BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Kendali suhu Pembatasan suhu sebenarnya adalah pada turbin inlet yang terdapat pada first stage nozzle atau nozzle tingkat pertama atau suhu pengapian turbin. Apabila suhu pengapian berlebih, umur hidup komponen pada daerah bagian gas panas turbin akan menurun. Pengalaman menunjukkan bahwa sulit untuk menghitung suhu pengapian turbin secara akurat dan reliably. Hal ini menjadi kesulitan secara particular karena masa operasional dari instrumentasi pengukuran pada suhu inlet turbin (high) terlalu singkat. Mendapatkan sebuah pengukuran yang kuat dari suhu rata-rata pengapian juga sulit karena ada beberapa variasi suhu pada pembuangan gas-gas panas dari sistem pembakaran. Tempat pembuangan turbin gas, beroperasi pada level yang lebih rendah dengan lebih seragam campuran gas panas. Menghasilkan lebih baik sampling dari suhu-suhu gas panas, sama baiknya dengan umur panjang untuk elemen pengukur suhu. Sistem dasar, karena itu, mengukur suhu buang turbin gas dan menghitung suhu rata-rata pengapian. Untuk gas ideal, perhitungan dapat ditunjukkan oleh persamaan : T F = T x (PCD/PX) K
Dengan : T F = Firing Temperatur T X = Exhaust Temperatur PCD = Compressor Discharge Pressure (PSIA) PX = Barometric Pressure (PSIA) K = Expansion Ratio Persamaan ini menggambarkan bahwa suhu pengapian turbin (firing temperature) T F, adalah hasil dari suhu saluran buang turbin (T x ) dikalikan dengan rasio pengembangan pada turbin, disajikan kembali oleh Tekanan keluaran Kompresor, Compressor Discharge Pressure (PCD), dan dibagi dengan Tekanan Barometric (PX). Pengembangan rasio, ratio expansion diisi dengan suatu konstanta (K), dimana berfungsi sebagai sebagai karakteristik gas panas dan efisiensi mesin. PCD akan berubah secara signifikan ketika turbin berubah kecepatannya. Jarak yang relative kecil pada PCD/PX dihasilkan ketika mesin beroperasi pada speed yang ditentukan sebagai suatu perubahan kondisi udara masukan kompresor, tepat juga untuk perubahan pada suhu sekitarnya atau pada tekanan barometric. Karena rasio pengembangan ini merupakan bagian dari perhitungan yang mana mengubah sebuah suhu buang yang dihitung kembali pada masukan turbin. Dua sistem kendali suhu yang mendasar yaitu proporsional dan rasio tekanan. Temperatur control dapat digunakan. Setiap sistem mengubah suhu setpoint (desired set point temperature ) sebagai suatu perubahan rasio pengembangan untuk memepertahankan batas suhu pengapian turbin yang diinginkan.
Gambar berikut mengilustrasikan perubahan suhu set point pada saluran buang turbin gas sebagai suatu perubahan rasio tekanan dan mempertahankan suhu konstanta, T F. Gambar 2.1 Temperature Set Point vs Pressure Ratio PT Arun memiliki suatu system kendali temperature yang canggih dan modern, dalam Speedtronic Mark II salah satunya. Sensing elemen yang menjadi standard di PT Arun adalah termokopel jenis K yaitu Chromel-Alume Thermocouple. Kenapa dipilih jenis ini karena range nya cukup besar untuk Turbin MS-5002 milik PT Arun NGL yaitu antara -270 sampai 1370 dalam derajat celcius. Hal ini sudah memenuhi standard, karena dalam proses yang telah penulis jabarkan pada bab-bab sebelumnya yaitu suhu yang rendah yang sering digunakan adalah suhu -160 0 C dan suhu tinggi pada turbin sendiri berkisar antara nilai 500-600 0 C. Pemilihan ini sudah memenuhi standard range temperature termokopel. Berikut ini merupakan gambar Cold Junction Compensation yang dipakai oleh termokopel PT Arun NGL :
Gambar 2.3 Cold Junction Compensation Concept Untuk mendeteksi berapa temperatur pada Turbin Gas, Sensor yang digunakan adalah Thermocouple. Sinyal hasil proteksi thermocouple dikirim ke Sistem Kontrol Speedtronic melalui perubahan analog ke digital. Untuk mendeteksi temperatur pada Turbin Gas ada beberapa titik dipasang thermocouple yaitu : Exhaust, whell space, lube oil, Turbin berring dan kompresor. Data Temperatur Control merupakan nilai rata-rata (Average Temperature). 2.1.1 Sistem Kontrol Temperatur Tujuan dari Sistem Kontrol Temperatur adalah untuk membatasi firing (pengapian) temperatur di area pembakaran tetap dan dalam batasan yang dibolehkan. Hal ini dilakukan dengan pengukuran dari suhu exhaust rata-rata dan dari sini juga ditentukan firing temperatur. Turbin gas tidak boleh dioperasikan melebihi batas thermal strees yang sudah ditentukan. Sistem kontrol temperatur dibutuhkan untuk mengontrol flow fuel gas ke Turbin Gas. Di dalam Turbin Gas temperatur yang tinggi dijumpai pada ruang pembakran (Combustion Chamber). Temperatur di area ini harus dibatasi dengan sistem
