MAKALAH SISTEM TURBIN GAS PADA SISTEM PLTGU
Disusun untuk memenuhi nilai mata kuliah Sistem PLTG pada Program DIII Kerjasama FT. Undip – PT. PLN (Persero) bidang Teknik Mesin Universitas Diponegoro
Disusun Oleh :
DIMAS YUDHA SATRIA UTAMA 21050111083008
PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2013 i
KATA PENGANTAR Alhamdulillah, penulis panjatkan puji dan syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis mampu menyelesaikan makalah yang berjudul “SISTEM TURBIN GAS PADA SISTEM PLTGU ”. Makalah ini disusun sebagai salah satu syarat bagi penulis untuk memenuhi nilai pada mata kuliah Sistem PLTG pada kurikulum Semester V Program Studi Diploma III Teknik Mesin Program Kelas Kerjasama PT. PLN (Persero). Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Allah SWT., atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya. 2. Ibu dan Ayah penulis yang selalu mendukung baik secara moral maupun material, yang selalu mengingatkan untuk menyelesaikan makalah ini. 3. Bapak Bambang Setyoko, ST. M.Eng selaku ketua jurusan Program Studi Diploma III Teknik Mesin Universitas Diponegoro dan dosen pengampu mata kuliah system PLTG. 4. Teman – teman seperjuangan di Program Studi Diploma III Teknik Mesin Program Kelas Kerjasama PLN angkatan 2011. 5. Semua pihak yang telah membantu penulisan laporan ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan makalah ini tak luput dari kesalahan dan kekurangan. Karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak. Akhir kata penulis berharap semoga makalah ini dapat berguna bagi kita semua, Aamiin.
Semarang, 5 Oktober 2013
Penulis
ii
DAFTAR ISI COVER .................................................................................................................... i KATA PENGANTAR ............................................................................................ ii DAFTAR ISI .......................................................................................................... iii DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. v DAFTAR TABEL .................................................................................................. vi BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................ i 1.1 Latar Belakang .............................................................................................. 1 1.2 Rumusan Masalah ......................................................................................... 1 BAB II TURBIN GAS ............................................................................................ 3 2.1 Sejarah Turbin Gas ........................................................................................ 3 2.2 Pengertian Turbin Gas................................................................................... 5 2.3 Prinsip Kerja Turbin Gas .............................................................................. 7 2.4 Klasifikasi Turbin Gas .................................................................................. 9 2.5 Siklus-siklus Turbin Gas ............................................................................. 11 2.6 Modifikasi Turbin Gas ................................................................................ 13 2.7 Siklus Brayton dengan Intercooler, Reheater, dan Regenerator ................. 13 2.8 Komponen Turbin Gas ................................................................................ 14 2.9 Komponen Penunjang Sistem Turbin Gas .................................................. 19 2.10 Aplikasi Turbin Gas .................................................................................. 21 BAB III BAHAN BAKAR TURBIN GAS ......................................................... 23 3.1 Bahan Bakar Turbin Gas ............................................................................. 23 3.2 Proses Pembakaran Turbin Gas .................................................................. 24 BAB IV INTERCOOLER .................................................................................... 27 4.1 Intercooler ................................................................................................... 27 BAB V PERSAMAAN ENERGI YANG UMUM UNTUK PROSES ALIRAN TUNAK DAN PENERAPANNYA PADA SISTEM TURBIN GAS .................. 31 5.1 Persamaan Energi yang Umum Untuk Proses Aliran Tunak ...................... 31 5.2 Penerapan Persamaan Energi Yang Umum Untuk Proses Aliran Tunak ... 33 5.3 Turbin .......................................................................................................... 34 BAB VI PROSEDUR PENGOPERASIAN TURBIN GAS PLTGU CILEGON 36 6.1 Persiapan dan Pelaksanaan, Sebelum Operasi Turbin Gas ......................... 36 6.2 Persiapan Start ............................................................................................. 36 6.3 Batasan Operasi ........................................................................................... 37
iii
BAB VII MIANTENANCE & TROBLESHOOTING......................................... 40 7.1 Maintenance Turbin Gas ............................................................................. 40 7.2 Trobleshooting ............................................................................................ 41 BAB VIII PENUTUP ............................................................................................ 42 8.1 Kesimpulan ................................................................................................. 42 8.2 Saran ............................................................................................................ 42 DAFTAR PUSTAKA
iv
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Hero engine ......................................................................................... 3 Gambar 2.2 Turbin gas ............................................................................................ 6 Gambar 2.3 Turbin gas sederhana dengan poros tunggal ....................................... 6 Gambar 2.4 motor turbojet dan komponen utamanya (Turbomeca: Marbore) ....... 7 Gambar 2.5 Tubin gas ............................................................................................. 8 Gambar 2.6 Turbin gas poros tunggal ................................................................... 10 Gambar 2.7 Turbin gas poros ganda ..................................................................... 11 Gambar 2.8 Siklus Bryton ..................................................................................... 12 Gambar 2.9 Diagram T-S Siklus Brayton dengan reheat regeneration dan intercooling ........................................................................................................... 14 Gambar 2.10 Modifikasi Siklus Brayton .............................................................. 14 Gambar 2.11 Tipe turbin rotor assembly .............................................................. 16 Gambar 2.12 Casing Kompresor ........................................................................... 17 Gambar 2.13 Komponen turbin section ................................................................ 19 Gambar 2.14 Prinsip kerja unit pembangkit turbin gas......................................... 22 Gambar 3.1 Ruang bakar dan proses pembakaran turbin gas ............................... 25 Gambar 4.1 Skema susunan intercooling pada turbin gas siklus tertutup ............ 27 Gambar 4.2 Diagram T-s untuk intercooling ........................................................ 28 Gambar 4.2 Diagram p-v kompresor bertingkat dengan intercooler .................... 30 Gambar 4.3 Intercooler ......................................................................................... 30 Gambar 5.1 Sistem dan batas sistem ..................................................................... 31 Gambar 5.2 Diagram entropi versus entropi ......................................................... 34 Gambar 5.3 Diagram entalpi versus entropi sebuah turbin ................................... 35
v
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan turbin gas siklus tertutup dengan siklus terbuka .............. 9 Tabel 2.2 Data Manufaktur turbin gas poros tunggal ........................................... 10 Tabel 6.1 Batasan operasi PLTGU Cilegon .......................................................... 37 Tabel 6.2 Vibration limits setting value (peak to peak) ........................................ 37 Tabel 6.3 Lube oil pressure setting ....................................................................... 37 Tabel 6.4 Lube oil temperature setting ................................................................. 38 Tabel 6.5 Cooling temperature setting .................................................................. 38 Tabel 6.6 Exhaust gas pressure setting ................................................................. 38 Tabel 6.7 Blade path and exhaust temperature alarm setting................................ 38 Tabel 6.8 Low frequency interlock summary ....................................................... 39
vi
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Turbin adalah mesin penggerak, dimana energy fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Jadi, berbeda dengan yang terjadi dengan mesin torak, pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi. Bagian turbin yang berputar dinamai rotor atau roda turbin., sedangkan bagian yang tidak berputar dinamai stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya (generator listrik, pompa, kompresor, balingbaling atau mesin lainnya). Di dalam turbin, fluida kerja mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinu. Kerja fluida dapat berupa air, uap air, atau gas. Secara umum, sistem turbin terdiri dari beberapa komponen, antara lain: kompresor, pompa, ketel uap (boiler), ruang bakar, kondensor dan turbin. Turbin banyak di manfatkan untuk pembangkit listrik, pesawat terbang, di dalam industry, dan lain-lain. Di dalam makalah ini, akan di bahas khusus pada turbin gas baik dalam siklus, klasifikasi, komponen-komponen yang ada, dan prinsip kerja dari turbin tersebut serta aplikasi turbin yang akan di gunakan. PLTG difungsikan untuk mengatasi kebutuhan energi listrik saat beban puncak. Alasan pemilihan jenis pembangkit ini adalah operasi penyediaan daya dibangkitkan lebih cepat. Kelebihan lain yang dimiliki yaitu untuk menghasilkan daya yang besar dibutuhkan ruangan yang kecil. Konsumsi energi pada peralatan PLTG bersumber dari putaran turbin gas. Daya poros yang dihasilkan turbin gas digunakan untuk memutar accessory gear. Alat ini digunakan untuk memutar alat-alat pendukung, yaitu pompa dan kompresor pengabut.
