Penentuan Kapasitas Pembangkitan PLTP (Geothermal Power Plant)

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) pada prinsipnya sama seperti Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), hanya pada PLTU uap dibuat di permukaan menggunakan boiler, sedangkan pada PLTP uap berasal dari reservoir panas bumi. Apabila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin, dan kemudian turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik, untuk penjelasaannya silahkan lihat artikel "Prinsip Dasar Thermodinamika". Apabila fluida panas-bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin.

Banyak sistem pembangkitan listrik dari fluida panas bumi yang telah diterapkan di lapangan, diantaranya:
1. Direct Dry Steam
2. Separated Steam
3. Single Flash Steam
4. Double Flash Steam
5. Multi Flash Steam
6. Brine/Freon Binary Cycle
Brine/Isobutane Binary Cycle
7. Combined Cycle
8. Hybrid/fossil–geothermal conversion system

Artikel ini membahas beberapa metoda yang digunakan untuk menentukan besarnya daya listrik yang dapat dibangkitkan oleh turbin uap. Metoda yang sama digunakan untuk menentukan konsumsi uap apabila kapasitas PLTP-nya telah diketahui/ ditentukan.

1. SIKLUS UAP KERING (DIRECT DRY STEAM CYCLE)

Sistem konversi fluida uap kering merupakan sistem konversi yang paling sederhana dan paling murah. Uap kering langsung dialirkan menuju turbin kemudian setelah dimanfaatkan, uap dapat dibuang ke atmosfir (turbin atmospheric exhaust turbine atau dialirkan ke kondensor (condensing turbine).

Gambar 15.1 Skema Diagram Siklus Uap Kering

Gambar 15.2 Diagram T - S Untuk Sistem Konversi Uap Kering

Pada sistem konversi uap kering, kerja yang dihasilkan turbin ditentukan dengan menggunakan persamaan (15.8) .
Pada Gambar 15.1 dan Gambar 15.2, titik 1 fasa fluida panas bumi berupa uap sedangkan pada titik 2 fluida berupa dua fasa. Proses yang dijalani fluida dari titik 1 ke titik 2 dianggap proses isentropik sehingga entropi pada titik 1 sama dengan entropi pada titik 2, sehingga:
...(15.9)
...(15.10)
Untuk harga tekanan atau temperatur yang ditentukan, harga-harga entropi dan entalpi bisa didapat dari tabel uap. Sehingga dari persamaan (15.10) didapat harga x (fraksi uap) untuk kondisi tekanan atau temperatur pada outlet turbin. Dengan memanfaatkan harga fraksi uap tersebut, didapat entalpi pada outlet turbin :
...(15.11)
Daya turbin kemudian bisa dihitung dengan menggunakan persamaan
...(15.12)
dimana n adalah efisiensi turbin.

2. SIKLUS UAP HASIL PEMISAHAN (SEPARATED STEAM CYCLE)

Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dipakai pada perhitungan daya turbin. Oleh karena itu, sistem konversi energi ini dinamakan Siklus Uap Hasil Pemisahan (Gambar 15.1 dan Gambar 15.2). Siklus ini banyak digunakan pada reservoir panas bumi dominasi air.


Gambar 15.3a Skema Diagram Siklus Uap Hasil Pemisahan

Gambar 15.3b Diagram T - S Untuk Sistem Konversi Uap Hasil Pemisahan

Pada titik 1 fluida panas bumi berupa campuran dua fasa. Sebelum memasuki turbin fluida menjalani proses isentalpik dari titik 1 ke titik 2. Pada kepala sumur diketahui laju alir massa fraksi uap fluida (kualitas uap pada kepala sumur). Pada titik 2 fluida masuk ke separator, sehingga:

...(15.13)
...(15.14)
Dari persamaan (15.14) didapat fraksi uap yang masuk ke separator, sedangkan fraksi airnya dibuang. Pada tekanan dan temperatur inlet turbin ini diketahui entalpi dan entropi fluida dari tabel uap. Entropi pada titik 4 dan titik 5 (inlet dan outlet turbin) dianggap sama (proses yang terjadi di dalam turbin isentropik), sehingga :
...(15.15)
maka fraksi uap yang keluar dari turbin dapat diketahui. Harga fraksi uap ini digunakan untuk menghitung entalpi outlet turbin.
...(15.16)

Daya turbin bisa dihitung dengan menggunakan persamaan


Perhitungan daya turbin pada sistem ini hampir sama dengan perhitungan pada Siklus Penguapan Tunggal, perbedaannya hanya terletak pada penentuan kondisi awal dari fluida. Pada titik 1 fluida berupa campuran dua fasa (fasa cair dan fasa uap), sehingga entalpi fluida sama dengan jumlah entalpi kedua fasa tersebut. Selanjutnya, prosedur penentuan daya turbin sama dengan prosedur perhitungan pada Siklus Penguapan Tunggal.

