Boiler Dan Turbin Uap

BAB IV BOILER / KETEL UAP

Tujuan Pembelajaran Umum 1. Menjelaskan prinsip kerja, konstruksi dasar, aplikasi dan kinerja boiler / ketel uap Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Menjelaskan prinsip kerja dan konstruksi dasar boiler / ketel uap 2. Menjelaskan macam-macam, aplikasi dan pengembangan ketel uap 3.

Menjelaskan cara menganalisa performa / kinerja ketel uap

4.1 Prinsip Kerja dan Konstruksi Dasar Ketel Uap Boiler atau ketel uap berfungai merubah energi kimia bahan bakar menjadi energi uap. Boiler merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui system pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Gambaran umum instalasi boiler dapat dilihat pada Gambar 4.1. Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: (1) Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.

DASAR MESIN KALOR DAN FLUIDA

!

Gambar IV.1 IV. Diagram Instalasi Ketel Uap (boiler)

Gambar IV.2 IV. Konstruksi Ketel Uap (boiler)


30

4.2 Macam-Macam Ketel Uap Klasifikasi ketel uap berdasarkan fungsinya: • Ketel untuk industri proses:kimia, pupuk, kertas/pulp, tekstil, makanan & obat-obatan, industri perkebunan (gula, kopi, teh,coklat), industri rumah tangga, dll. • Ketel untuk pembangkit : PLTU • Ketel untuk industri jasa : hotel, rumah sakit Klasifikasi ketel uap berdasarkan tekanan kerjanya: • Ketel tekanan rendah (P < 20 bar) • Ketel tekanan sedang, (20 bar < P < 50 bar) • Ketel tekanan tinggi (50 bar < P < 200 bar) • Ketel tekanan sangat tinggi, (P > 200 bar) Klasifikasi ketel uap berdasarkan produksi uapnya: • Ketel produksi kecil (m < 10 ton/jam) • Ketel produksi sedang, (10 < m < 50 ton/jam) • Ketel produksi besar, (50 < m < 500 ton/jam) • Ketel produksi sangat besar (m > 500 ton/jam) Klasifikasi ketel uap menurut konstruksinya: • Ketel uap pipa api (fire tube boiler, FT boiler) • Ketel uap pipa air (water tube boiler, WT boiler) • Ketel uap Untuk kepentingan komersial umumnya ketel uap dirancang dan dibuat dalam bentuk paket. Disebut paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi. Ciri-ciri dari packaged boilers adalah: • Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat. • Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik. 4.2.1 Ketel Uap Pipa Api (Fire Tube Boiler) Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube


31

boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.

Gambar IV.3 Prinsip kerja ketel uap pipa api

Gambar IV.4 Konstruksi paket ketel uap pipa api

4.2.2 Ketel Uap Pipa Air (Water Tube Boiler) Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalirmelalui pipapipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan ater tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum gas. Untuk water dirancang secara paket.


32

Gambar IV.5 Prinsip kerja ketel uap pipa air

Karakteristik water tube boilers sebagai berikut: • Forced, induced dan balanced draft membantu • untuk meningkatkan efisiensi pembakaran • Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air. • Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.

Gambar IV.6 Konstruksi paket ketel uap pipa air


33

4.2.3 Ketel Uap dengan Fluidized Bed Combustion (FBC) Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibandingkan sistim pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan, antara lain rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang tolakan dari tempat pencucian pakaian, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas yang luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam. Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan keatas melalui bed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel tidak akan terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam aliran udara – bed tersebut disebut “terfluidisasikan”. Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida “bed gelembung fluida/bubbling fluidized bed”. Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan cepat dan bed mencapai suhu yang seragam. Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada suhu sekitar 840OC hingga 950OC. Karena suhu ini jauh berada dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan yang terkait didalamnya dapat dihindari. Suhu pembakaran yang lebih rendah tercapai disebabkan tingginya koefisien perpindahan panas sebagai akibat pencampuran cepat dalam fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai diantara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini menjamin operasi bed yang stabil dan menghindari terbawanya partikel dalam jalur gas.

