TURBIN DAN PERAWATAN TURBIN 3.1 TURBIN Turbin merupakan mesin penggerak utama yang menggerakan generator dalam sistem PLTU. Didalam turbin enegi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Fluida kerja setelah memutar turbin tekanan dan temperaturnya akan turun, oleh karna itu didalam turbin akan terjadi proses ekspansi uap. Turbin uap termasuk dalam kelompok pesawar-pesawat konversi energi yang mengkonversikan energi potensial uap menjadi energi mekanik pada poros turbin. Sebelum di konversikan kedalam energi mekanik, terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi kinetik dalam nozel dan sudu-sudu gerak. Turbin uap dapat merupakan turbin impuls maupun turbin reaksi. Turbin impuls adalah dimana proses ekspansi ( penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi di dalam baris sudu tetap saja. Sedangkan turbin reaksi adalan turbin dimana proses ekspansi dari fluida kerja terjadi baik didalam sudu tetap maupun sudu gerak : 17
1. Turbin Impuls Turbin impuls dapat merupakan turbin impuls sederhana( bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat (turbin retaeu), pada turbin impuls uap masuk ke dalam nozle dan kecepatan uapnya naik karena nozle adalah sudu pengarah dan berfungsi menaikan kecepatan uap, setelah itu uap masik kedalam baris sudut, pada bagian ini tekanan dijaga konstan, tetapi tekanan absolutnya turun, ini disebabkan karna energi kinetik uap diubah menjadi kerja memutar sudu turbin. Grafik tekan dan kecepatan absolut dari fluida kerja memutar sudu turbin, reksi dapat dilihat pada gambar Gambar 1. Grafik tekan (P), kecepatan absolut (C), kecepatan relatif (V), dan volume spesifik fluida ( 1 / ) didalam turbin impuls 18
2. Turbin Reaksi Turbin reaksi disebut juga pembuatnya yang bernama, turbin parsons sesuai dengan nama Sir Charles parons. Turbin reaksi kebanyakan menggunakan derajat 50%, sehingga diperoleh perubahan energi fluida kerja mekanis baik. Grafik tekan dan kecepatan absolut dari fluida kerja di dalam turbin reaksi dapat dilihat pada gambar 5. Turbin terdiri dari beberapa bagian utama: a).rumah Turbin Fungsi rumah turbin adalah mendistribusikan uap kedalam sekeliling sudut pengatur untuk mendapatkan tekanan dan kecepatan yang sama. Rumah turbin memiliki sudut tetap yang berfungsi untuk mengarahkan aliran uap kedalam sudu. b).rotor Rotor adalah bagian yang berputar dari turbin yang letaknya berada didalam rumah turbin, rotor berfungsi memutar rumah daya yang memutar atau menggerakan generator. c).sudu-sudu Sudu berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida kerja masuk kedalam turbin. Sudu didalam turbin terbagi menjadi dua, yaitu: sudut gerak dan sudut tetap. Sudut gerak terletak melingkari 19
permukaan rotor turbin, sehingga sudut tersebut bergerak bersama dengan rotor. Sudu tetap terletak bersatu dengan rumah turbin, sudut tetap berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida kerja masuk kedalam sudut kerja berikutnya, tetapi juga dapat berfungsi sebagai nosel 3.2. Turbin Uap 1, 2, dan 3 Dalam karakteristik turbin uap PLTU Muara Karang Unit 1, 2, dan 3: 1.Tipe : Mitsubisi Single Clinder, Single flow impuls, Condensor Turbin 2. Kapasitas : 100.00 kw 3. Tekanan uap masuk : 87,8 kg/cm 2 4. Tekanan exhaust : 90 mmhg abs 5. Kecepatan : 3000 Rpm 6. Temperatur uap masuk : 510 0 C 7. Jumlah tingkat sudu : 13 tingkat, terdiri dari: - Sudu Curtis ( tingkat pengatur ) : 1 tingkat - Sudu Rateau : 9 tingkat - Sudu Reaksi : 3 tingkat 8. Jumlah Extaraction : 5 9. Katup Utama : 2 buah 10. Turning Gear : 3 Rpm 20
