BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dewasa ini, perkembangan industri ketenagalistrikan di Indonesia

semakin meningkat seiring munculnya pembangkit – pembangkit listrik

yang beroperasi di Indonesia, baik itu PLTA, PLTD, PLTU, PLTG, ataupun

kombinasi dari tenaga gas dan uap yang disebut sebagai PLTGU.

Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap merupakan pembangkit listrik

dengan mengkombinasikan dua bahan utama selama pembuatan listriknya,

yaitu dengan uap dan gas. Berikut akan dipaparkan sedikit gambaran

mengenai proses pembangkitan listrik menggunakan tenaga kombinasi gas

dan uap.

Proses produksi energi listrik dengan kombinasi gas dan uap

merupakan salah satu upaya dalam meningkatkan efisiensi untuk

menghasilkan energi listrik. Proses ini menggabungkan dua siklus, berupa

Siklus PLTG (Siklus Brayton) dan Siklus PLTU ( Siklus Rankine sehingga

diperoleh efisiensi termal yang tinggi .

Sebelum masuk ke proses pembangkitan energi listrik dengan gas dan

uap, akan dijelaskan secara singkat terlebih dahulu siklus PLTG. Siklus

PLTG dimulai dari pengambilan udara oleh kompresor. Dalam kompresor

ini udara diolah sehingga tekanannya naik. Udara ini dimasukkan kedalam

Combustion Chamber atau ruang bakar bersama dengan bahan bakar (gas /

bbm). Pembakaran menghasilkan gas bertekanan dan bersuhu tinggi (Suhu

sekitar 2000 derajat celcius). Gas bertekanan inilah yang memutar turbin gas

Turbin berputar, generator ikut berputar dan listrik pun dihasilkan. Setelah

memutar turbin, gas tersebut dibuang di atmosfer. Dibawah ini adalah

skema siklus PLTG.

1

Gambar 1.1 Skema PLTG

Pada siklus PLTGU, gas yang telah digunakan untuk memutar urbin

gas diatas tidak langsung dibuang ke atmosfer, melainkan masuk ke sebuah

unit bernama HRSG (Heat Recovery Steam Generator) , dimana gas ini

akan dugunakan untuk memanaskan uap sehingga dari HRSG dihasilkan

uap kering. Perlu diingat, bahwa HRSG ini seperti boiler, hanya saja jika

pada boiler terjadi pemanasan secara langsung, maka pada HRSG hanya

terjadi proses perpindahan panas saja untuk menghasilkan uap kering.

Selanjutnya, uap kering yang dihasilkan oleh HRSG akan digunakan untuk

memutar turbin uap. Setelah digunakan untuk memutar turbin uap, maka

uap ini akan didinginkan oleh kondenser dan kemudian setelah menjadi air

masuk lagi ke hotwell. Berikut adalah siklus kombinasi untuk PLTGU.

2

Gambar 1.2 Siklus PLTGU

Dengan menggabungkan siklus tunggal PLTG dan siklus PLTU

menjadi siklus PLTGU, maka akan diperoleh keuntungan diantaranya

adalah :

1. Efisiensi termalnya tinggi sehingga biaya operasi (Rp/Kwh) lebih

rendah dibandingkan dengan pembangkit termal lainnya.

2. Konsumsi bahan bakar menjadi rendah.

3. Pembangunannya relatif cepat

4. Kapasitas dayanya bervariasi dari kecil hingga besar.

5. Menggunakan bahan bakar gas yang bersih dan ramah lingkungan.

6. Pengoperasian PLTGU yang menggunakan komputerisasi

memudahkan pengoperasian .

7. Waktu yang dibutuhkan untuk membangkitkan beban maksimal 1

blok PLTGU relatif singkat yaitu 150 menit.

8. Prosedur pemeliharaan lebih mudah dilaksanakan dengan adanya

fasilitas sistem diagnosa.

Salah satu komponen utama pada sistem PLTGU adalah bagian Ruang

Bakarnya (Combustion Chamber). Jika dipisahkan dari siklus kombinasi,

3

Ruang Bakar termasuk ke dalam sistem PLTG. Pada ruang bakar ini

nantinya akan menentukan kualitas gas yang dihasilkan yang akan

digunakan untuk memutar turbin gas tersebut.

1.2 Tujuan

Tujuan dibuatnya makalah ini antara lain adalah sebagai berikut :

1. Mendorong mahasiswa agar lebih memahami mengenai salah satu

bagian utama pada sistem PLTG (dalam hal ini , penulis

mendapatkan bagian ruang bakar PLTG).

2. Sebagai pemicu mahasiswa untuk lebih mengetahui tentang

analisis salah satu komponen PLTG beserta perhitungan

termodinamikanya.

3. Memahami Standart Operational Procedure pada Ruang Bakar

PLTG.

4. Mengetahui kemungkinan – kemungkinan masalah yang terjadi

pada ruang bakar dan cara penanganannya.

5. Sebagai salah satu syarat untuk memenuhi nilai tugas pada mata

kuliah Sistem PLTG pada Semester V pada Program Studi

Diploma III Teknik Mesin Kerjasama PT. PLN (Persero)

Universitas Diponegoro.

1.3 Batasan Masalah

Pada kesempatan ini, penulis akan membahas mengenai salah satu

komponen utama PLTG, yaitu pada bagian Ruang Bakarnya yang

mencakup pengertian, jenis – jenis ruang bakar yang dipakai, analisis

perhitungan secara termodinamika yang terjadi pada ruang bakar, Standart

Operational Procedure serta Troubleshooting saat terjadi permasalahan

yang mungkin terjadi pada Ruang Bakar PLTG.

1.4 Metode Pengumpulan Data

Penulis mengumpulkan data dengan cara mencari informasi yang

berkaitan dengan pembahasan yang akan dituliskan oleh penulis dengan

4

cara membaca , mencatat serta memahami pada panduan buku manual di

perpustakaan. Selain dengan membaca buku literatur, penulis juga

menambahkan informasi dari sumber internet.

