Teori dasar perencanaan turbin uap

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energy potensial uap menjadi energy kinetic dan energy genetic ini selanjutnya diubah menjadi energy mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industry, untuk pembangkit tenaga listrik, dan untuk tasportasi.

Turbin uap merupakan salah satu jenis mesin yang menggunakan metode external combustion engine (mesin pembakaran luar). Pemanasan fluida kerja (uap) dilakukan di luar sistem. Prinsip kerja dari suatu instalasi turbin uap secara umum adalah dimulai dari pemanasan air pada ketel uap. Uap air hasil pemanasan yang bertemperatur dan bertekanan tinggi selanjutnya digunakan untuk menggerakkan poros turbin. Uap yang keluar dari turbin selanjutnya dapat dipanaskan kembali atau langsung disalurkan ke kondensor untuk didinginkan. Pada kondensor uap berubah kembali menjadi air dengan tekanan dan temperatur yang telah menurun. Selanjutnya air tersebut dialirkan kembali ke ketal uap dengan bantuan pompa. Dari penjelasan diatas dapat disimpulkan bahwa turbin uap adalah mesin pembangkit yang bekerja dengan sistem siklus tertutup.

                          

Gambar skema dasar turbin uap

1.2. Landasan Teori

1.2.1.      Bagian-bagian Turbin Uap

Secara umum komponen-komponen utama dari sebuah turbin uap adalah :

• Nosel, sebagai media ekspansi uap yang merubah energi potensial menjadi energi kinetik.
• Sudu, alat yang menerima gaya dari energi kinetik uap melalui nosel.
• Cakram, tempat sudu-sudu dipasang secara radial pada poros.
• Poros, sebagai komponen utama tempat dipasangnya cakram-cakram sepanjang sumbu.
• Bantalan, bagian yang berfungsi uuntuk menyokong kedua ujung poros dan banyak menerima beban.
• Kopling, sebagai penghubung antara mekanisme turbin uap dengan mekanisme yang digerakkan.

1.2.2.      Jenis-jenis Turbin Uap

Berdasarkan Tekanan Uap yang digunakan untuk menggerakkan roda jalan turbin melalui sudu, maka Turbin Uap dibagi menjadi:

1.      Turbin Impuls, disebut juga turbin aksi atau turbin tekanan tetap, dimana uap mengalami ekspansi hanya pada nosel saja, sehingga tekanan uap sebelum dan sesudah sudu adalah tetap.

2.      Turbine Reaksi atau turbin tekanan berubah, dimana uap mengalami ekspansi baik di dalam nozel maupun melalui sudu-sudu turbin, sehingga tekanan uap sesudah keluar dari tiap tingkat sudu lebih rendah dari sebelumnya

Berdasarkan arah aliran uap di dalam turbin maka turbin uap dapat dibedakan menjadi:

1.      Turbin Aksial, yaitu turbin yang arah uap di dalamnya dapat diuraikan menjadi komponen aksial dan tangensial Contoh: Turbin Parsons, Turbin Curtis.

2.      Turbin Radial, yaiu turbin yang arah aliran uap di dalamnya dapat diuraikan menjadi komponen radial dan tangensial Contoh: Turbin Ljungstrom

Berdasarkan Tekanan uap keluar Turbin, Turbin Uap dapat di bedakan menjadi atau proses penurunan kalor:

1.      Turbin Kondensasi (Condensing Turbine) Yaitu: Turbin yang saluran keluarnya dihubungkan dengan kondensor, sehingga tekanan uap pada saluran keluar mendekati Vakum.

2.      Turbin Tekanan lawan (Back pressure urbine) yaitu: Turbin yang tekanan uap keluarnya masih di atas 1 atmosfer, sehingga uap bekas masih bias digunakan untuk maksud-maksud lain, misalnya untuk perebusan atau pemanasan

3.      Turbin tumpang  yaitu jenis turbin tekanan lawan dengan perbedaan bahwa uap buang dari turbin ini lebih lanjut masih dipakai untuk turbin-turbin kondensasi tekanan menengah dan rendah.

