Simbol dari abjad biasa Kondisi udara masuk kompresor : Kondisi udara keluar kompresor

DAFTAR NOTASI

1. Simbol dari abjad biasa

Simbol Arti Satuan A Luas annulus m 2 AFR Perbandingan udara dengan bahan bakar kg udara kg bahan bakar C Kecepatan absolut gas ms C Panjang chord sudu M C a Kecepatan aliran fluida masuk kompresor ms C pg Panas spesifik gas hasil pembakaran kJkg.K C x Panjang chord sudu arah aksial M D d Diameter luar cakra M D h Diameter lubang cakra M D N Diameter hidrolis pada sudu diam M D R Diameter hidrolis pada sudu gerak M F A Gaya aksial sudu N FAR Perbandingan bahan bakar dengan udara kg bahan bakar kg udara F r Gaya tangensial sudu N H Entalpy kJkg K Conductivitas thermal Wm.K LHV Nilai pembakaran bawah bahan bakar kJkg m a Massa aliran udara kgs m f Massa aliran bahan bakar kgs m g Massa aliran gas hasil pembakaran kgs m p Massa aliran fluida pendingin kgs N Putaran Rpm P Tekanan Bar P f Losses tekanan udara pada filter Bar P G Daya generator MW P K Daya kompresor MW Universitas Sumatera Utara P T Daya turbin MW R Jari-jari sudu M R a Konstanta udara kJkg.K R g Konstanta panjang pitch sudu M T c Temperatur fluida dingin K T h Temperatur fluida panas K U Kecepatan keliling ms V Kecepatan relatif gas ms W Lebar sudu M W Kerja spesifik kJkg W Netto Kerja spesifik kJkg Z Jumlah sudu Buah

1. Simbol dari abjad Yunani Greek Letters

Simbol Arti Satuan α 1 Sudut masuk absolut gas pada sudu diam o α 2 Sudut keluar gas dari sudu gerak o α 3 Sudut keluar gas dari sudu diam o β 1 Sudut relatif kecepatan gas masuk sudu o β 2 Sudut relatif gas keluar sudu gerak o β m Sudut relatif rata-rata sudu o γ Konstanta adiabatik - ∆ Selisih harga - cos φ Faktor daya - φ Koefisien aliran gas - Ξ Sudut pemasangan sudu o σ Tegangan normal kgmm 2 τ Tegangan geser kgmm 2 Universitas Sumatera Utara τ a Tegangan izin poros kgmm 2 τ max Tegangan maksimum poros kgmm 2 ω c Kecepatan sudut putar kritis Rads η Efisiensi Ρ Massa jenis kgm 3 λ Sudut kecepatan gas o ϕ Faktor kecepatan angka kualitas nosel - ψ Koefisien pembebanan sudu - Universitas Sumatera Utara DAFTAR LAMPIRAN 1. Lampiran 1 Tabel property udara……………………………………..94 2. Lampiran 2 Tabel berbagai entalpi untuk beberapa gas………………95 3. Lampiran 3 Tabel tekanan maksimum bantalan luncur……………….98 4. Lampiran 4 Tabel ukuran standard dari poros………………………...99 5. Lampiran 5 Standarisasi baja………………………………………...100 6. Lampiran 6 Tabel standarisasi……………………………………….102 7. Lampiran 7 Faktor konversi satuan………………………………….103 8 Lampiran 8 Diagram kecepatan gas…………………………………105 Universitas Sumatera Utara

