Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam

(1)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

RANCANGAN TURBIN UAP PENGGERAK GENERATOR

LISTRIK PADA PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN

KAPASITAS OLAH 30 TON TBS/JAM

KARYA AKHIR

Karya akhir yang diajukan untuk melengkapi Syarat memperoleh gelar Sarjana Sain Terapan

OLEH:

TANGKAS MARIO HELI 035202030

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN


(2)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang memberikan berkat dan rahmatNya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Sarjana yang merupakan syarat dalam menyelesaikan masa studi di Departemen Teknik Mesin Jurusan Teknolgi Mekanik Industri Universitas Sumatera Utara.

Adapun dalam Tugas Sarjana ini, Penulis mengambil topik Turbin Uap yaitu Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit (PKS) dengan kapasitas olah 30 Ton TBS/jam.

Dengan segala upaya dan kemampuan yang terbatas, penulis berhasil menyelesaikan Karya Akhir dan dengan kerendahan hati menyajikan pada pembaca dengan harapan bias bermamfaat.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam Penyelesaian Karya Akhir ini. Secara khusus Penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Ayahanda dan Ibunda tercinta yang tetap membimbing, memberi nasehat, memotivasi dan mendukung saya, baik dari segi materi, moril dan doa sejak masa perkuliahan sampai penyelesaian tugas sarjana ini.

2. Bapak Ir. Isril Amir sebagai dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu serta menyumbangkan ilmu dan memberikan arahan yang sepenuhnya dari awal hingga selesainya tugas Sarjana ini .

3. Bapak Dr.Ing Ikhwansyah Isranuri Sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin FT. USU

4. Bapak Tulus Burhanudin, ST,MT sebagai seketaris Departemen Teknik Mesin FT-USU

4. Seluruh dosen Departemen Teknik Mesin FT- USU yang telah

memberikan bekal ilmu pengetahuan kepada penulis selama perkuliahan. 5. Ketiga adik tercinta saya, Merry Veronica, Mega Wati, Trisno yang juga

memberikan dukungan dan doa kepada penulis.

6. Rekan- rekan mahasiswa Teknolgi mekanik Industri angkata 2003 yang telah banyak membantu penulis dalam pewnyelesaian Tugas Sarjana ini.


(3)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Penulis menyadari bahwa Karya Akhir ini masih banyak kekurangan dan kesilapan, karena itu penulis mengharapkan masukan dan kritikan untuk perbaikan selanjutnya.

Kiranya Tugas Sarjana ini dapat bermamfaat bagi kita semua, khususnya bagi maha siswa Teknologi mekanik Industri Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Terima kasih.

Medan , Maret 2009 Penulis

Tangkas Mario Heli 035202030


(4)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR………i

DAFTAR ISI...iii

SPESIFIKASI TUGAS……….vi

DAFTAR GAMBAR...vii

DAFTAR TABEL……….ix

DAFTAR SIMBOL………....x

BAB I PENDAHULUAN………..1

1.1Latar Belakang………...1

1.2 Tujuan Perencanaan………..2

1.3 Metologi Penulisan………...2

1.4 Batasan Masalah………...2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA……….3

2.1 Tinjauan Umum……….3

2.2 Analisis Termodinamika………3

2.3 Klasifikasi Turbin Uap………...6

2.3.1 Turbin De Laval………8

2.3.2 Turbin Kurtis………...10

2.3.3 Turbin Zoelly/ Rateau……….12

2.3.4 Turbin Parson………..13

2.4 Pemilihan Jenis Turbin……….14

2.5 Prinsip dan Sistem Kerja Turbin Kurtis………...………16

2.6 Kerugian- Kerugian Kalor Pada Turbin Uap………...21

2.6.1 Kerugian – kerugian dalam (Internal Loses)…………...21

2.6.2 Kerugian –kerugian luar (External Loses)………..27

2.7 Efesiensi Pada Turbin………..27

BAB III PENETAPAN SPESIFIKASI……….29


(5)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

3.2 Dasar Perencanaan………...34

3.3 Penentuan Putaran Turbin………34

3.4 Perhitungan Termodinamika………35

3.5 Efesiensi Turbin………...37

3.6 Menentukan Masa Aliran Uap……….38

3.7 Segitiga Kecepatan………...38

3.8 Kerugian – kerugian kalor pada turbin……….43

3.9 Daya Turbin Uap………..47

3.10 Spesifikasi Teknik Turbin Uap………..47

BAB IV PERHITUNGAN UKURAN UTAMA TURBIN………..48

4.1 Perhitungan Ukuran Poros………...48

4.2 Perhitungtan Ukuran Nosel………..50

4.2.1 Nosel Konvergen……….50

4.2.2 Nosel Konvergen-Divergen………50

4.3 Perhitungan Tinggi Sudu Gerak Dan Sudu Pengarah………..53

4.3.1 Sudu - Sudu Gerak Baris Pertama………..53

4.3.2 Sudu-Sudu Pengarah………...54

4.3.3 Sudu- Sudu Gerak Baris Kedua………..54

4.4 Perhitungan Sudu Gerak Dan Sudu Pengarah………..55

4.4.1 Lebar Sudu-Sudu Gerak Baris Pertama Dan Kedua...…55

4.4.2 Jarak Antara Masing-Masing Sudu……….55

4.4.3 Jumlah Sudu………....55

4.4.4.1 Kekuatan Sudu………56

4.5 Perhitungan Cakram………58

4.6 Rumah Turbin………..63

4.7 Roda Gigi……….64

4.8 Putaran Kritis………...68

4.9 Bantalan Dan Pelumasan………..73

BAB V SISTEM PENGATURAN TURBIN………...77

5.1 Pengaturan Putaran Turbin………..….77


(6)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

5.3 Analisa Pengatur Sentrifugal………79

5.4 Sistem Pengaturan Tidak Langsung……….82

5.5 Cara Kerja Governor………83

BAB VI KESIMPULAN……….85 DAFTAR PUSTAKA


(7)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009


(8)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.


(9)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 3.1 Kebutuhan daya listrik pada pabrik kelapa sawit………..33 Tabel 3.2 Besaran –besaran dari komponen-komponen kecepatan uap…………41 Tabel 3.3 Besaran Nilai-nilai ηu,Ngeadanηoiuntuk beberapa nilai

   

i

c u

……….42 Tabel 4.1 Momen perlawanan terkecil sudu relative terhadap sumbu y-y…...….57 Tabel 4.2 Ruang Bebas yang diperbolehkan untuk bantalan luncur…………...74


(10)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

DAFTAR SIMBOL

Notasi Arti Satuan

1

d Lebar nosel pada sisi keluar mm

min

d Lebar nosel pada bagian leher mm

b Lebar sudut mm

1

c Kecepatan uap actual pada sisi keluar nosel m/s

t

c1 Kecepatan uap teoritis pada sisi keluar nosel m/s

2

c Kecepatan uap mutlak keluar sudut gerak baris kedua m/s

, 1

c Kecepatan uap mutlak masuk sudut gerak baris pertama m/s

, 2

c Kecepatan uap mutlak masuk sudut gerak baris kedua m/s

kr

c Kecepatan kritis m/s

d Diameter roda cakra diukur pada diameter rata-rata sudut mm

D Diameter dalam silinder mm

p

d Diameter poros mm

o

f Luas penampang sudut paling lemah mm²

maks

f Luas penampang sisi keluar nosel mm²

min

f Luas penampang leher nosel mm²

kebocoran

G Kebocoran uap melalui perapat labirin kg/s

o

G Aliran massa aliran uap melalui turbin kg/s

C Kapasitas termal rata-rata minyak pelumas kkal/kgºC

,

b

h Kerugian kalor pada sudut gerak baris pertama kkal/kg

, ,

b

h Kerugian kalor pada sudut gerak baris kedua kkal/kg

c

h Kerugian kalor akibat kecepatan keluar kkal/kg

gb

h Kerugian kalor pada suhu keluar kkal/kg

gea

h Kerugian kalor akibat gesekan pelek cakram kkal/kg

n

h Kerugian kalor pada nosel kkal/kg

o

H Penurunan kalor teoritis kkal/kg

,

o


(11)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009 1

H Penurunan kalor aktual pada turbin kkal/kg

i Perbandingan transmisi -

o

i Kandungan kalor uap pada sisi masuk turbin kkal/kg

it

i Kandungan kalor uap keluar ideal turbin kkal/kg

I momen inersia mm4

l Tinggi Nosel mm

, 1

1 Tinggi sisi masuk sudu gerak baris pertama mm

, , 1

1 Tinggi sisi keluar sudu gerak baris pertama mm

, 2

1 Tinggi sisi masuk sudu gerak baris kedua mm

, , 2

1 Tinggi sisi keluar sudu gerak baris kedua mm

,

gb

l Tinggi sisi masuk sudu pengarah mm

, ,

gb

l Tinggi sisi keluar sudu pengarah mm

M Modul roda gigi mm

1

S

G Berat sudu gerak baris pertama kg

2

S

G Berat sudu gerak baris kedua kg

ct

G Berat cakram total kg

P

G Berat poros kg

rg

G Beratroda gigi kg

x

M Momen lentur sudu kg.cm

t

M Momen torsi kg.cm

n Putaran poros turbin rpm

i

N Daya dalam turbin kW

o

N Daya ideal dalam turbin kW

e

N Daya efektif turbin kW

gea

N Daya gesekan dan ventilasi cakram kW

a

P Gaya akibat perbedaan tekanan uap masuk dan keluar kg

,

a

P Gaya akibat momentum yang mengalir kg

kr

P Tekanan kritis kg.cm2

Po Tekanan uap masuk turbin kg.cm2

,

Po Tekanan uap sebelum nosel kg.cm2

P1 Tekanan uap masuk sudu gerak kg.cm2

P2 Tekanan uap keluar turbin kg.cm2

PU Gaya akibat rotasi pada sudu kg

Qr Kalor yang timbul pada bantalan kkal/kg

R1 Jari-jari kelengkungan sudu gerak baris pertama mm

R2 Jari-jari kelengkungan sudu gerak baris kedua mm


(12)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

rs Jari-jari rata-rata plat penguat sudu mm

r1 jari-jari hub mm

r2 Jari-jari cakram mm

p

t Jarak bagi sudu pengarah mm

1

t Jarak bagi sudu gerak baris pertama mm

2

t Jarak bagi sudu gerak baris kedua mm

u Kecepatan tangensial sudu m/s

y

W Momen perlawanan terkecil sudu mm³

1

w Kecepatan uap relatif masuk sudu gerak baris pertama m/s

2

w Kecepatan uap relatif keluar sudu gerak baris pertama m/s

, 1

w Kecepatan uap relatif masuk sudu gerak baris kedua m/s

, 2

w Kecepatan uap relatif keluar sudu gerak baris kedua m/s

1

z Jumlah sudu gerak baris pertama -

2

z Jumlah sudu gerak baris kedua -

p


(13)

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi merupakan unsur yang sangat penting dalam usaha meningkatkan taraf hidup masyarakat. Sejalan dengan meningkatkan taraf hidup serta kuantitas dari masyarakat, kebutuhan terhadap energi semakin meningkat. Sekarang ini, kosumsi energi kelihatannya berhubungan langsung dengan tingkat kehidupan penduduk serta derajat industrilisasi suatu Negara. Salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan manusia dalam kehidupan sehari-hari adalah energi listrik, sebab energi ini dapat dengan mudah dan efesien dikoversikan menjadi bentuk energi yang lain.

