SIKLUS UAP / RANKINE CYCLE

Siklus rankine adalah siklus termodinamika tenaga uap, untuk menghasilkan daya electric atau mechanical. Dimana fluida kerja yaitu air yang melakukan perubahan fasa dalam bentuk cair menjadi uap didalam siklusnya. Komponen utama dari siklus ini adalah

·         Boiler

·         Turbin uap

·         Kondensor

·         Pompa

Aplikasi siklus rankine digunakan pada steam power plant/PLTU sebagai dasar awal perancangan sistem pembangkit PLTU. Dalam penerapan di PLTU siklus rankine sering dimodifikasi untuk meningkatkan efisiensi dari suatu pembangkit tersebut, salah satunya memanfaatkan panas sisa ekspansi turbin dengan menggunakan heater (Pemanas awal untuk air umpan awal ke boiler/ feed water) yang dikenal dengan regenerative rankine cycle. Untuk lebih jelas berikut ini jenis dari siklus rankine sebagai berikut :

1.          Siklus Rankine

Siklus rankine ditemukan oleh William John Macquorn Rankine, yang mendesain siklus rankine dengan uap saturasi untuk mesin uap. Siklus ini memilki beberapa proses termodinamika dalam setiap equitmentnya yang akan di gambarkan pada diagram T-s dan P-v sebagai berkut :

Gambar 1.1 Diagram Siklus Rankine

Proses termodinamika dari siklus tersebut adalah

1.       1-2 (Turbin) Proses isentropik/adiabatik

Proses ini adalah proses ekspansi isentropik, yang berlangsung secara adibatik atau tidak ada panas masuk dan keluar selama ekspansi pada turbin sehingga tidak ada perubahan entropi, maka  didapatkan kerja turbin (Wturbin) dari hukum pertama termodinamika menjadi :

Wturbine = m’ (h1’ – h2’) atau Wturbine = m’ Cp (T1’-T2’)                  [kJ/s (kW)]

2.   2-3 (Kondensor) Proses isobarik

Didalam kondensor panas akan dilepaskan sehingga merubah fasa dari uap menjadi cair, berlangsung dengan tekanan konstan atau proses isobarik, maka nilai panas keluar didapatkan dengan  :

Qout = m’ (h2’ – h3) atau Qout = m’ Cp (T2’-T3)                            [kJ/s (kW)]

3. 3-4 (Pompa) Proses isentropik

Pompa akan mengkompresikan fluida ke boiler pada tekanan tetap, proses ini berlangsung secara adiabatik dan reversible, sehingga kerja yang dibutuhkan pump adalah:

WPompa = m’ (h4 – h3) atau Wpompa = m’ Cp (T4 -T3)                            [kJ/s (kW)]

4. 4-1 (Boiler) Proses isobarik

Proses termodinamika dalam boiler adalah proses isobarik, yaitu pembakaran dengan tekanan tetap, perpindahan panas (heat transfer) terjadi pada energi panas pembakaran ke pipa-pipa di dalam boiler hingga menghasilkan uap kerja yaitu uap superheated ataupun uap saturasi tetapi dalam PLTU banyak digunakan uap superheated. Untuk menghasilkan uap pada boiler, air akan melewati beberapa phasa  yaitu economizer (pemanasan awal), evaporator (phasa kesetimbangan perubahan dari cair menjadi uap atau disebut dengan fenomena boiling) yang menghasilkan uap saturasi, selanjutnya uap saturasi di panaskan kembali pada pipa superheater menjadi uap superheated, ketiga phasa ini merupakaan boiler jenis subcritical yang membutuhkan steam drum terlihat pada gambar 1.2, maka nilai panas masuk didapatkan dari hukum termodinamika adalah

Qin = m’ (h1’ – h4)  atau Qin = m’ Cp (T1’-T4)                                 [kJ/s (kW)]

Gambar 1.2 Proses didalam boiler

5.      Parameter kinerja siklus rankine

a.       BWR (Back work ratio)

