BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 TINJAUAN PUSTAKA Andi Tegar Pratama (2017) melakukan penelitian tentang Analisis Pengaruh Perubahan Beban Terhadap Karakteristik Generator Sinkron Satu Fasa penelitian yang dilakukan di Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Cilacap. Dari hasil penelitian dapat ditarik kesimpulan perubahan beban yang terjadi di PLTU Cilacap 2 x 300 MW tergantung dari permintaan PLN, dan rata-rata efisiensi generator di PLTU Cilacap sebesar 98% sebagai acuan PLN yaitu ± 95%. Adi Apri Sinulingga (2009) melakukan penelitian tentang Pengaruh Perubahan Beban Generator Listrik Terhadap Efisiensi Kinerja PLTU penelitian yang dilakukan di PT. Musim Mas dengan kapasitas pembangkit 10MW. Efisiensi pada PLTU tersebut relatif rendah dibandingkan dengan PLTU pada umumnya yaitu berkisar antara 20,26% - 21,61 %. Efisiensi tertinggi terjadi pada saat beban 7300 Kw yaitu sebesar 21,61% dan efisiensi terendah terjadi pada saat beban 5500 Kw yaitu sebesar 20,26%. Cahyadi (2015) melakukan penelitian tentang analisa perhitungan efisiensi turbin dan generator QSFN – 300-2-20 B unit 10 dan 20 PT. PJB UBJOM PLTU REMBANG. Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pada Unit 10 nilai persentase efisiensi terendah terjadi yaitu sebesar 90.75%, sedangkan persentase nilai efisiensi tertinggi yaitu sebesar 95.93%. Jika dibandingkan dengan nilai efisiensi desain maka dapat diketahui bahwa turbin dan generator mengalami penurunan efisiensi yaitu dari ±98% menjadi 93.15%. 2.2 DASAR TEORI 2.2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah pembangkit yang mengendalikan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Bentuk utama pembangkit listrik jenis ini adalah generator yang di hubungkan ke turbin dimana untuk memutar turbin diperlukan energi kinetik dari uap panas atau kering. Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) menggunakan berbagai macam bahan bakar terutama batu-bara dan minyak bakar serta MFO untuk starter. PLTU memiliki beberapa komponen utama antara lain turbin uap, boiler, kondensor dan generator. Semua komponen tersebut terintegrasi menjadi satu kesatuan sistem unit yang bekerja untuk dapat menghasilkan energi listrik. Komponen-komponen pada pembangkit listrik tenaga uap dapat dilihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 Komponen-komponen PLTU (Sumber: https://www.matadunia.id/2016/10/prinsip-kerja-pltu-pembangkit-listrik.html, 2016). Kelebihan dari Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah daya yang dihasilkan sangat besar. Konsumsi energi pada peralatan PLTU bersumber dari putaran turbin uap. PLTU adalah suatu pembangkit yang menggunakan uap sebagai penggerak utama (primemover). Untuk menghasilkan uap, maka haruslah ada proses pembakaran untuk memanaskan air. PLTU merupakan suatu sistem pembangkit tenaga listrik yang mengonversikan energi kimia menjadi energi listrik dengan menggunakan uap air sebagai fluida kerjanya, yaitu dengan memanfaatkan energi kinetik uap untuk menggerakkan proses sudu-sudu turbin yang dihubungkan dengan generator yang kemudian dibangkitkannya energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan akan menyuplai alat-alat yang disebut beban. Berikut merupakan skema proses pembakaran Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU): Gambar 2.2 Proses Pembakaran PLTU (Sumber: https://achmadjaelani89.wordpress.com/2016/09/13/pltu-pembangkit- listrik-tenaga-uap/) 1. Langkah pertama ialah mengisi air ke boiler sampai seluruh permukaan pemindah panas penuh. Dan di dalam boiler, air tersebut akan mendapatkan panas dengan menyerap gas panas hasil dari pembakaran bahan bakar batubara, HSD serta udara sehingga menjadi uap dan uap tersebut dapat memutar turbin. 