3. heat recovery steam generator (hrsg)

19
PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator 3. HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR (HRSG) HRSG berfungsi untuk memanaskan air dengan menggunakan panas gas buang dari turbin gas sehingga dihasilkan uap dengan tekanan dan temperatur tertentu yang konstan. HRSG merupakan penghubung antara PLTG (siklus Brayton) dengan PLTU (siklus Rankine). Ditinjau dari sumber panasnya, HRSG dibagi menjadi dua, yaitu unfired dan fired (auxiliary burner atau supplementary burner). HRSG unfired adalah HRSG yang seluruh sumber panasnya diperoleh dari gas buang (exhaust gas) turbin gas. Sedangkan HRSG supplementary burner adalah HRSG yang dilengkapi dengan peralatan pembakaran bahan bakar (burner) sehingga sumber panas nya dapat diperoleh dari gas buang turbin gas dan atau dari pembakaran bahan bakar. Tetapi pada umumnya HRSG yang terpasang tidak dilengkapi dengan burner karena penerapan HRSG pada PLTGU tujuan utamanya adalah memanfaatkan panas gas buang dari PLTG yang masih tinggi temperaturnya untuk menghasilkan uap yang akan memutar turbin uap. Dengan cara ini diperoleh peningkatan efisiensi termal yang besar. HRSG juga disebut Waste Heat Recovery Boiler (WHRB). On Becoming The Centre of Excellences 37

Upload: pande-wahyudi

Post on 30-Nov-2015

311 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

3. HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR (HRSG)

HRSG berfungsi untuk memanaskan air dengan menggunakan panas gas buang dari

turbin gas sehingga dihasilkan uap dengan tekanan dan temperatur tertentu yang konstan.

HRSG merupakan penghubung antara PLTG (siklus Brayton) dengan PLTU (siklus Rankine).

Ditinjau dari sumber panasnya, HRSG dibagi menjadi dua, yaitu unfired dan fired

(auxiliary burner atau supplementary burner). HRSG unfired adalah HRSG yang seluruh

sumber panasnya diperoleh dari gas buang (exhaust gas) turbin gas. Sedangkan HRSG

supplementary burner adalah HRSG yang dilengkapi dengan peralatan pembakaran bahan

bakar (burner) sehingga sumber panas nya dapat diperoleh dari gas buang turbin gas dan atau

dari pembakaran bahan bakar. Tetapi pada umumnya HRSG yang terpasang tidak dilengkapi

dengan burner karena penerapan HRSG pada PLTGU tujuan utamanya adalah memanfaatkan

panas gas buang dari PLTG yang masih tinggi temperaturnya untuk menghasilkan uap yang

akan memutar turbin uap. Dengan cara ini diperoleh peningkatan efisiensi termal yang besar.

HRSG juga disebut Waste Heat Recovery Boiler (WHRB).

Gambar 3.1. Diagram HRSG dengan aliran gas mendatar.

On Becoming The Centre of Excellences 37

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

3.1. Prinsip Kerja HRSG

Gas buang dari turbin gas yang temperaturnya masih tinggi (sekitar 550 0C) dialirkan

masuk ke HRSG untuk memanaskan air didalam pipa-pipa pemanas, kemudian gas buang ini

dibuang ke atmosfir melalui cerobong dengan temperatur yang sudah rendah (sekitar 130 0C).

Air didalam pipa-pipa yang berasal dari drum sebagian berubah menjadi uap karena

pemanasan tersebut. Campuran air dan uap ini selanjutnya masuk kembali ke dalam drum. Di

dalam drum, uap dipisahkan dari air menggunakan separator.

Uap yang terkumpul kemudian diarahkan untuk memutar turbin uap, sedangkan air nya

dikembalikan kedalam drum untuk disirkulasikan lagi kedalam pipa-pipa pemanas bersama

dengan air pengisi yang baru. Demikian proses ini terjadi berulang-ulang selama HRSG

beroperasi. Agar dapat memproduksi uap yang banyak dalam waktu yang relatif cepat, maka

perpindahan panasnya dilakukan dengan aliran berlawanan atau cross flow, dan sirkulasi airnya

harus cepat.

Pada prinsip nya HRSG dan boiler adalah sama, yaitu suatu peralatan pemindah

panas yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap dengan bantuan panas. Perbedaan

utama terletak pada sumber panas yang digunakan dan susunan pipa pemanasnya.

Sumber panas untuk membangkitkan uap pada HRSG berasal dari energi panas yang

terkandung didalam gas buang PLTG. Sedangkan pada boiler (ketel), sumber panas untuk

membangkitkan uap berasal dari pembakaran bahan bakar didalam ruang bakar (furnace)

boiler. Pada boiler pipa-pipa pemanas disusun menjadi dinding ruang bakar, sedangkan pada

HRSG pipa-pipa pemanas disusun tegak lurus terhadap aliran gas buang.

