BAB II DASAR TEORI 2. 1 Sejarah turbin gas Turbin gas adalah motor bakar yang terdiri dari tiga komponen utama, yaitu : kompresor, ruang bakar, dan turbin. Sistem dapat berfungsi sebagai pembangkit gas ataupun menghasilkan daya poros. Turbin gas sangat luas dan beragam penggunaanya. Salah contoh penerapannya yang paling banyak dikenal ialah sebagai mesin yang menghasilkan daya-dorong pada pesawat terbang. Di industri, turbin gas digunakan untuk menggerakkan bermacam-macam peralatan mekanik salah satunya generator listrik. Siklus dasar turbin gas disebut siklus Brayton, yang pertama kali diajukan pada tahun 1870 oleh George Brayton seorang insinyur dari Boston. Sekarang siklus Brayton digunakan hanya pada turbin gas dengan proses kompresi dan ekspansi terjadi pada alat permesinan yang berputar. John Barber telah mempatenkan dasar turbin gas pada tahun 1791. Dua penggunaan utama mesin turbin gas adalah pendorong pesawat terbang dan pembangkit tenaga listrik[8]. 6
Turbin gas digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik yang berdiri sendiri (simple cycle) atau bergandengan dengan turbin uap (combined cycle) pada sisi suhu tingginya. Turbin uap (combined cycle) memanfaatkan gas buang turbin gas sebagai sumber panasnya. Turbin uap dianggap sebagai mesin pembakaran luar (external combustion), dimana pembakaran terjadi diluar mesin. Energi thermal dipindah ke uap sebagai panas. Turbin gas pertama kali berhasil dioperasikan pada pameran nasional Swiss (Swiss National Exhibition) tahun 1939 di Zurich. Turbin gas yang dibangun antara tahun 1940-an hingga tahun 1950-an efisiensinya hanya sekitar 17 persen, hal ini disebabkan oleh rendahnya efisiensi kompresor dan turbin dan suhu masuk turbin yang rendah karena keterbatasan teknologi metalurgi pada saat itu. Turbin gas terpadu dengan turbin uap (combined cycle) yang pertama kali dipasang pada tahun 1949 di Oklahoma oleh General Electric menghasilkan daya 3,5 MW. Biaya pembangunan pembangkit tenaga turbin gas kira-kira setengah kali biaya pembangunan pembangkit tenaga turbin uap berbahan bakar fosil yang merupakan pembangkit tenaga utama hingga awal tahun 1980-an. Lebih dari separuh dari seluruh pembangkit daya yang akan dipasang di masa akan datang diperkirakan akan merupakan pembangkit daya turbin gas ataupun dikombinasikan dengan turbin uap (combined cycle). 7
Di awal tahun 1990-an, General Electric telah memasarkan turbin gas dengan ciri perbandingan tekanan (pressure ratio) 13,5 menghasilkan daya net 135,7 MW dengan efisiensi thermal 33 persen pada operasi sendiri (simple cycle operation). Turbin gas terbaru yang dibuat General Electric bersuhu masuk 1425⁰C (2600⁰F) menghasilkan daya hingga 282 MW dengan efisiensi thermal mencapai 39.5 persen pada operasi sendiri (simple cycle operation). Bahan bakar minyak ringan seperti minyak diesel, minyak tanah, minyak mesin jet, dan bahan bakar gas yang bersih ( seperti gas alam ) paling cocok untuk turbin gas. Bagaimanapun, bahan bakar tersebut diatas akan menjadi lebih mahal dan pasti akan habis. Oleh karena itu, pemikiran ke masa depan harus dilakukan untuk menggunakan bahan bakar alternatif lain. Salah satu kelemahan mesin turbin gas (PLTG) adalah efisiensi thermalnya yang rendah. Rendahnya efisiensi turbin gas disebabkan karena banyaknya pembuangan panas pada gas buang. Dalam usaha untuk menaikkan efisiensi thermal tersebut, maka telah dilakukan berbagai upaya sehingga menghasilkan mesin siklus kombinasi seperti yang dapat kita jumpai saat ini. 2. 2 Prinsip Kerja Turbin Gas Biasanya turbin gas beroperasi pada siklus terbuka. Udara luar mengalir ke kompresor, suhu dan tekanannya dinaikkan. Udara bertekanan terus mengalir ke ruang pembakaran, Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga terjadi proses pembakaran. Proses pembakaran berlangsung pada tekanan konstan 8
