PERANCANGAN TURBIN GAS PENGGERAK GENERATOR PADA INSTALASI PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK DENGAN DAYA KELUARAN GENERATOR 130 MW SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik BANTA ANDIKA GINTING 080421049 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi adalah tugas akhir yang merupakan salah satu syarat untuk dapat menyelesaikan studi pada jenjang kependidikan Sarjana Teknik Mesin Fakultas. Tugas sarjana ini mengenai perancangan suatu pembangkit listik dengan menggunakan Turbin Gas sebagai penggerak mula. Dalam penulisan skripsi ini dari awal sampai akhir, penulis telah melakukan semaksimal mungkin guna tersusunnya tugas akhir ini. Namun penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan di dalam penulisan skripsi ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan petunjuk dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun, guna penyempurnaan skripsi ini. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Kedua Orang Tua yang saya cintai yang telah banyak memberikan perhatian, nasehat, doa dan dukungan moril maupun materil. 2. Bapak DR.ING.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 3. Bapak Ir. Isril Amir selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya untuk membimbing penulis selama ini. 4. Bapak Tulus Burhanuddin S. ST. MT sebagai dosen pembanding I dan Bapak Ir. Mulfi Hazwi. MSc sebai dosen pembanding II yang telah meluangkan waktu dan pikirannya kepada penulis. 5. Bapak Ir.Syahrul Abda, M.Sc selaku koordinator PPSE Departemen Teknik Mesin. 6. Seluruh staff pengajar dan pegawai di Departemen Teknik Mesin FT-USU yang telah membantu penulis dalam hal administrasi. 7. Kepada rekan-rekan seluruh mahasiswa Mesin-EXT terutama stambuk 2008 dan rekan-rekan mahasiswa Mesin-D4 stambuk 2004 yang telah banyak membantu dan memotivasi penulis dalam penyusunan skripsi dan selama perkuliahan.
8. Dan teman-teman lainnya yang tak dapat saya sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa tugas skripsi ini masih banyak kekurangan, untuk itu penulis mohon maaf dan mengharapkan koreksi untuk kesempurnaan tugas sarjana ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga tugas skripsi ini bermanfaat bagi pembaca khususnya para mahasiswa Teknik Mesin. Medan, 05 Mei 2010 Hormat Penulis BANTA ANDIKA GINTING NIM. 080421049
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR.i DAFTAR ISI.iii DAFTAR GAMBAR. vi DAFTAR TABEL... viii DAFTAR NOTASI ix DAFTAR LAMPIRAN xii BAB I PENDAHULUAN...1 1.1 Latar Belakang.1 1.2 TujuanPenulisan...2 1.3 Pembatasan Masalah 2 1.4 Metodelogi Penulisan...2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA.4 2.1 Sistem Kerja dan Start Turbin Gas..4 2.2 Analisa Termodinamika...5 2.2.1 Analisa termodinamika pada kompresor..8 2.2.2 Analisa termodinamika pada ruang bakar 9 2.2.3 Analisa termodinamika pada turbin.9 2.2.4 Effisiensi siklus..10 2.2.5 Laju aliran massa udara dan bahan bakar..10 2.2.6 Generator 11 BAB III PENETAPAN SPESIFIKASI DAN PEMBAHASAN MATERI. 3.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan.11 3.1.1 Penentuan putaran turbin 11 3.1.2 Temperatur masuk turbin...12 3.1.3 Data spesifikasi dan teknis perencanaan 12 3.2 Analisa Termodinamika...13