Energi listrik dapat dihasikan dengan menggunakan mesin-mesin konversi energi, yang salah satu jenisnya adalah turbin uap. Turbin uap termasuk dalam kelompok pesawat-pesawat konversi energi potensial uap menjadi energi mekanik pada poros turbin. Sebelum dikonversikan menjadi energi mekanik terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi kinetic dalam nozel ( pada turbin impuls) atau pada dalam nozel dan sudu –sudu gerak (pada turbin reaksi). Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung dengan mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk trasportasi , dan untuk pembangkit tenaga listrik.

Adapun turbin uap ini sering digunakan karena uap air yang merupakan fluida kerja dapat dihasilkan dengan bahan bakar yang bervariasi, sebagai contoh pada pabrik kelapa sawit, bahan bakar yang digunakan pada ketel uapnya untuk membangkitkan uap merupakan sisa dari pengolahan kelapa sawit tersebut merupakan cangkang dan serabut terutama sekali digunakan untuk proses pengolahan. Namun sebelum dimamfaatkan untuk proses, terlebih dahulu telah dimamfaaatkan untuk memutar turbin uap.

Turbin uap pada kelapa sawit biasanya dikopel dengan sebuah generator listrik yang bertujuan untuk menghasilkan listrik. Kemudian enegi listrik yang


(14)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

dihasilkan pada generator digunakan untuk menggerakkan berbagai peralatan yang ada dalam proses pengolahan kelapa sawit di pabrik tersebut.

1.2 Tujuan Perencanaan.

Perencanaan ini dimaksud untuk merencanakan sebuah turbin uap penggerak generator listrik untuk sebuah unit tenaga listrik pada sebuah pabrik pengolahan kelapa sawit yang mempunyai kapasitas 30 ton TBS/jam . perencanaan ini didasarkan pada data spesifikasi yang diperoleh dari survey lapangan dan besaran-besaran atau koefesien –koefesien yang dibutuhkan dalam perencanaan turbin uap maupun perhitungan ukuran-ukuran utama turbin maupun perhitungan ukuran- ukuran utama turbin yang tidak terdapat dalam spesifikasi teknik diambil dari referensi dan literature yang ada.

1.3 Metodologi Penulisan

Metodologi yang digunakan dalam penulisan Karya Akhir ini adalah sebagai berikut :

Survey lapangan ke pabrik pengolahan kelapa sawit di PTP. Nusantara IV Bah Jambi Kabupaten Simalungun.

Study literature , berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan yang terkait dengan perencanaan ini.

Diskusi , berupa Tanya jawab dengan dosen pembimbing yang telah ditunjukkan oleh Departemen Teknik Mesin ,selama penyusunan tugas sarjana.

1.4 Batasan Masalah

Dalam perencanaan ini akan dibahas tentang turbin uap penggerak generator untuk dipakai pada pabrik kelapa sawit dengan kapasitas 30 ton TBS/ jam. Pemilihan jenis turbin , jumlah tingkat kecepatan turbin, dan dimensi lainnya ditentukan berdasarkan besarnya daya turbin, masa aliran uap turbin, putaran turbin, kondisi uap masuk dan keluar turbin.


(15)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Umum

Turbin uap termasuk mesin-mesin konversi energi yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetis pada nozel dan selanjutnya diubah menjadi energi mekanis pada sudu-sudu turbin yang dipasang pada poros turbin. Energi mekanis yang dihasilkan dalam bentuk putaran poros turbin dapat secara langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Untuk menghasilkan energi listrik, mekanisme yang digerakkan adalah porosw generator.

Jika dibandingkan dengan penggerak dengan tenaga listrik lain seperti diesel , turbin memiliki kelebihan antara lain :

• Penggunaan panas yang lebih baik.

• Pengontrolan putaran yang lebih mudah .

• Tidak menghasilkan loncatan bunga api listrik.

• Tidak terpengaruh lingkungan sekeliling yang panas.

• Uap bekasnya dapat digunakan kembali atau untuk proses

2.2 Analisis Termodinamika

Siklus Rankine adalah siklus teoritis yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi, oleh karena itu fluida kerja untuk siklus Rankine harus merupakan uap yang terdiri dari dua jenis siklus yaitu:

1.Siklus terbuka, dimana sisa uap dari turbin langsung dipakai untuk keperluanproses.


(16)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

2.Sikus tertutub, dimana uap bekas dari turbin dimamfaatkan lagi dengan cara mendinginkannya pada kondesor, kemudian dialirkan kembali kepompa dan seterusnya sehinga merupakan siklus tertutub.

Menurut pembentukannya ada dua jenis uap , yaitu :

1. uap air (kabut air) yaitu uap yang berbentuk diatas permukan air , sebagai akibat penurunan tekan diatas permukaan air sampai tekan penguapan yang sesuai dengan temperature permukaan air tersebut.

2. Uap air ( uap didih), adalah uap yang terbentuk akibat pendidihan air. Air akan mendidih bila tekanan dan temperature berada pada kondisisi didih, yaitu pada tekanan dan temperature didih. Pada peristiwa mendidih, maka pembentukkan uap terjadi pada seluruh bagian fluida , kadar uap naik dari 0 s/d 1. uap yang terbentuik pada tekanan dan temperature didih disebut uap jenuh (saturated steam). Apabila uap jenuh dipanaskan pada tekanan tetab , maka uap akan menerima panas lanjut (temperature naik), uap yang demikian disebut uap panas lanjut ( superheated steam).

Gambar 2.1 siklus Rankine Sederhana BOILER

P

KONDENSER TURBIN

V

W turbin

1 2

3

4

W pompa q in


(17)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Untuk mempermudah penganalisaan termodinamika siklus ini, proses diatas dapat disederhanakan dapat disederhanakan dalam diagram berikut :

T

s

1 2

3

4 v

v Q in

Q out

W turbin

W pompa

Gambar 2.2 Diagram T-S

Siklus rankine sederhana terdiri dari beberapa proses sebagai berikut : 1 2 : proses pemompaan isentropik ; didalam pompa

2 3 : proses pemasukan kalor atau pemanasan pada tekanan konstan dalam ketel uap

3 4 : proses ekspansi isentropik ; didalam turbin 4 1 : proses pengeluaran kalor pada tekanan konstan

Maka analisa pada masing-masing proses pada siklus untuk tiap satu satuan massa dapat ditulis sebagai berikut:

1. Kerja Pompa (Wp) =h2−h1 =v(p2−p1)……...……….……… ..(2.1)

2. Penambahan kalor pada ketel (Qin)=h3−h2


(18)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

4. Kalor dilepaskan dalam Kondensor (Qout)=h4h1

5.Efesiensi termal siklus :

2 3 1 4 2 3 1 4 2 3 2 3 1 2 4

3 ) ( )

( h h h h h h h h h h h h h h h h Q W W Q W th th th in P T in net th −− = − + − − = − − − − = − = = η η η η ……..………(2.2)

2.3 Klasifikasi Turbin Uap

Turbin uap dibagi mejadi bermacam –macam jenis menurut kontruksinya, proses panas jatuhnya, kondisi awal dan akhir yang dipakai dan pemakain dalam industri.

Menurut jumlah tingkat tekanan :

• Turbin uap tingkat tekanan tunggal atau beberapa tingkat tekanan kecepatan, pada umumnya digunakan untuk menggerakkan kompresor

• Turbin impuls dan tingkat banyak, dibuat untuk kapasitas dari tenaga kecil sampai yang besar.

Menurut arah aliran uapnya :

• Turbin aksial dimana uap mengalir pada arah sejajar dari sumbu turbin.

• Turbin radial dimana uap mengalir pada arah tegak lurus dari arah sudu turbin.

Menurut jumlah silinder :

• Turbin silinder tunggal.

• Turbin silinder ganda

• Turbin silinder tiga


(19)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Menurut kontruksi porosnya :

• Turbin as tunggal ( turbin multi silinder) yang rotornya dipasang pada satu poros yang sama dan dihubungkan kegenerator tunggal.

• Turbin multi aksial, turbin dengan as rotor yang dipisah untuk tiap- tiap silinder yang ditempatkan sejajar satu dengan yang lain.

Menurut metode pengaturan:

• Turbin dengan pengaturan pencekikan (throttling) dimana uap segar masuk melalui satu atau lebih ( tergantung daya yang dihasilkan) katub pencekik yang dioperasikan serempak.

• Turbin dengan pengaturan nozel ( pemancar ) dimana uap masuk melalui dua atau lebih pengatur pembuka ( opening regulator) yang berurutan.