Gas panas yang dihasilkan masuk ke turbin, kemudian berekpansi ke tekanan udara luar melalui berbaris sudu nosel. Ekspansi ini menyebabkan sudu turbin berputar, yang kemudian memutar poros rotor berkumparan magnet, sehingga menghasilkan teganan listrik dikumparan stator generator. Gas buang (exhaust gases) yang meninggalkan turbin. Gambar 2.1. Siklus kerja turbin gas[4]. 2. 2. 1 Tahapan Turbin Gas Turbin gas berfungsi menghasilkan energi mekanik untuk memutar kompresor dan rotor generator yang terpasang satu poros, tetapi pada saat start up PLTG memerlukan alat pemutar awal (Starting Device) untuk menjalankannya. Starting Device dapat berupa mesin diesel, motor listrik, motor-generator atau udara. Fungsi dari Starting Device adalah untuk memutar kompresor pada saat start up untuk menghasilkan udara bertekanan sebelum masuk ke ruang pembakaran (combustion chamber). 9
Tahapan start up Turbin Gas meliputi : a. Persiapan dan pemeriksaan sebelum start. b. Ready to start c. Starting device energized, terhubung ke turbin dan start d. Bahan bakar diinjeksikan ke ruang bakar dan terjadi penyalaan. e. Periode warming-up, bahan bakar ditambah dan putaran naik f. Turbin Gas mampu berputar dengan kemampuan sendiri dan Starting Device lepas dan berhenti. g. Putaran bertambah dan mencapai full speed no load (100 %) h. Sinkronisasi generator i. Pembebanan 2. 3 Prinsip Thermodinamika Turbin Gas Siklus ideal dari sistem turbin gas sedehana adalah siklus bryton. sistem turbin gas sederhana dengan siklus terbuka menggunakan ruang bakar sedangkan sistem turbin gas sederhana dengan siklus tertutup menggunakan alat-alat penukar panas kalor. 10
Gambar 2.2 Siklus Bryton[4]. Siklus ideal yang fluida kerja jalani dalam siklus ini adalah siklus Brayton, yang terdiri dari empat proses dalam dapat balik (internally reversible): 1-2 Kompresi isentropik (isentropic compression) di kompresor 2-3 Penambahan panas tekanan tetap (constant pressure heat addition) 3-4 Expansi isentropik (isentropic expansion) di turbin 4-1 Pembuangan panas tekanan tetap (constant pressure heat rejection) 11
Siklus tersebut dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.3 Diagram P-V dan T - S[4]. Siklus seperti gambar, terdapat empat langkah: Langkah 1-2 : Udara luar dihisap dan ditekan di dalam kompresor, menghasilkan udara bertekanan (langkah kompresi) Langkah 2-3 : Udara bertekanan dari kompresor dicampur dengan bahan bakar, terjadi reaksi pembakaran yang menghasilkan gas panas (langkah pemberian panas) Langkah 3-4 : Gas panas hasil pembakaran dialirkan untuk memutar turbin (langkah ekspansi) Langkah 4-1 : Gas panas dari turbin dibuang ke udara luar (langkah pembuangan) 12
