C. Pengukuran Debit
3.2. Bagian - Bagian Turbin Uap
3. TURBIN UAP
3.1. Fungsi Turbin Uap
Turbin uap merupakan mesin rotasi yang berfungsi untuk mengubah energi panas yang terkandung dalam uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros.
3.2. Bagian - Bagian Turbin Uap
Turbin uap terdiri dari beberapa bagian utama seperti : Rumah turbin (casing), bagian yang berputar (Rotor), sudu-sudu yang dipasang pada rotor maupun casing, bantalan untuk menyangga rotor.
Stator
Stator turbin pada dasarnya terdiri dari dua bagian, yaitu casing dan sudu diam (fixed blade). Namun untuk tempat kedudukan sudu-sudu diam dipasang diapragma.
Casing
Casing merupakan rumah turbin yang membentuk ruangan (chamber) disekeliling rotor sehingga memungkinkan uap mengalir melintasi sudu-sudu. Pedestal yang berfungsi untuk menempatkan bantalan sebagai penyangga rotor juga dipasangkan pada casing. Umumnya salah satu pedestal diikat (anchored) mati kepondasi. Sedang yang lain ditempatkan diatas rel peluncur (Sliding feet) sehinggga casing dapat bergerak bebas akibat pengaruh pemuaian maupun penyusutan (contraction).
Biasanya pedestal yang diikat pada pondasi adalah pedestal sisi tekanan rendah atau sisi yang berdekatan dengan generator (generator end). Sedang sisi yang lain dibiarkan untuk dapat bergerak dengan bebas. Ketika temperatur casing dan rotor naik, maka seluruh konstruksi turbin akan memuai. Dengan penempatan salah satu pedestal diatas rel peluncur, maka seluruh bagian turbin dapat bergerak dan bebas ketika memuai seperti diilustrasikan pada gambar 1
33 Gambar 1. Konstruksi Casing Pada Pondasi.
Konfigurasi Casing Casing utuh
Seluruh bagian casing merupakan satu kesatuan. Umumnya diterapkan pada konstruksi turbin-turbin kecil.
Casing Terpisah (Split Casing)
Casing turbin merupakan 2 bagian yang terpisah secara horizontal dan disambungkan menjadi satu dengan baut-baut pengikat. Kedua bagian casing tersebut masingmasing disebut casing bagian atas (Top half) dan casing bagian bawah (Bottom half). Konstruksi ini lebih banyak dipakai karena pembongkaran dan pemasangannya yang relatif lebih mudah.
Rancangan Casing
Dari klasifikasi ini casing turbin dibedakan menjadi 3 kategori yaitu single casing, double casing dan triplle casing.
Single Casing
Umumnya diterapkan pada rancangan turbin-turbin lama dan kapasitas kecil. Meskipun demikan, turbin-turbin saat inipun masih ada yang menerapkan rancangan single casing terutama pada turbin-turbin untuk penggerak pompa air pengisi ketel (BFPT). Bila rancangan ini diterapkan untuk turbin-turbin besar, maka casing turbin akan menjadi sangat tebal sehinggga memerlukan waktu yang cukup lama untuk periode "warming" ketika start hingga mencapai posisi memuai penuh. Hal ini disebabkan karena dinding casing sangat tebal dan hanya dipanaskan oleh uap dari satu sisi yaitu sisi bagian dalam. Kondisi ini mengakibatkan terjadinya perbedaan temperatur yang cukup besar antara permukaan bagian dalam casing dengan permukaan bagian luar.
Dengan demikian maka waktu yang diperlukan untuk pemerataan temperature menjadi lebih lama. Ilustrasi turbin single casing dapat dilihat pada gambar 2.
34 Turbin Single Casing.
Double Casing
Dalam rancangan double casing, Turbin terdiri dari 2 casing utuk setiap selinder. Dengan demikian maka ketebalan masing-masing casing hanya setengah dari ketebalan single casing. Dengan demikian maka proses pemerataan panas dan ekspansi menjadi lebih cepat. Disamping itu, karena setiap segmen casing menjadi lebih ringan, maka pemeliharaan menjadi lebih mudah dan lebih cepat. Ilustrasi untuk Turbin double casing dapat dilihat pada gambar 3.
35 Tripple Casing
Dalam rancangan tripple casing, setiap selinder terdiri dari 3 buah casing yaitu inner casing, intermediate casing dan outer casing. Seperti diperlihatkan pada gambar 4.
Gambar 4. Turbin Triple Casing.
