Grafik Kompatibilitas Model FLUENT

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

3.2 Pengenalan FLUENT

3.3.10 Grafik Kompatibilitas Model FLUENT

Grafik berikut merangkum kompatibilitas beberapa kategori model FLUENT : • Model multifasa

• Model domain bergerak • Model turbulensi • Model pembakaran

Sebagai catatan, bahwa y mengindikasikan bahwa dua model adalah kompatibel dengan yang lainnya, sedangkan n mengindikasikan bahwa dua model adalah tidak kompetibel denganyang lainnya.

Gambar 3.5 Kompatibilitas model pada FLUENT

BAB IV

ANALISA TERMODINAMIKA

4.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan

Spsesifikasi teknis perencanan yang ditetapkan sesuai dengan data referensi dari buku yang disesuaikan data dari hasil survey study di PLTGU Sicanang Belawan Sumatera Utara. Spesifikasi teknis dari sistem instalasi turbin gas sebagai berikut :

- Daya Keluaran Generator : 141,9 MW

- Bahan Bakar : Gas alam (LNG)

- Tipe Turbin : V 94.2

- Putaran Turbin : 3000 rpm

- Temperatur masuk Kompressor : 30ºC - Temperatur masuk turbin : 970 ºC - Tekanan Barometer : 1,013 bar

Kondisi awal perancangan dapat dilihat pada gambar 4.1 jenis intalasi turbin gas siklus terbuka, berikut:

Gambar 4.1 Siklus turbin gas rancangan

Temperatur udara yang dihisap kompressor mempunyai pengaruh yang besar terhadap daya efektif yang dapat dihasilkan pembangkit, sebab laju aliran masa udara yang dihisap kompressor akan berubah sesuai dengan persamaan gas ideal, yaitu :

m = PV/RT, yaitu apabila temperatur masuk gas rendah maka massa aliran gas akan naik dan sebaliknya.hal ini berarti bila temperatur atmosfer turun maka daya efektif sistem akan naik dan sebaliknya.

Gambar 4.2 Diagram T-s ideal Siklus Brayton

Siklus ideal dari suatu sistem instalasi turbin gas adalah siklus Brayton. Dalam prakteknya di lapangan, siklus Brayton mengalami penyimpangan dari keadaan idealnya. Hal ini dikarenakan adanya kerugian yang terjadi pada setiap komponen instalasi turbin gas. Untuk menganalisa siklus Brayton ideal seperti terlihat pada gambar 4.2 maka diperlukan data-data yang menunjukkan kondisi awal dan kondisi akhir sistem

Harga perbandingan tekanan (r_p) dihitung dengan r_p optimum. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan kerja maksimum.

r_p = ²⁽ ¹⁾ min max _k k T T ………. (4.1) Dimana rp₁ = Perbandingan tekanan optimum

Tmax= T₃ = Temperatur masuk Turbin= 1243 K Tmin= T₁ = Temperatur masuk Kompressor = 303 K Maka, r_p= ²⁽¹^,⁴ ¹⁾ 4 , 1 303 1243 r_p= 11,82

1. Kerja kompresor ideal

Kerja kompresor ideal dapat dicari dengan rumus: W ki = (h₂-h₁) kJ/kg

Dengan menggunakan tabel udara untuk T₁ = 303 K pada lampiran 1, maka diperoleh :

h₁ = 303,20 kJ/kg Pr₁ = 1,4355

Pr₂= r_p . 1,4355 Pr₂= 11,82. 1,4355 Pr₂=16,967 bar

h₂ dan T₂dapat diketahuia dengan cara interpolasi dari tabel pada lapiran 1, sehingga diperoleh : h₂ = 614,09 kJ/kg T₂ = 606,73 K Maka : W_{k ideal} = (h₂-h₁) kJ/kg Wk ideal = (614,09 - 303,20) kJ/kg = 310,89 kJ/kg

2. Panas ideal yang dibutuhkan

Panas ideal yang disuplay oleh ruang bakar dapat dicari dengan rumus : Q_in_ideal = (h₃ - h₂) kJ/kg ………(4.2) Diman:

T₃ = 970⁰C = 1243 K, dengan cara interpolasi dapat diperoleh h₃ dan Pr_{3 :} h3 = 1.328,47 kJ/kg

Pr3 = 275,075 Maka :

Qinideal = (h₃ - h₂) kJ/kg

= 714,38 kJ/kg 3. Kerja Turbin ideal

Kerja ideal yang dihasilkan oleh turbin dapat dicari dengan rumus : W_{T ideal} = (h₃- h₄) kJ/kg

Dimana :

Pr4 = . Pr3

= . 275,075 = 23,27

h₄dapat dicari dengan cara interpolasi : h4 = 671,59 kJ/kg Maka :

W_{T ideal} = (1.328,47 - 671,59) kJ/kg = 656,88 kJ/kg

4. Panas yang keluar

Qoutideal = (h4 – h1)kJ/kg …………..(4.3) = (671,59 - 303,20) kJ/kg

= 368,39 kJ/kg 5. Efisiensi thermal ideal siklus

η

ideal Qin

Wnet

η

= ideal Qin ideal W -ideal W_T _K x 100%

η

= 714,38 310,89 656,88 x 100% = 48,43 % 6. Back work ratio (bwr)

Backwork ratio merupakan nilai persentase kerja spesifik turbin yang digunakan untuk menggerakkan kompressor.

r bw = ideal W ideal W T K ……….(4.5) = 656,88 310,89 = 0,473

4.3 Siklus Brayton Aktual

Siklus Brayton actual berbeda dari siklus Brayton ideal pada beberapa hal. Seperti, hilangnya beberapa tekanan selama penambahan panas dan pengurangan panas tidak dapat dihindarkan. Yang lebih penting adalah kerja actual masuk ke dalam kompresor akan meningkat dan kerja aktual turbin akan menurun.