4.2.3.1 Ketel Uap dengan Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler konvensional biasa yangditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistim seperti telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/ boiler pipa air konvensional. Batubara dihancurkan menjadi ukuran 1 – 10 mm tergantung pada tingkatan batubara dan jenis pengumpan udara ke ruang pembakaran. Udara atmosfir, yang bertindak sebagai udara fluidisasi dan pembakaran, dimasukkan dengan tekanan, setelah diberi pemanasan awal oleh gas buang bahan bakar. Pipa dalam bed yang membawa air pada umumnya bertindak sebagai evaporator. Produk gas hasil pembakaran melewati bagian super heater dari boiler lalu mengalir ke economizer, ke pengumpul debu dan pemanas awal udara sebelum dibuang ke atmosfir. DASAR MESIN KALOR DAN FLUIDA

34

4.2.3.2 Ketel Uap dengan Atmospheric Circulation Fluidized Bed Combustion (CFBC) Dalam sistim sirkulasi, parameter bed dijaga untuk membentuk padatan melayang dari bed. Padatan diangkat pada fase yang relatif terlarut dalam pengangkat padatan, dan sebuah down-comer dengan sebuah siklon merupakan aliran sirkulasi padatan.Tidak terdapat pipa pembangkit steam yang terletak dalam bed. Pembangkitan dan pemanasan berlebih steam berlangsung di bagian konveksi, dinding air, pada keluaran pengangkat/ riser. Boiler CFBC pada umumnya lebih ekonomis daripada boiler AFBC, untuk penerapannya di industri memerlukan lebih dari 75 – 100 T/jam steam. Untuk unit yang besar, semakin tinggi karakteristik tungku boiler CFBC akan memberikan penggunaan ruang yang semakin baik, partikel bahan bakar lebih besar, waktu tinggal bahan penyerap untuk pembakaran yang efisien dan penangkapan SO2 yang semakin besar pula, dan semakin mudah penerapan teknik pembakaran untuk pengendalian NOx daripada pembangkit steam AFBC.

Gambar IV.7 Konstruksi ketel uap dengan CFBC


35

Gambar IV.8 Konstruksi ketel uap pipa air dengan FBC

4.2.3.3 Ketel Uap dengan Pressurizec Fluidized Bed Combustion (PFBC) Pada tipe Pressurized Fluidized bed Combustion (PFBC), sebuah kompresor memasok udara Forced Draft (FD), dan pembakarnya merupakan tangki bertekanan. Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas. Hal ini akan meningkatkan efisiensi pembakaran dan peyerapan sulfur dioksida dalam bed. Steam dihasilkan didalam dua ikatan pipa, satu di bed dan satunya lagi berada diatasnya. Gas panas dari cerobong menggerakan turbin gas pembangkit tenaga. Sistim PFBC dapat digunakan untuk pembangkitan kogenerasi (steam dan listrik) atau pembangkit tenaga dengan siklus gabungan/ combined cycle. Operasi combined cycle (turbin gas & turbin uap) meningkatkan efisiensi konversi keseluruhan sebesar 5 hingga 8 persen.


36

4.3 Kinerja Ketel Uap Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio penguapan, dapat berkurang disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukaan penukar panas dan buruknya operasi dan pemeliharaan. Bahkan untuk boiler yang baru ssekalipun, alasan seperti buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat membantu dalam mengidentifikasi kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi efisiensi boiler dapat membantu boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan.

4.3.1 Neraca Panas Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masingmasing. Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar 4.9 memberikan gambaran berbagai kehilangan energi yang terjadi untuk pembangkitan steam.

Gambar IV.9 Diagram neraca energi pada ketel uap

Kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak atau dapat dihindarkan. Tujuan dari Produksi Bersih dan/atau pengkajian energi harus mengurangi kehilangan yang dapat dihindari dihindari sehingga dapat meningkatkan efisiensi energi. Kehilangan berikut dapat dihindari atau dikurangi: • Kehilangan gas cerobong: - Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan). DASAR MESIN KALOR DAN FLUIDA

37

Suhu uhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan), beban; burner yang lebih baik dan teknologi boiler). Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang lebih baik). Kehilangan dari blowdown (pengolahan air umpan segar, daur ulang kondensat). Kehilangan kondensat (manfaatkan sebanyak mungkin kondensat) Kehilangan konveksi dan radiasi (dikurangi dengan isolasi boiler yang lebih baik). -

•

• • •

Gambar IV.10 Contoh neraca energi pada ketel uap berbahan bakar batubara

4.3.2 Efisiensi Boiler “ perbandingan antara energi uap Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai “perbandingan yang dihasilkan dengan energi bahan bakar yang dihabiskan”. Efisiensi (η) dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus:

!

