Fasilitas Lapangan Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi

Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) adalah pembangkit listrik yang digerakkan oleh energi panas bumi atau geothermal. Pembangkit jenis ini memiliki 2 sistem utama, yaitu: sistem di bawah permukaan tanah (subsurface system) dan sistem di atas permukaan tanah (surface system). Sistem di bawah permukaan berhubungan langsung dengan sistem geothermal itu sendiri seperti sumber panas, reservoir, mekanisme aliran fluida, dan lain-lain. Sedangkan sistem di atas permukaan tanah merupakan fasilitas lapangan uap yang dikenal sebagai Steam-field Above Ground System (SAGS). Uap yang menyuplai sistem permukaan berasal dari sistem di bawah permukaan.

Fasilitas lapangan uap yang merupakan bagian dari Steam-field Above Ground System (SAGS) terbentang mulai dari kepala sumur produksi hingga ke rumah turbin (power house) dan berakhir di sumur injeksi. Alur dari proses ini telah pernah saya uraikan dalam tulisan sebelumnya berjudul “Sekilas Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi”. Dalam tulisan kali ini saya akan perkenalkan fasilitas-fasilitas lapangan uap yang terdapat dalam alur proses produksi PLTP. Foto-foto yang ditampilkan di dalam tulisan ini merupakan dokumentasi pribadi dari beberapa lapangan geothermal di Indonesia.

1. Sumur Produksi (Production Wells)

Sumur produksi merupakan fasilitas utama yang menghubungkan sistem bawah permukaan (subsurface system) dengan sistem di atas permukaan (surface system). Sumur produksi merupakan pemasok uap yang mengalirkan uap dari reservoir di bawah permukaan menuju ke fasilitas permukaan. Sumur produksi geothermal umumnya memiliki kedalaman sekitar 2 km hingga 3 km di bawah permukaan tanah. Sumur-sumur ini ada yang dibor secara tegak lurus atau vertikal dan ada pula yang dibor dengan arah sudut tertentu (directional wells). Sepanjang lubang sumur diselubungi oleh pipa baja berlapis yang dikenal sebagai casing. Casing ini melekat ke formasi batuan di sampingnya dan disemen berlapis secara khusus. Sumur-sumur berukuran besar (big hole) biasanya memiliki diameter casing produksi  sekitar 13.375 inch (biasa ditulis 13-3/8 inch), yaitu kurang lebih sebesar piring makan.

Sumur Panas Bumi (Geothermal)

2. Kepala Sumur (Wellhead)

Kepala sumur merupakan bagian dari sumur yang terlihat di permukaan. Kepala sumur terdiri dari serangkaian katup (valves), yaitu: master valve, wing valve, service valve, dan bleed valve. Master valve merupakan valve utama yang mengisolasi sumur terhadap permukaan. Fungsi utama dari master valve adalah menutup atau membuka aliran dari dalam lubang sumur ke permukaan. Master valve hanya boleh dioperasikan pada kondisi tertutup penuh (fully closed) atau terbuka penuh (fully open), sehingga master valve tidak dimaksudkan untuk mengontrol aliran.

Kepala Sumur Pada Sumur Geothermal

Wing valve biasanya terdiri dari 2 valve dimana salah satu valve berfungsi untuk membuka atau menutup aliran menuju turbin, sedangkan satu lagi berfungsi untuk mengalihkan aliran ke atmospheric separator atau silencer atau pun rock muffler ketika sewaktu-waktu diperlukan seperti saat uji sumur. Service valve berfungsi untuk memberikan akses masuk ke dalam sumur bagi peralatan logging atau peralatan intervensi lain pada saat dilakukan survei, uji sumur, atau intervensi ke dalam sumur. Bleed valve berfungsi untuk melepaskan aliran uap dari dalam sumur ke permukaan dengan laju alir sangat kecil ketika master valve dalam kondisi tertutup penuh (shut-in), sehingga akumulasi gas berbahaya seperti hidrogen sulfida (H2S) di kepala sumur dapat dihindari.

