29
b. Turbine Stationary Blade Assembly
Alat ini berfungsi untuk mengaturmenjaga agar stationary blade tetap pada posisinya dan meneruskan atau mentransmisikan gaya reaksi dan tekanan yang
dihasilkan akibat aliran udara ke casing terluar outler casing.
Gambar 2.20 Tubin Stationary Blade Assembly [7]
Universitas Sumatera Utara
30
a. Turbine Rotor Blade
Alat ini berfungsi untuk merubah energi thermal dari uap panas menjadi energi mekanis.
Gambar 2.21 Turbine Rotor Blade [7] Keterangan :
1. Cooling air inlet, 1
st
stage rotor blade
2. Trailing edge holes, 1
st
stage rotor blade 3.
Air foil 4.
Blade platform 5.
Blade root 6.
Cooling air outlet, 2
nd
stage rotor blade 7.
Cooling air inlet, 2
nd
stage rotor blade
Universitas Sumatera Utara
31
b. Turbine Stator Blades
Bersama dengan rotor blades turbine, stator blades merubah energi yang dihasilkan dari fluida kerja menjadi energi mekanis.
Gambar 2.22 Turbine Stator Blade [7] KeteranganGambar :
1. Outer shroud
2. Airfoil
3. Inner shroud
4. Holes
5. Paritition
c. Turbine Shaft Glands
Alat ini berfungsi untuk meminimalisasi kehilangan jarak dan mencegah uap panas keluar melewati ruangan antara stationary blade assembly dan rotor.
d. Turbine Bearing Housing
Alat ini berfungsi untuk mendukung rotor dalam exhaust casing.
Universitas Sumatera Utara
32
e. Exhaust Gas Diffuser
Alat ini berfungsi sebagai saluran gas buang dari turbin menuju cerobong asap stack.
Gambar 2.23 Exhaust Gas Diffuser [7]
Keterangan: 1.
Bellows expansion joint 2.
Blow off pipe connection
3. Conical shell course
4. Bellows expansion joint
5. Blow off pipe
connection
Universitas Sumatera Utara
33
2.3 Refrigerasi
2.3.1 Sejarah Refrigerasi
Sejarah awal refrigerasi dahulu sangat lekat dengan upaya manusia untuk mengawetkan makanannya, setidaknya sampai ditemukannya refrigerasi mekanik
yang kemudian membawa refrigerasi dari satu topik isu ke topik isu lainnya. Di masa lalu diantaranya manusia menyimpan makanannya di dalam gua atau batu-batu
yang dindingnya dingin secara alami. Dalam koleksi puisi China kuno, Shi Ching, terdapat catatan penggunaan gudang es bawah tanah pada tahun 1000 SM. Orang-
orang Yunani dan Romawi dulu telah membuat gudang salju bawah tanah, di mana mereka menyimpan salju yang telah dipadatkan danmenginsulasinya dengan rumput,
tanah, dan pupuk kotoran hewan. Pada tahun 1823, Cagniar De La Tour seorang berkebangsaan Prancis melakukan penelitian tentang tingkat keadaan kritis dari gas
eter. Setahun kemudian, Humphrey Davy dan asistennya M. Faraday dari Inggris berhasil menemukan cara mencairkan gas ammonia, mereka adalah orang yang
pertama kali menemukan hal itu. Kemudian pada tahun 1824, prinsip dasar siklus refrigerasi dikembangkan oleh N.L.S.Carnot yang mempublikasikan tentang teori
termodinamikanya. Beberapa tahun kemudian, yaitu pada tahun 1897 Joseph Mc. Creaty membuat dan memantapkan instalasi alat pendingin. Pada waktu itu, instalasi
tersebut diberi nama mesin pencuci udara air washer, yaitu suatu sistem pendingin yang mempergunakan percikan air. Sedangkan Dr. Willis Haviland Carrier USA,
1906, merupakan orang pertama yang berhasil membuat alat temperatur dan kelembaban udara. Dia berhasil menyagarkan udara dari sebuah percatakan dengan
menggunakan sistem pencuci udara dengan cara mendinginkan dan menjenuhkan udara sampai mencapai mencapai titik embunnya. Teori termodinamika yang
dihasilkan olehnya itu dikemukakan pada pertemuan The American Society of Mechanichal Engineer pada tahun 1911.
Universitas Sumatera Utara
34
2.3.2 Sistem Refrigerasi
Sistem Refrigerasi adalah suatu proses penarikan atau pemindahan panas dari suatu benda atau ruangan sehingga temperatur benda atau ruangan tersebut lebih
rendah dari temperatur lingkungannya, sistem ini akan selalu berhubungan dengan proses aliran dan perpindahan panas.