!

" #$$% ! & &

'

( '

(

x 100%

x 100%

Parameter yang dipantau untuk perhitungan perhitungan efisiensi boiler adalah: • Jumlah steam yang dihasilkan per jam (& ( ) dalam kg/detik • Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (& ( kg/detik..


) dalam

38

•

•

Tekanan kerja (dalam Pa(g)), suhu uap panas (oC) dan Suhu air umpan (oC) untuk memperoleh nilai Entalpi steam jenuh dalam kJ/kg (hg) dan Entalpi air umpan dalam kJ/kg. Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar atau Low Heated Value (LHV) dalam kJ/kg.

Contoh Soal : Cari efisiensi boiler jika diketahui data sebagai berikut : • Jenis boiler Berbahan bakar batubara • Jumlah steam (kering) yang dihasilkan: 10 Ton/Jam • Tekanan steam (gauge) 10 bar(g), suhu 180oC (hg 2800 kJ/kg) • Jumlah pemakaian batubara: 2,25 TPJ • Suhu air umpan : 85oC (hf = 360 kJ/kg) • LHV batubara: 13.500 kJ/kg (Jawaban : 80,3 %)


39

BAB V PEMBANGKIT TENAGA UAP

Tujuan Pembelajaran Umum 1. Menjelaskan prinsip kerja, konstruksi dasar, aplikasi dan kinerja boiler / ketel uap Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Menjelaskan prinsip kerja dan konstruksi dasar pembangkit tenaga turbin uap 2. Menjelaskan cara menganalisa performa / kinerja pembangkit tenaga turbin uap 3. Menjelaskan aplikasi dan pengembangan pembangkit tenaga uap

5.1 Sejarah Turbin Uap Ide awal turbin uap ada sejak Hero pada tahun 62 masehi, namun masih berbentuk mainan dan belum menghasilkan daya poros. Giovan Branca pernah memperkenalkan rancangan turbin impuls tahun 1629 tetapi tidak pernah dibuat. Turbin yang pertama dibuat oleh William Avery (Amerika Serikat) pada tahun 1831 untuk menggerakkan mesin gergaji. Turbin Uap modern pertama kali dibuat oleh Charles Parsons (Inggris) pada tahun 1884, jenis turbin reaksi, turbin aksial, bertingkat dan menghasilkan daya poros 10hp pada 18.000 rpm. Selanjutnya dia berhasill membuat turbin radial aliran keluar pada tahun 1897 yang dapat menghasilkan 2000hp pada 2000 rpm, digunakan untuk propulsi kapal laut. Selanjutnya Charles G. Curtis mengembangkan turbin impuls kecepatan bertingkat pada tahun 1896; juga Carl Gustav Patrik de Laval pada tahun 1897 membuat turbin impuls dengan putaran 30.000 rpm. Sedangkan di Perancis, Auguste Rateau membuat turbin impuls aksial tekanan bertingkat pada tahun 1900. Kemudian tahun 1912 Berger Ljungstrom (Swedia) memperkenalkan turbin radial-aliran keluar, bertingkat dan putaran berlawanan. Turbin uap industri dengan daya besar baru dapat diproduksi setelah tahun 1958. Saat itu telah dapat dibuat turbin uap dengan daya poros efektif lebih dari 500 MW, hal ini terjadi karena kemajuan teknologi material turbin yang pesat.

5.2 Prinsip Kerja dan Komponen Utama Pembangkit Tenaga Turbin Uap Sistem tersebut terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu : pompa air boiler, ketel uap (boiler), turbin uap yang menghasilkan daya poros, dan kondensor. Skema sebuah turbin uap untuk pembangkit listrik dapat dilihat pada Gambar DASAR MESIN KALOR DAN FLUIDA

"#

5.1. Jadi turbin hanyalah merupakan salah satu komponen dari suatu sistem tenaga uap. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja turbin dihasilkan oleh ketel uap (boiler), sebuah alat yang berfungsi mengubah air menjadi uap.

Gambar V.1 Komponen utama pembangkit tenaga uap sederhana untuk aplikasi pembangkit listrik (PLTU)

5.2.1 Pompa Pompa merupakan komponen yang berfungsi mengalirkan dan menaikkan kanan air yang keluar dari kondensor agar masuk kedalam boiler dalam tekanan tekanan tinggi. Pompa merubah kerja mekanis menjadi energi fluida (tekanan dan debit aliran), sehingga membutuhkan energi dari luar untuk mengoperasikannya. Penjelasan lebih rinci tentang pompa akan dibahas pada Bab VII.