5

BAB II

SISTEM RUANG BAKAR

2.1 Pengertian

Ruang Bakar merupakan salah satu komponen utama yang menunjang

keberhasilan sistem, baik sistem PLTG secara secara terpisah maupun jika

digabung dengan Sistem PLTU menjadi sistem PLTGU. Pada Ruang Bakar

ini, udara yang dihasilkan oleh kompresor yang telah terlebih dahulu

dimampatkan akan masuk ke ruang bakar untuk kemudian dikabutkan

bersama sama dengan bahan bakar. Selain ruang bakar, hal lain yang perlu

diperhatikan agar hasil pengabutan diantara udara terkompresi dan bahan

bakar yang disemprotkan maksimal, maka juga perlu memperhatikan

kualitas bahan bakarnya. Oleh karena itu, berbicara mengenai masalah

ruang bakar akan langsung berhubungan dengan bahan bakar yang

digunakan pula.

Ruang bakar terdiri dari tabung luar dan tabung dalam. Tabung luar

merupakan bungkus dan sekaligus struktur penyangga ruang bakar.

Sedangkan tabung dalam membentuk atau membatasi ruang dimana proses

pembakaran itu berlangsung. Di dalam tabung dalam terdapat penyemprot

bakar dan penyala, dan pemegang nyala (flame holder) yang berfungsi

memperlambat aliran , membentuk vortex atau turbulensi sehingga api

pembakaran menjadi menjalar merata. Dinding tabung dalam berlubang

lubang yang menakar dan merupakan jalan udara sekunder masuk ke ruang

pembakaran, sehingga lokasi , bentuk , ukuran dan jumlahnya sesuai dengan

fungsinya dalam zone I, II dan III. Udara sekunder tersebut berfungsi

mendinginkan ruang bakar. Letak penyala ditetapkan berdasarkan

pengalaman dan pengujian, yaitu di tempat dimana campuran bahan bakar

udara paling mudah terbakar tetapi juga dilindungi dari api yang panas.

Hal tersebut disebabkan karena fungsi penyala adalah menyalakan

campuran bahan bakar udara sampai terjadi pembakaran yang mandiri,

setelah itu dimatikan. Pemilihan jenis dan dan penempatan ruang bakar

tergantung pada spesifikasi motor, tetapi sebenarnya lebih banyak

6

dipengaruhi untuk memanfaatkan tempat yang tersedia secara efektif. Pada

motor pesawat terbang yang besar biasanya digunakan jenis jenis aliran

searah atau aliran lurus , dimana udara dan gas pembakaran mengalir searah

sumbu ruang bakar . Sedangkan jenis aliran berlawanan banyak digunakan

pada motor kecil, dapat memberikan bentuk yang kompak dan jarak

kompresor dengan turbin yang lebih pendek.

2.2 Jenis – Jenis Ruang Bakar

Ada tiga (3) jenis ruang bakar yang biasa dijumpai pada sistem

PLTGU, yaitu jenis tubular (kan), jenis anular dan jenis turbo anular

(kanular). Sedangkan pada motor propulsi pesawat terbang (utamanya

pesawat tempur), terdapat ruang bakar kedua (afterburner).

Gambar 2.1 Motor Jet dengan Afterburner (Wiranto Arismunandar,2000)

2.2.1 Ruang Bakar Tubular (kan)

Ruang bakar jenis tubular merupakan desain paling awal ruang

bakar yang digunakan pada masa awal perkembangan turbin gas,

Ruang bakar ini berukuran relatif kecil, terdiri dari beberapa buah

yang dipasang melingkari sumbu motor. Pada setiap unit terdapat

penyemprot bahan bakar, akan tetapi penyala (ignitor) tidak dipasang

pada setiap unit. Biasanya hanya ada dua penyala saja pada setiap

motornya. Penyalaan bahan bakar unit yang tidak dilengkapi dengan

penyala dilakukan dengan mengalirkan api dari unit yang

bersebelahan melalui pipa - pipa yang menghubungkan zona primer di

setiap unit. Ruang bakar jenis tubular memiliki dua tipe ruang bakar,

7

yaitu ruang bakar tubular jenis aliran berlawanan dan ruang bakar

tubular jenis aliran searah.

Gambar 2.2 Ruang Bakar Tubular (kan) Jenis Aliran Berlawanan (Wiranto Arismunandar,2000)

Gambar 2.3 Ruang Bakar Tubular (kan) Jenis Aliran Searah (Wiranto Arismunandar,2000)

8

2.2.2 Ruang Bakar Anular

Ruang bakar jenis anular mulai banyak digunakan pada zaman

turbin gas modern, Ruang bakar jenis ini berbentuk tabung anular ,

baik tabung luar maupun tabung dalam yang melingkari sumbu motor.

Ruang bakar anular dilengkapi dengan beberapa penyemprot bahan

bakar dalam zona primer yang melingkari sumbu poros motor, dengan

satu, atau dua atau tiga penyala. Jumlah penyala tersebut ditetapkan

berdasarkan kemudahan penyalaannya. Seperti pada ruang bakar jenis

tubular, ruang bakar anular juga memiliki dua jenis ruang bakar

menurut aliran udara dan bahan bakarnya, yaitu jenis aliran balik dan

jenis aliran searah.

Gambar 2.4 Ruang Bakar Anular Jenis Aliran Balik (Wiranto Arismunandar,2000)

9

Gambar 2.5 Ruang Bakar Anular Jenis Aliran Searah (Wiranto Arismunandar,2000)

2.2.3 Ruang Bakar Turbo Anular

Ruang bakar turbo anular atau kanular merupakan perpaduan

antara ruang bakar tubular dan anular. Dinding tabung luar adalah

serupa dengan ruang bakar anular. Tetapi dalam ada beberapa buah ,

berbentuk silinder, dipasang di dalam ruang anular dan melingkari

sumbu ruang bakar (atau sumbu poros kompresor dan turbin). Pada

setiap tabung dalam terdapat penyemprot bahan bakar.