Gambar 4.3 Diagram T-s aktual Siklus Brayton

Penyimpangan aktual kerja kompresor dan turbin dari kerja siklus isentropis yang ideal dapat dihitung dengan memanfaatkan efisiensi adiabatik turbin dan kompresor berikut :

Dimana titik 2’ dan 4’ adalah kerja aktual yang keluar kompresor dan turbin sedangkan titik 2 dan 4 adalah keadaan untuk kasus isentropic seperti di jelaskan pada gambar 4.3.

1. Kondisi udara masuk kompresor P1 = 1,013 bar

T1 = 303 K

k

= Konstanta Adiabatik 1,4 (untuk udara)

Untuk kondisi masuk kompresor pada keadaan stagnasi berdasarkan gambar 4.3 : T₀₁= T₁ + cp C_a . 2 2 ……..(4.6) (Lit.1 Hal. 81) Dimana :

C_a = Kecepatan aliran aksial fluida (m/s)

C_a = 150 m/s (untuk industri) ……..(4.7) (Lit.4 Hal. 376) cp = Panas jenis udara masuk kompresor

= 950 + 0,21 (303) = 1013,63 J/kg.K Sehingga : T01 = 303 + 63 , 1013 . 2 150² T01 =314,09 K

Dengan mengunakan tabel pada lampiran 1, diperoleh : h₀₁= 314,35 kJ/kg

2. Kondisi udara keluar kompresor

Untuk kondisi keluar kompresor keadaan statis di peroleh : T₂ = 606,73 K

P₂ = (r_p)optimum . P₁ = 11,82. 1,013 bar

= 11,97 bar

Untuk kondisi keluar kompresor pada keadaan stagnasi berdasarkan pada gambar 4.3. T02 = T2 + cp C_a . 2 2 ………...(4.9) Dimana :

cp = Panas jenis udara masuk kompresor

cp = 950 + 0,21T1 (J/kg.K) ………...(4.10) = 950 + 0,21 (606,73) = 1.077,41J/kg.K Sehingga : T02 = 606,73 + 1.077,41 . 2 150² T02 =617,17 K

Dengan mengunakan tabel pada lampiran 1, diperoleh : h02 = 625,08 kJ/kg Maka : P02 = P1 (T02 : T1) 1 k k P02 = 1,013 1 4 , 1 4 , 1 P02 = 12,21 bar

3. Kondisi gas melalui turbin Kondisi gas masuk turbin

T3 = 970⁰C = 1243 K Kondisi gas keluar turbin

T₄ = T₃. k k 1 T₄ = 1243 . 1,33 1 33 , 1 T4 = 673,49 K

Perbandingan tekanan keluar turbin dengan tekanan udara atmosfir pada instalasi turbin gas siklus tertutup adalah 1,1+1,2… (lit 3 hal 37)

P4 = 1,2 . P1

P4 = 1,2. 1,013 bar P4 = 1,2156 bar Kerja aktual kompresor :

aktual W_K = k ideal W_K η

Maka nilai aktual pada keluaran kompresor berdasarkan gambar 4.3 adalah : h₀₂= (h₀₁+W_{k aktual})kJ/kg

h02 = (314,35 +353,28)kJ/kg h02 = 667,63 kJ/kg

Kerja aktual turbin :

aktual

W_T =(0,85 . 656,88)kJ/kg aktual

W_T = 558,35 kJ/kg Maka temperatur keluar ruang bakar aktual :

T03 = Pg T C aktual W + T4 Dimana : CPg = 950 + 0,21.T3 CPg = 950 + 0,21.1243 C_Pg= 1.211,03 J/kg.K C_Pg= 1,21103 kJ/kg.K Maka :

T03 = 1.134,54 K

Dengan mengunakan tabel udara pada lampiran 1, maka diperoleh : h03 = 1.198,19 kJ/kg

Tekanan aktual di ruang bakar: P03 = P02 (1-

ΔP

_rb) Dimana :

P

Δ

= kerugian tekanan pada ruang bakar (0,01

÷

0,02)…(Arismunandar,2002) P03 = 12,21 (1 - 0,01)

P₀₃ = 12,08 bar Temperatur aktual keluar turbin :

h₀₄ = h₀₃- W_Taktual

h04 = (1.198,19 - 558,35) kJ/kg h₀₄ = 661,84 kJ/kg

Dengan mengunakan tabel udara pada lampiran 1, maka diperoleh : T04 = 639,84K

4. Panas aktual yang masuk

Qin aktual = (h03–h02) kJ/kg

Qin aktual = (1.198,19 - 667,63) kJ/kg Qin aktual = 530,36 kJ/kg

5. Efisiensi thermal aktual siklus

η

= aktual Qin aktual W -aktual W_T _K x 100%

6. Back work ratio (rbw)

Backwork ratio merupakan nilai persentase kerja spesifik turbin yang digunakan untuk menggerakkan kompressor.

