Metodologi Penulisan

BAB I. PENDAHULUAN

1.4. Metodologi Penulisan

Metode yang digunakan dalam penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut : a. Survey lapangan, yakni berupa peninjauan langsung ke lokasi tempat unit

pembangkit itu berada.

b. Studi literatur, yakni berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku, dan tulisan-tulisan yang terkait.

c. Diskusi, yakni berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, dosen pembanding yang nanti akan ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Mesin – FT USU mengenai kekurangan-kekurangan didalam tulisan tugas sarjana ini.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Prinsip Dasar Desain Turbin Uap

Turbin uap merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung kepada jenis mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik, dan untuk transportasi. Dalam perancangan ini, turbin uap digunakan untuk menggerakkan generator listrik.

Untuk mengubah energi potensial uap menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros dilakukan dengan berbagai cara, sehingga turbin uap secara umum terdiri dari tiga jenis utama, yaitu : turbin uap impuls, reaksi, dan gabungan (impuls-reaksi). Selama proses ekspansi uap di dalam turbin juga terjadi beberapa kerugian utama yang dikelompokkan menjadi dua jenis kerugian utama, yaitu kerugian dalam dan kerugian luar. Hal ini akan menyebabkan terjadinya kehilangan energi, penurunan kecepatan dan penurunan tekanan dari uap tersebut yang pada akhirnya akan mengurangi efisiensi siklus dan penurunan daya generator yang akan dihasilkan oleh generator listrik.

2.2. Analisa Termodinamika

Turbin uap bersama-sama dengan ketel uap, pompa dan kondensor, dipadukan untuk membentuk suatu siklus daya uap atau siklus rankine. Siklus ini menggunakan fluida dalam dua fasa yaitu cairan dan uap.

Diagram alir siklus Rankine sederhana dapat dilihat sebagai berikut:

BOILER

P

KONDENSER TURBIN

V

W turbin

1 2

3

4

W pompa q in

q out

.

Gambar 2.1. Diagram alir Siklus Rankine sederhana^[5,518]

Keterangan gambar di atas adalah sebagai berikut :

1-2 : air dipompakan sehingga mencapai tekanan kerja ketel

2-3 : pada ketel diberikan kalor pada tekanan konstan terhadap fluida 3-4 : uap yang terjadi kemudian diekspansikan pada turbin

4-1 : uap bekas dari turbin dikondensasikan di kondensor pada tekanan konstan sampai keadaan cair jenuh

T

s 1

2

3

4 v

v Q in

Q out

W turbin

W pompa

Gambar 2.2. Diagram T-s siklus Rankine sederhana^[5,518]

Keterangan diagram T-s di atas adalah sebagai berikut : 1-2 : air dipompakan sehingga mencapai tekanan kerja ketel

2-3 : pada ketel diberikan kalor pada tekanan konstan terhadap fluida 3-4 : uap yang terjadi kemudian diekspansikan pada turbin

4-1 : uap bekas dari turbin dikondensasikan di kondensor pada tekanan konstan sampai keadaan cair jenuh

2.3. Modifikasi Siklus Rankine pada PLTU

Modifikasi siklus Rankine bertujuan untuk meningkatkan efisiensi siklus dalam hal ini dibuat ekstraksi uap untuk memanaskan air pengisian ketel, sehingga kerja ketel berkurang dan kebutuhan bahan bakar juga berkurang. Pada prakteknya turbin uap dengan tekanan awal yang tinggi biasa dibuat dengan ekstraksi yang biasanya berjumlah 5 sampai 7 tingkat ekstraksi. Untuk turbin dengan parameter uap kritis panas lanjut, jumlah ekstraksi dapat mencapai sebanyak 8 sampai 9.

Uap yang di ekstraksi dari tingkat-tingkat menengah biasanya dimanfaatkan pada pemanas air pengisian ketel. Untuk turbin uap tekanan menengah jumlah ekstraksi dibatasi hanya 1-4 ( literatur 1 hal 134 ).

