Proses Flow PLTU Batubara - Bagian 1

Sistem Bahan Bakar

Bahan bakar dapat dinyatakan dengan istilah umum sebagai suatu zat yang banyak mengandung Carbon (C), Hidrogen (H2), Sulfur (S), juga Nitrogen (N2), yang pada proses pembakaran direaksikan dengan Oksigen (O2). Jumlah panas yang dihasilkan sebagai nilai kalori bahan bakar (Heating Value).

Bahan bakar utama yang digunakan adalah batu bara.  Batubara dipilih karena dari segi harga lebih terjangkau dari bahan bakar minyak dan gas.

Berikut parameter yang perlu diperhatikan kandungan dari batubara dan pengaruhnya terhadap peralatan penunjang:

1. High Heating Value (HHV)

Semakin tinggi HHV maka jumlah batubara yang dibutuhkan untuk menghasilkan suatu energi tertentu menjadi lebih sedikit setiap waktunya.

2. Moisture Content

Moisture Content semakin tinggi akan membutuhkan udara primer (Hot Air) lebih banyak, untuk mengeringkan batubara di Pulverizer.

3. Volatile Matter

Volatile Matter mempengaruhi kesempurnaan pembakaran dan intensitas nyala api. Kesempurnaan pembakaran ditentukan oleh :

    Fuel ratio =  Fixed Carbon / Volatile Matter

Semakin tinggi Fuel Ratio maka Carbon yang tidak terbakar (Unburned Carbon) semakin banyak.

4. Ash Content

Abu (Ash) terbawa bersama gas buang dari ruang bakar dalam bentuk abu terbang (Fly Ash) dan abu dasar (Bottom Ash). Sekitar 20% dalam bentuk abu dasar dan 80% dalam bentuk abu terbang. Semakin tinggi kandungan abu mempengaruhi tingkat pengotoran, keausan dan korosi peralatan yang dilalui.

5. Sulfur Content

Berpengaruh terhadap tingkat korosi yang dapat terjadi pada elemen pemanas udara (Air Heater) terutama apabila suhu kerja lebih rendah dari letak embun Sulfur, juga berpengaruh terhadap efektifitas penyerapan Sulfur di Flue Gas Desulfurization (FGD) yang dapat menyebabkan hujan asam di lingkungan sekitar.

Batubara diperoleh dari penyedia batubara dan diangkut dengan kapal menuju PLTU Coal Jetty.
Batubara dari kapal di ambil dan dipindahkan dengan Ship Unloader ke Vibrating Feeder selanjutnya dengan Conveyor batubara dialirkan ke Coal Yard (gambar 1, 2, 3). 

Coal Yard mampu menampung kebutuhan bahan bakar PLTU hingga 2 bulan.

 Gambar 1. Proses Penerimaan & Pembongkaran Batubara

 Gambar 2. Proses Penerimaan Batubara

 Gambar 3. Proses Pembongkaran Batubara

Salah satu persiapan awal proses PLTU, dimulai dari mengambil batubara di Coal Yard menggunakan Stacker Reclaimer dan dialirkan menuju Crusher dengan Conveyor untuk dipecah menjadi ukuran lebih kecil (+ 50 mm). Kemudian dengan Conveyor lagi, dialirkan ke Coal Silo.

Read More

Force Draft Fan

Force Draft (FD) Fan (gambar 1) berfungsi menghasilkan Secondary Air untuk mencampur udara dan bahan bakar di Burner sebagai udara pembakaran didalam Furnace. Satu unit FD Fan mempunyai kapasitas 50%, jadi dalam satu unit PLTU terdiri dari dua unit FD Fan.

Gambar 1. Force Draft Fan

Udara yang diproduksi oleh FD  Fan diambil dari udara luar (gambar 2). FD Fan merupakan jenis Axial Fan, udara outlet dihasilkan oleh Rotor Blade yang berputar dan dihembuskan secara horisontal.  Rotor digerakkan oleh motor listrik dengan putaran tetap. Rotor Blade atau disebut Vane/Variable Blade Pitch (VBP) dapat membuka & menutup secara otomatis untuk menghasilkan jumlah aliran udara tertentu. Gerakan VBP membuka & menutup diatur oleh tekanan oli Hydraulic (gambar 3 & 4). 
Dalam perjalanan udara outlet menuju Burner, udara tersebut dinaikkan temperaturnya dengan mengambil panas yang dibawa oleh gas buang dari Furnace oleh Air Heater.  Hal ini untuk mendapatkan temperatur pembakaran bahan bakar yang sesuai di dalam Furnace.
Dari Air Heater sebelum didistribusikan ke tiap-tiap Burner, udara pembakaran melalui Secondary Air (Seca) Duct. 