3.2.1. Rumah Turbin Fungsi rumah turbin adalah, mendistribusikan uap ke sekeliling sudu pengatur, untuk mendapatkan tekanan dan kecepatan yang sama dan menjaga agar uap tidak keluar dari turbin. Rumah turbin memiliki sudu tetap yang berfungsi untuk mengarahkan aliran uap ke sudu gerak. Disamping itu rumah turbin juga berfungsi sebagai rumah regulatator, rumah bantalan dan sebagai saluran uap bekas kedalam kondensor. 3.2.2. Rotor Rotor adalah bagian yang berputar dari turbin dan letaknya berada di dalam rumah turbin. Rotor berfungsi memutar poros daya yang menggerakan atau memutar generator. Disamping itu rotor berfungsi sebagai: 1. Penggerak pompa oli utama dan regulator. 2. Sebagai bantalan tekan, bantalan dukung penghantar dan bantalan dukung generator. Bagian utama dari rotor adalah, mesin dari tempaan padat dari campuran alumunium. Bagian dari potongan poros diberikan baut ke sisi 21
masukan akhir untuk membentuk penahan thrust bearing dan untuk membawa pelumas dari peralata overspeed trip. 3.2.3. Sudu-Sudu Sudu pada turbin terbagi menjadi dua, yaitu: sudu gerak dan sudu tetap. Sudu gerak merupakan sudu yang bergerak bersama dengan rotor, oleh sebab itu sudu gerak letaknya melingkari rotor. Sedangkan sudu gerak adalah sebaliknya. Sudu-sudu turbin antara lain adalah, sudu curtis, sudu rateau dan sudu reaksi. Sudu cartis adalah sudu yang berfungsi untuk menurunkan tekanan uap. Sudu reaksi berfungsi untuk menaikan kecepatan relatif fluida kerja sehingga rotor turbin berputar secara optimal. Oleh sebab itu sudu cartis pada turbin unit 1, 2 dan 3 diletakan pada tingkat pertama, dimaksudkan untuk melindungi rumah turbin dan rotor terhadap tekanan dan temperatur tinggi juga untuk mendapatkan unit yang lebih kompak dan murah. Seluruh bagian sudu yang berorientasi dan bagian yang diam dipisahkan secara relatif oleh jarak ruang yang besar dan kecil yang dibuat oleh jalur perapat ( seal ). Jalur ini dibuat oleh campuran logam material dengan pelindung yang berkwalitas. 22
Gambar 3. Sudu Tetap Gambar 4. Sudu Cartis 23
Gambar 5. Sudu Turbin 1, 2, dan 3 3.2.4. Kecepatan Kritis Kecepatan kritis adalah kecepatan putaran dari turbin yang perlu di hindari, karena pada kecepatan tersebut akan menghasilkan getaran yang sangat tinggi pada poros turbin. Kecepetan kritis tersebut dibagi menjadi tiga, yaitu: 1.620 Rpm. 2.260 Rpm. 4.760 Rpm. kecepatan kritis hanya terjadi pada saat start UP turbin untuk mencapai kecepatan nominalnya ( 3000 Rpm ) pasti akan melalui kecepatan kritis tersebut. Untuk menghindari getaran yang tinggi maka pada saat kecepatan turbin mendekati 1.620 dan 2.260 Rpm katup uap 24
masuk harus dibuka penuh sehingga kecepatanya naik secara drastis. Kecepatan kritis 4.760 Rpm jarang terjadi karena kecepatantersebut jauh dari nominal, sehingga tidak mungkin beroperasi pada kecepatan tersebut. Disamping itu jika kecepatan turbin melampaui 3330 RPM maka turbin akan langsung trip. 3.3. Prinsip Kerja Turbin Uap Turbin unit 1, 2 dan 3 pada PLTU Muara Karang termasuk jenis impuls kecepatan bertingkat. Tubin impuls merupakan turbin yang proses ekspansi atau peburunan tekanan dari flida kerja hanya terjadi dalam baris sudu tetap saja. pada turbin impuls uap masuk kedalam nosel dan