PENDAHULUAN Sejarah Turbin Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700. turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin. Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangan efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini. Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi. Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil. Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesin reaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi. Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari system jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air 1
padasumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin ini disebut turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan. Pada tahun 1879, Lester Pelton, melakukan percobaan dengan kincir Knight, dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin Pelton yang saat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin impulse selanjutnya. Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetic. Selanjutnya energi kinetic ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik. Penggunaan turbin Penggunaan paling umum dari turbin adalah pemroduksian tenaga listrik. Hampir seluruh tenaga listrik diproduksi menggunakan turbin dari jenis tertentu. Turbin kadangkala merupakan bagian dari mesin yang lebih besar. Sebuah turbin gas, sebagai contoh, dapat menunjuk ke mesin pembakaran dalam yang berisi sebuah turbin, kompresor, "kombustor", dan alternator. Turbin dapat memiliki kepadatan tenaga ("power density") yang luar biasa (berbanding dengan volume dan beratnya). Ini karena kemampuan mereka beroperasi pada kecepatan sangat tinggi. Mesin utama dari Space Shuttle menggunakan turbopumps (mesin yang terdiri dari sebuah pompa yang didorong oleh sebuah mesin turbin) untuk memberikan propellant (oksig n cair dan hidrogen cair) ke ruang pembakaran mesin. Turbopump hidrogen cair ini sedikit lebih besar dari mesin mobil dan memproduksi 70.000 hp (52,2 MW). Turbin juga merupakan komponen utama mesin jet
2
ISI Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida. Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak, "asembli rotor-blade". Fluida yang bergerak menjadikan balingbaling berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air. Sebuah turbin yang bekerja terbalik disebut kompresor atau pompa turbo. Tenaga yang dihasilkan turbin dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan kompressor atau pompa dan dapat juga untuk menghasilkan listrik jika disambungkan dengan generator. Turbin ada yang berskala kecil ada juga yang berskala besar tergantung bagaimana kita menginginkan menggunakan turbine tersebut. MACAM-MACAM TURBINE BERDASARKAN PENGGERAKNYA
Gas Turbine / Turbin Gas
Turbin air
Steam Turbine / Turbin Uap
Turbin gas, uap dan air biasanya memiliki "casing" sekitar baling-baling yang memfokus dan mengontrol fluid. "Casing" dan baling-baling mungkin memiliki geometri variabel yang dapat membuat operasi efisien untuk beberapa kondisi aliran fluid. Energi diperoleh dalam bentuk tenaga "shaft" berputar. Turbin Gas Turbin gas adalah suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran yang menggerakkan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakkan beban (generator listrik, pompa, kompresor atau yang lainnya). Turbin gas merupakan salah satu komponen dari suatusistem turbin gas. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas. Menurut Dr. J. T. Retaliatta, sistim turbin gas ternyata sudah dikenal pada jaman “Hero of Alexanderia”. Disain pertama turbin gas dibuat oleh John Barber seorang Inggris pada tahun 1791. Sistem tersebut bekerja dengan gashasil pembakaran batu bara, kayu atau minyak, kompresornya digerakkan oleh turbin dengan
perantaraan rantai roda gigi. Pada tahun 1872, Dr. F. Stolze 3
merancang sistem turbin gas yang menggunakan kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan langsung oleh turbin reaksi tingkat ganda. Tahun 1908, sesuai dengan konsepsi H. Holzworth, dibuat suatu sistem turbin gas yang mencoba menggunakan proses pembakaran pada volume konstan. Tetapi usaha tersebut dihentikan karena terbentur pada masalah konstruksi ruang bakar dan tekanan gas pembakaran yang berubah sesuai beban. Tahun 1904, “Societe des Turbomoteurs” di Paris membuat suatu sistem turbin gas yang konstruksinya berdasarkan disain Armengaud dan Lemate yang menggunakan bahan bakar cair. Temperatur gas pembakaran yang masuk sekitar 450oC dengan tekanan 45 atm dan kompresornya langsung digerakkan oleh turbin. Selanjutnya, perkembangan sistem turbin gas berjalan lambat hingga pada tahun 1935 sistem turbin gas mengalami perkembangan yang pesat dimana diperoleh efisiensi sebesar lebih kurang 15 %. Pesawat pancar gas yang pertama diselesaikan oleh “British Thomson Houston Co” pada tahun 1937 sesuai dengan konsepsi Frank Whittle (tahun 1930). Saat ini sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk berbagai keperluan seperti mesin penggerak generator listrik, mesin industri, pesawat terbang dan lainnya. Sistem turbin gas dapat dipasang dengan cepat dan biaya investasi yang relatif rendah jika dibandingkan dengan instalasi turbin uap dan motor diesel untuk pusat tenaga listrik.
1.2 Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor ini berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, akibatnya temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara yang telah dikompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut 4
dialirkanke 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 sistim turbine 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 performansi 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.
5
• Berubahnya nilai cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja. • Adanya mechanical loss, dsb. Untuk memperkecil kerugian ini hal yang dapat kita
lakukan antara lain dengan perawatan
(maintanance) yang teratur atau dengan memodifikasi peralatan yang ada. 1.3 Siklus-Siklus Turbin Gas Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu: A. 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 : ηth= 1 – T1/Th dimana T1= temperatur buang dan Th= temperatur panas B. Siklus Stirling Merupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isovolum). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson. C. 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 up-grading performance. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut: • Proses 1→2 (kompresi isentropik)
6
Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc= ma(h2– h1) • Proses 2→3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa= (ma+ mf) (h3– h2) • Proses 3→4, ekspansi isentropik didalam turbin. Daya yang dibutuhkan turbin: WT= (ma+ mf) (h3– h4) • Proses 4→1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor yang dilepas: QR= (ma+ mf) (h4– h1)
1.4. 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) • Turbin gas siklus terbuka (Open cycle) Perbedaan dari kedua tipe ini 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. Contoh data-data manufacture gas turbin poros tunggal adalah : Type
PG 5341 (N)
Rating (Base, Gas/Oil)
20.900/20.450 (kW) 7
Altitude
Sea Level
Compressor Stage
17
Turbin Stage
2
Turbin Speed
5100 rpm
Inlet Temperatur
32.2oC
Inlet Pressure
1.0333 kg/cm2
Exhaust temperatur
488oC
Exhaust Pressure
1.0333 kg/cm2
Pressure
Ratio 9.4
Desired min.
Horse Power 33.000 HP
Fuel
Natural Gas
Fuel Systems
Gas/Oil (Unit A dan B) Gas (Unit C, D, E, F, G dan H)
Control System
Speedtronic
Accessory gear
Type A500
Starting system
400 HP Induction Motor (Unit C/H) 500 HP motor diesel (Unit A/B)
Dalam industri 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.
8
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.
9
1.5. Komponen Turbin Gas Komponen turbin gas terdiri dari : 1. Komponen Utama • Air Inlet Section Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari: 1. Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana didalamnya terdapat peralatan pembersih udara. 2. Inertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau partikel yang terbawa bersama udara masuk. 3. Pre-Filter, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet house. 4. Main Filter, merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini masuk ke dalam kompresor aksial. 5.
Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat memasuki ruang
kompresor. 6. Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan. • Compressor Section Komponen utama pada bagian ini adalah aksial flowcompressor, berfungsi untuk mengkompresikan udara yang berasal dari inlet air section hingga bertekanan tinggi sehingga pada saat terjadi pembakaran dapat menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang dapat menimbulkan daya output turbin yang besar. Aksial flow compressor terdiri dari dua bagian yaitu: 1. Compressor Rotor Assembly Merupakan bagian dari kompresor aksial yang berputar pada porosnya. Rotor ini memiliki 17 tingkat sudu yang mengompresikan aliranudara secara aksial dari 1 atm menjadi 17 kalinya sehingga 10
diperoleh udara yang bertekanan tinggi. Bagian ini tersusun dari wheels, stubshaft, tie bolt dan sudusudu yangdisusun kosentris di sekeliling sumbu rotor.
2. Compressor Stator Merupakan bagian dari casing gas turbin yang terdiri dari: a. Inlet Casing,merupakan bagian dari casing yang mengarahkan udara masuk ke inlet bellmouth dan selanjutnya masuk ke inlet guide vane. b. Forward Compressor Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat empat stage kompresor blade. c. Aft Casing,bagian casing yang didalamnya terdapat compressor blade tingkat 5-10. d. Discharge Casing, merupakan bagian casing yang berfungsi sebagai tempat keluarnya udara yang telah dikompresi. Pada bagian ini terdapat compressor blade tingkat 11 sampai 17.
11
• Combustion Section Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan fluida kerja yang berupa udara bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Hasil pembakaran ini berupa energi panas yang diubah menjadi energi kinetik dengan mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces yang juga berfungsi sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin. Sistem pembakaran ini terdiri dari komponen-komponen berikut yang jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas. Komponen-komponen itu adalah :
Combustion Chamber,berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar yang masuk.
Combustion Liners,terdapat didalam combustion chamber yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.
Fuel Nozzle,berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam combustion liner.
Ignitors (Spark Plug),berfungsi untuk memercikkan bunga api ke dalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar. 12
Transition Fieces,berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas.
Cross Fire Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua combustion chamber.
Flame Detector, merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi proses pembakaran terjadi.
Combustion chamber yang ada disusun kosentris mengelilingi aksial flow compressor dan disambungkan dengan keluaran kompresor udara dari aksial flow compressor yang dialirkan langsung ke masing-masingchambers. Zona pembakaran pada combustion chamber ada tiga yaitu: 1. Primary Zone,merupakan tempat dimana bahan bakar berdifusi dengan udara kompresor untuk membentuk campuran udara bahan bakar yang siap dibakar. 2. Secondary Zone,adalah zona penyempurnaan pembakaran sebagai kelanjutan pembakaran pada primary zone. 3. Dilution Zone,merupakan zona untuk mereduksi temperatur gas hasil pembakaran pada keadaan yang diinginkan pada saat masuk ke first stage nozzles. Combustion liners didesain dengan satu seri lubang dan louvers yang ditempatkan didalam chambers. Digunakan untuk mencampurkan bahan udara dari kompresor dan bahan bakar dari nozel yang membakar campuran ini. Fuel nozzle terdapat pada ujung combustion chamber dan masuk ke combustion liners. Fungsi dari fuel nozzle ini adalah untuk mengabutkan bahan bakar dan mengarahkannya ke reaction zone pada ruang bakar. Transition piece terdapat antara combustion liners dan first stage nozzle. Alat ini digunakan untuk mengarahkan udara panas yang dihasilkan pada combustion section ke first stage nozzle. Spark plugs terdapat pada bagian samping combustionchamber dan masuk ke combustion liners. Spark plugs berfungsi untuk menyulut campuran bahan bakar dan udara pada saat turbin gas star up. Pembakaran akan terusterjadi selama suplai bahan bakar dan udara terus berlangsung. Spark plugs terpasang padasebuah pegas setelah proses pembakaran terjadi, tekanan yang dihasilkan meningkat dan akan memaksa plugs naik menuju casing dan mengeluarkan gas panas.
13
Cross fire tube berfungsi untuk menghubungkan semuacombustion chamber. Tabung ini digunakan untuk mengirimkan pengapian dari satu combustion liners ke yang berikutnya selama start up.
• Turbin Section Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak kompresor aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60 % digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan.
Komponen-komponen pada turbin section adalah sebagai berikut : 1. Turbin Rotor Case 2. First Stage Nozzle,yang berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first stage turbine wheel. 3. First Stage Turbine Wheel, berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik dari aliran udara yang berkecepatan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaran rotor.
14
4. Second Stage Nozzle dan Diafragma, berfungsi untuk mengatur aliran gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi untuk memisahkan kedua turbin wheel. 12 5. Second Stage Turbine, berfungsi untuk memanfaatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first stage turbine untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang lebih besar
Exhaust Section Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yangberfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas. Exhaust section terdiri dari beberapa bagian yaitu : 1. Exhaust Frame Assembly. 2. Exhaust Diffuser Assembly.
15
Exhaust gas keluar dari turbin gas melalui exhaustdiffuser pada exhaust frame assembly, lalu mengalir ke exhaust plenum dan kemudian didifusikan dan dibuang ke atmosfir melalui exhaust stack, sebelum dibuang ke atmosfir gas panas sisa tersebut diukur dengan exhaust thermocouple dimana hasil pengukuranini digunakan juga untuk data pengontrolan temperatur dan proteksi temperatur trip. Pada exhaust area terdapat 18 buah termokopel yaitu, 12 buah untuk temperatur kontrol dan 6 buah untuk temperatur trip.
16
1.6 Maintenance Turbin Gas Maintenance adalah perawatan untuk mencegah hal-halyang tidak diinginkan seperti kerusakan terlalu cepat terhadap semua peralatan di pabrik, baik yang sedang beroperasi maupun yang berfungsi sebagai suku cadang. Kerusakan yang timbul biasanya terjadi karena keausan dan ketuaan akibat pengoperasian yang terus-menerus, dan juga akibat langkah pengoperasian yang salah. Maintenance pada turbine gas selalu tergantung darifaktor-faktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional turbine gas sangat tergantung dari kondisi daerah operasional. Semua pabrik pembuat turbine gas telah menetapkan suatu ketetapan yang aman dalam pengoperasian sehingga turbine selalu dalam batas kondisi aman dan tepat waktu untuk
17
melakukan maintenance. Untuk turbine gas produksi General Electric batas maintenance bisa didapat dengan memasukkan faktor penentu lain dalam rumus di bawah ini:
18
Turbin Air Skala Kecil (Turbin Piko Crossflow)
2.
Pengertian Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah
dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan. 2.1 Macam Turbin Air Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu
1. Turbin impuls 2. Turbin reaksi. 1. Turbin Impuls Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energy potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetic untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir. Contoh: turbin Pelton. 2. Turbin Reaksi Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu: 19
1) Francis, contoh: turbin Francis dan 2) Propeller: a. Sudut tetap (fixed blade), turbin jenis ini merupakan turbin generasi pertama dari jenis ini. Karena sudu tidak dapat diatur, maka efisiensinya berkurang jika digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu dikembangkan jenis dengan sudu yang dapat diatur agar efisiensi tetap tinggi walaupun kisaran debitnya lebar. b. Sudut dapat diatur (adjustable blade), contoh Kaplan, Nagler, Bulb, Moody A. Karakteristik Turbin Untuk dua turbin atau lebih yang mempunyai dimensi yang berlainan disebut homologous jika kedua turbin atau lebih tersebut sebangun geometri dan mempunyai karakteristik sama.
Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam buah
konstanta yaitu: 1) Rasio Kecepatan (Φ) 2) Kecepatan Satuan (Nu) 3) Debit Satuan (Qu) 4) Daya Satuan (Pu) 5) Kecepatan Spesifik (Ns) 6) Diameter Spesifik (Ds) 1. Rasio Kecepatan Rasio Kecepatan (Φ) adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier turbin pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air melalui curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun(Hnetto) yang bekerja pada turbin.
20
Dengan N adalah putaran turbin rpm (rotasi per menit), D adalah diameter karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter nominal, H adalah tinggi terjun netto/effektif (m).
2. Kecepatan satuan Kecepatan Satuan ( N ) adalah kecepatan putar turbin yang U mempunyai diameter ( D ) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun ( H ) satu satuan panjang. Netto Dari Pers.(1.1) diperoleh korelasi
dengan memasukan nilaiD= 1 m danH= 1 m, maka Pers.(1.2) menjadi:
Akhirnya persamaan diatas ditulis sebagai
3. Debit Satuan Debit yang masuk turbin secara teoretis dapat diandaikan sebagai debit yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun ( H ) yang bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang netto melalui turbin dapat dinyatakan sebagai 21
Dengan C adalah koefisien debit. d Debit Satuan ( Q ) adalah debit turbin yang mempunyai diameter ( D) U satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun ( H ) satu satuan netto panjang. (1.6) Akhirnya Pers.(1.5) dapat ditulis sebagai:
Akrirnya pers diatas ditulis sebagai :
4. Daya satuan Daya (P) yang dihasikan oleh turbin dapat dirumuskan:
dengan η adalah efisiensi turbin, γ adalah berat jenis air. Daya Satuan (Pu) adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan netto panjang maka persamaan diatas dapat ditulis:
22
5. Kecepatan Spesifik Dari persamaan di atas maka dapat ditarik/menghasilkan korelasi :
Kecepatan Spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang S menghasilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun ( H netto ) satu satuan panjang. Kecepatan Spesifik ( Ns ) dapat dinyatakan dalam sistim metric S maupun sistim Inggris, korelasi dari kedua sistim tersebut dinyatakan dalam
Catatan: Satuan daya yang digunakan dalam rumus di atas adalah daya kuda (DK) atau horse-power (HP) 6. Diameter Spesifik Dari persamaan diatas ditarik korelasi
23
Diameter Spesifik (D) adalah diameter turbin yang menghasilkan S daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun ( H ) satu satuan netto panjang Dari persaman diatas dapat ditulis sebagai :
Rumus empiris untuk menghitung diameter spesifik dari diameter1 debit (discharge diameter, D3) untuk turbin reaksi adalah sebagai berikut:
Gambaran ,
24
Turbin piko merupakan penyederhanaan dari desain Crossflow T15 dibuat semata-mata untuk menyebarluaskan teknologi yang semestinya dimiliki oleh seluruh aspek sosial yang ada di masyarakat Indonesia. Turbin ini dikembangkan untuk dapat menekan biaya produksi sehingga masyarakat di desa-desa yang jauh dari jaringan PLN dapat ikut menikmati manfaat energi listrik, seperti contoh pada gambar dibawah ;
(Gambar turbin piko crossflow 100mm(TC100)) Hasil percobaan dengan mengkombinasikan turbin piko dengan motor dari bekas mesin cuci yang saat ini tersedia cukup banyak (hasil recycle), target yang dituju adalah turbin yang lebih ringkas, relatif murah dan aman (arus DC), seperti contoh pada gambar disamping ; (Gambar turbin piko crossflow dengan mengaplikasi motor dari mesin cuci) (Lokasi pemasangan sudah tersedia.. turbin pun telah selesai dipabrikasi.. tinggal memasangnya dan membuat jaringan ke masyarakat desa. Hal ini tentu membutuhkan dana
25
lebih banyak lagi, dengan adanya ini semoga dapat bermanfaat demi Indonesia bebas krisis energi, dan juga mengedepankan energi terbarukan. B. Pengukuran Head Pengukuran dilakukan dengan membentangkan meteran dari permukaan air terjun yang paling atas hingga permukaan jatuhan air paling bawah sehingga didapatkan panjang sisi miring, untuk sudut kami melakukan foto tegak lurus ke arah perpotongan meteran dan tali yang digantung batu yang selanjutnya diolah dengan menggunakan software drawing, seperti coth pada gambar dibawah ;
C. Pengukuran Debit Pengukuran debit dilakukan dengan cara yang sederhana pula yaitu dengan mengukur kecepatan benda di aliran air sepanjang 6 meter, dalam hal ini kami menggunakan bunga liar (terimakasih kepada bunga-bunga yang sudah berkorban). Dari beberapa test kami dapatkan ratarata 7 detik dibutuhkan bunga liar untuk mencapai 6 meter atau sekitar 0,86 m/dt, penampang selokan memiliki lebar 30 cm dan kedalaman air 6 cm sehingga diperoleh luas penampang air 0,018 m2. Debit kami dapatkan dengan memformulasikan kecepatan aliran air dikalikan luas penampang selokan 26
Q=vxa
Q = 0.86m/dt x 0.018m2 = 0,0154m3/dt ~ 15 l/dt
Analisa optimis kami untuk daya yang terbangkitkan:
P = H x Q x g x 50%
= 15m x 15l/dt x 9,8m/dt2 x 0,5
= 1102,5 watt
Dari energi yang terbangkitkan berharap dapat menerangi sekitar 20 rumah masing-masing 50 watt.
D. Bahan
Bahan yang dipergunakan dalam turbin air skala kecil sangat mudaha di dapat dan tentunya dari segi biaya juga tidak terlalau mahal, sebagai contohnya saja untuk membuat tubin piko crossflow 100mm(TC100), turbin untuk mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, dan energi mekanis diubah generator menjadi tenaga listrik.
27
E. Konstruksi
1. Turbin Turbin mengubah energi pada air yang jatuh ke dalam terowongan-terowongan daya. Ada berbagai macam tipe turbin yang bisa dikategorikan menjadi beberapa cara. Pilihan turbin utamanya akan tergantung pada tekanan head yang ada dan pada aliran desain untuk pemasangan pembangkit listrik tenaga air yang diajukan. Seperti yang ditunjukkan pada berikut, turbin dibagi menjadi tiga kelompok; head tinggi, sedang, dan rendah, dan menjadi dua kategori: impuls dan reaksi. Perbedaan antara impuls dan reaksi bisa dijelaskan dengan menyatakan bahwa turbin impuls mengubah energi kinetik semburan air menjadi gerakan yang mengenai ember atau bilah turbin. Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Tekanan Head
Turbin Prinsip Runner
Tinggi
Sedang
Pelton Turgo
Crossflow Turgo
Pelton Multi Jet
Pelton Muti Jet
Rendah Crossflow
Impuls
Francis Pump-as-turbin
Propeller
Reaksi (PAT)
Kaplan
Tabel 2. Gambaran berbagai macam turbin. Jenis-jenis turbin yang biasa digunakan pada turbin air skala kecil adalah Cross-Flow, Propeller, Pelton dan PAT (Pump as Turbine). Pemilihan turbin disesuaikan dengan besarnya head dan kecepatan aliran air (debit air), seperti yang terdapat pada grafik di atas. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga kinerja turbin (kapasitas) dan hasil keluarannya.