r bw = aktual W aktual W T K ( lit.3 hal 478) 4.4 Analisa Pembakaran

Daya yang dihasilkan turbin tergantung dari entalpi pembakaran. Untuk itu perlu dianalisa reaksi pembakaran yang terjadi pada ruang bakar. Dari analisa ini akan didapat perbandingan bahan bakar dengan udara yang dibutuhkan yang dipergunakan, sehingga diperoleh laju aliran massa yang dialirkan ke turbin. Bahan bakar yanag dipakai adalah gas alam dengan komposisi pada table 3.1 berikut .

Tabel 4.1 Komposisi Bahan Bakar

NO Komposisi % Volume 1 CO2 2,86 2 N2 1,80 3 CH4 88,19 4 C2H6 3,88 5 C3H8 2,1 6 n-C4H10 1,17

Σ

= 100% LHV 45.700 kJ/kg

Reaksi pembakaran bahan bakar pada kondisi stokiometri (100% udara teoritis) adalah :

- Reaksi pembakaran sempurna CH4

CH4 + 2(O2 + 3,76 N2 ) → CO2 + 2H2O + 2(3,76 N2) - Reaksi pembakaran sempurna C₂H₆

C2H6 + 3,5(O2 + 3,76 N2 ) → 2CO2 + 3H2O + 3,5(3,76 N2) - Reaksi pembakaran sempurna C3H8

C3H8 + 5(O2 + 3,76 N2 ) → 3CO2 + 4H2O + 5(3,76 N2) - Reaksi pembakaran sempurna C₄H₁₀

C₄H₁₀ + 6,5(O₂ + 3,76 N₂ ) → 4CO₂ + 5H₂O + 6,5(3,76 N₂)

Dari reaksi pembakaran di atas maka dapat ditentukan kebutuhan udara pembakaran berdasarkan perbandingan mol, yang hasilnya ditabelkan sebagai berikut :

Tabel 4.2 Kebutuhan 100% udara pembakaran pada kondisi stokiometri No. Komposisi BM Mol (%) Mol O2 Masaa B.Bakar (kgCmHn/ mol BB) 1 CO2 44,01 2,86 0 1,26 2 N2 28,013 1,8 0 0,50 3 CH4 16,043 88,19 1,76 14,14 4 C2H6 30,07 3,88 0,14 1,17 5 C3H8 44,097 2,1 0,11 0,93 6 n-C4H10 58,128 1,17 0,05 0,68 Total 100 2,083 18,68

Sehingga massa udara yang dibutuhkan untuk pembakaran 100 kmol bahan bakar adalah :

Massa= Mol x Mr

= 285,95 kg Maka, AFRth =

Bakar MassaBahan

MassaUdara

=15,31 kg Udara/kg bahan bakar

Menurut (Arismunandar,2002), perbandingan bahan bakar dan udara yang baik adalah FAR= 0,005÷0,02 ,hasil yang di dapat belum memenuhi kondisi pembakaran yang baik, untuk itu perlu peningkatan udara masuk. Dalam hal ini di rencanakan udara masuk sebesar 400% udara teoritis

Maka persamaan reaksi pembakaran bahan bakar pada kondisi stokiometri (400% udara teoritis) adalah :

- CH4 + 8(O2 + 3,76 N2 ) → CO2 + 2H2O + 6O2 + 30,08 N2

- C2H6 + 14(O2 + 3,76 N2 ) → 2CO2 + 3H2O + 10,5O2 + 52,64 N2

- C3H8 + 20(O2 + 3,76 N2 ) → 3CO2 + 4H2O + 15O2 + 75,2 N2

- C4H10 + 26(O2 + 3,76 N2 ) → 4CO2 + 5H2O + 19,5O2 + 97,76 N2

Dari reaksi pembakaran di atas maka dapat ditentukan kebutuhan udara pembakaran berdasarkan perbandingan mol, yang hasilnya ditabelkan sebagai berikut :

Tabel 4.3 Kebutuhan 400% udara pembakaran pada kondisi stokiometri No. Komposisi BM Mol (%) Mol O2 Masaa B.Bakar (kgCmHn/ mol BB) 1 CO2 44,01 2,86 0 1,26 2 N2 28,013 1,8 0 0,50

3 CH4 16,043 88,19 7,06 14,14

4 C2H6 30,07 3,88 0,54 1,17

5 C3H8 44,097 2,1 0,42 0,93

6 n-C4H10 58,128 1,17 0,31 0,68

Total 100 8,33 18,68

Sehingga massa udara yang dibutuhkan untuk pembakaran 100 kmol bahan bakar adalah :

Massa= Mol x Mr = 8,33 x ( 32 + 3,76.28) = 1.142,53 kg Maka, AFR_th = Bakar MassaBahan MassaUdara

=61,16 kg Udara/kg bahan bakar

4.5 Laju Aliran Massa Udara dan Bahan Bakar

Sebelum menghitung laju aliran massa udara dan bahan bakar suplai daya turbin (PN) ke generator harus ditentukan. Penentuan suplai daya yang harus dibangkitkan turbin dapat dicari dengan penjelasan dibawah ini, berdasarkan gambar 4.4.

