prinsip kerja turbin gas

Prinsip kerja turbin gas hampir sama dengan turbin lainnya, hanya turbin digerakkan oleh udara atau gas. Udara masuk ke kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor ini berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, akibatnya temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara yang telah di kompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar udara disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan terjadinya proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan melalui suatu nozzel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik. Sehingga untuk gas sisa dengan sendirinya akan keluar melalui saluran buang (exhaust). 

Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). 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 (exhaust).Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut:

Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan

Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.

Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle).

Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.

Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:

Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.

Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.

Adanya mechanical loss, dsb.

Klasifikasi Turbin Gas

Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari:

Turbin gas siklus tertutup (Close cycle)

Turbin gas siklus terbuka (Open cycle)

Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus fluida kerja. Pada turbin gas siklus terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses awal.Dalam industri turbin gas umumnya diklasifikasikan dalam dua jenis yaitu :

Turbin Gas Poros Tunggal (Single Shaft)Turbin jenis ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang menghasilkan energi listrik untuk keperluan proses di industri.

Turbin Gas Poros Ganda (Double Shaft)Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang berubah seperti kompresor pada unit proses.

Siklus-Siklus Turbin Gas

Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu:

Siklus EricsonMerupakan siklus mesin kalor yang dapat balik (reversible) yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik dapat balik (reversible isobaric). Proses perpindahan panas pada proses isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya adalah : hth = 1 – T1/Th, dimana T1 = temperatur buang dan Th = temperatur panas.

Siklus StirlingMerupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson.

Siklus BraytonSiklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat

mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untukperformance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:

Ada beberapa macam siklus kerja turbin gas sebagai berikut :

Turbin gas siklus terbuka (open cycle).

Seperti pada proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan atmosfir, selanjutnya gas bekas ini dibuang atau dialirkan ke udara luar, yang ditunjukkan seperti pada gambar dibawah.

Turbin gas siklus tertutup (closed cycle).

Seperti pada proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan atmosfir, selanjutnya gas bekas ini dialirkan ke kedalam penukar panas (heat rejected) untuk didinginkan dengan menggunakan media pendingin air atau udara hingga temperaturnya turun dan dialirkan lagi kedalam sisi masuk (suction) kompresor untuk dikompresi lagi, yang ditunjukkan seperti pada gambar dibawah.

Turbin gas siklus terbuka dilengkapi dengan regenerator.

Seperti pada kedua proses kerja turbin gas diatas, dimana gas panas yang diekspansi didalam turbin akan menghasilkan gas bekas (flue gas) dengan temperature yang masih cukup tinggi dan tekanan diatas sedikit dari tekanan atmosfir, selanjutnya gas bekas (flue gas) ini dialirkan

kedalam heat exchanger yang dikenal dengan istilah regenerator dimana didalamnya gas bekas ini digunakan untuk memanaskan udara keluar kompresor sebelum digunakan sebagai udara pembakaran didalam ruang bakar (combustion chamber), seperti ditunjukkan pada gambar dibawah.

Turbin gas siklus terbuka dilengkapi dengan intercooler, regenerator dan reheater.

 

