Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

of 57 /57
PENGOPERASIAN TURBIN UAP [B.1.1.1.03.3] Edisi I Tahun 2013

description

for power plant engineer

Transcript of Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Page 1: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

PENGOPERASIAN TURBIN UAP

[B.1.1.1.03.3]

Edisi I Tahun 2013

Page 2: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

i

PENGOPERASIAN TURBIN UAP

(B.1.1.1.03.3)

TUJUAN PEMBELAJARAN :

Pembelajaran ini berkaitan dengan pemahaman tentang analisa vibrasi dasar sebagai

salah satu tools dalam memonitor dan mengevaluasi kondisi peralatan pada Pusat

Pembangkit Tenaga Listrik Sesuai dengan prinsip pemeliharaan berbasis Condition Base

Maintenance (CBM)

DURASI : 76 JP / 10 HARI EFEKTIF

TIM PENYUSUN : 1. HAULIAN SIREGAR

TIM VALIDATOR : 1. RODI CAHYAWAN

2. MURDANI

3. GATUT PUJO PRAMONO

4. WINOTO

Page 3: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

ii

SAMBUTAN

CHIEF LEARNING OFFICER

PLN CORPORATE UNIVERSITY

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas rahmat, taufik dan hidayahNya

penyusunan materi pembelajaran ini bisa selesai tepat pada waktunya.

Seiring dengan metamorfosa PLN Pusdiklat sebagai PLN Corporate University, telah disusun beberapa

materi pembelajaran yang menunjang kebutuhan Korporat. Program pembelajaran ini disusun

berdasarkan hasil Learning Theme beserta Rencana Pembelajaran yang telah disepakati bersama dengan

LC (Learning Council) dan LSC (Learning Steering Commitee) Primary Energy & Power generation

Academy. Pembelajaran tersebut disusun sebagai upaya membantu peningkatan kinerja korporat dari

sisi peningkatan hard kompetensi pegawai.

Dengan diimplementasikannya PLN Corporate University, diharapkan pembelajaran tidak hanya untuk

meningkatkan kompetensi Pegawai, namun juga memberikan benefit bagi Bussiness Process Owner

sesuai dengan salah satu nilai CORPU, yaitu “Performing”. Akhir kata, semoga buku ini dapat

bermanfaat bagi insan PLN.

Jakarta, Desember 2013

Chief Learning Officer

SUHARTO

Page 4: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

iii

KATA PENGANTAR

MANAJER PLN PRIMARY ENERGY & POWER GENERATION ACADEMY

PLN CORPORATE UNIVERSITY

Puji syukur ke hadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat, taufik serta hidayahnya, sehingga

penyusunan materi pembelajaran “PENGOPERASIAN TURBIN UAP” ini dapat diselesaikan dengan baik

dan tepat pada waktunya.

Materi ini merupakan materi yang terdapat pada Direktori Diklat yang sudah disahkan oleh Direktur

Pengadaan Strategis selaku Learning Council Primary Energy & Power Generation Academy. Materi ini

terdiri dari 7 buku yang membahas mengenai Prinsip Kerja Turbin Uap, Jenis dan Konfigurasi Turbin Uap,

Sistem dan Alat Bantu Turbin Uap, Sistem Kontrol dan Proteksi Turbin Uap, Condition Monitoring and

TSI, Pengoperasian Turbin Uap dan Kinerja Turbin Uap sehingga diharapkan dapat mempermudah

proses belajar dan mengajar di Primary Energy dan Power Generation Academy bagi pegawai dalam

mengoperasikan Turbin Uap.

Akhir kata, Pembelajaran ini diharapkan dapat membantu meningkatkan kinerja unit operasional dan

bisa menunjang kinerja ekselen korporat. Tentunya tidak lupa kami mengucapkan terima kasih kepada

semua pihak yang telah terlibat dalam penyusunan materi pembelajaran ini. Saran dan kritik dari

pembaca/siswa sangat diharapkan bagi penyempurnaan materi ini.

Suralaya, Desember 2013

M. IRWANSYAH PUTRA

Page 5: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

iv

DAFTAR BUKU PELAJARAN

Buku 1

Prinsip Kerja Turbin Uap

Buku 2

Jenis dan Konfigurasi Turbin Uap

Buku 3

Sistem dan Alat Bantu Turbin Uap

Buku 4

Sistem Kontrol dan Proteksi Turbin Uap

Buku 5

Condition Monitoring and TSI

Buku 6

Pengoperasian Turbin Uap

Buku 7

Kinerja Turbin Uap

Page 6: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring PerformIing Phenomenal v

BUKU I

PRINSIP KERJA TURBIN UAP

TUJUAN PELAJARAN : Setelah mengikuti pelajaran Prinsip Kerja Turbin Uap

peserta diharapkan mampu memahami prinsip kerja dan

prinsip operasi turbin uap serta memahami konversi

energi dalam mengoptimalisasi proses pengoperasian

turbin uap sebagai dasar penerapan/implementasi sistem

pengoperasian pembangkit berbasis Proses Bisnis

Pembangkitan.

DURASI : 8 JP

PENYUSUN : 1. HAULIAN SIREGAR

Page 7: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring PerformIing Phenomenal vi

DAFTAR ISI

TUJUAN PEMBELAJARAN ........................................................................................................ i

SAMBUTAN ............................................................................................................................... ii

KATA PENGANTAR ................................................................................................................. iii

DAFTAR BUKU PELAJARAN ................................................................................................... iv

HALAMAN TUJUAN PELAJARAN .............................................................................................. v

DAFTAR ISI ............................................................................................................................... vi

DAFTAR GAMBAR .................................................................................................................. vii

1.1 Konversi Energi Kinetik Uap Menjadi Kerja Sudu ..............................................................1

1.2 Proses Operasi Turbin......................................................................................................24

1.3 Pencegahan Kerusakan Oleh Air Kondensat .................................................................41

1.4 Perapat Poros Turbin Uap dan Sistem Perapat Kelenjar ..............................................44

1.5 Electrostatic Discharge Pada Turbin Generator .............................................................45

Page 8: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring PerformIing Phenomenal vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Kecepatan aliran uap versus kecepatan sudu ........................................................... 2

Gambar 2. Kurva gaya versus kerja oleh uap ............................................................................ 3

Gambar 3. Prinsip kerja turbin Impuls dan Reaksi ..................................................................... 4

Gambar 4. Kurva tekanan dan kecepatan uap pada turbin Curtis dan Rateau ........................... 6

Gambar 5. Rotor Turbin Rateau, Curtis dan Reaksi .................................................................... 7

Gambar 6. Kurva tekanan, kecepatan dan vektor kecepatan absolut dan relatif uap .................. 8

Gambar 7. Turbin impuls sederhana .......................................................................................... 9

Gambar 8. Turbin impuls campuran tekanan ........................................................................... 10

Gambar 9. Turbin impuls campuran kecepatan ....................................................................... 11

Gambar 10. Turbin impuls-reaksi ............................................................................................. 12

Gambar 11. Vektor kecepatan aliran uap pada turbin impuls .................................................... 13

Gambar 12. Vektor kecepatan aliran uap pada turbin reaksi .................................................... 14

Gambar 13. Diagram vektor kecepatan aliran uap dan sudu ................................................... 14

Gambar 14. Diagram kecepatan turbin Impulse-Reaction ........................................................ 15

Gambar 15. Perbandingan prinsip turbin impuls dan turbin reaksi ............................................ 15

Gambar 16. Kebocoran uap pada ujung dan kaki sudu-sudu tetap dan gerak .......................... 16

Gambar 17. Derajat reaksi r turbin impuls dan turbin reaksi ..................................................... 17

Gambar 18. Turbin impuls dengan derajat reaksi r = 0 ............................................................. 18

