03. Pltu-turbine and Auxiliaries..

2.1.3 1.

PLTU - STEAM TURBINE AND AUXILIARIES UMUM

Steam Turbine Generator adalah komponen konversi daya yang utama dari sebuah pusat pembangkit. Fungsi dari steam turbine generator adalah mengkonversi energi termal uap dari boiler ke energi listrik. Dua komponen terpisahnya adalah: steam turbine mengkonversi energi termal menjadi energi mekanikal berputar, dan generator mengkonversi energi mesin ke energi listrik. Secara umum, turbin dihubungkan, dengan menggunakan kopling, secara langsung dengan generator. Bab ini memberikan pandangan umum dari generator-turbin-uap. Rincian desain dari masing-masing komponen tidak dibicarakan karena secara umum desainer pusat pembangkit tidak terlibat dalam desain rinci dari generator-turbin-uap. Desainer pusat pembangkit membuat spesifikasi performa dan persyaratan desain secara umum untuk supaya begaimana fabrikan generator-turbin memenuhi produksi yang dikehendaki. Fabrikan generator-turbin melaksanakan desain rinci dari unit. Pengetahuan yang dibutuhkan oleh desainer pusat pembangkit adalah pemahaman dari prinsip-prinsip operasi dasar; familiarisasi dengan jenis-jenis, komponen, peralatan bantu dari generator-turbin; dan pemahaman dari performa unit dengan kapabilitas untuk memprediksi performa secara keseluruhan generator-turbin. Informasi yang dibutuhkan dibahas dalam bab ini. Informasi lebih dalam dapat diperoleh dari berbagai referensi lain. Fabrikan terbesar turbin didunia saat ini antara lain adalah: ASEA Brown Bovery, Siemens, MAN, GEC Alsthom, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, dan Fuji Electric. 2. TERMODINAMIKA Dengan mempelajari PLTU berarti mempelajari konversi energi thermal menjadi energi mekanik dan secara tidak langsung harus mempelajari ilmu thermodinamika Siklus Termal Turbin Uap Unjuk kerja siklus uap dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain : - temperatur dan tekanan uap utama, - penurunan tekanan dari sistem reheater, - temperatur uap reheater, dan - back pressure turbin.

3. Steam Turbine - 1

Siklus Tenaga Uap Siklus Carnot (Fig. 13-1) : Efisiensi termal dapat dimaksimalkan, jika panas yang dipasok mempunyai temperatur paling tinggi dan panas yang terbuang mempunyai temperatur yang paling rendah. Siklus Carnot : 2 proses isotermal dan 2 proses isentropis. Fluida dikompres dari kondisi 1 ke kondisi 2 (isentropis). Fluida dievaporasi dari kondisi 2 ke kondisi 3 (isotermal) Fluida dikembangkan dari kondisi 3 ke kondisi 4 (isentropis). Fluida dikondensasi parsial dari kondisi 4 ke kondisi 1 (isotermal) Luasan 1-2-3-4 = panas yang dikonversi menjadi kerja Luasan a-1-4-b = panas yang dibuang ke sekelililing. Efisiensi siklus dapat dinyatakan sebagai : Panas yang dikonversi menjadi kerja (T2 – T1) (S4 – S1) ----------------------------------- = --------------------Panas total yang dipasok T2 (S4 – S1) Dengan menghilangkan terminologi entropi memberikan pernyataan klasik untuk efisiensi Carnot. T2 – T1 T1 TLOW = ---------------- = 1 - --------- = 1 - ---------T2 T2 THIGH Siklus Carnot adalah siklus teoritis. Mengkondensasi uap secara parsial yaitu dari kondisi 4 ke kondisi 1 dan kemudian mengkompres uap basah dari kondisi 1 ke kondisi 2 sama sekali tidak praktis Untuk alasan ini, siklus uap nyata perlu didasarkan pada siklus Carnot yang dimodifikasi dan disebut sebagai siklus Rankine. Fig 13-2 menunjukkan skematis peralatan dan diagram T-S untuk pusat pembangkit uap beroperasi dengan siklus Rankine. Perbedaan utama antara siklus Carnot dan siklus Rankine adalah bahwa dalam siklus Rankine uap secara penuh dikondensasi menjadi cairan jenuh dalam proses dari kondisi 4 ke kondisi 1 dan cairan dipompa ke boiler (kondisi 2). Panas dikenakan pada tekanan

3. Steam Turbine - 2

konstan sampai cairan yang dikompresi menjadi jenuh pada kondisi “X”. Lebih banyak panas diberikan pada tekanan konstan untuk menguapkan cairan sampai ia menjadi uap jenuh pada kondisi 3. Uap kemudian dikembangkan dari kondisi 3 ke 4 dan siklus diulang.

3. Steam Turbine - 3

3. Steam Turbine - 4

2.2.1 Superheating Efisiensi termal naik jika panas yang dipasok mempunyai temperatur yang lebih tinggi. Salah satu cara adalah mensuperheat uap diatas temperatur jenuhnya. Kenaikan dalam efisiensi termal ditunjukkan dalam Fig. 13-3. Kerja additional sebagai akibat superheating ditunjukkan oleh area yang diarsir oleh titik 3-3’-4’-4. Panas additional yang harus direject ditunjukkan oleh luasan yang dibatasai oleh b-4-4’-b’. Kenaikan efisiensi siklus dapat dilihat dengan mencatat bahwa hasil bagi luasan 3-3’-4’-4/b-4-4’b’ lebih besar dibanding hasil bagi dari kerja net dari panas yang direject untuk siklus original (1-2-3-4/a-1-4-b) 2.2.2 Increasing pressure Menaikkan tekanan boiler akan menaikkan temperatur jenuh yang mengakibatkan kenaikan efisiensi termal (Fig.13-4). Kerja additional yang disebabkan penambahan tekanan ditunjukkan oleh luasan yang diarsir 2-2’-3’-c. Luasan yang diarsir double c-3-4-4’ menyatakan kerja dengan tekanan lebih rendah. Luasan 2-2’-3’-c sedikit lebih besar dibanding luasan c-3-4-4’ yang mengakibatkan perolehan kerja bersih yang sedikit lebih besar. Perolehan utama efisiensi datang dari pengurangan panas terbuang total. Pengurangan dalam rejeksi panas ini dinyatakan oleh luasan b’-4’-4’-b. 3 Lowering Exhaust Pressure Kenaikan efisiensi siklus sebagai akibat dari penurunan tekanan (dan temperatur) uap kondensasi dapat dilihat dalam Fig 13-5. Luasan yang diarsir 1`-2`-2–1–4–4` menyatakan kenaikkan dalam kerja tersedia. Area ini juga menyatakan penurunan panas terbuang total. Menurunkan tekanan kondensor menaikkan efisiensi. Menurunkan tekanan exhaust juga mengakibatkan masukan tambahan, 2`-2-a-a`.

