Kamis, 25 Februari 2010

sejarah dasar PLTU

1. PERKEMBANGAN PLTU

Pada tahun 1831, setelah sebelas tahun melakukan percobaan, Michael Faraday dapat membuktikan prinsip pembangkitan listrik dengan induksi magnet. Dengan peragaan dijelaskan, bahwa bila kumparan atau penghantar memotong medan magnet yang berubah-ubah akan terinduksi suatu tegangan listrik padanya. Kini rancangan semua mesin listrik adalah didasarkan pada bukti nyata tersebut.

Kemudahan membangkitkan listrik secara induksi memunculkan perkembangan pembuatan dynamo dan pada tahun 1882 tersedia pasok listrik untuk publik di London. Pasokan ini diperoleh dari generator DC yang digerakkan dengan mesin bolak balik (reciprocating) yang di catu dengan uap dari boiler pembakaran manual. Permintaan tenaga listrik tumbuh berkembang dan pembangkit kecil muncul di seluruh negeri. Hal ini memberikan keinginan untuk bergabung agar menjadi ekonomis.

Pada tahun 1878 generator pertama dibuat oleh Gramme, tetapi tidak menghasilkan listrik sampai tahun 1888 ketika Nikola Tesla memperkenalkan sistem banyak fasa (poly phase) medan berputar. Pada tahun 1882 Sir Charles Parson mengembangkan Turbin generator AC pertama dan pada 1901 dibuat generator 3 fasa 1500 kW untuk pusat pembangkit Neptune di Tyne Inggris.

Inilah mesin awal dengan kumparan yang berputar didalam medan magnet, tetapi ternyata bahwa semakin besar output yang diinginkan akan lebih mudah mengalirkan arus listrik pada medan magnet berputar didalam kumparan yang diam atau stator. Rancangan mesin secara bertahap berkembang sehingga pada 1922, generator 20 MW yang berputar pada 3000 rpm beroperasi.

Sementara itu karena tuntutan permintaan kebutuhan rancangan unit pembangkit juga berkembang dan kapasitasnyapun meningkat sehingga dibentuk organisasi untuk mengoperasikan sistem transmisi interkoneksi yang disebut pusat penyaluran dan pengatur beban.

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

2. Konversi Energi

Untuk menggerakkan suatu mesin dibutuhkan energi. Kata energi hampir setiap hari terdengar diantara kita, tetapi kadangkala tidak mengerti apa arti kata tersebut. Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Seseorang dikatakan berenergi jika ia mampu melakukan gerak fisik tertentu. Darimana ia memperoleh energinya ? Tentu saja energi diperoleh dari makanan yang ia makan atau suatu aksi kimia. Energi yang diperoleh dari makanan yang kita makan sesungguhnya berasal dari matahari.

Pada kenyataanya semua energi yang kita gunakan dimuka bumi ini berasal dari matahari. Batubara yang kita bakar, bensin yang kita gunakan untuk kendaraan, angin yang berhembus melintasi negara, hujan yang turun membasahi bumi semua melepaskan energi.

Energi dapat disimpan dalam berbagai bentuk, tetapi untuk dapat dimanfaatkan oleh kita energi harus diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Ketika membuat segelas teh, maka kita merebus air dengan cara menyalakan kompor. Proses yang terjadi adalah merubah energi kimia bahan bakar menjadi energi panas untuk memanaskan (diberikan) pada air hingga mendidih. Apabila kemudian air panas dibiarkan mendingin, maka energi panas ini diserahkan ke udara sekitarnya.

Dari contoh diatas dapat disimpulkan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk menjadi bentuk lain.
Pusat pembangkit listrik adalah salah satu contoh bagaimana proses konversi energi itu terjadi. Pada dasarnya semua pembangkit mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya.
Batubara atau minyak yang dibakar terjadi dari tumbuhan, tanaman atau organisme yang membusuk. Tanaman pada dasarnya tumbuh pada bumi dan menyimpan energi yang diperoleh dari matahari. Dengan berlalunya waktu dimana tanaman ini tertimbun tetapi tetap menyimpan energinya .

Ketika batubara dibakar energi panas dilepas dan diberikan ke air didalam boiler. Air berubah menjadi uap superheat yang bertekanan dan uap ini dialirkan ke turbin.

Energi panas didalam uap dilepas ketika uap mengalir melalui turbin. Energi panas diubah menjadi energi mekanik ketika uap mengalir mendorong turbin sehingga poros berputar.


















Gambar 1. konversi energi di PLTU

Energi mekanik yang diberikan oleh uap uap ke turbin akan menyebabkan rotor generator berputar. Rotor generator adalah magnet yang besar berputar didalam kumparan sehingga menghasilkan energi listrik.

Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu :
Pertama, energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi.
Kedua, energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran.
Ketiga, energi mekanik diubah menjadi energi listrik.