Gambar 2. Axial Fan

Prinsip kerja FD Fan adalah menjaga tekanan udara pembakaran di dalam Seca Duct dengan Set Point tertentu sesuai permintaan load unit PLTU. Set Point tersebut memerintahkan secara otomatis kepada Vane Blade Pitch (gambar 3 & 4) untuk bergerak membuka atau menutup sehingga diperoleh tekanan udara di Seca Duct yang sesuai. Semakin besar bukaan VBP akan menaikkan jumlah aliran udara pembakaran yang menuju Burner.

    

 Gambar 3. Vane Blade Pitch

Satu unit FD Fan mempunyai satu unit Lube & Hydraulic Unit untuk sistem pelumasan di Bearing motor listrik juga Rotor dan menggerakan Vane Blade Pitch. Untuk kehandalan operasi FD Fan ketinggian level & temperatur oli Lube & Hydraulic Unit, Ampere & temperatur Winding motor, selalu dijaga sesuai dengan standar operasi.

 Gambar 4. VBP Hydraulic

Sumber: itecnet, babcock & wilcock.

Read More

Proses Flow PLTU Batubara

PLTU adalah mesin konversi energi yang merubah energi kimia dalam bahan bakar menjadi energi listrik. PLTU merupakan jenis pembangkit listrik tenaga thermal yang banyak digunakan, karena efisiensinya yang baik dan bahan bakarnya mudah didapat sehingga menghasilkan energi listrik yang ekonomis.

Gambar 1. Proses Flow Diagram PLTU - Supercritical
Sumber: Itecnet

Gambar 2. Proses Flow Diagram PLTU - Superheated

Sumber: PLTU Tanjung Jati B #1&2

Proses Flow PLTU Batubara
Pertama muatan kapal batubara di Coal Jetty dibongkar dengan Ship Unloader & disimpan di Coal Yard. Secara kontinue batubara diambil oleh Stacker Reclaimer dialirkan melalui Conveyor menuju Crusher House untuk diturunkan ukuran batubara & dialirkan ke Coal Silo.

Proses selanjutnya, penurunan ukuran batubara menjadi bubuk di Pulverizer. Batubara yang telah berbentuk bubuk di Pulverizer dipanaskan & dihembuskan dengan udara dari Primary Air Fan menuju Furnace melalui Burner. Sedangkan untuk kebutuhan udara pembakaran disediakan oleh Force Draft Fan. Pembakaran tersebut digunakan untuk memanaskan Boiler sehingga akan merubah air umpan menjadi uap hingga Superheated. Proses di Boiler merupakan perubahan energi kimia dari batubara menjadi energi kalor/panas.

Uap Superheated digunakan untuk memutar High Pressure (HP) Turbine. Uap keluar HP Turbine dipanaskan kembali oleh Reheater untuk memutar Intermediete Pressure (IP) dan Low Pressure (LP) Turbine. HP, IP, dan LP Turbine tersebut dikopel bersamaan dengan Generator sehingga menghasilkan listrik. Uap yang keluar dari LP Turbine  lalu masuk ke Condensor untuk dikondensasi menjadi air umpan kembali. Air tersebut selanjutnya dipompa kembali ke Boiler untuk dipanaskan dan diubah menjadi uap air yang digunakan untuk memutar Turbine lagi (Close Cycle). Proses di Turbine dan Generator merupakan perubahan energi kalor/panas menjadi energi gerak selanjutnya menjadi energi listrik.

Animasi Proses Flow Diagram PLTU, klik disini.
Sumber: Itecnet

Read More

Contoh Perhitungan Efisiensi Thermal Siklus Rankine

Sebuah siklus Rankine PLTU modern dengan Boiler & Reheater, Turbin terdiri High Pressure, Intermediate Pressure, Low Pressure bekerja pada data-data dibawah ini. 