28
2. Turbin Kaplan & Propeller Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.
Gambar 1.11. Turbin Kaplan 1. Turbin Crossflow Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.
Gambar 1.9. Turbin Crossflow
29
Turbin Zcrossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.
Gambar 1.10. Turbin Crossflow 2. Transmisi Mekanik Air memasuki turbin, kemudian diarahkan oleh salah satu baling-baling pengarah yang terletak di bagian arus atas dari runner, dan melewati tahapan pertama runner yang berputar penuh dengan derajat reaksi yang kecil.Turbin Kaplan dan baling-baling adalah turbin reaksi dengan aliran aksial, biasanya digunakan untuk head-head rendah. Turbin Kaplan memiliki bilah runner yang bisa disesuaikan atau tidak memiliki baling-baling pemandu yang bisa disesuaikan. Jika bilah dan baling-baling pemandu bisa disesuaikan maka turbin ini disebut dengan turbin pengaturan ganda. Jika baling-baling pemandunya adalah tetap maka disebut dengan turbin pengaturan tunggal. Turbin baling-baling yang tidak berpengaturan biasanya digunakan ketika aliran dan head secara praktis tetap konstan. Turbin Kaplan pengaturan ganda, seperti yang digambarkan adalah mesin dengan sumbu vertikal yang memiliki tempat berupa gulungan dan konfigurasi pintu kecil berbentuk lingkaran. Aliran memasuki bagian lingkaran secara memutar dan membelok pada sudut yang tepat sebelum memasuki runner pada arah aksial. Sistem kontrolnya dirancang sedemikian rupa sehingga variasi pada sudut bilah digabungkan dengan pengaturan balingbaling pemandu untuk mendapatkan efisiensi yang terbaik pada berbagai macam aliran. Bilahbilah ini bisa memutar bersama turbin saat beroperasi, yaitu melalui sambungan yang terhubung pada tangkai vertikal yang berada di dalam lubang sumbu turbin. Unit bola diperoleh dari turbin Kaplan, dengan generator yang berada di dalam bola tahan air yang terendam di dalam aliran.
30
3. Generator Generator mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Tergantung pada karakteristik jaringan yang dipasok, produsen bisa memilih antara: Generator sinkronus yang dilengkapi dengan sistem eksitasi DC (rotasi atau statis) yang terkait dengan regulator tegangan, untuk memberikan tegangan, frekuensi dan control sudut fase sebelum generator disambungkan ke jaringan dan memasok energi reaktif yang diperlukan oleh sistem tenaga ketika generator telah disambungkan ke jaringan. Generator ansinkronus adalah motor induksi sederhana yang tidak menggunakan pengaturan voltase dan berjalan pada kecepatan yang secara langsung terkait dengan frekuensi sistem. Mereka menarik arus eksitasinya dari jaringan, sehingga menyerap energi reaktif dari magnetismenya sendiri. Efisiensi generator ansinkronus adalah 2 sampai 4 per sen di bawah efisiensi generator sinkronus selama seluruh kisaran operasi. Secara umum, ketika daya melebihi 5000 kVA maka generator sinkronus perlu dipasang. Tegangan kerja dari generator bervariasi sesuai dengan dayanya. Tegangan pembangkitan standard adalah 380 V atau 430 V sampai dengan 1400 kVA dan 6000/6600 untuk pembangkit yang lebih besar. Pembangkitan pada tegangan 380 V atau 430 V memungkinkan penggunaan transformer distribusi strandard sebagai transformer saluran keluar dan penggunaan arus buatan untuk memasok ke dalam sistem daya pembangkit. 4. Sistem Kontrol dan Proteksi Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan menggunakan pengaturan beban sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan beban. Apabila terjadi penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut akan dialihkan ke sistem pemanas udara (Air Heater Ballast Load) atau (Water Heater Ballast Load) yang dikenal sebagai ballast load (Elektronik Load Controller) atau dumy load. 5. Transmisi Distribusi System transmisi daya yang dihasilkan terdiri dari beberapa komponen utama, antara lain trave step-up kelas menengah, tiang, kabel, dll. Jaringan distribusi merupakan pendistribusian daya ke rumah-rumah atau konsumen yang dilengkapi dengan sebuah KWh meter, instalasi rumah, dll.
31
3. TURBIN UAP 3.1. Fungsi Turbin Uap
Turbin uap merupakan mesin rotasi yang berfungsi untuk mengubah energi panas yang terkandung dalam uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros.
3.2. Bagian - Bagian Turbin Uap
Turbin uap terdiri dari beberapa bagian utama seperti : Rumah turbin (casing), bagian yang berputar (Rotor), sudu-sudu yang dipasang pada rotor maupun casing, bantalan untuk menyangga rotor.
Stator
Stator turbin pada dasarnya terdiri dari dua bagian, yaitu casing dan sudu diam (fixed
blade).
Namun untuk tempat kedudukan sudu-sudu diam dipasang diapragma. Casing
Casing merupakan rumah turbin yang membentuk ruangan (chamber) disekeliling rotor sehingga memungkinkan
uap
mengalir
melintasi
sudu-sudu.
Pedestal
yang
berfungsi
untuk
menempatkan bantalan sebagai penyangga rotor juga dipasangkan pada casing. Umumnya salah satu pedestal diikat (anchored) mati kepondasi. Sedang yang lain ditempatkan diatas rel peluncur (Sliding feet) sehinggga casing dapat bergerak bebas akibat pengaruh pemuaian maupun penyusutan (contraction). Biasanya pedestal yang diikat pada pondasi adalah pedestal sisi tekanan rendah atau sisi yang berdekatan dengan generator (generator end). Sedang sisi yang lain dibiarkan untuk dapat bergerak dengan bebas. Ketika temperatur casing dan rotor naik, maka seluruh konstruksi turbin akan memuai. Dengan penempatan salah satu pedestal diatas rel peluncur, maka seluruh bagian turbin dapat bergerak dan bebas ketika memuai seperti diilustrasikan pada gambar 1
32
Gambar 1. Konstruksi Casing Pada Pondasi. Konfigurasi Casing Casing utuh Seluruh bagian casing merupakan satu kesatuan. Umumnya diterapkan pada konstruksi turbin-turbin kecil. Casing Terpisah (Split Casing) Casing turbin merupakan 2 bagian yang terpisah secara horizontal dan disambungkan menjadi satu dengan baut-baut pengikat. Kedua bagian casing tersebut masingmasing disebut casing bagian atas (Top half) dan casing bagian bawah (Bottom half). Konstruksi ini lebih banyak dipakai karena pembongkaran dan pemasangannya yang relatif lebih mudah. Rancangan Casing Dari klasifikasi ini casing turbin dibedakan menjadi 3 kategori yaitu single casing, double casing dan triplle casing. Single Casing Umumnya diterapkan pada rancangan turbin-turbin lama dan kapasitas kecil. Meskipun demikan, turbin-turbin saat inipun masih ada yang menerapkan rancangan single casing terutama pada turbin-turbin untuk penggerak pompa air pengisi ketel (BFPT). Bila rancangan ini diterapkan untuk turbin-turbin besar, maka casing turbin akan menjadi sangat tebal sehinggga memerlukan waktu yang cukup lama untuk periode "warming" ketika start hingga mencapai posisi memuai penuh. Hal ini disebabkan karena dinding casing sangat tebal dan hanya dipanaskan oleh uap dari satu sisi yaitu sisi bagian dalam. Kondisi ini mengakibatkan terjadinya perbedaan temperatur yang cukup besar antara permukaan bagian dalam casing dengan permukaan bagian luar. Dengan demikian maka waktu yang diperlukan untuk pemerataan temperature menjadi lebih lama. Ilustrasi turbin single casing dapat dilihat pada gambar 2. 33
Turbin Single Casing. Double Casing Dalam rancangan double casing, Turbin terdiri dari 2 casing utuk setiap selinder. Dengan demikian maka ketebalan masing-masing casing hanya setengah dari ketebalan single casing. Dengan demikian maka proses pemerataan panas dan ekspansi menjadi lebih cepat. Disamping itu, karena setiap segmen casing menjadi lebih ringan, maka pemeliharaan menjadi lebih mudah dan lebih cepat. Ilustrasi untuk Turbin double casing dapat dilihat pada gambar 3.
