1
TURBIN UAP Sistem turbin uap merupakan salah satu jenis mesin panas yang mengkonversi sebagian panas yang diterimanya menjadi kerja. Sebagian panas lainnya dibuang ke lingkungan dengan temperatur yang lebih rendah.
2
TURBIN UAP Sistem turbin uap merupakan salah satu jenis mesin panas yang mengkonversi sebagian panas yang diterimanya menjadi kerja. Sebagian panas lainnya dibuang ke lingkungan dengan temperatur yang lebih rendah.
2
Fluida kerja (air-uap air) menjalani proses-proses:
a. penyerapan panas pada tekanan tetap di boiler b. ekspansi adiabatik untuk menghasilkan kerja c. pembuangan panas pada tekanan tetap di condensor d. pemompaan untuk menaikkan tekanan 3
Dasar Termodinamika Termodinamika i k l u s R an an k i n e Sistem turbin uap didasari S ik
P 2 a
b
P 1
1 4
2
P 3
3
entropi Efisiensi siklus Rankine < efisiensi siklus Carnot (pada rentang temperatur kerja kedua siklus sama) bandingkan luas bidang 1-b-2-3-4-1 (untuk siklus Rankine) terhadap luas bidang 1-ab-2-3-4-1 (untuk siklus Carnot)
4
Peningkatan efisiensi sistem turbin uap peningkatan tekanan uap masuk turbin peningkatan temperatur uap masuk turbin (superheating ) penurunan tekanan keluar turbin (penurunan temperatur kondensasi; dengan resiko kenaikan fraksi cairan dalam uap keluar turbin) pemanasan air umpan boiler ( regenerative process) dll
5
Siklus Rankine SEDERHANA
6
Tentukan efisiensi sebuah sistem turbin uap dgn kondisi aliran sebagai berikut: uap masuk turbin : saturated steam P2 = 2000 kPa uap masuk kondenser : P3 = 7,5 kPa. air keluar kondenser : air jenuh P4 = 7,5 kPa air masuk boiler: P1 = 2000 kPa
7
Perhitungan dimulai dengan penentuan nilai h, s di setiap titik. (1) Titik 2, uap jenuh: P 2 = 2000 kPa dan T 2 = 212,4 oC h2 = 2799,5 kJ/kg (dari steam table) s2 = 6,3409 kJ/(kg.K) (dari steam table) (2) Titik 3, adalah uap hasil ekspansi yang akan masuk kondenser P3 = 7,5 kPa (diketahui) s3 = s2 = 6,3409 kJ/(kg.K) (2 - 3 dianggap ekspansi isentropik) Titik 3 merupakan campuran cair-jenuh dan uap-jenuh. Data kondisi jenuh dari steam table: entalpi, kJ/kg entropi, kJ/(kg.K) cair jenuh (A) 168,79 0,5764 uap jenuh (B) 2574,8 8,2515 Entropi titik 3 (campuran cair-uap): s3 = 6,3409 = x.s A + (1 - x).sB x = 0,2489 x = fraksi cairan dalam aliran keluar turbin Entalpi titik 3: h3 = x.h A + (1 - x).h B h3 = 1975,9 kJ/kg 8
(3) Kerja pompa (persamaan mekanika fluida): wp = v . (P1 – P4) dengan: P1 = 2000 kPa; tekanan aliran keluar pompa dan masuk boiler P4 = 7,5 kPa; tekanan aliran masuk pompa, dari kondensor v1 = v2 = 1,008.10-3 m3/kg (dari steam table ); volum spesifik air dianggap konstan -3 wp = 1,008.10 . (2000 – 7,5) = 2 kJ/kg (4) Titik 1 adalah cairan dingin (subcooled water dengan T1 < Tdidih). Entalpi h1 ditentukan dari neraca energi proses pemompaan 4 – 1: h1 - h4 = wp h1 = h4 + wp = 168,79 + 2 = 170,79 kJ/kg Sampai disini, semua data termodinamika air dan uap telah lengkap.
