MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5. TURBIN UAP 5.1
PENDAHULUAN
Turbin uap terutama digunakan di Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan di industri. Di PLTU, turbin uap dipergunakan untuk menggerakkan generator. Di industri, turbin uap selain untuk menggerakkan generator (untuk pembangkit listrik kawasan industrinya) juga sebagai pemutar kompresor, pompa, dan berbagai proses lainnya. Klasifikasi turbin uap dapat dibagi dalam beberapa kelompok yaitu: a. Berdasarkan jumlah tingkat: 1. Turbin satu tingkat (single stage) 2. Turbin bertingkat (multistage) b. Berdasarkan arah aliran uap: 1. Turbin radial 2. Turbin aksial c. Berdasarkan jumlah silinder: 1. Turbin silinder tunggal 2. Turbin silinder ganda 3. Turbin silinder tiga 4. Turbin silinder empat Silinder merupakan poros dan tromol di mana sudu-sudu turbin dipasang. d. Berdasarkan jumlah poros: 1. Turbin silinder jamak dengan rotor tunggal dan dikopel dengan generator tunggal, dikenal dengan nama turbin poros tunggal. 2. Turbin-turbin dengan poros lebih dari satu dan diparalel disebut sebagai turbin poros jamak (multiaxial). e. Berdasarkan prinsip kerja uap: 1. Turbin impulse (turbin aksi, turbin tekanan rata), tekanan uap di sisi masuk turbin sama dengan sisi keluar. Ekspansi uap terjadi pada nosel (nozzle) atau karangan sudu arah. 2. Turbin reaksi (turbin tekanan tak rata), bila tekanan uap di sisi masuk lebih besar daripada di sisi keluar. Ekspansi uap terjadi baik di karangan sudu arah yang merupakan nosel maupun di sudu jalan. f. Berdasarkan penurunan panas: 1. Turbin berkondensor, “condensing turbine”, atau dikenal juga dengan turbin siklus tertutup. 2. Turbin berkondensor dengan satu atau dua tingkat ekstraksi pada tekanan tertentu untuk kebutuhan kalor lain (water heater misalnya). 3. Turbin siklus terbuka, “back pressure turbine”, tanpa dilengkapi kondensor. Kondensor dapat menurunkan tekanan menjadi sangat rendah, jadi bila turbin tidak dilengkapi kondensor maka tekanan di sisi keluar akan lebih tinggi daripada turbin berkondensor. 4. “Topping turbine”, jenis back pressure turbine yang biasanya dipergunakan pada waktu peningkatan daya terpasang suatu instalasi. Biasanya turbin ini akhirnya akan dilengkapi dengan kondensor sehingga berfungsi seperti turbin berkondensor biasa. Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-1
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5. Back pressure turbine dengan beberapa ekstraksi uap di beberapa tingkat untuk memasok uap dengan spesifikasi tekanan dan temperatur tertentu. g. Berdasarkan kondisi uap pada sisi masuk: 1. Turbin bertekanan rendah, 1 – 2 bar. 2. Turbin bertekanan menengah, sampai 40 bar. 3. Turbin bertekanan tinggi, diatas 40 bar. 4. Turbin bertekanan sangat tinggi, diatas 170 bar dan bertemperatur diatas 550 o C. 5. Turbin superkritikal, menggunakan uap bertekanan 225 bar. h. Berdasarkan sifat penggunaannya: 1. Turbin stasioner dengan kecepatan konstan, biasanya digunakan untuk memutar alternator di PLTU. 2. Turbin stasionar dengan kecepatan variable, biasanya untuk memutar kompresor, pompa dan sebagainya. 3. Turbin nonstasioner dengan kecepatan variable, misalnya yang digunakan di kapal, lokomotif dan sebagainya. Dari klasifikasi -f- di atas, dua macam instalasi turbin uap yang banyak dijumpai adalah: 1. instalasi turbin uap tertutup (condensing turbine). 2. instalasi turbin uap terbuka (back pressure turbine). Instalasi tertutup menggunakan fluida kerja yang mengikuti jaringan tertutup. Di sini diperlukan kondensor untuk mengkondensasikan kembali uap, kemudian pompa dan boiler untuk menaikkan energi air dari kondensor untuk disirkulasikan secara tertutup menuju ke turbin uap kembali. PLTU menggunakan prinsip kerja ini, selain untuk menjaga kebutuhan air kerja yang ketat syarat kualitasnya juga secara nyata dapat menaikkan efisiensi total PLTU. Instalasi terbuka tidak menggunakan kondensor. Uap yang keluar dari turbin masih tinggi temperatur dan tekanannya dan sisa energi ini dipergunakan dalam proses lain di pabrik. Di industri kedua system instalasi ini dapat kita jumpai. Gambar 5.1 berikut menunjukkan contoh skema instalasi terbuka dan tertutup. Gambar 5.1b menunjukkan system kombinasi antara instalasi terbuka dengan tertutup di industri.
(a)
(b)
Gambar 5.1. Contoh skema system instalasi turbin uap terbuka (a) dan kombinasi terbuka dan tertutup (b). Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-2
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Jalur uap bekas adalah uap yang telah dipergunakan turbin untuk dipergunakan pada proses produksi dalam industri tertentu, misalnya kilang minyak, pabrik pupuk dan sebagainya. Gambar berikut menunjukkan skema instalasi turbin uap tertutup yang dilengkapi dengan unit pemanfaat panas (economizer), pemanas ulang (reheater) dan pemanas lanjut (superheater). 169,7bar 538°c 39,6bar 538°c TTR
TTR ITIT
G
TTM
600MW
0,0864bar 0,42 bar
2x7100kW 0,0864 bar
525°c
119,8°c
99,4°c
74°c
184,8°c
184,3°c 180,4°c
7
Kondensor
6
4 5
3
1
2
Air Penambah
1,1 bar
2,2 bar
5,1bar
5,1 bar
10,3 bar
10,3 bar
22,3 bar
41,8 bar
Boiler
(Pic05tu)
Gambar 5.2. Contoh skema instalasi turbin uap tertutup dengan economizer, reheater dan superheater.(Pic05tu) Gambar 5.3 berikut menunjukkan skema aliran turbin uap tertutup sederhana. WT
Turbin Boiler Q msk
Kondensor
Q klr
Pompa Wp
Gambar 5.3 Skema aliran siklus Rankine sederhana. Dari gambar, WT Qklr Qmsk WP
adalah kerja keluar poros turbin. adalah panas yang dikeluarkan melalui kondensor. adalah panas yang masuk ke sistem melalui boiler (ketel). adalah kerja yang masuk sistem melalui poros pompa.