Turbin Double Casing. 34
Tripple Casing Dalam rancangan tripple casing, setiap selinder terdiri dari 3 buah casing yaitu inner casing, intermediate casing dan outer casing. Seperti diperlihatkan pada gambar 4.
Gambar 4. Turbin Triple Casing.
Rotor Rotor turbin terdiri dari poros beserta cincin-cincin yang terbentuk dari rangkaian sudu-sudu yang dipasangkan sejajar sepanjang poros. Rotor adalah bagian dari turbin yang mengubah energi yang terkandung dalam uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Secara umum ada 2 macam tipe rotor turbin yaitu rotor tipe piringan (disk) dan rotor tipe drum.
35
Rotor Tipe Disk Pada rotor tipe ini, piringan-piringan (disk) dipasangkan pada poros sehingga membentuk jajaran piringan seperti terlihat pada gambar 5.
Rotor Tipe Cakra (Disk) Rotor Tipe Drum Pada rotor tipe ini, poros dicor dan dibentuk sesuai yang dikehendaki dan rangkaian sudusudu Iangsung dipasang pada poros. Rotor tipe drum sangat fleksibel dan dapat dipakai hampir untuk semua jenis turbin. Ilustrasi rotor jenis ini dapat dilihat pada gambar 6.
Rotor Tipe Drum.
36
Sudu Sudu adalah bagian dari turbin dimana konversi energi terjadi. Sudu sendiri terdiri dari bagian akar sudu, badan sudu dan ujung sudu seperti terlihat pada gambar 7.
Sudu Turbin Sudu seperti terlihat pada gambar 7, tersebut kemudian dirangkai sehingga membentuk satu lingkaran penuh. Rangkaian sudu tersebut ada yang difungsikan sebagai sudu jalan dan ada yang difungsikan menjadi suhu tetap. Rangkaian sudu jalan dipasang disekeliling Rotor sedang rangkaian sudu tetap dipasang disekeliling casing bagian dalam. Rangkaian sudu jalan berfungsi untuk kinetik uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin. Sedangkan sudu tetap, selain ada yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi kinetik, tetapi ada jugs yang berfungsi untuk membalik arah aliran uap. Contoh dari rangkaian sudu jalan dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar Sudu Jalan.
37
Dalam gambar 8, terlihat bahwa bagian akar sudu ditanamkan kedalam alur -alur disekeliling Rotor sedangkan bagian ujung-ujung sudu disatukan oleh plat baja penghubung yang disebut "SHROUD". Shroud berfungsi untuk memperkokoh serta mengurangi vibrasi dari rangkaian sudu-sudu. Sudu-sudu tetap umumnya dirangkai membentuk setengah lingkaran pada sebuah segmen yang disebut diapragma seperti terlihat pada gambar dibawah ini .
Gambar Sudu Tetap Bantalan
Sebagai bagian yang berputar, rotor memiliki kecenderungan untuk bergerak baik dalam arah radial maupun dalam arah aksial.Karena itu rotor harus ditumpu secara baik agar tidak terjadi pergeseran radial maupun aksial yang berlebihan. Komponen yang dipakai untuk keperluan ini disebut bantalan (bearing). Turbin uap umumnya dilengkapi oleh bantalan jurnal (journal bearing) dan bantalan aksial (Thrust bearing) untuk menyangga rotor maupun untuk membatasi pergeseran rotor. Gambar 10, memperlihatkan contoh tipikal kedua jenis bantalan tersebut.
38
Gambar Bantalan Pada bantalan jurnal, permukaaan bagian dalam yang mungkin dapat kontak langsung dengan permukaaan poros dilapisi oleh logam putih (white metal/babbit) yang lunak. Disamping itu juga terdapat saluran-saluran tempat minyak pelumas mengalir masuk ke bantalan dan saluran dimana minyak pelumas dapat mengalir keluar meninggggalkan bantalan. Sedangkan pada bantalan aksial (Thrust bearing), umumnya terdiri dari piringan (Thrust Collar) yang merupakan bagian dari poros dan dua sepatu (Thrust pad) yang diikatkan ke Casing. Bantalan aksial berfungsi untuk mengontrol posisi aksial rotor relatif terhadap casing.
Gambar Turbin Uap
39
KONDENSOR UTAMA (MAIN CONDENSOR). Kondensor Utama (Main Condensor) Seperti diketahui bahwa dalam siklus PLTU, uap yang keluar meninggalkan tingkat akhir turbin tekanan rendah akan mengalir memasuki kondensor. Kondensor PLTU umumnya merupakan perangkat penukar panas tipe permukaan (surface) yang memiliki 2 fungsi utama yaitu sebagai wahana penghasil vacum tinggi bagi uap keluar exhaust turbin serta untuk mengkondensasikan uap bekas keluar dari exhaust turbin. Kedua fungsi tersebut sekilas kurang begitu penting tetapi ternyata keduanya merupakan faktor yang cukup vital dalam pengoperasian turbin maupun efisiensi siklus. Media yang dialirkan ke kondensor untuk mendinginkan/mengkondensasikan uap adalah air yang disebut air pendingin utama (circulating water). Air pedingin mengalir didalam pipa - pipa kondensor sedang uap bekas mengalir dibagian luar pipa. Melalui proses tersebut, panas dalam uap bekas akan diserap oleh air pendingin sehingga uap akan terkondensasi menjadi air yang dinamakan air kondensat. Air kondensat ini akan ditampung dibagian bawah kondensor dalam sebuah penampung yang disebut hotwell. Air kondesat dari dalam hotwell selanjutnya dipompakan lagi ke deaerator oleh pompa kondensat. Kondensor umumnya terletak dibagian bawah turbin (under slung) dan tersambung ke exhaust turbin tekanan rendah. Penyambungan antara turbin dengan kondensor harus cukup feksibel untuk mengakomodir adanya pemuaian akibat variasi temperatur. Ada 2 macam cara penyambungan turbin dengan kondensor yaitu Sambungan Rigid dimana antara turbin exhaust dengan kondensor dihubungkan secara langsung seperti terlihat pada gambar 12. Untuk mengakomodir pemuaian atau penyusutan kondensor, bagian bawah kondensor ditumpu oleh pegas-pegas sehingga memungkinkan kondensor bergerak keatas atau kebawah dengan bebas.