Selanjutnya perhitungan kerja dan panas. (5) Kerja yang dihasilkan turbin (2 - 3): w = h3 - h2 = 1975,9 – 2799,5 = - 823,6 kJ/kg (keluar) (6) Kerja neto = kerja hasil ekspansi di turbin - kerja untuk pompa wnet = 2 - 823,6 = - 821,6 kJ/kg (7) Panas yang diserap (1 – 2): qin = h2 - h1 = 2799,5 – 170,79 = 2628,71 kJ/kg (8) Efisiensi siklus Rankine: kerja neto 821,6 x 100% 31,3% panas masuk 2628,71
9
Dari contoh soal di atas, beberapa hal perlu mendapat perhatian: a. kerja pompa relatif sangat kecil dibandingkan terhadap kerja hasil ekspansi di turbin (wp << w) b. wp sering diabaikan, sehingga entalpi air sebelum dan sesudah pompa dianggap sama c. efisiensi siklus dipengaruhi oleh kondisi uap di titik masuk turbin dan kondisi uap keluar turbin d. jumlah cairan dalam uap keluar turbin tergantung spesifikasi turbin masing-masing
10
Efek Kenaikan Temperatur Uap thd Efisiensi Siklus
11
Kondisi masuk turbin superheated steam: T3a = 500 C (Td2000kPa = T3 = 212,4 C) P3a = 2000 kPa h3a = 3467,6 kJ/kg s3a = 7,4317 kJ/(kg.K) (1)
kondisi 4a: P4a = 7,5 kPa s4a = s3a = 7,4317 kJ/(kg.K)
(lihat contoh sebelumnya) (ekspansi isentropik)
a). cair jenuh: sAa = 0,5764 kJ/(kg.K); hAa = 168,79 kJ/kg b). uap jenuh: sBa = 8,2515 kJ/(kg.K); hBa = 2574,8 kJ/kg xa = (s4a - sBa)/(sAa - sBa) = 0,1068 (kandungan air ) h4a = xa.hAa + (1 – xa).hBa = 2317,8 kJ/kg
12
(2) kondisi 1 dan 2 sama dengan contoh sebelumnya (3) w = h4a - h3a = 2317,8 – 3467,6 = -1149,8 kJ/kg wp = 2 kJ/kg (contoh sebelumnya) qin = h3a - h2 = 3467,6 – 170,79 = 3296,8 kJ/kg
kerja neto = panas masuk
w + wp q in
1149,8
3296,8
2
x 100% = 34,8%
(4) Kesimpulan dasar Temp. masuk turbin, oC Kerja netto, kJ/kg Panas masuk, kJ/kg Efisiensi siklus, %
212,4 821,6 2628,71 31,3
kenaikan temp. 500 1147,8 3296,8 34,8
selisih (%) 39,7 25,4 11,2
13
Efek Kenaikan Tekanan Uap thd Efisiensi Siklus
14
Kondisi masuk turbin superheated steam: T3’ = 500 C P3’ = 3000 kPa h3’ = 3456,5 kJ/kg s3’ = 7,2338 kJ/(kg.K) (1) kondisi 4': P4' = 7,5 kP (diketahui) s4' = s3' = 7,2338 kJ/(kg.K) (ekspansi isentropik) a). cair jenuh: sA' = 0,5764 kJ/(kg.K); hA' = 168,79 kJ/kg b). uap jenuh: sB' = 8,2515 kJ/(kg.K); hB' = 2574,8 kJ/kg x' = (s4' - sB')/(sA' - sB') = 0,1326 (kandungan air) h4' = x'.hA' + (1 – x').hB' = 2255,8 kJ/kg 15
(2) w = h 4' - h3' = 2255,8 – 3456,5 = -1200,7 kJ/kg wp = 1,008.10 -3 . (3000 - 7,5) = 3,01 kJ/kg h2' = h1 + wp = 168,79 + 3,01 = 171,8 kJ/kg qin = h3' - h2' = 3456,5 – 171,8 = 3284,7 kJ/kg =
kerja neto panas masuk
w + wp q in
, ( 3,01) x 100% = 36,5% 3284,7
1200 7
