Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Cara Kerja Instalasi Turbin Gas
Turbin gas merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial gas menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah
menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin secara langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme
yang digerakkan. Turbin gas dapat digunakan pada berbagai bidang industri, diantaranya pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi. Dalam perancangan
ini turbin gas digunakan untuk menggerakkan generator listrik pada PLTG.
Recuperator
Combustor Turbine
Compressor
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.1 A recuperative medium–sized Industrial Gas Turbine Courtesy Solar Turbines Incorporated
Turbin gas merupakan suatu unit yang menggunakan gas sebagai fluida kerjanya. Sistem turbin gas paling sederhana terdiri atas kompresor, ruang bakar
dan generator. Kompresor memampatkan udara dari luar menjadi udara yang bertekanan tinggi
dan diumpankan ke ruang bakar. Bersama-sama dengan udara yang bertekanan tinggi, gas alam dibakar di ruang bakar. Gas panas yang keluar dari pembakar atau
reaktor dapat dipakai langsung sebagai fluida kerja yang dialirkan ke turbin untuk menggerakkan rotor yang dihubungkan dengan generator listrik.
Udara Gas
Buang
Kompresor Turbin
Ruang Bakar
Generator Tenaga
Listrik
Kopel Poros
Gambar 2.2. Instalasi turbin gas
2.2 Klasifikasi Turbin Gas 2.2.1 Berdasarkan Siklus Kerja
2.2.2.i Turbin Gas Siklus Terbuka open cycle gas turbine
Pada siklus ini gas hasil pembakaran langsung dibuang ke udara bebas setelah diekspansikan di dalam turbin. Instalasi ini memiliki struktur
yang sederhana yaitu terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan turbin yang
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
berfungsi sebagai penggerak kompresor dan beban. Skema instalasi turbin gas siklus ini ditunjukkan pada gambar sebagai berikut :
Gambar 2.3.Diagram alir turbin gas siklus terbuka
2.2.1.ii Turbin Gas Siklus Tertutup closed cycle gas turbine
Turbin gas siklus tertutup terbagi atas dua jenis, yaitu turbin gas dengan siklus tertutup langsung dan turbin gas dengan siklus tertutup tak langsung. Pada
turbin gas dengan siklus tertutup langsung direct closed cycle, gas pendingin dipanaskan di dalam reaktor dan berekspansi melalui turbin, didinginkan di dalam
penukar kalor dan dikompresi kembali ke reaktor. Siklus ini dapat juga menggunakan gas lain yang bukan hanya udara. Tidak ada buangan gas radioaktif
yang dibuang ke atmosfer dalam operasi normal. Fluida yang paling cocok untuk ini adalah helium. Sedangkan pada turbin gas dengan siklus tertutup tak langsung
indirect closed cycle, turbin gas dengan siklus ini merupakan gabungan antara turbin dengan siklus terbuka tak langsung dan turbin dengan siklus tertutup
langsung, karena reaktornya terpisah dari fluida kerja oleh suatu penukar kalor. Sedangkan gas kerja itu membuang kalor ke atmosfer melalui penukar kalor.
Bahan pendingin primer biasanya air, atau gas helium. Pada siklus tertutup ini fluida kerja tidak berhubungan dengan atmosfir
sekitarnya, dengan demikian dapat juga dijaga kemurniannya. Hal ini sangat
K T
RB
Bahan Bakar
Udara masuk
Gas Buang
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
menguntungkan dari segi pencegahan kerusakan yang disebab kan
oleh erosi dan korosi.
Pada sistem ini dapat juga digunakan dengan udara bertekanan tinggi
sampai 40 atm seperti pada instalasi uap, tetapi kerjanya tidak mengalami perubahan fasa. Keuntungan pada siklus ini antara lain adalah :
1. Untuk daya yang sama turbin ini mempunyai ukuran yang lebih kecil
2. Dapat digunakan pada sistem bertekanan tinggi
3. Lebih menghemat penggunaan bahan bakar
Gambar 2.4 Skema instalasi gas siklus tertutup langsung
Reaktor
Kompresor Turbin
Penukar -Kalor Beban
1 2
3
4 Gas masuk
Gas Keluar
Kompresor Turbin
3 2
4 1
Penukar -Kalor Penukar -Kalor
Reaktor
Gas Pendingin
Primer`
Udara atau Air pendingin
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.5 Bagan siklus turbin gas tertutup tak langung
2.2.1.iii Siklus Kombinasi combined cycle
Siklus kombinasi pada umumnya adalah usaha untuk memanfaatkan gas buang dengan cara menambahkan beberapa alat sehingga energi yang seharusnya
terbuang dapat dimanfaatkan lagi untuk suatu proses tertentu yang pada akhirnya proses tersebut akan meningkatkan efisiensi sistem. Turbin gas dengan siklus ini
akan bermanfaat jika dijalankan untuk base load beban dasar atau utama dan secara kontinyu.
