BAB III ANALISA THERMODINAMIKA
3.1 Spesifikasi Teknik Perancangan
Dengan mempertimbangkan kelebihan dan kekurangan setiap jenis turbin serta pertimbangan pada daya dan putaran yang akan dihasilkan, maka dalam perancangan
ini dipilih jenis turbin aksial reaksi. Adapun spesifikasi teknis dalam perancangan ini adalah mengacu pada hasil data
survey : Type Turbin
: Turbin aksial reaksi
Daya Keluar Generator :
130 MW Putaran n
: 3000 rpm
Perbandingan Kompresi :
10,04 Temperatur Lingkungan
: 30 °C
Bahan bakar :
Gas Alam Cair LNG Tipe Turbin
: Turbin Aksial Tipe Kompresor
: Kompresor Aksial
Tekanan Barometer :
1,013 bar Fluida kerja siklus
: Udara Gas Menurut pesamaan umum gas ideal
T R
v p
m .
. =
, dimana bila temperatur gas rendah, maka massa aliran gas akan naik dan sebaliknya. Hal ini berarti bila temperatur
atmosfir turun maka daya efektif sistem akan naik dan sebaliknya. Temperatur udara yang dihisap kompresor mempunyai pengaruh yang besar terhadap daya efektif yang
dapat dihasilkan pembangkit, sebab laju aliran massa udara yang dihisap oleh kompresor akan berubah sesuai dengan persamaan umum gas ideal.
Universitas Sumatera Utara
3.2 Analisa Thermodinamika
3.2.1 Kompresor Analisa thermodinamika pada kompresor ini tujuannya adalah untuk
menentukan kondisi udara masuk dan keluar kompresor, serta besarnya daya yang digunakan untuk menggerakkan kompresor.
A. Kondisi udara masuk kompresor kawasan Belawan adalah:
Ta : 30°C Pa : 1,013 bar
Pada gambar berikut diperlihatkan proses kompresi pada kompresor
Gambar 3.1 Kondisi Stagnasi pada kompresor -
Kondisi Stagnasi P
01
= P
a
- P
f
dimana : P
f
= Penurunan tekanan pada filter udara = 0,02 bar maka :
P
01
= P
a
- P
f
P
01
= 1,013 – 0,02 = 0,993 bar
Universitas Sumatera Utara
T
01
= γ
η 1
- γ
P Pa
Ta
pf x
01
Dimana ;
η
Pf
= Effisiensi Politropik filter udara = 0,9 bar C
pa
= 1,005 kJkg
γ
a
= γ
= 1,4 atau
1
- γ
γ = 3,5
01
P Pa
= 0,993
1,013 = 1,02 bar
Sehingga : T
01
= 1,4
0,9 1
- 1,4
993 ,
1,013 303,15
x
T
01
= 301,61 K = 28,46 °C
- Kondisi Statik
T
1
= T
01
-
2.Cpa Ca
2
Dimana ; C
a
= Kecepatan aksial udara = 150-200 ms, diambil 150 ms C
pa
= panas udara masuk kompresor 1,005 kJ kg K udara Sehingga :
T
1
= 301,61 -
3 2
10 .
1,005 x
2 150
T
1
= 290,42 K ≈ 17,27 °C
Universitas Sumatera Utara
P
1
= P
01
x 1
- γ
γ T
T
01 1
P
1
= 0,993 x 5
, 3
301,61 290,42
P
1
= 0,87 bar
B. Kondisi udara keluar kompresor :
- Kondisi stagnasi
P
02
= C
R
x P
01
= 10,04 x 0,993 P
02
= 9,97 bar T
02
= T
01
x
γ γ 1
R
C
−
= 301,61 x
4 ,
1 1
4 ,
1
10,04
−
T
02
= 627,27 K ≈ 354,12 °C
- Kondisi statik
T
2
= T
02
- Cpa
x 2
Ca
2
= 627,27 -
3 2
10 .
1,005 x
2 150
T
2
= 616,07 K ≈ 342,92 °C
Universitas Sumatera Utara
P
2
= P
02 1
02 2
T T
−
γ γ
= 9,97
1 4
, 1
4 ,
1
627,27 616,07
−
P
2
= 9,36 bar Kerja yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor per unit mass flow Wtc
adalah: Wtc =
m 02
η Ta
- T
Cpa
Dimana,
η
m
=
effisiensi mekanik Lit.3 hal 56 = 0,99
Temperatur ekuivalen untuk kerja kompresor Δ T
02
atau T
02
- T
a
adalah
T
02
- T
a
=
−
−
1 Pa
P η
Ta
1 02
k
γ γ
=
−
−
1 1,013
9,97 0,85
303,15
4 ,
1 1
4 ,
1
= 328,80 K
Sehingga Wtc
= 99
, 328,80
x 1,005
= 333,78 kJkg
Universitas Sumatera Utara
3.2.2 Ruang Bakar
Analisa ini dimaksudkan untuk menentukan jumlah perbandingan udara, bahan bakar dan temperatur gas yang dihasilkan. Bahan bakar yang digunakan adalah gas
alam cair liquid Natural Gas dengan komposisi sebagai berikut :
Tabel 3.1. Komposisi bahan bakar turbin gas Low Heating Value LHV bahan bakar untuk tiap kg bahan bakar adalah :
47320 kjkg Untuk proses pembakaran gas-gas dengan 100 udara teoritis adalah sebagai
berikut : a.
Metana CH
4
: CH
4
+ O
2
→ CO
2
+ 2 H
2
O 1 lb CH
4
+ 2 mol O
2
→ 1 mol CO
2
+ 2 mol H
2
O 16 lb CH
4
+ 64 lb O
2
→ 44 lb CO
2
+ 36 lb H
2
O 1 lb CH
4
+ 4 lb O
2
→ 2,75 lb CO
2
+ 2,25 lb H
2
O jadi :
1 lb CH
4
membutuhkan 4 lb O
2
, karena O
2
= 23 1 lb CH
4
membutuhkan 10023 × 4 lb udara, atau
1 lb CH
4
membutuhkan 17,39 lb udara Komposisi Gas Alam
Volume Metana
CH
4
Etana C
2
H
6
Propana C
3
H
8
Butana C
4
H
10
Pentana C
5
H
12
Xenana C
6
H
14
CO
2
N
2
+H
2
S 74,44
5,66 2,42
1,22 0,47
0,52 14,90
0,39
Total 100,00
Universitas Sumatera Utara
b. Ethana C
2
H
6
: C
2
H
6
+ 7O
2
→ 4 CO
2
+ 6 H
2
O 60 lb C
2
H
6
+ 224 lb O
2
→ 176 lb CO
2
+ 108 lb H
2
O jadi :
1 lb C
2
H
6
membutuhkan 22460 lb O
2
, maka : 1 lb C
2
H
6
membutuhkan 10023 × 108 lb udara, atau
1 lb C
2
H
6
membutuhkan 16,23 lb udara c.
Propana C
3
H
8
: C
3
H
8
+ 5O
2
→ 3 CO
2
+ 4 H
2
O 44 lb C
3
H
8
+ 160 lb O
2
→ 132 lb CO
2
+ 72 lb H
2
O 1 lb C
3
H
8
+ 3,64 lb O
2
→ 3 lb CO
2
+ 1,64 lb H
2
O jadi :
1 lb C
3
H
8
membutuhkan 3,64 lb O
2
, maka : 1 lb C
3
H
8
membutuhkan 10023 × 3,64 lb udara
1 lb C
3
H
8
membutuhkan 15,82 lb udara d.
Butana C
4
H
10
C
4
H
10
+ 13 O
2
→ 8 CO
2
+ 10 H
2
O 116 lb C
4
H
10
+ 416 lb O
2
→ 264 lb CO
2
+ 144 lb H
2
O 1 lb C
4
H
10
+ 3,59 lb O
2
→ 2,28 lb CO
2
+ 1,24 lb H
2
O jadi :
1 lb C
4
H
10
membutuhkan 10023 × 3,59 lb O
2
udara 1 lb C
4
H
10
membutuhkan 15,60 lb udara e.
Pentana C
5
H
12
: C
5
H
12
+ 8 O
2
→ 5 CO
2
+ 6 H
2
O 72 lb C
5
H
12
+ 256 lb O
2
→ 220 lb CO
2
+ 108 lb H
2
O
Universitas Sumatera Utara
1 lb C
5
H
12
+ 3,59 lb O
2
→ 3.06 lb CO
2
+ 1,5 lb H
2
O jadi :
1 lb C
5
H
12
membutuhkan 3,56 lb udara, maka : 1 lb C
5
H
12
membutuhkan 10023 × 3,56 lb O
2
udara 1 lb C
5
H
12
membutuhkan 15,47 lb udara f.
Hexana C
6
H
14
C
6
H
14
+ 8 O
2
→ 5 CO
2
+ 6 H
2
O 172 lb C
6
H
14
+ 608 lb O
2
→ 528 lb CO
2
+ 252 lb H
2
O 1 lb C
6
H
14
+ 3,54 lb O
2
→ 3.07 lb CO
2
+ 1,47 lb H
2
O jadi :
1 lb C
6
H
14
membutuhkan 3,54 lb udara, maka : 1 lb C
6
H
14
membutuhkan 10023 × 3,54 lb O
2
udara 1 lb C
6
H
14
membutuhkan 15,37 lb udara. Berdasarkan reaksi dari persamaan diatas maka untuk 1 lb gas alam akan
membutuhkan sebanyak, Metana
74,44 × 17,39
= 12,95 Etana
5,66 × 16,23
= 0,92 Propana
2,42 × 15,81
= 0,38 Butana
1,22 × 15,60
= 0,19 Pentana
0,47 × 15,46
= 0,07 Hexana
0,52 × 15,37
= 0,08 CO
2
14,90 × -
= - N
2
+ H
2
S 0,37
× - = -
1 lb 100 Gas alam membutuhkan = 14,59 lb Udara
Maka diperoleh perbandingan massa bahan bakar dan udara mf ma adalah 1 : 14,59 atau mf ma = 0,0685. Untuk pembakaran dengan menggunakan 400 udara teoritis
ma mf
= 1 : 4 × 14,59
= 0,0172 = f
teoritis
Universitas Sumatera Utara
sehingga : f
aktual
=
rb teoritis
η f
dimana efisiensi ruang bakar ditentukan 98 . Menurut lit. 2 hal. 246, besarnya kisaran efisiensi ini diambil adalah untuk ketepatan dalam pengukuran temperatur dan
kecepatan laju gas. Dalam kerja turbin biasanya pengukuran temperatur tersebut diukur dengan thermocouples.
maka : f
aktual
= 98
, 0172
, = 0,01755
Menurut lit.3 hal 55 untuk membatasi temperatur gas pembakaran keluar dari ruang bakar, maka turbin gas memerlukan jumlah udara berkelebihan. Perbandingan berat
bahan bakar–udara dapat berkisar antara f = 50
1 sd
200 1
Universitas Sumatera Utara
3.2.3 Turbin
A. Kondisi gas masuk sistem turbin :
- Kondisi Stagnasi
P
03
= P
02
1- Pl
rb
Dimana ; Pl
rb
= Pressure loss di ruang bakar = 0,02 bar Maka : P
03
= 9,97 1-0,02 = 9,77 bar T
03
= 1323,15 K ≈ 1050°C
- Kondisi statik
T
3
= T
03
- Cpa
x 2
Ca
2
Dimana ; C
a
= kecepatan aksial udara = 150 ms C
pg
= panas spesifik gas = 1,148 kJkg
γ
g
=
1,333 atau 1
γ γ
−
=
4,0 Lit.3 hal 57
Maka : T
3
= T
03
-
3 2
10 .
1,148 x
2 150
T
3
= 1313,35 K ≈ 1040,20°C
P
3
= P
03 1
- γ
γ 03
3
T T
= 9,77
, 4
1323,15 1313,15
= 9,483 bar
Universitas Sumatera Utara
B. Kondisi gas keluar sistem turbin :
- Kondisi Stagnasi
Menurut lit.2 hal 37 untuk perbandingan ambient pressure dengan tekanan gas keluar turbin siklus terbuka yang baik berkisar antara 1,1-1,2. Untuk perencanaan ini
diambil 1,2. Maka,
P
04
= 1,2 x P
a
= 1,2 x 1,013 = 1,2156 bar
Sehingga pressure ratio at exit E
R
adalah : E
R
=
04 03
P P
= 1,2156
9,77 = 8,03 bar
T
04
=
γ Pt
1 -
γ
η R
03
E T
Dimana :
η
Pt
=
Effisiensi politropik = 0,9
T
04
=
1,333 0,9
1 1,333-
8,03 1323,15
T
04
= 828,32 K ≈ 555°C
- Kondisi Statis
T
4
= T
04
- Cpg
x 2
Ca
2
= 828,32 -
3 2
10 .
1,148 x
2 150
= 818,52 K ≈ 545,37°C
Universitas Sumatera Utara
P
4
= P
04 1
04 4
T T
−
γ γ
= 1,2156
1 333
, 1
333 ,
1
828,32 818,52
−
= 1,159 bar
Temperatur ekivalen dari kerja total turbin ΔT
03
-T
04
adalah :
ΔT
034
=
η
t . T
03
−
−
γ γ
1
04 03
P P
1 1
ΔT
034
= 0,95 . 1323,15
−
− 333
, 1
1 333
, 1
2156 ,
1 77
, 9
1 1
ΔT
034
= 509,98 K ≈ 236,83 ° C
Kerja total turbin per unit mass flow adalah Wt = C
pg
x T
034
= 1,148 x 509,98 = 585,4 kJkg
Kerja spesifik output Wt-Wtc adalah Wt-Wtc = 585,4 – 333,78
= 251,62 kJkg
Universitas Sumatera Utara
Pemakaian bahan bakar spesifik spesific fuel consumption adalah : Sfc =
Wtc Wt
f −
= 251,62
0,01755 x
3600
= 0,251 kJkg
Effisiensi thermal siklus
η
th
adalah
η
th
=
LHV x
sfc 3600
= 47320
x 0,251
3600
η
th
= 0,303 = 30,3
Universitas Sumatera Utara
3.3 Generator
Kategori