1. TURBIN UAP

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN

TURBIN UAP

BAB I TURBIN UAP Turbin uap adalah mesin tenaga yang berfungsi untuk mengubah energi thermal (energi panas yang terkandung dalam uap) menjadi energi poros (putaran). Sebelum energi thermal (enthalpi) diubah menjadi energi poros, energi tersebut diubah dulu menjadi energi kinetik. Alat untuk mengubah menjadi energi kinatik tersebut adalah nozzle. Uap dengan tekanan dan temperatur tinggi diarahkan menggunakan nozzle untuk mendorong sudu-sudu turbin yang dipasang pada poros sehingga poros turbin berputar. Pada waktu uap melewati celah antara sudu-sudu gerak, uap mengalami perubahan momentum sehingga menurut hukum Newton II, dibangkitkan gaya yang bekerja pada uap tersebut. Dari hukum Newton III, sudu menerima gaya yang besarnya sama dengan gaya tersebut, tetapi arahnya berlawanan. Akibat melakukan kerja di turbin, tekanan dan temperatur uap yang keluar turbin menjadi turun sehingga menjadi uap basah. Uap ini kemudian dialirkan ke kondensor, sedangkan tenaga putar poros yang dihasilkan digunakan untuk memutar generator.

1.1. Prinsip Kerja Turbin Uap Suatu turbin dapat terdiri dari satu dua atau banyak silinder yang merupakan mesin rotasi berfungsi untuk merubah energi panas menjadi energi mekanik. Tiap silinder memiliki sebuah rotor yang disangga oleh bantalan-bantalan. Rotor-rotor tersebut disambung menjadi satu termasuk rotor generator. Ruang diantara rotor dengan rumah turbin (casing) terdiri dari rangkaian sudu-sudu tetap dan sudu-sudu gerak yang dijajarkan berselang-seling. Sudu-sudu tetap dipasang disekeliling bagian dalam rumah turbin, sedang rangkaian sudu gerak dipasang pada rotor. Bila kedalam turbin dialirkan uap, maka energi panas yang dikandung uap akan diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Mula-mula energi panas dalam uap diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik (kecepatan) dengan cara melewatkan uap melalui nosel-nosel. Uap berkecepatan tinggi kemudian diarahkan ke sudu-sudu sehingga menghasilkan putaran poros turbin dimana energi mekanik ini selanjutnya dapat digunakan untuk menggerakkan generator, pompa dan sebagainya.

Berbagi dan Menyebarkan Ilmu Pengetahuan Serta Nilai-Nilai Perusahaan

1


TURBIN UAP

Perubahan energi panas menjadi energi kinetik terjadi didalam nosel (sudu diam) turbin, sedangkan perubahan energi kinetik menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran rotor turbin terjadi pada sudu jalan turbin.

Thermal Energy

Nozzle

Kinetic Energy

Blades

Mechanical Energy

Gambar 1.1, Konversi energi didalam turbin


2


TURBIN UAP

Gambar 1.2, Prinsip kerja turbin uap 1 tingkat. Jadi didalam turbin, uap mengalami proses ekspansi yaitu penurunan tekanan dan mengalir secara kontinyu. Akibat pengurangan tekanan uap didalam rangkaian sudu-sudu, maka kecepatan uap meningkat sangat tinggi. Kecepatan aliran uap tersebut akan bergantung pada selisih banyaknya panas uap sebelum dan sesudah ekspansi. Selisih banyaknya panas uap sebelum dan sesudah ekspansi didalam turbin dinamakan penurunan panas / heat drop.


3


TURBIN UAP

1.2. Jenis-jenis Turbin Uap Terdapat banyak variasi, susunan, karakteristik dan konstruksi turbin yang diterapkan di unitunit PLTU. Oleh karena itu turbin dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kelompok yaitu: 1.

Dari segi tekanan akhir uap.

2.

- Turbine tekanan lawan (back pressure turbine) - Turbine Kondensasi Dari segi arah aliran Uap. -

3.

Turbin aksial. Turbin radial. Turbin tangensial

4.

Dari segi azas tekanan uap. - Turbin impuls - Turbin reaksi Dari segi pembentukan tingkat uap.

5.

- Turbin tekanan bertingkat (reteau) - Turbin kecepatan bertingkat (turbine curtis) Dari segi aliran Uap dan Casingnya. - Turbin reheat dan Non-Reheat - Turbin ekstraksi dan Non-ekstraksi - Turbin single casing dan Multi casing

6.

Exhaust flow

1.2.1. Jenis turbin yang ditinjau dari tekanan uap akhir Turbin Tekanan Lawan (Back Pressure Turbine) Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) adalah turbin yang tekanan akhirnya diatas tekanan atmosfir karena uap keluaran akhir dari turbin tersebut tidak dikondensasikan.


4


TURBIN UAP

Gambar 1.3, Turbine Back Pressure Turbine Kondensasi (Condensation Turbine) Turbin kondensasi adalah turbin yang mana uap keluaran sudu terakhirnya dikondensasikan, tekanan akhir dari turbin kondensasi ini dibuat vaccum, sehingga temperature kondensasinya sedikit diatas temperatur air pendingin yang tersedia.


5


TURBIN UAP

Gambar 1.4, Turbine Condensation

1.2.2. Jenis turbin yang ditinjau dari segi arah aliran uap Turbine Aliran Radial Konstruksi Turbin aliran Radial yang dikembangkan oleh Ljungstrom Turbin ini terdiri dari dua rotor dengan blades dipasang bersilangan. Kedua rotor berputar dengan arah saling berlawanan, dan masing-masing rotor dikopel terhadap dua generator terpisah. Turbin satu poros juga ada yang arah aliran uapnya radial (tegak lurus menjauhi poros) seperti gambar 1.5a dan 1.5b, oleh karena itu dinamakan Turbin aliran Radial.


6


TURBIN UAP

Gambar 1.5a, Rotor Turbin Aliran Radial

Gambar 1.5b, Turbin arah Aliran Radial


7


TURBIN UAP

Turbin Aliran Tangensial Jenis turbin ini memiliki konstruksi yang kokoh akan tetapi efisiensinya sangat rendah. Pancaran uap dari Nosel diarahkan untuk menghembus buckets yang dipasang melingkar pada rotor. Arah hembusan uap adalah tangensial (pada garis singgung putaran bucket) oleh karenanya turbin ini dinamakan Turbin Aliran Tangensial.

