Session 17 Steam Turbine Theory - Aris Febriantara · PDF fileCara Kerja dan Bagian-Bagian Turbin Uap Bertingkat ... • h = selisih entalpi dari ekspansi isentropik antara uap baru

Session 17Steam Turbine Theory

DSS Head Office, 27 Oktober 2008

PT. Dian Swastatika Sentosa

1. Pendahuluan2. Bagan Proses Tenaga Uap3. Air dan Uap dalam diagram T – s dan h – s4. Penggunaan Diagram h – s5. Daya yang Dihasilkan, Efisiensi, dan Kapasitas Uap6. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran7. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas8. Aliran Uap Ketika Melewati Fixed Blade dan Moving Blade9. Cara Kerja dan Bagian-Bagian Turbin Uap Bertingkat10. Back-Pressure Turbine dan Condensing Turbine

Outline

1. Pendahuluan

Steam merupakan air dalam wujud gas

Definisi Steam

Definisi Steam Turbine“Sebuah steam turbine didefinisikan sebagaisuatu mesin yang mengubah energi steam menjadi energi kinetik dengan melakukan

ekspansi melalui nozzle, dan energi kinetik yang dihasilkan oleh semburan steam yang diubah

menjadi daya kerja pada sudu-sudu yang terdapat pada bagian yang berputar.“

Dengan kata lain: “Sebuah steam turbine adalah penggerak

utama yang mengubah energi panas dari steam langsung menjadi energi putaran mesin.”

1. Pendahuluan

• Steam Turbine digerakkan oleh fluida : superheated steam atau saturated steam

• Efisiensi Steam Turbine dipengaruhi oleh : diameter roda turbin, jumlah tingkat, panjang sudu, dan penampang bagian- bagian yang menghantarkan uap.

• Kerja Steam Turbine dipengaruhi panas jatuh. Panas jatuh yang terjadi merupakan selisih entalpi yang terjadi pada turbin stage pertama dan terakhir akibat ekspansi uap.

1. Pendahuluan

1. Pendahuluan

Superheated SteamSaturated Steam

Single stageMulti Stage

High PressureIntermediate Pressure

Low Pressure

AxialRadial

Condensing•Full Condensing

•Extraction-Condensing

Non-Condensing•Back Pressure

•Extraction-Back Pressure

Proses OutputInput

Efisiensi

Konstruksi Turbin

Condensing Turbine Non-Condensing Turbine

1. Pendahuluan

Radial Blade Turbine Axial Blade Turbine

1. Pendahuluan

Hero’s Aelopile

Branca’s Steam Turbine

Impulse Steam Turbine

Reaction Steam Turbine

1. Pendahuluan

Steam TubineThermodynamic Process

1. Pendahuluan

Efficiency Definition

1. Pendahuluan

23

12

hhmQ

hhmWW

in

C

P

41

43

hhmQ

hhmW

out

t

2. Bagan Proses Tenaga Uap

2.1. Saturated Rankine Cycle in PLTN

2. 2. Superheated Rankine Cycle

2.3. Superheated-Reheated Rankine Cycle

Steam Table• Tabel uap terbagi atas 2 bagian, yakni : tabel uap

jenuh (saturated steam) dan tabel uap lanjut(superheated steam).

• Masing- masing tabel uap tersebut memuat besaran-besaran ukur: pressure (P), temperature (T), specific volume (v), specific enthalpy (h), and specific entropy (s)

3. Air dan Uap Air Dalam Diagram T – s dan h – s

3.1. Diagram T - s

X= kg uap / kg campuran uap dan air)

Besarnya temperatur didih bergantung tekananyang bekerja pada sistem tersebut.

dQ = T ds

lihat gambar berikutBerapakah selisih entalpi seluruhnya dari proses isentropic h = h1-h2 dalam kJ/kg?

Berapakah entalpi uap bekas yang keluar dari mesin?

Bisa mencapai berapakah efisiensi teoritis ηtt, bila untuk dua prosestenaga uap dengan tujuan yang sama yaitu perpindahan energi, tetapi bekerja dengan data uap yang berlainan?

a. Uap dengan tekanan tinggi yang bekerja di dalam suatu turbin uapdengan kondensasi

b. Uap dengan tekanan menengah yang bekerja di dalam suatulokomotif uap

3.2. Diagram h - s

Contoh 1.

