BAB V SISTEM TURBIN UAP
I. PENDAHULUAN Materi pembelajaran pada modul ini menguraikan tentang Sistem Turbin uap dan Prestasi Sistem Turbin Uap. Pada materi ini dibahas Turbin Implus, Turbin Reaksi, Siklus Rankine, penyimpangan siklus ideal, tipe turbin uap. Penguasaan materi ini akan membantu mahasiswa dalam menjelaskan prinsip kerja dan prestasi sistem turbin uap, yang
digunakan
pada
kapal.
Untuk
mencapai
kemampuan
mahasiswa
yang
efektif/efisien akan dirancang proses pembelajaran pembelajara n yang inovatif bernuansa learning. Bentuk pembelajaran dalam bentuk kuliah dibarengi dengan diskusi dan tugas mandiri, dimana mahasiswa perlu dijelaskan materi perkuliahan bagaimana pentingnya pentingnya sistem turbin uap pada penggerak turbin bagi mahasiswa dan sasaran pembelajaran secara keseluruhan yang harus dicapai setelah mempelajari matakuliah ini. Sasaran pembelajaran yang diharapkan dapat dicapai/dikuasai oleh setiap mahasiswa mampu menjelaskan dan memahami sistem turbin uap dan prestasi sistem turbin uap. Untuk mencapai kompetensi lulusan Program Studi sebagai desainer mesin penggerak kapal adalah: 1)
Mampu menjelaskan prinsip kerja system turbin uap
2)
Mampu menjelaskan turbin impuls dan turbin reaksi
3)
Mampu menjelaskan Prestasi sistem turbin uap
4)
Mampu menghitung prestasi sistem turbin uap
Deskripsi:
Dalam
perkuliahan
dibahas
mesin
penggerak
kapal
yang
materi
pembelajarannya adalah Turbin Implus, Turbin Reaksi, Siklus Rankine, Penyimpangan Siklus Ideal, Tipe Turbin Uap. Untuk dapat mengikuti kuliah ini dengan baik mahasiswa harus telah memahami, hukum termodinamika I dan distribusi aliran fluida. Kemampuan yang diperoleh dari materi ini selanjutnya dapat digunakan sebagai pengetahuan dalam menjelaskan prinsip kerja system turbin uap Strategi yang digunakan dalam pencapaian kompetensi matakuliah adalah menggunakan mesin metode Kuliah yang dibarengi dengan diskusi dan tugas mandiri
66
untuk memperkenalkan/menguraikan sistem turbin uap dan prestasi sistem turbin uap serta lebih memahami kinerja sistem turbin uap yang digunakan pada suatu mesin kapal. Mata kuliah ini diberikan pada minggu
VIII, IX, X perkuliahan mahasiswa
semester empat..
II. URAIAN BAHAN PEMBELAJARAN
Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin l angsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industry, untuk pembangkit tenaga listrik dan transportasi. Pengubahan energi potensial uap menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros dilakukan dalam berbagai cara. Pada system turbin uap, turbin hanyalah merupakan salah satu komponen dari suatu system tenaga karena system ini terdiri dari beberapa komponen utama lainnya yaitu boiler (ketel), kondensor, pompa air boiler (gambar 5.1). Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja turbin dihasilkan oleh boiler, sebuah alat yang berfungsi mengubah air menjadi uap. Kondisi Kondisi uap yang yang dihasilkan pada umumnya umumnya berkisar antara antara 15 kg/cm 2 dan 1250C untuk unit daya rendah, sampai 325 kg/cm 2 dan 650 0C untuk unit modern daya tinggi. Uap yang dihasilkan dalam boiler masuk ke dalam turbin, dimana energi uap diubah menjadi energi mekanis. Daya yang dihasilkan oleh turbin dapat mencapai 1300 MW, bahkan ada rencana 2500 MW per unit, sedangkan kecepatan putar poros berkisar antara 3000 sampai 20.000 putaran putaran per.menit atau lebih tinggi.
. Gambar 5.1: 5.1:
Skema sebuah sistem turbin uap sederhana yang bekerja berdasarkan siklus Rankine 67
Di dalam turbin, tekanan dan temperatur uap turun, setelah itu uap meninggalkan turbin dan masuk ke dalam kondensor. Kondensor adalah sebuah alat yang berfungsi mengembungkan uap dengan jalan mendinginkannya. Air pengembunan yang terjadi di dalam kondensor dinamai air kondensat. Maka dengan pertolongan sebuah pompa, air kondensat dialirkan kembali kedalam boiler (ketel uap). Kemungkinan terdapat kebocoran uap, maka perlu di masukkkan air tambahan (make up water ), sebanyak 3-4 % kapasitas produksi uap atau lebih, sesuai dengan system yang dipergunakan. Secara umum Turbin uap diklasifikasikan ke dalam dua jenis: turbin impuls dan turbin reaksi yang tergantung pada cara perolehan pengubahan energi potensial menjadi energi kinetik semburan uap. V.1. Turbin Impuls dan Turbin Reaksi
Turbin uap dapat merupakan turbin impuls atau turbin reaksi. Turbin impuls adalah turbin di mana proses ekspansi (penurunan Tekanan) dari fluida kerjanhanya terjadi di dalam baris sudu tetap saja. Sedangkan turbin reaksi adalah turbin di mana proses ekspansi dari fluida kerja terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak. 1. Turbin Impuls
Turbin impuls dapat merupakan turbin impuls sederhana (bertingkat tunggal), turbin impuls kecepatan bertingkat (turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau). Keadaan aliran uap di dalam turbin tersebut dapat di terangkan dengan menggunakan grafik tekanan dan kecepatan absolute seperti terlukis pada gamabr 5.2. seperti terlihat pada gamabr 5.2, di dalam turbin impuls sederhana uap diekspansikan di dalam satu nosel (atau satu baris nosel, masing-masing bekerja dengan tekanan yang sama) yang tidak berputar. Kecepatan uap naik karena nosel adalah alat yang berfungsi menaikkan kecepatan uap. Setelah uap itu, mengalir ke dalam baris sudu gerak pada tekanan konstan. Tetapi kecepatan absolutnya turun oleh karena energi kinetic uap diubah menjadi kerja memutar turbin masih berkecepatan tinggi, jadi masih mengandung energi.
68
Gambar 5.2: Turbin Impuls sederhana Salah satu cara mencegah kerugian energi yang terlalu besar adalah dengan mengekspansi uap secara bertahap di dalam turbin bertingkat ganda. Jadi, dengan turbin bertingkat ganda energi fluida kerja yang tidak terserap oleh baris sudu gerak pada tingkat berikutnya. Selain itu perlu diterangkan bahwa kemampuan sudu menyerap energi fluida kerja juga terbatas. Maka dengan turbin bartingkat ganda, diharapkan proses penyerapan energi tersebut (atau proses pengubahan energi fluida kerja menjadi kerja mekanis) dapat berlangsung efisien. Gambar 5.3 melukiskan perubahan tekanan dan kecepatan absolute dari uap di dalam turbin impuls kecepatan bertingkat. Dalam hal tersebut uap hanya diekspansikan di dalam nosel (baris sudu tetap yang pertama) dan selanjutnya tekanan konstan. Namun demikian, turbin tersebut masih termasuk dalam golongan turbin impuls karena di dalam baris sudu gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan).
69
Gambar 5.3: Grafik tekanan (P), kecepatan absolut (C) kecepatan relatif (v) fluida kerja di dalam turbin impuls kecepatan bertingkat.
Meskipun tekanan uap di dalam sudu gerak konstan, kecepatan absolut turun karena sebagian dari energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin. Kecepatan uap di dalam baris sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan. Dalam hal tersebut terakhir sudu tetap dibentuk sedemikian rupa sehingga tidak terjadi ekspansi. Gambar 5.4 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut uap di dalam turbin impuls tekanan bertingkat. Di dalam hal ter sebut terlihat bahwa tekanan uap turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja, sedang di dalam baris sudu gerak tadi terjadi penurunan tekanan oleh karena itu turbin tersebut termasuk golongan turbin impuls.
70
Gambar 5.4: Grafik tekanan (P), kecepatan absolut (C) kecepatan relatif (v) dan volume spesifik fluida kerja (1/Ɣ) di dalam turbin impuls tekanan bertingkat. Baris sudu tetap berfungsi sebagai nosel; jadi, di sini kecepatan uap naik karena tekanan turun. Dengan mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan kecepatan absolut uap yang tidak terlampau besar, sehingga kerugian gesekannya pun akan berkurang. Dalam hal sebuah turbin dapat pula terdiri dari kombinasi baris sudu impuls kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat seperti telihat pada gambar 5.5. Hal tersebut ditujukan untuk memperoleh segi yang menguntungkan dari kedua jenis sudu tersebut, misalnya untuk mendapatkan unit yang lebih kompak dan murah. Selain itu, baris sudu Curtis dipasang di depan baris sudu Rateau supaya tekanan uap dapat segera di turunkan pada tingkat yang pertama, untuk melindungi rumah turbin impuls dapat dilihat pada gambar 5.6.
71
Gambar 5.5: Grafik tekanan (P), kecepatan absolut (C) dan kecepatan relatif (v) fluida kerja di dalam turbin impuls yang terjadi dari gabungan proses kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat.
Gambar 5.6: Sudu gerak turbin impuls 2. Turbin Reaksi
Di dalam turbin reaksi proses ekspansi (penurunan tekanan) terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak. Turbin reaksi juga dinamai turbin Parsons sesuai
72
dengan nama pembuatnya yang pertama, yaitu Sir Charles Parsons. Grafik tekanan dan kecepatan absolute dari uap di dalam turbin reaksi dapat dili hat pada gamabar 5.7.
Gambar 5.7: Grafik tekanan (P), kecepatan absolut (C) dan kecepatan relatif (v) fluida kerja di dalam turbin reaksi (Turbin Parsons) Ciri dari sudu gerak turbin reaksi dapat dilihat pada gambar 5.8. pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi sebagai nosel, sehingga kecepatan relative uap ke luar setiap sudu lebih besar dari kecepatan relative uap masuk sudu yang bersangkutan.
Gambar 5.8: Turbin dengan roda Curtis dan Parsons.
Gambar 5.9: Sudu gerak turbin reaksi; (a) Penampang sudu gerak dengan hidung yang bulat (efesiensinya tidak begitu tinggi, tetapi boleh dikatakan hampir konstan)
73
(b) Penampang sudu gerak dengan hidung yang tajam (sangat efisien pada suatu kondisi operasi saja) Meskipun demikian, kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil dari pada kecepatan absolut uap masuk sudu gerak bersangkutan, oleh karena sebagian energi kinetik diubah menjadi kerja memutar roda turbin. Tekanan uap keluar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu yang bersangkutan, sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada bantalan (lihart gambar diagram gaya pada gambar 3.7) Untuk mengetahui berapa besar penurunan entalpi uap di dalam baris sudu gerak, di dalam satu tingkat lazimnya dipakai parameter derajat reaksi yang didefenisikan sebagai:
Atau
satu tingkat
……………………………………………
(5.1)
…………………………………………...
(5.2)
Atau
satu tingkat
Dengan mensubtitusikan persamaan persamaan (3.28) dan (3.29) ke dalam persamaan (3.13)
satu tingkatt
…………………………………….
(5.3)
Di mana, H, ht = berturut-turut adalah entalpi dan entalpi total dari uap persatuan berat fluida kerja. C, v = berturut-turut adalah kecepatan absolut dan kecepatan relativ dari uap. W = kerja yang dihasilkan oleh rotor dari tingkat yang bersangkutan per satuan berat fluida kerja. Subskrip i, e = berturut-turut menyatakan bagian masuk dan keluar sudu gerak. Jadi, dari persamaan tersebut di atas dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: a DR = 0 berarti ve = vi 74
dalam hal ini P e = Pi, yaitu tidak terjadi penurunan tekanan di dalam sudu gerak. Sehingga merupakan sudu impuls (impuls 100%). b DR = 1.00 berarti Ce = Ci. artinya, penurunan tekanan hanya terjadi di dalam sudu gerak (impuls 0%) Namun demikian, dalam praktek tidak di jumpai turbin reaksi 100 % maupun turbin impuls 100 %. Hal tersebut disebabkan karena selalu ada gesekan antara fluida kerja dengan stator dan rotor, sehingga di dalam sudu tetap maupun sudu gerak terjadi penurunan tekanan. Turbin impuls biasanya bekerja dengan derajat reaksi antara 5-10 %. Untuk turbin reaksi, kebanyakan menggunakan derajat reaksi 50 %, dapat diperoleh pengubahan energi fluida kerja menjadi kerja mekanis yang sebaik-baiknya apabila C i = u. sedangkan untuk turbin impuls hal tersebut tercapai pada C i = u/2. Di samping itu, untuk sebuah sudu gerak derajat reaksi juga dapat bervariasi; misalnya DR = 0 pada dasar sudu, kemudian bertambah besar pada penampang sudu, yang lain menuju puncak sudu. II.2. Prestasi Sistem Turbin Uap
Siklus Rankine menggambarkan siklus ideal dari system turbin uap, yang terdiri dari beberapa proses yaitu; pemompaan, pemasukan kalor, ekspansi dan pengeluaran. Kerja yang dihasilkan oleh suatu turbin uap tergantung dari luasan diagram temperatur – entropi (T-s) sedang energi yang dimasukkan kedalam system menggunakan pemanas lanjut atau tanpa pemanas lanjut 1. Siklus Rankine
Siklus ideal dari suatu system turbin uap sederhana adalah siklus rankine. Siklus rankine dapat di gambarkan pada diagram T vs s, seperti terlihat pada gambar 5.10, atau pada diagram h vs s, seperti terlihat pada gambar 5.11.
75
Gambar 5.10: Diagram temperatur versus entropi dari siklus rankine
Gambar 5.11: Diagram entalpi versus entropi dari siklus rankine
Daerah di bawah garis lengkungan k – K – k’ pada diagram T – s dan h – s merupakan daerah campuran fasa cair dan uap. Uap didalam daerah tersebut biasanya juga dinamakan basah. Garis k – K dinamai garis cair (jenuh), di mana pada sebelah kanan garis tersebut air ada dalam fasa uap (gas). Uap di dalam daerah tersebut terakhir biasa dinamai uap kering. Titik K dinamai titik kritis, di mana temperatur dan tekanan pada titik tersebut berturut-turut dinamai temperatur kritis dan tekanan kritis. Pada titik kritis keadaan cair jenuh dan uap jenuh adalah identik. Untuk air, tekanan kritisnya P c 218,3 atm (=3206,2 psia) dan temperatur kritisnya T c =374,2oC (=705,4oC). pada tekanan lebih tinggi dari P c tidak dapat diketahui bila mana dan di mna terjadi perubahan dari fasa cair ke fasa uap. Tetapi dalam hal tersebut biasanya dikatakan bahwa air dalam fasa cair apabila temperaturnya di bawah Tc dan ada dalam fasa uap apabila dalam temperaturnya lebih tinggi daripada T c. Siklus Rankine terdiri dari beberapa proses sebagai berikut: 1
2 Proses pemompaan isentropik, di dalam pompa
1 2’ boiler 3
3 Proses pemasukan kalor atau pemanasan pada tekanan konstan, di dalam
4 Proses ekspansi isentropic di dalam turbin atau mesin uap lainnya
76
4 1 Proses pengeluaran kalor atau pengembunan pada tekanan konstan, di dalam kondensor Meskipun demikian, masih banyak variasi dari siklus rankine tersebut di atas. Misalkan kemungkinan diadakan pemanasan lanjut dari 3 menjadi:
3’ sehingga siklusnya
1 – 2 – 2’ – 3 – 3’ – 4’ -1
Menurut hukum pertama termodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu proses siklus adalah sama dengan jumlah perpindahan kalor pada fluida kerja selama proses siklus tersebut berlangsung. Jadi untuk proses siklus 1 – 2 – 2’ – 3 – 4 – 1, w = ∮ T ds
…………………………………………………………
(5.4a)
= luas 1 – 2 – 2’ – 3 – 4 – pada diagram T - s = kerja per satuan berat fluida kerja. Makin besar luas diagram tersebut makin besar pula kerja yang dihasilkan. Hal tersebut dapat di peroleh misalnya dengan pemanasan lanjut (3
3’), sehingga kerja yang
dihasilkan adalah w’ = luas 1 – 2 – 2’ – 3 – 3’ – 4 ‘ – 1 pada diagram
T
- s
…………..
(5.4b)
sedangkan energi yang dimasukkan kedalam system (proses pemanasan fluida kerja), Tanpa Pemanasan Lanjut adalah, qm = luas α – 2 – 2’ – 3 – b – α pada diagram T - s dan untuk system Pemanasan Lanjut , q’m = luas α – 2 – 2’ – 3 – 3’ – c – α Apabila efisiensi termal (ᶯ t) didefenisikan sebagai kerja yang dihasilkan dibagi dengan energi yang dimasukkan, maka untuk system tanpa pemanasan lanjut,
Dan untuk system dengan pemanasan lanjut,
Kerja yang dihasilkan oleh system dapat pula ditunjukkan dengan menggunakan diagram h – s seperti terlukis pada gambar 5.12. diagram h – s untuk uap air biasanya
77
dinamai diagram Mollier, seperti terlihat pada gambar 5.13. kerja yang dihasilkan oleh turbin uap adalah W = wT – w p
……………………………………………………………………
(5.7)
WT = kerja yang dihasilkan oleh turbin per satuan berat fluida kerja WP = kerja yang diperlukan untuk menggerakkan pompa, per satuan berat fluida kerja.
Gambar 5.12: Diagram Mollier uap air (H2O). Diambil dari Joseph H. Keenan dan Joseph Keyes; Sifat- sifat termodinamika uap air, John Wiley & Son, Ins., New York, 1963
78
Dari persamaan energi yang umum untuk proses aliran tunak (steady), apabila proses isentropiknya dan perubahan energi potensial dari fluida kerjanya dapat diabaikan, maka untuk system turbin uap tanpa pemanasan lanjut (lihat gambar 5.11), WT = h t3 – h t4
……………………………………………
(5.8)
……………………………………………
(5.9)
Dan WP = h t2 – h t1
Sedangkan energi yang di masukkan adalah qm = h t3 – h t2
…………………………………………….
(5.10)
sehingga efisiensi termal dari system turbin uap tersebut adalah
( )
…………………………….
(5.11)
Di mana, ht = entalpi total (stagnasi) fluida kerja per satuan berat Untuk system uap pemanasan lanjut w’T = h t3’ – h t4’ w’P = h t2 – h t1 q’m = h t3 – h t2 sehingga efiensi termalnya adalah :
( )
…………………………….
(5.12)
Harga entalpi tersebut diatas dapat di cari pada tabel uap atau diagram Mollier (gambar 5.12), yaitu apabila tekanan dan temperature uap diketahui. Sebagai contoh, pada P= 30 kg/cm2 dan T = 375 oC, h= 757 kcal/kg. Dari persamaan (3.8) dan (3.9) dapat dilihat bahwa efisiensi siklus Rankine dapat dinaikkan dengan jalan menaikkan (P 3, T3) atau (P3’ T3’) dan menurunkan (P4, T4) atau (P4’ T4’). Oleh karena itu system turbin uap biasanya bekerja bekerja dengan kondensor bertekanan vakum. Sedangkan temperatur dan tekanan kerja maksimal sangat tergantung pada jenis dan kekuatan material. Hal tersebut terakhir menjadi faktor pertimbangan penting dalam perancangan system turbin pada tekanan dan temperatur di atas tekanan dan temperatur kritis. Diagram siklus Rankine yang bekerja dengan tekanan superkritis dapat dilihat pada gambar 5.13 79
Gambar 5.13: Diagram temperatur versus entropi dari siklus Rankine dengan tekanan superkritis Di samping material tahan temperatur tinggi, kemurnian air ketel merupakan syarat penting yang lain, sebab penggunaan air ketel mengandung kotoran dapat merusak ketel dan turbin. Jadi, sangat mahal biaya infestasinya, meskipun instalasi ini sangat efisien. Tetapi dengan membuatnya lebih kompak besar kemungkinan biaya tersebut dapat ditekan. 2. Penyimpangan dari Siklus Ideal
Dalam kenyataannya siklus system turbin uap menyimpang dari siklus ideal (Rankine) antara lain karena adanya beberapa faktor tersebut di bawah ini: 1. Kerugian dalam pipa/saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfer sekitarnya. Dengan demikian temperatur uap masuk turbin menjadi rendah daripada keadaan yang ideal, yaitu pada titik 5, gambar 5.14 (b). 2. Di dalam ketel uap (boiler) juga terjadi kerugian tekanan. Dengan demikian air masuk ke dalam boiler harus bertekanan lebih tinggi dari pada tekanan uap yang harus di hasilkan, sehingga diperlukan kerja pompa yang lebih besar pula. 3. Kerugian energi di dalam turbin terutama terjadi karena adanya gesekan antara fluida kerja dan bagian dari turbin. Sedangkan kerugian kalor ke atmosfer sekitar tidak begitu besar jika di bandingkan dengan kerugian gesekan. Jadi, kondisi uap keluar dari turbin tidaklah pada titik 6s, tetapi pada titik 6 seperti terlihat pada gambar 5.14c. Maka efisiensi turbin di defenisikan sebagai
80
Di mana wTS = J(hTS – hT6S) = kerja yang dihasilkan turbin apabila proses is entropic. 4. Kerugian yang serupa juga dialami oleh pompa. Maka efisiensi pompa didefenisikan sebagai
Di mana wPS = J(ht2s – ht1) kerja yang diperlukan untuk menggerakkan pompa apabila prosesnya isentropic.
Gambar 5.14: Diagram temperatur versus entropi dari suatu sistem turbin uap
81
Gambar 5.15: Siklus Rankine dengan pemanasan ulang 5. Kerugian dalam kondensor relative kecil : Salah satu faktor diantaranya adalah proses pendinginan di bawah temperatur jenuh dari kondensat yang keluar dari kondensor. Hal ini mengakibatkan diperlukannya perpindahan kalor (pendinginan) lebih banyak daripada keadaan yang ideal. Pengaruh dari pada kerugian-kerugian energi tersebut di atas dilukiskan 3. Tipe Turbin Uap
Tipe dasar Turbin dapat dibagi dalam dua klasifikasi utama yaitu: 1. Kondensasi, unit kondensasi dengan tekanan uap keluar kurang dari tekanan atmosfir pada kondensor, yang mana sangat besar nilai efisiensinya. 2. Tanpa Kondensasi, tidak dapat diterapkan pada penggerak utama kapal, tekanan uap keluar lebih besar dari tekanan atmosfir dan kurang mahal, tidak membutuhkan kondensor.
82
Turbin kondensasi dan tanpa kondensasi dapat dibagi dalam beberapa variasi, berdasarkan aliran uap dalam turbin dan rumah turbin dan perencanaan poros yaitu: 1. Aliran langsung (Straight flow) atau aliran tunggal (Single flow); memberi tempat perluasan sempurna dari full throttle uap keluar dalam satu rumah dalam satu tujuan arah 2. Aliran ganda ( Double flow), aliran dibagi; uap masuk pada pusat turbin dan terhadap aliran akhir dari turbin seimbang gaya dorong aksial dari reaksi sudusudu, dan lainnya dibagi berdasarkan saluran keluar sangat besar pada dua dari tempat yang terbaik 3. Pemanasan Ulang ( Reheat ); aliran utama uap keluar dari turbin bertingkat tanpa pemanasan ulang dan mungkin tanpa pemanasan ulang lanjut pada boiler dan kembali ke turbin tingkat paling rendah 4. Ekstraksi ( Extraction); ekstraksi digunakan untuk pemanasan pada feed water dan untuk daya turbin bantu. Kemungkinan uap diekstraksi pada variasi turbin bertingkat 5. Tekanan Tinggi ( High Pressure = HP ), Intermediate Pressure (IP), Low Pressure (LP); Penurunan tekan total dari uap dapat dibagi dalam beberapa bagian ( steps) 6. Aliran gabungan (Compound flow); kerja ekstraksi dari uap pada dua atau lebih rumah. Dalam perencanaan penggerak utama atau dimana dibutuhkan tenaga yang sangat besar, hal ini tak dapat dipraktekkan pada turbin tunggal
Berikut contoh beberapa variasi turbin uap dan aliran uap serta perencanaan poros dengan kondensasi dan tanpa kondensasi :
83
84
Gambar 5.16: Beberapa variasi turbin uap dan al iran uap (1) Dengan kondensasi – (a) s/d (k), biasanya dengan tekanan ke luar kurang dari tekanan atmosfer, (2) tanpa kondensasi – (l) s/d (o), biasanya dengan tekanan ke luar lebih tinggi daripada tekanan atmosfer.
85
86
Gambar 5.17: Paduan beberapa turbin uap Pada diagram T – s tersebut pada gambar 5.14(b) terlihat dalam kondisi uap keluar dari turbin (titik 6) ada di dalam daerah campuran cair-uap (uap basah). Namun demikian hendaknya diusahakan kadar airnya tidak terlampau tinggi. Hal tersebut 87
terakhir perlu diperhatikan karena apabila kadar air dalam uap pada tingkat tekanan rendah dari turbin melampaui ± 12 %, selain efisiensi turbin akan berkurang, hal tersebut juga akan memperbesar kemungkinan adanya erosi pada sudu. Pertimbangan diatas perlu diperhatikan dalam usaha menaikkan efesiensi t urbin, Salah satu usaha untuk menaikkan efesiensi turbin adalah menaikkkan tekanan uap dan pemanasan ulang, seperti terlihat pada gamabr 5.15 (a). Dengan pemanasan ulang bukan saja dapat diperoleh efesiensi yang lebih baik, tetapi juga menghindari terjadinya uap ke luar turbin dengan kadar air yang telampau tinggi. Dengan pemanasan ulang turbin dibagi menjadi dua bagian, yaitu turbin tekanan tinggi kembali di dalam ketel (boiler) kemudian masuk ke dalam turbin tekanan rendah. II.3. Data Beberapa Turbin Uap
Tinggi sudu dan diameter dari tingkat-tingkat berikutnya dalam arah aliran fluida kerja diperbesar untuk memungkinkan fluida kerja berekspansi (turun tekanannya). Puncak sudu biasanya dihubungkan satu sama lain oleh cincin logam yang melingkari sudu tersebut, bukan saja mengurangi jumlah fluida kerja yang mengalir dalam arah radial, tetapi juga supaya konstruksi rotor menjadi lebih kaku dan kuat. Fluida kerja yang mengalir melalui celah antara puncak sudu dan rumah turbin (stator), begitu juga antara ujung sudu tetap dan rotor, tidak melakukan kerja memutar rotor. Oleh karena hal tersebut merupakan kerugian, maka celah tersebut harus di buat sempit; tetapi harus dijaga agar rotor tidak menggesek stator dalam segala keadaan. Selain itu, dapat pula di pasang sekat untuk mencegah terjadinya kebocoran, seperti terlihat pada gambar 5.18. mengingat sempitnya celah antara rotor dan stator, rotor haruslah dalam keadaan balans dan harus dipasang pada rumah turbin dengan teliti, dengan bantalan yang sebaik-baiknya.
88
Gambar 5.18: Sekat-sekat pada puncak sudu tetap dan sudu gerak. Namun demikian, keadaan balans sempurna tak pernah tercapai. Dalam hal tersebut terakhir harus diingat bahwa rotor mempunyai frekuensi getaran pribadi. Jika putaran rotor sama dengan frekuensi getaran peribadinya, keadaan tidak balans tersebut akan menyebabkan terjadinya resonansi yang dapat menimbulkan bahaya kerusakan mesin. putaran tersebut dinamai putaran kritis; putaran kritis dapat berada di bawah atau di atas putaran kerjanya. Rotor adalah ‘kaku’ jika putaran kritisnya di atas putaran kerjanya. Rotor adalah ‘fleksibel’ apabila putaran kritisnya di bawah putaran kerjanya. Dalam hal tersebut terakhir, putaran kritis harus dapat dilalui secepatnya. Maka turbin turbin harus segera dijalankan sesuai dengan petunjuk yang diberikan oleh pabrik pembuatnya. Perubahan temperatur yang terlalu cepat karena perubahan beban yang terjadi dengan tiba-tiba akan mengakibatkan pemuaian yang tidak rata. Hal tersebut di atas selain dapat merusak turbin, efisiensinya pun berkurang. Kondisi fluida kerja masuk turbin dapat pula menyebabkan terjadinya korosi, erosi dan endapan pada sudu. Kedua faktor tersebut terakhir inipun dapat menyebabkan rotor menjadi tidak balans; di samping itu prestasi turbin juga akan berkurang. Oleh karena itu, kemurnian fluida kerja harus diperhatikan pula. Biasanya turbin impuls tidak seefisien turbin reaksi. Efisiensi turbin pada umumnya dipengaruhi oleh: 1. Gesekan yang terjadi antara fluida kerja dengan stator dan rotor; 2. Besarnya sudut masuk dan sudut keluar sudu;
89
3. Perbadingan kecepatan u/C, dan 4. Kerugian lainnya. Akan tetapi, apabila hal lainnya dapat diabaikan, maka turbin uap dapat bekerja dengan efisiensi yang hampir sama apabila bekerja dengan perbandingan kecepatan (u/Ci) yang sesuai. Misalnya, untuk turbin : u/Ci Curtis
0.20 – 0.30
Rateau
0.40 – 0.45
Parsons
0.80 – 1.00
Efisiensi turbin uap berkisar antara 30 – 50 persen untuk unit daya rendah, 80 – 90 persen untuk unit daya tinggi. Prestasi turbin uap biasanya juga diukur dengan pemakaian uap spesifiknya, yaitu jumlah uap perjam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan, dinyatakan dalam
. Dari persamaan (3.26) dapat dihitung daya
yang dihasilkan turbin, N=JG(h ti-hte) Sehingga daya turbin dapat diatur dengan mengatur jumlah uap masuk G dan/ atau selisih entalpi , N=JG(hti-hte). Turbin uap dijalankan dan dihentikan berturut-turut dengan membuka penuh dan menutup rapat katub penutup uap. Kemudian pengaturan jumlah uap masuk nosel turbin dilaksanakan dengan mengatur pembukaan katub pemasukan uap. Besarnya pembukaan katub pemasukan uap di kendalikan oleh alat yang dinamai governor . Ada dua macam governor , yaitu governor pengatur kecepatan dan governor pengatur tekanan uap. Governor pengatur kecepatan diperlukan apabila kecepatan poros turbin harus konstan, misalnya pada turbin penggerak generator listrik arus bolak-balik. Sedangkan governor pengatur tekanan uap dipergunakan pada turbin (industry) di mana sebagian tekanan uap yang diektrasikan (dikeluarkan dari turbin untuk suatu proses) harus diusahakan konstan. Jadi, pada jenis tersebut terakhir, di samping governor pengatur kecepatan juga diperlukan governor pengatur tekanan uap. Beberapa data tentang turbin uap dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
90
Tabel 5.1: Data beberapa turbin uap Kondisi Uap Masuk Pabrik Pembuat
Daya, kW
2
o
Tekanan, kg/cm
Temperatur C
Elliot Company (USA)
560
48
399
Wekspoor N.V. (Amsterdam, Holland)
550 bhp
30
390
Mitsubishi Wyss Manufacturing (Switzerland)
40.000
35
425
195.130
169
538
200.000 (tanpa pemanas ulang) 300.000 (dengan pemanas ulang)
106
540
185
525
240
580
4 x 400 MW 3 x 600 MW 3 x 100 MW 2 x 200 MW
169 169 -
538 538 -
2 x 400 MW
169
538
2 x 620 MW
169
538
2 x 610 MW
169
538
Mitsubishi (japan)
heavy
industry
AEG (West Germany)
Kharkov turbin works USSR Pusat Listrik TenagaUap:
300.000
Suralaya Muara Karang
Paiton Paiton I Paiton II
II.4. Ringkasan
System turbin uap, turbin hanyalah merupakan salah satu komponen dari suatu system tenaga karena system ini terdiri dari beberapa komponen utama lainnya yaitu boiler (ketel), kondensor, pompa air boiler. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja turbin dihasilkan oleh boiler, sebuah alat yang berfungsi mengubah air menjadi uap. Kondisi uap yang dihasilkan pada umumnya berkisar antara 15 kg/cm 2 dan 125 0C untuk unit daya rendah, sampai 325 kg/cm 2 dan 6500C untuk unit modern daya tinggi. Uap yang dihasilkan dalam boiler masuk ke dalam turbin, dimana energi uap diubah menjadi energi mekanis. Daya yang dihasilkan oleh turbin dapat mencapai 1300 MW, bahkan ada rencana 2500 MW per unit, sedangkan kecepatan putar poros berkisar antara 3000 sampai 20.000 putaran per.menit atau lebih tinggi. 91
Secara umum Turbin uap diklasifikasikan ke dalam tiga jenis: impuls, reaksi dan gabungan (impuls, reaksi) yang tergantung pada cara perolehan pengubahan energi potensial menjadi energi kinetik semburan uap. Turbin impuls adalah turbin di mana proses ekspansi (penurunan Tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi di dalam baris sudu tetap saja. Sedangkan Turbin reaksi adalah turbin di mana proses ekspansi dari fluida kerja terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak. Untuk mengetahui berapa besar penurunan entalpi uap di dalam baris sudu gerak, di dalam satu tingkat lazimnya dipakai parameter derajat reaksi yang didefenisikan sebagai:
Atau
satu tingkat
Pada prestasi sistem turbin uap, Siklus Rankine menggambarkan siklus ideal dari system turbin uap, yang terdiri dari beberapa proses yaitu; pemompaan, pemasukan kalor, ekspansi dan pengeluaran. Kerja yang dihasilkan oleh suatu turbin uap tergantung dari luasan diagram temperatur – entropi (T-s) sedang energi yang dimasukkan kedalam system menggunakan pemanas lanjut atau tanpa pemanas lanjut. Salah satu usaha untuk menaikkan efesiensi turbin adalah menaikkkan tekanan uap dan pemanasan ulang. Dengan pemanasan ulang bukan saja dapat diperoleh efesiensi yang lebih baik, tetapi juga menghindari terjadinya uap ke luar turbin dengan kadar air yang telampau tinggi. Dengan pemanasan ulang turbin dibagi menjadi dua bagian, yaitu turbin tekanan tinggi kembali di dalam ketel (boiler) kemudian masuk ke dalam turbin tekanan rendah. III. PENUTUP
Diakhir pemberian materi pada modul ini, mahasiswa sudah dapat menjelaskan sistem turbin uap, turbin impuls dan turbin reaksi, siklus rankine. Setelah menguasai modul ini, para mahasiswa masih harus menguasai modul-modul lainnya yang 92
berkaitan dengan mesin pembakaran luar kemudian dilanjutkan dengan tahapan ujian atau evaluasi. III.1. Contoh Soal
1. Soal : Apakah artinya air kondensat ? Jawab : Air kondensat merupakan air pengembunan yang terjadi di dalam kondensor 2. Soal : Sebutkan cara mencegah kerugian energi pada turbin impuls ? Jawab : Dengan mengekspansikan uap secara bertahap di dalam turbin bertingkat ganda, karena dengan turbin bertingkat ganda energi fluida kerja yang tidak diserap oleh suatu baris sudu gerak masih dapat diserap oleh baris sudu gerak pada tingkat berikutnya III.2. Latihan Soal
Jawablah pertanyaan dibawah ini : 1. Gambar dan jelaskan skema system turbin uap ? 2. Berapakah tekanan dan temperatur uap yang dihasilkan untuk memutar turbin ? 3. Gambarkan sudu gerak turbin reaksi ? 4. Apakah arti derajat reaksi ? 5. Gambar dan jelaskan diagram temperature vs entropi siklus rankine ? 6. Apakah yang dimaksud dengan titik kritis pada siklus rankine ? 7. Jelaskanlah kerja dan efisiensi yang dihasilkan pada system turbin uap dengan pemanasan lanjut dan tanpa pemanasan lanjut ?
93
III.3. Pedoman Penilaian
EVALUASI KOMPETENSI AKHIR SESI PEMBELAJARAN
No
NIM
NAMA MAHASISWA
Mampu menjelaskan dan memahami prinsip kerja Sistem Turbin Uap Mampu menentukan dan menghitung prestasi Sistem Turbin Uap Kejelasan uraian uaraian Ketepatan berdasarkan Kemampuan waktu sasaran menjelaskan dan penyelesaian pembelajaran menyelesaikan soal dan ketelitian (7%) (8%) (5%)
III.4. Daftar Pustaka
1. Maido Saalar, 1978, Steam and Gas Turbines for Marine Propulsion,Annapolis, Maryland, USA 2. Arismunandar,W., 2004, Penggerak Mula Turbin.edisi ketiga, Penerbit ITB Bandung 3. Shlyakhin,P., 1990, Steam Turbines Theory and Design, Erlangga, Jakarta
94
