15 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Kompresor merupakan suatu komponen utama dalam sebuah instalasi turbin gas. Sistem utama sebuah instalasi turbin gas pembangkit tenaga listrik, terdiri dari empat komponen utama, yang salah satunya adalah kompresor. Komponen utama lainnya adalah ruang bakar, turbin dan generator listrik. Masing-masing dari komponen utama tersebut memiliki spesifik kerja dan fungsi yang berbeda-beda. Berikut ini adalah sebuah skema sistem instalasi turbin gas dengan siklus terbuka dengan komponen-komponen penyusunnya. Gambar 2.1. Sistem turbin gas dengan siklus terbuka Keterangan : K = Kompresor T = Turbin RB = Ruang Bakar G = Generator Pada instalasi turbin gas, setiap komponen memiliki proses tersendiri baik pada analisa termodinamika ataupun pada perubahan-perubahan energi yang terjadi didalam proses tersebut. Berikut diagram P vs V dan T,h vs S pada sistem pembangkit listrik dengan siklus terbuka.
16 Gambar 2.2 Diagram P-V dan diagram h,t-s Untuk selanjutnya pembahasan dalam bagian ini lebih khusus tentang kompresor dalam sebuah sistem pembangkit tenaga listrik. 2.1 Kompresor dan Fungsinya dalam Sistem Turbin Gas Kompresor adalah serangkaian alat yang berfungsi mengalirkan dan menaikkan tekanan udara pada sistem turbin gas, sampai sekurang-kurangnya cukup tinggi untuk untuk membakar bahan bakar yang disemprotkan kedalam ruang bakar (combustion chamber). Pada gambar 2.2, proses kerja kompresor adalah ditunjukkan dari notasi 1 ke 2. Proses yang terjadi disini adalah proses kompresi isentropis. Secara teoritis, pada kompresor terjadi kenaikan tekanan tanpa perubahan entropi. Kemudian pada proses ini juga menyebabkan naiknya suhu yang secara tidak langsung akan menaikkan entalpi. Perubahan entalpi inilah yang kemudian mempengaruhi kerja dari sebuah kompresor. Ada dua jenis kompresor yang biasa digunakan pada sistem turbin gas yaitu kompresor aksial dan kompresor sentrifugal. Dalam perancangan ini, akan dipakai kompresor aksial dimana udara mengalir dalam arah sejajar terhadap sumbu poros kompresor. 2.2 Siklus Ideal dan Aktual pada Kompresor Gambar 2.2 merupakan proses dalam siklus ideal pada kompresor. Proses-proses yang terjadi diatas berlaku secara teoritis, tetapi pada kenyataannya terjadi penyimpangan-penyimpangan dari proses yang ideal.
17 Penyimpangan-penyimpangan itu antara lain karena : 1. Fluida kerja bukanlah gas ideal dengan panas spesifik konstan dan laju aliran massa fluida kerja tidak konstan. 2. Proses yang berlangsung disetiap komponen tidak adiabatik dan reversibel, karena ada kerugian energi akibat gesekan, perpindahan panas dan lain-lain. 3. Proses kompresi didalam kompresor tidak berlangsung secara isentropik. Dari penyimpangan-penyimpangan itulah, kemudian akan merubah beberapa proses dalam siklus ideal dalam kompresor. Siklus hasil yang terjadi akibat penyimpangan-penyimpangan tersebut dinamakan dengan siklus aktual. Siklus aktual inilah yang kemudian berisi tentang fakta dilapangan pada kompresor dan juga pada komponen lain dalam sistem turbin gas. Untuk lebih jelasnya tentang siklus aktual dan ideal, dapat diperhatikan gambar 2. 3 berikut ini: Gambar 2.3 Diagram h-s pada kompresor Pada gambar 2.3, titik i dan e berturut-turut menyatakan masuk dan keluar sistem aktual. Sedangkan es adalah titik keluar secara teoritis (ideal). Pada siklus ideal, kerja kompresor dapat dicari dengan persamaan berikut:
18 W K = C p ( t es t i ) = h es h i (kj/kg) (2.1) (lit 2 hal. 56) Sedangkan pada siklus aktual, titik es pada gambar akhirnya akan bergeser kekanan sebagai akibat dari penyimpangan bahwa siklus tidak berlangsung secara isentropik. Titik akhir, e merupakan akibat penyimpangan dari siklus. Sehingga persamaan (2.1) juga mengalamai perubahan. Nilai inilah yang kemudian dipakai sebagai hasil kerja aktual yang dirumuskan sebagai berikut: W Kaktual = C p ( t e t i ) = h e h i (kj/kg) (2.2) (lit 2 hal. 56) 2.3 Efisiensi Kompresor Dari gambar 2.3, dapat dilihat bahwa kerja ideal kompresor lebih rendah dari kerja aktual. Perbandingan kedua kerja ini