1 2

1u tt

h hh

3.2. Diagram h - s

Panas Jatuh (Δh) = h1 – h2

Efisiensi konversi energi kalormenjadi energi mekanik

Back

– perubahan keadaan isobar– penentuan panas jatuh– proses pencekikan (throttling)

4. Penggunaan Diagram h – s

Mollier Diagram

Dalam daerah uap basah garistemperatur tidak ada, karena temperaturuap basah antara x = 0 sampai x = 1 adalah selalu tetap konstan, tergantungkepada tekanan yang dipunyaitemperatur didih air, yang diambil daritabel uap

Peristiwa a : Perubahan keadaan isobar

Uap yang lembab dengan tekanan 10 bar dan x = 0,96 (4% air) harus dipanaskan lanjut sampai 10 bar, 4000C

• Berapakah jumlah kalor yang diperlukan?• Berapakah temperatur uap lembab tersebut?• Berapakah spesifik volume v yang dipunyai uap panas lanjut dan uap yang lembab?

4. Penggunaan Diagram h – sContoh 2

Peristiwa b : Penentuan panas jatuh

• Berapakah panas jatuh (selisih entalpi) h yang terdapat pada turbin bila uap baru dengan tekanan 10 bar/4000C berekspansi isentropik sampai 0,05 bar?

• Berapakah keadaan uap bekas yang keluar dari turbin? Bila di dalam turbin terdapat kerugian perpindahan energi sehingga ηi = 0,80, bagaimanakah keadaan uap bekas dari turbin?


Peristiwa c :Proses pencekikan (throttling)

Uap baru dengan kondisi 40 bar/4000C di ekspansikan di dalam turbin sampai tekanannya menjadi 1 bar. Sehingga terdapat panas jatuh isentrop sebesar h = 760 kJ/kg.• Bagaimanakah kondisi uap baru yang masuk ke turbin, bila katup pemasukan uap sebelum turbin ditutup perlahan-lahan dicekik sampai 4 bar (uap yang keluar dari katup dan masuk ke turbin menjadi bertekanan 4 bar)? • Setelah proses pencekikan, berapakah panas jatuh isentrop yang bekerja di dalam turbin?


Steam Turbine Moisture Separation and Steam Reheating

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas


Reheater Assembly


Actual Moisture Separator


Moisture Separator ReheaterGuangdong Sizewell N.P.S.


Open or Direct Contact Feedwater Heater System


Feedwater Heating (Direct Contact Heater)


Closed or Surface (Tubed) Feedwater Heater System


Feedwater Heating(Surface (Tubed) Heater)


Feedwater Heating(Multiple Heaters)


Efficiency Gain With Feedwater Heaters


– Perbaikan dengan jalan pemanasan ulang

• Dengan menggunakan Re-Heater

• Steam yang keluar dari HP turbin dipanaskan kembali di Boiler dan dimasukkan kembali di IP Turbin

• Menaikkan 3 - 4 % efisiensi


)()()(

aihgfedcbaiabhaihgfedcba

u

Akan mengembun

Perbaikan dengan jalan pemanasan pendahuluan air umpan boiler dengan uap yang di ekstraksi dari turbin uap (sistem regeneratif) Dengan menggunakan ekstraksi steam dari turbin

untuk memanasi air umpan menuju boiler Dengan LP Heater, HP Heater, IP Heater Menaikkan 7% efisiensi


Pemanasan pendahuluan air umpan boiler dengan uap yang di ekstraksi dari turbin.

Proses siklus dengan data uap dari turbin ekstraksi 1 tingkat terdapat pada gambar dibawah ini :


Contoh 3


Uap baru yang masuk ke dalam turbin = uap yang keluar dari boiler = 160 bar, 5300C.

Uap ekstraksi tekanannya 16 bar, x = 1 mengikuti proses ekspansi isentropik.

Tekanan uap bekas yang keluar dari turbin = 0,04 bar.Perhitungan dilakukan terhadap tiap 1 kg uap baru yang masuk ke dalam turbin.

• Berapakah uap ekstraksi (yang harus dikeluarkan dari turbin) z dalam kg/kg yang diperlukan untuk pemanasan pendahuluan air kondensat utama dari temperatur TKA = 290C dan hKA = 121 kJ/kg menjadi air pengisi ketel dengan temperatur TKE = 1900C dan hKE = 810 kJ/kg? Uap ekstraksi meninggalkan turbin dengan tekanan 16 bar, x = 1 dan T = 2010C (tabel uap). Di dalam pesawat pemanas lanjut uap ekstraksi ini akan mengembun dan setelah menyerahkan kalor keadaannya menjadi hzK = 856 kJ/kg sesuai dengan temperatur didih 2010C (dari tabel uap).