2. 4 Peralatan-peralatan Turbin Gas Peralatan pada instalasi dari Turbin Gas ini diklasifikasikan menjadi 2 bagian, yaitu : Peralatan Utama dan Peralatan Pendukung. 2.4. 1 Peralatan utama pada Turbin Gas Secara umum peralatan peralatan utama dari Turbin Gas yaitu : A. Kompresor Kompresor berfungsi untuk menaikan tekanan dan temperatur udara sebelum masuk ruang bakar. Udara juga dimanfaatkan untuk : udara pembakaran, udara pengabut bahan bakar, udara pendingin sudu dan ruang bakar dan perapat pelumas bantalan. Kompresor yang umum dipakai pada turbin gas dalah jenis kompresor aksial bertingkat 15-20. Pada sisi masuk kompresor ini dipasang Inlet Guide Vans (IGV) yang berfungsi mengatur jumlah aliran udara yang masuk. karena pada beban rendah kebutuhan udara untuk pendingin juga rendah. Permukaan sudut dibuat sangat halus atau licin, agar kerugian gesekan sekecil mungkin. Bila sudu-sudu kotor, kerugian gesekan akan naik sehingga tekanan udara keluar kompresor turun dan suhu naik. Gambar 2.4 Kompresor[4]. 13
B. Ruang bakar Ruang Bakar (Combustion Chamber) adalah ruangan tempat proses terjadinya pembakaran. Energi kimia bahan bakar diubah menjadi energi thermal pada proses pembakaran tersebut. Bahan bakar bercampur dan terbakar saat melalui daerah api. Api tidak menyentuh dinding karena dibatasi oleh aliran udara masuk yang juga mendinginkan dinding ruang bakar. Ruang bakar turbin gas umumnya berupa tabung silinder terbuat dari material tahan panas. Gambar 2.5. Ruang Bakar[4]. C. Turbin gas Turbin berfungsi untuk mengubah energi thermal dari hasil pembakaran di dalam ruang bakar menjadi energi kinetik dalam sudu tetap kemudian menjadi energi mekanik dalam sudu jalan sehingga energi mekanik akan memutar poros turbin. 14
Turbin gas menggerakkan kompresor dan generator karena porosnya menjadi satu kesatuan. Sudu-sudu turbin gas buatan GE terdiri dari 3 tingkat. gas panas masuk ke turbin dapat menghasilkan daya sampai 40 MW pada sisi generator dengan putaran 3000 rpm. Gambar 2.6 Turbin[5]. D. Generator Generator terdiri dari dua komponen utama yaitu rotor dan stator. Generator berfungsi untuk mengubah energi mekanik putaran pada rotor yang terdapat kutub magnet, kemudian menjadi energi listrik pada kumparan stator. 2.4. 1 Peralatan penunjang pada Turbin Gas Secara umum peralatan peralatan penunjang dari Turbin Gas yaitu : A. Penggerak Mula (Prime Mover), yaitu Diesel, Starting Motor (Cranking Motor), Generator sebagai Motor, memutar poros turbin gas sampai kekuatan bahan bakar dapat menggantinya (turbin gas mampu berdiri sendiri). 15
B. Hydraulic Ratchet, berfungsi memutar poros turbin sebelum start, sebanyak 45º setiap 3 menit, untuk memudahkan pemutaran oleh penggerak mula dan meratakan pendinginan poros saat turbin gas stop C. Turning Gear, fungsinya sama seperti juga Ratchet, hanya poros diputar kontinyu dengan putaran lambat (± 6 RPM). D. Accessories Gear, adalah tempat roda gigi untuk memutar alat-alat bantu seperti : pompa bahan bakar, pompa pelumas, pompa hidrolik, main atomizing air compressor, water pump, tempat hubungan Ratchet E. Torque Converter, sebagai kopling hidrolik, saat digunakan kopling diisi dengan minyak pelumas. Sedangkan saat dilepas, minyak pelumas di drain. F. Load Gear, disebut juga Reduction Gear atau Load Coupling untuk mengurangi kecepatan turbin menjadi kecepatan yang dibutuhkan oleh Generator. Load Gear Westinghouse dimanfaatkan untuk penggerak pompa bahan bakar dan pelumas. G. Exciter, yaitu peralatan yang berfungsi memberikan arus searah untuk penguatan kutub magnet Generator Utama. H. Starting Clutch, disebut juga Jaw Clutch, sebagai kopling mekanik yang berfungsi menghubungkan poros Penggerak Mula dengan poros kompresor saat proses Start. 16