Gambar 1.6, Turbin Aliran Tangensial

Turbin Aliran Aksial Merupakan tipe turbin yang paling populer dan sangat cocok untuk kapasitas besar. Turbin ini dapat merupakan tipe Reaksi maupun tipe Impulse. Arah aliran uap sejajar dengan poros.


8


TURBIN UAP

Gambar 1.7, Turbin Axial

1.2.3. Ditinjau dari segi azas tekanan uap. Berdasarkan azas tekanan uap yang digunakan untuk menggerakkan roda/rotor turbin sebelum masuk dan setelah keluar dari sudu-sudu yang terpasang pada roda tersebut, maka dikenal sudu impuls dan sudu reaksi. Turbin uap untuk pembangkit listrik saat ini umumnya terdiri dari kombinasi kedua macam sudu tersebut.


9


TURBIN UAP

Gambar 1.8, Prinsip dasar Sudu Reaksi dan Sudu Impuls Turbin Impulse Turbin impulse pertama kali dibuat oleh Branca pada tahun 1629, konstruksinya diperlihatkan pada Gambar 1.8 dan 1.9. Dimana pancaran uap yang keluar dari Nosel menghembus daundaun rotor (disebut blades) sehingga rotor berputar. . Sudu Impuls Sudu

impuls

juga

disebut

sudu

aksi

atau

sudu

tekanan

tetap,

adalah

sudu

dimana uap mengalami ekspansi hanya dalam sudu-sudu tetap. Sudu-sudu tetap berfungsi sebagai nosel (saluran pancar) sehingga uap yang melewati akan mengalami peningkatan energi kinetik. Uap dengan kecepatan tinggi selanjutnya akan membentur (impuls) sudu-sudu gerak. Benturan antara uap dengan sudu gerak ini menimbulkan gaya yang mengakibatkan poros turbin berputar. Setelah memutar sudu gerak, selanjutnya uap diarahkan masuk ke dalam sudu tetap baris berikutnya. Selama melintasi sudu gerak tekanan dan entalpi uap tidak berubah. Dengan demikian pada sudu impuls penurunan tekanan dan energi panas uap hanya terjadi pada sudusudu tetap atau nosel.


10


TURBIN UAP

Turbin Reaksi Turbin ini dirancang pertama oleh Hero, 120 tahun sebelum Masehi. Reaksi dari pancaran uap yang keluar dari ujung pipa yang disebut Nosel atau Nozzle (lihat Gambar 1.8 dan 1.9 mendorong rotor sehingga berputar. Sudu Reaksi Dalam suatu turbin yang terdiri dari 100 % sudu-sudu reaksi, maka sudu-sudu gerak juga berfungsi sebagai nosel-nosel sehingga uap yang melewatinya akan mengalami peningkatan kecepatan dan penurunan tekanan. Peningkatan kecepatan ini akan menimbulkan gaya reaksi yang arahnya berlawanan dengan arah kecepatan uap.


11


TURBIN UAP

Gambar 1.9, profil dan karakteristik sudu Reaksi dan Impuls Gaya reaksi pada sudu gerak inilah yang akan memutar poros turbin. Uap selanjutnya dialirkan ke sudu tetap yang berfungsi untuk mengarahkan uap ke sudu gerak baris berikutnya.


12


TURBIN UAP

Sudut dan profil sudu-sudu dibuat sedemikian rupa sehingga apabila turbin berputar pada kecepatan rancangannya uap akan mengalir dengan mulus melewati sudu-sudu tersebut sehingga dapat menurunkan erosi sampai pada tingkat minimum. Pada sebuah roda/poros turbin sudu-sudu yang terpasang pada roda tersebut bisa terdiri dari satu baris sudu atau beberapa baris sudu. Setiap baris sudu terdiri dari sudu yang disusun melingkari roda turbin masing-masing dengan bentuk dan ukuran yang sama. Turbin dengan hanya satu baris sudu yang terpasang pada rotornya dinamai turbin bertingkat tunggal. Sedangkan turbin dengan beberapa baris sudu-sudu yang terpasang pada rotornya dinamai turbin bertingkat banyak (multi stages).

1.2.4. Jenis turbin yang ditinjau dari segi pembentukan uap bertingkat TurbinTekanan Bertingkat (Rateau) Turbin tekanan bertingkat (rateau) adalah jenis turbin yang mana kondisi tekanan uap yang mengalir di dalamnya bertingkat sedangkan kecepatannya tetap.


13


TURBIN UAP

Gambar 1.10, Turbin Tekanan Bertingkat

Turbin Kecepatan Bertingkat (Turbin Curtis) Turbin kecepatan bertingkat (curtis) adalah jenis turbin yang mana kecepatan aliran uap yang mengalir di dalamnya bertingkat sedangkan tekanannya tetap.


14


TURBIN UAP

Gambar 1.11, Turbin Kecepatan Bertingkat

1.2.5. Jenis Turbin di tinjau dari Aliran Uap dan Casingnya. Turbin Reheat dan Non Reheat Sirkit uap Salah satu karakteristik yang dapat dipakai untuk mengklasifikasikan turbin adalah reheat dan non reheat. Turbin reheat terdiri lebih dari satu silinder dan uap mengalami proses pemanasan ulang di reheater boiler. Pada turbin reheat, uap yang keluar dari Turbin Tekanan Tinggi (HP) dialirkan kembali kedalam ketel. Didalam ketel, uap ini dipanaskan kembali pada elemen pemanas ulang (reheater) untuk selanjutnya dialirkan kembali melalui saluran reheat ke Turbin Tekanan Menengah dan Turbin Tekanan Rendah.


15


TURBIN UAP

Secara umum, ada dua keuntungan yang dapat diperoleh dari proses pemanasan ulang uap ini yaitu : meningkatkan efisiensi siklus termodinamika dan mengurangi proses erosi pada sudusudu turbin tingkat akhir karena kualitas uap keluar dari LP turbin menjadi lebih kering.