5.2.2 Ketel Uap (Boiler) Boiler (ketel uap) merupakan komponen yang berfungsi merubah air menjadi uap dengan memanfaatkan energi panas yang berasal dari hasil pembakaran bahan bakar yang dapat berupa gas (LNG, LPG), cair (Solar, minyak tanah), maupun padat (Batu bara, kayu, sekam,dll). Penjelasan lebih rinci tentang boiler dapat dilihat kembali Bab IV. Air bertekanan tinggi dipompa masuk kedalam boiler dan kemudian dipanaskan hingga berubah fasa menjadi uap. Untuk industri proses umumnya uap tersebut bisa langsung dimanfaatkan, namun untuk aplikasi pembangkit turbin uap tersebut akan di panaskan lanjut hingga mencapai uap sempurna dalam kondisi superheated. DASAR MESIN KALOR DAN FLUIDA

41

5.2.3 Turbin Uap boiler selanjutnya akan masuk Uap panas bertekanan tinggi yang dihasilkan oleh boiler ke komponen turbin. Turbin merupakan komponen yang merubah energi panas dan tekanan uap menjadi energi mekanis berupa daya poros. Turbin uap dapat reaksi merupakan turbin impuls atau turbin reaksi.

5.2.3.1 Turbin Impuls Turbin impuls atau disebut diseb juga turbin aksi adalah turbin dimana proses ekspansi (penurunan tekanan) fluida kerjanya hanya terjadi didalam baris sudu tetap (stator) saja. Sedangkan turbin reaksi adalah turbin dimana proses ekspansi fluida kerjanya terjadi baik didalam baris sudu tetap (stator) maupun baris sudu geraknya (rotor). Turbin impuls dapat merupakan turbin impuls sederhana (bertingkat tunggal) seperti diperlihatkan pada Gambar 5.2 atau turbin impuls kecepatan bertingkat au turbin impuls tekanan (turbin curtis) seperti diperlihatkan Gambar 5.3 atau bertingkat (turbin Rateau) seperti diperlihatkan Gambar 5.4. Satu tingkat turbin terdiri dari satu baris sudu tetap (stator) yang berbentuk nosel dan satu baris sudu gerak (rotor) yang akan merubah energi uap menjadi energi mekanis upa daya poros. berupa

Gambar V.2 Turbin impuls sederhana (satu tingkat)

Kecepatan uap naik karena nosel adalah alat yang berfungsi menaikkan kecepatan uap. Setelah itu uap mengalir kedalam barissudu barissudu gerak pada tekanan konstan, tetapi kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja memutarkan roda turbin. Uap yang keluar dari turbin masih berkecepatan tinggi, jadi masih mengandung energi. Untuk mencegah kerugian DASAR MESIN KALOR DAN FLUIDA

42

energi yang g terlalu besar adalah dengan mengekspansikan uap secara bertahap didalam turbin yang bertingkat ganda atau lebih, sehingga energi fluida kerja yang tidak terserap oleh suatu baris sudu gerak masih dapat diserap oleh baris sudu pada tingkat berikutnya. Gambar 5.3 melukiskan perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalam turbin impuls kecepatan bertingkat. Dalam hal tersebut, uap hanya diekspansikan didalam nosel (baris sudu tetap yang pertama) dan selanjutnya tekanan konstan. Namun demikian, turbin turbin ini masih termasuk dalam golongan turbin impuls karena didalam baris sudu gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan).

!"!#$%&$%'( )'*'"!+$%$% ,'*'+!-!.$"$%'$/0123" 4'*'+!-!.$"$%'#!2$"56

Gambar V.3 Karakteristik turbin urbin impuls kecepatan bertingkat / turbin Curtis (tiga tingkat)