4.      Turbin tekanan rendah (tekanan Buang) yang uap buang dari mesin-mesin uap, palu uap, mesin tekan dan lain-lain, dipakai untuk keperluan pembangkit tenaga listrik.

5.      Turbin tekanan campur dengan dua atau tiga tingkat-tekanan, dengan suplai uap buang ketingkat-tingkat menengahnya.

Menurut metode pengaturan adalah:

1.      Turbin dengan pengaturan pencekikan (throttling) yang uap segarnya masuk satu atau lebih (yang tergantung ada daya yang dihasilkan) katup pencekik yang diopersikan serempak.

2.      Turbin dengan pengaturan nozel yang uap segarnya masuk melalui dua atau lebih pengatur pembuka (opening regulator) yang berurutan.

3.      Turbin dengan pengaturan langkau (by-pass governing) yang uap segarnya disamping dialirkan ketingkat pertama juga langsung dialirkan ke satu, dua, atau bahkan tiga tingkat menengah turbin tersebut.

4.       

Menurut kondisi-kondisi uap pada sisi masuk turbin.

1.      Turbin tekanan rendah, yang memakai uap pada tekanan 1,2 sampai 2 atm.

2.      Turbin tekanan menengah, yang memakai uap pada tekanan sampai 40 atm.

3.      Turbin tekanan tinggi, yang memakai uap pada tekanan di atas 40 atm.

4.      Turbin tekanan yang sangat tinggi, yang memakai uap pada tekanan 170 atm atau lebih dan temperature di atas 550⁰C atau lebih.

5.      Turbin tekanan super kritis, yang memakai uap pada tekanan 225 atm atau lebih.

6.       

Menurut pemakaiannya dibidang industry.

1.      Turbin stasioner dengan putaran yang konstan yang dipakai terutama untuk generator.

2.      Turbin stasioner dengan putaran yang bervariasi dipakai untuk mengerakkan blower turbo, pompa, dan lain-lain.

3.      Turbin tidak stasioner dengan putaran yang bervariasi, biasa digunakan pada kapal dan lokomotif uap.

BAB II

TEORI DASAR PERENCANAAN

TURBIN UAP

Mesin uap (steam engines) masuk dalam kategori pesawat kalor, yaitu peralatan yang digunakan untuk merubah tenaga termis dari bahan bakar menjadi tenaga mekanis melalui proses pembakaran. Ada dua jenis pesawat kalor yaitu Internal Combustion Engines/ICE (motor pembakaran dalam) dan External Combustion Engines/ECE (motor pembakaran luar). Pada pesawat kalor jenis ICE,  proses pembakaran bahan bakar untuk mengasilkan tenaga mekanis dilakukan didalam peralatan itu sendiri; sedangkan pada ECE, peralatan ini hanya merubah tenaga termis menjadi tenaga mekanis  adapun proses pembakaran dilakukan diluar peralatan tersebut.

Contoh dari pesawat kalor jenis ICE adalah motor bensin dan motor disel yang sangat populer sebagai prime mover baik untuk otomotif maupun untuk industri. Pada motor bensin dan motor disel proses pembakaran bahan bakar (bensin/solar) dilakukan didalam silinder motor itu sendiri dan perubahan tenaga termis hasil pembakaran menjadi tenaga mekanis juga dilakukan didalam pesawat itu sendiri melalui gerakan kian kemari dari piston menjadi gerakan putaran dari crank shaft.

