Analisis Perencanaan Ruang Bakar Turbin Gas Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 128 MW Dengan Menggunakan Ansys

(1)

ANALISIS RANCANGAN RUANG BAKAR TURBIN GAS

PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA

TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

SYAIFUL AMRI NASUTION

100421034

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN


(2)

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

MEDAN

TUGAS SARJANA

TURBIN GAS

ANALISIS RANCANGAN RUANG BAKAR TURBIN GAS

PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA

TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS

Oleh :

NIM : 100421034

SYAIFUL AMRI NASUTION

Diketahui / disahkan Disetujui oleh

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing.

Fakultas Teknik USU Ketua


(3)

ANALISIS PERENCANAAN RUANG BAKAR TURBIN GAS

PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA

TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS

SYAIFUL AMRI NASUTION NIM 100421034

Telah Disetujui Oleh:

Pembimbing

NIP. 19491012 1981031002 Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc

Pembanding I Pembanding II

Ir.Syahrul Abda, M.Sc

NIP. 195708051988111001 NIP. 195512101987101001

Ir. Syahril Gultom. MT

Diketahui Oleh:

Departemen Teknik Mesin USU Ketua,

NIP. 196412241992111001 Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri


(4)

SKRIPSI

TURBIN GAS

ANALISIS RANCANGAN RUANG BAKAR TURBIN GAS

PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA

TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS

OLEH:

NIM : 100421034

SYAIFUL AMRI NASUTION

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi

Periode ke 191, Pada Tanggal 15 Juni 2013

Pembanding I Pembanding II


(5)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 312 / TS / 2009

PROGRAM PENDIDIKAN EKSTENSI DITERIMA : / /

FAKULTAS TEKNIK USU PARAF :

MEDAN

TUGAS SARJANA

NAMA : SYAIFUL AMRI NASUTION

NIM : 100421034

MATA PELAJARAN : TURBIN UAP DAN GAS

SPESIFIKASI : Analisis Perencanaan Ruang Bakar Turbin Gas

Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 128 MW Dengan Menggunakan software Ansys. - Melakukan Survey lapangan

- Studi literatur

DIBERIKAN TANGGAL : 27/02/2013 SELESAI TANGGAL : 31/05/2013

KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN MEDAN,

DOSEN PEMBIMBING

DR. ING. IR. IKHWANSYAH ISRANURI

NIP. 19641224 199211 1 001 19491012198103 1 002 IR. MULFI HAZWI,MSc.


(6)

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM PENDIDIKAN EKSTENSI JURUSAN TEKNIK MESIN

MEDAN

KARTU BIMBINGAN

TUGAS SARJANA MAHASISWA

No : 312 / TS / 2009

Sub Program : Teknik Mesin Konversi Energi Bidang Tugas : Turbin Gas

Judul Tugas : Analisis Perencanaan Ruang Bakar Turbin Gas Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 128 MW Dengan Menggunakan Ansys

Diberikan Tgl. : 27/02/2013 Selesai Tgl. : 31/05/2013 Dosen Pembimbing : Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc Nama Mhs. : Syaiful Amri NST. NIP : 19491012981031002 NIM : 100421034

No. Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan

1 28-02-2013 Pemberian Spesifikasi Tugas Skripsi

2 04-03-2013 Survey Lapangan ke PLN sicanang

3 18-03-2013 Assistensi BAB I

4 21-03-2013 Perbaikan Latar Belakang dan sistematika penulisan

5 28-03-2013 Assistensi BAB II

6 08-04-2013 Perbaikan Siklus Turbin Gas dan Diagram T-S

7 22-04-2013 Assistensi BAB III

8 15-04-2013 Perbaiki metode penulisan literatur

9 25-04-2013 Assistensi BAB IV

10 13-05-2013 lengkapi dengan menggunakan software

11 31-05-2013 ACC Seminar

12

Diketahui, Ketua Departemen Teknik Mesin

FT. USU Catatan :

1. Kartu harus diperlihatkan kepada Dosen Pembimbing setiap asistensi


(7)

ABSTRAK

Pemanfaatan listrik di Indonesia merupakan salah satu faktor pendukung tercapainya pembangunan di segala bidang. Untuk menghasilkan energi listrik perlu diciptakan suatu sistem pembangkit tenaga yang merupakan hasil dari teknologi, salah satunya adalah Turbin Gas penggerak generator listrik. Pada penulisan ini akan dikemukakan beberapa prinsip dasar yang penting untuk perhitungan yang digunakan dalam perencanaan dan penganalisaan sistem kerja pada ruang bakar dengan menggunakan Ansys dan perhitungan termodinamika. Tujuan perencanaan ruang bakar turbin gas adalah menganalisa termodinamika ruang bakar untuk mengetahui temperatur rata -rata keluar ruang bakar, dan tekanan rata - rata keluar ruang bakar, mengetahui komponen - komponen utama ruang bakar turbin gas dan menggunakan software ansys untuk mengetahui temperatur, tekanan dan kecepatan rata - rata udara keluar ruang bakar menuju turbin. Metode yang digunakan adalah dengan perhitungan termodinamika dan metode simulasi numerik menggunakan Ansys. Hasil perhitungan termodinamika menunjukkan temperatur keluar ruang bakar 1323oK dan tekanan keluar ruang bakar 9,969 bar. Hasil simulasi yang dilakukan oleh Ansys menunjukkan temperatur rata - rata keluar ruang bakar 1580oK, tekanan rata - rata keluar ruang bakar 9.90 bar, dan kecepatan rata - rata udara panas 651 m/s. Hasil perbandingan menunjukkan temperatur rata - rata keluar ruang bakar menggunakan Ansys lebih besar 19,42% dari pada perhitungan termodinamika dan hasil perbandingan menunjukkan tekanan rata - rata keluar ruang bakar menggunakan Ansys lebih kecil 0,6% dari pada perhitungan termodinamika.


(8)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia-Nya memberikan pengetahuan, pengalaman, kesehatan dan kesempatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tugas sarjana ini..Tugas skripsi ini adalah salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan program studi Strata-1 di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Penulis dalam tugas sarjana ini mengambil judul yaitu “ANALISIS PERENCANAAN RUANG BAKAR TURBIN GAS PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS”.

Dalam proses penulisan tugas sarjana ini, penulis banyak mendapat berbagai kesulitan, namun berkat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak baik berupa materi, informasi maupun segi administrasi, semua itu dapat diatasi. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil

2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc, selaku dosen pembimbing penulis yang dengan sabar telah meluangkan waktu, pemikiran dan tenaga untuk membimbing serta memberikan arahan hingga selesainya tugas sarjana ini.

3. Bapak DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai dilingkungan Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Seluruh Pegawai PT. PLN (PERSERO) Daerah Pembangkit Bagian Sumatera Utara Sicanang Belawan, dimana tempat penulis melakukan riset.


(9)

7. Rekan - rekan mahasiswa yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

Penulis menyadari Tugas Sarjana ini tidak luput dari kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan saran maupun masukan yang sifatnya membangun untuk penyempurnaan tugas sarjana ini.

Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dengan harapan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis khususnya dan pembaca umumnya.

Medan, 28 Mei 2013 Hormat Penulis,

Syaiful Amri Nasution NIM. 100421034


(10)

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN PEMBIMBING ...i

LEMBAR PENGESAHAN PEMBANDING ...ii

SPESIFIKASI TUGAS SARJANA ...iii

KARTU BIMBINGAN ...iv

ABSTRAK ...v

KATA PENGANTAR ...vi

DAFTAR ISI ...viii

DAFTAR GAMBAR ...xi

DAFTAR TABEL ...xiv

DAFTAR NOTASI ...xv

BAB I PENDAHULUAN ...1

1.1 Latar Belakang ...1

1.2 Perumusan Masalah ...1

1.3 Tujuan ...2

1.4 Batasan Masalah ...3

1.5 Manfaat Perancangan...3

1.6 Sistematika Penulisan ...4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...5

2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Gas ...5

2.1.Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas ...6

2.3.Klasifikasi sistem Turbin Gas ...6

2.3.1 Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan Siklusnya ...7

2.3.2 Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan Konstruksinya ...10

2.3.3 Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan arah alirannya ...11

2.4 Siklus Dasar Turbin Gas ... . 12

2.4.1 Siklus Brayton Ideal ... . 13


(11)

2.6 Prinsip Kerja Turbin Gas ... 23

2.7 Jenis Turbin Yang Digunakan ... 25

2.8 Teori Dasar Ruang Bakar Turbin Gas ... 25

2.8.1 Pengertian Ruang Bakar ... 25

2.8.2 Tipe Ruang Bakar ... 26

2.8.2.1 Tipe Ruang Bakar Berdasarkan Bentuk ... 26

2.8.2.2 Tipe Ruang Bakar Berdasarkan Peletakannya... 29

2.9 Syarat - Syarat Ruang Bakar Turbin Gas ... 31

2.10 Pemilihan Tipe Ruang Bakar ... 31

2.11 Prinsip Kerja ruang Bakar ... 32

2.12 Bahan Bakar dan Reaksi Pembakaran ... 33

2.12.1 Proses Pembakaran... 34

2.13 Pandangan Umun Tentang Software ANSYS ... 35

2.13.1 Metode CFD menggunakan Perangkat Lunak Fluent . 35 2.13.2 Fluent ... 36

2.13.3 Skema Numerik ... 37

2.13.4 Diskritsasi ... 37

2.13.5 Linearisasi ... 38

BAB III DASAR PERENCANAAN RUANG BAKAR ... 39

3.1 Data Perencanaan ... 39

3.2 Komponen Utama Ruang Bahan Bakar... 39

3.3 Analisa Thermodinamika Pada Kompresor ... 40

3.4 Analisa Thermodinamika PadaRuang Bakar ... 42

3.5 Analisa Thermodinamika Pada Turbin ... 45

3.6 Perhitungan Daya Kompresor dan Daya Turbin ... 49

3.7 Efisiensi Thermal Siklus ... 50

BAB IV PERENCANAAN BAGIAN - BAGIAN UTAMA RUANG BAKAR ... 52

4.1 Komponen Utama Ruang Bakar ... 52


(12)

4.3 Liner ... 55

4.4 Annulus ... 58

4.5 Hole... 59

4.6 Burner ... 62

4.7 Transition Pieces ... 65

4.8 Pindahan Panas ... 65

4.9 Perpindahan Panas Secara Radiasi ... 65

4.9.1 Internal Radiasi ... 65

9.9.2 External Radiasi ... 67

4.10 Perpindahan Panas Secara Konveksi ... 68

4.10.1 Internal Konveksi ... 68

4.10.2 External Konveksi ... 69

4.11 Perpindahan Panas SecaraKonduksi ... 70

4.12 Langkah - Langkah Membuat Gambar Ruang Bakar Dengan Solid Work ... 71

4.13 Langkah - Langkah Simulasi Menggunakan Software ANSYS .... 74

4.14 Data Hasil Simulasi ... 84

BAB V KESIMPULAN ... 89

DAFTAR PUSTAKA ... 91 LAMPIRAN


(13)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Turbin Gas ... 5

Gambar 2.2. Prinsip Kerja Turbin Gas ... 6

Gambar 2.3. Skema Siklus Sistem Terbuka dan Tertutup ... 8

Gambar 2.4. Siklus Kombinasi Turbin Gas ... 10

Gambar 2.5. Turbin Gas Berporos Tunggal ... 10

Gambar 2.6. Turbin Gas Berporos Ganda ... 11

Gambar 2.7. Turbin Gas Tipe Axial ... 11

Gambar 2.8. Turbin Gas Tipe Radial ... 12

Gambar 2.9. Siklus Brayton ... 12

Gambar 2.10. Diagram Siklus Brayton Ideal ... 14

Gambar 2.11. Diagram T-S Siklus Brayton Aktual ... 16

Gambar 2.12. Komponen Kompresor Sentrifugal dan Tipe Impeler untuk Kompresor Sentrifugal ... 19