Gambar 2.6 Ruang Bakar Turbo Anular (Wiranto Arismunandar,2000)

2.3 Kelebihan dan Kekurangan dari Beberapa Jenis Ruang Bakar

Masing – masing dari jenis ruang bakar memiliki kelebihan dan kekurangan. Berikut adalah tabel mengenai kelebihan dan kekurangan dari tiga jenis ruang bakar tersebut :

10

Tabel 2.1 Keuntungan dan Kerugian dari Beberapa Jenis Ruang Bakar

No.

Jenis Ruang bakar Keuntungan Kerugian

1. Tubular atau kan 1. Konstruksi yang tegar dan kuat.

2. Aliran bahan bakar dan aliran udara mudah dipadukan

3. Pengujiannya sederhana, hanya memerlukan sebagian kecil dari total laju aliran massa udara dari motor yang bersangkutan. Mudah pengembangannya.

4. Ringan.

5. Mudah perawatan dan pemeriksaannya

1. Dapat berukuran besar dan berat (tunggal), ataupun kecil (banyak), penampang frontal motor besar.

2. Kerugian tekanan besar

3. Memerlukan pipa-pipa penghubung, interkonektor, pipa api.

4. Adanya masalah penyalaan melalui pipa api.

2. Anular 1. Panjang dan berat minimum, konstruksi sederhana

2. Penampang frontal minimum.

3. Kerugian tekanan minimum.

4. Penyalaan lebih mudah.

5. Relatif tidak banyak membentuk asap.

6. Pendinginan dan pembersihannya lebih mudah.

1. Masalah tekukan yang serius pada selubung luar.

2. Pengujian memerlukan laju aliran massa penuh (sama dengan pada motor yang bersangkutan).

3. Penyesuaian pola aliran bahan bakar dan udara agak sulit.

4. Sukar menjamin distribusi emperatur keluar yang stabil dan uniform.

11

3. Turboanular atau kanular 1. Konstruksi yang tegar.

2. Pola aliran bahan bakar dan udara mudah dissuaikan.

3. Pengujiannya memerlukan sebagian kecil dari laju aliran massa udara motor yang bersangkutan.

4. Kergian tekanan rendah.

5. Lebih pendek dan lebih ringan daripada jenis tubular.

1. Kurang kompak dibandingkan dengan jenis anular.

2. Memerlukan pipa penghubung.

3. Ada masalah light round yang tidak sempurna.

2.4 Persyaratan Kontruksi Ruang Bakar Turbin Gas

Desain ruang bakar untuk turbin gas sistem pembangkit tenaga listrik

merupakan suatu hal yang kompleks dan mempunyai karakteristik yang

memungkinkan adanya berbagai persyaratan yang mungkin saling

bertentangan. Selain itu juga melibatkan berbagai disiplin ilmu, antara lain

kimia pembakaran, dinamika fluida, perpindahan panas, analisis tegangan

dan material.

Gambar 2.7 Skema Nosel Penyemprot Bahan Bakar (Wiranto

Arismunandar,2000)

12

Ruang bakar sangat menentukan mutu gas pembakaran atau fluida

kerja turbin gas, tidak hanya dari segi energi yang disediakan tetapi juga

emisi gas buangnya. Untuk menjamin hal tersebut maka ruang bakar turbin

gas harus memenuhi syarat – syarat dasar berikut ini :

1. Efisiensi pembakaran harus tinggi. Bahan bakar harus terbakar

sempurna sehingga semua energi kimia dapat dikonversikan menjadi

energi panas. Untuk hal tersebut zona primer harus menjamin

terjadinya pencampuran turbulen yang baik. Perbandingan bahan

bakar udara yang tepat dan pada tekanan dan temperatur yang sesuai

pula.

2. Mudah dalam proses penyalaannya dalam seluruh daerah operasinya

(misal di darat untuk ruang bakar turbin gas industri, maupun di udara

untuk motor pesawat terbang). Oleh karena rancangan zona primer

sangat sesuai dengan standar prosedur, hendaknya digunakan bahan

bakar yang memenuhi syarat yang diminta.

3. Area pembakarannya stabil, maksudnya nyala api tidak akan padam

dalam keadaan dipengaruhi oleh tekanan dan kecepatan.

4. Bebas dari pulsasi / ketidakteraturan tekanan.

5. Mampu mengurangi atau menekan kerugian tekanan. Setelah terjadi

pembakaran di dalam zona primer, kecepatan gas pembvakaran naik

(serupa dengan aliran adiabatik) sehingga pada waktu keluar dari

ruang bakar dapat mencapai 500 m/s.

6. Keseragaman dalam distribusi temperatur keluar ruang bakar.

7. Emisi dan polutan yang dihasilkan (berupa CO, HC, NOxSOx) harus

rendah. Untuk mencapai hal tersebut, maka pembakaran haruslah

sempurna. Time residence tidak boleh terlalu panjang, dan kadar

aromatik dalam bahan bakar tidak terlalu tinggi untuk menghindari

timbulnya asap.

8. Bentuk dan ukuran harus menyesuaikan dengan ruangan yang

tersedia.

9. Konstruksi dan material harus baik, tahan lama dan yang paling utama

adalah sistem pendinginannya harus baik.

13

10. Dapat menggunakan beberapa macam bahan bakar, utamanya dalam

keadaan penting / darurat.

Untuk pesawat terbang, faktor ukuran (yang kecil) dan beratnya yang

ringan sangat diutamakan. Sedangkan ruang bakar untuk perindustrian lebih

mengutamakan pada masa / umur pengoperasian yang panjang, efisiensi dan

kemampuang ruang bakar untuk menggunakan beberapa macam ruang

bakar.

Berdasarkan persyaratan tersebut, maka rancangan ruang bakar

sebenarnya mempertimbangkan beberapa faktor diatas, dengan menekankan

satu atau dua aspek yang nantinya akan menjadi ciri keunggulannya. Proses

pembakaran berlangsung kontinu dengan intensitas pembakaran yang tinggi

(~40000 Btu/s.ft3 atau 11150 MW/m3 pada motor turbojet) dibandingkan

dengan ruang bakar pada ketel uap (10 Btu/s.ft3 = 2.8 MW/m3 ).