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Turbin gas merupakan suatu pesawat kalori yang tergolong dalam Internal Combustion Engine ICE atau sering disebut dengan mesin pembakaran dalam. Penggunaan turbin gas sebagai pembangkit tenaga listrik dan sebagai penyedia panas pada industri adalah sangat menguntungkan karena sifatnya yang mudah dipasang, proses kerjanya sederhana, dimensinya kecil, dan dapat dibuat untuk menghasilkan daya rendah sampai daya tinggi serta cocok untuk menanggulangi beban puncak. Dengan pertimbangan diatas dan kemudahan untuk mendapatkan bahan bakar maka sangat tepat jika instalasi turbin gas dipilih sebagai penggerak generator untuk menghasilkan daya listrik pada sebuah pembangkit tenaga listrik baik dalam system single pembangkit listrik tenaga gas ataupun dengan system combine pembangkit listrik tenaga gas dan uap. Didasari pemikiran demikian, maka penulis tertarik untuk merancang sebuah turbin gas dengan Siklus Brayton sederhana dengan komponen utama : 1. Kompresor Kompresor berfungsi untuk menghisap udara luar udara atmosfer dan selanjutnya dikompresikan untuk mendapatkan tekanan yang lebih besar. 2. Ruang bakar Fungsinya adalah sebagai tempat pembakaran bahan bakar agar diperoleh fluida kerja berupa gas hasil pembakaran yang akan digunakan untuk menggerakkan turbin. Bahan bakar terbakar akibat bercampur dengan udara kompresi serta dengan bantuan percikan nyala api dari busi. 3.Tubin Turbin berfungsi merubah energi kinetik yang tersimpan pada gas hasil pembakaran menjadi energi berguna. Universitas Sumatera Utara Gambar 1.1. Siklus Brayton sederhana

1.2. Tujuan Penulisan

Penulisan ini dimaksudkan untuk merencanakan sebuah turbin gas pada sebuah instalasi pembangkit tenaga listrik sebagai penggerak generator untuk menghasilkan daya terpasang 130 MW.

1.3. Pembatasan Masalah

Pada penulisan tugas sarjana skripsi ini, permasalahan dibatasi pada: a. Analisa Termodinamika Yaitu pada kompresor, ruang bakar, dan turbin gas. Dalam hal penentuan entalpi tiap proses, termasuk kondisi ideal maupun aktualnya, serta nilai laju aliran massa udara dan bahan bakar. b. Perancangan komponen-komponen utama Yang meliputi pemilihan jenis turbin yang digunakan, perhitungan jumlah tingkat turbin, kondisi gas tiap tingkat, serta dimensi sudu turbin. c. Gambar penampang gambar teknik turbin gas

1.4. Metodologi Penulisan

Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhirsarjana skripsi ini adalah sebagai berikut: a. Survey lapangan : berupa peninjauan langsung ke lokasi tempat unit pembangkit itu berada. Universitas Sumatera Utara b. Studi Literatur : berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku, dan tulisan-tulisan yang terkait. c. Diskusi : berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, dosen pembanding yang nanti akan ditunjuk oleh pihak Jurusan Teknik Mesin USU mengenai kekurangan-kekurangan didalam tulisan skripsi ini. Universitas Sumatera Utara

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Sistem Kerja dan Start Turbin Gas

Penggerak mula yang digunakan pada system ini adalah motor diesel. Motor diesel ini dihubungkan dengan accessory gear melalui torque converter dan clute. Mula-mula motor diesel akan memutar kompresor, turbin dan generator sekaligus dalam keadaan idle tanpa beban sampai tercapai putaran 16-22 dari putaran kerja. Pada putaran ini kapasitas kompresor telah cukup untuk proses pembakaran sehingga proses pembakaran telah dapat dilakukan didalam ruang bakar. Gas panas hasil pembakaran kemudian diekspansikan kedalam turbin secara kontinu. Jumlah bahan bakar terus bertambah, sehingga mengakibatkan entalpi hasil pembakaran semakin tinggi, demikian juga tenaga daya yang dihasilkan turbin semakin besar. Dengan semakin meningkatnya daya yang dihasilkan turbin, akan membawa kompresor dan turbin itu sendiri semakin cepat berputar. Pada putaran sekitar 65-75 dari putaran kerja, maka motor diesel telah tertinggal putarannya, sehingga terjadi slip pada kopling. Pada saat inilah kopling melepas hubungan antara motor diesel dan kompresor. Kemudian motor diesel barjalan idle dan akhirnya berhenti, sementara turbin berakselerasi sendiri dengan adanya tambahan bahan bakar sampai dengan putaran kerja. Pada saat putaran kerja telah tercapai, governor telah berfungsi untuk mengatur bahan bakar dan program start telah selesai, sehingga turbin siap menerima beban dari generator dan operasi terus berjalan dengan bervariasi beban dari generator. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.1. Turbin gas Sumber : www.manufacturer.com