40
Gambar Sambungan Turbin - Kondensor.
Sistem Penghisap Udara (Air Extraction) Pada condensing turbin, efisiensi siklus maupun efisiensi turbin turut ditentukan oleh vacum kondensor. Mengingat bahwa udara serta non condensable gas lain senantiasa muncul dalam kondensor, baik disebabkan karena kebocoran - kebocoran maupun yang terbawa bersama uap, maka akumulasi dari udara dan gas-gas tersebut dapat mengganggu vacum kondensor. Agar tingkat kevacuman kondensor dapat dipertahankan, maka kumulasi udara dan gas-gas tersebut harus dikeluarkan dari kondensor secara kontinyu. Untuk keperluan ini, disediakan perangkat penghisap udara (Air extraction plant) yang berfungsi untuk menghisap udara dan non condensable gas dari kondensor. Ada 2 macam penghisap udara yang banyak dipakai yaitu steam ejector dan vacum pump. Steam Ejector. Perangkat ini menggunakan ejector uap untuk menghisap udara dan non condensable gas dari dalam kondensor. Gambar 22, merupakan ejector uap bertingkat (Multy Stage Steam Ejector) yang terdiri dari 3 tingkat dengan 3 buah ejector yang masing-masing berbeda ukurannya. Ketiga ejector tersebut dipasangkan pada sebuah shell/tabung penukar panas tipe permukaan (Surface Heat Exchanger) dimana di alirankan air kondensat sebagai media pendingin.
41
Pasokan uap berasal dari main steam katup pengatur tekanan, dialirkan ke Nozzle ejector tingkat pertama (primary ejector). Akibat transformasi energi pada Nozzle, maka tekanan dibagian leher Nozzle (Throat) akan turun sehingga udara dan non condensable gas dari kondensor akan terhisap dan keluar dari mulut Nozzle bersama uap. Campuran ini kemudian masuk shell tingkat pertama dan mengalir dibagian dalam pipa-pipa pendingin (tube) dimana dibagian luar pipa dialirkan air condesate sebagai pendingin. Akibat proses pendingin, fraksi uap dalam campuran akan terkondensasi sementara fraksi udara dan non condensable gas akan mengalalmi pengecilan volume (contracting). Campuran udara akan non condensable gas dari shell tingkat pertama kemudian dihisap lagi oleh ejector tingkat kedua. Akibat campuran ini sudah mengalami penurunan volume/kontraksi, maka ejector tingkat kedua hanya memerlukan uap yang lebih sedikit serta ukuran ejector yang lebih kecil. Campuran uap dengan udara dan non condensable gas yang keluar dari ejector tingkat kedua kemudian masuk shell tingkat kedua yang didinginkan oleh air condensate. Hoging/Starting Ejector. Selain perangkat ejector seperti yang dijelaskan diatas, PLTU juga dilengkapi dengan ejector lain yang berukuran lebih besar dan umumnya disebut hoging atau starting ejector. Sesuai namanya, ejector ini hanya dioperasikan sebelum turbin berputar. Fungsinya adalah untuk menghisap udara dalam jumlah besar dari kondensor dalam waktu yang singkat dalam rangka membuat vacum kondensor menjelang start turbin. Dalam keadaan normal operasi, ejector ini umumnya tidak dioperasikan.
Gambar Steam Air Ejector System.
42
ALAT - ALAT BANTU TURBIN Steam Chest Steam chest adalah merupakan titik pertemuan antara pipa uap utama dengan saluran uap masuk turbin. Fungsi utama Steam Chest adalah sebagai wadah untuk menempatkan katup-katup governor sebagai pengatur aliran uap yang akan masuk ke Turbin. Posisi Steam Chest pada konstruksi berbagai turbin sangat beragam. Pada salah satu rancangan turbin, steam chest mungkin ditempatkan dibagian atas dan bawah dari turbin tekanan tinggi. Pada rancangan lain, steam chest ditempatkan dikedua sisi turbin tekanan tinggi. Disebagian besar konstruksi turbin, katup penutup cepat (stop valve) juga ditempatkan pada steam chest. Gambar 26, memperlihatkan sketsa tipikal steam chest dari turbin uap.
Gambar Steam Chest.
43
Katup Penutup Cepat (Stop Valve) Stop valve adalah katup penutup cepat yang berfungsi untuk memblokir aliran uap dari ketel ke Turbin. Katup ini dirancang hanya untuk menutup penuh atau membuka penuh. Pada sebagian turbin, Pembukaan katup ini juga dapat diatur (Throtling) selama periode start turbin untuk mengatur aliran uap hingga putaran turbin tertentu. Fungsi pengaturan ini bagi katup penutup cepat merupakan fungsi tambahan. Fungsi utamanya adalah untuk memutus aliran uap secara cepat ketika dalam kondisi emergensi. Sesuai dengan fungsi utamanya, maka stop valve diharapkan menutup lebih cepat dibanding katup governor. Karena stop valve memiliki fungsi utama dan fungsi tambahan, maka konstruksinya juga terdiri dari katup utama (main valve) dan katup bantu (pilot valve) seperti terlihat pada gambar 28. Katup Pengatur (Governor Valve) Fungsi katup governor adalah untuk mengatur aliran uap dari steam chest yang akan masuk ke Turbin. Jadi tugas utamanya adalah mengatur putaran atau beban yang dihasilkan oleh turbin seperti terlihat pada gambar 15.
Gambar 15. Katup Governor.
44
SISTEM PROTEKSI TURBIN Turbin merupakan suatu mesin yang beroperasi pada tekanan, temperatur dan putaran tinggi. Sehingga menyimpan potensi bahaya yang cukup besar bukan hanya bagi turbinnya sendiri, tetapi juga bagi manusia. Dalam usaha untuk memperkecil resiko bahaya, maka turbin dilengkapi dengan berbagai pengaman (protection) yang antara lain terdiri dari
Pengaman putaran lebih (over Speed Trip)
Pengaman putaran lebih (over Speed Trip)
Pengaman pelumas bantalan rendah (Low Bearing Oil Pressure Trip)
Pengaman tekanan kondensor tinggi (Low Vacum Trip)
Pengaman tekanan minyak bantalan aksial tinggi (Thrust Bearing Oil Pressure)
Pengaman Manual Trip.
Perangkat proteksi turbin kerap disebut Turbine Protective Device seperti dilihat pada gambar 16.
Gambar 16. Protective Device Pada prinsipnya, semua perangkat proteksi tersebut bermuara pada satu tujuan yaitu mentrip turbin dengan cara membuka saluran drain sistem minyak kendali (control oil system). Pada gambar terlihat bahwa bila tuas dalam posisi horizontal, berarti seluruh drain control oil system dalam keadaan tertutup. Kondisi ini adalah kondisi normal operasi.
45
Proteksi Putaran Lebih (Over Speed Protection) Seperti diketahui bahwa gaya sentrifugal berkaitan dengan putaran dimana gaya sentrifugal merupakan fungsi kuadrat dari putaran sudu (w). Ini berarti makin tinggi putaran turbin, makin besar gaya sentrifugal yang ditimbulkan. Pada kondisi putaran tertentu, gaya sentrifugal yang timbul dapat membahayakan turbin. Untuk itu disediakan peralatan proteksi putaranlebih (over speed protection) untuk mengamankan turbin. Ada 2 macam sistem proteksi putaran lebih yaitu sistem proteksi putaran lebih mekanik (mechanical over speed) dan putaran lebih elektrik (electrical over speed). Gambar 17, memperlihatkan sistem proteksi putaran lebih mekanik.
