TUGAS SARJANA SISTEM PEMBANGKIT TENAGA PERANCANGAN TURBIN UAP PENGGERAK GENERATOR LISTRIK PADA PABRIK PENGOLAHAN KELAPA SAWIT KAPASITAS : 60 TON TBS/JAM DAYA TERPASANG : 10 MW PUTARAN : 5700 RPM OLEH : RUMTONI SIREGAR NIM : 030401033 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK MESIN M E D A N 2 0 0 8 1
KATA PENGANTAR Puji dan syukur dipanjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Adapun tugas sarjana ini saya ambil adalah dibidang system pembangkit tenaga dengan sub bidang turbin uap yang berjudul Perancangan turbin uap penggerak generator listrik, dengan daya terpasang generator 10 MW dan putaran turbin 5700 rpm. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada : 1. Orang tuaku tercinta ayahanda J. Siregar (alm), dan ibunda N. Aritonang untuk segala cinta dan kasih sayangnya atas tanggung jawab serta pengorbanannya, demikian juga kepada abang Pak Manonga, Pak Joel, abang Gunawan, abang Bornock, kakak Jujur, kakak Vanny, kakak Dicky, adek Kartika, adek Nunut, dan Lae yang turut memberikan dukungan baik secara materil maupun spiritual, juga kepada bapak Tua, bapak Uda, Namboru, Amangboru, karena doa, dukungan, dan nasehat-nasehat yang tak terhitung jumlahnya. 2. Kekasih tercinta Yohana Winda Sinuhaji atas dukungan, doa,dan semua peran sertanya yang membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri dan bapak Tulus Burhanuddin,ST, MT, selaku ketua dan sekretaris Departemen Teknik Mesin USU 4. Bapak Ir. Halim Nasution, M.Sc sebagai dosen pembimbing yang telah membimbing saya dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 5. Bapak Terang UHSG, Manik, ST, MT, selaku dosen pembanding I yang telah meluangkan waktu, pemikiran dan memberikan nasehat kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 9
6. Bapak Tulus Burhanuddin,ST, MT, sebagai, dosen pembanding II yang telah meluangkan waktu, pemikiran dan memberikan nasehat kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 7. Bapak/ Ibu Staff pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU. 8. Pimpinan dan karyawan PT.Putra Kreasi Nusantara Multimas Nabati Asahan ada abang Joni, Harris, Yusfi, Ali, Raja, dan Hendra, atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk melakukan survey dalam pengambilan data sebagai bahan dalam pengerjaan tugas sarjana ini. 9. Teman-teman gang bahagia 319 atas dukungan fasilitasnya. 10. Teman teman Teknik Mesin, terutama stambuk 2003, dan seluruh temanteman stambuk lainnya, atas motivasi dan bantuannya dalam mengerjakan tugas sarjana ini. Penulis menyadari bahwa tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna, untuk itu penulis mengharapkan saran yang membangun untuk kesempurnaan tugas sarjana ini, akhir kata penulis mengucapkan banyak terima kasih. Medan, November 2008. Penulis, Rumtoni Siregar (03 0401 033) 10
ABSTRAK Meningkatnya tuntutan kebutuhan hidup sehari-sehari terhadap sumber energi maka diperlukan suatu sistem yang dapat mengubah energi yang terkandung di alam, antara lain dalam bentuk energi potensial, energi kimia, dan energi mekanis kemudian dapat dikonversikan menjadi energi listrik yang akan digunakan untuk memenuhi kebutuhan rumah tangga, kebutuhan industri, dan kebutuhan transportasi. Pembangkit tenaga tidak tersedia di alam, tetapi sumber energi seperti air dan udara dapat di gunakan langsung atau melalui proses, untuk memperoleh energi yang lebih besar dan ketersediaannya di alam dalam jumlah besar maka uap air sering digunakan sebagai fluida kerja. Air yang tersedia di alam dengan bantuan energi panas