Heat Recovery Steam Generator (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).
Gb 1 Diagram HRSG dengan aliran gas mendatar
Prinsip Kerja
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 Heat Recovery Steam Generator 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 Heat Recovery Steam Generator 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).
Gb 2 Heat Recovery Steam Generator
Konstruksi dan Tata Letak HRSG
Sistem tata letak HRSG mempunyai banyak variasi baik jenis maupun jumlahnya. Ditinjau dari sistem sirkulasi airnya HRSG dibedakan menjadi :
Bila ditinjau dari tekanan kerjanya, HRSG dapat dibedakan menjadi :
- Heat Recovery Steam Generator dengan satu tekanan (single pressure)
- Heat Recovery Steam Generator dengan dua tekanan (dual pressure)
- Heat Recovery Steam Generator dengan tekanan bertingkat (multi pressure)
Sedangkan bila ditinjau dari sumber panasnya, HRSG dapat dikelompokkan menjadi :
- Heat Recovery Steam Generator tanpa bantuan pembakaran (nonfire)
- Heat Recovery Steam Generator dengan bantuan pembakaran (auxiliary/supplementary burner)
HRSG sirkulasi Alam (Natural Circulation)
Heat Recovery Steam Generator 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.
Gb 3 Prinsip Sirkulasi Alami (Natural Circulation)
Gb4 HRSG sirkulasi alami (aliran gas mendatar)
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 Heat Recovery Steam Generator.
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.
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.
Gb 5 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
Gb 6 HRSG dengan aliran gas vertikal
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.
Gb 7 HRSG dengan tekanan tunggal (single pressure)
HRSG Dengan Dua Tekanan (Dual Pressure)
Heat Recovery Steam Generator 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 Heat Recovery Steam Generator.
Gb 8 HRSG dengan dua tingkat tekanan (dual pressure)
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.
Gb 9 Diagram HRSG Multi Pressure
Gb 10 HRSG dengan burner bantu
HRSG dengan Burner bantu (Auxiliary burner)
Pada umumnya Heat Recovery Steam Generator 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.
Artikel berkaitan: prinsip kerja PLTGU, variasi siklus kombinasi pltgu