BAB I PENDAHULUAN
1. 1 Pengertian Gas-Turbine Engine
Gas-turbine engine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas.
Pada mesin Gas Turbine Engine pada umumnya memiliki kompresor radial tahapan tunggal dan turbin, recuperator, serta foil bearings.
1. 2 Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine) Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust). Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut: 1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan. 2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar. 3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle). 4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan. Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugian - kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab - sebab terjadinya kerugian antara lain:
Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.
Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
Adanya mechanical loss, dan sebagainya.
1. 3 Klasifikasi Turbin Gas Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari:
Turbin gas siklus tertutup (Close cycle) Dalam sistim siklus tertutup, fluida kerja (biasanya gas helium atau udara) bersirkulasi dalam suatu sirkuit tertutup. Fluida ini dipanaskan dalam suatu penukar panas sebelum masuk menuju turbin, dan didinginkan setelah keluar turbin dan melepaskan panas yang berguna. Sehingga maka fluida kerjanya bersih dan tidak menyebabkan korosi ataupun erosi.
Closed Cycle Gas Turbine Engine
Turbin gas siklus terbuka (Open cycle)
Hampir seluruh sistim turbin gas yang tersedia saat ini, pada berbagai sektor penggunaan, beroperasi pada siklus Brayton terbuka (juga dikenal dengan siklus Joule bila ketidak dapat baliknya diabaikan) dimana komp resor mengambil udara dari atmosfir dan membawanya pada tekanan yang lebih tinggi ke pembakar. Suhu udara juga meningkat karena kompresi. Unit yang lebih tua dan lebih kecil beroperasi pada perbandingan tekanan sekitar 15:1, sementara unit yang lebih baru dan lebih besar beroperasi pada perbandingan tekan mendekati 30:1. Udara dikirimkan melalui sebuah diffuser ke ruang pembakaran yang bertekanan konstan, dimana bahan bakar diinjeksi dan dibakar. Diffuser menurunkan kecepatan udara ke nilai yang dapat diterima dalam pembakar. Terdapat penurunan tekanan/ pressure drop di dalam pembakar sekitar 1,2%. Pembakaran berlangsung dengan udara berlebih. Gas buang keluar pembakar pada suhu tinggi dengan konsentrasi oksigen sampai 15-16%. Semakin tinggi suhu pada siklus ini, akan semakin tinggi efisiensi siklusnya. Batas atasnya ditentukan daya tahan material turbin terhadap suhu, juga oleh efisiensi sudu-sudu pendingin. Batasan suhu pada teknologi terbaru adalah sekitar 1300°C. Gas buang yang bersuhu dan bertekanan tinggi ini menuju turbin gas menghasilkan kerja mekanis untuk menggerakan kompresor dan beban (generator listrik). Gas buang meninggalkan turbin pada suhu yang cukup besar (450-600 ° C), yang ideal untuk dimanfaatkan kembali panas yang bersuhu tinggi. Untuk pemanfaatan yang lebih efisien, dipengaruhi oleh boiler pemanfat kembali panas yang bertekanan tunggal atau ganda. Steam yang dihasilkan dapat memiliki tekanan dan suhu yang tinggi, yang menjadikannya cocok tidak hanya untuk proses termal saja namun juga untuk menggerakkan turbin uap sehingga menghasilkan energi tambahan.
Open Cycle Gas Turbine Engine Pada umumnya perbedaan dari turbin gas siklus tertutup dan terbuka adalah berdasarkan siklus fluida kerja. Pada turbin gas siklus terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses awal. Sedangkan dalam industry, turbin gas umumnya diklasifikasikan dalam dua jenis yaitu : 1. Turbin Gas Poros Tunggal (Single Shaft) Turbin jenis ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang menghasilkan energi listrik untuk keperluan proses di industri. 2. Turbin Gas Poros Ganda (Double Shaft) Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang berubah seperti kompresor pada unit proses.