Gambar 19. Turbin reaksi dengan derajat reaksi r = 0,5 ........................................................... 18

Gambar 20. Turbin reaksi dan stator turbin impuls.................................................................... 18

Gambar 21. Turbin uap single casing single actuator ............................................................... 19

Gambar 22. Penampang iga dimensi Turbin uap single casing single actuator ......................... 19

Gambar 23. Penampang Turbin uap ekstraksi tunggal otomatis .............................................. 20

Gambar 24. Photo Turbin uap ekstraksi tunggal otomatis ......................................................... 20

Gambar 25. Penampang Turbin uap ekstraksi ganda otomatis ................................................ 21

Gambar 26. Photo Turbin uap casing ganda multi stage........................................................... 21

Gambar 27. Penampang Turbin uap multi casing multi stage ................................................... 22

Gambar 28. Photo Turbin uap multi casing multi stage ............................................................ 22

Gambar 29. Tata letak (layout) turbin uap multicasing mu ........................................................ 23

Gambar 30. Penampang tiga dimensi turbin uap multi stage multi casing ................................ 24

Gambar 31. Lintasan uap melalui turbin impuls ........................................................................ 26

Gambar 32. Perapat poros dan perapat sudu ........................................................................... 29

Gambar 33. Lintasan kebocoran uap di dalam turbin ................................................................ 29

Gambar 34. Diagram Heat balance turbin uap cross flow ........................................................ 31

Page 9: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring PerformIing Phenomenal viii

Gambar 35. Heat Balance pada 90 % MCR ............................................................................. 32

Gambar 36. Heat balance Turbin uap multi stage dan BFPT .................................................... 33

Gambar 37. Steam Admission into turbine ............................................................................... 34

Gambar 38. Steam Admission Valves System ......................................................................... 35

Gambar 39. Steam Admission pada turbin casing tunggal ....................................................... 36

Gambar 40. Kondenser sisi ganda ........................................................................................... 37

Gambar 41. Rupture Disc dan Safety Valve.............................................................................. 38

Gambar 42. Turbine By-pass Valve .......................................................................................... 38

Gambar 43. Diagram Sistem Minyak Pelumas .......................................................................... 39

Gambar 44. Diagram Sistem Minyak Hidrolik ............................................................................ 40

Gambar 45. Diagram of steam turbine lube-oil system control/logic .......................................... 41

Gambar 46. Diagram Sistem Perapat Turbin ........................................................................... 44

Gambar 47. Electrostatic Discharge pada rotor turbin uap ........................................................ 46

Page 10: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 1

PRINSIP KERJA TURBIN UAP

Turbin uap adalah suatu mesin panas (heat engine) dimana energi uap dikonversikan menjadi

kerja. Pertama kali, energi dalam uap diekspansikan melalui nosel dan dikonversikan menjadi

energi kinetik yang kemudian dikonversikan menjadi kerja pada sudu rotor yang berputar.

Umumnya turbin terdiri dari empat bagian utama. Rotor merupakan bagian berputar yang

membawa sudu atau bucket. Stator terdiri dari silinder dan casing yang di dalamnya rotor

berputar. Turbin memiliki alas (base) atau kerangka (frame), dan nosel-nosel atau lintasan aliran

uap yang mengekspansikan uap yang mengalir. Silinder, selubung (casing) dan kerangka

adalah terpadu. Bagian lain yang diperlukan untuk operasi yang sebenarnya meliputi sistem

kontrol, pemipaan, sistem pelumasan dan kondenser yang terpisah .

1.1 Konversi Energi Kinetik Uap Menjadi Kerja Sudu (Blade Work)

Uap dari boiler diekspansikan pada nosel, menghasilkan suatu pancaran jet kecepatan tinggi.

Pancaran jet uap ini mengenai sudu (blade) yang berputar terpasang pada poros. Aliran

pancaran uap mengalami perubahan arah gerak yang meningkatkan perubahan momentum dan

menimbulkan gaya.

Prinsip operasi

Hubungan antara kerja, gaya dan kecepatan sudu dapat digambarkan pada gambar berikut.

Turbin uap kebanyakan berjenis aliran aksial (axial flow); uap mengalir melalui sudu dengan

arah sejajar sumbu poros turbin. Jenis aliran radial (radial flow) sangat jarang digunakan.

Perhatikan sudu tanpa gesekan yang membelokkan uap hingga 180 dan uap keluar dengan

kecepatan mutlak 0. Kondisi ini merupakan kemungkinan pengkonversian terbesar energi kinetik

dari semburan uap yang masuk sudu menjadi kerja sudu. Perhatikan hubungan antara

kecepatan mutlak V1 semburan uap yang memasuki sudu dengan kecepatan putar sudu

tersebut. Untuk kecepatan sudu tertentu, hubungan ini memungkinkan mendisain nosel

sedemikian sehingga kecepatan uap keluar sudu menghasilkan konversi energi maksimal,

efisiensi maksimum.

Andaikan W adalah kecepatan uap relatif terhadap sudu:

Page 11: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 2

1 1 bV W V

2 2 bV W V

Gambar 1. Kecepatan aliran uap versus kecepatan sudu

V1 W1

Vb

V2 W2

Page 12: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 3

Gambar 2. Kurva gaya versus kerja oleh uap

Jika sudu tanpa gesekan, maka 2 1W W . Selanjutnya, karena konversi energi pada sudu

adalah sempurna, maka 2 0V , sehingga diperoleh:

1 2 1 2 2 bV V W W V

1 2 bV V (1)

Selanjutnya, gaya sentrifugal karena putar dan keterbatasan kekuatan bahan maka kecepatan

sudu dibatasi. Dengan kecepatan putar sudu ditentukan, maka dapat ditentukan kecepatan

mutlak terbaik yang memasuki sudu.

Klasifikasi turbin uap

Berdasarkan operasinya, turbin uap dapat diklasifikasikan sebagai: i) turbin impuls (Impulse

turbine) dan ii) turbin impuls reaksi (Impulse-reaction turbine).

Turbin impuls (Impulse turbine)

Pada turbin impuls, penurunan tekanan hanya terjadi pada nosel dan tidak terjadi pada sudu

bergerak. Hal inidiperoleh dengan membuat laluan sudu (blade) memiliki luas penampang yang

tetap sama.

Page 13: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 4

Turbin impuls-reaksi (Impulse-Reaction turbine)

Pada turbin ini, penurunan tekanan terjadi pada nosel tetap dan juga pada sudu bergerak.

Penurunan tekanan dialami uap ketika mengalir melalui sudu bergerak menyebabkan terjadinya

energi kinetik lebih lanjut di dalam sudu-sudu ini, memberikan kenaikan reaksi dan menambah

gaya mendorong Yang dikenakan melalui rotor ke poros turbin. Luas penampung laluan sudu

dibuat bervariasi (converging type).