Rotor
Rotor turbin terdiri dari poros beserta cincin-cincin yang terbentuk dari rangkaian sudu-sudu yang dipasangkan sejajar sepanjang poros.
Rotor adalah bagian dari turbin yang mengubah energi yang terkandung dalam uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros.
36 Rotor Tipe Disk
Pada rotor tipe ini, piringan-piringan (disk) dipasangkan pada poros sehingga membentuk jajaran piringan seperti terlihat pada gambar 5.
Rotor Tipe Cakra (Disk) Rotor Tipe Drum
Pada rotor tipe ini, poros dicor dan dibentuk sesuai yang dikehendaki dan rangkaian sudusudu Iangsung dipasang pada poros. Rotor tipe drum sangat fleksibel dan dapat dipakai hampir untuk semua jenis turbin. Ilustrasi rotor jenis ini dapat dilihat pada gambar 6.
37 Sudu
Sudu adalah bagian dari turbin dimana konversi energi terjadi. Sudu sendiri terdiri dari bagian akar sudu, badan sudu dan ujung sudu seperti terlihat pada gambar 7.
Sudu Turbin
Sudu seperti terlihat pada gambar 7, tersebut kemudian dirangkai sehingga membentuk satu lingkaran penuh. Rangkaian sudu tersebut ada yang difungsikan sebagai sudu jalan dan ada yang difungsikan menjadi suhu tetap. Rangkaian sudu jalan dipasang disekeliling Rotor sedang rangkaian sudu tetap dipasang disekeliling casing bagian dalam.
Rangkaian sudu jalan berfungsi untuk kinetik uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin. Sedangkan sudu tetap, selain ada yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi kinetik, tetapi ada jugs yang berfungsi untuk membalik arah aliran uap. Contoh dari rangkaian sudu jalan dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
38 Dalam gambar 8, terlihat bahwa bagian akar sudu ditanamkan kedalam alur -alur disekeliling Rotor sedangkan bagian ujung-ujung sudu disatukan oleh plat baja penghubung yang disebut "SHROUD". Shroud berfungsi untuk memperkokoh serta mengurangi vibrasi dari rangkaian sudu-sudu. Sudu-sudu tetap umumnya dirangkai membentuk setengah lingkaran pada sebuah segmen yang disebut diapragma seperti terlihat pada gambar dibawah ini .
Gambar Sudu Tetap Bantalan
Sebagai bagian yang berputar, rotor memiliki kecenderungan untuk bergerak baik dalam arah radial maupun dalam arah aksial.Karena itu rotor harus ditumpu secara baik agar tidak terjadi pergeseran radial maupun aksial yang berlebihan. Komponen yang dipakai untuk keperluan ini disebut bantalan (bearing). Turbin uap umumnya dilengkapi oleh bantalan jurnal (journal bearing) dan bantalan aksial (Thrust bearing) untuk menyangga rotor maupun untuk membatasi pergeseran rotor. Gambar 10, memperlihatkan contoh tipikal kedua jenis bantalan tersebut.
39 Gambar Bantalan
Pada bantalan jurnal, permukaaan bagian dalam yang mungkin dapat kontak langsung dengan permukaaan poros dilapisi oleh logam putih (white metal/babbit) yang lunak. Disamping itu juga terdapat saluran-saluran tempat minyak pelumas mengalir masuk ke bantalan dan saluran dimana minyak pelumas dapat mengalir keluar meninggggalkan bantalan.
Sedangkan pada bantalan aksial (Thrust bearing), umumnya terdiri dari piringan (Thrust Collar) yang merupakan bagian dari poros dan dua sepatu (Thrust pad) yang diikatkan ke Casing.
Bantalan aksial berfungsi untuk mengontrol posisi aksial rotor relatif terhadap casing.
40 KONDENSOR UTAMA (MAIN CONDENSOR).
Kondensor Utama (Main Condensor)
Seperti diketahui bahwa dalam siklus PLTU, uap yang keluar meninggalkan tingkat akhir turbin tekanan rendah akan mengalir memasuki kondensor.
Kondensor PLTU umumnya merupakan perangkat penukar panas tipe permukaan (surface) yang memiliki 2 fungsi utama yaitu sebagai wahana penghasil vacum tinggi bagi uap keluar exhaust turbin serta untuk mengkondensasikan uap bekas keluar dari exhaust turbin. Kedua fungsi tersebut sekilas kurang begitu penting tetapi ternyata keduanya merupakan faktor yang cukup vital dalam pengoperasian turbin maupun efisiensi siklus.