1.2
Rumusan Masalah 1. Bagaimana sejarah turbin gas?
1
2.
Bagaimana prinsip kerja turbin gas?
3.
Bagaimana klasifikasi tubin gas?
4.
Apa saja siklus-siklus turbin gas?
5.
Bagaimana persamaan energy yang umum untuk proses aliran tunak dan penerapannya pada system turbin gas?
1.3
6.
Bagaimana SOP turbin gas?
7.
Bagaimana troubleshooting turbin gas?
Tujuan Penulisan 1. Mengetahui sejarah turbin gas. 2.
Mengetahui prinsip kerja turbin gas.
3.
Mengetahui klasifikasi turbin gas.
4.
Mengetahui siklus-siklus turbin gas.
5.
Mengetauhi persamaan energy yang umum untuk proses aliran tunak dan penerapannya pada system turbin gas.
6.
Mengetahui SOP turbin gas.
7.
Mengetahui troubleshooting turbin gas.
2
BAB II TURBIN GAS
2.1
Sejarah Turbin Gas Prinsip konversi energy dalam turbin sudah lama diketahui. Kirakira 130 tahun sebelum masehi prinsip turbin reaksi sudah ditemukan oleh ilmuwan Mesir kuno ( Alexandria ) bernama Hero. alat tersebut dinamakan Aeolipile. Aeolipile yaitu bejana yang diisi dengan air dan bejana tersebut dihubungkan dengan bejana sperical yang bebas bergerak melalui penopang pipa, bila bejana air dipanaskan maka uap akan mengalir melalui pipa penyangga dan masuk ke bejana sperical dan memancar melalui dua buah nozzle, pancaran tersebut menghasilkan gaya dorong dan timbul reaksi gaya gerak sperical berputar dengan arah yang berlawanan.
Gambar 1.1 Hero engine Sedangkan prinsip turbin impuls oleh Giovanni Branca pada tahun 1962. Pada dasarnya proses konversi energy dalam turbin merupakan proses ekspans, yaitu proses penurunan tekanan. Pada turbin reaksi proses ekspansi tersebut terjadi baik dalam sudu-sudu tetap (pengarah) yang terpasang pada rumah turbin yang tidak berputar, maupun dalam sudusudu gerak yang terpasang pada roda turbin yang berputar. Sedangkan pada turbin impuls proses ekspansi hanya terjadi pada sudu-sudu tetap saja. Jadi boleh dikatakan bahwa turbin diketemukan lebih dahulu
3
daripada mesin torak. Perkembangannya memang lamban, karena pengetahuan tentang material dan aerotermodinamika belum memadai. Selanjutnya prinsip system turbin gas yang terdiri dari kompresor, ruang bakar (pembakaran kontinyu pada tekanan konstan) dan turbin (impuls) yang banyak digunakan sekarang oleh John Barber (Nuneaton, Inggris) pada tahun 1791. Kemajuan teknologi turbin gas juga dipacu oleh temuan oleh turbin uap reaksi oleh Sir Charles Parsons (Inggris) pada tahun 1884. Turbin uap kemudian diterapkan pada system propulsi kapal dan pusat tenaga listrik. Usaha pengembangan system turbin gas diteruskan terutama dengan terlebih dahulu meningkatkan efisiensi kompresor. Penggunaan turbin impuls pada system turbin gas juga dilakukan oleh Rene Armengaud dan Charles Lemale (Perancis) yang menghasilkan daya poros 500 Hp pada 5000 rpm, dengan efisiensi termal disekitar 3-5%. Pada waktu itu sudu-sudu didinginkan dengan air yang disemprotkan. Sedangkan jenis turbin yang digunakan adalah turbin bertekanan rendah. Namun F. Stolze (Jerman) kemudian juga mencoba menggunakan turbin reaksi yang dirancang pada tahun 1872 tetapi baru dapat dibuat dan diuji sekitar tahun 1904. Sementara itu Hans H. Holzwarth (Jerman) mencoba merancang system turbin gas dengan pembakaran volume konstan (pembakaran tidak kontinyu). Walaupun demikian hasilnya dianggap tidak praktis dan efisiensinya rendah. Penggunaan turbin gas sebagai turbocarjer pada motor diesel dirintis oleh Dr. Sefred Buchi (Swiss) pada tahun 1908. Penggunaan turbocarjer pada motor bensin untuk propulsi pada pesawat terbang untuk pertama kalinya dirintis oleh A. Rateau (Perancis) pada tahun 1917. Pada waktu itu teknologi motor bakar torak lebih maju dan berkembang. Dalam hal tersebut penggunaan turbocarjer diperlukan untuk meningkatkan daya motor atau mengkompensasi turunnya daya dengan ketinggian terbang. Penggunaan turbin gas sebagai motor propulsi pesawat terbang dirintis oleh Frank Whittle (Inggris) yang mengajukan paten untuk system turbin gas dan saluran pmbangkit jet, pada bulan Januari tahun 1930. Berbagai
4
usaha telah dilakukan untuk mengatasi kesulitan biaya dan mendapatkan dukungan, tetapi baru 5 tahun kemudian konsep rancangannya mendapat tanggapan. Pada tahun 1937 motor turbojet berhasil diuji dengan hasil yang baik. Hal tersebut kemudian memicu pengembangan desain dan pembuatan motor turbojet. Penelitian dan pengembangan ditekankan pada peningkatan efisiensi kompresor (sentrifugal). Namun, perlu perlu dicatat bahwa sebelum Frank Whittle, sebenarnya sudah ada paten motor jet oleh Lorin (1908) berdasarkan prinsip motor torak sebagai pembangkit gas, kemudian juga Lorin (1913) tentang prinsip ramjet, dan M. Guillaume (1921) berdasarkan prinsip turbin gas sebagai pembangkit turbin gas. Tetapi hal tersebut baru diketahui pada tahun 1939 oleh Gohlke, seorang pemeriksa paten dari Jerman. 2.2
Pengertian 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 adalah motor bakar yang terdiri dari tiga komponen utama, yaitu : kompresor, ruang bakar, dan turbin seperti terlihat pada gambar 2.2. system ini dapat berfungsi sebagai pembangkit gas ataupun menghasilkan daya poros. Ciri utama turbin gas adalah kompak, ringan, dan mampu menghasilkan daya tinggiserta bebas getaran. Dengan demikian mudah pemasangannya dan tidak memerlukan pondasi kuat.