3.2.1 Analisa termodinamika pada kompresor...13 3.2.2 Proses pada ruang bakar.16 3.2.3 Analisa termodinamika pada turbin...20 3.2.4 Generator listrik.21 3.2.5 Laju aliran massa udara dan bahan bakar..23 3.2.6 Kesetimbangan energi pada ruang bakar...24 3.2.7 Udara pembakaran.25 3.2.8 Kerja netto..25 3.2.9 Back work ratio..25 3.2.10 Effisiensi thermal siklus.25 3.2.11 Panas masuk...26 3.2.12 Panas keluar...26 3.2.13 Daya tiap komponen instalasi turbin gas...26 3.2.14 Hasil analisa termodinamika..27 BAB IV PERENCANAAN TURBIN 28 4.1 Parameter Perencanaan Turbin..28 4.1.1 Klasifikasi Turbin Gas...29 4.1.2 Jumlah Tingkat Turbin...31 4.1.3 Kondisi Gas dan Dimensi Sudu.31 4.1.4 Segitiga Kecepatan Gas..33 4.2 Perhitungan Jumlah Tingkat Turbin..34 4.3 Kondisi Gas dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat 35 4.4 Diagram Kecepatan dan Sudut Gas Tiap Tingkat Turbin..46 4.5 Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin.53 4.6 Sudut-sudut Sudu Tiap Tingkat Turbin.56 4.7 Berat Sudu Gerak Tiap Tingkat Turbin.59 BAB V PERHITUNGAN UKURAN-UKURAN UTAMA 63 5.1 Perencanaan Poros Turbin..63 5.1.1 Perhitungan poros......64 5.1.2 Pemeriksaan kekuatan poros..65
5.2 Gaya-gaya Pada Sudu Tiap Tingkat Turbin...66 5.3 Tegangan Yang Timbul Pada Sudu Turbin 67 5.3.1 Tegangan tarik akibat gaya sentrifugal..68 5.3.2 Tegangan lentur akibat tekanan gas...69 5.4 Periksaan Kekuatan Sudu...72 5.5 Perencanaan Turbin Disk...74 5.6 Perencanaan Pasak.76 5.7 Perencanaan Bantalan 79 5.8 Sistem Pelumasan..83 BAB VI KESIMPULAN.88 DAFTAR PUSTAKA...90 LAMPIRAN..92 GAMBAR KERJA
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Siklus Brayton sederhana.2 Gambar 2.1 Turbin gas....5 Gambar 2.2 Diagram T-S dan diagram P-V (siklus ideal)...6 Gambar 2.3 Diagram T-S (siklus actual).8 Gambar 3.1 Diagram T-S (actual) Siklus Brayton 13 Gambar 3.2 Diagram h-s pada kompresor.16 Gambar 3.3 Grafik factor kelebihan udara.19 Gambar 3.4 Kerugian tekanan pada ruang bakar...19 Gambar 3.5 Diagram h-s pada turbin.21 Gambar 3.6 Daya pada generator...22 Gambar 3.7 Kesetimbangan energi pada ruang bakar...25 Gambar 4.1 Grafik effisiensi turbin velocity ratio..28 Gambar 4.2 Turbin aliran radial.30 Gambar 4.3 Turbin aliran aksial 30 Gambar 4.4 Segitiga kecepatan pada sudu 33 Gambar 4.5 Penampang annulus turbin aksial...35 Gambar 4.6 Dimensi sudu tingkat 1..46 Gambar 4.7 Diagram kecepatan pada sudu turbin.46 Gambar 4.8 Grafik (s/c) sudut-sudut gas...53 Gambar 4.9 Grafik hubungan sudut masuk gas sudut keluar gas...56 Gambar 4.10 Geometri sudu turbin.58 Gambar 4.11 Profil sudu turbin NACA seri C-7.60 Gambar 5.1 Poros..61 Gambar 5.2 Gaya-gaya pada sudu turbin..66 Gambar 5.3 Tegangan yang terjadi pada sudu turbin 68 Gambar 5.4 Momen lentur pada sudu 70 Gambar 5.5 Grafik hubungan z dan sudut chamber sudu..71 Gambar 5.6 Ilustrasi tegangan pada sudu..72 Gambar 5.7 Bentuk konstruksi cakram turbin...74 Gambar 5.8 Pasak......76
Gambar 5.9 Gaya tangensial pada pasak...78 Gambar 5.10 Bantalan luncur..79 Gambar 5.11 Grafik ketebalan lapisan minimum & perbandingan eksentrisitas81 Gambar 5.12 Grafik karakteristik bantalan posisi ketebalan lapisan minimum.82 Gambar 5.13 Grafik variabel koefisien gesekan..82 Gambar 5.14 Grafik variabel aliran.84 Gambar 5.15 Grafik perbandingan aliran 85 Gambar 5.16 Grafik pemilihan jenis pelumas.87