Gambar 5.4 berikut menunjukkan diagram T-s siklus tertutup suatu turbin uap 1 tingkat sederhana.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-3
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
(Fig2-02tu)
Gambar 5.4 Diagram P-v dan T-s turbin uap sederhana, menunjukkan diagram tanpa dan dengan pemanas lanjut. Langkah 1-2 2-3 3-4 4-1 Langkah 1-1’ 2-2’
: langkah ekspansi isentropik di turbin. : langkah pengeluaran panas ke penyedot panas di kondensor : langkah penaikan tekanan isentropik di pompa pemasok air boiler : langkah pemasukan kalor dengan tekanan konstan dalam boiler : langkah pemanasan lanjut (superheated) : langkah pengeluaran panas dikondensor
Langkah 2’-3 merupakan satu langkah yaitu pengeluaran panas di kondensor. Proses ideal ditunjukkan dengan siklus tertutup 1-2-3-4-1. Energi yang masuk (berupa energi panas melalui boiler dan energi poros melalui poros pompa) dinyatakan dengan luas area ⇒ a-3-4-j-1-2-b-a pada Gambar 5.4 (b). Sedangkan energi panas yang keluar melalui kondensor ditunjukkan dengan luas area ⇒ a-3-2-b-a. Untuk menaikkan kerja keluar yang dapat dihasilkan, pada gambar (b) siklus yang berjalan dimodifikasi dengan penambahan pemanas lanjut (superheater), yang ditunjukkan pada langkah 1-1’. Siklus menjadi 1-1’-2’-3-4-j-1. 5.2
SIKLUS RANKINE YANG IREVERSIBEL
Pertukaran kalor pada penukar panas terjadi karena ada perbedaan temperatur antara yang dipanaskan dengan yang memanaskan. Aliran kalor terjadi dari sisi yang bertemperatur tinggi ke sisi yang bertemperatur rendah. Dalam hal di boiler, sisi bertemperatur tinggi (sumber panas-heat source) adalah api, gas panas atau fluida panas lainnya (di reaktor nuklir). Sedangkan sisi bertemperatur lebih rendah (penyedot panasheat sink) adalah fluida kerja (air atau uap) dalam boiler. Siklus yang ireversibel terjadi akibat kalor hanya bisa mengalir dari sisi bertemperatur tinggi ke sisi bertemperatur rendah, hal yang sebaliknya adalah tidak mungkin. Gambar 5.5 berikut menunjukkan proses pertukaran panas antara sumber dengan penyedot. Akibat aliran kalor ini, sumber akan turun temperaturnya, sedangkan penyedot akan naik. Hal ini digambarkan dengan garis a-b untuk proses pendinginan sumber panas dan garis 4-j-1 untuk proses pemanasan penyedot panas. Kondisi ireversibilitas akan membatasi kemungkinan terjadinya penyilangan dua garis tersebut.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-4
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
(Fig2-03tu)
Gambar 5.5 Diagram T-s mengakomodir konsep “Pinch” untuk boiler dan kondensor. Pada gambar diatas, arah garis-garis penurunan temperatur dan kenaikan temperatur adalah saling berlawanan. Kondisi ini kita sebut sebagai proses berlawanan arah (counterflow). Sebaliknya, bila arah penurunan dan kenaikan temperatur adalah sama, prosesnya kita sebut sebagai proses searah. Titik-titik diantara dua garis yang terpendek disebut sebagai “titik pinch”. Dalam prakteknya proses yang berlawanan arah lebih banyak digunakan daripada proses searah karena beda temperatur keseluruhannya antara sumber dan penyedot panas tidak sebesar proses paralel. Gambar berikut menunjukkan konsep ini.
T
T a
a b 1
j 4
b
1
j 4
L atau H (a)
e
L (b)
(Fig2-04tu)
Gambar 5.6 Beda temperatur antara proses searah (a) dan berlawanan arah (b). Jenis fluida juga menentukan beda temperatur antara sumber dan penyedot panas. Pertukaran panas antara gas dengan gas, meskipun dengan perantara pipa yang sama, akan lebih rendah kapasitasnya dibandingkandengan antara gas dengan cair. Hal ini ditunjukkan dengan gambar berikut. Gambar (a) adalah antara gas dengan cair, sedangkan gambar (b) adalah antara gas dengan gas.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-5
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
a
b
a
e j
4
e b
1
j
1
4 (a)
(b) (Fig2-05tu)
Gambar 5.7 Beda antara fluida sumber dan penyedot panas.
(Fig2-06tu)
Gambar 5.8 Perbandingan antara pemanas lanjut menggunakan air sebagai fluida primer (a) dan gas atau metal cair sebagai fluida primer (b). Turbin tekanan Turbin tekanan tinggi rendah
Beban Pemanas lanjut Boiler Pengekonomis Kondensor 5 Pompa
Gambar 5.9 Skema turbin uap bertekanan tinggi dan rendah dengan pemanas ulang. Bila di pasal depan telah diterangkan perlunya penambahan instalasi pemanas lanjut (superheater) maka pada gambar diatas ditunjukkan instalasi pemanas ulang (reheater). Pemanas ulang sebenarnya sama fungsinya dengan pemanas lanjut, tetapi dilakukan pada tekanan uap yang lebih rendah. Uap di by-pass pada sisi keluar turbin tekanan tinggi untuk dialirkan kembali ke boiler. Di boiler uap dipanaskan kembali untuk Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-6
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
meningkatkan kembali entalpinya. Uap yang telah dipanaskan ulang ini dikembalikan ke turbin tekanan rendah untuk kembali diekspansikan dan diambil energinya. Gambar berikut menunjukkan diagram T-s siklus ideal dengan pemanas ulang ini.
h
s Gambar 5.10 Diagram T-s turbin uap tekanan tinggi dan rendah dengan pemanas ulang. Pada gambar ditunjukkan pula garis pinch antara sumber panas (di boiler) dengan penyedot panas (di boiler dan pemanas ulang). Lihat titik mula proses sumber panas dimulai dari atas titik 3 penyedot panas.
T 1 2
T 3 4
Boiler m2
m3 C
10 P
P 9
8
P 7
6
5
(a)
Gambar 5.11 Turbin uap dengan 2 ekstraksi 3 tingkat tidak ideal. Gambar diatas menunjukkan skema aliran dan diagram T-s turbin uap siklus Rankine tak ideal dengan dua buah pemanas air pasok tipe terbuka. Uap panas hasil ekstraksi dari turbin dicampur dengan air pemasok boiler yang lebih dingin temperaturnya. Keseimbangan tekanan dan temperatur antara uap hasil ekstraksi dengan air pemasok harus diatur dengan baik. Beberapa konfigurasi turbin uap tanpa ekstrasi uap (gambar a) dan dengan ekstrasi uap di antara turbin tekanan tinggi dan rendah ditunjukkan dalam gambar-gambar berikut.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-7
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
(Fig5-24tu)
Gambar 5.12 Beberapa konfigurasi turbin reaksi antara lain dengan ekstraksi uap. 5.3
KEBUTUHAN ENERGI INTERNAL DAN EFISIENSI
Generator Turbin
Poros
Kerja kotor
Kerja neto
Boiler
Kalor masuk
Kondensor
Panas keluar
Pompa ke kebutuhan dalam lain
ke peralatan tambahan
ke pompa
Gambar 5.13 Aliran energi pada suatu PLTU. Sebagian energi yang dihasilkan turbin tidak dapat dipergunakan untuk melayani kebutuhan luar. Sebagian energi ini diperlukan untuk mentenagai peralatan internal yang dibutuhkan antara lain: 1. Pompa pemasok boiler (termasuk dalam siklus). 2. Peralatan tambahan, antara lain: a. Pulverizer (penghalus batubara). b. Pengolah air (water treatment). c. Motor dan peralatan kontrol. d. Conveyor batubara, pompa minyak atau kompresor gas untuk PLTU batubara, minyak atau gas. e. Pengolah limbah padat dan cair. f. Pompa-pompa pendingin. g. Mesin pendingin kondensor. h. Air conditioning bangunan kantor. Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-8
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