Gambar 2.13. Komponen Kompresor Aksial ... 20

Gambar 2.14. Pematik Nyala Api ... 21

Gambar 2.15. Pendeteksi Nyala Api ... 22

Gambar 2.16. Prinsip Kerja Instalasi turbin Gas ... 23

Gambar 2.17. Ruang Bakar Turbular ... 27

Gambar 2.18. Ruang Bakar Turboanular ... 28

Gambar 2.19. Ruang Bakar Annular ... 29

Gambar 2.20. Ruang Bakar Tubular Vertikal Double Chamber ... 30

Gambar 2.21. Ruang Bakar Tubular Vertikal ... 32


(14)

Gambar 3.2. Diagram h - s padaKompresor ... 41

Gambar 3.3 Diagram h - s pada ruang bakar ... 43

Gambar 3.4. Diagram h - s pada Turbin ... 45

Gambar 3.4. Skema Sistem Turbin Gas dan Kondisi Fluida Kerjanya ... 50

Gambar 4.1. Casing ... 58

Gambar 4.2. Liner ... 61

Gambar 4.3 Dimensi Ruang Bakar ... 64

Gambar 4.4. Koefisien Penurunan Tekanan Pada Hole ... 67

Gambar 4.5. Burner ... 69

Gambar 4.6. Penampang Orifice ... 71

Gambar 4.7 Jendela Solidwork untuk Membuat Gambar ... 72

Gambar 4.8. Jendela kerja solidwork ... 72

Gambar 4.9. Sketsa Gambar Kerja ... 73

Gambar 4.10. Ruang Bakar Turbin Gas ... 74

Gambar 4.11. Jendela Awal Ansys ... 74

Gambar 4.12. Jendela Kerja Solidwork ... 75

Gambar 4.13. Ruang Bakar Setelah Diimport dari Solidwork ... 75

Gambar 4.14. Hasil Mesh Ruang Bakar Pada Ansys ... 76

Gambar 4.15. Jendela Untuk Mengatur Species Model ... 77

Gambar 4.16. Jendela Untuk Mengatur Material ... 77

Gambar 4.17. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Inlet Pada Ruang Bakar ... 78

Gambar 4.18. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Thermal Pada Inlet Fuel ... 78

Gambar 4.19. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Species Pada Inlet Fuel ... 79

Gambar 4.20. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Massflow pada Inlet Gas 1 . 79 Gambar 4.21. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Thermal pada Inlet Gas 1 ... 80


(15)

Gambar 4.23. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Massflow pada Inlet Gas 2 . 81

Gambar 4.24. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Thermal pada Inlet Gas 2 ... 81

Gambar 4.25. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Species pada Inlet Gas 2 ... 82

Gambar 4.26. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Tekanan pada Outlet ... 82

Gambar 4.27. Jendela Untuk Memulai Perhitungan ... 83

Gambar 4.28. Jendela Untuk Menjalankan Perhitungan ... 83

Gambar 4.29. Kontur Temperatur Pada Ruang Bakar ... 84

Gambar 4.30. Grafik Distribusi Temperatur Pada Outlet Ruang Bakar ... 84

Gambar 4.31. Kontur Kecepatan Pada Ruang Bakar ... 85

Gambar 4.32. Grafik Distribusi Kecepatan Pada Outlet Ruang Bakar ... 86

Gambar 4.33. Kontur Tekanan Pada Outlet Ruang Bakar ... 86

Gambar 4.34. Grafik Distribusi Tekanan Pada Outlet Ruang Bakar ... 87


(16)

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1. Komposisi Dari Gas Alam ... 60


(17)

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

Ac Luas Penampang Casing m2

Al Luas Liner m2

Apl Luas Pelapis Liner m2

Aan Luas annulus m2

Ah Luas Hole m2

Ar Perbandingan luas Hole dengan Annulus m2

CD Coefisien Discharge m

Dan Diameter Annulus m

Dic Diameter dalam Casing m

Dol Diameter Luar Liner m

Dil Diameter dalam Liner m

Dh Diameter Hole m

Ds Diameter Swirl m

F Bahan Bakar

f Perbandingan bahan bakar dengan udara teoritis

f’ Perbandingan bahan bakar dengan udara aktual

h enthalpy KJ/kg

K Koefisien penurunan tekanan pada Hole W/m K

k Eksponen Adiabatik

Ka Konductifitas thermal udara W/m K

Kbt Konductifitas thermal batu tahan api W/m K

Kg Konductifitas thermal gas W/m K

Kl Konductifitas bahan liner W/m K

L Luminositas factor


(18)

ma Laju aliran udara kg/s

man Laju aliran massa udara annular kg/s

mc Laju aliran massa campuran kg/s

mf Laju aliran massa bahan bakar kg/s

P Daya bar

Qin Panas Masuk kJ/kg

Qout Panas keluar kJ/kg

Wc Daya Kompresor kW

Wg Daya Generator kW

Wt Daya Turbin kW

SG Spesific gravity

R Konstanta Gas J/kg K

T Temperatur K

zc Jumlah tingkat kompresor stage

Notasi Yunani Keterangan Simbol

η Efisiensi %

ε Emisivitas

θ Sudut jet o

δ Konstanta Stefan Boltzman W/m2.K4

µg Viskositas dinamik gas kg/m.s

α Faktor kelebihan udara %


(19)

ABSTRAK

Pemanfaatan listrik di Indonesia merupakan salah satu faktor pendukung tercapainya pembangunan di segala bidang. Untuk menghasilkan energi listrik perlu diciptakan suatu sistem pembangkit tenaga yang merupakan hasil dari teknologi, salah satunya adalah Turbin Gas penggerak generator listrik. Pada penulisan ini akan dikemukakan beberapa prinsip dasar yang penting untuk perhitungan yang digunakan dalam perencanaan dan penganalisaan sistem kerja pada ruang bakar dengan menggunakan Ansys dan perhitungan termodinamika. Tujuan perencanaan ruang bakar turbin gas adalah menganalisa termodinamika ruang bakar untuk mengetahui temperatur rata -rata keluar ruang bakar, dan tekanan rata - rata keluar ruang bakar, mengetahui komponen - komponen utama ruang bakar turbin gas dan menggunakan software ansys untuk mengetahui temperatur, tekanan dan kecepatan rata - rata udara keluar ruang bakar menuju turbin. Metode yang digunakan adalah dengan perhitungan termodinamika dan metode simulasi numerik menggunakan Ansys. Hasil perhitungan termodinamika menunjukkan temperatur keluar ruang bakar 1323oK dan tekanan keluar ruang bakar 9,969 bar. Hasil simulasi yang dilakukan oleh Ansys menunjukkan temperatur rata - rata keluar ruang bakar 1580oK, tekanan rata - rata keluar ruang bakar 9.90 bar, dan kecepatan rata - rata udara panas 651 m/s. Hasil perbandingan menunjukkan temperatur rata - rata keluar ruang bakar menggunakan Ansys lebih besar 19,42% dari pada perhitungan termodinamika dan hasil perbandingan menunjukkan tekanan rata - rata keluar ruang bakar menggunakan Ansys lebih kecil 0,6% dari pada perhitungan termodinamika.


(20)

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Di negara Indonesia yang tergolong pada negara berkembang dimana dalam pembangunan di segala bidang harus memanfaatkan listrik sebagai salah satu faktor pendukung tercapainya proses pembangunan tersebut.

Salah satu contoh pembangunan teknologi penting yang sangat dibutuhkan tersebut adalah energi listrik yang harus tersedia untuk proses pembangunan di segala bidang yang dimaksud, misalnya :bidang industri, penerangan, komunikasi elektronik, penggerak alat – alat produksi, maupun bidang lain yang mendukung kehidupan sosial, ekonomi dan budaya.

Di Indonesia pengadaan energi listrik ini telah dilakukan bermacam – macam sistem pembangkit tenaga listrik seperti : PLTA, PLTU, PLTG, PLTGU, dan lain - lain. Beberapa alternative mesin konversi energi sebagai alat penggerak generator listrik salah satunya adalah turbin gas.

Turbin gas memiliki beberapa kelebihan bila dibandingkan dengan motor diesel dan bensin, diantaranya adalah:

• Mekanikal efesiensinya tinggi,

berkisar antara 95% - 99% sedang pada motor diesel dan bensin berkisar abtara 85% - 95% .

• Getaran yang dibandingkan relatif kecil, hal ini disebabkan adanya gerakan bolak - balik dan proses pembakaran berlangsung kontinu

• Untuk daya 2000 HP keatas, turbin gas akan memakan waktu yang

lebih singkat dan biaya yang lebih kecil dibanding dengan motor diesel dan bensin


(21)

• Pelumasan pada turbin gas lebih sederhana, karena minyak pelumasnya praktis tidak berhubungan dengan proses pembakaran. • Beroperasi lebih halus karena tekanan yang dibangkitkan praktis

konstan.

• Tidak membutuhkan air pendingin

• Gas buangnya bersih, karena udara yang terikut didalam ruang

bakarnya jauh lebih banyak dari kebutuhan proses pembakarannya, akibat proses pembakarannya mendekati sempurna

Beberapa kekurangan turbin gas bila dibanding dengan motor diesel dan bensin adalah:

• Pendinginan pada turbin gas lebih kompleks, karena kontruksinya yang sulit guna pendingin sudu - sudunya.

• Starting pada turbin gas lebih sulit dari pada motor diesel dan bensin, karena putaran operasinya yang sangat tinggi, untuk itu umumnya menggunakan hubungan gigi guna menaikkan RPM yang di dapat dari starter.

• Efesiensi total turbin gas lebih rendah dibanding dengan motor diesel dan bensin

Untuk menghasilkan energi listrik itu sendiri perlu diadakan atau diciptakan suatu sistem pembangkit tenaga yang merupakan hasil dari teknologi, salah satunya adalah “Turbin Gas” penggerak generator listrik.

1.2 Perumusan Masalah

Ruang bakar Turbin gas merupakan terapan dari Thermodinamika. Oleh karena itu pembahasan masalah teknis di dalam ruang bakar akan lebih baik jika di mulai dari aspek – aspek masalah tersebut. Pada penulisan ini akan dikemukakan beberapa prinsip dasar yang penting untuk perhitungan yang digunakan dalam perencanaan dan penganalisaan sistem kerja pada ruang bakar.


(22)

Penulis akan mencoba menyajikan materi yang membentuk pola analisis, yang nantinya banyak digunakan dalam perencanaan tersebut, baik dalam sistem kerja siklus maupun dalam perencanaan bahan pada ruang bakar itu sendiri. Proses ini mencakup pengidentifikasian berbagai unsur penting dalam perencanaan, penyederhanaan sistem yang akan di analisa dengan menggunakan software Ansys dan penerapan hukum Thermodinamika yang sesuai agar diperoleh hasil yang diinginkan.