5
Gambar 2.2 Turbin gas Berbeda dengan motor bakar torak, pada turbin gas tidak terdapat bagian yang bergerak translasi sehingga turbin gas dikatakan bebas getaran. Disamping itu proses kompresi, pembakaran, dan ekspansi terjadi secara terpisa, masing-masing didalam kompresor, ruang bakar, dan turbin. Turbin menghasilkan daya yang sebagian besar diperlukan untuk menggerakan kompresornya sendiri, sisanya untuk menggerakan beban disebut daya poros seperti ditunjukan pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Turbin gas sederhana dengan poros tunggal
6
Beban dapat berupa roda penggerak, propeller, generator listrik, pompa, fan, atau kompresor. Apabila semua daya turbin untuk menggerakan kompresornya sendiri, maka pasangan kompresor, turbin, dan ruang bakar tersebut hanya berfungsi menghasikan gas panas. Oleh karena itu pasangan tersebut dinamai pembangkit-gas (gas generator) seperti pada motor turbo jet tersebut pada gambar 2.4. pada motor turbojet, turbin gas berfungsi sebagai pembangkit-gas untuk nosel yang berfungsi menghasilkan pancaran (jet) gas berkecepatan tinggi, untuk menghasilkan gaya dorong.
Gambar 2.4 motor turbojet dan komponen utamanya 2.3
Prinsip Kerja Turbin Gas 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
7
dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).
Gambar 2.5 Turbin gas 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.
8
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, dsb.
Untuk memperkecil kerugian ini hal yang dapat dilakukan antara lain dengan perawatan (maintenance) yang teratur atau dengan memodifikasi peralatan yang ada. 2.4
Klasifikasi Turbin Gas Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari: 1. Turbin gas siklus tertutup (Close cycle) 2. 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. Perbandingan antara turbin gas siklus tertutup dengan siklus terbuka adalah sebagai berikut:
Tabel 2.1 Perbandingan turbin gas siklus tertutup dengan siklus terbuka NO Turbin Gas Siklus Tertutup Turbin Gas Siklus Terbuka 1
Udara tekan dipanaskan dirunag Udara tekan dipanaskan diruang bakar. Karena gas dipanaskan bakar.
Produk
pembakaran
oleh sumber eksternal, jumlah gas bercampur dengan udara panas. tetap sama. 2
Gas dari turbin diteruskan ke Gas dari turbin dibuang ke atmosfir ruang pendinginan.
3
Fluida kerja bersirkulasi secara Fluida kerja diganti secara kontinyu kontinyu.
4
Fluida jenis apa saja dengan sifat Hanya udara yang bisa digunakan thermodinamika yang baik bisa sebagai fluida kerja.
9
digunakan. 5
Sudu turbin tidak cepat aus, Sudu turbin cepat aus, karena udara karena gas tidak terkontaminasi dari atmosfir terkontaminasi ketika ketika melewati ruang bakar.
6
melewati ruang bakar.
Karena udara didinginkan dengan Karena udara dari turbin dibuang ke sirkulasi air, cocok digunakan atmosfir, cocok digunakan untuk untuk jenis instalasi stasioner atau kendaraan yang bergerak. di kapal.
7
Biaya perawatan tinggi
Biaya perawatan rendah
8
Berat instalasi perdaya (HP) lebih Berat instalasi perdaya (HP) lebih besar.
kecil.
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 industry.
Gambar 2.6 Turbin gas poros tunggal Contoh data manufaktur turbin gas poros tunggal adalah: Type
Tabel 2.2 Data Manufaktur turbin gas poros tunggal PG 5341 (N)
Rating (base, Gas/Oil)
20.900/20.450 (KW)
Altitude
Seal Level
Compressor Stage
17
10
Turbin Stage
2
Turbin Speed
5100 rpm
Inlet Temperature
32.2oC
Inlet Pressure
1.0333 kg/cm2
Exhaust Temperature
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)
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.
Gambar 2.7 Turbin gas poros ganda 2.5
Siklus-siklus Turbin Gas Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu: 1. Siklus Ericson
11
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 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. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:
Gambar 2.8 Siklus Bryton
Proses 1 ke 2 (kompresi isentropik). Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 – h1).
12
Proses 2 ke 3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (ma + mf) (h3 – h2).
Proses 3 ke 4, ekspansi isentropik didalam turbin. Daya yang dibutuhkan turbin: WT = (ma + mf) (h3 – h4).
Proses 4 ke 1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor yang dilepas: QR = (ma + mf) (h4 – h1).
2.6
Modifikasi Turbin Gas Dalam upaya untuk meningkatkan efisiensi dari turbin gas, modifikasi terkonsentrasi di tiga bidang: 1. Meningkatkan temperatur inlet turbin (pembakaran). 2. Meningkatkan efisiensi komponen-mesin turbo. 3. Menambahkan modifikasi pada siklus dasar (brayton). Efisiensi namun
siklus
turbin
gas
pada
awalnya
masih
sederhana,
pada perkembangannya, kini dapat hampir dua kali lipat efisiensi
semula dengan memasang/ melakukan
intercooling,
regenerasi,
dan
pemanasan (reheating). Back work ratio siklus turbin gas meningkat sebagai
hasil
dari
intercooling
dan
reheating.