Gambar 4.4 Diagram Daya Generator

Daya yang dibutuhkan generator adalah daya semu P_G (KVA) dan daya keluaran P (KW). Maka : P = PG . Cosφ P_G= φ P Cos PG = 0,8 141900 PG = 177.375 KW

Sehingga daya yang harus disuplai turbin ke generator adalah : PN =

= 180.994,89 KW = 180,99 MW

Maka laju aliran massa udara (mu) dapat dicari denga rumus :

P_N=

m

[(

1+FAR

)

.W_T _aktual .W_K _aktual

]

m_u=

(

FAR

)

W_T _aktual W_K _aktual

N . . 1 P + ^{kg udara/s} mu =

kg udara/s mu = 845,76 kg/s laju aliran bahan bakar :

m_f= (FAR).m_u kg bahan bakar/s = (0,016 . 845,76) kg bahan bakar/s = 13,53 kg/s

4.6 Daya yang dihasilkan oleh masing-masing komponen instalasi

Secara analisa termodinamika, maka daya untuk masing-masing komponen instalasi turbin gas adalah :

Daya kompresor :

PK = mu .WK aktual

= 845,76 kg/s .353,28 kJ/kg = 298.790,09 KW

= 298,79 MW Panas yang disuplai ruang bakar :

QRB = (mu + mf). Qin

= (845,76+13,53 )kg/s 530,36 kJ/kg = 455.733,04 KW

= 455,73 MW Daya turbin :

PT = (mu + mf). WT aktual

= (845,76+13,53 )kg/s . 558,35 kJ/kw = 479.784,57KW

= 479,78 MW Maka efisiensi thermal siklus adalah :

η

= x 100% th

η

= x 100% th

η

= 39,71%

Hasil Analisa Termodinamika

Setelah diadakan analisa termodinamika, sebagai langkah awal perencanaan, maka diperoleh data sebagai berikut :

Temperatur Lingkungan (T01) : 314,09 K Temperatur keluar kompresor (T02) : 617,17 K Kerja kompresor aktual (

W

aktual

) : 353,28 kJ/kg Panas aktual masuk ruang bakar (Qin aktual) : 530,36 kJ/kg

(FAR)aktual : 0,0016 kgbahan bakar/ kgudara

(AFR)_aktua _:61,16 kg_udara/kg_{bahan bakar} Temperatur gas masuk turbin (T₀₃) : 1.134,54 K

Temperatur gas buang turbin (T₀₄) : 639,84 K Kerja turbin aktual (

W

aktual

) : 558,35 kJ/kg Laju Aliran massa udara (mu) : 845,76 kg/s

Laju aliran massa bahan bakar ( mf) : 13,53 kg/s Panas yang disuplai ruang bakar (QRB) : 455,75 MW

Daya kompressor (PK) : 298,79 MW

Daya Turbin (PT) : 479,78 MW

Daya nyata generator (P) : 141,9 MW

Efisiensi thermal siklus (

η

_th) : 39,71%

BAB V

PERENCANAAN TURBIN

5.1. Parameter Perencanaan Turbin

Dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial jenis turbin aksial karena mempunyai keuntungan antara lain: efisiensi yang lebih baik, perbandingan tekanan dapat diubah lebih tinggi, konstruksi lebih ringan dan tidak membutuhkan ruangan yang terlalu besar. Turbin aksial yang direncanakan adalah bertingkat banyak, dimana tiap tingkat terdiri dari satu baris sudu diam dan satu baris sudu gerak. Sudu diam berfungsi mempercepat aliran fluida kerja dan sudu gerak berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin.

Turbin aksial adalah jenis turbin yang proses ekspansinya terjadi tidak hanya pada sudu diam, tetapi juga terjadi pada gerak, sehingga penurunan seluruh kandungan kalor pada semua tingkat, kurang lebih terdistribusi secara seragam.

Turbin aksial aksi (impuls) adalah jenis turbin aksial yang proses ekspansinya terjadi hanya pada sudu diam saja dan energi kecepatan diubah menjadi energi mekanis pada sudu-sudu turbin (tanpa terjadi ekspansi yang lebih lanjut). Turbin impuls ini sendiri contohnya yaitu turbin kurtis (turbin dengan kecepatan bertingkat) dan turbin retue (turbin dengan tekanan bertingkat).

Maka dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial, jenis turbin aksial reaksi karena:

• Pada tipe ini, kecepatan tangensial yang mengalir diantara sudu sudu adalah tidak terlalu besar, sehingga kerugian gesekan akibat kecepatan juga tidak terlalu besar.

• Effisiensi tingkat pada tipe reaksi lebih baik dari pada yang lainnya, dengan perbandingan kecepatan yang lebih besar.