Salah satu modifikasi dari siklus Rankine dapat dilihat pada gambar berikut

:

Gambar 2.3. Diagram alir siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi^[5,530]

Keterangan gambar di atas adalah sebagai berikut : 1-2 : air dari kondensor dipompakan ke deaerator

2,6-3 : uap yang berasal dari turbin yang berupa uap basah bercampur dengan air yang berasal dari kondensor bercampur di dalam dearator

3-4 : air dipompakan sehingga mencapai tekanan kerja ketel

4-5 : pada ketel diberikan kalor pada tekanan konstan terhadap fluida 5-6,7 : uap yang terjadi kemudian diekspansikan pada turbin

7-1 : uap bekas dari turbin dikondensasikan di kondensor pada tekanan konstan sampai keadaan cair jenuh

BOILER

DEAERATOR

P2

P1

KONDENSER TURBIN

V

1 2

3 4

5

6 7

Tujuan uap diekstraksikan ke deaerator adalah untuk membuang gas-gas yang tidak terkondensasi sehingga pemanasan pada ketel dapat berlangsung efektif, mencegah korosi pada ketel, dan meningkatkan efisiensi siklus.

Untuk mempermudah penganalisaan siklus termodinamika ini, proses-proses tersebut di atas dapat disederhanakan dalam bentuk diagram berikut :

Gambar 2.4. Diagram T-s siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi^[5,530]

Keterangan diagam T-s di atas adalah sebagai berikut : 1-2 : air dari kondensor dipompakan ke deaerator

2,6-3 : uap yang berasal dari turbin yang berupa uap basah bercampur dengan air yang berasal dari kondensor bercampur di dalam dearator

3-4 : air dipompakan sehingga mencapai tekanan kerja ketel

4-5 : pada ketel diberikan kalor pada tekanan konstan terhadap fluida 5-6,7 : uap yang terjadi kemudian diekspansikan pada turbin

T

s 1

2 3 4

5

6

7 v

v

7-1 : uap bekas dari turbin dikondensasikan di kondensor pada tekanan konstan sampai keadaan cair jenuh

2.4 Klasifikasi Turbin Uap

Turbin uap dapat diklasifikasikan ke dalam kategori yang berbeda yang tergantung pada jumlah tingkat tekanan, arah aliran uap, proses penurunan kalor, kondisi-kondisi uap pada sisi masuk turbin dan pemakaiannya di bidang industri, sebagai berikut :

1. Menurut jumlah tingkat tekanan, terdiri dari :

a. Turbin satu tingkat dengan satu atau lebih tingkat kecepatan, yaitu turbin yang biasanya berkapasitas kecil dan turbin ini kebanyakan dipakai untuk menggerakkan kompresor sentrifugal.

b. Turbin impuls dan reaksi nekatingkat, yaitu turbin yang dibuat dalam jangka kapasitas yang luas mulai dari yang kecil sampai yang besar.

2. Menurut arah aliran uap, terdiri dari :

a. Turbin aksial, yaitu turbin yang uapnya mengalir dalam arah yang sejajar terhadap sumbu turbin.

b. Turbin radial, yaitu turbin yang uapnya mengalir dalam arah yang tegak lurus terhadap sumbu turbin.

3. Menurut proses penurunan kalor, terdiri dari :

a. Turbin kondensasi (condensing turbine) dengan regenerator, yaitu turbin dimana uap pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfer dialirkan ke kondensor, disamping itu uap juga dicerat dari tingkat-tingkat menengahnya untuk memanaskan air pengisian ketel, dimana jumlah penceratan itu biasanya dari 2-3 hingga sebanyak 8-9.

b. Turbin kondensasi dengan satu atau dua penceratan dari tingkat menengahnya pada tekanan tertentu untuk keperluan-keperluan industri dan pemanasan.

c. Turbin tekanan lawan (back pressure turbine), yaitu turbin yang uap buang dipakai untuk keperluan-keperluan pemanasan dan untuk keperluan-keperluan proses dalam industri.

d. Turbin tumpang, yaitu suatu jenis turbin tekanan lawan dengan perbedaan bahwa uap buang dari turbin jenis ini lebih lanjut masih dipakai untuk turbin-turbin kondensasi tekanan menengah dan rendah.

