Cara Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap Bahan Bakar Batu Bara dan Sistem Utamanya

Ilustrasi Pembangkit Listrik Tenaga Uap yang sedang beroperasi.

Cara Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap

Kami akan membahas bagaimana cara kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) bahan bakar batu bara menghasilkan energi listrik. PLTU berbahan bakar batu bara memiliki lima komponen utama yang saling berperan dalam proses pembangkitan energi listrik.

Yang pertama, akan kami jelaskan bagaimana sistem bahan bakar yang digunakan, sistem air, sistem gas buang yang merupakan hasil dari pembakaran bahan bakar batu bara.

Selain itu juga ada sistem uap (steam) yang akan menjadi penggerak turbin, dan yang terakhir akan dijelaskan juga bagaimana sistem kelistrikan di pembangkit tersebut.

Sistem Utama Pembangkit Listrik Tenaga Uap Bahan Bakar Batu Bara

Sistem utama pembangkit listrik tenaga uap bahan bakar batu bara.

Sistem Bahan Bakar (Coal System) atau Batu Bara

Sistem bahan bakar dalam pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) berbahan bakar batu bara memainkan peran penting dalam menghasilkan energi panas yang diperlukan untuk menggerakkan turbin. Berikut adalah penjelasan tentang proses penggunaan batu bara sebagai sumber energi pada PLTU:

Distribusi Bahan Bakar Batu Bara

Proses distribusi batu bara dari kapal angkut dipindahkan ke coal yard melalui crane, kemudian disalurkan ke stacker untuk penumpukan sementara. Dari tempat penampungan, batu bara diangkut menggunakan sistem conveyor belt menuju silo.

Di silo, batu bara disaring dan ditumpuk untuk penyimpanan jangka pendek (3-4 bulan) atau dalam waktu singkat sesuai kebutuhan PLTU. Silo juga dilengkapi magnet untuk menghilangkan partikel asing sebelum batu bara dikirim ke pulverizer.

Penghancuran dan Pengeringan Batu Bara

Pulverizer menghancurkan batu bara hingga menjadi partikel halus menyerupai debu, mempermudah proses pembakaran pada tungku boiler. Udara panas dari primary air fan digunakan untuk mengeringkan batu bara yang basah sebelum dihancurkan.

Pulverizer juga dilengkapi bola besi yang berfungsi sebagai penghancur tambahan untuk partikel batu bara yang lebih besar.

Sistem Udara pada Pembakaran

Setelah batu bara dihancurkan dan dikeringkan, udara dari primary air fan mendorong partikel debu batu bara ke ruang pembakaran boiler. Di sini, udara primer membantu memastikan proses pembakaran berjalan optimal.

Udara tambahan ini penting untuk menciptakan tekanan dan memastikan partikel halus terdistribusi merata dalam ruang bakar.

Pembakaran Bahan Bakar di Tungku Boiler

Debu batu bara disemprotkan ke ruang pembakaran boiler dengan bantuan sistem udara dan pemicu api. Partikel batu bara terbakar, menghasilkan panas yang tinggi.

Panas ini kemudian digunakan untuk memanaskan pipa-pipa kapiler yang mengalirkan air, mengubahnya menjadi uap bertekanan tinggi.

Boiler PLTU memiliki pipa-pipa bertipe air dan tipe api. Pipa kapiler ini didesain untuk mentransfer panas dari pembakaran batu bara secara efisien. Uap inilah yang nantinya akan menggerakkan turbin untuk menghasilkan energi kinetik.

Bahan Bakar Tambahan

Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), selain batu bara, minyak tanah dan gas bumi juga dapat digunakan sebagai bahan bakar tambahan. Bahan bakar ini terutama berfungsi untuk proses awal pembakaran (start-up) di tungku boiler.

Minyak tanah dan gas bumi sangat membantu mempercepat pemanasan boiler sebelum pembakaran batu bara sepenuhnya berlangsung.