• Pada tipe reaksi, effisiensi maksimum dapat dicapai pada daerah perbandingan (U/V) = 0,8 s/d 0,9

Untuk perencanaan turbin aksial, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dan ditetapkan, sebagai berikut :

• Koeffisien aliran sudu (

ψ

) = 3 (lit 3 hal 111) • Kecepatan tangensial rata-rata (Um) = (350 – 400)m/s

• Kecepatan aliran gas (Ca) = 150 m/s (lit 3 hal 671) • Derajat reaksi tingkat (RR) = 0,5 (lit 1 hal 546) 5.2. Perencanaan Sudu Turbin

Untuk turbin dengan derajat reaksi 50% dapat ditentukan bahwa : 2

3 tanβ

tan

1 β

2 3

β =α

dan

β

₂

=α

₃

C3 = C1 sehingga

α

₁

=α

₃

=β

₂

1. Penurunan temperatur tiap tingkat turbin (

Δ

Tos )

Penurunan temperatur tiap tingkat turbin ini masih merupakan nilai yang diperoleh dari penentuan harga Um. setelah itu akan disubstitusikan kembali untuk mendapatkan nilai yang sebenarnya.

2 Δ 2 ψ m s pg U To c =

=

To

Δ

188,67 K

2. Total penurunan temperatur gas (

Δ

To )

Total penurunan temperatur ini merupakan selisih dari temperatur masuk dan keluar turbin.

Δ

To = T₀₃ – T₀₄

= 1134,54 K –639,84 K = 494,7K

3. Jumlah tingkat turbin yang dibutuhkan (n)

Dari perhitungan penurunan temperatur tiap tingkat dan total penurunan temperatur gas di atas, akan diperoleh jumlah tingkat turbin yang dibutuhkan.

n = s To To Δ Δ = 2,62

≈

3 tingkat

Hasil ini disubstitusikan kembali untuk mendapatkan harga

Δ

Tos dan Um yang sebenarnya. = 164,9 K Maka, 3 = 2 Δ 2 m s pg U To c = 355,25 m/s

5.3. Kondisi Gas Dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat.

Untuk merancang sudu turbin dibutuhkan kondisi gas baik dalam keadaan statis maupun stagnasi pada setiap tingkat. Baik pada saat gas masuk sudu diam. keluar sudu diam dan masuk sudu gerak, serta keluar sudu gerak dan masuk sudu. Dalam rancangan ini akan dibahas analisis data kondisi gas meliputi perhitungan temperatur dan tekanan juga massa jenis aliran untuk setiap tingkat turbin. Penampang annulus turbin aksial pada gambar di bawah untuk satu tingkat turbin yang terdiri dari sudu diam (sd) dan sudu gerak (sg)

Keterangan gambar :

sd = sudu dian sg = sudu gerak h = tinggi sudu w = lebar sudu Kondisi masuk sudu diam

Dari gambar 5.1 di atas yaitu pada titik 1, kondisi gas pada sudu tingkat I ini sama dengan kondisi gas masuk tubin

Dimana :

=1134,54 K = 12,08 bar

Massa jenis gas masuk sudu diam tingkat I ( ) adalah :

3,709 kg/m³

Kondisi keluar sudu diam dan masuk sudu gerak

Pada sudu gerak tinggi sudu dibuat lebih tinggi dari sudu tetap hal ini dimaksudkan agar semua aliran gas yang keluar dari sudu tetap dapat ditampung oleh sudu gerak, karena aliran gas tersebut menyebar kearah sisi luar.

dimana :

Sehingga :

P2t = 8,93 bar Temperatur pada titik 2t adalah :

T2t = T1t -

Δ

Tos. R_R

=1.134,54- (164,9.0,5) = 1.052,09 K

Massa jenis gas masuk sudu gerak tingkat I ( ) adalah :

2,957 kg/m³

Kondisi keluar sudu gerak

Maka tekanan pada titik 3t adalah :

P_3t= 6,44 bar Temperatur pada titik 2t adalah :

T3t = T2t -

Δ

Tos. R_R

= 969,64 K

Massa jenis gas keluar sudu gerak tingkat I ( ) adalah :

2,314 kg/m³

Jadi untuk drop temperatur terendah dan penurunan tekanan sampai mendekati 1 bar (tekanan keluar turbin gas), diperoleh 3 tingkat turbin. Kondisi setiap tingkat dapat ditabulasikan pada tabel 5.1 sesuai dengan penghitungan di atas.

Gambar 5.2. Diagram kecepatan sudu Turbin Aksial

Tabel 5.1. Kondisi gas pada tiap tingkat sudu turbin

Kondisi Gas ^{Tingkat Turbin}

I II II P1t (bar) ^12,08 ^6,45 ^3,06 T_1t (K) ^1.134,54 ^969,64 ^804,74 (kg/m³) ^3,709 ^2,32 ^1,32 P2t (bar) ^8,93 ^4,52 ^1,98 T_2t (K) ^1.052,09 ^887,19 ^722,29

(kg/m³) ^2,958 ^1,774 ^0,957

P3t (bar) ^6,44 ^3,06 ^1,22

T_3t (K) ^969,64 ^804,74 ^639,84

(kg/m³) ^2,314 ^1,324 ^0,665

Ukuran-ukuran (jari-jari sudu) sesuai gambar 4.1. dapat dihitung untuk setiap jumlah aliran massa gas masing-masing baris. Menurut lit.[2] Hal.294, pendinginan sudu menggunakan 1.5 % - 2 % udara kompresi pada tiap tingkat sudu sehingga tiga tingkat turbin didinginkan dengan ( 4.5 - 6 )% untuk itu perbandingan yang diambil sebesar 5% udara kompresi Maka laju aliran massa pendingin (m_p) adalah :

m_p = 5 %.mu

=5 % x 845,76 kg/s = 42,28 kg/s

≈

42 kg/s

untuk setiap baris sudu didinginkan (n=6), maka ;