Pada kondisi tertentu, aliran fluida menuju turbin harus dihentikan sementara sehingga by-pass valve atau wing valve yang lain mesti diaktifkan untuk mengalihkan aliran yang ada. Pengalihan aliran ini dilakukan melalui atmospheric separator atau dikenal juga sebagai silencer (karena juga berfungsi sebagai peredam kebisingan dari suara uap berkecepatan tinggi). Bentuk fisik dari separator atmosferik atau silencer ini bermacam-macam, salah satunya berupa tabung tinggi besar yang terbuka ke atas. Fraksi uap dari fluida akan menguap ke bagian atas separator atmosferik ini sedangkan fraksi air akan jatuh ke bagian dasar karena gaya gravitasi. Oleh karena itu, di bagian dasar separator atmosferik ini selalu terdapat saluran atau water outlet  yang selanjutnya akan mengalirkan fraksi air tersebut menuju kolam penampungan (thermal pond) atau pipa ke sumur reinjeksi.

Separtor Atmosferik & Thermal Pond Di Lapangan Geothermal

Rock muffler adalah peredam atau silencer khusus yang digunakan jika aliran fluida berupa uap kering (tanpa fraksi air). Bentuk fisik dari rock muffler juga bermacam-macam salah satunya berupa wadah khusus yang diisi dengan susunan pecahan-pecahan batuan berpori yang beraneka ragam. Lapangan seperti Kamojang biasa menggunakan rock muffler karena fluida produksi dari sumur Kamojang sudah berupa uap kering.

Contoh Rock Muffler Di Lapangan Geothermal

3. Wellpad

Wellpad merupakan area terbatas di atas permukaan tempat satu hingga beberapa kepala sumur berada. Satu wellpad umumnya memiliki hingga 5 kepala sumur, namun bisa saja lebih dari itu. Luas wellpad biasanya berkisar 100 x 100 meter, tergantung kondisi sekitar tempat wellpad tersebut berada.

Wellpad Di Lapangan Kamojang

4. Pipa Alir

Fungsi utama dari pipa alir adalah mengalirkan fluida (dua fasa) dari kepala sumur menuju separator, mengalirkan uap kering dari separator menuju turbin, mengalirkan air hasil pemisahan (brine) dari separator menuju sumur reinjeksi, serta mengalirkan kondensat dari turbin menuju sumur reinjeksi. Sehingga, pipa alir terdiri dari pipa alir 2-fasa, pipa alir 1-fasa uap, pipa alir 1-fasa brine, dan pipa alir kondensat. Ciri khas pipa alir uap adalah biasanya memiliki diameter lebih besar dibandingkan dengan pipa alir lain karena volume spesifik uap jauh lebih besar dibandingkan volume spesifik air.

Pipa Alir Di Lapangan Geothermal

Pipa alir diselubungi oleh insulator khusus untuk mengurangi kehilangan panas (heat loss) sepanjang pipa alir yang terbentang dari kepala sumur hingga ke rumah turbin. Tujuan lain dari selubung insulator ini adalah agar pipa aman ketika tersentuh baik oleh manusia maupun hewan sekitar.

5. Steam Receiving Header

Steam receiving header adalah stasiun pengumpul uap dari beberapa sumur produksi sebelum uap tersebut dialirkan menuju turbin.

6. Separator dan Demister

Separator adalah tempat untuk memisahkan uap dari air atau pun dari mist juga tempat untuk memisahkan uap dari partikel-partikel padat. Desain dari separator bersama dengan gaya gravitasi yang bekerja memungkinkan uap bergerak ke atas dan air beserta partikel padat jatuh ke bawah. Dengan cara ini, maka uap akan terpisahkan dari air dan partikel padat. Uap selanjutnya dikirim ke pipa alir uap dan air beserta partikel padat dikirim ke pipa alir air (brine).