3. Siklus Penguapan Tunggal (Single Flash Cycle)

Fluida reservoir dalam perjalanannya menuju ke permukaan mengalami penurunan temperatur sejalan dengan terbentuknya uap dari fasa liquid yang ada. Asumsi yang dipakai pada kondisi tersebut ialah bahwa proses yang dialami fluida saat mengalir ke permukaan adalah isenthalpik dengan kesetimbangan termodinamika yang tetap terjaga. Hal ini berarti bahwa tidak terjadi kehilangan panas dari sistem ke lingkungan dan penurunan temperatur yang terjadi adalah akibat dipakainya sebagian panas laten yang ada untuk merubah fasa air menjadi fasa uap.
Salah satu hal yang memungkinkan terjadinya proses penguapan tersebut adalah dengan dipasangnya slotted liner pada zona produksi reservoir tersebut. Slotted liner mempunyai lubang-lubang yang memungkinkan throttling process, dimana selama proses tersebut terjadi enthalpi dari sistem dianggap konstan.
Siklus Penguapan Tunggal (Gambar 15.4 dan Gambar 15.5) kemudian digunakan untuk memanfaatkan energi panas dari fluida ini karena fluida muncul di permukaan sebagai cairan terkompresi atau fluida jenuh (saturated fluid). Energi yang terkandung dalam fluida tersebut dimanfaatkan dengan mengalirkannya ke dalam suatu alat penguap (flasher) yang beroperasi pada tekanan yang lebih rendah daripada tekanan uap kering yang masuk ke turbin. Secara ideal, energi yang maksimum dapat dihasilkan dari air panas tersebut bila temperatur alat penguap berada di antara temperatur air panas dan temperatur kondenser yang dipakai. Temperatur optimum didapat dari temperatur rata-rata antara temperatur saturasi pada kondisi kepala sumur dan temperatur saturasi pada kondisi outlet turbin (kondenser).

Pada Gambar 15.4 dan Gambar 15.5 terlihat proses yang dialami fluida reservoir sampai diinjeksikan kembali ke reservoir. Dari reservoir (1) fluida-dalam hal ini saturated liquid-yang diproduksi ke permukaan mengalami penurunan temperatur yang menyebabkan sebagian kecil fasa cair mengalami perubahan fasa menjadi uap. Sebelum memasuki turbin fluida menjalani proses dari titik 1 ke titik 2 yang merupakan proses isentalpik seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Pada titik 2 fluida masuk ke bejana flasher, sehingga :

...(15.17)
Dari persamaan (15.17) didapat fraksi uap yang masuk ke bejana flasher, sedangkan fraksi airnya dibuang.
Uap yang dihasilkan oleh penguapan pada bejana flasher kemudian dialirkan menuju turbin (4), sedangkan fraksi cair yang tersisa diinjeksikan kembali ke dalam sumur injeksi (3) atau mengalami proses flash kembali untuk menghasilkan uap bertekanan rendah untuk dialirkan pada turbin tekanan rendah pada sistem double flash. Hal ini tidak dibicarakan lebih lanjut.

Fraksi uap yang keluar dari bejana flasher inilah yang kemudian menghasilkan listrik dari perubahan entalpi yang terjadi di dalam turbin (antara titik 4 -5). Bila turbin ideal, maka ekspansi uap akan terjadi secara isentropis. Bila temperatur optimum proses flash dapat diketahui maka tekanan flash yang bersesuaian dapat ditentukan.