Sistem Air

Make-Up Water

Dalam PLTU, make-up water adalah air yang digunakan untuk menghasilkan uap melalui pemanasan. Air ini harus memenuhi standar kemurnian tertentu, sehingga tidak diperoleh dari sumber umum seperti PDAM atau danau.

Alasan utamanya disebabkan oleh air yang berasal dari sumber-sumber tersebut mengandung mineral dan zat elektrolit yang bisa merusak pipa kapiler di boiler.

Pengolahan Air di Deaerator

Air yang akan digunakan diolah terlebih dahulu dalam deaerator untuk menghilangkan partikel-partikel kimia dan elektrolit berbahaya. Partikel ini, jika dibiarkan masuk ke dalam pipa, dapat menyebabkan korosi dan kerusakan pada sistem.

Boiler Feedwater Pump (Pompa Umpan Boiler)

Dari deaerator, air masuk ke boiler feedwater pump, atau pompa sentrifugal, yang berfungsi meningkatkan tekanan air agar siap dialirkan ke pipa kapiler.

Tekanan yang dihasilkan mencapai 200 bar, bahkan bisa lebih dari 3000 PSI, sehingga memungkinkan proses pemanasan dan pembentukan uap berjalan efisien.

Economizer: Pemanas Awal

Setelah melewati pompa sentrifugal, air dipanaskan secara awal dalam economizer. Economizer adalah pipa pemanas yang memanfaatkan panas sisa dari boiler.

Pemanasan awal ini penting untuk memastikan air yang memasuki superheater sudah memiliki suhu tinggi, sehingga proses pengubahan menjadi uap berjalan lebih cepat dan efisien.

Analoginya, air yang sudah hangat akan lebih cepat mendidih dibandingkan air dingin saat dipanaskan.

Steam Drum: Pemisah Uap dan Air

Air panas dari economizer dialirkan ke steam drum, di mana terjadi pemisahan antara uap dan molekul air. Pada tahap ini, suhu sudah mencapai sekitar 200–300 °C, namun air belum sepenuhnya berubah menjadi uap. Steam drum memastikan pemisahan yang efisien antara air dan uap sebelum uap dialirkan ke turbin.

Konstruksi Boiler dan Peran Economizer

Dalam konstruksi boiler, economizer tidak ditempatkan langsung di atas ruang bakar. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari risiko kerusakan pipa kapiler superheater akibat aliran air dingin.

Dengan air yang sudah dipanaskan oleh economizer, waktu pemanasan di superheater berkurang, menjadikan proses lebih aman dan efisien.

Pipa-pipa kapiler di dinding tabung boiler menerima air panas dari economizer menuju ruang pembakaran, tempat air berubah menjadi uap bertekanan tinggi yang akan dialirkan ke turbin.

Sistem Kerja Uap

Jenis-Jenis Uap

Pada PLTU, terdapat tiga jenis uap yang digunakan dalam proses pembangkitan listrik, yaitu:

• Uap Basah (Wet Steam), yaitu uap yang masih mengandung partikel air dalam fase gas.
• Uap Kering (Dry Steam), yaitu uap murni berbentuk gas tanpa kandungan air.
• Uap Superheated, yaitu uap dengan suhu yang jauh di atas titik didihnya.

Pemilihan jenis uap yang digunakan bergantung pada desain PLTU dan kebutuhan proses.

Steam Drum

Untuk menghasilkan uap kering atau superheated, PLTU menggunakan steam drum yang berfungsi memisahkan uap dari air.

Di dalam steam drum, terdapat siklon pemisah dan susunan bavel yang membantu memisahkan partikel air dari uap sebelum uap tersebut dialirkan ke pipa kapiler superheater untuk dipanaskan lebih lanjut.

Sementara itu, air yang tersisa dialirkan ke economizer untuk dipanaskan kembali.

Superheater (Meningkatkan Suhu Uap)

Uap yang telah dipisahkan dari air kemudian dialirkan ke  aliran pipa superheater untuk mencapai suhu yang lebih tinggi.