Dengan kondisi demikian, maka HRSG :

Tidak memiliki ruang bakar

Tidak dilengkapi sistem bahan bakar

Tidak ada sistem udara bakar

Tidak memiliki penghembus jelaga (soot blower).

On Becoming The Centre of Excellences 38

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Gambar 3.2, Heat Recovery Steam Generator

3.2. Sifat Air dan Uap

Air apabila dipanaskan temperaturnya akan naik. Apabila pemanasan terhadap air

dilakukan terus, maka pada temperatur tertentu akan terjadi pendidihan. Makin tinggi panas

yang diberikan makin cepat proses pendidihan terjadi dan pada temperatur tertentu seluruh air

berubah menjadi uap.

Uap tersebut berbentuk gelembung dan gelembung ini berisi uap jenuh. Supaya

gelembung uap dapat terbentuk, tekanan uap pada temperatur itu harus sama dengan tekanan

pada permukaan air. Jadi air dikatakan mendidih apabila tekanan dari uap yang terbentuk sama

dengan tekanan sekitarnya. Pada tekanan atmosfir normal (1,013 bar), air akan mendidih pada

temperatur 100 0C.

Pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfir, air mendidih pada temperatur

lebih rendah dari 100 0C. Temperatur pendidihan tergantung pada tekanan yang bekerja pada

air tersebut. Makin tinggi tekanan pada air tersebut makin tinggi temperatur pendidihan, dan

sebaliknya. Sebagai contoh dibawah ini hubungan antara tekanan dan temperatur pendidihan

(boiling temperature).

On Becoming The Centre of Excellences 39

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Tabel 3.1. Temperatur didih pada nilai Tekanan tertentu

Pendidihan dibedakan menjadi dua macam, yaitu :

Nucleate Boiling

Yaitu proses pendidihan normal dalam boiler (HRSG). Temperatur Air dinaikkan

mencapai titik didih. Gelembung-gelembung uap secara individu terbentuk saat air

berhubungan dengan permukaan logam pipa yang panas. Ketika gelembung ini

terbentuk, dan meninggalkan permukaan logam pipa, air dingin berikutnya akan

membasahi pipa (karena adanya sirkulasi), dengan demikian temperatur pipa selalu

berada dalam batas yang diizinkan.

Film Boiling

Adalah kondisi pendidihan yang tidak normal, disebabkan oleh aliran air (sirkulasi air)

tidak cukup (lambat). Gelembung uap terbentuk ketika air menyentuh permukaan logam

pipa. Gelembung uap berkumpul dan membentuk film uap dan menyelimutinya. Karena

permukaan dalam tube tidak didinginkan oleh air, maka temperatur logam tube akan naik.

Tube dapat menjadi rusak (overheating, pecah). Istilah yang digunakan untuk kejadian ini

adalah DNB (Departure from Nucleate Boiling)

Kalor atau panas dapat dibedakan menjadi :

Kalor Sensibel

On Becoming The Centre of Excellences 40

Tekanan (bar) 0,1574 0,3116 0,5780 1,0132 2,000 3,500

Temperatur (oC) 55 70 85 100 120,2 138,9

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Sebagaimana disebutkan diatas pemberian panas pada air (zat cair) akan menyebabkan

temperatur zat tersebut naik. Panas yang diterima air sehingga temperaturnya naik sampai

titik didihnya disebut panas sensibel atau enthalpi didih dan diberi simbol hf dalam tabel

uap. Apabila tekanannya naik, maka temperatur didih juga naik dan panas sensibelnya juga

bertambah.

Kalor Laten

Pemberian panas pada air yang telah mendidih tidak akan menaikkan temperatur air

tersebut, tetapi akan mengakibatkan air berubah menjadi uap jenuh. Atau dikatakan air

berubah fase (wujud) menjadi uap jenuh. Panas yang diberikan untuk merubah air menjadi

uap disebut panas penguapan atau panas latent atau enthalpi penguapan dan diberi

simbol hfg didalam notasi tabel uap.

Kalor Total

Jumlah panas yang diberikan untuk merubah air menjadi uap jenuh, yaitu panas sensibel

dan panas laten disebut panas total atau enthalpi total uap jenuh dan diberi simbol hg.