Gambar 3. Prinsip kerja turbin Impuls dan turbin Reaksi

Turbin uap diklasifikasikan sebagai berikut:

A) Dibedakan dari bentuk lintasan uap antara sudu-sudu:

a) Impulse

1) Simple, or single-stage

2) Velocity-stage, Curtis

3) Pressure stage, Rateau

4) Combination pressure- and velocity-stage

Page 14: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 5

b) Reaction, Parsons

c) Combination impulse and reaction

B) Dibedakan dari susunan aliran utama:

a) Single-flow

b) Double-flow

c) Compound, two-or-three cylinder, cross- or tandem-connected

d) Divided-flow

C) Dibedakan dari arah aliran uap relatif terhadapbidang putar:

a) Axial-flow

b) Radial-flow

c) Tangential-flow

D) Dibedakan dari pengulangan aliran uap melalui sudu:

a) Single-pass

b) Reentry or repeated flow

E) Dibedakan dari kecepatan putar (speed):

a) For 60-sysle generators

b) For 50-cycle generators

c) For 25-cycle generators

d) For geared units and for direct-connected or electric drive marine units, no special

speed requirements

F) Dibedakan dari gerakan relatif rotor:

a) Single-motion

b) Double-motion

G) Dibedakan dari kondisi uap dan keluarnya:

a) High-pressure condensing

b) High-pressure non-condensing

c) Back-pressure

d) Superposed or topping

e) Mixed-pressure

f) Regenerative

g) Extraction, single

Page 15: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 6

h) Extraction, double

i) Reheating or resuperheating

j) Low-pressure

Gambar 4. Kurva tekanan dan kecepatan uap pada turbin Curtis dan Rateau

Page 16: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 7

Gambar 5. Rotor Turbin Rateau, Curtis dan Reaksi

Page 17: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 8

Gambar 6. Kurva tekanan, kecepatan dan vektor kecepatan absolut dan relatif uap

Page 18: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 9

Turbin impuls sederhana (simple Impulse turbine)

Komponen utama turbin adalah: serangkaian nosel, rotor yang terpasang pada poros (shaft),

seangkaian sudu gerak (moving blades) yang terpasang pada rotor, dan satu selubung

(casing).

Suatu turbin impuls sederhana dapat digambarkan seperti di bawah ini. Bagian atas gambar

menunjukkan belahan memanjang bagian atas turbin; bagian tengah gambar menunjukkan

bentuk sesungguhnya nosel dan sudu putar; dan bagian bawah menunjukkan variasi kecepatan

mutlak dan tekanan mutlak uap ketika mengalir melalui lintasan nosel dan sudu gerak.

Gambar 7. Turbin impuls sederhana

Pencampuran turbin impuls (Compounding of impulse turbine)

Hal ini dilakukan untuk menurunkan kecepatan putar turbin impuls hingga ke batas praktis.

Pencampuran diperoleh dengan menggunakan lebih dari satu set rangkaian nosel, serta sudu

gerak dan rotor secara berurutan pada poros; sehingga kedua tekanan dan kecepatan pancaran

uap diserap oleh turbin secara bertahap/bertingkat.

Ada tiga tipe turbin impuls campuran, yaitu:

Page 19: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 10

a) campuran tekanan (pressure compounded),

b) campuran kecepatan (velocity compounded),

c) campuran tekanan dan kecepatan (pressure and velocity compounded).

Turbin impuls campuran tekanan (Pressure compounded impulse turbine)

Hal ini meliputi pembagian keseluruhan penurunan tekanan dari dada uap (steam chest) hingga

tekanan di kondenser menjadi serangkaian penurunan tekanan yang lebih kecil melalui

bebrapa tingkat turbin impuls.

Nosel dipasang pada diafragma yang didudukkan pada selubung casing. Diafragma ini

memisahkan suatu ruang roda (wheel chamber) satu dari yang lainnya. Seluruh rotor dipasang

pada poros yang sama dan sudu-sudu dilekatkan pada rotor. Variasi tekanan dan kecepatan

ditunjukkan pada diagram berikut.

Gambar 8. Turbin impuls campuran tekanan

Page 20: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 11

Turbin impuls campuran kecepatan (Velocity compounded impulse turbine)

Penurunan kecepatan diatur dengan beberapa penurunan yang kecil melalui beberapa baris

rangkaian sudu gerak, bukan sebaris tunggal sudu gerak.

Turbin ini terdiri dari serangkaian nosel dan beberapa baris sudu gerak yang dilekatkan pada

rotor atau roda dan beberapa baris sudu tetap yang dilekatkan pada selubung casing.

Gambar 9. Turbin impuls campuran kecepatan

Turbin impuls campuran kombinasi tekanan dan kecepatan

Turbin ini adalah suatu kombinasi pencampuran tekanan dan kecepatan.

Page 21: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 12

Turbin impuls-reaksi (Impulse-Reaction turbine)

Disini turbin menggunakan prinsip impuls dan reaksi. Ada sejumlah baris-baris sudu gerak yang

dilekatkan pada rotor dan sejumlah baris yang sama sudu tetap yang dilekatkan pada selubung.

Sudu tetap dibentuk dengan cara berlawanan dibanding dengansudu gerak, dan berfungsi

sebagai nosel. Karena barisan sudu tetap pada sisi masuk, selain sebagai nosel, uap

dimasukkan untuk sekeliling dan karenanya ada suatu masuk sekeliling atau lengkap.

Gambar 10. Turbin impuls-reaksi

Perbedaan antara turbin impuls dan reaksi (Differences between Impulse and Reaction

turbines)

Diagram kecepatan untuk turbin impuls. Bagian utama turbin impuls adalah nosel dan sudu.

Page 22: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 13

Gambar 11. Vektor kecepatan aliran uap pada turbin impuls

Page 23: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 14

Gambar 12. Vektor kecepatan aliran uap pada turbin reaksi

Turbin Reaksi Turbin Impuls

Gambar 13. Diagram vektor kecepatan aliran uap dan sudu

Page 24: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 15

Kombinasi diagram vector

Tanpa gesekan (Cr1 = Cr2) Dengan gesekan (K.Cr1 = Cr2,

K = koeficien gesek)

Gambar 14. Diagram kecepatan turbin Impulse-Reaction

Gambar 15. Perbandingan prinsip turbin impuls dan turbin reaksi

Page 25: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 16

Typical impulse stages Typical reaction stages

Gambar 16. Kebocoran uap pada ujung dan kaki sudu-sudu tetap dan gerak

Page 26: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 17

Derajat reaksi r (Degree of reaction r)

Derajat reaksi r adalah perbandingan penurunan panas isentropik pada sudu gerak dengan

penurunan panas isentropik pada sudu tetap dan gerak (atau fraksi penurunan total entalpi yang

terjadi sepanjang rotor).

Isentropic enthalpy drop in rotor

r =

Isentropic stage enthalpy drop

Gambar 17. Derajat reaksi r turbin impuls dan turbin reaksi

Page 27: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 18

r = 0

Gambar 18. Turbin impuls dengan derajat reaksi r = 0

r = 0,5

Gambar 19. Turbin reaksi dengan derajat reaksi r = 0,5

Gambar 20. Turbin reaksi dan stator turbin impuls

Page 28: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 19

Gambar 21. Turbin uap single casing single actuator

Gambar 22. Penampang tiga dimensi Turbin uap single casing single actuator

Page 29: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 20

Gambar 23. Penampang Turbin uap ekstraksi tunggal otomatis

Gambar 24. Photo Turbin uap ekstraksi tunggal otomatis

Page 30: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 21

Gambar 25. Penampang Turbin uap ekstraksi ganda otomatis

Gambar 26. Photo Turbin uap casing ganda multi stage

Page 31: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 22

Gambar 27. Penampang Turbin uap multi casing multi stage

Gambar 28. Photo Turbin uap multi casing multi stage

Page 32: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 23

Ga

mb

ar

29. T

ata

le

tak (

layo

ut)

tu

rbin

uap

mu

ltic

asin

g m

ultis

tage

Page 33: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 24

Gambar 30. Penampang tiga dimensi turbin uap multi stage multi casing

1.2 Proses Operasi Turbin

Turbin memanfaatkan uap yang menyembur ketika melalui saluran kecil yang memiliki

kecepatan tinggi. Kecepatan yang diperoleh selama berekspansi tergantung pada kandungan

panas awal dan akhir uap. Perbedaan kandungan panas ini merupakan energi panas yang

dikonversi menjadi energi kinetis (energi dalam kaitan dengan kecepatan) selama proses.

Dalam kenyataan, sebstansi bergerak memiliki eneri, atau kemampuan untuk melakukan kerja.

