-
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian HRSG
HRSG (Heat Recovery Steam Generator) adalah ketel uap atau
boiler yang
memanfaatkan energi panas sisa gas buang satu unit turbin gas
untuk memanaskan
air dan mengubahnya menjadi uap, dan kemudian uap tersebut
dipergunakan
untuk menggerakkan turbin uap. Pada umumnya HRSG tidak
dilengkapi
pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar, sehingga
tidak terjadi
proses perpindahan/penyerapan panas radiasi. Proses
perpindahan/penyerapan
yang terjadi hanyalah proses konveksi dan konduksi dari gas
buang turbin gas ke
dalam air yang akan diproses menjadi uap melalui elemen-elemen
pemanas
didalam ruang boiler HRSG.
Gbr. 2.1 Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU)
HRSG sangat bermanfaat untuk meningkatkan hasil guna (efisiensi)
bahan
bakar yang dipakai pada unit turbin gas, yang selanjutnya akan
menggerakkan
unit turbin uap. Sistem pembangkit listrik yang memanfaatkan
proses ini yaitu
PLTGU (Pusat listrik tenaga gas dan uap). HRSG adalah bagian
penting PLTGU,
dimana unit pembangkit PLTGU disebut juga Blok PLTGU.
Universitas Sumatera Utara
-
Kapasitas produksi uap yang dapat dihasilkan HRSG tergantung
pada
kapasitas energi panas yang masih mengandung gas buang dari unit
turbin gas
yang berarti masih tergantung pada beban unit turbin gas. Pada
dasarnya turbin
gas yang beroperasi pada putaran tetap, aliran udara masuk
kompressor juga tetap,
perubahan beban turbin yang tidak konstan dengan aliran bahan
bakar tetap,
sehingga suhu gas buang juga berubah mengikuti perubahan turbin
gas.
2.2 Bagian Bagian Utama HRSG
Heat Recovery Steam Generator terdiri dari beberapa bagian
elemen yaitu
pemanas awal kondensat (kondensat preheater), ekonomiser,
evaporator, dan
superheater yang masing-masing memiliki fungsi yang berbeda.
Pada sub bab ini
akan membahas fungsi masing-masing elemen pada Heat Recovery
Steam
Generator.
1. Pemanas awal kondensat (condensate preheater atau CPH)
Pemanas awal kondensat berfungsi memanaskan air yang berasal
dari
kondensat keluaran turbin uap, kemudian air yang sudah
dipanaskan ini
dialirkan dan dikumpulkan ke tangki air umpan. Umumnya pemanas
awal
kondensat ini diletakkan di bagian paling atas sekali dari
posisi pipa pipa
pemanas yang ada dan diikuti oleh pipa pipa lainnya.
2. Ekonomiser
Ekonomiser terdiri dari pipa-pipa air yang ditempatkan pada
lintasan gas
asap setelah pipa-pipa evaporator. Pipa-pipa ekonomiser dibuat
dari bahan
baja atau besi tuang yang sanggup untuk menahan panas dan
tekanan tinggi.
Ekonomiser berfungsi untuk memanaskan air pengisi sebelum
memeasuki
steam drum dan evaporator sehingga proses penguapan lebih ringan
dengan
memanfaatkan gas buang dari HRSG yang masih tinggi sehingga
memperbesar efisiensi HRSG karena dapat memperkecil kerugian
panas pada
HRSG tersebut. Air yang masuk pada evaporator sudah pada
temperatur tinggi
sehingga pipa - pipa evaporator tidak mudah rusak karena
perbedaan
temperatur tidak terlalu tinggi.
Universitas Sumatera Utara
-
3. Evaporator
Evaporator merupakan elemen HRSG yang berfungsi untuk
mengubah
air hingga menjadi uap jenuh. Pada evaporator dengan adanya pipa
pipa
penguap akan terjadi pembentukan uap. Biasanya pada evaporator
kualitas uap
sudah mencapai 0,8 0,98 sehingga sebagian masih berbentuk fase
cair.
