pendingin atau pompa forwading. Sistem kelistrikan untuk alat bantu dilengkapi dengan batere charger dan station batere yang berfungsi sebagai sumber pasok listrik DC. Kebutuhan listrik DC antara lain digunakan untuk : •
Tegangan kontrol
•
Pompa darurat
•
Penerangan darurat
5. HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR (HRSG) HRSG berfungsi untuk memanaskan air dengan menggunakan panas gas buang dari turbin gas sehingga dihasilkan uap dengan tekanan dan temperatur tertentu yang konstan. HRSG merupakan penghubung antara PLTG (siklus Brayton) dengan PLTU (siklus Rankine). Ditinjau dari sumber panasnya, HRSG dibagi menjadi dua, yaitu unfired dan fired (auxiliary burner atau supplementary burner). HRSG unfired adalah HRSG yang seluruh sumber panasnya diperoleh dari gas buang (exhaust gas) turbin gas. Sedangkan HRSG supplementary burner adalah HRSG yang dilengkapi dengan peralatan pembakaran bahan bakar (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). 5.1. Prinsip Kerja HRSG Gas buang dari turbin gas yang temperaturnya masih tinggi (sekitar 550 0C) 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 0C). Campuran air dan uap selanjutnya masuk kembali ke dalam drum.
Di dalam drum, uap
dipisahkan dari air menggunakan separator. 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.
5.2
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)
5.2
Keuntungan dan kekurangan PLTGU Siklus kombinasi selain meningkatkan efisiensi termal juga akan mengurangi pencemaran
udara. Dengan menggabungkan siklus tunggal PLTG menjadi unit pembangkit siklus kombinasi (PLTGU) maka dapat diperoleh beberapa keuntungan, diantaranya adalah :
•
Efisiensi termalnya tinggi, sehingga biaya operasi (Rp/kWh) lebih rendah dibandingkan dengan pembangkit thermal lainnya.
•
Biaya pemakaian bahan bakar (konsumsi energi) lebih rendah
•
Pembangunannya relatif cepat
•
Kapasitas dayanya bervariasi dari kecil hingga besar
•
Menggunakan bahan bakar gas yang bersih dan ramah lingkungan
•
Fleksibilitasnya tinggi
•
Tempat yang diperlukan tidak terlalu luas, sehingga biaya investasi lahan lebih sedikit.
•
Pengoperasian PLTGU yang menggunakan komputerisasi memudahkan pengoperasian.
•
Waktu yang dibutuhkan: untuk membangkitkan beban maksimum 1 blok PLTGU relatif singkat yaitu 150 menit.
•
Prosedur pemeiliharaan lebih mudah dilaksanakan dengan adanya fasilitas sistern diagnosa.
Namun dari beberapa keuntungan diatas PLTGU memiliki kekurangan yaitu •
Memerlukan penggerak mula dari luar seperti diesel, atau motor listrik.
•
Sangat tergantung pada tersedianya pasokan bahan bakar. Khususnya di indonesia
kendala pasokan gas utamanya adalah kekurangan infrastruktur (www.tempointeraktif.com).