3) Kesimpulan dasar Temp. masuk turbin, oC Tekanan masuk turbin, kPa Kerja netto, kJ/kg Panas masuk, kJ/kg Efisiensi siklus, %
212,4 2000 821,6 2628,7 31,3
kenaikan temp. 500 2000 1147,8 3296,8 34,8
kenaikan T dan P 500 3000 1197,7 3284,7 36,5 16
Pemanasan Awal Air Umpan Boiler
17
Kondisi-kondisi aliran yang diketahui ( angka bold-italic = hasil hitungan): 1 2 3 4 5 6 sat. steam
P, kPa T, C h, kJ/kg s, kJ/(kg.K) v, L/kg
2000 212,42 2799,5 6,3409
7 sat. water
400
7,5
7,5
400
400
2507,3
1975,9
168,79
609,9
6,3409
6,3409 1,008
1,086
2000
Basis hitungan: m1 = 1 kg (m1 = m6 = m7 = m2 + m3) (1) h5 = h4 + v4 .(P5 - P4) = 168,79 + 1,008x10-3.(400 - 7,5) = 168,79 + 0,395 = 169,19 kJ/kg (2) neraca entalpi contact heater : m6.h6 = m2.h2 + m5.h5 609,9 = m2. 2507,3 + (1 - m2).169,19 m2 = 0,188 kg (3)h7 = h6 + v6 .(P7 - P6) = 609,9 + 1,086.10-3.(2000 - 400) = 611,6 kJ/kg (4) w = m1.(h2 - h1) + (m1 - m2).(h3 - h2) (hasil ekspansi di turbin) w = (2507,3 - 2799,5) + (1 - 0,188).(1975,9 – 2507,3) = - 723,7 kJ/(kg m1) 18
5) wnet = -723,7 kJ/kg (6) qin = h1 - h7 = 2799,5 – 611,6 = 2187,9 kJ/kg (7) efisiensi siklus = 723,7 / 2187,9 = 33% Kesimpulan Temp. masuk turbin, oC Tek. masuk turbin, kPa Temp. masuk boiler, oC Kerja netto, kJ/kg Panas masuk, kJ/kg Efisiensi siklus, %
siklus dasar 212,4 2000 sub-cooled water 821,6 2628,71 31,3
(kerja 2 pompa diabaikan)
kenaikan temp. masuk boiler 212,4 2000 212,4 (sat.water) 723,7 2187,9 33,0
19
Ekspansi dalam Turbin Turbin merupakan salah satu bagian dalam siklus Rankine. Di dalam turbin, konversi energi termal uap menjadi energi mekanik melalui beberapa tahap, misalnya: •
steam lewatkan nosel, sehingga terjadi penurunan tekanan dan kenaikan kecepatan
•
momentum steam keluar nosel digunakan untuk menggerakkan sudu-turbin.
20
Kelompok atas dasar tahapan ekspansi a. turbin impuls: steam hanya mengalami ekspansi ketika lewat nosel dan tidak pada sudu-gerak.
P
l e s o n
k a r e g u d u s
m a i d u d u s
k m a r i a e d g - u u d d u u s s
k a r e g u d u s
v v
P
21
b. turbin reaksi: steam diekspansikan bertahap ketika lewat nosel dan sudu-gerak
P
l e s o n
k m k m k a a r i r i r a a a e d e d e g g g u u u u u d d d d d u u u u u s s s s s
P
v
v
22
Kelompok atas dasar kondisi steam ketika keluar turbin a.
b ac k p r es s u r e tu r b i n e
•
steam keluar masih bertekanan relatif tinggi
•
turbin jenis ini banyak digunakan di pabrik kimia
23
b.
c o n d en s in g tu r b in e
•
steam keluar = saturated steam atau bahkan sebagian steam telah terkondensasi
•
jenis ini banyak digunakan di pembangkit listrik
24
c.