yang dialirkan ke dalam boiler mengakibatkan air berubah fasa dari air menjadi uap air dan disebut dengan uap kering. Uap yang keluar dari boiler mempunyai temperatur dan tekanan tertentu kemudian dialirkan lewat nozel mengakibatkan energi yang terkandung didalam uap berubah seiring dengan perubahan tekanan dan kecepataan aliran uap yang akan menubruk sisi-sisi atau dinding sudu-sudu yang terpasang pada poros turbin dengan kata lain terjadi perubahan energi mekanis. Suatu pembangkit tenaga adalah kombinasi dari ekonomiser, ketel, ruang bakar, kompresor, pompa, kondensor, pemanas ulang. Uap air yang bertekanan dan bertemperatur tinggi memiliki energi kinetik yang tinggi pula, sehingga uap air dapat mendorong sudu turbin yang mengakibatkan turbin berputar pada porosnya (energi mekanis), kemudian diteruskan ke generator yang mengkonversikannya ke bentuk energi listrik 11
DAFTAR ISI SPESIFIKASI TUGAS KARTU BIMBINGAN KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI.... iii DAFTAR SIMBOL YUNANI... vii DAFTAR SIMBOL LATIN... viii DAFTAR TABEL.... xi DAFTAR GAMBAR... xii BAB I. PENDAHULUAN 1.1. Latar belakang... 1 1.2. Tujuan perencanaan... 2 1.3. Batasan masalah... 2 1.4. Metodologi penulisan... 3 1.5. Sistematika penulisan...3 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Analisa termodinamika... 5 2.2. Analisa termodinamika pada pompa... 7 2.3. Analisa termodinamika pada ruang bakar... 9 2.4. Analisa termodinamika pada turbin... 12 2.5. Modifikasi siklus Rankine pada PLTU... 13 2.6. Klasifikasi turbin uap... 15 12
2.7. Analisa kecepatan uap... 21 2.8. Kerugian-kerugian kalor pada turbin uap... 23 2.8.1. Kerugian-kerugian dalam(internal losses)... 23 2.8.2. Kerugian-kerugian luar (external losses)... 30 2.9. Effisiensi pada turbin... 30 BAB III. PEMBAHASAN MATERI 3.1. Pemilihan jenis turbin..32 3.2. Perhitungan penurunan kalor untuk jenis turbin nekatingkat... 32 3.2.1. Analisa termodinamika untuk penurunan kalor... 33 3.3. Perhitungan tekanan dan temperatur ekstraksi... 35 3.4. Analisa termodinamika pada diagram T-s untuk turbin uap dengan satu tingkat ekstraksi... 36 3.5. Perhitungan daya generator listrik... 39 3.6. Perancangan turbin tingkat pengaturan (tingkat satu)... 41 3.7. Penurunan kalor dari tingkat pengaturan sampai tingkat ekstraksi... 48 3.8. Kelompok turbin tingkat ekstraksi sampai tingkat terakhir... 53 3.9. Pengecekan hasil perhitungan penurunan kalor keseluruhan... 55 BAB IV. PERHITUNGAN UKURAN UTAMA TURBIN 4.1. Perhitungan ukuran poros... 57 4.2. Perhitungan ukuran nozel dan sudu gerak... 59 4.2.1. Tinggi nozel dan sudu gerak... 59 4.2.2. Lebar sudu gerak... 62 4.2.3. Jarak bagi antara sudu gerak... 63 4.2.4. Jumlah sudu... 64 4.2.5. Nozel dan sudu gerak tingkat 2... 64 13
4.3. Kekuatan sudu... 65 4.4. Pemeriksaan kekuatan sudu terhadap getaran... 68 4.5. Pembahasan perhitungan ukuran cakram... 69 4.6. Perhitungan putaran kritis... 78 4.7. Roda gigi... 82 4.8. Bantalan dan pelumasan... 86 4.9. Rumah Turbin... 91 BAB V. PENGATURAN TURBIN 5.1. Pengaturan putaran turbin... 93 5.2. Governor... 93 5.3. Analisa pengatur sentirfugal... 95 5.4. Sistem pengaturan tidak langsung... 99 5.5.Cara kerja governor...100 BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Spesifikasi Turbin Uap...105 6.2. Dimensi Bagian Utama Turbin...105 6.3. Saran...105 LAMPIRAN GAMBAR TEKNIK DAFTAR PUSTAKA 14
