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

Efisiensi Thermal Siklus Rankine

Efisiensi Thermal dari Siklus Rankine (η thermal) adalah perbandingan antara kerja yang dihasilkan oleh Turbin Uap yang sudah dikurangi kerja pompa (W out - W in), dengan energi panas yang masuk dari Boiler (Q in). Sebelum lebih lanjut membahas Efisiensi Thermal dari Siklus Rankine, lebih mudah kita memahami dengan membahas proses-proses yang terjadi di dalamnya.

Gambar 1. Diagram Temperatur - Enthalpy Siklus Rankine

Siklus Rankine menjadi salah satu bentuk rekayasa energi untuk memanfaatkan Hukum Kekekalan Energi. Sumber energi yang berlimpah di bumi dimanfaatkan untuk dikonversikan menjadi bentuk energi yang lain yang lebih bermanfaat bagi manusia. Energi yang digunakan di awal proses Siklus Rankine adalah energi panas. Energi panas ini dapat diambil hasil pembakaran bahan bakar fosil, penggunaan panas bumi, atau dari reaksi nuklir.

Energi panas dari sumber-sumber di atas ditransfer ke fluida kerja, seperti air misalnya. Apabila bahan bakar yang digunakan adalah batubara maka proses ini terjadi di Boiler. Melalui diagram T-S di atas proses ini terjadi di garis D-E-A-F. Garis D-E air masih berwujud cair, pada garis E-A air mengalami proses boiling dan berfase campuran air dan uap, sedangkan pada garis A-F fluida kerja air sudah berfase uap air dan mengalami proses pemanasan lanjut untuk mencapai titik Superheated. 

Dan nilai kalor yang diserap oleh uap air dapat dihitung menggunakan rumus berikut:

Q in = m.(hF – hD) 

Uap air Superheated dari Boiler kemudian masuk ke Turbin Uap untuk mengalami konversi energi panas menjadi energi gerak. Uap air mengalami penurunan Enthalpy pada saat proses konversi energi panas menjadi energi gerak, ditunjukkan oleh garis F-G pada gambar di atas. Penurunan Enthalpy (h) tersebut dapat digunakan untuk menghitung besar energi gerak yang dihasilkan oleh Turbin menggunakan rumus berikut:

W out = m.(hF – hG)

 

Uap air yang keluar dari Turbin Uap masuk ke Condenser untuk diubah kembali fasenya menjadi cair. Di sini dapat kita lihat bahwa ada energi panas yang tidak dikonversikan seluruhnya menjadi energi gerak pada Turbin Uap, karena energi tersebut untuk merubah fase air menjadi uap air (panas laten). Uap air yang terkondensasi mengalami penurunan Enthalpy (garis G-C) dan penurunannya dapat digunakan untuk menghitung energi panas yang dikeluarkan menggunakan rumus berikut:

Q out = m.(hG – hC)

 

Proses selanjutnya adalah air hasil kondensasi dipompa untuk dinaikkan tekanannya sebelum masuk ke Boiler. Pada proses yang ditunjukkan oleh garis C-D ini air tidak mengalami banyak kenaikan nilai Enthalpy. Artinya energi yang diberikan kepada air tidak terlalu signifikan. Nilai energi yang masuk dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:

W in = m.(hD – hC)

 

Jadi penjabaran rumus Efisiensi Thermal Siklus Rankine adalah:

η thermal = (W out – W in) / Q in

 

Untuk lebih mudah menghitung, variabel massa (m) dapat dihilangkan pada setiap persamaan, karena pada perhitungan akhir Efisiensi Thermal variabel ini saling membagi.

Read More

Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah sebuah siklus yang mengkonversi energi panas menjadi kerja / energi gerak. Dikembangkan oleh William John Macquorn Rankine pada abad ke-19 dan sejak saat itu banyak diaplikasikan pada mesin-mesin uap. Saat ini Siklus Rankine digunakan pada pembangkit-pembangkit listrik.