Turbin ini, secara umum beroperasi pada kondisi tekanan dan temperatur uap awal yang tinggi, dan dipakai kebanyakan untuk membesarkan kapasitas pembangkitan pabrik, dengan maksud untuk mendapatkan efisiensi yang lebih baik.

e. Turbin tekanan lawan dengan penceratan uap dari tingkat-tingkat menengahnya pada tekanan tertentu, dimana turbin jenis ini dimaksudkan untuk mensuplai uap kepada konsumen pada berbagai kondisi tekanan dan temperatur.

f. Turbin tekanan rendah (tekanan buang), yaitu turbin yang uap buang dari mesin-mesin uap, palu uap, mesin tekan, dan lain-lain, dipakai untuk keperluan pembangkitan tenaga listrik.

g. Turbin tekanan campur dengan dua atau tiga tingkat-tekanan, dengan suplai uap buang ke tingkat-tingkat menengahnya.

4. Menurut kondisi-kondisi uap pada sisi masuk turbin, terdiri dari :

a. Turbin tekanan rendah, yaitu turbin yang memakai uap pada tekanan 1,2 sampai 2 ata.

b. Turbin tekanan menengah,yaitu turbin yang memakai uap pada tekanan sampai 40 ata.

c. Turbin tekanan tinggi, yaitu turbin yang memakai uap pada tekanan diatas 40 ata.

d. Turbin tekanan yang sangat tinggi, yaitu turbin yang memakai uap pada tekanan 170 ata atau lebih dan temperatur diatas 550^o C atau lebih.

e. Turbin tekanan superkritis, yaitu tubin yang memakai uap pada tekanan 225 ata atau lebih.

5. Menurut pemakaiannya di bidang industri, terdiri dari :

a. Turbin stasioner dengan kepesatan putar yang konstan dipakai terutama untuk menggerakkan alternator.

b. Turbin uap stasioner dengan kepesatan yang bervariasi dipakai untuk menggerakkan blower-turbo, pengedar udara (air circulator), pompa, dan lain-lain.

c. Turbin yang tidak stasioner dengan kepesatan yang bervariasi, yaitu turbin yang biasanya dipakai pada kapal-kapal uap, kapal, dan lokomotif kerata api.

2.5 Kerugian Energi pada Turbin Uap

Kerugian energi pada turbin adalah pertambahan energi kalor yang dibutuhkan untuk melakukan kerja mekanis pada praktek aktual dibandingkan dengan nilai teoritis yang proses ekspansinya terjadi benar-benar sesuai dengan proses adiabatik. Pada suatu tingkat turbin, jumlah penurunan kalor yang benar-benar dikonversi menjadi kerja mekanis pada poros turbin adalah lebih kecil daripada nilai-nilai yang dihitung untuk tingkat turbin yang ideal. Semua kerugian yang timbul pada turbin aktual [Menurut lit. 1, hal. 59-71] dapat dibagi menjadi dua kelompok utama, yaitu :

1. Kerugian dalam, adalah kerugian yang berkaitan dengan kondisi-kondisi uap sewaktu uap tersebut mengalir melalui turbin. Misalnya : kerugian pada katup-katup pengatur, kerugian pada nosel (sudu pengarah), kerugian kecepatan kecepatan-keluar, kerugian akibat gesekan cakram yang merupakan tempat pemasangan sudu-sudu dan kerugian pengadukan, kerugian akibat ruang bebas antara rotor dan cakram-cakram sudu pengarah, kerugian akibat kebasahan uap, dan kerugian pada pemipaan buang.