2. Langkah kedua ialah, uap yang dihasilkan dari boiler tersebut yang berupa uap yang bertekanan tinggi dengan temperatur tertentu maka selanjutnya akan diarahkan untuk memutar turbin HP (High Pressure), IP (Intermediet Pressure) dan LP (Low Pressure) sehingga menghasilkan energi mekanik yang berupa putaran. 3. Kemudian generator akan di kopel langsung oleh turbin sehingga ketika turbin berputar maka akan menghasilkan energi listrik dari terminal output genertaor. 4. Langkah ke empat, uap yang telah terpakai untuk memutar turbin tadi selanjutnya akan masuk ke kondensor untuk di dinginkan kembali dengan menggunakan air asin atau air laut yang di pompa menggunakan pompa CWP (Circulation Water Pump) agar berubah menjadi air melalui proses kondensasi. Air kondensat ini kemudian dipanaskan secara bertahap menggnakan pemanas (heater), menggunakan uap ekstraksi melalui LPH1, LPH2, Daerator, HPH4 dan HPH5. Air demin tersebut digunakan kembali sebagai air pengisi boiler. Dan setelah itu prosesnya kembali ke awal terus-menerus atau berulang-ulang. 2.2.2 Proses Pembakaran Batu Bara Proses pembakaran batu bara umumnya membutuhkan sebuah tempat penyimpanan dan peralatan untuk penanganannya. Batubara yang masih berbentuk bongkahan-bongkahan besar tersebut akan diperkecil dengan menggunakan mesin pemecah (crusher). Kemudian batubara tersebut akan disimpan di tempat terbuka sampai nantinya batubara tersebut diperlukan atau akan digunakan. Belt conveyors mengangkut batubara dari tempat pembongkaran (unloading) kemudian menuju ke tempat pemecahan (crusher house), setelah itu ditimbun di tempat penyimpanan yang selanjutnya akan diproses di tempat pembakaran. Pada umumnya batubara digiling hingga menjadi serbuk ataupun butiran-butiran dengan diameter sesuai kebutuhan melalui mesin pulverizer dengan mengunakan variable speed coal feeders controlled untuk merespon penambahan beban. Batubara akan terbakar dengan mudah dan juga efisien seperti gas jika dibuat dalam bentuk serbuk atau diameter yang cukup kecil. Selain itu jika digunakan dalam bentuk serbuk, batubara akan mempunyai keuntungan-keuntungan yang mana antara lain: 1. Dapat digunakan batubara dengan segala macam ukuran. 2. Dapat melayani perubahan beban dengan baik. 3. Kebutuhan akan kelebihan udara pembakaran (excess air) rendah sehingga konsumsi daya untuk kipas lebih rendah. 4. Suhu pembakaran lebih tinggi. 5. Efisiensi thermal lebih baik sehingga menghasilkan biaya operasi dan biaya pemeliharaan yang cukup rendah. Kemudian serbuk batubara tersebut didorong oleh udara primer menggunakan bantuan primary air fan (PA fan) sampai ke ruang pembakaran. Pembakar (burner) batubara serbuk menerima serbuk batubara kering dan udara primer kemudian mencampurnya dengan udara pembakaran utama dari forced draft fan (FD fan) sehingga dalam proses tersebut menghasilkan nyala api didalam tanur. Sistemnya dapat dilihat seperti pada Gambar 2.3. Gambar 2.3 Proses Pembakaran BatuBara PLTU (Sumber:https://achmadarifin.com/prinsip-kerja-boiler-pada-pltu) Menyinggung poin 5 diatas. Untuk mendapatkan nilai Efficiency Thermal maka harus dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai Efficiency GPHR (Gross Plant Heat Rate) terlebih dahulu. GPHR (Gross Plant Heat Rate) atau laju panas yang masuk ke Boiler, laju panas yang masuk kedalam siklus uap tentu berbeda dengan laju panas yang masuk ke Boiler. Setiap Boiler memiliki nilai efisiensi sehingga tidak 100% panas yang masuk ke Boiler akan terserap kedalam siklus uap, sehingga jika dihitung secara thermal saja dari Turbine Heat Rate dalam menghitung bahan bakar yang dibutuhkan tentunya tidak akan cukup untuk menghasilkan daya (kW). Berikut rumus untuk menghitung GPHR (Gross Plant Heat Rate) : (Agus, Adhi, N. 2014. “Analisa Pengaruh Kualitas Batubara Terhadap Biaya Pembangkitan (Studi Kasus Di PLTU Rembang)”. Teknik Elektro, Universitas Islam Sultan Agung.) 