TUGAS SKRIPSI
BAB II TINJAUAN PUSTAKA2.1. Cara Kerja Instalasi Turbin
GasTurbin gas merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi
potensial gas menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini
selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran
poros turbin. Poros turbin secara langsung atau dengan bantuan roda
gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Turbin
gas dapat digunakan pada berbagai bidang industri, diantaranya
pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi.
Gambar 2.1. Instalasi turbin gas
(sumber : internet)
Turbin gas merupakan suatu unit yang menggunakan gas sebagai
fluida kerjanya. Kompresor memampatkan udara dari luar menjadi
udara yang bertekanan tinggi dan diumpankan ke ruang bakar.
Bersama-sama dengan udara yang bertekanan tinggi, bahan bakar
dibakar di ruang bakar. Gas panas yang keluar dari pembakar atau
reaktor dapat dipakai langsung sebagai fluida kerja
yang dialirkan ke turbin untuk menggerakkan rotor yang
dihubungkan dengan
generator listrik.
Gambar 2.2. Instalasi turbin gas
(sumber : internet)
2.2. Klasifikasi Turbin Gas2.2.1 Berdasarkan Siklus
Kerja2.2.1.a. Siklus TerbukaPada siklus ini gas hasil pe mb akar an
la ngsung di buang ke udara b eb as setela h diekspansikan di dalam
turbin. Instalasi ini me miliki struktur yang sederhana yaitu
terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan turbin yang berfungsi
sebagai penggerak kompresor dan beban. Skema instalasi turbin gas
siklus ini ditunjukkan pada gambar sebagai berikut :
Udara masuk
Bahan
Bakar
RB
Gas
BuangK TGambar 2.3.Diagram alir turbin gas siklus terbuka
(sumber : lit 1, hal 509)
2.2.1.b. Siklus TertutupSiklus tertutup dibagi menjadi siklus
tertutup langsung dan siklus tertutup tak langsung. Pada siklus
tertutup langsung (direct closed cycle), gas pendingin dipanaskan
di dalam reaktor dan berekspansi melalui turbin, didinginkan di
dalam penukar kalor dan dikompresi kembali ke reaktor. Siklus ini
dapat juga menggunakan gas lain yang bukan hanya udara. Tidak ada
buangan gas radioaktif yang dibuang ke atmosfer dalam operasi
normal. Fluida yang paling cocok untuk ini adalah helium. Sedangkan
pada siklus tertutup tak langsung (indirect closed cycle) merupakan
gabungan siklus terbuka tak langsung dan siklus tertutup langsung,
karena reaktornya terpisah dari fluida kerja oleh suatu penukar
kalor. Sedangkan gas kerja itu membuang kalor ke atmosfer melalui
penukar kalor. Bahan pendingin primer biasanya air, atau gas
helium.
Pada siklus tertutup ini fluida kerja tidak berhubungan dengan
atmosfir sekitarnya, dengan demikian dapat juga dijaga
kemurniannya. Hal ini sangat menguntungkan dari segi pencegahan
kerusakan yang disebabkan oleh erosi dan korosi. Pada sistem ini
dapat juga digunakan dengan udara bertekanan tinggi
sampai 40 atm seperti pada instalasi uap, tetapi kerjanya tidak
mengalami perubahan fasa. Keuntungan pada siklus ini antara lain
adalah :
1. Untuk daya yang sama turbin ini mempunyai ukuran yang lebih
kecil
2. Dapat digunakan pada sistem bertekanan tinggi
3. Lebih menghemat penggunaan bahan bakarPenukar -3
2Kompresor
Beban
Turbin
1 Gas
k
Penukar -Kalor
Gas
K l 4Gambar 2.4. Skema instalasi gas siklus tertutup
langsung
(sumber : lit 1, hal 509)
2.2.1.c. Siklus KombinasiSiklus kombinasi pada umumnya adalah
usaha untuk memanfaatkan gas buang dengan cara menambahkan beberapa
alat sehingga energi yang seharusnya terbuang dapat dimanfaatkan
lagi untuk suatu proses tertentu yang pada akhirnya proses tersebut
akan meningkatkan efisiensi sistem. Turbin gas dengan siklus ini
akan bermanfaat jika dijalankan untuk base load (beban dasar atau
utama) dan secara kontinu.
