BAB II TINJAUAN PUSTAKA. Turbin gas merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi

Transkripsi

1 BAB II INJAUAN USAKA 2.1. Cara Kerja Instalasi urbin Gas urbin gas merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi ptensial gas menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran prs turbin. rs turbin secara langsung atau dengan bantuan rda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. urbin gas dapat digunakan pada berbagai bidang industri, diantaranya pembangkit tenaga listrik dan untuk transprtasi. Gambar 2.1. Instalasi turbin gas (sumber : internet) urbin gas merupakan suatu unit yang menggunakan gas sebagai fluida kerjanya. Kmpresr memampatkan udara dari luar menjadi udara yang bertekanan tinggi dan diumpankan ke ruang bakar. Bersama-sama dengan udara yang bertekanan tinggi, bahan bakar dibakar di ruang bakar. Gas panas yang keluar dari pembakar atau reaktr dapat dipakai langsung sebagai fluida kerja

2 yang dialirkan ke turbin untuk menggerakkan rtr yang dihubungkan dengan generatr listrik. Gambar 2.2. Instalasi turbin gas (sumber : internet) 2.2. Klasifikasi urbin Gas Berdasarkan Siklus Kerja a. Siklus erbuka ada siklus ini gas hasil pembakaran langsung dibuang ke udara bebas setelah diekspansikan di dalam turbin. Instalasi ini memiliki struktur yang sederhana yaitu terdiri dari kmpresr, ruang bakar, dan turbin yang berfungsi sebagai penggerak kmpresr dan beban. Skema instalasi turbin gas siklus ini ditunjukkan pada gambar sebagai berikut :

3 Udara masuk Bahan Bakar RB Gas Buang K Gambar 2.3.Diagram alir turbin gas siklus terbuka (sumber : lit 1, hal 509) b. Siklus ertutup Siklus tertutup dibagi menjadi siklus tertutup langsung dan siklus tertutup tak langsung. ada siklus tertutup langsung (direct clsed cycle), gas pendingin dipanaskan di dalam reaktr dan berekspansi melalui turbin, didinginkan di dalam penukar kalr dan dikmpresi kembali ke reaktr. Siklus ini dapat juga menggunakan gas lain yang bukan hanya udara. idak ada buangan gas radiaktif yang dibuang ke atmsfer dalam perasi nrmal. Fluida yang paling cck untuk ini adalah helium. Sedangkan pada siklus tertutup tak langsung (indirect clsed cycle) merupakan gabungan siklus terbuka tak langsung dan siklus tertutup langsung, karena reaktrnya terpisah dari fluida kerja leh suatu penukar kalr. Sedangkan gas kerja itu membuang kalr ke atmsfer melalui penukar kalr. Bahan pendingin primer biasanya air, atau gas helium. ada siklus tertutup ini fluida kerja tidak berhubungan dengan atmsfir sekitarnya, dengan demikian dapat juga dijaga kemurniannya. Hal ini sangat menguntungkan dari segi pencegahan kerusakan yang disebabkan leh ersi dan krsi. ada sistem ini dapat juga digunakan dengan udara bertekanan tinggi

4 sampai 40 atm seperti pada instalasi uap, tetapi kerjanya tidak mengalami perubahan fasa. Keuntungan pada siklus ini antara lain adalah : 1. Untuk daya yang sama turbin ini mempunyai ukuran yang lebih kecil 2. Dapat digunakan pada sistem bertekanan tinggi 3. Lebih menghemat penggunaan bahan bakar enukar Kmpresr Beban urbin 1 Gas k enukar -Kalr Gas K l 4 Gambar 2.4. Skema instalasi gas siklus tertutup langsung (sumber : lit 1, hal 509) c. Siklus Kmbinasi Siklus kmbinasi pada umumnya adalah usaha untuk memanfaatkan gas buang dengan cara menambahkan beberapa alat sehingga energi yang seharusnya terbuang dapat dimanfaatkan lagi untuk suatu prses tertentu yang pada akhirnya prses tersebut akan meningkatkan efisiensi sistem. urbin gas dengan siklus ini akan bermanfaat jika dijalankan untuk base lad (beban dasar atau utama) dan secara kntinu.