Tetapi
efisiensi
termalnya akan menurun. Intercooling dan reheating selalu akan menurunkan efisiensi termal kecuali mereka disertai oleh regenerasi. Hal ini karena intercooling menurunkan suhu rata-rata di mana panas yang ditambahkan, dan meningkatkan pemanasan suhu rata- rata di
mana
panas ditolak. Oleh karena itu, dalam pembangkit listrik gas turbin, intercooling dan pemanasan selalu digunakan bersama dengan regenerasi.
2.7
Siklus Brayton dengan Intercooler, Reheater, dan Regenerator Kombinasi dari reheat, dan intercooling dengan regenerasi menghasilkan peningkatan efisiensi thermal yang besar.
Dengan jumlah reheater dan intercooler yang tak hingga, siklus ini akan memiliki efisiensi seperti Carnot karena proses perpindahan panasnya menjadi isothermal.
13
Gambar 2.9 Diagram T-S Siklus Brayton dengan reheat regeneration dan intercooling
Gambar 2.10 Modifikasi Siklus Brayton 2.8
Komponen Turbin Gas Turbin gas tersusun atas komponen-komponen utama seperti air inlet section, compressor section, combustion section, turbine section, dan exhaust section. Sedangkan komponen pendukung turbin gas adalah starting equipment, lube-oil system, cooling system, dan beberapa komponen pendukung lainnya. Berikut ini penjelasan tentang komponen utama turbin gas: 1. Air Inlet Section. Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari:
14
Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.
Inertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau partikel yang terbawa bersama udara masuk.
Pre-Filter, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet house.
Main Filter, merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini masuk ke dalam kompresor aksial.
Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat memasuki ruang kompresor.
Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan.
2. Compressor Section. Komponen utama pada bagian ini adalah aksial flow compressor, 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: A. Compressor Rotor Assembly. Merupakan bagian dari kompresor aksial yang berputar pada porosnya. Rotor ini memiliki 17 tingkat sudu yang mengompresikan aliran udara secara aksial dari 1 atm menjadi 17 kalinya sehingga diperoleh udara yang bertekanan tinggi. Bagian ini tersusun dari wheels, stubshaft, tie bolt dan sudu-sudu yang disusun kosentris di sekeliling sumbu rotor.
15
Gambar 2.11 Tipe turbin rotor assembly B. Compressor Stator. Merupakan bagian dari casing gas turbin yang terdiri dari:
Inlet Casing, merupakan bagian dari casing yang mengarahkan udara masuk ke inlet bellmouth dan selanjutnya masuk ke inlet guide vane.
Forward Compressor Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat empat stage kompresor blade.
Aft
Casing,
bagian
casing
yang
didalamnya
terdapat
compressor blade tingkat 5-10.
Discharge Casing, merupakan bagian casing yang berfungsi sebagai tempat keluarnya udara yang telah dikompresi.
16
Gambar 2.12 Casing Kompresor 3. 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. Komponenkomponen 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.
17
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.
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.
4. Turbin Section Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak compresor 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 :
Turbin Rotor Case
First Stage Nozzle, yang berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first stage turbine wheel.
First
Stage
Turbine
Wheel,
berfungsi
untuk
mengkonversikan energi kinetik dari aliran udara yang berkecepatan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaran rotor.
Second Stage Nozzle dan Diafragma, berfungsi untuk mengatur aliran gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi untuk memisahkan kedua turbin wheel.
Second Stage Turbine, berfungsi untuk memanfaatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first stage
18
turbine untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang lebih besar.
Gambar 2.13 Komponen turbin section 5. Exhaust Section Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas. Exhaust section terdiri dari beberapa bagian yaitu :
Exhaust Frame Assembly
Exhaust Diffuser assembly
Exhaust gas keluar dari turbin gas melalui exhaust diffuser 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 pengukuran ini 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. 2.9
Komponen Penunjang Sistem Turbin Gas A. Starting Equipment. Berfungsi untuk melakukan start up sebelum turbin bekerja. Jenis-jenis starting equipment yang digunakan di unit-unit turbin gas pada umumnya adalah : 1. Diesel Engine, (PG –9001A/B) 2. Induction Motor, (PG-9001C/H dan KGT 4X01, 4X02 dan 4X03)
19
3. Gas Expansion Turbine (Starting Turbine) B. Coupling dan Accessory Gear Berfungsi untuk memindahkan daya dan putaran dari poros yang bergerak ke poros yang akan digerakkan. Ada tiga jenis coupling yang digunakan, yaitu: 1. Jaw Cluth, menghubungkan starting turbine dengan accessory gear dan HP turbin rotor. 2. Accessory Gear Coupling, menghubungkan accessory gear dengan HP turbin rotor. 3. Load Coupling, menghubungkan LP turbin rotor dengan kompressor beban. C. Fuel System. Bahan bakar yang digunakan berasal dari fuel gas system dengan tekanan sekitar 15 kg/cm2. Fuel gas yang digunakan sebagai bahan bakar harus bebas dari cairan kondensat dan partikel-partikel padat. Untuk mendapatkan kondisi tersebut diatas maka sistem ini dilengkapi dengan knock out drum yang berfungsi untuk memisahkan cairan-cairan yang masih terdapat pada fuel gas. D. Lube Oil System. Lube oil system berfungsi untuk melakukan pelumasan secara kontinu pada setiap komponen sistem turbin gas. Lube oil disirkulasikan pada bagian-bagian utama turbin gas dan trush bearing juga untuk accessory gear dan yang lainnya. Lube oil system terdiri dari:
Oil Tank (Lube Oil Reservoir)
Oil Quantity
Pompa
Filter System
Valving System
Piping System
Instrumen untuk oil
20
Pada turbin gas terdapat tiga buah pompa yang digunakan untuk mensuplai lube oil guna keperluan lubrikasi, yaitu: 1. Main Lube Oil Pump, merupakan pompa utama yang digerakkan oleh HP shaft pada gear box yang mengatur tekanan discharge lube oil. 2. Auxilary Lube Oil Pump, merupakan pompa lube oil yang digerakkan oleh tenaga listrik, beroperasi apabila tekanan dari main pump turun. 3. Emergency Lube Oil Pump, merupakan pompa yang beroperasi jika kedua pompa diatas tidak mampu menyediakan lube oil. E. Cooling System. Sistem pendingin yang digunakan pada turbin gas adalah air dan udara. Udara dipakai untuk mendinginkan berbagai komponen pada section dan bearing. Komponen-komponen utama dari cooling system adalah:
2.10
Off base Water Cooling Unit
Lube Oil Cooler
Main Cooling Water Pump
Temperatur Regulation Valve
Auxilary Water Pump
Low Cooling Water Pressure Swich
Aplikasi Turbin Gas Salah satu contoh aplikasi turbin gas yang di gunakan adalah Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG).
