TURBIN GAS

Gambar Open dan Close Turbin Gas

1. Proses Kerja

Turbin gas merupakan peralatan pembakit tenaga dimana tenaga

tersebut didapat dari ekspansi gas berkecepatan tinggi dan kemudian

mendorong sudu- sudu yang langsung menghasilkan gerak putar pada

rotornya. Putaran rotor tersebut nantinya dapat dimanfaatkan untuk

memutar generator listrik.Udara masuk kedalam kompresor melalui

saluran masuk udara Kompresor berfungsi untuk menghisap dan

menaikkan tekanan udara tersebut,sehingga temperatur udara juga

meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar.

Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara

mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran

tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat

dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil

pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang

berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya

yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar

kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik,

dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui

saluran buang.

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah

sebagai berikut:

1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan.

2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang

bakar dengan udara kemudian di bakar.

3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke

luar melalui nozel(nozzle).

4. Pembuangan gas (exhaust)gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat

saluran pembuangan.

Gambar. Sistem turbin gas, diagram P-v, diagram T-s

1-2 proses kompresi isentropik (s=c) pada kompressor

2-3 proses pemasukan kalor isobarik (p=c) pada ruang bakar

3-4 proses expansi isentropik (s=c) pada turbin

4-1 proses pelepasan kalor ke atmosfer (p=c)

2. Komponen Utama Dan Fungsinya

Turbin gas tersusun atas komponen-komponen utama seperti air inlet

section, compressor section, combustion section, turbine section, dan

exhaust section. Sedangkan komponen pendukung turbin gas adalah

starting equipment, lube-oil system, cooling system, dan beberapa

komponen pendukung lainnya. Berikut ini penjelasan tentang komponen

utama turbn gas:

1. Air inlet section

Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam

udara sebelum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari:

a. Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana

didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.

b. Invertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau

partikel yang terbawa bersama udara masuk.

c. Pre-Filter, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang

pada inlet house.

d. Main Filter, merupakan penyaring rutama yang terdapat pada

bagian dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini

masuk ke dalam kompressor aksial.

e. Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada

saat memasuki ruang kompressor.

f. Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai

pengatur jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang

diperlukan.

2. Compressor section

Komponen utama pada bagian ini adalah aksial flow compressor,

berfungsi untuk mengkompresikan udara yang berasal dari inlet air

section hingga bertekanan tinggi sehingga pada saat terjadi

pembakaran dapat menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang

dapat menimbulkan daya output turbin yang besar

3. Combustion section

Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan

fluida kerja yang berupa udara bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi.

Hasil pembakaran ini berupa energi panas yang diubah menjadi energi

kinetik dengan mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces

yang juga berfungsi sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem

adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin

4. Turbin Section

Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik

menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak compresor

aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-

kira 60 % digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan

sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan.

5. Exhaust Section

Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai

saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas.

Gambar Sistem Kerja Uap

3. Formulasi

a. Kompressor

Wc = m . Cp . ΔT = m . Cp ( T2 – T1)

Karena pada proses isentropis maka berlaku hukum =( )k/k-1

b. ruang bakar

QRB = m . Cp ( T3 – T2)

c. turbin gas

WT = m . Cp ( T3 – T4)

d. pembuangan kalor

Qout = m . Cp ( T4 – T1)

Dimana :

m = laju alir massa fluida

Cp = panas jenis fluida

K = konstanta udara

Dan efsiensi thermal ɳth = Wnet / QRB dan Wnet = WT - WC

4. Inovasi

dengan menggunakan intercooler

Dengan menggunakan intercooler disini karena menggunakan dua

kompressor maka

Wc1= m . Cp . ΔT = m . Cp ( T2 – T1)

Wc2 = m . Cp . ΔT = m . Cp ( T4 – T3)

W tot = Wc1 + Wc2, dan Wnet = WT – Wnet

Untuk efisiensi ɳth = Wnet / QRB

TURBIN UAP

1. Proses Kerja

Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar dimana

fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari

proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap

panas dibangkitkan di dalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk

memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada

reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga

temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap

untuk diekspansi yang akan menghasilkan energi mekanik. Di dalam

turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik di dalam

sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin

uap akan menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga

uap.