7 kg/s udara

Dimana udara pendingin ini ikut berekspansi pada tingkat berikutnya. Kecepatan keliling rata-rata sudu (Um) adalah :

Um= 2

π

.rm. n (Cohen et al 1987)

dimana: Um = Kecepatan keliling rata-rata sudu (m/s) r = Jari- jari rata-rata sudu (m)

N = putaran poros turbin (3000 rpm) Maka :

1,131 m Kondisi masuk sudu diam Luas annulus A1t = a g C m 1 1 ρ

dimana : m_g₁= Laju aliran massa gas masuk sudu diam = (m_u+ m_f )-(m_p+ m_pn)

= (845,76+13,53) - (42+7 ) = 810,29 kg/s

maka :

1,456 m² Tinggi sudu pada kondisi I, adalah ;

dimana : h1t = Tinggi sudu (m) A1t = Luas anulus (m²) Maka :

Jari-jari akar sudu tetap (rr1)

rr1 = 1,029 m Jari-jari puncak sudu tetap (rt1)

rt1 = 1,233 m Kondisi masuk sudu gerak Luas annulus dimana : maka : 1,842 m²

Tinggi sudu pada kondisi II, adalah ;

Maka :

Jari-jari akar sudu tetap (rr2)

Jari-jari puncak sudu tetap (rt2)

rt2 = 1,261 m Kondisi keluar sudu gerak Luas annulus dimana : maka : 2,374 m²

Tinggi sudu pada kondisi III, adalah ;

Maka :

Jari-jari akar sudu tetap (r_r3)

Jari-jari puncak sudu tetap (rt1)

rt3 = 1,298 m

Ukuran perencanaan sudu untuk setiap kondisi pada tingkat turbin dapat di tabulasikan sesuai tabel berikut :

Tabel 5.2. Ukuran-ukuran utama sudu turbin pada setiap tingkat

Notasi Ukuran Sudu ^{Tingkat Turbin}

I II III I mg1 (kg/s) 810,29 831,29 852,29 A1t (m2) 1,456 2,395 4,295 h1t (m) ^0,205 ^0,337 ^0,605 rr1(m) 1,029 0,962 0,829 rt1 (m) ^1,233 ^1,300 ^1,433 II mg2 (kg/s) 817,29 838,29 859,29 A2t (m2) ^1,842 ^3,153 ^5,989 h2t (m) 0,259 0,444 0,843 rr2(m) ^1,001 ^0,909 ^0,710 rt2 (m) 1,261 1,353 1,552 III mg3 (kg/s) ^824,29 ^845,29 ^866,29 A3t (m2) 2,375 4,260 8,686 h3t (m) ^0,334 ^0,600 ^1,222 rr3(m) 0,964 0,831 0,520 rt3 (m) ^1,298 ^1,431 ^1,742

Tinggi rata-rata sudu diam (h_n1) adalah nilai rata-rata dari tinggi sudu pada kondisi 1 dan 2, sebagai berikut :

Tinggi rata-rata sudu gerak (h_s1) adalah nilai rata-rata dari tinggi sudu pada kondisi 2 dan 3, sebagai berikut :

Sehingga :

Tebal (lebar) sudu gerak (w)

Tebal sudu gerak pada tingkat 1 adalah :

Lebar celah aksial (C)

Lebar celah aksial merupakan celah yang dirancang antara sudu gerak dengan penutup agar sudu dapat berputar bebas.

C = 0,25. ws1

= 0,25 x m = 0,025 m Lebar celah radial (K)

Lebar celah radial merupakan celah yang dirancang antara puncak sudu gerak dengan sudu gerak yang dapat ditentukan dengan perbandingan (K/h)

K = 0,02. hs1

= 0,0059 m

Tabel 5.3. Ukuran-ukuran skunder sudu turbin pada setiap tingkat

Ukuran Sudu ^{Tingkat Turbin}

I II II hn1 (m) 0,232 0,390 0,724 h_s1 (m) 0,297 0,522 1,033 ws1 (m) 0,099 0,174 0,344 C (m) 0,025 0,043 0,086 K (m) 0,0059 0,0104 0,0207

5.4. Diagram Dan Sudut Kecepatan Tiap Tingkat Turbin

Untuk dapat menggambarkan kecepatan gas dengan menggunakan diagram segitiga kecepatan perlu untuk menghitung sudut-sudut saat gas melalui sudu-sudu. Dari gambar 4.2 dimana sudut gas tingkat-1, yaitu pada dasar. tengah dan puncak sudu dapat dihitung :

.1. Sudut kecepatan pada Tengah Sudu

Sudut-sudut gas yang terjadi pada tengah sudu antara lain : Sudut masuk relatif gas (

β

₂_m )

2 β

.

φ

.