21
Gambar 2.14 Prinsip kerja unit pembangkit turbin gas Gambar 2.14 menunjukkan prinsip kerja PLTG. Udara masuk ke kompresor untuk dinaikkan tekanannya, kemudian udara tersebut dialirkan ke ruang bakar. Dalam ruang bakar, udara bertekanan ini dicampur dengan bahan bakar dan dibakar. Apabila digunakan bahan bakar gas (BBG), maka gas dapat langsung dicampur dengan udara untuk dibakar, tetapi apabila digunakan bahan bakar minyak (BBM), maka BBM ini harus dijadikan kabut terlebih dahulu kemudian baru dicampur dengan udara untuk dibakar. Teknik mencampur bahan bakar dengan udara dalam ruang bakar sangat mempengaruhi efisiensi pembakaran. Pembakaran
bahan
bakar
dalam
ruang
bakar
menghasilkan gas bersuhu tinggi. Gas hasil pembakaran ini kemudian dialirkan menuju turbin untuk disemprotkan kepada sudu-sudu turbin sehingga energi (enthalpy) gas ini dikonversikan menjadi energi mekanik dalam turbin penggerak generator (dan kompresor udara) dan akhirnya generator menghasilkan tenaga listrik.
22
BAB III BAHAN BAKAR TURBIN GAS
3.1
Bahan Bakar Turbin Gas Bahan bakar untuk turbin gas harus memenuhi persyaratan tertentu sebelum digunakan pada proses pembakaran. Persyaratan tersebut yaitu bahan bakar mempunyai kadar abu yang tidak tinggi. Dengan alasan, bahan bakar yang mempunyai kadar abu yang tinggi, pada proses pembakaran
dihasilkan
gas pembakaran yang mengandung
banyak partikel abu yang keras dan korosif. Gas pembakaran dengan karakteristik tersebut, akan mengenai dan merusak sudu-sudu turbin pada waktu proses ekspansi pada temperatur tinggi. Dengan persyaratan tersebut, bahan bakar yang memenuhi persyaratan adalah bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar cair dan gas cenderung mempunyai kadar abu
yang rendah jika dibandingkan
dengan bahan bakar padat, sehingga lebih aman digunakan sebagai bahan bakar turbin gas. Bahan bakar persyaratan
yang digunakan turbin gas pesawat
terbang,
yang haus dipenui adalah lebih ketat, hal ini karena
menyangkut faktor keamanan dan keberhasilan selama turbin gas beroperasi. Adapun persyaratannya adalah : 1. Nilai kalor per satuan berat dari bahan bakar harus tinggi. Dengan jumlah bahan bakar yang sedikit dan ringan dengan tetapi nilai kalornya tinggi sangat menguntungkan karena mengurangi berat pesawat terbang secara keseluruhan. 2. Kemampuan menguap (volatility) dari bahan bakar tidak terlalu tinggi, oleh karena pada harga volatility yang tinggi bahan bakar akan mudah sekali
menguap,
terutama
pada
ketinggian tertentu. Hal ini akan membahayakan karena bahan bakar menjadi mudah terbakar. Disamping itu, saluran bahan bakar mudah tersumbat karena uap bahan bakar.
23
3. Kemurnian dan kestabilan bahan bakar harus terjamin, yaitu bahan bakar tidak mudah mengendap, tidak banyak mengandung zatzat seperti air, debu, dan belerang. Kandungan zat zat tersebut apabila terlalu banyak akan sangat membahayakan pada proses pembakaran. Khusus untuk belerang, zat ini akan korosif sekali pada material sudu turbin. 4. Flash point dan titik nyala tidak terlalu rendah, sehingga penyimpanan lebih aman. 5. Gradenya harus tinggi, bahan bakar harus mempunyai kualitas yang bagus,
tidak
banyak
mengandung
unsur-unsur
yang
merugikan seperti dyes dan tretaetyl lead. Dengan karakteristik bahan bakar untuk turbin gas pesawat terbang seperti yang disebutkan di atas, terlihat bahwa bahan bakar tersebut adalah bermutu tinggi, untuk menjamin faktor keamanan yang tinggi pada operasi
turbin
berakibat sangat
fatal
gas selama yaitu
penerbangan.
turbin
gas mati,
Kegagalan
operasi
pesawat
terbang
kehilangan gaya dorong, kondisi ini dapat dipastikan pesawat terbang akan jatuh. Bahan bakar pesawat yang biasa digunakan adalah dari jenis gasoline dan kerosene atau campuran keduanya, tentunya sudah dimurnikan dari unsur-unsur yang merugikan. Sebagai contoh, standar yang dikeluarkan American Society for Tinting Material Spesification (ASTM) seri D-1655, yaitu Jet A, Jet A1, Jet B. Notasi A, A, dan B membedakan titik bekunya. 3.2
Proses Pembakaran Turbin Gas Pada gambar, dapat dilihat dari konstruksi komponen ruang bakar, apabila digambarkan ulang dengan proses pembakaran adalah sebagai berikut:
24
Gambar 3.1 Ruang bakar dan proses pembakaran turbin gas Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin diesel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan.
Prosesnya
adalah sebagai berikut, udara mampat dari
kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer
masuk
ruang
bakar
melewati
swirler,
sehingga
alirannya berputar. Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini menyebabkan
campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.
Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang ruang
bakar
akan
membantu
pada
selubung luar
proses pembakaran pada zona
sekunder. Jadi, zona sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi yang
merusak
bakar. Maka,
udara sekunder, temperatur
dengan
cara
pendinginan
material
ruang
ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan. Pada gambar di atas, terlihat zona terakhir adalah zona pencampuran (dillute
zone),
adalah
zona
pencampuran
gas
pembakaran
bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder. Fungsi udara
25
pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas pembakaran yang
bertemperatur
mengenai
sudu-sudu
tinggi turbin
menjadi temperatur yang aman apabila ketika
gas
pembakaran
berekspansi.
Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakaran juga bertambah. Apabila Wkinetik adalah energi kinetik gas pembakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara
sekunder adalah m1 maka energi kinetiknya adalah
sebagai berikut:
Dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energy kinetic menjadi:
Jadi, dapat dilihat Wkinetik,2 ( dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1 (tanpa udara sekunder). Proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara yang berlebih, biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran dengan jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan,
apabila
udara pembakaran
terlalu berlimpah
(lebih
30%), udara justru akan mendinginkan proses pembakaran dan mati, karena
panas
banyak
terbuang
ke
luar
melalui gas bekas yang
bercampur udara dingin sekunder. Dengan pemikiran yang sama, apabila jumlah udara kurang dari normal, yaitu terjadi overheating, material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melampaui kekuatannya dan ruang bakar dapat pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti bekerja atau proses pembakaran terhenti.