i. Lampu penerangan j. dan peralatan lainnya. Untuk menentukan unjuk kerja sistem, dikenal beberapa istilah, antara lain: 1. Efisiensi termal (thermal efficiency), adalah rasio kerja neto terhadap jumlah kalor yang diperlukan oleh pembangkit tenaga. Efisiensi termal pembangkit akan lebih kecil daripada efisiensi yang dihitung dalam siklus karena perhitungan untuk yang terakhir ini tidak memasukkan energi yang diperlukan untuk peralatan-peralatan bantu dan energi akibat ireversibiltas dalam prosesnya. 2. Efisiensi kotor (gross efficiency), berbeda dengan efisiensi termal, efisiensi kotor dihitung berdasarkan rasio kerja kotor dari turbin dan generator. 3. Efisiensi bersih (net efficiency), dihitung berdasarkan kerja neto dari plant, yaitu energi kotor dikurangi dengan energi yang diperlukan plant. Pemilik pembangkit listrik pada umumnya menginginkan ukuran efisiensi yang dapat menunjukkan unjuk kerjanya dari sudut pandang ekonomi sebagai akibat biayabiaya yang harus dikeluarkan untuk membangun dan menjalankan instalasi seperti investasi, bahanbakar, operasi dan perawatannya. Untuk itu diperkenalkan ukuran lain yaitu heat rate (HR), yang menyatakan jumlah kalor yang dimasukkan (biasanya dalam Btu) untuk memproduksi satu satuan energi, biasanya dalam kWh. Satuannya adalah Btu/kWh. HR adalah kebalikan secara proporsional dari efisiensi. Jadi makin kecil HR akan makin baik. Ada beberapa definisi HR menurut variabel pembandingnya, yaitu:
1. HR neto siklus
=
kalor masuk siklus [ BTU] [kkal] kerja neto siklus [kWh] [kWh]
2. HR kotor siklus
=
kalor masuk siklus [ BTU] [kkal] kerja output turbin [kWh] [kWh]
3. HR neto stasiun
=
kalor masuk ke boiler [ BTU] [kkal] kerja output stasiun [kWh] [kWh]
4. HR kotor stasiun =
kalor masuk ke boiler [ BTU] [kkal] kerja kotor turbin dan generator [kWh] [kWh] (5.1)
Karena 1 kWh = 3412 Btu, maka: HR =
3412
η teoretik
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
(5.2)
5-9
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5.4
KOMPONEN TURBIN UAP
Komponen utama turbin uap terdiri dari: a. Rumah turbin (casing), umumnya terdiri dari belahan tutup atas dan rumah bagian bawah b. Poros dan piringan sudu jalan (rotor) c. Piringan sudu arah dan nosel d. Bantalan aksial dan radial e. Penyekat (umumnya dari jenis labirint) f. Peralatan kontrol uap (steam chest) Sudu Arah dan Sudu Gerak
Gambar 5.14 Tampak belahan turbin uap (Siemens) Gambar 5.15 Gambar potongan turbin uap (Shin Nippon Machinery). 1. Kopling, 2. Bantalan luncur, 3. Poros turbin, 4. Tutup (casing) atas, 5. Piringan dan sudu jalan, 6. Piringan dan sudu arah, 7. Rumah (casing) turbin bawah, 8. Labirint, 9. Bantalan radial dan aksial, 10. Penumpu (pedestal) bantalan depan, 11. Penumpu (pedestal) bantalan belakang, 12. Sistem kontrol hidrolik, 13. Katup pengontrol.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-10
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Gambar 5.16 Rotor impuls 2 tingkat (Shin Nippon Machinery). i. Aliran Uap di Nosel Persamaan konservasi energi bentuk umum akan mempelajari proses perubahan energi didalam nosel, yaitu: 2
p0
dipergunakan
dalam
2
V p V u0 + + 0 + gz 0 = u1 + 1 + 1 + gz1 ρ 2 ρ 2 2
atau
h0 +
2
V0 V + gz 0 = h1 + 1 + gz1 2 2
(5.3)
Disini h adalah entalpi fluida dengan satuan [m2/s2]. Indeks 0 menyatakan kondisi sisi awal nosel dan 1 menyatakan sisi keluar nosel. Notasi kecepatan V pada rumus diatas dapat diganti dengan C sebagai notasi yang dipergunakan pada sistem mesin pada mesin konversi energi. Selanjutnya beda ketinggian antara sisi masuk dan keluar nosel sangatlah kecil peranannya dalam menyumbang perubahan bentuk energi, sehingga dapat diabaikan. Energi kinetik spesifik fluida masuk nosel: C0 2
2
[m2/s2]
Energi kinetik spesifik fluida keluar nosel: C1 2
2
[m2/s2]
Dengan menggunakan persamaan konservasi energi, penambahan energi kinetik pada nosel diperoleh dari penurunan entalpi fluida dari h0 ke h1. Jadi:
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-11
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP 2
2
C C1 − 0 = h0 − h1 + gz 0 − gz1 [m2/s2] (5.4) 2 2 Untuk fluida kompresibel ideal pada nosel tanpa timbulnya gelombang kejut, dengan mengabaikan kecepatan fluida masuk nosel C0 dan beda ketinggian z0 dan z1, maka:
C1 = 2(h0 − h1 )
[m/s]
(5.5)
Bila fluidanya tidak ideal, maka perlu diintrodusir faktor kerugian ζ, sehingga kecepatan C dapat dirumuskan sebagai berikut:
C1 = ζ 2(h0 − h1 )
(5.6)
Disini (h0 – h1) adalah penurunan entalpi melalui noselm dalam m2/s2 atau kJ/kg. Untuk aliran isentropik di nosel,
Tds = dh – vdp
∫
Diintegrasikan
1
0
(5.7) 1
dh = ∫ vdp ,
1
h0 − h1 = − ∫ vdp
atau
0
0
Selanjutnya dengan menggunakan asumsi hukum pv n = konstan, di mana n adalah eksponen isentropik, dari Pers (5.5), didapat: 1
1
1 1 − − 1 1 C12 k n k n k k = ( p0 v0 ) p dp − ∫ ( p1v1 ) p dp 0 2 ∫0
=
n ( p0 v0 − p1v1 ) n −1
n −1 n n p 1 p0 v0 1 − = p0 n −1
Atau
n −1 p1 n 2n C1 = p0 v0 1 − p0 n −1
(5.8)
Laju aliran uap adalah: n −1 A1C1 2n p0 v0 p1 n m& = 1− = A1 v1 n − 1 v12 p0
atau
AC 2n p0 m& = 1 1 = A1 v1 n − 1 v0
2 n +1 n n p p 1 − 1 p0 p0
(5.9)
(5.9a)
Laju massa m& menjadi maksimum bila turunan persamaan di atas ada dan sama dengan nol, yaitu:
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-12
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP 2 n +1 n n p p 1 − 1 =0 p p p 0 0 p0
d d
2 p1 n p0
2− n n
atau
1
n + 1 p1 n − =0 n p0 n
Jadi,
p* 2 n −1 = p0 k + 1
(5.10)
Di mana p* adalah tekanan kritik, dan persamaan di atas berarti rasio tekanan kritiknya. Bila dikehendaki pklr < p* maka harus dipergunakan nosel jenis konvergen-divergen yang memiliki leher nosel. Bila dikehendaki pklr > p* maka harus dipergunakan nosel jenis konvergen. Kecepatan uap pada leher nosel, yang merupakan kecepatan kritiknya, dirumuskan sebagai berikut:
C* = 44, 72 h0 − h* di mana h0 – h* adalah penurunan entalpi uap pada sisi konvergen dari nosel. Penurunan entalpi ini dapat dibaca pada diagram Mollier. Bila noselnya hanya konvergen, tekanan minimum di mana uap dapat berekspansi adalah tekanan kritiknya bila laju uap keluarnya mencapai harga maksimumnya dan kecepatan keluar uap mencapai kecepatan suaranya (sonik). Kecepatan kritik dapat diperoleh dari Pers. (5.8) dengan disubstitusi rasio tekanan kritiknya.
2n 2 p0 v0 1 − n −1 n + 1
C1* =
2n p0 v0 n +1
=
Sebagai contoh, untuk uap panas lanjut, k = 1,3, sedangkan untuk uap kering, k=1,135. Di sini, k adalah eksponen politropik. Efisiensi nosel dinyatakan sebagai:
ηnosel =
h0 − h1 h0 − his
Untuk gas ideal,
ηnosel =
c p (T0 − T1 )
c p (T0 − Tis )
=
T0 − T1 T0 − Tis
Bila kecepatan riel uap keluar nosel adalah C1 dan kecepatan idealnya adalah Cis, maka: Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-13
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
ηnosel
C12 − C0 2 = 2 Cis − C0 2
Bila kecepatan awal dapat diabaikan,
ηnosel =
C12 Cis 2
Gambar 5.17 Nosel dan diafragma turbin uap.
Gambar 5.18 Diafragma (SNM).
Nosel
Gambar 5.19 Nosel jenis dilas.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-14
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Nosel
Gambar 5.20 Nosel jenis “reaming”.
ii. Aliran Uap di Sudu Gerak Aliran uap di sudu gerak dapat dikelompokkan sebagai aliran tekanan tetap (pada turbin aksi) dan aliran tekanan tidak tetap (pada turbin reaksi). Penjelasan untuk turbin aksi dan reaksi diberikan pada pasal-pasal selanjutnya.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-15
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5.5
DERAJAT REAKSI
Derajat reaksi R adalah rasio penurunan energi tekanan di sudu terhadap energi spesifik keseluruhan. Atau: R= dimana:
Yp 2 − 3
(5.11)
Y
Yp2-3
adalah beda energi tekanan spesifik fluida masuk dan keluar sudu gerak. adalah energi spesifik fluida semula.