BWR = Wpompa / Wturbin                                           [kW]

b.      Wnet (Kerja bersih)

Wnet = Wturbin – Wpompa                                          [kW]

c.       Efisiensi termal

ήtermal = Wturbin – Wpompa / Qin                 [%]

2.     Siklus Rankine Reaheat

Untuk pembangkit listrik tenaga uap sangat penting untuk memaksimalkan efisiensi termal dan meminimalkan konsumsi uap spesifik. Modifikasi dari siklus rankine sederhana untuk meningkatkan efisiensi termal, dengan memanfaatkan kembali panas hasil ekspansi pada high pressure turbine (LP) menggunakan reheater kemudian diekspansi ke low pressure turbine (HP). pada dasarnya siklus rankine berkerja dengan tekanan dan temperature tinggi, masalah terjadi ketika menaikan tekanan uap masuk HP turbin akan menghasilkan kadar air pada uap (uap basah) pada keluaran HP turbin, uap basah akan merusak sudu/blade turbin dengan parah (erosi), sehingga mengganggu efisiensi turbin, maka untuk mencegah kerusakan sudu turbin uap basah dari HP tutbin dipanaskan kembali melewati reheater, di mana uap menjadi super panas dan diekspansikan ke LP tutbin. Tujuan mendasar dari pemanasan ulang (Reheater) bukan untuk meningkatkan efisiensi siklus tetapi untuk mengurangi kadar uap air pada keluarn turbin HP, sehingga tekanan boiler dapat ditingkatkan.

Gambar 1.3 Siklus rankine reheat

No	Keterangan	Rumus	Satuan
1	Boiler (Qin)	Qin =  m’ (h1-h2) + m’ (h3-h2)	[kJ/s (kW)]
2	Turbin (Wturbin)	Wturbin              = Wturbin HP + Wturbin LP = m’ (h1-h2) + m’(h3-h4)	[kJ/s (kW)]
3	Pompa (Wpump)	Wpump               = m’ (h6-h5)	[kJ/s (kW)]
4	Wnet	Wnet                    =  Wturbin – Wpump	[kJ/s (kW)]
5	Efisiensi Termal	ήtermal   = Wnet / Qin	[%]

3.     Siklus Rankine Regenerative

Siklus regeneratif adalah bentuk modifikasi dari siklus rankine di mana dirancang untuk meningkatkan temperatur air umpan (feed water) dengan menggunakan alat penukar panas (heat exchanger) sehingga siklus mendekati siklus Carnot. alat penukar panas tersebut ialah Feedwater heater, di mana pertukaran panas terjadi antara dua cairan yaitu uap dan air umpan secara kontak langsung (terbuka) ataupun tidak kontak langsung (tertutup) pada gambar 1.4.

Gambar 1.4 Open dan closed Feedwater heater

Gambar 1.5 Open or direct-contact feedwater heaters

           

       Pada perhitungan akan berlaku prinsip hukum kesetimbangan energi yaitu (Qin = Qout) pada Feedwater heater.

No	Keterangan	Rumus	Satuan
1	Heater 1	m’2 (h2 - h9) = ( 1 – m’2) (h9 - h8)	[kJ/s (kW)]
2	Heater 2	m’3 (h3 - h7) = (1 – m’2 – m’3) (h7 - h6)	[kJ/s (kW)]
3	Qin	Qin = m’ (h1 – h10)	[kJ/s (kW)]
4	Wturbin	Wturbin = (h1-h2) + (1 – m’2) (h2 - h3) + (1 – m’2 – m’3) (h3 - h4)	[kJ/s (kW)]
5	Wnet	Wnet = Wturbin - Wpompa	[kJ/s (kW)]
6	Efisiensi Termal	ήtermal = Wnet / Qin	[%]

               

Berikut ini adalah penerapan siklus gabungan rankine antara Reheat dan Regenerative pada PLTU

1.      Supercritical Boiler 3500 psig turbine cycle heat balance

2.      Subcritical boiler, 2400 psig turbine cycle heat balance