Gambar 1.12, Turbin Reheat Aspek Operasi Konstruksi turbin reheat umumnya silinder tekanan tinggi (HP) dan silinder tekanan menengha (IP) berada dalam satu casing. Dengan konstruksi seperti itu, maka salah satu aspek yang penting untuk diperhatikan adalah bahwa perbedaan temperatur antara main steam dengan reheat steam tidak boleh terlampau besar. Umumnya pabrik pembuat turbin akan merekomendasikan besarnya harga perbedaan temperatur yang masih diizinkan. Bila harga perbedaan temperatur yang telah direkomendasikan ini terlampaui, akan terjadi stress thermal pada casing serta rotor turbin.


16


TURBIN UAP

Gambar 1.13, Turbin Non-Reheat


17


TURBIN UAP

Turbin Ekstraksi dan Non-Ekstraksi Sirkit uap Cara lain yang juga dipakai untuk mengklasifikasikan turbin adalah melalui sistem ekstraksi dan non ekstraksi. Turbin ekstraksi (extraction turbine) adalah turbin yang mengekstrak sebagian uap yang mengalir dalam turbin. Pengekstraksian uap ini dapat dilakukan di beberapa tempat disepanjang casing turbin. Uap yang diekstrak kemudian dialirkan ke pemanas awal air pengisi untuk memanaskan air pengisi. Tekanan dan aliran uap ekstraksi sangat tergantung pada beban. Pada turbin-turbin ekstraksi yang relatif kecil, variasi tekanan dan aliran uap ekstraksi tidak terlalu signifikan sehingga tidak diperlukan katup pengatur pada saluran uap ekstraksinya. Tetapi pada turbin ekstraksi yang besar, variasi ini cukup besar sehingga diperlukan katup pengatur pada saluran ekstraksi guna mengontrol tekanan/aliran uap ekstraksi. Turbin ekstraksi seperti ini disebut Turbin Ekstraksi Otomatis (Automatic Extraction Turbine).

Gambar 1.14, Turbin Non-Ekstraksi


18


TURBIN UAP

Gambar 1.15, Turbin Ekstraksi Sedangkan pada turbin non ekstraksi, tidak dilakukan ekstraksi uap sama sekali. Jadi seluruh uap yang mengalir masuk turbin non ekstraksi akan keluar meninggalkan turbin melalui exhaust. Aspek Operasi Pengambilan (ekstraksi) uap dari turbin mengakibatkan kerja uap didalam turbin berkurang sehingga kemampuan turbin juga akan berkurang. Disisi lain terjadi peningkatan panas pada air pengisi sehingga mengurangi konsumsi bahan bakar untuk memanaskan air tersebut. Keuntungan lainnya adalah karena jumlah uap masuk kondensor berkurang, maka pembuangan panas ke air pendingin juga berkurang. Dengan demikian mengurangi jumlah kerugian panas. Mengingat uap ekstraksi akan mengurangi jumlah uap yang melakukan kerja dalam turbin, maka pengaliran uap ekstraksi dilakukan apabila turbin telah berbeban diatas batas minimumnya. Hal ini untuk menghindari ketidak stabilan operasi turbin karena ketika beban rendah aliran uap ke turbin juga masih rendah.


19


TURBIN UAP

Turbin Single Casing dan Multi Casing Single Casing Cara berikutnya yang juga dapat dipakai untuk mengklasifikasikan turbin adalah melalui konstruksi single casing turbine atau multy casing (compound) turbine. Turbin single casing adalah turbin dimana seluruh tingkat sudu-sudunya terletak didalam satu casing saja seperti terlihat pada gambar 1.16. Ini merupakan konstruksi turbin yang paling sederhana tetapi hanya dapat diterapkan pada turbin-turbin kapasitas kecil.

Gambar 1.16, Turbin single silinder tanpa ekstraksi Untuk turbin-turbin kapasitas yang lebih besar, konstruksi single casing menjadi kurang cocok. maka dibuatlah turbin-turbin dengan 2 casing atau lebih (multy casing). Komposisi dari turbin multy casing ada 2 macam yaitu : Tandem Compound dan Cross Compound.


20


TURBIN UAP

Turbin compound (multi) casing Komposisi tandem compound terlihat seperti pada gambar 1.17. Pada turbin tandem compound, casing-casing dipasang secara seri antara satu dengan lain sehinggga sumbusumbu aksial casing berada dalam 1 garis. Dalam ilustrasi terlihat turbin tandem compound dengan 2 casing. Untuk turbin-turbin yang lebih besar dapat terdiri hingga 5 casing. Sedangkan gambar 2.16 memperlihatan komposisi “Cross Compound Turbine”. Dalam komposisi ini, casing turbin diletakkan dalam posisi paralel satu dengan yang lain dimana masing-masing casing memiliki poros /rotornya sendiri -sendiri. Jadi rotor-rotor dari turbin ini terpisah satu dengan yang lainnya. Turbin PLTU dengan komposisi cross compound berarti juga mempunyai 2 generator. Karena ada 2 generator yang digerakkan, maka ukuran masing-masing generator menjadi lebih kecil dibanding apabila digunakan 1 generator dengan total kapasitas yang sama. Hal ini memberikan keuntungan karena mempermudah pabrikasi serta transportasi.

Gambar 1.17, Turbin Multy Casing Tandem Compound


21


TURBIN UAP

1.2.6. Jenis turbin yang ditinjau dari segi Exhaust Flow. Single flow Turbin juga dapat diklasifikasikan berdasarkan exhaust flow. Turbin-turbin kecil biasanya hanya memiliki 1 saluran exhaust. Turbin semacam ini biasanya disebut Turbin Single Flow. Tetapi untuk turbin-turbin besar, bila menerapkan rancangan seperti ini, maka dibutuhkan exhaust yang sangat luas. Sebagaimana diketahui kondisi uap pada exhaust turbin sudah dibawah jenuh atau uap basah, dan tekanannya dibawah tekanan atmosfir. Perubahan tekanan dari beberapa puluh bar menjadi tekanan minus mengakibatkan perubahan volume yang sangat besar sehingga dibutuhkan laluan yang luas agar uap dapat melintas tanpa hambatan yang berarti. Karena keterbatasan kemampuan material, luas laluan exhaust juga menjadi sangat terbatas, sehingga kemampuan turbin dengan exhaust tunggal juga terbatas. multi flow Berdasarkan kondisi tersebut, maka untuk turbin-turbin kapasitas besar umumnya exhaust dipecah menjadi dua atau lebih. Bila ternyata dibutuhkan 2 exhaust, berarti keduanya berada dalam satu poros dengan aliran uap yang berlawanan. Rancangan turbin seperti ini disebut turbin multi flow (aliran banyak) seperti terlihat pada gambar 1.18. Dengan cara seperti ini masalah keterbatasan luas laluan exhaust dapat diatasi sekaligus memberi perimbangan terhadap gaya aksial pada poros.