Y
Dalam hal penulisan dengan entalpi, Pers. (5.11) di atas dapat ditulis sebagai:
R=
∆hsudugerak ∆hsudu arah + ∆hsudu gerak
Bila R = 0 yang didapat bila ∆hsudugerak = 0 maka turbin disebut sebagai turbin aksi, turbin impuls atau turbin tekanan rata. Bila 0 > R > 1 maka turbin disebut sebagai turbin reaksi atau turbin tekanan lebih. Bila R = 1 yang didapat bila ∆hsudu arah = 0 maka turbin disebut sebagai turbin reaksi penuh. Turbin Hero merupakan contoh untuk turbin reaksi penuh (R = 1), karena ∆hsudu arah =0 (lihat Pasal 5.6). Lihatlah turbin dengan karakteristik sebagai berikut. Diagram segitiga kecepatan satu tingkat turbin uap digambarkan sebagai berikut:
Gambar 5.21 Diagram kecepatan suatu tingkat turbin uap. Kecepatan
C1 = W2,
C2 = W1
Sudut
α1 = β2
α2 = β1
Sudu ini tidak simetrik, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.23.b. Karena Ca1=Ca2, maka tidak ada gaya aksial akibat perubahan vektor kecepatan absolut yang bekerja pada poros. Tetapi sebaliknya, akan ada gaya aksial akibat beda tekanan sebelum dan sesudah sudu. Bila R = 50%, maka ∆hsudu arah = ∆hsudu gerak . Gambar 5.23 a dan b menunjukkan skema turbin uap jenis aksi dan reaksi, disertai dengan gambar diagram h-s dan segitiga (∆) kecepatannya. Perhatikan perbedaannya. Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-16
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5.6
TURBIN AKSI DAN REAKSI
5.6.1
Turbin Aksi Turbin aksi merupakan lawan kelompok turbin reaksi. Turbin aksi juga dinamakan turbin impuls atau turbin tekanan rata, adalah turbin yang bekerja pada tekanan rata atau sama di semua titik pada suatu sudu gerak. Jadi pertukaran energi di sudu hanya dari energi kinetiknya saja, sedangkan dari energi potensial tetap. Arah putaran
Nosel
Tekanan
C1 C2
Kecepatan
C0 (Fig5-07tu)
Gambar 5.22 Turbin tekanan rata satu tingkat, dengan ditunjukkan besaran tekanan dan kecepatan uapnya pada arah aksial. Gambar 5.22 menunjukkan turbin tekanan rata satu tingkat. Turbin menggunakan nosel (nozzle) yang menurunkan entalpi uap sepenuhnya menjadi energi kinetik. Di nosel, persamaan energi: u0 + dimana subskrip Atau karena
Po
ρ0
2
+
2
V0 P V + gz 0 = u1 + 1 + 1 + gz1 2 ρ1 2
menyatakan notasi untuk seksi sebelum masuk nosel, 1 menyatakan notasi untuk seksi keluar nosel. Po P u0 + = h0 dan u1 + 1 = h1
(5.12)
0
ρ0
ρ1
(5.13)
dan energi potensial gz pada turbin uap umumnya kecil dan diabaikan, maka di nosel persamaan ideal energi menjadi: 2
2
V V h0 + 0 = h1 + 1 2 2
(5.14)
Jadi pada diagram T-s proses pertukaran energinya ditunjukkan hanya dengan satu garis saja. Di sisi masuk dan keluar turbinnya sendiri entalpinya konstan. Hal ini dapat ditunjukkan pada Gambar 5.22.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-17
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Pada Gambar 5.23a, entalpi turun dari titik 0 ke titik 1. Pada titik 1 (tekanan keluar nosel), tekanan uap akan sama dengan tekanan uap masuk sudu turbin (titik 2) dan tekanan keluar sudu (titik 3). Jadi proses kerja di sudu seolah berimpit di titik 1, 2 dan 3. Bila diperhatikan lebih mendetail, persamaan energi yang lengkap antara seksi sebelum nosel sampai seksi sesudah sudu jalan dapat ditulis sebagai berikut: 2
Po
2
Di nosel:
V P V u0 + + 0 = u1 + 1 + 1 ρ0 2 ρ1 2
di roda jalan turbin:
u2 +
2
P2
+
ρ2
(5.15) 2
V2 P V = u 3 + 3 + 3 + YT ρ3 2 2
(5.16)
Sedangkan energi spesifik turbin dapat ditulis sebagai (rumus Euler):
YT = U 2 C u 2 − U 3 C u 3 2
2
atau
YT =
(5.17) 2
2
2
C2 C U U W W − 3 + 2 − 3 + 3 − 2 2 2 2 2 2 2
2
(5.18)
Energi kinetik spesifik tenaga uap (YTk) dinyatakan pada bagian persamaan: 2
C C YTk = 2 − 3 2 2
2
(5.19)
sedangkan gabungan energi potensial, tekanan dan termal spesifik dinyatakan dalam: 2
2
2
U U W W YTp = 2 − 3 + 3 − 2 2 2 2 2
2
(5.20)
Karena tidak ada penurunan tekanan lagi di dalam sudu jalan, maka YTp akan sama dengan nol. Untuk turbin aksial, U2 = U3. Jadi untuk turbin impuls akan didapat selalu W2 = W3. Segitiga kecepatan turbin impuls ditunjukkan pada gambar. Karena tekanannya konstan, maka kerapatan massanya juga konstan. Bila luas penampang aliran pada sudu jalan konstan, maka kecepatan aksial juga akan konstan. Karena tekanannya sama, maka volume spesifik v2 akan sama dengan v3. Akibatnya kecepatan aksial uap Ca2 akan sama dengan Ca3 atau C3 dalam keadaan ideal. Dari diagram h-s terlihat, entalpi uap turun di nosel sebagai akibat kenaikan kecepatan uap. Selanjutnya di sudu jalan, penurunan energi total terjadi karena penurunan energi kinetiknya saja. Tekanan yang konstan di sisi masuk dan keluar turbin impuls menyebabkan tidak adanya kerugian kebocoran uap antara ke dua sisi tersebut. Akibat lainnya adalah: Turbin aksi dapat bekerja pada bukaan nosel sebagian, dalam arti, tidak semua nosel (bila nosel dipasang penuh di depan roda jalan) diaktifkan.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-18
MKE 2
p0
0
3
Sudu arah 1 2 Sudu jalan
p0
Entalpi h
0
Indek 0
2 Sudu jalan 3
1 p1 3
3s
p2
p3
p2
p1
2
Entalpi h
1
Sudu arah
Indek 0
BAB 5 TURBIN UAP
3 3s
Entropi s
u
c
c
c3
u
w3
w3
β3
u
β2 w2 α3 c 3
w2
(a)
1
u
α2
1
c
2
c
2
Entropi s
(b)
Gambar 5.23 Sudu arah, sudu jalan, diagram h-s dan segitiga kecepatan turbin aksi (a) dan turbin reaksi (b).
Gambar 5.24 Turbin impuls 2 rotor 4 tingkat. (Shin Nippon Machinery).
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-19
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Gambar 5.25 Turbin uap impuls 2 rotor 4 tingkat tutup terbuka. (Shin Nippon Machinery).