Penyalaan campuran bahan bakar udara di dalam ruang bakar turbin

gas dapat dilaksanakan dengan memperhatikan kondisi batas nyala (limits of

inflamability) dari campuran bahan bakar udara, waktu tinggal (residence

time) yang cukup lama, dan letak dari ignitor yang efektif. Temperatur

penyalaan sendiri dari bahan bakar turbin gas ada pada sekitar 500 K.

Apabila temperatur campuran di dalam ruang bakar ada di bawah

temperatur nyala sendiri, diperlukan sumber energi (penyala) untuk

menyalakan campuran tersebut. Dalam hal tersebut, penyala menaikkan

temperatur campuran yang akan dinyalakan sampai di atas temperatur nyala

sendiri. Energi yang diperlukan bergantung berdasarkan perbandingan

bahan bakar dan udara, dan energi penyalaan yang minimum tidak selalu

pada perbandingan bahan bakar udara stoikiometrik. Energi penyalaan

biasanya berisar 0,3 mJ, pada tekanan dan temperatur standar,

Untuk penyalaan dapat digunakan busi tegangan tinggi (beberapa ribu

volt pada ujung elektrode dengan 3-12 J) atau penyala api (torch ignitor)

yang disemburkan ke zona primer. Penyalaan dapat dipermudah dengan

pengabutan bahan bakar yang baik dan menaikkan temperatur campuran

bahan bakar udara.

14

2.5 Bagian - Bagian Ruang Bakar

Sistem pembakaran ini terdiri dari komponen-komponen berikut yang

jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas.

Komponen-komponen itu adalah :

1. Combustion Chamber, berfungsi sebagai tempat terjadinya

pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar

yang masuk.

2. Combustion Liners, terdapat di dalam combustion chamber yang

berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.

3. Fuel Nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke

dalam combustion liner.

4. Ignitors (Spark Plug), berfungsi untuk memercikkan bunga api ke

dalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara

dapat terbakar.

5. Transition Fieces, berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk

aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu

turbin gas.

6. Cross Fire Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua

combustion chamber.

7. Flame Detector, merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi

proses pembakaran terjadi.

Ruang Bakar yang ada disusun kosentris mengelilingi axial flow

compressor dan disambungkan dengan keluaran kompresor udara dari aksial

flow compressor yang dialirkan langsung ke masing-masing ruang.

Zona pembakaran pada combustion chamber ada tiga yaitu:

1. Primary Zone, merupakan tempat dimana bahan bakar berdifusi

dengan udara kompresor untuk membentuk campuran udara

bahan bakar yang siap dibakar.

2. Secondary Zone, adalah zona penyempurnaan pembakaran

sebagai kelanjutan pembakaran pada primary zone.

15

3. Dilution Zone, merupakan zona untuk mereduksi temperatur gas

hasil pembakaran pada keadaan yang diinginkan pada saat

masuk ke first stage nozzles.

Combustion liners didesain dengan satu seri lubang dan louvers yang

ditempatkan di dalam chambers. Digunakan untuk mencampurkan bahan

udara dari kompresor dan bahan bakar dari nozel yang membakar campuran

ini. Fuel nozzle terdapat pada ujung combustion chamber dan masuk ke

combustion liners. Fungsi dari fuel nozzle ini adalah untuk mengabutkan

bahan bakar dan mengarahkannya ke reaction zone pada ruang bakar.

Transition piece terdapat antara combustion liners dan first stage

nozzle. Alat ini digunakan untuk mengarahkan udara panas yang dihasilkan

pada combustion section ke first stage nozzle.

Spark plugs terdapat pada bagian samping combustion chamber dan

masuk ke combustion liners. Spark plugs berfungsi untuk menyulut

campuran bahan bakar dan udara pada saat turbin gas start up. Pembakaran

akan terus terjadi selama suplai bahan bakar dan udara terus berlangsung.

Spark plugs terpasang pada sebuah pegas setelah proses pembakaran terjadi,

tekanan yang dihasilkan meningkat dan akan memaksa plugs naik menuju

casing dan mengeluarkan gas panas.

Cross fire tube berfungsi untuk menghubungkan semua combustion

chamber. Tabung ini digunakan untuk mengirimkan pengapian dari satu

combustion liners ke yang berikutnya selama start up.

16

Gambar 2.8 Bagian - Bagian Combustion Chamber pada PLTGU (Inisiator Aceh Power Investment)

17

BAB III

BAHAN BAKAR YANG BIASA DIGUNAKAN OLEH RUANG

BAKAR PLTGU

3.1 Bahan Bakar Minyak

Bahan bakar minyak pada PLTG yang bergabung menjadi siklus

kombinasi pada PLTGU biasanya menggunakan minyak jenis 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 minyak dan centrifuge.

Penerimaan bahan bakar minyak dari pemasok dapat dilaksanakan melalui

tongkang mobil tangki maupun langsung menggunakan pipa.

Di sistem PLTG, bahan bakar minyak tersebut ditampung di dalam

bungker atau tangki bulanan (monthly tank). Untuk pemakaian sehari hari,

bahan bakar tersebut terlebih dahulu ditransfer ke dalam tangki harian (daily

tank) lalu dipompakan ke unit yang memerlukannya. Untuk PLTG yang

tidak dilengkapi dengan tangki harian, pengambilan minyak langsung dari

tangki bulanan.

Selanjutnya bahan bakar diisap oleh Fuel Forwarding Pump atau

Booster Pump(3) yang berfungsi untuk menjamin agar sisi hisap Main Inlet

Pump (5) tidak mendapat tekanan negatif. Tidak semua PLTG memiliki

Fuel Forwarding Pump Filter yang lebih halus (4) berukuran sekitar 200

mesh dapat mencegah kotoran terbawa masuk ke dalam Main Inlet Pump

(5).

18

Gambar 3.1 Diagram Alir Bahan Bakar Minyak Menuju Ruang Bakar ( PT. PLN Persero,2011)

Main Fuel Pump (5) umumnya berupa pompa ulir atau pompa

sentrifugal bertingkat banyak agar tekanan bahan bakar yang dihasilkan

cukup tinggi. Beberapa model PLTG menggunakan pompa bahan bakar

HSD yang diputar oleh poros turbin. Pada model lainnya ada juga yang

diputar oleh motor listrik. Pompa ini mensuplai bahan bakar ke nozzle.