5 Berdasarkan Knstruksi a. urbin Gas rs unggal urbin satu prs mempunyai kmpresr, turbin, dan beban pada satu prs yang berputar pada kecepatan tetap. Knfigurasi ini digunakan untuk menggerakkan generatr kecil dan generatr besar untuk utilitas b. urbin Gas rs Ganda urbin ini digunakan untuk menahan beban dan trsi yang bervariasi dimana prs pertama turbin dikpel langsung dengan prs aksial. ada jenis ini, turbin terdiri atas dua buah yaitu turbin tekanan tinggi dan turbin tekanan rendah. urbin dengan tekanan tinggi berfungsi menggerakkan kmpresr dan mensuplai gas panas untuk turbin bertekanan rendah. urbin berprs ganda ini juga digunakan untuk sentral listrik dan industri. urbin ini direncanakan berperasi pada putaran yang berbeda tanpa menggunakan reductin gear. M 2500 LG aya asir merupakan cnth dari turbin gas prs ganda Berdasarkan Aliran Fluida a. urbin Aliran Axial Adalah turbin dengan arah aliran fluida diperleh pada arah sejajar dengan dengan sumbu prs turbin. urbin aksial umumnya sering digunakan untuk kapasitas dan daya besar karena mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan turbin jenis radial. Antara lain yaitu: 1. Efisiensinya lebih baik 2. erbandingan tekanan (r p ) dapat dibuat lebih tinggi 3. Knstruksinya lebih ringan serta tidak membutuhkan ruangan yang besar.

6 Gambar 2.5. Rtr turbin rasi bertekanan tinggi ALSOM (sumber : Gas urbine Engineering Hand bk, Meherwan. Byce) Bila ditinjau dari sistem knversi energinya, turbin aksial dibagi menjadi dua bagian yaitu : 1. urbin aksial reaksi urbin yang prses ekspansinya terjadi tidak saja pada laluan laluan sudu gerak, sehingga penurunan seluruh kandungan kalr pada semua tingkat terdistribusi secara merata. 2. urbin aksial aksi (impuls) Merupakan turbin yang prses ekspansi (penurunan tekanan) fluidanya hanya terjadi pada sudu diam dan energi kecepatan diubah menjadi energi mekanis pada sudu sudu turbin (tanpa terjadinya ekspansi pada sudu gerak itu).

7 2.2.3.b. urbin Aliran Radial urbin aliran radial adalah turbin dengan arah aliran fluida diperleh pada arah tegak lurus dengan sumbu prs turbin. Gambar 2.6. Karakteristik turbin aliran radial ada turbin radial, ekspansi fluida dari tekanan awal ke tekanan akhir terjadi di dalam laluan semua baris sudu sudu yang berputar. urbin radial umumnya digunakan untuk aliran yang kecil, dimana turbin radial lebih murah dan sederhana untuk dibuat bila dibandingkan dengan turbin aksial. Sebagai cnth pada instalasi turbin gas yang kecil dalam bidang autmtif dan pmpa pemadam yang dapat dipindah pindah Siklus Kerja urbin Gas urbin gas secara thermdinamika bekerja dengan siklus Braytn (Braytn cycle). Siklus ini merupakan siklus ideal untuk sistem turbin gas sederhana dengan siklus terbuka. Siklus ini terdiri dari dua prses isbar (tekanan tetap) dan dua prses adibatik mampu balik (isentrpic).

8 Siklus ideal adalah siklus dengan asumsi : 1. rses kmpresi dan ekspansi terjadi secara isentrpik 2. erubahan energi kinetik dari fluida kerja antara sisi masuk dan sisi keluar kmpresr diabaikan 3. idak ada kerugian tekanan pada sisi masuk dan sisi keluar ruang bakar 4. Laju aliran massa gas dianggap knstan. Adapun diagram s untuk siklus terbuka seperti terlihat pada gambar 2.7 di bawah ini : q in 3 W ut 2 4 W in 1 q ut s Gambar 2.7. Diagram s siklus terbuka turbin gas (Sumber : Lit 1. hal. 510) Dari gambar diagram s tersebut, prses yang terjadi adalah : rses 1 2 : rses kmpresi isentrpik pada kmpresr rses ini merupakan prses kerja kmpresr. Kerja spesifik kmpresr itu sendiri adalah kalr spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kmpresr pada kndisi ideal. W K = C p ( 2 1 ) = h 2 h 1 (kj/kg)...lit. 2, hal 38