22


TURBIN UAP

Gambar 1.18, Turbin Cross Compound dengan Exhaust Multy Flow

1.3.

Bagian-Bagian Turbin Uap

Sebagai mesin rotasi turbin uap terdiri dari dua bagian utama, yaitu bagian yang diam disebut stator dan bagian yang berputar disebut rotor. Pada tiap bagian utama ini dilengkapi komponen yang mendukung kerja sistem turbin, dan gambar 19 menunjukkan diagram bagian utama turbin secara sederhana.


23


TURBIN UAP

Gambar 1.19, Turbin Medium/ Small


24


TURBIN UAP

Komponen-komponen turbin uap seperti : -

Stator

-

Nozzle

-

Rotor

-

Bearing dan Pedestal

-

Stop valve

-

Steam chest

-

Governor valve

-

Reheat valve dan Interception valve

-

Dummy piston

1.3.1. Stator Stator turbin pada dasarnya terdiri dari dua bagian, yaitu casing dan sudu diam (fixed blade). Namun untuk tempat kedudukan sudu-sudu diam dipasang diapragma.

Gambar 1.20a, Stator yang terdiri dari Casing dan Sudu


25


TURBIN UAP

Gambar 1.20b, Stator yang terdiri dari Casing dan Sudu Casing Casing atau shell adalah suatu wadah berbentuk menyerupai sebuah tabung dimana rotor ditempatkan. Casing juga berfungsi sebagai sungkup pembatas yang memungkinkan uap mengalir melewati sudu-sudu turbin. Pada ujung casing terdapat ruang besar mengelilingi poros turbin disebut exhaust hood. Konfigurasi Casing Casing turbin dapat dibedakan menjadi dua, yaitu •

Casing Utuh

Seluruh bagian casing merupakan satu kesatuan. Casing berbentuk seperti drum yang utuh tidak dapat diurai atau dibelah. Umumnya diterapkan pada konstruksi turbin-turbin kecil.


26


TURBIN UAP

Gambar 1.21, Turbin Casing Utuh

•

Casing Terpisah (Split Casing)

Casing turbin merupakan 2 bagian yang terpisah secara horizontal dan disambungkan menjadi satu dengan baut-baut pengikat. Kedua bagian casing tersebut masing-masing disebut casing bagian atas (Top half) dan casing bagian bawah (Bottom half). Konstruksi ini lebih banyak dipakai karena pembongkaran dan pemasangannya yang relatif lebih mudah.


27


TURBIN UAP

Gambar 1.22, Turbin Casing Terpisah

Rancangan Casing Dari klasifikasi ini casing turbin dibedakan menjadi 3 kategori : yaitu “Single Casing”, “Double Casing” dan “Tripple Casing”. Hampir semua turbin uap masa kini menerapkan rancangan Double Casing atau Tripple Casing, karena periode startnya lebih cepat, masalah diferensial expansion lebih kecil dan pemeliharaannya relatif lebih mudah.


28


TURBIN UAP

Single Casing Turbin dengan single casing umumnya diterapkan pada rancangan turbin-turbin lama dan kapasitas kecil. Meskipun demikian, turbin-turbin saat inipun masih ada yang menerapkan rancangan single casing terutama pada turbin-turbin untuk penggerak pompa air pengisi ketel (BFP). Bila rancangan ini diterapkan untuk turbin-turbin besar, maka casing turbin akan menjadi sangat tebal sehinggga memerlukan waktu yang lama dalam periode “warming” ketika start hingga mencapai posisi memuai penuh. Hal ini disebabkan karena dinding casing sangat tebal dan hanya dipanaskan oleh uap dari satu sisi yaitu sisi bagian dalam. Kondisi ini mengakibatkan terjadinya perbedaan temperatur yang cukup besar antara permukaan bagian dalam casing dengan permukaan bagian luar. Dengan demikian maka waktu yang diperlukan untuk pemerataan temperatur menjadi lebih lama. Ilustrasi turbin single casing dapat dilihat pada gambar 1.23.


29


TURBIN UAP

Gambar 1.23, Turbin Single Casing. Bila temperatur uap masuk turbin 454 °C, maka ketik a start up, temperatur bagian dalam casing juga mendekati 454 °C sementara temperatur b agian luar casing adalah temperatur udara luar atau sekitar 38 °C. Dengan demikian maka pada saat start terjadi perbedaan temperatur antara permukaan bagian dalam dengan permukaan luar sebesar 416 °C. Bagian dalam cenderung akan memuai sedang bagian luar relatif belum akan akan memuai. Bila perbedaan temperatur ini cukup besar, maka pada kondisi ekstrim dapat mengakibatkan keretakan pada casing yang cukup tebal.

Double Casing Berbagi dan Menyebarkan Ilmu Pengetahuan Serta Nilai-Nilai Perusahaan

30


TURBIN UAP

Dalam rancangan double casing, Turbin terdiri dari 2 casing utuk setiap selinder. Dengan demikian maka ketebalan masing-masing casing hanya setengah dari ketebalan single casing. Dengan demikian maka proses pemerataan panas dan ekspansi menjadi lebih cepat. Disamping itu, karena setiap segmen casing menjadi lebih ringan, maka pemeliharaan menjadi lebih mudah dan lebih cepat. Ilustrasi untuk Turbin double casing dapat dilihat pada gambar 1.24.

Gambar 1.24, Turbin Double Casing.