Gambar 17. Mechanical Overspeed Pada poros turbin dibuat alur melintang. Pada alur tersebut dimasukkan logam berbentuk ujung peluru yang ditahan dalam poros oleh pegas tarik. Bila poros berputar, maka akan timbul gaya sentrifugal ke arah luar yang cenderung menarik bonggol peluru keluar poros melawan tarikan pegas. Pada putaran nominal, gaya sentrifugal sebanding dengan gaya tarik pegas. Bila putaran naik hingga mencapai harga tertentu (umumnya 110 %) gaya sentrifugal yang timbul menjadi lebih besar dari gaya tarik pegas. Hal ini mengakibatkan bonggol peluru akan menonjol keluar poros dan mendorong tuas pengunci. Terdorongnya tuas pengunci akan mengakibatkan terbukanya saluran drain pada sistem minyak kendali (control oil) sehingga semua katup uap ke turbin akan menutup yang berarti turbin trip. Dengan tripnya turbin, diharapkan putaran turbin tidak naik lagi sehingga turbin terhindar dari keadaan yang membahayakan. Sistem proteksi putaran lebih elktrik biasanya merupakan cadangan (back up) yang juga akan mentrip bila putaran turbin mencapai > 110%. 46
Low Bearing Oil Pressure Low Trip Kontinyuitas aliran dan tekanan minyak pelumas bantalan turbin merupakan parameter yang penting bagi terbentuknya pelumasan film yang ideal pada bantalan. Bila tekanan minyak pelumas turun dapat merusak karakteristik pelumasan film di bantalan sehingga memungkinkan terjadinya kontak langsung antara permukaan poros turbin dengan permukaan bantalan. Hal ini tentunya dapat mengakibatkan kerusakan pada bantalan maupun poros turbin yang tentunya tidak dikehendaki. Karena itu, bila tekanan pelumas bantalan turun hingga harga tertentu, turbin harus trip. Pada gambar terlihat bellows disebelah tuas yang dihubungkan ke tekanan pelumas bantalan. Bila tekanan pelumas bantalan turun, resultan gaya — gaya berubah sehingga tuas tidak lagi dapat bertahan dalam posisi seimbang (horizontal). Tuas akan berubah posisi dimana bagian dari engsel akan turun kebawah. Kondisi ini mengakibatkan terbukanya saluran drain control oil system sehingga turbin trip. Low Condensor Vacum Trip Sepeti diketahui, bahwa disamping putaran sudut, besarnya gaya sentrifugal juga ditentukan oleh radius perputaran. Diataranya seluruh jajaran sudu - sudu turbin, radius sudu yang paling besar adalah radius dari rangkaian sudu tingkat akhir. Jadi gaya sudu yang paling besar adalah radius dari rangkaian sudu tingkat akhir. Jadi gaya sentrifugal yang paling besar juga terjadi pada sudu-sudu tingkat akhir dari turbin tekanan rendah (LP Turbine). Disamping itu bahwa sudu- sudu tingkat akhir dari turbin tekanan rendah tingkat akhir inilah yang berhubungan langsung dengan kondensor. Bila tekanan kondensor naik (vacum rendah) terdiri dari temperatur saturated uap bekas yang keluar dari sudu akhir dan akan terkondensasi di kondensor sudu — sudu akhir. Sedangkan kita ketahui bahwa dengan naiknya temperatur, maka daya tahan dari logam akan berkurang. Bila kenaikan temperatur cukup signifikan, maka turbin dapat berada dalam kondisi berbahaya. Karena itu, perlu disediakan proteksi terhadap tekanan kondensor tinggi. Pada gambar terlihat bahwa bellows dihubungkan ke kondensor. Bila tekanan kondensor naik hingga mencapai harga tertentu, maka tekanan di dalam bellows juga naik sehingga resultan gaya — gaya pada tuas menjadi tak seimbang lagi. Tuas akan berubah dari posisi normal (horizontal). Bagian tuas di sebelah kid engsel akan turun ke bawah dan ini akan membuka saluran drain control oil system sehingga turbin trip.
47
Manual Trip Selain semua perangkat proteksi yang telah dibahas di atas. Turbin juga masih dilengkapi dengan fasilitas manual trip level yang umumnya ada di lokal serta manual trip button yang terpasang di ruang kontrol (control room). Dengan fasilitas ini, operator dapat mentrip turbin secra baik dari lokal maupun dari control room bila mendapatkan bahwa turbin beroperasi dalam kondisi yang berbahaya. Pada gambar 17 juga terlihat fasilitas trip manual yang terpasang dilokal berupa tuas (manual trip level). Bila tuas ini digerakkan ke kiri, maka turbin akan trip karena gerakan turbin tuas ini akan membuka saluran drain dari sistem minyak kendali ( control oil sistem). SISTEM PELUMAS TURBIN Sistem pelumas sistem yang cukup vital untuk turbin. Fungsinya bukan hanya terbatas untuk pelumasan kerja saja, tetapi juga untuk memindahkan panas dan memindahkan kotoran. Disamping itu, pada sebagian besar turbin saat ini, sistem pelumasan juga memasok kebutuhan minyak hidrolik baik sebagai penggerak aktuator hidrolik (Power oil) maupun sebagai minyak kendali (control oil) pada sistem pengaturan governor. Untuk turbin-turbin yang menggerakan generator berpedingin hidrogen, sistem pelumas juga merupakan pasokan cadangan (Back up oil) bagi sistem perapat poros generator (seal oil system). Mengingat peranannya yang cukup vital, maka sistem pelumasan menerapkan sistem sirkulasi bertekanan yang dilengkapi oleh berbagai komponen seperti terlihat pada gambar 18.
Gambar 18. Sistem Pelumas Turbin.
48
Komponen-komponen utama dalam sistem pelumasan antara lain adalah :
Tangki pelumas
Pompa pelumas
Pendingin minyak pelumas
Saringan-saringan
Regulator
Pemurni minyak (Purifier)
Tangki Pelumas Tangki pelumas berfungsi sebagai penampung (reservoir) guna memasok kebutuhan minyak bagi sistem pelumasan dan lainnya serta menampung minyak yang kembali dari sistem pelumasan. Pada tangki pelumas juga yang beberapa pompa pelumas seperti Pompa Pelumas Bantu (AOP), Turning Gear Oil Pump (TGOP) dan Emergency Oil Pump (EOP). Didalam tangki sendiri juga dilengkapi dengan beberapa lapis saringan (filter) untuk menyaring kotoran. Selain itu tangki juga dilengkapi dengan oil vapour extractor untuk menghisap uap minyak yeng terbentu serta saluran drain untuk membuang kotoran / lumpur yang terbentuk dalam minyak. Untuk melihat level minyak didalam tangki secara visual disediakan gelas duga dan tongkat pengukur (deep stick). Pompa - Pompa Pelumas Pompa pelumas berfungsi untuk menjamin kontinyuitas aliran dan tekanan minyak pelumas dalam sistem pelumasan. Demikian pentingnya kedua parameter tersebut, sehingga dalam sistem pelumasan disediakan beberapa buah pompa yaitu
Pompa pelumas utama (Main Lube Oil Pump)
Pompa pelumas bantu (Auxiliary Lube Oil Pump)
Turning Gear Oil Pump
Pompa pelumas darurat (Emergency Oil Pump)
Pada sistem pelumasan, minyak pelumas dari tangki dipompakan oleh pompa pelumas dan dialirkan melalui pendingin (Oil Cooler), melintasi pengontrol aliran atau regulator tekanan dan selanjutnya mengalir kebantalan untuk akhirnya kembali ke tangki pelumas.