2.2.2 Berdasarkan Konstruksi 2.2.2.i Turbin Gas Poros Tunggal
Turbin satu poros mempunyai kompresor, turbin, dan beban pada satu poros yang berputar pada kecepatan tetap. Konfigurasi ini digunakan untuk
menggerakkan generator kecil dan generator besar untuk utilitas.
2.2.2.ii Turbin Gas Poros Ganda
Turbin ini digunakan untuk menahan beban dan torsi yang bervariasi dimana poros pertama turbin dikopel langsung dengan poros aksial. Pada jenis ini,
turbin terdiri atas dua buah yaitu turbin tekanan tinggi dan turbin tekanan rendah. Turbin dengan tekanan tinggi berfungsi menggerakkan kompresor dan mensuplai
gas panas untuk turbin bertekanan rendah. Turbin berporos ganda ini juga
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
digunakan untuk sentral listrik dan industri. Turbin ini direncanakan beroperasi pada putaran yang berbeda tanpa menggunakan reduction gear.
2.2.3 Berdasarkan Aliran Fluida 2.2.3.i Turbin Aliran Axial
Adalah turbin dengan arah aliran fluida diperoleh pada arah sejajar dengan dengan sumbu poros turbin.
Turbin aksial umumnya sering digunakan untuk kapasitas dan daya besar karena mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan turbin jenis radial. Antara lain
yaitu: 1.
Efisiensinya lebih baik 2.
Perbandingan tekanan rp dapat dibuat lebih tinggi 3.
Konstruksinya lebih ringan serta tidak membutuhkan ruangan yang besar.
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.6 Rotor turbin rasio bertekanan tinggi ALSTOM Dikutip dari buku Gas Turbine Engineering Hand book, Meherwan P. Boyce
Bila ditinjau dari sistem konversi energinya, turbin aksial dibagi menjadi dua bagian yaitu :
1. Turbin aksial reaksi
Turbin yang proses ekspansinya terjadi tidak saja pada laluan–laluan sudu gerak, sehingga penurunan seluruh kandungan kalor pada semua tingkat
terdistribusi secara merata. 2.
Turbin aksial aksi impuls Merupakan turbin yang proses ekspansi penurunan tekanan fluidanya hanya
terjadi pada sudu diam dan energi kecepatan diubah menjadi energi mekanis pada sudu–sudu turbin tanpa terjadinya ekspansi pada sudu gerak itu.
2.2.3.ii Turbin Aliran Radial
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
Adalah turbin dengan arah aliran fluida diperoleh pada arah tegak lurus dengan sumbu poros turbin.
Gambar 2.7 Karakteristik turbin aliran radial Pada turbin radial, ekspansi fluida dari tekanan awal ke tekanan akhir terjadi di
dalam laluan semua baris sudu–sudu yang berputar. Turbin radial umumnya digunakan untuk aliran yang kecil, d ima na
t urbin radial lebih murah dan sederhana untuk dibuat bila dibandingkan dengan turbin aksial. Sebagai contoh pada instalasi turbin gas yang kecil
dalam bidang automotif dan pompa pemadam yang dapat dipindah–pindah. Pada gambar 2.7 diatas diperlihatkan karakteristik turbin aliran radial.
2.3 Siklus Kerja Turbin Gas
Turbin gas secara thermodinamika bekerja dengan siklus Brayton Brayton cycle. Siklus ini merupakan siklus ideal untuk sistem turbin gas sederhana
dengan siklus terbuka. Siklus ini terdiri dari dua proses isobar tekanan tetap dan dua proses adibatik mampu balik isentropic. Siklus ideal adalah siklus dengan
asumsi :
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
1. Proses kompresi dan ekspansi terjadi secara isentropik
2. Perubahan energi kinetik dari fluida kerja antara sisi masuk dan sisi keluar
kompresor diabaikan 3.