5.6.1.1
Analisis Turbin Impuls Berdasarkan Momentum
Sama dengan turbin air, gambar berikut menunjukkan sudu gerak turbin impuls dan segitiga kecepatannya. W2 C 2 U2 U
x
C1 C1 U1
W1
Gambar 5.26 Sudu turbin impuls dan vektor-vektor kecepatan uap. Gambar 5.26 diatas menunjukkan prinsip kerja sebuah turbin uap impuls. Jet menyembur dari nosel di kiri dengan kecepatan C0 dan menumbuk sudu seperti nampak pada gambar. Sudu-sudu dibuat seperti mangkuk. Jumlah sudu dimisalkan tak berhingga. Selanjutnya sudu dipasang pada rotor dalam konfigurasi aksial, sehingga U1 = U2. Kecepatan jet masuk sudu adalah Kecepatan jet keluar sudu adalah Kecepatan tangensial sudu adalah Kecepatan masuk relatif terhadap sudu Kecepatan keluar relatif terhadap sudu
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
C1 . C2 . U =U1 = U2. W1 W2
5-20
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Bagaimana rumus daya turbin tersebut? Pengamat berada di sumbu inersial, di luar sudu. Sudu bergerak dengan kecepatan tangensial U. Kecepatan relatif jet masuk sudu adalah W1 = C1 – U1 Kecepatan relatif jet keluar sudu adalah W2 = C1 – U1 = W1 Kecepatan absolut jet keluar sudu adalah C2 = U – (C1 – U1) = 2U – C1 Dari persamaan momentum: v v M& = ∫ ρV (Vr .nˆ )dA VA
m& = ρVA v Vr .nˆ = C1 − U
dapat diperoleh dan
(5.21) (5.22) (5.23)
Oleh karenanya
∑ F = (m& V .nˆ ) − (m& V .nˆ ) ∑ F = 2m& (C − U ) v
v
r
msk
r
klr
= m& (C1 − U ) − (− m& (C1 − U ))
1
(5.24)
Kerja per satuan waktu P adalah:
P = U ∑ F = 2m& U (C1 − U )
(5.25)
Jadi bila laju massa uap diketahui dan kecepatan pancaran uap dari nosel (C1) dan kecepatan putar sudu (U) diketahui, daya rotor dapat dihitung. Untuk mencari efisiensi rotor, dari definisi efisiensi sebagai rasio daya keluar poros terhadap daya uap tersedia, efisiensi turbin adalah:
U U 2 P η= 1 = 4 1 − 1 2 & mC C1 C1 1 2
(5.26)
Dengan menurunkan persamaan efisiensi diatas terhadap U1/C1, efisiensi optimum didapat bila:
Jadi
U = 12 C
(5.27)
Pmaks = 12 m& C 2
(5.28)
Dengan cara yang sama, bila jet uap masuk dan keluar sudu membentuk sudut α1 dan α2 berturut-turut terhadap arah aksial (sudut α1 dan α2 selalu diperlukan untuk memungkinkan jet uap masuk ke dan keluar dari sudu-sudu), maka akan didapat:
∑ F = 2m& (C
1
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
cos α 1 − C 2 cos α 2 )
(5.29)
5-21
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
β1
X+ β2 6.4
Gambar 5.27 Sudu turbin impuls dengan sudut relatif masuk dan keluar β1 dan β2. Jadi
P = U ∑ F = 2m& U (C1 cos α 1 − C 2 cos α 2 )
(5.30)
Efisiensi akan menjadi:
η=
U 1 U 1 C 2 P = 2 cos α − 1 2 1 C & m C C1 C1 1 1 2
Kecepatan sudu optimum: Kecepatan relatif uap masuk sudu adalah: Kecepatan uap keluar sudu adalah: Jadi :
cos α 2
(5.31)
C1 cosα1 – U. U - (C1 cos α1 – U) = 2U – C1 cos α1
& ( C1 cos α − C2 cos α 2 ) = 2 mU & ( C1 cos α1 − U ) P = 2 mU
(5.32)
Kecepatan optimum akan diperoleh bila: U opt =
C1 cos α 1 2
(5.33)
Daya maksimum diperoleh bila Uopt dipergunakan, sehingga:
& opt 2 P = 12 m& ( C1 cos α1 ) = 2 mU 2
(5.34)
Efisiensi maksimum adalah:
η maks = (cos α 1 )2
(5.35)
Bila α1 = 0, maka efisiensi akan sama dengan 100%. Contoh aplikasi turbin aksi adalah turbin Curtis. Gambar 5.28 berikut menunjukkan roda Curtis 2 tingkat. Selepas dari nosel, tekanan uap sama di semua stasiun antara sisi masuk sudu tingkat I sampai dengan sisi keluar sudu tingkat II. Kecepatannya yang berkurang seiring dengan berkurangnya energi kinetik uap dan bertambahnya energi pada poros putar turbin.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-22
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Gambar 5.28 Turbin tekanan rata dua tingkat. 5.6.1.2
Turbin Aksi – Turbin Hero
Bentuk lain dari turbin aksi adalah turbin Hero. Gambar berikut menunjukkan turbin Hero dan gambar-gambar penjelasan untuk menganalisa cara kerja turbin ini. Turbin Hero bekerja berdasarkan momentum yang dihasilkan dari pancaran uap dari nosel turbin yang berfungsi pula sebagai rotor turbin. Reaksi dari momentum ini dimanfaatkan sebagai proses konversi energinya. Sama dengan pada turbin aksi semisal turbin Curtis sebelumnya, analisa turbin ini lebih mudah menggunakan analisa momentum langsung.
(a)
ω
ω
(b)
(c)
Gambar 5.29 Turbin Hero W2 U2
ω A
= kecepatan relatif terhadap nosel = kecepatan keliling nosel = kecepatan putar = luas penampang saluran
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-23
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Gaya yang dihasilkan uap keluar nosel dengan kecepatan absolut C2 adalah:
atau
F = m& C2
(5.36)
F = m& (W2 − U 2 )
(5.37)
Kerja per satuan waktu uap adalah:
& 2 (W2 − U 2 ) P = mU
(5.38)
Uap semula keluar melalui sumbu putar turbin dan bergerak menuju nosel di sisi luar lingkaran putar turbin. Kerja akan dirasakan oleh fluida oleh rotor dalam bentuk: a. Fluida dipercepat dari kecepatan mendekati nol (pendekatan) pada sumbu nosel menjadi sama dengan kecepatan nosel U2, yaitu energi kinetik: U = 2 2
YKE
2
(5.39)
b. Fluida juga dimampatkan bila bergerak radial keluar dalam putaran. Energi potensial atau, kerja pemompaan, diturunkan sebagai berikut (lihat gambar b): Kesetimbangan gaya arah radial massa dm :
( p + dp − p ) A = rω 2 dm dp = ρ r ω 2 dr
Karena dm = ρA dr maka atau
dp
ρ
= rω 2 dr
(5.40) (5.41) (5.42)
Kerja pemompaan fluida aliran kompresibel maupun inkompresibel adalah: YKE =
U2 2
2
(5.43)
Gaya yang bekerja pada fluida oleh rotor, yang menghasilkan energi kinetik dan kompresi, adalah gaya Coriolis. Jadi kerja oleh rotor pada fluida melalui gaya Coriolis adalah sama dengan jumlah perubahan energi kinetik dan kerja pemompaan sebagai berikut (lihat Gambar 5.29c): dF = 2 ω r dm&
(5.44)
dF = 2 ω m& dr
(5.45)
Momen dari momentum
dM = r dF
(5.46)
Daya karena gaya Coriolis
dPC = ω dM
(5.47)
atau
dPC = 2ω 2 m& rdr
(5.48)
Setelah integrasi:
& 22 PC = mU
(5.49)
Energi Coriolis spesifik:
YC = U 2
(5.50)
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
2
5-24
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Pada sistem koordinat relatif (bergerak bersama nosel) hanya kerja pompa menambah energi yang tersedia untuk mempercepat fluida melalui nosel. Perubahan energi kinetik diperlukan untuk memungkinkan fluida bergerak dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan nosel. Dengan asumsi ekspansi ideal (isentropik), kecepatan fluida keluar nosel pada sistem koordinat non inersial (relatif) dapat dicari karena harganya harus merupakan penjumlahan energi-energi potensial dalam sistem fluida statik dan dengan kompresi akibat rotasi. Kerja pompa sebagai bagian dari energi potensial yang tersedia untuk mempercepat fluida menembus nosel sering diabaikan. Bila dalam keadaan ω = 0, rotor dimisalkan ditahan tetap, didefinisikan kecepatan fluida keluar dari nosel sama dengan Cst, maka berdasarkan analisis energi:
C 2 = U 2 + C st 2
2
2
(5.51)
Masukkan persamaan diatas pada Persamaan 5.38 maka: 2 2 P = m& U 2 C st + U 2 − U 2