Turbin uap mengekspansikan uap untuk mendapatkan kecepatan tinggi, kemudian

mengkonversi energi kecepatan ini menjadi energi mekanikal.

Turbin yang memanfaatkan gaya impulsif kecepatan tinggi disebut turbin impuls.

Ketika uap keluar dari sudu, bertambah kecepatannya, dan suatu gaya reaksi didesakkan pada

sudu. Gaya reaksi ini berlawanan arahnya dengan arah aliran uap. Turbin yang memanfaatkan

gaya reaksi yang dihasilkan aliran uap melalui sudu disebut turbin reaksi.

Pada prakteknya semua turbin komersil menggunakan kombinasi gaya impuls dan reaksi.

Kedua sudu impuls dan reaksi pada poros yang sama memanfaatkan uap dengan lebih efisien

dibanding masing-masing.

Page 34: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 25

Tekanan menyebabkan uap mengalir dengan kecepatan tinggi dari nosel yang kecil. Lairan uap

ini diarahkan sudu gerak pada poros dan menghasilkan putaran. Semua penurunan tekanan

(pressure drop) terjadi pada sudu tetap, dan sudu gerak menyerab energi kecepatan (kinetis)

pada uap yang keluar dari nosel.

Agar efisien, kecepatan sudu gerak haruslah setengah kecepatan aliran uap. Sudu putar yang

memanfaatkan uap tekanan tinggi haruslah beroperasi dengan kecepatan yang sangat tinggi.

Kecepatan sudu gerak dapat diturunkan dengan cara menerapkan prinsip tekanan

bertingkat/bertahap. Tingkat tekanan hanya mengijinkan penurunan tekanan terbatas pada satu

rangkaian nosel. Setelah uap dari satu tingkat tersebut telah melewati sudu gerak, uap akan

diekspansikan pada rangkaian nosel berikutnya. Suatu turbin memiliki beberapa rangkaian nosel

(tingkat tekanan), yang semakin besar ukurannya untuk menyesuaikan bertambahnya voluma

jenis uap.

Prinsip pencampuran kecepatan juga digunakan pada operasi turbin impuls, dengan

menggunakan energi kecepatan uap yang datang dari nosel ke dua atau lebih rangkaian sudu

gerak. Operasinya memanfaatkan serangkaian sudu diam yang membalikkan aliran uap, antara

dua sudu gerak. Uap pada tingkat tekanan yang pertama diekspansikan melalui nosel,

kemudian aliran membentur sudu gerak, melalui sudu diam dan rangkaian sudu gerak

berikutnya. Selanjutnya uap memasuki tahap kedua dan berekspansi melalui nosel, kemudian

mengalir melalui sudu gerak, sudu diam dam rangkaian sudu gerak berikutnya, dan keluar habis

atau ke tahap tekanan berikutnya. Turbin tekanan tinggi yang besar biasanya memiliki banyak

tingkat tekanan dan menggunakan kecepatan campuran pada tingkat tekanan tinggi.

Gambar 31. Lintasan uap melalui turbin impuls

Page 35: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 26

Gambar menunjukkan suatu aplikasi kecepatan campuran pada turbin kecil. Uap diekspansikan

pada nosel dan membentur sebaris sudu (bucket) pada rotor. Kemudian uap memasuki saluran

pembalik arah aliran uap yang dipasang pada selubung casing, dan uap diarahkan lagi terhadap

sudu rotor. Proses ini berulang beberapa kali sampai kecepatan uap menurun. Susunun seperti

ini disebut sebagai turbin jenis re-entri (re-entry type). Jika sebaris nosel digunakan dan seluruh

penurunan tekanan terjadi pada kelompok nosel ini, dan seluruh energi diarahkan terhadap

sebaris roda, maka diperoleh suatu turbin kecepatan sederhana bertingkat satu.

Turbin reaksi adalah suatu turbin dimana penurnaan tekanan terjadi juga pada sudu gerak yang

terpasang pada rotor. Uap meninggalkan sudu gerak (sebagai nosel) dengan kecepatan tinggi

sehingga menyebabkan sudu terdorong kearah yang berlawanan dengan arah aliran uap,

selanjutnya sudu gerak memutar poros rotor.

Turbin reaksi terdiri dari sudu tetap dan sudu gerak, dimana bentuk keduanya serupa; masing-

masingnya disusun sedemikian sehingga luuas penampang dimana ketika uap keluar adalah

lebih kecil daripada penampang ketika uap masuk. Penurunan tekanan terjadi pada kedua sudu,

pengecilan penampang pada sisi keluar sudu menyebabkan uap naik kecepatannya ketika

meninggalkan sudu.

Gambar menunjukkan susunan diagramatik sudu-sudu turbin reaksi tipikal; A, A1, A2, adalah

sudu-sudu tetap yang terpasang pada selubung casing. B, B1, B2, adalah sudu-sudu gerak

yang terpasangpada rotor. Uap yang mengalir melalui turbin akan berekspansi secara berurutan

melalui sudu-sudu tetap dan sudu-sudu gerak. Sudu-sudu tetap dirancang untuk mengarahkan

aliran uap terhadapbarisan sudu-sudu berikutnya. Perhatikan bahwa, luas penampang laluan

uap pada sisi keluar sudu adalah lebih kecil dari pada sisi masuk sudu. Sebagai akibat dari

perubahan luas penampang laluan uap ini, kecepatan aliran uap bertambah dan tekanannya

berkurang ketika uap meninggalkan setiap baris sudu-sudu (uap berekspansi).

Selama proses ekspansi ini, uap akan bertambah volumanya. Luas penampang laluan uap

melalui sudu-sudu harus bertambah, mulai dari tekanan tinggi ke tekanan rendah ujung turbin,

untuk menampung dan mencocokkan voluma uap yang semakin membesar.

Uap yang mengalir sepanjang lintasan uap dalam turbin (mulai dari sudu rotor yang pertama

hingga sudu rotor yang terakhir) akan mengakibatkan/menimbulkan gaya dorong aksial pada

poros turbin yang searah dengan arah aliran uap (dari arah masuk ke arah keluar uap pada

turbin) dan dapat menggeser posisi poros dan merusak turbin, sehingga posisi aksial poros

turbin harus dijaga dengan menggunakan bantalan aksial (thrust bearing) agar tidak bergeser.

Untuk mengurangi dampak gaya dorong aksial pada poros turbin, lintasan aliran uap pada turbin

dibagi menjadi dua aliran (dual flow) dengan arah aliran yang berlawanan, sehingga gaya

Page 36: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 27

dorong aksial yang ditimbulkannya akan berlawanan arah dan saling meniadakan. Metoda dual

flow ini kebanyakan diterapkan pada turbin uap tekanan rendah dalam satu selubung casing

atau silinder – LP casing. Metoda dual flow ini diterapkan juga pada turbin tekanan menengah -

IP casing. Atau arah aliran uap pada turbin tekanan tinggi (HP casing) dan arah aliran uap pada

turbin tekanan menengah (IP casing) dibuat berlawanan, sehingga gaya dorong aksial yang

ditimbulkannya akan saling mengurangi dan hasil akhirnya (resultannya) menjadi rendah.

Pada turbin dengan desain satu silinder casing dan satu arah aliran lintasan uap, biasanya pada

konstruksi poros di sisi uap masuk didesain suatu cakram dummy piston. Cakram dummy piston

ini menerima tekanan dari uap masuk dan mengubahnya menjadi gaya dorong aksial pada

poros yang arahnya berlawanan dengan gaya dorong aksial oleh aliran uap sepanjang poros,

sehingga saling mengurangi, dan hasil akhirnya (resultannya) menjadi rendah.

Rugi-rugi radiasi dan kondensasi pada turbin adalah kecil dan rendah. Rugi-rugi bocor terjadi

melalui celah pada ujung sudu-sudu lewat labirin dan perapatnya. Efisiensi turbin dipengaruhi

oleh gesekan kecepatan tinggi semburan uap melalui nosel-nosel dan sudu-sudu.