• Berapa persenkah perbaikan efisiensi termis yang bisa dicapai proses ini?


• h = selisih entalpi dari ekspansi isentropik antara uap baru yang masuk kedalam turbin dengan uap bekasnya yang keluar dari turbin, dalam kJ/kg.

• ms = Kapasitas uap (masa uap yang masuk ke dalam turbin persatuanwaktu), dalam kg/detik.

• ηi = efisiensi dalam turbin• ηm = efisiensi mekanis dari turbin

6. Daya Yang Dihasilkan, Efisiensi, dan Kapasitas Uap

mismhP Daya yang dihasilkan

mie Efisiensi kopling dari turbin

Bekerjanya turbin tergantung kepada panas jatuh, keadaan uap dankapasitas uap yang dimasukkan ke dalam sebuah atau ke dalam keduarumah turbin.

6. Daya Yang Dihasilkan, Efisiensi, dan Kapasitas Uap

7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran

Bagan cara kerja uap ketika sedang melewati sudu-sudu turbinuap satu tingkat, bentuk penampang sudu pengarah dibuatsedemikian rupa supaya dapat melaksanakan ekspansi uapdengan pertambahan kecepatan yang tertentu. Akibat dariekspansi itu menghasilkan pertambahan volume.

Moving BladeFixed Blade

cAvms Persamaan Kontinuitas

cVA s

vmV ss


Asumsi kapasitas uap 1 kg/detik

ms = kapasitas uap (kg/detik)

V = volume spesifik (m3/kg)

A = luas penampang saluran (m2)

c = kecepatan uap masuk dan keluarsaluran (m/detik)

Vs=volume aliran uap

1sin LDA


Bagan penampang saluran suatu tingkat turbin uap

3,0DL

Uap baru dengan tekanan 170 bar, 5300C diekspansikan sampai0,065 bar dengan kondisi akhir x = 0,9. daya pada kopling yang dihasilkan turbin P = 150.000 kW (150 MW). Turbin memakaipemanasan ulang dan juga menggunakan pemanasan pendahuluanair ketel (Feedwater heater), dengan adanya uap yang diekstraksidari turbin maka kondisi uap menjadi seperti berikut :Volume spesifik dan kapasitas aliran uap dalam turbin didapat dari

vmV ss

Tingkat Pertama Terakhir

ms 120 80 kg/det

v 0,019 20 m3/kg

Vs 2,25 1600 m3/det

Perhitungan kasar untuk Diameter tingkat (diameter rata-rata lingkaran sudu) dan panjang sudu.


Contoh 4


Tujuan : untukmenghindari jangansampai diameter tingkat (diameter rata-rata lingkaran sudupada tingkat itu) terlalu besar dankecepatankelilingterlalu tinggi, makauap yang keluar dariturbin dengan tekanantinggi dibagi menjadibeberapa aliran uapdan dimasukkan kedalam beberapa buahturbin tekanan rendah.

Different Applications

Turbine Expansion Lines

Turbine Configurations

1 2 1 22 1000 ( ) 44,72c h h h h Kecepatan keluar sudu

2

2000stch

Energi Tempat + Energi Kecepatan + Energi Tekanan + Energi Dalam = Konstan

2 21 2

1 1 1 2 2 2

2 22 1

1 2

22 1 2 2

2 2

2 22 ( )

c cP v u P v u

P v u hc c h h

c h h c

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

Uap dengan tekanan 20 bar, 3500C di ekspansikan dalam suatu alat pengarah (Nozzle) yang sempurna tanpa kerugian menjadi uap dengan tekanan 3 bar. Berapakah kecepatan akhir uap itu bila kecepatan awalnya c1 = nol? Bagaimanakah kondisi uap di bagian keluar, bila harga-harga uap tersebut dibaca dari diagram h – s?


Contoh 5

– Banyaknya aliran uap, perbandingan tekanan, bentuk penampang saluran


Suatu masa aliran uap panas ms = 1 kg/detik dengan P1 = 20 bar dan T1 = 3500C harus diekspansikan isentropiksampai 3 bar.

Penampang saluran A harus dilaksanakan bagaimanasupaya bisa memenuhi persamaan kontinuitas?