ex tr ac ti o n/i n du cti o n tu r b in e
•
gabungan back-pressure dan condensing turbine dalam satu rumah casing
•
banyak digunakan dalam cogeneration
25
Rugi-rugi internal turbin
a. available work : entalpi steam yang mungkin dikonversi menjadi kerja b. stage work : entalpi steam yang terkonversi nyata menjadi kerja 26
Rugi-rugi di dalam turbin satu tingkat : •
nozzle reheat : rugi-rugi ketika steam diekspansikan di nosel secara adiabatik tak-reversibel dan mengakibatkan kenaikan temperatur steam (relatif terhadap temperatur jika steam diekspansikan isentropik)
•
blade reheat : ugi-rugi gesekan aliran steam ketika lewat sudugerak
•
windage losses: rugi-rugi gesekan ketika steam meninggalkan sudu-gerak
•
stage reheat : jumlah semua rugi-rugi dalam satu tahap ekspansi
27
Efisiensi Isentropik
dengan h1= entalpi steam masuk h2= entalpi steam keluar (nyata) h2,s = entalpi steam keluar (jika ekspansi isentropik, s2s = s1
28
Rugi internal turbin banyak tingkat
Reheat facto r
29
Efisiensi isentropik turbin banyak tingkat
Efisiensi isentropik tergantung pada berbagai faktor, seperti: kapasitas dan kondisi steam masuk turbin. jenis turbin satu tingkat lima tingkat tujuh tingkat sembilan tingkat
Kapasitas HP 500 1000 4000 10000
Efisiensi % 30 55 65 75
Steam rate kg/kWh 11,4 6,30 5,30 4,54
disalin dari Perry, "Chem Engr. Handbook", ed. 5
30
Konsumsi S t e a m Spesifik Konsumsi Uap Spesifik ( s p e c i f i c s t e am r a t e) : konsumsi steam per satuan waktu untuk menghasilkan satu satuan daya. w = he - hi W = m . (he - hi) dengan: w = energi/massa W = daya, kW atau HP m = laju massa steam, kg/jam h = entalpi spesifik steam, kJ/kg subskrip: i = inlet dan e = exit Konsumsi steam:
31
): TSR (Theoretical Steam Rate Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara isentropik. TSR = 1/ (hi - he) TSR dapat dinyatakan dalam berbagai satuan: Jika entalpi h dalam kJ/kg, maka TSR = 3600/(hi - he) kg/kWh Jika entalpi h dalam Btu/lb, maka TSR = 2545/(hi - he) lb/HPh
ASR (A ctu al Steam Rate ) Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara adiabatik takreversibel. ASR = TSR / dengan = efisiensi isentropik 32
Contoh Turbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated steam (Pi = 2000 kPa, Ti = 500 C). Steam keluar turbin pada keadaan jenuh (Pe = 7,5 kPa). Efisiensi isentropik turbin 70%. Hitung konsumsi steam.
33
Contoh Turbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated steam (Pi = 2000 kPa, Ti = 500 C). Steam keluar turbin pada keadaan jenuh (Pe = 7,5 kPa). Efisiensi isentropik turbin 70%. (1) Data termodinamika steam (dari steam table) Pi = 2000 kPa dan Ti = 500 oC hi = 3467,6 kJ/kg dan si = 7,4317 kJ/(kg.K) (2) Pe = 7,5 kPa dan se = si = 7,4317 kJ/(kg.K) campuran uap dan cair. uap: suap = 8,2515 kJ/(kg.K) ; huap = 2574,8 kJ/kg cair: scair = 0,5762 kJ/(kg.K) ; hcair = 168,79 kJ/kg fraksi uap: y = (7,4317-0,5764)/(8,2515-0,5764) = 0,893 he = 0,893 x 2574,8 + (1 - 0,893) x 168,79 = 2317,35 kJ/kg (3) TSR = 3600/(3467,6 – 2317,35,8) = 3,13 kg/kWh (4) ASR = 3,13/70% = 4,47 kg/kWh (5) Konsumsi steam: m = W.ASR = 2000. 4,47 = 8940 kg/jam 34
Contoh Spesifikasi Turbin Uap 1
Shaft Power, kW
2
Speed, rpm
3
Steam inlet Conditions:
12.5 MW generator
pumpa BFW
kompresor gas proses
12500
1338.3
2557
3000
4200
6596
Normal
Normal
Normal
4
Pressure, kg/cm 2G
59.8
17.6
59.8
5
Temperature, oC
445
316
445
6
Flow, kg/h
101.305
-
21500
Normal
Normal
Normal
42
-
-
-
-
-
90720
-
-
Normal
Normal
Normal
101.6
3.9
3.9
Normal
Normal
Normal
17
16.6
16.6
29.4
-
29.4
1.0
1.0
1.0
7
Steam Extraction Condition:
8
Pressure, kg/cm 2G
9
Temperature, oC
10 11 12 13
Flow, kg/h Steam Exhaust: Pressure, mmHg/abs Cooling Water - Sea Water
14
Allow. Temp. Rise, oC
15
Max. Inlet Temp. oC
16
Max. Press. Drop kg/cm 2
35
36
Konsumsi Panas Spesifik ( Heat Rate ) turbin untuk produksi energi listrik a.
