PENYEDIAAN ENERGI TURBIN UAP
1
TURBIN UAP Sistem turbin uap merupakan salah satu jenis mesin panas yang mengkonversi sebagian panas yang diterimanya menjadi kerja. Sebagian panas lainnya dibuang ke lingkungan dengan temperatur yang lebih rendah.
2
Dasar Termodinamika Sistem turbin uap didasari Siklus Rankine Siklus Rankine • Penyerapan panas isobarik (1-2) • Ekspansi adiabatik (2-)
•
Pembuangan panas isobarik (-!)
•
"ompresi isentropik (!-1)
3
Dasar Termodinamika Sistem turbin uap didasari Siklus Rankine
Efisiensi siklus Rankine < efisiensi siklus Carnot (pada rentang temperatur kerja kedua siklus sama) bandingkan luas bidang 1-b-2-3-4-1 (untuk siklus Rankine) terhadap luas bidang 1-ab-2-3-4-1 (untuk siklus Carnot)
4
Menaikkan Efisiensi 1) menaikkan tekanan uap masuk turbin 2) menaikkan suhu uap masuk turbin ) menurunkan tekanan kondensor !) pemanasan uap keluar turbin #) pemanasan a$al air umpan boiler
5
SA! %entukan e&isiensi sebuah sistem turbin uap dgn kondisi aliran sebagai berikut' ap masuk turbin ' saturated steam P2 2*** kPa ap masuk kondensor ' P +,# kPa. ir keluar kondensor ' air jenuh P! +,# kPa ir masuk boiler' P1 2*** kPa
6
"a#ab
7
"a#ab (anjutan/)
8
"a#ab (anjutan/)
9
"a#ab (anjutan/)
10
"a#ab (anjutan/)
11
PER$ATI%AN 0ari ontoh soal di atas, beberapa hal perlu mendapat perhatian' a. "erja pompa relati& sangat keil dibandingkan terhadap kerja hasil ekspansi di turbin ($p $) b. 3p sering diabaikan, sehingga entalpi air sebelum dan sesudah pompa dianggap sama
.
E&isiensi siklus dipengaruhi oleh kondisi uap di titik masuk turbin dan kondisi uap keluar turbin d. 4umlah airan dalam uap keluar turbin tergantung spesi&ikasi turbin masing-masing
12
%urbin ap
MENAI%%AN %ESANG%I!AN
13
Efek Kenaikan Temperatur Uap thd Efisiensi Siklus
14
Kondisi masuk turbin ∼ superheated steam: T3a = 500 °C (Td2000kPa = T3 = 212,4 P3a = 2000 kPa h3a = 3467,6 k!k" s3a (1)
°C)
= 7,4317 k!(k"#K)
kondisi 4a: P4a = 7,5 kPa s4a = s3a = 7,4317 k!(k"#K)
($ihat %ontoh s&b&$umn'a) (&ksansi is&ntroik)
a)# %air &nuh: s*a = 0,5764 k!(k"#K)+ h*a = 16,7- k!k" b)# ua &nuh: s.a = ,2515 k!(k"#K)+ h.a = 2574, k!k" /a = (s4a s.a)!(s*a s.a) = 0,106 (kandungan air) h4a = /a#h*a (1 /a)#h.a = 2317, k!k" 15
(2) kondisi 1 dan 2 sama d&n"an %ontoh s&b&$umn'a (3) = h 4a h3a = 2317, 3467,6 = 114-, k!k" ( = 2 k!k" (%ontoh s&b&$umn'a) in = h3a h2 = 3467,6 170,7- = 32-6, k!k"
= 34,
(4) K&simu$an dasar T&m# masuk turbin, oC K&ra n&tto, k!k" Panas masuk, k!k" isi&nsi sik$us,
212,4 21,6 262,71 31,3
k&naikan t&m# 500 1147, 32-6, 34,
s&$isih () 3-,7 25,4 11,2
16
Efek Kenaikan Tekanan Uap thd Efisiensi Siklus
17
Kondisi masuk turbin ∼ superheated steam: T38 = 500 °C P38 = 3000 kPa h38 = 3456,5 k!k" s38 = 7,233 k!(k"#K) (1) Kondisi 49: P49 = 7,5 kP (dik&tahui) s49 = s39 = 7,233 k!(k"#K) (&ksansi is&ntroik) a)# %air &nuh: s*9 = 0,5764 k!(k"#K)+ h*9 = 16,7- k!k" b)# ua &nuh: s.9 = ,2515 k!(k"#K)+ h.9 = 2574, k!k" /9 = (s49 s.9)!(s*9 s.9) = 0,1326 (kandun"an air) h49 = /9#h*9 (1 /9)#h.9 = 2255, k!k" 18