• Turbin dengan pengaturan langkau ( by-pass governing) dimana uap selain di alirkan ketingkat pertama juga langsung dialirkan kesatu , dua atau bahkan tiga tingkat menegah turbin tersebut.

Menurut prinsip kerja uap

• Turbin impuls ( turbin aksi) dimana energi pontensial uap diubah menjadi energi kinetic didalam nozel ( pipa pemancar).

• Turbin reaksi aksial , dimana ekspansi uap antara sudu-sudu antar dan sudu-sudu gerak pada tiap tingkat terjadi pada luas yang sama.

• Turbin reaksi radial dengan/ tanpa sudu-sudu pengarah yang diam. Menurut pemakaian uap bekasnya

• Turbin kondensasi regulator , pada turbin uap pada tekanan yang lebih kecil dimasukkan kekondensor.

• Turbin kondensasi dengan satu atau dua penarikan tingkat dari tengah pada tekanan tertentu untuk proses dan pemanasan dalam industri.

• Turbin tekanan belakang, uap bekas dipakai untuk tujuan pemanasan dalam industri.

• Topping turbin, uap bekas dipakai untuk menggerakkan turbin


(20)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

• Turbin Tekanan rendah dimana uap bekas dari mesin uap torak , mesin tempa , mesin press dipakai untuk turbin tersebut guna membakitkan tenaga.

Menurut besarnya tekanan uap masuk

• Turbin tekanan rendah memakai uap pada tekanan 1,2 ÷ 2 atm

• Turbin tekanan sedang ( medium) memakai uap pada tekanan sampai 40 atm

• Turbin tekanan sedang ( medium) memakai uap pada tekanan sampai dengan lebih dari 40 atm.

• Turbin tekanan sangat tinggi dengan uap bertekanan 170 atm dan temperature 550 ˚C atau lebih

• Turbin tekanan super kritis pada tekanan lebih dari 225 atm. Menurut pemakaian dalam industri

• Turbin tetap dengan putaran konstan terutama untuk menggerakkan altenator.

• Turbin uap dengan kecepatan variabel untuk menggerakkan turbo blower, sikulator udara, pompa dan lain-lain.

• Turbin non stasionery ( tidak tetap) dengan kecepatan variabel, dipakai untuk mesin uap , kapal dan lokomotif.

2.3.1 Turbin De Laval

Turbin uap De-Laval adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip impuls aksi dengan aliran aksial, satu tingkat tekanan dan satu tingkat kecepatan. Turbin uap ini memiliki satu susunan sudu gerak sehingga seluruh droping energi (energi jatuh) potensial uap akan dikonversikan oleh sudu-sudu gerak. Putaran yang dihasilkan turbin uap ini sangat besar dan daya yang dihasilkan maksimum 1.500 kW, sehingga turbin ini biasanya digunakan untuk kapasitas generator yang kecil.

Keuntungan turbin uap ini adalah konstruksinya yang sederhana sehingga ongkos pembuatannya murah serta perakitannya pun mudah. Kerugian utama dari turbin uap ini adalah kapasitasnya yang kecil, efisiensi yang rendah, dan


(21)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

putarannya yang terlalu tinggi sehingga memerlukan transmisi roda gigi untuk mendapatkan putaran yang dibutuhkan untuk menggerakkan generator listrik. Pada turbin de laval konversi energi pontensial ke energi kinetik terjadi pada tabung pancar ekspansi , dengan kata lain bahwa dalam tabung pancar ekspansi terjadi dropping (kehilangan) energi panas sebesar ekspansi uap masuk dikurangi entalpi uap bekas dan bersamaan dengan itu terjadi kenaikan energi kinetik sebesar setengah masa uap masa uap masuk dikalikan dengan kuadarat dari kenaikan kecepatan uap memasuki tabung pancar ekspansi. Dari pertukaran energi ini akan diperoleh besarnya kecepatan uap masuk sebenarnya (actual) tergantung dari kualitas dari tabung pancar ekspansi.

Fenomena turbin de laval, yang disebut juga turbin impuls dengan roda gerak tunggal (single dics impuls turbin), menyebabkan turbin tidak dapat bersaing dengan mesin uap torak (reciprocating stean engine) ciptaan james watt pada tahun 1769 M karena turbin de laval bekerja dengan uap kering bertekanan tinggi , kerugian friksi besar sehingga efesiensi mekanik rendah.

Keterangan gambar :

1. Poros 2. Cakram 3. Sudu gerak 4. Nozel 5. Stator 6. Pipa buang Gambar 2.3 Turbin De Laval

Dengan pertimbangan tersebut diatas maka turbin de laval sulit diterapkan karena tidak praktis secara ekonomis. Turbin de laval biasanya menggunakan 4 buah tabung pemancar ekspansi (nozel) atau lebih yang dapat ditutup secara


(22)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

terpisah untuk dapat mengatur kosumsi uap untuk turbin. Oleh sebab itu sudu-sudu gerak (row of moving blades) hanya sebagian saja yang dikenai uap yang keluar dari tabung pemancar ekspansi (tidak serentak untuk seluruh sudu-sudu gerak), cara ini disebut pelumasan sebagian (partial admision).

Dalam tabung pancar ekspansi terjadi ekspansi uap dari tekanan uap masuk ketel sampai ketekanan luar turbin , jadi terdapat satu jenjang (tingkat) tekanan , oleh sebab itu maka turbin de laval disebut juga turbin impuls bertingkat tekanan tunggal ( single stage pressure impuls turbine).

Bersamaan dengan terjadinya proses ekspansi uap , maka terjadi kehilangan energi panas (droping energi pontensial ) uap (∆H) kkal/kg/detik. Ekspansi dibarengi dengan kenaikan kecepatan uap sampai mencapai C m/detik 1

yang sangat tinggi seperti yang diuraikan diatas. Dalam roda gerak (rotor) atau rai sudu-sudu gerak terjadi kehilangan energi kinetik , karena terjadinya penurunan kecepatan yang demikian tinggi. Jadi dalam rai sudu-sudu gerak terjadi pula sebuah jenjang (tingkat) kecepatan , maka turbin ini disebut juga sebagai turbin dengan satu tingkat kecepatan.

Kesimpulannya bahwa turbin De Laval dinamakan juga turbin impuls bertingkat tekanan dan kecepatan tunggal (single stage pressure –velocity impuls turbine ).

2.3.2 Turbin Curtis

Turbin uap Curtis adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip impuls aksi dengan aliran aksial, sistem tingkat tekanan tunggal dan lebih dari satu tingkat kecepatan. Turbin uap ini memiliki putaran yang lebih rendah dari turbin uap De-Laval dan daya yang dihasilkan dapat mencapai 4.000 kW, sehingga turbin uap ini dapat dipakai untuk kapasitas generator yang sedang.

Dalam turbin uap Curtis ini, uap hanya diekspansikan pada nozel (sudu tetap yang pertama) dan selanjutnya tekanan konstan sedangkan dalam baris sudu gerak tidak terjadi ekspansi.

Meskipun demikian, dalam kenyataannya penurunan tekanan yang kecil di dalam sudu gerak tidak dapat dihindarkan berhubung adanya gesekan, aliran


(23)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

turbulen dan kerugian lainnya. Keunggulan jenis turbin uap ini adalah konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan namun efisiensinya rendah.

Keterangan gambar :

1. Poros 2. Cakram 3. Baris pertama sudu gerak

4. Nozel 5. Stator 6. Baris kedua sudu gerak

7. Sudu pengarah.

Gambar 2.4 Turbin Curtis

Pada turbin ini tingkat kecepatanlah yang dibagi dalam beberapa tingkat sedangkan tingkat tekanannya adalah tetap satu, maka turbin curtis boleh dianggap sebagai turbin de laval dengan beberapa tingkat kecepatan.

Dalam prinsipnya maka turbin curtis mengambil keuntungan sebanyak mungkin dari tenaga gerak uap dari ekspansi uap dari ekspansi sekelilingnya. Apabila dalam turbin zoelly, bentuk sudu adala semua sama maka dalam turbin curtis tidak demikian , bentuk sudu makin lama makin berkurang kecekungannya.

Keburukan dari turbin curtis antara lain adalah :

• Tidak ekonomis bila dipakai pada daya yang besar

• Gesekan antara uap dengan dinding sudu besar

• Tidak dapat dibuat sudu yang besar

Mengingat hal itu semua maka turbin curtis hanya dibuat paling banyak tiga tingkat saja.


(24)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Pada turbin curtis yang kecil untuk mengalirkan uap masuk dapat dipergunakan beberapa tabung pancar , jika tenaganya agak besar dan jumlah uap harus dialirkan masukan demikian pula , lebih baik digunakan tembereng tabung pemancar. Disini dibagian bawah atau dalam tubuh rumah turbin terdapat sebuah lubang yang beredar membentang sepanjang sebagian kelilingnya. Didepan lubang tembereng ini dipasang flens dan sejumlah besar baut. Didalam saluran tembereng ini dipaang dinding –dinding kecil yang melengkung sehingga disini timbul enam buah lubang tabung pancar yang letaknya bersebelahan dan berpenampang persegi panjang.

Badan tembereng dibuat dari perunggu atau besi tuang, sebaliknya dinding terbuat dari baja nikel , sebab baja nikel memiliki titik lembur yang yang jauh lebih tinggi dari logam tembereng itu sendiri.

2.3.3 Turbin Zoelly /Rateau

Turbin uap Zoelly/Rateau bekerja dengan prinsip impuls aksi dengan sistem tekanan bertingkat. Tekanan uap turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja, sedangkan di dalam baris sudu gerak tidak terjadi penurunan tekanan.

Daya yang dihasilkan adalah daya yang besar pada putaran rendah. Sehingga turbin uap ini cocok dipakai sebagai penggerak daya generator yang besar. Keuntungan turbin ini adalah efisiensinya yang tinggi, tetapi biaya konstruksiya mahal. Dengan demikian konstruksinya lebih rumit dari turbin uap satu tingkat tekanan.