3. Steam Turbine - 5

3. Steam Turbine - 6

4 Reheat Menaikkan temperatur rata rata dengan memanaskan kembali uap setelah sebagiannya diekspansikan menaikkan efisiensi. Gb.13-6 menunjukkan diagram T-S siklus reheat tunggal. Kerja tambah sebagai akibat reheating ditunjukkan oleh luasan diarsir, 4-5-6-6’. Panas terbuang ditunjukkan oleh luasan yang dibatasi oleh b’-6’-6-b. Kenaikan efisiensi = rasio dari luasan 4-5-6-6’/b’-6’-6-b dibanding rasio 1-2-36’/a-1-6’-b’. Tambahan reheating akan secara kontinyu menaikkan efisiensi, akan tetapi, perolehan incremental untuk tiap tambahan reheat akan berkurang. Perlu dicatat bahwa tambahan keuntungan dari reheating adalah memberikan panas yang lebih kering dalam tingkat akhir turbin, titik 6 dibanding titik 6’.

3. Steam Turbine - 7

5 Regenerative Feedwater Heating Menaikkan temperatur rata rata dari panas yang ditambahkan dapat juga dicapai dengan menaikkan temperatur feedwater heater yang memasuki boiler. Hal ini dapat dilakukan dengan mengekstrak sebagian dari uap yang sebagian dikembangkan dari turbin dan dilangsungkan ke heat exchanger yang memanaskan feedwater ke boiler. Proses ini dikenal dengan regenerative feedwater heating. Gb. 13-7 menunjukkan diagram T-S siklus Rankine Regenerative. Uap memasuki turbin pada kondisi 5 dan secara parsial diekspansikan ke kondisi 6. Sebagian dari uap diekstrak pada kondisi 6 dan dikirim ke sebuah feedwater heater yang beroperasi pada kondisi 3. Sisa dari uap mengembang melalui turbin uap ke kondisi 7. Panas dibuang sebagai uap keluaran (exhaust) turbin dikondensasikan dalam proses 7-1. Kondesat dipompa ke feedwater heater dan dicampur dengan uap ekstraksi turbin menjadi cairan jenuh pada kondisi 3. Feedwater dipompa ke tekanan boiler (kondisi 4), dipanaskan ke tingkat jenuh, dievaporasikan dalam boiler untuk masuk kembali ke turbin pada kondisi 5. Tambahan panas temperatur rendah kedalam siklus (2-3) dicegah dan perbaikan dalam efisiensi datang dari kenaikan temperatur rata rata dari tambahan panas.

3. Steam Turbine - 8

6. PRINSIP-PRINSIP OPERASI Operasi steam turbine-generator mencakup ekspansi uap melalui berbagai tingkat dari turbin, yang menyebabkan rotor turbin memutar rotor generator. Rotor generator mengandung magnet yang dalam berputarnya menghasilkan tenaga listrik. Beberapa Tipe Tingkatan dalam Turbin Energi panas dari uap dikonversikan menjadi tenaga mekanis dengan mengekspansikan uap melalui turbin. Ekspansi terjadi dalam dua tingkat: impuls dan reaksi. Tingkat impuls seperti kincir air. Aliran arus air memukul kayuh, mengakibatkan kincir berputar. Tingkat reaksi seperti sprinkler putar dimana semburan air mengakibatkan tangannya berputar. Sehubungan dengan perbandingan overall efficiency, tingkat reaksi mempunyai efisiensi profil/aerodynamic lebih tinggi dibanding tingkat impuls. Akan tetapi, kehilangan karena kebocoran, lebih tinggi pada tingkat reaksi.

3. Steam Turbine - 9

3. Steam Turbine - 10

Ekspansi uap Ekspansi uap melalui turbin mengakibatkan terjadinya konversi energi panas menjadi energi mekanikal dalam sudu atau bucket berputar. Proses ekspansi ini dapat dipelajari dengan memplotkannya pada sebuah diagram h-s dari Mollier. Energi yang diekstrak dapat ditentukan dengan mengurangi kondisi enthalpi inlet (hin-act) dengan kondisi enthalpi keluar (hout-act). Membagi kuantitas ini dengan jumlah energi yang seharusnya diekstrak jika prosesnya isentropis atau ideal (hin-act – hout-ideal) memberikan efisiensi turbin dan dinyatakan oleh persamaan berikut hin-act – hout-act Efisiensi = --------------------------- x 100% hin-act – hout-ideal 7. Pembangkitan tenaga listrik Tenaga mekanis putar dikonversikan menjadi tenaga listrik dalam generator dengan putaran medan magnet. Rotor generator dari tempaan baja dengan slot slot konduktor dikenal sebagai field windings. Arus listrik searah mengalir melalui windings, mengakibatkan terbentuknya medan magnet dalam rotor. Medan magnet tersebut diputar oleh turbin. Rotor dikelilingi oleh stator generator yang berada didalam konduktor yang terbuat dari tembaga. Medan magnet dari rotor melewati stator, menset elektron dalam konduktor stator bergerak. Aliran elektron dikenal sebagai arus listrik. Pada waktu kutub utara rotor melewati konduktor stator, arus listrik mengalir dalam satu arah. Pada waktu kutub selatan dari medan magnet rotor melewati konduktor yang sama, aliran arus listrik mengalir dalam arah yang berlawanan. Tipe aliran tersebut dikenal sebagai alternating current atau arus bolak balik. Komponen tenaga yang dihasilkan dalam generator dinyatakan dengan kilowatt (kW). 8. Heat Balance a.