Contoh dari pesawat kalor jenis ECE adalah mesin uap dan turbin uap. Pada peralatan ini, mesin uap hanya merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis berupa gerakan kian kemari dari piston dan selanjutnya diubah menjadi gerakan putaran dari crank shaft; sedangkan turbine uap merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis yang langsung merupakan gerakan putaran dari as turbin. Adapun proses pembakaran bahan bakar dilakukan diluar mesin uap dan turbin uap, yaitu didalam ketel uap (boiler). Didalam ketel uap (boiler) tenaga termis hasil pembakaran bahan bakar digunakan untuk memanaskan air sehingga berubah menjadi uap dengan temperatur dan tekanan tinggi, untuk selanjutnya uap dengan temperatur dan tekanan tinggi tersebut dialirkan ke-mesin uap atau turbin uap untuk diubah menjadi tenaga mekanis.

2.1.Siklus Rankine Ideal

Siklus Renkine setelah diciptakan langsung diterima sebagai standar untuk pembangkit daya yang menggunakan uap (steam ). Siklus Renkine nyata yang digunakan dalam instalasi pembangkit daya jauh lebih rumit dari pada siklus renkine ideal asli yang sederhana. siklus ini merupakan siklus yang paling banyak digunakan untuk pembangkit daya listrik sekarang ini. Oleh karena siklus Rankine merupakan sikus uap cair maka paling baik siklus itu digambarkan dengan diagram P-v dan T-s dengan garis yang menunjukkan uap jenuh dan cair jenuh. Fluida kerjanya adalah air (H2O).

Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap. Dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap.


         

Siklus ideal yang terjadi didalam turbin adalah siklus Renkine ; Air pada siklus 1 dipompakan, kondisinya adalah isentropik s1 = s2 masuk ke boiler dengan tekanan yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi super panas h3 = h4 dan keluaran dari turbin berbentuk uap jenuh dimana laju aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin, ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram T-s. 

2.1.1.      Siklus Rankine Saturasi


                        

Gambar . Diagram Alir dan Diagram T – s Siklus Rankine Saturasi

Analisis performancenya berdasarkan thermodinamika:

                   

2.1.2.      Siklus Rankine dengan Superheater
  
                      

Gambar . Diagram Alir dan Diagram T – s Siklus Rankine Superheat

Analisis performancenya berdasarkan thermodinamika :
 
       

2.1.3.      Siklus Rankine dengan SUperheater dan Reheater  


                             

Gambar . Diagram Alir dan Diagram T – s Siklus Rankine dengan Superheater dan Reheater

Analisis performancenya berdasarkan thermodinamika:

      

Dasar – dasar analisa yang ditinjau dari analisa thermodinamika ini adalah secara khusus har mampu dipahami oleh semua sarjana teknik mesin karena ini adalah merupakan skill/studi dasar yang sangat umum dan juga bisa dipahami oleh jurusan/bidang keahlian lainnya. Dari tulisan yang disajikan tersebut merupakan pandangan umum dan harus didalami dengan melihat dan memahami studi – studi kasus yang khusus membahas hal tersebut, fungsi dengan memahami ini akan dirasakan dan sangat membantu serta menjadi nilai tambah bagi sarjana teknik mesin itu sendiri ketika akan terjun ke bidang profesional seperti industri yang menangani energi ataupun sistem pembangkit tenaga untuk komersial atau kebutuhan industri itu sendiri.

Pada pembahasan selanjutnya akan diulas Siklus Rankine dengan Pemanas Air Umpan (Feedwater Heating). Dimana alat pemanas umpan adalah merupakan alat untuk mengurangi ketakmampubalikan ekonomisator tetapi tidak bisa menghapusnya sama sekali. Pemanasan air umpan meli-puti ekspansi adiabatik normal didalam turbin. Pemanas air umpan dapat dikategorikan:

• Pemanas air umpan terbuka atau kontak langsung

• Pemanas air umpan jenis terteutup dengan kurasan berjenjang mundur

• Pemanas air umpan jenis tertutup dengan kurasan dipompa maju

2.2.Faktor-faktor yang Mempengaruhi Efisiensi Turbin.

Besarnya kerugian di dalam turbin akan mempengaruhi efisiensinya. Kerugian yang besar berarti efisiensinya rendah.