Pada siklus ini baik kompresor maupun turbin gas masing-masing terdiri dari 2 (dua) bagian yang terpisah dan biasa disebut dengan kompresor tekanan rendah dan kompresor tekanan tinggi serta turbin gas tekanan rendah dan turbin gas tekanan tinggi. Aliran udara dan gas-gas yang dihasilkan dapat dijelaskan sebagai berikut, mula-mula udara atmosfir masuk kedalam kompresor tekanan rendah untuk dikompresi, dari udara tekan yang dihasilkan dialirkan kedalamintercooler untuk didinginkan hingga menghasilkan temperature dan kelembaban serta tekanan yang diinginkan dengan menggunakan media pendingin air atau media pendingin lainnya, dari sini udara tersebut dialirkan kedalam kompresor tekanan tinggi untuk dikompresi lagi hingga menghasilkan temperature yang tinggi dan tekanan dengan kepadatan yang lebih tinggi. Dari keluaran kompresor tekanan tinggi udara tersebut dialirkan kedalam regenerator untuk mendapatkan temperature yang lebih tinggi lagi yang bertujuan untuk memudahkan terjadinya proses pembakaran dengan melalui media pemanas gas bekas/buang (flue gas) yang memanfaatkan gas bekas hasil dari turbin tekanan rendah. Selanjutnya udara keluaran dari regenerator dialirkan kedalam ruang bakar utama (primary combustion chamber) yang menghasilkan proses pembakaran dan dari proses ini dihasilkan gas panas yang digunakan untuk memutar turbin tekanan tinggi, hasil ekspansi gas panas dari turbin tekanan tinggi ini berupa gas bekas (flue gas)dialirkan kedalam ruang bakar kedua (secondary combustion chamber) dan biasa disebut juga dengan reheater chamber yang selanjutnya gas bekas tersebut digunakan untuk udara pembakaran didalamnya yang mampu menghasilkan gas panas lagi dan digunakan untuk memutar turbin tekanan rendah, siklus tersebut diatas seperti ditunjukkan pada gambar dibawah.

Dari ketiga terakhir siklus turbin gas diatas secara keseluruhan dimaksudkan untuk menghasilkan sebuah pusat listrik tenaga gas (PLTG) dengan tingkat efisiensi yang diharapkan lebih tinggi dari turbin gas siklus terbuka.

prinsip kerja turbin gas berdasarkan siklus brayton, yaitu :1. kompresi2. combution3. expantion4. exhause

adapun siklusnya jika digambarkan dengan grafik adalah sebagai berikut :

SIKLUS BRAYTON

SIKLUS BRAYTON

Siklus Brayton udara standar merupakan siklus ideal dari sebuah siklus daya turbin gas.

Komponen suatu siklus brayton terdiri dari kompresor, Penukar panas, turbin dan kondensor

untuk siklus brayton tertutup.

·                    Analisa pada siklus brayton

Asumsi-asumsi yang digunakan

Fluida udara dianggap sebagai gas ideal

Kenaikan temperatur pada pembakaran diperoleh dari luar (tidak langsung)

Proses-proses pada siklus brayton udara standar :

Proses 1-2 : Kompresi  Isentropik

Proses 2-3 : Pemasukan panas pada tekanan konstan (isobarik)

Proses 3-4 : Ekspansi isentropik

Proses 4-1 : Pengeluaran panas pada tekanan konstan

Turbin gas dijelaskan secara termodinamika oleh Siklus Brayton, di mana udara dikompresi isentropic sekutu, pembakaran terjadi pada tekanan konstan, dan ekspansi terjadi di turbin isentropically kembali untuk tekanan awal.

Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus fluida kerja. Pada turbingas siklus terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udaraatmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanyadidinginkan untuk kembali ke dalam proses awal

Kelebihan PLTG

1. Ringan2. Waktu Start yang relatif singkat3. Tidak memerlukan air pendingin4. Masa pembangunan yang 1-2 tahun5. Murah6. Dapat ditempatkan disegala lokasi7. Keandalan tinggi, karena alat bantunya sedikit sehingga kemungkinan kerusakan juga kecil.8. Bisa diremote (dikendalikan dari jauh)9. Memungkinkan dipasang secara mobile

Kekurangan PLTG

kendala utama perkembangan pembangkit ini di Indonesia adalah pada proses penyediaan bahan bakar gas itu sendiri. Pemeriksaan BPK menemukan bahwa jumlah kebutuhan gas bumi untuk sejumlah pembangkit PLN di Jawa dan Sumatera sebanyak 1.459 juta kaki kubik

per hari, sedangkan pasokan gas yang disediakan oleh para pemasok sebanyak 590 juta kaki kubik per hari. Dengan demikian terjadi kekurangan pasokan gas sebanyak 869 juta kaki kubik per hari.