kecepatan uapnya naik karena nosel adalah sudu pengarah dan berfungsi menaikan kecepatan uap, setelah itu uap masuk kedalam barisan sudu, pada bagian ini tekana dijaga konstan, tetapi kecepatan absolutnya turun disebabkan karena energi kinetik uap dirubah menjadi kerja memutar sudu turbin. Salah satu cara merubah kerugian yang terlalu besar pada turbin unit 1, 2 dan 3 adalah dengan mengekspansikan uap secara bertahap kedalam turbin bertingkat. Jadi dengan turbin yang bertingkat energi fluida yang tidak di serap oleh barus sudu gerak masih dapat diserap oleh baris sudu tingkat berikutnya, selain itu kemampuan sudu menyerap energi 25
fluida kerja juga terbatas, maka dengan turbin bertingkat maka diharapkan proses penyerapan energi tersebut dapat berlangsung efisien. 3.3.1.Bagian-Bagian Pendukung Turbin Uap 3.3.1.1. Thrust Bearing Rotor turbin yang poros-porosnya dengan kopling fleksibel memiliki bantalan aksial sendiri-sendiri. Tetapi untuk turbin dengan kopling solid hanya dipasang satu bantalan aksial yang biasa diletakan antara silinder HP dan silinder LP. Bantalan aksial memiliki dua fungsi, yaitu: untuk menyerap sisa resultan gaya aksial pada poros serta mengontrol posisi rotor dalam casing. Fungsi ke dua, untuk mencegah terjadi persinggungan antara bagian yang berputar dengan bagian yang stasioner. 3.3.1.2. Thorttle valves Fungsi utama dari thorttele vaves adalah untuk mematikan debit dari uap masuk turbin dalam kecepatan berlebih, dimana setting daro overspeed trip itu bekerja di 10% daro overspeed. Katup ini digunakan untuk mengntrol aliran uap masuk ke turbin selam unit sedang dinaikan kecepatannya. Oli tekanan tinggi masuk melalui orifice, di orifice yang 26
bertingkat di bagiancheck valve di atur oleh kontrol thortle valve yang berada dibawah bantalan pedal. Menaikan tekanan oil control thorttle valve akan menaikan kecepatan/ membukanya thorttle valve. 3.3.1.3. Turbin Oil Pumps Turbin uap di dukung atas satu main oil pump, turning gear oil pump, dan satu emergensi dc bearing and seal oil pump. Main oil pump harus di jalankan terlebih dahulu dengan poros turbin, pompa ini berfungsi untuk memberikan suplai pelumas pada turbin setelah turbin telah berputar dengan putaran normal atau mendekati putaran normal. Tekanan keluarnya adalah 20-27Kg/cm 2. Auxiliary oil pump harus di jalankan terlebih dahulu untuk mensuplai minyak pelumasan ke bearing-bearing dan bagian terdepan hidrolik pada turbin pada kondisi stand still atau dbawah putaran normalnya. Pompa ini dikendalikan dengan menggunakan tuas pada control panel, serta dapat di kendalikan secara manual dan otomatis. Turning gear oil pump harus dioprasikan sebelumturbin pada posisi turning gear (3 Rpm). Pompa ini mensuplaiminyak pelumas ke bearing-bearing turbin dan hydrogen shaft steel serta berfungsi sebagai cadangan dari auxiliary oil pump. 27
Emergensi dc bearing and seal oil pump merupakan pompa cadangan yang mensuplai minyak pelumasan ke bearing-bearing dalam kondisi darurat. Pompa ini di kendalikan oleh tuas pada control panel. 3.3.1.4. Turning Gear Motor turning gear di operasikan untuk menghindari landutan poros turbin ketika turbin akan shotdown. Putaran motor ini berkisar 3 Rpm. Motor turning gear dapat di operasikan dari control local pada control panel. 3.3.1.5. Dummy Piston Dalam turbin uap, rotor mendapatkan tekanan yang sangat kuat dari uap yang searah dengan arah aliranya. Oleh sebab itu untuk mengurangi beban pada bantalan aksial dengan arah aliranya maka yang dipasangkan adalah Piston Pengimbang (Dummy Piston) untuk mengimbangi daya aksial tersebut. Namun dengan adanya Dummy piston ini sering terjadi kebocoran uap. Untuk mengurangi kebocoran uap, pada sisi tekan rendah dipasang perapat jenis labirin dan pada sisi tekan tinggi dialiri uap. 28