26
BAB IV INTERCOOLER
4.1
Intercooler Daya
yang
dihasilkan
turbin
sebagian
besar
digunakan
oleh
kompresor. Daya ini bisa diturunkan dengan mengkompresi udara secara dua tingkat dan menggunakan intercooler diantara kedua tingkat tersebut. Pengaturan secara skematik untuk intercooler diperlihatkan oleh gambar 4.1.
Gambar 4.1 Skema susunan intercooling pada turbin gas siklus tertutup Pertama-tama udara dikompresi di kompresor pertama, yang disebut “kompresor tekanan rendah” (LP kompresor-#1). Karena kompresi ini, tekanan dan temperatur udara meningkat. Sekarang udara diteruskan ke intercooler (pendingin
antara)
yang
akan menurunkan temperatur udara kompresi ke
temperatur awal, tetapi tekanan tetap konstan. Setelah itu, udara kompresi sekali lagi dikompresi di kompresor kedua yang disebut sebagai “kompresor tekanan tinggi” (HP kompresor-#2). Sekarang
udara
kompresi
diteruskan
ke
ruang
pemanas
dan
kemudian ke turbin. Akhirnya udara didinginkan di ruang pendingin dan kembali di kompresi ke kompresor tekanan rendah. Proses intercooling udara pada dua tingkat kompresi diperlihatkan dengan diagram Ts pada gambar 4.2.
27
Gambar 4.2 Diagram T-s untuk intercooling
Proses 1-2 menunjukkan pemanasan udara di ruang pemanas pada tekanan konstan.
Proses 2-3 memperlihatkan ekspansi isentropik udara pada turbin.
Proses 3-4 adalah pendinginan udara di ruang pendingin pada tekanan konstan. Proses 4-5 adalah kompresi udara di LP kompresor.
Proses 5-6 adalah pendinginan udara pada intercooler pada tekanan konstan.
proses 6-1 adalah kompresi udara pada HP kompresor.
Kerja yang dilakukan turbin per kg udara: Wt = Cp (T2 – T3)
(i)
Dan kerja yang dilakukan kompresor per kg udara: Wc = Cp [(T1 – T6) + (T5 – T4)]
(ii)
Kerja netto yang tersedia: W = Wt – Wc Untuk pendinginan yang sempurna, tekanan antara bisa dicari dengan persamaan: p6 = p5 = √ (p1 x p4)= √ (p2 x p3) Pada akhir proses kompresi pada kompresor, terjadi kenaikan temperatur dari fluida gas. Dari perumusan termodinamika didapat bahwa kenaikan temperatur sebanding dengan rasio tekanannya. Adapun persamaannya sebagai berikut: Tb/Ti = (Pd/Pi)(n-1)/n
28
Tb = Ti (Pd/Pi)(n-1)/n dimana Tb = temperatur akhir kompresi Ti = temperatur awal kompresi pd = tekanan akhir kompresi pi = tekanan hisap kompresi n = faktor politropie ( n=1 ~n = 1,4) dan persamaan kerja dari kompresor adalah Wkompresor = Ri Ts n/(n-1)[(Tb/Ti)-1] dan untuk kerja pada kondisi isotermal, persamaannya adalah Wkompresor = Ri Ts ln(Pb/Pi) Dari
perumusan
temperatur
dan
kerja
menunjukkan
bahwa
dengan kenaikan rasio tekanan akan menaikkan temperatur akhir dari kompresi, hal ini juga berarti kerja yang dibutuhkan kompresor naik. Kenaikan kerja kerja kompresor sangat tidak menguntungkan, karena kerja kompresor adalah negatif. Apabila kondisi ini diaplikasikan pada kompresor
turbin
gas
pada
rasio tekanan
tinggi,
maka
akan
banyak
mengurangi daya dari turbin gas, hal ini akan menurunkan efisiensi secara keseluruhan. Untuk mengatasi hal tersebut di atas, proses kompresi dibuat bertingkat dan dengan pendinginan sela ( intercooler) pada setiap tingkat kompresi. Dengan metode ini akan menggunakan kompresor yang jumlahnya sama dengan jumlah tingkat kompresi, dan jumlah intercooler yang dipasang adalah jumlah kompresor dikurangi satu. Dengan
pemasangan
intercooler
suhu
dari
proses
kompresi
tingkat sebelumnya didinginkan kembali ke temperatur awal. Dengan keadaan tersebut kerja kompresor yang kedua adalah sama dengan kerja kompreso sebelumnya, dengan rasio tekanan yang sama. Pada gambar 3.3 terlihat dengan membuat dua tingkat kompresi, dua kompresor, dan satu intercooler, ada penghematan kerja kompresor dibandingkan dengan kerja kompresor tunggal.
29
Gambar 4.2 Diagram p-v kompresor bertingkat dengan intercooler
Gambar 4.3 Intercooler
30
BAB V PERSAMAAN ENERGI YANG UMUM UNTUK PROSES ALIRAN TUNAK DAN PENERAPANNYA PADA SISTEM TURBIN GAS
5.1
Persamaan Energi yang Umum Untuk Proses Aliran Tunak Aliran tunak adalah aliran fluida yang besaran dan sifatnya tidak berubah
dengan waktu. Sedangkan system yang dibahas dapat mengenai apa saja yang didefinisikan dengan jelas dan tegas. System yang dimaksud disini adalah serupa dengan diagram benda bebas dalam analisis mekanika dan dinamika struktur atau mekanisme mesin-mesin pada umumnya. Pada system energy, semua bentuk energy yang terlibat hendaknya digambarkan secara lengkap, seperti terlihat pada gambar 5.1, yaitu antara lain energy-dalam, energy aliran, energy kinetic, energy potensial, energy panas, dan energy kerja mekanik.