4 ψ= tg

2_m

+

(Cohen et al 1987)

Menurut [lit 2, hal 249], sudut masuk absolut gas pada sudu diam dan sudut keluar gas pada sudu gerak adalah sama dengan sudut relatif gas ( ) yaitu .Sudut keluar relatif gas pada sudu diam sama dengan sudut keluar relatif gas pada sudu gerak (

α

₂_m

=β

₃_m) yaitu 57,38°

Kecepatan absolut gas masuk sudu gerak (

C

₂_m)

Dimana :

= 284,2 m/s Maka :

Kecepatan absolut gas masuk sudu diam

3 1 cosα a m C C = (Cohen et al 1987)

Kecepatan absolut gas keluar sudu gerak sama dengan kecepatan relatif gas masuk sudu gerak maka C₃_m, C₁_m , = m/s. Untuk diagram kecepatan turbin tingkat reaksi 50% maka dapat diketahui :

C_3m = V_2m = m/s V3m = C2m =527,21 m/s

2. Sudut Kecepatan pada Dasar Sudu

Sudut-sudut gas yang terjadi pada dasar sudu antara lain : Sudut keluar absolut gas dari sudu diam ( α₂_r)

Sudut keluar absolut gas dari sudu gerak (

α

₃_r )

Sudut keluar relative gas pada sudu diam (β₂_r) r

β =

α

₃_r=20,13º

Sudut keluar relatif gas pada sudu gerak (

β

₃_r)

β

3r= α₂_r=60,46^o

Kecepatan absolut gas masuk sudu gerak (C₂_r)

Kecepatan absolut gas keluar sudu gerak (C₃_r)

Kecepatan whirl gas masuk sudu gerak (C_w2_r)

Kecepatan relatif gas masuk sudu &, gerak(V₂_r)

Diagram kecepatan dan sudut gas pada puncak sudu serta perhitungan untuk tingkat selanjutnya dapat dilakukan dengan cara yang sama seperti diatas dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.4 berikut :

Tabel 5.4. Sudut dan vektor kecepatan sudu turbin pada setiap tingkat

Satuan ukuran

Tingkat Turbin

I II II

Dasar Tengah Puncak Dasar Tengah Puncak Dasar Tengah Puncak U (m/s) 401,23 355,25 318,73 441,95 355,25 296,99 566,27 355,25 258,81 20,13⁰ 17,35⁰ 15,23⁰ 23,03⁰ 17,35⁰ 13,87⁰ 34,21⁰ 17,35⁰ 11,46⁰ 60,46⁰ 57,38⁰ 54,50⁰ 62,78⁰ 57,38⁰ 52,56⁰ 68,12⁰ 57,38⁰ 48,70⁰ 20,13⁰ 17,35⁰ 15,23⁰ 23,03⁰ 17,35⁰ 13,87⁰ 34,21⁰ 17,35⁰ 11,46⁰ 20,13⁰ 17,35⁰ 15,23⁰ 23,03⁰ 17,35⁰ 13,87⁰ 34,21⁰ 17,35⁰ 11,46⁰ 60,46⁰ 57,38⁰ 54,50⁰ 62,78⁰ 57,38⁰ 52,56⁰ 68,12⁰ 57,38⁰ 48,70⁰ Cw1(m/s) 501,52 444,05 398,40 552,42 444,05 371,23 707,81 444,05 323,50 C_w2(m/s) 104,18 88,79 77,36 120,81 88,79 70,19 193,20 88,79 57,64 C₂(m/s) 576,45 527,21 489,38 621,24 527,21 467,52 762,74 527,21 430,61 C3(m/s) 302,69 297,75 294,54 308,81 297,75 292,74 343,65 297,75 289,99 V2(m/s) 302,69 297,75 294,54 308,81 297,75 292,74 343,65 297,75 289,99 V3(m/s) 576,45 527,21 489,38 621,24 527,21 467,52 762,74 527,21 430,61

Dari tabel sudut kecepatan diatas maka dapat digambarkan diagram kecepatannya, berikut gambar diagram kecepatan sudu tingkat pertama.

Gambar 5.3 Segitiga kecepatan pada puncak sudu tingkat pertama turbin 5.5. Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin.

Untuk menentukan jumlah sudu gerak dan sudu diam tiap tingkat turbin, maka dapat dilakukan perhitungan pada tengah-tengah sudu dengan mempergunakan tinggi rata-rata sudu. Perbandingan tinggi sudu dengan chord sudu (aspek ratio. h/c) menurut [ lit 2. hal 271] dapat direncanakan antara 3 dan 4.

Gambar 5.4. Perbandingan optimum jarak sudu (pitch) dan korda (Sumber: Gas Turbine Theory, Cohen. H)

Jumlah sudu gerak, Tingkat-1 dapat ditentukan sebagai berikut : • Panjang chord sudu (c)

Perbandingan pitch sudu dengan chord sudu (s/c) untuk harga

β

₂_m 17,35⁰ dan

β

= 57,38º didapat harga (s/c) = 0.83 [ Dari gambar 4.3] ,sedangkan untuk tebal sudu berkisar antara 0,2 dan 0,1. Tebal sudu yang besar seringkali digunakan untuk mengatasi masalah getaran.