Tidak ada kerugian tekanan pada sisi masuk dan sisi keluar ruang bakar 4.
Laju aliran massa gas dianggap konstan. Adapun diagram T–s untuk siklus terbuka seperti terlihat pada gambar berikut
Gambar 2.8 Diagram T – s siklus terbuka turbin gas Dari gambar diagram T –s tersebut, proses yang terjadi adalah :
Proses 1 – 2 : Proses kompresi isentropik pada kompresor Proses ini merupakan proses kerja kompresor. Kerja spesifik kompresor
itu sendiri adalah kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor pada kondisi ideal.
W
K
= C
p
T
2
– T
1
= h
2
– h
1
kJkg ...lit 2. hal 38 dimana:
C
p
= panas jenis udara pada tekanan konstan kJkg
o
K T
1
= Temperatur udara masuk kompresor
o
K T
2
= Temperatur udara keluar kompresor
o
K = Temperatur udara masuk ruang bakar
T
s q
in
3
4 1
2
q
out
W
out
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
h
1
= Entalpi udara spesifik masuk kompresor kJkg h
2
= Entalpi udara spesifik keluar kompresor kJkg = Entalpi udara spesifik masuk ruang bakar
Proses 2 – 3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan isobar dalam ruang bakar. Proses ini merupakan proses terjadinya pemasukan panas yang juga berarti
besarnya kalor spesifik pada ruang bakar Q
in
= C
p
T
3
– T
2
= h
3
– h
2
kJkg ...lit 2. hal 38
dimana: T
3
= Temperatur gas keluar ruang bakar
o
K = Temperatur gas masuk turbin
h
3
= Entalpi gas keluar ruang bakar atau Entalpi gas masuk turbin kJkg Pada proses ini terjadi proses pembakaran bahan bakar dengan udara.
Udara dibutuhkan untuk reaksi stoikiometri pembakaran yang dapat diperoleh dari persamaan umum
C
x
H
y
+
n
O
2
→
a
CO
2
+
b
H
2
O Dimana :
a = x, b = y 2 dan n = x + y 4 Proses 3 – 4 : Proses ekpansi isentropik pada turbin
Proses ini merupakan proses kerja turbin W
T
= C
p
T
3
– T
4
= h
3
– h
4
kJkg …lit 2,hal. 38
dimana: T
4
= Temperatur gas keluar turbin
o
K h
4
= entalpi gas keluar turbin kJkg Proses 4 – 1 : Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
Proses ini menyatakan besarnya kalor spesifik pada proses pembuangan kalor Q
out
= C
p
T
4
– T
1
= h
4
– h
1
kJkg Dari kerja spesifik yang terjadi pada setiap proses diatas maka diperoleh
1. Kerja Netto Siklus W
nett
Kerja netto siklus adalah selisih kerja yang dihasilkan turbin dengan kerja yang dibutuhkan kompresor tiap kg gas
W
nett
= W
T
- W
K
= C
p
T
3
– T
4
- C
p
T
2
– T
1
W
nett
= C
p
[ T
3
– T
4
- T
2
– T
1
] …Lit.2, hal. 39
Gambar 2.9 Grafik hubungan efisiensi dengan rasio tekanan 2. Kalor Efektif Q
eff
Adalah selisih antara pemasukan dan pembuangan kalor spesifik Q
eff
= Q
in
- Q
out
= h
3
– h
2
– h
4
– h
1
kJkg
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
3. Efisiensi siklus
Adalah perbandingan antara kerja netto siklus dengan pemasukan energi, =
in nett
Q W
=
2 3
1 2
4 3
T T
C T
T C
T T
C
p p
p
− −
− −
...lit 2, hal. 39
4.Pressure Ratio r
p
Adalah perbandingan tekanan dikarenakan proses 1 – 2 dan 3 – 4 berlangsung secara isentropis dimana, P
1
= P
4
dan P
2
= P
3
maka
1 2
T T
=
γ γ
1 −
r =
4 3
T T
Dimana r adalah rasio tekanan,
1 2
P P
= r =
4 3
P P
Sehingga,
total
= 1 -
γ γ 1
1
−
r Proses diatas merupakan proses secara teoritis. Pada kenyataannya terjadi
penyimpangan dari proses tersebut dimana proses inilah yang disebut proses aktual. Proses aktual ini diakibatkan oleh :
a. Fluida kerja bukan merupakan gas ideal dengan panas spesifik konstan,
b. Laju aliran massa fluida kerja tidak konstan,
c. Proses yang terjadi disetiap komponen adiabatik,
d. Proses kompresi didalam kompresor tidak berlangsung secara isentropik,
e. Proses ekspansi didalam turbin tidak berlangsung secara isentropis,
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
f. Proses pembakaran tidak berlangsung secara adiabatik serta tidak
menjamin terjadinya proses pembakaran sempurna dan g.