2.2.2. Berdasarkan Konstruksi2.2.2.a. Turbin Gas Poros
TunggalTurbin satu poros mempunyai kompresor, turbin, dan beban
pada satu poros yang berputar pada kecepatan tetap. Konfigurasi ini
digunakan untuk menggerakkan generator kecil dan generator besar
untuk utilitas.
2.2.2.b. Turbin Gas Poros GandaTurbin ini digunakan untuk
menahan beban dan torsi yang bervariasi dimana poros pertama turbin
dikopel langsung dengan poros aksial. Pada jenis ini, turbin
terdiri atas dua buah yaitu turbin tekanan tinggi dan turbin
tekanan rendah. Turbin dengan tekanan tinggi berfungsi menggerakkan
kompresor dan mensuplai gas panas untuk turbin bertekanan rendah.
Turbin berporos ganda ini juga digunakan untuk sentral listrik dan
industri. Turbin ini direncanakan beroperasi pada putaran yang
berbeda tanpa menggunakan reduction gear. TM 2500 PLTG Paya Pasir
merupakan contoh dari turbin gas poros ganda.
2.2.3. Berdasarkan Aliran Fluida2.2.3.a. Turbin Aliran
AxialAdalah turbin dengan arah aliran fluida diperoleh pada arah
sejajar dengan dengan sumbu poros turbin. Turbin aksial umumnya
sering digunakan untuk kapasitas dan daya besar karena mempunyai
beberapa keuntungan dibandingkan turbin jenis radial. Antara lain
yaitu:
1. Efisiensinya lebih baik
2. Perbandingan tekanan (rp) dapat dibuat lebih tinggi
3. Konstruksinya lebih ringan serta tidak membutuhkan ruangan
yang besar.
Gambar 2.5. Rotor turbin rasio bertekanan tinggi ALSTOM (sumber
: Gas Turbine Engineering Hand book, Meherwan P. Boyce)
Bila ditinjau dari sistem konversi energinya, turbin aksial
dibagi menjadi dua bagian yaitu :
1. Turbin aksial reaksi
Turbin yang proses ekspansinya terjadi tidak saja pada
laluanlaluan sudu gerak, sehingga penurunan seluruh kandungan kalor
pada semua tingkat terdistribusi secara merata.
2. Turbin aksial aksi (impuls)
Merupakan turbin yang proses ekspansi (penurunan tekanan)
fluidanya hanya terjadi pada sudu diam dan energi kecepatan diubah
menjadi energi mekanis pada sudusudu turbin (tanpa terjadinya
ekspansi pada sudu gerak itu).
2.2.3.b. Turbin Aliran RadialTurbin aliran radial adalah turbin
dengan arah aliran fluida diperoleh pada arah tegak lurus dengan
sumbu poros turbin.
Gambar 2.6. Karakteristik turbin aliran radial
Pada turbin radial, ekspansi fluida dari tekanan awal ke tekanan
akhir terjadi di dalam laluan semua baris sudusudu yang berputar.
Turbin radial umumnya digunakan untuk aliran yang kecil, d i m a n
a t u r b i n radial lebih murah dan sederhana untuk dibuat bila
dibandingkan dengan turbin aksial. Sebagai contoh pada instalasi
turbin gas yang kecil dalam bidang automotif dan pompa pemadam yang
dapat dipindahpindah.
2.3. Siklus Kerja Turbin GasTurbin gas secara thermodinamika
bekerja dengan siklus Brayton (Brayton cycle). Siklus ini merupakan
siklus ideal untuk sistem turbin gas sederhana dengan siklus
terbuka. Siklus ini terdiri dari dua proses isobar (tekanan tetap)
dan dua proses adibatik mampu balik (isentropic).