2.2. Analisa Termodinamika

a. Siklus Ideal Turbin gas secara termodinamika bekerja dengan siklus Brayton. Siklus ini merupakan siklus ideal untuk system turbin gas sederhana dengan siklus terbuka. Siklus ini terdiri dari dua proses isobar dan dua proses isentropik. Siklus ideal adalah siklus yang dibangun berdasarkan asumsi sebagai berikut : • Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara reversible dan adiabatic isentropis • Perubahan energi kinetic dari fluida kerja diantara sisi masuk dan sisi keluar setiap kompresor diabaikan. • Tidak ada kerugian tekanan pada sisi masuk ruang bakar dan keluar gas. Universitas Sumatera Utara • Fluida kerja dianggap ideal dengan panas jenis konstan. • Massa aliran gas dianggap konstan. Dengan digram h, T – S dan P – V dapat dilihat berikut ini: Gambar 2.2. Diagram T-S dan diagram P-V siklus ideal Proses-proses yang terjadi dari diagram tersebut diatas adalah sebagai berikut : • Proses 1-2 : Proses kompresi isentropis pada kompresor. • Proses 2-3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan isobar didalam ruang bakar, adanya pemasukan panas. • Proses 3-4 : Proses ekspansi isentropik pada turbin. • Proses 4-1 : Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan. Dengan demikian pada proses steady state untuk masing-masing proses diatas, diperoleh: • Proses 1-2 : Kerja kompresor W k = h 2 - h 1 KJ Kg udara • Proses 2-3 : Pemasukan panas Q in = h 3 – h 2 KJ Kg. gas produk • Proses3-4 : Kerja turbin Wr = h 3 – h 4 KJ Kg. gas produk Universitas Sumatera Utara • Kerja netto siklus Wnet Wnet = Wr – Wk = h 3 – h 4 – h 2 – h 1 Oleh karena proses 1-2 dan 3-4 adalah proses yang berlangsung secara isentropis, maka hubungan P-T diperoleh : 4 3 1 1 2 T T p T T r = =       γ − γ Dimana r p adalah perbandingan tekanan pressure ratio, yaitu : 4 3 1 2 4 3 1 2 p Pr Pr Pr Pr P P P P r = = = =

b. Siklus Aktual

Proses – proses yang terjadi diatas berlaku secara teoritis, tetapi kenyataannya secara aktual terjadi penyimpangan – penyimpangan dari proses yang ideal. Penyimpangan – penyimpangan itu adalah : 1. Fluida kerja bukanlah gas ideal dengan panas spesifik konstan. 2. Laju aliran massa fluida kerja tidak konstan. 3. Proses yang berlangsung disetiap komponen tidak adiabatik dan reversibel, karena ada kerugian energi akibat gesekan, perpindahan panas dan lain – lain. 4. Proses kompresi didalam kompresor tidak berlangsung secara isentropis. 5. Proses ekspansi didalam turbin tidak berlangsung secara isentropis. 6. Terjadi penurunan tekanan pada ruang bakar. Kerugian – kerugian diatas akan mempengaruhi effesiensi dari siklus. Untuk losses tersebut dapat dilihat pada gambar diagram siklus actual berikut ini : Universitas Sumatera Utara Gambar 2.3. Diagram T vs S siklus aktual Dari gambar diatas terlihat bahwa : • Proses kompresi berlangsung secara aktual, yaitu menurut garis 1–2a, sedangkan pada proses ideal terjadi secara isentropis 1-2. • Proses ekspansi juga berlangsung secara aktual, yaitu menurut garis 3-4a, sedangkan pada proses ideal secara isentropis 3-4.

