TURBIN GAS
Gambar Open dan Close Turbin Gas
1. Proses Kerja
Turbin gas merupakan peralatan pembakit tenaga dimana tenaga
tersebut didapat dari ekspansi gas berkecepatan tinggi dan kemudian
mendorong sudu- sudu yang langsung menghasilkan gerak putar pada
rotornya. Putaran rotor tersebut nantinya dapat dimanfaatkan untuk
memutar generator listrik.Udara masuk kedalam kompresor melalui
saluran masuk udara Kompresor berfungsi untuk menghisap dan
menaikkan tekanan udara tersebut,sehingga temperatur udara juga
meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar.
Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara
mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran
tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat
dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil
pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang
berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya
yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar
kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik,
dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui
saluran buang.
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah
sebagai berikut:
1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan.
2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang
bakar dengan udara kemudian di bakar.
3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke
luar melalui nozel(nozzle).
4. Pembuangan gas (exhaust)gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat
saluran pembuangan.
Gambar. Sistem turbin gas, diagram P-v, diagram T-s
1-2 proses kompresi isentropik (s=c) pada kompressor
2-3 proses pemasukan kalor isobarik (p=c) pada ruang bakar
3-4 proses expansi isentropik (s=c) pada turbin
4-1 proses pelepasan kalor ke atmosfer (p=c)
2. Komponen Utama Dan Fungsinya
Turbin gas tersusun atas komponen-komponen utama seperti air inlet
section, compressor section, combustion section, turbine section, dan
exhaust section. Sedangkan komponen pendukung turbin gas adalah
starting equipment, lube-oil system, cooling system, dan beberapa
komponen pendukung lainnya. Berikut ini penjelasan tentang komponen
utama turbn gas:
1. Air inlet section
Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam
udara sebelum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari:
a. Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana
didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.
b. Invertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau
partikel yang terbawa bersama udara masuk.
c. Pre-Filter, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang
pada inlet house.
d. Main Filter, merupakan penyaring rutama yang terdapat pada
bagian dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini
masuk ke dalam kompressor aksial.
e. Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada
saat memasuki ruang kompressor.
f. Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai
pengatur jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang
diperlukan.
2. Compressor section
Komponen utama pada bagian ini adalah aksial flow compressor,
berfungsi untuk mengkompresikan udara yang berasal dari inlet air
section hingga bertekanan tinggi sehingga pada saat terjadi
pembakaran dapat menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang
dapat menimbulkan daya output turbin yang besar
3. Combustion section
Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan
fluida kerja yang berupa udara bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi.
Hasil pembakaran ini berupa energi panas yang diubah menjadi energi
kinetik dengan mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces
yang juga berfungsi sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem
adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin
4. Turbin Section
Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik
menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak compresor
aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-
kira 60 % digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan
sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan.
5. Exhaust Section
Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai
saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas.
Gambar Sistem Kerja Uap
3. Formulasi
a. Kompressor
Wc = m . Cp . ΔT = m . Cp ( T2 – T1)
Karena pada proses isentropis maka berlaku hukum =( )k/k-1
b. ruang bakar
QRB = m . Cp ( T3 – T2)
c. turbin gas
WT = m . Cp ( T3 – T4)
d. pembuangan kalor
Qout = m . Cp ( T4 – T1)
Dimana :
m = laju alir massa fluida
Cp = panas jenis fluida
K = konstanta udara
Dan efsiensi thermal ɳth = Wnet / QRB dan Wnet = WT - WC
4. Inovasi
dengan menggunakan intercooler
Dengan menggunakan intercooler disini karena menggunakan dua
kompressor maka
Wc1= m . Cp . ΔT = m . Cp ( T2 – T1)
Wc2 = m . Cp . ΔT = m . Cp ( T4 – T3)
W tot = Wc1 + Wc2, dan Wnet = WT – Wnet
Untuk efisiensi ɳth = Wnet / QRB
TURBIN UAP
1. Proses Kerja
Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar dimana
fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari
proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap
panas dibangkitkan di dalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk
memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada
reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga
temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap
untuk diekspansi yang akan menghasilkan energi mekanik. Di dalam
turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik di dalam
sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin
uap akan menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga
uap.