Evaporator akan memanaskan uap air yang turun dari drum uap
panas lanjut
yang masih dalam fase cair agar berbentuk uap sehingga bisa
diteruskan
menuju superheater. Perpindahan panas yang terjadi pada
evaporator adalah
film pool boiling, dimana air yang dipanaskan mendidih sehingga
mengalami
perubahan fase menjadi uap jenuh. Jenis evaporator ada 2 (dua)
jenis yaitu
evaporator bersikulasi alami (bebas) dan evaporator bersikulasi
paksa (dengan
pompa).
4. Superheater
Superheater rmerupakan alat yang berfungsi untuk menaikkan
temperatur uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut
(superheater vapour).
Uap lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan
ekspansi
didalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun, sehingga
mengurangi
kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan
balik
(back stroke) yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada
waktunya
sehingga menimbulkan vakum ditempat yang tidak semestinya di
daerah
ekspansi.
Selain komponen komponen utama HRSG di atas, HRSG juga
dilengkapi peralatan bantu lainnya yang fungsinya sangat
menunjang kinerja
HRSG, antara lain:
Drum uap
Sebagai wadah yang berfungsi memisahkan campuran air uap dan
keluarannya berupa uap jenuh kering (saturated steam), yang
kemudian
dialirkan ke superheater.
Cerobong asap
Sebagai laluan yang membantu tarikan gas buang ke atmosfer.
Cerobong
asap terdiri dari diffuser, diverter dan silencer.
Universitas Sumatera Utara
-
Gambar 2.2 Diagram PLTGU dengan HRSG Single Pressure
2.3 Siklus Gabungan (Combine Cycle)
Siklus gabungan adalah suatu siklus yang memanfaatkan gas buang
dari
turbin gas (PLTGU) untuk memanaskan air dalam ketel, dengan
menggunakan
heat exchanger berupa HRSG dan uap yang dihasilkan HRSG tersebut
digunakan
untuk menggerakkan generator listrik.
Gas turbin dari turbin gas keluar pada umumnya 500C.
Disebabkan
tekanan rendah, suhu tinggi (entalpi tinggi) ini, gas buang
tidak dapat
dimanfaatkan menjadi fluida kerja. Regenerator dapat digunakan
untuk
memanfaatkan gas terbuang ini dengan cara memanaskan gas keluar
dari
kompressor sebelum masuk ke ruang bakar. Beberapa halangan
dalam
penggunaan regenerator:
1. Regenerator mengakibatkan penurunan tekanan antara outlet
kompressor dan inlet ruang bakar yang menyebabkan naiknya
kerja
kompressor karena untuk tekanan inlet turbin yang tertentu.
Outlet
compressor tekanannya harus lebih tinggi.
Universitas Sumatera Utara
-
2. Regenerator menimbulkan naiknya tekanan luar (back pressure)
turbin
yang menyebabkan turunnya kerja turbin.
3. Regenerator sulit untik melayani debit aliran yang
tinggi.
Pada gambar 2.3 berikut menampilkan skema pembangkit daya
dengan
menggunakan HRSG.
HRSG
C
Gambar 2.3 Pembangkit daya siklus gabungan Keterangan:
P = Pompa
HRSG = Heat Recovery Steam Generator
TU = Turbin Uap
C = Condenser
K = Kompressor
RB = Ruang Bakar
TG = Turbin Gas
Pembangkitan daya seperti gambar 2.3 diatas, disamping
menghasilkan
efisiensi yang tinggi dan keluaran daya yang lebih besar siklus
gabungan bersifat
luwes, mudah dinyalakan dengan beban tak penuh, cocok untuk
operasi beban
RB
TG
TU
K
P
Universitas Sumatera Utara
-
besar dan turbin bersiklus mempunyai efisiensi dalam daerah
beban yang luas.
Kelemahannya berkaitan dengan keruwetannya, karena pada dasarnya
instalasi ini
menggabungkan dua teknologi didalam satu kompleks pembangkit
daya.
2.4 Siklus Turbin Gas
Turbin gas merupakan alat yang mengkonversi energi kimia bahan
bakar
menjadi energi mekanis melalui proses pembakaran, kemudian
energi mekanis
tersebut dikonversi oleh generator menjadi energi listrik.
Prinsip kerja sistem ini adalah udara atmosfer masuk ke dalam
kompresor
yang berfungsi menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut,
sehingga
temperaturnya naik. Kemudian udara bertekanan tinggi itu masuk
ke dalam ruang
bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam
arus udara
tersebut, sehingga terjadi proses pembakaran.