Media yang dialirkan ke kondensor untuk mendinginkan/mengkondensasikan uap adalah air yang disebut air pendingin utama (circulating water). Air pedingin mengalir didalam pipa - pipa kondensor sedang uap bekas mengalir dibagian luar pipa. Melalui proses tersebut, panas dalam uap bekas akan diserap oleh air pendingin sehingga uap akan terkondensasi menjadi air yang dinamakan air kondensat. Air kondensat ini akan ditampung dibagian bawah kondensor dalam sebuah penampung yang disebut hotwell. Air kondesat dari dalam hotwell selanjutnya dipompakan lagi ke deaerator oleh pompa kondensat.
Kondensor umumnya terletak dibagian bawah turbin (under slung) dan tersambung ke exhaust turbin tekanan rendah. Penyambungan antara turbin dengan kondensor harus cukup feksibel untuk mengakomodir adanya pemuaian akibat variasi temperatur.
Ada 2 macam cara penyambungan turbin dengan kondensor yaitu Sambungan Rigid dimana antara turbin exhaust dengan kondensor dihubungkan secara langsung seperti terlihat pada gambar 12. Untuk mengakomodir pemuaian atau penyusutan kondensor, bagian bawah kondensor ditumpu oleh pegas-pegas sehingga memungkinkan kondensor bergerak keatas atau kebawah dengan bebas.
41 Gambar Sambungan Turbin - Kondensor.
Sistem Penghisap Udara (Air Extraction)
Pada condensing turbin, efisiensi siklus maupun efisiensi turbin turut ditentukan oleh vacum kondensor. Mengingat bahwa udara serta non condensable gas lain senantiasa muncul dalam kondensor, baik disebabkan karena kebocoran - kebocoran maupun yang terbawa bersama uap, maka akumulasi dari udara dan gas-gas tersebut dapat mengganggu vacum kondensor. Agar tingkat kevacuman kondensor dapat dipertahankan, maka kumulasi udara dan gas-gas tersebut harus dikeluarkan dari kondensor secara kontinyu. Untuk keperluan ini, disediakan perangkat penghisap udara (Air extraction plant) yang berfungsi untuk menghisap udara dan non condensable gas dari kondensor. Ada 2 macam penghisap udara yang banyak dipakai yaitu steam ejector dan vacum pump.
Steam Ejector.
Perangkat ini menggunakan ejector uap untuk menghisap udara dan non condensable gas dari dalam kondensor. Gambar 22, merupakan ejector uap bertingkat (Multy Stage Steam Ejector) yang terdiri dari 3 tingkat dengan 3 buah ejector yang masing-masing berbeda ukurannya. Ketiga ejector tersebut dipasangkan pada sebuah shell/tabung penukar panas tipe permukaan (Surface Heat Exchanger) dimana di alirankan air kondensat sebagai media pendingin.
42 Pasokan uap berasal dari main steam katup pengatur tekanan, dialirkan ke Nozzle ejector tingkat pertama (primary ejector). Akibat transformasi energi pada Nozzle, maka tekanan dibagian leher Nozzle (Throat) akan turun sehingga udara dan non condensable gas dari kondensor akan terhisap dan keluar dari mulut Nozzle bersama uap. Campuran ini kemudian masuk shell tingkat pertama dan mengalir dibagian dalam pipa-pipa pendingin (tube) dimana dibagian luar pipa dialirkan air condesate sebagai pendingin. Akibat proses pendingin, fraksi uap dalam campuran akan terkondensasi sementara fraksi udara dan non condensable gas akan mengalalmi pengecilan volume (contracting).
Campuran udara akan non condensable gas dari shell tingkat pertama kemudian dihisap lagi oleh ejector tingkat kedua. Akibat campuran ini sudah mengalami penurunan volume/kontraksi, maka ejector tingkat kedua hanya memerlukan uap yang lebih sedikit serta ukuran ejector yang lebih kecil. Campuran uap dengan udara dan non condensable gas yang keluar dari ejector tingkat kedua kemudian masuk shell tingkat kedua yang didinginkan oleh air condensate. Hoging/Starting Ejector.
Selain perangkat ejector seperti yang dijelaskan diatas, PLTU juga dilengkapi dengan ejector lain yang berukuran lebih besar dan umumnya disebut hoging atau starting ejector. Sesuai namanya, ejector ini hanya dioperasikan sebelum turbin berputar. Fungsinya adalah untuk menghisap udara dalam jumlah besar dari kondensor dalam waktu yang singkat dalam rangka membuat vacum kondensor menjelang start turbin. Dalam keadaan normal operasi, ejector ini umumnya tidak dioperasikan.