SIMBOL YUNANI α n Sudut tekanan normal α 1 Sudut kemiringan nozel α 2 Sudut relatif sisi keluar sudu gerak baris pertama α 1 Sudut sudu pengarah sisi keluar α 2 Sudut sisi keluar gerak baris kedua β 1 Sudut sisi masuk sudu gerak baris pertama β 2 Sudut sisi keluar sudu gerak baris pertama β 1 Sudut sisi masuk sudu gerak baris kedua β 2 Sudut sisi keluar sudu gerak baris kedua δ Tebal dinding silinder mm ε Derajat pemasukan - φ Koefisien beban - v φ Koefisien ketahanan - s ρ Massa jenis kg/cm 3 η e Efisiensi efektif - η m Efisiensi mekanis - η oi Efisiensi overall internal - η u Efisiensi relatif sudu - φ Koefisien kecepatan nozel - σ Tegangan izin cakram kg/cm 3 σ b Tegangan lentur sudu gerak baris pertama kg/cm 3 ω Kecepatan sudut rad/det ψ Koefisien sudu - 15
DAFTAR SIMBOL LATIN Notasi Arti satuan A 0 Titik perpotongan antara tekanan uap masuk dengan - temperatur uap masuk A 0 Titik perpotongan antara penurunan tekanan uap masuk - akibat katup pengatur dengan entalpi konstan A 1t Titik perpotongan garis vertikal kebawah dari titik A 0 - dengan tekanan uap buang A1 t Titik perpotongan garis vertikal kebawah dari titik A 0 - dengan tekanan uap buang a Lebar penampang setiap nozel mm b Lebar sudu mm C Kapasitas termal rata-rata minyak pelumas kkal/kgºc C 1 Kecepatan uap aktual pada sisi keluar nosel m/det C 1 Kecepatan mutlak uap masuk pada sudu baris kedua m/det C 2 Kecepatan uap mutlak keluar sudu gerak baris pertama m/det C 2 Kecepatan uap mutlak keluar sudu gerak baris kedua m/det C 1t Kecepatan uap teoritis pada sisi keluar nosel m/det C 1u C 2u Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris m/det pertama Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris m/det kedua d Diameter roda cakram diukur pada diameter rata-rata sudu mm D Diameter dalam silinder mm d p Diameter poros mm f 1 G G eks Luas penampang pada sisi keluar nosel Massa alir uap melalui turbin setelah ekstraksi Massa alir uap ekstraksi m 2 kg/det kg/det G kebocoran Kebocoran uap melalui perapat labirin kg/det G o Massa aliran uap total melalui turbin kg/det 16
h b Kerugian kalor pada sudu gerak baris pertama kj/kg h b Kerugian kalor pada sudu gerak baris kedua kj/kg h e Kerugian kalor akibat kecepatan keluar kj/kg h gb Kerugian kalor pada sudu pengarah kj/kg h n Kerugian kalor pada nosel kj/kg h o Penurunan kalor teoritis sebelum katup pengatur kj/kg h o Penurunan kalor teoritis setelah katup pengatur kj/kg h i Penurunan kalor yang dimanfaatkan pada turbin kj/kg i o Kandungan kalor uap pada sisi masuk turbin kj/kg i it Kandungan uap ideal keluar turbin kj/kg i it Kandungan kalor uap akibat katup pengatur kj/kg I Momen inersia mm 4 l Tinggi nosel mm l 1 Tinggi sisi masuk sudu gerak baris pertama mm l 1 Tinggi sisi keluar sudu gerak baris pertama mm l 2 Tinggi sisi masuk sudu gerak baris kedua mm l 2 Tinggi sisi keluar sudu gerak baris kedua mm l gb Tinggi sisi masuk sudu pengarah mm l gb Tinggi sisi keluar sudu pengarah mm W ct Berat cakram total kg W p Berat poros kg M t M x1 Momen torsi kg.cm Momen lengkung kg.cm n Putaran poros turbin rpm N i Daya dalam turbin kw N o Daya ideal turbin kw N e Daya efektif turbin kw N gea Daya gesek dan ventilasi cakram kw P a Gaya akibat perbedaan tekan uap masuk dan keluar kg P a Gaya akibat momentum uap yang mengalir kg P kr Tekanan kritis bar P o Tekanan uap awal turbin bar P o Tekanan uap sebelum nosel bar 17