Gambar 2.24 Proses Pemindahan Panas [26]
Secara prinsip sistem ini merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor heat engine dan jika dilihat dari tujuannya maka alat dengan siklus refrigerasi dibagi
menjadi dua yaitu refrigerator yang berfungsi untuk mendinginkan media dan heat pump yang berfungsi untuk memanaskan media.
Sistem refrigerasi jika dibagi menurut metode pendinginannya adalah: a
Refrigerasi Mekanik Refrigerasi yang dalam proses sistem pendinginannya menggunakan sumber utama
tenaga mesin penggerak atau alat mekanik lainnya Contoh: Refrigerasi Kompresi Uap, Siklus Udara, Kriogenik dan Siklus Sterling
b Refrigerasi Non Mekanik
Refrigerasi yang dalam proses sistem pendinginannya tidak menggunakan mesin penggerak sebagai sumber utama tenaganya.
Contoh : Refrigerasi Absorpsi, Thermoelektrik, Thermoakustik, steam jet, heat pipe dan magnetic.
Universitas Sumatera Utara
35
2.4 Refrigerasi Absorpsi
Sistem refrigerasi yang palingsering ditemukan adalah yang menggunakan kompresor atau lebih dikenal dengan refrigerasi kompresi uap, metode-metode
refrigerasi lain menjadi jarang dikenal. Diantara banyak tipe yang kurang dikenal, mungkin sekali ada yang praktis dan layak dipakai, sekaligu sekonomis, salah
satunya adalah sistem refrigerasi absorpsi yang dikembangkan oleh Ferdinand Carré dari Perancis, yang kemudian mendapat paten di Amerika Serikat pada tahun 1860.
Sejarah mesin pendingin absorbsi dimulai pada abad ke-19 mendahului jenis kompresi uap dan telah mengalami masa kejayaannya sendiri. Siklus pendinginan
absorbsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap. Perbedaan utama kedua siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan antara
tekanan penguapan dan tekanan kondensasi serta cara perpindahan uap dari wilayah
bertekanan rendah ke wilayah bertekanan tinggi. Jika siklus refrigerasi menggunakan
satu jenis fluida kerja sebagai refrigeran, maka pada siklus absorpsi menggunakan larutanyang terdiri dari dua zat, masing masing disebut pelarut dan terlarut. Zat yang
umum di pakai sebagai pelarut adalah air H2O dan zat terlarut biasanya Amonia atau Garam Bromida LiBr Lithium Bromide. Sistem absorpsi hampir sama dalam
beberapa hal dengan sistem kompresi uap. Sistem kompresi uap menggunakan kompressor untuk keperluan tersebut dengan menggunakan energi listrik, jika sistem
absorpsi menggunakan absorber, generator, katup throttle dan pompa untuk fungsi yang sama seperti kompressor, tetapi energi yang digunakan adalah energi panas.
2.4.1 Prinsip Kerja Refrigerasi Absorpsi
Prinsip kerja dari sistem refrigerasi absorpsi pada dasarnya sama seperti sistem kompresi uap, tetapi untuk menggantikan fungsi kompresor yang memerlukan energi
terbesardalam kompenen sistem refrigerasi kompresi uap seperti yang digunakan di dalam sikluskompresi uap, digunakan tiga komponen di dalam siklus absorpsi; yakni
absorber, pompa, dan generator. Sehingga bila dibandingkan dengan sistem
Universitas Sumatera Utara
36
refrigerasi konvensional, energi mekanik yang diperlukan oleh refrigerasi absorpsi sangat kecil. Diagram refrigerasi absorpsi efek tunggal dapat dilihat pada berikut ini:
Gambar 2.25 Siklus Refrigerasi Absorpsi [18]
Pada Gambar 2.26 seperti halnya siklus refrigerasi kompresi uap, efek pendinginan pada siklus absorpsi juga terjadi pada sisi evaporator. Untuk
menggantikan kompresor seperti yang digunakan di dalam siklus kompresi uap, digunakan tiga komponen di dalam siklus absorpsi; yakni absorber, pompa, dan
generator. Absorber berfungsi untuk menyerap uap refrigeran ke dalam absorben, sehingga keduanya bercampur menjadi larutan. Karena reaksi di dalam absorber
adalah eksotermik mengeluarkan panas, maka perlu dilakukan proses pembuangan panas dari absorber. Tanpa dilakukannya proses pembuangan panas, kelarutan
solubility uap refrigeran ke dalam absorben akan rendah. Selanjutnya, larutan tersebut dipompa ke generator. Dalam perjalanan menuju generator, larutan
dilewatkan di dalam penukar kalor untuk meningkatkan temperatur preheating. Daya pompa yang diperlukan sangat kecil, sehingga dalam perhitungan COP siklus
absorpsi, daya ini biasanya diabaikan. Di dalam generator, larutan dipanaskan hingga terjadi pemisahan refrigeran dari larutan. Selanjutnya, uap refrigeran tersebut akan
Universitas Sumatera Utara
37
memasuki kondensor. Proses selanjutnya tidak berbeda dengan siklus kompresi uap, yakni kondensasi, penuruan tekanan melalui mekanisme penghambat aliran - flow
restrictor, dan evaporasi.
2.4.2 Keuntungan Refrigerasi Absorpsi
Hanya refrigeran dan absorben yang bergerak, sehingga operasi siklus tenang dan tahan lama. Motor pompa, mesin, atau turbin yang digunakan lebih kecil
dibanding yang digunakan pada sistem kompresi untuk kapasitas yang sama. Tidak dibutuhkan daya listrik yang besar meskipun biasanya pompa yang digunakan
digerakkan oleh motor. Unit refrigerasi absorpsi dapat dioperasikan pada tekanan dan temperatur evaporator yang lebih kecil, dengan penurunan yang kecil dan pada sistem
kompresi, penurunan tekanan evaporator mengakibatkan penurunan kapasitas sistem secara signifikan. Pada beban refrigerasi yang lebih kecil, unit absorspi memiliki
efisiensi yang sama besarnya dengan kapasitas penuh. Pengendalian variasi beban dilakukan dengan pengaturan jumlah refrigeran dan absorben yang disirkulasikan di
dalam system, jika refrigeran tidak sepenuhnya diuapkan di evaporator, tidak terjadi efek yang buruk selain membuat sistem sedikit tidak stabil secara temporer. Namun,
pada sistem kompresor, hal itu dapat membahayakan kompresor dan membutuhkan pengukuran preventif yang mendalam; Unit absorpsi dapat dibuat dengan kapasitas
lebih besar dari 1000 ton— nilai kapasitas terbesar dari unit kompresor. Dengan pengecualian untuk aplikasi rumah tangga, secara umum sistem absorpsi butuh ruang
lebih besar. Namun, unit dapat diletakkan di luar ruangan dan disusun vertikal sehingga membutuhkan area tanah yang lebih kecil dan tidak perlu penutup.
Universitas Sumatera Utara
38
2.5 Hubungan Temperatur Udara Lingkungan dengan Gas Turbin
2.5.1 Energi Yang Terjadi Pada Gas Turbin Hukum Kekekalan Energi
Hukum kekekalan energi Hukum Termodinamika 1 menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi dapat berubah bentuk dari bentuk energi
yang satu ke berntuk energi yang lain.
Proses Perubahan Energi.
Proses perubahan energi dari energi yang dikandung oleh bahan bakar, seperti High Speed Diesel HSD, Marine Fuel Oil MFO maupun gas pada PLTG menjadi energi
listrik mengalami beberapa proses. Bahan bakar yang merupakan bentuk dari energi kimia dirubahkan dalam ruang bakar menjadi energi panas. Energi panas tersebut
diterima oleh udara sehingga udara + bahan bakar tersebut berubah wujud menjadi gas. Gas yang mempunyai energi panas selanjutnya mendorong sudu-sudu turbin
sehingga menjadi energi kinetik. Sudu-sudu turbin memutar poros turbin memutar poros turbin poros generator. Putar poros generator rotor mengubah energi mekanik
menjadi energi listrik.
Gambar 2.26 Proses Konversi Energi pada PLTG [12]
Menurut Hukum Gas Charles Charles Law, tentang gas menyatakan bahwa kerapatan udara akan berbandinglurus dengan tekanan pada temperatur konstan dan
kerapatan udara akan berbanding terbalik dengan temperatur pada tekanan konstan[1]
Universitas Sumatera Utara
39
Dimana,
ρ = Kerapatan udara kgm3
P = Tekanan udara statis hpa T =Temperatur absolute 287 JKmol
R= Konstanta Gas JK mol.
Tekanan statis Static Pressure adalah tekanan udara di sekeliling kita, dalam udara terbuka dan dalam kondisi diam. Tekanan statis ini akan bekerja kesegala arah
dengan besar yang sama. Dari Hukum Gas Charles diatas, bisa kita simpulkan pada tekanan udara statis
dan konstanta gas tetap, jika temperatur udara mengalami penurunan maka kerapatan udara akan meningkat. Jika kerapatan udara semakin tinggi, maka energi kinetik yang
terjadi pada kompressor akan semakin besar dan kerja turbin untuk memutar kompressor akan berkurang. Pengurangan kini berdampak langsung pada kenaikan
kerja turbin untuk memutar generator dan hal ini langsung mempengaruhi daya output yang dihasilkan. Berikut grafik efek temperatur lingkungan dengan kondisi
ISO terhadap gas turbin:
Gambar 2.27 Effect of Ambient Temperature On Gas Turbine Performance [1]
Universitas Sumatera Utara
40
2.6 Siklus Thermodinamika Gas Turbin
Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat inisiklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine atau
manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada
tekanan konstan.
Gambar 2.28 Sistem Gas Turbin [1]
Jika kita asumsikan efisiensi kompresor
η
c dan efisiensi turbin
η
t pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:
Gambar 2.29 Skematik Diagram Untuk Turbin Gas Sederhana [1]
Universitas Sumatera Utara
41
Gambar 2.30 Diagram TS Turbin Gas Sederhana [1]
Untuk rasio kompresi:
r
p = ..........1
dimana P1 = inlet kompresor P2 = outlet kompresor.
Untuk isentropic efficiency kompresor dan turbin dibesaran 85 dan 90 Rahman et al., 2011:
ɳ
c = ……….2
dimana T1 : temperatur in compressor T2 : temperatur out compressor
T2s: temperatur isentropic compressor output Untuk mencari nilai T2 bisa menggunakan perhitungan persamaan 3 dibawah ini
Universitas Sumatera Utara
42
……….3
……….4 Dimana
γ
a : 1.4 dan
γ
g : 1.33 Untuk kerja kompressor Wc dimana faktor pendinginan pada blade tidak dihitung:
….5 Dimana Cpa adalah panas spesifik dari udara yang didapatkan dari persamaan 6 dan
η
m adalah efisiensi mekanik kompresor dan turbin Rahman et al., 2011. = 1.0189x10
3
–0.13784 +1.9843x10
-4 2
+4.2399x10
-7 3
–3.7632x10
-10 4
..6 dimana
in Kelvin Untuk panas spesifik pada gas buang Cpg Naradasu et al 2007
= 1.8083-2.3127x10
-3
T+4.045x10
-6
T
2
-1.7363x10
-9
T
3
…7 Untuk kesetimbangan energi di combustion chamber adalah:
ṁ +
ṁ xLHV+ṁ =
ṁ ṁ
xTIT
...8 Dimana
:
ṁ
= laju aliran masa bahan bakar Kgs
Universitas Sumatera Utara
43
ṁ
= laju aliran masa udara Kgs LHV
= low heating value T3 = TIT
= Turbine Inlet Temperature Cpf
= Panas spesifik bahan bakar Tf
= Temperatur bahan bakar Setelah menggunakan persamaan 8, nilai rasio bahan bakar bisa didapatkan dengan:
f = ṁ
ṁ
=
…9 Temperatur exhaust gas turbin didapatkan dari persamaan:
...10 Kerja shaft turbin Wt didapatkan dari persamaan:
..11 Untuk kerja besih turbin Wnet didapatkan dari persamaan:
= -
…12 Untuk power output gas turbin:
P = ṁ -
…13 Untuk menentukan Spesific Fuel Consumtion SFC didapat dari persamaan:
SFC = …14
Universitas Sumatera Utara
44
Panas yang terjadi:
..15 Untuk efisiensi gas turbinIbrahim et al., 2010:
ɳ
th = …16
Heat Rate adalah panas yang dikonsumsi untuk menghasilkan energi listrik dapat dihitung dengan Saravanamuttoo et al., 2009:
HR =
ɳ
th
…17 Dari perhitungan secara termodinamika diatas, dapat terlihat pengaruh dari
turunnya nilai temperatur ambient T1 terhadap kenaikan efisiensi gas turbin a
Naiknya daya output turbin MW b
Penurunan Heat Rate yang berdampak pada penurunan nilai SFC yang berdampak langsung kepada penurunan konsumsi bahan bakar Kgs
c Penurunan nilai emisi gas buang Cox dan CO2
d Meminimalisir pengaruh lingkungan terhadap performance turbin
e Menurunkan temperatur exhaust turbin
2.7 Emisi Gas Buang