Sejarah dan Struktur Organisasi PT Indonesia Power
III.1 Turbin Gas
III.1.1 Umum
Sebuah pusat listrik tenaga gas turbin terdiri dari beberapa bagian yaitu kompresor, ruang pembakaran, turbin gas, dan generator. Bagian – bagian tersebut kemudian terintegrasi dengan suatu sistem kerja yang secara garis besar digambarkan pada gambar berikut:
Udara luar masuk melalui turbin air inlet filter menuju kompresor, kemudian udara tersebut ditekan atau dimampatkan. Udara yang telah dimampatkan tersebut dialirkan ke dalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara tersebut sehingga terjadi proses pembakaran. Gas hasil pembakaran yang terbentuk kemudian dimasukkan ke dalam turbin sehingga akan menghasilkan gaya dorong untuk memutar turbin. Turbin akan berputar yang pada gilirannya menggerakkan kompresor kembali dan generator listrik sebagai daya yang dimanfaatkan lebih lanjut. Gas hasil pembakaran ini akan keluar ke luar dan berbaur dengan udara bebas melalui exhaust silencer.
Jenis kerja turbin seperti yang telah dijelaskan di atas, apabila dilihat dari aliran udaranya, menggunakan sistem terbuka. Keuntungan dari sistem terbuka gas turbin adalah:
1. Ruang bakar yang ringan
Ruang bakar berukuran kecil tetapi dapat menghasilkan temperature yang tinggi dibandingkan dengan turbin uap. Sistem awal pengapiannya mudah karena hanya membutuhkan penyulut untuk pertama kali dan pembakaran – pembakaran berikutnya akan berlangsung sendiri. Desain ruang bakarnya dapat digunakan untuk membakar habis semua bahan bakar hidrokarbon, baik berupa gas maupun minya diesel, hingga bahan bakar padat, walaupun jenis bahan bakar padat hampir sama sekali tidak digunakan.
2. Perputaran rotor dari turbin ataupun kompresor yang satu sumbu
Pergerakan atau perputaran dari rotor baik pada turbin maupun pada kompresor berada pada satu rotor yang sama sehingga gaya yang dihasilkan akan seimbang dan secara keseluruhan, getaran yang dihasilkan akan sangat kecil.
3. Waktu pemanasan
Dikarenakan penggunaan campuran antara bahan bakar maupun udara yang keduanya memiliki tekanan tinggi, waktu pemanasan pada awal starting turbin dapat dilakukan dalam waktu yang relatif lebih cepat.
Perawatan turbin gas lebih mudah dikarenakan bagian dari sistem yang berputar hanya sedikit dan oleh karena itu biayanya lebih murah. Selain itu, turbin gas membutuhkan oli pelumas yang lebih sedikit sehingga dapat menekan biaya operasional.
5. Sistem Pelumasan
Bagian yang perlu dilumasi terbatas pada bagian yang berputar yaitu kompresor, bearing turbin, dan pada gear unit.
6. Ringkas
Apabila dibandingkan dengan turbin uap, turbin gas lebih sederhana dan ringkas karena tidak memerlukan boiler dengan feed water evaporator dan condensing system.
Kerugian dari sistem terbuka turbin gas:
1. Daya guna yang rendah
Daya guna dari gas turbin secara umum rendah dikarenakan daya yang dihasilkan oleh turbin harus dibagi untuk menggerakkan kompresor udara dan generator listrik. Perbandingan dayanya kurang lebih 3:2:1
2. Kinerja keseluruhan sistem ditentukan oleh efisiensi dari tiap – tiap bagian 3. Kuantitas Udara
Turbin gas dengan sistem terbuka membutuhkan udara yang besar sebagai pasokan utama.