I. Bantalan (Bearing), terdiri dari bantalan aksial dan bantalan luncur. Bantalan luncur disebut juga disebut juga Journal Bearing, yang berfungsi sebagai penyangga berat poros turbin, kompresor dan generator. Sedangkan bantalan aksial disebut juga Thrust Bearing, berfungsi sebagai penahan gaya aksial. Gambar 2.7 Peralatan penunjang turbin gas[4]. 17
2. 5 Filter Udara Turbin Gas Turbin gas memerlukan udara untuk pembakaran dimana gas panas yang dihasilkan berfungsi sebagai fluida kerja, udara yang diperlukan turbin gas relatif sangat banyak. Sistem penyaringan udara masuk sangat penting pada setiap turbin gas. Filter udara pada turbin gas berfungsi menghilangkan kontaminasi dari udara luar yang dihisap oleh kompresor Turbin Gas. Udara yang sudah tersaring digunakan sebagai campuran pembakaran di Turbin Gas. Penyaringan udara diperlukan untuk memastikan perlindungan maksimal pada kompresor. Kontaminasi dari udara luar bisa mengakibatkan blade pada kompresor mengalami erosi bahkan korosi. Oleh sebab itu diperlukan filter udara dalam menjaga kualitas udara yang masuk[12]. Gambar 2.8 Sistem filter udara turbin gas[6]. 18
2. 6 Pemilihan Filter Udara Tujuan dari filter udara masuk adalah untuk meminimalkan kontaminasi yang masuk ke turbin gas. Kontaminasi udara yang ada di lingkungan sangat tergantung pada lokasi turbin gas dan kegiatan industri sekitarnya. Kontaminasi udara dapat bervariasi setiap hari atau musiman karena fakta bahwa kondisi iklim seperti arah angin, kecepatan angin, suhu, kelembaban dan curah hujan yang terus berubah. Oleh sebab itu filter harus dirancang untuk menyaring kontaminasi udara di lingkungan tersebut. Filter diklasifikasikan berdasarkan beberapa metode penilaian standar. Di Amerika Serikat, metode didefinisikan oleh American Society of Heating, Rerrigerating, dan Air-conditioning Engineers (ASHRAE) dalam standar 52,2: 2007. Di Eropa, klasifikasi ini ditetapkan oleh Standar Eropa EN 779: 2002 dan EN 1822: 2009. Klasifikasi yang diberikan kepada filter berdasarkan tes standar[7]. Tabel 2.1 Kontaminasi Umum dan Standar Kelas Filter Udara[6]. 19
2. 7 Kategori Filter Udara Turbin Gas Filter yang dirancang dibagi dalam tiga kategori: Filter Utama, filter ini dirancang untuk menangkap mayoritas partikel debu di udara yang lebih besar dalam ukuran 5-10 µm dan mampu bekerja dengan kecepatan aliran udara yang relatif tinggi. Filter Tahap Dua, filter ini memilki media yang lebih halus untuk menangkap partikel halus. Partikel halus yang disaring berukuran 0,5-6 µm, kecepatan udara maksimum yang dapat dilalui cenderung rendah, nilainya 0,12 m/s Filter Terakhir, filter memilki nilai efisiensi yang sangat tinggi ( 99,95% atau lebih ), kecepatan udara yang dapat dilalui terbatas pada 0,03 m/s Gambar 2.9 Proses filter udara gas turbin[6]. 2. 8 Konsekuensi Dari Filter Udara Yang Buruk Sistem Filtrasi bertujuan membersihkan udara yang masuk ke turbin gas. Pengoperasian turbin gas memerlukan udara dalam jumlah besar. Filtrasi diterapkan pada udara masuk untuk memberikan perlindungan terhadap efek udara terkontaminasi. Desain filtrasi khusus melindungi terhadap partikel berbagai ukuran dan komposisi 20