(25)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

1. Poros 2. Cakram 3. Baris pertama sudu gerak 4. Nozel 5. Stator 6. Baris kedua sudu gerak 7. Sudu pengarah.

Gambar 2.5 Turbin Zoelly /Rateau

2.3.4 Turbin Parson

Turbin parson adalah suatu turbin dengan beberapa tingkat kecepatan dan tekanan, pada garis besarnya kontruksi turbin ini adalah sumbu turbin yang berupa tromol dengan dikelilingi sudu-sudu jalan. Tiap rumah sudu jalan ada tersusun sudu-sudu antar dalam rumah turbin. Sudu antar mengatur supaya bagian uap dapat masuk diantara sudu jalan dengan tidak saling bersentuhan(bertumbukan).

Untuk menjaga agar jumlah putaran rotor tetap kecil maka pengurangan tekan pada tiap-tiap rumah sudu harus kecil sehingga terkadang harus ada banyak rumah sudu yang dibutuhkan. Uap baru dimasukan dalam tembusan (saluran ) yang berbentuk seperti gelang dan mengalir melalui rumah sudu-sudu antar pertama. Karena isi uap bertambah besar jika tekan berkurang maka sudu-sudu dalam arah aliran uap selalu lebih tinggi untuk memberi jalan yang cukup kepada uap. Torak buta berguna untuk mencegah / mengatasi adanya gerak /daya aksial dari akibat tingkat kecepatan / tekan uap yang menekan sudu-sudu jalan.

Keburukan dari turbin parson ini adalah bahwa uap yang mengalir kepuncak –puncak sudu antar dan dalam perbandingan makin besar jika sudu-sudu itu semakin rendah karena sudu-sudu pendek membutuhkan kelonggaran yang sama dengan sudu panjang.

Turbin uap Parson bekerja dengan prinsip reaksi dengan aliran aksial. Turbin uap ini umumnya bertingkat dan untuk kapasitas yang besar dengan putaran yang rendah. Uap mengalami ekspansi baik pada sudu pengarah maupun pada sudu gerak sehingga mengarahkan dorongan pada sudu dalam arah aksial.

Walaupun konversi energi terjadi pada ke dua tipe sudu tersebut, namun yang menghasilkan daya tangensial reaksi hanya sudu-sudu gerak saja, maka turbin uap Parson dinamakan juga sebagai turbin uap semi-reaksi.


(26)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Keuntungannya adalah efisiensinya lebih baik dari turbin uap Zolley, akan tetapi sistem pengaturannya lebih rumit dan biaya konstruksinya lebih mahal jika dibandingkan dengan turbin uap De-Laval, Curtis, dan Zoelly.

Gambar 2.6 Turbin Parson dan diagram Efesiensi

Rotornya dibuat dari balok baja yang kuat, ujung poros merupakan satu keseluruhan dengan poros tersebut. Silinder terbuat dari baja tuang yang menjadi semakin agar melebar kearah ujungnya, berhubungan panjang sudu yang yang berangsur-angsur bertambah dari 45 mejadi 85 mm. rumah turbin terbuat dari bahan baja tuang karena tahan suhu panas uap lebih dari 250˚ C. Pada suhu yang sangat tinggi pada baja tuang itu masih ditambahkan sedikit molibden, pada suhu yang lebih rendah cukuplah menggunakan baja tuangan, bidang tutup depan dan belakang merupakan suatu keseluruhan dengan rumah turbin.

2.4 Pemilihan Jenis Turbin

Untuk merencanakan suatu turbin uap, dibutuhkan kecermatan dalam penentuan jenis turbin agar kelangsungan operasi pabrik tidak mengalami kerugian yang besar. Penentuan jenis turbin ini sangat penting, bukan hanya dari factor teknisnya saja tapi juga factor ekonomisnya sehingga perlu diambil beberapa jenis turbin uap sebagai bahan perbandingan terhadap turbin yang direncanakan, yaitu:


(27)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Turbin ini memiliki kecepatan keliling yang cukup besar , yang menyebabkan putaran turbin de laval sangat tinggi (6000-25000) rpm, sehingga dalam pengoperasiannya dibutuhkan roda gigi untuk mereduksi putaran. Secara umum turbin de laval hanya membangkitkan daya yang rendah.

b. Turbin Uap Jenis Curtis

Turbin curtis mengkonversikan seluruh droping energi pontensial dalam satu tingkat tekanan , tetapi dengan dua atau tiga tingkat kecepatan. Dengan menerapkan metode velositas ganda, turbin curtis tetap akan mempunyai putaran tinggi. Daya yang dibangkitkan juga cukup rendah.

c. Turbin Zoelly

Kelemahan curtis dalam mengembangkan metode tingkat tekanan berganda pada turbin uap , memberikan inspirasi kepada seorang ahli teknik dari perancis bernama Rateau pada tahun 1898 dan di ikuti oleh Zoelly, seorang kebangsaan swiss 1903, turbin jenis ini memperlihatkan antara rai-rai sudu-sudu gerak dibatasi oleh tabung pancar ekspansi.

Dalam perencanaan ini dipilih turbin uap impuls jenis curtis dengan satu tingkat tekanan dan dua tingkat kecepatan.

Adapun alas an dan pertimbangan dalam pemilihan jenis turbin ini adalah : 1. pertimbangan efesiensi dan keandalan

turbin curtis mempunyai efesiensi yang tinggi sehingga energi potensial uap dapat dimanfaatkan seefesien mungkin. Turbin curtis dapat bekerja pengisihan sebagian. Hal ini memudahkan dalam hal pengaturan kapasitas uap. 2. Segi Pemeliharaan

Perawatan dan pengoperasian yang baik dari turbin curtis akan mencegah kerusakan dan dapat menjamin umur dari pemakaian turbin. Perawatan dan pemakaian turbin impuls adalah tidak sulit.

3. Segi Kontruksi

Kontruksi turbin curtis lebih sederhana jika dibandingkan dengan turbin jenis parson, dari segi pengadaan komponen mudah dilakukan seperti pengadaan nosel ,sudu ,bantalan dan sebagainya.


(28)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

4. Pertimbangan tempat dan kondisi pemakaian

Turbin ini digunakan pada pabrik pengolahan kelapa sawit dengan kapasitas 30 Ton TBS/jam dan daya listrik yang dibutuhkan pabrik tidak terlalu besar.

5. Pertimbangan Investasi

Karena turbin ini digunakan sebagai penggerak mula generator listrik dengan daya yang kecil, sehingga dari segi kontruksinya dipilih turbin impuls yang relative sederhana untuk menghemat biaya investasi.

2.5 Prinsip dan Sistem Kerja Turbin Curtis

Turbin curtis adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip impuls- aksi dengan aliran aksial. System diterapkan ada tiga macam yaitu:

• Turbin Curtis dengan tingkat tekan tunggal dan tingkat kecepatan ganda

• Turbin Curtis dengan tingkat tekan tunggal dan tingkat kecepatan berganda lebih dari dua .

• Turbin Curtis dengan tingkat tekanan dan velositas ganda Dari diagram sistem dapat dicatat hal-hal sebagai berikut :

 Droping entalpi serupa dengan turbin de laval, jadi seluruh kehilangan energi termis berubah menjadi pertambahan energi kinetis, jadi :

(

)

Cg g C h

h i a

i a

2 2 427

2 2

− =

− ………...(2.3)

Atau

g C g C h

h i a

i a

2 2

) (

427

2 2

2

− =

ϕ ………..………...(2.4

)

 Roda gerak(rotor) mempunyai dua karangan/rai sudu bergerak. Pada dua rai terjadi penurunan kecepatan uap maka dikatakan turbin ini mempunyai dua tingkat kecepatan.


(29)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

 Diantara dua rai gerak dipasang sebuah rai sudu-sudu tetap dengan arah berlawanan dengan kedua sudu gerak tersebut, yang berfungsi sebagai pembalik arah uap dari arah C menjadi o1 C sehingga sudu tersebut i2

dinamakan sudu pemandu.

Gaya tangensial yang terjadi pada roda curtis dengan dua tingkat kecepatan adalah sama dengan jumlah gaya-gaya tangensial pada kedua rai sudu-sudu gerak tersebut, jadi :

2 1 1 Ft Ft

F = + ………..(2.5)

Sebagai akibat dari penurunan energi kinetis dalam rai-rai sudu-sudu gerak, volume jenis uap akan bertambah besar sebagai konsekuensi dari ini maka ukuran tinggi sudu-sudu pada sisi keluar dibuat lebih besar dari sisi masuk. Dari gambar 2.7 dan 2.8 dapat diterangkan sebagai berikut:

Gambar2.7 Tinggi sudu-sudu pada sisi keluar

Pada tingkat pertama

1

i

C : kecepatan uap masuk mutlak pada tingkat pertama (m/det)

1

i

W : kecepatan uap masuk nisbi pada tingkat pertama (m/det)

1

o

C : kecepatan uap keluar mutlak pada tingkat pertama (m/det)

1

o

W : kecepatan uap keluar nisbi pada tingkat pertama (m/det)

1

i

α : sudut masuk mutlak pada tingkat pertama

1

i

β : sudu masuk nisbi pada tingkat pertama

1

o

α : sudu masuk mutlak pada tingkat pertama

1

o


(30)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Gambar 2.8 segitiga –segitiga kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar turbin curtis

Pada tingkat kedua

2

i

C : kecepatan uap masuk mutlak pada tingkat pertama (m/det)

2

i

W : kecepatan uap masuk nisbi pada tingkat pertama (m/det)

2

o

C : kecepatan uap keluar mutlak pada tingkat pertama (m/det)

2

o

W : kecepatan uap keluar nisbi pada tingkat pertama(m/det)

2

i

α : sudut masuk mutlak pada tingkat pertama

2

i

β : sudut masuk nisbi pada tingkat pertama

2

o

α : sudut masuk mutlak pada tingkat pertama

2

o

β : sudut masuk nisbi pada tingkat pertama

Gambar 2.9 memperlihatkan diagram segitiga kecepatan untuk turbin curtis dengan dua tingkat kecepatan dan dua pasang segitiga kecepatan dari tingkat dua yang digambar menjadi satu. Gambar tersebut dapat juga dibuat terpisah , masing-masing terdiri dari sepasang segitiga kecepatan untuk masing-masing-masing-masing tingkat.


