Spesifikasi Teknis Perencanaan Analisa Termodinamika

Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Kerugian-kerugian diatas akan mempengaruhi effesiensi dari siklus. BAB III PENETAPAN SPESIFIKASI

3.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan

Sebelum memulai perencanaan mengenai hal-hal yang spesifikasi, khususnya perencanaan turbin pada instalasi turbin gas, maka perlu sekiranya untuk menganalisa sistem secara keseluruhan dengan analisa termodinamika guna mendapatkan suatu kondisi awal perencanaan. Spsesifikasi teknis perencanan yang ditetapkan sesuai dengan data referensi dari buku yang disesuaikan data dari hasil survey study di PLTGU Sicanang Belawan Sumatera Utara. Spesifikasi teknis dari sistem instalasi turbin gas sebagai berikut : • Daya Keluaran Generator : 135,2 MW • Bahan Bakar : Gas • Tipe Turbin : V 94.2 • Putaran Turbin : 3000 rpm Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 • Temperatur masuk Kompressor : 30ºC • Temperatur masuk turbin : 975 ºC • Tekanan Barometer : 1,013 bar Kondisi awal perancangan dapat dilihat pada gambar 3.1 jenis intalasi turbin gas siklus terbuka, berikut: Bahan Bakar W net K T Udara Gas buang Gambar 3.1 Siklus turbin gas rancangan Temperatur udara yang dihisap kompressor mempunyai pengaruh yang besar terhadap daya efektif yang dapat dihasilkan pembangkit, sebab laju aliran masa udara yang dihisap kompressor akan berubah sesuai dengan persamaan gas ideal, yaitu : M = PvRt, yaitu apabila temperatur masuk gas rendah maka massa aliran gas akan naik dan sebaliknya.hal ini berarti bila temperatur atmosfer turun maka daya efektif sistem akan naik dan sebaliknya. R B Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

3.2 Analisa Termodinamika

Gambar 3.2 Diagram T-s aktual Siklus Brayton

3.2.1 Analisa termodinamika pada kompressor.

Analisa termodinamika pada kompressor dimaksudkan untuk menentukan kondisi masuk dan keluar kompressor. Pengambilan asumsi untuk perhitungan termodinamika kompressor adalah didasarkan pada efisiensi politrofik, yaitu efisiensi isentrofik dari sebuah kompressor dan turbin yang dibuat konstan untuk setiap tingkat berikutnya dalam keseluruhan proses. Dalam proses ini terjadi stagnasi dimana enthalpy, tekanan, temperatur dianalisa pada kondisi stagnasi yaitu kondisi fluida yang mengalir dengan suatu kecepatan, mengalami hambatan sehingga disaat itu kecepatan sama dengan nol isentropis. 1. Kondisi udara masuk Kompressor: Pa= Tekanan Barometer 1,013 bar Ta = Temperatur lingkungan 30ºC = 30+ 273 K = 303 K γ = Konstanta Adiabatik 1,4 untuk udara Sehingga : P 1 = P a - P f Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Dimana , P f = Proses tekanan pada saringan udara masuk kompressor = 0.01 bar hasil survey Maka : P 1 = 1,013-0,01 P 1 = 1,003 bar Dengan demikian akan diperoleh suhu keluar saringan udara: T 1 = 303       013 , 1 003 , 1 4 , 1 1 4 , 1 − ……………….. lit 1 hal 226 T 1 = 302,14 K Sehingga dari table property udara lamp. 1 dengan cara interpolasi diperoleh : h 1 = 302,34 kJkg udara 2. Kondisi udara keluar kompressor Untuk mendapatkan nilai efisiensi yang lebih tinggi, maka perbandingan tekanan yang digunakan adalah optimum yaitu : r p = k k T T 1 min max −     ……………….. lit 1 hal 226 Dimana rp 1 = Perbandingan tekanan optimum Tmax= T 3 = Temperatur masuk Turbin= 1248 K Tmin= T 1 = Temperatur masuk Kompressor = 302,14 K Maka, r p = 4 , 1 1 4 , 1 14 , 302 1248 −     r p = 12 P 2 = r p . P1 Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 P 2 = 12. 1,003 P 2 =12.036 bar 1 2 T T =       1 2 P P k k 1 − …………………….Cohen et al, 1989 T 2 =12 4 , 1 1 4 , 1 − . 302,14 T 2 =614,53 K Maka setelah diinterpolasi dari table property udara diperoleh : h 2 = 622,3046 kJkg 3. Kerja Kompressor  Kondisi Ideal Kompressor Kerja Kompressor ideal adalah : W ki = h 2 -h 1 =622,3046- 302,34 = 319,946 kJkg  Kondisi Aktual Perencanaan Untuk menentukan keadaan pada titik 2, yaitu keadaan aktualnya maka ditetapkan η k = 0,88 antara 0,85-0,90 untuk kompressor aksial Maka kerja aktual kompressor adalah : Wka= 88 . 9646 , 319 Wka=363,5961 KJkg Sehingga akan diperoleh h a 2 : h a 2 = Wka + h 1 h a 2 =363,5961 +302,34 h a 2 = 665,9361 kJkg Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Dari table property udara dengan cara interpolasi diperoleh temperatur aktual perencanaan keluar kompressor T 2 a yaitu sebesar : T 2 a = 655,73 K = 382,73ºC Dari perhitungan maka dapat digambarkan diagram h-s sebagai berikut. Gambar 3.3 Diagram h-s pada kompressor