Hitung Kerja Turbin, Daya Turbin, Kerja Pompa, Kalor masuk, Kalor keluar, & Efisiensi Thermal.

Jawab:                                                                
Skema siklus Rankine dengan data-datanya:

                                                                   

                      Gambar 1. Skema Siklus Rankine PLTU Modern 

                                                
Dari tabel sifat-sifat uap panas lanjut atau software steam calculation didapat:          

Enthalpy steam ke HP Turbin:     h6 =    3398,62    kJ/kg                                       
Entropy steam ke HP Turbin:     s6 =    6,42    kJ/kg.K                                       
Enthalpy steam ke Reheater:     h7 =    3038,70    kJ/kg                                       
Entropy steam ke Reheater:     s7 = s6 =    6,42    kJ/kg.K                                       
Enthalpy steam ke IP Turbin:     h8 =    3537,17    kJ/kg                                       
Entropy steam ke IP Turbin:    s8 =    7,26    kJ/kg.K                                       
Enthalpy steam ke LP Turbin:     h9 =    3117,02    kJ/kg                                       
Entropy steam ke LP Turbin:    s9 = s8 =    7,26    kJ/kg.K                 
Enthalpy extraction steam dari IP ke Deaerator:     h11 =     3107,63    kJ/kg

Entropy air kondensat ke Condenser:    s10 = s8 =    7,26    kJ/kg.K      
Enthalpy fase uap air kondensat ke Condenser:    hg10 =    2600,72    kJ/kg   
Enthalpy fase cair air kondensat ke Condenser:    hf10 =    231,70    kJ/kg   
Enthalpy perubahan fase air kondensat ke Condenser:  hfg10 =  2369,02  kJ/kg  
Entropy fase uap air kondensat ke Condenser:    sg10 =    7,98    kJ/kg.K  
Entropy fase cair air kondensat ke Condenser:    sf10 =    0,77    kJ/kg.K        
Entropy perubahan fase air kondensat ke Condenser:  sfg10 =  7,21  kJ/kg.K   

Fraksi air kondensat ke Condenser:
     x10 =    (s10 - sf10) / sfg10       
            =    0,8997                                           
            =    89,97    %   

     x10 =    (h10 - hf10) / hf10
     h10 =    (x10 . hfg10) + hf10
            =    (0,8997 . 2369,02) + 231,70
            =    2363,10 kJ/kg
                                          
Kerja Turbin:                                                                       
    W Turbin =    (h6 - h7) + (h8 - h10) - (h8 - h11)                                                               
                     =    1104,40    kJ/kg                                                           
                                                                       
Daya Turbin:                                                                       
    m6 =    2169    T/H                                              
           =    603    kg/s                                                
    m8 =    1788    T/H                                                
           =    497    kg/s                                              
   m9  =    1665    T/H
           =    463    kg/s    
  m11 =    47,50    T/H
           =    13    kg/s
                                                            
    P Turbin =    m6.(h6 - h7) + ((m8.(h8 - h9)) - (m11 . H11)) + m9.(h9 - h10)
                    =    733191,04    KW                                                           
                    =    733,19    MW                                                           
                                                                       
Kerja Pompa CEP:                                                                   
    v1 (Volume jenis air) =    0,00101    m3/kg                                               
    p1 =    0,0834    bar                                                
          =    0,00834    Mpa                                              
          =    8,34    Kpa                                                
    p2 =    20    bar                                                
          =    2    Mpa                                              
          =    2000    Kpa

    W CEP =    v1 . (p2 - p1)                                                        
                  =    2,01    kJ/kg
                                         
Kerja Pompa BFP:
     v3 =    0,00113    m3/kg
     p3 =    8,33    bar
           =    0,83    Mpa
           =    833    Kpa
     p4 =    208,2    bar
           =    20,82    Mpa
           =    20820    Kpa                                                
                                                                       
     W BFP =    v3 . (p4 - p3)
                   =    22,32    kJ/kg
                                                             
Kerja Pompa total:                                                                       
     W Pompa Total =    W CEP + W BFP                                                               
                                  =    24,33    kJ/kg                                  
                                                                       