9 dimana : C p = anas jenis udara pada tekanan knstan (kj/kg K) 1 2 = emperatur udara masuk kmpresr (K) = emperatur udara keluar kmpresr (K) = emperatur udara masuk ruang bakar h 1 h 2 = Entalpi udara spesifik masuk kmpresr (kj/kg) = Entalpi udara spesifik keluar kmpresr (kj/kg) = Entalpi udara spesifik masuk ruang bakar rses 2 3 : rses pembakaran pada tekanan knstan (isbar) dalam ruang bakar. rses ini merupakan prses terjadinya pemasukan panas yang juga berarti besarnya kalr spesifik pada ruang bakar Q in = C p ( 3 2 ) = h 3 h 2 (kj/kg)...lit 1, hal 510 dimana : 3 = emperatur gas keluar ruang bakar (K) = emperatur gas masuk turbin h 3 = Entalpi gas keluar ruang bakar atau entalpi gas masuk turbin (kj/kg) rses 3 4 : rses ekpansi isentrpik pada turbin rses ini merupakan prses kerja turbin W = C p ( 3 4 ) = h 3 h 4 (kj/kg)...lit 2, hal 38

10 dimana : 4 h 4 = emperatur gas keluar turbin (K) = Entalpi gas keluar turbin (kj/kg) rses 4 1 : rses pembuangan kalr pada tekanan knstan rses ini menyatakan besarnya kalr spesifik pada prses pembuangan kalr Q ut = C p ( 4 1 ) = h 4 h 1 (kj/kg)...lit 1, hal 510 Dari kerja spesifik yang terjadi pada setiap prses diatas maka diperleh : 1. Kerja Nett Siklus (W nett ) Kerja nett siklus adalah selisih kerja yang dihasilkan turbin dengan kerja yang dibutuhkan kmpresr tiap kg gas W nett = W - W K = C p ( 3 4 ) - C p ( 2 1 ) W nett = C p [( 3 4 ) - ( 2 1 )]...lit 1, hal 516 Gambar 2.8. Grafik hubungan efisiensi dengan rasi tekanan (sumber : lit 2, hal 39)

11 2. Efisiensi siklus (η th ) Adalah perbandingan antara kerja nett siklus dengan pemasukan energi, η th, Braytn = C ( ) C ( W nett p 3 4 p 2 = Qin C p ( 3 2 ) 1 )...lit 1, hal ressure Rati (r p ) Adalah perbandingan tekanan dikarenakan prses 1 2 dan 3 4 berlangsung secara isentrpis dimana, 1 = 4 dan 2 = 3 maka ( k 1) 2 k = = 3 4 ( k 1) k = 3...lit 1, hal dimana r p adalah rasi tekanan, 2 = rp = lit 1, hal sehingga, η th Braytn = 1-1 ( k 1) r k p...lit 1, hal 510 rses diatas merupakan prses secara teritis. ada kenyataannya terjadi penyimpangan dari prses tersebut dimana prses inilah yang disebut prses aktual. rses aktual ini diakibatkan leh : a. Fluida kerja bukan merupakan gas ideal dengan panas spesifik knstan, b. Laju aliran massa fluida kerja tidak knstan, c. rses yang terjadi di setiap kmpnen adiabatik, d. rses kmpresi di dalam kmpresr tidak berlangsung secara isentrpik, e. rses ekspansi di dalam turbin tidak berlangsung secara isentrpis,

12 f. rses pembakaran tidak berlangsung secara adiabatik serta tidak menjamin terjadinya prses pembakaran sempurna g. erjadinya penurunan tekanan pada ruang bakar dan turbin. enyimpangan yang terjadi dapat dilihat pada gambar 2.9 : Gambar 2.9. Diagram -s siklus aktual (sumber : lit 3, hal 37) 4.Efisiensi kmpresr dan turbin a. Efisiensi isentrpik Dengan menggunakan knsep enthalpy stagnasi atau temperatur untuk memperleh jumlah setiap perubahan dalam energi kinetik fluida diantara sisi masuk dan buang. Untuk itu diperleh efisiensi kmpresr dan tubin dengan menggunakan perbandingan temperatur stagnasi, yaitu : Kmpresr : η c = W W ' = 02 ' lit 2, hal 48

13 urbin : η t = W = W ' lit 2, hal 48 ' ada perhitungan siklus, nilai untuk η c dan η t nantinya akan diasumsikan. Sedangkan temperatur ekivalen dari transfer kerja adalah untuk memberikan perbandingan tekanan (rati pressure), dengan persamaan = C p ( k 1) k 1...lit 2, hal 49 dan, b. Efisiensi plitrpik ( k 1) = η t. 1 k 03 1 p p /...lit 2, hal 49 Dengan pertimbangan yang membawa kepada knsep plitrpic (smallstage) efficiency yang didefenisikan sebagai efisiensi isentrpik yang berkenaan dengan tingkat dalam prses adalah knstan pada keseluruhan prses. η c = Efisiensi plitrpik kmpresr η c = d ` kns tan...lit 2, hal 51 d tetapi : kns tan ( k 1) k...lit 2, hal 51 Dimana dalam bentuk diferensial : ` d k 1 d...lit 2, hal 51 k