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒 𝐻𝑒𝑎𝑡 𝑅𝑎𝑡𝑒 𝐺𝑟𝑜𝑠𝑠 𝑃𝑙𝑎𝑛𝑡 𝐻𝑒𝑎𝑡 𝑅𝑎𝑡𝑒 (𝐺𝑃𝐻𝑅) = = 𝑘𝐶𝐴𝑙/𝑘𝑊ℎ (2.1) 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 𝐵𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 Kemudian setelah nilai dari GPHR sudah diketahui langkah selanjutnya melakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai Efficiency Thermal. Thermal efisiensi merupakan suatu perhitungan yang menunjukkan kemampuan atau kondisi unit secara keseluruhan di dalam menghasilkan daya dan bahan bakar yang dipakai. Berikut rumus untuk menghitung efisiensi Thermal : (Agus, Adhi, N. 2014. “Analisa Pengaruh Kualitas Batubara Terhadap Biaya Pembangkitan (Studi Kasus Di PLTU Rembang)”. Teknik Elektro, Universitas Islam Sultan Agung.) 860 𝑘𝐶𝑎𝑙 (𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖∶1 𝑘𝑊ℎ) Thermal Efficiency Gross [100%]= 𝑥 100% (2.3) 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒 𝐻𝑒𝑎𝑡 𝑅𝑎𝑡𝑒 Dalam perhitungan neraca energi dan efisiensi perlu diketahui tentang nilai kalor dari proses pembakaran batubara. Nilai kalor menunjukkan perpindahan panas dari suatu proses pembakaran batubara yang didinginkan sampai suhu mula-mula dari udara dan batubara. 1. Mekanisme Pembakaran Batubara Dalam pembakaran batubara, temperatur ruang bakar terlebih dahulu dikondisikan dalam keadaan panas, dengan temperatur melebihi temperatur nyala batubara dan suplai udara yang cukup. Kondisi ruang bakar dengan temperatur melebihi temperatur tinggi, memicu transfer kalor ke batubara sehingga temperatur batubara naik mencapai temperatur nyala. Kemudian, kandungan volatil dalam batubara akan muncul dan terbakar disekitar partikel batubara (proses devolatilization). Kandungan volatil akan keluar sampai habis, sehingga hanya tersisa kadar karbon. Pembakaran karbon terjadi secara relatif lebih lambat dan menghasilkan residu berupa abu (proses char combustion). Borman (1998) menjelaskan secara lebih rinci mengenai proses pembakaran bahan bakar padat. Fenomina yang tidak dijelaskan oleh Howard dalam “Fludized Bed Combustion and Application” dalam proses drying bahan bakar padat, termasuk batubara. Dari kandungan air sebelum terjadinya devolatilization. Berikut adalah proses lengkap terjadinya reaksi pembakaran bahan bakar padat menurut Borman (1998). a. Proses Drying Moisture atau kadar air dalam bahan bakar padat termasuk batubara, memiliki 2 wujud. Yang pertama adalah kadar air yang berbeda dalam pori-pori partikel bahan bakar padat, dan sedangkan wujud yang kedua adalah kadar air terikat. Setelah masuk kedalam ruang bakar, pertukaran kalor antara bahan bakar. Dalam pembakaran, kehadiran moisture dalam bahan bakar memperlambat proses transfer massa dan kalor yang terjadi (burning rate) b. Proses Devolatilization Devolatilization bahan bakar dimulai dengan pelepasan zat volatil meninggalkan bahan bakar zat. Zat volatil keluar melalui pori-pori partikel, menghalangi oksigen dari luar masuk kedalam partikel dan kemudian terbakar disekitar partikel bahan bakar. api yang terbentuk disekitar