Bahan bakar
Bahan bakar adalah material yang digunakan untuk memproduksi panas dengan proses pembakaran. Dua elemen yang membentuk kumpulan semua bahan bakar (kecuali nuklir) adalah Carbon (C) dan Hydrogen (H). Ketika carbon dan hydrogen dipanaskan dengan oksigen yang cukup ia akan terbakar dan menyala sehingga menghasilkan panas.

Ini mungkin bukan sesuatu yang mengejutkan bahwa biaya bahan bakar suatu unit pembangkit sekitar 80% dari biaya operasi, sehingga adalah sangat penting untuk melakukan pembakaran seefisien mungkin, yaitu proses pembakaran bahan bakar yang menghasilkan panas maksimum.

Bahan bakar yang digunakan untuk pembangkit listrik dapat dibagi menurut wujutnya, yaitu :
- Padat
- Cair
- Gas
- Nuklir

3. Keuntungan dan Kerugian

Dibanding jenis pembangkit lainnya PLTU memiliki beberapa keunggulan. Keunggulan tersebut antara lain :

• Dapat dioperasikan dengan menggunakan berbagai jenis bahan bakar (padat, cair, gas).
• Dapat dibangun dengan kapasitas yang bervariasi
• Dapat dioperasikan dengan berbagai mode pembebanan
• Kontinyuitas operasinya tinggi
• Usia pakai (life time) relatif lama

Namun PLTU mempunyai bebrapa kelemahan yang harus dipertimbangkan dalam memilih jenis pembangkit termal. Kelemahan itu adalah :

• Sangat tergantung pada tersedianya pasokan bahan bakar
• Tidak dapat dioperasikan (start) tanpa pasok listrik dari luar
• Memerlukan tersedianya air pendingin yang sangat banyak dan kontinyu
• Investasi awalnya mahal
























Gambar 2, lay out PLTU


4. Prinsip Kerja

PLTU menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang. Urutan sirkulasinya secara singkat adalah sebagai berikut :

Pertama air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh luas permukaan pemindah panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap.

Kedua, uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran.
Ketiga, generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan magnet dalam kumparan.
Uap bekas keluar turbin masuk ke kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air. Air kondensat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler. Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.

Gambar 3 menunjukkan diagram sederhana PLTU dengan komponen utama dan siklus kerja sistem-sistemnya.

Putaran turbin digunakan untuk memutar generator yang dikopel langsung dengan turbin sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik dari terminal output generator.



























Gambar 3, Siklus fluida kerja (air uap) PLTU


Sekalipun siklus fluida kerjanya merupakan siklus tertutup, namun jumlah air dalam siklus akan mengalami pengurangan. Pengurangan air ini disebabkan oleh kebocoran kebocoran baik yang disengaja maupun yang tidak disengaja. Untuk mengganti air yang hilang, maka perlu adanya penambahan air kedalam siklus. Kriteria air penambah (make up water) ini harus sama dengan air yang ada dalam siklus.


5. Siklus Rankine

Siklus kerja PLTU yang merupakan siklus tertutup dapat digambarkan dengan diagram T – s (temperatur – entropi). Siklus ini adalah penerapan siklus rankine ideal. Adapun urutan langkahnya adalah sebagai berikut :





























Gambar 4, diagram T – s siklus PLTU (siklus rankine)


• 1 - 2 : air dipompa dari tekanan P2 menjadi P1. Langkah ini adalah kompresi
isentropis, dan proses ini terjadi pada pompa air pengisi.
• 2 - 3 : air bertekanan ini dinaikkan suhunya hingga mencapai titik didih.
• 3 - 4 : air berubah wujud menjadi uap jenuh. Langkah ini disebut vapourising
(penguapan) dengan proses isobar isotermis, terjadi di boiler.
• 4 - 5 ; uap dipanaskan lebih lanjut hingga mencapai suhu kerjanya. Langkah
ini terjadi di boiler dengan proses isobar.
• 5 - 6 : uap melakukan kerja sehingga tekanan dan suhunya turun. Langkah
ini adalah ekspansi isentropis, dan terjadi didalam turbin.
• 6 – 1 ; pembuangan panas laten uap sehingga berubah menjadi air
kondensat. Langkah ini adalah isobar isotermis, dan terjadi didalam
kondensor.



6. ENERGI

Energi atau tenaga diperlukan untuk melakukan suatu pekerjaan. Jadi energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Energi dapat juga merupakan kerja tersimpan. Air yang tersimpan didalam bendungan mempunyai energi karena ia dapat digunakan untuk menggerakkan turbin generator agar menghasilkan listrik. Karena energi adalah kerja tersimpan, energi dikeluarkan jika kerja dilakukan.