dinayatakan dengan efisiensi isentropik kompresor. Efisiensi isentropik, η K kompresor dapat dirumuskan sebagai berikut: η K =. (2.3) (lit. 2 hal. 57) Persamaan (2.3) dapat juga dicari dengan mensubstitusikan persamaan (2.1) dan (2.2) kedalamnya. Sehingga persamaan (2.3) bisa kemudian diganti dengan parameter input berupa temperatur ataupun entalpi seperti persamaan berikut: η K = = (2.4) (lit. 2 hal. 57) Untuk menaikkan efisiensi kompresor, dapat dilakukan dengan mengurangi kerja kompresor untuk mencapai tekanan yang sama atau stabil pada sisi masuk dan sisi keluar kompresor. Dengan kata lain, dilakukan dengan
19 mengurangi Δh K antara siklus ideal dan siklus aktual. Atau membuat sebisa mungkin dengan cara mendekatkan titik e ke titik es sesuai pada gambar 2.3. dengan kata lain membuat Δs mendekati isentropik atau mendekati nol. Menaikkan efisiensi kompresor adalah dengan tujuan untuk meningkatkan kerja sistem turbin gas secara keseluruhan. Karena kompresor adalah komponen parsial dari sebuah sistem turbin gas yang memiliki pengaruh pada siklus sistem turbin gas secara utuh. Tentu dengan meningkatnya efisiensi, akan memberikan peningkatan nilai guna terhadap sebuah pembangkit tenaga. 2.4 Konstruksi Kompresor Aksial Kompresor aksial dapat menghasilkan laju aliran massa udara yang tinggi pada bidang frontal yang kecil. Kompresor aksial terdiri dari beberapa tingkat (dapat sampai 30), dimana masing-masing tingkat terdiri dari sebaris sudu gerak pada rotor, dan sebaris sudu tetap pada stator. Rotor dan stator inilah yang menjadi bagian utama dari sebuah kompresor aksial. Untuk lebih jelasnya tentang komponen kompresor aksial, dapat dilihat pada gambar berikut. Gambar 2.4 Skema konstruksi kompresor aksial 2.4.1 Sudu Kompresor Sudu kompresor terdiri dari sudu gerak dan sudu tetap. Penampang sudu adalah berbentuk aerofoil. Aerofoil merupakan bentuk aerodinamik yang paling efektif untuk menghasilkan gaya angkat. Ada beberapa cara pemasangan sudu
20 pada rotor seperti gambar berikut. Gambar 2.5 Konstruksi dan jenis-jenis pemasangan sudu pada rotor Sudu kompresor dipasang longgar pada rotor untuk memungkinkan peredaman atau menghilangkan getaran. Namun hal ini uga bisa menyebabkan masalah ketika gaya sentrifugal pada sudu tidak cukup menghasilkan gesekan yang diperlukan. Pada satu tingkat kompresor, sudu gerak tersusun melingkar pada rotor. Jumlah sudu pada masing-masing tingkat tidaklah sama. Itu semua bergantung pada dimensi-dimensi sudu jarak antar sudu (pitch). Berikut detail susunan sudu gerak pada sumbu putar. Gambar 2.6 Detail susunan sudu dan penamaan sudut Aspect ratio merupakan perbandingan antara tinggi sudu dan chord sudu (h/c). Dengan adanya perbandingan ini, dapat dicari panjang dari chord sudu.
21 Setelah diperoleh chord sudu, dengan perbandingan soliditas (s/c) dapat dicari jarak sudu. Perbandingan soliditas ini, dipengaruhi oleh sudut keluar kecepatan aksial dan sudut defleksi fluida yang didapat dari perhitungan perancangan. Gambar 2.7 Grafik hubungan s/c Berat Sudu (W s ), dapat ditentukan dari persamaan berikut: W s = volume sudu x berat jenis sudu (γ) Dimana: V s = h. c. t γ = 76 kn/m 3 7,6 x 10 4 N/m 3 Sudu yang berada pada satu tingkat kompresor, maka dianggap sudu yang satu relatif dengan dan terhadap sudu yang lai.. Karena hal tersebutlah, kemudian dapat dianggap bahwa fenomena-fenomena akibat aliran fluida kerja pada satu sudu, akan sama dengan sudu lainnya. Baik itu berupa kecepatan, ataupun ia berupa sifat-sifat fluida lainnya yang berhubungan dengan sudu-sudu tersebut. Untuk jumlah sudu masing-masing tingkat pada kompresor tidaklah sama. Untuk menghitung jumlah sudu pertingkat dapat dengan menggunakan persamaan