1. 4 Siklus-Siklus Turbin Gas Pada dasarrnya terdapat tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu 1. Siklus Ericson Merupakan siklus mesin kalor yang dapat balik (reversible) yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik dapat balik (reversible isobaric). Proses perpindahan panas pada proses isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya adalah : hth = 1 – T1/Th, dimana T1 = temperatur buang dan Th = temperatur panas. 2. Siklus Stirling
Merupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson. 3. Siklus Brayton Siklus ini sering dikembangkan pada aplikasi turbin gas. Dan prosesnya yang paling sederhana dan ideal menggunakan udara ideal, dimodelkan oleh seorang ilmuwan bernama Brayton pada tahun 1873. Dengan melibatkan kompresi dan ekspansi pada entropi konstan, disertai penambahan dan pembuangan kalor pada tekanan konstan. Berbeda dengan siklus bolak-balik lain, seperti siklus diesel, otto, stirling atau siklus lain yang mengkombinasikan isentropi, isobarik, isotermal dan/atau isokorik.
BAB II PEMBAHASAN
2. 1 Siklus Brayton Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Dimana sebuah mesin tipe brayton terdiri dari tiga komponen yaitu :
Suatu Gas Kompresor
Suatu Ruang Pencampuran
Suatu Expander
Mesin yang menerapkan prinsip kerja Siklus Brayton pada umumnya akan menarik udara ambient ke piston kompresor, di mana terjadi proses kompresi; secara idealnya merupakan sebuah Proses Isentropic. Udara terkompresi kemudian berjalan melalui ruang pencampuran bahan bakar pada tekanan – konstan, yang secara idealnya merupakan sebuah Proses Isobarik. Kemudian campuran udara bertekanan dan bahan bakar kemudian dinyalakan dalam sebuah ekspansi silinder dan energi dilepaskan, yang akan menghasilkan udara panas dan produk pembakaran dimana nantinya udara panas yang dihasilkan digunakan untuk menggerakkan turbin dan menggerakkan kompresor itu sendiri. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:
Dimana : Proses 1 ke 2 (kompresi isentropik), Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor dimana udara ambient ditarik kedalam kompresor sehingga menjadi udara bertekanan.
Proses 2 ke 3, Pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan dimana udara yang dikompresi kemudian bergerak menuju ruang pembakaran, dimana bahan bakar akan dibakar, dimana proses ini terjadi pada tekanan konstan, karena ruangan ini hanya terbuka untuk aliran masuk dan keluar. Proses 3 ke 4, Ekspansi isentropik didalam turbin dimana pencampuran udara bertekanan dan bahan bakar akan melepaskan energy yang akan menggerakkan turbin dan menggerakkan kompresor. Proses 4 ke 1, Pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara ( Pelepasan Panas ). Sehingga secara aktualnya Siklus Brayton memiliki 4 tahapan proses yaitu : Proses adiabatik – Compression Proses isobarik – Penambahan panas Proses adiabatik – Ekspansi Proses isobarik –Pelepasan panas Dalam Siklus Brayton , effisiensi proses pada umumnya dapat mempengaruhi rasio dari tekanan dan perubahan output daya yang spesifik dapat mempengaruhi kenaikan temperature masuk turbin gas. Dimana hal ini diperlihatkan dari grafik berikut:
Effisiensi Siklus Brayton
Output Daya Spesifik Siklus Brayton 2. 2 Siklus Ericsson Siklus Ericsson ini dinamai oleh seorang penemu bernama John Ericsson, yang merancang dan membangun banyak mesin panas yang didasarkan pada berbagai siklus termodinamika. Ia dihormati dengan menciptakan dua siklus mesin kalor unik dan mengembangkan mesin praktis didasarkan pada siklus ini. Siklus pertama sangat mirip dengan apa yang sekarang kita sebut "Siklus Brayton", dan Siklus kedua dengan pengecualian yang menggunakan pembakaran eksternal yang sering disebut dengan “Siklus Ericsson”. Secara idealnya , Siklus Ericsson memiliki 4 tahapan proses yanbg hampir menyerupai Siklus Brayton dengan beberapa sedikit perbedaan diantaranya : Proses 1 -> 2 merupakan Kompresi isotermal. Dimana ruang kompresi diasumsikan intercooled, sehingga gas mengalami kompresi isotermal. Udara terkompresi mengalir ke tangki penyimpanan pada tekanan konstan. Dalam siklus yang ideal, tidak ada perpindahan panas di seluruh dinding tangki. Proses 2 -> 3 merupakan Tambahan Panas Secara Isobarik. Dimana dari tangki, udara terkompresi mengalir melalui pemicu regenerasi dan meng pick - up panas pada tekanan konstan yang tinggi pada sebuah silinder.