Gambar 1. Siklus Rankine

Gambar 2. Diagram Temperatur - Enthalpy

Air menjadi fluida kerja Siklus Rankine dan mengalami siklus tertutup (close-loop cycle) artinya secara konstan air pada akhir proses siklus masuk kembali ke proses awal siklus. Pada Siklus Rankine, air ini mengalami empat proses sesuai dengan gambar di atas, yaitu:

• Proses C-D: Fluida kerja / air dipompa dari tekanan rendah ke tinggi, dan pada proses ini fluida kerja masih berfase cair sehingga pompa tidak membutuhkan input tenaga yang terlalu besar. Proses ini dinamakan proses kompresi-Isentropik karena saat dipompa, secara ideal tidak ada perubahan Entropy yang terjadi.
• Proses D-F: Air bertekanan tinggi tersebut masuk ke Boiler untuk mengalami proses selanjutnya, yaitu dipanaskan secara Isobarik (tekanan konstan). Sumber panas didapatkan dari luar seperti pembakaran batubara, solar, atau juga reaksi nuklir. Di Boiler air mengalami perubahan fase dari cair, campuran cair dan uap, serta 100% uap kering.
• Proses F-G: Proses ini terjadi pada Turbin Uap. Uap air kering dari Boiler masuk ke Turbin dan mengalami proses ekspansi secara isentropik. Energi yang tersimpan di dalam uap air dikonversi menjadi energi gerak pada Turbin.
• Proses G-C: Uap air yang keluar dari Turbin Uap masuk ke Condenser dan mengalami kondensasi secara Isobarik. Uap air diubah fasenya menjadi cair kembali sehingga dapat digunakan kembali pada proses siklus.

Gambaran siklus melalui diagram T-S di atas adalah Siklus Rankine yang paling dasar dan sederhana. Pada penggunaannya ada beberapa modifikasi proses sehingga didapatkan Efisiensi Thermal Total yang lebih tinggi. Seperti penggunaan Preheater atau pemanasan awal sebelum masuk Boiler, dan juga penggunaan pemanasan ulang uap air yang keluar dari Turbin pertama (High Pressure Turbine) sehingga dapat digunakan lagi untuk masuk ke Turbin kedua (Intermediate Pressure Turbine). Untuk lebih mudah memahaminya dapat kita lihat skema prosesnya pada gambar di bawah ini.

Gambar 3. Siklus Rankine Dengan Preheater dan Reheater (Toshiba)

Pada gambaran di atas, air Kondensat yang dipompa oleh Pompa Ekstraksi Kondensat (CEP) dari Condenser menuju ke Deaerator / Feed Water Tank mengalami proses Preheating (GSC, LP #1 Heater, LP #2 Heater, LP #3 Heater). Dan air yang dipompa oleh Boiler Feed Water Pump (BFP) dari Feed Water Tank (Deaerator) menuju Boiler juga melewati Preheater (HP #5 Heater, HP #6 Heater, HP #7 Heater). Sumber panas yang digunakan oleh Preheater tersebut berasal dari Extraction Steam yang diambil dari Turbin Uap pada stage-stage tertentu.

Gambar 4. Diagram Temperatur-Entropy Untuk Modifikasi Siklus Rankine

Selain itu perbedaan yang lain dengan Siklus Rankine konvensional adalah adanya pemanasan kembali uap air yang keluar dari Turbin Pertama (High Pressure Turbine) oleh Boiler Reheater untuk kembali mendapatkan fase Superheated dan hasilnya kembali dimasukkan ke Turbin kedua (Intermediate Pressure Turbine).

Terdapat juga ada sistem Turbine Bypass uap air untuk tidak dilewatkan ke Turbin Uap. Uap Superheated yang keluar dari Boiler tidak masuk ke Turbin dan di-bypass (HPTB, Gambar 3) masuk kembali ke Boiler sisi Reheater. Dan uap yang keluar dari Boiler Reheater di-bypass (LPTB, Gambar 3) untuk masuk langsung ke Condenser. Fungsi dari sistem Turbine Bypass ini adalah sebagai sistem proteksi apabila terjadi suatu masalah di Siklus Rankine tersebut sehingga dapat terhindar dari kerusakan yang parah. Dan juga digunakan pada saat proses penyalaan awal (Start Up) sistem siklus tersebut dan juga proses mematikannya (Shutdown).

Read More

Diagram Mollier

Diagram Mollier digunakan untuk menganalisa kinerja proses adiabatic steady-flow, salah satunya adalah menentukan nilai kerja dan power Turbin Uap dengan mencari Enthalpy dan Entropy dalam sistem tersebut.

Beberapa istilah Thermodinamika yang berhubungan Diagram Mollier:

·         Enthalpy (kJ/kg) adalah ukuran total energi suatu sistem Thermodinamika.