(31)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Gambar 2.9 Diagram segitiga kecepatan

Dari gambar 2.9 dapat dicatat sebagai berikut:

komponen tangensial Ci1adalahCi1cosαi1

komponen tangensial Wi1adalahWi1cosβi1

kecepatan tangensial rotor U =Ci1cosα −i1 Wi1cosβi1

komponen aksial Wi1adalahCi1sinαi1

komponen aksial Wi1adalahWi1sinβi1

Ci1sinα =i1 Wi1sinβi1

komponen tangensial Ci2adalahCi2cosαi2

komponen tangensial W12adalahWi2cosβi2

kecepatan tangensial rotor U = Ci2cosα −i2 Wi2cosβi2

komponen aksial Ci2adalahCi2ssinβi2

komponen aksial Wi 2adalahWi2sinβi2

2 2 2

2sin i i sin i

i W

C α = β

Semua ketentuan diatas pada segitiga- segitiga kecepatan yang terdapat pada sisi masuk, sedangkan untuk kentuan untuk sisi keluar adalah sebagai berikut :

komponen tangensial Co1adalahCo1cosαo1

komonen tangensial Wo1adalahWo1cosβo1

kecepatan tangensial rotor U = WO1cosβ01− Co1cosαo1

komponen aksial Co1adalahCo1sinαo1

komponen aksial Wi1adalahWo1sinβo1


(32)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

komponen tangensial Co2adalahCo2cosαo2

komponen tangensial Wo2adalahWo2cosαo2

kecepatan tangensial rotor U = WO2cosβ −o2 CO2cosαo2

komponen aksial CO 2adalah Co2sinαo2

komponen aksial WO2adalahWo2sinβo2

Co2sinα =o2 Wo2sinβo2

komponen aksial mutlak :

Co1cosα =o1 ψCi1sinαi1 Co2cosα =o2 ψCo2sinαo2

komponen aksial nisbi :

Wo1sinα =o1 ψWi1sinβi1

Wo2cosβ =o1 ψWi2sinβi2

Maka gaya-gaya tangensial pada masing-masing tingkat pertama dan kedua sepola jadi :

Wi1cosβi1 =Ci1cosαi1−U

Wo2cosβ =o2 ψWi1sinβi1 = ψCo1cosαi1 −ψU

Co1cosαo1 =Wo1cosβo1U

= ψCi1cosαi1 −ψUU

Gaya tangensial pada rai sudu-sudu gerak pada tingkat pertama adalah : 1 1(1 )(C1cos 1 U)

g

Ft = +ψ i αi − ………..………...(2.6)

Gaya tangensial pada rai sudu-sudu gerak pada tingkat kedua adalah: )

1 ( 1

2 = +ψ g

Ft {(ψ 2Ci1cosαi1−(2+ψ +ψ2)U } Gaya total yang dihasilkan turbin :


(33)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Jadi : = 1(1+ψ)

g

Ft {(1 )Ci cos i (2 )U

2 1

1

2 α ψ ψ

ψ − + +

+

Bila (1 )(1 ) 2 (1 )(2 2)

2

1 ψ ψ φ ψ ψ ψ

φ = + + dan = + + +

Maka 1( 1C1cos 1 2U)

g

Ft = φ i αi −φ

Energi mekanik turbin adalah

g U

Emek = (φ1Ci1cosαi1−φ2U)..……….………(2.7 )

Daya sudu adalah :

g U Ns

75

= (φ1Ci1cosαi1−φ2U) (DK/kg)………..………(2.8) Efesien sudu (efesien rotor )ηadalah perbandingan energi mekanik dengan energi kinetic, jadi:

g C

U C

g U

i i i

s

2

) cos

(

2 1

2 1 1

1 α φ

φ

η = − …………...……….. (2.9)

Efesiensi gross Maksimal adalah :

2 1 2

2 1 2

max cos

2 1 )

( GR αi

φ φ ϕ

η = ………(2.10

)

2.6 Kerugian- Kerugian Kalor Pada Turbin Uap 2.6.1 Kerugian –kerugian dalam ( Internal Losses)

1. Kerugian kalor pada katup pengatur

Aliran uap melalui katup-katup penutup dan pengatur disertai oleh kerugian energi akibat proses pencekikan (throtling), kerugian inilah yang disebut dengan kerugian pada katup pengatur.

Jika tekanan uap masuk adalah (Po) maka akan terjadi penurunan tekanan menjadi tekanan awal masuk turbin (Po’). Penurunan tekanan awal (∆Po)


(34)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

diperkirakan sebesar (3-5) % dari Po. Dimana ∆P = Po-Po’, pada perencanaan ini

diambil kerugian katup sebesar tekanan 5 % dari tekanan masuk turbin atau dapat dituliskan[13,60] : ∆P = 5 %.Po

Kerugian energi ini terjadi pada katup pengatur ditentukan dengan:

ho ho h = −

∆ ...(2.11) dimana : ho = nilai penurunan kalor total turbin.

Nilai penurunan kalor setelah mengalami proses penurunan tekanan akibat pengaturan melalui katup pengatur dan katup penutup yang ditetapkan, h0’ sebesar

(3 – 5)% dari Po. Jadi tujuan perencanaan kerugian tekanan yaitu sebesar :

∆P = 5%Po. Kerugian-kerugian yang terjadi pada katup pengatur dapat dilihat

pada gambar di bawah ini :

Gambar 2.10. Proses ekspansi uap melalui mekanisme pengatur beserta kerugian-kerugian akibat pencekikan

Keterangan gambar : hn = kerugian pada nosel

hb = kerugian pada sudu gerak

hc = kerugian akibat kecepatan keluar

Po = tekanan uap masuk turbin

Po’= tekanan uap sebelum masuk nosel

P2 = tekanan keluar turbin

Ho = penurunan kalor


(35)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Hi = penurunan kalor yang dimanfaatkan dalam turbin.

2. Kerugian Kalor Pada Nozel (hn)

Kerugian energi pada nosel disebabkan oleh adanya gesekan uap pada dinding nozel, turbulensi, dan lain-lain. Kerugian energi pada nosel ini dicakup oleh koefisien kecepan nozel ( ) yang sangat tergantung pada tinggi nozel.

Kerugian energi kalor pada nozel dalam bentuk kalor dimana besarnya :

8378

2 1 2 1 C C

h t

n

= kkal/kg...(2.12)

8378

2 1 2 1

C C

hn

−    

= ϕ ...(2.13) dimana:

Cit = Kecepatan uap masuk nozel teoritis (m/det)

C1 = ϕ.C1t = Kecepatan aktual uap keluar dari nozel (m/det)

hn = Besar kerugian pada nozel (kJ/kg)

ϕ = koefesien kecepatan pada dinding nozel

Untuk tujuan perancangan, nilai-nilai koefisien kecepatan nozel dapat diambil dari grafik yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.11. Grafik untuk menentukan koefisien ϕ fungsi tinggi nozel (sumber : P.Shlyakhin,turbin kukus , teori dan rancangan ,1988,hal 62) 3.Kerugian Kalor Pada Sudu-sudu Gerak

Kerugian pada sudu gerak dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu :


(36)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

• Kerugian akibat tubrukan

• Kerugian akibat kebocoran uap melalui ruang melingkar

• Kerugian akibat gesekan

• Kerugian akibat pembelokan semburan pada sudu

Semua kerugian di atas dapat disimpulkan sebagai koefisien kecepatan sudu gerak (ψ). Akibat koefisien ini maka kecepatan relatif uap keluar dari sudu w2 lebih kecil dari kecepatan relatif uap masuk sudu w1.

Kerugian kalor pada sudu :[13,85] : hb’=

8378

2 1 2 1 w w

(kkal/kg)...(2.14) w1 = kecepatan relatif uap masuk sudu gerak I

w2 = kecepatan relatif uap keluar sudu gerak I

w’1 = kecepatan relatif uap masuk sudu gerak II

w’2 = kecepatan relatif uap keluar sudu gerak II

Harga koefisien kecepatan atau faktor ψ dapat diambil dari grafik di bawah ini :

Gambar 2.12. Koefisien kecepatan untuk sudu gerak turbin impuls untuk

berbagai panjang dan profil sudu[13,62]. 4.Kerugian Kalor Akibat Kecepatan Keluar

Uap meninggalkan sisi keluar sudu gerak dengan kecepatan mutlak C2,

sehingga kerugian energi kinetik akibat kecepatan uap keluar C2 untuk tiap 1 kg

uap dapat ditentukan sama dengan C22/2 kJl/kg. Jadi sama dengan kehilangan

energi sebesar[13,63] : hc =

8378

2 2 C


(37)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

5.Kerugian Kalor Pada Sudu Pengarah[13,86]

8378

2 1 2 2 C C hgb

= (kkal/kg………..……...………..(2.16)

6.Kerugian Kalor Akibat Gesekan Cakram dan Ventilasi

Kerugian gesekan terjadi diantara cakram turbin yang berputar dengan uap yang menyelubunginya. Cakram yang berputar itu menarik partikel-partikel yang ada di dekat permukaannya dan memberi gaya-gaya searah dengan putaran. Sejumlah kerja mekanis digunakan untuk mengatasi pengaruh gesekan dan pemberian kecepatan ini.

Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan percepatan-percepatan partikel uap ini pun akan dikonversikan menjadi kalor, jadi akan memperbesar kandungan kalor uap. Kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi dapat ditentukan dari persamaan berikut[13,64] :

G Ng

hg ca

ca

427 102

= kkal/kg ...(2.17) dimana :

G = massa aliran uap melalui tingkatan turbin (kg/det)

Ngca = daya yang hilang dalam mengatasi gesekan dan ventilasi cakram.