Turbin uap adalah bagian terpenting yang memutar generator untuk menghasilkan produksi

tenaga listrik. Uap yang berasal dari boiler atau sumber uap lainnya menuju turbin melalui

pemipaan dengan tekanan dan temperatur yang dikendalikan tetap agar tetap konstan. Uap

memasuki turbin melalui katup-katup utama dan katup kendali aliran (MSV main stop valve dan

CV control valve).

MSV berfungsi untuk membuka penuh dan menutup penuh aliran uap menuju turbin, juga

berfungsi untuk menutup cepat alian uap ketika terjadi gangguan keadaan yang berbahaya bagi

operasi turbin dan generator. Selama turbin beroperasi normal, maka katup MSV harus tetap

terbuuka penuh

CV berfungsi untuk mengendalikan jumlah aliran uap masuk turbin dalamm rangka mengatur

putaran rotor turbin yang harus tetap konstan walau bagaimanapun beban dan perubahan

beban generator, dan juga untuk mengatur beban agar sesuai/mencapai target beban yang

diinginkan. Sehingga selama turbin beroperasi normal, posisi pembukaan katup CV akan salalu

berubah mengikuti perubahan putaran poros turbin dan perubahan beban dan target beban.

Dengan berubah-ubahnya (bervariasi) posisi pembukaan katup CV dan jumlah aliran uap,

sedangkan sumber catu uap harus dengan tekanan dan temperatur tetap konstan, maka

tekanan dan temperatur uap setelah katup kendali CV menjadi berubah-ubah, dimana

perubahan ini mengikuti kaidah-kaidah termodinamika dan mekanika fluida. Akibatnya tekanan

dan temperatur serta aliran uap yang memasuki nosel turbin di baris/tingkat pertama akan

Page 37: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 28

berubah-ubah (bervariasi), demikian pula pada sudu-sudu gerak dan sudu-sudu tetap berikutnya

sepanjang aliran/lintasan uap dalam turbin.

Uap berekspansi selama mengalir dan melintas di dalam turbin, uap mengalami penurunan

tekanan dan temperatur, namun voluma jenis bertambah. Jumlah aliran uap masuk dan keluar

turbin adalah tetap sama, kecuali jika turbin menggunakan sistem ekstraksi (extraction system).

Pada saat keluar turbin, agar uap dalam kondisi jenuh dan sedikit basah, dan diharapkan

memiliki kecepatan aksial meminimal mungkin dan kecepatan radial dan tangensialnya nol,

untuk mencapai efisiensi maksimal. Kandungan energi panas (entalpi) uap masuk turbin Hi

cukup tinggi dan entalpi uap keluar turbin (turbine exhaust) He rendah. Perbedaan entalpi

(kandungan panas) ΔHT = Hi – He uap inilah yang sebagian besar dikonversi menjadi energi

mekanikal Wp pada poros turbin dan sebagian lagi menjadi rugi-rugi (losses) WL pada internal

turbin. Energi mekanikal pada poros turbin inilah yang bermanfaat untuk memutar rotor

generator sehingga generator memproduksi listrik. - Wp = ΔHT + WL → energi bermanfaat

Setelah keluar turbin, uap dikondensasikan kembali menjadi air kondensat pada kondenser.

Entalpi air kondensat HC adalah sangat rendah. Ketika uap mengkondensasi menjadi air, terjadi

penurunan voluma jenis yang sangat luar biasa. Hal ini menyebabkan terciptanya vakum

(tekanan vakum) alami dalam kondenser dan juga pada sisi keluar turbin (turbine exhaust atau

turbine hood). Kevakuman diawali dengan memvakumkan kondenser (dengan sistem

pompa/ejektor vakum) sebelum memulai mengalirkan uap ke dalam kondenser, selanjutnya ini

terjadi secara alami karena uap mengkondensasi menjadi air.

Selama turbin beroperasi, kevakuman ini dapat terganggu oleh karena adanya gas-gas yang

tidak dapat mengkondensasi dalam kondenser. Gas-gas tersebut dapat berasal dari kebocoran

sistem kondenser dan gas yang terkandung/mencemari dalam uap sebelum masuk ke turbin.

Pada saat beroperasi, sistem vakum akan menyedot/evakuasi gas-gas tersebut dari dalam

kondenser, sehingga kevakuman kondenser terjaga stabil.

1.2.1 Packing perapat poros

Poros turbin pada ujung sisi tekanan tinggi harus di dirapatkan (celah antara poros dengan

selubung turbin) untuk mencegah kebocoran uap keluar dari turbin, demikian juga poros turbin

pada ujung sisi tekanan rendah harus di dirapatkan untuk mencegah kebocoran udara masuk ke

dalam kondenser. Perapat yang palingbanyak digunakan adalah Labyrinth. Perapat ini dialiri air

atau dengan uap agar lebih rapat.

Page 38: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 29

Gambar 32. Perapat poros dan perapat sudu

Ketika mengkondensasi menjadi air dalam kondenser, uap akan melepas kandungan panasnya

(latent heat) ke kondenser, dan air pendingin menyerap energi panas ini dari kondenser,

sehingga energi ini tidak dapat dimanfaatkan dan menjadi suatu kerugian besar yang tidak

mungkin dihindari. Jumlah energi panas yang dilepas oleh uap adalah sebesar ΔHC = He – Hc

→ energi rugi/hilang.

Gambar 33. Lintasan kebocoran uap di dalam turbin

Perhatikan hubungan entalpi uap masuk turbin Hi, entalpi uap keluar turbin He dan entalpi air

kondensat Hc. Perhatikan juga Wp, ΔHT dan ΔHC. Dalam beberapa hal (tergantung desain dan

jenis turbin) ΔHC lebih besar dibanding Wp, yang berarti efisiensi thermal sistem turbin cukup

rendah.

Page 39: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 30

Efisiensi thermal sistem turbin (Wp) dapat ditingkatkan dengan cara/metoda:

- ekstraksi uap turbin (turbine extraction)

- turbin tekanan bertingkat (pressure staging: HP, IP dan LP turbine) untuk memungkinkan

pemanasan ulang (reheat) pada boiler.

- menaikkan tekanan dan temperatur uap masuk turbin melebihi critical point, untuk

memungkinkan super crtical boiler SCB, bahkan ultra super critical boiler USCB dengan

double reheat.

- memperbesar kapasitas (daya mampu) turbin; ketiga cara/metoda diatas menjadi lebih

efektif bila diterapkan pada turbin berkapasitas besar.

Rugi-rugi (losses) WL pada internal turbin terjadi oleh kebocoran antara ujung sudu gerak

terhadap stator (pada selubung casing) dan antara ujung sudu tetap terhadap rotor, sehingga

harus dipasang perapat labyrinth pada ujung sudu-sudu gerak dan tetap untuk mengurangi

kebocoran (mengurangi losses).

Rugi-rugi (losses) WL pada internal turbin juga terjadi karena perubahan bentuk dan kehalusan

(smoothness) permukaan sudu-sudu gerak dan tetap. Perubahan ini dapat terjadi karena erosi

(kavitasi), korosi dan kerak (deposit and scale) yang dipengaruhi dan disebabkan oleh

kekurang-murnian (contaminants) kualitas uap. Kualitas uap juga meliputi tingkat kekeringan

(dryness) uap atau kebasahan (wetness) uap (jumlah dryness fraction dan wetness fraction

adalah 1 atau 100%). Jika tingkat kekeringan berkurang, maka kemungkinan terjadinya erosi

dan kavitasi pada sudu-sudu turbin menjadi besar. Hal ini mudah terjadi pada saat start-up

turbin dan juga pada saat turbin beroperasi dengan beban rendah.

