Pembangkit listrik tenaga gas dan uap

Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) adalah gabungan antara Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG) dengan Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), di mana panas dari gas buang dari PLTG digunakan untuk menghasilkan uap yang digunakan sebagai fluida kerja di PLTU. Dan bagian yang digunakan untuk menghasilkan uap tersebut adalah Heat Recovery Steam Generator (HRSG).

Pembangkit listrik siklus gabungan Knapsack I (Statkraft) di Knapsack Chemical Park, Hürth, Jerman

PLTGU merupakan suatu instalasi peralatan yang berfungsi untuk mengubah energi panas (hasil pembakaran bahan bakar dan udara) menjadi energi listrik yang bermanfaat. PLTU memanfaatkan energi panas dan uap dari gas buang hasil pembakaran di PLTG untuk memanaskan air di HRSG , sehingga menjadi uap jenuh kering. Uap jenuh kering inilah yang akan digunakan untuk memutar sudu (baling-baling). Gas yang dihasilkan dalam ruang bakar pada PLTG akan menggerakkan turbin dan kemudian generator, yang mengubahnya menjadi energi listrik. Sama halnya dengan PLTU, bahan bakar PLTG bisa berwujud cair (BBM) maupun gas (gas alam). Penggunaan bahan bakar menentukan tingkat efisiensi pembakaran dan prosesnya.

Prinsip Kerja PLTGU

Prinsip kerja PLTG adalah sebagai berikut, mula-mula udara dimasukkan ke dalam kompresor melalui penyaring udara agar partikel debu tidak ikut masuk ke dalam kompresor tersebut. Pada kompresor tekanan udara dinaikkan lalu dialirkan ke ruang bakar untuk dibakar bersama bahan bakar. Di sini, penggunaan bahan bakar menentukan apakah bisa langsung dibakar dengan udara atau tidak.

Jika menggunakan BBG, gas bisa langsung dicampur dengan udara untuk dibakar. Tapi jika menggunakan BBM harus dilakukan proses penggabungan dahulu pada burner kemudian dicampur udara dan dibakar. Pembakaran bahan bakar dan udara ini akan menghasilkan gas bersuhu dan bertekanan tinggi yang berenergi (enthalpy). Gas ini lalu disemprotkan ke turbin, hingga entalpi gas diubah oleh turbin menjadi energi gerak yang memutar generator untuk menghasilkan listrik.

Setelah melalui turbin sisa gas panas tersebut dibuang melalui cerobong. Karena gas yang disemprotkan ke turbin bersuhu tinggi, maka pada saat yang sama dilakukan pendinginan turbin dengan udara pendingin dari lubang udara pada turbin.Untuk mencegah korosi akibat gas bersuhu tinggi ini, maka bahan bakar yang digunakan tidak boleh mengandung logam kalium (K), vanadium (V) dan natrium (Na) yang melampaui 1 part per million (ppm).

Deskripsi

Berbicara tentang prinsip kerja PLTGU sama halnya dengan membahas siklus dasar turbin gas yang disebut siklus Brayton, yang pertama kali diajukan pada tahun 1870 oleh George Brayton seorang insinyur dari Boston. Sekarang siklus Brayton digunakan hanya pada turbin gas, yang merupakan cikal bakal dari PLTGU dengan proses kompresi dan ekspansi terjadi pada alat permesinan yang berputar. John Barber telah mematenkan dasar turbin gas pada tahun 1791. Dua penggunaan utama mesin turbin gas adalah pendorong pesawat terbang dan pembangkit tenaga listrik.

Turbin gas digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik yang berdiri sendiri (simple cycle) atau dengan turbin uap (combined cycle) pada sisi suhu tingginya. Turbin uap (combined cycle) memanfaatkan gas buang turbin gas sebagai sumber panasnya. Turbin uap dianggap sebagai mesin pembakaran luar (external combustion), di mana pembakaran terjadi di luar mesin. Energi termal diubah ke uap sebagai panas.

Turbin gas pertama kali berhasil dioperasikan pada pameran nasional Swiss (Swiss National Exhibition) tahun 1939 di Zurich. Turbin gas yang dibangun antara tahun 1940-an hingga tahun 1950-an efisiensinya hanya sekitar 17 persen, hal ini disebabkan oleh rendahnya efisiensi kompresor dan turbin dan suhu masuk turbin yang rendah karena keterbatasan teknologi metalurgi pada saat itu. Turbin gas terpadu dengan turbin uap (combined cycle) yang pertama kali dipasang pada tahun 1949 di Oklahoma oleh General Electric menghasilkan daya 3,5 MW.

Sebelum ini, pembangkit daya ukuran besar berbahan bakar batu bara ataupun bertenaga nuklir telah mendominasi pembangkitan tenaga listrik. Tetapi sekarang, turbin gas berbahan bakar gas alam yang telah mendominasinya karena kemampuan start (black start) yang cepat, efisiensi yang tinggi, biaya awal yang lebih rendah, waktu pemasangan yang lebih cepat, karakter gas buang yang lebih baik dan banyaknya persediaan gas alam. Biaya pembangunan pembangkit tenaga turbin gas kira-kira setengah kali biaya pembangunan pembangkit tenaga turbin uap berbahan bakar fosil yang merupakan pembangkit tenaga utama hingga awal tahun 1980-an. Lebih dari separuh dari seluruh pembangkit daya yang akan dipasang dimasa akan datang diperkirakan akan merupakan pembangkit daya turbin gas ataupun dikombinasikan dengan turbin uap (combined cycle).