2. Kerugian luar, adalah kerugian yang tidak mempengaruhi kondisi-kondisi uap. Misalnya : kerugian mekanis dan kerugian akibat kebocoran uap dari perapat-perapat gland labirin.

2.5.1 Kerugian pada Katup Pengatur

Uap sebelum masuk ke turbin haruslah melalui katup penutup (stop valve) dan katup pengatur yang mana ini merupakan bagian terpadu dari turbin tersebut.

Aliran uap melalui katup penutup dan katup pengatur disertai oleh kerugian energi akibat proses pencekikan. Kerugian energi akibat proses pencekikan dinyatakan sebagai :

' o

o H

H

H = − ...( literatur 1,hal 59 )

Dimana :

H = Besarnya kerugian energi akibat proses pencekikan (kkal/kg).

H o = Penurunan kalor isentropis dengan mengabaikan kerugian (kkal/kg).

'

H o = Penurunan kalor isentropis dengan memperhitungkan kerugian kalor akibat proses pencekikan (kkal/kg).

Besarnya kerugian tekanan akibat proses pencekikan untuk katup pengatur terbuka lebar dapat ditentukan sebesar 5% dari tekanan uap panas lanjut. Namun pada prakteknya, turbin uap sekarang ini telah memungkinkan untuk memperkecil kerugian tekanan ini sampai serendah 3% dan lebih di bawahnya lagi dengan pemakaian bentuk-bentuk katup pengatur yang baik (streamlined) pada tempat-tempat yang dialiri oleh uap. Untuk tujuan perancangan, kerugian tekanan adalah :

( )

_o

v p

p = 0,03−0,05

∆ ...( literatur 1,hal 60 )

Dimana : pv

∆ = Besarnya kerugian tekanan (bar).

p_o = Tekanan uap panas lanjut sebelum memasuki turbin (bar).

2.5.2 Kerugian pada Nosel

Kerugian energi pada nosel disebabkan oleh adanya gesekan uap pada dinding nosel, turbulensi, dan lain-lain. Kerugian energi pada nosel ini dicakup oleh koefisien kecepatan nosel (φ) yang sangat tergantung pada tinggi nosel.

Kerugian energi kalor pada nosel dalam bentuk kalor adalah :

8378 - ₁²

2

1 c

h_n = c^t atau :

)8378 1 1

(

2 1 2

h_n = − c

ϕ ... ( literatur 1,hal 25 )

Dimana :

hn = Besar kerugian pada nosel (kkal/kg)

c1t = Kecepatan uap masuk teoritis dari nosel (m/s)

c1 = c_1t⋅ϕ= Kecepatan uap masuk mutlak dari nosel (m/s) ϕ = Koefisien kecepatan atau angka kualitas nosel.

Untuk tujuan perancangan, nilai-nilai koefisien kecepatan nosel dapat diambil dari grafik yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini :

Gambar 2.5 Grafik untuk Menentukan Koefisien ϕ sebagai Fungsi Tinggi Nosel (l1) ^[1,61]

2.5.3 Kerugian pada Sudu Gerak

Kerugian energi pada sudu-sudu gerak disebabkan oleh beberapa faktor yaitu : kerugian akibat olakan pada ujung belakang sudu, kerugian akibat tubrukan, kerugian akibat kebocoran uap melalui ruang melingkar antara stator dan selubung, kerugian akibat gesekan, kerugian akibat pembelokan semburan pada sudu, dan kerugian akibat penyelubungan.

Semua faktor ini disimbolkan sebagai koefisien kecepatan (angka kualitas) sudu-sudu (ψ), dimana koefisien kecepatan ini mempunyai nilai lebih kecil dari satu.