(2) = h49 h39 = 2255, 3456,5 = 1200,7 k!k" = 1,00#103 # (3000 7,5) = 3,01 k!k" h29 = h1 = 16,7- 3,01 = 171, k!k" in = h39 h29 = 3456,5 171, = 324,7 k!k"
= 36,5
3) K&simu$an dasar T&m# masuk turbin, oC T&kanan masuk turbin, kPa K&ra n&tto, k!k" Panas masuk, k!k" isi&nsi sik$us,
212,4 2000 21,6 262,7 31,3
k&naikan t&m# 500 2000 1147, 32-6, 34,
k&naikan T dan P 500 3000 11-7,7 324,7 36,5
19
Pemanasan Awal Air Umpan Boiler
20
Pemanasan Awal Air Umpan Boiler Contoh
Kondisi-kondisi aliran yang diketahui (angka bold-italic = hasil hitungan): 1 2 3 4 5 6 sat. steam
P, kPa !, " h, k#$kg s, k#$(kg'K) , $kg °
2 212,42 27%%,5 6,34%
7
sat. water
4
7,5
7,5
4
4
2507,3
1975,9
16&,7%
6%,%
6,34%
6,34% 1,&
1,&6
2
21
Kondisi-kondisi aliran yang diketahui (angka bold-italic = hasil hitungan): 1 2 3 4 5 6 sat. steam
P, kPa !, " h, k#$kg s, k#$(kg'K) , $kg °
2 212,42 27%%,5 6,34%
.asis hitun"an: m =1 1 k"
7 sat. water
4
7,5
7,5
2507,3
1975,9
16&,7%
6%,%
6,34%
6,34% 1,&
1,&6
(m
1
4
4
2
= m 6 = m 7 = m 2 m 3)
(1) h5 = h4 4 #(P5 P4) = 16,7- 1,00/103#(400 7,5) = 16,7- 0,3-5 = 16-,1- k!k" (2) n&ra%a &nta$i contact heater: m6#h6 = m2#h2 m5#h5 60-,- = m2# 2507,3 (1 m 2)#16-,1⇒ m2 = 0,1 k" (3) h7 = h6 6 #(P7 P6) = 60-,- 1,06#103#(2000 400) = 611,6 k!k" (4) = m1#(h2 h1) (m1 m2)#(h3 h2) (hasi$ &ksansi di turbin) = (2507,3 27--,5) (1 0,1)#(1-75,- 2507,3) = 723,7 k!(k" m1)
22
5)= -723,7 *net k#$kg (6) /in = h1 - h7 = 27%%,5 0 611,6 = 21&7,% k#$kg (7) eisiensi siklus =723,7 $ 21&7,%= 33
(ker+a 2 oa dia.aikan)
k&naikan t&m(# Kesimpulan !e' asuk tur.in,o" !ek' asuk tur.in, kPa !e' asuk .oiler,o" Ker+a netto, k#$kg Panas asuk, k#$kg isiensi siklus,
siklus dasar 212,4 2 sub-cooled water &21,6 262&,71 31,3
asuk .oiler 212,4 2 212,4 (sat.water) 723,7 21&7,% 33,0
23
T;<.> ;*P
JENIS TURBIN
24
! Ekspansi dalam Tur"in Turbin m&ruakan sa$ah satu ba"ian da$am sik$us
@ @
steam $&at nos&$, s&hin""a t&radi &nurunan t&kanan dan k&naikan k&%&atan mom&ntum steam k&$uar nos&$ di"unakan untuk m&n""&rakkan suduturbin#
25
Kelompok atas dasar tahapan ekspansi a' turbin impuls: steam hanya engalai eksansi ketika le*at nosel dan tidak ada sudu-gerak'
26
b.
turbin reaksi: steam
diekspansikan bertahap ketika lewat nosel dan sudu-gerak
27
2) Kelompok Atas Dasar Kondisi Steam Ketika Keluar turbin
a. Back Pressure Turbine • Steam keluar masih bertekanan relatif tinggi • Turbin jenis ini banyak digunakan di pabrik kimia
28
b. Condensing Turbine • Steam keluar = saturated steam atau bahkan sebagian steam telah terkondensasi • Jenis ini banyak digunakan di pembangkit listrik
29
c. •
Extraction (Induction) Turbine
•
Banyak digunakan dalam cogeneration
Gabungan back-pressure dan condensing turbine dalam satu rumah casing
30
TURBIN U!