Proses ini penting karena suhu yang tinggi akan meningkatkan efisiensi perubahan energi di dalam turbin. Meski suhu naik, tekanan uap akan sedikit berkurang saat melalui superheater.

Tahapan Tekanan dalam Turbin

PLTU umumnya menggunakan turbin dengan karakteristik tingkat tekanan yang berbeda:

• High Pressure Turbine (Turbin Tekanan Tinggi): Uap superheated memasuki turbin ini dan memutar rotor untuk menghasilkan energi kinetik.
  
  
• Intermediate Pressure Turbine (Turbin Tekanan Menengah): Tekanan uap yang menurun akan dialirkan ke turbin ini untuk memaksimalkan pemanfaatan energi.
  
  
• Low Pressure Turbine (Turbin Tekanan Rendah): Uap yang tekanannya semakin melemah dari Intermediate Pressure Turbine dimanfaatkan untuk menghasilkan energi seoptimal mungkin.

Penggunaan turbin dengan pressure bertingkat memungkinkan PLTU memaksimalkan konversi energi dari pembakaran batu bara tanpa ada energi yang terbuang dengan cuma-cuma.

Reheater (Pemanasan Ulang Uap)

Setelah melalui turbin tekanan tinggi, uap yang suhunya menurun dialirkan kembali ke boiler melalui reheater untuk dipanaskan ulang. Proses ini meningkatkan efisiensi saat uap memasuki turbin tekanan menengah, yang memastikan uap tetap pada suhu optimal untuk menggerakkan rotor turbin berikutnya.

Kondensai

Uap yang telah digunakan dan mengalami penurunan suhu dan tekanan dialirkan ke kondensor. Di kondensor, uap mengalami proses kondensasi menjadi air kembali. Kondensor menggunakan pipa-pipa kecil yang didinginkan oleh air dari cooling tower.

Air panas dari kondensor naik ke cooling tower untuk didinginkan dengan bantuan udara atmosfer, lalu air yang telah dingin kembali disalurkan ke kondensor untuk digunakan dalam siklus berikutnya. Siklus ini berulang untuk menjaga suhu air pendingin stabil.

Pengolahan Ulang Air

Setelah dikondensasi, air dikumpulkan dalam tabung penyimpanan dan dialirkan kembali ke deaerator untuk menghilangkan gas-gas terlarut seperti oksigen dan karbon dioksida. Air ini kemudian dipompakan kembali ke pipa kapiler dalam boiler, mengawali siklus uap yang baru.

Sistem Udara

Sistem Udara Utama (Primary Air System)

Sistem udara utama pada PLTU berfungsi memasok udara sebelum proses pembakaran dimulai. Udara ini dipompakan ke dalam pulverizer, yaitu alat penghancur batu bara, untuk mencampur udara dengan partikel batu bara sebelum pembakaran.

Proses ini menggunakan kipas gaya draft yang mendorong udara agar partikel batu bara bertemu dengan udara, sehingga saat mencapai pembakar, terjadi reaksi pembakaran yang optimal.

Kipas udara utama ini juga berperan penting dalam mengontrol efisiensi pembakaran batu bara, memastikan bahan bakar terbakar sempurna dengan suplai udara yang cukup.

Sistem Udara Sekunder (Secondary Air System)

Selain sistem udara utama, PLTU juga menggunakan sistem udara sekunder yang berfungsi memasok udara tambahan ke area pembakaran. Udara sekunder ini dialirkan melalui pipa preheater untuk dipanaskan terlebih dahulu sebelum mencapai pembakar.

Pemanasan awal ini memastikan udara mencapai suhu optimal untuk mendukung proses pembakaran yang efisien.

Kipas yang disebut Secondary Air Fan membantu mengalirkan udara sekunder ke dalam tungku boiler, menjaga sirkulasi udara dan membantu menjaga suhu pembakaran pada tingkat yang diinginkan.

