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

Prinsip Dasar Thermodinamika Pembangkit Listrik

Prinsip-Prinsip Thermodinamika

Hukum I Termodinamika Pada penerapan Hukum I Termodinamika dalam suatu proses, dibedakan antara sistem dan lingkungan. Bagian dimana proses tersebut berlangsung disebut sebagai sistem, sedangkan segala sesuatu di luar sistem disebut lingkungan. Hukum ini berlaku tidak hanya pada sistem saja tetapi juga pada lingkungan. Dalam bentuk dasar, dapat ditulis sebagai:

...(1.1)

Jika antara sistem dan lingkungan tidak terjadi perpindahan massa, maka sistem dikatakan tertutup dan massa konstan. Untuk sistem seperti ini, semua energi yang berpindah antara sistem dan lingkungan berbentuk panas dan kerja, sehingga persamaan (1.1) dapat dijabarkan menjadi:

...(1.2)

...(1.3)

Bila panas bernilai positif untuk panas yang masuk sistem dan kerja bernilai positif untuk kerja yang dilakukan sistem, maka:

...(1.4)

Berarti bahwa perubahan energi total sistem sama dengan panas yang ditambahkan pada sistem dikurangi oleh kerja yang dilakukan sistem. Persamaan di atas berlaku untuk perubahan yang terjadi pada sistem tertutup. Sistem tertutup juga seringkali menjalankan proses dimana tidak ada perubahan energi potensial dan kinetik sehingga persamaan (1.4) menjadi:

...(1.5)

Proses Aliran Steady State

Persamaan (1.5) terbatas pemakaiannya pada proses dengan massa konstan dimana hanya terjadi perubahan energi dalam saja. Untuk proses-proses pada industri yang melibatkan aliran Steady State (mantap) melalui peralatan-peralatan diperlukan penjabaran Hukum I Termodinamika yang lebih umum. Keadaan Steady State (mantap) berarti bahwa kondisi pada semua titik dalam peralatan konstan terhadap waktu. Sehingga persamaan (1.4) kemudian menjadi:

...(1.6) 

Pada penerapannya secara termodinamika, energi potensial dan energi kinetik sangatlah kecil dibandingkan dengan elemen yang lainnya dan dapat diabaikan. Selain itu, pada turbin semua perpindahan panas diabaikan sehingga persamaan (1.6) berubah menjadi:

...(1.7)

dimana kerja turbin (ditandakan dengan minus) masih dalam dasar unit massa yang mengalir. Dengan memasukkan variabel m (massa) maka persamaan (1.7) dapat ditulis menjadi: 

...(1.8) 

dimana: 

W = kerja/daya turbin (kW) 

m = massa (kg/s) 

h1 = entalpi uap yang masuk kedalam turbin (kJ/kg) 

h2 = entalpi uap yang meninggalkan turbin (kJ/kg) 

Persamaan inilah yang kemudian akan dipakai pada perhitungan daya Turbin.

Read More

Selamat Datang di dunia-pltu.blogspot.com

“ PT. PLN (Persero) menyatakan, dari program kelistrikan nasional hingga 2019 yang berkapasitas 35.000 MW, sekira 25.000 MW merupakan berasal dari Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) yang berasalkan dari batubara (okezone.com, 10 Maret 2015). ” 

Saat ini Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) merupakan penyuplai terbesar dari komposisi energi listrik di Indonesia (61,3% - P3B, Januari 2015).
Hal ini disebabkan karena kapasitas produksi PLTU di Indonesia telah mampu mencapai 660 MW (telah beroperasi) dan 1000 MW (segera dibangun, PLTU Cilacap, PLTU Batang, PLTU Cirebon) per unit-nya. Jadi untuk memenuhi target yang dicanangkan pemerintah sebesar 25.000 MW sampai tahun 2019 sedikitnya di butuhkan 25 unit PLTU baru dengan asumsi masing-masing kapasitas adalah 1000 MW (terbesar saat ini). 

Dengan semakin banyaknya PLTU yang akan didirikan, akan membuka banyak lapangan kerja baru dan tentunya harus diikuti dengan penyiapan tenaga-tenaga ahli di bidang PLTU. 

Di blog ini Penulis akan mencoba lebih mengenalkan tentang pengoperasian PLTU secara sederhana untuk para pembaca supaya lebih mengenal, dan menambah pengetahuan serba-serbi PLTU berdasarkan pengalaman Penulis sebagai praktisi pengoperasian salah satu PLTU di Indonesia dengan kapasitas 660 MW. 

Selamat Mengikuti artikel-artikel dunia-pltu.blogspot.com.

Read More