Kerugian energi pada sudu-sudu menyebabkan penurunan kecepatan keluar relatif ω2 lebih kecil dari kecepatan masuk relatif ω1 (ω2 = ψ . ω1). Sebagai akibatnya akan terjadi kehilangan energi dalam sudu-sudu gerak sebesar :

h_b=

8378 - ₂²

2

1 ω

ω atau :

1 8378

1 ₂²

2

ω ψ ^_

 



 −

b =

h ... ( literatur 1,hal 85 )

Dimana :

ω 1 = kecepatan uap masuk relatif dari nosel (m/s) ω 2 = kecepatan keluar relatif dari sudu (m/s) h b = kehilangan energi dari sudu-sudu (kkal/kg)

ψ = koefisien kecepatan atau angka kualitas laluan sudu.

Untuk pemakaian praktis, harga ψ dapat ditentukan dengan tinggi sudu-sudu gerak pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.6 Grafik untuk menentukan koefisien ψ berdasarkan tinggi sudu-gerak^[1,62]

2.5.4 Kerugian Akibat Kecepatan-Keluar

Uap meninggalkan sisi keluar sudu gerak dengan kecepatan mutlak c . ₂ Pada turbin nekatingkat (multistage), energi kecepatan uap yang keluar dapat dipakai sebagian atau seluruhnya pada tingkat-tingkat yang berikutnya. Untuk dapat memanfaatkan energi yang ekivalen dengan energi kecepatan uap yang keluar dari sudu perlu diperhatikan celah diantara sudu-sudu tingkat sebelumnya dan nosel-nosel berikutnya sesempit mungkin.

Besarnya kerugian energi yang diakibatkan oleh kecepatan-keluar itu dalam satuan kalor diberikan oleh persamaan :

8378

2

c2

h_e = ... ( literatur 1,hal 63 )

Dimana :

h e = kerugian akibat kecepatan keluar (kkal/kg)

c 2 = kecepatan mutlak uap meninggalkan sudu gerak (m/s).

2.5.5 Kerugian Akibat Gesekan Cakram dan Pengadukan

Kerugian ini terjadi karena adanya gesekan antara rotor dengan uap dan kerugian pengadukan dalam hal pemasukan parsial. Sebagai akibatnya kerja digunakan untuk melawan gesekan, dan kecepatan partikel uap akan dikonversi menjadi kalor, sehingga memperbesar kandungan kalor uap. Kerugian ventilasi sulit dihitung secara teoritis dan umumnya dihitung secara empiris.

Salah satu rumus empiris yang dipakai adalah rumus Stodola, yaitu :

( )

[ ]

u

a ge

l u d z

d

N _, λ ² ε ₁^{10,5 3}₆ ρ

1 10 61 , 0 07 ,

1 + ⋅ − ⋅ ×

= ... ( literatur 1,hal 63 )

Dimana :

a

Nge_, = daya yang hilang dalam mengatasi gesekan dan ventilasi (kW)

λ = koefisien yang biasanya diambil sama dengan satu untuk udara dan uap panas-lanjut temperatur tinggi (menurut Levitsky) dan untuk uap panas jenuh sama dengan 1,3

d = diameter cakram yang diukur pada tinggi rata-rata sudu (m) z = jumlah tingkat kecepatan pada cakram

ε = derajat pemasukan uap parsial

l1 = tinggi sudu (cm)

u = kecepatan keliling pada diameter rata-rata (m/s)

ρ u = masssa jenis uap di dalam mana cakram tersebut berputar (kg/m³).

Penentuan daya yang hilang dalam mengatasi gesekan dan ventilasi juga dapat ditentukan dengan memakai rumus empiris Forner, yaitu :

u a

ge d n l

N _, =β⋅10^{−10 4 3} ₁⋅ρ ... ( literatur 1,hal 64 )

Dimana :

n = putaran turbin (rpm)

β = koefisien yang sama dengan 1,76 untuk cakram baris tunggal dan 2,06 untuk cakram baris ganda, serta 2,8 untuk cakram tiga-baris.