43 ALAT - ALAT BANTU TURBIN
Steam Chest
Steam chest adalah merupakan titik pertemuan antara pipa uap utama dengan saluran uap masuk turbin. Fungsi utama Steam Chest adalah sebagai wadah untuk menempatkan katup-katup governor sebagai pengatur aliran uap yang akan masuk ke Turbin.
Posisi Steam Chest pada konstruksi berbagai turbin sangat beragam. Pada salah satu rancangan turbin, steam chest mungkin ditempatkan dibagian atas dan bawah dari turbin tekanan tinggi. Pada rancangan lain, steam chest ditempatkan dikedua sisi turbin tekanan tinggi. Disebagian besar konstruksi turbin, katup penutup cepat (stop valve) juga ditempatkan pada steam chest. Gambar 26, memperlihatkan sketsa tipikal steam chest dari turbin uap.
44 Katup Penutup Cepat (Stop Valve)
Stop valve adalah katup penutup cepat yang berfungsi untuk memblokir aliran uap dari ketel ke Turbin. Katup ini dirancang hanya untuk menutup penuh atau membuka penuh.
Pada sebagian turbin, Pembukaan katup ini juga dapat diatur (Throtling) selama periode start turbin untuk mengatur aliran uap hingga putaran turbin tertentu.
Fungsi pengaturan ini bagi katup penutup cepat merupakan fungsi tambahan. Fungsi utamanya adalah untuk memutus aliran uap secara cepat ketika dalam kondisi emergensi. Sesuai dengan fungsi utamanya, maka stop valve diharapkan menutup lebih cepat dibanding katup governor.
Karena stop valve memiliki fungsi utama dan fungsi tambahan, maka konstruksinya juga terdiri dari katup utama (main valve) dan katup bantu (pilot valve) seperti terlihat pada gambar 28.
Katup Pengatur (Governor Valve)
Fungsi katup governor adalah untuk mengatur aliran uap dari steam chest yang akan masuk ke Turbin. Jadi tugas utamanya adalah mengatur putaran atau beban yang dihasilkan oleh turbin seperti terlihat pada gambar 15.
45 SISTEM PROTEKSI TURBIN
Turbin merupakan suatu mesin yang beroperasi pada tekanan, temperatur dan putaran tinggi. Sehingga menyimpan potensi bahaya yang cukup besar bukan hanya bagi turbinnya sendiri, tetapi juga bagi manusia. Dalam usaha untuk memperkecil resiko bahaya, maka turbin dilengkapi dengan berbagai pengaman (protection) yang antara lain terdiri dari
Pengaman putaran lebih (over Speed Trip) Pengaman putaran lebih (over Speed Trip)
Pengaman pelumas bantalan rendah (Low Bearing Oil Pressure Trip) Pengaman tekanan kondensor tinggi (Low Vacum Trip)
Pengaman tekanan minyak bantalan aksial tinggi (Thrust Bearing Oil Pressure) Pengaman Manual Trip.
Perangkat proteksi turbin kerap disebut Turbine Protective Device seperti dilihat pada gambar 16.
Gambar 16. Protective Device
Pada prinsipnya, semua perangkat proteksi tersebut bermuara pada satu tujuan yaitu mentrip turbin dengan cara membuka saluran drain sistem minyak kendali (control oil system). Pada gambar terlihat bahwa bila tuas dalam posisi horizontal, berarti seluruh drain control oil system dalam keadaan tertutup. Kondisi ini adalah kondisi normal operasi.
46 Proteksi Putaran Lebih (Over Speed Protection)
Seperti diketahui bahwa gaya sentrifugal berkaitan dengan putaran dimana gaya sentrifugal merupakan fungsi kuadrat dari putaran sudu (w). Ini berarti makin tinggi putaran turbin, makin besar gaya sentrifugal yang ditimbulkan. Pada kondisi putaran tertentu, gaya sentrifugal yang timbul dapat membahayakan turbin. Untuk itu disediakan peralatan proteksi putaranlebih (over speed protection) untuk mengamankan turbin. Ada 2 macam sistem proteksi putaran lebih yaitu sistem proteksi putaran lebih mekanik (mechanical over speed) dan putaran lebih elektrik (electrical over speed). Gambar 17, memperlihatkan sistem proteksi putaran lebih mekanik.