Proses 3 -> 4 merupakan Ekspansi isotermal. Dimana Ruang Silinder dipanaskan secara eksternal dan gas mengalami ekspansi isothermal. Proses 4 -> 1 merupakan Pelepasan Panas Secara Isobarik. Sebelum udara sisa dilepaskan maka akan melewati kembali pemicu regenerasi, sehingga pendinginan gas pada tekanan konstan rendah, dan memanaskan pemicu regenerasi untuk siklus berikutnya.
2. 3 Perbandingan Siklus Ericsson Dengan Siklus Stirling Siklus Ericsson sering dibandingkan dengan siklus Stirling, karena memiliki kesamaan pada desain mesin yang didasarkan pada mesin pembakaran eksternal dengan regenerators. Siklus Ericsson mungkin paling mirip dengan jenis "double-acting" dari Mesin Stirling, di mana piston displacer juga bertindak sebagai kekuatan piston. Secara teoritis, kedua siklus ini memiliki apa yang disebut efisiensi ideal, yang merupakan tertinggi yang diperbolehkan oleh hukum kedua termodinamika.
2. 4 Perbandingan Siklus Ericsson Dengan Siklus Brayton Siklus Ericsson pertama yang dikembangkan sekarang sering disebut juga sebagai "Brayton Siklus" dan biasanya diterapkan pada putaran mesin jet untuk pesawat terbang. Sedangksan Siklus Erricson Kedua merupakan siklus yang paling diterapkan atau digunakan, yang sering disebut sebagai "Ericsson siklus". Siklus Kedua Ericson pada dasarnya melebihi turbin gas ideal Siklus Brayton, karena beroperasi dengan intercooled multitahap kompresi, dan multitahap ekspansi dengan pemanasan dan pendinginan. Dibandingkan dengan siklus Brayton yang menggunakan kompresi dan ekspansi adiabatic, Siklus Kedua Erricson menggunakan kompresi isotermal dan ekspansi, sehingga akan menghasilkan lebih bersih kerja per stroke. Dan juga
penggunaan regenerasi dalam siklus Ericsson meningkatkan efisiensi dengan mengurangi panas masukan yang diperlukan. Perbandingan antara Siklus Brayton dengan Siklus Erricson pada umumnya dapat dilihat dari table berikut : Cycle/Process
Compression
Expansion
adiabatic isothermal
Heat Addition isobaric isobaric
adiabatic isothermal
Heat Rejection isobaric isobaric
Ericsson (First, 1833) Ericsson (Second, 1853) Brayton (Turbine)
adiabatic
isobaric
adiabatic
isobaric
2. 5 Penyimpangan Siklus Ideal Dari Gas Turbin
Dalam operasinya Gas Turbin Generator banyak mengalami penyimpangan sehingga dapat mengubah siklus idealnya. Penyimpangan siklus Brayton pada GTG ( Gas Turbine Generator ) berpengaruh pada daya yang dihasilkan. Analisis siklus Brayton pada GTG merupakan langkah awal untuk mencari letak permasalahan yang terjadi pada GTG. Performa GTG dapat dilihat dengan menganalisis diagram T – S dan P- V berikut ini :
Dari diagram P – V dan T – S diatas, maka daya keluaran Gas Generator dapat ditunjukkan dengan luasan diagram, yang dapat diperbesar dengan beberapa cara : 1. Memperbesar tekanan ( P ) keluaran kompresor. 2. Menurunkan temperatur ( T ) masuk kompresor. 3. Meningkatkan temperatur pembakaran. Selain itu, penurunan daya keluaran ( MW ) GTG dapat berasal dari beberapa hal berikut ini : a. Inefisiensi kompresi b. Inefisiensi ekspansi c. Inefisiensi pembakaran akan mengurangi panas yang dibebaskan I. I NEFISIENSI KOMPRESI Inefisiensi kompresi pada umumnya terjadi di kompresor. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh : o Temperatur udara luar naik dan kualitas udara yang buruk berpengaruh pada turunnya CPD. o Sudu - sudu kompresor kotor berpengaruh pada turunnya flow udara masuk. o Adanya clearance loss (kebocoran udara). o Adanya cacat pada sudu kompresor.