2.5.6 Kerugian Ruang Bebas pada Turbin Impuls

Ada perbedaan tekanan di antara kedua sisi cakram nosel yang dipasang pada stator turbin, sebagai akibat ekspansi uap di dalam nosel. Diafragma yang mempunyai sudu sudu gerak adalah dalam keadaan berputar, sementara cakram-cakram adalah dalam keadaan diam sehingga selalu ada ruang bebas yang sempit antara cakram-cakram putar dan diafragma, seperti pada gambar 2.6 di bawah ini.

Gambar 2.7 Tingkat tekanan pada turbin impuls^[1,65]

Tekanan sebelum melewati diafragma adalah p₁ dan tekanan sesudah cakram yang mempunyai sudu-sudu gerak adalah p2. Oleh sebab itu, seluruh penurunan tekanan yang terjadi pada perapat labirin dari p₁ hingga ke p₂ didistribusikan diantara ruang-ruang A, B, C, D, E, dan F. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan adanya kebocoran melalui celah ini, yang besarnya :

h kebocoran = G G_kebocoran

( i0 - i2) ... ( literatur 1,hal 64 ) Bila tekanan kritis lebih rendah dari p2, maka kecepatan uap di dalam labirin adalah lebih rendah daripada kecepatan kritis dan massa alir kebocoran ditentukan dengan persamaan :

Gkebocoran = 100 fs

2 2 2

1 )

( zpυ

p p

g − ... ( literatur 1,hal 67 )

sebaliknya, bila tekanan kritis lebih tinggi dari p2 , maka kecepatan uap adalah lebih tinggi dari kecepatan kritisnya dan massa alir kebocoran dihitung :

G_kebocoran = 100 f_s

1 1

5 ,

1 v

p z

g ×

+ ... ( literatur 1,hal 67 )

2.5.7 Kerugian Akibat Kebasahan Uap

Dalam hal turbin kondensasi, beberapa tingkat yang terakhir biasanya beroperasi pada kondisi kondisi uap basah yang menyebabkan terbentuknya tetesan air. Tetesan air ini oleh pengaruh gaya sentrifugal akan terlempar ke arah keliling. Pada saat bersamaan tetesan air ini menerima gaya percepatan dari partikel-partikel uap searah dengan aliran, jadi sebagian energi kinetik uap hilang dalam mempercepat tetesan air ini. Kerugian akibat kebasahan uap dapat ditentukan dengan persamaan :

hkebasahan = ( 1-x) hi ... ( literatur 1,hal 69 )

Dimana :

x = fraksi kekeringan rata-rata uap di dalam tingkat turbin yaitu sebelum nosel (sudu pengarah) dan sesudah sudu gerak tingkat tersebut.

hi = penurunan kalor yang dimanfaatkan pada tingkat turbin dengan memperhitungkan semua kerugian kecuali akibat kebasahan uap (kkal/kg).

2.5.8 Kerugian Pemipaan Buang

Kerugian pemipaan buang terjadi karena kecepatan aliran pada pipa buang besar (100-120) m/s yang biasanya terjadi pada turbin kondensasi.

Besarnya kerugian tekanan dalam pemipaan buang turbin-turbin kondensasi dapat ditentukan, yaitu :

k s

k c p

p

p ₂

2

2

2 100



 



= 

− λ ... ( literatur 1,hal 70 )

Dimana :

p 2 = tekanan uap sesudah sudu (bar)

p₂k = tekanan uap di dalam pemipaan buang (bar) λ = koefisien yang nilainya dari 0,07-0,1

c s = kecepatan uap pada pemipaan buang (m/s).