Gambar 5.1 Sistem dan batas system System tersebut dapat berupa saluran, pipa, diguser, nosel, kompresor, pompa, turbin, motor torak, pemanas, pendingin, dan ruang bakar. Pada dasarnya persamaan tersebut merupakan jabaran dari hokum kekekalan energy. Pada gambar 5.1 dilukiskan massa fluida masuk system melalui penampang i dan keluar system melalui e yang masing-masing dapat lebih dari satu. Melalui penampang i dan e tersebut fluida kerja memilikienergi-dalam, energy aliran, energy kinetic, dan energy potensial. Sedangkan panas masuk ke
31
dalam system sebesar Q dan system menghasilkan kerja mekanik sebesar W. sebenarnya Q = ΣQi dan W = ΣWi karena Qi dapat masuk ke dalam system melalui banyak tempa, dan Wi dapat juga dihasilkan di beberapa tempat. Qi dan Wi masing-masing dapat bernilai positif maupun negative. Qi adalah positif jika panas masuk ke dalam system dan negative apabila panas keluar dari system, sedangkan Qi = 0 berlaku untuk proses adiabatic. Demikian pula Wi bernilai positif jika system menghasilkan kerja, seperti pada mototr torak atau turbin, dan bernilai negative jika system dikenai atau memerlukan kerja, seperti pada pompa, blower, dan kompresor. Dengan demikian persamaan energy yang umum untuk proses aliran tunak dapat dituliskan sebagai
(5.1) atau,
(5.2) Dimana mi= massa fluida masuk system me= massa fluida keluar system h = u + pv/J = entalpi u = energy dalam persatuan massa p = tekanan v = volume spesifik C = kecepatan z = jarak dari garis datum g = percepatan gravitasi
32
J = factor pengubah satuan, misalnya J = 778
atau J = 0.427
Q = perpindahan panas; negative jika panas keluar system, dan positif jika panas masuk system. W = kerja mekanik; positif jika system menghasilkan kerja mekanik seperti pada turbin, dan negative jika system dikenai atau memerlukan kerja mekanik seperti pada kompresor atau pompa. Subskripsi i dan e berturut-turut menyatakan pada seksi masuk dan keluar system. Jika pada system hanya terdapat satu lubang fluida masuk dan satu lubang fluida keluar, maka mi = me sehingga persamaan 5.2 menjadi: he +
(5.3)
Dimana,
5.2
Penerapan Persamaan Energi Yang Umum Untuk Proses Aliran Tunak Jika batas-batas system yang akan dibahas telah ditetapkan dengan jelas
dan tegas, dan semua energy yang terlibat telah diketahui semuannya, maka persamaan (5.1), (5.2), (5.3) dapat digunakan. Selanjutnya persamaan tersebut akan digunakan untuk menganalisis prestasi komponen utama turbin gas, yaitu saluran masuk atau difusser, kompresor, ruang bakar, turbin, nosel, pemanas, dan pendingin, seperti diuraikan pada beberapa pasal berikut ini, akan tetapi disini penulis akan menjabarkan mengenai turbin saja. Penggunaan akan makin jelas jika disertai dengan diagram entalpi versus entropi atau temperature versus entropi. Melalui setiap titik pada diagram entapli versus entropi terdapat garis Ykonstan, garis pkonstan dan vkonstan, berturut-turut dengan sudut kemiringan yang makin besar, seperti ditunjukan pada gambar 5.2. Untuk gas ideal dengan cp konstan garis T konstan tegak lurus sumbu-h.
33
Gambar 5.2 Diagram entropi versus entropi 5.3
Turbin Persamaan energy pada turbin sama halnya seperti pada kompresor. Pada
turbin juga digunakan beberapa idealisasi dan asumsi. Namun, prosesnya adalah ekspansi yang dianggap berlagsung adiabatic, Q
0. Sedangkan selisih energy
potensial gas keluar dan masuk turbin dianggap kecil dibandingkan dengan sukusuku lainnya. Sehingga dapat diabaikan, ∆PE
0. Dengan demikian persamaan
5.3, untuk turbin menjadi ( (
)
( )
) (
)
(5.4)
Dimana,
WTs = kerja yang dihasilkan turbin isentropic J = factor pengubah satuan Dari gambar 5.3 terlihat bahwa Wts > WT Dengan demikian efisiensi turbin didefinisikan sebagai,
(5.5)
34
Gambar 5.3 Diagram entalpi versus entropi sebuah turbin
35
BAB VI PROSEDUR PENGOPERASIAN TURBIN GAS PLTGU CILEGON
6.1
Persiapan dan Pelaksanaan, Sebelum Operasi Turbin Gas Pastikan seluruh peralatan bekerja secara normal sebelum turbin gas
dioperasikan, peralatan-peralatan tersebut adalah: 1. Lube oil system 2. Control oil system 3. CCW system 4. Gen. seal oil/H2-system 5. Turbine cooling air system 6. Inlet & exhaust duct 7. Package ventilation system 8. Circulating demin water system 9. Instrument air system 10. Service air for back up system 11. HP purge air system 12. Water injection system 13. Fuel gas and fuel oil system 14. CO2 fire fighting 6.2
Persiapan Start Pastikan kondisi unit turbin gas bekerja normal pada bagian: a. Mechanical
Pastikan semua pompa, fan, motor, control valve pada posisi remote/auto control mode.
Pastikan H2 gas system dalam kondisi siap dioperasikan dan tekanan H2 di dalam gas turbine generator normal.
Periksa status operasi CO2 fire fighting system bekerja secara normal.
Pastikan seluruh instalasi pada masing-masing system sudah terpasang dengan benar sesuai dengan P&ID.
b. Control & Instrument 36
Pastikan semua signal and communications dari local gas turbine system beserta peralatan bantunya masuk ke control unit.
Semua alarm dan trip interlock system sudah dinormalkan.
Pastikan air instrument system beroperasi dengan normal.
c. Electrical
Pastikan semua MV/LV Switch gear & MCCC dalam kondisi bertegangan.
Pastikan generator protection relay and inter-trip test antara generator dengan turbine system bekerja dengan normal.