Proses pembakaran tersebut berlangsung pada tekanan konstan,
sehingga
bisa dikatakan bahwa ruang bakar hanyalah digunakan untuk
menaikkan
temperatur udara. Gas pembakaran yang bertemperatur tinggi itu
kemudian masuk
ke dalam turbin gas dimana energinya dipergunakan untuk memutar
sudu turbin
60 % dari daya yang dihasilkan turbin untuk memutar kompresornya
sendiri,
sisanya baru digunakan untuk memutar generator.
Siklus ideal ini terdiri dari 2 proses isobar yang terjadi
diruang bakar dan
proses pembuangan gas bekas, serta 2 proses isentropik yang
terjadi pada
kompresor dan ekspansi gas pada turbin.
Gambar 2.4 Siklus Turbin Gas Terbuka
Universitas Sumatera Utara
-
Gambar 2.5 Diagram T-s
Gambar 2.6 Diagram P-V
Jalannya proses dapat diterangkan sebagai berikut (Frietz
Dietzell, 1992,
hal 156) :
1-2 : merupakan proses kompresi isentropik dalam kompresor,
kondisi 1 adalah udara atmosfer, sedangkan temperatur
udara hasil kompresi T2 dapat diketahui dari hubungan:
T2 = T1 .1
Dimana : rp = rasio tekanan P2/P1 =perbandingan panas spesifik
pada tekanan
konstan, untuk udara nilai = 1,4
Universitas Sumatera Utara
-
2-3 : proses penambahan panas pada tekanan konstan dalam
ruang
bakar, panas yang ditambahkan pada ruang bakar adalah:
Qin = Cp (T3 T2)
3-4 : proses ekspansi isentropik dalam turbin, temperatur
gas
keluar T4 dihitung dengan hubungan:
T4 = T3 . 11
4-1 : merupakan proses pelepasan kalor ke lingkungan pada
tekanan konstan, besarnya kalor yang dilepas dapat dihitung:
Qin = Cp (T4 T1)
Kerja netto turbin ( Wnet ) merupakan kerja berguna yang
dihasilkan
turbin setelah kerja ekspansi dikurangi dengan kerja kompresi.
Besar kerja netto
turbin adalah:
Wnet = WT - WK
= (h3 h4) (h2 h1) Daya netto turbin merupakan daya keluaran
turbin (daya yang dibutuhkan
generator) setelah memperhatiksn kerugian-kerugian, maka daya
netto turbin
adalah:
Pnet = g. WT g. WK Efisiensi siklus merupakan perbandingan
antara jumlah kalor yang dengan
efektif dengan kalor yang dimasukkan ke sistem (Yunus A.Cengel,
1979), yaitu:
= W net
= (3 2 ) (4 1)/(3 2) =1 - 4 1
32 2.5 Neraca Kalor
Panas pada instalasi turbin gas murni (siklus brayton), panas
Qout ini
dibuang ke udara atmosfer. Gas yang dibuang ini masih memiliki
kandungan
energi panas yang tinggi. Dengan menggunakan HRSG panas yang
dibuang ini
akan dimanfaatkan.
Panas yang dibuang ini dimanfaatkan untuk memanaskan air pada
HRSG
yang distribusikan pada superheater, evaporator, ekonimiser dan
preheater.
Universitas Sumatera Utara
-
Apabila dianggap tidak ada kerugian panas ke udara atmosfer
peralatan, dapat
dituliskan kesetimbangan energi pada setiap peralatan HRSG:
1. Pipa superheater:
Qsup = ms (h7 h6) = mgas (he hg)
2. Pipa evaporator:
Qeva = ms (h6 h5) = mgas (hg hf)
3. Pipa ekonomiser:
Qeko = ms (h5 h4) = mgas (hf - hh)
4. Pipa preheater:
Qpre = ms (h3 h2) = mgas (hh h1)
Jadi, jumlah energi panas yang dimanfaatkan HRSG adalah:
QHRSG = Qsup + Qeva + Qeko + Qpre
= ms (h7 h2)
Laju aliran massa uap dapat diperoleh dari hukum kesetimbangan
kalor,
dimana:
Quap = Qgas
uap (h2 h1) = gas (hg in hg out)
uap = gas (hg in hg out) / h2 h1
2.6 Proses Pembentukan Uap
Gas buang dari siklus gas masuk ke HRSG untuk mengubah air
umpan
menjadi uap kering yang akan digunakan untuk memutar sudu-sudu
turbin uap
hingga dapat memutar beban dalam hal ini generator listrik.