Gambar 17. Mechanical Overspeed
Pada poros turbin dibuat alur melintang. Pada alur tersebut dimasukkan logam berbentuk ujung peluru yang ditahan dalam poros oleh pegas tarik. Bila poros berputar, maka akan timbul gaya sentrifugal ke arah luar yang cenderung menarik bonggol peluru keluar poros melawan tarikan pegas. Pada putaran nominal, gaya sentrifugal sebanding dengan gaya tarik pegas. Bila putaran naik hingga mencapai harga tertentu (umumnya 110 %) gaya sentrifugal yang timbul menjadi lebih besar dari gaya tarik pegas. Hal ini mengakibatkan bonggol peluru akan menonjol keluar poros dan mendorong tuas pengunci.
Terdorongnya tuas pengunci akan mengakibatkan terbukanya saluran drain pada sistem minyak kendali (control oil) sehingga semua katup uap ke turbin akan menutup yang berarti turbin trip. Dengan tripnya turbin, diharapkan putaran turbin tidak naik lagi sehingga turbin terhindar dari keadaan yang membahayakan. Sistem proteksi putaran lebih elktrik biasanya merupakan cadangan (back up) yang juga akan mentrip bila putaran turbin mencapai > 110%.
47 Low Bearing Oil Pressure Low Trip
Kontinyuitas aliran dan tekanan minyak pelumas bantalan turbin merupakan parameter yang penting bagi terbentuknya pelumasan film yang ideal pada bantalan. Bila tekanan minyak pelumas turun dapat merusak karakteristik pelumasan film di bantalan sehingga memungkinkan terjadinya kontak langsung antara permukaan poros turbin dengan permukaan bantalan. Hal ini tentunya dapat mengakibatkan kerusakan pada bantalan maupun poros turbin yang tentunya tidak dikehendaki.
Karena itu, bila tekanan pelumas bantalan turun hingga harga tertentu, turbin harus trip. Pada gambar terlihat bellows disebelah tuas yang dihubungkan ke tekanan pelumas bantalan. Bila tekanan pelumas bantalan turun, resultan gaya — gaya berubah sehingga tuas tidak lagi dapat bertahan dalam posisi seimbang (horizontal). Tuas akan berubah posisi dimana bagian dari engsel akan turun kebawah. Kondisi ini mengakibatkan terbukanya saluran drain control oil system sehingga turbin trip.
Low Condensor Vacum Trip
Sepeti diketahui, bahwa disamping putaran sudut, besarnya gaya sentrifugal juga ditentukan oleh radius perputaran. Diataranya seluruh jajaran sudu - sudu turbin, radius sudu yang paling besar adalah radius dari rangkaian sudu tingkat akhir. Jadi gaya sudu yang paling besar adalah radius dari rangkaian sudu tingkat akhir. Jadi gaya sentrifugal yang paling besar juga terjadi pada sudu-sudu tingkat akhir dari turbin tekanan rendah (LP Turbine). Disamping itu bahwa sudu- sudu tingkat akhir dari turbin tekanan rendah tingkat akhir inilah yang berhubungan langsung dengan kondensor.
Bila tekanan kondensor naik (vacum rendah) terdiri dari temperatur saturated uap bekas yang keluar dari sudu akhir dan akan terkondensasi di kondensor sudu — sudu akhir. Sedangkan kita ketahui bahwa dengan naiknya temperatur, maka daya tahan dari logam akan berkurang. Bila kenaikan temperatur cukup signifikan, maka turbin dapat berada dalam kondisi berbahaya. Karena itu, perlu disediakan proteksi terhadap tekanan kondensor tinggi. Pada gambar terlihat bahwa bellows dihubungkan ke kondensor. Bila tekanan kondensor naik hingga mencapai harga tertentu, maka tekanan di dalam bellows juga naik sehingga resultan gaya — gaya pada tuas menjadi tak seimbang lagi. Tuas akan berubah dari posisi normal (horizontal). Bagian tuas di sebelah kid engsel akan turun ke bawah dan ini akan membuka saluran drain control oil system sehingga turbin trip.
48 Manual Trip
Selain semua perangkat proteksi yang telah dibahas di atas. Turbin juga masih dilengkapi dengan fasilitas manual trip level yang umumnya ada di lokal serta manual trip button yang terpasang di ruang kontrol (control room). Dengan fasilitas ini, operator dapat mentrip turbin secra baik dari lokal maupun dari control room bila mendapatkan bahwa turbin beroperasi dalam kondisi yang berbahaya.
Pada gambar 17 juga terlihat fasilitas trip manual yang terpasang dilokal berupa tuas (manual trip level). Bila tuas ini digerakkan ke kiri, maka turbin akan trip karena gerakan turbin tuas ini akan membuka saluran drain dari sistem minyak kendali ( control oil sistem).