Untuk mendapatkan tekanan bahan bakar yang konstan disisi

discharge , main fuel pump dipasang dua katup pressure regulator (6 & 7).

Kelebihan tekanan akan dikembalikan ke tangki.

Oversped trip valve (8) adalah katup bahan bakar yang akan menutup

apabila turbin mengalami overspeed atau gangguan lain seperti overheat dan

sebagainya. Dalam keadaan normal atau tidak ada gangguan, katup ini akan

terbuka terus.

Untuk mengetahui jumlah bahan bakar yang digunakan dipasang

Flowmeter (9) sesudah Overspeed trip valve.

19

Governing Valve atau Throttle Valve (10) berfungsi untuk

menaikkan / menurunkan putaran turbin gas pada saat start up dan shut

down, serta mengatur beban setelah turbin dibebani. Ada turbin gas yang

memiliki katup pengatur bahan bakar khusus untuk periode start up

(dinamakan Starting Valve).

Nozzle bahan bakar yang memiliki lubang sangat halus perlu dijaga

agar tidak dimasuki kotoran yang akan mengakibatkan penyumpatan. Oleh

karena itu bahan bakar minyak terlebih dahulu dilewatkan melalui filter

yang sangat halus (11). Isolation Valve (12) berfungsi untuk memblokir

bahan bakar selama turbin tidak dioperasikan.

Agar pembagian bahan bakar minyak ke setiap fuel nozzle merata,

maka sebelum fuel nozzle dipasang manifold (13), pembagian bahan bakar

harus merata untuk mencegah terjadinya perbedaan temeperatur antar ruang

bakar . Pada turbin gas tertentu fungsi manifold digantikan Flow Divider.

Pipa dan saluran sesudah Isolation Valve tidak boleh terisi bahan

bakar minyak pada saat turbin gas tidak beroperasi . Oleh karena itu semua

bahan bakar minyak yang ada di dalam manifold, dibuang melalui Manifold

Drain Valve (14) saat turbin stop.

Agar tidak terjadi ledakan saat mulai penyalaan, maka sisa bahan

bakar yang ada di dalam Ruang Bakar dibuang melalui Combustion Shell

Drain Valve (16) . Katup ini terbuka terus selama turbin gas tidak

beroperasi.

Bahan bakar minyak yang di Drain dari Combustion Shell ditampung

dalam drain tank (17) untuk selanjutnya dikembalikan ke tangki bahan

bakar minyak oleh transfer pump (18).

Flow Divider adalah suatu peralatan mekanis yang berguna untuk

mengatur serta membagi rata aliran bahan bakar minyak yang akan dibakar

oleh setiap fuel nozzle. Pada dasarnya, flow divider adalah pompa pompa

yang dipasang pada satu poros. Setiap pompa melayani satu fuel nozzle.

Pompa pompa ini ada yang diputar oleh motor listrik. Tapi juga ada yang

diputar oleh bahan bakar minyak.

20

3.2 Bahan Bakar Gas

Bahan bakar yang umum digunakan 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 dibandingkan

dengan bahan bakar minyak, karena :

1. Lebih bersih, sehingga periode pemeliharaan akan lebih panjang.

2. Titik nyala rendah, sehingga mengurangi faktor kegagalan start.

3. Tidak memerlukan tangki penampungan dan pompa sehingga akan

lebih hemat dalam biaya investasi maupun biaya operasi.

Disamping ada keuntungannya, penggunaan bahan bakar gas juga

mempunyai kelemahan, yaitu :

1. Kebocoran gas dan instalasi tidak dapat terlihat langsung dan beresiko

bahaya kebakaran yang mungkin terjadi.

2. Hanya dapat diperoleh di tempat – tempat tertentu saja, atau harus

disuplai dengan memasang instalasi pipa yang panjangnya sampai

ratusan kilometer.

Untuk mencegah mencegah agar kondensat dan kotoran lain tidak

terbawa masuk ke dalam instalasi gas PLTG, maka terlebih dahulu bahan

bakar gas tersebut dialirkan melalui fuel gas separator dan Filter (Gas

Treatment). Disini kondensat dan kotoran akan dipisahkan dan ditampung di

dalam 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.

Main Valve (1) adalah valve utama yang berupa manual valve untuk

memblokir bahan bakar gas ke sistem PLTG apabila saat tidak digunakan .

Agar tekanan gas yang diterima oleh sistem bahan bakar gas selalu konstan,

maka terlebih dahulu gas dialirkan melalui Pressure Regulator (2), sehingga

tekanan bahan bakar gas mencapai range tertentu (misalnya 200 sampai

dengan 400 psi). Sedangkan tekanan gas supply dapat mencapai 800 psi .

21

Selanjutnya gas akan melalui flowmeter (3) guna mengukur jumlah gas yang

terpakai.

Sama seperti pada sistem bahan bakar minyak, pada sistem bahan

bakar gas juga dilengkapi Overspeed Trip Valve (4) yang terbuka terus

selama turbin beroperasi dan menutup segera jika ada gangguan tertentu.

Starting Valve (5) berfungsi untuk mengatur aliran bahan bakar ke

nozzle saat start up, sedangkan apabila kondisi operasi sudah melampaui

periode start up, pengaturan bahan bakar dilakukan oleh governing valve

atau throttle valve (6).