Dari definisi efisiensi turbin η = Definisikan rasio kecepatan
Ω=
(5.52)
P 1 m& C st 2
(5.53)
U2 C st
(5.54)
dan koefisien dorong nosel (thrust coeficient) κd dimana Ca adalah kecepatan fluida sebenarnya, sedangkan C2 kecepatan keluar ideal:
κd =
0 < κd < 1
(
η = 2 Ω κ d 1 + Ω2 − Ω
didapat:
5.6.2
Ca C2
)
(5.55) (5.56)
Turbin Reaksi
Lain halnya dengan turbin reaksi. Penurunan entalpi tidak semuanya dilakukan di nosel, tetapi sebagian daripadanya dilakukan di sudu jalan. Jadi: 2
YTp =
2
2
2
U2 U W W − 3 + 3 − 2 > 0. 2 2 2 2
(5.57)
Pada Gambar 5.23 dapat dilihat perbedaan dasar antara turbin aksi (Gambar 5.23a) dan reaksi (Gambar 5.23b). Dari segitiga kecepatannya, karena kecepatan tangensial U2 sama dengan U3 (turbin aksial) maka W2 tidak akan sama dengan W3. Dari diagram h-s terlihat, entalpi uap turun di nosel sebagai akibat kenaikan kecepatan uap. Selanjutnya di sudu jalan, penurunan energi total uap terjadi karena penurunan energi kinetik dan entalpi. Karena tekanan di sisi 2 lebih besar, maka volume spesifik v2 akan lebih kecil daripada v3. Akibatnya kecepatan aksial uap ca2 akan lebih kecil daripada ca3 atau c3 dalam keadaan. Untuk menyamakannya, maka luas penampang aliran di sisi keluar turbin diperbesar. Itulah sebabnya pada turbin reaksi diameter roda jalan di sisi hilir lebih besar.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-25
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5.6.2.1 Efisiensi Turbin Reaksi Sama dengan turbin aksi, dengan menggunakan persamaan Euler, kerja spesifik pada rotor turbin reaksi adalah: 2
2
2
2
2
C C U U W W Y = U1 cos α1 – U2 cos α2 = U1 Cu1 – U2 Cu2 = 1 − 2 + 1 − 2 + 2 − 1 2 2 2 2 2 2
2
Sebelum rotor, energi spesifik yang dimiliki uap adalah: 2
2
2
2
C U U W W Y1 = 1 + 1 − 2 + 2 − 1 2 2 2 2 2
2
Persamaan diatas menunjukkan energi yang dimiliki fluida sebelum masuk rotor. Bila kita akan tinjau energi yang dipindahkan fluida ke rotor, maka energi kinetik sisa C22/2 yang keluar rotor harus dimasukkan dalam perhitungan, yang kemudian akan kita dapatkan kembali persamaan Euler. Kita bahas khusus turbin aksial, maka efisiensi turbin reaksi adalah:
ηreaksi =
U ( Cu1 − Cu 2 ) Y = 2 Y1 C1 + U12 − U 2 2 + W2 2 − W12 2
Pada turbin reaksi, ada beberapa kemungkinan bentuk segitiga kecepatan masuk dan keluar sudu. Pada dasarnya, bentuk-bentuk di bawah dapat mewakili berbagai bentuk yang lain. Untuk menganalisanya, dua faktor pengubah akan kita pergunakan, yaitu Faktor ϕ untuk kecepatan aksial, dengan definisi
Cm1 = ϕ Cm2, dan
Faktor ψ untuk sudut α1 dan α2 , dengan definisi
α1 = ψ α2
Perubahan kecepatan aksial Cm dapat terjadi karena kemungkinan perubahan kecepatan aksial akibat makin turunnya tekanan yang mengakibatkan naiknya volume spesifik uap di sisi keluar. Dan ini mengakibatkan membesarnya Cm di sisi keluar. Pada kasus khusus, bila turbin reaksi didisain menggunakan konsep Cm konstan, maka ϕ akan sama dengan 1. Sudu turbin ini diameter pada sisi keluarnya lebih besar daripada di sisi masuknya (lihat sudu dengan tanda panah gambar berikut).
Gambar 5.30 Contoh rotor turbin uap reaksi.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-26
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Gambar 5.31 Beberapa bentuk sudu rotor dan stator turbin uap (Stork, Holland). Menggunakan faktor pengubah diatas, C 2 cos α 2 = C m 2 tan α 2 =
C1 sin α 1 tan Selanjutnya
Dimana
C2 =
ϕ cos α 2 sin α 1 tan
κ1 =
α1 ψ
C m1
ϕ
tan
α1 = ψ
C1 sin α 1 tan
α1 ψ
ϕ
= κ 1C1
= κ 2 C1
α1 ψ
ϕ
κ2 =
sin α 1 tan
α1 ψ
ϕ cos α 2
Sehingga efisiensi dapat ditulis sebagai:
ηreaksi =
U ( C cos α − C cos α ) Y = 2 1 2 1 2 2 2 2 2 Y1 C1 + U1 − U 2 + W2 − W1 2
C α U C1 cos α1 − 1 sin α1 tan 1 ϕ ψ = 2 2 2 2 C1 + U1 − U 2 + W2 − W12 2 Dari segitiga kecepatan: W2 = U 2 + C 2 − 2U 2 C 2 cos(180 − α 2 ) = U 2 + C 2 + 2U 2 C 2 cos(α 2 ) 2
2
2
2
2
= U 2 + κ 2 C1 + 2U 2κ 1C1 2
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
2
2
5-27
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Sedangkan
W1 = U 1 + C1 − 2U 1C1 cos α 1 2
2
2
Jadi
ηreaksi
C α U C1 cos α1 − 1 sin α1 tan 1 ϕ ψ = 2 2 2 2 2 2 C1 + U1 − U 2 + U 2 + κ 2 C1 + 2U 2κ1C1 − U12 − C12 + 2U1C1 cos α1 2
Untuk turbin aksial, U1 = U2. Jadi
ηreaksi
C α 2U C1 cos α1 − 1 sin α1 tan 1 ϕ ψ = 2 2 κ 2 C1 + 2U 2κ1C1 + 2U1C1 cos α1
Bagi dengan C12 didapat
U 1 α cos α1 − sin α1 tan 1 C1 ϕ ψ = U U κ 2 2 + 2κ1 + 2 1 cos α1 C1 C1 2
ηreaksi
Gambar 5.32 Gambar potongan turbin uap reaksi.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-28
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Amati perbedaan turbin reaksi dengan turbin aksi (Gambar 5.15). Dapat dilihat, pembukaan sudu-sudu terlihat lebih besar.
Gambar 5.33 Turbin reaksi tekanan rendah (LP) (Siemens- Muelheim Jerman). Satu set turbin sejenis mampu membangkitkan tenaga listrik sebesar 1200 MW. Turbin ini juga telah beroperasi di Paiton, Jawa Timur.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-29
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5.7
TURBIN BERTINGKAT
Kemampuan nosel dan turbin untuk mengambil energi dari fluida kerjanya adalah terbatas. Sedangkan dari analisis sebelumnya sudah terbukti, beda temperatur (yang ekivalen dengan energi) yang makin tinggi akan memberikan efisiensi yang makin tinggi pula. Untuk mencapai efisiensi yang tinggi tersebut turbin uap dibuat bertingkat-tingkat. Setiap tingkat bertugas memindahkan sebagian dari energi uap yang tersedia ke poros turbin. 5.7.1
Turbin Impuls Bertingkat
Pada turbin impuls, ada dua cara untuk membangun turbin bertingkat, yaitu: a. Turbin impuls dengan satu nosel dan beberapa sudu jalan dengan beberapa sudu pembalik arah aliran. Sudu arah
Sudu gerak
Sudu gerak
Nosel
Tekanan C1 Kecepatan Absolut
C2
C3
C4
(Fig5-08tu)
Gambar 5.34 Turbin tekanan rata dua tingkat rotor, dengan besaran tekanan dan kecepatan uapnya. Gambar 5.34 menunjukkan satu contoh turbin impuls bertingkat 2 dengan sudu pembalik. Tekanan uap sekeluar dari nosel adalah konstan di seluruh seksi impuls. Sebaliknya kecepatan absolut uap di kedua tingkat sudu jalan tidak sama, sebagai akibat terpindahkannya sebagian energi kinetik di tingkat pertama. Gambar 5.35 menunjukkan segitiga kecepatan turbin impuls dua tingkat dengan sudu pembalik. C1
W2
β1
α1 Sudu jalan 1
β1
W2
u1 α2
C2 Sudu arah
u2 Sudu jalan 2
β3
β4
W3
C3
α3 u3
W4
C4
α4
Gambar 5.35 Segitiga kecepatan pada sudu gerak dan sudu diam turbin uap tekanan rata dua tingkat. (Fig5-09tu)
u4
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-30
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
C1 W1
1 u1
W2
tingkat 1
Sudu gerak Sudu tetap
C2 u2 W3 W4
tingkat 2
Sudu gerak
C3
4 U3
Sudu tetap
C4 C5
5
U4 W5 W6 C 6 U6
tingkat 3
Sudu gerak
6
(Fig5-10tu)
Gambar 5.36 Segitiga kecepatan turbin aksi tiga tingkat dengan sudu pembalik. Kecepatan yang rendah di sisi keluar sudu terakhir merupakan tujuan untuk mendapatkan efisiensi yang tinggi.