Proses termodinamika
dari siklus Rankine di atas
adalah sebagai berikut
1-2 proses
kompresi adiabatis
berlangsung pada pompa
2-3 proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler
3-4 proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin uap
4-1 proses pengeluaran panas pada tekanan konstan pada kondensor
Fluida kerja berupa air jenuh dari kondensor dikompresi di pompa
sampai masuk boiler . Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan
temperatur T1 ke T2 kemudian di dalam boiler air dipanaskan dari T2 ke
T3. Sumber energi panas (qmasuk) berasal dari proses pembakaran atau dari
energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap panas
masuk masuk turbin dan berekspansi sehingga temperatur dan tekanan
turun (T3 ~T4). Selama proses ekspansi pada turbin terjadi perubahan dari
energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu menghasilkan
putaran poros turbin. Uap yang ke luar dari turbin kemudian dikondensasi
(pendinginan) pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi
mengembun, kemudian siklus berulang lagi.
2. Komponen Utama Dan Fungsinya
a. Boiler
Peralatan yang paling penting pada mesin tenaga uap berbentuk bejana
tekan berisi fluida air yang dipanasi lansung oleh energi kalor dari
proses pembakaran, atau dengan elemen listrik atau energi nuklir. Air
pada boiler akan terus menyerap kalor sehingga temperaturnya naik
sampi temperatur didih, sehingga terjadi penguapan. Pada boiler yang
menggunakan drum sebagai penampung uap, air akan mengalami
sirkulasi selama proses pendidihan.
b. Turbin Uap
Perlatan yang paling utama dalam sistem tenaga uap adalah TURBIN
UAP. Turbin uap berfungsi sebagai tempat untuk mengkonversikan
energi yang terkandung dari uap panas dari boiler menjadi energi
mekanik poros turbin. Secara umum turbin uap dibagi menjadi dua
yaitu turbin uap jenis impuls dan jenis reaksi. Prinsip kerja kedua jenis
turbin uap sudah dibahas pada bab turbin. Komponen turbin uap yang
paling penting adalah sudu-sudu, karena di sudu-sudu inilah sebagian
besar energi uap panas ditransfer menjadi energi mekanik
c. Kondensor
Proses konversi energi dari satu energi menjadi energi lainnya untuk
mesin-mesin panas selama transfer energi selalu ada transfer panas
pada fluida kerja. Jadi tidak semua energi panas dapat dikonversikan
menjadi energi berguna atau dengan kata lain "harus ada yang dibuang
ke lingungan" Pada sistem tenaga uap proses transfer panas ke
lingkungan terjadi pada kondensor. Sudah jelas fungsi kondensor
adalah alat penukar kalor untuk melepaskan panas sisa uap dari turbin.
Uap sisi dari turbin uap masih dalam keadaan uap jenuh dengan energi
yang sudah berkurang. Di dalam kondensor semua energi dilepaskan
ke fluida pendingin
d. Pompa
Fluida hasil kondensasi di catu kembali ke boiler. Fluida kerja / air
dipompa dari tekanan rendah ke tinggi, dan pada proses ini fluida kerja
masih berfase cair sehingga pompa tidak membutuhkan input tenaga
yang terlalu besar. Proses ini dinamakan proses kompresi-isentropik
karena saat dipompa, secara ideal tidak ada perubahan entropi yang
terjadi
3. Formula
Efisiensi termal dari siklus rankine adalah perbandingan antara
kerja yang dihasilkan oleh turbin uap yang sudah dikurangi kerja pompa,
dengan energi panas yang masuk dari boiler. Sebelum lebih lanjut
membahas efisiensi termal dari siklus rankine, lebih mudah kita
memahami dengan membahas proses-proses yang terjadi di dalamnya.
Siklus rankine menjadi salah satu bentuk rekayasa energi untuk
memanfaatkan hukum kekekalan energi. Sumber energi yang berlimpah di
bumi dimanfaatkan untuk dikonversikan menjadi bentuk energi yang lain
yang lebih bermanfaat bagi manusia. Energi yang digunakan di awal
proses siklus rankine adalah energi panas. Energi panas ini dapat diambil
hasil pembakaran bahan bakar fosil, penggunaan panas bumi, atau dari
reaksi nuklir.