Jadi hg = hf + hfg

On Becoming The Centre of Excellences 41

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Gambar 3.3. Diagram pemanasan air

3.3. Kualitas Uap

Didalam membahas kualitas uap kita mengenal istilah uap jenuh, uap basah dan uap

kering. Uap jenuh artinya uap yang sudah tidak mengandung air lagi, jadi seluruh materinya

berwujud uap. Uap basah adalah uap yang masih mengandung butir-butir air atau campuran

antara uap dan air. Sedangkan uap kering sama dengan uap jenuh atau uap yang kadar airnya

sudah 0 % (tidak mengandung air).

Tingkat kebasahan uap dapat dinyatakan dengan banyaknya kandungan air didalam

campuran air uap. Sedangakan apabila ditinjau dari sisi uapnya, dikenal istilah tingkat

kekeringan (dryness fraction), yaitu banyaknya kandungan uap dalam campuran air uap.

Uap jenuh apabila dipanaskan lebih lanjut, maka temperaturnya akan naik dan disebut

uap superheat (uap panas lanjut). Uap superheat tentunya mempunyai kandungan kalor yang

lebih tinggi dibanding uap jenuh.

On Becoming The Centre of Excellences 42

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Contoh : Dari tabel di bawah ditunjukkan bahwa dengan tekanan 500 kPa, temperatur

jenuhnya 151,8 o C dan mempunyai enthalpy 2748,1 kJ/kg. Jika superheater menaikkan

temperaturnya sampai 500 oC, maka uap akan berubah menjadi uap panas lanjut sehingga

enthalpy uap naik menjadi : 3484,5 kJ/kg

Tabel 3.2. Pembacaan tabel Saturated water dan Superheated steam

Enthalpi adalah energi panas yang dikandung dalam suatu zat. Enthalpi juga disebut

panas dalam (heat content). Di dalam menghitung panas dalam uap selain entalpi, juga

digunakan entropi. Entropi berhubungan dengan proses ekspansi adiabatis dalam mesin.

Perubahan entropi bernilai positif ketika panas diserap oleh gas, dan bernilai negatif

(berkurang) ketika panas dibuang.

On Becoming The Centre of Excellences 43

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

3.4. Konstruksi dan Tata Letak HRSG

Sistem tata letak HRSG mempunyai banyak variasi baik jenis maupun jumlahnya. Ditinjau

dari sistem sirkulasi airnya HRSG dibedakan menjadi :

HRSG sirkulasi alam

HRSG sirkulasi paksa.

Bila ditinjau dari tekanan kerjanya, HRSG dapat dibedakan menjadi :

HRSG dengan satu tekanan (single pressure)

HRSG dengan dua tekanan (dual pressure)

HRSG dengan tekanan bertingkat (multi pressure)

Sedangkan bila ditinjau dari sumber panasnya, HRSG dapat dikelompokkan menjadi :

HRSG tanpa bantuan pembakaran (nonfire)

HRSG dengan bantuan pembakaran (auxiliary/supplementary burner)

3.4.1. HRSG sirkulasi Alam (Natural Circulation)

HRSG dengan sirkulasi alam memiliki pipa-pipa pemanas yang disusun secara vertikal

berjajar sepanjang HRSG. Arah aliran gas buang dari turbin gas mendatar memotong pipa-pipa

pemanas secara tegak lurus. Selanjutnya gas buang keluar melalui cerobong yang dipasang

pada ujung HRSG.

Susunan pipa-pipa didalam HRSG sirkulasi alami dibuat vertikal dengan ketinggian yang

relatif rendah. Inlet duct HRSG disambungkan dengan exhaust turbin gas dengan

menggunakan expansion joint. Ketika mendapat pemanasan, sirkulasi air alami terjadi dari drum ke

evaporator dan kembali ke drum.

On Becoming The Centre of Excellences 44

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Gambar 3.4, Prinsip Sirkulasi Alami (Natural Circulation)

Gambar 3.5, HRSG sirkulasi alami (aliran gas mendatar).

3.4.2. HRSG sirkulasi Paksa (Forced Circulation)

Konstruksi pipa-pipa pemanas pada HRSG dengan sirkulasi paksa dipasang dengan

posisi mendatar disusun dari bawah keatas. Gas panas dari turbin gas masuk dari sisi bawah

keatas memotong pipa-pipa pemanas dan selanjutnya keluar melalui cerobong yang berada

diatas HRSG.

Air pengisi masuk ke dalam drum melewati ekonomiser. Selanjutnya air di sirkulasikan

dari drum ke pipa-pipa penguap (evaporator) dan kembali ke drum dengan menggunakan

pompa sirkulasi. Proses perpindahan panas dari gas panas ke air terjadi didalam pipa-pipa

penguap sehingga sebagian air berubah menjadi uap.