Sistem Gas Buang

Pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), gas buang yang dihasilkan dari proses pembakaran batu bara harus dikelola dengan baik untuk menjaga efisiensi dan mengurangi emisi. Berikut adalah proses pengelolaan gas buang tersebut:

Pengukuran Komposisi Gas Buang

Pada sistem pembakaran boiler, pengukuran gas buang dilakukan untuk memantau kualitas pembakaran. Kadar oksigen yang tinggi menunjukkan kelebihan udara, sementara kadar karbon monoksida yang tinggi mengindikasikan pembakaran tidak sempurna.

Kedua parameter ini memengaruhi efisiensi pembakaran dan diatur melalui saluran udara utama dan sekunder untuk memastikan udara yang masuk cukup untuk pembakaran optimal.

Penggunaan Preheater untuk Udara Pembakaran

Gas buang panas diarahkan melalui preheater untuk memanaskan udara sebelum udara tersebut masuk kembali ke dalam tungku boiler. Proses ini memungkinkan pemanfaatan panas sisa, sehingga meningkatkan efisiensi pembakaran.

Sistem Electrostatic Precipitator (ESP)

Setelah melewati preheater, gas buang dialirkan ke Electrostatic Precipitator (ESP). ESP berfungsi menghilangkan partikel-partikel kecil, seperti fly ash, dari gas buang.

Dengan proses ionisasi, partikel-partikel ini menempel pada plat baja yang memiliki permukaan luas, sehingga mudah dikumpulkan dan diendapkan.

Fly ash yang tertangkap pada ESP kemudian ditampung di silo penyimpanan atau kolam abu untuk diproses lebih lanjut, bahkan dijual untuk keperluan industri semen.

Proses Desulfurisasi Gas Buang (Flue Gas Desulphurization/FGD)

Selanjutnya, gas buang dialirkan ke Flue Gas Desulphurization (FGD) untuk menghilangkan kandungan sulfur oksida (SOx).

Pada FGD, gas buang disemprotkan dengan bahan penyerap seperti batu kapur atau amonia, yang bereaksi membentuk amonium sulfat dan gypsum.

Amonium sulfat dapat dimanfaatkan dalam industri pertanian dan gypsum dalam industri semen. FGD ini tidak hanya mengurangi emisi sulfur tetapi juga menghasilkan produk sampingan yang bermanfaat.

Pelepasan Gas Buang Bersih ke Atmosfer

Setelah melalui ESP dan FGD, gas buang yang sudah bersih dan aman dilepaskan melalui cerobong (stack) ke atmosfer. Karena gas buang tetap memiliki suhu yang lebih tinggi, ia akan naik ke atas lapisan atmosfer yang lebih dingin.

Konversi Energi dalam Pembangkit Listrik dan Sistem Proteksi

Pada pembangkit listrik tenaga uap berbahan bakar batu bara, energi dikonversi melalui beberapa tahap untuk menghasilkan listrik.

Proses dimulai dengan pembakaran batu bara sebagai sumber energi kimia. Energi kimia ini diubah menjadi energi panas melalui pembakaran yang menghasilkan uap bertekanan tinggi.

Uap panas tersebut dialirkan untuk menggerakkan turbin, mengubah energi panas menjadi energi kinetik. Saat turbin berputar, energi kinetik diteruskan ke generator yang terkopel dengan turbin, sehingga rotor generator berputar dan menghasilkan energi listrik.

Prinsip Induksi Elektromagnetik dan Peran Generator

Energi listrik pada pembangkit dihasilkan berdasarkan Hukum Induksi Faraday, yang menyatakan bahwa, perubahan medan magnet pada kawat penghantar akan menimbulkan tegangan induksi.

Proses ini dimungkinkan melalui generator, di mana energi kinetik dari putaran turbin yang di couple ke rotor generator hingga menghasilkan energi listrik.

Pada generator tipe brush (dengan sikat), eksitasi medan magnet menggunakan kumparan stator yang terhubung dengan Automatic Voltage Regulator (AVR).