Adapun penentuan daya gesek dan ventilasi cakram ini sering dilakukan dengan memakai rumus sebagai berikut[13,64] :

γ β.10 10.d4.n3.l.

Ngca = − (kW) dimana :

β = koefisien yang sama dengan 2.06 untuk cakram baris ganda d = diameter cakram yang diubah pada diameter rata-rata sudu (m) n = putaran poros turbin (rpm)

l= tinggi sudu (cm)

γ = bobot spesifik uap di dalam mana cakram tersebut berputar, (kg/m3) =

v 1

, dimana v = volume spesifik uap pada kondisi tersebut (m3/kg) 7.Kerugian akibat Ruang Bebas


(38)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Ada perbedaan tekanan di antara kedua sisi cakram nosel yang dipasang pada stator turbin, sebagai akibat ekspansi uap di dalam nosel.

Diafragma yang mempunyai sudu sudu gerak adalah dalam keadaan

berputar, sementara cakram-cakram adalah dalam keadaan diam sehingga selalu ada ruang bebas yang sempit antara cakram-cakram putar dan diafragma. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan adanya kebocoran melalui celah ini, yang besarnya[13,64] :

h kebocoran =

G Gkebocoran

( ho - h2) (kJ/kg)...(2.18)

Dimana G kebocoran ditentukan berdasarkan tekanan kritis[13,67]:

Pkr =

5 , 1 z

p 85 ,

0 1

+

× ) ...(2.19)

Bila tekanan kritis lebih rendah dari p2 ,maka kecepatan uap di dalam

labirin adalah lebih rendah daripada kecepatan kritis dan massa alir kebocoran ditentukan dengan persamaan[13,67]:

Gkebocoran = 100 fs

1 1

2 2 2 1

zp ) p p ( g

υ

(kg/det) ...(2.20)

Sebaliknya, bila tekanan kritis lebih tinggi dari p2, maka kecepatan uap

adalah lebih tinggi dari kecepatan kritisnya dan massa alir kebocoran dihitung dengan[13,67] :

Gkebocoran = 100 fs

1 1 p 5 . 1 z

g υ ×

+ ...(2.21)

Gambar 2.13. Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls[13,62]. 8.Kerugian Akibat Kebasahan Uap


(39)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Dalam hal turbin kondensasi, beberapa tingkat yang terakhir biasanya beroperasi pada kondisi kondisi uap basah yang menyebabkan terbentuknya tetesan air. Tetesan air ini oleh pengaruh gaya sentrifugal akan terlempar ke arah keliling.

Pada saat bersamaan tetesan air ini menerima gaya percepatan dari partikel-partikel uap searah dengan aliran.

Jadi sebagian energi kinetik uap hilang dalam mempercepat tetesan air ini[13,69]. hkebasahan = ( 1-x) hi

dimana :

hi = penurunan kalor yang dimanfaatkan pada tingkat turbin dengan

memperhitungkan semua kerugian kecuali kebasahan uap

x = fraksi kekeringan rata- rata uap didalam tingkat yang dimaksud

2.6.2 Kerugian-kerugian Luar (External Losses)

Kerugian-kerugian ini merupakan kerugian yang bersifat mekanik, yaitu kerugian energi yang digunakan untuk mengatasi tahanan-tahanan mekanik atau gesekan yang tidak langsung mempengaruhi kondisi uap. Seperti gesekan antara poros dengan bantalan, mekanisme pengatur, pompa minyak pelumas, serta kerugian karena kebocoran pada paking.

2.7. Efisiensi Pada Turbin

1. Efisiensi relatif sudu

Hubungan antara kerja satu kilogram uap Lu pada keliling cakram yang

mempunyai sudu-sudu gerak terhadap kerja teoritis yang dapat dilakukannya adalah[13,71] :

u u u

u

i i

L A L L

− = =

0 0

.

η

...(2.22) 2 Efisiensi internal


(40)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Hubungan antara kerja yang bermanfaat yang dilakukan oleh sudu dengan 1 kg uap pada tingkat atau di dalam turbin terhadap kerja teoritis yang tersedia adalah[13,71] :

0 1 0

2 0 0

h h h h

h h L

L i

t i

i

i =

− − = =

η ...(2.23) 3. Efisiensi termal

Hubungan antara penurunan kalor adiabatik teoritis di dalam turbin dan kalor yang tersedia dari ketel adalah[13,71] :

q h

h h t

t

− − =

0 1 0

η ...(2.24) 4. Efisiensi relatif efektif

Hubungan antara efisiensi mekanis dengan efisiensi internal turbin adalah[13,71]

i m re η .η0

η = ...(2.25 )

Daya dalam turbin[13,71].

102

427 0 i

i

h G

N = × × (kW) ...(2.26) Daya efektif yang dihasilkan pada poros turbin adalah[13,72] :

i m

ef N

N. ...(2.27) Daya efektif turbin dapat juga diperoleh dari hubungan antara daya yang dibangkitkan pada terminal generator Ne dan effisiensi generator g, yaitu[13,72] :

efektif e g

N N =


(41)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

BAB III

PENETAPAN SPESIFIKASI

3.1 Kebutuhan Daya Listrik Pada PKS

Pada pabrik pengolahan kelapa sawit, uap diperoleh dari ketel uap yang menggunakan bahan bakar cangkang dan serabut kelapa sawit. Uap panas lanjut yang dihasilkan ini kemudian dialirkan keturbin uap untuk memutar generator dan menghasilkan energi listrik. Uap bekas dari turbin uap didistribusikan ke unit-unit pengolahan kelapa sawit dengan menggunakan alat BPV ( Back Pressure Vessel). Disamping listrik tenaga uap, pabrik pengolahan kelapa sawit ini juga menggunakan pembangkit listrik tenaga diesel dengan penggerak mula motor diesel yang dihubungkan dengan generatornya sendiri dan kemudian setelah turbin uap beroperasi , beban yang ada pada motor diesel dipindahkan ke turbin uap, selain dari dua jenis pembangkit tadi, pabrik juga Memakai tenaga listrik dari PLN untuk memenuhi kekurangan daya dari turbin uap.

Berdasarkan data hasil survey, untuk kebutuhan daya listrik pada pabrik kelapa sawit ini dapat diuraikan sebagai berikut:


(42)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Pada satasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakan electromotor dengan daya sebagai berikut:

a. Kompresor – I ,II.DAN III = 55,5 kW

b. Empty bunch conveyor ( Hdan V) = 15 kW

c. Pompa Draft – I dan II = 14 kW

Maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 84, 5 kW 2. Hoisting Crane

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakan electromotor dengan daya sebagai berikut :

Maju Mundur –I/II = 1 kW

Turun -I/II = 0,65 kW

Naik -I/II = 0,65 kW

Turun -II/I = 6,5 kW

Naik Turun - II/I = 6,5 kW

Maka total daya listrik yang diperlukan stasiun ini adalah 15,3 kW 3. Pompa Bak Pat-pit

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakkan electromotor dengan daya sebagai berikut :

a. pompa Pat-pit = 5kW b. Capstan –I/II = 16 kW

maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 21 Kw 4. Stasiun Ektraction

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakkan electromotor dengan daya sebagai berikut :

a. Automatic Feeder = 1,5 kW

b. Bunch Tripper = 13 kW

c. Fruit conveyor under tresher = 1,5 kW

d. Fruit Elevator = 2,5 kW

e. Fruit Conveyor (distribusi ) = 3,5 kW

f. Digester –I,II dan III = 54 kW


(43)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

h. Hidraulik pres –I,II dan III = 4,5kW

i. Cake breaker Conveyor = 8kW

j. Fibre – fan = 37 kW

k.Plishing Drum = 4 kW

l.Nut Elevator = 2,2 kW

m. Crude oil Pump –I dan II =12 kW

n. Fibratin screen = 2 kW

o. Conveyor = 1kW

p. Bro Sweco = 1kW

maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 192,7 kW 5.Stasiun Clarifikasi

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakkan electromotor dengan daya sebagai berikut :

a. oil Purifier – alva laval I,II, dan III = 10kW b.Slugde separator alva-laval I, II,dan III = 42 kW

c.foot tank – I dan II = 9 kW

d. Desanding cyclone I dan II =12 kW

e. Brush straner = 1 kW

f. Tansfer Pump –Idan II = 8kW

g. Vacum Dryer Pump I dan II = 9kW

maka total daya listrik yang dibutuhkan pada stasiun ini adalah 91 Kw 6. Stasiun Kernellery

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakkan electromotor dengan daya sebagai berikut:

a. Raster nut drayer -I/II = 2kW

b. Dry nut conveyor = 1 kW

c. Dry nut elevator = 2 kW

d. Nut grading screen = 4 kW

e. Nut cracker – I, II dan III = 11,5kW

f. Uncackad mixt conveyor = 2 kW


(44)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

h. Shell Hydro cyclone = 18kW

I Kernel Hidro cyclone = 15,5 kW

j. Kernel dewatering screen = 2,5 kW

k. Kernel distributing conveyor = 3 kW

l. Kernel Silo fan – I DAN II = 14 kW

m. Raster kernel-I DAN II = 2 kW

n. Air lock kernel = 1kW

o. Uncracker separator = 3 kW

p. Shell conveyor = 5 kW

q. Shell elevator = 2kW

r. Fibre conveyor = 2,5 kW

s. air cock (fibre cyclone) = 3kW

t Air lock |(LTDS) = 4 kW

u. Dust separator = 9 kW

v. Dust separator colomb (LTDS) = 14 kW

Maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 131 kW. 7. Stasiun Boiler

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakkan electromotor dengan daya sebagai berikut:

a. General Conveyor (fuel) = 3,5 kW

b. Distribusi Fuel Conveyor = 4 kW

c. Turbulent air fan = 2,5 kW

d. Scundari fan = 3 kW

e. Primary fan = 4,5 kW

f. Induced draft fan = 12,5 kW

g. Feed water Pump = 21 kW

Maka total listrik pada stasiun ini adalah 51 kW 8. Stasiun Water Treatment

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakkan electromotor dengan daya sebagai berikut:


(45)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

b. Filter pres – I dan II = 4 kW

c. Cation Permutif Pump = 4 kW

d. Cation Hidrex pump = 5 kW

e. Cation basnes Pump = 4 kW

f. Anion Permutif Pump = 3 kW

g. Anion Hidrex pump = 3 kW

h. Anion basnes Pump = 3,5 kW

i. Dearator Pump – I dan II = 6 kW

f. Dosing Pump – I , II dan III =1,5 kW

g. Bakortiba pump = 2 kW

Maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 57,5 KW 9.Gret Chamber

Pada stasiun ini terdapat lima buah pompa yang digerakkan electromotor dengan daya totalnya adalah 62,5 KW

10. Proyet Limbah

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakkan electromotor dengan daya sebagai berikut:

a. Reception Pump –I dan II = 12 kW

b. Circulation Pump -I dan II = 3 kW

c. Airator – I, II , III, dan IV = 36 kW

Maka total daya listrik yang dihasilkan pada stasiun ini adalah 51 kW 11. Work Shop ( Bengkel)

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakkan electromotor dengan daya sebagai berikut :

a. Mesin bubut ( 3 buah ) = 7,5 kW

b. Mesin Bor ( 2 buah) = 2 kW

c. Mesin gergaji = 1 kW

d. Mesin las (2 buah) = 11 kW

e. Trafo Las ( 4 buah) = 36,4 kW

f. Compresor = 4kW


(46)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Tabel 3.1 Kebutuhan Daya Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit

NO STASIUN Kebutuhan Daya Listrik ( kW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Sterilisasi Hoisting Crane Pompa Bak Pat-pit Extraktion

Klarifikasi Kernellery Boiler

Water Treatment Great Chamber Proyet Limbah Work Shop (bengkel) Penerangan

84,5 15,3 21 192,7 91 131 51 57,5 62,5 51 61,9 47

Jumlah 866,4

Daya diatas berasal dari generator sebesar 800 kW sedangkan sisanya diambil dari PLN.

3.2 Dasar Perencanaan

Kapasitas turbin ditentukan berdasarkan kebutuhan daya listrik tiap ton TBS yang diolah. Diatas telah diuraikan jumlah daya listrik untuk kapasitas produksi 30 Ton TBS/ Jam sebesar 866,4 kW.

Dengan rujukan pada hasil survey maka perencanaan mengikuti jumlah daya yang dihasilkan turbin uap di PKS dimana turbin yang beroperasi hanya satu unit saja dengan kapasitas terminal generator sebesar 800 kW dan factor daya (cosϕ) sebesar 0,8 (hasil survey).

Oleh karena itu dengan menggunakkan generator berkapasitas 800 kW maka daya semu yang diperoleh pada generator sebesar :

ϕ

cos

gen s

N N =


(47)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

kVA KW

Ns 1000

8 , 0 800

= =

3.3 Penentuan Putaran Turbin

Unit generator listrik mempunyai :

• Jumlah Kutup, P = 2

• Frekuensi . f = 50 Hz Maka putaran generator

P f ng = 60

= 1500

2 50 . 60

= rpm

Dengan menetapkan reduksi roda gigi transmisi sebesar I = 3,327 maka putaran poros turbin adalah:

g

t n

n =1×

rpm nt =3,327×1500

rpm nt =4990,5

Disesuaikan data survey diambil putaran turbin sebesar 5000 rpm.

3.4 Perhitungan Termodinamika

Gambar instalasi pembangkit tenaga dari perencanaan turbin uap (sesuai dengan instalasi yang disurvey).


(48)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Gambar 3.1 Instalansi pembangkit

Untuk membangkitkan energi listrik pada generator listrik dibutuhkan sejumlah uap pada kondisi tertentu.berdasarkan penetapan data spesifikasi rancangan di dapat kondisi-kondisi uap sebagai berikut:

• tekanan uap masuk turbin

• temperature uap masuk turbin

• Tekanan uap keluar turbin


(49)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Gambar 3.2 Diagram T-S

Karena uap yang telah digunakan pada turbin yang direncanakan ini digunakan lagi proses penglohab kelapa sawit, maka kondisi uap keluar turbin harus sesuai dengan kondisi- kondisi yang dibutuhkan untuk proses pengolahan. Kondisi- kopndisi uap tersebut adalah:

tekanan uap masuk turbin Po = 20 kgh/cm2 temperature uap masuk turbin To = 260 ˚C temperature uap keluar turbin P1 = 3 kg/cm2

Dari kondisi – kondisi tersebut dengan menetapkan kerugian (kehilangan) tekanan pada katup –katup pengatur sebesar 5%, maka diperoleh:

. 05 , 0

=

Pv Po

= 0,05. 20 kg/cm2 = 1 kg/cm2

Maka tekanan sebelum nosel adalah : Po’ = Po- ∆Pv

= 20 kg/cm2- 1 kg/cm2 = 19 kg/cm2

Berdasarkan data diatas , maka penurunan kalor diperoleh diagram moller sesuai dengan kondisi-kondisi uap yang ditetapkan yaitu:

pada kondisi Po = 20 kg kg/cm2 dan To =260 ˚C io = 698, 9 kkal/ kg

S

1 5

6 4

3


(50)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

i1t= 609,5 kkal/ kg

pada kondisi Po’ =19 kg/cm2 dan To = 260 ˚C

t

i1 ’ = 614, 09 kkal/kg

Maka penurunan kalor teoritis (Ho) adalah Ho = io -i1t

= 698, 9 - 609, 5 kkal/ kg

Penurunan kalor teoritis pada nosel (Ho’) adalah Ho’ = io -i1t

= 698, 9 - 614, 09 kkal/kg

Dalam perhitungan penurunan kalor, uap yang mengalir menuju turbin di idealisasi tidak mengalami kehilangan panas atau entalpi dianggap konstan.

3.5 Efesiensi Turbin

Efesiensi- dalam relatif (ηoi) untuk perhitungan sementara diambil sebesar 0,58 yang diperoleh dari grafik efesiensi turbin dengan dua tingkat kecepatan sebagai fungsi u/c1, untuk harga optimum sebesar 0,22

Gambar.3.3 Efesiensi turbin impuls dengan dua tingkat kecepatan sebagai fungsi (u/c1)

Dengan mengambil daya yang direncanakan sebesar 1000 Kva, maka nilai-nilai dari berbagai efesiensi pada turbin dapat ditentukan dari gambar, untuk efesiensi generator (ηg)=0,944,efesiensi mekanis ηm =0,986, untuk efesiensi roda gigi (ηr)=0,9408.


(51)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

3.6 Menentukan Masa Aliran

det / . . . . . 3600

860

kg Ho

N G

g r m oi

e η η η η =

Untuk turbin yang direncanakan didapat masa aliran uap sebesar : det / ) 944 , 0 ).( 9408 , 0 ).( 986 , 0 ).( 58 , 0 ).( 4 , 89 .( 3600

1000 . 860

kg

G =

G = 5,26 kg/det

Untuk satu jam kerja diperoleh : G =5,26 x 3600

G = 18940,29 kg/ jam G = 18,94 ton/jam

3.7 Segitiga Kecepatan

Kecepatan uap pada sisi keluar nozel dapat dihitung dengan rumus : C1= 91,5ϕ Ho

Dimana :

ϕ =koefesien kecepatan, diambil 0,95 Ho’= Penurunan kalor ( kkal/kg)

Untuk turbin yang direncanakan diperoleh :

1

C = 91,5. 0,95 84,81

1

C = 800,51 m/det

Untuk cakram dua baris α1berkisar (16 ÷22)˚

Untuk turbin yang direncanakan ditetapkan α sebesar 20˚. Segitiga kecepatan turbin dapat dilihat seperti gambar dibawah ini :


(52)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Gambar 3.4 Segitiga kecepatan untuk turbin impuls dengan dua tingkat kecepatan Dalam rancangan ini nilai U/C1yang diambil adalah yang paling optimum , yaitu sebesar 0,22, sehingga :

U = ( U/ C1) . C1 U = 0,22 x 800,51 U = 176, 11 m/det

Adapun untuk mendapatkan segitiga kecepatan ini terlebih dahulu akan ditetapkan besaran-besaran atau koefesien-koefesien yang sesuai dengsn literature:

Sudut masuk mutlak α1= 20˚

Koefesiensi sudu- sudu baris pertama , ψ = 0,82 Koefesiensi sudu-sudu untuk baris kedua ψ = 0,88 Koefesiensi sudu pengarah, ψgb= 0,85

Sudut sisi keluar untuk sudu gerak baris pertama ,β21- 3˚ Sudu pengarah pada sisi keluar , α1’ = α2- 3˚

Sudut sisi keluar untuk sudu gerak baris kedua β2’ =β1’- 3˚

Dengan demikian harga-harga kecepatan lain dapat dihitung sebagai berikut :

Kecepatan relatif uap masuk sudu gerak baris pertama :

1 1

2 2 1

1 c u 2cucosα

w = + −

° −

+

= (800,51)2 (176,11)2 2(800,51)(176,11)cos20

1 w

det / 86 , 637

1 m

w =


(53)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009 1 2 .w w

det) / 86 , 637 )( 82 , 0 ( 2 m w = det / 04 , 523 2 m w =

Sudut sisi keluar sudu gerak baris pertama :

1 1 1

1danα w sinβ

C =

800,51 sin 20 = 637, 86 sin β1 β1= 25,42 ˚

β2 = β1- 3˚ β2=25,42-3˚ β2 = 22,42 ˚

Kecepatan mutlak uap keluar sudu- sudu gerak baris pertama :

2 2

2 2 2

2 w u 2w ucosβ

c = + −

° −

+

= (523,04)2 (176,11)2 2(523,04)(176,11)cos22,42

2 c

=

2

c 366,43 m/det

Kecepatan mutlak uap masuk pada sudu-sudu gerak baris kedua:

2 ,

1 .c cgh

= , 1 c (0,85)(366,43)m/det = , 1

c 311,47 m/det

Sudut mutlak sisi keluar sudu gerak garis pertama :

