Sejarah Singkat Turbin Gas

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 mempatenkan 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 bergandengan 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), dimana pembakaran terjadi diluar mesin. Energi termal dipindah 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 baker 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 berlimpahnya 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 separoh 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 diatas akan menjadi lebih mahal dan pasti akan habis. Oleh karena itu, pemikiran kemasa depan harus dilakukan untuk menggunakan bahan bakar alternatif lain.

Turbin Gas Siklus Terbuka

Gb Turbin Gas Siklus terbuka

 

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

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

siklus braitonGb Siklus Braiton

 

Turbin gas siklus terbuka dapat dibentuk menjadi sebagai turbin gas siklus tertutup dengan menggunakan anggapan udara standar (air-standard assumptions).  Proses kompresi dan ekspansi tetap sama, tetapi proses pembuangan gas panas tekanan tetap ke udara luar diganti dengan proses pendinginan qout.

Siklus ideal yang fluida kerja jalani dalam siklus tertutup ini adalah siklus Brayton, yang terdiri dari empat proses dalam dapat balik (internally reversible):

1 – 2     Kompresi isentropik (isentropic compression) di kompresor

2 – 3     Penambahan panas tekanan tetap (constant pressure heat addition)

3 – 4     Expansi isentropik (isentropic expansion) di turbin

4 – 1     Pembuangan panas tekanan tetap (constant pressure heat rejection)

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 SFC (Static frequency Converter). Setelah kompresor berputar secara kontinu, maka udara luar 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 (fuel oil) 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 atmosfir dengan temperatur yang masih tinggi.

Proses seperti tersebut diatas merupakan siklus turbin gas, yang merupakan penerapan Siklus Brayton. Siklus tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :

Diagram P-v dan T-sGb Diagram P-v dan T-s

 

Siklus seperti gambar, terdapat empat langkah:

  • Langkah 1-2    : Udara luar dihisap dan ditekan di dalam kompresor, menghasilkan udara bertekanan (langkah kompresi)
  • Langkah 2-3    : Udara bertekanan dari kompresor dicampur dengan bahan bakar, terjadi reaksi pembakaran yang menghasilkan gas panas (langkah pemberian panas)
  • Langkah 3-4    : Gas panas hasil pembakaran dialirkan untuk memutar turbin (langkah ekspansi)
  • Langkah 4-1    : Gas panas dari  turbin dibuang ke udara luar (langkah pembuangan)

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 Kombinasi (Combined Cycle) pada PLTGU

Di bidang industri saat ini, dilakukan usaha untuk meningkatkan efisiensi turbin gas yaitu dengan cara menggabungan 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 Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU).

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

Siklus kombinasiGb Siklus Kombinasi

 

Prinsip kerja PLTGUGb Siklus Brayton, Siklus Rankine dan Siklus kombinasi (PLTG, PLTU, PLTGU)

 

Penggabungan siklus turbin gas dengan siklus turbin uap dilakukan melalui peralatan pemindah panas berupa boiler atau umum disebut “Heat Recovery Steam Generator” (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.

Skema siklus PLTGU dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Combined Cycle Power Plant (PLTGU)Gb Combined Cycle Power Plant (PLTGU)