2.2.1. Analisa Termodinamika Pada Kompresor

Kerja spesifik ideal adalah kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor ideal W k 1-2 . Sedangkan kerja kompresor aktual adalah kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor dengan memperhatikan efisiensi kompresor karena pada dasarnya kompresor tidak pernah bekerja secara isentropis. Effisiensi kompresor merupakan perbandingan antara kerja kompresor pada siklus ideal dengan kerja kompresor sebenarnya, yaitu : ka k k W W i = η 1 2 1 2 k h h h h − − = η Dengan menentukan effiensi kompresor menurut [lit 13, hal 198] untuk kompresor aksial berharga 0,85 – 0,90 dan untuk kompresor sentrifugal 0,80. Universitas Sumatera Utara

2.2.2. Analisa Termodinamika Pada Ruang Bakar

Analisa termodinamika pada ruang bakar ini diperlukan untuk menentukan perbandingan udara dengan bahan bakar AFR AKT yang diperlukan untuk menghitung jumlah udara pembakaran dan kelebihan udara pada analisa bahan bakar serta menghitung effesiensi thermal. Reaksi pembakaran teoritis dengan udara hidrokarbon dengan rumus C m H n adalah menurut persamaan reaksi [Lit 13, Hal 30] : O H m N mCO O bH aN O m H C n b n n m a n n m 2 2 2 2 2 2 4 4 4 4             + + +             + + → + +    + Dimana, a = perbandingan volume N 2 dengan O 2 di udara b = perbandingan volume H 2 O dengan O 2 di udara Sehingga dapat diperoleh perbandingan udara dan bahan bakar yang dibutuhkan pada kondisi stoikiometri yaitu : bakar bahan BM bakar bahan mol udara BM udara mol AFR × × = = bakar bahan massa udara massa Dimana, AFR = Air fuel RatioKg udara Kg bahan bakar BM udara = berat molekul udara Kg udara kmol bahan bakar BM bahan bakar = berat molekul bahan bakarKg bahan baker kmol bahan bakar Sedangkan untuk mendapatkan nilai AFR pada kondisi aktual, diperoleh melalui persamaan berikut : 100 × − = AFR AFR AFR TH TH AKT λ

2.2.3. Analisa Termodinamika Pada Turbin

Pada turbin terjadi pelepasan energi untuk menggerakkan beban kompresor dan generator. Karena terbatasnya kekuatan material sudu turbin Universitas Sumatera Utara terhadap temperatur dan tegangan termal maka temperatur gas masuk turbin dibatasi menurut [Lit 13, Hal 184] pada pesawat sampai dengan 1280 ˚C. Karena adanya kerugian sebab hanya sebagian kalor yang ada diubah menjadi kalor yang berguna sehingga turbin memiliki effisiensi sebesar : a a T T T W W = η 4 3 4 3 T h h h h − − = η Menurut [Lit13, Hal 185] turbin gas memiliki effisiensi sebesar 0,82-0,89.

2.2.4. Effisiensi siklus

Merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang dimasukkan kesistem sebesar : in net th q W = η 2 3 1 2 4 3 th h h h h h h − − − − = η Universitas Sumatera Utara

BAB III PENETAPAN SPESIFIKASI DAN PEMBAHASAN MATERI

3.1. Spesifikasi Teknis Perencanaan

Seperti telah diutarakan pada Bab I, perancangan turbin gas ini adalah sebagai pembangkit daya listrik. Sebelum memulai perencanaan turbin pada instalasi turbin gas, maka perlu kiranya untuk menganalisa sistem secara keseluruhan dengan analisa termodinamika untuk mendapatkan kondisi awal perencanaan. Spesifikasi teknis perencanaan yang ditetapkan sesuai dengan data referensi dari buku yang disesuaikan dengan data hasil survey studi pada sebuah instalasi pembangkit tenaga listrik PLTG.