Heat Balance Diagram, Proyek PLTU Paiton dan Suralaya

a.1 Summary Tujuan dari kriteria desain ini adalah untuk menguraikan siklus termal yang digunakan dan membuat daftar item-item yang dibutuhkan untuk mengevaluasi performa dari siklus tersebut. a.2 Siklus Termal Siklus termal untuk Paiton adalah single reheat, regenerative feedwater heating cycle

3. Steam Turbine - 11

Superheated steam, setelah melewati turbine tekanan tingi dikembalikan ke boiler untuk dipanaskan kembali. Reheat steam selanjutnya dimasukan ke IP Turbin dimana setelah itu dimasukkan ke double flow LP Turbine. Exhaust dari LP turbine dikondensasikan di kondenser. Ada tujuh feedwater heater dalam siklus yang terdiri dari tiga (3) LP closed feedwater heater, satu deaerator dan tiga (3) HP closed feedwater heaters. Motor-driven condensate pumps digunakan untuk memompa kondensat dari condenser hotwell, melalui gland steam condenser dan LP feedwater heaters ke dearator. Feed water selanjutnya dipompa oleh motor-driven boiler feed pumps ke steam generator, melalui HP feedwater heaters. Heating steam untuk combustion air preheaters dipasok daricross-over dari IP turbine. Steam untuk sootblowing dipasok dari steam generator dan cold reheat steam menurut kebutuhannnya. Make-up steam cycle ditambahkan ke kondenser dari condensate storage tank. a.3 Items Required for Heat balance Calculations Nilai-nlai berikut dibutuhkan untuk mengakses performa dari siklus termal: -

Generator output at terminal Main steam pressure Main steam temperature Reheat steam temperatures Condensate vacuum TTD for feedwater heaters (Terminal Temperature Difference) DCA (Drain Cooler Appoach) Quantity of make-up (%) Sootblowing steam requirement Blowdown requirement dll

a.4 Heat balance Diagram- Example Prelimnary heat balance terlampir menggambarkan arrangement final dari peralatan. Mereka subject untuk pemilihan final oleh fabrikan turbine-generator Tenaga listrik yang digunakan pompa feedwater harus dipertimbangkan dalam penentuan generator terminal output Heat Input ke Turbine GHR (Gross Heat Rate) = ------------------------Output Generator (lihat gambar Heat Balance terlampir)

3. Steam Turbine - 12

9. BERBAGAI JENIS TURBIN Berdasar Tekanan-Reheat Untuk turbin ukuran kecil tanpa reheat, turbin uap merupakan turbin tunggal dengan aliran uap masuk ke turbin, mengembang di turbin dan keluar melalui kondensor atau ke proses. Untuk siklus reheat tunggal, uap dari boiler mengalir ke turbin tekanan tinggi dimana ia mengembang dan dikeluarkan dari turbin dan dikembalikan ke boiler untuk di panas ulang. Uap reheat dari boiler mengalir ke turbin tekanan menengah dimana ia mengembang dan dikeluarkan ke suatu saluran cross-over yang memasok uap ke turbin tekanan rendah. Uap mengembang dalam turbin tekanan rendah dan dikeluarkan ke kondensor. Untuk siklus reheat ganda, uap dari boiler mengalir ke turbin tekanan-tinggi dimana dia mengembang dan dikeluarkan dan dikembalikan ke boiler untuk dilakukan pemanasan ulang. Uap reheat mengalir ke turbin tekanan-menengah dimana dia dikembangkan dan dikeluarkan kembali ke boiler lagi untuk pemanasan ulang. Uap reheat tingkat kedua mengalir dari boiler ke turbin reheat dimana dia dikembangkan dan dikeluarkan ke suatu saluran cross-over yang memasok uap ke turbin tekanan rendah. 10. Kondisi Exhaust Ada dua jenis turbin yang didasarkan pada kondisi exhaust turbin: condensing turbine dan non-condensing turbine. Condensing turbine mengeluarkan uapnya ke kondensor dimana uap di kondensasi pada tekanan sub-atmosfir (vacuum). Tipe kondensornya umumnya steam surface condensor dan untuk unit unit yang kecil kondensor pendingin udara. Turbin condensing mempunyai exhaust dengan luasan yang besar, karena uap dikembangkan ke tekanan yang rendah, mengekstrak sebanyak mungkin energi bergunanya sebelum dikeluarkan dari turbin. Turbin non-condensing mengeluarkan uap diatas tekanan atmosfir ke suatu saluran kembali ke boiler, ke turbin yang lain atau ke proses. Karena tekanan exhaustnya yang lebih tinggi, luasan exhaust turbin non-condensing secara signifikan lebih kecil dibanding turbin condensing. 11. Berdasar Aliran Turbin dapat juga diuraikan berdasar jumlah arah aliran uap dari turbin ke exhaust. Turbin aliran tunggal mempunyai aliran uap dalam satu arah dan keluar pada satu ujung dari turbin. Uap masuk turbin dan berekspansi dalam satu arah sebagaimana ditunjukkan dalam Gb. 3-7A. Turbin nonreheat yang kecil, turbin penggerak mekanis, turbin siklus reheat tekanan tinggi, siklus reheat tekanan menengah secara tipikal menggunakan aliran arah tunggal. Turbin aliran ganda mempunyai dua jalur aliran uap. Uap masuk ke tengah tengah turbin dan mengalir kedua arah yang berlawanan sebagaimana ditunjukkan untuk section tekanan rendah dalam Gb. 3-7(D) dan (E). Turbin tipe ini juga disebut turbin aliran berlawanan. Turbin tekanan rendah dalam silkus