Separator Di Lapangan Geothermal

Demister adalah peralatan yang berfungsi untuk menangkap butiran-butiran air yang masih tersisa di dalam aliran uap sesaat sebelum uap tersebut masuk ke rumah turbin. Sehingga demister biasanya dipasang tidak jauh dari turbin. Tujuan dari demister adalah menjamin kemurnian dari uap yang akan memutar turbin.

7. Condensate Traps

Condensate traps atau pembuang kondensat berfungsi untuk membuang kondensat yang terbentuk di sepanjang jalur pipa alir uap. Condensate traps biasanya dipasang dengan interval jarak tertentu di sepanjang jalur pipa alir uap tersebut. Dengan adanya condensate traps maka diharapkan uap yang masuk ke rumah turbin sudah benar-benar kering.

8. Scrubber

Kadang di suatu lapangan tidak terdapat condensate traps di sepanjang jalur pipa alir uap. Peran condensate traps ini digantikan oleh scrubber. Bentuk fisik dari scrubber menyerupai separator dan dipasang dekat dengan rumah turbin. Fungsi dari scrubber adalah membuang kondensat yang terbentuk sebelum uap memasuki rumah turbin.

Scrubber

9. Turbin - Generator

Pada pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTP), turbin akan mengkonversi energi termal yang terkandung di dalam uap panas menjadi energi mekanis. Generator selanjutnya akan mengubah energi mekanis ini menjadi energi listrik.

Generator memiliki dua komponen penting yaitu rotor dan stator. Di bagian rotor terletak magnet permanen dan di bagian stator terletak konduktor. Sepanjang terdapat gerak relatif antara medan magnet dengan konduktor atau sebaliknya, maka tegangan akan diinduksikan di dalam konduktor. Oleh karena itu, agar tercipta beda tegangan di antara ujung-ujung konduktor pada stator, maka rotor harus selalu bergerak sehingga terjadi perubahan fluks gaya magnet yang memotong konduktor. Di sinilah peran dari turbin sebagai penggerak utama (prime mover) bagi rotor. Jika rotor dua kutub diputar oleh turbin dengan kecepatan rotasi 3000 putaran per menit maka akan dihasilkan listrik dengan frekuensi 50 Hertz. Frekuensi ini sesuai dengan sistem kelistrikan di Indonesia yang digunakan oleh PLN. Negara lain bisa saja menggunakan listrik berfrekuensi 60 Hertz.

Turbin Generator

10. Kondensor

Kondensor adalah alat yang berfungsi untuk menciptakan kondisi vakum ketika uap keluar dari turbin. Besarnya daya listrik yang dihasilkan oleh PLTP sebanding dengan selisih antara tekanan masuk turbin dan tekanan keluar turbin. Sehingga jika kondisi keluar turbin dapat diciptakan vakum maka selisih tekanan tersebut akan maksimal dan daya listrik yang dihasilkan bisa optimal.

Fluida yang keluar dari turbin akan memasuki kondensor dengan fraksi uap sekitar 80%. Sebagai mana dipahami, volume spesifik uap bisa beribu-ribu kali lebih besar dibandingkan volume spesifik air. Contoh pada temperatur 40 derajat Celcius, 1 kg air dapat ditampung dalam wadah bervolume 1 liter saja, sementara 1 kg uap mesti ditampung dalam wadah bervolume 19517 liter. Sehingga andaikan 1 kg uap yang mengisi penuh ruang volume 19517 liter tersebut dikondensasikan menjadi 1 kg air, maka ruang volume yang besar tersebut akan menjadi kosong tiba-tiba karena sekarang hanya terisi oleh 1 liter air saja, dengan kata lain hanya 0.005% saja dari ruang volume tersebut yang terisi, lebih dari 99.99% sisanya kosong. Prinsip inilah yang digunakan untuk menciptakan kevakuman di dalam kondensor.