49
Dalam keadaan turbin sudah beroperasi normal, minyak pelumas dipasok oleh Main Oil Pump yang digerakkan oleh poros turbin. Tetapi dalam keadaan start/shutdown, maka pompa-pompa yang terpasang di tangki pelumas yang beroperasi. Pompa Pelumas Utama (Main Oil Pump) Merupakan pompa sentrifugal yang terpasang dipedestal turbin dan digerakkan oleh poros turbin. Pompa ini memasok kebutuhan minyak untuk sistem pelumas turbin, minyak pengatur (control oil) untuk governor, minyak penggerak servomotor / aktuator hidrolik (power oil) dan pasok cadangan (back up supply) untuk minyak perapat poros generator (seal oil system). Karena pompa ini digerakkan manakala putaran turbin sudah diatas 90 % dari putaran nominalnya. Pada saat putaran turbin < 90%, maka diperlukan pompa pelumas lain (biasanya AOP) untuk memenuhi kebutuhan tersebut. Gambar 19, merupakan ilustrasi dari pompa pelumas utama (MOP).
Gambar 19. Pompa Pelumas Utama. Umumnya merupakan konstruksi double suction single stage. Pompa ini dipasok oleh minyak dari ejektor minyak (oil ejector) pada tekanan 1 - 1,5 bar dengan tekanan sisi tekan (discharge) proporsional dengan putaran. Pada putaran nominal, tekanan keluar pompa berkisar antara 20-30 bar (tergantung desain). Pendingin Minyak (Oil Cooler) Seperti telah disinggung diatas bahwa minyak pelumas yang mengalir ke bantalan bukan hanya berfungsi sebagai pelumas tetapi juga menyerap panas yang timbul dibantalan. Panas yang diserap oleh minyak pelumas ini harus dikeluarkan lagi dari minyak. Komponen yang dirancang untuk mengeluarkan panas dari minyak adalah pendingin minyak (oil cooler). Didalam cooler,
50
panas dari minyak akan diserap leh air pendingin. Umumnya, untuk sistem pelumasan disediakan 2 buah cooler yaitu 1 cooler aktif sedang 1 cooler lainnya standby seperti terlihat pada gambar 20.
Gambar 20. Pendingin Minyak Pelumas. Cooler yang telah selesai dibersihkan harus dikembalikan ke kondisi stand by. Yang dimaksud kondisi standby adalah bahwa didalam cooler sudah tidak ada lagi sisa udara dan seluruh volume cooler sudah terisi minyak pelumas. Cara membuang udara dari cooler adalah dengan membuka saluran venting dan bersamaan dengan itu minyak pelumas dialirkan kedalam cooler secara perlahan-lahan. Minyak pelumas yang mengalir dan mengisi cooler akan mendorong keluar udara dari dalam cooler. Bila dari saluran venting sudah mulai keluar minyak, berarti udara sudah habis dan katup venting dapat ditutup. Kini cooler berada pada kondisi standby. Pendingin minyak (oil cooler) merupakan komponen yang cukup penting karena menentukan temperatur minyak pelumas. Sedangkan temperatur minyak pelumas merupakan fungsi dari viskositas minyak pelumas yang turut menentukan terbentuknya lapisan film pelumas pada bantalan.
Pompa Pelumas Bantu (Auxiliary Oil Pump) Pompa ini dipasang diatas tangki pelumas dan digerakkan oleh motor listrik AC. Berfungsi sebagai pemasok minyak manakala pompa pelumas utama (MOP) belum mampu menjalankan tugasnya misalnya saat start turbin, shutdown ataupun adalah masalah lain (malfunction) pada 51
MOP. AOP memasok kebutuhan minyak untuk sistem pelumasan, minyak pengatur (control oil) dan minyak penggerak (power oil) pada sistem governor, pasok cadangan bagi sistem perapat poros generator (seal oil system) serta memasok minyak untuk sisi hisap MOP (MOP suction). Switch pompa ini umumnya memiliki 3 posisi yaitu "RUN", "AUTO" dan posisi "Lock". Posisi RUN untuk menjalankan pompa secara manual. Pada posisi "AUTO", pompa akan start secara otomatis bila tekanan minyak pelumas turun hingga mencapai harga tertentu. Posisi "Lock" adalah untuk memblokir agar pompa ini tidak akan beroperasi dalam kondisi apapun juga. Turning Gear Oil Pump Pompa ini juga dipasang dibagian atas tangki pelumas turbin dan digerakkan oleh motor listik AC. Umumnya hanya menyediakan pasokan bagi sistem pelumas bantalan terutama pada saat rotor turbin sedang diputar oleh turbin gear. Seperti halnya AOP, TGOP juga dilengkapi oleh switch 3 posisi. Dalam posisi "AUTO", TGOP akan start secara otomatis bila tekanan pelumas turun hingga mencapai harga tertentu. Pompa Pelumas Darurat (Emergency Oil Pump) Juga terpasang pada bagian atas tangki pelumas turbin. Pompa ini digerakkan oleh motor listrik DC. Dengan demikian maka pompa ini merupakan pompa yang masih dapat beroperasi meskipun dalam kondisi pasokan listrik AC tidak tersedia misalnya dalam keadaan black out. Seperti halnya TGOP, pompa ini juga hanya memasok sistem pelumasan turbin. EOP juga dilengkapi switch 3 posisi. Dalam posisi "AUTO", meskipun pasokan listrik AC tetap tersedia, pompa ini juga akan start secara otomatis bila tekanan minyak pelumas bantalan turun hingga mencapai harga tertentu. Jacking Oil Pump Merupakan pompa yang berfungsi mengangkat (jack) poros turbin dengan tekanan minyak yang tujuannya adalah menghindari terjadinya gesekan statik ketika poros turbin akan mulai berputar dari keadaan diam (stand still). Sesuai dengan fungsinya, pompa ini menghasilkan tekanan minyak yang sangat tinggi. Meskipun demikian, tidak semua turbin dilengkapi dengan jacking oil pump. Saringan (Filter/Strainer) berfungsi untuk menyaring kotoran sehingga minyak pelumas yang akan mengalir ke komponenkomponen yang akan dilumasi dalam kondisi bersih.
52
KESIMPULAN Turbine pada dasarnya adalah alat mekanik yang termasuk dalam rotating equipment. Turbine adalah sumber penggerak atau driver yang digunakan untuk menggerakkan alat lain dengan mengubah energi potensial menjadi kinetik. Turbine menggunakan alat yang dinamakan rotor dan blade yang digerakkan oleh sumber energi sehingga berputar dan menghasilkan energi potensial yang mana selanjutnya energi potensial tersebut digunakan untuk menggerakkan alat lain seperti pompa. Sumber energi yang digunakan untuk memutar rotor dan blade dalam turbine diantaranya air, uap, dan gas.
53