Proses termodinamika

dari siklus Rankine di atas

adalah sebagai berikut

1-2 proses

kompresi adiabatis

berlangsung pada pompa

2-3 proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler

3-4 proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin uap

4-1 proses pengeluaran panas pada tekanan konstan pada kondensor

Fluida kerja berupa air jenuh dari kondensor dikompresi di pompa

sampai masuk boiler . Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan

temperatur T1 ke T2 kemudian di dalam boiler air dipanaskan dari T2 ke

T3. Sumber energi panas (qmasuk) berasal dari proses pembakaran atau dari

energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap panas

masuk masuk turbin dan berekspansi sehingga temperatur dan tekanan

turun (T3 ~T4). Selama proses ekspansi pada turbin terjadi perubahan dari

energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu menghasilkan

putaran poros turbin. Uap yang ke luar dari turbin kemudian dikondensasi

(pendinginan) pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi

mengembun, kemudian siklus berulang lagi.

2. Komponen Utama Dan Fungsinya

a. Boiler

Peralatan yang paling penting pada mesin tenaga uap berbentuk bejana

tekan berisi fluida air yang dipanasi lansung oleh energi kalor dari

proses pembakaran, atau dengan elemen listrik atau energi nuklir. Air

pada boiler akan terus menyerap kalor sehingga temperaturnya naik

sampi temperatur didih, sehingga terjadi penguapan. Pada boiler yang

menggunakan drum sebagai penampung uap, air akan mengalami

sirkulasi selama proses pendidihan.

b. Turbin Uap

Perlatan yang paling utama dalam sistem tenaga uap adalah TURBIN

UAP. Turbin uap berfungsi sebagai tempat untuk mengkonversikan

energi yang terkandung dari uap panas dari boiler menjadi energi

mekanik poros turbin. Secara umum turbin uap dibagi menjadi dua

yaitu turbin uap jenis impuls dan jenis reaksi. Prinsip kerja kedua jenis

turbin uap sudah dibahas pada bab turbin. Komponen turbin uap yang

paling penting adalah sudu-sudu, karena di sudu-sudu inilah sebagian

besar energi uap panas ditransfer menjadi energi mekanik

c. Kondensor

Proses konversi energi dari satu energi menjadi energi lainnya untuk

mesin-mesin panas selama transfer energi selalu ada transfer panas

pada fluida kerja. Jadi tidak semua energi panas dapat dikonversikan

menjadi energi berguna atau dengan kata lain "harus ada yang dibuang

ke lingungan" Pada sistem tenaga uap proses transfer panas ke

lingkungan terjadi pada kondensor. Sudah jelas fungsi kondensor

adalah alat penukar kalor untuk melepaskan panas sisa uap dari turbin.

Uap sisi dari turbin uap masih dalam keadaan uap jenuh dengan energi

yang sudah berkurang. Di dalam kondensor semua energi dilepaskan

ke fluida pendingin

d. Pompa

Fluida hasil kondensasi di catu kembali ke boiler. Fluida kerja / air

dipompa dari tekanan rendah ke tinggi, dan pada proses ini fluida kerja

masih berfase cair sehingga pompa tidak membutuhkan input tenaga

yang terlalu besar. Proses ini dinamakan proses kompresi-isentropik

karena saat dipompa, secara ideal tidak ada perubahan entropi yang

terjadi

3. Formula

Efisiensi termal dari siklus rankine adalah perbandingan antara

kerja yang dihasilkan oleh turbin uap yang sudah dikurangi kerja pompa,

dengan energi panas yang masuk dari boiler. Sebelum lebih lanjut

membahas efisiensi termal dari siklus rankine, lebih mudah kita

memahami dengan membahas proses-proses yang terjadi di dalamnya.

Siklus rankine menjadi salah satu bentuk rekayasa energi untuk

memanfaatkan hukum kekekalan energi. Sumber energi yang berlimpah di

bumi dimanfaatkan untuk dikonversikan menjadi bentuk energi yang lain

yang lebih bermanfaat bagi manusia. Energi yang digunakan di awal

proses siklus rankine adalah energi panas. Energi panas ini dapat diambil

hasil pembakaran bahan bakar fosil, penggunaan panas bumi, atau dari

reaksi nuklir.