Tingkat 1
W1
Nosel
Tingkat 2
C1
Nosel
Tingkat 3
b. Turbin impuls bertingkat dengan beberapa nosel dan beberapa sudu jalan. Dalam analisis disain sering dijumpai kondisi dimana nosel tidak mampu menurunkan entalpi seperti yang dikehendaki. Untuk mengatasinya entalpi diturunkan melalui beberapa nosel. Gambar 5.37 menunjukkan turbin impuls tiga tingkat yang tekanan disetiap tingkatnya tidak sama..
Nosel
Sudu gerak
U1
W2
C2 U2
C3 W3 W4
43
Sudu gerak
U3
U4
C5 W5 W6
Sudu gerak
U5 C6
U6
(Fig5-12tu)
Gambar 5.37 Turbin tekanan rata tiga tingkat tekanan, dengan segitiga kecepatannya. Prinsip kerja konfigurasi ini dijelaskan dengan gambar berikut. Nosel berfungsi sebagai penurun entalpi dan peningkat energi kinetik uap. Sudu jalan berfungsi sebagai pemindah energi kinetik uap ke energi mekanik pada poros turbin. Entalpi yang masih tinggi di sisi keluar sudu jalan tingkat I di ekspansikan kembali oleh nosel tingkat ke II. Energi kinetik yang dihasilkan dipindahkan menjadi energi poros di turbin tingkat ke II.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-31
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Sudu gerak
Sudu gerak
Nosel
Nosel
Tekanan C2
C1 Kecepatan Absolut
(Fig5-11tu)
Gambar 5.38 Turbin tekanan rata dua tingkat tekanan, ditunjukkan pola perubahan tekanan dan kecepatan absolut uap di setiap tingkat. Gambar diatas menunjukkan konsep turbin impuls dua tingkat bertekanan tidak sama. Diagram dibawahnya menunjukkan besaran tekanan dan kecepatan absolut di setiap tingkatnya. 5.7.2
Turbin Reaksi Bertingkat Lain halnya dengan turbin aksi, turbin reaksi mengatasi keterbatasan penurunan energi di setiap tingkatnya dengan menghadirkan nosel yang berupa sudu arah di setiap tingkatnya. Sudu gerak Sudu tetap
Sudu gerak Sudu tetap
Sudu gerak Sudu tetap
Penurunan tekanan di sudu tetap Tekanan Penurunan tekanan di sudu gerak
Kecepatan absolut
Kenaikan kecepatan absolut di sudu tetap
Penurunan kecepatan absolut di sudu gerak
(Fig5-13tu)
Gambar 5.39 Turbin reaksi tiga tingkat tekanan, dengan besaran tekanan dan kecepatan uapnya.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-32
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Sudu tetap C1
β1
W1
Sudu gerak
α1
β2
U1
W2
C2 U2
W4
β3
W3
β4
Sudu tetap
C3
α2 U3
Sudu gerak
C4 U4
(Fig5-14tu)
Gambar 5.40 Turbin reaksi dua tingkat tekanan, dengan segitiga kecepatannya.
Gambar 5.41 Diagram h-s turbin reaksi dua tingkat tekanan. Cobalah anda buat analisis, bagaimana dengan pernyataan berikut: Persamaan energi 0-1 di sudu tetap: C0 2 C12 h0 + = h1 + + hrg 0−1sudu tetap 2 2 Persamaan energi 1-2 di sudu gerak: C2 C2 h1 + 1 = h2 + 2 + hrg 1− 2 sudu gerak + e1− 2 sudu gerak 2 2
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-33
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5.8
BEBERAPA BENTUK KHUSUS KONSTRUKSI TURBIN UAP
5.8.1
Turbin Uap Radial
Rotor Stator
Gambar 5.42 Contoh konstruksi turbin uap radial. Gambar di atas menunjukkan gambar turbin uap radial sederhana. Rotor (karangan sudu sebelah kanan) terdiri dari cincin lingkar yang di bagian tengahnya dibentuk menjadi sudu-sudu. Tepat disisi hilir atau hulunya, terdapat sudu arah (stator, bagian kiri). Arah aliran uap pada gambar di atas adalah dari bawah ke atas, arah radial.
Gambar 5.43 Turbin uap radial rotor ganda dengan potongan sudu gerak dan sudu arah dan segitiga kecepatannya. Gambar 5.43 di atas menunjukkan potongan turbin radial reaksi bertingkat rotor ganda. Di sisi kanan menunjukkan potongan sudu-sudu gerak rotor 1 dan rotor II. Turbin ini tidak memiliki sudu arah. Gambar bawahnya menunjukkan segitiga kecepatan kedua pasangan rotor tersebut. Dalam gambar, C21 menyatakan kecepatan absolut uap masuk rotor 2 yang sama besarnya dengan uap keluar rotor 1. Kecepatan absolut keluar dari rotor dinyatakan dengan C22.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-34
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Gambar 5.44 Turbin uap radial dengan sisi outlet arah aksial. Gambar 5.44 di atas menunjukkan rotor turbin uap radial janis campuran. Uap masuk impeler dalam arah radial, tetapi keluar impeler arah aksial. Gambar kanan atas menunjukkan tampak depan rotor. Gambar bawah menunjukkan tipikal segitiga kecepatan. Perlu diperhatikan, gambar kedua segitiga kecepatan di atas tidaklah dalam satu bidang. Bidang segitiga kecepatan keluar rotor adalah tegak lurus terhadap arah poros.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-35
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5.9
BEBERAPA PERALATAN UTAMA TURBIN UAP
5.9.1 Nosel (lihat bab khusus nosel, dalam persiapan) 5.9.2
Katup Kontrol Tingkat Pertama (Steam Chest)
ke Servo governor
Bocoran uap Katup Uap masuk
Uap masuk
Bocoran uap Penutup
Segmen nosel
Sumbu poros rotor
Segmen nosel Rotor turbin tingkat 1 (Gbr6tu)
Gambar 5.45 Sketsa sistem kontrol pemasokan uap pada nosel atau sudu arah dengan 7 katup diparalel. Turbin aksi dapat bekerja pada bukaan nosel sebagian, dalam arti, tidak semua nosel (bila nosel dipasang penuh di depan roda jalan) diaktifkan. Pada gambar diatas, tampak katup ke I (tunggal), pasangan katup ke II, ke III dan ke IV. Posisi tiap jarum katup menentukan jumlah pasokan uap. Terlihat katup ke IV melayani nosel atau sudu arah yang menempati sebagian lingkaran sudu jalan (tidak nampak). Tentunya ada sebagian sudu jalan yang tidak menghasilkan daya (pasif) karena tidak tepat didepan nosel ini. Sudu jalan yang pasif ini justru memakan daya akibat efek angin, yaitu bekerja sebagai fan yang menimbulkan kerugian angin (“windage”). Gambar 5.46 Contoh sistem hidrolik batang pengatur turbin uap buatan China.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-36
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5.9.3
Penyekat
5.9.3.1 Labirinth
C D
Gambar 5.47 Labirin untuk menyekat uap atau gas bertekanan terhadap lingkungan luar pada kompresor ataupun turbin uap/gas. Labirin (“labyrinth”) merupakan salah satu komponen untuk menyekat uap atau gas bertekanan tinggi terhadap kebocoran ke udara luar pada poros yang berputar. Ada beberapa jenis labirin yang dipergunakan, antara lain berbentuk ring metal, penyekat air dan ring dari bahan karbon. Pada gambar terlihat jenis ring metal yang ditanam dalam takikan (groove) yang dikunci dengan ring kunci. Ring labirin dipasang baik pada bagian poros maupun rumah turbin. Ring labirin yang bergerak mengakibatkan uap atau gas berubah arah geraknya, berputar mengikuti gerak ring dan berputar melingkar diantara dinding-dinding ring. Gerak dan arah kecepatan yang ditimbulkan menimbulkan efek penyekatan yang baik. Berbagai macam bentuk ring labirin dapat ditemui pada turbin-turbin uap dan gas, selain juga yang digunakan pada kompresor. Diantaranya dapat dilihat pada gambar-gambar berikut:
Gambar 5.48 Penyekat labirin yang dilengkapi dengan penyekat cairan.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-37
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
(Scan34tu)
Gambar 5.49 Ring labirin yang ditanam sejajar poros. (Scan34tu)
5.9.3.2 Penyekat Mekanikal
Gambar 5.50 Penyekat mekanikal (mechanical seal) dilengkapi dengan penyekat minyak.