Fluida dominasi uap yang memasuki kondesor akan dikondensasikan sepenuhnya menjadi 1-fasa air sehingga uap tidak lagi memenuhi ruang dan kondisi yang mendekati vakum dapat tercipta. Air kondensat ini selanjutnya dikeluarkan dari kondensor dan dipompakan menuju menara pendingin untuk diturunkan temperaturnya.

11. Sistem Pembuang Gas (Gas Removal System / GRS)

Sistem pembuang gas atau dikenal sebagai gas removal system (GRS) berfungsi untuk membuang gas-gas yang tidak terkondensasi atau non-condensibe gas (NCG) keluar dari kondensor. Kehadiran NCG di dalam kondensor akan menurunkan tingkat kevakuman di dalam kondensor. Sebagai mana dibahas di atas, idealnya kondisi di dalam kondensor adalah sevakum mungkin.

12. Main Cooling Water Pump

Main cooling water pump adalah pompa yang berfungsi untuk memompakan air kondensat dari kondensor menuju ke menara pendingin.

13. Menara Pendingin (Cooling Tower)

Fungsi dari menara pendingin adalah menurunkan temperatur air kondensat yang keluar dari kondensor. Air kondensat yang telah diturunkan temperaturnya ini sebagian akan dikembalikan ke kondensor untuk mengkondensasikan fluida berikutnya dan sebagian lagi dialirkan ke sumur reinjeksi untuk dikembalikan ke dalam perut bumi atau reservoir.

Menara pendingin terdiri dari dua jenis, yaitu: mechanical draft cooling tower dan natural draught cooling tower. Pada mechanical draft cooling tower, air panas dari kondensor disemprotkan pada struktur kayu berlapis yang disebut fill. Udara dilewatkan pada bagian bawah fill dan air jatuh dari bagian atas fill. Ketika air mengalir melewati rangkaian fill tersebut, maka perpindahan panas akan terjadi dari air ke udara. Ciri khas dari menara pendingin jenis ini adalah terdapatnya kipas angin (fan) di bagian atas menara yang kecepatannya dapat diatur sesuai dengan kondisi udara luar dan beban dari turbin. Fungsi dari fan ini adalah mengatur aliran udara pendingin.

Mechanical Draft Cooling Tower

Di sisi lain, natural draught cooling tower adalah menara pendingin yang bekerja dengan prinsip hampir sama dengan mechanical draft cooling tower, tetapi aliran udara pendingin pada natural draught cooling tower tidak berasal dari fan. Aliran udara pendingin pada menara pendingin jenis ini terjadi sebagai akibat dari bentuk fisik menara yang berbentuk corong tinggi terbuka ke atas. Saat ini mechanical draft cooling tower lebih umum digunakan di geothermal dibandingkan natural draught cooling tower.

14. Sumur Injeksi (Injection Wells)

Sumur injeksi (atau reinjeksi) adalah sumur yang digunakan untuk mengembalikan air hasil pemisahan dan air kondensat kembali ke dalam perut bumi atau reservoir. Sumur ini biasanya berada pada topografi yang relatif lebih rendah dari sumur produksi atau rumah turbin sehingga tidak diperlukan pompa untuk mengalirkan fluida tersebut menuju sumur injeksi. Namun, kadang kala juga terdapat sumur injeksi pada topografi atau elevasi yang lebih tinggi sehingga diperlukan pompa.

15. Switchyard

Switchyard adalah bagian dari gardu induk terbuka yang dijadikan sebagai tempat untuk menempatkan berbagai peralatan kelistrikan berupa saklar-saklar pengaman, arrester, dan pemutus tegangan tinggi. Bagian-bagian dari switchyard diantaranya: Current Transformer (CT), Potential Transformer (PT), Lightning Arrester (LA), Circuit Breaker (CB), Disconnecting Switch (DS), Earthing Switch (ES), Busbar, Local Control Panel.

Switchyard

Penulis: Robi Irsamukhti

Copyleft

Silahkan mengutip, mengopi bahkan mengeteh, dan menyebarkan materi ini selama menyebutkan penulis dan sumbernya.