1.3 Tujuan

Adapun tujuan dari perencanaan ruang bakar turbin gas penggerak generator listrik dengan daya 128 MW adalah

1. Menganalisa perhitungan termodinamika ruang bakar untuk mengetahui temperatur rata -rata keluar ruang bakar, dan tekanan rata - rata keluar ruang bakar.

2. Untuk Mengetahui komponen - komponen utama ruang bakar beserta dimensinya.

3. Menggunakan software Ansys untuk mengetahui temperatur rata -rata keluar ruang bakar, tekanan rata - rata keluar ruang bakar, dan kecepatan rata - rata keluar ruang bakar.

1.4 Batasan Masalah

Dalam perencanaan ruang bakar turbin gas ini banyak terdapat masalah – masalah yang komplek dari instalasi tersebut. Oleh karena itu, masalah yang dibahas, yakni hanya berkisar pada:

1. Analisa Thermodinamika pada ruang bakar turbin gas

2. Mengetahui temperatur rata -rata keluar ruang bakar, tekanan rata - rata keluar ruang bakar, dan kecepatan rata - rata keluar ruang bakar.dengan menggunakan software Ansys

3. Ruang Bakar Turbin Gas, meliputi :

− Casing - Hole

− Liner -Burner


(23)

1.5 Manfaat Perancangan

Adapun manfaat dari perencanaan ruang bakar turbin gas tersebut yaitu:

1. Dapat menambah pengetahuan dan wawasan dalam melakukan perencanaan

ruang bakar turbin gas bagi penulis.

2. Sebagai salah satu aplikasi untuk generasi selanjutnya dalam perencanaan ruang bakar turbin gas

1.6 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika dalam tulisan ini adalah sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang, perumusan masalah, tujuan batasan masalah , manfaat penelitian dan sistematika penulisan

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi tentang pandangan umum Turbin Gas, klasifikasi, cara kerja dan siklus dasar dari Turbin Gas, teori dasar ruang bakar turbin gas.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi tentang dasar perencanaan unit ruang bakar yang berisikan data perencanaan analisa thermodinamika siklus turbin gas dan analisa kebutuhan bahan bakar turbin gas serta analisa perpindahan panas.

BAB IV ANALISA DAN PERHITUNGAN

Bab ini berisi tentang perencanaan bagian – bagian utama ruang bakar.

BAB V KESIMPULAN

Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil perencanaan yang dilakukan.


(24)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Gas

Turbin adalah mesin penggerak mula dimana fluida kerjanya yang menghasilkan energi kinetis diarahkan langsung ke sudu turbin untuk mendapatkan energi mekanis, fluida kerjanya dapat berupa air, udara panas ataupun uap air (steam).

Turbin gas adalah mesin penggerak mula dimana fluida kerjanya yang mempergunakan gas panas yang dihasilkan dalam ruang bakar,. Prinsip dasar pengoperasian turbin ini adalah merubah energi kinetis yang berupa kecepatan aliran udara panas menjadi energi mekanis yang berupa putaran turbin sehingga menghasilkan daya.

Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakkan beban.

Turbin gas merupakan salah satu komponen dari suatu sistem turbin gas. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompressor, ruang bakar dan turbin gas.

Oleh sebab itu didalam sistem turbin gas terjadi tiga proses pokok untuk memproduksi energi yaitu :

1. Proses penekanan/pemampatan udara (kompresi) 2. Proses pembakaran udara - bahan bakar


(25)

2.2 Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas

Udara masuk kedalam kompressor melalui saluran masuk (inlet). Kompressor ini berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekana udara tersebut, akibatnya temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara yang telah dikompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Didalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehinnga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur.

Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu - sudu turbin. daya yang dihasilkan turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll.Setelah melewati turbin gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust)

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut :

1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan

2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan kedalam ruang bahan bakar dengan udara kemudian dibakar.

3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir keluar melalui nozel

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

.


(26)

Pada kenyataanya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetapi terjadi kerugian - kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh gas turbin dan berakibat pada menurunnya performansi turbin gas itu sendiri. Kerugian - kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab - sebab terjadinya kerugian antara lain :

• Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.

• Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang

menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

• Berubahnya nilai Cp dari fluida akibat terjadinya perubahan

temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja. • Adanya mechanical loss, dsb.

Untuk memperkecil kerugian ini hal yang dapat kita lakukan antara lain dengan perawatan (maintenance) yang teratur atau dengan memodifikasi peralatan yang ada.

.

2.3 Klasifikasi Sistem Turbin Gas

Sistem turbin gas dapat di klasifikasikan menjadi beberapa jenis antara lain :

• Klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan siklusnya

• klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan konstruksi porosnya • Klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan alirannya

2.3.1 Klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan siklusnya 1. Siklus terbuka (opened cycle)

Pada sistem turbin gas siklus terbuka dimana fluida kerja (udara) dikompresikan dari udara bebas, kemudian mengalami proses pembakaran diruang bakar, berekspansi di Turbin dan akhirnya keluar lagi ke udara bebas walaupun terbentuk gas sisa pembakaran atau dengan kata lain sistem ini terbuka terhadap udara bebas. gambar berikut adalah skema siklus terbuka


(27)

2. Siklus tertutup (closed cycle)

Sistem kerja turbin gas dengan siklus tertutup prosesnya hampir sama dengan siklus terbuka. Namun gas bekas yang keluar dari turbin dimasukkan kembali ke kompressor untuk di kompresikan kembal, tetapi sebelum mendekati kompressor gas bekas tersebut mengalami pendinginan hingga temperatur awal memasuki kompressor pada sebuah alat penukar kalor (APK)

Gambar 2.3. Skema siklus sistem terbuka dan tertutup

3. Siklus kombinasi (Combination Cycle)

Siklus kombinasi ini sangat memperhatikan efisiensi dan

penghematan energi yang berasal dari gas buang yang merupakan kerugian besar apabila gas buang dengan temperatur yang makin tinggi keluar dari turbin gas namun tidak dimanfaatkan, bahkan dibuang ke udara bebas.

Ada beberapa jenis siklus kombinasi ini, antara lain :

 Siklus sistem regeneratif

 Siklus Reheat

 Siklus gabungan turbin gas dan turbin uap.

Siklus Sistem Regeneratif

Pada turbin dengan sistem regeneratif atau sistem penambahan panas pada udara yang keluar dari kompresor ini terjadi dengan memanfaatkan gas bekas keluaran turbin yang masih bertemperatur tinggi dengan penempatan alat penukar


(28)

kalor diantara kompresor dan ruang bakar, sehingga pada alat penukar kalor ini terjadi pelepasan panas dari gas bekas dan penyerapan panas oleh udara keluar kompresor. Tujuan siklus ini adalah untuk meningkatkan temperatur udara yang masuk ke ruang bakar, sehingga efisiensi thermal dan efisiensi bahan bakar dapat tercapai.

Siklus Sistem Reheat

Pada sistem turbin gas jenis ini, sistem menggunakan dua tingkat turbin gas yaitu :

1. Turbin gas tekanan tinggi (HP Turbine) 2. Turbin tekanan rendah (LP Turbine)

Reheat ditempatkan antara turbin tekanan tinggi (HP Turbine) dan turbin tekanan rendah (LP Turbine), alat ini berfungsi memanaskan kembali gas bekas yang keluar dari HP turbine sebelum diekspansikan pada LP Turbine.

Siklus Sistem Gabungan Turbin Gas dan Turbin Uap

Siklus ini biasanya disebut dengan combine cycle, yaitu suatu sistem pembangkit tenaga gas dan tenaga uap.

Panas yang dilepas dari pembangkit turbin gas dimanfaatkan oleh sistem pembangkit tenaga uap, temperatur yang keluar dari sistem turbin gas masih relatif tinggi dan dialirkan ke Heat Recovery Steam Generator (HRSG) sehingga menghasilkan uap yang siap digunakan untuk menggerakkan turbin

Tujuan dari penggabungan kedua siklus ini untuk menaikkan efisiensi thermis sistem pembangkit dengan cara memanfaatkan panas yang berguna, dan pada akhirnya efisiensi siklus gabungan ini jauh lebih tinggi bila dibandingkan terhadap efisiensi sistem pembangkit jika digunakan secara terpisah


(29)

Gambar 2.4. Siklus kombinasi Turbin Gas

2.3.2 Klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan konstruksinya Menurut konstruksinya Turbin Gas terbagi atas dua bagian, yaitu: 1. Turbin Gas berporos tunggal ( single shaft )

Turbin gas ini hanya memiliki satu poros saja, tetapi pada poros tersebut terdiri dari beberapa komponen utama turbin gas, seperti sudu turbin dan sudu kompressor. Jenis ini banyak digunakan untuk pembangkit listrik maupun industri, karena digunakan padas daya beban torsi yang konstan.


(30)

2. Turbin Gas berporos ganda ( multy shaft )

Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang berubah seperti kompresor pada unit.

Turbin gas ini menggunakan poros ganda atau lebih dan biasanya digunakan untuk beban torsi yang tinggi ataupun bervariasi.

Gambar 2.6. Turbin Gas berporos Ganda

2.3.4 Klasifikasi Turbin Gas menurut arah alirannya

Menurut arah alirannya Turbin Gas dibedakan atas dua bagian, yaitu : 1. Turbin Axial

Disebut turbin axial karena arah aliran fluida kerjanya sejajar dengar poros turbin.

Gambar 2.7. Turbin gas tipe axial 2. Turbin Radial

Disebut turbin radial karena arah aliran gas (fluida kerja) menyilang poros turbin atau dalam arah tegak lurus terhadap poros turbin.


(31)

Gambar 2.8. Turbin gas tipe radial

2.4 Siklus Dasar Turbin Gas

Siklus ini merupakan siklus daya thermodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbin atau manufactur dalam analisa untuk upgrading performance. Siklus brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Pada siklus brayton tiap - tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut.


(32)

Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut: •1 – 2 Kompresi isentropik (isentropic compression) di kompresor

•2 – 3 Penambahan panas tekanan tetap (constant pressure heat addition)

•3 – 4 Expansi isentropik (isentropic expansion) di turbin

•4 – 1 Pembuangan panas tekanan tetap (constant pressure heat rejection)

Proses yang terjadi pada PLTG adalah sebagai berikut :

Pertama, turbin gas berfungsi menghasilkan energi mekanik untuk memutar kompresor dan rotor generator yang terpasang satu poros, tetapi pada saat start up fungsi ini terlebih dahulu dijalankan oleh penggerak mula (prime mover).

Penggerak mula ini dapat berupa diesel, motor listrik atau generator turbin gas itu sendiri yang menjadi motor melalui mekanisme SFC (Static frequency Converter). Setelah kompresor berputar secara kontinu, maka udara luar terhisap hingga dihasilkan udara bertekanan pada sisi discharge (tekan) kemudian masuk ke ruang bakar.