3. Steam Turbine - 13

pusat pembangkit dengan kapasitas 160 MW atau lebih besar secara tipikal merupakan turbin aliran ganda. Turbin aliran triple menunjukkan penggunaan satu turbin tekanan rendah aliran ganda dalam kombinasi dengan satu turbin tekanan rendah aliran tunggal seperti ditunjukkan dalam Gb. 3-7(F). Turbin aliran empat menunjukkan penggunaan dua turbin tekanan rendah aliran ganda seperti ditunjukkan dalam Gb. 3-7(G). 12. Jenis Berdasar Ekstrasi Selama ekspansi dari uap melalui turbin, pengambilan uap dari tingkat menengah (intermediate) disebut ekstrasi. Hampir di semua pusat pembangkit, sejumlah uap diekstraksi dari proses ekspansi turbin dan dipasok ke peralatan penukar panas untuk pemanasan air pengisi ketel (feedwater). Ekstrasi semacam ini mempunyai variasi tekanan dan temperatur. Turbin yang harus memasok uap ke proses umumnya harus memasok dengan tekanan konstan. Mengingat tekanan yang tersedia bervariasi tergantung beban, sistem katup pengontrol perlu ditambahkan. Beberapa turbin tidak mempunyai titik ekstrasi dan oleh karena itu disebut sebagai non extraction turbin. Lihat Gb. 3-7A. 13. Orientasi dari Poros Susunan turbin genset disebut sebagai tandem compound atau cross compound karena orientasi dari poros. Unit tandem compound, turbin dan generator in-line, dihubungkan ke satu poros. Unit cross compound mempunyai dua alignments turbin genset. Jenis arrangement ini digunakan untuk menaikkan efisiensi turbin. Susunan cross compound umumnya terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan intermediate, pada kelajuan 3000 rpm, menggerakkan generator. Uap yang dikeluarkan dari intermediate cross over dialirkan ke low pressure turbine menggerakkan generator yang terpisah dengan kelajuan 1500 rpm. Lihat Gb. 3-8.

3. Steam Turbine - 14

Gb. 3-7 Jenis-jenis Turbin

3. Steam Turbine - 15

Gb. 3-8 Orientasi poros turbin

3. Steam Turbine - 16

14. Komponen Utama Turbin Uap

Gb. 3-10 Arrangement overall, steam turbine generator

3. Steam Turbine - 17

Gb. 3-11 General arrangement, Steam turbine generator (pandangan samping)

Gb. 3-12 General arrangement, steam turbine generator (pandangan atas)

3. Steam Turbine - 18

3.5.1 Katup (Valves) Katup katup utama yang berhubungan dengan turbin uap adalah sebagaimana ditunjukkan dalam Gb. 3-13. 3.5.1.1 Main Steam Stop (Throttle) Valves. Uap dari boiler mengalir ke main steam stop atau throtting valve. Fungsi utama dari stop valve adalah memberikan backup protection untuk turbin uap selama turbin genset trip dalam event main steam control valves tidak menutup. 3.5.1.2 Main Steam Control (Governor) Valves. Uap mengalir dari stop valves ke main steam control valve atau governor valves. Fungsi utama dari control valves adalah mengatur aliran uap ke turbin dan oleh karena itu mengontrol power output dari turbin generator. Control valves juga bertindak sebagai penutup utama dari uap ke turbin pada unit shutdown secara normal dan pada waktu trips 3.5.1.3 Reheat Stop and Intercept Valves. Dalam Gb.3-13, uap dikeluarkan dari turbin tekanan tinggi mengalir melalui saluran cold reheat ke reheater dalam boiler. Uap yang sudah direheat kemudian mengalir melalui hot reheat piping ke reheat stop and intercept valves. Fungsi reheat stop and intercept valves sama dengan main steam stop and control valves. Katup intercept digunakan untuk menthrottle aliran uap ke IP turbine untuk mengontrol laju (speed) turbin. Selama normal operasi dari unit, reheat stop and intercept valves terbuka lebar dengan pengontrolan beban hanya oleh main steam control valves. 3.5.1.4 Ventilator Valves. Selama unit trip, penutupan main steam stop and control valves dan reheat stop and intercept valves menjerat (trap) uap dalam turbin tekanan tinggi. Ini dapat merusak turbin tekanan tinggi. Untuk mencegah ini, ventilator valve ditambahkan untuk membleed trapped steam ke kondensor. Ventilator valve dihubungkan ke salah satu dari main steam leads antara main steam control valves dan turbin tekanan tinggi.

3. Steam Turbine - 19

Gb. 3-13 Tipikal diagram alir uap pusat pembangkit 3.5.2 Bagian Stationer Turbin Bagian stasioner turbin uap terutama adalah semua bagian yang berhubungan dengan casing turbin. Kombinasi high-pressure-intermediate pressure turbine dari unit berkapasitas 400 MW ditunjukkan dalam Gb. 3-14 dengan low-pressure turbine ditunjukkan pada Gb. 3-15.

3. Steam Turbine - 20

Gb. 3-14 Pandangan longitudinal, kombinasi turbine tekanan tinggi-tekanan menengah

3. Steam Turbine - 21

Gb. 3-15 Pandangan longitudinal turbin tekanan rendah

3. Steam Turbine - 22

3.5.3 Rotor Assembly Komponen utama dari rotor assembly turbin adalah poros (rotor), wheels, dan buckets (blades). Poros turbin merupakan single high-quality forging machined untuk memberikan bagian bercontour dan fungsi sebagaimana dibutuhkan.

Gb. 3-16 Sudu turbin dan alur sudu rotor

3.5.4 Bearings Turbin uap mempunyai bearings journal dan bearing thrust. Journal bearing terletak di ujung ujung tiap rotor untuk mendukung berat rotor. Satu trust bearing umumnya dipasang untuk menjamin posisi axial dari rotor.

3. Steam Turbine - 23

3.5.5 Turning Gear Turning gear memutar rotor turbin pada speed (laju) yang pelan sebelum turbin di start dan segera setelah shutdown. Hal ini dimaksudkan untuk tidak menimbulkan kondisi melengkung pada rotor yang dapat mengakibatkan ketidakmerataan distribusi temperatur pada tutup dan base dari turbin. 3.5.6 Pedestal Fondasi pendukung turbine genset dari unit yang besar disebut pedestal. Dua macam pedestal turbin yaitu jenis beton bertulang atau konstruksi baja. Yang paling lazim adalah beton bertulang. Pedestal umumnya ditumpu pada based mat terpisah dari fondasi bangunan lainnya. 15. Komponen Utama Generator Rangka Generator Rangka generator mendukung beban dari stator dan rotor dan berbuat sebagai bejana containment untuk gas pendingin (hidrogen). Baut fondasi diperlengkapkan untuk menahan torsi short circuit yang dikenakan ke rangka generator. Generator Stator Stator generator terdiri dari core stator dan windings stator. Stator windings memberikan output generator yang berupa tegangan dan arus listrik. Generator Rotor Rotor memberikan medan magnet pada generator. Rotor terdiri dari poros dan windings. Winding dihubungkan ke exciter melalui slip ring untuk menerima tenaga untuk pembangkitan dari medan magnet.