Bila temperatur uap saat 460 °C sedang temperatur a tmosfir 38 °C, maka perbedaan temperatur tetap 420 °C. Keuntungan rancangan doubl e casing adalah bahwa ∆t sebesar 420 Berbagi dan Menyebarkan Ilmu Pengetahuan Serta Nilai-Nilai Perusahaan

31


TURBIN UAP

°C ini terbagi pada 2 casing. Uap masuk casing dala m (inner casing) pada 460 °C dan keluar pada sekitar 349 °C untuk kemudian mengalir ke casi ng luar (outer casing) yang berarti memanaskan sisi bagian luar inner casing. Dengan demikian maka ∆t permukaaan bagian dalam dan bagian luar inner casing adalah 460 °C - 349 °C = 111 °C. Sedang t permuk aaan bagian dalam dan bagian luar outer casing adalah 349 °C - 38 °C = 311 °C. Dengan demikian maka ∆t pada setiap casing menjadi lebih kecil sehinggga memperkecil kemungkinan keretakan. Tripple Casing Dalam rancangan tripple casing, setiap selinder terdiri dari 3 buah casing yaitu inner casing, intermediate casing dan outer casing. Dinding setiap casing menjadi relatif lebih tipis dan perbedaan temperatur (∆ t) setiap casing menjadi lebih rendah sehinggga waktu untuk pemerataan panas relatif lebih singkat lagi. Sudu Tetap (fixed blade) Sudu merupakan bagian dari turbin dimana konversi energi terjadi. Sudu terdiri dari bagian akar sudu, badan sudu dan ujung sudu. Sudu seperti terlihat pada gambar 1.25, kemudian dirangkai sehingga membentuk satu lingkaran penuh. Rangkaian sudu tersebut ada yang difungsikan sebagai sudu jalan dan ada yang difungsikan menjadi sudu tetap. Rangkaian sudu jalan dipasang disekeliling rotor sedang rangkaian sudu tetap dipasang disekeliling casing bagian dalam.


32


TURBIN UAP

Gambar 1.25, Sudu Turbin. Sudu tetap, selain ada yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi kinetik, tetapi ada juga yang hanya berfungsi untuk mengarahkan aliran uap.


33


TURBIN UAP

Gambar 1.26, Sudu tetap dan diapragma Sudu-sudu tetap dipasang melingkar pada dudukan berbentuk piringan yang disebut diapragma. Pemasangan sudu-sudu tetap ini pada diapragma menggunakan akar berbentuk T sehingga memberi posisi yang kokoh pada sudu. Diapragma terdiri dari dua bagian (atas dan bawah) dan dipasang pada alur-alur yang ada didalam casing. Setiap baris dari rangkaian sudu-sudu tetap ini membentuk suatu lingkaran penuh dan ditempatkan langsung didepan setiap baris dari sudu-sudu gerak. Gambar 1.26 memperlihatkan diapragma dan sudu tetap. 1.3.2. NOZZLE. Fungsi Nozzle. Nozzle adalah suatu alat untuk mengubah energi panas dalam fluida (gas atau cair) menjadi energi kinetik melalui expansi fluida.

Jenis - Jenis Nozzle. Berbagi dan Menyebarkan Ilmu Pengetahuan Serta Nilai-Nilai Perusahaan

34


TURBIN UAP

Dalam dunia keteknikan, dikenal beberapa jenis nozzle diantaranya : •

Nozzle convergen.

•

Nozzle divergen.

•

Nozzle convergen - divergen.

a. Nozzle Convergen. Ilustrasi dari nozzle convergen tampak seperti gambar 1.27.

Gambar 1.27, Nozzle Convergen Anggap uap dengan temperatur T1 dan tekanan P1 mengalir masuk nozzle convergen. Sebelum memasuki mulut nozzle uap ini bergerak dengan kecepatan V1. Ternyata, ketika melntasi nozzle, uap mengalami percepatan dan keluar dari nozzle dengan kecepatan yang lebih tinggi tetapi tekanan dan temperatur uap keluar nozzle menjadi lebih rendah dibanding ketika uap memasuki mulut nozzle. Karena energi kinetik merupakan fungsi kuadrat dari kecepatan, maka manakala kecepatan naik, berarti energi kinetik juga mengalami peningkatan. Dari ilustrasi pada gambar 13 terlihat bahwa kecepatan uap keluar nozzle naik bila tekanan keluar nozzle turun. Tetapi kenaiknan kecepatan ini hanya berlangsung manakala tekanan turun hingga mencapai harga tertentu. Apablia tekanan uap keluar nozzle terus turun melampaui harga tertentu ini, ternyata kecepatana uap tidak lagi mengalami peningkatan. Berbagi dan Menyebarkan Ilmu Pengetahuan Serta Nilai-Nilai Perusahaan

35


TURBIN UAP

Kalau perbandingan antara kecepatan uap keluar nozzle (P2) dengan kecepatan uap masuk nozzle (P1) kita sebut ratio tekanan, maka ratio tekanan dimana kecepatan uap tidak lagi mengalami perubahan disebut ratio tekanan kritis. Ilustrasi kondisi ini diperlihatkan pada gambar 1.28.

Gambar 1.28. Ratio Tekanan Kritis.

Mulai harga ratio tekanan kritis, kecepatan uap tidak lagi mengalami peningkatan dan kecepatan uap pada kondisi sama dengan kecepatan suara. Ini berarti kita mungkin mencapai kecepatan supersonic (lebih tinggi dari kecepatan suara) bila menggunakan nozzle convergen.


36


TURBIN UAP

Tetapi dalam konteks turbin uap, adakalanya dibutuhkan kecepatan supersonic uap dalam rangka untuk mentransformasikan energi panas uap sebesar mungkin. Guna memenuhi kebutuhan ini, maka diperlukan nozzle convergen - divergen.

b. Nozzle Convergen - Divergen Gambar 1.29. mengilustrasikan nozzle convergen - divergen.

Gambar 1.29. Nozzle Convergen - Divergen Pada nozzle convergen - divergen yang dirancang secara sempurna, kecepatan sonic akan tercapai didaerah leher (Throat) Nozzle, kecepatan supersonic terjadi diseksi divergen dari nozzle sedang kecepatan uap keluar nozzle tergantung pada besarnya tekanan uap keluar nozzle. Inti dari

pembahasan ini adalah bahwa nozzle merupakan bagian yang cukup penting.

Deformasi yang terjadi pada nozzle baik akibat erosi ataupun karena deposit dapat mempengaruhi unjuk kerja.