Contoh 6


p1 20 20 20 20 20 20 20 bar

px 20 15 10,9 8 6 5 3 bar

h1 3140 3140 3140 3140 3140 3140 3140 kJ/kg

hx 3140 3060 2920 2912 2850 2810 2715 kJ/kg

h1-hx 0 80 160 228 290 330 425 kJ/kg

cx 0 400 565 675 763 812 920 m/s

vx 0,140 0,175 0,224 0,280 0,350 0,400 0,600 m3/kg

Ax 436 395 415 460 493 654 mm2

– Perbandingan tekanan-laval, fungsi pengaliran

1

1

2s sPm Av


1( 1)

( )2

1 1s maks

Massa uap yang mengalir persatuan waktu

Fungsi pengaliran


Gas atau uap air pL/p1 s maks

Gas dengan 2 atom, udara 1,4 0,528 0,484

Gas dengan 3 atom, uap panas lanjut 1,3 0,546 0,473

Uap jenuh 1,135 0,577 0,450

Uap basah = 1,035 + 0,1 . x Harga dihitung


Lintasan bilangan pengaliran s terhadap perbandingan tekanan p/p1

– Di bawah kecepatan suara, kecepatan suara, dan di atas kecepatan suara


1 12 ( 1)L

L L L

c P v

c P v

10 , 5 7 7LP P

10,546LP P

Untuk uap jenuh

Untk uap panas lanjut

Kecepatan suara

Untuk p1 = 100 bar, T1 = 4500C besarnya pL = 54,6 bar dan cL = 565 m/s. untuk p1 = 0,8 bar, x = 0,95 besarnya pL = 0,462 bar dan cL = 430 m/s.

Kecepatan uap diatas kecepatan suara di dalam turbin uap terjadi pada “tingkat curtis”, dan juga terjadi di dalam tingkat terakhir dari turbin uap yang besar dan menggunakan kondensasi.


Contoh 7

– penampang saluran pada turbin


Sudu Pengarah (Fixed Blade) Nozzle Laval


Sudu Jalan (Moving Blade)

Impulse Steam Turbine Reaction Steam Turbine

8. Aliran Uap Ketika Melewati Turbin

– Perubahan tekanan dan kapasitas uap yang masuk ke dalam turbin

• Luas penampang saluran nozzle dan sudu-sudu di dalam turbin dibuat untuk kondisi operasi turbin dengan beban penuh.

• Jika turbin dioperasikan dengan kondisi beban sebagian atau lebih besar dari beban penuh, maka distribusi tekanan di dalam tingkat turbin akan berubah.


– Perubahan tekanan dan kapasitas uap yang masuk ke dalam turbin

• p/p1 berubah akan menimbulkan perubahan bilangan pengaliran s, jika perubahannya sampai di bawah tekanan laval, maka kecepatan masa uap yang mengalir per satuan waktu ms di bagian keluar saluran pengarah akan mencapai kecepatan suara

• Ekspansi uap yang selanjutnya sampai di bawah tekanan laval terjadi di dalam ruang sebelah belakang saluran pengarah, dengan demikian penampang keluar dari saluran pengarah berfungsi sebagai penampang tersempit dari nozzle laval.


9. Cara Kerja dan Bagian-Bagian Turbin Uap Bertingkat

1. Turbin Kondensasi (Condensing Turbine)

Turbin yang saluran keluarnya dihubungkan dengan kondenser, sehingga tekanan uap pada saluran keluarnya mendekati tekanan vakum

10. Back-Pressure Turbine dan Condensing Turbine

Condensing turbine < 1 bar (0,04 bar s.d. 0,1 bar)

2. Turbin Tekanan Balik (Backpressure Turbine)

Turbin yang tekanan uap keluarnya dikontrol dengan sebuah pusat pengatur yang menjaga proses steam pada tekanan yang diinginkan.

Back-Pressure Turbine > 1 bar

10. Back-Pressure Turbine dan Condensing Turbine

Hubungan Antara Tekanan dan Flow Steam, dan Turbine Load

1 Bar = 100 kPa

= 0,1 MPa

= 0,986923 atm

= 1,0197 kg/cm2

= 100.000 N/m2

1 BTU/lb = 0,556 Kcal/kg

= 2,33 kJ/kg

273degdeg

32deg59deg

)32(deg95deg

CKelvin

CxF

FxC

Konversi Satuan

Session 17 Steam Turbine Theory - Aris Febriantara · PDF fileCara Kerja dan Bagian-Bagian Turbin Uap Bertingkat ... • h = selisih entalpi dari ekspansi isentropik antara uap baru

Documents