3. Steam Turbine - 24

Gb. 3-17 Tipikal penampang melintang generator 16. Unjuk Kerja dan Rating Turbin Generator Perencana pusat pembangkit harus mampu untuk memperkirakan unjuk kerja turbin genset, menset rating yang dibutuhkan, dan menganalisa pengaruh dari berbagai mode operasi plant. Sebelum membeli sebuah turbin uap berikut generatornya, perencana harus menentukan siklus uap pembangkit terlebih dahulu, melalui studi optimasi. Setelah siklus uap telah di optimasi, rating turbin 3. Steam Turbine - 25

genset dapat ditentukan dan dispesifikasi untuk mempurchase unit. Pada waktu melakukan proses pembelian, studi optimasi dilakukan lebih lanjut dengan menampung informasi dari fabrikan. Prediksi Unjuk Kerja Turbin Prediksi unjuk kerja turbin generator meliputi pertimbangan parameter berikut :     

Expansion line efficiency Kerugian exhaust Aliran kebocoran uap di katup dan packing Kerugian mekanis Kerugian generator

17. Rating Turbin Rating turbin tergantung pada siklus uap dari overall power plant. Output turbin. Output generator yang dibutuhkan harus ditentukan oleh perencana didasarkan pada net output plant plus beban auxiliary plant. Untuk mengurangi biaya, perencana plant mungkin menentukan rating turbin genset dengan mempertimbangkan design margin inherent dalam desain turbin uap. Secara historis, perencana turbin memasukkan margin 5% diatas laju aliran dan tekanan uap yang dibutuhkan untuk memberikan toleransi fabrikan dan variasi dalam efisiensi aliran. Dibawah kondisi valve wide open output generator diharapkan kira kira 104 % lebih tinggi dari laju keluarannya. Margin tekanan dimasukkan dengan mendesain turbin untuk beroperasi secara aman dan berkesinambungan pada tekanan 105% dari laju tekanan dengan katup kontrol terbuka lebar. Dibawah kondisi VWO dan OP, keluaran turbin genset kira kira 109% dari laju keluarannya dan aliran uap utamanya 110% sampai 11% lajunya. Merancang kondisi VWO+OP direkomendasikan meskipun tidak dimasukkan dalam definisi dari laju turbin, mengingat keluaran yang signifikan dapat diperoleh dengan harga lebih kecil. 18. Kondisi rated uap. Selama desain konsep dari plant, perencana menentukan tekanan dan temperatur siklus uap. Mereka adalah kondisi pada inlet ke main steam dan reheat stop valves. Tekanan dan temperatur tersebut adalah : 2415 psia/1000o F dan 1815 psia/1000o F 19. Tekanan low pressure exhaust. Tekanan low pressure exhaust adalah tekanan kondensor pada kondisi dimana perencana menginginkannya. 20. Aliran ekstrasi. Dalam pembuatan siklus uap, jumlah pemanas air pengisi ketel dan sumber dari uap ekstrasi perlu ditentukan. Aliran ekstrasi ke pemanas ditentukan fabrikan turbin didasarkan pada desain turbin. Sumber uap ekstrasi untuk pompa air pengisi ketel (BFP) yang digerakkan

3. Steam Turbine - 26

turbin umumnya diambil dari exhaust turbin tekanan menengah untuk pembangkit ukuran menengah dan besar. 21. Aliran make-up. Aliran make-up ke siklus uap umumnya dimasukkan ke kondenser. Air makeup mengganti kehilangan uap dalam siklus dan kehilangan dalam boiler yang berhubungan dengan blowdown boiler dan uap untuk sootblowing. Jumlah air makeup adalah antara 1% - 3% dari aliran throttle. 22. Rating Generator Penentuan rating generator meliputi penentuan ukuran (power rating), power factor, rasio short circuit, dan rasio response. Power rating (kVA). Laju power generator diberikan sebagai jumlah total power yang merupakan jumlah vektor power aktif (kW) dan power reaktif (kilovars). Laju nameplate generator dispesify sebagai kVA terminal net dengan tekanan hydrogen maksimum dan laju power factor. Rating generator (kVA) ditentukan dengan membagi output tenaga riil maksimum generator dibagi power factor. 22.3 Power Factor. Power factor adalah desain parameter penting dan didefinisikan sebagai rasio dari power aktif (kW) dibagi power total (kVA). Untuk suatu power aktif yang diberikan, makin rendah laju power factor, makin tinggi arus jangkar dan arus medannya (power reaktif), yang menyebabkan kerugian resistiv (I2R) lebih besar. Umumnya, power factor yang digunakan dalam spesifikasi generator didasarkan pada kebutuhan sistem transmisi untuk memberikan stabilitas jika terjadi gangguan sistem. Power factor 0,9 merupakan harga yang tepat untuk hampir semua keadaan dan kurang lebih merupakan standar industri. 22.4 Rasio Short Circuit. Rasio short-circuit generator adalah ukuran karakteristik kestabilan generator. Ia didefinisikan sebagai rasio dari arus medan yang dibutuhkan untuk menghasilkan laju tegangan jangkar tanpa-beban pada laju frekuensi dibagi arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan laju arus jangkar pada laju frekuensi dengan terminal generator di short circuitkan. Rasio short circuit yang direkomendasikan mempunyai rentang 0,58, kecuali studi stabilitas menunjukkan lain 22.5 Rasio Response Exciter. Rasio response dari exciter adalah variabel primer yang ada dalam spesifikasi sistem excitasi dan menunjukkan kelajuan rata rata dari sistem excitasi merespons kondisi transient. Secara lebih tepat, rasio respons didefinisikan sebagai laju rata rata kenaikan tegangan exciter untuk setengah detik setelah di inisiasi oleh perubahan, dibagi laju tegangan generator. Harga standar untuk

3. Steam Turbine - 27

respons exciter 0,5 untuk exciter tipe brushless dan 1,0 – 6,0 untuk tipe statik, karena mereka tidak mempunyai inersia mekanikal. 23 Sistem dan Peralatan Bantu Turbin 23.1 Sistem Sealing (Perapat) Pada ujung dari masing masing casing turbin terdapat seal poros (shaft seal) yang mencegah kebocoran uap ke atmosfir dan infiltrasi udara kedalam casing turbin. Shaft seal tersebut terdiri dari ring ring packing tipe labyrinth dengan glands. Ada dua tipe packing yaitu packing tekanan dan packing vacuum.