Setelah melalui
beberapa tingkatan sudu turbin sebagian uap diekstraksikan ke
pemanas awal
tekanan tinggi dan tekanan rendah, sedangkan sisanya masuk ke
kondensor untuk
dikondensasikan dan selanjutnya akan dipompakan ke HRSG melalui
pemanas air
pada tekanan tinggi, dari HRSG ini air umpan yang sudah menjadi
uap kering
dialirkan ke turbin.
Beberapa parameter desain yang penting berkaitan dengan turbin
uap
adalah tekanan uap masuk turbin. Mengambil tekanan uap masuk
lebih tinggi
akan menguntungkan, karena ukuran sudu-sudu akan menjadi lebih
kecil. Namun
tekanan yang terlalu tinggi akan mengakibatkan efisiensi akan
menurun.
Universitas Sumatera Utara
-
Parameter lain yang penting dari turbin uap adalah tekanan
kondensor, dalam hal
ini turbin uap dan kondensor akan disesuaikan dengan Heat
Recovery Steam
Generator (HRSG).
2.7 Alat Penukar Kalor
Alat penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat yang
berfungsi
sebagai tempat terjadinya perpindahan panas dari fluida yang
temperaturnya
tinggi ke tempat temperaturnya rendah atau sebaliknya, tanpa ada
pencampuran
antara fluida satu dengan fluida lainnya.
Kalor yang dilepas fluida panas sebesar:
qh = h . Ch . (1 - 2) Kalor yang diterima fluida dingin:
qc = c . Cc . (1 - 2) Dimana kalor yang dilepas fluida panas
sama dengan klaor yang diterima
fluida dingin.
Subskrip h dan c masing masing menandakan fluida panas dan
dingin.
qg = . c . dT
Dimana c = panas spesifik.
TC TC
Th1 Th1
Th2 Tc2 Th2
Tc2 Tc1
Tc1
L(m) L(m)
a.Perpindahan panas searah b.Perpindahan panas berlainan
arah
Gambar 2.7 Distribusi temperatur pada alat penukar kalor.
Laju pindahan panas dapat dinyatakan dengan beda temperatur rata
rata
logaritma LTMD:
Universitas Sumatera Utara
-
Q = U . A . LTMD Dimana:
U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m2.C)
A = luas permukaan perpindahan kalor (m2)
LTMD = Beda temperatur logaritma rata rata (C)
LTMD = (1 Tc 1) (Th 2 Tc 2) ln[(1 1)/(2 2)] ..(J.P.Holman,1998,
hal.491)
Persamaan ini dapat digunakan untuk aliran lawan arah. Maka
dapat
dikatakan LTMD adalah beda suhu pada satu ujung penukar kalor
dikurangi beda
suhu pada ujung yang satu lagi dibagi logaritma almiah dari
perbandingan kedua
suhu tersebut.
Pada proses penguapan evaporasi dan pengembunan (kondensasi)
satu
fluida tidak mengalami perubahan suhu, walaupun perpindahan
panas telah
berlangsung diantara kedua fluida. Hal ini disebabkan kalor yang
diterima dan
yang dilepas oleh fluida (kalor laten) tidak digunakan untuk
menaikkan
temperatur tetapi digunakan untuk mengubah fase fluida.
Distribusi temperatur
evaporasi dapat dilihat pada gambar berikut:
TC TC
Th1 Th1
Th2 Th2
Tc1 Tc2 Tc1 Tc2
L(m) L(m)
a.Distribusi temperatur aliran sejajar b.Distribusi temperatur
aliran silang
Gambar 2.8 Distribusi temperatur pada proses evaporasi
Universitas Sumatera Utara
-
Maka beda suhu rata rata logaritma adalah:
LTMD = (1 Tc 1) (Th 2 Tc 2) ln[(1 1)/(2 2)].(J.P. Holman,1998,
hal.491)
Gambar 2.9 Faktor koreksi untuk penukar kalor shell and tube
Universitas Sumatera Utara