Satuan energi adalah joule, dimana satu joule adalah kemampuan untuk menaikan beban seberat 1 newton setinggi 1 meter.
Energi dapat berada dalam berbagai bentuk, yaitu :
- Energi mekanik
- Energi listrik
- Energi elektromagnetik
- Energi panas
- Energi kimia
- Energi nuklir

a. Energi MEKANIK
Energi mekanik dalam termodinamika didefinisikan sebagai suat energi yang dapat digunakan untuk mengangkat suatu benda. Energi mekanik dapat disimpan dalam bentuk energi potensial dan energi kinetik.
Energi potensial adalah energi yang didapat dari material (benda) tertentu karena posisi nya dalam suatu medan gaya, seperti : energi medan grafitasi, energi yang berkaitan dengan suatu fluida terkompresi.

Energi kinetik adalah energi yang dipunyai oleh suatu massa yang bergerak. Roda gila (fly wheel) adalah contoh dari sistem yang menyimpan energi mekanik dalam bentuk energi kinetik.
Energi mekanik adalah energi yang mudah dan efisien untuk dikonversi menjadi bentuk energi lain.

b. Energi LISTRIK
Energi listrik adalah jenis energi yang berkaitan dengan arus dan akumulasi elektron. Energi listrik dapat disimpan sebagai energi medan elektrostatik dan medan induksi. Energi elektrostatik adalah energi yang berkaitan dengan medan listrik yang dihasilkan oleh akumulasi elektron (muatan) pada plat-plat kapasitor.

c. Energi KIMIA
Energi kimia adalah energi yang timbul akibat interaksi dari dua atau lebih atom atau molekul berkombinasi menghasilkan senyawa kimia yang stabil. Energi kimia dapat diperoleh melalui reaksi, artinya energi yang dikandung oleh suatu zat kimia tersebut hanya bisa dilepaskan setelah melalui proses reaksi














Gambar 5, konversi energi


d. Hukum Kekekalan ENERGI
Hukum kekekalan energi atau hukum termodinamika pertama menyatakan “Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi dapat diubah dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain” .
Contoh dari hukum kekekalan energi terjadi dalam menciptakan energi listrik, generator merubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi yang diberikan oleh lampu listrik juga bukan dimusnahkan melainkan semata-mata diubah dari energi listrik menjadi panas dan kemudian menjadi energi cahaya.

6.1. PANAS
6.1.1. Temperatur dan Panas
Dalam pembicaraan sehari-hari, kita sering menemukan kata ‘temperatur’ dan ‘panas’ saling dipertukarkan pemakaiannya karena seolah-olah keduanya memiliki makna yang sama. Tetapi dalam termodinamika kedua kata tersebut memiliki arti yang berbeda.

Salah satu efek yang diakibatkan dari penambahan energi panas adalah meningkatnya derajat panas suatu zat. Dengan kata lain, temperatur suatu zat meningkat bila kepadanya diberikan panas.

Untuk memperlihatkan perbedaan antara panas dan temperatur dapat dilihat ilustrasi pada gambar 6. Sebuah gelas berisi 5 liter air mendidih. Jika 1 liter air dipindahkan kedalam sebuah gelas yang lebih kecil, maka pada gelas pertama tinggal tersisa 4 liter. Air didalam masing-masing gelas tersebut mempunyai derajat panas yang sama. Dapat pula dikatakan air didalam kedua gelas memiliki temperatur yang sama.

Dengan mudah dapat dipahami bahwa 1 liter air dalam gelas yang kecil hanya mengandung energi panas seperempat bagian dari energi panas yang dikandung pada gelas yang besar. Jadi meskipun temperaturnya sama, tetapi kandungan energi panasnya sangat berbeda. Untuk membandingkan dengan tepat jumlah panas dan temperatur perlu digunakan satuan panas dan satuan pengukuran temperatur.

6.1.2. Kapasitas Panas dan Panas Jenis
Terdapat beberapa zat yang bila diberi panas akan menyerap banyak sekali energi panas, contohnya air. Air apabila dipanaskan akan menyerap banyak sekali panas. Selain itu air juga dapat menyimpan energi panas untuk waktu yang lama. Maka dikatakan ‘air mempunyai kapasitas panas yang besar’. Tiap zat mempunyai kapasitas panas yang berbeda-beda.




















Gambar 6, Perbedaan antara panas dan temperatur.

Sebagai perbandingan misalkan kita panaskan 1 kg air dan 1 kg alumunium hingga temperaturnya masing-masing naik 10 C. Ternyata waktu yang diperlukan untuk memanaskan air kira-kira 5 kali lebih lama daripada waktu yang diperlukan untuk memanaskan alumunium. Karena waktu pemanasan air lebih lama, maka energi panas yang diserap atau diperlukan oleh air lebih banyak daripada alumunium. Dengan kata lain kapasitas panas air lebih besar daripada kapasitas panas alumunium.