22 berikut: Z = Dimana: Z r m s = Jumlah sudu dalam satu tingkat kompresor = panjang jari-jari rata-rata sudu = jarak sudu (pitch) 2.4.2 Segitiga Kecepatan pada Sudu Kompresor Pada analisis dua dimensi, maka proses yang terjadi dalam kompresor adalah beberapa kondisi. Kondisi inilah yang kemudian mengalami pengulangan dalam tingkat-tingkat berikutnya dalam sebuah kompresor. Berikut gambaran tentang kondisi dalam ruang annulus kompresor. Gambar 2.8 Kondisi dalam annulus tingkat pertama kompresor Kondisi 1 merupakan ruang dimana fluida sebelum melewati sudu gerak tingkat pertama. Sedangkan kondisi 2 adalah kondisi fluida setelah melewati sudu gerak dan akan melalui sudu tetap tingkat pertama. Dan kondisi 3 adalah kondisi dimana fluida setelah melewati tingkat pertama dan akan melewati sudu gerak tingkat kedua dalam kompresor dan begitulah tahapan atau kondisi ini berlanjut sampai pada tingkat terakhir. Notasi 1, 2 dan 3 pada tingkat pertama kompresor ini, kemudian bisa digambarkan pada segitiga kecepatan dengan notasi subscript yang sama seperti pada gambar berikut:
23 Gambar 2.9 Segitiga kecepatan pada satu tingkat pertama kompresor Segitiga kecepatan untuk satu tingkat kompresor dapat dilihat pada gambar 2.9 dimana kecepatan absolut dan arah aliran pada sisi keluar, sama dengan pada sisi masuk. Aliran dari tingkat sebelumnya atau dari sudu pengarah memiliki kecepatan c 1 dan arah α 1. Dan w 1 merupakan kecepatan relatif dengan sudut β 1. Kemudian aliran fluida membentuk sudut β 2 pada sisi keluar dengan kecepatan relatif w 2. Dengan menambahkan kecepatan sudu, U, maka akan menhasilkan kecepatan absolut dari rotor, c 2 dengan sudut sebesar α 2. Kemudian sudu stator akan membelokkan aliran sehingga kecepatan keluar adalah c 3 dengan sudut α 3. Beginilah diagram kecepatan pada satu tingkat kompresor, dan kemudian proses seperti ini akan kembali berlanjut pada tingkat selanjutnya sampai pada tingkat terakhir dari kompresor aksial. 2.5 Derajat Reaksi Kompresor Aksial Didalam kompresor aksial, kenaikan tekanan terjadi pada kedua jenis sudu. Sudu gerak pada rotor dan sudu tetap pada stator. Oleh karena itu, perlu ditetapkan seberapa besar kontribusi rotor terhadap terhadap kenaikan tekanan
24 statik dalam satu tingkat. Hal ini didalam perhitungan dikenal dengan derajat reaksi, R R, yang didefenisikan sebagai : R R =.(2.5) (lit. 2 hal 512) Dimana, ΔT sg dan ΔT sd secara berurutan adalah kenaikan temperatur statik dalam sudu gerak dan sudu tetap. Derajat reaksi juga dapat dinyatakan sebagai kenaikan tekanan statik dalam baris sudu gerak, dibagi dengan kenaikan tekanan yang terjadi pada dalam satu tingkat kompresor. R R =..(2.6) (lit. 2 hal. 512) Dimana, 1,2 dan 3 berturut-turut merupakan kondisi masuk sudu gerak, keluar sudu gerak dan masuk sudu tetap, keluar sudu tetap dan akan masuk ke sudu gerak tingkat selanjutnya. Untuk menentukan derajat reaksi dengan analisa pada suatu kompresor, maka salah satu cara yang mudah adalah dengan melihat segitiga kecepatan pada satu tingkat kompresor tersebut. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut. Gambar 2.10 Segitiga kecepatan derajat reaksi > 50% dan < 50%
25 Sedangkan untuk derajat reaksi 0,5 lebih mudah dalam penganalisaan dari derajat reaksi lainnya karena bentuknya yang simetris antara segitiga kecepatan pada sudu gerak dan segitiga kecepatan pada sudu tetap. Dengan kata lain α 1 dan β 2 mempunyai besar sudut yang sama. 2.6 Jumlah tingkat Kompresor Banyaknya jumlah tingkat kompresor dinyatakan sebagai perbandingan antara kenaikan temperatur setiap tingkatnya. Secara sistematis, menurut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: Z k = (2.7) Kenaikan temperatur seluruh tingkat adalah selisih antara temperatur udara keluar dengan temperatur udara masuk kompresor. Dari diagram h s untuk kompresor dapat dilihat kenaikan temperatur untuk seluruh tingkat yaitu: Tα = T 02 T 1.. (2.8) (Lit 1 hal 159) Sedangkan kenaikan temperatur setiap tingkatnya menurut [1] halaman 166. T 0s =. U. C a.(tan β 1 - tan β 2) (2.9) Dimana : λ = Faktor kerja setiap tingkat, besarnya antara 0,80 1,0 = diambil 0,9 (Lit 1 hal 166) U t = Kecepatan keliling sudu rata-rata = 350 m/s (Lit 1 hal 161) β 1 β 2 = Sudut kecepatan masuk aksial = Sudut kecepatan keluar aksial Setelah diperoleh jumlah tingkat kompresor maka dapat dilanjutkan dengan penghitungan dimensi-dimensi lain pada sudu-sudu dengan persamaan-persamaan yang diuraikan sebelumnya.