kontrol, karena pengukuran pada ruang bakar tidak bisa dilakukan, maka sistem kontrol temperatur dibentuk untuk mengontrol temperatur exhaust dari turbin. Pengontrolan temperatur berdasarkan Turbin Exhaust Temperatur (TX) dan Axial Compressor Discharge Pressure (PCD). Dari kedua parameter ini dapat ditentukan firing temperatur tetap, PCD dan Exhaust Temperatur dapat diketahui. Sistem Kontrol Temperatur memberikan signal ke VCE untuk mengurangi fuel gas, apabila temperatur cenderung melebihi yang telah dibentuk temperatur opersikan yang ditentukan. Gambar 2.4 Temperatur Control 2.1.2 Temperatur Control Temperatur control adalah dimana kondisi beban tidak dapat diterima oleh turbin gas mencapai tingkat maximum dan beban tersebut tidak boleh bertambah lagi dan fuel (bahan bakar) dibatasi untuk masuk. Dengan perkataan lain temperatur yang akan dibatasi maka pengontrolan dalam kondisi tersebut dinamakan Temperatur Control yaitu pada suhu 538 O C. Pada kondisi Temperatur Control beban tidak bisa bertambah lagi atau DSP (Digital Set Point) juga tidak bisa naik lagi, jadi beban dari turbin gas tidak bisa ditambah karena kondisi Turbin Gas sudah mencapai maximum. Hal ini kita dapat diketahui ruang kontrol (CCR-Compressor Control Room) Temperatur Control muncul dalam bentuk digit.
STKK card akan membandingkan signal amplified milli volt dari thermocouple. Modul proses (TX) dengan referensi set point yang sudah ditentukan, atau oleh sebuah potensiometer yang bisa diubah-ubah. Set point ini akan mengontrol temperatur exhaust pada Iso-thermal level. 2.1.3 Thermokopel Prinsip kerja thermocouple diketemukan oleh Seeback tahun 1821, terdiri dari dua kawat logam yang tidak sejenis dengan kedua ujungnya dilas menjadi satu. Pada ujung yang panas diberi nama Hot Junction dan ujung yang dingin disebut Cold Jucction, tetapi pada prakteknya kedua sambungan ini sering disebut measuring reference junction. Besarnya arus atau emf yang ditimbulkan sebanding dengan jenis thermocouple ukuran kawat dan beda temperatur kedua ujungnya. Jadi pada prinsipnya kita mengukur emf yang timbul dari thermocouple dan dengan mengukur emf tersebut kita dapatkan temperatur yang diukur. Emf tersebut dikirim langsung ke Governor unit sebagai input pengendalian temperatur turbin. Gambar 3.2 Thermocouple
2.1.4 Exhaust Thermocouple Gas panas yang keluar dari pada Exhaust area ini di ukur oleh Exhaust Thermocouple dan hasil pengukuran tersebut dipergunakan untuk data pengontrolan Temperatur Control dan proteksi Temperatur Trip, Pada exhaust area terdapat 18 Thermocouple yaitu : 12 buah thermocouple sebagai Temperatur Control 6 buah thermocouple digunakan untuk Temperatur Trip 2.1.5 Over Temperature Trip Suhu yang di kontrol oleh Temperatur Control gagal membatasi fuel (bahan bakar) yang masuk atau tidak mengetahui pada saat Over Temperatur yaitu pada suhu 548 O C karena alarm tidak berfungsi, maka untuk mencegah kerusakan yang terjadi pada Turbin Gas maka Turbin akan trip dengan alarm pada panel speedtronic yaitu Over Temperatur Trip, suhu pada saat tersebut adalah 558 O C. Instrumen yang digunakan untuk Temperatur Control antara lain : 6 buah exhaust thermocouple Pressure Tranduser Discharge Axial Compressor (96CD) Speedtronic Card IC3600STKJ Speedtronic Card IC3600SOTJ Hydraulic Oil Dump Valve (20HD) Dan lain-lain Sistem Proteksi Over Temperatur berfungsinya untuk mencegah Turbin beroperasi pada temperatur tinggi. Sistem Proteksi over temperatur ini dipasang terpisah dari sistem kontrol temperatur. Dalam keadaan normal operasi, Sistem kontrol exhaust temperatur bertindak untuk mengatur fuel gas flow apabila firing temperatur limit tercapai.