3.2.2 Proses Pada ruang bakar

Daya yang dihasilkan turbin tergantung dari entalphi pembakaran. Untuk itu perlu dianalisa reaksi pembakaran yang terjadi pada ruang bakar. Dari analisa ini akan didapat perbandingan bahan bakar dengan udara yang dibutuhkan yang dipergunakan, sehingga diperoleh laju aliran massa yang dialirkan ke turbin. Bahan bakar yanag dipakai adalah gas alam dengan komposisi pada table 3.2 berikut . Tabel 3.2 Komposisi Bahan Bakar NO Komposisi Volume 1 CO2 2,86 2 N2 1,80 3 CH4 88,19 4 C2H6 3,88 5 C3H8 2,1 6 C4H10 0,83 Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 7 C5H12 0,25 8 C6H14 0,05 9 C7H16 0,04 Σ = 100 LHV 45.700 kjkg Sumber PT PLN Persero Sicanang. Dengan reaksi pembakaran komponen bahan bakar adalah : Untuk CH4 0,8819 CH4 + a O2 + 3,76 N2 →b CO2 + c H2O + d N2 Persamaan reaksi diatas disetarakan sebagai berikut : Unsur C : b = 0,8819 Unsur H : 2c = 4b C = 1,7638 Unsur O : 2a = 2b+c A = 1,7638 Unsur N2 : d = 3,76 a D = 6,6318 Sehingga persamaan reaksi stoikiometri yang terjadi : 0,8819 CH4 + 1,7638 O2+3,76 N2 → 0,8819 CO2 + 1,7638 H2O+6,631 N2 Maka akan diperoleh massa bahan bakar CH4 : Untuk massa CH4 = 0,8819 x 16 = 14,1104 kgCH41mol bahan bakar Dengan cara yang sama akan diperoleh hasil pada table 3,3 berikut. Tabel 3.3 Kebutuhan udara pembakaran Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 No Komposisi B.bakar Fraksi Mol B.Bakar Volume Mol udara yang dibutuhkan Massa B. Bakar kgCmHn1 mol BB 1 CO2 0,0286 - 1,2584 2 N2 0,018 - 0,504 3 CH4 0,8819 1,7638 14,1104 4 C2H6 0,0388 0,1358 1,164 5 C3H8 0,021 0,105 0,924 6 C4H10 0,0083 0,05395 0,4814 7 C5H12 0,0025 0,02 0,18 8 C6H14 0,0005 0,00475 0,043 9 C7H16 0,0004 0,0044 0,04 Σ = 1 Σ = 2,08628 Σ =18,7052 Sedangkan massa udara yang dibutuhkan adalah : Massa= Mol x Mr = 2,08628 x 32 + 3,76.28 = 286,4045 kg Maka, AFR TH = Bakar MassaBahan MassaUdara = 7025 , 18 4045 , 286 =15,3137 kg Udarakg bahan bakar Untuk menghitung perbandingan bahan bakar aktual, dengan menghitung temperatur udara keluar dari kompressor 382,73ºC dan dengan pertimbangan bahan yang dipakai sudu, ditetapkan temperatur gas masuk turbin 975ºC. Maka dapat ditentukan faktor kelebihan udara excess air sebesar 3,334 sehingga : Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 λ = AFRth AFRth akt AFR − x 100 3,334 = 3137 , 15 3137 , 15 − AFRakt x 100 AFR akt = 3,334 x 15,3137 + 15,3137 AFR akt = 66,3741 AFR akt = 0,015066 Gambar 3.4 Grafik faktor kelebihan udara Sumber : Turbin pompa dan compressor, Fritz Dietzel Kerugian tekanan pada ruang bakar gambar 3.3 sebesar 2-3 lit 1, hal 198 diambil 2 , maka : P 3 = P a 2 - ∆ Pb = 12,0- 0,02 X 12,0 =11,8 bar Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Gambar 3.5 Kerugian tekan pada ruang bakar Sehingga tekanan pada titik 3 : T 3 = 975 + 273 = 1248 K Drai table property udara dengan cara interpolasi maka kan diperoleh : h 3 = 1334,354 kJkg

3.2.3 Analisa termodinamika pada Turbin 1. Temperatur dan tekanan udara keluar Turbin

Tekanan keluar turbin ideal sama dengan tekanan atmosfer, sehingga : P 4 =Pa= 1,013 bar 3 4 T T = k k P P 1 3 4 −       T 4 = 4 , 1 1 4 , 1 013 , 1 8 , 11 −     x 1248 T 4 = 618,8213 K Dengan cara interpolasi dari table udara diperoleh enthalpy keluar turbin h 4 = 626,82944 kJkg

2. Kerja Turbin

Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009  Kondisi Kerja Ideal Turbin W 1 T = 1334,354-626,82944 = 707,524558 kJkg  Kondisi Kerja Aktual Turbin Untuk menentukan kerja turbin yang sebenarnya, maka ditentukan efisiensi isentropis turbin yakni dipilih 0,85 antara 0,82-0,89 η = effisiensi turbin = 0,85 Maka : W Ta = 0,85 x 707,524558 kJkg = 601,3958 kJkg Sehingga diperoleh entalphi dan temperatur perencanaan : h a 4 = h 3 - W Ta = 1334,354-601,3958 = 732,9582 kJkg Dari table property udara dengan cara interpolasi diperoleh temperatur udara keluar turbin secara aktual sebesar : T a 4 =705,14 K= 432,14 ºC Dari perhitungan maka dapat digambarkan diagram h-s nya sebagai berikut. h kJkg. h3 = 1334,354 h4a =732,9582 h4 =626,8294 Gambar 3.6 Diagram h-s pada turbin

3.2.4. Generator Listrik

Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Dalam suatu poses pembebanan listrik arus bolak balik ada suatu unsur yang terlihat dalam proses konversi daya, yaitu : 1. Daya nyata yang diukur dengan Watt, dikatakan daya nyata, karena besaran inilah yang terlibat dalam proses konversi daya. 2. Daya reaktif yang sebenarnya tidak mempengaruhi suatu proses konversi daya, tetapi adalah suatu kebutuhan yang harus dilayani secara ekonomis dapat dikatakan bahwa daya reaktif hanya membebani biaya investasi dan bukan biaya operasi. Suatu beban membutuhkan daya reaktif yang besar karena dua hal, yaitu : a. Karakteristik beban itu sendiri yang tidak biasa dielakkan b. Proses Konversi daya didalam alat itu sendiri. Dari kesimpulan diatas diperoleh bahwa daya yang harus disuplai oleh turbin kepada generator harus dapat memenuhi kebutuhan daya nyata dan daya reaktif.  Daya keluaran nyata generator : P G = 135,2 MW  Daya semu generator : P S = φ Cos P G = 8 , 2 , 135 =169,2 MW  Daya netto turbin P E = φ η η Cos P Tr G G . Dimana : η G = Effisiensi generator direncanakan 0,98 η Tr = Effisiensi transmisi direncanakan 1 karena turbin dan generator dikopel langsung Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Cos φ = 0,8-0,9 dipilih 0,8 Maka P E = 8 , . 1 . 98 , 2 , 135 = 172,448 MW Laju Aliran Massa Udara dan Bahan Bakar Laju aliran massa udara dan bahan bakar ini akan dipergunakan untuk menentukan daya dari kompressor dan turbin, serta dalam perancangan sudu turbin. Ma = Wka Wta ma mf P E −     + 1 Dengan : P E = 172,448 MW ma mf = FAR akt= 0,015066 Dan AFR akt = 66,3741 Sehingga m a = [ ] 363,5961 - 601,3958 015066 , 1 172448 + m a = 382 , 241 172448 m a = 714,419 kgs M f = m a x FAR akt = 714,419. 0,015066 = 10,7634 kgs

3.2.6 Kesetimbangan Energi Pada Ruang Bakar

Ruang bakar tidak menghasilkan dan tidak memerlukan energi mekanis, jadi w= 0, jika proses pembakaran dianggap adiabatik maka ∆ EP ≅ 0 karena Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 relative kecil dibanding dengan besaran lainnya. Maka persamaan untuk ruang bakar dapat dituliskan menurut lit.1 hal 74 : Σ m produk x h produk = Σ m reaktan x h reaktan udara masuk h a 2 = 665,9361 m a =714,419 kgs Gas Pembakaran keluar h 3 = 1334,354 B. Bakar masuk m f = 10,7634 kgs Maka, ma.h a 2 + mf LHV= ma+mf h 3 714,419. 665,9361 +10,7634.45700 = 714,419+ 10,7634 1334,354 967649,78 = 967650,036 967650 = 967650 Artinya dalam ruang bakar terjadi kesetimbangan energi

3.2.7 Udara Pembakaran

Udara pembakaran adalah perbandingan antara AFR akt dengan AFR TH yang digunakan untuk menentukan persentase udara pembakaran τ = AFRth AFRakt = 3137 , 15 3741 , 66 =4,334

3.2.8 Kerja Netto

Kerja spesifik netto adalah selisih antar kerja spesifik turbin dengan kerja spesifik kompressor yang digunakan untuk menentukan nilai effisiensi siklus. Wnet = WTa- Wka lit.3 hal 478 RB Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 = 601,3958- 363,5961 = 237,7997 kJkg

3.2.9. Back work Ratio

Backwork ratio merupakan nilai persentase kerja spesifik turbin yang digunakan untuk menggerakkan kompressor. r bw = Ta W Wka lit.3 hal 478 = 3958 , 601 5961 , 363 =0,6045

3.2.10. Effisiensi Thermal siklus

Effisiensi thermal ini merupakan effisiensi total dari siklus yangterjadi pada analisa termodinamika tersebut. η = QRb Wnet x 100 lit.3 hal 479 = a h h Wnet 2 3 − = 100 9361 , 665 354 , 1334 7997 , 237 − =35,5

3.2.11. Panas Masuk

Panas masuk adalah suplai panas dari ruang bakar sebesar : Q in = QRB = h 3 - h a 2 lit 3. hal 479 = 1334,354 kJkg-665,9361 kJkg =668,4179 kJkg

3.2.12 Panas Keluar

Panas Keluar dari turbin gas sebesar : Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Q out = h a 4 -h 1 lit.3 hal 479 = 732,9582 kJkg -302,34 kJkg = 430,6182 kJkg

3.2.13. Daya Tiap Komponen Instalasi Turbin Gas 1. Daya Kompressor

Daya Kompressor dari instalasi turbin gas adalah : Pk = m a .W ka = 714,419 kgs. 363,5961 kJkg = 259759,9 kW = 259,759 MW 2.Daya Turbin Gas Daya bruto dari instalasi turbin gas adalah : P T = P K + P E = 259,759 MW +172,448 MW = 432,207 MW  Pembuktian Daya Turbin. W turbin = m a + m f . W Ta =714,419 kgs +10,7634 kgs . 601,3958 kJkg = 725,1824 kgs . 601,3958 kJkg = 436121,64 kJs = 436121,64 kW = 436,121 MW Hasilnya Mendekati dengan nilai Daya Turbin Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Hasil Analisa Termodinamika Setelah diadakan analisa termodinamika, sebagai langkah awal perencanaan, maka diperoleh hasil- hasil sebagai berikut : Temperatur Lingkungan T a : 303 K Temperatur keluar kompressorT 2 : 614,53 K Kerja Kompressor Aktual W ka : 363,5961 kJkg udara Suplai panas dari ruang bakar Q Rb : 668,4179 kJkg udara AFR akt : 66,3741 kg udara kg bahanbakar FAR akt : 0,015066 kg bahanbakar kg udara Temperatur gas masuk turbin T 3 : 1248 K Temperatur gas buang turbin T a 4 : 705,14 K Kerja turbin aktual W Ta : 601,3958 kJkg udara Laju Aliran massa udara m a : 714,419 kgs Laju aliran massa bahan bakar m f : 10,7634 kgs Daya kompressor P K : 259759,9 kW Daya Turbin P T : 432,207 MW Daya nyata generator P G : 135,2 MW Daya poros efektif turbin gas P E : 172,448 MW Efisiensi thermal siklus η th sikl : 35,5 Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

BAB IV PERENCANAAN TURBIN

4.1. Parameter Perencanaan Turbin

Dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial jenis 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 terlalu besar. Turbin aksial yang direncanakan adalah bertingkat banyak, 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 dalam bentuk putaran poros turbin. Turbin aksial terdiri dari turbin reteau turbin dengan tekanan bertingkat, turbin curtis turbin dengan kecepatan bertingkat, turbin reaksi turbin yang proses ekspansinya terjadi tidak hanya pada laluan sudu diam, tetapi juga pada laluan sudu gerak sehingga penurunan seluruh kandungan kalor pada semua tingkat terdistribusi secara merata