Gambar 5.51 Ring labirin yang ditempatkan pada ring dudukan khusus.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-38
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
5.10
CATATAN TAMBAHAN DIAGRAM H – S BEBERAPA KONFIGURASI KOMPRESOR DAN TURBIN UAP. 2
CK 2
2
CN 2
eK K*
hK
M
K
K
N
p stg,K
h pk
N
pN
1
∆e M-K ∆h s,M-K
M
2
Ci 2
pM 1 p1
Gambar 5.52 Kompresor aksial
s Abb 1.5.5
Gambar 5.53 Diagram h – s kompresor
Kompresor : Notasi : M K 1 N CM CK ∆eM-K
= sisi masuk = sisi keluar = sisi masuk impeler = sisi keluar impeler = kecepatan di sisi masuk = kecepatan di sisi keluar = beda energi antara sisi masuk dam keluar = ∆hM-K + CK2/2 e = energi spesifik h = entalpi ∆hM-K = beda entalpi antara sisi masuk dan keluar ∆hs,M-K = beda entalpi isentropik antara sisi masuk dan keluar p1 = tekanan statik di sisi masuk impeler pM = tekanan statik di sisi masuk pN = tekanan statik di sisi keluar impeler pK = tekanan statik di sisi keluar pstg,K = tekanan stagnasi di sisi keluar pstg,M = tekanan stagnasi di sisi masuk
Subscribt: s = isentropik Efisiensi internal, adalah efisiensi dengan hanya memperhitungkan energi termal, adalah: Efisiensi internal turbin didefinisikan sebagai : Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-39
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Untuk Turbin:
ηint =
Energi yang diberikan fluida kerja ke rotor Energi turbin tanpa rugi - rugi
Untuk Kompresor:
ηint =
Energi fluida yang dihasilkan tanpa rugi - rugi Energi yang diberikan rotor ke fluida kerja
Sebagai contoh, pada kompresor gambar di bawah:
ηint, M − K =
m& − m& loss ∆hs ,M − K ⋅ m& ∆eM − K δ
p stg,K
2
CK 2
CK
M
K 1
eK
2 K
C 2
h CM
pK
pN
δ
∆e M-K N
p stg,M
∆h s,M-K
pM p1
2
CM 2 1
2
C1 2
s Abb 1.5.7
Gambar 5.54 Kompresor aksial
Gambar 5.55 Diagram h – s kompresor
Selanjutnya, bila pada sisi masuk dan keluar kompresor kecepatan fluida tidak dapat diabaikan, energi kinetik harus diperhitungkan. Maka:
ηint, M − K =
∆es ,M − K ∆e M − K
Pada proses ekspansi, gambar berikut menunjukkan diagram h – s :
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-40
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
M
PM P 1
∆hM-K
h
∆ hs,M-K K C N2 2
s
PK
Gambar 5.56 Diagram h-s turbin uap. Pada gambar di atas, seksi M-1 adalah nosel. Dalam gambar, seperti ditunjukkan pada gambar, proses ekspansi pada nosel adalah proses entalpi konstan M-1. Efisiensi internal turbin uap adalah: ∆hM − K ηi , M − K = ∆hs ,M − K m'sK
msK1 msK - m'sK 1
N
N'
N1
m sK2
N'1 CM PM , TM M
CK
K PK , TK
Abb 1.5.2
Gambar 5.57 Skema turbin dengan sistem injeksi tengah dan injeksi penyekat
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-41
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
p stg,M eM
pM p1
M
eM
2 1
hM
C 2
h1 1
h
∆eM-K
2
C N1 2
∆es,M-K
h'1 h N1
N'1 N'
2
CK 2
pK
2
CN 2
N p'N
K* K
N'
s Abb 1.5.4
Gambar 5.58 Diagram ekspansi turbin pada Gambar 5.57.
C M2 2
h
1
p1
∆e 1-N1
∆ es,1-N
∆h1-N1
1
∆ hs,1-N
1
C N2 2
PN
N
s
Abb 1.5.3
Gambar 5.59 Diagram h – s pada ekspansi turbin bertingkat.
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-42
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Turbin Uap Dengan Ekstraksi: M 0 1
m
4
3
2
m
1
2
m
3
m
4
CN
K meks 1
meks 2
meks 3
Abb 1.6.1
Gambar 5.60 Turbin uap dengan 3 ekstraksi. 2
CM 2 Pstg,M pM
C 12 2
∆hs1
∆e 1 C 22 2
h
∆e 2
∆hs2
p2
∆e 3
∆hs3
p3
∆e 4
∆hs,M-K
∆hs4
∆e M-K
2
p4
pK
CN 2
s Abb 1.6.2
Gambar 5.61 Diagram h-s untuk turbin uap dengan 3 ekstraksi.
Notasi : m& i = laju massa per satuan waktu pada seksi i (i = 1, 2, 3, ..... , n). m& α 2 = laju massa uap pada jalur ekstraksi ke 1 m& α 3 = laju massa uap pada jalur ekstraksi ke 2 m& α 4 = laju massa uap pada jalur ekstraksi ke 3 Efisiensi dalam energetik :
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
5-43
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP n
ηie =
∑ m& ∆e
i =0 n
∑ m& i =0
i
s ,i
i
∆es ,i
∆ei dan ∆hs,i ditunjukkan pada Gambar 5.61 di atas. Bila seluruh massa uap yang masuk ke turbin m& dapat dibagi menurut: m& m& γi ≡ i dan γ s ,i ≡ s ,i m& m& Maka berlaku: n
ηi ,e =
∑ γ ∆e
i =0 n
∑γ i =0
i
s ,i
i
∆es ,i
Bila jumlah kerja teoritik internal turbin dan kerja teoritik dari uap ekstraksi dituliskan sebagai: n
n
i =0
i =1
∑ γ i ∆ei + ∑ µi ∆es, eks i , maka: n
ηi ,thermodina mik =
Mke2 Turbin Uap/ Hen 0808
n
∑ γ i ∆ei +∑ µi ∆es, eks i i =0
i =1
∆es ,M − K
5-44
BAB V TURBIN UAP
5.11
GAMBAR-GAMBAR
(Fig5-25tu)
Gambar 5.62 Contoh potongan instalasi turbin 4 silinder 4 poros serie.
Mke2 Turbin Uap 1 101106/ Hen
5-45
MKE 2 BAB 5 TURBIN UAP
Gambar 5.63 Turbin impuls dua tingkat
Gambar 5.64 Turbin uap 7 MW
Gambar 5.65 Turbin uap 7 MW
Mke2 Turbin Uap /Hen 0808
5-46