Daya Pompa CEP:                                                                      
     m2 =    1668    T/H                                                
            =    463    kg/s                                                  
                                                                       
     P CEP =    W CEP . m2                                                        
                  =    930,92    KW                                                
                  =    0,93    MW                                                
   
     h2 =    h1 + W CEP
           =    179,16    kJ/kg

Daya Pompa BFP:
     m3 =    2112    T/H
            =    587    kg/s

     P BFP =    W BFP . m3
                 =    13096,93    KW
                 =    13,10    MW
                                                             
     h4 =    h3 + W BFP                                               
           =    750,30    kJ/kg                                           
                                                                       
Daya Pompa total:                                                                       
    P Pompa Total =   P CEP + 2 . P BFP                                                              
                               =   27,12    MW            
                                                                       
Daya Turbin Nett:                                                                       
    P Turbin Nett =    P Turbin - P Pompa Total                                                               
                             =    706,07    MW                                                           
                                                                       
Kalor yang dibuang Condenser:                                                                       
    Q out =    h10 - h1                                                               
               =    2186,00    kJ/kg                                                           
                                                                       
Daya Condenser untuk membuang kalor:                                                                       
    m1 =    1668    T/H                                              
           =    463    kg/s                                                  

    m10 =    1368    T/H
             =    380    kg/s
                                                                  
    P Condenser =    (m10 . H10) - (m1 . H1)                                                               
                            =    815915,61    KW                                                           
                            =    815,92    MW                                                           
                                                                       
Kalor yang masuk ke sistem:                                                                       
    Q in =    (h6 - h5) + (h8 - h7) - (h8 - h11)
             =    2196,93    kJ/kg                                                           
                                                                       
Daya yang dihasilkan Boiler:                                                                       
    m5 =    2112    T/H                                                  
           =    587    kg/s      
    m7 =    1788    T/H
           =    497    kg/s
                                                                  
    P Boiler =    ((m6 . h6)-(m5 - h5)) + ((m8 . h8) - (m7 . h7))
                   =    1549810,43    KW                                                           
                   =    1549,81    MW                                                           
                                                                       
Efisiensi Thermal Siklus Rankine:                                                                       
    η Thermal =    (W Turbin - W Pompa Total) / Q in
                       =    49,16    %                                                        
                                                                       

Read More

Cara Meningkatkan Efisiensi Thermal Siklus Rankine

Secara ideal Efisiensi Thermal dari Siklus Rankine berkisar di angka 42%. Ada beberapa cara untuk meningkatkan Efisiensi Thermal Siklus Rankine dengan memodifikasi siklusnya.

Reheater
Cara pertama adalah dengan menggunakan Reheater. Menggunakan dua Turbin Uap (High Pressure dan Low Pressure) yang keduanya berada pada satu poros. Uap air yang keluar dari Turbin High Pressure masuk kembali ke Boiler untuk dipanaskan kembali menjadi uap Superheated. Setelah itu uap air tersebut kembali masuk ke Turbin Uap Low Pressure. Dari Turbin Kedua ini uap air masuk ke Condenser. PLTU modern sudah banyak menggunakan tiga atau bahkan 4 Turbin Uap, yaitu High Pressure Turbine, Intermediate Pressure Turbine, dan Low Pressure Turbine. Uap air Reheater masuk kembali ke Intermediate Pressure Turbine, selanjutnya tanpa mengalami Reheater lagi uap air yang keluar dari Intermediate Pressure Turbine masuk ke Low Pressure Turbine.

Gambar 1. Siklus Rankine Dengan Reheater

Dari modifikasi ini dapat kita tambahkan dalam hitungan Efisiensi Thermal siklus energi panas masuk pada saat Reheater (Q in Reheater) serta output kerja pada Low Pressure Turbine (W LPT out). Sehingga nilai kalor total yang masuk ke fluida kerja adalah:

Q total = Q in boiler + Q in reheater
Q total = m.(h3 – h1) + m.(h5 – h4)

Sedangkan nilai kerja output keluar total adalah:

W out total = W HPT out + W LPT out
W out total = m.(h3 – h4) + m.(h5 – h6)

Penambahan penggunaan satu tahap Reheater akan meningkatkan Efisiensi Thermal Siklus Rankine sebesar 3-4%, penambahan dua tahap Reheater menaikkan efisiensi sebesar 1,5-2%, penambahan tiga tahap Reheater menaikkan efisiensi sebesar 0,75-1%, dan begitu seterusnya. Akan tetapi umumnya hanya dipergunakan satu tahap Reheater saja.