Siklus ideal adalah siklus dengan asumsi :
1. Proses kompresi dan ekspansi terjadi secara isentropik
2. Perubahan energi kinetik dari fluida kerja antara sisi masuk
dan sisi keluar kompresor diabaikan
3. Tidak ada kerugian tekanan pada sisi masuk dan sisi keluar
ruang bakar
4. Laju aliran massa gas dianggap konstan.
Adapun diagram Ts untuk siklus terbuka seperti terlihat pada
gambar 2.7 di bawah ini :
Tq in
3
W out2W in1
4
q outsGambar 2.7. Diagram T s siklus terbuka turbin gas
(Sumber : Lit 1. hal. 510)
Dari gambar diagram T s tersebut, proses yang terjadi adalah :
Proses 1 2 : Proses kompresi isentropik pada kompresor
Proses ini merupakan proses kerja kompresor. Kerja spesifik
kompresor itu sendiri adalah kalor spesifik yang dibutuhkan untuk
menggerakkan kompresor pada kondisi ideal.
WK = Cp ( T2 T1 )= h2 h1
(kJ/kg)....................................lit. 2, hal 38
dimana :
Cp = Panas jenis udara pada tekanan konstan (kJ/kg K) T1 =
Temperatur udara masuk kompresor (K)
T2 = Temperatur udara keluar kompresor (K)
= Temperatur udara masuk ruang bakar
h1 = Entalpi udara spesifik masuk kompresor (kJ/kg)
h2 = Entalpi udara spesifik keluar kompresor (kJ/kg)
= Entalpi udara spesifik masuk ruang bakar
Proses 2 3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan (isobar)
dalam ruang bakar.
Proses ini merupakan proses terjadinya pemasukan panas yang juga
berarti besarnya kalor spesifik pada ruang bakar
Qin = Cp ( T3 T2 )= h3 h2
(kJ/kg)..................................lit 1, hal 510 dimana
:
T3 = Temperatur gas keluar ruang bakar (K)
= Temperatur gas masuk turbin
h3 = Entalpi gas keluar ruang bakar atau entalpi gas masuk
turbin
(kJ/kg)
Proses 3 4 : Proses ekpansi isentropik pada turbin
Proses ini merupakan proses kerja turbin
WT = Cp ( T3 T4 )= h3 h4
(kJ/kg)...................................lit 2, hal 38
dimana :
T4 = Temperatur gas keluar turbin (K)
h4 = Entalpi gas keluar turbin (kJ/kg)
Proses 4 1 : Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan
Proses ini menyatakan besarnya kalor spesifik pada proses
pembuangan kalor
Qout = Cp ( T4 T1 )= h4 h1
(kJ/kg)..................................lit 1, hal 510
Dari kerja spesifik yang terjadi pada setiap proses diatas maka
diperoleh :
1. Kerja Netto Siklus (Wnett)
Kerja netto siklus adalah selisih kerja yang dihasilkan turbin
dengan kerja yang dibutuhkan kompresor tiap kg gas
Wnett = WT - WK= Cp ( T3 T4 ) - Cp ( T2 T1 )Wnett = Cp [( T3 T4
) - ( T2 T1 )]................lit 1, hal 516
Gambar 2.8. Grafik hubungan efisiensi dengan rasio tekanan
(sumber : lit 2, hal 39)
2. Efisiensi siklus (th)
Adalah perbandingan antara kerja netto siklus dengan pemasukan
energi,th, Brayton =
Wnett =
C (T T ) C (T T )...............lit 1, hal 510
Qin
C p (T3 T2 )3. Pressure Ratio (rp)
Adalah perbandingan tekanan dikarenakan proses 1 2 dan 3 4
berlangsung secara isentropis dimana, P1 = P4 dan P2 = P3 maka
( k 1)
P
( k 1)k TT2 = P2 k
= 3
= 3 ...........................lit 1, hal 510 1 1 4 4dimana rp
adalah rasio tekanan,
P2 = r =P1
P3
.................................................................lit
1, hal 510P4sehingga, 1
..............................................lit 1, hal 510th
Brayton = 1 -
( k 1) rp k Proses diatas merupakan proses secara teoritis. Pada
kenyataannya terjadi penyimpangan dari proses tersebut dimana
proses inilah yang disebut proses aktual. Proses aktual ini
diakibatkan oleh :
a. Fluida kerja bukan merupakan gas ideal dengan panas spesifik
konstan, b. Laju aliran massa fluida kerja tidak konstan,
c. Proses yang terjadi di setiap komponen adiabatik,
d. Proses kompresi di dalam kompresor tidak berlangsung secara
isentropik, e. Proses ekspansi di dalam turbin tidak berlangsung
secara isentropis,
f.Proses pembakaran tidak berlangsung secara adiabatik serta
tidak menjamin terjadinya proses pembakaran sempurna
g. Terjadinya penurunan tekanan pada ruang bakar dan turbin.