3.3.1.6. Defferential Expansion Karena massa rotor relative lebih kecil disbanding dengan massa casing, maka rotor akan cepat memuai disbanding casing turbin. Mengingat antara ruang rotor dangan cassing turbin sangat kecil, maka perbadaan pemuaian keduanya memiliki masalah yang serius. Dalam kondisi exstrim, dapat mengakibatkan pergesekan antara rotor dengan cassing yang dapat merusak turbin. Untuk menghindari hal demikian, setiap turbin dilengkapi dengan peralatan instrumen yang memberikan indikasi terhadap perbedaan pemuaian (differential expansion). Alat ini dapat mengukur selisih pemuaian relatif antara rotor dengan cassing. Selama start turbin harus di usahakan agar nilai differential expansion tidak melebihi 5,5 dan kurang dari -3 mm. 3.3.1.7. Gland Steam Sealing System Uap ini merupakan uap perapat kering yang berasal dari main steam yang digunakan untuk mencegah uao kembali masuk mkedakam turbin sisi tekan rendah setelah uap itu keluar dari turbin. Tekanan uap perapat ini adalah, 0,3 kg/cm 2 G dan temperaturnya adalah 120 0 C-180 0 C. Uap perapat ini berada dalam labyrinth turbin. 29
3.4. Prosedur Pengoperasian Turbin 3.4.1. Cold Start Up Starting turbin adalah suatu proses pelaksanaan roling turbin dimulai dari turbin pada saat puteran turning gear 3 Rpm sampai dengan turbin mencapai putaran 3000 Rpm. Cold start up turbin merupakan metode start up turbin pada saat keadaan dingin, dimana keadaan ini adalah: 1. Suhu metal pada rotor pada sisi tekan tinggi adalah <120 0 C. 2. Setelah turbin brhenti lebih dari >100 jam. Persyaratan uap masuk turbin yang di izinkan pada proses cold start turbin adalah 56 0 C super head dan maxsimum 430 0 C. Dalam praktek di lapangan pada temperatur di atas 300 0 C dengan tekanan ±40 Kg/Cm 2. Pada proses start up dilakukan beberapa tahap, sebagai berikut: 1. Pada putaran 400 Rpm dilakukan turbn trip utuk keperluan Rub chack dan untuk mengetahui bahwa pengaman turbin telah bekerja dengan baik,dimana stop valve turbin dapat menutup penuh. 2. Pada putaran 1850 Rpm dilakukan penahanan putaran yang berguna untuk mendapatkan pemanasan pada otor bore sampai dengan temperatur (temperatur transisi), sebelum putaran turbin dinaikan ke nominal speed 3000 Rpm. Tujuan pemanasan ini adalah untuk menghindari bahaya kerapuhan 30
(Brittle Frakture) yaitu dengan cara membatasi stres pada rotor bore dibawah temperatur 1200C. 3. Pengaman Turbin meliputi: Eccenticity, Vibrasi, Differential Expantion, suhu pelumas dan sebagainya. 3.4.2. Warm Start Up Warm start turbin adalah suatu kegiatan rolling turbin dimulai dari turbin putaran turning gear 3 Rpm sampai putaran turbin 3000 Rpm. Worm start turbin merupakan merupakan suatu metode start up dimana turbin dalam keadaan hangat, yaitu keadaan dalam batasan sebagai berikut: 1. Turbin shut down tidak lebih dari 40 jam. 2. Temperatur rotor bore pada saat dilakukan rolling adalah diatas transition temperatur (120 0 C). Kondisi uap masuk turbin pada proses warm start up adalah tekanan ± 75 Kg/Cm 2 dengan temperature ± 400 0 C. 31