Gambar 15.4 Skema Diagram Siklus Penguapan Tunggal

Gambar 15.5 Diagram T - S Untuk Siklus Penguapan Tunggal

Pada tekanan dan temperatur inlet turbin diketahui entalpi dan entropi fluida dari tabel uap. Entropi pada titik 4 dan titik 5 (inlet dan outlet turbin) dianggap sama (proses yang terjadi di dalam turbin isentropik), sehingga :
...(15.18)
maka fraksi uap yang keluar dari turbin dapat diketahui. Harga fraksi uap ini digunakan untuk menghitung entalpi outlet turbin.

...(15.19)
Daya turbin bisa dihitung dengan menggunakan persamaan

...(15.20)
X2 merupakan fraksi uap yang dihasilkan oleh flasher yang dialirkan ke turbin, sedangkan sisanya (1 - X2) dibuang. h4 adalah entalpi pada inlet turbin yang sama dengan tekanan penguapan (tekanan flasher) karena diasumsikan fluida tidak mengalami kehilangan tekanan selama perjalanannya menuju turbin, sedangkan h5 adalah entalpi pada tekanan kondenser.

4. Double Flash Steam
Pada sistem ini digunakan dua pemisahan fluida yaitu separator dan flasher dan digunakan komposisi 2 turbin, HP-turbine dan LP-turbine yang disusun tandem (ganda), lihat Gambar 15.6. Contoh lapangan yang menggunakan sistem konversi seperti ini adalah Hatchobaru (Jepang), dan Krafla (Iceland).


Gambar 15.6 Sistem Konversi Energi Siklus Double Flash

Gambar 15.7 Proses Digambarkan Dalam Diagram T-S

Perhitungan daya listrik untuk sistem double flash dapat dilakukan dengan prosedur sebagai berikut :
1) Buat diagram T-S (temperatur vs. enthalpy) seperti diperlihatkan pada Gambar 15.7.
2) Pada titik 1 ke titik 2, adalah proses dari wellhead ke separator. Kondisi fluida dua fasa, proses yang terjadi adalah isentalpic, yaitu hwell head = hseparator.

hwell head = hfg = enthalpy pada tekanan di kepala sumur (h1). Karena enthalpy separator (h2) sama dengan enthalpy kepala sumur (h1), sedangkan sedangkan enthalpy fluida separator = hf2, dan enthalpy dua fasa separator = hfg2, maka jumlah fraksi uap (x2) dari separator yang masuk ke HP-tubine besarnya adalah :
...(15.21)

sehingga jumlah massa uap (mv1) yang masuk ke dalam HP-turbin sebesar :


...(15.22)

dan jumlah air yang masuk ke flasher (mw2) adalah :


...(15.23)

3) Proses dari titik 2 ke titik 4 adalah dari separator ke inlet turbin. Prosesnya adalah isentalpic, yaitu entalphy uap di separator (h2) sama dengan enthalpy uap di turbin (h4). Sedangkan harga entropy pada titik 4 adalah entropy uap di condensor (S4), besarnya sama dengan entropy separator (S2),

...(15.24)

sedangkan :

...(15.25)

4) Maka Daya listrik pada HP-turbine adalah sebesar :

...(15.26)

5) Dari titik 2 ke titik 3a (dari separator ke inlet flasher), harga enthalpy pada inlet flasher adalah sama dengan harga enthalpy air dari separator, maka h3a = hf separator. Prosesnya adalah isenthalpic maka enthalpy h3 (enthalpy di dalam flasher) = h3a. Dengan demikian fraksi uap dari flasher dapat dihitung sebagai berikut


...(15.27)

6) Jumlah uap yang menuju LP-turbine dapat dihitung sebagai berikut :


...(15.28)

...(15.29)

7) Harga temperatur flasher dapat dihitung dengan persamaan :


...(15.30)
atau
...(15.31)

8) Besarnya enthalpy uap yang masuk inlet LP-turbin adalah sama dengan enthalpy uap flasher:



maka fraksi uap yang masuk ke condensor (X8) adalah :

...(15.32)

sedangkan enthalpy pada condensor :

...(15.33)

9) Maka Daya II, yaitu daya listrik yang dihasilkan dari LP-turbine yaitu sebesar :

...(15.34)

10) Jadi total daya listrik dari HP-turbine dan LP-turbine adalah :


...(15.35)

Tweet

Kategori: Sistem Pembangkitan dan Konversi Energi

Artikel Terkait Lainnya: