Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi PLTG Dengan Daya 130 MW

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

TUGAS SARJANA

TURBIN GAS

PERANCANGAN TURBIN GAS PENGGERAK

GENERATOR PADA INSTALASI PLTG

DENGAN DAYA 130 MW

OLEH :

EDY SAPUTRA

NIM : 050421023

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat rahmat dan kasih-Nya penulis dapta menyelesaikan skripsi ini. Skripsi yang merupakan tugas akhir ini adalah suatu syarat untuk dapat menyelesaikan studi pada jenjang kependidikan Sarjana Teknik Mesin menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Tugas sarjana ini berjudul “ Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Listrik Pada Suatu PLTG Dengan Daya Terpasang 130 MW”. Dalam penulisan skripsi ini dari awal sampai akhir, penulis telah melakukan semaksimal mungkin guna tersusunnya tugas akhir ini. Namun penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan – kekurangan didalam penulisan skripsi ini. Untuk itu penulis mengharapkan petunjuk dan saran dari semua pihak yang terkait yang bersifat membangun, guna penyempurnaan skripsi ini.

Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih yang kepada : 1. Bapak Ir. Alfian Hamsi M.Sc selaku Pembantu Dekan I Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara.

2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Dapertemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. Isril Amir selaku dosen pembimbing tugas sarjana penulis, yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

4. Para Dosen dan Staff pada Departemen Teknik Mesin FT-USU yang telah banyak memberikan ilmu dan bantuannya selama masa pendidikan.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

5. Ayahanda dan Ibunda serta seluruh keluarga yang telah memberikan motivasi dan dukungan baikan moril maupun materiil.

6. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin FT-USU angatan ‘05’ yang telah banyak membantu dan mendukung dalam penulisan Tugas Sarjana ini.

7. Rekan-rekan kerja Sales Region I-Pelumas yang telah memberi motivasi bagi penulis.

Akhir kata dan segala kerendahan hati, penulis memanjatkan Doa kepada Tuhan Yang Maha Esa, semoga semua dilindungi dan diberikan berkat-Nya.

Medan, Maret 2009 Hormat Penulis

Edy Saputra 050421023

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR i

SPESIFIKASI TUGAS TEKNIK iii

KARTU BIMBINGAN iv

DAFTAR ISI v

DAFTAR GAMBAR viii

DAFTAR TABEL x

DAFTAR NOTASI xi

BAB 1 PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Tinjauan Penulisan 2

1.3 Batasan Masalah 2

1.4 Metologi Penulisan 3

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 4

2.1 Cara Kerja Instalasi Turbin Gas 4

2.2 Klasifikasi Turbin Gas 4

2.3 Komponen – Komponen Utama Tubin Gas 8

2.4 Siklus Kerja Turbin Gas 9

2.5 Pemilihan Jenis Turbin 13

2.6 Ruang Bakar 16

2.7 Generator 20

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

2.9 Perencanaan Turbin 22

BAB 3 ANALISA TERMODINAMIKA 29

3.1 Spesifikasi Teknis Perancangan 29

3.2 Pembahasan Materi 30

3.2.1 Analisa Termodinamika pada Kompresor 31

3.2.2 Analisa Ruang Bakar 35

3.2.3 Analisa Termodinamika pada Turbin 39

3.2.4 Generator 44

3.2.5 Hasil Analisa Termodinamika 49

BAB 4 PERENCANAAN KOMPRESOR, RUANG BAKAR DAN TURBIN 50

4.1 Perancangan kompresor 50

4.1.1 Jumlah Tingkat Kompresor 50

4.1.2 Sudu Kompresor 55

4.1.3 Perencanaan Poros Utama 62

4.1.4 Perencanaan Poros Penghubung 64

4.2 Perencanaan Ruang Bakar 65

4.2.1 Luas dan Diameter Casing 65

4.2.2 Tabung Api 66

4.3 Pemilihan Jenis Tubin 68

4.4 Perencanaan Sudu Turbin dan Disk Turbin 72

BAB 5 BANTALAN DAN PELUMASAN 88

5.1 Pembebanan Unit Turbin Gas 88

5.1.1 Pembebanan Aksial 88

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

5.2 Perencanaan Bantalan Luncur 90

5.2.1 Perencanaan Bantalan Luncur Turbin 92

5.2.2 Perencanaan Bantalan Luncur Kompresor 94

5.3 Perencanaan Bantalan Aksial 95

BAB 6 KESIMPULAN 98

DAFTAR PUSTAKA 100

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram alir turbin gas siklus terbuka 5

Gambar 2.2 Diagram alir turbin gas siklus tertutup 6

Gambar 2.3 Diagram T – s siklus Turbin Gas 9

Gambar 2.4 Grafik hubungan effisiensi dan pressure ratio 12

Gambar 2.5 Penampang Turbin jenis Radial 13

Gambar 2.6 Penampang Turbin Jenis Aksial 14

Gambar 2.7 Grafik Effisiensi turbin V-S Velocity ratio (σ ) 15

Gambar 2.8 Susunan Ruang Bakar Unit Turbin Gas 17

Gambar 2.9 Burner Combantion 18

Gambar 3.1 Diagram T – s Siklus Brayton 30

Gambar 3.2 Stagnation States 31

Gambar 3.3 Turbin dengan Exhaust Diffuser 39

Gambar 3.4 Daya pada generator 44

Gambar 3.5 Daya pada siklus Turbin 46

Gambar 4.1 Grafik Hubungan S/C 58

Gambar 4.2 Gaya-gaya yang berkerja pada sudu kompresor 61

Gambar 4.3 Poros Penghubung 64

Gambar 4.4 Penampang turbin radial 69

Gambar 4.5 Penampang turbin aliran aksial 70

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 4.7 50 Percent Reaction Designs 72

Gambar 4.8 Diagram kecepatan untuk derajat reaksi 50% 74

Gambar 4.9 Diagram h – s untuk satu tingkat turbin 74

Gambar 4.10 Axial flow turbin stages 81

Gambar 4.11 Optimum pitch chord ratio 84

Gambar 4.12 Profil turbin gas dan T6 aerofoil section 85

Gambar 5.1 Beban yang diterima bantalan 89

Gambar 5.2 Bantalan Luncur 90

Gambar 5.3 Grafik koefisien kriteria beban 92

Gambar 5.4 Koefisien tahanan bantalan 93

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Komposisi gas alam 35

Tabel 3.2 Kandungan udara pada bahan bakar 38

Tabel 4.1 Perbandingan dasar dan Puncak Sudu 52

Tabel 4.2 Kondisi Udara Tiap Tingkat Kompresor 55

Tabel 4.3 Ukuran-ukuran utama kompresor 60

Tabel 4.4 Kondisi setiap tingkat turbin 79

Tabel 4.5 Ukuran-ukuran dari sudu turbin 85

Tabel 4.6 Ukuran-ukuran utama sudu turbin 86

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

DAFTAR NOTASI

Notasi Arti Satuan

A Luas annulus m2

Ac Luas penampang casing ruang bakar m2

b Tinggi kerah bantalan m

C Panjang chord sudu m

Ca Kecepatan aksial aliran fluida m/s

Cpa Panas spesifik udara kJ/kg K

Cpg Panas spesifik gas kJ/kg K

Dc Diameter casing ruang bakar m

Dd Diameter disk turbin m

Dn Diameter kerah bantalan m

Ds Diameter poros m

f Perbandingan bahan bakar dan udara kg b.b /kgudara

Fak Gaya aksial kompresor kg

Fat Gaya aksial turbin kg

H Entalpi statis kJ/kgudara

ho Entalpi stagnasi kJ/kgudara

K Conductivitas termal W/m.K

kg Konstanta adiabatik

LHV Nilai pembakaran bawah bahan bakar kJ/kgudara

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

mat Massa udara total kg/s

mf Massa aliran bahan bakar kg/s

mg Massa aliran gas hasil pembakaran kg/s

mp Massa aliran pendingin kg/s

Mp Momen torsi poros kW

N Putaran rpm

Nb Daya berguna (generator) MW

Nk Daya kompresor MW

Npp Daya putaran poros MW

Nt Daya Turbin MW

P Tekanan statis bar

Pa Tekanan barometer bar

P0 Tekanan stagnasi bar

Pf Penurunan tekanan pada filter udara bar

rp Ratio tekanan turbin bar

R Jari-jari sudu m

Ra Konstanta udara kJ/kgudara.K

S Picth sudu m

Sfc Pemakaian bahan bakar spesifik kg/kW h

T Tebal sudu m

Ta Temperatur ligkungan K

To Temperatur stagnasi K

T Temperatur statis K

U Kecepatan keliling sudu m/s

v Kecepatan relative gas m/s

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

W Kerja spesifik kJ/kgudara

Wnet Kerja bersih kJ/kgudara

Berat Jenis kN/m3

Z Jumlah sudu Buah

Faktor kerja

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Turbin gas adalah turbin dengan gas sebagai fluida kerjanya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama, yaitu : kompresor, ruang bakar (combustion chamber), dan turbin. Turbin Gas merupakan pesawat kalor yang tergolong ke dalam mesin pembakaran dalam (Internal Combustion Engine). Perkembangan turbin gas hingga bisa ekonomis untuk dipakai sebagai mesin penggerak pesawat terbang dan untuk instalasi darat seperti pembangkit tenaga listrik. Secara teknis konstruksi dan cara kerjanya turbin gas adalah sangat mudah, tetapi kenyataannnya adalah sukar, karena berhubungan dengan pemakaian bahan bakar yang harus hemat.

Penggunaan turbin gas sebagai pembangkit tenaga listrik dan sebagai penyedia panas pada industri seperti pabrik kelapa sawit adalah sangat menguntungkan karena sifatnya yang mudah dipasang, proses kerjanya sederhana dan dimensinya kecil serta turbin gas dapat mencapai beban puncak dalam waktu yang relatif singkat, dipasang dengan cepat dan bisa segera dioperasikan.

Pada saat ini perkembangan penggunaan turbin gas sudah sangat maju, dimana penggunaan turbin gas dan turbin uap sekaligus dalam satu siklus yang disebut dengan siklus gabungan (combined cycle), seperti PLTGU. Tujuannya adalah untuk meningkatkan efisiensi dari siklus (siklus Brayton sederhana) dengan memanfaatkan gas buang turbin gas karena masih memiliki temperatur yang cukup tinggi yang dapat digunakan untuk menguapkan air umpan sebagai

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

penggerak turbin uap. Dengan pemanfaatan gas buang dari turbin gas ini akan meningkatkan efisiensi termis sistem secara keseluruhan hingga 45%.

Pada saat ini turbin gas dapat dibuat untuk menghasilkan daya rendah sampai daya tinggi, sedangkan bahan bakar yang digunakan adalah bahan bakar gas sampai minyak berat.

Dengan pertimbangan-pertimbangan di atas 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 dalam sistem single (pembangkit listrik tenaga gas) ataupun dengan sistem Combine (Pembangkit listrik tenaga gas dan uap).

1.2Tujuan Penulisan.

Dalam menyelesaikan Perancangan Turbin Gas sebagai Penggerak Generator Listrik pada sebuah PLTG dengan Daya 130 MW mempunyai beberapa tujuan dalam penulisan, yaitu :

1. Merancang Turbin Gas sebagai Penggerak Generator Listrik pada sebuah PLTG dengan Daya 130 MW.

1.3Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dari tugas sarjana ini adalah:

1. Penetuan kapasitas udara di dalam kompresor sesuai dengan kebutuhan turbin gas.

2. Daya dan jumlah tingkat kompresor. 3. Analisa termodinamika

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

4. Perhitungan bagian utama turbin gas 5. Gambar kerja turbin gas.

1.4 Metodologi Penulisan

Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir/sarjana (skripsi) ini adalah sebagai berikut :

a. Survey data, berupa pengumpulan data sebagai bahan pembanding yang diambil langsung kelokasi tempat unit pembangkit pada PT. PLN (Persero) Belawan.

b. Studi literature, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku referensi.

c. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, dosen

pembanding yang nantinya akan ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin USU mengenai kekurangan-kekurangan didalam tulisan skripsi ini.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Cara Kerja Instalasi Turbin Gas

Turbin gas suatu PLTG berfungsi untuk mengubah energi yang terkandung didalam bahan bakar (fluida kerja) menjadi energi mekanis. fluida kerja untuk memutar turbin gas adalah gas panas yang diperoleh dari proses pembakaran. Proses pembakaran memerlukan tiga unsur utama yaitu : bahan bakar, udara dan panas. Dalam proses pembakaran ini bahan bakar disuplly oleh pompa bahan bakar (fuel oil pump) apabila digunakan bahan bakar minyak, atau oleh kompresor gas apabila menggunakan bahan bakar gas alam. Pada umumnya kompresor gas disediakan oleh pemasok gas tersebut.

Sistem turbin gas paling sederhana terdiri atas kompresor, ruang bakar, dan generator. Kompresor memampatkan udara dari luar menjadi udara yang bertekanan tinggi diumpankan ke ruang bakar bersama-sama dengan udara yang bertekanan tinggi, gas alam dibakar di ruang bakar. Udara untuk pembakaran diperoleh dari kompresor utama, sedangkan panas untuk awal pembakaran dihasilkan oleh ignitor. Gas hasil pembakaran dialirkan ke turbin yang akan menggerakkan rotor yang dihubungkan dengan generator listrik. Gas bekas setelah melewati turbin, keluar menuju saluran buang (exhaust) dan selanjutnya diteruskan ke bypass stack.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Turbin gas dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, yaitu : 2.2.1 Berdasarkan siklus kerjanya

a Siklus Terbuka (open cycle)

Dalam siklus ini, gas hasil pembakaran setelah diekspansikan pada turbin, langsung dibuang ke udara bebas. Instalasi ini memiliki struktur yang sederhana, yaitu terdiri dari kompresor, ruang bakar dan turbin sebagai penggerak kompresor dan beban. Struktur dan susunan dari instalasi turbin gas dengan siklus terbuka dapat dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1.Diagram alir turbin gas siklus terbuka a Siklus Tertutup (closed cycle)

Sama seperti halnya pada turbin uap, turbin gas dapat pula dirancang dengan sistem tertutup. Dalam siklus ini, fluida kerja tidak berhubungan dengan atmosfir sekitarnya, dengan demikian dapat juga dijaga kemurniannya. Hal ini menguntungkan dari segi pencegahan kerusakan yang disebabkan oleh erosi dan korosi. Pada sistem ini dapat juga digunakan dengan tekanan tinggi (sampai 40 atm) seperti pada instalasi uap, tetapi kerjanya tidak mengalami perubahan fasa. Skema instalasi turbin gas siklus tertutup dapat dilihat pada gambar 2.2.

K

T

RB

Udara masuk

Gas Buang Bahan

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Turbin gas dengan sistem ini konstruksinya lebih rumit, karena membutuhkan pesawat pemanas yang besar dan juga membutuhkan pesawat pendingin udara (intercooler) sebelum masuk kompresor. Keuntungannya adalah

1. Untuk daya yang sama, turbin ini mempunyai ukuran yang lebih kecil. 2. Dapat bekerja pada tekanan tinggi.

3. Lebih menghemat penggunaan bahan bakar.

Gambar 2.2. Diagram alir turbin gas siklus tertutup

Keterangan :

K = Kompresor T = Turbin

RB = Ruang Bakar G = Generator

R = Penukar Panas (Heat Exchanger)

K

T

RB

Udara masuk

Bahan Bakar

R

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

a Siklus Kombinasi

Karena banyaknya energi yang hilang bersama-sama dengan terbuangnya gas buang, maka telah dilakukan beberapa upaya memanfaatkanya dengan cara menambah beberapa macam proses baru setelah peralatan tambahan sehingga energi yang seharusnya terbuang dapat dimanfaatkan lagi untuk suatu proses tertentu sehingga dengan demikian dapat meningkatkan efisiensi dari sistem tersebut. Tetapi seiring dengan itu bertambah pula biaya investasi yang diperlukan karena harus membeli peralatan baru. Dilihat dari segi ekonomisnya, turbin gas dengan siklus kombinasi memiliki kebaikan bila turbin gas ini dijalankan untuk base load (beban dasar atau utama) dan secara kontinu.

2.2.2 Berdasarkan Kontruksinya Turbin gas terdiri 2 jenis : a Turbin gas berporos tunggal

Turbin gas ini sebagai pembangkit listrik pada perusahaan listrik maupun industri yang berskala besar.

b Turbin gas berporos ganda

Jenis turbin ini digunakan untuk menahan beban dan torsi yang bervariasi. Poros pertama turbin dikopel langsung dengan poros aksial. Turbin dengan tekan tinggi berfungsi menggerakkan kompresor dan mensuplai gas panas untuk turbin bertekanan rendah. Turbin berporos ganda ini juga digunakan untuk sentral listrik dan industri.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

2.2.3. Berdasarkan arah aliran fluidanya

a Turbin radial : dimana arah aliran fluida kerja dalam arah yang tegak lurus terhadap sumbu poros.

b Turbin aksial : dimana arah aliran fluida kerja diperoleh dalam arah sejajar sumbu poros.

2.3 Komponen – Komponen Utama Turbin Gas

Turbin gas mempunyai komponen utama yaitu kompresor, ruang bakar (combustion chamber), turbin gas, load gear dan generator.

1. Kompresor

Kompresor berfunsi untuk mengisap udara luar (udara atmosfir) dan selanjutnya dikompresikan untuk mendapatkan tekanan yang lebih besar.

2. Ruang bakar

Ruang bakar (combustion chamber) berfungsi sebagai pembakaran bahan bakar agar diperoleh fluida kerja berupa gas hasil pembakaran yang akan digunakan untuk menggerakan turbin. Bahan bakar terbakar akibat bercampur dengan udara kompresi serta dengan bantuan percikan nyala api dari ignitor. 3. Tubin gas

Turbin gas berfungsi merubah energi kinetik yang tersimpan pada gas hasil pembakaran menjada energi berguna.

4. Generator

Generator berfungsi untuk merubah energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin gas menjadi energi listrik.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

2.4 Siklus Kerja Turbin Gas

2.4.1. Siklus Aktual

Turbin gas secara termodinamika bekerja dengan siklus Brayton. Siklus ini merupakan untuk sistem turbin gas sederhana dengan siklus terbuka. Seperti terlihat pada gambar 2.1.

Siklus aktual ini adalah suatu siklus yang dibangun berdasarkan asumsi sebagai berikut :

1. Fluida kerja merupakan gas ideal dengan panas spesifik konstan. 2. Laju aliran massa fluida kerja tidak konstan.

3. Proses yang berlangsung di setiap komponen adiabatik.

4. Proses kompresi di dalam kompresor tidak berlangsung secara isentropik. 5. Proses ekspansi di dalam turbin tidak berlangsung secara isentropis.

6. Proses pembakaran tidak berlangsung secara adiabatik serta tidak dapat menjamin terjadinya pembakaran sempurna, sehingga untuk mencapai temperature gas masuk turbin yang ditetapkan diperlukan jumlah bahan bakar yang lebih banyak.

7. Terjadinya penurunan tekanan pada ruang bakar dan turbin.

T(K)

s(kJ/kg K) 1

2 2'

3

4

4' W in

Q in

Q out

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 2.3. Diagram T – s siklus Turbin Gas

Proses-proses yang terjadi dari diagram diatas adalah sebagai berikut : • Proses 1 – 2’ : Proses kompresi aktual pada kompresor.

• Proses 2’ – 3 : Prose pembakaran pada tekanan konstan (isobar) didalam ruang bakar, adanya pemasukan panas.

• Proses 3 – 4’ : Proses ekspansi aktual pada turbin.

• Proses 4’ – 1 : Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan.

Dengan demikian pada proses steady state untuk masing-masing proses diperoleh :

• Proses 1 – 2’ : Kerja kompresor.

Kerja spesifik kompresor aktual, titik 1 – 2’ (WK) yaitu kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor pada kondisi aktual :

WK =

m pa T Ta

C η

) ( ₀₂−

…(Lit 2. hal 64)

dimana :

Cpa = Panas jenis udara pada tekanan konstan = 1,005 (kJ/kg K) Ta = Temperatur udara masuk kompresor posisi statis (K) T02 = Temperatur Udara keluar kompresor posisi stagnasi (K)

m = Efisiensi mekanis kompresor = 0,9

• Proses 2’ – 3 : Pemasukan panas.

Pada proses pembakaran terjadi pada tekanan konstan (isobar), tetapi pada kenyataannya terjadi pengurangan tekanan, faktor pengurangan tekanan sebesar 0,02 – 0,03.

Qin = Cp (T3 – T2’) dimana :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

h3 = entalpi gas keluar ruang bakar (kJ/kg) T3 = temperature gas keluar ruang bakar (K) Qin = kalor masuk ruang bakar (kJ/kg)

• Proses 3 – 4’ : Kerja Turbin

Untuk proses ekspansi aktual pada turbin kerja yang terjadi adalah :

Wt = Cpg (T034) ....(Lit 2 hal 64)

dimana :

Wt = kerja aktual yang keluar turbin (kJ/kg)

Cpg = panas spesifik gas pembakaran pada tekanan konstan = 1,148 kJ/kg.K

T034 = temperatur ekivalen dari kerja total turbin

• Kerja netto siklus (Wnet)

Kerja siklus adalah selisih kerja yang dihasilkan turbin dengan kerja yang dibutuhkan kompresor tiap kg gas, yang secara matematis dapat dituliskan :

Wnet = Wt – Wk (kJ/kg) …(Lit 2 hal 64)

Maka efisiensi thermal Instalasi (ηth) adalah

th

η =

LHV S_fc.

3600

x 100% …(Lit 2 hal 65)

dimana :

LHV = Low Heating Value bahan bakar = 47320 kJ/kg Sfc = Pemakaian bahan bakar spesifik

dimana Sfc =

K T W

W f

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Oleh karena proses 1 – 2’ dan 3 – 4’ adalah proses yang berlangsung secara aktual, dan P2 = P3 dan P4 = P1,

( ) ( ) 4 3 1 4 3 1 1 2 1 2 T T P P P P T T g g a a k k k k =     =     = − −

...(Lit 2 hal 39)

rp =

4 3 1 2 P P P P = dimana :

rp = adalah perbandingan tekanan (pressure ratio).

Dengan demikian jelas dapat dimengerti bahwa harga efisiensi tergantung kepada pressure ratio (rp). Jadi efisiensi akan naik apabila pressure ratio yang digunakan lebih tinggi. Hubungan efisiensi, pressure ratio dan jenis fluida kerja ditunjukkan oleh gambar berikut :

Gambar 2.4 Grafik hubungan efisiensi dan pressure ratio Maka persentasi daya yang digunakan untuk menggerakan kompresor adalah :

% 100 x N N T K Nk = η dimana :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

= mat . (T02 – T01)

Nt = Daya yang digunakan menggerakan turbin = (1 + f)mat . (T03 – T04)

dimana :

mat = massa udara total yang disuplai oleh kompresor

2.5 Pemilihan Jenis Turbin

Ditinjau dari arah aliran, turbin dapat dibagi atas dua bagian yaitu : 1. Turbin aliran radial.

Turbin radial adalah turbin dimana arah aliran fluida kerja dalam arah yang tegak lurus terhadap sumbu poros, yakni arah radial. Pada turbin radial ekspansi fluida dari tekanan awal ke tekanan akhir terjadi di dalam laluan semua baris sudu-sudu yang berputar.

Gambar 2.5 Penampang Turbin jenis Radial

Turbin radial umunya digunakan untuk aliran yang kecil, dimana turbin radial lebih murah dan sederhana untuk dibuat bila dibandingkan dengan turbin aksial, misalnya pada instalasi turbin gas yang kecil, dalam bidang automotif dan

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

pompa kebakaran yang dapat dipindah-pindahkan. Pada gambar 2.5 diperlihatkan gambar penampang turbin jenis radial.

2. Turbin aksial

Turbin aksial adalah turbin dimana arah aliran fluida kerja diperoleh dalam arah sejajar sumbu poros.

Umumnya untuk kapasitas dan daya besar sering digunakan turbin aksial, karena mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan jenis radial, yaitu :

a. Efisiensi lebih baik.

b. Perbandingan tekanan (rp) dapat dibuat lebih tinggi.

c. Kontruksi lebih ringan dan tidak membutuhkan ruangan yang besar. Ditinjau dari sistem koversi energinya, turbin aksial dapat dibagi menjadi 2 (dua) bagian, yaitu :

1. Turbin aksial reaksi

2. Turbin aksial aksi (implus)

Turbin aksial reaksi adalah turbin yang proses ekspansinya terjadi tidak saja pada laluan-laluan, tetapi juga terjadi pada laluan-laluan sudu gerak, sehingga penurunan seluruh kanduangan kalor pada semua tingkat dan terdistribusi secara merata.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 2.6 Penampang Turbin Jenis Aksial

Turbin aksial aksi (implus) adalah turbin yang proses ekspansinnya (penurunan tekanan) fluida hanya terjadi pada sudu diam, dan energi kecepatan diubah menjadi mekanis pada sudu-sudu turbin (tanpa terjadinya ekspansi pada sudu gerak itu). Konstruksi turbin aksial diperlihatkan pada gambar 2.6.

Gambar 2.7 Grafik Effisiensi turbin V-S Velocity ratio (σ)

Dalam perencangan ini dipilih turbin aksial reaksi, karena pada tipe reaksi efisiensi maksimum dapat dicapai dengan perbaikan kecepatan ( σ ) 0,8 – 1,0, bahwa efisiensi tingkat tipe reaksi lebih baik dibandingkan dengan tipe reteau (turbin dengan tekanan bertingkat) dan curtis (turbin dengan kecepatan bertingkat), seperti terlihat pada gambar 2.7.

Dari gambar diatas, terlihat bahwa :

a. Efisiensi tingkat pada tipe reaksi lebih baik dari pada yang lainnya, dengan perbandingan kecepatan yang lebih besar.

b. Pada tipe reaksi, efisiensi maksimum dapat dicapai pada daerah perbandingan kecepatan (σ) 0,8 – 1,0.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

c. Pada tipe ini, kecepatan tangensial yang mengalir diantara sudu-sudu adalah tidak terlalu besar, sehingga kerugian gesekan akibat kecepatan juga tidak terlalu besar.

2.6. Ruang Bakar

Ruang bakar adalah tempat terjadinya proses pembakaran yaitu proses pemasukan kalor yang diharapkan terjadi pada tekanan konstan dan menghasilkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi. Anggapan proses pembakaran terjadi pada tekanan konstan dapat diterima selama bilangan Mach, dari aliran gas didalam ruang bakar cukup rendah. Udara dari kompresor masuk kedalam ruang bakar dimana bahan bakar disemprotkan kedalam arus udara sehingga terbakar. Proses pembakaran terjadi secara kontinu sehingga temperatur gas pembakaran harus dibatasi sesuai material yang digunakan, terutama material sudu turbin. Hal tersebut perlu dilakukan karena kekuatan material akan turun seiring dengan naiknya temperatur.

Ruang bakar turbin gas pembangkit energi listrik biasanya direncanakan untuk dapat beroperasi kontinu dalam jangka waktu yang cukup lama (± 11,4 tahun).

Beberapa kateria yang harus dipenuhi oleh suatu ruang bakar turbin gas secara umum adalah :

1. Efisiensi pembakaran tinggi, dimana bahan bakar terbakar seluruhnya. 2. Sistem penyalaan yang baik, khususnya pada temperatur udara yang

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

3. Memiliki kesetabilan yang baik, artinya pembakaran harus tetap berlangsung pada tekanan, kecepatan dan perbandingan udara yang bervariasi.

4. Kerugian tekanan redah, biaya produksi dan perawatan minimal. 5. Emisi asap, bahan bakar yang tidak terbakar dan polutan gas rendah. 6. Mampu beroperasi untuk jenis bahan bakar yang bervariasi.

7. Daya tahan dan umur yang tinggi.

Type ruang bakar yang digunakan disini adalah type “Tubular Chamber” yang terdiri dari suatu silinder linier yang terpasang konsentrasi didalam casing. Turbin ini mempunyai dua buah ruang bakar. Masing-masing ruang bakar dilengkapi 8 buah burner (pembakar) yang memiliki lubang injeksi bahan bakar dan “Diagonal swirler’ untuk menghasilkan campuran udara dan bahan bakar yang optimal.

Gambar 2.8. Susunan Ruang Bakar Unit Turbin Gas Keterangan gambar

1. Selubung tekanan (pressure shell)

2. Kombinasi pembakaran (burner combustion) 3. Lokasi untuk inspeksi (platform include railling)

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

4. Tabung api (flane tube)

5. Selubung turbin (turbin casing) 6. Pipa-pipa buangan (blow-oof pipes) 7. Lubang orang (man hole)

A. Ruang saluran udara (annular space for combustion air supply) B. Saluran gas hasil pembakaran (hot gas duct)

Gambar 2.9 berikut ini menunjukan penampang potongan kombinasi pembakaran (Burner Combustion) yang dipasang di sekeliling ruang bakar dengan jumlah seluruhnya 16 buah (masing-masing ruang bakar 8 buah)

Gambar 2.9 Burner Combustion Keterangan gambar

1. Saluran masuk bahan bakar (fuel gas inlet)

2. Saluran masuk udara pendingin (cooling air inlet) 3. Fuel oil burner

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

4. Alat penyala (Ignitor) 5. Ignation gas inlet

6. Dudukan pembakaran (burner support) 7. Sumbe nyala (igniter)

8. Saluran udara masuk (air inlet) 9. Fuel gas burner

10. Pengaduk diagonal (diagonal swirler) 11. Saluran-saluran keluar gas (gas outlet ducts) 12. Daerah pembakaran (combustion zone) 13. Pengaduk aksial (axial swirler)

14. Saluran-saluran keluar gas (gas outlet ducts) 15. Saluran masuk bahan bakar gas (fuel gas inlet) 16. Saluran keluar bahan bakar gas (fuel gas outlet)

Kalor spesifik yang masuk (qin) pada ruang bakar adalah gas hasil pembakaran. Pembakaran ini menaikkan temperatur gas sekaligus menaikkan entalpinya, secara teoritis terjadi pada tekanan konstan.

Reaksi pembakaran sempurna dengan udara untuk hidrokarbon dengan rumus CmHn adalah menurut persamaan reaksi:

CmHm + mO2 mCO2 + mH2O

dimana :

m = Molekul masing-masing unsur

Sehingga dapat diperoleh perbandingan komposisi bahan bakar dan udara yang dibutuhkan (mf/ma) teoritis yaitu :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

(mf/ma) = 100% bahan bakar : (400% udara x total komsumsi udara)

=1 : 4 x total konsumsi udara (teoritis)

Sehingga f aktual =

rb teoritis

f η dimana :

= Efisiensi ruang bakar = 0,98

menurut [1] halaman 55 perbandingan massa bahan bakar dan udara yang baik

dalam range f = 50

1 s/d

200 1

atau 0,005 ÷ 0,02.

2.7. Generator

Dalam suatu proses pembebanan listrik arus bolak-balik ada dua unsur yang terlihat dalam proses konverasi daya, yaitu :

1. Daya nyata yang diukur dengan watt. Dikatakan daya nyata, karena besaran inilah yang terlibat dalam proses konversi daya.

2. Daya yang sebenarnya tidak mempengaruhi suatu proses konversi daya, tetapi dalah suatu kebutuhan yang harus dilayani. Secara ekonomis dapat dikatakan bahwa daya reaktif hanya membebani biaya investasi dan bukan biaya operasi.

Suatu beban membutuhkan daya reaktif yang besar karena dua hal, yaitu : 1. Karakteristik beban itu sendiri.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan generator untuk menghasilkan daya listrik merupakan daya netto haruslah lebih besar dari daya keluaran

generator, karena pada generator itu sendiri terdapat faktor daya dan kerugian-kerugian.

Untuk mentransmisikan daya putaran ke generator digunakan kopel langsung, namun dalam hal ini akan terjadi kerugian-kerugian mekanis, sehingga daya generator adalah daya semu (Volt ampere, Ns) dan daya keluaran (daya nyata/berguna, Nb) maka daya yang harus disuplai ke generator adalah ;

Ns = Nb x Cos ϕ

ϕ cos

b s

N

N =

dimana :

Cos ϕ = Faktor daya

Gambar 2.8 Hubungan Daya Semu, Daya Nyata dan Daya Sehingga daya yang diperlukan generator (daya yang tersedia) adalah :

g b pp

N N

η = dimana :

Daya Berguna (Nb)

Daya Reaktif Nr (VAR)

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Npp = Daya putaran poros (MW) Nb = Daya berguna generator (MW)

ηg = Efisiensi generator = 0,98

2.8. Laju Aliran Massa Udara

Untuk menentukan laju aliran massa udara dan bahan bakar maka keadaan dihitung pada temperatur rata-rata udara atmosfir yang dihisap kompresor, hal ini berguna untuk mendapatkan perbedaan daya keluaran sistem tidak terlalu besar bila sistem bekerja pada temperatur rendah ataupun temperatur tinggi udara atmosfir.

Laju aliran massa udara dan bahan bakar dapat dihitung dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi dan instalasi :

Npp = NT – NK

Npp = ma+ (1+ f ). NT – ma . Nk

a

m =

(

)

T k pp

N N f

N −

+ .

1 dimana :

ma = laju aliran massa udara (kg/s) f = laju aliran massa bahan bakar (kg/s) Nt = Daya turbin (MW)

Nk = Daya kompresor (MW)

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Pada perencanaan turbin ini akan dibahas mengenai jumlah tingkat turbin, kondisi gas dan dimensi sudu.

2.9.1. Jumlah Tingkat Turbin

Jumlah tingkat turbin dihitung berdasarkan total penurunan temperatur dan penurunan temperatur tiap tingkat, penurunan tiap tingkat turbin adalah :

ψ = 4 Ø tan 2 – 2 ... (Lit 2 hal 276)

dimana :

ψ = koefisien pembebanan sudu.

Sedangkan total penurunan Enthalpy gas adalah :

(∆ha)1t =

J g Cp C C

g. .

. 2

) cos . 2 1

( ) .

( 2 2

2 2

2 − σ +φ − φ α

…(Lit 9 hal 106)

dimana :

(∆ha)1t = Total penurunan Enthalpy gas (kJ/kg) Cpg = Panas Spesifik gas = 1,148 kJ/kg K

Ø = Flow koefisien satuan = 0,8

g = Kecepatan grafitasi bumi = 9,81 m/s2

J = Faktor konversi satuan energi = 778,2

= sudut sudu

C2 = Kecepatan gas absolut

Jumlah tingkat turbin :

Zt =

t t

t t

h h

h h

3 1

4 1

− − dimana :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

2.9.2 Kondisi Gas pada Sudu

Kondisi gas dianalisa pada keadaan stagnasi dan statis, keadaan stagnasi adalah kondisi gas yang dianalisa dalam keadaan tanpa memperhitungkan kecepatan, sedangkan keadaan statis adalah kondisi gas yang dianalisa dengan memperhitungkan kecepatan. Persamaan-persamaan stagnasi 1 01 02 01 . . 1 −           ∆ − = k k st os T R T P P η T02 = T01 – Tos . R dimana :

P01 = tekanan gas sebelum proses (bar) P02 = tekanan gas setelah proses (bar) R = derajat reaksi tingkat

ηst = efisiensi statik

T02 = temperatur pada P02 (K) Persamaan-persamaan statik

T1 = T01 –

pg a C C . 2 2

... (Lit 2 hal 279)

P1 = P01 –

1 02 2 −     k k T T dimana :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

T01 = kondisi gas pada kondisi stagnasi (K) P1 = tekanan gas pada kondisi statik (bar) P01 = tekanan gas pada kondisi stagnasi (bar)

Dari persamaan gas ini dapat dicari massa jenis gas yang mengalir yaitu :

T R

P

.

=

ρ . 100 ... (Lit 2 hal 283)

dimana : ρ = massa jenis gas (kg/m3)

Dengan menghitung laju aliran massa gas maka dapat dicari luasan yang ditempati gas yaitu :

A =

a g C m

.

ρ ... (Lit 2 hal 284)

dimana :

A = luasan yang ditempati gas (m2)

g

m = massa gas, yang dalam hal ini untuk tiap tingkat berbeda karena pengaruh laju aliran massa perbandingan sudu (kg/s).

2.8.3. Tinggi Sudu

Penamaan ukuran pada sudu turbin dapat dilihat pada gambar 2.9

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Tinggi sudu

h =

60 . .

m

U n A

...(Lit 2 hal 285)

dimana :

h = tinggi sudu (m) n = putaran sudu (rpm)

Um = kecepatan tangensial rata-rata sudu (m/s) 2.8.4. Jari-jari Sudu

Jari-jari rata-rata sudu yang dimaksud adalah jarak dari pusat cakram ke pitch sudu yang besarnya :

rm =

n U_m

. . 2

. 60

π ...(Lit 2 hal 285)

dimana :

rm = jari rata-rata sudu (m)

Jari-jari dasar sudu tiap tingkat turbin (m)

rr = rm –

2

h

...(Lit 2 hal 285)

rt = rm +

2

h

dimana :

rr = jari-jari dasar sudu tiap tingkat turbin (m) rt = jari-jari puncak sudu tiap tingkat turbin (m)

Tebal sudu dan celah antara sudu besarnya dilihat dari persamaan :

w =

3

h

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

c = 0,25 . w dimana :

w = tebal sudu (m)

c = celah antara sudu (m)

2.8.5. Diagram Kecepatan Gas

Untuk menggambarkan kecepataan aliran gas perlu dihitung besar sudut kecepatan tersebut masuk dan kecepatan sudut keluar relative gas, yang besarnya adalah:

Ψ = 4. φ. Tan β2 + 2 ... (Lit 2 hal 276)

Ψ = 4. φ. Tan β3 - 2 dimana :

φ = koefisien aliran gas

β2 = sudut relatif kecepatan gas masuk sudu

β3 = sudut relatif kecepatan gas keluar sudu 2.8.6. Putaran Kritis

Putaran kritis adalah putaran dimana terjadinya resonansi getaran yang tinggi, hal ini diakibatkan oleh frekuensi yang ditimbulkan oleh rotor sama dengan frekuensi natural dari komponen tersebut. Putaran kritis dipengaruhhi oleh gaya-gaya yang membebani poros yang menyebabkan defleksi atau lendutan.

Putaran kritis poros dapat dihitung setelah didapat lendutan maksimum. Kecepatan putaran kritis adalah :

ωc =

max

.

y g C

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

dimana :

ωc = kecepatan sudut putaran kritis (rad/s)

C = koefisien untuk dua bantalan pendukung adalah 1 : 1,2685 g = kecepatan grafitasi

putaran kritis sistem adalah :

nc = ωc

π.

. 2

60

dimana :

nc = put aran kritis sistem (rpm)

2.8.7. Gaya dan Tegangan pada Sudu Turbin

Gaya-gaya pada sudu turbin adalah gaya radial dan gaya aksial yaitu : Gaya aksial turbin adalah

FTG = Fat – Fak dimana :

Fat = Gaya aksial pada sisi turbin Fak = Gaya aksial kompresor

Gaya aksial pada sisi turbin dicari dengan rumus : Fat = Sm . . Ca2 . (tan 2 – tan 1) dimana :

Va = Ca = Kecepatan aksial = 280 m/s

1 = 2 = 41015’ (derajat reaksi direncanakan 50%) 3 = 1 = 57017’

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

= Kerapatan gas masuk turbin = 2,857 kg/m3 Gaya radial turbin adalah :

RA =

[

(

)

(

) (

)

(

)

]

8690

. 2654 .

4145 .

4345 .

6495W_k + W_p + W_sp + W_t

BAB 3

ANALISA TERMODINAMIKA

3.1 Spesifikasi Teknis Perancangan

Spesifikasi teknis perancangan yang dipilih pada perancangan ini adalah mengacu dari hasil data survey yang dilakukan di PT. PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera Bagian Utara sektor Belawan.

Spesifikasi tugas rancangan turbin gas yang direncanakan adalah :

− Daya Generator : 130 MW

− Bahan Bakar : Gas alam (LNG)

− Fluida Kerja Siklus : Udara/Gas

− Putaran Turbin : 3000 rpm

− Perbandingan Kompresi : 10,4

− Temperatur Masuk Kompresor : 300C − Temperatur Gas Masuk Turbin : 10050C

− Tipe Turbin : Aksial

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

− Efisiensi kompresor ( K) : 0,85

− Efisiensi Tubin ( T) : 0,95

− Efisiensi Ruang Bakar : 0,98

− Efisiensi Generator : 0,95

Temperatur udara atmosfir yang dihisap kompresor mempunyai pengaruh yang cukup besar terhadap daya efektif yang dapat dihasilkan pembangkit, sebab massa udara yang dihisap kompresor akan berubah sesuai dengan perubahan

temperatur menurut persamaan umum untuk gas ideal dimana

T R

V p m

g.

.

= , dimana

bila temperatur udara atmosfir turun maka daya efektif akan turun.

3.2. Pembahasan Materi

Sistem turbin gas dianalisa dengan menganalisa keadaan pada titik (gambar 3.1) analisa ini didukung dengan menentukan beberapa harga yang dibutuhkan dengan mengacu pada referensi yang ada.

T

s

qin 3

1

q_out W_in

W_out 4’

4 2

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 3.1 Diagram T – s Siklus Brayton

Keterangan gambar :

--- = Siklus aktual = Siklus Ideal

1 – 2 = Proses kompresi isentropik 1 – 2’ = Proses kompresi aktual 2 – 3 = Proses pembakaran isentropik 2’– 3 = Proses pembakaran aktual 3 – 4 = Proses ekspansi isentropik 3 – 4’ = Proses ekspansi aktual

4 – 1 = Proses pembuangan kalor isentropik 4’ – 1 = Proses pembuangan kalor aktual

3.2.1 Analisa Termodinamika pada kompresor

Analisa termodinamika pada kompresor dimaksudkan untuk menentukan kondisi udara masuk dan keluar kompresor serta besarnya daya yang digunakan untuk menggerakkan kompresor.

3.2.1.1Kondisi udara masuk kopresor pada titik 1 Ta = temperatur lingkungan

= 30 + 273 = 303 K Pa = 1,013 bar

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Gbr. 3.2 Stagnation States a) Kondisi Stagnasi

P01 = Pa – Pf dimana :

Pf = Penurunan tekanan pada filter udara = 0,02 bar maka :

P01 = 1,013 – 0,02 = 0,993 bar sehingga :

( )

a pk a

k k

P Pa

Ta

T _1η

01 01 ₋

     

= … (lit 2. hal 51)

Dimana untuk udara

Cpa = 1,005 kJ/kg K, na = n = 1,4 atau 3,5 1 =

   

− a

k k

… (Lit 2 hal 57)

pk = efisiensi politropik filter udara = 0,9 bar … (Lit 2 hal 181)

020 , 1 993 , 0

013 , 1

01

= =

P Pa

bar

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

( ) 301,46

020 , 1 303 4 , 1 9 , 0 1 4 , 1

01 = ₋ =

T

T01 = 301,46 K sehingga diperoleh harga :

h01 = 301,67 kJ/kg udara

b) Kondisi pada keadaan statis

a p a C C T T 2 2 01

1 = − …(lit 2. hal 133)

dimana :

Ca = Kecepatan aksial udara, menurut [2] halaman 161 = antara 150÷200m/s, yaitu untuk turbin gas industri = diambil 150 m/s

sehingga :

( )

3 2 1 10 005 , 1 2 150 46 , 301 x x

T = − = 290,26 K

h1 = 290,39 kJ/kg udara

1 01 1 01 1 −     = a a k k T T P

P …(Lit 2. hal 47)

1 4 , 1 4 , 1 1 46 , 301 26 , 290 993 ,

0  −

     =

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

3.2.1.2Kondisi udara keluar kompresor a) Kondisi pada keadaan stagnasi

Po2 = rp . Po1 … (Lit 2 hal 39)

Po2 = 10,4 . 0,993 = 10,32 bar maka :

( )

a pk a k k p r T

T .η

1 01

02

−

= …(Lit 2. hal 51)

( )

1,4 0,9 1 4 , 1 02 301,4610,4 x

T = − = 634,07 K

sehingga diperoleh :

h02 = 642,78 kJ/kg udara b) Kondisi pada keadaan statis

Cp Ca T T 2 2 02

2 = − …(Lit 2. hal 135)

sehingga :

( )

3 2 2 10 005 , 1 2 150 07 , 634 x x

T = − = 622,87 K

h1 = 676,407 kJ/kg udara

a a k k T T P P 1 02 2 02 2 −    

= …(Lit 2. hal 135)

4 , 1 1 4 , 1 2 07 , 634 87 , 622 32 , 10 −       =

P = 10,27 bar

Kerja yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor per unit mass flow adalah (Wk) :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009 m k Ta T Cp W η ) ( ₀₂−

= …(Lit 2. hal 64)

Dimana :

Cpudara = 1,005 kJ/kg udara . K

m = 0,99

Temperatur ekivalen untuk kerja kompresor ∆T02a atau T02 – Ta adalah :

T02 – Ta =

( )           −     − 1 1 02 a a k k a k P P Ta

η …(Lit 2 hal 64)

= ( )           −     

 − ₁

013 , 1 32 , 10 85 , 0

303 1,4

1 4 , 1

= 335,43 K

sehingga : 99 , 0 ) 43 , 335 ( 005 , 1 = k

W = 340,51 kJ/kg udara

Kondisi aktual perencanaan ho’2 =Wk + ho1

ho’2 = 340,51 + 301,67 = 642,18 kJ/kg udara

Dari harga entalfi ini dapat dicari temperatur aktual perencanaan adalah : To’2 = 633 K

3.2.2. Analisa Ruang Bakar

Analisa ini dimaksudkan untuk menentukan jumlah perbandingan udara, bahan bakar dan temperatur gas yang dihasilkan. Bahan bakar yang digunakan adalah gas alam cair (Liquid Natural Gas) dengan komposisi sebagai berikut :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Komposisi gas alam % Volume

Metana (CH4) Etana (C2H6) Propana (C3H8) Butana (C4H10) Pentana (C5H12) Hexana (C6H14) CO2

(N2 + H2S)

74,44 5,66 2,42 1,22 0,47 0,52 14,90 0,39

Total 100,00

Sumber : Operation Manual, Volume 12. Fuel Gas Sytem JCC. Corporation. Pertamina Arun LNG

Low Heating Value (LVH) bahan bakar untuk tiap kg bahan bakar adalah : 47320 kJ/kg.

Menurut [2] hal 258 bahwa cara untuk proses pembakaran gas-gas dengan 100% udara teoritis adalah sebagai berikut :

• Menthana (CH4)

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

1 mol CH4 + 2 mol O2 1 CO2 + 2 H2O

16 CH4 + 64 O2 44 CO2 + 36 H2O

1 CH4 + 4 O2 2,75 CO2 + 2,25 H2O

Jadi :

1 kg CH4 membutuhkan 4 kg O2, karena O2 = 23% maka : 1 kg CH4 membutuhkan (100/23) x 4 kg udara, atau 1 kg CH4 membutuhkan 17,39 kg udara

• Ethana (C2H6)

C2H6 + 7 O2 4 CO2 + 6 H2O

60 C2H6 + 224 O2 176 CO2 + 108 H2O

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

1 kg C2H6 membutuhkan (244/60) kg O2, maka :

1 kg C2H6 membutuhkan (100/23) x 3,73 kg udara, atau 1 kg C2H6 membutuhkan 16,23 kg udara

• Propana (C3H8) :

C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O

44 C3H8 + 160 O2 132 CO2 + 72 H2O

1 C3H8 + 13,64 O2 3 CO2 + 1,64 H2O

Jadi :

1 kg C3H8 membutuhkan 3,64 kg O2, maka

1 kg C3H8 membutuhkan (100/23) X 3,64 kg udara. 1 kg C3H8 membutuhkan 15,81 kg udara.

• Butana (C4H10) :

C4H10 + 13 O2 8 CO2 + 10 H2O

116 C4H10 + 416 O2 264 CO2 + 144 H2O

1 C4H10 + 3,59 O2 2,28 CO2 + 1,24 H2O

Jadi :

1 kg C4H10 membutuhkan (100/23)x 3,59 kg udara 1 kg membutuhkan 15,6 kg udara

• Pentana C5H12 :

C5H12 + 8 O2 5 CO2 + 6 H2O

72 C5H13 + 256 O2 220 CO2 + 108 H2O

1 C5H12 + 3,59 O2 3,06 CO2 + 1,5 H2O

Jadi :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

1 kg C5H12 membutuhkan 15,46 kg udara.

• Hexana C6H14

C6H14 + 19 O2 12 CO2 + 14 H2O

172 C6H14 + 608 O2 528 CO2 + 252 H2O

1 C6H14 + 3,54 O2 3,07 CO2 + 1,47 H2O

Jadi :

1 kg C6H14 membutuhkan 3,54 kg udara, maka : 1 kg C6H14 membutuhkan (100/23)x 3,54 kg udara 1 kg C6H14 membutuhkan 15,37 kg udara.

Berdasarkan dari persamaan reaksi di atas untuk 1 kg gas alam akan membutuhkan udara sebanyak :

Tabel 3.2 Kandungan udara pada bahan bakar

Komposisi gas alam % Volume Kandungan udara Jumlah

Metana Etana Propana Butana Pentana Hexana CO2

(N2 + H2S)

74,44 5,66 2,42 1,22 0,47 0,52 14,90 0,39

x 17,39 x 16,23 x 15,81 x 15,60 x 15,46 x 15,37 - -

= 12,95 = 0,92 = 0,38 = 0,19 = 0,07 = 0,08 - -

1 kg (100%) gas alam butuh 14,59 kg udara

Dengan demikian perbandingan massa bahan bakar dan udara (mf/ma) adalah 1 : 14,59 atau mf/ma = 0,0685. Untuk pembakaran dengan menggunakan 400% udara teoritis (lit 3 hal 200) :

mf/ma = 1 : (4 x 14,59) = 0,0172 = fteoritis

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Sehingga : faktual =

rb teoritis

f η Dimana :

rb = effesiensi ruang bakar = 0,98

Maka : faktual = 0,01755 98

, 0

0172 , 0

=

Menurut [1] halaman 469, perbandingan massa bahan bakar dan udara yang baik

dalam range f = 50

1 s/d

200 1

atau 0,005 ÷ 0,02.

Sehingga faktual yang dihasilkan disini cukup baik untuk proses pembakaran.

3.2.3. Analisa Termodinamika pada Turbin

.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Didalam analisa termodinamika dimaksudkan untuk menentukan kondisi gas masuk dan keluar sudu turbin. Didalam turbin terjadi proses perubahan energi kinetis dari hasil gas pembakaran menjadi energi mekanis dengan cara mengekspansikan gas tersebut pada sudu-sudu turbin. Setelah gas tersebut melewati sudu-sudu turbin kemudian dibuang ke atmosfir melalui diffuser dan cerobong.

3.2.2.1 Kondisi 3 yaitu gas masuk sistem turbin • Kondisi stagnasi

Kerugian pada ruang bakar diasumsikan sebesar 0,02 bar menurut [2] halaman 60 maka :

(

PLrb

)

Po Po₃ = ₂ 1−

(

1 0,02

)

32 , 10

3 = −

Po

Po3 = 10,11 bar

T03 = 1278 K = 10050C

• Kondisi statis

g CP Ca T

T

. 2

2 03

3 = −

dimana :

Ca = Kecepatan aksial udara = 150 m/s …(Lit 2 hal 161) Cpg = Panas spesifik gas = 1,148 kJ/kg K …(Lit 2 hal 57) kg = konstanta adiabatik

= 1,33 (untuk gas hasil pembakaran) atau

g

k k

     

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

pt = Efisiensi polytropic turbin = 0,9 maka : 3 2 3 10 148 , 1 . 2 150 1278 x

T = −

= 1268,2 K = 1541,2 0C

1 03 3 03 3 −     = g g k k T T P P

1,331

33 , 1 1278 2 , 1268 11 ,

10  −

     =

= 9,80 bar

3.2.2.2 Kondisi 4 yaitu Tekanan udara keluar turbin • Kondisi stagnasi

Menurut [11] halaman 37, untuk perbandingan Ambient Pressure dengan tekanan gas keluar turbin siklus terbuka yang baik sekitar 1,1 ÷ 1,2 untuk perencanaan diambil adalah 1,1

Po4 =(Pa)(1,1) Po4 =(1,013)(1,1) = 1,1143 bar

Sehingga ratio tekanan pada turbin adalah :

4 3 ) ( Po Po rpT =

bar

rpT 9,07

1143 , 1 11 , 10 ) ( = =

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

( )

( )g pt g k k T p r T T η 1 ) ( 04 03 −

= …(Lit 2 hal 39)

dimana :

kg = konstanta adiabatik

= 1,33 (untuk gas hasil pembakaran) pt = Efisiensi polytropik

= 0,9 sehingga

( )

1,33 9 , 0 ) 1 33 , 1 ( 04 9,07

1278=T − …(Lit 2 hal 52)

33 , 1 9 , 0 ) 1 33 , 1 ( 04 07 , 9 1278 − = T

= 781,06 K = 508,07 0C h04 = 802,52 kj/kg

• Kondisi statis

g Cp Ca T T . 2 2 04

4 = −

= ₃

2 10 148 , 1 2 150 06 , 781 x x −

= 771,26 K = 498,26 0C

1 04 4 04 4 −     = g g k k T T P P

= 1,33 1

33 , 1 06 , 781 26 , 771 1143 ,

1  −

     − = 0,16 bar

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Temperatur ekivalen dari kerja total turbin T034 atau T03 – T04 adalah :

(

)

_            − = ∆ − g g k k t P P T T 1 04 03 03 034 / 1 1 .

η (Lit 2 hal 64)

= 0,95 x 1278

                − − 33 , 1 1 33 , 1 07 , 9 1 1

= 511,58 K

3.2.2.3 Kerja total turbin per unit massa flow (Wt) adalah :

Wt =Cpg.. (To34) (Lit 2 hal 64)

dimana :

Cpg = Panas spesifik gas pembakaran pada tekanan konstan. = 1,148 kJ/kg gas pembakaran .K

maka :

Wt = (1,148) x (511,58) = 587,29 kJ/kg gas produk

3.2.2.4 Kerja Net output (Wn) adalah :

Wn = Wt – Wk …(Lit 2 hal 64)

= 587,29 – 340,51 = 246,78 kJ/kg

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009 k t fc

W W

f S

−

= …(lit 2 hal 65)

=

78 , 246

01755 , 0 3600x

= 0,256 kg/kW h

3.2.2.6 Efisiensi thermal siklus ( th) adalah :

LHV S_fc

th

. 3600 =

η …(Lit 2 hal 65)

= 0,297

47320 256

, 0

3600 = x

= 29,7 %

3.2.4 Generator

Dalam suatu proses pembebanan listrik bolak-balik ada dua unsur yang terlihat dalam proses konversi daya yaitu :

1. Daya nyata yang diukur dengan watt. Dikatakan daya nyata karena besaran inilah yang terlibat dalam proses konversi daya.

2. Daya reaktif yang sebenarnya tidak mempengaruhi suatu proses daya, tetapi suatu kebutuhan yang harus dilayani. Secara ekonomis dapat dikatakan bahwa daya reaktif hanya membebani biaya investasi dan bukan biaya operasi.

Suatu beban membutuhkan daya reaktif karena 2 hal, yaitu : 1. Karakteristik beban itu sendiri yang tidak bisa dielakkan. 2. Proses konversi daya didalam alat itu sendiri.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Dari kesimpulan diatas bahwa daya yang harus disuplai oleh turbin kepada generator harus dapat memenuhi kebutuhan daya nyata atau daya reaktif, seperti digambarkan pada gambar 3.3.

Gambar 3.4 Daya pada generator

Untuk mentransmisikan daya dan putaran ke generator digunakan kopel langsung, namun hal ini akan terjadi kerugian-kerugian mekanis, sehingga daya yang dibutuhkan generator adalah daya semu (Volt ampere, Ns) dan daya keluaran (daya berguna/efektif, Nb).

Perencanaan siklus turbin gas ini yang direncanakan akan digunakan sebagai penggerak generator listrik dengan kapasitas daya output sebesar 130MW. Maka dalam hal ini akan dibutuhkan daya turbin yang lebih besar dari pada kapasitas generator. Efisiensi generator ( g) maka daya yang harus disuplai ke generator adalah 95%.

Maka :

Daya Berguna (Nb) [MW]

Daya Reaktif Nr [MVAR]

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Daya putaran poros =

enerator Efisiensig

generator a

Dayabergun ( )

atau Npp =

g b

N η dimana :

Daya putaran poros adalah daya putaran poros yang dipergunakan menggerakan kompresor dan untuk menggerakkan generator.

Berdasarkan hasil survey di Turbin Unit GT 12 pada PT. PLN Sektor Belwan, putaran poros dihubungkan (dikopel) langsung ke generator.

Daya berguna (generator) = 130.000 kW

Efisiensi generator = Dengan adanya loses pada generator seperti pada kopel, bearing sehingga efisiensi generator 0,95

Sehingga :

Npp =

g b

N

η = 0,95 130

= 136,842 MW ≈ 136.842 kW

Untuk mengetahui daya yang terdapat pada siklus turbin dapat dilihat pada gambar diagram alir.

Nk Nt Npp

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 3.5. Daya pada siklus Turbin

Dikarenakan Npp merupakan daya putaran poros maka diperlukan balancing daya yang dapat dicari dengan persamaan berikut :

Daya putaran poros = Daya turbin – Daya kompresor Atau

Npp = Nt - Nk dimana :

Nt = mg . Wt

mg = massa gas ( ma + mf)

= dimana mf = ma . faktual faktual (mf/ma) = 0,0755 maka mg = ma ( 1 + f )

sehingga daya turbin

Nt = ma (1 + f) . Wt

= ma (1 + 0,0755) . 587,29 = 631,63 ma Daya kompresor

Daya kompresor = massa udara . Kerja kompresor Nk = ma . Wk

= 340,51 ma Sehingga massa udara adalah :

Npp = Nt - Nk

136.842 = 631,63 ma - 340,51 ma

ma =

12 , 291 136842

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Dengan demikian besarnya aliran massa udara (ma) sebesar 470,05 kg/s. Pemakaian bahan bakar (mf) adalah :

mf = ma . faktual …(Lit. 2 hal 62)

= 470,05 x 0,01755 = 8,25 kg/s

Laju aliran massa udara pendingin

Untuk mendinginkan komponen-komponen pada sistem turbin gas digunakan udara dari kompresor ini dan menurut [2] hal 322 sebagai berikut :

Annulus Walls = 0,016

Nozzle Blandes = 0,025

Rotor Blandes = 0,019

Rotor Disc = 0,005

Total = 0,065

maka :

mp = (0,065) . ma

= 0.065 . 470,05 = 30,55 kg/s

Maka laju massa udara total yang harus disupplai oleh kompresor adalah :

mat = ma + mp …(Lit 2 hal 62)

= 470,05 + 30,55 = 500,6 kg/s

Sehingga daya yang digunakan untuk menggerakan kompresor adalah : Nk = mat . (T02 – T01)

= 500,6 x (634,07 - 301,46) = 166504,566 kW ≈ 166,504 MW

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Daya yang harus dibangkitkan oleh turbin adalah : Nt = (1 + f)mat . x(T03 – T04)

= (1 + 0,0755) .500,6 . (1278 - 781,06) = 267550,16 kW ≈ 267,550 MW

Persentase daya yang digunakan untuk menggerakkan kompresor adalah

% 100 x N N

t k Nk =

η

= 100%

550 , 267

504 , 166

x

= 62,23 %

3.2.5 Hasil Analisa Termodinamika

Setelah diadakan analisa termodinamika sebagai langkah awal perencanaan, maka diperoleh hasil-hasil sebagai berikut :

1. Temperatur masuk kompresor (Ta) : 303 0K 2. Temperatur keluar kompresor (To2) : 634,07 0K

3. Kerja kompresor (Wk) : 340,07 kJ/kg udara

4. Low Heating Value (LVH) bahan bakar : 47320 kJ/kg udara

5. fact : 0,01755 kg udara/kg b.bakar

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

8. Temperatur gas buang turbin (To4) : 781,06 K

9. Kerja turbin (Wt) : 587,29 kJ/kg udara

10. Laju aliran massa udara (ma) : 470,05 kg/s 11. Laju aliran massa bahan bakar (mf) : 8,25 kg/s

12. Daya kompresor (Nk) : 166,504 MW

14. Daya turbin (Nt) : 267,550 MW

15. Daya berguna generator (Nb) : 130 MW

17. Daya semu generator (Ns) : 162,5 MW

18. Laju aliran massa udara total pada kompresor : 500,6 kg/s 19. Efisiensi termal siklus ( th.sikl) : 29,7 %

BAB 4

PERENCANAAN KOMPRESOR, RUANG BAKAR DAN TURBIN

4.1. Perancangan Kompresor

4.1.1 Jumlah Tingkat Kompresor

Banyaknya jumlah tingkat kompresor dinyatakan sebagai perbandingan antara kenaikan temperatur setiap tingkatnya. Secara sistematis ,menurut [8] hal 292 adalah :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009 s k

T T Z

0

∆ ∆

= α

Kenaikan temperatur seluruh tingkat adalah selisih antara temperatur udara keluar dengan temperatur udara masuk kompresor. Dari diagram h – s untuk kompresor dapat dilihat kenaikan temperatur untuk seluruh tingkat yaitu :

∆T = T02 – T1 …(Lit 2 Hal 159)

Sedangkan kenaikan temperatur setiap tingkatnya menurut [2] halaman 166 :

(

1 2

)

0 . tanβ tanβ

λ ₋

=

∆ s UCa

Cp T

dimana :

= Faktor kerja setiap tingkat, besarnya antara 0,80 – 1,0

= diambil 0,9 …(Lit 2 hal 166)

U = Kecepatan keliling sudu rata-rata = 350 m/s (Lit 2 hal 161)

1 = Sudut kecepatan masuk aksial 2 = Sudut kecepatan keluar aksial

Kerapatan udara untuk titik 1 dan 2 diagram h – s adalah :

01 01 1

xT R

P

a

=

ρ …. (Lit 2 hal 180)

dimana :

Ra = 0,287 kJ/kg K

1 =

46 , 301 287 , 0

10 993 ,

0 2

x x

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

2 =

02 02 .T R P = 07 , 634 287 , 0 10 32 , 10 2 x x

= 5,671 kg/m3

Jari-jari puncak kompresor adalah (rt)

rt2 =

            − 2 1. 1

. t r at r r Ca m ρ π

…(Lit 2 hal 180)

dimana :

t r

r r

= Perbandingan dasar dan puncak sudu [2] halaman 180 = 0,4 ÷ 0,6

rt2 =

            − 2 1 150 147 , 1 . 500,6 t r r r x π rt2 =

            − 2 1 0,927 t r r r

Kecepatan aliran sudu (Ut) diperoleh dari hubungan rk yaitu :

Ut = 2 . rt . N …(Lit 2 hal 180)

Sehingga besarnya kecepatan poros rotor adalah :

N =

t t r U . 2π = t r . 2 350 π

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Perhitungan harga rt dan N dapat dilakukan dengan memasukkan harga-harga (rr/rt) seperti tabel berikut :

Tabel 4.1. Perbandingan dasar dan Puncak Sudu

rr /rt rt (m) N (rps)

0,40 1,051 53,028

0,45 1,078 51,700

0,50 1,112 50,119

0,55 1,153 48,337

0,60 1,203 46,328

Dari tabel tersebut (tabel 4.1.) dapat dilihat harga yang mendekati putaran poros 3000 rpm = 50 rps adalah pada rr/rt = 0,40, sehingga jari-jari tengah sudu rata-rata adalah :

rm =

2

t r r r +

=

2 051 , 1 420 ,

0 +

= 0,74 m

Kecepatan keliling sudu rata-rata (Ut) : Ut = 2 . rm . N

= 2 x 0,74 x 50 = 232,36 m/s

Sudut kecepatan masuk aksial udara pada tingkat pertama menurut [2] halaman 183 adalah :

Tan 1 = 1,55 150

36 , 232

= =

a t

C U

1 = 57017’

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

V1 =

1

β cas

C_a

... (Lit2 hal 183)

= 276,68

' 17 57 150 0 = Cos m/s

Kecepatan relatif udara keluar (V2) dapat diketahui dengan mempergunakan angka De Haller minimum yang disarankan menurut [2] hal 183 yaitu V2/V1 ≤ 0,72, sehingga didapat :

V2 = 0,72 . V1

= 0,72 x 276,68 = 199,21 m/s Sudut kecepatan keluar aksial ( 2) adalah :

Cos 2 =

2

V C_a

= 0,753

21 , 199

150 =

2 = 41015’

Sehingga kenaikan temperatur setiap tingkatnya adalah :

∆ Tos = . . (tanβ1 tanβ2)

λ ₋ a p C U C

= ₃

0 0 10 005 , 1 ) ' 15 41 tan ' 17 57 (tan 150 36 , 232 9 , 0 x x x −

= 21,100 K

Jumlah tingkat kompresor yang dibutuhkan adalah :

Zk =

s s T T T T T 0 1 02 0 ∆ − =

∆∆ α = 21,100

290,26

-634,07

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Menurut [2] halaman 166 kemungkinan penggunaan kompresor menghendaki 16 tingkat adalah wajar, mengingat dari pengaruh faktor kerja (work – done faktor). Pada perancangan ini diambil 16 tingkat (sesuai survey lapangan).

Dengan 16 tingkat dan kenaikan temperatur seluruhnya (∆T ) = 343,81 K, maka kenaikan temperatur rata-rata setiap tingkat adalah 21,47 K. Hal ini normal dalam kenaikan temperatur yang agak rendah pada tingkat pertama dan terakhir. Pada perencanaan ini diambil ∆To≈ 20 K untuk tingkat pertama dan tingkat terakhir. Sementara ∆T0≈ 21,7 K untuk tingkat selanjutnya.

Perbedaan tekanan untuk setiap tingkatnya adalah :

∆P = C_Rn

1

= (10,4)1/16 = 1,157 Bar

Volume Spesifik tiap tingkat (v) adalah : v = 1/ 1

= 1/ 1,147 = 0,872 m3/kg

Selanjutnya besarnya tekanan dan temperatur setiap tingkat dapat dihitung seperti berikut:

Tingkat I

Masuk : Keluar :

P = 1 Bar P = 1,157 x 1 = 1,157 Bar

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Untuk lebih jelas kondisi setiap tingkat dapat dilihat pada tabel 4.2. sebagai berikut :

Tabel 4.2. Kondisi Udara Tiap Tingkat Kompresor

Tingkat Udara Masuk Udara Keluar V

P (Bar) T (K) P (Bar) T (K) m/kg (kg/m)

I 1,000 303 1,157 323 0,872 1,147

II 1,157 323 1,339 344,7 0,739 1,353

III 1,339 344,7 1,549 366,4 0,679 1,473

IV 1,549 366,4 1,792 388,1 0,622 1,609

V 1,792 388,1 2,073 409,8 0,567 1,763

VI 2,073 409,8 2,399 431,5 0,516 1,937

VII 2,399 431,5 2,775 453,2 0,469 2,134

VIII 2,775 453,2 3,211 474,9 0,424 2,356

IX 3,211 474,9 3,715 496,6 0,384 2,607

X 3,715 496,6 4,299 518,3 0,346 2,890

XI 4,299 518,3 4,974 540 0,312 3,209

XII 4,974 540 5,754 561,7 0,280 3,570

XIII 5,754 561,7 6,658 583,4 0,251 3,976

XIV 6,658 583,4 7,703 605,1 0,225 4,436

XV 7,703 605,1 8,913 626,8 0,202 4,954

XVI 8,913 626,8 10,312 646,8 0,180 5,555

4.1.2. Sudu Kompresor

Dalam perencanaan sudu kompresor, akan dihitung dimensi utama dari sudu kompresor sistem turbin gas yang tidak terlepas dari faktor-faktor yang dapat mempengaruhinya.

4.1.2.1. Annulus Kompresor

Annulus adalah ruang yang dibatasi oleh kompresor casing dan rotor. Massa aliran dalam laluan annulus adalah tetap konstan. Luas annulus sisi masuk kompresor atau tingkat I (A1)

A1 =

a

C m

.

1

ρ …(Lit 2 hal 180)

dimana :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

= 500,6 kg/s sehingga :

A1 =

150 147 , 1 6 , 500

x = 2,909 m

2

Luas annulus sisi keluar kompresor atau tingkat 16 (A16)

A16 =

a at C m . 16 ρ = 150 555 , 5 6 , 500

x = 0,601 m

2

Diambil hubungan puncak dan dasar sudu (rr/rt) = 0,40 dengan rt = 1,051 m, maka rr = rt . 0,4

= 1,051 . 0,4 = 0,42 m Jari-jari rata-rata annulus (rm) adalah :

rm =

2 t r r r + = 2 051 , 1 42 , 0 +

= 0,74 m

Tinggi sudu gerak kompresor tingkat I (h1) adalah :

h1 =

m r A . . 2 1

π = 2. .0,74 909 , 2

π = 0,626 m

Jari-jari puncak (rt) dan dasar (rr) sudu gerak tingkat I : rt1 = rm + (h1/2)

= 0,74 + (0,626 / 2) = 1,053 m

rr1 = rm – (h1/2) = 0,74 – (0,626 / 2)

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

= 0,427 m

Tinggi sudu gerak kompresor tingkat 16 (h16) adalah :

h16 =

m

r A

. . 2

16

π =2. .0,74 0,601

π = 0,129 m

Jari-jari puncak (rt) dan dasar (rr) sudu gerak tingkat 16 :

rt16 = rm + 

    

2

16

h

= 0,74 + ( 0,129/2)

= 0,805 m

rr16 = rm - 

    

2

16

h

= 0,74 - (0,129/2)

= 0,676 m

Sudu kompresor terdiri dari dua bagian yaitu : 1. Sudu Gerak (moving blade)

2. Sudu Diam (guide blade)

Derajat reaksi direncanakan 50%, maka losses pada sudu gerak sama dengan losses pada sudu tetap. Dengan demikian bentuk kontruksi sudunya akan sama pada tingkat yang sama. Hal ini menguntungkan karena mudah dalam pembuatannya dan sederhana dalam perencanaannya.