Gb. 3-20 Diagram Sistem Perapat Uap

3. Steam Turbine - 28

23.2 Sistem Drains Memasukan air kedalam turbin uap akan mengakibatkan kerusakan yang signifikan. Sumber utama adanya air adalah kondensasi dalam saluran uap, katup, dan casing selama tahap start-up, semburan air untuk desuperheating, dan air dari pemanas air pengisi ketel pada waktu unit trip. Standar ANSI/ASME No. TDP-1 memberikan petunjuk tentang bagaimana mencegah masuknya air kedalam turbin. 23.3 Sistem Minyak Pelumas Jika sistem minyak pelumas turbin memasok minyak kontrol sebagai tambahan terhadap minyak pelumas, maka sistem kontrol diidentifikasikan sebagai sistem kontrol hidrolik-mekanik. Jika sistem kontrol hidrolik dibuat terpisah dari sistem minyak pelumas bearing (bantalan), sistem kontrolnya disebut sebagai sistem kontrol electrohydraulic. Pada umumnya, untuk turbin ukuran besar dan menengah, menggunakan sistem kontrol electrohydraulic. 23.3.1 Sistem Pelumasan. Pada waktu unit on-line dan dalam keadaaan operasi normal, pompa booster memasok minyak ke pompa utama, shaft-driven, dan memasok minyak ke bearings. Selama startup turbin, pompa isap utama memasok pompa minyak utama sampai speed turbin mencapai 90% rated speed. Pompa minyak turning gear digunakan pada waktu unit b pada putaran turning gear. 23.3.2 Sistem Pemurnian Minyak. Pemurni minyak yang dipakai di stasiun pembangkit adalah dari jenis saringan mekanis, centrifuge, vacuum dehydrator, dan coalester type. Jenis yang paling umum dipakai adalah saringan mekanis dan centrifuges. Sebagai tambahan terhadap sistem pemurnian minyak, sistem filtrasi bearing in-line umumnya dipasang di setiap unit turbin dan lokasinya terletak di upstream dari saluran minyak ke bearings. 24 Pembilasan dan Pendinginan Generator. Panas dihasilkan dalam sebuah generator sebagai akibat dari resistive losses yang disebabkan oleh aliran arus listrik dalam stator dan field windings (medan kumparan), stator core megnetic losses, windage losses. Heating action ini, merupakan faktor pembatas utama dari rating generator. Dengan memberikan pendingin paksa pada komponen berputar dan stasioner, rating generator dapat dinaikkan dan ukuran fisik dari komponen dapat dibuat lebih kecil.

3. Steam Turbine - 29

Gb. 3-21 Diagram Sistem Minyak Pelumas Turbin 25 Kontrol dan Instrumentasi Turbin genset dikontrol dan dipantau oleh beberapa sistem yang saling berhubungan:  Sistem governor turbin  secara otomatis mengontrol kelajuan (speed), percepatan dan beban turbin  Sistem trip  memberikan perlindungan melalui trips dan runbacks  Sistem instrumentasi untuk pengawasan  memberikan data yang lalu dan saat itu melalui sensing, indicating dan recording parameter dan  Sistem excitasi  mengontrol tegangan generator 26 ISTEM PENDINGIN Menurut hukum kedua thermodinamika, makin rendah temperatur diexhaust turbin, makin tinggi efisiensi dari turbin. 26.1

Prinsip Operasi

26.1.1 Once Through Cooling. Dalam sistem air sirkulasi once through, air diambil dari badan air seperti sungai, danau, laut, dipompakan ke

3. Steam Turbine - 30

kondensor, dan didischarge kembali ke sumbernya. Skema dari sitem ini terlihat pada Gb. 3-22.

Gb. 3-22 Sistem air sirkulasi, once through 27

Recirculating Cooling System. Dalam sistem pendinginan resirkulasi, air sirkulasi berfungsi sebagai media perpindahan panas intermediate di mana panas buangan di buang langsung ke atmosfir. Dalam Gb. 3-23, panas buangan dibebaskan dari exhaust turbin uap dibawa air sirkulasi ke cooling tower (menara pendingin), yang membuang panas ke atmosfir.

Gb. 3-23 Sistem air pendingin, circulating 28 Komponen dan Susunan Sistem Pendingin 28.1

Kondenser. Fungsi kondensor adalah:  mengkondense uap exhaust dari siklus tenaga utama turbin uap dan turbin penggerak pompa pengisi ketel

3. Steam Turbine - 31

Merecover uap yang sudah dikondensasi sebagai kondensat Memberikan penampungan sementara kondensat Memberikan titik penampungan tekanan rendah untuk curahan kondensat sistem lain dari pusat pembangkit  Memberikan tempat terjadinya proses deaerasi dari kondensat yang terkumpul.   

Kondensor diklasifikasikan :  Tekanan tunggal atau tekanan multi  Pass tunggal atau pass ganda Kebanyakan susunan kondensor pusat pembangkit mempunyai tubes yang tegaklurus terhadap sumbu longitudinal turbin 29 Cooling Tower. Menara pendingin membebaskan panas buangan dari siklus uap ke atmosfir. Penggunaan menara pendingin menjadi bertambah besar sebagai akibat ketersediaan air dalam volume besar yang dibutuhkan untuk system once through kurang dan sehubungan dengan telah berkembangnya pembatasan ketentuan mengenai lingkungan pada buangan termal dengan sistem once through. Beberapa tipe cooling tower ditunjukkan pada Gb. 3-24, 3-25, 3-26.