14 Substitusikan dengan d` dari persamaan sebelumnya maka : d k 1 d c...lit 2, hal 51 k Dengan mengintegralkan antara masukan pada titik 1 dan keluaran pada titik 2 maka : η c = ln 2 1 ln 2 ( k1) k 1...lit 2, hal 51 Dan untuk efisiensi plitrpik turbin ; η t = Efisiensi plitrpik turbin dimana : ( k 1) t k...lit 2, hal 52 maka : lg 3 4 t k 1 3 lg k 4 Untuk turbin gas pada industri diambil p 01 pa dan 01 a, dimana untuk gas buang turbin ke atmsfir luar p akan diambil sama dengan. Jika nilai efisiensi isentrpik yang diperleh bervariasi dengan kmpresi atau rasi ekspansi, maka akan ditampilkan pada gambar p a

15 Gambar Grafik variasi nilai efisiensi isentrpic turbin dan kmpresr dengan rasi tekanan untuk efisiensi plitrpik 85% (sumber : lit 2, hal 52) 2.4. Ruang Bakar Suatu reaksi kimia dimana suatu bahan bakar diksidasi dan sejumlah besar energi dilepaskan disebut pembakaran. Hal tersebut terjadi di dalam ruang bakar atau cmbustin chamber. engksidasi yang paling sering digunakan di dalam prses pembakaran adalah udara karena pertimbangan udara dapat diperleh bebas dan siap tersedia. Kalr spesifik yang masuk (q in ) pada ruang bakar adalah gas hasil pembakaran. embakaran ini menaikkan temperatur gas sekaligus menaikkan enthalpinya dan secara teritis terjadi pada tekanan knstan. Seperti yang telah disebutkan diatas udara dibutuhkan untuk reaksi stikimetri pembakaran yang dapat diperleh dari persamaan umum C x H y + n O 2 aco 2 + b H 2 O dimana : a = x, b = (y /2) dan n = x + (y /4)

16 2.5. Generatr ada prses pembebanan arus blak-balik unsur yang terlihat dalam knversi energi daya adalah : 1. Daya nyata (V.I.csφ) dalam Watt merupakan besaran yang terlibat dalam knversi daya 2. V.I.csφ merupakan daya reaktif yang juga merupakan suatu kebutuhan yang harus dilayani. Daya reaktif hanya membebani biaya investasi bukan biaya perasi Beban membutuhkan daya reaktif karena : 1. Karakteristik beban itu sendiri yang tidak bisa dielakkan 2. rses knversi daya di dalam alat itu sendiri. Dari hal diatas disimpulkan bahwa daya yang harus disuplai leh turbin kepada generatr harus dapat memenuhi kebutuhan daya nyata atau daya reaktif seperti digambarkan pada gambar φ dimana : N = Daya berguna/aktif B = Daya semu E = Daya reaktif E B Gambar Daya pada generatr Dalam hal transmisi daya dan putaran ke generatr akan terjadi kerugian mekanis. Sehingga daya yang dibutuhkan generatr adalah daya semu B = N cs

17 dimana : Csφ = Faktr daya Sedangkan daya reaktifnya yaitu : E = B. g m dimana : η g = Efisiensi generatr (0.98) η m = Efisiensi mekanis generatr (0,9) 2.6. Laju Aliran Massa Udara Dalam menentukan laju aliran massa udara dan bahan bakar maka keadaan yang dihitung adalah pada temperatur rata rata udara atmsfer yang dihisap kmpresr. Hal ini berguna untuk mendapatkan perbedaan daya keluaran sistem agar tidak terlalu besar bila sistem bekerja pada temperatur udara atmsfer rendah ataupun temperatur udara atmsfer tinggi. Laju aliran massa udara dan bahan bakar dapat dihitung dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi dan instalasi : E = - K m a m f m a E = (( + ). W a -. W Ka dimana : m a E = m f 1 W. m a W K m E a = 1 FAR. W WK m = FAR. f m a

18 dimana : m a = Laju aliran massa udara (kg/s) m f = Laju aliran massa bahan bakar (kg/s) W a W Ka = Daya brut turbin (kw) = Kerja turbin aktual (kj/kg) = Kerja kmpresr aktual (kj/kg) Dengan diperlehnya massa aliran fluida maka dapat diperleh besaran daya setiap kmpnen yaitu ; 1. Daya kmpresr 2. Daya turbin K = ( m a ). W K (MW) m a 3. anas yang disuplai ruang bakar m f = ( + ). W (MW) m a m f Q RB = ( + ). Q in (MW)