Jika temperatur mencapai pada suhu 548 O C, set point sistem proteksi over temperatur akan menghidupkan alarm exhaust high temperatur, sehingga operator akan bertindak untuk mengurangi load atau menurunkan set point. Apabila temperatur mencapai trip set point, sistem proteksi over temperatur akan mentrikan Turbin. Trip dan alarm set point untuk sistem proteksi over temperatur juga dibiaskan oleh PCD seperti gambar temperatur control untuk mencegah terjadinya trip akibat kesalahan instrumen. Sistem proteksi over temperatur dibentuk menjadi 3 trip channel yang terpisah-pisah yaitu channel A, B dan C. Apabila penunjukan over temperatur hanya 1 channel, turbin tidak akan trip, tetapi apabila signal trip dua dianatar channel-channel, Turbin akan trip. 2.2 Teori Turbin 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 suatu sistem turbin gas. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas. 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.
Turbin gas satu shaft (MS-5001) mempunyai perputaran yang tetap dan konstan yaitu sekitar 5100 rpm yang biasanya difungsikan untuk power plant. Turbin satu shaft ini di PT. Arun NGL.Co digunakan sebagai penggerak generator listrik yang berjumlah 11 unit yang difungsikan untuk sumber listrik bagi aktifitas pabrik dan perumahan. Sedangkan turbin gas dua shaft (MS-5002) mempunyai perputaran yang berubah-ubah atau variabel (3970 5100 rpm) sesuai dengan beban yang biasanya difungsikan untuk menggerakkan kompresor. Di PT. Arun NGL.Co jenis turbin dua shaft ini digunakan sebagai penggerak kompresor dalam proses pembuatan LNG dan LPG yang jumlahnya 21 unit. Jumlah keseluruhan turbin gas yang terdapat pada PT. Arun NGL.Co adalah sebanyak 32 unit. Turbin yang digunakan dapat ditinjau dari berbagai segi, dapat di golongkan sebagai berikut : - Ditinjau dari sumber tenaga kinetis termasuk turbin gas. - Ditinjau perputaran termasuk turbin putaran tinggi. - Ditinjau dari beban, digunakan untuk penggerak kompresor dan generator listrik. - Ditinjau dari konstrusi, terbagi dalam turbin poros tungggal dan poros ganda. Turbin gas poros tunggal dipergunakan sebagai penggerak generator listrik sedangkan turbin gas poros ganda dipergunakan sebagai penggerak compresor. Gambar 2.1 Gas Turbin Single Shaft
2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Gas Udara masuk ke 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 di kompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar udara disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan terjadinya proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan melalui suatu nozzel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik. Sehingga untuk gas sisa dengan sendirinya akan keluar melalui saluran buang (exhaust). Pada kenyataannya tidak ada proses yang selalu ideal, tetap ada terjadi proses kerugian yang dapat menurunkan daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat menurunnya performasi turbin gas itu sendiri. Kerugian kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas, sebab sebab terjadi kerugian antara lain: - Adanya gesekan 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 udara. - Berubah nilai Cp dan fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dan fluida kerja. - Adanya mechanical loss. Untuk memperkecil ini hal yang dapat kita lakukan antara lain dengan perawatan (maintenance) yang teratur atau dengan modifikasi peralatan yang ada.
Gambar 2.2 Sistem Operasi Turbin Gas Turbin gas terdiri dari bagian yang utama yang saling berkaitan : 1. Kompresor 2. Combusion 3. Turbin Adapun bagian dari turbin adalah sebagai berikut : 1. Nozzle (sudu tetap) Nozzle berfungsi sebagai mengarahkan udara panas ke sudu-sudu turbin, fungsi Nozzle adalah untuk menaikkan kecepatan tenaga mekanis, untuk menekan sudu turbin supaya kerja turbin dapat lebih besar dan untuk menghasilkan daya. 2. Roda turbin Roda turbin adalah tempat susunan bucket dalam setiap tingkat turbin tersusun satu baris sudu turbin dan satu baris tetap.
3. Bucket (sudu-sudu turbin) Sudu turbin yang terbentuk sendok, jadi bucket tersebut apabila diberi energi kinetik udara panas yang diarahkan ke sudu-sudu maka roda turbin akan bekerja memutar motor. 4. Gear Rotor Compressor Merupakan bagian dari kompresor aksial yang berputar pada porosnya. Rotor ini memiliki 17 tingkat sudu yang mengompresikan aliran udara secara aksial dan 1 atm menjadi 17 kalinya sehingga diperoleh udara yang bertekanan tinggi. Bagian ini tersusun dari wheels, siuhshafr lie boll dan sudu sudu yang disusun konsentris disekeliling sumbu rotor.