Gb. 3-24 Cooling Towers, Induced dan Forced Draft Counterfolw

3. Steam Turbine - 32

Gb. 3-25 Cooling Tower, Induced Draft Counterflow, fan assisted natural draft

Gb. 3-26 Cooling Tower, draft mechanical. Tegak lurus crossflow

3. Steam Turbine - 33

30 Pompa Circulating water. Pompa air sirkulasi memasok air pada laju aliran dan head yang dibutuhkan ke kondensor pusat pembangkit dan peralatan penukar panas pembangkit. Pompa air sirkulasi harus beroperasi secara ekonomis dan handal sepanjang umur pusat pembangkit. Ada tiga macam tipe pompa yang paling umum digunakan untuk pelayanan air sirkulasi : pompa vertical wet pit, horizontal wet pit dan vertical dry pit seperti ditunjukkan dalam Gb. 3-27

Gb. 3-27 Tipikal pompa air sirkulasi 31 Sistem Perpipaan Air Sirkulasi. Perpipaan air sirkulasi membawa air pendingin dari pompa air sirkulasi ke kondensor dan mengembalikan air ke menara pendingin (atau ke struktur discharge, dalam hal once through). Material yang umum dipakai untuk pipa air sirkulasi, adalah baja, pipa beton yang ditanam, pipa fibreglass reinforced plastic. 32 Struktur Intake dan Outfall. Struktur intake air sirkulasi memberikan hal hal berikut :  Rumah untuk pompa air sirkulasi  Kondisi aliran hidraulik yang tepat untuk isapan pompa  Kondisi pengambilan air yang dapat diterima oleh ketentuan lingkungan

3. Steam Turbine - 34

Struktur outfall merupakan bagian dari sistem air sirkulasi once through sebagai metoda untuk mengembalikan aliran buangan air sirkulasi ke water way. Typical intake structure untuk vertical wet pit pumps ditunjukkan dalam Gb. 3-28 dan 3-29 Gb. 3-28, 3-29 dan 3-20 menunjukkan sistem screening untuk intake structure.

Gb. 3-28 Pandangan atas Intake Structure, Vertikal Wet Pit Pump

Gb. 3-29 Pandangan samping, Intake Structure Vertical Wet Pit Pump

3. Steam Turbine - 35

Gb. 3-30 Skema Dual-flow Traveling Screean

33 Kimiawi Sistem Pendingin Tujuan dari sistem klorinasi adalah melindungi pipa intake dan permukaan kondensor dari biological growth, slimes (kotoran) dan renik laut yang lain. Pada dasarnya ada dua metoda yang dapat digunakan:  Proses injeksi gas khlorine.  Proses electrolysis air laut langsung. 34. PERALATAN PENUKAR PANAS 34.1 Pendahuluan Dua klasifikasi alat penukar panas:  Kondensor  Feedwater Heaters  Deaerator 34.2 Kondenser Fungsi kondenser : (i) mengkondensasi uap yang meninggalkan turbin, (ii) mengumpulkan kondensat, dan (iii) membuat tekanan exhaust turbin lebih rendah. 34.3 Susunan kondenser.  Kondensor adalah tube and shell heat exchanger uap ke air dengan air mengalir melalui tubes dan uap dalam shell.

3. Steam Turbine - 36

 Gb. 3-31 menunjukkan tipikal kondensor dengan box air, tubes, pelat penumpu tubes, shell, dan hotwell dimana kondensat dikumpulkan.  Hampir semua kondenser dimounted dibawah exhaust turbin.

Gb. 3-31 Tipikal Kondenser

3. Steam Turbine - 37

Gb. 3-32 Terminologi Ukuran Kondenser 35 Material konstruksi. Kondensor umumnya difabrikasi dari shell dan tube support dari baja yang dilas. Tube sheet, tubes, dan water boxes dikonstruksi dari material yang kompatible dengan air sirkulasi. Tube material untuk air payau dan air laut umumnya digunakan 90-10 CuNi sampai stainless steel sampai titanium. 36 Perlindungan terhadap korosi. Untuk melindungi waterboxes dan tube sheets dari korosi, digunakan gabungan antara cathodic protection dan protective coating. Catodic protection digunakan dengan memasang sacrificial

3. Steam Turbine - 38

anodes pada water boxes. Sedangkan coating yang biasa dipakai antara coal tar enamel sampai ke epoxy. 37 Ekstrasi Udara. Karena kondensor beroperasi pada tekanan dibawah tekanan atmosfir, udara dapat masuk kedalam sistem. Udara secara kontinyu harus dikeluarkan untuk memaintain kondisi vakum. Peralatan untuk mengeluarkan udara biasanya steam jet air ejector. 37.1 On-line Cleaning. Penurunan unjuk kerja kondensor mungkin diakibatkan adanya scaling dari bagian dalam permukaan tube, akumulasi dari sedimen dalam tubes, atau akumulasi dari daun atau lain lain kotoran pada tube sheet, menutup inlet dari tube. Berbagai metoda tersedia untuk on-line cleaning: backflushed dan sponge balls. 37.2

Feedwater Heaters

37.2.1 Siklus Regeneratif. Dalam siklus regeneratif, uap diekstrak dari turbin uap pada berbagai tingkat dan digunakan untuk memanasi air pengisi ketel. Hal ini mengakibatkan efisiensi siklus lebih tinggi dengan menaikkan temperatur air pengisi ketel dan dengan mengurangi jumlah kehilangan energi dalam kondensor. Jumlah heater air pengisi ketel yang digunakan dalam setiap siklus khusus tergantung utamanya pada ukuran dari turbin, kondisi inlet dan oulet uap, siklus pembangkit dan pertimbangan ekonomis. Jumlah tipikal dari feedwater heater ditunjukkan dalam Tabel 3-1. Tabel 3-1 jumlah tipikal dari Feedwater Heater Ukuran Unit (MW) 0-50 50-100 100-200 Diatas 200

Jumlah Heater 3-5 5 atau 6 5-7 6-8

38 Konstruksi Pemanas. Heater air pengisi ketel diklasifikasikan sebagai alat penukar panas “terbuka” atau “tertutup”. Alat penukar panas terbuka mencampur secara langsung uap ekstraksi dengan air pengisi ketel yang dipanaskan. Uap ekstraksi dikondensasi dan menjadi bagian dari air pengisi ketel meninggalkan heater.