Gambar 2.10 Ukuran partikel pada udara[6]. Filtrasi yang tepat dirancang berdasarkan aplikasi yang diperlukan untuk mencegah penurunan kinerja turbin gas dan bahkan kerusakan turbin gas. Dampak yang dapat diakibatkan dengan tidak efektif sistem filtrasi pada gas turbin. 2.8.1 Kerusakan Akibat Objek Asing (FOD) Kerusakan akibat objek asing (FOD) dapat menjadi signifikan dalam turbin gas jika tidak ada perlindungan yang tepat. Benda besar atau partikel yang relatif besar dapat masuk dan terjebak atau ikut masuk tersaring ke dalam kompresor. Kerusakan akibat objek asing (FOD) memiliki potensi terbesar untuk kerusakan kompresor. 21
Gambar 2.11 Kerusakan gas turbin karena masuknya benda asing[6]. 2.8. 2 Erosi Partikel berukuran 5 sampai 10 mikron atau lebih besar membuat erosi permukaan logam pada gas turbin. Pasir adalah salah satu penyebab paling umum dari erosi. Gamabr 2.12 Perbandingan ukuran partikel untuk erosi & fouling[6]. 22
Erosi yang terjadi bila dibiarkan akan membentuk bagian pada permukaan komponen gas turbin. Hal ini dpat merubah bentuk blade turbin. Gambar 2.13 Erosi yang terjadi pada blade turbin[6]. 2.8.3 Fouling Fouling adalah penumpukan material dalam rongga dan lokasi aliran udara. Penyebab untuk fouling adalah partikel kecil, uap minyak, air, dan garam. Fouling banyak terjadi pada kompresor. Fouling yang terjadi pada kompresor berakibat terganggunya keseimbangan berputar dan mengurangi kelancaran berputar. 23
Gambar 2.14 Fouling pada blade kompresor[6]. 2.8.4 Korosi Jika jenis material melebur ke dalam mesin secara kimiawi reaktif, terutama yang melibatkan logam di bagian turbin, hasilnya adalah korosi. Ada dua klasifikasi korosi pada turbin gas : korosi dingin dan korosi panas. Korosi dingin terjadi pada kompresor karena deposit garam, asam, uap, gas agresif seperti klorin, sulfida, atau mungkin oksida. Korosi panas terjadi di area turbin gas. Hal ini bukan hanya dari udara, tetapi juga dari injeksi bahan bakar yang sulit untuk menyaring. Korosi panas terjadi pada logam seperti natrium, kalium, vanadium, dan timah yang bereaksi dengan sulfur atau oksigen selama pembakaran. Setelah pembakaran, Korosi panas ini terjadi pada nozzle bahkan blade turbin. 24
2. 9. Penggantian Filter Udara Filter udara terdiri dari 3 lapis yaitu : Coalescer stage, Prefilter stage, High Efficiency filters stage[8]. Saat filter udara kotor dan harus diganti maka dillakukan langkah penggantian seperti dibawah ini Coalescer stage. Type Amerkool GT. Prefilter stage. Type Amairplast GT. High Efficiency filter stage. Type Duravee XL Gambar 2.15 Filter udara stage 1, 2 & 3 2.9.1 Persiapan 1. Pengamanan Sistem Instalasi Oleh Pihak Operasi. 2. Menyediakan APD tambahan berupa : kacamata, sarung tangan, masker. 3. Menyediakan alat-alat kerja yaitu : obeng, tangga, tali dadung 10 m, majun, kawat, tali kecil, pisau. 4. Mempersiapkan personil minimal 10 orang. 5. Perhatian dalam melakukan pekerjaan ini pastikan Turbin gas dalam kondisi off. 25