Energi panas dari sumber-sumber di atas ditransfer ke fluida kerja,
seperti air misalnya. Apabila bahan bakar yang digunakan adalah batubara
maka proses ini terjadi di boiler. Dan nilai kalor yang diserap oleh uap air
dapat dihitung menggunakan rumus berikut:
Qin = m(h3 – h2)
Uap air superheated dari boiler kemudian masuk ke turbin uap
untuk mengalami konversi energi menjadi energi gerak. Uap air
mengalami penurunan entalpi pada saat proses konversi energi panas
menjadi energi gerak, ditunjukkan oleh garis 3-4 pada gambar di atas.
Penurunan entalpi tersebut dapat digunakan untuk menghitung besar
energi gerak yang dihasilkan oleh turbin menggunakan rumus berikut:
Wout = m(h3 – h4)
Uap air yang keluar dari turbin uap masuk ke kondensor untuk
diubah kembali fasenya menjadi cair. Di sini dapat kita lihat bahwa ada
energi panas yang tidak dikonversikan seluruhnya menjadi energi gerak
pada turbin uap, karena energi tersebut untuk merubah fase air menjadi
uap air (panas laten). Uap air yang terkondensasi mengalami penurunan
entalpi (garis 4-1) dan penurunannya dapat digunakan untuk menghitung
energi panas yang dikeluarkan menggunakan rumus berikut:
Qout = m(h4 – h1)
Proses selanjutnya adalah air hasil kondensasi dipompa untuk
dinaikkan tekanannya sebelum masuk ke boiler. Pada proses yang
ditunjukkan oleh garis 1-2 ini air tidak mengalami banyak kenaikan nilai
entalpi. Artinya energi yang diberikan kepada air tidak terlalu signifikan.
Nilai energi yang masuk dapat dihitung dengan menggunakan rumus
berikut:
Win = m(h1 – h2)
Pada awal pembahasan di atas saya sudah menjelaskan pengertian
dari efisiensi termal. Dan sekarang mari kita jabarkan rumusnya agar lebih
mudah untuk memahami:
ηtermal = (Wout – Win) / Qin
Untuk lebih mudah menghitung kita dapat menghilangkan variabel
massa (m) pada setiap persamaan, karena pada perhitungan akhir efisiensi
termal variabel ini saling membagi.
4. Inovasi
Secara ideal efisiensi termal dari siklus rankine berkisar di angka
42%. Ada beberapa cara untuk meningkatkan efisiensi termal siklus
rankine dengan memodifikasi siklusnya.
Reheater Pada Siklus Rankine
Cara pertama adalah dengan menggunakan reheater. Menggunakan dua
turbin uap (High Pressure dan Low Pressure) yang keduanya berada pada
satu poros. Uap air yang keluar dari turbin High Pressure masuk kembali
ke boiler untuk dipanaskan kembali menjadi uap superheat. Setelah itu uap
air tersebut kembali masuk ke turbin uap Low Pressure. Dari turbin kedua
ini uap air masuk ke kondensor. PLTU modern sudah banyak
menggunakan tiga atau bahkan 4 turbin uap, yaitu High Pressure Turbine,
Intermediate Pressure Turbine, dan Low
Pressure Turbine. Uap air reheater masuk
kembali ke turbin intermediate pressure,
selanjutnya tanpa mengalami reheater lagi
uap air yang keluar dari intermediate pressure
turbine masuk ke low pressure turbine.
Gambar Siklus Rankine Dengan Reheater
Dari modifikasi ini dapat kita tambahkan dalam hitungan efisiensi termal siklus energi panas masuk pada saat reheater (Qin reheater) serta output kerja pada turbin low pressure (WLPT out). Sehingga nilai kalor total yang masuk ke fluida kerja adalah:
Qtotal = Qin boiler + Qin reheater
Qtotal = m(h3 – h1) + m(h5 – h4)
Sedangkan nilai kerja output keluar total adalah:
Wout total = WHPT out + WLPT out
Wout total = m(h3 – h4) + m(h6 – h5)
Penambahan penggunaan satu tahap reheat akan meningkatkan efisiensi
termal siklus rankine sebesar 3-4%, penambahan dua tahap reheater
menaikkan efisiensi sebesar 1,5-2%, penambahan tiga tahap reheater
menaikkan efisiensi sebesar 0,75-1%, dan begitu seterusnya. Akan tetapi
umumnya hanya dipergunakan satu tahap reheater saja.
TUGAS MESIN – MESIN TERMAL
TURBIN GAS DAN TURBIN UAP
Recommended