Energi panas dari sumber-sumber di atas ditransfer ke fluida kerja,

seperti air misalnya. Apabila bahan bakar yang digunakan adalah batubara

maka proses ini terjadi di boiler. Dan nilai kalor yang diserap oleh uap air

dapat dihitung menggunakan rumus berikut:

Qin = m(h3 – h2)

Uap air superheated dari boiler kemudian masuk ke turbin uap

untuk mengalami konversi energi menjadi energi gerak. Uap air

mengalami penurunan entalpi pada saat proses konversi energi panas

menjadi energi gerak, ditunjukkan oleh garis 3-4 pada gambar di atas.

Penurunan entalpi tersebut dapat digunakan untuk menghitung besar

energi gerak yang dihasilkan oleh turbin menggunakan rumus berikut:

Wout = m(h3 – h4)

Uap air yang keluar dari turbin uap masuk ke kondensor untuk

diubah kembali fasenya menjadi cair. Di sini dapat kita lihat bahwa ada

energi panas yang tidak dikonversikan seluruhnya menjadi energi gerak

pada turbin uap, karena energi tersebut untuk merubah fase air menjadi

uap air (panas laten). Uap air yang terkondensasi mengalami penurunan

entalpi (garis 4-1) dan penurunannya dapat digunakan untuk menghitung

energi panas yang dikeluarkan menggunakan rumus berikut:

Qout = m(h4 – h1)

Proses selanjutnya adalah air hasil kondensasi dipompa untuk

dinaikkan tekanannya sebelum masuk ke boiler. Pada proses yang

ditunjukkan oleh garis 1-2 ini air tidak mengalami banyak kenaikan nilai

entalpi. Artinya energi yang diberikan kepada air tidak terlalu signifikan.

Nilai energi yang masuk dapat dihitung dengan menggunakan rumus

berikut:

Win = m(h1 – h2)

Pada awal pembahasan di atas saya sudah menjelaskan pengertian

dari efisiensi termal. Dan sekarang mari kita jabarkan rumusnya agar lebih

mudah untuk memahami:

ηtermal = (Wout – Win) / Qin

Untuk lebih mudah menghitung kita dapat menghilangkan variabel

massa (m) pada setiap persamaan, karena pada perhitungan akhir efisiensi

termal variabel ini saling membagi.

4. Inovasi

Secara ideal efisiensi termal dari siklus rankine berkisar di angka

42%. Ada beberapa cara untuk meningkatkan efisiensi termal siklus

rankine dengan memodifikasi siklusnya.

Reheater Pada Siklus Rankine

Cara pertama adalah dengan menggunakan reheater. Menggunakan dua

turbin uap (High Pressure dan Low Pressure) yang keduanya berada pada

satu poros. Uap air yang keluar dari turbin High Pressure masuk kembali

ke boiler untuk dipanaskan kembali menjadi uap superheat. Setelah itu uap

air tersebut kembali masuk ke turbin uap Low Pressure. Dari turbin kedua

ini uap air masuk ke kondensor. PLTU modern sudah banyak

menggunakan tiga atau bahkan 4 turbin uap, yaitu High Pressure Turbine,

Intermediate Pressure Turbine, dan Low

Pressure Turbine. Uap air reheater masuk

kembali ke turbin intermediate pressure,

selanjutnya tanpa mengalami reheater lagi

uap air yang keluar dari intermediate pressure

turbine masuk ke low pressure turbine.

Gambar Siklus Rankine Dengan Reheater

Dari modifikasi ini dapat kita tambahkan dalam hitungan efisiensi termal siklus energi panas masuk pada saat reheater (Qin reheater) serta output kerja pada turbin low pressure (WLPT out). Sehingga nilai kalor total yang masuk ke fluida kerja adalah:

Qtotal = Qin boiler + Qin reheater

Qtotal = m(h3 – h1) + m(h5 – h4)

Sedangkan nilai kerja output keluar total adalah:

Wout total = WHPT out + WLPT out

Wout total = m(h3 – h4) + m(h6 – h5)

Penambahan penggunaan satu tahap reheat akan meningkatkan efisiensi

termal siklus rankine sebesar 3-4%, penambahan dua tahap reheater

menaikkan efisiensi sebesar 1,5-2%, penambahan tiga tahap reheater

menaikkan efisiensi sebesar 0,75-1%, dan begitu seterusnya. Akan tetapi

umumnya hanya dipergunakan satu tahap reheater saja.

TUGAS MESIN – MESIN TERMAL

TURBIN GAS DAN TURBIN UAP

NAMA : FINDI KUSNUL HIDAYAT

NIM : 1011053

JURUSAN TEKNIK MESIN S-1

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL MALANG

2013