Meskipun tekanan uap didalam sudu gerak konstan, kecepatan absolut turun karena sebagian dari energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin turbin. Kecepatan uap didalam baris sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan. Hal tersebut disebabkan sudu tetap dibuat sedemikian rupa sehingga tidak terjadi ekspansi. Pada turbin impuls tekanan bertingkat, bertingkat, seperti diperlihatkan Gambar 5.4, terlihat bahwa tekanan uap turun secara bertahap didalam baris sudu tetap saja, sedang didalam baris sudu gerak tidak terjadi penurunan tekanan, sehingga masuk dalam kategori turbin impuls. Semua baris sudu tetap berfungsi sebagai nosel, jadi disini kecepatann uap naik karena tekanan turun. Dengan mengekspansi uap kan bekerja dengan kecepatan absolut uap yang secara bertahap, maka turbin akan tidak terlampau besar, sehingga kerugian gesek pada sudu turbin akan berkurang sehingga memperpanjang umur komponen turbin tersebut. DASAR MESIN KALOR DAN FLUIDA

43

Gambar V.4 Karakteristik turbin urbin impuls tekanan bertingkat / turbin Rateau (empat tingkat)

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat pula terdiri dari kombinasi baris sudu impuls kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat seperti terlihat pada Gambar 5.5.. Hal tersebut ditujukan untuk memperoleh segi yang menguntungkan dari tersebut, salah satu alasannya adalah untuk mendapatkan unit kedua jenis turbin tersebut, yang lebih kompak dan murah. Selain itu, baris sudu Curtis dipasang dipasang didepan baris sudu Rateau supaya tekanan uap dapat segera diturunkan pada dan rotor terhadap tekanan dan tingkat pertama, untuk melindungi rumah turbin dan temperatur tinggi.

Gambar V.5 5 Karakteristik turbin impuls kombinasi kecepatan bertingkat (2 tingkat) dan turbin tekanan bertingkat (3 tingkat)


44

5.2.3.2 Turbin Reaksi Didalam turbin reaksi, proses ekspansi (penurunan tekanan) terjadi baik didalam gerak, seperti diperlihatkan oleh Gambar 5.6 baris sudu tetap maupun sudu gerak, 5.6. Turbin reaksi juga dikenal dengan nama turbin Parsons sesuai dengan nama pembuatnya yang pertama, yaitu Sir Charles Parsons. Turbin impuls cocok untuk turbin dengan aplikasi tekanan tinggi sedangkan turbin reaksi cocok untuk turbin dengan aplikasi tekanan yang relatif rendah. Pada beberapa turbin bertekanan tinggi mengkombinasikan turbin impuls dan turbin reaksi reaksi. Turbin impuls diletakkan dibagian depan karena tekanan masih tinggi dan turbin reaksi diletakkan setelah turbin impuls karena tekanan sudah diturunkan di turbin sebelumnya, seperti diperlihatkan oleh Gambar 5.7. impuls pada tahap sebelumnya,

Gambar V.6 Karakteristik turbin reaksi

Gambar V.7 .7 Karakteristik turbin kombinasi impuls (turbin Curtis) dan turbin reaksi (turbin Parson)


45

5.2.3.3 Konstruksi Turbin Uap Turbin uap termasuk kedalam mesin rotasi (rotating equipment) yang berputar dengan kecepatan tinggi sehingga memiliki konstruksi yang kompleks seperti diperlihatkan Gambar 5.8.

Gambar V.8 Contoh konstruksi turbin uap

1. Penggerak pompa oli utama dan regulator. 2. Bantalan tekan dan bantalan dukung rotor turbin 3. Tabung paking poros 4. Kelompok turbin tekanan tinggi : turbin curtis 2 tingkat 5. Kelompok turbin tekanan menengah : 11 tingkat 6. Kelompok turbin tekanan rendah : 4 tingkat 7. Saluran uap tekanan tinggi untuk labirinth seal 8. Tabung paking turbin tingkat tekanan rendah 9. Bantalan dukung penghantar 10. Kopling turbin uap dan generator 11. Bantalan dukung generator 20. Regulator. 21. Rumah bantalan ong uap tabung paking bagian tekanan tinggi 22. Cerobong 23. Katup pengatur laju aliran massa uap 24. Rumah katup 25. Rumah turbin tekanan tinggi 26. Pelat pembungkus 27. Cerobong uap tabung paking tingkat tekanan rendah 28. Saluran uap bekas 29. Rumah bantalan 30. Generator DASAR MESIN KALOR DAN FLUIDA

46

5.2.4 Kondensor Kondensor or merupakan komponen yang berfungsi mengembalikan wujud uap yang keluar dari turbin agar kembali ke wujud cair sehingga dapat dinaikkan tekanannya oleh pompa. Kondensor merupakan Heat Exchanger atau penukar dengan cara menyerap panas uap kalor yang akan merubah fasa uap menjadi cair dengan mengunakan sirkulasi air dingin seperti diperlihatkan Gambar 5.9.