RUGI-RUGI
31
Rugi-rugi Internal Turbin
Available Work "ntalpi steam yang mungkin dikon#ersi menjadi kerja Stage Work "ntalpi steam yang terkon#ersi nyata menjadi kerja 32
Rugi-rugi di dalam Turbin Satu Tingkat o!!le "e#eat Rugi$rugi ketika steam diekspansikan di nosel se%ara adiabatik tak$re#ersibel dan mengakibatkan kenaikan temperatur steam &relatif terhadap temperatur jika steam diekspansikan isentropik' Blade "e#eat Rugi$rugi gesekan aliran steam ketika le(at sudu$gerak Windage $osses Rugi$rugi gesekan ketika steam meninggalkan sudu$gerak Stage "e#eat Jumlah semua rugi$rugi dalam satu tahap ekspansi 33
Efisiensi Isentropik Turbin Satu Tingkat
dengan h)= entalpi steam masuk h*= entalpi steam keluar &nyata' h*+s = entalpi steam keluar &jika ekspansi isentropik+ s*s = s)
34
Rugi internal turbin banak tingkat
"e#eat %actor 35
Efisiensi isentropik turbin banak tingkat
Efisiensi isentropik tergantung pada berbagai faktor, seperti: kapasitas dan kondisi steam masuk turbin. jenis turbin satu tingkat lima tingkat tujuh tingkat sembilan tingkat
Kapasitas HP "## ### &### ####
Efisiensi % $# "" '" ("
Steam rate kgk!h ,& ',$# ",$# &,"&
disalin dari Perry, "Chem Engr. Handbook", ed. 5
36
Konsumsi Steam Spesifik ,onsumsi Uap -pesifik &s&eci%ic steam rate'. konsumsi steam per satuan (aktu untuk menghasilkan satu satuan daya/ ( = he $ hi 0 = m / &he $ hi' dengan. ( = energi1massa 0 = daya+ k0 atau 2! m = laju massa steam+ kg1jam h = entalpi spesifik steam+ kJ1kg subskrip. i = inlet dan e = e3it ,onsumsi steam.
37
TS" !T#eoretical Steam "ate). Specific steam rate+ jika ekspansi dilaksanakan se%ara isentropik/ T-R = )1 &hi $ he' T-R dapat dinyatakan dalam berbagai satuan. Jika entalpi h dalam kJ1kg+ maka T-R = 45661&hi $ he' kg1k0h Jika entalpi h dalam Btu1lb+ maka T-R = *7871&hi $ he' lb12!h
ASR (Actual Steam "ate) Specific steam rate+ jika ekspansi dilaksanakan se%ara adiabatik tak$ re#ersibel/ -R = T-R 1 η dengan η = efisiensi isentropik 38
"onto# Turbin steam dengan kapasitas * 90 digerakkan dengan superheated steam &!i = *666 k!a+ Ti = 766 °:'/ Steam keluar turbin pada keadaan jenuh &! e = ;+7 k!a'/ "fisiensi isentropik turbin ;6
39
Contoh Turbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated steam (Pi = 2000 kPa, Ti = 500 °C). Steam keluar turbin pada keadaan jenuh (Pe = 7,5 kPa). !isiensi isentr"pik turbin 70#. $itung k"nsu%si steam (&) 'ata ter%"dina%ika steam (dari steam table) Pi = 2000 kPa dan Ti = 500 "C hi = *7,* k+kg dan - i = 7,&7 k+(kg.) (2) Pe = 7,5 kPa dan - e = -i = 7,&7 k+(kg.) ⇒ /a%puran uap dan /air. ap1 -uap = ,25&5 k+(kg.) 3 h uap = 257, k+kg Cair1 -/air = 0,57*2 k+(kg.) 3 h /air = &*,74 k+kg raksi uap1 6 = (7,&70,57*)(,25&50,57*) = 0,4 he = 0,4 8 257, 9 (& 0,4) 8 &*,74 = 2&7,5 k+kg () T-: = *00(*7,* ; 2&7,5,) = ,& kgkWh () <-: = ,&70# = ,7 kgkWh (5) "nsu%si steam1 % = W.<-: = 2000. ,7 = 40 kgja% 40
Contoh Spesifikasi Turbin Uap 1
Shaft Power, kW
2
Spee, rpm
3
Steam $n%et &on$t$ons'
12.5 MW generator
pumpa BFW
kompresor gas proses
12500
1338.3
2557
3000
!200
"5#"
(orma%
(orma%
(orma%
!