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Tabel 3.2 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5 Tabel 4.6 Tabel 4.7 Tabel 4.8 Tabel 4.9 Tabel 4.10 Tabel 5.1 Tabel 5.2 Tabel 5.3 Tabel 5.4 Komposisi bahan bakar..16 Kebutuhan udara pembakaran 17 Kondisi gas pada tiap tingkat sudu turbin..39 Dimensi sudu turbin...44 Diagram kecepatan dan sudut gas tiap tingkat...51 Spesifikasi sudu gerak tiap tingkat turbin..55 Spesifikasi sudu diam tiap tingkat turbin...55 Sudut-sudut sudu gerak turbin pada dasar sudu 58 Sudut-sudut sudu gerak turbin pada tengah sudu..58 Sudut-sudut sudu gerak turbin pada puncak sudu.59 Dimensi dari sudu gerak turbin.60 Berat sudu gerak tiap tingkat turbin..61 Gaya-gaya pada sudu gerak turbin 67 Tegangan yang timbul pada sudu gerak 71 Tegangan pada sudu gerak turbin..74 Dimensi disk untuk tiap tingkat turbin...75
DAFTAR NOTASI 1. Simbol dari abjad biasa Simbol Arti Satuan A Luas annulus m 2 AFR Perbandingan udara dengan bahan bakar kg udara /kg bahan bakar C Kecepatan absolut gas m/s C Panjang chord sudu M C a Kecepatan aliran fluida masuk kompresor m/s C pg Panas spesifik gas hasil pembakaran kj/kg.k C x Panjang chord sudu arah aksial M D d Diameter luar cakra M D h Diameter lubang cakra M D N Diameter hidrolis pada sudu diam M D R Diameter hidrolis pada sudu gerak M F A Gaya aksial sudu N FAR Perbandingan bahan bakar dengan udara kg bahan bakar /kg udara F r Gaya tangensial sudu N H Entalpy kj/kg K Conductivitas thermal W/m.K LHV Nilai pembakaran bawah bahan bakar kj/kg m a Massa aliran udara kg/s m f Massa aliran bahan bakar kg/s m g Massa aliran gas hasil pembakaran kg/s m p Massa aliran fluida pendingin kg/s N Putaran Rpm P Tekanan Bar P f Losses tekanan udara pada filter Bar P G Daya generator MW P K Daya kompresor MW
P T Daya turbin MW R Jari-jari sudu M R a Konstanta udara kj/kg.k R g Konstanta panjang pitch sudu M T c Temperatur fluida dingin K T h Temperatur fluida panas K U Kecepatan keliling m/s V Kecepatan relatif gas m/s W Lebar sudu M W Kerja spesifik kj/kg W Netto Kerja spesifik kj/kg Z Jumlah sudu Buah 1. Simbol dari abjad Yunani (Greek Letters) Simbol Arti Satuan α 1 Sudut masuk absolut gas pada sudu diam o α 2 Sudut keluar gas dari sudu gerak o α 3 Sudut keluar gas dari sudu diam o β 1 Sudut relatif kecepatan gas masuk sudu o β 2 Sudut relatif gas keluar sudu gerak o β m Sudut relatif rata-rata sudu o γ Konstanta adiabatik - Selisih harga - cos φ Faktor daya - φ Koefisien aliran gas - Ξ Sudut pemasangan sudu o σ Tegangan normal kg/mm 2 τ Tegangan geser kg/mm 2
τ a Tegangan izin poros kg/mm 2 τ max Tegangan maksimum poros kg/mm 2 ω c Kecepatan sudut putar kritis Rad/s η Efisiensi % Ρ Massa jenis kg/m 3 λ Sudut kecepatan gas o ϕ Faktor kecepatan (angka kualitas) nosel - ψ Koefisien pembebanan sudu -
DAFTAR LAMPIRAN 1. Lampiran 1 Tabel property udara..94 2. Lampiran 2 Tabel berbagai entalpi untuk beberapa gas 95 3. Lampiran 3 Tabel tekanan maksimum bantalan luncur.98 4. Lampiran 4 Tabel ukuran standard dari poros...99 5. Lampiran 5 Standarisasi baja...100 6. Lampiran 6 Tabel standarisasi.102 7. Lampiran 7 Faktor konversi satuan.103 8 Lampiran 8 Diagram kecepatan gas 105