Untuk penyesuaian panas (pengamanan)terhadap thermal stress pada rotor bore. Maka turbin pada putaran 1850 ditahan selama 40 menit sebelum ke nominal speed. Laju kenaikan putaran yang di izinkan pada 150 rpm/menit 3.4.3. Hot Start Up Hot start turbin merupakan suatu metode start up dimana turbin dalam keadaan hot, yaitu keadaan berada pada batasan sebagai berikut: 1).Turbin shut down tidak lebih dari 8 jam. 2).Temperatur rotor bore pada saat dilakukan rolling turbin adalah diatas transision temperatur (1200C) Kondisi uap masuk turbin pada saat proses hot start up turbin yaitu temperaturnya ± 400 0 C dan tekanannya ± 80 Kg/Cm 2. Untuk keperluan steam cast warning, turbin pada putaran 2850 Rpm ditahan selama ± 2 menit sebelum nominal speed. Laju putaran mesin yang di izinkan adalah 300 Rpm/menit. 32
3.4.4. Natural Shut Down to Hot Stand By Jika dalam system jaringan hanya membutuhkan beban (load demand) yang cukup rendah dalam suatu eriodic waktu tertentu, sehingga pada saat itu unit PLTU tidak diperlukan, maka unit dapat di stip atau dalam keadaan stand by. Natural shut down to hot stand by dapat diartikan bahwa unit di stop tanpa adanya pekerjaan atau pemeliharaan yang akhirnya tekanan dan temperature uap akan mengalami penurunan. Prosedurnya adalah dengan menurunkan beban generator secara bertahap sampai lepas dengan jaringan (generator not on line), kemudian boiler di hot banking untuk mempertahankan tekanan dan temperature, sehingga waktu start sampai dengan rolling dapat di perpendek. 3.4.5. Normal Shut down Normal shut down adalah stop unit yang di rencanakan, misalnya untuk keperlian inspection periodic, program pemeliharaan, atau perbaikan yang memerlukan waktu yang relative lama (±100 jam). Prosedurnya adalah dengan menurunkan beban generator secara bertahap dengan mengatur tekanan dan temperature uap sesuai perubahan beban 33
sampai generator pada light load (beban minimum), kemudian generator di lepas dari jaringan dan turbin dapat di stop. Apabila segera diperlukan kondisi dingin pada boiler, dimana akan dilakukan pemeliharaan atau perbaikan yang spesifik, maka force draft fan dapat dipertahankan sampai operasi boiler dalam keadaan dingin. Selanjutnya bila temperature air boiler mencapai kurang dari 90 0C, air boiler dapat di buang juka di anggap perlu. Proses cooling down ( pendinginan secara alami) dapat berlangsung selama 2 x 24 jam, jka boiler tidak diperlukan segera dalam keadaan dingin dan tidak ada pekerjaan spesifik. 3.5. Sistem Proteksi Sistem proteksi pada turbin ada empat macam. Keempat sistem proteksi tersebut bekerja berdasarkan sistem tekan pada minyak. Keempat sistem proteksi tersebut antara lain: 1. Low bearing oil pressure loe bearing oil pressure, didesisain untuk shut down unit apabila tekanan minyaknya turun menjadi 0,45 kg/cm 2. Pada saat tekanan minyak turun maka diafragma akan bergerak turun yang membuka katup yang akhirnya mematikan unit 34