Terjadinya penurunan tekanan pada ruang bakar dan turbin. Penyimpangan yang terjadi dapat dilihat pada diagram T–s berikut,
Gambar 2.10 Diagram T-s siklus aktual Adapun proses yang terjadi dari diagram T-s diatas adalah :
Proses 1 – 2’ : Proses kompresi secara aktual pada kompresor kerja kompresor. Proses ini merupakan proses kerja spesifik kompresor yaitu kalor spesifk yang
dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor W
K
= 1
01 02
T T
Cpa
m
− η
…Lit.2 hal. 56
Proses 2’ – 3 : Proses pemasukan kalor
Proses pemasukan kalor terjadi dalam ruang bakar pada tekanan konstan isobar. Q
= Cpa T
02
– T
01
…Lit.2 hal. 46
Proses 3 – 4’ : Kerja turbin
Proses ini merupakan proses ekspansi secara aktual pada turbin
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
Wt = Cpg T
03
– T
04
…Lit.2 hal. 64 Dimana :
Cpg = panas spesifik gas pada tekanan konstan = 1,148 kJ kg.K
5. Efisiensi kompresor dan turbin a.
Efisiensi isentropik Dengan menggunakan konsep enthalpy stagnasi atau temperatur untuk
memperoleh jumlah setiap perubahan dalam energi kinetik fluida diantara sisi masuk dan buang. Untuk itu diperoleh efisiensi kompresor dan tubin dengan
menggunakan perbandingan temperatur stagnasi, yaitu: Kompresor :
c
= W
W =
01 02
01 02
T T
T T
− −
Turbin :
t
=
W W
=
04 03
04 03
T T
T T
− −
…Lit.2 hal. 49 Pada perhitungan siklus, nilai untuk
c
dan
t
nantinya akan diasumsikan. Sedangkan temperatur ekivalen dari transver kerja adalah untuk memberikan
perbandingan tekanan ratio pressure, dengan persamaan
T
02
– T
01
=
−
−
1
1 01
02 01
γ γ
η p
P T
C
Dan,
T
03
– T
04
=
t
.T
03
−
− γ
γ 1 04
03
1 1
p p
…Lit.2 hal. 49
b. Efisiensi politropik
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
Dengan pertimbangan yang membawa kepada konsep politropic small-stage efficiency yang didefenisikan sebagai efisiensi isentropik yang berkenaan dengan
tigkat dalam proses, adalah konstan pada keseluruhan proses. Dalam perhitungan siklus akan dituliskan dengan persamaan
T
02
– T
01
= T
01
−
−
1
1 01
02 n
n
p p
Dimana n – 1n =
C ∞
− γη
γ 1
Dan,
T
03
– T
04
= T
03
−
− n
n
p p
1 04
03
1 1
…Lit.2 hal. 53
Dimana n – 1n = γ
γ η
1 −
∞
Untuk turbin gas pada industri diambil
a
p p
=
01
dan
a
T T
=
01
, dimana untuk gas buang turbin ke atmosfir luar
04
p akan diambil sama dengan .
a
p Jika nilai efisiensi isentropik yang diperoleh bervariasi dengan kompresi atau
rasio ekspansi, maka akan ditampilkan pada grafik sebagai berikut,
Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.11. Grafik variasi nilai efisiensi isentropic turbin dan kompresor dengan rasio tekanan untuk efisiensi politropik 85
2.4 Ruang Bakar