1.3.3. Rotor Berbagi dan Menyebarkan Ilmu Pengetahuan Serta Nilai-Nilai Perusahaan

37


TURBIN UAP

Adalah bagian dari turbin yang berputar akibat pengaruh gerakan uap terhadap sudu-sudu gerak. Rotor turbin juga terdiri dari dua bagian, yaitu poros dan sudu jalan ( moving blade).

Gambar 1.30, Rotor Tipe Rotor Secara umum ada 2 macam tipe rotor turbin yaitu rotor tipe cakra (disk) dan rotor tipe drum (silinder). a. Rotor Tipe Disk Pada rotor tipe ini, piringan-piringan (disk) dipasangkan pada poros sehingga membentuk jajaran piringan seperti terlihat pada gambar 1.31.


38


TURBIN UAP

Gambar 1.31, Rotor Tipe Cakram (Disk). b. Rotor Tipe Drum Pada rotor tipe ini, poros dicor dan dibentuk sesuai yang dikehendaki dan rangkaian sudu-sudu langsung dipasang pada poros. Rotor tipe drum sangat fleksibel dan dapat dipakai hampir untuk semua jenis turbin. Ilustrasi rotor jenis ini dapat dilihat pada gambar 1.32.

Gambar 1.32, Rotor Tipe Drum. Poros Poros dapat berupa silinder panjang yang solid ( pejal ) atau berongga ( hollow ). Pada umumnya poros turbin sekarang terdiri dari silinder panjang yang solid. Pada kebanyakan turbin, didekat ujung poros sisi tekanan tinggi dibuat collar untuk keperluan bantalan aksial ( thrust bearing ).


39


TURBIN UAP

Sepanjang poros dibuat alur-alur melingkar yang biasa disebut akar ( root ) untuk tempat dudukan, sudu-sudu gerak ( moving blade ). Sudu Gerak ( Moving Blades ) Adalah sudu-sudu yang dipasang di sekeliling rotor membentuk suatu piringan. Dalam suatu rotor turbin terdiri dari beberapa baris piringan dengan diameter yang berbeda-beda, banyaknya baris sudu gerak biasanya disebut banyaknya tingkat.


40


TURBIN UAP

Gambar 1.33, Sudu gerak


41


TURBIN UAP

Gambar 1.34, Sudu gerak yang dipasangkan pada Shaft

1.3.4. Pedestal dan Bantalan ( Bearing ) Pedestal berfungsi untuk menempatkan bantalan sebagai penyangga rotor juga dipasangkan pada casing. Umumnya salah satu pedestal diikat (anchored) mati kepondasi. Sedang yang lain ditempatkan diatas rel peluncur (Sliding feet) sehinggga casing dapat bergerak bebas akibat pengaruh pemuaian maupun penyusutan (contraction). Biasanya pedestal yang diikat pada pondasi adalah pedestal sisi tekanan rendah atau sisi yang berdekatan dengan generator (generator end). Sedang sisi yang lain dibiarkan untuk dapat bergerak dengan bebas. Ketika temperatur casing dan rotor naik, maka seluruh konstruksi turbin akan memuai. Dengan penempatan salah satu pedestal diatas rel peluncur, maka seluruh bagian turbin dapat bergerak dengan bebas ketika memuai.


42


TURBIN UAP

Bantalan berfungsi sebagai penyangga rotor sehingga membuat rotor dapat stabil/lurus pada posisinya didalam casing dan rotor dapat berputar dengan aman dan bebas. Adanya bantalan yang menyangga turbin selain bermanfaat untuk menjaga rotor turbin tetap pada posisinya juga menimbulkan kerugian mekanik karena gesekan. Sebagai bagian yang berputar, rotor memiliki kecenderungan untuk bergerak baik dalam arah radial maupun dalam arah aksial.Karena itu rotor harus ditumpu secara baik agar tidak terjadi pergeseran radial maupun aksial yang berlebihan. Komponen yang dipakai untuk keperluan ini disebut bantalan (bearing). Turbin uap umumnya dilengkapi oleh bantalan jurnal (journal bearing) dan bantalan aksial (Thrust bearing) untuk menyangga rotor maupun untuk membatasi pergeseran rotor.

Gambar 1.35, Pedestal dan Bearing Bantalan Luncur ( Journal Bearing ) Bantalan ini digunakan untuk menyangga poros turbin generator. Terdapat satu

bantalan

pada tiap sisi turbin. Semua bantalan ini dilapisi dengan babbit pada bagian dalamnya, dimana ini adalah material yang lebih lunak dibanding poros turbin. Hal ini untuk mencegah poros turbin aus akibat gesekan atau vibrasi tinggi. Selain itu babbit mempunyai kemampuan untuk


43


TURBIN UAP

menahan pelumasan pada metal sehingga membantu mencegah gesekan antara bantalan dan jurnal pada saat poros mulai berputar. Hampir semua pabrik turbin telah beralih ke bantalan tipe elip. Bantalan ini mempunyai celah (clearance) lebih horinsontal dari pada celah vertikal. Hal ini memberi keuntungan karena rugi dayanya rendah, kenaikan temperaturnya rendah

dan sangat stabil. Kenaikan temperatur

minyak biasanya dibatasi pada 50°F (10°C) pada setiap bantalan jurnal.

Gambar 1.36, Bantalan Luncur (Journal Bearing) Bantalan aksial ( Thrust Bearing ) Sehubungan dengan toleransi arah aksial rotor turbin sangat kecil, maka digunakan bantalan aksial untuk menyerap dan membatasi gerakan aksial poros turbin. Kebanyakan turbin menggunakan bantalan aksial kingsbury atau tapered land (bentuk meruncing). Bantalan aksial tapered land terdiri dari thrust rumer yang tak lain adalah dua collar kaku yang dipasang pada poros turbin dan ikut berputar. Diantara kedua collar ini dipasang thrust plate yang dilapis babbit dan di sangga oleh bantalan aksial itu sendiri. Dudukan bantalan didalam rumah penyangga dan dipasang pada penyangga turbin. Tapered land berhubungan dengan pad lapisan babbit yang akan menyerap gaya aksial. Pad (dudukan) ini berbentuk tapered dalam arah melingkar dan radial. Thrust wear (keausan ) pada bantalan ini dibatasi oleh thrust wear detector.