II. INEFISIENSI EKSPANSI Inefisiensi ekspansi pada umumnya terjadi di turbin. Hal ini dapat menurunkan efisiensi siklus, dimana penyebabnya hampir sama dengan di kompresor diantaranya ; Adanya cacat pada sudu turbin hal ini berhubungan dengan sudut kecepatan yang berpengaruh pada gaya fungsional turbin. Adanya turbulensi yang dapat menghambat aliran yang disebabkan karena penebalan baik di sisi inlet maupun outlet atau karena kekasaran permukaan sudu. Adanya clearance loss dari clearance yang terlalu besar antara sudu tetap dan poros atau dari sealing yang tidak efektif menyebabkan energi panas tidak terserap turbin dan lolos menjadi panas yang mengalir melalui celah antara sudu tetap dan poros. III. INEFISIENSI PEMBAKARAN Inefisiensi pembakaran terjadi di dalam ruang pembakaran. Hal ini mungkin disebabkan oleh beberapa factor diantaranya : Terjadi penurunan Temperatur pembakaran dikarenakan flow bahan bakar turun sehingga panas yang diberikan pada sistem juga turun mengakibatkan penurunan daya. Pada sistem Base Load dengan Temperatur control pembukaan FSR (Fuel Stroke Reference) dibatasi dengan exhaust Temp. Inefisiensi expansi pada turbin menyebabkan Texhaust lebih cepat naik sehingga pembukaan FSR turun menyebabkan flow bahan bakar berkurang dan panas yang diberikan berkurang.
BAB III KESIMPULAN DAN SARAN 3.1 KESIMPULAN
1. Siklus Brayton merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas. Dimana Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. 2. Siklus Brayton pada umumnya terdiri atas 3 komponen penting yakni : Gas Kompresor Ruang Pembakaran Expander 3. Siklus Brayton secara memiliki 4 tahapan proses yakni : Proses adiabatik – Compression Proses isobarik – Penambahan panas Proses adiabatik – Ekspansi Proses isobarik –Pelepasan panas 4. Siklus Ericson merupakan siklus daya termodinamika dengan mengguanakan pembakaran eksternal dimana Siklus Ericson terdiri dari proses kompresi isothermal dan diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. 5. Siklus Brayton pada umumnya terdiri atas 3 komponen penting yakni : Gas Kompresor Ruang Pembakaran
Regenarator Expander 6. Siklus Brayton secara memiliki 4 tahapan proses yakni : Proses Isotermal – Compression Proses isobarik – Penambahan panas Proses Isotermal – Ekspansi Proses isobarik –Pelepasan panas 7. Siklus Ericson umumnya akan menghasilkan kerja yang lebih bersih dibandingkan Siklus Brayton dan juga penggunaan regenerasi dalam siklus Ericsson yang dapat meningkatkan efisiensi dengan mengurangi panas masukan yang diperlukan. 8. Dalam operasinya Gas Turbin Generator banyak mengalami penyimpangan penyimpangan sehingga dapat mengubah siklus idealnya. Dimana Penyimpangan siklus Brayton pada GTG akan mempengaruhi daya keluaran yang dihasilkan. Sehingga untuk mengatur daya keluaran dapat dilakukan dengan : o Memperbesar tekanan ( P ) keluaran kompresor. o Menurunkan temperatur ( T ) masuk kompresor. o Meningkatkan temperatur pembakaran. 3.2
Saran
Siklus Ericson merupakan suatu siklus yang baik secara teoritis karena dapat menghasilkan effisiensi yang ideal ( Tertinggi ) dari Hukum Kedua Thermodinamika dan kerja yang lebih bersih daripada Siklus Brayton sehingga sangat cocok diterapkan dalam Gas Turbine.
DAFTAR PUSTAKA
Smith, J.M , H. C. Van Ness and M.M Abbott. Intoduction to Chemical Engineering Thermodynamics Sixth Edition. Mc Graw Hill.
Wahyudi
Slamet
,
Deny
Widhiyanuriyaman
&
Mega
Nursasongko.
Thermodinamika Teknik II. Universitas Brawijaya.
Pedoman Effisiensi Energi Untuk Industri di Asia - www.energyefficiencyasia.org.
www.wikipedia.org
2003.