Di awal tahun 1990-an, General Electric telah memasarkan turbin gas dengan ciri perbandingan tekanan (pressure ratio) 13,5 menghasilkan daya net 135,7 MW dengan efisiensi termal 33 persen pada operasi sendiri (simple cycle operation). Turbin gas terbaru yang dibuat General Electric bersuhu masuk 1425 OC (2600 OF) menghasilkan daya hingga 282 MW dengan efisiensi termal mencapai 39,5 persen pada operasi sendiri (simple cycle operation).

Bahan bakar minyak ringan seperti minyak diesel, minyak tanah, minyak mesin jet, dan bahan bakar gas yang bersih (seperti gas alam) paling cocok untuk turbin gas. Bagaimanapun, bahan bakar tersebut di atas akan menjadi lebih mahal dan pasti akan habis. Oleh karena itu, pemikiran ke masa depan harus dilakukan untuk menggunakan bahan bakar alternatif lain.

Biasanya turbin gas beroperasi pada siklus terbuka. Udara yang segar mengalir ke kompresor, suhu dan tekanannya dinaikkan. Udara bertekanan terus mengalir ke ruang pembakaran, di mana bahan bakar dibakar pada tekanan tetap.

Gas panas yang dihasilkan masuk ke turbin, kemudian berekspansi ke tekanan udara luar melalui berbaris sudut nosel. Ekspansi ini menyebabkan sudu turbin berputar, yang kemudian memutar poros rotor berkumparan magnet, sehingga menghasilkan tegangan listrik dikumparan stator generator. Gas buang (exhaust gases) yang meninggalkan turbin siklus terbuka tidak digunakan kembali.

Proses yang terjadi pada PLTG

Pertama, turbin gas berfungsi menghasilkan energi mekanik untuk memutar kompresor dan rotor generator yang terpasang satu poros, tetapi pada saat start-up fungsi ini terlebih dahulu dijalankan oleh penggerak mula (prime mover).

Penggerak mula ini dapat berupa diesel, motor listrik atau generator turbin gas itu sendiri yang menjadi motor melalui mekanisme Static frequency Converter (SFC). Setelah kompresor berputar secara berkelanjutan, maka udara luar dapat terhisap hingga dihasilkan udara bertekanan pada sisi discharge (tekan) kemudian masuk ke ruang bakar.

Kedua, proses selanjutnya pada ruang bakar, jika start-up menggunakan bahan bakar cair maka terjadi proses pengkabutan (atomizing) setelah itu terjadi proses pembakaran dengan penyala awal dari busi, yang kemudian dihasilkan api dan gas panas bertekanan. Gas panas tersebut dialirkan ke turbin sehingga turbin dapat menghasilkan tenaga mekanik berupa putaran. Selanjutnya gas panas dibuang ke atmosfer dengan temperatur yang masih tinggi.

Salah satu kelemahan mesin turbin gas (PLTG) adalah efisiensi termalnya yang rendah. Rendahnya efisiensi turbin gas disebabkan karena banyaknya pembuangan panas pada gas buang. Dalam usaha untuk menaikkan efisiensi termal tersebut, maka telah dilakukan berbagai upaya sehingga menghasilkan mesin siklus kombinasi seperti yang dapat kita jumpai saat ini.

Siklus PLTGU

Di bidang industri saat ini, dilakukan usaha untuk meningkatkan efisiensi turbin gas yaitu dengan cara menggabungkan siklus turbin gas dengan siklus proses sehingga diperoleh siklus gabungan yang biasa disebut dengan istilah “Cogeneration”. Sedangkan untuk meningkatkan efisiensi termal turbin gas yang digunakan sebagai unit pembangkit listrik (PLTG), siklus PLTG digabung dengan siklus PLTU sehingga terbentuk siklus gabungan yang disebut “Combined Cycle” atau PLTGU.

Siklus PLTGU terdiri dari gabungan siklus PLTG dan siklus PLTU. Siklus PLTG menerapkan siklus Brayton, sedangkan siklus PLTU menerapkan siklus ideal Rankine.

Penggabungan siklus turbin gas dengan siklus turbin uap dilakukan melalui peralatan pemindah panas berupa boiler atau umum disebut HRSG. Siklus kombinasi ini selain meningkatkan efisiensi termal juga akan mengurangi pencemaran udara.

Dengan menggabungkan siklus tunggal PLTG menjadi unit pembangkit siklus kombinasi (PLTGU) maka dapat diperoleh beberapa keuntungan, diantaranya adalah:

• Efisiensi termalnya tinggi, sehingga biaya operasi (Rp/kWh) lebih rendah dibandingkan dengan pembangkit thermal lainnya.
• Biaya pemakaian bahan bakar (konsumsi energi) pada PLTGU lebih rendah.
• Proses pembangunan PLTGU relatif lebih cepat.
• Kapasitas daya PLTGU bervariasi dari kecil hingga besar.
• Menggunakan bahan bakar gas yang bersih dan ramah lingkungan.
• Fleksibilitas PLTGU tinggi.
• Tempat yang diperlukan tidak terlalu luas, sehingga biaya investasi lahan lebih sedikit.
• Pengoperasian PLTGU yang menggunakan komputerisasi memudahkan pengoperasian.
• Waktu yang dibutuhkan: untuk membangkitkan beban maksimum 1 blok PLTGU relatif singkat yaitu 150 menit.
• Prosedur pemeliharaan lebih mudah dilaksanakan dengan adanya fasilitas sistem diagnosa.