2.2.1.      Kerugian  pada Katup Gonvernor

Adalah suatu hal yang perlu bahwa uap sebelum masuk kedalam turbin haruslah melalui katup penutup (stop valve) dan katup pengatur tanpa kecuali yang merupakan bagian terpadu dari turbin. Jadi kondisi-kondisi uap sebelum masuk keturbin langsung dikaitkan kondisi-kondisi uap segar sebelum memasuki katup penutup(dan katup pengatur). Aliran uap melalui katup-katup penutup dan pengatur disertai oleh kerugian energy akibat proses pencekikan (throttling). Kita dapat mengandaikan bahwa selama proses pencekikan kandungan kalor total uap per kilogram akan tetap sama, dengan kata lain, i₀ = konstan

2.2.2.      Kerugian pada nozel (nizzle loss)

Kerugian-kerugian energy kenetik uap sewaktu mengalir melalui laluan-laluan nozel atau sudu pengarah adalah akibat kerugian energy uap sebelum memasuki nozzle, tahanan gesek dinding-dinding nozzle, gesekan akibat viskositas partikel, penyimpangan aliran, penebalan lapisan batas, turbolensi pada olakan (kerugian olakan) dan kerugian-kerugian pada dinding atas dan bawah sudu (nozel), dan lain-lain.

2.2.3.      Kerugian pada Sudu Geser

Kerugian pada sudu gerak disebapkan oleh berbagai factor yaitu :

a.       Kerugian akibat olakan pada ujung belakang sudu.

Semburan-semburan uap yang meninggalkan dinding –dinding nozel akan bercampur satu dengan yang lain dan membentuk satu aliran yang homogeny, dengan akibat terbentunya pusaran. Jadi agaknya ada kerugian akibat turbulensi pada aliran uap sewaktu meninggalkan sisi keluar nozzle. Kerugian ini dikenal sebagai kerugian keluar (leaving losses) tau kerugian olakan. Kerugian olakan ini akan mempengaruh besar koefisien kecepatan dan selanjutnya halyang mengacaukan keseragaman aliran sebelum memasuki sudu-sudu gerak yang menyebapkan kerugian pada sudu-sudu gerak (kerugian yang disebapkan oleh sifat aliran yang priodik). Kerugian ini tergantung pada tebal ujung-ujung belakang nozzle (sudu pengarah).

b.      Kerugian akibat tubrukan

Uap, sebelum memasuki laluan-laluan sudu gerak, bertemu dengan ujung depan profil-profil sudu, yang dengan adanya ini akan menyebapkan kekacauan pada aliran yang selanjutnya akan mengakibatkan kerugian energy. Kerugian ini tergantung pada bentuk profil sudu pada sisi masuk.

c.       Kerugian akibat kebocoran uap melalui ruang melingkar.

Untuk menghindari kerugian ini biasanya tinggi sudu gerak dibuat sedikit lebih tinggi daripada tinggi nozel (sudu pengarah).

d.      Kerugian akibat gesekan.

Ketika uap mengalir melalui laluan-laluan nozel atau sudu akan mengalami tahanan gesek pada alirannya sepanjang dinding nozel, yang untuk melawan tahanan ini sebagian energy dilepaskan.

e.       Kerugian akibat pembelokan semburan pada sudu.

Kerugian ini diakibatkan oleh saling bergeseknya partikel-partikel uap yang disebapkan oleh perbedaan panjang laluan yang dilaluinya sebagai akibat dari lengkungan permungkaan sudu yang dilaluinya. Telah terbukti dari pengamatan-pengamatan percobaan bahwa aliran skunder akan terjadi, dengan kata lain, ada turbolensi, yang sangat mempengaruhi efisiensi dan menambah kerugian. Kerugian akibat pembelokan uap pada sudu tergantung pada sudut pembelokan v = 180 – (β₁ + β₂) dengan membesarnya nilai sudu v dengan kata lain, dengan mengecilnya sudut β₁ dan β_{2 ,} kerugian bertambah dengan cepat dan akhirnya sangat berpengaruh dibandingkan dengan kerugian-kerugian lain.

f.       Kerugian akibat penyelubungan.