Pressure, kg)*m2+
5#.8
17."
5#.8
5
emperature, o&
!!5
31"
!!5
"
F%ow, kg)h
101.305
-
21500
7 8
Steam /tra*t$on &on$t$on' Pressure, kg)*m2+
(orma% !2
(orma% -
(orma% -
#
emperature, o&
10 11 12 13
F%ow, kg)h Steam /haust' Pressure, mmg)as &oo%$ng Water - Sea Water
1!
%%ow. emp. $se, o&
15
o&
1"
Ma/. 4n%et emp.
2 Ma/. Press. rop kg)*m 1.0
-
-
-
#0720
-
-
(orma%
(orma%
(orma%
101."
3.#
3.#
(orma%
(orma%
(orma%
17
1"."
1"."
2#.!
1.0
2#.! 1.0
41
42
Konsumsi Panas Spesifik (Heat Rate) Turbin untuk pr"duksi energi listrik a.
GHR (Gross Heat Rate, k"nsu%si panas spesi!ik brut")1
b.
NHR (Net Heat Rate, k"nsu%si panas spesi!ik nett")1
istrik nett" setelah dikurangi dengan k"nsu%si listrik untuk siste% pe%bangkit listrik 6ang bersangkutan (p"%pa, bl">er, penerangan dll). 43
c.
PNHR (plant net heat rate) 1
eterangan1 (e!. b"iler) = e!isiensi b"iler ?#au8. p">er@ = da6a 6ang diserap "leh internal power plant
44
Konsumsi Panas Spesifik Dipenaruhi !"eh A A A
A A
Penurunan tekanan k"ndens"r akan %enurunkan B$: atau PB$:. Te%peratur uap %asuk turbin %e%pengaruhi heat rate. Pe%anasan a>al udara pe%bakaran ( air preheating) sebelu% %asuk b"iler dapat %engurangi k"nsu%si panas spesi!ik sebesar 2#. Air preheating ini dapat dilakukan dengan %e%an!aatkan panas sensibel gas /er"b"ng. $ilang tekanan (pressure drop) di saluran uap dapat %eningkatkan heat rate. !isiensi turbin %e%pengahur heat rate.
akt"r di atas perlu %endapat perhatian dala% pr"gra% penghe%atan energi. 45
Contoh #fek Tekanan Kon$ensor terha$ap Konsumsi Steam -ebuah turbin %e%iliki performance curve sebagai berikut.
46
C!NT!H Perkirakan kenaikan k"nsu%si steam dan penurunan da6a turbin jika tekanan k"ndensern6a naik dari 2,5 %enjadi ,5 in$g abs"lut. 'ari kura karakteristik di atas1 B$: (2,5 in$g) = 7200 DtukWh = 754* k+kWh B$: (,5 in$g) = 7750 DtukWh = &77 k+kWh (&) +ika da6a turbin tetap, %aka heat rate (k"nsu%si steam) %eningkat1 ∆(B$:) = &77 ; 754* = 5& k+kWh (7,*#) (2) +ika laju uap dijaga k"nstan, %aka kenaikan B$: %engakibatkan penurunan da6a keluar turbin)1
∆(BW)
= 0,07*5 (& 0,07*5) = ,2# 47
#fek Tekanan Steam masuk Turbin th$ Konsumsi
Steam
Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.
48
C!NT!H Perkirakan kenaikan k"nsu%si panas spesi!ik pada beban *00 MW, jika tekanan uap %asuk turbin turun dari 500 %enjadi 200 kPa. 'ari kura karakteristik di atas B$: (500 kPa) = 750 DtukWh = 7*0 k+kWh B$: (200 kPa) = 7700 DtukWh = &2 k+kWh ∆(B$:)
= 250 DtukWh = 2* k+kWh (,#) atau kenaikan laju steam (pe%b"r"san) pada *00 MW = *0000 kgja% (ekspansi di turbin, Eh = 0 k+kg) 49
50