Jumlah energi panas yang dilepas oleh uap pada kondenser ΔHC sangat dipengaruhi oleh

kevakuman dan mempertahankan kevakuman kondenser, pengaruhi kapasitas turbin dan

cara/metoda lainnya sangat kecil. Kevakuman sangat dipengaruhi oleh kebersihan pipa-pipa

kondenser serta temperatur dan ketersediaan air pendingin kondensor.

1.2.2 Ekstraksi turbin (turbine extraction)

Beberapa bagian uap yang sedang mengalir dalam turbin akan disadap (diekstraksi) untuk

digunakan sebagai pemanas awal air kondensat dari hotwell kondenser dan pemanas air

pengisi boiler. Uap ekstraksi diambil pada beberapa titik (tingkat) tekanan dan temperatur yang

berbeda sepanjang aliran uap pada turbin. Setelah melakukan kerja pada turbin, uap ekstraksi

Page 40: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 31

ini memberikan panas kondensasinya kepada air kondensat atau air pengisi yang

dipanaskannya, energi panas ini dimanfaatkan kembali untuk siklus turbin (PLTU), tidak dibuang

ke air pendingin di kondenser, sehingga hal ini akan mengurangi rugi/hilangnya energi panas.

Turbin uap didesain dengan berbagai ukuran dan kapasitas mulai dari beberapa kW hingga

1300 MW. Tara kalor (Heat rate) adalah ukuran yang selalu digunakan untuk mengukur kinerja

turbin, yaitu jumlah kalor yang diberikan ke turbin k.kal/h (kilo kalori per jam) dibagi dengan daya

listrik yang dihasilkan dalam kW (kilowatt), sehingga satuan turbine heat rate (tara kalor turbin)

adalah k.kal/kWh.

Untuk mengetahui dan menganalisa distribusi panas dan aliran uap pada turbin, maka

dibuatkan suatu diagram keseimbangan kalor turbin yang disebut dengan Turbine Heat Rate

Diagram. Diagram ini dibuat untuk 0%, 25%, 50%, 75%, 100% beban dan peak load.

Gambar 34. Diagram Heat balance turbin uap cross flow

Page 41: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 32

Gambar 35. Heat Balance pada 90 % MCR

Shaft power 24120 kW

SFR (corrected) 285.8 g/kWh

Fuel oil consumption 6850 kg/hr

T.G. output 900 kW

Page 42: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 33

Gambar 36. Heat balance Turbin uap multi stage dan BFPT

1.2.3 Steam Admission

Uap dialirkan ke turbin dengan pipa uap utama (main steam piping) melalui satu atau lebih katup

utama MSV dan beberapa katup kendali CV, masing-masing katup MSV atau CV digerak

aktuator hidrolik. Ada juga yang seluruh katup kendali CV-nya digerakkan oleh hanya satu

aktuator hidrolik tunggak (single aktuator).

Uap yang masuk ke turbin harus uap kering (superheated) untuk menghindari butir-butir air

membentur sudu-sudu turbin, sehingga tekanan dan temperatur uap harus diberi batasan

minimal. Untuk menghindari uap basah masuk turbin, maka penyaluran uap ke turbin dibagi

menjadi beberapa bagian (partial admission) yang masing-masing bagian dikendalikan oleh satu

katup kendali CV.

Page 43: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 34

Gambar 37. Steam Admission into turbine

Page 44: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 35

Gambar 38. Steam Admission Valves System

Pada saat start-up, hanya satu katup kendali CV yang

dioperasikan agar tekanan setelah katup tidak terlalu rendah

(menjaga kualitas uap tetap kering). Bahkan pada beberapa

turbin berkapasitas besar, start-up dilakukan melalui katup

start-up kecil yang terpasang pada katup utama MSV. Pada

operasi berbeban (On Load Operation), jumlah katup kendali

CV yang dioperasikan disesuaikan dengan besarnya beban.

Pada saat beban rendah, katup kendali CV yang dioperasikan

cukup hanya satu atau dua katup, pada beban tinggi

(maksimum) seluruh katup kendali CV dioperasikan. Urutan

katup kendali yang dioperasikan disesuaikan sehingga

admission uap ke turbin bersilang secara partial.

Page 45: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 36

Gambar 39. Steam Admission pada turbin casing tunggal

Page 46: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 37

1.2.4 Kondenser

Kondenser mengalami tekanan vakum karena proses kondensasi uap menjadi air, sehingga

kondenser didesain terhadap beban tekanan vakum (ke dalam turbin), tidak kuat menahan

tekanan dari dalam. Untuk mengurangi dampak jika terjadi gagal vakum, atau gangguan operasi

sehingga turbin exhaust bertekanan lebih besar dari tekanan udara luar, maka harus dipasang

suatu atmospheric relief valve pada lintasan exhaust antara turbin dan kondenser, yang

membuka ke udara luar. Atau dapat dipasang rupture disks atau rupture diaphragm pada

exhaust hood atau turbine hood, disk/diaphragm akan pecah jika tekanan ruang kondenser telah

melebihi maksimum.

Gambar 40. Kondenser sisi ganda

Pada exhaust hood dipasang peralatan water spray untuk menyemprotkan air ke uap keluar

turbin agar mudah dan cepat mengkondensasi dan mmenjaga tekanan vakum.

Sebelum kualitas uap dari boiler memenuhi syarat minimal untuk start turbin, maka uap dari

boiler dialirkan langsung ke kondenser melalui katup turbine by-pass, demikian juga jika terjadi

turbin trip. Setelah katup turbine by-pass, uap harus diinjeksi dengan air (water sprayed) untuk

menurunkan tekanan dan temperaturnya sehingga mengurangi beban termal kondenser.

Page 47: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 38

Gambar 42. Turbine By-pass Valve

Gambar 41. Rupture Disc dan Safety Valve

Page 48: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 39

1.2.5 Pelumasan

Poros turbin yang berputar ditumpu dengan bantalan luncur (journal bearing) dan bantalan

aksial (thrust bearing). Sebelum start-up, poros harus diputar terlebih dengan putaran rendah

oleh peralatan Turning Gear, begitu juga segera setelah turbin shutdown poros rotor harus

diputar terus sampai temperaturnya dingin agar tidak bengkok. Selama waktu diputar dengan

putaran rendah, poros rotor harus diangkat dengan Jacking System .

Pelumasan harus dioperasikan sebelum dan selama poros berputar, minyak pelumas disiapkan

dan dialirkan oleh sistem pelumasan dengan Lube Oil Pump. Sebagian aliran minyak pelumas

digunakan untuk menggerakkan turbin hidrolik peralatan Turning Gear. Jacking Oil

menggunakan minyak pelumas sebagai fluida untuk mengangkat poros.

Katup-katup MSV dan CV digerakkan oleh aktuator hidrolik, ada sistem turbin uap yang

menggunakan minyak pelumas turbin sebagai minyak hidrolik juga.

Gambar 43. Diagram Sistem Minyak Pelumas

Page 49: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 40

Gambar 44. Diagram Sistem Minyak Hidrolik

Page 50: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 41

Gambar 45. Diagram of steam turbine lube-oil system control/logic

1.3 Pencegahan Kerusakan Oleh Air Kondensat

1.3.1 Risiko bahaya pada turbin uap: Induksi air

Masuknya air ke dalam bagian mana saja dari turbin yang sedang beroperasi dengan kecepatan

putar dan temperatur yang tinggi akan menyebabkan kerusakan serius terhadap rotor, sudu-

sudu, vane, diafragma nosel, bantalan sleeve dan thrust, dan perapat seal. Sebagian besar

rusak karena kemasukan air pada turbin adalah disebabkan oleh terkumpulnya air pada lintasan

uap, pada selubung casing turbin, saluran ekstraksi, line-up katup-katup sepanjang pemipaan

selam proses startup atau pun shutdown, dan kebocoran pipa (tube) yang berlebihan dari

pemanas air LPH dan atau HPH. Level air yang tinggi dalam boiler drum dapat menyebabkan

air terbawa ke superheater dan masuk ke dalam turbin, sehingga merusak komponen dalam

turbin mengakibatkan gangguan turbin.