Perbedaan antara tinggi l dn l¹ (pada gambar dibawah) akan mempengaruhi keseragaman aliran pada sisi masuk ke nozel dan, sebagimana biasanya, akan menyebapkan penebalan lapisan batas dan akan mengakibatkan pertambahan kerugia. Akan tetapi pengaruh penyelubungan pada kerugian sudu belum diselidiki secara sistematis hingga saat ini.

2.2.4.      Kerugian akibat Gesekan dan Pengadukan

Kerugian-gesek terjadi di antara cakram turbin yang berputar dan uap yang menyelubunginya. Cakram yang berputar itu menarik partikel-partikel yang ada di dekat permungkaannya dan memberikanya gaya-gaya yang searah dengan putarannya. Sejumlah keja mekanis digunakan untuk mengatasi pengaruh gesekan dan pemberian kecepatan ini. Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan percepatan partikel-partikel uap ini pun akan dikonversi menjadi kalor, jadi akan memperbesar kandungan kalor uap.dalam hal permaskan persial (partial admission), terjadi turbolensi besar sepanjang busur yang tidak dialiri uap.

2.2.5.      Kerugian Ruang Bebas

Ada perbedaan tekanan di antar kedua sisi cakram nozel yang dipasang pada stator turbin, sebagai akibat ekspansi uap didalam nozzle. Diagfragma yang mempunyai sudu-sudu gerak adalah dalam keadaan berputar, sementara cakram-cakram nozzle diam sehingga selalu ada ruang bebasyang sempit di antara cakram=-cakram putar dan diam.sebagai akibat perbedaan tekanan di antara kedua sisi diafragma yang mempunyai sudu-sudu gerak itu terjadi aliran uap melalui ruang bebas ini. Aliran uap ini akan memperkecilenergi yang tersedia untuk dikonversikan menjadi kerja mekanis. Kebocoran uap melalui ruang bebas ini kan membantu dan memperbesar kandungan kalor uap yang meninggalkan tingkat tersebut dan dapat disebutkan sebagai suatu kerugian.

2.2.6.      Kerugian Akibat Kebasahan Uap

Dalam hal turbin kondensasi, beberapa tingkat yang terakhir biasanya beroperasi pada kondisi adamana uap dalam keadaan basah yang menyebapkan terbentuknya tetesan air yang halus. Tetesan air ini oleh pengaruh gaya sertifugal akan terlepar ke arah peri-peri (keliling). Pada saat yang bersamaan, tetesan air ini menerima gaya percepatan dari partikel-partikel uap searah dengan aliran. Jadi sebagian energy kinetic uap yang mengalir akan hilang dalam mempercepat tetesan air ini. Oleh karena kecepatan mutlak uap (c₁) agak lebih besar daripada kecepatan tetesan air (c_1w) arah vector kecepatan relative (w_1w) (sudut masuk tetesan air kedalam laluan sudu-gerak) bebeda dari arah semburan uap. Tetesan ini dibelokkan  kebagian belakang sudu-gerak yang mengakibatkan sudu-gerak mengalami gaya tumbukan yang diakibatkan oleh tubrukan tetesan air pada bagian belakangnya. Tumbukan tetesan air ini akan mempengaruhi kerja sudu-gerak.

2.2.7.      Kerugian Pemimpaan Buang

Kerugian pemimpaan buang dapat diabaikan pada turbin tekanan lawan (back pressure turbine) karena kecepatan aliran lambat dan dapat diabaikan (30-50 m/det). Pada turbin kondensasi terdapat kecepatan-kecepatan yang agak lebih besar (100-120m/det) dan oleh sebap itu kerugian-kerugian yang terjadi tidak dapat diabaikan begitu saja.

2.2.8.      Kerugian Luar (External)

a.       Kerugian mekanis.

Kerugian akibat kebocoran uap yang melalui perapat