• Panjang pitch sudu (s) s = 0,83x c = 0,83 x 0,099 = 0,082 m • Tebal sudu (t) t = 0,2x c = 0,2 x 0,099 = 0,020 m • Jumlah sudu (z) Z = 2 s r_m π

Untuk parameter lain yang di perlukan untuk mengambarkan sudu adalah sebagai berikut :

LED = Leading Edge Radius = 0,12.t TER = Trailing Edge Radius = 0,060.t CLL = Camber Line Length max = 0,4.c

Menurut [lit 2. hal 271] digunakan komponen bilangan prima untuk sudu gerak dan komponen bilangan genap untuk sudu diam. Maka direncanakan :

jumlah sudu gerak tingkat satu adalah 87 buah, sehingga pitch sudu (s) menjadi 0,082 m; chord sudu (c) adalah 0,099 m dan tinggi sudu gerak (hs)= 0,297 m dengan aspect ratio (h/c) adalah 3

Untuk tingkat selanjutnya baik sudu diam maupun sudu gerak dapat dihitung dengan cara yang sama dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 5.5 berikut. Tabel 5.5. Spesifikasi sudu-sudu tiap tingkat turbin

Satuan ukuran

Tingkat Turbin

I II III

Gerak Diam Gerak Diam Gerak Diam c 0,099 0,077 0,174 0,130 0,344 0,241 s 0,082 0,064 0,144 0,108 0,286 0,200 t 0,020 0,015 0,035 0,026 0,069 0,048 LER 0,0024 0,0019 0,0042 0,0033 0,0086 0,0079 TER 0,0012 0,0010 0,0021 0,0016 0,0043 0,0040 CLL 0,039 0,032 0,070 0,054 0,143 0,132 Z 87 112 51 66 25 27

5.6. Sudut-Sudut Sudu Tiap tingkat Turbin

Profil sudu direncanakan ditentukan secara konvensional dengan bantuan sudut-sudut sudu. Sudut-sudut sudu tingkat satu pada dasar sudu dapat dihitung sebagai berikut. Dari perhitungan sebelumnya diperoleh :

• Sudut relatif kecepatan masuk (β₂_r) r

β = 20,13 º

• Sudut relatif kecepatan gas

β

= 60,46 º

Menurut [lit 2 hal 268] untuk sudu tipe reaksi, maka sudut jatuh gas (i)berada pada interval -15º dan 15º dan harga yang disarankan untuk dasar sudu adalah -5 dan untuk tengah sudu 5º serta untuk puncak sudu adalah 10º .

• Sudut kecepatan masuk sudu β₂_r =β₂_r + i

= 15,13º

• Sudut kecepatan keluar sudu (

β

₃_r)

Sudut keluar sudu dapat diperoleh dengan bantuan gambar 5.5, dimana untuk setiap harga sudut relatif keluar gas, maka dapat ditentukan besar sudut keluar sudu. Untuk sudut keluar relatif gas,

β

₃_r= 60,46º diperoleh

β

₃_r= 62,58º

Gambar 5.5 Grafik hubungan antara sudut masuk gas sudut keluar gas (Sumber: Gas Turbine Theory, Cohen. H)

• Sudut chamber sudu (θ_r) r

θ =β₂_r +

β

₃_r

= 15,13º + 62,58º ⁰

• Sudut pemasangan sudu (

ζ

r= β₂_r -2

θ_r

= -23,724

• Panjang chord sudu arah aksial (c_xr ) c_xr= c .cos

ζ

= 0,099. cos(–23,724º ) = 0,091 m

Gambar 5.6 Geometri sudu turbin (Sumber: Gas Turbine Theory, Cohen. H)

Dengan cara yang sama. maka harga sudut-sudut sudu untuk tiap tingkat lainnya dapat dihitung dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 5.6 berikut

Tabel 5.6. Sudut-sudut sudu gerak turbin Satuan

ukuran

Tingkat Turbin

I II III

Dasar Tengah Puncak Dasar Tengah Puncak Dasar Tengah Puncak

i -5 5 10 -5 5 10 -5 5 10 15,13 22,35 25,23 18,03 22,35 23,87 29,21 22,35 21,46 62,58 59,96 57,08 65,36 59,96 55,14 70,70 59,96 51,28 39,64 33,39 28,22 42,83 33,39 26,41 48,95 33,39 23,13 77,71 82,31 82,30 83,39 82,31 79,02 99,91 82,31 72,75 -23,724 -18,805 -15,925 -23,663 -18,805 -15,635 -20,748 -18,805 -14,908 cxr 0,091 0,094 0,095 0,159 0,165 0,167 0,322 0,326 0,333

BAB VI

PROSES SIMULASI

6.1 Pendahuluan

Dalam bab ini akan dibahas mengenai proses simulasi. Dimulai dengan langkah secara umum untuk tiap tahap, data geometri turbin serta kondisi operasi. Data yang ditulis hanyalah data yang digunakan dalam simulasi, dimana data tersebut merupakan hasil analisa dari BAB V, sedangkan data lain yang tidak diperlukan tidak ditulis. Selain itu, penggunaan perangkat lunak yang dipakai tidak akan terlalu detail dibahas, hanya terbatas pada langkah intinya.

Dalam dokumen Simulasi Numerik Aliran Fluida Dan Bentuk Sudu Tingkat Pertama Turbin Gas Penggerak Generator Dengan Daya 141,9 Mw Menggunakan CFD Fluent 6.3.26 (Halaman 61-129)