Isolation Valve (7) akan terbuka saat turbin start up dan menutup

apabila turbin shut down . Header (8) sebagai penampung akhir sebelum

bahan bakar gas diterima oleh nozzle, berfungsi untuk menstabilkan tekanan

, sedangkan nozzle (9) untuk pengabutan bahan bakar di dalam Combustion

Basket

Gambar 3.2 Diagram Alir Bahan Bakar Gas ( PT. PLN Persero,2011)

22

BAB IV

PERHITUNGAN TERMODINAMIKA DAN PENERAPANNYA

PADA RUANG BAKAR PLTGU

4.1 Persamaan Energi yang Umum untuk Proses Aliran Tunak

Aliran tunak adalah aliran fluida yang besaran dan sifatnya tidak

berubah dengan waktu. Sedangkan sistem yang dibahas dapat mengenai apa

saja yang didefinisikan dengan jelas dan tegas. Sistem yang dimaksudkan

disini adalah serupa dengan diagram benda bebas dalam analisis mekanika

dan dinamika struktur atau mekanime mesin mesin pada umumnya. Pada

sistem energi, semua bentuk energi yang terlibat hendaknya digambarkan

dengan lengkap, seperti pada gambar dibawah ini, yaitu antara lain energi

dalam, energi aliran, energi kinetik, energi potensial, energi panas dan

energi kerja mekanik. Salah satu penerapan persamaan energi untuk aliran

tunak diatas dapat diterapkan pada bagian ruang bakar PLTGU.

Pada dasarnya persamaan tersebut merupakan jabaran dari hukum

kekekalan energi . Berikut ini digambarkan mengenai massa fluida masuk

sistem penampang / dan keluar sistem e yang masing masing dapat lebih

dari satu. Melalui penampang i dan e tersebut fluida kerja memiliki energi

dalam, energi aliran, energi kinetik, dan energi potensial.

Gambar 4.1 Gambaran Sistem dan Batas Sistem pada Ruang Bakar

23

Sedangkan panas masuk ke dalam sistem sebesar Q dan sistem

menghasilkan kerja mekanik sebesar W. Sebenarnya Q = ƩQ, dan W=ƩW,

karena Qi dapat masuk ke dalam sistem melalui banyak tempat, dan Wi

dapat juga dihasilkan di beberapa tempat. Qi dan Wi masing masing dapat

bernilai positif atau negatif. Qi adalah positif jika panas masuk ke dalam

sistem dan negatif jika panas keluar dari sistem, sedangkan Qi = 0 berlaku

untuk proses adiabatik. Demikian pula Wi bernilai positif jika sistem

menghasilkan kerja, seperti pada motor torak atau turbin, dan bernilai

negatif jika sistem dikenai kerja atau memerlukan kerja, seperti pada pompa,

blower, dan kompresor maupun ruang bakar.

Dengan demikian, persamaan energi yang umum untuk proses aliran

tunak dapat dituliskan sebagai berikut :

W – Q = 0 .....(1)

Ʃme [ u+ Pe . veJ

] + Ʃme [C e

2

2 gJ] + Ʃ

me . zeJ

= Ʃmi [ u+ Pi . viJ

] + Ʃmi[C i

2

2 gJ] + Ʃ

mi . ziJ

+ ƩQi - ƩWiJ

.....(2)

atau,

Ʃme.he + Ʃme [C e

2

2 gJ] + Ʃ

me . zeJ

= Ʃmi.hi + Ʃmi [C i

2

2 gJ] + Ʃ

mi . ziJ

+ ƩQi - ƩWiJ

.....(3)

dimana, :

mi : massa fluida masuk sistem (kg)

me : massa fluida keluar sistem (kg)

h : u + pv/J = entalpi (kJ/kg)

u : energi per satuan massa

p : tekanan

v : volume spesifik

24

g : percepatan gravitasi

J : faktor pengubah satuan,

Q : perpindahan panas, negatif jika panas keluar dari sistem, dan positif jika panas masuk ke sistem

W : kerja mekanik, positif jika sistem menghasilkan kerja mekanik seperti pada turbin, jika sistem dikenai atau memerlukan kerja mekanik seperti pada kompresor atau pompa.

Subskrip i dan subskrip e berturut – turut menyatakan pada seksi

masuk dan keluar sistem. Jika pada sistem hanya terdapat satu lubang fluida

masuk dan satu lubang fluida keluar, maka mi = me, sehingga persamaan

diatas dapat disederhanakan menjadi :

he + C e

2

2 gJ +

zeJ

= he + C i

2

2 gJ +

ziJ

+ q - wJ

....(4)

Jika faktor J tidak diikutsertakan (dalam hal ini, satuan diantara faktor

faktor yang telah diketahui sudah sesuai satuan Internasional) , maka

persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi :

W - Q = Ʃme . [ h + ve

2

2 g+g . ze] - Ʃmi . [ h +

v i2

2 g+g . zi]

.....(5)

Pada kasus tertentu, gas yang mengalir ke ruang bakar itu terjadi

secara steady state, dengan mengabaikan energi tekanan dan energi kinetik ,

selama gas dikabutkan bersama bahan bakar. Jika terjadi aliran steady state,

maka persamaan diatas bisa diturunkan menjadi :

W - Q = Ʃme . [ he + ve

2

2+g . ze] - Ʃmi . [ hi +

v i2

2+g . zi]

: m

w - q = [ he + ve

2

2+g . ze] - [ hi +

v i2

2+g . zi]

w – q = he – hi + ve

2

2−

v i2

2 + g (ze – zi)

25

w – q = he – hi +[ ( ve

2

2−

v i2

2] + [ g (ze – zi) ]

w – q = he – hi ..... (6)

Jadi dengan dengan mengetahui entalpi pembakaran di ruang bakar,

dapat ditemukan tekanan dan temperatur gas yang dilewatkan di ruang

bakar tersebut, baik yang masuk ke ruang bakar maupun yang keluar dari

ruang bakar.

4.2 Contoh Perhitungan Termodinamika

Berikut ini akan diberikan suatu contoh permasalahan mengenai perhitungan termodinamika yang berlaku pada ruang bakar PLTGU.