2.5.9 Kerugian Luar 1. Kerugian Mekanis

Kerugian mekanis disebabkan oleh energi yang digunakan untuk mengatasi tahanan yang diberikan oleh bantalan luncur dan dorong termasuk bantalan luncur generator atau mesin yang dihubungkan dengan poros turbin seperti pompa minyak utama, pengatur (governor), dan lain-lain. Untuk tujuan perancangan, kerugian mekanis [Menurut lit. 3, hal. 88] dapat ditentukan dengan mempergunakan grafik efisiensi mekanis turbin seperti gambar 2.7 berikut ini :

97516 kW 99,5 %

Gambar 2.8 Grafik efisiensi mekanis turbin uap^[3,88]

Sedangkan efisiensi generator [Menurut lit. 3, hal 88] dapat ditentukan berdasarkan gambar 2.8 berikut ini :

97516 kW 97 %

Gambar 2.9 Grafik efisiensi generator^[3,88]

2. Kerugian Akibat Kebocoran Uap yang Melalui Perapat Bagian Ujung Kerugian ini terjadi karena adanya perbedaan tekanan antara bagian dalam stator dan udara luar sehingga terjadi kebocoran uap melalui perapat labirin bagian ujung turbin. Kebocoran uap melalui perapat ujung tidak akan mempengaruhi variasi kondisi-kondisi uap di dalam turbin, sehingga kebocoran ini diklasifikasikan sebagai kebocoran luar.

2.6. Efisiensi Pada Turbin 1. Efisiensi relatif sudu

Hubungan antara kerja satu kilogram uap Lu pada keliling cakram yang mempunyai sudu-sudu gerak terhadap kerja teoritis yang dapat dilakukannya adalah :

2. Efisiensi internal

Hubungan antara kerja yang bermanfaat yang dilakukan oleh sudu dengan 1 kg uap pada tingkat atau di dalam turbin terhadap kerja teoritis yang tersedia adalah :

3. Efisiensi termal

Hubungan antara penurunan kalor adiabatik teoritis di dalam turbin dan kalor yang tersedia dari ketel adalah :

q h

h

h _t

t −

= −

0 1

η 0 .... ( literatur 1,hal 71 )

4. Efisiensi relatif efektif

Hubungan antara efisiensi mekanis dengan efisiensi internal turbin adalah :

i m re η .η0

η = ...( literatur 1,hal 72 ) Daya dalam turbin dapat dituliskan sebagai berikut :

Daya dalam turbin :

102

427 _{0 i}

i

h

N ×G ×

= (kW) ....( literatur 1,hal 71 )

Daya efektif yang dihasilkan pada turbin adalah :

i m

ef N

N =η _. ....( literatur 1,hal 72 )

Daya efektif turbin dapat juga diperoleh dari hubungan antara daya yang dibangkitkan pada terminal generator Ne dan effisiensi generator ηg, yaitu :

efektif e

g N

= N

η ... ( literatur 1,hal 72 )

BAB III

PENENTUAN SPESIFIK TURBIN 3.1. Pemilihan Jenis Turbin Uap

Turbin uap yang akan dirancang akan mempunyai daya nominal generator listrik 10 MW dan putaran 5700 rpm. Dengan mempertimbangkan kelebihan dan kekurangan setiap jenis turbin serta pertimbangan pada daya dan putaran yang akan dihasilkan, maka dalam perancangan ini dipilih jenis turbin impuls nekatingkat dengan derajat reaksi.

Turbin nekatingkat dengan tingkat tekanan banyak dipakai di bidang industri sebagai penggerak mula untuk generator listrik kapasitas menengah dan besar, disebabkan kemampuannya menghasilkan daya yang besar dibandingkan dengan turbin tingkat tunggal, distribusi penurunan kalor pada sejumlah tingkat tekanan akan memungkinkan mendapatkan kecepatan uap yang lebih rendah yang cenderung untuk menaikkan efisiensi turbin.

Dari tingkat kelima dibuat satu buah ekstraksi, yang sesuai untuk turbin uap dengan tekanan menengah, yang digunakan untuk memanaskan air pengisian ketel sehingga kerja ketel menjadi berkurang dan efisiensi siklus meningkat.

Dengan membuat analisa perhitungan penurunan kalor dan fraksi massa serta laju aliran massa untuk ekstraksi, akan dapat ditentukan daya akhir yang akan dihasilkan jenis turbin impuls nekatingkat .