Gambar V.9 Prinsip kerja penukar kalor

Fluida panas akan melepaskan kalor dan diserap oleh fluida dingin dan membawa panas / kalor keluar sistem. Untuk Kondensor dengan ukuran besar umumnya dilengkapi dengan menara pendingin (cooling (cooling tower) agar proses penyerapan panas bisa lebih efektif.

5.3 Kinerja Pembangkit Tenaga Uap Analisa kinerja pembangkit tenaga uap dapat didekati dengan analisa siklus Rankine. Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa komponen utama sebuah pembangkit tenaga uap adalah pompa, boiler, turbin uap dan kondensor dengan Prinsip kerjanya adalah susunan instalasi seperti terlihat pada Gambar 5.10. Prinsip boiler/ketel pompa menaikkan tekanan air dan mengalirkannya masuk kedalam boiler/k uap. Didalam ketel uap, dengan memanfaatkan panas hasil pembakaran bahan bakar, air diubah fasanya dari cair menjadi uap dan dipanaskan lanjut menjadi uap superpanas/superheated s/superheated. Uap superheated masuk kedalam turbin uap untuk dikonversi menjadi daya poros. Uap sisa keluaran turbin akan diubah kembali fasanya menjadi cair oleh kondensor dengan menyerap panas uap menggunakan ( berupa alat penukar kalor (heat exchanger). Urutan proses yang terjadi pada G pembangkit tenaga uap dapat dilihat pada Gambar 5.11.


47

Gambar V.10 Diagram instalasi pembangkit tenaga uap sederhana

Gambar V.11 Diagram proses pembangkit tenaga Siklus Rankine ideal

Gambar V.12 Siklus Rankine Irreversibile


48

Daya Pompa Daya Pompa Ideal (wPs) = h2s – h1 = p2v2 – p1v1 = v (p2 - p1) [kJ/kg] Daya Pompa Aktual (wPa) = h2a – h1 = WPa =

. wPa =

[kJ/kg] (h2a – h1) [kW]

Kalor Masuk ke Boiler Merupakan kalor hasil pembakaran bahan bakar yang masuk kedalam system boiler. qin = h3 – h2 [kJ/kg] Qin =

(h3 – h2) [kW]

Daya Turbin Daya Turbin Ideal (wTs) = h3 – h4s [kJ/kg] Daya Turbin Aktual (wTa) = h3 – h4a = ηT (h3 – h4s) [kJ/kg] WTa = η . wPa = η (h3 – h4a) [kW] Daya Netto Merupakan daya termal netto (bersih) yang dapat dibangkitkan oleh suatu pembangkit tenaga uap. Daya netto

(wnet) = wT – wP [kJ/kg] Wnet = η (wT – wP) [kW]

Efisiensi Siklus Efisiensi termal siklus ηSiklus

=

!

Contoh Soal : 1. Sebuah Pembangkit Tenaga Turbin Uap sederhana mempunyai data-data sebagai berikut : Air masuk ke pompa pada 90kPa, 40 C Air keluar pompa dan masuk ke boiler pada 30 bar, 50 C Uap keluar bolier pada 30 bar, 350 C Uap keluar turbin pada 100kPa, 100 C Efisiensi pompa dan turbin adalah 80% dan 85% Laju aliran massa uap adalah 20 ton/jam


49

Berdasarkan data diatas: a. Buatlah diagram instalasi dan diagram proses (T-s) b. Hitung Daya Pompa aktual (WPa) c. Hitung Kalor yang dibutuhkan boiler (qin) d. Hitung Daya Turbin Aktual (WTa) e. Hitung Wnet f. Hitung Efisiensi siklus g. Hitung Daya yang dapat dibangkitkan dalam satuan kW 2. Sebuah PLTU menggunakan siklus Ramkine sederhana dirancang dapat menghasilkan daya output 200MW. Jika efisiensi PLTU tersebut adalah 40%, hitunglah laju aliran kebutuhan bahan bakar jika menggunakan batubara dengan nilai kalor 35.000 kJ/kg.


50

Boiler Dan Turbin Uap

Recommend Documents