Kedua, proses selanjutnya pada ruang bakar, jika start up menggunakan bahan bakar cair (fuel oil) maka terjadi proses pengkabutan (atomizing) setelah itu terjadi proses pembakaran dengan penyala awal dari busi, yang kemudian dihasilkan api dan gas panas bertekanan. Gas panas tersebut dialirkan ke turbin sehingga turbin dapat menghasilkan tenaga mekanik berupa putaran. Selanjutnya gas panas dibuang ke atmosfir dengan temperatur yang masih tinggi.

2.4.1 Siklus Brayton Ideal

Siklus Brayton ideal merupakan siklus teoritis yang terdiri dari 4 (empat) macam proses yaitu:

(1) (2) : Proses kompresi secara isentropis/adiabatis (2) (3) : Proses penambahan panas secara isobar


(33)

Proses–proses tersebut diatas dapat digambarkan pada diagram P–V dan T–S siklus brayton ideal seperti gambar dibawah ini.

Gambar 2.10. Diagram siklus brayton ideal

Pada hukum Thermodinamika I untuk setiap proses steady pada masing – masing sistem yang ditunjukkan dalam diagram energi serta dengan mengabaikan perubahan potensial.

Proses (1) (2) := Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor Wc = ma (h2 – h1)

Proses (2) (3) = Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (mc + mf) h3 – ma . h2

Proses (3) (4) = Daya yang dibutuhkan turbin

WT = (ma + mf) (h3 – h4)

Proses (4) (1) = Jumlah kalor yang dilepas

QR = (ma + mf) (h4 – h1)

Daya bersih sistem (Nnet) Wnet = Wt - Wc


(34)

Efisiensi thermal siklus :

ηth = ��+��

��

= Pt +Pk

(ma + mf )h3− ma .h2

Dimana

Pt = Kerja turbin

Pk = Kerja kompresor

ma = Massa udara

mf = massa bahan bakar

mc = massa campuran udara + bahan bakar

2.4.2 Siklus Brayton Aktual

Siklus Brayton aktual selalu memperhitungkan kerugian – kerugian dan penyimpangan – penyimpangan yang terjadi baik dikompressor, ruang bakar maupun turbin.

Adapun kerugian dan penyimpangan tersebut terjadi sebagai akibat dari proses berikut :

1. Proses kompresi didalam kompresor tidak berlangsung secara isentropis akibat gesekan fluida kerja.

2. Proses ekspansi didalam turbin tidak berlangsung secara isentropis akibat fluida kerja.

3. Terjadi penurunan tekanan pada ruang bakar.

4. Panas jenis dari fluida kerja akan bervariasi akibat perubahan temperatur. 5. Gas hasil pembakaran adalah bukan gas sempurna

6. Kerja yang dihasilkan oleh turbin lebih kecil dari idealnya akibat dari pengaruh beban – beban pembantu yang digunakan pada turbin.


(35)

Berikut ini akan digambarkan diagram h,s siklus brayton aktual turbin gas seperti gambar dibawah ini dengan memperlihatkan penyimpangan – penyimpangan yang terjadi.

T P2

P3 <P2

2s

P4 = P1

4S

1

s

Gambar 2.11. Diagram T-S siklus brayton aktual

Dari diagram diatas dapat dilihat bahwa

A.kompresi berlangsung tidak secara isentropis menurut garis 1 – 2, sedangkan pada proses ideal pada garis 1 – 2s.

B.Proses ekspansi tidak dapat berlangsung secara isentropis dengan mengikuti garis 3 – 4, sedangkan proses ideal adalah mengikuti garis ideal 3 – 4s.

C.Penurunan tekanan terjadi di ruang bakar dari P2 – P3.

D.Tekanan pada saat keluar turbin, sama dengan tekanan pada saat masuk kompressor (P4 = P1), hal ini dikarenakan turbin gas menggunakan

siklus terbuka.

Dengan demikian proses kompresi dan ekspansi dengan gesekan fluida mengakibatkan entalphi mengalami peningkatan dalam proses adiabatik dan hal ini disebabkan oleh tingkat ketidakmampu – balikan fluida semakin besar.

Ketidakmampu – balikan disebabkan oleh gesekan fluida akan meningkatkan temperatur fluida sekaligus fluida akan menyerap beberapa masukan fluida kerja dilepas dalam gesekan fluida

3 2a


(36)

Pada akhirnya peningkatan entalphi akan menurunkan kerja atau daya bersih siklus akibat kerja kompresor semakin besar dan sebaliknya kerja turbin akan menurun, sehingga proses diatas memiliki efisiensi politropik atau adiabatik isentropik.

 Efisiensi isentropik kompresor (ηc)

ηc =

����� �����

����� ������

= ℎ2�−ℎ1

ℎ2−ℎ1

Efisiensi isentropik turbin (ηt)

ηt =

����� ������

����� �����

= ℎ3 −ℎ4

ℎ3 −ℎ4

2.5 Komponen Utama Turbin Gas

Adapun komponen - komponen utama turbin gas adalah : • Air Inlet Section

Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara se belum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari:

1. Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.

2. Inertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu - debu atau partikel yang terbawa bersama udara masuk.


(37)

3. Pre - Filler, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet house.

4. Main Filter, merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaringan ini masuk kedalam kompresor aksial.

5. Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat memasuki ruang kompresor.

6. Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan.

Kompresor

Kompresor berfungsi untuk menghisap udara atmosfer dan mengkompresikannya sehingga pada tekanan tertentu. Selain untuk pemanfaatan udara bertekanan juga digunakan untuk pendinginan suhu turbin gas, yaitu:

a) Kompresor Sentrifugal

Kompresor sentrifugal banyak dipakai pada turbin gas yang relatif berukuran kecil. Kompresor sentrifugal ini terdiri dari infeler yang tersimpan dalam suatu rumah yang berisi diffuser, seperti yang terlihat pada gambar dibawah. Udara disedot kedalam pusat infeler yang berputar dengan cepat. Kemudian disalurkan pada tekanan dan kecepatan yang lebih tinggi pada diffuser stasioner. Penurunan kecepatan udara dan energi kinetik mengakibatkan kenaikan tekanan melalui infeler yang lebih dari dua tingkat pada turbin gas.

Infeler sentrifugal mempunyai pemasukan udara tunggal atau ganda. Kompresor yang menggunakan pemasukan udara ganda berfungsi untuk menaikkan kapasitas aliran.


(38)

Gambar 2.12. komponen kompresor sentrifugal dan type infeler untuk kompresor sentrifugal

b) Kompresor Aliran Aksial

Kompresor ini dinamakan kompresor aksial karena udara mengalir paralel terhadap sumbu rotor. Selama kompresi melalui satu susunan yang terdiri dari beberapa tingkat. Tiap tingkat terdiri dari satu baris sudu gerak yang terpasang pada rumah kompresor. Sebagai perbandingan dengan kompresor sentrifugal, kompresor aliran aksial bisa mencapai 15 tingkat untuk menghasilkan tekanan operasi yang diinginkan.

Sebagaimana kompresor aliran sentrifugal, sebagian energi kinematik yang hilang pada udara oleh sudu gerak diimbangi dengan kenaikan tekanan pada sudu tetap. Stator juga berfungsi untuk mengarahkan aliran ketingkat rotor berikutnya pada sudut yang optimum. Perhatikan gambar dibawah, memperlihatkan aliran udara yang semakin sempit sepanjang kompresor. hal ini diperlukan untuk menjaga kecepatan saat kerapatan udara makin tinggi.


(39)

Gambar 2.13. Komponen kompresor aksial

Besarnya kerja kompresor berdasarkan siklus brayton adalah:

Wkompresor=Mudara(h2-h1)(kj/s)

Dimana :

Wkompresor = Kerja kompresor (kj/s)

Mudara = Aliran massa udara (kj/s)

H1 = Enthalphi pada kondisi tekanan P1 dan suhu T1 (kj/kg)

H2 = Enthalphi pada kondisi tekanan P2 dan suhu T2 (kj/kg)

Ruang Bakar

Ruang Bakar adalah tempat dimana diharapkan terjadi percampuran udara yang telah dimanfaatkan oleh kompresor dengan bahan bakar. Pada instalasi ruang bakar dapat terdiri dari beberapa bagian, diantaranya adalah:

a) Ruang Bakar Pembakaran (combustion chamber)

Merupakan tempat terjadinya seluruh proses pembakaran.

fungsinya sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar udara yang masuk.

b) Tabung api silang (cross fire tube)

Merupakan penghubung antara can dan juga bagian combustion liner. Fungsinya adalah untuk meratakan nyalaapi padasemuacombustion chamber.


(40)

Merupakan komponen yang terdapat didalam combustion chamber, yangberfungsisebagaitempat dimana bahan bakar dan udara dicampur dan juga merupakan tempat berlangsungnya pembakaran. Bagian ini memiliki sirip - sirip sebagai saluran masuknya udara kedalam combustion chamber dan juga berfungsi untuk mendinginkan combustion liner ini sendiri.

d) Pelindung Ruang Bakar (combustionchambercover)

Merupakan komponen penutup bagian combustion chamber, pada bagian ini juga berfungsi sebagai tempat dudukan nozzle.

e) Pematik nyala api ( spark flug/ignitor)

merupakan komponen yang berfungsi untuk memercikkan bunga api kedalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar. Spark pluh ini didesain sedemikian rupa (sehinnga menggunakan pegas) sehinnga timbul pembakaran pada waktu spark plug akan keluar dari zona pembakaran

Gambar 2.14. Removal of Spark Plug

f) Pendeteksi nyala api (flame detector)

merupakan komponen yang berfungsi untuk mendeteksi proses


(41)

Gambar 2.15. Removal of flame detector

g) Nozzle dan selang bahan bakar

Merupakan komponen yang berfungsi untuk menyemprotkan bahan bakar gas kedalam combustion liner dan bercampur dengan udara. Sedangkan pigtails (gas fuel line) adalah pipa yang menghubungkan saluran bahan bakar gas dengan fuel nozzle.

h) Bagian transisi (transietion pieces)

Merupakan komponen yang digunakan untuk mengarahkan udara yang dengan kecepatan tinggi yang dihasilkan combustion section. Pada transition pieces ini terjadi penurunan temperatur sehingga dicapai temperatur udara yang diinginkan sebelum udara tersebut masuk ke dalam nozzle nozzle tingkat pertama. Transition piece juga berfungsi sebagai nozzle, bila dilihat dari konstruksinya seperti saluran yang ujungnya berbentuk konvergen.

Combustion chamber yang ada disusun kosentris mengelilingi aksial flow kompresor dan disambungkan dengan keluaran kompresor udara dari aksial flow kompresor yang dialirkan langsung ke masing - masing camber.


(42)

Ruang Bakar 1) Zona Utama (primary zone)

Primary zone merupakan daerah dimana udara berdifusi dengan udara dari kompresor untuk membentuk campuran udara dan bahan bakar yang siap terbakar, juga dimana tempat bahan bakar di sulut oleh spark Flug.

2) Zona kedua (secondary zone)

Secondary zone adalah zona penyempurnaan pembakaran sebagai kelanjutan pembakaran pada primary zone.

3) Zona reduksi temperatur (dilution zone)

Dilution zone merupakan zona untuk mereduksi temperatur gas hasil pembakaran pada keadaan yang diinginkan pada saat masuk first stage nozzle.