2. Thrust Bearing Trip Thrust bearing trip, didesisain untuk shut down unit apabila tekanan minyaknya naik menjadi 5,60 kg/cm 2. Pada saat tekanan minyak naik maka diafragma akan naik dan membuka katub yang akhirnya akan mematikan unit. 3. Low Vacum Trip Low vacuum trip, didesain untuk shout down untuk masalah yang serius pada tekanan keluar dari turbin. Pada tekanan naik diatas nilai yang di tentukan (400-500 mmhg) diafragma akan bergerak ke atas dan membuka trip valve yang akhirnya akan mematukan unit 4. Over Speed Trip Over speed trip di disain untuk shut down uit apabila putaran rotor turbin melebihi 300 Rpm dan tekanan minyak lebih dari 2,55 Kg/cm 2 Table 1. Batasan variable opersai turbin. No Jenis proteksi Alaram [Kg/cm 2 ] Trip [Kg/cm 2 ] 1 Low Bearing Trip 0,75 ±0.05 0,45 0,60 2 Thrust Bearing Trip 2,10 ± 0,14 5,30 5,60 3 Low Vacuum Trip 600 ± 25 mmhg 400 500 mmhg 4 Over Speed - 2,55 Sumber: steam turbin unit 1, 2, dan 3 PLTU Muara Karang manual book 35
. Gambar 6. Control System Proteksi Unit 1, 2, dan 3 3.5.2. Sistem Pelumas Minyak pelumas berfungsi sebagai pemisah dua permukaan yang bersentuhan, misalnya antara poros bantalan. Sistem pelumas dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu: 1. Sistem Pelumas tekanan Tinggi Oli bertekanan tinggi digunakan untuk tujuan: a) mengoperasikan injektor oli, dimana pengisapan di main oil pump, ketika main oil pump menjadi tipe sentrifugal, oil injektor digunakan untuk untuk memberikan oli ke sisi masukan main oil pump di tekanan positif. 36
b).untuk menyediakan seal oil back-up untuk oli perapat hydrogen. 1.1. Penyaringan oli tekanan tinggi digunakan utuk tujuan: a) untuk mengoperasikan dua serfomotor thportel valve, dan servo motor sistem chast (katup Governor). b). untuk menyediakan suplai oli: 1.Oil impeller governor 2.Main oil governor 3.Load limit valve 4.Alat proteksi trip 5.Kontrol thortlle valve 6.Initial pressure regulator 7.Thrust bearing trip device 8.Mekanisme overspeed Kontrol oli masing-masing velve disuplai dari orifices di jalur tekanan tinggi. Orifices dan chek valve di tutupi dalam satu bagian, peralatan trip biasa di tempatkan di governor turbin akhir pada pedesal. 37
2. Sistem Cebur Pelumas dengan sistem cebur dimaksud untuk mengusahakan umur daru komponen-komponen mekanisme atau suku cadang dari sistem tersebut menjadi tahan lebih lama. Fungsi dari sistem cebur adalah: 1). Menghindari kontak langsung antara bagian yang bergerak dan mendukung, misalnya antara poros dengan bantalan (bearing) 2). Melakukan pendinginan dari alam. 3.5.3. Sistem Kontrol Secara dasar, semua kontrol di operasikan secara hidrolik menggunakan suolai oli dari main oil pump di poros. Tekanan keluar oli sebesar 22-27 Kg/Cm 2 G digunakn untuk membuat gaya yang cukup untuk menggerakan piston servo motor. Selama operasi normal, uap di turbin diatur oleh katup governor steam chast dan thortle valves. Governor merupakan suatu rangkaian peralatan yang berfungsi untuk mengatur daya keluaran turbin dengan cara menjaga kecepatan turbin konstan (3000 Rpm) pada beban berfariasi. 38
Tugas utama governor diantaranya sebagai berikut: 1). Pengatur kecepatan sebelum kerja paralel. 2). Pengatur kecepatan untuk merubah frekwensi dalam keadaan kerja paralel. 3). Pengaturan penghentian operasi pada saat terjadi angguan. Kecepatan atau beban dari turbin dikontrol oleh main governor dan dengan motor konvensional yang bisa di ubah kecepatannya. Kontrol governor ini memposisikan katup masuk uap melalui servo motor yang di hubungkan ke steam chast. Dalam frekwensi normal pengaturan governor dilakukan dengan governor utama atau load limit valve. Pada saat tekanan oli rata-rata 1,75 Kg/Cm 2 G maka katup steamchast akan menutup dan apabila ke 3,2 Kg/Cm 2 G mala katup steam chast akan membuka. 39