44


TURBIN UAP

Gambar 1.37, Bantalan aksial (thrust bearing)


45


TURBIN UAP

1.3.5. Katup Utama (stop Valve) dan Steam Chest Pada umumnya katup uap utama turbin dipasang menjadi satu dengan rumah atau header dari katup pengatur uap (governor valve). Header katup GV biasa disebut dengan steam chest. Steam Chest Steam chest adalah merupakan titik pertemuan antara pipa uap utama dengan saluran uap masuk turbin. Fungsi utama Steam Chest adalah sebagai wadah untuk menempatkan katupkatup governor sebagai pengatur aliran uap yang akan masuk ke Turbin. Posisi Steam Chest pada konstruksi berbagai turbin sangat beragam. Pada salah satu rancangan turbin, steam chest mungkin ditempatkan dibagian atas dan bawah dari turbin tekanan tinggi. Pada rancangan lain, steam chest ditempatkan dikedua sisi turbin tekanan tinggi. Disebagian besar konstruksi turbin, katup penutup cepat (stop valve) juga ditempatkan pada steam chest. Gambar 2.35, memperlihatkan sketsa tipikal steam chest dari turbin uap.

Gambar 1.38, Steam Chest.


46


TURBIN UAP

Pada gambar terlihat bahwa uap masuk ke steam chest melalui stop valve. Dari steam chest, uap kemudian mengalir melalui pembukaan katup governor (governor valve) kedalam sisi masuk turbin tekanan tinggi (HP Turbine). Setiap katup governor dapat mengalirkan uap hanya untuk satu segmen saluran masuk uap ke Turbin. Dalam keadaan semua katup governor membuka penuh, maka seluruh segmen saluran uap masuk yang berbentuk lingkaran penuh akan dilalui oleh uap. Pada beberapa konstruksi turbin, steam chest dengan saluran masuk uap ke Turbin Tekanan Tinggi dihubungkan dengan pipa-pipa yang bersilangan bagaikan spageti sehingga kerap disebut Spagety Pipe, seperti terlihat pada gambar 1.39.

Gambar 1.39, Saluran Uap Pada Turbin. Katup Uap Utama (Main Stop Valve= MSV) Berbagi dan Menyebarkan Ilmu Pengetahuan Serta Nilai-Nilai Perusahaan

47


TURBIN UAP

Main Stop valve adalah katup penutup cepat yang berfungsi untuk memblokir aliran uap dari ketel ke Turbin. Katup ini dirancang hanya untuk menutup penuh atau membuka penuh. Pada sebagian turbin, Pembukaan katup ini juga dapat diatur (Throtling) selama periode start turbin untuk mengatur aliran uap hingga putaran turbin tertentu. Fungsi pengaturan ini bagi katup penutup cepat merupakan fungsi tambahan. Fungsi utamanya adalah untuk memutus aliran uap secara cepat ketika dalam kondisi emergensi. Sesuai dengan fungsi utamanya, maka stop valve diharapkan menutup lebih cepat dibanding katup governor. Karena stop valve memiliki fungsi utama dan fungsi tambahan, maka konstruksinya juga terdiri dari katup utama (main valve) dan katup bantu (pilot valve) seperti terlihat pada gambar 1.40.

Gambar 1.40, MSV dengan Pilot valve. Pilot valve berfungsi mengontrol aliran uap masuk turbin ketika turbin sedang start serta untuk mempernudah pembukaan Main Stop Valve akibat berkurangnya perbedaan tekanan uap (∆P).


48


TURBIN UAP

Dalam keadaan tertutup atau pada posisi trip, kedua katup (pilot valve dan main valve) akan menutup rapat karena ditekan oleh pegas. Untuk membuka katup, diperlukan tekanan hidrolik yang akan menggerakkan aktuator hidrolik (servo motor) dan melawan tekanan dari pegas. Ketika gaya hidrolik sedikit lebih besar dari gaya pegas, maka batang katup akan mulai bergerak. Gerakan batang katup ini mula-mula akan membuka pilot valve sementara main valve masih dalam posisi menutup penuh akibat tekanan uap seperti terlihat pada gambar. Pembukaan valve ini akan mengalirkan uap kedalam steam chest dan kemudian kedalam turbin untuk memutar rotor. Untuk menaikkan putaran, maka pembukaan pilot valve diperbesar. Bila tekanan hidrolik pada aktuator terus dinaikkan, maka pilot valve akan terus membuka sampai posisi maksimum. Ketika sudah berada pada posisi maksimum buka dan tekanan hidrolik terus diperbesar, maka batang katup dan pilot valve akan terus bergerak bersama main valve. Dengan demikian maka main valve akan mulai membuka sehingga uap akan mengalir kedalam steam chest melalui pilot valve dan main valve seperti yang terlihat pada gambar 1.41.

Gambar 1.41, Pembukaan Stop Valve Bila tekanan hidrolik hilang, maka pegas akan menekan batang katup dan mendorong dengan cepat keposisi menutup. Dalam posisi menutup, Main valve ditahan oleh pilot valve dan pegas serta tekanan uap dari sisi luar katup.


49


TURBIN UAP

Katup uap utama dibuka oleh tekanan minyak hidrolik dan ditutup secara mekanik oleh tekanan pegas setelah tekanan minyak hydrolik habis terbuang ke drain. Kadangkala katup ini dilengkapi atau disebut dengan katup penutup darurat (Emergency Stop Valve = ESV)

1.3.6. Governor Valve (Control Valve) Katup ini berfungsi untuk mengontrol laju aliran uap ke turbin untuk mengendalikan putaran. Katup ini berada didalam jalur aliran uap setelah katup uap utama dan steam chest. Governor valve bekerja (membuka) sesuai dengan permintaan (kebutuhan) untuk mempertahankan putaran turbin. Begitu ia bergerak, maka aliran uap ke turbin akan berubah dengan demikian juga mengendalikan putaran. Governor valve biasanya terdiri dari empat buah yang bekerjanya secara berurutan. Gerakan katup-katup ini dilakukan oleh tekanan hidrolik yang dipasang pada aktuator saat urutan membuka. Gerakan penutupan dilakukan oleh tekanan pegas. Gambar 2.39a dan 2.39b memperlihatkan dengan jumlah valve nya 4 buah.

