ANALISIS RANCANGAN RUANG BAKAR TURBIN GAS PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS

  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 2013

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 :

SYAIFUL AMRI NASUTION

   NIM : 100421034

  Diketahui / disahkan Disetujui oleh Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing. Fakultas Teknik USU

  Ketua

  DR. ING. IR. IKHWANSYAH ISRANURI IR. MULFI HAZWI, MSc. NIP. 19641224199211 1 001 NIP. 19491012198103 1 002

  

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

  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 Ir.Syahrul Abda, M.Sc

  NIP. 195708051988111001 NIP. 195512101987101001 Ir. Syahril Gultom. MT

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

  UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FAKULTAS TEKNIK PROGRAM PENDIDIKAN EKSTENSI JURUSAN TEKNIK MESIN MEDAN

  22-04-2013 Assistensi BAB III

  3. kartu ini dikembalikan ke Jurusan NIP. 196412241992111001 bila kegiatan asistensi telah selesai

  2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi Dr. –Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri

  Kartu harus diperlihatkan kepada Dosen Pembimbing setiap asistensi

  Catatan : 1.

  31-05-2013 ACC Seminar

  11

  13-05-2013 lengkapi dengan menggunakan software

  10

  25-04-2013 Assistensi BAB IV

  9

  15-04-2013 Perbaiki metode penulisan literatur

  8

  7

  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

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

  6

  28-03-2013 Assistensi BAB II

  5

  21-03-2013 Perbaikan Latar Belakang dan sistematika penulisan

  4

  18-03-2013 Assistensi BAB I

  3

  04-03-2013 Survey Lapangan ke PLN sicanang

  2

  28-02-2013 Pemberian Spesifikasi Tugas Skripsi

  1

12 Diketahui, Ketua Departemen Teknik Mesin FT. USU

  

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

  o

  menunjukkan temperatur keluar ruang bakar 1323 K dan tekanan keluar ruang bakar 9,969 bar. Hasil simulasi yang dilakukan oleh Ansys menunjukkan

  o

  temperatur rata - rata keluar ruang bakar 1580 K, 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.

  Kata Kunci : Ruang Bakar, Turbin Gas, Termodinamika, Ansys.

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.

  6. Kakak - Kakak saya yang selalu mendoakan dan mendukung penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.

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

  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

  2.1.Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas .........................................................6

  2.4.2Siklus Brayton Aktual ............................................................. . 15

  2.4.1 Siklus Brayton Ideal ............................................................... . 13

  2.4 Siklus Dasar Turbin Gas .................................................................. . 12

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

  2.3.2 Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan Konstruksinya .....10

  2.3.1 Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan Siklusnya .............7

  2.3.Klasifikasi sistem Turbin Gas ..............................................................6

  2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Gas ..............................................5

  BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................1

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................5

  1.6 Sistematika Penulisan ..........................................................................4

  1.5 Manfaat Perancangan...........................................................................3

  1.4 Batasan Masalah .................................................................................3

  1.3 Tujuan ..................................................................................................2

  1.2 Perumusan Masalah ............................................................................1

  1.1 Latar Belakang ....................................................................................1

  2.5 Komponen Utama Turbin Gas .......................................................... . 17

  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

  4.2 Casing ............................................................................................... 52

  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

  

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1. Turbin Gas ................................................................................

  19 Gambar 2.13. Komponen Kompresor Aksial ..................................................

  32 Gambar 3.1. Rotor Kompresor 16 Tingkat ...................................................

  30 Gambar 2.21. Ruang Bakar Tubular Vertikal .................................................

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

  28 Gambar 2.19. Ruang Bakar Annular ...............................................................

  27 Gambar 2.18. Ruang Bakar Turboanular ........................................................

  23 Gambar 2.17. Ruang Bakar Turbular ..............................................................

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

  21 Gambar 2.15. Pendeteksi Nyala Api ...............................................................

  20 Gambar 2.14. Pematik Nyala Api ...................................................................

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

  5 Gambar 2.2. Prinsip Kerja Turbin Gas ..........................................................

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

  12 Gambar 2.10. Diagram Siklus Brayton Ideal ..................................................

  12 Gambar 2.9. Siklus Brayton ..........................................................................

  11 Gambar 2.8. Turbin Gas Tipe Radial ............................................................

  11 Gambar 2.7. Turbin Gas Tipe Axial ..............................................................

  10 Gambar 2.6. Turbin Gas Berporos Ganda .....................................................

  10 Gambar 2.5. Turbin Gas Berporos Tunggal ..................................................

  8 Gambar 2.4. Siklus Kombinasi Turbin Gas ..................................................

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

  40

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

  74 Gambar 4.11. Jendela Awal Ansys .................................................................

  80 Gambar 4.22. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Species pada Inlet Gas 1 ....

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

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

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

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

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

  77 Gambar 4.16. Jendela Untuk Mengatur Material ............................................

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

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

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

  74 Gambar 4.12. Jendela Kerja Solidwork ..........................................................

  73 Gambar 4.10. Ruang Bakar Turbin Gas ..........................................................

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

  72 Gambar 4.9. Sketsa Gambar Kerja ................................................................

  72 Gambar 4.8. Jendela kerja solidwork ............................................................

  71 Gambar 4.7 Jendela Solidwork untuk Membuat Gambar ............................

  69 Gambar 4.6. Penampang Orifice ...................................................................

  67 Gambar 4.5. Burner .......................................................................................

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

  61 Gambar 4.3 Dimensi Ruang Bakar ..............................................................

  58 Gambar 4.2. Liner .........................................................................................

  50 Gambar 4.1. Casing .......................................................................................

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

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

  80

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 Gambar 4.11. Arah Aliran udara Pada Ruang Bakar ......................................

  88

  

DAFTAR TABEL

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

  60 Tabel 4.1. Tabel Harga Kerugian Tekanan Ruang Bakar...........................

  60

DAFTAR NOTASI

  Simbol Keterangan Satuan

  Ac Luas Penampang Casing m

  2 Al Luas Liner m

  2 Apl Luas Pelapis Liner m

  

2

Aan Luas annulus m

  2 Ah Luas Hole m

  2 Ar Perbandingan luas Hole dengan Annulus m

  2 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 LHV Low Heating Value m a Laju aliran udara kg/s m an 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/m

  2

  .K

  4

  µg Viskositas dinamik gas kg/m.s α Faktor kelebihan udara % λ Koefisien penurunan tekanan