Penyimpangan yang terjadi dapat dilihat pada gambar 2.9 :Gambar
2.9. Diagram T-s siklus aktual
(sumber : lit 3, hal 37)
4.Efisiensi kompresor dan turbin a. Efisiensi isentropik
Dengan menggunakan konsep enthalpy stagnasi atau temperatur
untuk memperoleh jumlah setiap perubahan dalam energi kinetik
fluida diantara sisi masuk dan buang. Untuk itu diperoleh efisiensi
kompresor dan tubin dengan
menggunakan perbandingan temperatur stagnasi, yaitu :W
'Kompresor : c = =
T02
'T01
................................................lit 2, hal 48W
T02 T01WTurbin : t =
= T03
T04
................................................lit 2, hal 48W '
T03 T04 'Pada perhitungan siklus, nilai untuk c dan t nantinya akan
diasumsikan. Sedangkan temperatur ekivalen dari transfer kerja
adalah untuk memberikan
perbandingan tekanan (ratio pressure), dengan persamaanT P
( k 1) T02 T01 =
01
02 k
1
......................................lit 2, hal 49
C p01 dan, ( k 1) T03 T04 = t .T03 1
p03
1 k/ p04
.......................lit 2, hal 49
b. Efisiensi politropik
Dengan pertimbangan yang membawa kepada konsep politropic
(small- stage) efficiency yang didefenisikan sebagai efisiensi
isentropik yang berkenaan dengan tingkat dalam proses adalah
konstan pada keseluruhan proses.
c = Efisiensi politropik kompresor
c =
dT `dT
kons tan
............................................................lit 2,
hal 51
tetapi :
T( k 1)P k
kons tan
........................................................................lit
2, hal 51
Dimana dalam bentuk diferensial :dT `
k 1 dP
...........................................................................lit
2, hal 51T k PSubstitusikan dengan dT` dari persamaan sebelumnya
maka : dT
k 1 dP
.....................................................................lit
2, hal 51c T k PDengan mengintegralkan antara masukan pada titik 1
dan keluaran pada titik 2
maka : P
( k 1)kln 2 1
............................................................lit
2, hal 51c =
T ln 2 1 Dan untuk efisiensi politropik turbin ;
t = Efisiensi politropik turbin dimana :
T P
t
( k 1)k3 3
......................................................................lit
2, hal 52 4 4 maka :
log T3
k 1 Plog 3 t4 4
Untuk turbin gas pada industri diambil
p01 pa
dan T01 Ta , dimanauntuk gas buang turbin ke atmosfir luar
p04
akan diambil sama dengan
pa . Jikanilai efisiensi isentropik yang diperoleh bervariasi
dengan kompresi atau rasio ekspansi, maka akan ditampilkan pada
gambar 2.10 .