Preheater atau Regenerative

Cara meningkatkan Efisiensi Siklus Rankine yang kedua adalah dengan menggunakan Preheater atau pemanasan awal dari fluida kerja sebelum masuk ke Boiler. Cara ini disebut dengan Regenerative Rankine Cycle.

Sumber panas yang digunakan untuk Preheater berasal dari uap air yang diambil dari Turbine Uap pada stage tertentu (Extraction Steam). Uap panas ini dialirkan melewati pipa menuju ke Heat Exchanger dan bertemu dengan air kondensat atau Feed Water. Air kondensat yang keluar dari Condenser dipompa oleh pompa ekstraksi kondensat menuju Heat Exchanger tersebut.

Ada dua macam proses perpindahan panas yang terjadi, yang otomatis ada dua jenis juga Heat Exchanger yang biasa digunakan. Yang pertama adalah tipe Open Feed Water Heater, yang mana tipe ini bersifat terbuka, perpindahan panas secara konveksi, Extraction Steam akan bertemu dan bercampur langsung dengan fluida kerja di sebuah wadah tertentu. Kelemahan sistem ini adalah tidak dapat digunakan apabila antara Extraction Steam dengan fluida kerja terdapat perbedaan tekanan yang terlalu besar, tetapi memiliki kelebihan dalam sisi ekonomis dan perpindahan panas yang maksimal karena kedua media bertemu secara langsung.

Gambar 2. Heat Exchanger Siklus Rankine Type Regenerative Open Feed Water Heater

Gambar 3. Siklus Rankine dengan Regenerative Open Feed Water Heater

Gambar 4. Diagram T-S Siklus Rankine dengan Regenerative Open Feed Water Heater

Massa aliran fluida pada setiap komponen menjadi berbeda karena adanya extraction steam. Apabila 1 kg uap air masuk ke Turbin, dan y kg menjadi Extraction Steam, dan (1-y) kg berlanjut menuju ke Boiler, maka kita dapat menghitung kerja output dan kalor masuk sebagai berikut:

Jika q = Q / m ; maka:

Heat Input:
q in = h5 – h4

Heat Output:
q out = (1 – y).(h7 – h1)

Work Output:
W turbin out = (h5 – h6) + (1 – y).(h6 – h7)

Work Input:
W pump in = (1 – y)(h2 – h1) + (h4 – h3)

Tipe yang kedua adalah tipe tertutup (Close Feed Water Heater), yang mana di dalamnya terjadi perpindahan panas secara konduksi, uap air pada sisi Shell dan fluida kerja di sisi pipa. Tipe ini dapat digunakan apabila kedua media dalam kondisi perbedaan tekanan yang besar, namun kelemahannya adalah harga yang lebih mahal serta perpindahan panas yang lebih kecil karena kedua media tidak bertemu secara langsung. 

Gambar 5. Heat Exchanger Siklus Rankine Type Regenerative Close Feed Water Heater

Gambar 6. Siklus Rankine dengan Regenerative Close Feed Water Heater

Gambar 7. Diagram T-S Siklus Rankine dengan Regenerative Close Feed Water Heater

Sama dengan Open Feed Water Heater apabila 1 kg uap air masuk ke Turbin, dan y kg menjadi Extraction Steam, dan (1-y) kg berlanjut menuju ke Boiler, maka kita dapat menghitung kerja output dan kalor masuk sebagai berikut:

Heat Input:
q in = h4 – h3 

Heat Output:
q out = (1 – y).(h6 – h1) + y.(h8 – h1) 

Work Output:
W turbin out = (h4 – h5) + (1 – y).(h5 – h6) 

Work Input:
W pump in = (h2 – h1) 

Read More