Turbin

Pada turbin terjadi perubahan energi kinetik kecepatan menjadi energi mekanis putar yang digunakan untuk menggerakkan kompresor dan juga sebagai penggerak generator listrik.

2.6 Prinsip Kerja Turbin Gas

Suatu instalasi turbin gas terdiri dari tiga komponen utama, yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin. Untuk lebih jelasnya bagaimana prinsip kerja suatu instalasi turbin gas sebagai penggerak generator dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

udara masuk

gas buang


(43)

Proses kerja dari turbin gas yang terlihat seperti gambar dimulai dari udara yang dihisap ke dalam inlet house yang memiliki saringan - saringan udara. saringan - saringan ini berfungsi untuk menahan kotoran - kotoran atau debu - debu agar tidak masuk kedalam kompresor. Udara yang sudah disaring tersebut kemudian masuk kedalam kompresor untuk dimanfaatkan. Udara yang telah dimanfaatkan dan bertekanan tinggi tersebut dialirkan kedalam ruang bakar (combustion chamber). Didalam ruang bakar tersebut fluida kerja dicampur dengan bahan bakar yang berupa gas alam murni. Di dalam ruang bakar, campuran bahan bakar dan udara tersebut terbakar dengan bantuan spark plug dan menimbulkan panas yang tinggi dan kecepatan yang tinggi pula. Karena proses pembakaran tersebut dapat menghasilkan gas bertemperatur tinggi dalam waktu yang lama, maka perlu diturunkan temperaturnya dengan memanfaatkan udara yang relatif lebih dingin. Hal ini erat kaitannya dengan ketahanan material sudu-sudu turbin yang terbatas dalam menerima gas panas hasil pembakaran tersebut.

Gas hasil pembakaran dengan kecepatan tinggi tersebut mengalir melewati transition piece menuju turbine section. Fluida kerja tersebut diarahkan oleh first stage nozzle menumbuk first stage turbine sehingga menambah kecepatan putar dari rotor. Fluida kerja yang telah keluar dari first stage turbin tersebut masih memiliki kecepatan putar yang tinggi, sehingga bisa dimanfaatkan lagi untuk menambah kecepatan putar rotor dengan mengalirkan fluida panas tersebut menumbuk second stage turbin.

Jadi energi kinetik yang dihasilkan dimanfaatkansemaksimal mungkin.Sete lah keluar dari turbine section, udara tersebut dibuangke atmosfer melalui exhaus section.Suhu udara buangan tersebut kira – kira 500oC. Rotor yang berputar tersebut dihubungkan ke generator listrik.

Pada waktu start pertama, rotor diputar oleh sebuah motor penggerak. Setelah mencapai kecepatan putar tertentu (kurang lebih 300 rpm), hubungan antara motor penggerak dan rotor terputus dan motor dimatikan. Lalu rotor berputar sendiri dengan adanya siklus pembakaran yang terus - menerus.


(44)

2.7. Jenis Turbin Yang Digunakan

Dalam Perencanaan ini dipilih turbin aksial karena mempunyai keuntungan antara lain: efisiensi yang lebih baik, perbandingan tekanan dapat diubah lebih tinggi, konstruksi lebih ringan dan tidak membutuhkan ruangan yang lebih besar. Selain itu turbin aksial lazimnya digunakan untuk keperluan industri dan pusat tenaga listrik maupun sistem propulsi kendaraan darat, kapal dan pesawat terbang. Pada turbin aksial, fluida kerjanya mengalir masuk dan keluar turbin dalam arah aksial, yaitu sejajar dalam sumbu motor. Turbin aksial yang direncanakan adalah bertingkat 3 (tiga), dimana tiap tingkat terdiri dari satu baris sudu diam dan satu baris sudu gerak. Sudu diam berfungsi mempercepat aliran fluida kerja dan sudu gerak berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik menjadi energi mekanis.

Maka dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial, turbin ini dipilih karena:

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

• Effisiensi tingkat pada tipe reaksi lebih baik dari pada yang lainnya, dengan perbandingan kecepatan yang lebih besar.

• Pada turbin ini satu tingkat turbin dapat menghasilkan daya untuk menggerakkan 10 atau lebih tingkat kompresor dengan efisiensi cukup tinggi.

2.8 Teori Dasar Ruang Bakar Turbin Gas 2.8.1 Pengertian Ruang Bakar

Ruang bakar adalah tempat terjadinya pembakaran campuran bahan bakar dengan udara kompresi yang akan menghasilkan energi thermal yang bertujuan untuk meningkatkan enthalpi (h), entropi (s), dan temperatur (T) dari fluida kerja.

Pada umumnya ruang bakar turbinn gas terdiri atas bagian – bagian utama seperti “casing” sebagai konstruksi tempat dudukan dari seluruh komponen utama ruang bakar seperti linear maupun burner, selain itu casing juga berfungsi sebagai penahan tekanan (pressure jacket).


(45)

Adapun “liner” merupakan bagian dimana secara langsung memperoleh energi panas atau tempat terjadinya pembakaran (flame tube), liner terletak didalam casing dan dilengkapi dengan batu tahan api untuk melindungi material liner dari kontak langsung terhadap api pembakaran serta sebagai isolasi thermal ruang bahan bakar.

Sedangkan “burner” merupakan alat pembakar, bahan bakar cair atau gas disemprotkan dalam bentuk kabut kedalam ruang bakar, kemudian campuran bahan bakar dan udara panas dibakar dengan penyalaan busi (spark – plug) yang terpasang pada bagian sisi burner.

2.8.2 Tipe Ruang Bakar (Combustion Chamber)

Pemilihan bentuk ruang bakar disesuaikan dengan pemakaian pada sistemturbin gas, yang juga akan mempengaruhi konstruksi dari keseluruhan sistem turbin gas tersebut. Tipe ruang bakar umumnya dikategorikan atas 2 macam, yaitu :

1. Berdasarkan bentuk

2. Berdasarkan peletakan

2.8.2.1 Tipe Ruang Bakar Berdasarkan Bentuk

Tipe ruang bakar berdasarkan bentuk terbagi menjadi 3(tiga) bagian, yaitu 1. Turbular

2. Turboanular 3. Annular

Turbular

Turbular merupakan tipe ruang bakar yang terdiri dari satu unit silinder liner yang terpasang konsentris didalam casing


(46)

Gambar 2.17. Ruang bakar tubular

 Keuntungan

- Konstruksi kuat dan sederhana

- Pola aliran bahan bakar dan aliran udara mudah dipaduklan

- Pengujian dapat dilakukan secara sederhana dengan hanya memerlukan sebagian kecil laju aliran massa udara total pesawat turbin

 Kerugian

- Konstruksinya besar dan berbobot besar - Memerlukan pipa penghubung (duct)

- Tidak efisien untuk turbin berkapasitas kecil

Turboanular

Turboanular merupakan tipe ruang bakar dimana satu grop silinder liner dipasang pada satu anulus casing.


(47)

Gambar 2.18. Ruang bakar turboanular

 Keuntungan

- Konstruksi kecil dan kokoh

- Pola aliran bahan bakar dan udara mudah dipadu

- Pengujian hanya membutuhkan sebagian kecil dari total laju aliran massa udara pesawat turbin

- Lebih pendek dan ringan

 Kerugian

- Kurang kompak dibandingkan dengan tipe annular - Memerlukan pipa penghubung (duct)

- Konstruksi lebih rumit dari tipe tubular

• Annular

Annular merupakan tipe ruang bakar dimana liner dengan satu annular casing dipasang kosentris didalam casing.


(48)

Gambar 2.19 Ruang bakar annular

 Keuntungan

- Konstruksinya pendek dan sederhana - Penampang fronbal kecil

- Kerugian tekanan kecil

 Kerugian

- Terjadi masalah saat pembentukan dan pembengkokan pada selubung luar (outer casing)

- Pengujian memerlukan laju aliran massa total - Pola aliran bahan bakar dan udara sulit dipadukan - Distribusi temperatur keluar yang stabil sulit dicapai

2.8.2.2 Tipe Ruang Bakar Berdasarkan Peletakannya

Berdasarkan peletakan ruang bakar turbin gas dapat dibedakan menjadi 2 (dua) macam, yaitu:

1. Vertikal

Peletakan secara vertikal merupakan peletakan ruang bakar yang saling tegak lurus terhadap sumbu poros, baik secara langsung maupun tidak langsung (memiliki jarak). Ruang bakar vertikal dalam satu unit turbin gas dapat dibuat satu


(49)

b 8

Gambar 2.20. Ruang bakar vertikal double chamber

Keterangan gambar: 1. Pressure shell 2. Burner combustion 3. Platform incl 4. Flame Tube 5. Turbine casing 6. Blow-of Pipes 7. Rotor

8. Manhole with inspection hole

A. Annular space for combustor air supply B. Hot gas duct

2. Horizontal

Peletakan horizontal merupakan peletakan ruang bakar yang sejajar dengan sumbu poros turbin dan biasa digunakan pada sistem turbin yang berdaya ringan untuk sistem pembangkit listrik.

Dengan peletakan yang horizontal maka sistem dapat dibuat lebih kecil dan sederhana sehingga sesuai juga digunakan pada mesin - mesin pesawat terbang.


(50)

2.9 Syarat - Syarat Ruang Bakar Turbin Gas

Ruang bakar turbin gas secara umum harus sesuai dengan kondisi pemakaian dan sesuai dengan kebutuhan yang berbeda – beda dari setiap turbin gas.

Syarat – syarat dasar yang harus dimiliki ruang bakar antara lain :

1. Mempunyai efisiensi pembakaran yang tinggi dimana bahan bakar harus terbakar sempurna sehingga seluruh energi kimia dapat berubah menjadi energi thermal.

2. Mudah untuk pembakaran awal, terutama untuk temperatur

lingkungan yang terjadi rendah. 3. Kerugian tekanan yang terjadi rendah. 4. Mempunyai emisi gas yang rendah 5. Mempunyai daya tahan yang tinggi

6. Panas temperatur ruang bakar harus tetap menjaga umur dari turbin dan sudu pengara.

7. Mempunyai batas stabilitas yang luas, dimana api harus tetap nyala dalam mencakup tekanan, serta kecepatan perbandingan bahan bakar udara.

8. Perawatan yang ekonomis.

2.10 Pemilihan Tipe Ruang Bakar

Dalam pemilihan tipe ruang bakar yang akan digunakan harus dilihat faktor – faktor bentuk, peletakkan dan harus memenuhi syarat – syarat yang harus dimiliki ruang bakar seperti yang telah disebutkan pada sub – sub bab diatas.

Pada perencanaan ini tipe ruang bakar yang dipilih adalah bentuk “Tubular” karena konstruksinya kuat dan sederhana dimana ruang bakar hanya terdiri dari satu silinder yang terpasang konsentris di dalam casing dan tidak terdiri dari multi liner yang membuat konstruksi menjadi lebih rumit.

Bentuk turbular ini dapat dilayani oleh lebih satu burner dan sangat sesuai dengan efisiensi yang baik bagi turbin yang berkapasitas atau berdaya besar untuk


(51)

Selain bentuk, peletakkan yang dipilih adalah peletakkan ruang bakar “Vertikal” dimana peletakkan jenis ini memiliki kerugian energi potensial dari gas pembakaran yang memasuki turbin sangat kecil dengan posisi gravitasi yang baik.

kedua faktor diatas, setelah di pertimbangkan dengan alasan – alasannya telah memenuhi persyaratan yang harus dimiliki oleh sebuah ruang bakar turbin gas.