3.2.Perhitungan Penurunan Kalor untuk Jenis Turbin Nekatingkat

Untuk membangkitkan energi listrik pada generator, dibutuhkan sejumlah uap pada kondisi tertentu untuk memutar turbin, kemudian turbin akan memutar poros generator.

Berdasarkan data-data survey, diperoleh kondisi-kondisi uap sebagai berikut:

 Tekanan uap masuk turbin (Po) = 42 Bar

 Temperatur uap masuk turbin (T_o) = 480 ^oC

 Tekanan uap keluar turbin (P2) = 0,1 Bar

3.2.1.Analisa Termodinamika Untuk Penurunan Kalor

Pada gambar diagram Mollier pada tekanan 42 bar dan suhu 480⁰ C titik A0, yang merupakan titik untuk menunjukkan kondisi uap kering, diperoleh :

ho = 811,33 kkal/kg,

kemudian melalui titik A0 ditarik garis adiabatik hingga mencapai tekanan 0,1 bar pada titik A1t.

Sehingga diperoleh : h1t = 530 kkal/kg

maka penurunan kalor :

Δh = 811,3 kkal/kg – 530 kkal/kg = 281,33 kkal.kg

Kerugian pada katup pengatur diambil 5% dari tekanan uap kering.

Penurunan tekanan pada katup pengatur : ∆P = 0,05 x P_o

= 0,05 x 42 bar = 2,1 bar

Sehingga tekanan sebelum masuk nosel adalah :

P_o' = P_o - ∆P

Po' = 42 bar – 2,1 bar = 39,9 bar

Dengan menarik garis A’0 sampai pada tekanan 0,1 bar (titik A’1t) diperoleh : h’1t = 531,70 kkal/kg. Sedangkan temperatur uap sesudah katup pengatur dicari dengan interpolasi, diperoleh temperatur uap sebesar 478,6⁰C.

Sehingga penurunan kalor teoritis akibat kerugian adalah : Δh’ = 811,33 kkal/kg – 531,70 kkal/kg = 279,63 kkal/kg.

hi

ho

h1t

h'1t

A'1t

A1t

Ao A'o

? h ? h'

A1

480°C 39,9 bar 42 bar

h (kj/kg)

s (entropi)

Gambar 3.1 Diagram Mollier untuk proses penurunan kalor pada turbin

3.2.2.Perhitungan Tekanan dan Temperatur Ekstraksi

Temperatur jenuh uap pada tekanan buang 0,1 bar dari tabel uap adalah ts = 45,81 ⁰ C. Diasumsikan bahwa effisiensi dalam turbin sebesar 0,820 sehingga penurunan kalor yang dimanfaatkan pada turbin adalah sebesar :

691 , 230 820 , 0 33 ,

0 281

0 = =

=h x x

hi η _i kkal/kg.

Dengan mengambil 1 tingkat ekstraksi untuk pemanasan air pengisian ketel (feed water) dan air pengisian ketel (feed water) dipanaskan pada derajat yang sama. Temperatur ekstraksi sebesar 235⁰C diperoleh dari data survey.

Untuk menentukan tekanan ekstraksi terlebih dahulu ditentukan temperatur jenuh uap, yang diperoleh dari persamaan : ts = teks + δt, dimana δt

merupakan perbedaan antara temperatur jenuh uap pemanas air pengisian ketel (dalam hal ini temperatur ekstraksi) dengan temperatur air pengisian ketel, yang biasanya diambil sebesar^[13,72] (5-7 )°. Dalam perencanaan ini diambil sebesar 6⁰. Sehingga temperatur jenuh uap pemanas adalah sebesar :

merupakan perbedaan antara temperatur jenuh uap pemanas air pengisian ketel (dalam hal ini temperatur ekstraksi) dengan temperatur air pengisian ketel, yang biasanya diambil sebesar^[13,72] (5-7 )°. Dalam perencanaan ini diambil sebesar 6⁰. Sehingga temperatur jenuh uap pemanas adalah sebesar :