2.9.2 Penggantian Coalescer Stage 1. Membuka penjepit filter menggunakan obeng. 2. Melepas filter beserta bingkainya. 3. Menurunkan filter dari Rumah filter memakai tali dadung, ketinggian ± 6 m. 4. Filter beserta bingkai yang telah berada dibawah kemudian dilakukan penggantian filter yang baru. Pekerjaan ini paralel (berbarengan) dengan menurunkan filter lama dari Rumah filter. 5. Filter yang lama dikeluarkan dari bingkai kemudian diganti dengan filter baru. 6. Perhatian saat melepas filter lama, bingkai jangan dibenturkan ke suatu benda agar debu tidak berterbangan. 7. Filter baru yang telah terpasang di dalam bingkai kemudian diikat menggunakan tali agar lebih kuat. 8. Apabila sebanyak 120 pcs filter telah terlepas kemudian dilakukan pembersihan kotoran yang berada di dalam Rumah filter. 9. Mengangkat filter baru beserta framenya ke Rumah filter. 10. Memasang filter beserta bingkai ke Rumah filter. Perhatikan arah pemasangan 26
2.9.3 Penggantian Pre Filter Stage dan HE Filter Stage 1. Membuka penjepit filter menggunakan obeng. 2. Melepas semua Prefilter stage (lapis 2) kemudian diturunkan dari Rumah filter. 3. Melepas semua HE filter (lapis 3) kemudian diturunkan dari Rumah filter. 4. Pembersihan kotoran yang berada didalam Rumah filter 5. Mengangkat HE filter baru kemudian dilakukan pemasangan 6. Mengangkat Prefilter baru kemudian dilakukan pemasangan 2.9.4 Penyelesaian Akhir 1. Membersihkan area tempat kerja. 2. Melaporkan hasil pekerjaan 27
2. 10. Rumus Yang Dipergunakan 2. 10. 1. Kerja kompresor ( ) Kerja Kompresor adalah kerja yang sebenarnya dihasilkan oleh kompresor. Kerja kompresor dihitung dari laju aliran massa dan perubahan entalpi di kompresor sebagai berikut [9]. perhitungan menggunakan formula yang standar ( ) (2.1) (Buku Penggerak muka : Turbin.1988) Dimana = Laju aliran massa udara = Kapasitas panas spesifik udara = temperatur udara masuk ke kompresor = temperatur udara keluar dari kompresor 2. 10. 2 Kerja Turbin ( ) Kerja Turbin adalah kerja yang sebenarnya dihasilkan oleh Turbin Untuk menghitung Kerja Turbin dipakai formula yang standar digunakan : ( ) (2.3) (Buku Penggerak muka : Turbin hal 1988) 28
Dimana = laju aliran massa bahan bakar gas = kapasitas panas spesifik bahan bakar = temperatur masuk ke turbin gas = temperatur keluar dari turbin gas 2. 10. 3 Kerja rata-rata Kerja rata-rata adalah kerja yang dihasilkan oleh sistem turbin gas persatuan berat fluida kerja. Untuk menghitung Kerja rata-rata dipakai formula yang standar digunakan : (2.4) (Buku Penggerak muka : Turbin.1988) Dimana = kerja turbin = kerja kompresor 2. 10. 4 Pemakaian bahan bakar spesifik (SFC) Pemakaian bahan bakar spesifik membandingkan rasio bahan bakar yang digunakan oleh turbin gas dengan kekuatan karakteristik seperti jumlah daya yang dihasikan. Pemakaian bahan bakar spesifik (SFC) ditentukan oleh formula yang standar digunakan dibawah ini[10]. 29
(Buku Pengantar turbin gas dan motor propulsi 2002 ) Dimana = kerja rata-rata dari turbin gas = laju aliran massa dari bahan bakar gas 2. 10. 5 Efisiensi termal turbin gas ( ) Efisiensi termal turbin gas adalah ukuran kinerja dari perbandingan antara output dan input yang berguna salah satunya pada turbin gas. Nilai efisiensi termal menunjukkan seberapa baik proses konversi energi dari input menjadi output[11]. Untuk menghitung dipakai formula yang standar digunakan : (Buku Pengantar turbin gas dan motor propulsi.2002) Dimana = kerja rata-rata dari turbin gas = laju aliran massa dari bahan bakar gas ( ) = nilai kalor bawah untuk bahan bakar 30
2. 10. 6. Efisiensi kompresor ( ) Efisiensi kompresor adalah rasio kerja kompresi dengan aktual kompresi Untuk menghitung dipakai formula yang standar digunakan : (Buku Pengantar turbin gas dan motor propulsi. 2002) Dimana yang ideal dicapai (teori) 31