Gambar 2.21. Ruang bakar tubular vertikal

2.11 Prinsip Kerja Ruang Bakar

Udara pembakaran (combustion air) yang merupakan udara hasil pemamfaatan dari kompressor mengalir dalam anulus menuju bagian puncak liner atau ke saluran udara primer yang terletak pada bagian sisi silindris dari burner dan sebagian udara kompresi masuk ke ruang bakar melalui saluran udara sekunder atau hole untuk menyempurnakan kebutuhan udara dan sebagai pendingin ruang bakar.


(52)

Pada saat yang bersamaan busi menyala (spark-plug) memercikkan bunga api listrik ke sistem saluran utama bahan bakar pada burner sehingga pada burner terjadi pembakaran.

Setelah proses pembakaran terjadi dengan sempurna, maka busi penyala secara otomatis berhenti bekerja, sedangkan gas pemanasan hasil pembakaran dengan temperatur yang tinggi mengalir ke turbin gas melalui saluran (duck) dan sudu pengarah (transition piece) masuk memutar poros turbin.

2.12 Bahan Bakar dan Reaksi Pembakaran

Gas alam adalah bahan bakar fosil yang merupakan senyawa hidrokarbon (CnH2n+2) dan terdiri dari campuran beberapa macam gas hidrokarbon yang mudah

terbakar dan non-hidrokarbon seperti N2, CO2 dan H2S. Umumnya gas yang

terbentuk sebagian besar dari metan (CH4), dan dapat juga etan (C2H6) dan propan

(C3H8).

Komponen utama dalam gas alam adalah metana (CH4), yang merupakan

molekul-molekul hidrokarbon yang lebih berat seperti2H6

(C3H8) da4H10), selain juga gas-gas yang mengandung sulfur

Gas alam lebih ringan dari udara, sehingga cenderung mudah tersebar di atmosfer. Akan tetapi bila ia berada dalam ruang tertutup, seperti dalam rumah, konsentrasi gas dapat mencapai titik campuran yang mudah meledak, yang jika tersulut api, dapat menyebabkan ledakan yang dapat menghancurkan bangunan. Kandungan metana yang berbahaya di udara adalah antara 5% hingga 15%

Gas alam digunakan sebagai bahan bakar turbin gas lebih diprioritaskan karena:

1. Pembakaran gas tidak menghasilkan abu dan jelaga sehingga akan

memperkecil kerusakan yang dialami sudut - sudut turbin


(53)

3. Nilai kalor gas alam (natural gas) lebih besar dari bahan bakar solar, sehingga dapat meningkatkan efisiensi dari turbin gas tersebut.

Komposisidarigasalam(naturalgas)dapatdilihatpadatabeldibawahini:

No. Nama Gas Komposisi(%)

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Karbondioksida(CO2)

Nitrogen(N2)

Methana(CH4)

Ethana(C2H6)

Propana(C2H8)

n–Butana(n–C4H10)

0,023 2,019 97,031 0,227 0,658 0,03

Total 100

Sumber:ArunPlantOrientation,TrainingCenter

2.12.1 Proses Pembakaran

Proses pembakaran adalah reaksi eksotermik antara bahan bakar dan udara untuk menghasilkan gas pembakaran pada temperatur dan tekanan tertentu. Proses pembakaran mencakup fenomena fisika dan kimia, bukan sekedar merupakan bagian kimia saja. Hal tersebut disebabkan karena dalam proses pembakaran terdapat pulaperpindahan massa, thermodinamika, dinamika gas dan mekanika fluida.

Proses pembakaran dalam ruang bakar berlangsung kontinu pada tekanan konstan.Kalaupun terjadi kerugian tekanan, relatif sangat kecil dan perbandingan penurunan tekanan total terhadap tekanan total udara masuk ruang bakar berkisar 3 - 5%. Pembakaran gas metan terjadi secara kimiawi yaitu dengan terjadinya reaksi antara metan dan oksigen yang hasilnya berupa karbon di-oksida (CO2), air

(H2O) ditambah sejumlah besar energi (energi sebagai pemicu terjadinya

pembakaran). Reaksi pembakaran bahan bakar pada kondisi stokometri (100% udara teoritis) adalah :


(54)

− ReaksipembakaransempurnaCH4

CH4+2(O2+3,76N2) CO2+2H2O+2(3,76N2)

− ReaksipembakaransempurnaC2H6

C2H6+3,5(O2+3,76N2) 2CO2+3H2O+3,5(3,76N2)

− ReaksipembakaransempurnaC3H8

C3H8+5(O2+3,76N2) 3CO2+4H2O+5(3,76N2)

− ReaksipembakaransempurnaC4H10

C4H10+6,5(O2+3,76N2) 4CO2+5H2O+6,5(3,76N2)

2.13 Pandangan Umum Tentang Software ANSYS

ANSYS adalah program paket yang dapat memodelkan elemen hingga untuk menyelesaikan masalah yang berhubungan dengan mekanika, termasuk di dalamnya masalah statis, dinamik, analisis struktural (baik linier maupun nonlinier), masalah fluida dan juga masalah yang berhubungan dengan akuistik dan elektromagnetik. Secara umum penyelesaian elemen hingga menggunakan ANSYS dapat dibagi menjadi tiga tahap, yaitu :

1. Preprocessing: pendefinisian masalah

Langkah umum dalam preprocessing terdiri dari mendefenisikan keypoint/lines/areas/volume, mesh lines/ areas/ volume sebagaimana yang dibutuhkan akan tergantung pada dimensi yang dianalisis.

2. Solution: assigning loads, constraints, and solvings

Disini perlu menentukan tekanan, constraints (translasi dan rotasi) kemudian menyelesaikan masalah yang diset.

3. Postprocessing

Dalam hal ini pengguna mungkin dapat melihat daftar pergeseran, gaya elemen dan momentum, plot deflection dan diagram kontur tegangan (stress) atau pemetaan suhu.

2.13.1 Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak FLUENT


(55)

hingga (finite volume methods). Untuk mempermudah perhitungan numerik telah tersedia banyak perangkat lunak komputer. Salah satu perangkat lunak yang terkenal dalam perhitungan dan simulasi CFD adalah FLUENT

2.13.2 FLUENT

Fluent adalah program komputer yang dikembangkan oleh ANSYS Inc.untuk memodelkan aliran fluida dalam geometri yang kompleks. Fluent merupakan salah satu jenis program CFD (Computational Fluid Dynamics) yang menggunakan metode diskritisasi volume hingga. FLUENT memiliki fleksibilitas mesh, sehingga kasus - kasus aliran fluida yang memiliki mesh tidak terstruktur akibat geometri benda yang rumit dapat diselesaikan dengan mudah. Selain itu, FLUENT memungkinkan untuk penggenerasian mesh lebih halus atau lebih besar dari mesh yang sudah ada berdasarkan pemilihan solusi aliran.

Fluent menggunakan teknik control volume untuk mengubah persamaan pembentuk aliran menjadi persamaan algebra sehingga dapat diselesaikan secara numeric. Teknik control volume ini mengandung pengintegralan setiap persamaan pembentuk aliran pada tiap - tiap kontrol volume, menghasilkan persamaan - persamaan diskrit yang mengkonversikan tiap jumlah yang ada pada control volume.

Secara lengkap langkah - langkah FLUENT dalam menyelesaikan suatu simulasi adalah sebagai berikut:

1. Membuat geometri dan mesh pada model.

2. Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D). 3. Mengimpor mesh model (grid).

4. Memilih formulasi solver.

5. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisa. 6. Menentukan kondisi batas.

7. Mengatur parameter kontrol solusi. 8. Initialize the flow field.

9. Melakukan perhitungan/iterasi. 10. Menyimpan hasil iterasi.


(56)

11. Jika diperlukan, memperhalus grid kemudian melakukan iterasi ulang.[19]

2.13.3 Skema Numerik

FLUENT memberikan dua pilihan metode numerik, yaitu metode

segregated dan coupled. Kedua metode tersebut dapat digunakan untuk memecahkan persamaan integral kekekalan momentum, massa, dan energi (governing integral equation), serta besaran skalar lainnya seperti turbulensi. Dalam proses pemecahan masalah, baik metode segregated dan coupled memiliki persamaan yaitu menggunakan teknik kontrol volume. Teknik kontrol volume sendiri terdiri dari:

1. Pembagian daerah asal (domain) ke dalam kontrol volume diskrit dengan menggunakan grid komputasi

2. Integrasi persamaan umum kontrol volume untuk membuat persamaan

aljabar dari variabel tak-bebas yang berlainan ( discrete dependent variables) seperti kecepatan, tekanan suhu, dan sebagainya.

3. Linearisasi persamaan dan solusi diskritisasi dari resultan sistem persamaan linear untuk menghasilkan nilai taksiran variabel tak-bebas.

Pada dasarnya metode segregated dan coupled memiliki persamaan dalam proses diskritisasi yaitu volume berhingga (finite volume), tetapi memiliki perbedaan pada cara pendekatan yang digunakan untuk melinearisasi dan memecahkan suatu permasalahan.

2.13.4 Diskritisasi (Discretization)

FLUENT menggunakan suatu teknik berbasis volume kendali untuk mengubah bentuk persamaan umum (governing equation) kebentuk persamaan aljabar (algebraic equation) agar dapat dipecahkan secara numerik. Teknik kontrol volume ini intinya adalah pengintegralan persamaan differensial umum untuk setiap volume kendali, sehingga menghasilkan suatu persamaan diskrit yang menetapkan setiap besaran pada suatu basis volume kendali. Diskritisasi persamaan umum dapat diilustrasikan dengan menyatakan persamaan kekentalan


(57)

2.13.5 Linearisasi

Ketidaklinearan persamaan yang dipecahkan oleh FLUENT dapat mengakibatkan perubahan yang dihasilkan pada tiap iterasi menjadi tidak teratur. Tipikal dari adanya under-relaxation adalah mengurangi perubahan yang dihasilkan dari setiap iterasi. Dalam bentuk yang sederhana, nilai variabel yang baru dalam sebuah sel tergantung kepada nilai sebelumnya, perubahan yang dihitung, dan faktor under relaxation


(58)

BAB III

ANALISA THERMODINAMIKA

3.1 Data Perencanaan

Sebelum dimulai dengan perhitungan thermodinamika dari siklus, perlu terlebih dahulu ketetapan sebagai dasar perencanaan. Hal ini dikarenakan akibat adanya penyimpangan - penyimpangan yang terjadi pada siklus idealnya seperti yang telah dijelaskan pada uraian terlebih dahulu, sehingga nantinya akan diharapkan suatu hasil perhitungan yang sebenarnya.