partikel, meningkatkan tempeatur partikel, mengakibatkan terjadinya devolatilization lanjut. Prosess devolatilization terjadi tergantung pada jenis bahan bakar dan temperatur. Sebagai contoh, pada batubara jenis ligbut, pelepasan zat volatil mulai terjadi pada 300-400˚C. Zat volatil terbakar pada 400-600 ˚C. Zat volatil terus dilepas sampai 700-900 ˚C, yang mana zat yang dikeluarkan adalah karbon monoksida, karbon dioksida, air, uap hidrokarbon, tar, dan hidrogen. Di atas 900 ˚C, proses devolatilization telah selesai dan kandungan bahan bakar yang tersisa adalah char dan abu. c. Char Combustion Tahap terakhir pada pembakaran bahan bakar padat adalah char combustion. Char, yang merupakan residu dari proses sebelumnya, memiliki porositas yang tinggi. Contohnya ialah, porositas sekitar 0,7. Ketika 0,9 atau 0,9% voids, sementara batubara memiliki sekitar 0,7. Ketka zat volatil berhenti keluar dari char, oksigen dapat masuk kedalam pori-pori partikel char, mengijinkan terjadinya pembakaran atau reaksi antara char dan oksigen. Secara prinsip, kecepatan pembakaran char tergantung antara reaksi char dan oksigen pada permukaan char dan kecepatan difusi oksigen kedalam char. Lebih detail, pengaruh terhadap kecepatan pembakaran char dipengaruhi oleh parameter konsentrasi oksigen, temperatur gas, bilangan reynolds, ukuran char dan porositas char. 2.2.3 Siklus Rankine Siklus Rankine adalah siklus yang mengkonversikan energi panas menjadi kinetik, dan menjadi siklus standar dalam pembangkit energi tenaga uap (steam power plants). Siklus Rankine ini dinamai untuk mengenang ilmuan Skotlandia, siklus rankine ini ditemukan oleh William John Maqcuorn Rankine, seorang profesor dalam bidang teknik sipil Universitas Glasgow. Ia merupakan orang pertama yang menyusun naskah formal dalam bidang tersebut. Setelah ditemukan, siklus rankine tersebut segera diterima sebagai standar untuk pembangkit daya yang menggunakan uap (steam). Siklus rankine ini merupakan pengubahan panas menjadi kerja. Panas tersebut disuplai dari luar menuju siklus aliran tertutup dan biasanya menggunakan air sebagai fluida kerja (fluida yang dipanaskan/didinginkan). Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap yang secara umum digunakan di Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). Sumber panas untuk siklus rankine dapat berasal dari batubara, gas alam, minyak bumi, nuklir, bio masa dan panas matahari. Dalam siklus rankine terdapat empat proses sebagai berikut: 1. Proses 1-2: Fluida kerja (misalnya air) dipompa dari tekanan rendah menjadi tekanan tinggi. Pada tahap ini fluida kerja berfase cair sehingga hanya membutuhkan energi yang relatif kecil untuk proses pemompaan. 2. Proses 2-3: Air bertekanan tinggi memasuki boiler untuk dipanaskan. Di sini air berubah fase menjadi uap jenuh. Proses ini berlangsung pada tekanan konstan. 3. Proses 3-4: Uap jenuh berekspansi pada turbin sehingga menghasilkan kerja berupa putaran turbin. Proses ini menyebabkan penurunan temperature dan tekanan uap, sehingga pada suhu turbin tingkat akhir kondensasi titik air mulai terjadi. 4. Proses 4-1: Uap basah memasuki kondensor dan didinginkan sehingga semua uap berubah menjadi fase cair. Air dipompakan kembali (Proses 1-2). Besarnya kerja dibutuhkan pompa, panas yang diberikan boiler, kerja yang dihasilkan turbin dan panas yang dibuang pada kondensor dapat diperhitungkan dengan bantuan tabel Enthalpy-entropy air-uap air. Gambar 2.4 Proses Siklus Rankine (Sumber: http://januaradi.blogspot.com/2011/07/siklus-rankine-pltu.html, 2011) Contoh diagram siklus rankine :