Kasus 1 :

Berdasarkan analisa termal dan data dari spesifikasi suatu ruang bakar

di suatu PLTGU, Entalpi minyak HSD yang diinjeksikan sekitar 3412,23

kj/kg. Udara bertekanan yang masuk ke ruang bakar bertemperatur 50 °C

bertekanan 350 kpa dan memiliki entalpi sebesar 365,67 kj/kg. Setelah

memasuki ruang bakar, tekanan dan temperatur udara yang dikabutkan

meningkat menjadi 700 °C pada tekanan 3 Mpa. Jika kecepatan gas masuk

ruang bakar dan keluar ruang bakar masing – masing 34 m/s dan 75 m/s,

serta tinggi sisi masuk ruang bakar dari zona datum dan sisi keluar ruang

bakar dari zona datum masing masing adalah 8m dan 13 m, hitung energi

total yang dhasilkan ruang bakar tersebut selama 1 menit, jika proses

tersebut berada pada keadaan adiabatik !

Penyelesaian :

Diketahui :

h minyak HSD : 3412, 23 kj/kg.

T in ruang bakar : 50 °C, P in : 350 kpa

h gas in : 365,67 kj/kg

T out ruang bakar : 700 °C, P out : 3 Mpa

26

Dari tabel diperoleh h gas out dari T=700 °C P = 3 Mpa adalah

3911,7 kj/kg.

v gas in : 34 m/s z in : 8 m

v gas out : 75 m/s z out : 13 m

q : 0 (karena proses adiabatik)

Ditanyakan :

w yang dihasilkan ruang bakar ...

Jawab :

L.1. Masukkan persamaan untuk proses energi dalam ruang bakar :

w - q=h minyak HSD +{ [ he + ve

2

2+g . ze] - [ hi +

v i2

2+g . zi]}

L.2 masukkan angka yang telah diketahui dari data diatas

w – 0 = 3412, 23 kj/kg + {[ 3911,7 kj/kg + (75 m /s )❑

2

2. + 9,81 m/s2

. 13m] - {[ 365,67 kj/kg + (34 m /s)❑

2

2 + 9,81 m/s2. 8m]}

w – 0 = 3412, 23 kj/kg + {[ 3911,7 kj/kg + 5625 m2/s2 + 127,53

m2/s2] - {[ 365,67 kj/kg + 1156 m2/s2 +78,48 m2/s2 ]}

( satuan kj/kg = m2/s2 ), jadi bisa dituliskan ,

w – 0 = 3412, 23 kj/kg + {[ 3911,7 kj/kg + 5625 kj/kg + 127,53

kj/kg] - {[ 365,67 kj/kg + 1156 kj/kg +78,48 kj/kg ]}

w – 0 = 3412, 23 kj/kg + {9664,23 kj/kg – 1600,15}

w = 3412,23 kj/kg + 8064,08 kj/kg

w = 11.476,23 kj/kg

27

Jadi, kerja total yang dihasilkan dari proses diatas adalah 11.476,23

kj/kg.

BAB V

STANDART OPERATIONAL PROCEDURE (SOP)

RUANG BAKAR TURBIN GAS

Agar pelaksanaan proses awal start up dan shut down ruang bakar yang

akan digunakan dalam sistem PLTGU, hendaknya operator perlu memahami

langkah langkah yang harus dilaksanakan untuk menghindari kejadian yang tidak

diinginkan. Langkah – langkah tersebut dikenal sebagai Standart Operational

Procedure (SOP). Ada tiga (3) macam Standart Operational Procedure untuk

pengoperasian ruang bakar, yaitu :

1. Start Up Sistem Ruang Bakar

2. Pengoperasian Ruang Bakar secara Normal

3. Shut Down Sistem Ruang Bakar.Berikut akan diuraikan langkah – langkah dari masing – masing jenis SOP

diatas.

5.1 SOP Start Up Sistem Ruang Bakar

Jenis SOP untuk Start Up Sistem Ruang Bakar ini dilaksanakan ketika

sistem berada dalam keadaan shut down / mati. Langkah – langkahnya

sebagai berikut :

1. Periksa pada layar pada bagian Ready to Start / Trips yang berada

pada Ruang Kontrol (Control Room).

2. Pilih tombol “Initiate to Trips Reset” pada layar monitor.

28

3. Ketika menu Ready to Start pada monitor memunculkan dialog

“Ready To Start”, tayangkan pilihan menu pada bagian Start Up

Overview.

4. Pilih bagian pada tombol “Pre Start Selection”

5. Pilih tombol Start untuk memulai Siklus Permulaan (Start Cycle).

6. Jika muncul pilihan menu untuk pensikronan (Synchronizer) secara

manual, tutup Generator Breaker pada electrical Package.

5.2 SOP Pengoperasian Ruang Bakar secara Normal

SOP Pengoperasian Ruang Bakar secara Normal dilakukan bila sistem

sudah distart up.Langkah – langkah yang harus dilakukan untuk

Pengoperasian Ruang Bakar secara manual dilakukan dengan cara :

1. Sesaat setelah penutupan pada generator breker, baca dan catat

tekanan dan temperaturnya.

2. Untuk meningkatkan beban minimum yang perlu dicapai, dilakukan

dengan :

a. Piliha Based Load Control

b. Jika pilihan menu Load Control sudah muncul, masukkan beban

target yang diinginkan beserta rating bebannya.

c. Pilih menu Temperature Control dan lakukan pemonitoran pada

pilihan menu MW Reference amati sampai terjadi kenaikan

sesuai yang diinginkan tadi

d. Untuk menghentikan laju kenaikan beban yang diinginkan

secara tiba tiba, pilih tombol Load Hold.

3. Untuk menurunkan beban sesuai permintaan, maka :

a. Pilih tombol Minimum Load dan amati pada menu MW

Reference sampai terjadi penurunan beban yang diinginkan.

b. Untuk menghentikan proses penurunan beban secara tiba – tiba,

pilih Load Hold.

29

4. Pada proses menuju beban yang ditentukan, amati pada kolom

Reactive Load, dan atur dengan Voltage Regulator. Jika Voltage

regulator menunjukkan posisi manual, pindahkan ke Auto pada

Electrical Package.