AVR ini berfungsi mengatur tegangan eksitasi yang masuk ke generator sesuai kebutuhan daya. Sementara itu, generator tipe brushless menggunakan magnet permanen pada kumparan stator, sehingga tidak membutuhkan AVR tetapi tetap menghasilkan listrik yang stabil.

Pengaturan Eksitasi dan Pengendalian Beban

Ketika beban pada pembangkit bertambah (misalnya dari 200 MW menjadi 400 MW), AVR menambah eksitasi agar daya output generator meningkat.

Hal ini memperlambat rotor turbin karena medan magnet yang dihasilkan semakin besar, sehingga memerlukan tambahan uap untuk menjaga kestabilan putaran turbin.

Main Stop Valve dan Control Valve mengatur aliran uap ke turbin. Main Stop Valve berfungsi untuk membuka atau menutup aliran uap, sementara Control Valve mengendalikan aliran uap berdasarkan kebutuhan beban. 

Jika beban besar, Control Valve dapat diatur agar uap yang dialirkan lebih banyak, mempercepat putaran rotor turbin hingga mencapai kecepatan sinkron sekitar 3000 rpm. Sinkronisasi ini penting untuk menyesuaikan dengan frekuensi rate, misal 50 Hz di jaringan listrik Indonesia.

Transformator dan Sistem Step-Up

Energi listrik yang dihasilkan generator biasanya berada dalam rentang 6-16 kV. Agar dapat didistribusikan melalui jaringan transmisi, tegangan ini harus ditingkatkan menggunakan transformator step-up yang bisa mencapai tegangan ekstra tinggi seperti 20 kV hingga 500 kV.

Switchyard dan Sistem Proteksi

Pada gardu induk pembangkit (switchyard), terdapat berbagai alat proteksi, seperti Lightning Arrester untuk menghindari lonjakan tegangan secara tiba-tiba karena petir, dan Circuit Breaker untuk memutus aliran listrik saat terjadi gangguan.

Sistem proteksi ini memastikan keamanan transformator dan mengatur aliran listrik yang masuk ke jaringan transmisi yang akan didistribusikan ke beban akhir, seperti rumah tangga.

Prinsip Kerja dan Konfigurasi Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

Berdasarkan hukum termodinamika, energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi hanya diubah bentuknya.

Oleh karena itu, pembangkit listrik tidak "menghasilkan" energi listrik secara langsung, melainkan mengonversi energi primer (energi kimia dari batu bara atau bahan bakar lain) menjadi energi kinetik dan kemudian energi listrik.

Konfigurasi pada PLTU dapat bervariasi, baik dari segi boiler maupun generator, tergantung pada kebutuhan kapasitas daya megawatt yang diinginkan.

Sebagai contoh, untuk kapasitas tinggi, PLTU dapat menggunakan beberapa boiler, di mana setiap dua boiler mengalirkan gas buangnya melalui satu cerobong.

Jika sebuah PLTU dari kejauhan terlihat menggunakan tiga cerobong, biasanya menggunakan enam boiler yang masing-masing mengalirkan uap ke enam turbin dan enam generator.

Energi listrik yang dihasilkan kemudian dinaikkan tegangannya oleh enam transformator, sesuai dengan kebutuhan jaringan distribusi. Desain ini memungkinkan penyesuaian kapasitas dan efisiensi sesuai dengan permintaan daya listrik yang diperlukan.

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) berbahan bakar batu bara dinilai efektif karena biayanya relatif rendah. Selain itu, penjualan produk samping seperti fly ash dan gypsum juga dapat dilakukan karena masih dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan industri lain.

Namun, sebagai pembangkit berbahan bakar fosil, batu bara memiliki keterbatasan karena merupakan sumber daya yang tidak dapat diperbarui dan habis seiring waktu.

Demikian penjelasan kami tentang cara kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap yang secara khusus menggunakan bahan bakar batu bara. Semoga bermanfaat kepada pembaca.