P u Gaya akibat rotasi sudu kg P 1 Tekanan uap masuk sudu gerak bar P 2 Tekanan uap keluar turbin bar Q r Kalor yang timbul pada bantalan kkal/kg R 1 Jari-jari kelengkungan sudu gerak baris pertama mm R 2 Jari-jari kelengkungan sudu gerak baris kedua mm R p Jari-jari kelengkungan sudu pengarah mm r s Jari-jari rata-rata plat penguat sudu mm r 2 Jari-jari cakram mm t p Jarak bagi sudu pengarah mm t 1 Jarak bagi sudu gerak baris pertama mm t 2 Jarak bagi sudu gerak baris kedua mm u Kecepatan tangensial sudu m/det W y Momen perlawanan terkecil sudu cm 3 w 1 Kecepatan uap relatif masuk sudu gerak baris pertama m/det w 2 Kecepatan uap relatif keluar sudu gerak baris pertama m/det w 1 Kecepatan uap relatif masuk sudu gerak baris kedua m/det w 2 Kecepatan uap relatif keluar sudu gerak baris kedua m/det z 1 Jumlah sudu gerak baris pertama - z 2 Jumlah sudu gerak baris kedua - z p Jumlah sudu pengarah - 18
DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Tegangan-tegangan tangensial pada cakram konis... 75 Tabel 4.2. Tegangan-tegangan radial pada cakram konis... 76 Tabel 4.3. Tegangan-tegangan radial pada hub... 76 Tabel 4.4. Tegangan-tegangan tangensial pada hub... 77 Tabel 4.5. Sifat-sifat baja yang digunakan pada pembuatan cakram... 78 Tabel 4.6 Ruang bebas yang diperbolehkan untuk bantalan luncur... 87 Tabel 5.1 Besarnya kecepatan sudut rotasi (ω) dan sudut θ, β, α 98 19
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Diagram alir siklus Rankine... 6 Gambar 2.2. Diagram T-s siklus Rankine... 6 Gambar 2.3. Perbandingan antara kompresi nyata dan isentropik... 8 Gambar 2.4. Diagram alir siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi... 14 Gambar 2.5. Diagram T-s siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi... 15 Gambar 2.6. Turbin impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan dan diagram efisiensinya... 17 Gambar 2.7. Penampang turbin impuls Curtis tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan dan diagram efisiensinya... 18 Gambar 2.8. Penampang turbin Zoelly/Rateau tiga tingkat tekanan... 19 Gambar 2.9. Penampang turbin Parson reaksi dan diagram efisiensinya... 20 Gambar 2.10. Variasi kecepatan uap pada sudu-sudu gerak turbin impuls... 21 Gambar 2.11. Proses ekspansi uap melalui mekanisme pengatur dan kerugiankerugian akibat pencekikan... 24 Gambar 2.12. Grafik untuk menetukan koefisien kecepatan φ sebagai fungsi tinggi nozel... 25 Gambar 2.13. Koefisien kecepatan untuk sudu gerak turbin impula untuk berbagai panjang dan propil sudu... 26 Gambar 2.14. Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls... 29 Gambar 3.1. Diagram Mollier untuk proses penurunan kalor pada turbin... 34 Gambar 3.2. Diagram Mollier untuk penurunan kalor dengan satu tingkat ekstraksi... 35 Gambar 3.3. Instalasi pembangkit tenaga uap... 36 20
Gambar 3.4 Diagram T-s dengan satu tingkat ekstraksi... 36 Gambar 3.5 Effisiensi mekanis turbin... 38 Gambar 3.6 Effisiensi generator... 39 Gambar 3.7 Diagram daya yang harus disuplai turbin uap ke generator... 40 Gambar 3.8 Segitiga kecepatan untuk turbin impuls dua tingkat kecepatan... 44 Gambar 3.9. Diagram I-s untuk tingkat pengaturan... 47 Gambar 3.10. Proses ekspansi uap pada setiap tingkat turbin... 55 Gambar 4.1. Ukuran nozel dan sudu gerak... 62 Gambar 4.2. Gaya-gaya lentur pada Sudu... 68 Gambar 4.3. Penampang cakram kelepak konis... 70 Gambar 4.4. Berbagai koefisien untuk cakram konis... 72 Gambar 4.5. Pembebanan pada poros... 80 Gambar 4.6. Roda gigi... 82 Gambar 4.7. Bantalan luncur... 87 Gambar 4.8. Dudukan poros pada bantalan pada berbagai kecepatan... 88 Gambar 4.9. Grafik koefisien φ v (kriteria beban)...89 Gambar 4.10. Grafik untuk menentukan koefisien φ s...90 Gambar 5.1 Gambar 5.2 Gambar 5.3 Governor pengaturan putaran turbin..94 Pengatur sentrifugal...95 Analisa gaya pada pendulum.96 21