Page 51: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 42

Masuknya air ke dalam turbin akan mengakibatkan kerusakan sebagai berikut:

• Thrust bearing failure. Air yang terbawa dari boiler akan menjadi beban pada bantalan

aksial (thrust bearing) yang dapat merusak bantalan

• Damaged vanes, seals, and blades. Pergeseran aksial poros dapat mengakibatkan

tubrukan/benturan antara komponen yang berputar dengan komponen yang diam

• Thermal cracking. Air dari sumber mana saja yang menyentuh bagian metal

bertemperatur tinggi cukup mampu menghasilkan keretakan thermal (thermal cracking).

• Rub damage. Yang masuk dari saluran uap utama atau uap panas ulang dapat

menyebabkan masalah beda ekspansi antara bagian yang berputar dengan bagian yang

diam yang mengakibatkan gesekan aksial. Air datang dari pipa ekstraksi dapat

menyebabkan kontraksi bagian bawah selubung casing turbin, mengakibatkan bengkok

yang dapat mengangkat cakram difragma menyentuh rotor, menyebabkan gesekan radial.

• Bowing of the rotor akibat dari ketika packing perapat (labirin) menggesek permukaan

rotor dan menyebabkan panas tidak seimbang pada pemukaan rotor. Penambahan

distorsi ini selanjutnya akan meningkatkan intensitas gesekan. Perapat packing, carik

tumpah (spill strips), dan barisan blade shrouds adalah bagian yang paling sering rusak

karena hal ini. Kemasukan air (water induction) dapat menyebabkan selubung casing

menjadi melengkung (thermal distortion) menyebabkan gesekan lebih lanjut. Perlakuan

panas (heat treating) ditempat (in-situ), pada dapur tanur sementara di tempat atau di

pabrik mungkin dibutuhkan untuk mengembalikan bentuk semula.

• Permanent warping or distortion. Kerusakan ini terjadi ketika bagian metal mengalami

quenching hebat, dan menyebabkan kebocoran uap pada sambungan katup dan rumah

(shell) turbin. Bengkoknya diafragma dan bungkuknya poros karena quenching oleh air

mengakibatkan distorsi berkembang luas sehingga motor turning gear menjadi berat dan

trip serta lengket.

• Ketika turbin generator trip dan katup stop utama MSV dan katup panas ulang menutup

(dan PMT/CB generator juga lepas), tekanan dalam turbin turun menuju vakum yang

masih terjaga pada kondenser. Uap pada pipa ekstraksi tercegah dari berekspansi

kembali ke turbin oleh katup non-returnnya. Jika katup non-return ini gagal menutup

karena tekanan balik, uap dari pemanas air pengisi dan kondensat (HPH dan LPH) sesuai

aliran pipanya akan mengalir balik ke turbin dan memutar turbin bahkan hingga over

speed. Kondensat pada pemanas HPH atau LPH akan menguap (flashes) disekitar garis

saturasi, dan mengalir balik ke turbin. Tambahan energi ini mampu memutar turbin hingga

over speed. Bagaimanapun, pada turbin uap yang besar, telah terjadi peristiwa dimana

uap dingin yang mengenai satu sisi selubung dalam (inner casing) akan mendinginkannya

denga cepat, menyebabkan selubung dalam tersebut berubah bentuk (deformed).

Page 52: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 43

Mengakibatkan gesekan rotor yang hebat dan mencegah over speed, namun kerusakan

sudu-sudu rotor menjadi parah.

1.3.2 Kualitas Air dan Kemurnian Uap

Sistem kendali kualitas air dan kemurnian uap menyediakan sistem yang teliti untuk memonitor

kandungan padat (solid content), cairan dan kontaminasi uap lain pada uap utama yang keluar

dari boiler. Sistem monitoring melindungi komponen turbin uap pada lintasan aliran uap dari

erosi, korosi, kerak deposit, lelah tegangan (stress fatigue) dan kerusakan lainnya. Kotoran

(impurities) ada yang dalam bentuk padatan terlarut (dissolved), terlarut secara parsial (partially

dissolved), atau padatan mengambang (suspended solids). Padatan yang paling umum adalah

garam sodium Na, calcium Ca, magnesium Mg, besi Fe dan tempaga Cu. Kotoran berbentuk

gas (paling banyak ditemukan pada uap tekanan rendah) berupa karbon dioksida CO2 ,ammonia

NH3, nitrogen N2, amines dan silica Si.

Page 53: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 44

1.4 Perapat Poros Turbin Uap dan Sistem Perapat Kelenjar (Gland)

1.4.1 Keuntungan sistem perapat kelenjar (Advantages of a gland seal system)

Suatu sistem perapat kelenjar menjamin kerapatan rotor/poros turbin (lihat gambar). Sistem ini

memberi keuntungan berikut ini:

Meningkatkan efisiensi siklus dan kinerja turbin.

Menghilangkan kontaminasi minyak pelumas karena migrasi air kondensat ke minyak dari

perapat poros turbin, dan mencapai umur operasional lebih lama sebelum penggantian

minyak.

Melindungi perapat pinggir rotorturbin dari kerusakan, dan membatasi kebocoran uap

sekitar mesin yang biasanya beracun karena additif yang ditemukan pada mesin

Mengurangi kelembaban sekitar mesin, menghasilkan operasi yang lebih aman bagi

peralatan listrik yang terpasang disekitar lokasi turbin.

Mencegah kebocoran udara ke dalam kondenser dan menjaga uap dari kebocoran keluar

(blowing out) ruang turbin

Gambar 46. Diagram Sistem Perapat Turbin

Page 54: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 45

Masalah berikut ini dapat terjadi jika sistem perapat kelenjar tidak digunakan:

Uap dapat mengalir dan mencair dalam sistem minyak pelumas bantalan

Penurunan kualitas minyak pelumas

Polusi karena lepasnya uap beracun yang berisi/mengandung additif dari mesin

1.4.2 Fungsi dan operasi sistem perapat

Sistem perapat kelenjar menyediakan uap tekanan rendah yang sedikit di atas tekanan udara

luar atmosfir (atmospheric pressure), biasanya 1.5 to 2.5 psi (10 to 17 kPa) dan mengalirkannya

ke kelenjar (glands) turbin uap dan daerah perapat di ujung poros rotor.

Ketika turbin uap pada mode operasi turning gear dan pada perioda pemanasan dan selama

proses start-up, adalah diperlukan utuk menyediakan suatu sumber bantu untuk uap perapat

sampai suatu tekanan dan kualitas uap yang cukup tersedia dari proses.

Umumnya, tekanan dan temperatur pada header perapat uap diatur secara otomatis untuk

kebutuhan operasi dan turbin tertentu. Katup kontrol penurun tekanan dan penyemprot air

desuperheater digunakan pada proses ini.

1.5 Electrostatic Discharge Pada Turbin Generator

Kararkteristik elektrikal atau mekanikal dapat menginduksikan potensial elektrikal (voltase) pada

rotor mesin yang berputar. Jika tegangan ini tidak dikelola, jika sistem mitigasi voltase (biasanya

sikat grounding poros) gagal beroperasi dengan baik karena kurang pemeliharaan, voltase akan

mencari lintasan alternatif ke ground. Lintasannya adalah komponen metal – biasanya bantalan

atau perapat seal – yang terdekat ke poros). Busur listrik ke komponen ketika tegangan dilepas

disebut dengan electrostatic discharge. Busur listrik akan mengikis permukaan metal dan

membuka celah yang rapat, dan komponen ini tergantung pada operasi yang baik. Jika tidak

diketahui, electrostatic discharge ini akan merusak bantalan dan perapat seal secara perlahan-

lahan, merubah kedinamisan rotor, dan akhirnya merusak poros sehingga memerlukan

perbaikan yang mahal.