Adapun spesifikasi data yang diambil dari PT. PLN Sektor Pembangkit Sicanang sebagai perencanaan, perhitungan dan analisa pada ruang bakar adalah sebagai berikut :

− Type = Tubular – Vertikal

− Jenis siklus = Siklus terbuka

− Daya generator = 128,8 MW

− Putaran Turbin = 3000 rpm

− Tingkat Sudu kompresor / turbin = 16/4

− Rasio kompresi = 10,14

− Temperatur udara masuk kompressor (T1) = 30o C = 303 K

− Temperatur masuk turbin (T3) = 1050oC = 1323oK

− Tekanan udara masuk kompresor (P1) = 1,0130 bar

− Jenis bahan bakar = Gas Alam

− LHV (Low Heating Value) = 45.700,kJ/kg

3.2 Komponen Utama Ruang Bahan Bakar

Ada beberapa komponen utama ruang bahan bakar yang digunakan, antara lain :


(59)

3. Annulus 4. Hole 5. Burner

3.3 Analisa Thermodinamika Pada Kompressor

Kompressor berfungsi untuk mengkompresikan udara luar menjadi udara dengan kondisi tekanan dan temperatur yang sesuai dengan kebutuhan proses pembakaran. Gambar 3.1 memperlihatkan rotor kompresor dengan 16 tingkat sudu.

Gambar . 3.1. Rotor kompresor dengan 16 stage (16 tingkat sudu) Diagram h - sproses kompresi udara dapat dilihat pada gambar 3.2.

h P2

2’ 2

h2 h1 P1

s

Gambar 3.2. Diagram h - s pada kompresor


(60)

Dari spesifikasi diperoleh kondisi udara masuk kompresor

T1 = 300C=303 K

P1 = 1,0130 bar

Rp = 10,14

P2 = Rp . P1

dimana :

P2 = tekanan udara keluar kompressor

= 10,14 . 1.0130 = 10,27 bar

Dari tabel gas yoseph H. keenan untuk kondisi tersebut diperoleh :

H1 = 303,20 kJ/kg

Pr1 = 1,4365

Bila kondisi isentropis maka berlaku persamaan :

Pr2 = �2

�1 .Pr1

Pr2 = 10,14 . 1,4365

= 14,422

Dari tabel gas diperoleh untuk Pr2’ = 14,422 diperoleh

T2′ = 580,45 K

H2′ = 586,51 KJ/Kg

Dengan demikian kerja kompresor ideal (Wki) adalah :

Wki = h2′ - h1


(61)

Perhitungan diatas adalah kerja kompresor ideal, sedangkan kerja kompresor aktual dapat dihitung dengan memperhitungkan efisiensi kompressor. Pada data spesifikasi efisiensi kompressor (ηc) = 0,85

Maka:

ηc = Wki

Wka

W

ka

=

Wki

ηc

=

283,31

0,85

W

ka

= 333,30 kJ/Kg

Sehingga akan diperoleh h2 :

h2 =

W

ka

+ h

1

= (333,30 + 303,20) kJ/kg = 636,5 kJ/kg

Dari Tabel gas untuk h2 =636,5 kJ/kg,diperoleh :

T2 = 627,98 K = 354,9988oC

Pr2 = 19,544

3.4 Analisa Thermodinamika Pada Ruang Bakar

Proses pembakaran campuran bahan bakar dengan udara di dalam ruang bakar (combustion chamber) menghasilkan gas panas yang selanjutnya berfungsi sebagai fluida kerja untuk menggerakkan turbin, mengalami kerugian (losis) tekanan yang di asumsikan sebesar 2%...(Cohen.H.G.F.C Rogers.H.I.H Gas Turbin Theory) dan di


(62)

adanya kerugian di dalam ruang bahan bakar sebesar (2 - 3)%, maka tekanan masuk turbin

h3 h2

Gambar 3.3. Diagram h - s pada ruang bakar

P3 = P1 - Ploss

Dimana :

Ploss = rp . 2 %

= 10,04 . 0,02 = 0,2008

Maka :

P3 =10,17 – 0.20028

= 9,969 bar

Kerugian tekanan (Ploss) didalam ruang bakar terjadi disebabkan karena

adanya gesekan antara aliran gas dengan dinding ruang bakar.

Dari data spesifikasi telah diketahui temperatur gas masuk turbin (T3 =

1050oC = 1323 K) maka dari tabel gas diperoleh :

h3 =1423,34 kJ/kg

Pr3 = 355,92


(63)

Sedangkan perbandingan antara massa fuel gas dengan udara pembakaran dapat dihitung dengan menggunakan rumus....(Jhon. W. Sawyer,”Gas Turbine Engineering Book

Theory and Design,USA,193,hal3) ��

��

= f =

ℎ�3−ℎ�2

���−ℎ�3

Dimana :

Hx3 = h3

Ha2 = h2

mf = massa bahan bakar (kg) ma = massa udara (kg)

LHV = nilai kalor terendah bahan bakar (Low Heating Value) = 45700 kJ/kg (LHV Gas Alam)

maka :

f = ℎ3−ℎ2

���−ℎ3

=

1423 ,34−636,5

45.700 −1423 ,34

=

0,0177

Efisiensi ruang bakar adalah = 0,95 (diasumsikan)

Maka perbandingan massa bahan bakar dan udara aktual adalah :

f ′ = �

�

= 0,0177

0,95


(64)

3.5 Analisa Thermodinamika Pada Turbin

Gas panas yang dihasilkan pada ruang bakar (combustion chamber) selanjutnya masuk kedalam turbin melalui transition piece, dan didalam turbin gas tersebut mengalami ekspansi. Diagram h - s pada kompresor terlihat pada gambar3.3

h P3

3

h4 h3 4

4‘

s

Gambar 3.3 Diagram h-s pada turbin

Pada perhitungan terdahulu diperoleh :

• Tekanan gas masuk turbin (P3) = 9,97 bar

• Tekanan gas keluar turbin (P4) = 1,0130 bar (sama dengan P1)

Maka rasio ekspansi, dapat diperoleh :

rp = �3

�4

=

9,97

1,0130

= 9,84

Bila kondisi adalah isentropis, maka berlaku persamaan :

rp = ��3

�� ′


(65)

maka : Pr4 ′ =

��3

��

= 355,92

9,84

= 36,17

Dari tabel gas untuk Pr4 ′ = 36,17 diperoleh :

T4′ = 743,62 K= 461,62 K

h4′ = 760,34 kJ/kg

Dengan demikian kondisi kerja turbin ideal :

Wti = h3 – h4′

= (1423,34 – 760,34) kJ/kg = 663 kJ/kg

Untuk menentukan kerja turbin aktual pada titik masuk dan keluar turbin harus diperhatikan tingkat efisiensi turbin, dalam hal ini efisiensi turbin diasumsikan sebesar 90%, maka dari persamaan

ηt = ���

���

Dimana :

Wta = ηt . Wti

= 0,9 . 663 = 596,7 kJ/kg

Sehingga besarnya h4 pada keadaan keluar turbin adalah :

h4 = h3 - Wta

= (1423,34 – 596,7) kJ/kg = 826, 64 kJ/kg


(66)

Dari tabel gas diperoleh untuk h4 = 826,64 kJ/kg T4 = 793,38 K = 520,38oC, Pr4 = 46,15

Turbin gas ini direncanakan untuk menggerakkan generator listrik, dengan daya 128,8 MW, yang tergolong heavy duty industri power plant.

Tetapi dengan adanya faktor rendemen yang disebabkan oleh kerugian – kerugian, seperti : kerugian mekanis, kerugian thermis, dll. Maka daya yang harus diharuskan turbin harus lebih besar dari generator, maka untuk mendapatkan daya yang harus disuplai turbin, terlebih dahulu harus ditetapkan besarnya efisiensi generator dan reduction gear, yakni 95% dan 85% yang mana sistem transmisi yang digunakan turbin ini adalah roda gigi miring, karena daya dan putaran yang dipindahkan adalah besar.

Daya keluaran nyata generator adalah Pg = 128 MW

Daya yang dibutuhkan generator adalah daya semu sehingga:

Ps = ��

cos ϕ

cos ϕ = faktor daya (0,6 - 0,9), berdasarkan harga yang umum dipakai disini diambil 0,9

Ps = 128000

0,9

=

142,222.22 KW

Maka :

Daya netto turbin yang disuplai keturbin adalah:

Pn = ��


(67)

= 142.222,22

0,95 .0,85

= 176.126,58 KW

= 176,128 MW

Dari perhitungan terdahulu diketahui bahwa :

��

�� = f′ = 0,0186

Pn = Daya netto turbin yang disuplai ke generator

= 176.126,58 KW

Dengan demikian harga – harga yang telah diketahui, dimasukkan ke persamaan berikut, maka diperoleh jumlah udara yang dibutuhkan :

Pn = [(1+ ��

��) ma (h3 – h4)] – [ma(h2 – h1)]

176.126,58 = [(1+��

��) ma (h3 – h4)] – [ma(h2 – h1)]

176.126,58 = [(1+0,0186) ma (1423,34 – 826,64)] – [ma(636,5 – 303,20)] 176.126,58 = 607,79862 ma – 333,3 ma

176.126,58 = 274,49862 ma

ma = 176.126,58

274,49862

ma = 641,630 kg/sec (jumlah udara teoritis yang harus disuplai)

mf = ma . f′

= 641,630 x 0.0186 = 11,93 kg/sec


(68)

Sehingga diperoleh massa campuran (mc)

mc = ma +mf

mc = 641,630 + 11,93

= 653,56 kg/sec

3.6 Perhitungan Daya dan Efisiensi Kompressor dan Turbin

Dari persamaan – persamaan pada sub – sub terdahulu dapat kita tentukan daya kompresor (Pk).

Pk = mc (h2 – h1)

= 653,56 (636,5 – 303,20)

= 217831,54 KW

= 217,831 MW

Efisiensi kompresor ηc =

����� �����

����� ������ X 100%

=

ℎ2′ −ℎ1

ℎ2−ℎ1

X 100%

ηc =

586,1−303,20

636,5−303,20 X 100%

= 84,87 %

Daya turbin (Pt) adalah : Pt = (ma + mf) (h3 – h4)

= (641,630 + 11,93) (1423,34 - 760,34)

= 433310,28 KW

= 433,10 MW

Efisiensi turbin ηt =

����� ������

����� ����� x 100%


(69)

= 1423 ,34−826,34

1423 ,34−760,34X 100%

= 88.04%

Persentase daya yang digunakan untuk menggerakan kompresor

%Nc = ��

�� x 100%

= 217,83

433,10 x 100%

= 50,29 %

Sedangkan sisanya sekitar 49,71% dari daya turbin digunakan untuk menggerakkan generator dan alat pendukung lainnya serta ada kerugian – kerugian mekanis dan thermis.

3.7 Efisiensi Thermal Siklus

Untuk menghitung efisiensi thermal siklus, terlebih dahulu dihitung daya bersih sistem dan besar panas yang masuk dari proses pembakaran diruang bakar.