Telah didapat sebelumnya bahwa :

1 = 2 = 41015’

2 = 1 = 57017’

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

= 1 – 2 = 57017’ – 41015’ = 16002’

Dari [2] grafik 5,62 untuk 2 = 41015’ dan = 120,57’ diperoleh s/c = 1,2 dimana :

c = Chord

s = Pitch or space

Gambar 4.1. Grafik Hubungan s/c

Aspect Ratio direncanakan h/c = 3, maka selanjunya jarak pitch dan chord sudu setiap tingkat dapat dihitung :

c =

3

h

Untuk tingkat 1 dan 16 :

c1 =

3 0,626 3

1 =

h

= 0,2087 m

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

c16 =

3 0,129 3

16 =

h

= 0,043 m

s16 = 1,2 . c16 = 1,2 x 0,043 = 0,0516 m

Tebal Sudu (t)

Pada perencanaan ini direncanakan tebal sudu maksimum adalah 10% Chord, jadi tebal sudu gerak tingkat 1 dan 16 kompresor adalah :

t1 = 10% . c1 = 0,10 x 0,2087 = 0,02087 m t16 = 10% . c16 = 0,10 x 0,043= 0,0043 m

Berat Sudu (Ws)

Ws = volume sudu x berat jenis sudu ( ) dimana :

Vs = h . c. t

= 76 kN/m3≈ 7,6 x 104 N/m3 Untuk volume sudu tingkat 1 dan 16 :

Vs1 = h1 . c1 . t1 = 0,626 . 0,2087 . 0,0287 = 0,002727 m3 = 2,727 . 10-3 m3

Vs16 = h16 . c16 . t16 = 0,129 . 0,043 . 0,0043 = 0,0000239 m3 = 2,39. 10-5 m3

Sehingga berat sudu kompresor tingkat 1 dan 16 adalah : Ws1 = Vs1. = 2,727 x 10-3 . 7,6 x 104

= 207,25 N

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

= 1,82 N

Berdasarkan hasil perhitungan dan data survey maka ukuran-ukuran utama kompresor ditabelkan pada tabel 4.3. sebagai berikut :

Tabel 4.3. Ukuran-ukuran utama kompresor

Tingkat Jumlah Z

Annulus A (m)

Tinggi h (m)

Chord c (m)

Pitch s (m)

Tebal t (m)

Volume V (m3)

Berat W (N)

1 29 2,91 0,63 0,209 0,2504 0,021 2,727 207,3

2 33 2,47 0,53 0,177 0,2123 0,018 1,661 126,3

3 37 2,27 0,49 0,163 0,1950 0,016 1,288 97,9

4 41 2,07 0,45 0,149 0,1786 0,015 0,988 75,1

5 43 1,89 0,41 0,136 0,1630 0,014 0,751 57,1

6 43 1,72 0,37 0,124 0,1483 0,012 0,566 43

7 43 1,56 0,34 0,112 0,1346 0,011 0,424 32,2

8 53 1,42 0,30 0,102 0,1219 0,010 0,315 23,9

9 53 1,28 0,28 0,092 0,1102 0,009 0,232 17,7

10 53 1,15 0,25 0,083 0,0994 0,008 0,171 13

11 65 1,04 0,22 0,075 0,0895 0,007 0,125 9,5

12 65 0,93 0,20 0,067 0,0805 0,007 0,090 6,9

13 65 0,84 0,18 0,060 0,0722 0,006 0,065 5

14 79 0,75 0,16 0,054 0,0648 0,005 0,047 3,6

15 79 0,67 0,14 0,048 0,0580 0,005 0,034 2,6

16 79 0,60 0,13 0,043 0,0517 0,004 0,024 1,8

4.1.2.2. Gaya-gaya yang berkerja pada sudu kompresor

Apabila sebuah sudu aerofoil dengan panjang chord (C) dan jarak antara sudu (s) berada didalam suatu aliran fluida dengan kecepatan aksial rata-rata (Vm), maka sudu tersebut akan mengalami dorongan yang akibatnya sebuah gaya akan bekerja yaitu :

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Laju Aliran minyak pelumas yang dibutuhkan untuk melumasi bantalan (qo) :

qo =

) 40 52 ( 5 , 0 9 , 0

315 , 21 )

(

.Cpo t₂ −t₁ = x − Qr

ρ = 3,947 kkal

BAB 6

KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Dari hasil perhitungan-perhitungan dan analisa sistem turbin gas untuk pembangkit energi listrik serta hasil survey dilapangan, maka dapat dibuat beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1. Kompresor

- Type : Aliran Aksial

- Jumlah tingkat : 16

- Perbandingan kompresi : 10,4 - Temperatur udara masuk : 300C - Temperatur udara keluar : 634,070C - Tekanan udara masuk : 0,993 bar - Tekanan udara keluar : 10,32 bar

2. Ruang bakar

- Type : Tubular combustion chamber

- Jumlah ruang bakar : 2 buah

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

- Temperatur udara keluar : 10050C - Tekanan udara masuk : 10,32 bar - Tekanan udara/gas keluar : 10,11 bar 3. Turbin

- Type : Aliran aksial jenis reaksi

- Jumlah tingkat : 4

- Temperatur gas masuk : 10050C - Temperatur gas keluar : 508,070C

- Tekanan gas masuk : 10,11 bar

- Tekanan gas keluar : 1,1143 bar

4. Sistem turbin gas

- Daya : 130.000 kW

- Putaran : 3000 rpm

- Bahan bakar : Gas alam

B. Saran

Turbin gas adalah ”Package Unit” sehingga waktu yang dibutuhkan untuk pembangunannya relatif singkat dan sangat baik untuk memenuhi beban puncak karena proses startnya yang cepat dan dapat menggunakan bahan bakar yang berbeda (misalnya fuel oil).

Karena efisiensi turbin gas rendah jika dioperasikan dalam siklus terbuka maka untuk menaikan efisiensi siklus biasanya turbin gas diprioritaskan untuk beroperasi dengan siklus gabungan.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

DAFTAR PUSTAKA

1. Arismunandar. W, Pengantar Turbin Gas dan Motor Propulsi, Dirjen Dikti Depdiknas, 2000.

2. Cohen. H, G.F.C. Roger, H.I.H. Sravanomoto, Gas Turbine Theory, 3th Edition, Jhon Willey And Sons, New York, 1989.

3. Sorensen, Harry A, Energy Convertion System, Jhon Wiley and Sons, Washington State University, New York, 1983.

4. Earl R. Parker, “ Material Data Book, for Engineer and Scientist”, Mc. Graw Hill Book Company, USA 1976.

5. Sularso, Kiyokatsu Suga, “Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin”, PT. Pradnya Paramitra, Jakarta 1983.

6. John F. Lee, “ Theory and Design of Steam and Gas Turbine”, Revised Impression, Mc Graw Hill Book Company, USA 1983.

7. Arthur H. Lefebre, “Gas Turbine Combustion”. Hemisphere Publishing Corporation, USA 1983.

8. Harman, R.T.C, Gas Turbine Engineering, Cetakan Pertama, The Mac. Millan Press LTD, London, 1981.

9. SMVL MALLEV, Internal Combustion Engine”, Mc. Graw Hill Book Company, Kogakhusa Ltd, USA.

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

10. P. Shlyakhin, “ Turbin Uap, Teori dan Perancangan”, Penerbit Erlangga 1990.

DATA SPESIFIKASI PERALATAN TEKNIK PLTG TURBIN GAS I & II

PT. PLN (Persero) PEMBANGKITAN SEKTOR BELAWAN

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Installed Capacity Main/back up Fuel

TURBINE

Type Manufacture Rated Speed Blade Stages Oil Burn Capacity Gas Burn Capacity Inlet Gas Temp. Outlet Gas Temp. Outlet Gas Enthalpy

COMPRESOR

Compression Ratio Compression Stages Inlet Air Temp. Inlet Air Pressure Outlet Air Temp.

GENERATOR Type Manufacture MVA Fower Factor Voltage Frequency Cooling System 117,5 MW Natural/HSD V 94.2 Siemens KWU 3000 rpm 4 37 kl/hr 1,13 MMCFH 9700C 5270C 570 kj/kg

9,47 16 300C 9,88 bar 3350C

TSLM 8252 Trafo Union 150 MVA 0,8 10,5 kV 50 Hz Air – Open

TLSM 8252 Trafo Union 164 MVA ONAN MAIN TRANSFORMER Type Manufacture MVA Cooling System 128,8 MW Natural/HSD V 94.2 Siemens KWU 3000 rpm 4 43 kl/hr 1,18 MMSCFH 10040C 5600C 612 kj/kg

612 16 300C 10,5 bar 3350C

TSLM 8352 Trafo Union 162,75 MVA 0,8 10,5 kV 50 Hz

Air – Close Loop

TLSM 8252 Trafo Union 167 MVA ONAF

EQUIPMENT Gas Turbine Unit 11 Gas Turbine Unit 12

Turbular Chamber

Liquid Natural Gas/Fuel Oil

COMBUSTION

Type Fuel

Turbular Chamber

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008.

USU Repository © 2009

Low Heating Vaule