2 2 2

2sinβ c sinα

w = 2 sin 43 , 366 42 , 22 sin 04 ,

523 °= α

° =32,98

2

α

Sudut pengarah pada sisi keluar :

1

α ’=α2-3˚ 1

α ’=32,98˚-3˚

1


(54)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Kecepatan relatif uap keluar sudu gerak baris kedua :

, 1 ,

1 2 2 , 1 ,

1 c u 2cucosα

w = + −

=

, 1

w (311,47)2 +(176,11)2 −2(311,47)(176,11)cos29,98°

=

, 1

w 181,62 m/det

Sudut sisi masuk dan keluar sudu gerak baris pertama:

, 1 , ,

2 .w w

=

, 2

w 0,88 (181,62 m/det)

=

, 2

w 159,82 m/det

Sudu sisi masuk dan keluar sudu gerak baris kedua :

1

α ’sin α1’ = w ’sin 1 β1’

311,47 sin 29,98˚ = 181,62 sinβ1’ 1

β ’= 58,96˚

2

β ’=58,96˚-3˚

2

β ’=55,96˚

Kecepatan mutlak uap keluar sudu- sudu gerak baris kedua :

2 , , 2 2 2 2 ,

2 w u 2w cosβ

c = + −

° −

+

= (159,82)2 (176,11)2 2(159,82)(176,11)cos55,96

, 2 c

, 2

c =158,2 m/det

Sudut relatif sisi keluar sudu gerak baris kedua :

2

w ’sin β2’= , 2

c sinα2’

159,82 sin 55,96˚ = 158,2 sin (180-α2’)

2

α ’= 123,16˚

Dengan demikian didapat besar dari komponen- komponen kecepatan uap pada sudu-sudu baris pertama dan sudu-sudu baris kedua dengan U = 176, 11m/det terlihat pada table 3.2.


(55)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Sudu –sudu baris pertama Sudu-sudu baris kedua C1= 800,51 m/det

w1=637,86 m.det c2 =366,43m/det w2 =523,04m/det α1 = 20˚

β1 = 25 ,42˚ α2 =32,98°

β2 = 22,42 ˚

c1, =311,47 m/det w1, =181,62 m/det c =158,2 m/det 2, , =

2

w 159,82 m/det α1’= 29,98˚

β2’=55,96˚ α2’= 123,16˚ β2’=55,9

Gambar 3.5 Diagram segitiga kecepatan uap

Besarnya efesiensi relative sudu ηu dan efesiensi -dalam relatifdintunjukkan juga

untuk beberapa nilai

   

1 c

u

pada table 3.3.

Table 3.3 Besaran nilai-nilai ηu,Ngca dan ηoi untuk beberapa nilai

   

1 c

u

   

1 c

u 0,1 0,15 0,20 0,22 0,25 Satuan

u = 1

1 c c

u   

 80,05 120,08 160,10 176,11 200,13 m/det

n u d

. 60 π

= 0,306 0,459 0,612 0,673 0,765 m

1


(1)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

0,4 0,5 0,6 0,8 1 1,25 1,5 2 2,5 3 0,35 0,45 0,55 0,7 0,75 0,9 1,75 2,25 2,75 0,65 3,25 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 7 9 11 14 18 22 28 36 45 6,5

Lampiran 3 : Standard Baja

Lampiran 3.1 Tabel Baja Paduan Untuk Poro

Standard dan macam Lambang Perlakuan Panas Kekuatan Tarik

(kg/mm2) Baja Khrom nikel

(JIS G 4102)

SNC 2 SNC3 SNC21 SNC22 - - Pengerasan kulit ,, 85 95 80 100 Baja khrom nikel

molibden (JIS G 4103)

SNCM 1 SNCN 2 SNCM 7 SNCM 8 SNCM 22 SNCM 23 SNCM 25 - - - - Pengerasan kulit ,, ,, 85 95 100 105 90 100 120 Baja khrom

(JIS G 4104)

SCr 3 SCr 4 SCr 5 SCr 21 SCr 22 - - - Pengerasan kulit - 90 95 100 80 85 Bajakhrom Molibden (JIS G 4105)

SCM 2 SCM 3 SCM 4 SCM 5 SCM 21 SCM 22 - - - - Pengerasan kulit ,, 85 95 100 105 85 95


(2)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

SCM 23 ,, 100

Lampiran 3.2 Tabel Unsur kimia Baja Khrom Nikel

Lambang Unsur Kimia (%)

C Si Mn P S Ni Cr

SNC 2 0,270,35

0,15-0,35 0,35-0,65

0,030 Atau kurang 0,030 Atau kurang

2,50-3,00 0,60-1,00

SNC 3 0,320,40 3,00-3,50 0,6-1,00

SNC 21 0,120,18 2,00-2,50 0,20-0,50

SNC 22 0,120,18 3,00-3,50 0,70-1,00

Lampiran 3.3 Tabel Tegangan Lentur Yang di izinkan Pada Bahan Roda Gigi Kelompok Bahan Lambang bahan Kekuatan Tarik ) / (kg mm2

B σ Kekerasan (Brinell) HB Tegangan Lentur yang di jzinkan ) / (kg mm2

B σ

Besi cor FC 15

FC 20 FC 25 FC 30 15 20 25 30 140-160 160-180 180-240 190-240 7 9 11 13

Baja cor SC 42

SC 46 SC 49 42 46 49 140 160 190 12 19 20 Baja karbon untuk kontruksi

S 25 C S 35 C S 45 C

45 62 58 123-183 149-207 167-229 21 26 30 Baja Paduan Dengan pengerasan kulit

S 15 CK

SNC 21 SNC 22 50 80 100 400 (dicelup dingin dalam minyak) 600 (dicelup dingin dalam air) 30 35-40 40-45 Baja Khrom nikel SNC 1 SNC 2 75 85 35-40 40-60


(3)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

SNC 3 95 40-60

Perunggu Logam delta Perunggu fosfor (coran) Perunggu nikel (coran)

18 35-60 19-30 64-90

85 - 70-100 180-260

5 10-20

5-7 20-30 Damar

phenol ,dll

3-5

Lampiran 3.4 Tabel Standard

Nama Standar Jepang

(JIS)

Standard Amerika (AISI) Inggris (BS) dan Jerman (DIN)

Baja karbon kontruksi mesin

S25C S30C S35C S40C S45C S50C S55C

AISI 1025, BS060 A30 AISI 1030, BS060 130

AISI 1030, BS060 A35,DINC35 AISI 1040, BS060 A40

AISI 1045, BS060 A45, DINC45,CK45 AISI 1050, BS060 A50, DIN St 50.11 AISI 1055, BS060 A45

Baja tempa SF 40,45

50,55

ASTM A105-73

Baja nikel khrom SNC

SNC22

BS 653 M31 BS En36 Baja nikel khrom

molibden

SNCM1 SNCM2 SNCM7 SNCM8 SNCM22 SNCM23 SNCM25

AISI 4337 BS830M31

AISI 8645,BS En 100D

AISI 4340, BS817 M30, 816M30 AISI 4315

AISI 4320, BS En 325 BS En 39 B

Baja khrom SCr 3

SCr 4

AISI 5135, BS530 A36 AISI 5140, BS 530 A40


(4)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

SCr 5 SCr 21 SCr 22

AISI 5145 AISI5115 AISI 5120 Baja khrom

molibden

SCM 2 SCM 3 SCM 4 SCM 5

AISI 4130, DIN 34CrMo4

AISI 4135, BS708A37,DIN34CrMo4 Aisi 4140, BS708M40,DIN42CrMo4 AISI 4145, DIN50CrMo4


(5)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Lampiran 5: Konversi Satuan

Masa : 1 kilogram = 1 kg = 1000gram Energi 1 joule =1J= 1W.s =1 N.m= kg.m2

= 2,205 pound-massa = 6,242 x1018

= 6,023 x103 amu = 6,242 x 1012 MeV

= 0,01 metrik = 107 ergs

= 0,001102 short ton = 0,7376 ft.lbf

Panjang : 1 meter = 1 m = 1010 angstrom = 9,478 x 10-4 Btu

=10o micrometer =3 ,725 x 10-3 hp.h

=1000 milimeter = 2,778 x 10-3 kw.h

=100 sentimeter

= 39,37 inchi 1 Kilokalori = 427 kg.m

= 3,281 feet = 4,187 K.J

Luas:1 meter persegi =1m2 =10-8barn

=10 cm2 Daya: 1 watt = 1 J/s = 1kg.m2/s3

= 1550 in2 = 0,001 kw

=10,76 ft2 = 3,413 Btu/h

=2,471 x 10-4are = 0,001341 hp

Isi : 1 meter kubik =1 m3 =106 cm3 = 6,242 x 1018 eV/s

=103 liter 1 kw = 102 kg.m/det

= 264,2 U.S gallom = 1,341 HP

= 35,31 ft3 = 1,308 yd3

Kerapatan :1 kilogram/meter kubik=1 kg/m3 =10 gram/cm3

= 0,008345lbm/U.S gallon


(6)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

USU Repository © 2009

Viscositas : 1 poise = 1000 ep

= 0,1 kg/det.m

= 241,9 lbm/ft.jam

= 0,002089 lbf.det/ft2

Tekanan : 1 pascal =1Pa = 1 Newton/meter persegi =1kg/m.det2

= 10-5bar

= 0,9307 x10-5 atm

=1,450 x10-4 lbf/in2

= 2,953 x 10-4 inchi Hg

= 0,004018 inchi air (H20)

=0,007502 tor = 0,007502 uniHg

Temperatur :1 derajat Celsius = 1 ºC

= 1 derajat Kelvin = 1º K = 1,8 derajat Fahrenheit =1,8º F = 1,8 derajat Rankine = 1,8ºR Konduktivitas Panas:

1 W/m/ºC = 1 J/(s.m. ºC) =1 N/(s. ºC) = 1kg.m/(s3. ºC) = 0,2388cal/ (s.mºC)