6.2. Pengaruh Panas
Apabila suatu zat diberi panas, maka pada zat tersebut dapat terjadi perubahan-perubahan seperti :
- memuai
- temperatur berubah
- wujudnya berubah


Menguap
Dipanaskan




Dipanaskan mendidih


Mencair menjadi
Air

Dipanaskan

Benda padat
(es)

Gambar 5, ilustrasi perubahan wujud karena pemberian panas.

Gambar diatas mengilustrasikan suatu zat padat yang diberi panas hingga mengalami rentetan perubahan sampai menjadi uap.

Zat padat bila diberi panas temperaturnya akan naik. Pada saat temperaturnya naik benda tersebut juga mengalami pemuaian. Kenaikan temperatur yang terus berlanjut akan sampai ke titik leburnya (titik cair). Tiap benda mempunyai titik lebur yang berbeda. Panas untuk menaikkan temperatur disebut panas sensibel.

Pada saat benda tersebut mencapai titik leburnya, temperaturnya tetap. Panas yang diterima digunakan untuk merubah wujud dari padat ke cair (mencair) dan atau dari air ke uap jenuh; panas tersebut dinamakan panas laten. Uap jenuh jika dipanaskan terus suhunya akan naik sehingga menjadi uap superheat, dan panas yang digunakannya disebut panas superheat atau panas sensibel pada fase gas.

Faktor yang mempengaruhi perubahan perilaku zat bila dipanaskan adalah :
- kalor jenis zat (kj)
- massa zat yang dipanasi (m)
- kenaikan suhu ( t )

6.3.. Perpindahan Panas
Panas dapat berpindah dari suatu benda ke benda lain. Panas berpindah dari benda atau zat yang suhunya lebih tinggi ke benda atau zat yang suhunya lebih rendah. Dengan kata lain, panas hanya akan berpindah apabila terdapat perbedaan temperatur diantara dua benda tersebut. Atau perbedaan temperatur merupakan potensial pendorong bagi proses perpindahan panas.

Dalam proses perpindahan panas terdapat 3 macam metode, yaitu :
Konduksi
Konveksi
Radiasi

a. Konduksi
Proses perpindahan panas secara merambat pada suatu zat atau dari satu zat ke zat lain yang bersinggungan disebut ‘konduksi’ . Pemanasan pada dinding pipa saluran uap, sudu-sudu turbin uap, casing turbin adalah contoh perpindahan panas secara konduksi. Perpindahan panas secara konduksi hanya terjadi pada benda padat.

b. Konveksi
Konveksi adalah perpindahan panas dalam suatu zat yang disebabkan oleh gerakan molekul-molekul dari zat tersebut. Karena itu konveksi hanya dapat terjadi pada zat cair dan gas. Perpindahan panas air pendingin kondensor dengan uap bekas turbin adalah contoh perpindahan panas konveksi.

c. Radiasi
Radiasi adalah proses perpindahan panas diantara zat-zat yang tidak bersinggungan secara langsung. Pada perpindahan panas secara radiasi, energi panas dipancarkan dalam bentuk gelombang elektromagnetik dalam lintasan garis lurus pada kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya.

Gelombang panas berjalan melintasi ruangan dan bila menerpa objek, panasnya dapat diserap oleh objek terebut atau dapat pula dipantulkan kembali. Panas dari api ke dinding pipa air boiler atau panas uap yang mengalir didalam pipa sebagian akan hilang adalah contoh perpindahan panas secara radiasi.

1. Zat dipanaskan dari (1) ke (2).
Q = m x kj xt
2. Zat dipanaskan dari (2) ke (3).
Q = m x jk
3. Zat dipanasi dari (3) ke (4).
Q = m x jk x t
4. Zat dipanaskan dari (4) ke (5).
Q = m x kj
5. Zat dipanasi dari (5) ke (6).
Q = m x kj x t.





























Gambar 6, diagram T – h perubahan wujud suatu zat karena pemanasan



Entalpi dan Entropi
Enthalpy adalah kandungan panas total pada suatu zat. Entalpi diberi simbol h (heat) dan harganya dipengaruhi oleh tekanan (p) dan temperature (T).

h = kj/kg

Entropy adalah perbandingan panas dengan temperatur mutlaknya. Entropi diberi simbol s dan satuannya kJ/kg.K
s = h/T

Contoh:
Berapakah perbedaan panas yang dikandung 2 kg uap jenuh pada temperatur 105C dan 290C.

Jawab :

Dari tabel, uap jenuh pada temperatur 105 C

hg = 2684 kj/kg

pada temperatur 290 C

hg = 2768 kj/kg

Perbedaan panas yang dikandung untuk 1 kg uap jenuh adalah
= 2768 kj/kg- 2684 kj/kg
= 84 kj/kg.

untuk 2 kg uap = 2 kg x 84 kj/kg
= 168 kj/kg
= 168 kj

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar