Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

PENGOPERASIAN TURBIN UAP [B.1.1.1.03.3]

Edisi I Tahun 2013

PENGOPERASIAN TURBIN UAP (B.1.1.1.03.3)

TUJUAN PEMBELAJARAN : Pembelajaran ini berkaitan dengan pemahaman tentang analisa vibrasi dasar sebagai salah satu tools dalam memonitor dan mengevaluasi kondisi peralatan pada Pusat Pembangkit Tenaga Listrik Sesuai dengan prinsip pemeliharaan berbasis Condition Base Maintenance (CBM)

DURASI

:

76 JP / 10 HARI EFEKTIF

TIM PENYUSUN

:

1. HAULIAN SIREGAR

TIM VALIDATOR

:

1. RODI CAHYAWAN 2. MURDANI 3. GATUT PUJO PRAMONO 4. WINOTO

i

SAMBUTAN CHIEF LEARNING OFFICER PLN CORPORATE UNIVERSITY

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas rahmat, taufik dan hidayahNya penyusunan materi pembelajaran ini bisa selesai tepat pada waktunya. Seiring dengan metamorfosa PLN Pusdiklat sebagai PLN Corporate University, telah disusun beberapa materi pembelajaran yang menunjang kebutuhan Korporat. Program pembelajaran ini disusun berdasarkan hasil Learning Theme beserta Rencana Pembelajaran yang telah disepakati bersama dengan LC (Learning Council) dan LSC (Learning Steering Commitee) Primary Energy & Power generation Academy. Pembelajaran tersebut disusun sebagai upaya membantu peningkatan kinerja korporat dari sisi peningkatan hard kompetensi pegawai. Dengan diimplementasikannya PLN Corporate University, diharapkan pembelajaran tidak hanya untuk meningkatkan kompetensi Pegawai, namun juga memberikan benefit bagi Bussiness Process Owner sesuai dengan salah satu nilai CORPU, yaitu “Performing”.

Akhir kata, semoga buku ini dapat

bermanfaat bagi insan PLN.

Jakarta, Desember 2013 Chief Learning Officer

SUHARTO ii

KATA PENGANTAR MANAJER PLN PRIMARY ENERGY & POWER GENERATION ACADEMY PLN CORPORATE UNIVERSITY

Puji syukur ke hadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat, taufik serta hidayahnya, sehingga penyusunan materi pembelajaran “PENGOPERASIAN TURBIN UAP” ini dapat diselesaikan dengan baik dan tepat pada waktunya. Materi ini merupakan materi yang terdapat pada Direktori Diklat yang sudah disahkan oleh Direktur Pengadaan Strategis selaku Learning Council Primary Energy & Power Generation Academy. Materi ini terdiri dari 7 buku yang membahas mengenai Prinsip Kerja Turbin Uap, Jenis dan Konfigurasi Turbin Uap, Sistem dan Alat Bantu Turbin Uap, Sistem Kontrol dan Proteksi Turbin Uap, Condition Monitoring and TSI, Pengoperasian Turbin Uap dan Kinerja Turbin Uap sehingga diharapkan dapat mempermudah proses belajar dan mengajar di Primary Energy dan Power Generation Academy bagi pegawai dalam mengoperasikan Turbin Uap. Akhir kata, Pembelajaran ini diharapkan dapat membantu meningkatkan kinerja unit operasional dan bisa menunjang kinerja ekselen korporat. Tentunya tidak lupa kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah terlibat dalam penyusunan materi pembelajaran ini. Saran dan kritik dari pembaca/siswa sangat diharapkan bagi penyempurnaan materi ini.

Suralaya, Desember 2013

M. IRWANSYAH PUTRA

iii

DAFTAR BUKU PELAJARAN Buku 1 Prinsip Kerja Turbin Uap Buku 2 Jenis dan Konfigurasi Turbin Uap Buku 3 Sistem dan Alat Bantu Turbin Uap Buku 4 Sistem Kontrol dan Proteksi Turbin Uap Buku 5 Condition Monitoring and TSI Buku 6 Pengoperasian Turbin Uap Buku 7 Kinerja Turbin Uap

iv

BUKU I

PRINSIP KERJA TURBIN UAP

TUJUAN PELAJARAN

: Setelah mengikuti pelajaran Prinsip Kerja Turbin Uap peserta diharapkan mampu memahami prinsip kerja dan prinsip operasi turbin uap serta memahami konversi energi dalam mengoptimalisasi proses pengoperasian turbin uap sebagai dasar penerapan/implementasi sistem pengoperasian pembangkit berbasis Proses Bisnis Pembangkitan.

DURASI

: 8 JP

PENYUSUN

: 1. HAULIAN SIREGAR

Simple Inspiring PerformIing Phenomenal

v

DAFTAR ISI

TUJUAN PEMBELAJARAN ........................................................................................................ i SAMBUTAN ............................................................................................................................... ii KATA PENGANTAR ................................................................................................................. iii DAFTAR BUKU PELAJARAN ................................................................................................... iv HALAMAN TUJUAN PELAJARAN .............................................................................................. v DAFTAR ISI ............................................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR .................................................................................................................. vii 1.1 Konversi Energi Kinetik Uap Menjadi Kerja Sudu ..............................................................1 1.2 Proses Operasi Turbin......................................................................................................24 1.3 Pencegahan Kerusakan Oleh Air Kondensat .................................................................41 1.4 Perapat Poros Turbin Uap dan Sistem Perapat Kelenjar ..............................................44 1.5 Electrostatic Discharge Pada Turbin Generator .............................................................45


vi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Kecepatan aliran uap versus kecepatan sudu ........................................................... 2 Gambar 2. Kurva gaya versus kerja oleh uap ............................................................................ 3 Gambar 3. Prinsip kerja turbin Impuls dan Reaksi ..................................................................... 4 Gambar 4. Kurva tekanan dan kecepatan uap pada turbin Curtis dan Rateau ........................... 6 Gambar 5. Rotor Turbin Rateau, Curtis dan Reaksi .................................................................... 7 Gambar 6. Kurva tekanan, kecepatan dan vektor kecepatan absolut dan relatif uap .................. 8 Gambar 7. Turbin impuls sederhana .......................................................................................... 9 Gambar 8. Turbin impuls campuran tekanan ........................................................................... 10 Gambar 9. Turbin impuls campuran kecepatan ....................................................................... 11 Gambar 10. Turbin impuls-reaksi ............................................................................................. 12 Gambar 11. Vektor kecepatan aliran uap pada turbin impuls .................................................... 13 Gambar 12. Vektor kecepatan aliran uap pada turbin reaksi .................................................... 14 Gambar 13. Diagram vektor kecepatan aliran uap dan sudu ................................................... 14 Gambar 14. Diagram kecepatan turbin Impulse-Reaction ........................................................ 15 Gambar 15. Perbandingan prinsip turbin impuls dan turbin reaksi ............................................ 15 Gambar 16. Kebocoran uap pada ujung dan kaki sudu-sudu tetap dan gerak .......................... 16 Gambar 17. Derajat reaksi r turbin impuls dan turbin reaksi ..................................................... 17 Gambar 18. Turbin impuls dengan derajat reaksi r = 0 ............................................................. 18 Gambar 19. Turbin reaksi dengan derajat reaksi r = 0,5 ........................................................... 18 Gambar 20. Turbin reaksi dan stator turbin impuls.................................................................... 18 Gambar 21. Turbin uap single casing single actuator ............................................................... 19 Gambar 22. Penampang iga dimensi Turbin uap single casing single actuator ......................... 19 Gambar 23. Penampang Turbin uap ekstraksi tunggal otomatis .............................................. 20 Gambar 24. Photo Turbin uap ekstraksi tunggal otomatis ......................................................... 20 Gambar 25. Penampang Turbin uap ekstraksi ganda otomatis ................................................ 21 Gambar 26. Photo Turbin uap casing ganda multi stage........................................................... 21 Gambar 27. Penampang Turbin uap multi casing multi stage ................................................... 22 Gambar 28. Photo Turbin uap multi casing multi stage ............................................................ 22 Gambar 29. Tata letak (layout) turbin uap multicasing mu ........................................................ 23 Gambar 30. Penampang tiga dimensi turbin uap multi stage multi casing ................................ 24 Gambar 31. Lintasan uap melalui turbin impuls ........................................................................ 26 Gambar 32. Perapat poros dan perapat sudu ........................................................................... 29 Gambar 33. Lintasan kebocoran uap di dalam turbin ................................................................ 29 Gambar 34. Diagram Heat balance turbin uap cross flow ........................................................ 31 Simple Inspiring PerformIing Phenomenal

vii

Gambar 35. Heat Balance pada 90 % MCR ............................................................................. 32 Gambar 36. Heat balance Turbin uap multi stage dan BFPT .................................................... 33 Gambar 37. Steam Admission into turbine ............................................................................... 34 Gambar 38. Steam Admission Valves System ......................................................................... 35 Gambar 39. Steam Admission pada turbin casing tunggal ....................................................... 36 Gambar 40. Kondenser sisi ganda ........................................................................................... 37 Gambar 41. Rupture Disc dan Safety Valve.............................................................................. 38 Gambar 42. Turbine By-pass Valve .......................................................................................... 38 Gambar 43. Diagram Sistem Minyak Pelumas.......................................................................... 39 Gambar 44. Diagram Sistem Minyak Hidrolik............................................................................ 40 Gambar 45. Diagram of steam turbine lube-oil system control/logic .......................................... 41 Gambar 46. Diagram Sistem Perapat Turbin ........................................................................... 44 Gambar 47. Electrostatic Discharge pada rotor turbin uap ........................................................ 46


viii

PRINSIP KERJA TURBIN UAP Turbin uap adalah suatu mesin panas (heat engine) dimana energi uap dikonversikan menjadi kerja. Pertama kali, energi dalam uap diekspansikan melalui nosel dan dikonversikan menjadi energi kinetik yang kemudian dikonversikan menjadi kerja pada sudu rotor yang berputar. Umumnya turbin terdiri dari empat bagian utama. Rotor merupakan bagian berputar yang membawa sudu atau bucket. Stator terdiri dari silinder dan casing yang di dalamnya rotor berputar. Turbin memiliki alas (base) atau kerangka (frame), dan nosel-nosel atau lintasan aliran uap yang mengekspansikan uap yang mengalir. Silinder, selubung (casing) dan kerangka adalah terpadu. Bagian lain yang diperlukan untuk operasi yang sebenarnya meliputi sistem kontrol, pemipaan, sistem pelumasan dan kondenser yang terpisah .

1.1 Konversi Energi Kinetik Uap Menjadi Kerja Sudu (Blade Work) Uap dari boiler diekspansikan pada nosel, menghasilkan suatu pancaran jet kecepatan tinggi. Pancaran jet uap ini mengenai sudu (blade) yang berputar terpasang pada poros. Aliran pancaran uap mengalami perubahan arah gerak yang meningkatkan perubahan momentum dan menimbulkan gaya.

Prinsip operasi Hubungan antara kerja, gaya dan kecepatan sudu dapat digambarkan pada gambar berikut. Turbin uap kebanyakan berjenis aliran aksial (axial flow); uap mengalir melalui sudu dengan arah sejajar sumbu poros turbin. Jenis aliran radial (radial flow) sangat jarang digunakan. Perhatikan sudu tanpa gesekan yang membelokkan uap hingga 180 dan uap keluar dengan kecepatan mutlak 0. Kondisi ini merupakan kemungkinan pengkonversian terbesar energi kinetik dari semburan uap yang masuk sudu menjadi kerja sudu. Perhatikan hubungan antara kecepatan mutlak V1 semburan uap yang memasuki sudu dengan kecepatan putar sudu tersebut. Untuk kecepatan sudu tertentu, hubungan ini memungkinkan mendisain nosel sedemikian sehingga kecepatan uap keluar sudu menghasilkan konversi energi maksimal, efisiensi maksimum. Andaikan W adalah kecepatan uap relatif terhadap sudu: Simple Inspiring Performing Phenomenal

1

V1

W1

V1  W1  Vb V2  W2  Vb Vb V2

W2

Gambar 1. Kecepatan aliran uap versus kecepatan sudu

Simple Inspiring Performing Phenomenal

2

Gambar 2. Kurva gaya versus kerja oleh uap Jika sudu tanpa gesekan, maka W2  W1 . Selanjutnya, karena konversi energi pada sudu adalah sempurna, maka V2  0 , sehingga diperoleh:

V1  V2  W1  W2  2Vb

V1  2Vb

(1)

Selanjutnya, gaya sentrifugal karena putar dan keterbatasan kekuatan bahan maka kecepatan sudu dibatasi. Dengan kecepatan putar sudu ditentukan, maka dapat ditentukan kecepatan mutlak terbaik yang memasuki sudu.

Klasifikasi turbin uap Berdasarkan operasinya, turbin uap dapat diklasifikasikan sebagai: i) turbin impuls (Impulse turbine) dan ii) turbin impuls reaksi (Impulse-reaction turbine).

Turbin impuls (Impulse turbine) Pada turbin impuls, penurunan tekanan hanya terjadi pada nosel dan tidak terjadi pada sudu bergerak. Hal inidiperoleh dengan membuat laluan sudu (blade) memiliki luas penampang yang tetap sama. Simple Inspiring Performing Phenomenal

3

Turbin impuls-reaksi (Impulse-Reaction turbine) Pada turbin ini, penurunan tekanan terjadi pada nosel tetap dan juga pada sudu bergerak. Penurunan tekanan dialami uap ketika mengalir melalui sudu bergerak menyebabkan terjadinya energi kinetik lebih lanjut di dalam sudu-sudu ini, memberikan kenaikan reaksi dan menambah gaya mendorong Yang dikenakan melalui rotor ke poros turbin. Luas penampung laluan sudu dibuat bervariasi (converging type).

Gambar 3. Prinsip kerja turbin Impuls dan turbin Reaksi Turbin uap diklasifikasikan sebagai berikut: A) Dibedakan dari bentuk lintasan uap antara sudu-sudu: a) Impulse 1) 2) 3) 4)

Simple, or single-stage Velocity-stage, Curtis Pressure stage, Rateau Combination pressure- and velocity-stage


4

b) Reaction, Parsons c) Combination impulse and reaction B)

Dibedakan dari susunan aliran utama: a) b) c) d)

C)

Single-flow Double-flow Compound, two-or-three cylinder, cross- or tandem-connected Divided-flow

Dibedakan dari arah aliran uap relatif terhadapbidang putar: a) Axial-flow b) Radial-flow c) Tangential-flow

D)

Dibedakan dari pengulangan aliran uap melalui sudu: a) Single-pass b) Reentry or repeated flow

E)

Dibedakan dari kecepatan putar (speed): a) b) c) d)

F)

For 60-sysle generators For 50-cycle generators For 25-cycle generators For geared units and for direct-connected or electric drive marine units, no special speed requirements

Dibedakan dari gerakan relatif rotor: a) Single-motion b) Double-motion

G)

Dibedakan dari kondisi uap dan keluarnya: a) b) c) d) e) f) g)

High-pressure condensing High-pressure non-condensing Back-pressure Superposed or topping Mixed-pressure Regenerative Extraction, single


5

h) Extraction, double i) Reheating or resuperheating j) Low-pressure

Gambar 4. Kurva tekanan dan kecepatan uap pada turbin Curtis dan Rateau


6

Gambar 5. Rotor Turbin Rateau, Curtis dan Reaksi


7

Gambar 6. Kurva tekanan, kecepatan dan vektor kecepatan absolut dan relatif uap


8

Turbin impuls sederhana (simple Impulse turbine) Komponen utama turbin adalah: serangkaian nosel, rotor yang terpasang pada poros (shaft), seangkaian sudu gerak (moving blades) yang terpasang pada rotor, dan satu selubung (casing). Suatu turbin impuls sederhana dapat digambarkan seperti di bawah ini. Bagian atas gambar menunjukkan belahan memanjang bagian atas turbin; bagian tengah gambar menunjukkan bentuk sesungguhnya nosel dan sudu putar; dan bagian bawah menunjukkan variasi kecepatan mutlak dan tekanan mutlak uap ketika mengalir melalui lintasan nosel dan sudu gerak.

Gambar 7. Turbin impuls sederhana

Pencampuran turbin impuls (Compounding of impulse turbine) Hal ini dilakukan untuk menurunkan kecepatan putar turbin impuls hingga ke batas praktis. Pencampuran diperoleh dengan menggunakan lebih dari satu set rangkaian nosel, serta sudu gerak dan rotor secara berurutan pada poros; sehingga kedua tekanan dan kecepatan pancaran uap diserap oleh turbin secara bertahap/bertingkat. Ada tiga tipe turbin impuls campuran, yaitu: Simple Inspiring Performing Phenomenal

9

a) campuran tekanan (pressure compounded), b) campuran kecepatan (velocity compounded), c) campuran tekanan dan kecepatan (pressure and velocity compounded).

Turbin impuls campuran tekanan (Pressure compounded impulse turbine) Hal ini meliputi pembagian keseluruhan penurunan tekanan dari dada uap (steam chest) hingga tekanan di kondenser menjadi serangkaian penurunan tekanan yang lebih kecil melalui bebrapa tingkat turbin impuls. Nosel dipasang pada diafragma yang didudukkan pada selubung casing. Diafragma ini memisahkan suatu ruang roda (wheel chamber) satu dari yang lainnya. Seluruh rotor dipasang pada poros yang sama dan sudu-sudu dilekatkan pada rotor. Variasi tekanan dan kecepatan ditunjukkan pada diagram berikut.

Gambar 8. Turbin impuls campuran tekanan


10

Turbin impuls campuran kecepatan (Velocity compounded impulse turbine) Penurunan kecepatan diatur dengan beberapa penurunan yang kecil melalui beberapa baris rangkaian sudu gerak, bukan sebaris tunggal sudu gerak. Turbin ini terdiri dari serangkaian nosel dan beberapa baris sudu gerak yang dilekatkan pada rotor atau roda dan beberapa baris sudu tetap yang dilekatkan pada selubung casing.

Gambar 9. Turbin impuls campuran kecepatan

Turbin impuls campuran kombinasi tekanan dan kecepatan Turbin ini adalah suatu kombinasi pencampuran tekanan dan kecepatan.


11

Turbin impuls-reaksi (Impulse-Reaction turbine) Disini turbin menggunakan prinsip impuls dan reaksi. Ada sejumlah baris-baris sudu gerak yang dilekatkan pada rotor dan sejumlah baris yang sama sudu tetap yang dilekatkan pada selubung. Sudu tetap dibentuk dengan cara berlawanan dibanding dengansudu gerak, dan berfungsi sebagai nosel. Karena barisan sudu tetap pada sisi masuk, selain sebagai nosel, uap dimasukkan untuk sekeliling dan karenanya ada suatu masuk sekeliling atau lengkap.

Gambar 10. Turbin impuls-reaksi

Perbedaan antara turbin impuls dan reaksi (Differences between Impulse and Reaction turbines) Diagram kecepatan untuk turbin impuls. Bagian utama turbin impuls adalah nosel dan sudu.


12

Gambar 11.

Vektor kecepatan aliran uap pada turbin impuls


13

Gambar 12. Vektor kecepatan aliran uap pada turbin reaksi

Turbin Reaksi

Turbin Impuls

Gambar 13. Diagram vektor kecepatan aliran uap dan sudu


14

Kombinasi diagram vector Tanpa gesekan (Cr1 = Cr2)

Dengan gesekan (K.Cr1 = Cr2, K = koeficien gesek)

Gambar 14. Diagram kecepatan turbin Impulse-Reaction

Gambar 15.

Perbandingan prinsip turbin impuls dan turbin reaksi


15

Typical impulse stages

Typical reaction stages

Gambar 16. Kebocoran uap pada ujung dan kaki sudu-sudu tetap dan gerak Simple Inspiring Performing Phenomenal

16

Derajat reaksi r (Degree of reaction r) Derajat reaksi r adalah perbandingan penurunan panas isentropik pada sudu gerak dengan penurunan panas isentropik pada sudu tetap dan gerak (atau fraksi penurunan total entalpi yang terjadi sepanjang rotor). Isentropic enthalpy drop in rotor r = Isentropic stage enthalpy drop

Gambar 17. Derajat reaksi r turbin impuls dan turbin reaksi


17

r=0 Gambar 18. Turbin impuls dengan derajat reaksi r = 0

r = 0,5 Gambar 19. Turbin reaksi dengan derajat reaksi r = 0,5

Gambar 20. Turbin reaksi dan stator turbin impuls Simple Inspiring Performing Phenomenal

18

Gambar 21. Turbin uap single casing single actuator

Gambar 22. Penampang tiga dimensi Turbin uap single casing single actuator


19

Gambar 23. Penampang Turbin uap ekstraksi tunggal otomatis

Gambar 24. Photo Turbin uap ekstraksi tunggal otomatis


20

Gambar 25. Penampang Turbin uap ekstraksi ganda otomatis

Gambar 26. Photo Turbin uap casing ganda multi stage Simple Inspiring Performing Phenomenal

21

Gambar 27. Penampang Turbin uap multi casing multi stage

Gambar 28. Photo Turbin uap multi casing multi stage Simple Inspiring Performing Phenomenal

22


23

Gambar 29. Tata letak (layout) turbin uap multicasing multistage

Gambar 30.

Penampang tiga dimensi turbin uap multi stage multi casing

1.2 Proses Operasi Turbin Turbin memanfaatkan uap yang menyembur ketika melalui saluran kecil yang memiliki kecepatan tinggi. Kecepatan yang diperoleh selama berekspansi tergantung pada kandungan panas awal dan akhir uap. Perbedaan kandungan panas ini merupakan energi panas yang dikonversi menjadi energi kinetis (energi dalam kaitan dengan kecepatan) selama proses. Dalam kenyataan, sebstansi bergerak memiliki eneri, atau kemampuan untuk melakukan kerja. Turbin uap mengekspansikan uap untuk mendapatkan kecepatan tinggi, kemudian mengkonversi energi kecepatan ini menjadi energi mekanikal. Turbin yang memanfaatkan gaya impulsif kecepatan tinggi disebut turbin impuls. Ketika uap keluar dari sudu, bertambah kecepatannya, dan suatu gaya reaksi didesakkan pada sudu. Gaya reaksi ini berlawanan arahnya dengan arah aliran uap. Turbin yang memanfaatkan gaya reaksi yang dihasilkan aliran uap melalui sudu disebut turbin reaksi. Pada prakteknya semua turbin komersil menggunakan kombinasi gaya impuls dan reaksi. Kedua sudu impuls dan reaksi pada poros yang sama memanfaatkan uap dengan lebih efisien dibanding masing-masing.


24

Tekanan menyebabkan uap mengalir dengan kecepatan tinggi dari nosel yang kecil. Lairan uap ini diarahkan sudu gerak pada poros dan menghasilkan putaran. Semua penurunan tekanan (pressure drop) terjadi pada sudu tetap, dan sudu gerak menyerab energi kecepatan (kinetis) pada uap yang keluar dari nosel. Agar efisien, kecepatan sudu gerak haruslah setengah kecepatan aliran uap. Sudu putar yang memanfaatkan uap tekanan tinggi haruslah beroperasi dengan kecepatan yang sangat tinggi. Kecepatan sudu gerak dapat diturunkan dengan cara menerapkan prinsip tekanan bertingkat/bertahap. Tingkat tekanan hanya mengijinkan penurunan tekanan terbatas pada satu rangkaian nosel. Setelah uap dari satu tingkat tersebut telah melewati sudu gerak, uap akan diekspansikan pada rangkaian nosel berikutnya. Suatu turbin memiliki beberapa rangkaian nosel (tingkat tekanan), yang semakin besar ukurannya untuk menyesuaikan bertambahnya voluma jenis uap. Prinsip pencampuran kecepatan juga digunakan pada operasi turbin impuls, dengan menggunakan energi kecepatan uap yang datang dari nosel ke dua atau lebih rangkaian sudu gerak. Operasinya memanfaatkan serangkaian sudu diam yang membalikkan aliran uap, antara dua sudu gerak. Uap pada tingkat tekanan yang pertama diekspansikan melalui nosel, kemudian aliran membentur sudu gerak, melalui sudu diam dan rangkaian sudu gerak berikutnya. Selanjutnya uap memasuki tahap kedua dan berekspansi melalui nosel, kemudian mengalir melalui sudu gerak, sudu diam dam rangkaian sudu gerak berikutnya, dan keluar habis atau ke tahap tekanan berikutnya. Turbin tekanan tinggi yang besar biasanya memiliki banyak tingkat tekanan dan menggunakan kecepatan campuran pada tingkat tekanan tinggi.

Gambar 31. Lintasan uap melalui turbin impuls


25

Gambar menunjukkan suatu aplikasi kecepatan campuran pada turbin kecil. Uap diekspansikan pada nosel dan membentur sebaris sudu (bucket) pada rotor. Kemudian uap memasuki saluran pembalik arah aliran uap yang dipasang pada selubung casing, dan uap diarahkan lagi terhadap sudu rotor. Proses ini berulang beberapa kali sampai kecepatan uap menurun. Susunun seperti ini disebut sebagai turbin jenis re-entri (re-entry type). Jika sebaris nosel digunakan dan seluruh penurunan tekanan terjadi pada kelompok nosel ini, dan seluruh energi diarahkan terhadap sebaris roda, maka diperoleh suatu turbin kecepatan sederhana bertingkat satu. Turbin reaksi adalah suatu turbin dimana penurnaan tekanan terjadi juga pada sudu gerak yang terpasang pada rotor. Uap meninggalkan sudu gerak (sebagai nosel) dengan kecepatan tinggi sehingga menyebabkan sudu terdorong kearah yang berlawanan dengan arah aliran uap, selanjutnya sudu gerak memutar poros rotor. Turbin reaksi terdiri dari sudu tetap dan sudu gerak, dimana bentuk keduanya serupa; masingmasingnya disusun sedemikian sehingga luuas penampang dimana ketika uap keluar adalah lebih kecil daripada penampang ketika uap masuk. Penurunan tekanan terjadi pada kedua sudu, pengecilan penampang pada sisi keluar sudu menyebabkan uap naik kecepatannya ketika meninggalkan sudu. Gambar menunjukkan susunan diagramatik sudu-sudu turbin reaksi tipikal; A, A1, A2, adalah sudu-sudu tetap yang terpasang pada selubung casing. B, B1, B2, adalah sudu-sudu gerak yang terpasangpada rotor. Uap yang mengalir melalui turbin akan berekspansi secara berurutan melalui sudu-sudu tetap dan sudu-sudu gerak. Sudu-sudu tetap dirancang untuk mengarahkan aliran uap terhadapbarisan sudu-sudu berikutnya. Perhatikan bahwa, luas penampang laluan uap pada sisi keluar sudu adalah lebih kecil dari pada sisi masuk sudu. Sebagai akibat dari perubahan luas penampang laluan uap ini, kecepatan aliran uap bertambah dan tekanannya berkurang ketika uap meninggalkan setiap baris sudu-sudu (uap berekspansi). Selama proses ekspansi ini, uap akan bertambah volumanya. Luas penampang laluan uap melalui sudu-sudu harus bertambah, mulai dari tekanan tinggi ke tekanan rendah ujung turbin, untuk menampung dan mencocokkan voluma uap yang semakin membesar. Uap yang mengalir sepanjang lintasan uap dalam turbin (mulai dari sudu rotor yang pertama hingga sudu rotor yang terakhir) akan mengakibatkan/menimbulkan gaya dorong aksial pada poros turbin yang searah dengan arah aliran uap (dari arah masuk ke arah keluar uap pada turbin) dan dapat menggeser posisi poros dan merusak turbin, sehingga posisi aksial poros turbin harus dijaga dengan menggunakan bantalan aksial (thrust bearing) agar tidak bergeser. Untuk mengurangi dampak gaya dorong aksial pada poros turbin, lintasan aliran uap pada turbin dibagi menjadi dua aliran (dual flow) dengan arah aliran yang berlawanan, sehingga gaya Simple Inspiring Performing Phenomenal

26

dorong aksial yang ditimbulkannya akan berlawanan arah dan saling meniadakan. Metoda dual flow ini kebanyakan diterapkan pada turbin uap tekanan rendah dalam satu selubung casing atau silinder – LP casing. Metoda dual flow ini diterapkan juga pada turbin tekanan menengah IP casing. Atau arah aliran uap pada turbin tekanan tinggi (HP casing) dan arah aliran uap pada turbin tekanan menengah (IP casing) dibuat berlawanan, sehingga gaya dorong aksial yang ditimbulkannya akan saling mengurangi dan hasil akhirnya (resultannya) menjadi rendah. Pada turbin dengan desain satu silinder casing dan satu arah aliran lintasan uap, biasanya pada konstruksi poros di sisi uap masuk didesain suatu cakram dummy piston. Cakram dummy piston ini menerima tekanan dari uap masuk dan mengubahnya menjadi gaya dorong aksial pada poros yang arahnya berlawanan dengan gaya dorong aksial oleh aliran uap sepanjang poros, sehingga saling mengurangi, dan hasil akhirnya (resultannya) menjadi rendah. Rugi-rugi radiasi dan kondensasi pada turbin adalah kecil dan rendah. Rugi-rugi bocor terjadi melalui celah pada ujung sudu-sudu lewat labirin dan perapatnya. Efisiensi turbin dipengaruhi oleh gesekan kecepatan tinggi semburan uap melalui nosel-nosel dan sudu-sudu. Turbin uap adalah bagian terpenting yang memutar generator untuk menghasilkan produksi tenaga listrik. Uap yang berasal dari boiler atau sumber uap lainnya menuju turbin melalui pemipaan dengan tekanan dan temperatur yang dikendalikan tetap agar tetap konstan. Uap memasuki turbin melalui katup-katup utama dan katup kendali aliran (MSV main stop valve dan CV control valve). MSV berfungsi untuk membuka penuh dan menutup penuh aliran uap menuju turbin, juga berfungsi untuk menutup cepat alian uap ketika terjadi gangguan keadaan yang berbahaya bagi operasi turbin dan generator. Selama turbin beroperasi normal, maka katup MSV harus tetap terbuuka penuh CV berfungsi untuk mengendalikan jumlah aliran uap masuk turbin dalamm rangka mengatur putaran rotor turbin yang harus tetap konstan walau bagaimanapun beban dan perubahan beban generator, dan juga untuk mengatur beban agar sesuai/mencapai target beban yang diinginkan. Sehingga selama turbin beroperasi normal, posisi pembukaan katup CV akan salalu berubah mengikuti perubahan putaran poros turbin dan perubahan beban dan target beban. Dengan berubah-ubahnya (bervariasi) posisi pembukaan katup CV dan jumlah aliran uap, sedangkan sumber catu uap harus dengan tekanan dan temperatur tetap konstan, maka tekanan dan temperatur uap setelah katup kendali CV menjadi berubah-ubah, dimana perubahan ini mengikuti kaidah-kaidah termodinamika dan mekanika fluida. Akibatnya tekanan dan temperatur serta aliran uap yang memasuki nosel turbin di baris/tingkat pertama akan


27

berubah-ubah (bervariasi), demikian pula pada sudu-sudu gerak dan sudu-sudu tetap berikutnya sepanjang aliran/lintasan uap dalam turbin. Uap berekspansi selama mengalir dan melintas di dalam turbin, uap mengalami penurunan tekanan dan temperatur, namun voluma jenis bertambah. Jumlah aliran uap masuk dan keluar turbin adalah tetap sama, kecuali jika turbin menggunakan sistem ekstraksi (extraction system). Pada saat keluar turbin, agar uap dalam kondisi jenuh dan sedikit basah, dan diharapkan memiliki kecepatan aksial meminimal mungkin dan kecepatan radial dan tangensialnya nol, untuk mencapai efisiensi maksimal. Kandungan energi panas (entalpi) uap masuk turbin Hi cukup tinggi dan entalpi uap keluar turbin (turbine exhaust) He rendah. Perbedaan entalpi (kandungan panas) ΔHT = Hi – He uap inilah yang sebagian besar dikonversi menjadi energi mekanikal Wp pada poros turbin dan sebagian lagi menjadi rugi-rugi (losses) WL pada internal turbin. Energi mekanikal pada poros turbin inilah yang bermanfaat untuk memutar rotor generator sehingga generator memproduksi listrik. - Wp = ΔHT + WL → energi bermanfaat Setelah keluar turbin, uap dikondensasikan kembali menjadi air kondensat pada kondenser. Entalpi air kondensat HC adalah sangat rendah. Ketika uap mengkondensasi menjadi air, terjadi penurunan voluma jenis yang sangat luar biasa. Hal ini menyebabkan terciptanya vakum (tekanan vakum) alami dalam kondenser dan juga pada sisi keluar turbin (turbine exhaust atau turbine hood). Kevakuman diawali dengan memvakumkan kondenser (dengan sistem pompa/ejektor vakum) sebelum memulai mengalirkan uap ke dalam kondenser, selanjutnya ini terjadi secara alami karena uap mengkondensasi menjadi air. Selama turbin beroperasi, kevakuman ini dapat terganggu oleh karena adanya gas-gas yang tidak dapat mengkondensasi dalam kondenser. Gas-gas tersebut dapat berasal dari kebocoran sistem kondenser dan gas yang terkandung/mencemari dalam uap sebelum masuk ke turbin. Pada saat beroperasi, sistem vakum akan menyedot/evakuasi gas-gas tersebut dari dalam kondenser, sehingga kevakuman kondenser terjaga stabil.

1.2.1 Packing perapat poros Poros turbin pada ujung sisi tekanan tinggi harus di dirapatkan (celah antara poros dengan selubung turbin) untuk mencegah kebocoran uap keluar dari turbin, demikian juga poros turbin pada ujung sisi tekanan rendah harus di dirapatkan untuk mencegah kebocoran udara masuk ke dalam kondenser. Perapat yang palingbanyak digunakan adalah Labyrinth. Perapat ini dialiri air atau dengan uap agar lebih rapat. Simple Inspiring Performing Phenomenal

28

Gambar 32. Perapat poros dan perapat sudu

Ketika mengkondensasi menjadi air dalam kondenser, uap akan melepas kandungan panasnya (latent heat) ke kondenser, dan air pendingin menyerap energi panas ini dari kondenser, sehingga energi ini tidak dapat dimanfaatkan dan menjadi suatu kerugian besar yang tidak mungkin dihindari. Jumlah energi panas yang dilepas oleh uap adalah sebesar ΔHC = He – Hc

→ energi rugi/hilang.

Gambar 33. Lintasan kebocoran uap di dalam turbin

Perhatikan hubungan entalpi uap masuk turbin Hi, entalpi uap keluar turbin He dan entalpi air kondensat Hc. Perhatikan juga Wp, ΔHT dan ΔHC. Dalam beberapa hal (tergantung desain dan jenis turbin) ΔHC lebih besar dibanding Wp, yang berarti efisiensi thermal sistem turbin cukup rendah. Simple Inspiring Performing Phenomenal

29

Efisiensi thermal sistem turbin (Wp) dapat ditingkatkan dengan cara/metoda: -

ekstraksi uap turbin (turbine extraction)

-

turbin tekanan bertingkat (pressure staging: HP, IP dan LP turbine) untuk memungkinkan pemanasan ulang (reheat) pada boiler.

-

menaikkan tekanan dan temperatur uap masuk turbin melebihi critical point, untuk memungkinkan super crtical boiler SCB, bahkan ultra super critical boiler USCB dengan double reheat.

-

memperbesar kapasitas (daya mampu) turbin; ketiga cara/metoda diatas menjadi lebih efektif bila diterapkan pada turbin berkapasitas besar.

Rugi-rugi (losses) WL pada internal turbin terjadi oleh kebocoran antara ujung sudu gerak terhadap stator (pada selubung casing) dan antara ujung sudu tetap terhadap rotor, sehingga harus dipasang perapat labyrinth pada ujung sudu-sudu gerak dan tetap untuk mengurangi kebocoran (mengurangi losses). Rugi-rugi (losses) WL pada internal turbin juga terjadi karena perubahan bentuk dan kehalusan (smoothness) permukaan sudu-sudu gerak dan tetap. Perubahan ini dapat terjadi karena erosi (kavitasi), korosi dan kerak (deposit and scale) yang dipengaruhi dan disebabkan oleh kekurang-murnian (contaminants) kualitas uap. Kualitas uap juga meliputi tingkat kekeringan (dryness) uap atau kebasahan (wetness) uap (jumlah dryness fraction dan wetness fraction adalah 1 atau 100%). Jika tingkat kekeringan berkurang, maka kemungkinan terjadinya erosi dan kavitasi pada sudu-sudu turbin menjadi besar. Hal ini mudah terjadi pada saat start-up turbin dan juga pada saat turbin beroperasi dengan beban rendah. Jumlah energi panas yang dilepas oleh uap pada kondenser ΔHC sangat dipengaruhi oleh kevakuman dan mempertahankan kevakuman kondenser, pengaruhi kapasitas turbin dan cara/metoda lainnya sangat kecil. Kevakuman sangat dipengaruhi oleh kebersihan pipa-pipa kondenser serta temperatur dan ketersediaan air pendingin kondensor.

1.2.2 Ekstraksi turbin (turbine extraction) Beberapa bagian uap yang sedang mengalir dalam turbin akan disadap (diekstraksi) untuk digunakan sebagai pemanas awal air kondensat dari hotwell kondenser dan pemanas air pengisi boiler. Uap ekstraksi diambil pada beberapa titik (tingkat) tekanan dan temperatur yang berbeda sepanjang aliran uap pada turbin. Setelah melakukan kerja pada turbin, uap ekstraksi Simple Inspiring Performing Phenomenal

30

ini memberikan panas kondensasinya kepada air kondensat atau air pengisi yang dipanaskannya, energi panas ini dimanfaatkan kembali untuk siklus turbin (PLTU), tidak dibuang ke air pendingin di kondenser, sehingga hal ini akan mengurangi rugi/hilangnya energi panas. Turbin uap didesain dengan berbagai ukuran dan kapasitas mulai dari beberapa kW hingga 1300 MW. Tara kalor (Heat rate) adalah ukuran yang selalu digunakan untuk mengukur kinerja turbin, yaitu jumlah kalor yang diberikan ke turbin k.kal/h (kilo kalori per jam) dibagi dengan daya listrik yang dihasilkan dalam kW (kilowatt), sehingga satuan turbine heat rate (tara kalor turbin) adalah k.kal/kWh. Untuk mengetahui dan menganalisa distribusi panas dan aliran uap pada turbin, maka dibuatkan suatu diagram keseimbangan kalor turbin yang disebut dengan Turbine Heat Rate Diagram. Diagram ini dibuat untuk 0%, 25%, 50%, 75%, 100% beban dan peak load.

Gambar 34. Diagram Heat balance turbin uap cross flow


31

Gambar 35. Heat Balance pada 90 % MCR Shaft power

24120

kW

SFR (corrected)

285.8

g/kWh

Fuel oil consumption

6850

kg/hr

T.G. output

900

kW


32

Gambar 36. Heat balance Turbin uap multi stage dan BFPT

1.2.3 Steam Admission Uap dialirkan ke turbin dengan pipa uap utama (main steam piping) melalui satu atau lebih katup utama MSV dan beberapa katup kendali CV, masing-masing katup MSV atau CV digerak aktuator hidrolik. Ada juga yang seluruh katup kendali CV-nya digerakkan oleh hanya satu aktuator hidrolik tunggak (single aktuator). Uap yang masuk ke turbin harus uap kering (superheated) untuk menghindari butir-butir air membentur sudu-sudu turbin, sehingga tekanan dan temperatur uap harus diberi batasan minimal. Untuk menghindari uap basah masuk turbin, maka penyaluran uap ke turbin dibagi menjadi beberapa bagian (partial admission) yang masing-masing bagian dikendalikan oleh satu katup kendali CV. Simple Inspiring Performing Phenomenal

33

Gambar 37. Steam Admission into turbine


34

Gambar 38. Steam Admission Valves System Pada saat start-up, hanya satu katup kendali CV yang dioperasikan agar tekanan setelah katup tidak terlalu rendah (menjaga kualitas uap tetap kering). Bahkan pada beberapa turbin berkapasitas besar, start-up dilakukan melalui katup start-up kecil yang terpasang pada katup utama MSV. Pada operasi berbeban (On Load Operation), jumlah katup kendali CV yang dioperasikan disesuaikan dengan besarnya beban. Pada saat beban rendah, katup kendali CV yang dioperasikan cukup hanya satu atau dua katup, pada beban tinggi (maksimum) seluruh katup kendali CV dioperasikan. Urutan katup kendali yang dioperasikan disesuaikan sehingga admission uap ke turbin bersilang secara partial. Simple Inspiring Performing Phenomenal

35

Gambar 39. Steam Admission pada turbin casing tunggal Simple Inspiring Performing Phenomenal

36

1.2.4 Kondenser Kondenser mengalami tekanan vakum karena proses kondensasi uap menjadi air, sehingga kondenser didesain terhadap beban tekanan vakum (ke dalam turbin), tidak kuat menahan tekanan dari dalam. Untuk mengurangi dampak jika terjadi gagal vakum, atau gangguan operasi sehingga turbin exhaust bertekanan lebih besar dari tekanan udara luar, maka harus dipasang suatu atmospheric relief valve pada lintasan exhaust antara turbin dan kondenser, yang membuka ke udara luar. Atau dapat dipasang rupture disks atau rupture diaphragm pada exhaust hood atau turbine hood, disk/diaphragm akan pecah jika tekanan ruang kondenser telah melebihi maksimum.

Gambar 40.

Kondenser sisi ganda

Pada exhaust hood dipasang peralatan water spray untuk menyemprotkan air ke uap keluar turbin agar mudah dan cepat mengkondensasi dan mmenjaga tekanan vakum. Sebelum kualitas uap dari boiler memenuhi syarat minimal untuk start turbin, maka uap dari boiler dialirkan langsung ke kondenser melalui katup turbine by-pass, demikian juga jika terjadi turbin trip. Setelah katup turbine by-pass, uap harus diinjeksi dengan air (water sprayed) untuk menurunkan tekanan dan temperaturnya sehingga mengurangi beban termal kondenser. Simple Inspiring Performing Phenomenal

37

Gambar 41. Rupture Disc dan Safety Valve

Gambar 42. Simple Inspiring Performing Phenomenal

Turbine By-pass Valve 38

1.2.5 Pelumasan Poros turbin yang berputar ditumpu dengan bantalan luncur (journal bearing) dan bantalan aksial (thrust bearing). Sebelum start-up, poros harus diputar terlebih dengan putaran rendah oleh peralatan Turning Gear, begitu juga segera setelah turbin shutdown poros rotor harus diputar terus sampai temperaturnya dingin agar tidak bengkok. Selama waktu diputar dengan putaran rendah, poros rotor harus diangkat dengan Jacking System . Pelumasan harus dioperasikan sebelum dan selama poros berputar, minyak pelumas disiapkan dan dialirkan oleh sistem pelumasan dengan Lube Oil Pump. Sebagian aliran minyak pelumas digunakan untuk menggerakkan turbin hidrolik peralatan Turning Gear. Jacking Oil menggunakan minyak pelumas sebagai fluida untuk mengangkat poros. Katup-katup MSV dan CV digerakkan oleh aktuator hidrolik, ada sistem turbin uap yang menggunakan minyak pelumas turbin sebagai minyak hidrolik juga.

Gambar 43.


Diagram Sistem Minyak Pelumas

39

Gambar 44. Diagram Sistem Minyak Hidrolik Simple Inspiring Performing Phenomenal

40

Gambar 45. Diagram of steam turbine lube-oil system control/logic

1.3 Pencegahan Kerusakan Oleh Air Kondensat 1.3.1 Risiko bahaya pada turbin uap: Induksi air Masuknya air ke dalam bagian mana saja dari turbin yang sedang beroperasi dengan kecepatan putar dan temperatur yang tinggi akan menyebabkan kerusakan serius terhadap rotor, sudusudu, vane, diafragma nosel, bantalan sleeve dan thrust, dan perapat seal. Sebagian besar rusak karena kemasukan air pada turbin adalah disebabkan oleh terkumpulnya air pada lintasan uap, pada selubung casing turbin, saluran ekstraksi, line-up katup-katup sepanjang pemipaan selam proses startup atau pun shutdown, dan kebocoran pipa (tube) yang berlebihan dari pemanas air LPH dan atau HPH. Level air yang tinggi dalam boiler drum dapat menyebabkan air terbawa ke superheater dan masuk ke dalam turbin, sehingga merusak komponen dalam turbin mengakibatkan gangguan turbin.


41

Masuknya air ke dalam turbin akan mengakibatkan kerusakan sebagai berikut: • Thrust bearing failure. Air yang terbawa dari boiler akan menjadi beban pada bantalan aksial (thrust bearing) yang dapat merusak bantalan • Damaged vanes, seals, and blades. Pergeseran aksial poros dapat mengakibatkan tubrukan/benturan antara komponen yang berputar dengan komponen yang diam • Thermal cracking. Air dari sumber mana saja yang menyentuh bagian metal bertemperatur tinggi cukup mampu menghasilkan keretakan thermal (thermal cracking). • Rub damage. Yang masuk dari saluran uap utama atau uap panas ulang dapat menyebabkan masalah beda ekspansi antara bagian yang berputar dengan bagian yang diam yang mengakibatkan gesekan aksial. Air datang dari pipa ekstraksi dapat menyebabkan kontraksi bagian bawah selubung casing turbin, mengakibatkan bengkok yang dapat mengangkat cakram difragma menyentuh rotor, menyebabkan gesekan radial. • Bowing of the rotor akibat dari ketika packing perapat (labirin) menggesek permukaan rotor dan menyebabkan panas tidak seimbang pada pemukaan rotor. Penambahan distorsi ini selanjutnya akan meningkatkan intensitas gesekan. Perapat packing, carik tumpah (spill strips), dan barisan blade shrouds adalah bagian yang paling sering rusak karena hal ini. Kemasukan air (water induction) dapat menyebabkan selubung casing menjadi melengkung (thermal distortion) menyebabkan gesekan lebih lanjut. Perlakuan panas (heat treating) ditempat (in-situ), pada dapur tanur sementara di tempat atau di pabrik mungkin dibutuhkan untuk mengembalikan bentuk semula. • Permanent warping or distortion. Kerusakan ini terjadi ketika bagian metal mengalami quenching hebat, dan menyebabkan kebocoran uap pada sambungan katup dan rumah (shell) turbin. Bengkoknya diafragma dan bungkuknya poros karena quenching oleh air mengakibatkan distorsi berkembang luas sehingga motor turning gear menjadi berat dan trip serta lengket. • Ketika turbin generator trip dan katup stop utama MSV dan katup panas ulang menutup (dan PMT/CB generator juga lepas), tekanan dalam turbin turun menuju vakum yang masih terjaga pada kondenser. Uap pada pipa ekstraksi tercegah dari berekspansi kembali ke turbin oleh katup non-returnnya. Jika katup non-return ini gagal menutup karena tekanan balik, uap dari pemanas air pengisi dan kondensat (HPH dan LPH) sesuai aliran pipanya akan mengalir balik ke turbin dan memutar turbin bahkan hingga over speed. Kondensat pada pemanas HPH atau LPH akan menguap (flashes) disekitar garis saturasi, dan mengalir balik ke turbin. Tambahan energi ini mampu memutar turbin hingga over speed. Bagaimanapun, pada turbin uap yang besar, telah terjadi peristiwa dimana uap dingin yang mengenai satu sisi selubung dalam (inner casing) akan mendinginkannya denga cepat, menyebabkan selubung dalam tersebut berubah bentuk (deformed). Simple Inspiring Performing Phenomenal

42

Mengakibatkan gesekan rotor yang hebat dan mencegah over speed, namun kerusakan sudu-sudu rotor menjadi parah.

1.3.2 Kualitas Air dan Kemurnian Uap Sistem kendali kualitas air dan kemurnian uap menyediakan sistem yang teliti untuk memonitor kandungan padat (solid content), cairan dan kontaminasi uap lain pada uap utama yang keluar dari boiler. Sistem monitoring melindungi komponen turbin uap pada lintasan aliran uap dari erosi, korosi, kerak deposit, lelah tegangan (stress fatigue) dan kerusakan lainnya. Kotoran (impurities) ada yang dalam bentuk padatan terlarut (dissolved), terlarut secara parsial (partially dissolved), atau padatan mengambang (suspended solids). Padatan yang paling umum adalah garam sodium Na, calcium Ca, magnesium Mg, besi Fe dan tempaga Cu. Kotoran berbentuk gas (paling banyak ditemukan pada uap tekanan rendah) berupa karbon dioksida CO2 ,ammonia NH3, nitrogen N2, amines dan silica Si.


43

1.4 Perapat Poros Turbin Uap dan Sistem Perapat Kelenjar (Gland) 1.4.1 Keuntungan sistem perapat kelenjar (Advantages of a gland seal system) Suatu sistem perapat kelenjar menjamin kerapatan rotor/poros turbin (lihat gambar). Sistem ini memberi keuntungan berikut ini:  Meningkatkan efisiensi siklus dan kinerja turbin.  Menghilangkan kontaminasi minyak pelumas karena migrasi air kondensat ke minyak dari perapat poros turbin, dan mencapai umur operasional lebih lama sebelum penggantian minyak.  Melindungi perapat pinggir rotorturbin dari kerusakan, dan membatasi kebocoran uap sekitar mesin yang biasanya beracun karena additif yang ditemukan pada mesin  Mengurangi kelembaban sekitar mesin, menghasilkan operasi yang lebih aman bagi peralatan listrik yang terpasang disekitar lokasi turbin.  Mencegah kebocoran udara ke dalam kondenser dan menjaga uap dari kebocoran keluar (blowing out) ruang turbin

Gambar 46. Diagram Sistem Perapat Turbin Simple Inspiring Performing Phenomenal

44

Masalah berikut ini dapat terjadi jika sistem perapat kelenjar tidak digunakan:  Uap dapat mengalir dan mencair dalam sistem minyak pelumas bantalan  Penurunan kualitas minyak pelumas  Polusi karena lepasnya uap beracun yang berisi/mengandung additif dari mesin

1.4.2 Fungsi dan operasi sistem perapat Sistem perapat kelenjar menyediakan uap tekanan rendah yang sedikit di atas tekanan udara luar atmosfir (atmospheric pressure), biasanya 1.5 to 2.5 psi (10 to 17 kPa) dan mengalirkannya ke kelenjar (glands) turbin uap dan daerah perapat di ujung poros rotor. Ketika turbin uap pada mode operasi turning gear dan pada perioda pemanasan dan selama proses start-up, adalah diperlukan utuk menyediakan suatu sumber bantu untuk uap perapat sampai suatu tekanan dan kualitas uap yang cukup tersedia dari proses. Umumnya, tekanan dan temperatur pada header perapat uap diatur secara otomatis untuk kebutuhan operasi dan turbin tertentu. Katup kontrol penurun tekanan dan penyemprot air desuperheater digunakan pada proses ini.

1.5 Electrostatic Discharge Pada Turbin Generator Kararkteristik elektrikal atau mekanikal dapat menginduksikan potensial elektrikal (voltase) pada rotor mesin yang berputar. Jika tegangan ini tidak dikelola, jika sistem mitigasi voltase (biasanya sikat grounding poros) gagal beroperasi dengan baik karena kurang pemeliharaan, voltase akan mencari lintasan alternatif ke ground. Lintasannya adalah komponen metal – biasanya bantalan atau perapat seal – yang terdekat ke poros). Busur listrik ke komponen ketika tegangan dilepas disebut dengan electrostatic discharge. Busur listrik akan mengikis permukaan metal dan membuka celah yang rapat, dan komponen ini tergantung pada operasi yang baik. Jika tidak diketahui, electrostatic discharge ini akan merusak bantalan dan perapat seal secara perlahanlahan, merubah kedinamisan rotor, dan akhirnya merusak poros sehingga memerlukan perbaikan yang mahal. Pemeriksaan dan pemeliharaan yang baik pada sistem mitigasi tegangan ini dan pemantauan dinamika padat mengatasi masalah ini.


45

Gambar 47. Electrostatic Discharge pada rotor turbin uap

1.5.1 Lapisan film bantalan (Fluid-Film Bearing Machines) Pada pengoperasian turbine generator (STG), setidaknya ada tiga kemungkinan sumber tegangan antara poros dengan grounding: 1)

Tegangan lup elektromagnetik karena lintasan magnetik generator tidak simetris yang menciptakan potensi listrik antara kedua ujung poros generator 2) Muatan statis bisa terjadi dari tetesan air yang terlempar dari sudu pada tingkat turbin yang basah 3) Suatu tegangan kapasitif karena riak (ripple) pada tegangan medan DC dapat menghasilkan tegangan dari poros ke ground. . Tegangan ini harus diperhitungkan ketika mendesain turbin. Bantalan pada salah satu ujung poros generator biasanya diisolasi agar terjadi suatu sirkuit terbuka dan menegah tegangan lup elektromagnetik (itulah sebabnya perhatian khusus harus dilakukan untuk menjamin sifat isolasinya terjaga kapan saja instrumentasi dipasang pada bantalan yang terisolasi). Tegangan antara poros dan ground, karena muatan statis atau riak tegangan DC, dapat dimitigasi dengan memasang sikat grounding yang dihubungkan ke poros dekat bantalan yang tidak terisolasi. Sikat ini menjaga tegangan poros ke ground pada level yang aman denganmembocorkan arusnya ke tanah sehingga menyebabkan tegangan sumber melemah dan hilang.

1.5.2 Elemen berputar bantalan Mekanisma serupa pada kerusakan terjadi pada elemen berputar bantalan motor yang dikontrol dengan putaran bervariasi. Sistem ini mensimulasi tenaga tiga fasa dengan menciptakan serangkaian seri pulsa tegangan yang hanya mendekati bentuk gelombang sinusoidal yang halus setiap fasa. Simple Inspiring Performing Phenomenal

46

Karena kekasaran bentuk PWM (pulse width modulate) mencegahnya dari penjumlahan secara vektor ke nol pada setiap saat yang diberikan, suatu tegangan mode umum (“common mode voltage”) relatif ke ground tercipta. Tegangan mode umum ini dapat membangkitkan arus bantalan setidaknya dengan tiga cara: 1) Celah udara antara rotor dan stator beraksi seperti capacitor yang secara berkala melepas muatan ketika komponen batalan terhubung (contact). Hal ini menjadi penyebab utama kerusakan bantalan. 2) Suatu fenomena lain menyebabkan arus mengalir ketika impedansi bantalan aktif sangat rendah, dan bantalan menjadi lintasan ke ground karena kapasitansi kumparan parasitik. 3) Suatu efek induktif menyebabkan arus bersirkulasi melalui batalan, poros dan stator ketika impedansisirkuit ini rendah. Teknik mitigasi untuk situasi ini apakah memblok arus bantalan atau menyediakan lintasan impedansi rendah ke ground. Teknik ini meliputi sikat grounding poros, insulasi bantalan, elemen roliing keramik atau minyak gemuk (grease) konduktif, suatu perisai (shield) Faraday, dan inverter dual-bridge yang menyeimbangkan eksitasi motor.

1.5.3 Failure Mechanisms Adakalanya, insulasi atau sikat grounding aur/rusak menjadi tidak efektif, menyebabkan arus besar mengalir melalui bantalan. Pada bantalan luncur (journal bearing) dengan lapisan film minyak pelumas, hal ini dapat menyebabkan electrostatic discharge melalui film minyak, mengakibatkan metal babbitth mencairnya denga luasan kecil. Discharge yang kontinyu dengandurasi waktu tertentu menyebabkanerosi pitting, terlihat seperti permukaan bantalan yang membeku, dan akhirnya bantalan terhapus. Jika masalah ini terjadi tanpa diketahui cukup lama, permukaan poros pada bantalan menjadi berbintik-bintik dan permukaan ini harus diperbaiki. Akibatnya operasi turbin harus dihentikan dan dibongkar untuk perbaikan poros di pabrik. Dalam beberapa hal, poros memerlukan degaussing untuk menghilangkan kemagnetan tersisa yang masih tinggi. Bintik pitting serupa juga terjadi pada elemen bantalan rol. Pada tahap awal, lintasan (race) bantalan mengalami satiny finish (permukaan seperti kainsatin) yang merata. Pada tahap selanjutnya, muncul alur dalam yang merata pada lintasan luar bantalan. Pengaluran ini terlihat


47

1.5.4 Pendeteksian Pada bantalan luncur, electrostatic discharge mengakibatkan erosi bantalan dan dapat diamati dari perubahan celah bantalan (bearing clearance). Untuk turbin yang dilengkapi sensor proximity, hal ini dapat dimonitor melalui tegangan dari sensor, jika celah bantalan membuka, tegangan celah akan merubah. Oleh karena itu, hal berikut dianjurkan untuk dimonitor dalam praktek: 1) Buat alarm untuk celah pada sistem monitoring. 2) Secara teratur periksa letak (plot) garis tengah (centerline) poros dan tren teganagn celah, menggunakan tool diagnostic dan trending

Beberapa turbin memiliki instrumen pengukuran tegangan dan arus pada sirkuit sikat groundingnya yang akan memberi alarm dan nilai harga terukurnya. Untuk bantalan gelinding, transduser seismic digunakan untuk membuat tren level vibrasi bantalan. Pada tahap lebih lanjut pitting pada alur lintasan luar, level vibrasi yang lebih tinggi dapat dideteksi. Bagaimanapun, electrostatic discharge sulit dibedakan dari masalah bantalan gelinding lainnya jika hanya berdasarkan pemeriksaan sinyal vibrasi. Umumnya, inspeksi visual diperlukan setelah gangguan untuk memastikan akar penyebabnya. Ringkasnya, electrostatic discharge menyebabkan bantalan dan poros rusak ketika arus listrik mengalir melalui bidang bantalan pada lintasan arus dari poros ke ground, atau ketika bersirkulasi melalui komponen berlutar dan diam. Kerusakan ini selalu terjadi tanpa terdiagnosa karena gejalanya yang halus dan efekyang perlahan, dan karena ini adalah fenomena elektrikal yang bekasnya sendiri seperti kerusakan mekanikal. Bahkan mesin non elektrikal seperti turbin dan gear box rentan terkena/mengalami karena gerakan berputar dapat menginduksi teganganpada poros tanpa adanya generator. Meskipun pemeliharaan sikat dan insulator yang baik merupakan langkah terdepan, kerusakan dapat terjadi antara interval pemeliharaan daninspeksi. Idealnya, disiapkan instrumen yang langsung mengukur tegangan dan arus pada sistem mitigasi tegangan. Bagaimanapun, jika tidak, suatu sistem monitoring vibrasi yang diatur dengan baik dapat juga mendeteksi electrostatic discharge dan memungkinkan intervensi yang tepat waktunya sebelum kerusakan bantalan, poros dan perapat terjadi.


48

Buku 1 - Prinsip Kerja Turbin Uap

Recommend Documents