5.3 SOP Shut Down Sistem Ruang Bakar

Prosedur untuk menghentikan proses bekerjanya ruang bakar PLTGU

dapat dilaksanakan dengan cara :

1. Turunkan beban,

2. Tutup Generator Breaker,

3. Pilih menu Normal Stop,

4. Tekan tombol pertama Cycle cooling Spin (pendinginan) lima menit

sebelum pengoperasian Turning Gear,

5. Satu jam setelah proses pendinginan pada Cycle Cooling Spin

pertama selesai, mulai proses untuk proses Cycle Cooling Spin yang

kedua,

6. Pilih menu pengoperasian turbin, kemudian klik tombol Spin Hold.

7. Atur putaran Spin sampai kecepatan Spin yang stabil terlihat. Jangan

sampai lebih dari lima menit pengoperasian Starting Motor untuk

menghindari overcooling.

8. Kembalikan pada unit Turning Gear, kemudian pilih tombol Normal

Stop.

9. Proses Cycle cooling Spin tambahan bisa dilakukan satu jam setelah

proses shut down unit apabila memang perlu penambahan proses

pendinginan.

30

BAB VI

TROUBLESHOOTING RUANG BAKAR

Ruang Bakar merupakan salah satu komponen utama di dalam sistem

PLTGU. Di dalam ruang bakar terjadi proses pembakaran, antara udara yang

dikompresikan dan memiliki tekanan dan temperatur yang tinggi dan dengan

waktu yang sama ruang bakar juga menginjeksikan bahan bakar supaya terjadi

ledakan energi. Ruang bakar merupakan bagian yang paling rawan kerusakannya,

karena setiap saat pada saat beroperasi, ruang bakar selalu berkontak dengan

tekanan dan temperatur yang tinggi.

Beberapa masalah yang sering terjadi pada ruang bakar yang

mengakibatkan berhentinya kerja ruang bakar di PLTGU diantaranya adalah :

1. Gejala Flame Anchoring and Flashback

Gejala Flame Anchoring and Flashback adalah gejala overheating

pada bagian burner , tepatnya ruangan sebelum pencampuran , yaitu

premixer pada ruang bakar yang disebabkan karena udara yang

dikompresikan dan bahan bakar yang diinjeksikan tidak bercampur secara

sempurna. Efek yang terjadi adalah kehancuran / kerusakan akibat panas

terlebih tersebut pada bagian sisi burner seperti pada gambar dibawah.

31

Gambar 6.1 Damaged Flashback pada Burner (Angello and Castaldini,2004)

2. Gejala Autoignitions

Gejala ini merupakan peristiwa penginjeksian bahan bakar oleh

injector yang dilakukan secara otomatis, meskipun ruang bakar sedang tidak

dioperasikan. Gejala ini dapat dihindari dengan cara mendesain bagian

premixer fuel injection berdasarkan karakteristik waktu autoignitions.

Sebagai tambahan, autoignitions time untuk metana lebih lama daripada

residence time di premixer sehingga dengan metana, autoignition bisa

dihindari. Bahan bakar minyak yang mengandung metana antara lain HFO

dan MFO.

3. Gejala Dynamic Flame Stability

Gejala ini terjadi akibat adanya ketidakstabilan aliran gas yang

menyebabkan perubuhan reaksi kimia secara stoikiometri. Sedikit saja

terdapat ketidakstabilan (turbulensi) pada aliran gas, maka akan berdampak

dengan adanya kehilangan panas daam jumlah yang besar sehingga

mengurangi kerja dari ruang bakar.

32

Gambar 6.2 Kerusakan pada Transition Piece akibat Ketidakstabilan Airflow (Angello and Castaldini,2004)

Gambar 6.3 Kerusakan pada connecting Tube karena Denyutan Airflow (Angello and Castaldini, 2004)

Secara keseluruhan, untuk menghindari gangguan yang mungkin terjadi

pada ruang bakar (Wilkes and Dean,1997), dapat dilakukan dengan cara :

1. Jalur pipa untuk aliran gas sebaiknya dibuat dari stainless steel.

2. Jalur pipa untuk gas dan jalur pipa untuk media penghilang panas

(heat tracing) diisolasi.

3. Memasang alat filter gas sedekat mungkin dengan turbin gas.

4. Ketika dilaksanakan komisioning, bersihkan komponen – komponen

ruang bakar sedetail mungkin.

5. Perhatikan pula pada bagian mixer, gas dan bahan bakar minyak harus

tercampur dengan sempurna sehingga ratio diantara gas dan bahan

33

bakar minyak selalu tetap dan menghindari tingginya FARs (fuel air

ratios).

6. Memperkecil waktu sisa pembakaran (residence time) dengan selalu

menggunakan bahan bakar minyak yang mengandung metana seperti

High Speed Diesel (HSD).

BAB VII

KESIMPULAN

Dari pemaparan makalah diatas, dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu :1. Salah satu komponen utama dalam siklus gabungan dalam sistem

PLTGU adalah bagian ruang bakarnya. Udara bertekanan dari kompresor dimasukkan ke ruang bakar dan diinjeksikan bersama bahan bakar minyak, kemudian dikeluarkan dalam bentuk kerja untuk memutar turbin gas.

2. Sistem Ruang Bakar juga berhubungan dengan bahan bakar minyak yang digunakan, karena nantinya akan menentukan kualitas baik buruknya hasil kerja yang dikeluarkan oleh ruang bakar.

3. Di ruang bakar, berlaku persamaan termodinamika di bawah sehingga tercapai keseimbangan proses selama proses pembentukan energi.

W - Q = Ʃme . [ h + ve

2

2 g+g . ze] - Ʃmi . [ h +

v i2

2 g+g . zi]

4. Untuk mengoperasikan maupun menghentikan ruang bakar dalam sistem, operator perlu memahami mengenai langkah – langah kerja yang harus dilakukan dengan benar dengan memahami Standart Operational Procedure (SOP) agar tidak terjadi hal – hal yang tidak diinginkan. Ada tiga macam SOP yang berlaku dalam pengoperasian ruang bakar yaitu :a. Start Up Sistem Ruang Bakar

34

b. Pengoperasian Ruang Bakar secara Normal

c. Shut Down Sistem Ruang Bakar

5. Ruang Bakar merupakan bagian yang saling berkontak dengan tekanan dan temperatur tinggi, sehingga perlu dilakukan perawatan maupun penggantian komponen – komponen yang telah rusak.

35