Pemeriksaan dan pemeliharaan yang baik pada sistem mitigasi tegangan ini dan pemantauan

dinamika padat mengatasi masalah ini.

Page 55: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 46

Gambar 47. Electrostatic Discharge pada rotor turbin uap

1.5.1 Lapisan film bantalan (Fluid-Film Bearing Machines)

Pada pengoperasian turbine generator (STG), setidaknya ada tiga kemungkinan sumber

tegangan antara poros dengan grounding:

1) Tegangan lup elektromagnetik karena lintasan magnetik generator tidak simetris yang

menciptakan potensi listrik antara kedua ujung poros generator

2) Muatan statis bisa terjadi dari tetesan air yang terlempar dari sudu pada tingkat turbin

yang basah

3) Suatu tegangan kapasitif karena riak (ripple) pada tegangan medan DC dapat

menghasilkan tegangan dari poros ke ground.

.

Tegangan ini harus diperhitungkan ketika mendesain turbin. Bantalan pada salah satu ujung

poros generator biasanya diisolasi agar terjadi suatu sirkuit terbuka dan menegah tegangan lup

elektromagnetik (itulah sebabnya perhatian khusus harus dilakukan untuk menjamin sifat

isolasinya terjaga kapan saja instrumentasi dipasang pada bantalan yang terisolasi). Tegangan

antara poros dan ground, karena muatan statis atau riak tegangan DC, dapat dimitigasi dengan

memasang sikat grounding yang dihubungkan ke poros dekat bantalan yang tidak terisolasi.

Sikat ini menjaga tegangan poros ke ground pada level yang aman denganmembocorkan

arusnya ke tanah sehingga menyebabkan tegangan sumber melemah dan hilang.

1.5.2 Elemen berputar bantalan

Mekanisma serupa pada kerusakan terjadi pada elemen berputar bantalan motor yang dikontrol

dengan putaran bervariasi. Sistem ini mensimulasi tenaga tiga fasa dengan menciptakan

serangkaian seri pulsa tegangan yang hanya mendekati bentuk gelombang sinusoidal yang

halus setiap fasa.

Page 56: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 47

Karena kekasaran bentuk PWM (pulse width modulate) mencegahnya dari penjumlahan secara

vektor ke nol pada setiap saat yang diberikan, suatu tegangan mode umum (“common mode

voltage”) relatif ke ground tercipta. Tegangan mode umum ini dapat membangkitkan arus

bantalan setidaknya dengan tiga cara:

1) Celah udara antara rotor dan stator beraksi seperti capacitor yang secara berkala

melepas muatan ketika komponen batalan terhubung (contact). Hal ini menjadi penyebab

utama kerusakan bantalan.

2) Suatu fenomena lain menyebabkan arus mengalir ketika impedansi bantalan aktif sangat

rendah, dan bantalan menjadi lintasan ke ground karena kapasitansi kumparan parasitik.

3) Suatu efek induktif menyebabkan arus bersirkulasi melalui batalan, poros dan stator

ketika impedansisirkuit ini rendah. Teknik mitigasi untuk situasi ini apakah memblok arus

bantalan atau menyediakan lintasan impedansi rendah ke ground. Teknik ini meliputi

sikat grounding poros, insulasi bantalan, elemen roliing keramik atau minyak gemuk

(grease) konduktif, suatu perisai (shield) Faraday, dan inverter dual-bridge yang

menyeimbangkan eksitasi motor.

1.5.3 Failure Mechanisms

Adakalanya, insulasi atau sikat grounding aur/rusak menjadi tidak efektif, menyebabkan arus

besar mengalir melalui bantalan. Pada bantalan luncur (journal bearing) dengan lapisan film

minyak pelumas, hal ini dapat menyebabkan electrostatic discharge melalui film minyak,

mengakibatkan metal babbitth mencairnya denga luasan kecil. Discharge yang kontinyu

dengandurasi waktu tertentu menyebabkanerosi pitting, terlihat seperti permukaan bantalan

yang membeku, dan akhirnya bantalan terhapus.

Jika masalah ini terjadi tanpa diketahui cukup lama, permukaan poros pada bantalan menjadi

berbintik-bintik dan permukaan ini harus diperbaiki. Akibatnya operasi turbin harus dihentikan

dan dibongkar untuk perbaikan poros di pabrik. Dalam beberapa hal, poros memerlukan

degaussing untuk menghilangkan kemagnetan tersisa yang masih tinggi.

Bintik pitting serupa juga terjadi pada elemen bantalan rol. Pada tahap awal, lintasan (race)

bantalan mengalami satiny finish (permukaan seperti kainsatin) yang merata. Pada tahap

selanjutnya, muncul alur dalam yang merata pada lintasan luar bantalan. Pengaluran ini terlihat

Page 57: Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Simple Inspiring Performing Phenomenal 48

1.5.4 Pendeteksian

Pada bantalan luncur, electrostatic discharge mengakibatkan erosi bantalan dan dapat diamati

dari perubahan celah bantalan (bearing clearance). Untuk turbin yang dilengkapi sensor

proximity, hal ini dapat dimonitor melalui tegangan dari sensor, jika celah bantalan membuka,

tegangan celah akan merubah. Oleh karena itu, hal berikut dianjurkan untuk dimonitor dalam

praktek:

1) Buat alarm untuk celah pada sistem monitoring.

2) Secara teratur periksa letak (plot) garis tengah (centerline) poros dan tren teganagn

celah, menggunakan tool diagnostic dan trending

Beberapa turbin memiliki instrumen pengukuran tegangan dan arus pada sirkuit sikat

groundingnya yang akan memberi alarm dan nilai harga terukurnya.

Untuk bantalan gelinding, transduser seismic digunakan untuk membuat tren level vibrasi

bantalan. Pada tahap lebih lanjut pitting pada alur lintasan luar, level vibrasi yang lebih tinggi

dapat dideteksi. Bagaimanapun, electrostatic discharge sulit dibedakan dari masalah bantalan

gelinding lainnya jika hanya berdasarkan pemeriksaan sinyal vibrasi. Umumnya, inspeksi visual

diperlukan setelah gangguan untuk memastikan akar penyebabnya.

Ringkasnya, electrostatic discharge menyebabkan bantalan dan poros rusak ketika arus listrik

mengalir melalui bidang bantalan pada lintasan arus dari poros ke ground, atau ketika

bersirkulasi melalui komponen berlutar dan diam. Kerusakan ini selalu terjadi tanpa terdiagnosa

karena gejalanya yang halus dan efekyang perlahan, dan karena ini adalah fenomena elektrikal

yang bekasnya sendiri seperti kerusakan mekanikal. Bahkan mesin non elektrikal seperti turbin

dan gear box rentan terkena/mengalami karena gerakan berputar dapat menginduksi

teganganpada poros tanpa adanya generator. Meskipun pemeliharaan sikat dan insulator yang

baik merupakan langkah terdepan, kerusakan dapat terjadi antara interval pemeliharaan

daninspeksi. Idealnya, disiapkan instrumen yang langsung mengukur tegangan dan arus pada

sistem mitigasi tegangan. Bagaimanapun, jika tidak, suatu sistem monitoring vibrasi yang diatur

dengan baik dapat juga mendeteksi electrostatic discharge dan memungkinkan intervensi yang

tepat waktunya sebelum kerusakan bantalan, poros dan perapat terjadi.