3. Steam Turbine - 39

Alat penukar panas tertutup memaintain pemisahan dari uap ekstraksi dan air pengisi ketel yang dipanaskan. Uap ekstraksi dikondensasi dalam ruang heater dan meninggalkan heater terpisah dari air pengisi ketel. Contoh dari heater terbuka adalah “dearator”. Heater terbuka dikonstruksi dari tiga bagian : bagian pemanas, vent kondensor, dan bagian penyimpanan. Gb. 3-33, dan 3-34 menggambarkan berbagai macam tipe dearator. Heater tertutup umumnya dikenal sebagai heater air pengisi ketel. Secara fisik lebih kecil dibanding heater terbuka dan lebih mudah dikontrol. Satu pompa dapat digunakan untuk menggerakkan air pengisi ketel melalui deretan heater, oleh karena itu menghemat biaya dan komplikasi dari deretan pompa. Heater tertutup merupakan desain tube and shell, dengan kondensat dan air pengisi ketel dalam sisi tube dan uap ekstraksi dan uap kondesat yang dihasilkan dalam sisi shell. Gb. 3-35 sampai dengan Gb. 3-37 menggambarkan beberapa tipe konstruksi heater tertutup.

Gb. 3-33 Tipikal deaerator tipe tray

3. Steam Turbine - 40

Gb. 3-34 Tipikal Dearator tipe spray

3. Steam Turbine - 41

Gb. 3-35 Tipikal Feedwater Heater straight –condensing “U” tube

Gb. 3-36 Tipikal Feedwater heater dua-zona

3. Steam Turbine - 42

Gb. 3-37 Berbagai posisi pemasangan Feedwater Heater 39 Susunan fisik pemanas di Pusat pembangkit. Untuk membantu melindungi terjadinya kavitasi dan flashing pada pompa air pengisi ketel, dearator umumnya ditaruh pada titik yang tinggi di pusat pembangkit. Mungkin di auxiliary bay atau dimana saja dimana ada ruang dan kerangka baja penumpu. Pipa isap pompa harus sependek mungkin dan lokasi dearator kira diatas pompa. Closed feedwater heaters dapat diletakkan dalam ruang turbin, auxialry bay, atau boiler bay untuk meminimalkan biaya pemipaan. Pertimbangan lain adalah pressure drop dalam sistem pemipaan dan ruang maintenance, termasuk ruang untuk mengambil shell atau tube bundle. Perbedaan tekanan yang tersedia untuk mengcascade drains dari heater ke heater harus dipertimbangkan dalam menentukan letak heaters relatif ke next lower heater. Ini khususnya penting untuk LP heaters. Selama operasi part load, perbedaan tekanan antara heater dan kondensor sangat rendah, yang membuat sulit untuk mengcascade drains ke kondensor tanpa bantuan tekanan static. 39.1 Kavitasi pada Pompa Air Pengisi Ketel. Banyak tulisan tentang pompa air pengisi ketel dan problem kavitasi yang dialami dengan memflash inlet feedwater pada saat terjadi pengurangan beban unit yang bersifat mendadak.

3. Steam Turbine - 43

Beberapa langkah dapat diambil untuk meng-alleviate masalah ini, termasuk menaikkan lokasi dearator dan menaikkan kapasitas storage dalam bagian storage dearator.

Gb. 3-38 Boiler Feed Pump, multistage centrifugal type

Gb. 3-39 Sistem pompa boiler feed. Satu full capacity dan start-up/standby boiler feed pump.

3. Steam Turbine - 44

3.10

ISTEM KONTROL

3.10.1 Kontrol aliran Uap Aliran uap ke turbin dikontrol oleh Katup Pengontrol Uap Utama. Ada empat (4) macam metoda untuk mengontrol output generator turbin uap : a.

Kontrol sistem throttling Kontrol sistem throttling adalah sistem kontrol dengan cara melaksanakan operasi semua katup kontrol uap utama secara bersamaan pada saat yang sama. Tekanan uap utama umumnya ditahan tetap pada kondisi lajunya dan katup kontrol semua dibuka pada tingkat pembukaan yang sama. Output turbin naik jika katup dibuka dan beban penuh terjadi pada waktu katup terbuka lebar.

b.

Kontrol sistem governing Kontrol system governing merupakan sistem kontrol dengan mengoperasikan katup kontrol uap utama secara sequential. Kontrol sistem governing merubah output turbin uap dengan menambah atau mengurangi arc of admision dari aliran uap ke turbin tingkat pertama. Untuk mengurangi stress, umumnya pembukaan sebesar 25% dari katup kontrol dilakukan secara simultan pada waktu pertama kali menjalankan unit

c.

Kontrol sistem variable pressure Kontrol sistem tekanan variabel adalah sistem kontrol aliran uap dengan mengatur tekanan boiler dengan posisi katup kontrol uap utama pada suatu posisi tetap. Dalam sistem kontrol ini, katup kontrol uap utama umumnya adalah terbuka lebar. Aliran uap ke turbin dikontrol oleh tekanan uap utama dari boiler.

d.

Kontrol sistem Hybrid dari tekanan variable dan sistem governing Mode kontrol hybrid variable pressure-governing menggunakan temperatur tinggi, tidak ada throttling advantages dari operasi variable pressure dan respons termodinamis/beban dari kontrol governor. Sebagai tambahan, operasi hybrid memberikan perbaikan efisiensi pada beban sebagian. Pada beban rendah, beberapa main-steam control valve terbuka lebar dan aliran uap dikontrol oleh operasi variable dari boiler. Penambahan tekanan main steam menambah beban turbin sampai tekanan uap mencapai kondisi lajunya. Beban akan ditambah lebih lanjut dengan menahan laju tekanan dari uap utama dan secara berurutan membuka main-steam control valves yang lain sebagai governor control.

3. Steam Turbine - 45