6.3
Batasan Operasi Tabel 6.1 Batasan operasi PLTGU Cilegon
Speed up rate
135 rpm/min
Load change rate
6.7%/min
Purge period
5 min
Speed increase rate
135 rpm/min
Over speed setting
Mechanical over speed 110±1% of rated speed (3270 ~ 3330 rpm)
Tabel 6.2 Vibration limits setting value (peak to peak) Alarm
> 125 µm
Trip
> 200 µm
Tabel 6.3 Lube oil pressure setting Lube oil supply pressure control
1.5 kg/ cm2
Lube oil supply pressure alarm
< 1.08 kg / cm2
Lube oil supply pressure trip
< 0.88 kg / cm2
Turning interlock
< 0.41 kg / cm2
Lube oil filter differential pressure high
>1.0 kg / cm2
alarm
37
Tabel 6.4 Lube oil temperature setting Lube oil supply temperature control
460 C
Lube oil supply temperature alarm
> 600 C
Journal bearing metal temperature
> 1070 C
alarm Thrust bearing metal temperature alarm
> 990 C
Bearing drain oil temperature alarm
> 770 C
Tabel 6.5 Cooling temperature setting Rotor cooling air alarm
> 2600 C
No. 2 disc cavity temperature alarm
> 4600 C
No. 3 disc cavity temperature alarm
> 4600 C
No. 4 disc cavity temperature alarm
> 4600 C
Down stream of No. 4 turbine disc
> 4100 C
temp. alarm
Tabel 6.6 Exhaust gas pressure setting Exhaust gas pressure alarm
> 500 mmH2O
Exhaust gas pressure trip
> 600 mmH2O
Tabel 6.7 Blade path and exhaust temperature alarm setting Blade path temp. high trip
> 6800 C
Blade path temp. control deviation high
> 450 C
trip Exhaust gas temp. high trip
> 6200 C
Exhaust gas temp. control deviation
> 450 C
high trip Blade path temp. spread alarm, untuk
-30 / +200 C dan oil fuel ±600 C
gas fuel Blade path temp. spread shut down,
-40 / +250 C dan oil fuel ±700 C
untuk gas fuel
38
Blade path temp. spread trip, untuk gas
-60 / +300 C dan oil fuel ±800 C
fuel-
Tabel 6.8 Low frequency interlock summary Alarm
47.5 Hz + 0 sec
Generator breaker off
47.5 Hz + 15 sec
Trip
47.5 Hz + 0.1 sec
39
BAB VII MAINTENANCE DAN TROUBLESHOOTING TURBIN GAS
7.1
Maintenance Turbin Gas Maintenance adalah perawatan untuk mencegah hal-hal yang 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 dari faktor-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 dalambatas kondisi aman dan tepat waktu untuk melakukan maintenance. Secara umum maintenance dapat dibagi dalam beberapa bagian, diantaranya adalah: 1. Preventive Maintenance. Suatu kegiatan perawatan yang direncanakan baik itu secara rutin maupun periodik, karena apabila perawatan dilakukan tepat pada waktunya akan mengurangi down time dari peralatan. Preventive maintenance dibagi menjadi:
Running Maintenance. Suatu kegiatan perawatan yang dilakukan hanya bertujuan untuk memperbaiki equipment yang rusak saja dalam satu unit. Unit produksi tetap melakukan kegiatan.
Turning Around Maintenance. Perawatan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya.
2. Repair Maintenance. Perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang tidak kritis, atau disebut juga peralatan-peralatan yang tidak mengganggu jalannya operasi. 3. Predictive Maintenance.
40
Kegiatan monitor, menguji, dan mengukur peralatan-peralatan yang beroperasi dengan menentukan perubahan yang terjadi pada bagian utama, apakah peralatan tersebut berjalan dengan normal atau tidak. 4. Corrective Maintenance. Perawatan yang dilakukan dengan memperbaiki perubahan kecil yang terjadi dalam disain, serta menambahkan komponen-komponen yang sesuai dan juga menambahkan material-material yang cocok. 5. Break Down Maintenance. Kegiatan perawatan yang dilakukan setelah terjadi kerusakan atau kelainan pada peralatan sehingga tidak dapat berfungsi seperti biasanya. 6. Modification Maintenance. Pekerjaan yang berhubungan dengan disain suatu peralatan atau unit. Modifikasi bertujuan menambah kehandalan peralatan atau menambah tingkat produksi dan kualitas pekerjaan. 7. Shut Down Maintenance. Kegiatan perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya. 7.2
Trobleshooting Secara umum ada beberapa permasalahan yang sering terjadi pada PLTG :
Pengoperasian pembangkit LTG dalam waktu yang lama secara terus menerus, dengan kondisi lingkungan yang berdebu (lingkungan tropis) semakin mempercepat penurunan kinerja kompresor ditandai dengan menurunnya tekanan. Kinerja kompresor dapat menerun dikaranakan adnya kontaminan deposit yang menempel pada kompresor dan inlet guide vane. Semakin tebal deposit yang menempel semakin menurun unjuk kerja kompresor. Penurunan kinerja kompresor mengakibatkan penurunan output turbin gas, yang mana menjadikan kinerja turbin gas mejadi menurun. Dengan menurunnya kinerja kompresor dan turbin gas sangat mempegaruhi efisiensi pembangkit. Permasalahan tersebut diatas dapat ditanggulangi lagi dengan melakukan pembersihan pada kompresor(Compressor C leaning) atau pasir halus.
41
BAB VIII PENUTUP
8.1
Kesimpulan 1. Turbin gas adalah motor bakar yang terdiri dari tiga komponen utama, yaitu : kompresor, ruang bakar, dan turbin 2. Bahan bakar untuk turbin gas harus memenuhi persyaratan tertentu sebelum digunakan pada proses pembakaran. Persyaratan tersebut yaitu bahan bakar mempunyai kadar abu yang tidak tinggi. 3. Kenaikan kerja kompresor sangat tidak menguntungkan, karena kerja kompresor adalah negatif. Apabila kondisi ini diaplikasikan pada kompresor turbin gas pada rasio tekanan tinggi, maka akan banyak mengurangi daya dari turbin gas, hal ini akan menurunkan efisiensi secara keseluruhan. 4. Persamaan energy pada turbin (
)
(
(
)
(
) )
5. SOP Operasi sangatlah penting sebagai panduan operator guna menjalankan turbin gas. 6. Maintenance pada turbine gas selalu tergantung dari faktor-faktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional turbine gas sangat tergantung dari kondisi daerah operasional. 8.2
Saran Dalam penulisan makalah ini terdapat banyak sekali kekurangan terutama dalam hal pembahasan turbin gas. Karena referensi yang penulis dapatkan sangat minim sekali. Untuk itu saya harap kritik dan saran yang sifatnya membangun
42
DAFTAR PUSTAKA Cengel, Y.A dan Boles, M.A., 1994, Thermodynamic An Engineering Approach, Mv. Graw Hill, USA. Inisiator Aceh Power Investment: Turbine Gas Nugroho, Dwi., 2013, Turbin Gas, Universitas Muhammadiya Pontianak Lazuardi, Bintang. et all, 201, Termodinamika Intercooler Pada Turbin Gas, Universitas Indonesia Nn, 2006, Turbin Gas Meidriansyah, E., Pengoperasian Turbin Gas PLTGU Cilegon, PT PLN (Persero) Pembangkitan Cilegon http://majarimagazine.com/2009/02/gas-turbine-engine-part-1/ diunduh tanggal 04 Oktober 2013 http://majarimagazine.com/2009/02/gas-turbine-engine-part-2/ diunduh tanggal 04 Oktober 2013 http://sulthonyusuf.blogspot.com/2010/01/turbin-gas-1.html diunduh 04 Oktober 2013 http://primapump.wordpress.com/category/gas-turbine/ diunduh 04 Oktober 2013
43