GHR (Gross Heat Rate, konsumsi panas spesifik bruto):
b.
NHR (Net Heat Rate, konsumsi panas spesifik netto):
Listrik netto setelah dikurangi dengan konsumsi listrik untuk sistem pembangkit listrik yang bersangkutan (pompa, blower, penerangan dll). 37
c.
PNHR ( plant net heat rate ) :
(ef. boiler)
= efisiensi boiler
[%aux. power] = daya yang diserap oleh internal power plant
38
Konsumsi panas spesifik dipengaruhi berbagai faktor . •
Penurunan tekanan kondensor akan menurunkan NHR atau PNHR. • Temperatur uap masuk turbin mempengaruhi heat rate. • Pemanasan awal udara pembakaran ( air preheating ) sebelum masuk boiler dapat mengurangi konsumsi panas spesifik sebesar 2%. Air preheating ini dapat dilakukan dengan memanfaatkan panas sensibel gas cerobong. • Hilang tekanan ( pressure drop) di saluran uap dapat meningkatkan heat rate. • Efisiensi turbin mempengahur heat rate. Faktor di atas perlu mendapat perhatian dalam program penghematan energi. 39
Contoh Efek Tekanan Kondensor thd Konsumsi Steam Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.
40
Perkirakan kenaikan konsumsi steam dan penurunan daya turbin jika tekanan kondensernya naik dari 2,5 menjadi 4,5 inHg absolut. Dari kurva karakteristik di atas: NHR (2,5 inHg) = 7200 Btu/kWh = 7596 kJ/kWh NHR (4,5 inHg) = 7750 Btu/kWh = 8177 kJ/kWh (1) Jika daya turbin tetap, maka heat rate (konsumsi steam) meningkat: (NHR) = 8177 – 7596 = 581 kJ/kWh (7,6%) (2) Jika laju uap dijaga konstan, maka kenaikan NHR mengakibatkan penurunan daya keluar turbin):
(NKW) = - 0,0765/ (1 - 0,0765) = - 8,28%
41
Efek Tekanan Steam masuk Turbin thd Konsumsi Steam Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.
42
Perkirakan kenaikan konsumsi panas spesifik pada beban 600 MW, jika tekanan uap masuk turbin turun dari 3500 menjadi 2400 kPa. Dari kurva karakteristik di atas NHR (3500 kPa) = 7450 Btu/kWh = 7860 kJ/kWh NHR (2400 kPa) = 7700 Btu/kWh = 8124 kJ/kWh (NHR) = 250 Btu/kWh = 264 kJ/kWh (3,3%) atau kenaikan laju steam (pemborosan) pada 600 MW = 360000 kg/jam (ekspansi di turbin, Δh = 440 kJ/kg)
43
Soal Latihan: Usaha Peningkatan Efisiensi Siklus Sebuah mesin panas menggunakan siklus Rankine dasar. Kondisi air dan uap pada siklus ini disajikan pada gambar dan tabel berikut. Usaha-usaha untuk meningkatkan efisiensi siklus dilakukan dengan cara menaikkan temperatur atau tekanan dari basis, menurunkan tekanan atau temperatur kondensor dari basis. Tentukan efisiensi siklus masing-masing usaha peningkatan efisiensi.
44
45