On Becoming The Centre of Excellences 45

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Uap yang terbentuk bersama-sama dengan air masuk kembali ke dalam drum. Didalam

drum uap dipisahkan dari air, dan uap selanjutnya mengalir ke superheater atau langsung ke

turbin, sedangkan air bercampur kembali dengan air yang ada didalam drum.

Gambar 3.6, Prinsip Sirkulasi Paksa (Forced Circulation)

Umumnya pompa sirkulasi mempunyai laju sirkulasi sekitar 1,7. Artinya jumlah air yang

disirkulasikan 1,7 kali kapasitas penguapan.

Beberapa keuntungan dari sistem sirkulasi paksa

Waktu start (pemanasan) lebih cepat

Mempunyai respon yang lebih baik dalam mempertahankan aliran air ke pipa-pipa

pemanas pada saat start maupun beban penuh.

Mencegah kemungkinan terjadinya stagnasi pada sisi penguapan

On Becoming The Centre of Excellences 46

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Gambar 3.7. HRSG dengan aliran gas vertikal.

3.4.3. HRSG dengan tekanan tunggal (Single Pressure)

Pada HRSG ini uap yang dihasilkan hanya memiliki satu tekanan. Susunan PLTGU

dengan satu tekanan biasanya turbin gas, generator, dan turbin uapnya dibuat menjadi satu

poros.

On Becoming The Centre of Excellences 47

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Gambar 3.8, HRSG dengan tekanan tunggal (single pressure)

3.4.4. HRSG Dengan Dua Tekanan (Dual Pressure)

HRSG ini menghasilkan dua tingkat tekanan, yaitu tekanan tinggi dan tekanan rendah.

Uap tekanan tinggi digunakan untuk memutar turbin tekanan tinggi (High Pressure turbine),

sedangkan uap tekanan rendah bersama-sama dengan uap bekas dari turbin tekanan tinggi

digunakan untuk menggerakkan turbin tekanan rendah (Low Pressure turbine).

Tujuan membuat dua tingkat tekanan adalah untuk meningkatkan efisiensi termal siklus

kombinasi. Dengan dua tingkat tekanan, maka gas buang sebelum dibuang ke atmosfir dapat

digunakan untuk menghasilkan uap dengan tekanan dan temperatur yang rendah sehingga

panas gas buang dimanfaatkan dengan lebih optimal.

Aliran gas panas dari turbin gas masuk melalui sisi bawah HRSG mengalir ke atas

melewati pipa-pipa superheater, evaporator, ekonomiser tekanan tinggi sambil menyerahkan

panas. Selanjutnya melewati pipa-pipa dengan fungsi yang yang sama tetapi dengan tekanan

lebih rendah yang berada dibagian atasnya kemudian dibuang keatmosfir melalui cerobong

yang terletak diatas HRSG.

On Becoming The Centre of Excellences 48

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Gambar 3.9, HRSG dengan dua tingkat tekanan (dual pressure)

3.4.5. HRSG Tekanan Bertingkat (Multi Pressure)

HRSG jenis ini mempunyai tiga tingkat tekanan yang berbeda, yaitu tekanan tinggi (HP),

tekanan menengah (IP), dan tekanan rendah (LP). Dengan tiga tingkat tekanan efisiensi termal

siklus kombinasi akan lebih baik karena celah diantara tekanan tinggi dan rendah masih

dimanfaatkan untuk menghasilkan uap tekanan menengah.

Gas buang dari turbin gas mengalir mendatar sambil menyerahkan panasnya ke pipa-pipa

pemindah panas yang dipasang tegak sebagaimana pada sistem satu tekanan ataupun dua

tekanan.

On Becoming The Centre of Excellences 49

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

Gambar 3.10, Diagram HRSG Multi Pressure

Gambar 3.11, HRSG dengan burner bantu

On Becoming The Centre of Excellences 50

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN Heat Recovery Steam Generator (HRSG)

(HRSG)

3.4.6. HRSG dengan Burner bantu (Auxiliary burner)

Pada umumnya HRSG yang digunakan di Indonesia adalah unfire, tetapi dalam industri

terdapat HRSG dengan bantuan burner (auxiliary burner). Hal ini diterapkan apabila

ketersediaan gas panas dari luar tidak konstan. Penggunaan burner bantu pada HRSG

tujuannya adalah untuk meningkatkan temperatur gas (sekitar 820 0 C) sehingga diperoleh

produksi uap yang lebih besar.

Pembakaran bahan bakar dengan memanfaatkan excess air yang tinggi dalam gas

buang. Dengan cara ini dapat menaikkan kapasitas output turbin uap hingga 85 %, tetapi disisi

lain polusi akibat emisi gas buang menjadi lebih besar.

On Becoming The Centre of Excellences 51