1.  Efisiensi rendah, 25 – 32 %2.  Umurnya pendek.3.  Daya mampunya sangat dipengaruhi oleh kondisi udara atmofer.4.  Biaya pemeliharaan mahal, karena harga sudu-sudunya tinggi atau mahal5.  Kapasitas kecil, maksimum sekitar 200 MW6.  Harga bahan bakar tinggi, karena memerlukan bahan bakar kualitas tinggi

PLTU

Kelebihan :

Efisiensi Tinggi. Cocok untuk memenuhi beban dasar. Daya yang dihasilkan besar. Bisa menggunakan segala jenis bahan bakar (cair, padat, atau gas). Biaya perawatan murah (penggantian suku cadang tidak terlalu sering). Usia mesin lebih lama. Tidak terlalu sering diadakan pemeriksaan bagian –bagian turbin

Kekurangan :

Proses start lama. Membutuhkan lahan yang luas. Membutuhkan air pendingin yang cukup banyak sehingga biasanyaditempatkan didaerah yang dekat dengan sumber air yang melimpah. Investasi awal mahal. Proses pembangunan lama. Emisi gas buang tidak ramah lingkungan (biasanya untuk bahan bakarbatubara atau residu). Fondasi berat

PLTD

Kelebihan :

Penggunaan bahan bakar menentukan tingkat efisiensi pembakaran dan prosesnya.lokasi bisa dimana saja (pantai sampai pegunungan) dengan kapasitas bisa disesuaikan, malahan di desa terpencil dengan pengguna sedikit,

Kekurangan :

menggunakan sumber daya alam terbatas/tak terbaharukan/fosil

Keunggulan PLTG

Keunggulan PLTG dibanding pembangkit lain:

1.Pemasangan lebih cepat.

2.Biaya modal lebih kecil.

3.Ruang yang diperlukan relatif kecil dehingga PLTG dapat dipasang di pusat kota/industri.

4.Tingkat pemanasan dari dingin sampai beban penuh sangat singkat.

5.Peralatan kontrol dan alat bantu sangat minim dan sederhana.

PLTD memiliki keunggulan-keunggulan sebagai berikut :

Plan lay out sederhana.

Sistem bahan bakar sederhana.

Bisa ditempatkan dekat dengan pusat beban.

Bisa distart dengan mudah dan cepat dan dibebani dalam waktu singkat.

Tidak ada stand-by losses.

Tidak memerlukan air pendingin yang banyak.

Dimensi PLTD lebih kecil dibanding PLTU untuk kapasitas yang sama.

Cara pengoprasian mudah dan memerlukan operator yang sedikit.

Effisiensi termal PLTD lebih besar dibanding PLTU untuk kapasitas yang sama.

Selain keunggulan, PLTD pun memilik kelemahan atau kekeurangan, yang diantaranya

sebagai berikut :

Harga solar mahal ( solar sebagai bahan bakar utama PLTD ).

Biaya pelumas tinggi.

Tidak bisa dibebani overload pada waktu yang panjang.

Kapasitas PLTD kecil.

Keunggulan jika menggunakan PLTD

Daya listrik tersedia sesuai dengan kebutuhan

Secara teknis handal

Layanan purna jual relatif mudah diperoleh

Biaya investasi (Rp/kW) relatif murah.

Kelemahan jika menggunakan PLTD

Biaya operasi dan pemeliharaan mahal

Memerlukan transportasi penyediaan dan penyimpanan BBM

Menimbulkan polusi udara, kebisingan, dan bau,

Memerlukan pemeliharaan rutin

Sistem operasi tidak efisien (boros) pada kondisi beban rendah.

pembangkit listrik lainnya. Keunggulan tersebut antara lain :1. Dapat dioperasikan menggunakan berbagai jenis bahan bakar (padat, cair dan gas).2. Dapat dibangun dengan kapasitas yang bervariasi3. Dapat dioperasikan dengan berbagai mode pembebanan4. Kontinyuitas operasinya tinggi5. Usia pakai (life time) relatif lama

Namun Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) juga memiliki beberapa kelemahan. Kelemahan tersebut antara lain :

1. Sangat tergantung pada tersedianya pasokan bahan bakar2. Tidak dapat dioperasikan (start) tanpa pasokan listrik dari luar3. Memerlukan tersedianya air pendingin yang sangat banyak dan kontinyu4. Investasi awalnya mahal