governor yang digerakkan dengan bar lift rod


50


TURBIN UAP

Gambar 1.42a, Katup Governor dengan bar lift rod


51


TURBIN UAP

Gambar 1.42b, Katup Governor Katup-katup governor umumnya juga ditempatkan pada steam chest. Jumlah katup governor bervariasi sesuai dengan faktor-faktor desain turbin yang meliputi kapasitas turbin, kebutuhan aliran uap dan tekanan kerja uap. Pada prinsipnya katup governor dibuka oleh minyak hidrolik dengan perantaraan aktuator hidrolik (servo motor). Sedangkan untuk menutup katup governor digunakan pegas penekan (return spring). Untuk memenuhi karakteristik katup governor sebagai pengatur aliran uap, maka presentase pembukaan katup dapat diatur sesuai kebutuhan (positioned). Sistem kontrol governor dapat berupa mekanik, hidrolik maupun elektrik-hidrolik.


52


TURBIN UAP

1.3.7. Reheat Stop Valve dan Intercept Valve Reheat Stop Valve (RSV) Reheat stop valve adalah komponen yang merupakan bagian dari rancangan turbin reheat. Seperti diketahui bahwa pada turbin reheat, uap yang keluar dari turbin tekanan tinggi (HP Turbine) dialirkan kembali kedalam ketel untuk dipanaskan ulang (reheat). Uap panas ulang (reheat steam) dari ketel ini selanjutnya dialirkan kembail ke Turbin. Tekanan menengah ataupun turbin tekanan rendah. Sebelum masuk turbin, uap ini harus melintasi reheat stop valve dan intercept valve lebih dahulu. Reheat stop valve hanya dapat berada dalam 2 posisi yaitu posisi menutup penuh dan posisi membuka penuh. Fungsi reheat stop valve hampir sama dengan Main Stop Valve tetapi katup ini dipasang pada saluran reheat. Reheat stop valve dibuka oleh tekanan hidrolik melalui aktuator hidrolik dan ditutup oleh tekanan pegas. Gambar memperlihatkan konstruksi reheat stop valve. Intercept Valve Katup berikut yang dipasang pada saluran reheat setelah reheat stop valve adalah katup intersep (Intercept Valve). Jadi intercept valve adalah katup terakhir yang dilalui uap sebelum masuk ke Turbin Tekanan Menengah (IP Turbine). Pada kondisi operasi normal, intercept valve hanya beroperasi pada 2 posisi yaitu posisi menutup penuh dan posisi membuka penuh. Tetapi dalam kondisi abnormal, misalnya pada saat terjadi penurunan beban yang cukup besar, sehingga putaran turbin naik sampai harga tertentu, katup ini juga berfungssi sebagai pengontrol aliran uap reheat.


53


TURBIN UAP

Gambar 1.43, Interceps Valve Bila katup ini menutup, maka aliran uap ke Turbin Tekanan menengah (IP) dan Turbin Tekanan Rendah (LP) akan berkurang sehingga putaran turbin juga cenderung turun. Pembukaan katup intercept juga dilakukan oleh tekanan hidrolik dengan perantaraan aktuator hidrolik, sementara untuk menutup digunakan tekanan pegas. Salah satu fungsi intercept valve adalah untuk mencegah turbin dari kemungkinan overspeed. Umumnya katup ini mendapat perintah untuk menutup dari sistem Auxiliary Governor. Bila karena suatu sebab putaraan turbin naik hingga harga tertentu, Auxiliary Governor akan memerintahkan intercept valve untuk menutup dan menurunkan putaran. Bila putaran turbin telah turun, maka intercept valve akan kembali membuka. Ilustrasi intercept valve dapat dilihat pada gambar 1.43.


54


TURBIN UAP

1.3.8. DUMMY PISTON Fungsi Ekspansi uap pada turbin reaksi mengakibatkan terjadinya penurunan tekanan pada setiap melewati baris sudu geraknya. Hal ini mengakibatkan timbulnya gaya aksial (thrust) yang besar pada rotor . Makin panjang barisan sudu reaksi makin besar gaya aksial yang timbul. Arah gaya aksial ini searah dengan arah aliran uap didalam turbin. Gaya aksial ini akan mengakibatkan terjadinya pergesekan rotor dengan sudu-sudu diam turbin. Untuk meredam besarnya gaya dorong aksial yang timbul, maka diterapkan ’dummy piston’ (piston pengimbang) yang dipasang pada rotor disisi depan sudu pertama turbin seperti diperlihatkan pada gambar 1.44. Prinsip kerja Prinsip kerja dummy piston adalah membalansir gaya aksial poros dengan cara mengalirkan sebagian kecil uap kearah dummy piston. Luas permukaan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah dumy piston dibuat berbeda sehingga menimbulkan perbedaan tekanan. Perbedaan tekanan ini akan menghasilkan gaya dorong aksial yang cukup untuk meredam gaya aksial yang ditimbulkan oleh aliran uap pada turbin. Apabila masih terdapat resultan gaya dorong yang biasanya cukup kecil, maka gaya ini akan diredam oleh bantalan aksial (thrust bearing) yang dipasang dibagian depan turbin.


55


TURBIN UAP

Gambar 1.44, Penempatan Dummy piston Pada turbin dengan casing ganda atau triple casing, sisi tekanan rendah dummy piston dihubungkan ke sisi uap keluar silinder. Tetapi pada mesin yang lama sisi tekanan rendah dummy piston dihubungkan dengan silinder tekanan rendah melalui saluran pipa yang dipasang diluar silinder. Untuk mengurangi kebocoran uap, pada bagian tepi dummy piston dipasang perapat jenis labirin. Dummy piston terutama diperlukan pada turbin reaksi aliran tunggal (single flow). Pada jenis turbin impuls tidak terjadi drop tekanan ketika melewati sudu geraknya sehingga tidak timbul gaya aksial poros. Pada turbin aliran ganda, gaya aksial yang timbul dinetralisir dengan membuat aliran uap yang berlawanan antara silinder HP dengan silinder IP dan pada silinder LP.


56

1. TURBIN UAP

Recommend Documents