Wnet = Wt - Wc

= [(ma + mf) (h3 - h4)] - [(ma (h2 - h1)]

=[(641,630 +11,93) (1423,34-826,24) - [(641,630 (636,5-303,20) = 176385,40 MW

Qm = (ma + mf) h3 – ma.h2

= mc.h3 – ma.h2

=(653,56.1423,34) – (641,630 – 636,5) = 525250,049 KW

= 525,250 MW Maka :

Besarnya efisiensi thermal siklus adalah ...(Yunus Cengel, Thermodynamics An Enggineering Aproach, seven edition, Mc Graw Hill Book Company, New York, 1989.hal479) :


(70)

G

ηth = ����

�� x 100%

= 176385 ,401

525250 ,049 x 100%

= 33,58 % T1

P1 T2

P3

T3

P3 T4

P4

Gambar 3.4. skema sistem turbin gas dan kondisi fluida kerjanya

Keterangan gambar :

G = Generator

CC = Combustion Chamber

C = Compressor

TB = Turbin

T1 = Temperatur udara Ambient masuk kompressor = 303 K (30oC) P1 = Tekanan udara Ambient masuk kompressor = 1,0130 bar (1 ATM) T2 = Temperatur udara keluar kompressor, masuk ruang bakar = 627,98K P2 = Tekanan udara keluar kompressor, masuk ruang bakar = 10,17 bar T3 = Temperatur gas hasil pembakaran udara + bahan bakar keluar dari

ruang bakar, masuk ke turbin = 1323 K (1050oC)

P3 = Tekanan gas hasil pembakaran udara + bahan bakar keluar dari

ruang bakar, masuk ke turbin = 9,969 bar.

T = Temperatur gas sisa pakai turbin keluar ke udara bebas = 793,38 K P4 = Tekanan gas sisa pakai turbin keluar ke udara bebas = 1,0130 bar.

C

CC

CC


(71)

BAB IV

PERENCANAAN BAGIAN - BAGIAN UTAMA RUANG BAKAR

4.1 Komponen Utama Ruang Bakar

Ruang bakar merupakan tempat dimana diharapkan terjadi proses pembakaran sempurna, yaitu reaksi eksotermik antara bahan bakar dan oksidator untuk menghasilkan gas pembakaran pada temperatur dan tekanan tertentu.

Pada ruang bakar turbin gas dapat terdiri dari beberapa komponen yang dapat mendukung terjadinya proses pembakaran.

Ada beberapa komponen utama ruang bakar yang akan dibahas dalam tugas sarjana ini antara lain :

1. Casing

2. Liner (Flame Tube) 3. Annulus

4. Hole 5. Burner

4.2 Casing

Casing merupakan rumah atau rangka ruang bakar yang berfungsi sebagai tempat meletakkan seluruh sistem dari ruang bakar dan sebagai penahan tekanan (pressure jacket) yang terjadi pada proses pembakaran.


(72)

Gambar 4.1. Casing di PLTGU Belawan

Untuk menghitung dimensi casing maka diketahui besarnya kapasitas aliran udara kompresor, dan perhitungan bab sebelumnya telah didapat jumlah aliran masa campuran udara (ma) yaitu 641,630 kg/sec. luas total casing ruang bakar yang dibutuhkan dalam perencanaan ini dapat ditentukan dengan persamaan:... (Levebre,A.H,”Gas Turbine Combustion”,Hemisphere Pub Listing Corporation, New York, 1983,hal111)

A

= {

2

[

��.T20.5

�2

]

2

[

∆�3−4

] [

3−4

]

-1

}

0.5

Dimana :

A = luas penampang casing (m2)

R = konstanta gas

= 286,9 Nm/kg.k

T2 =Temperatur udara keluar kompressor

= 627,98 K = 628 K

ma = massa aliran udara keluar kompresor

= 641,630 kg/sec

P2 = tekanan udara keluar kompresor

= 10,17 bar = 10,17 x 105 N/m2 ∆3−4

� = faktor kehilangan tekanan untuk type ruang bakar turbular = 37

3−4

� = perbandingan antara penurunan tekanan total sepanjang ruang

bakar dengan tekanan total masuk ruang bakar = 0,07

Dari Tabel 4.1 dapat dilihat harga kerugian tekanan (pressure losses) untuk ruang bakar turbular ...(levebvre,A.H,”Gas Turbine Combustion”, HemispherePub Listing Corporation, New York, 1983, hal 112)


(73)

Type ruang bakar

3

4

3

4

��

. T2

0.5

2

Turbular 0,07 37 0,0036

Turboannular 0,06 18 0,0039

Annular 0.06 20 0,0046

Tabel 4.1. Tabel harga kerugian tekanan ruang bakar

Maka luas casing adalah :

Ac = { 286,9

2 [

641,630 . 6280.5 10,17 �105 N/m 2

]

2

(37).(0,07) -1 ]0.5

= [143,45 x 0,000249969 x 37 x 14,28] 0.5

= 4,35 m2

Luas casing tersebut diatas merupakan luas penampang aqivalen untuk total luasan penampang ruang bakar, pada perencanaan ini direncanakan 2 (dua) buah ruang bakar, sehingga luas penampang casing setiap ruang bakar adalah :

Ac′

=

��

2

=

4,35

2

= 2.17 m2

Diameter dalam setiap casing adalah :

Ac′ = π

4 . Dc 2

Dc2 = ��′


(74)

=

2,17

0,785

= 2,76 m2

Maka :

DC = √2,76

= 1,67 m

4.3 Liner (Flame Tube)

Liner adalah tempat terjadinya proses pembakaran antara bahan bakar dengan udara yang akan menghasilkan energi mekanis. Liner terpasang kosentris didalam casing, pada bagian dalam liner terpasang batu pelapis tahan api sebagai pelindung material liner.

Gambar 4.2 Liner (flame tube)

Adapun luas liner dapat ditentukan dengan persamaan berikut :....

(Levebre,A.H,”Gas Turbine Combustion”,Hemisphere Pub Listing Corporation, New York, 1983,hal112).


(75)

dimana :

K = perbandingan luas liner dengan luas casing Ac′ = Luas penampang tiap casing

= 2,779 m2

Harga K dapat dihitung dengan harga persamaan :... (Levebre,A.H,”Gas Turbine Combustion”,Hemisphere Pub Listing Corporation, New York, 1983,hal112).

K= 1 -

(1−���) 2λ

3−4

� − (λ .�)2

1/3

Dimana :

Msn = perbandingan saluran udara masuk slot dengan aliran total udara ruang bakar = 0,12.

λ = koefisien penurunan tekanan udara masuk liner = 0,5

r = perbandingan luas casing dengan luas penampang masuk ruang bakar = 6,0

maka :

K = 1 –

(1−0,12)

2 0,5 37−(0,5 .6) 2

1/3

= 0,756

Sehingga luas penampang liner adalah :

Al = K . Ac′

= 0,756 x 2,19 m2 = 1,65 m2


(1)

Tekanan

Gambar 4.33. kontur tekanan pada outlet ruang bakar

Grafik Tekanan

Gambar 4.34. Grafik distribusi tekanan pada outlet ruang bakar

Tekanan tertinggi = 997.000 Pa

Tekanan tertinggi berlawanan dari kecepatan terendah P >> V << sesuai dengan persamaan bernoulli

Tekanan terendah = 978.000 Pa

Tekanan terendah berlawanan dari kecepatan tertinggi P << V >> Tekanan rata - rata = 990.750 bar


(2)

Persamaan Bernoulli:

�1

� + �12

2� + Z1 = �2

� + �22

2� + Z2

Vector kecepatan


(3)

BAB IV

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil perhitungan dan analisis ruang bakar pada sistem turbin gas, baik itu pemilihan jenis ruang bakar, variabel - variabel serta dimensi yang berkenaan dengan sistem perencanaan, maka dapat disimpulkan beberapa hal terpenting dalam tugas sarjana ini diantaranya:

1. Berdasarkan hasil perhitungan yang dilakukan diantaranya adalah sebagai berikut:

a. Kompresor

− Tipe Axial kompresor

− efisiensi kompresor 84,87 %

− Temperatur masuk (T1) 303oK

− Tekanan masuk (P1) 1,013 bar

− Temperatur keluar (T2) 627,98oK

− Tekanan keluar (P2) 10,17 bar

− Daya Kompresor 217,831 MW b. Ruang Bakar

− Tipe Vertikal Turbular

− Jumlah ruang bakar 2 (dua) buah

− Temperatur masuk (T2) 627,98oK

− Tekanan masuk (P2) 10.17 bar

− temperatur keluar (T3) 1323oK


(4)

c. Bahan Bakar

− Jenis Gas Alam

− Low Heating Value (LHV) 45700 kj/kg

− Perbandingan bahan bakar dan udara 0,0186

− Laju aliran massa bahan bakar 11,93 kg/s

− Laju aliran massa udara 641,630 kg/s d. Turbin

− Tipe - Siklus Axial - terbuka

− Temperatur gas masuk 1323oK

− Temperatur gas keluar 793,38oK

− Efisiensi Turbin 90%

− Daya Turbin 433,10 MW

2. Komponen Ruang Bakar

− Casing (Pressure Jacket)

Luas casing 2,17 m2

Diameter dalam casing 1,67 m

tebal caisng 0,025 m

− Liner (Flame Tube)

Luas Liner 1,65 m

diameter Liner 1,44 m

Panjang Liner 1,86 m

− Burner

Jumlah Burner 6 buah

Diameter orifice 25,8 m


(5)

diameter annulus 0,67 m

− Hole

Luas Hole 0,075 m2

jumlah hole 8 buah

panjang hole 9,6 cm

3. Berdasarkan analisis simulasi Ansys:

Temperatur rata - rata masuk turbin (T3) : 1580 oK Tekanan rata - rata masuk turbin (P3) 9.90 Bar Kecepatan rata - rata masuk turbin 651 m/s

Perbandingan hasil perhitungan thermodinamika dengan metoda simulasi Ansys :

1. Temperatur keluar ruang bakar

1323 1323−1580

x 100 % = 19,42 %

Hasil perbandingan menunjukkan temperatur rata - rata keluar ruang bakar menggunakan Ansys lebih besar dari pada perhitungan termodinamika sebesar 19,42%

2. Tekanan keluar ruang bakar

9,969 9,969−9.90

x 100 % = 0,6 %

Hasil perbandingan menunjukkan tekanan rata - rata keluar ruang bakar menggunakan Ansys lebih kecil dari pada perhitungan termodinamika sebesar 0,6%


(6)

DAFTAR PUSTAKA

1. Archie W. Culp Jc dan Darwin Sitompul. 1991. Prinsip - prinsip Konversi Energi. Jakarta:Erlangga.

2. Arthur H.Levebvre. 1983 .Gas Turbine Combustion.USA: Hemisphere Publishing Corporation

3. Arthur H.Levebvre.1987. Gas Turbine Combustor Design Problem. Indiana: Purdue University

4. Fritz Dietzel dan Dakso Sriyono. 1986. Turbine Pompa dan Kompresor. Jakarta: Erlangga

5. Jhon. W. Sawyer. 1982. Gas Turbine Enginnering Book Theory and Design. USA: Gas Turbine Publication Inc

6. H. Cohen,G.F.C. Rogers, H.I.H. Saravanamutto.1987, Gas Turbine Theory. Third Edition, John Willey & Sons: Inc. New York .

7. Harijono Djojodihardjo.1987. Thermodinamika Teknik: Aplikasi dan Termodinamika Statistik, Jakarta: Gramedia

8. Arismunandar.W,2002. Pengantar Turbin Gas dan Motor Propulsi. Dirjen Dikti Depdiknas.

9. Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles.1998. Thermodynamics and EngineeringApproach.ThirdEdition.UnitedofAmerika:TheMcGraw-Hill companies,Inc.

10. RichardT.C.Harman,1981.GasTurbineEngineeringAplication,cyclesand characteristic. London:TheMacmillanPressLtd.