Gambar 2.10. Grafik variasi nilai efisiensi isentropic turbin
dan kompresor dengan rasio tekanan untuk efisiensi politropik
85%
(sumber : lit 2, hal 52)
2.4. Ruang BakarSuatu reaksi kimia dimana suatu bahan bakar
dioksidasi dan sejumlah besar energi dilepaskan disebut pembakaran.
Hal tersebut terjadi di dalam ruang bakar atau combustion chamber.
Pengoksidasi yang paling sering digunakan di dalam proses
pembakaran adalah udara karena pertimbangan udara dapat diperoleh
bebas dan siap tersedia. Kalor spesifik yang masuk (qin) pada ruang
bakar adalah gas hasil pembakaran. Pembakaran ini menaikkan
temperatur gas sekaligus menaikkan enthalpinya dan secara teoritis
terjadi pada tekanan konstan. Seperti yang telah disebutkan diatas
udara dibutuhkan untuk reaksi stoikiometri pembakaran yang dapat
diperoleh dari persamaan umum
CxHy + nO2 aCO2 + bH2O
dimana :
a = x, b = (y /2) dan n = x + (y /4)
2.5. GeneratorPada proses pembebanan arus bolak-balik unsur yang
terlihat dalam konversi energi daya adalah :
1. Daya nyata (V.I.cos) dalam Watt merupakan besaran yang
terlibat dalam konversi daya
2. V.I.cos merupakan daya reaktif yang juga merupakan suatu
kebutuhan yang harus dilayani. Daya reaktif hanya membebani biaya
investasi bukan biaya operasi
Beban membutuhkan daya reaktif karena :
1. Karakteristik beban itu sendiri yang tidak bisa dielakkan
2. Proses konversi daya di dalam alat itu sendiri.
Dari hal diatas disimpulkan bahwa daya yang harus disuplai oleh
turbin kepada generator harus dapat memenuhi kebutuhan daya nyata
atau daya reaktif seperti digambarkan pada gambar 2.11.
dimana :
PPN = Daya berguna/AktifPB = Daya semu
PE PB
PE = Daya reaktif
Gambar 2.11. Daya pada generator
Dalam hal transmisi daya dan putaran ke generator akan terjadi
kerugian mekanis. Sehingga daya yang dibutuhkan generator adalah
daya semu
PB =
PNcos dimana :
Cos = Faktor daya
Sedangkan daya reaktifnya yaitu :PE =
PB g .mdimana : g = Efisiensi generator (0.98)
m = Efisiensi mekanis generator (0,9)
2.6. Laju Aliran Massa UdaraDalam menentukan laju aliran massa
udara dan bahan bakar maka keadaan yang dihitung adalah pada
temperatur ratarata udara atmosfer yang dihisap kompresor. Hal ini
berguna untuk mendapatkan perbedaan daya keluaran sistem agar tidak
terlalu besar bila sistem bekerja pada temperatur udara atmosfer
rendah ataupun temperatur udara atmosfer tinggi.
Laju aliran massa udara dan bahan bakar dapat dihitung dengan
menggunakan prinsip kesetimbangan energi dan instalasi :
PE = PT - PKo o oPE = (( ma + m f
). WTa - ma . WKadimana :o PEma = o 1 m f
W W o . T K m a o PEma = 1 FAR .W
WKo om f = FAR . madimana :oma = Laju aliran massa udara
(kg/s)om f = Laju aliran massa bahan bakar (kg/s)PT = Daya bruto
turbin (kW) WTa = Kerja turbin aktual (kJ/kg)
WKa = Kerja kompresor aktual (kJ/kg)
Dengan diperolehnya massa aliran fluida maka dapat diperoleh
besaran daya setiap komponen yaitu ;
1. Daya kompresoroPK = ( ma ). WK (MW)2. Daya turbino oPT = ( ma
+ m f
). WT (MW)3. Panas yang disuplai ruang bakaro oQRB = ( ma + m
f
). Qin (MW)
p 3 4 p 2 1
T
P
T
P
p
P
T
P
T
P
T
k
T