·         Entropy (kJ/kg.K) adalah ukuran ketidakteraturan mikroskopik dari sebuah zat.

·         Power (W) adalah laju energi yang ditransfer atau kerja yang dilakukan persatuan waktu.

·         Kerja (J)  adalah jumlah dari energi yang ditransfer dari suatu sistem menuju sistem lain.

·         Isoenthalpy adalah keadaan dimana Enthalpy dari sebuah sistem adalah konstan.

·         Isoentropy adalah keadaan dimana Entropy dari sebuah sistem adalah konstan.

Dalam perhitungan power dan kerja dari Turbin Uap digunakan pendekatan perhitungan Themodinamika pada saat kondisi ideal yaitu saat effisiensi dari Turbin Uap adalah sebesar 100% atau non ideal yaitu saat effisiensi dari Turbin Uap kurang dari 100%. Tetapi di keadaan aktual, tidak ada effisiensi Turbin Uap yang mencapai 100%.

Tabel berikut menampilkan persamaan dari sistem Isoentropy dan Isoenthalpy pada kondisi ideal dan non ideal. Persamaan Isoentropy saat keadaan ideal dan non ideal dibedakan oleh adanya pengali berupa effisiensi pada saat non ideal, sedangkan persamaan Isoenthalpy saat keadaan ideal dan non ideal adalah konstan sehingga hasil dari power dan kerja adalah nol (0).

Tabel 1. Persamaan dari sistem Isoentropy dan Isoenthalpy

Untuk membaca Diagram Mollier terlebih dahulu harus mengetahui keterangan koordinat-koordinat garis dari diagram (Gambar 1):

Gambar 1. Keterangan Koordinat Diagram Mollier

Keterangan:

1. Garis kelembaban uap konstan menunjukkan kelembaban konstan dari steam exhaust.
2. Garis saturasi menunjukan zat cair yang sedang dipanaskan.
3. Garis temperatur konstan menunjukkan temperatur dari zat cair.
4. Garis Enthalpy menunjukkan garis untuk menentukan Enthalpy.
5. Garis Entropy menunjukkan garis untuk menentukan Entropy.
6. Garis tekanan konstan menunjukkan tekanan absolut dari zat cair.

Contoh aplikasi dari penggunaan Diagram Mollier:

Diketahui dalam kondisi yang ideal sebuah Turbin Uap mempunyai laju power output sebesar 30.000 kW dan laju aliran massa sebesar 26,4 kg/s. Uap buang (steam exhaust) menuju kondensor sebesar 0,12 bar pada tekanan absolut dan memiliki kandungan kelembaban uap konstan sebesar 81%. 

Tentukan Enthalpy spesifik dari inlet dan outlet steam ?

Diketahui:

Power output: 30.000 kW

Laju aliran massa: 26,4 kg/s

Tekanan steam exhaust: 0,12 bara

Kelembaban uap konstan: 81%

Dicari: Enthalpy spesifik dari inlet dan outlet steam ?

Penyelesaian:

Power = (laju aliran massa).(perbedaan Enthalpy).(effisiensi)

Karena sistem berada dalam keadaan yang ideal maka effisiensi = 1

Sehingga:

30.000 kW = (perbedaan Enthalpy).(26,4 kg/s).(1)

Perbedaan Enthalpy = (30.000 kW) / (26,4 kg/s) = 1136 kJ/kg

Perhitungan selanjutnya dengan menggunakan Diagram Mollier (Gambar 2):

Gambar 2. Contoh Penggunaan Diagram Mollier

1.     Tanda garis pada tekanan konstan yang menunjukkan 0,12 bar.

2.     Tanda garis pada kelembaban uap konstan sebesar 0,81.

3.  Tanda garis horisontal (garis Enthalpy) dari titik pertemuan antara kedua garis tekanan dan kelembaban uap untuk menentukan nilai Enthalpy. Sehingga dari titik pertemuan dari ketiga garis tersebut didapatkan nilai Enthalpy sebesar:

h₂ = 2160 kJ/kg

Maka:

h₁- h₂ = 1136 kJ/kg

h₁ = 1136 kJ/kg + 2160 kJ/kg = 3296 kJ/kg

Sehingga dari perhitungan diatas telah didapatkan:

Enthalpy spesifik outlet (h₂) = 2160 kJ/kg

Enthalpy spesifik intlet (h₁) = 3296 kJ/kg

Read More