3.1.1. Penentuan Putaran Turbin

Putaran turbin dapat ditentukan dengan menentukan putaran generator sebagai berikut, unit generator listrik mempunyai : • Jumlah pasang kutub : 2 pasang • Frekuensi : 50 Hz Maka putaran generator : p xf n g 120 = 2 50 120x = =3000 rpm Generator dan turbin satu poros dikopel langsung maka putarannya sama. Dengan menetapkan putaran generator sebesar 3000 rpm, maka putaran poros turbin adalah 3000 rpm. Universitas Sumatera Utara

3.1.2. Temperatur Masuk Turbin

Karena terbatasnya kekuatan material sudu turbin terhadap temperatur dan tegangan termal, maka temperatur gas masuk turbin dibatasi menurut [Lit 13, Hal 184] untuk turbin industri 850 – 1100 ˚C. Dalam perencanaan ini dipilih rata – ratanya agar lebih efisien, sebesar 975 ˚C.

3.1.3. Data Spesifikasi Teknis Perencanaan

Adapun data spesifikasi teknis dari sistem instalasi turbin gas yang akan dirancang adalah sebagai berikut : • Daya keluar generator : 130 MW • Bahan bakar : Gas Bumi Lit 3, Hal 169 • Putaran turbin : 3000 rpm • Temperatur lingkungan : 30 ˚C • Tekanan barometer : 1,013 bar • Temperatur masuk turbin : 975 ˚C Temperatur udara yang dihisap kompressor mempunyai pengaruh yang besar terhadap daya efektif yang dapat dihasilkan pembangkit, sebab laju aliran massa udara yang dihisap kompressor akan berubah sesuai dengan persamaan umum gas ideal, m = pV RT, yaitu bila temperatur masuk gas rendah maka massa aliran gas akan naik atau sebaliknya. Hal ini berarti bila temperatur atmosfer turun maka daya efektif sistem akan naik dan sebaliknya. Universitas Sumatera Utara

3.2. Analisa Termodinamika

Gambar 3.1 Diagram T-S aktual Siklus Brayton

3.2.1. Analisa termodinamika pada kompresor

Analisa termodinamika pada kompresor dimaksudkan untuk menentukan kondisi udara masuk dan keluar kompresor. Pengambilan asumsi untuk perhitungan termodinamika kompresor adalah didasarkan pada effisiensi politropis, yaitu effisiensi isentropis dari sebuah tingkat kompresor dan turbin yang dibuat konstan untuk setiap tingkat berikutnya.

1. Kondisi udara masuk kompresor :

Pa = Tekanan barometer 1,013 bar Ta = Temperatur lingkungan 30 ˚C = 30 + 273 K = 303 K γ = Konstan adiabatik = 1,4 untuk udara Sehingga : P P P f a − = 1 Dimana, P f = Proses tekanan pada saringan udara masuk kompresor = 0,01 bar hasil survey Maka: P 1 = 1,013 - 0,01 P 1 = 1,003 bar Universitas Sumatera Utara Dengan demikian akan diperoleh suhu keluar saringan udara : T 1 = 4 , 1 1 4 , 1 013 , 1 003 , 1 303 −       T 1 = 302,14 K Sehingga dari tabel properti udara Lamp.1 dengan cara interpolasi diperoleh: h 1 = 302,34 KJKg udara

2. Kondisi udara keluar kompresor

Untuk mendapatkan nilai effisiensi yang lebih tinggi, maka perbandingan tekanan yang digunakan yang optimum yaitu : 1 2 min max −     = k k p T T r [Lit 4, Hal 296] Dimana, r p = Perbandingan tekanan optimum T max = T 3 = Temperatur masuk turbin = 1248 K T min = T 1 = Temperatur masuk kompresor = 302,14 K Maka, r p = 1 4 , 1 2 4 , 1 14 , 302 1248 −       r p = 12,0 P P r p 1 2 × = P 2 = 12 x 1,003 P 2 = 12,036 bar k k P P T T 1 1 2 1 2 −       = 14 , 302 12 4 , 1 1 4 , 1 2 x T − = T 2 = 614,53 K Universitas Sumatera Utara Maka setelah diinterpolasi dari tabel property udara diperoleh : h 2 = 622,3046 KjKg

3. Kerja kompresor • Kondisi ideal kompresor