Turbin gas bekerja berdasarkan prinsip siklus tenaga gas Brayton atau Joule yang terdiri dari proses – proses berikut:
Gambar III-2 – Siklus Turbin Gas
Langkah 1 – 2 : Proses isentropic kompresi
Langkah 2 – 3 : Proses isobaric dengan penambahan energi Langkah 3 – 4 : Proses isentropic dekompresi
Langkah 4 – 1 : Proses isobaric dengan pelepasan energi
Layaknya mesin termodinamis lain, suhu pembakaran yang lebih tinggi akan menghasilkan tingkat efisensi yang lebih besar. Faktor yang membatasi adalah baja, nikel, keramik, ataupun material lainnya yang dapat mempertahankan mesin dari panas atau
tekanan. Selain itu, diusahakan pula agar kondisi dari turbin tetap dingin. Kebanyakan turbin juga mengusahakan pendayagunaan ulang panas yang terbuang, yang pada sistem terbuka akan terbuang sia – sia. Recuperator adalah tempat terjadinya pertukaran panas yang melewatkan panas yang terbuang untuk melakukan kompresi udara sebelum terjadinya pembakaran. Pada siklus kombinasi, panas yang terbuang dialirkan ke turbin uap, sementara pada kombinasi panas dan daya (co-generation) menggunakan panas yang terbuang untuk menghasilkan air panas.
Sebagai prinsip dasar, bahwa semakin kecil mesin, maka akan semakin tinggi pula kecepatan putaran yang dibutuhkan untuk mempertahankannya putaran maksimum.
Kecepatan puncak bilah turbin menentukan tekanan maksimum yang dapat diperoleh, yang kemudian menghasilkan daya maksimum yang dimungkinkan, tanpa bergantung dari ukuran mesin. Mesin jet beroperasi pada kecepatan 10.000 rpm, sementara mikro-turbin beroperasi pada kecepatan 100.000 rpm.
Untuk menghitung efisiensi thermal dari suatu turbin gas yang menggunakan sistem terbuka berlaku persamaan:
(persamaan 3-1)
(persamaan 3-2)
dimana = Energi yang ditambahkan pada keadaan 1-2
= Energi yang dibuang pada keadaan 1-4
= Perbandingan kompresi
k = Perbandingan panas spesifik (1,3 – 1,4 untuk udara)
Suatu turbin gas pada umumnya memiliki tingkat efisiensi yang rendah dikarenakan tingkat konsumsi bahan bakar yang tinggi sementara panas yang terbuang masih memiliki suhu yang tinggi.
Fungsi dari kompresor adalah untuk menaikkan tekanan udara. Kompresor yang biasa dipergunakan adalah kompresor aksial dikarenakan tingkat efisiensi yang lebih tinggi yang dimiliki oleh kompresor aksial bila dibandingkan dengan kompresor sentrifugal, walaupun bobotnya lebih berat. Pada kompresor ini, udara mengalir secara aksial mulai inlet sampai outlet kompresor, seperti layaknya udara mengalir pada sebuah pipa, hanya saja pada kompresor, karena memiliki beberapa tingkat penekanan udara, maka udara yang mengalir makin ke dalam kompresor makin tinggi tekanannya.
Arah aliran udara ketika melalui kompresor aksial seperti ketika sedang melalui pipa, yaitu mendatar seperti yang ditunjukkan oleh gambar. Setiap turbin memiliki tingkatan aliran yang berbeda, bergantung dari jenis dan spesifikasi turbin. Tinggi kenaikan tekanan udara pada kompresor dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
(persamaan 3-3)
dimana H = kolom udara (meter)
g = gravitasi
= 9,81 m/s2
III.1.3 Ruang Bakar
Ruang bakar terdiri dari selubung luar dan suatu tabung silindris yang di bagian dalamnya dilengkapi dengan pembakar dan dikelilingi oleh beberapa penyemprot bahan bakar (nozzle) yang jumlahnya bergantung kepada jenis turbin.
Sebagian udara dari kompresor dialirkan di luar ruang bakar, dengan maksud supaya berfungsi sebagai pendingin ruang bakar. Udara ini kemudian mengalir masuk ke dalam melalui bagian yang terbuka, untuk mendapatkankan pencampuran yang baik dan pembagian temperatur yang merata di seluruh bagian di luar ruang bakar.
Ruang bakar yang baik memenuhi beberapa persyaratan berikut: Tekanan yang hilang kecil
Efisiensi pembakaran tinggi Kestabilan pengapian yang baik Ringan
Daya tahan yang baik Endapan karbon rendah
Pada suatu ruang bakar, luas penampang yang dibutuhkan dapat dihitung melalui persamaan:
(persamaan 3-4)
kecepatan udara di daerah pembakaran mulai c = 25 m/s hingga 30 m/s, bila c berada di bawah nilai tersebut maka akan terjadi penyebaran api ke arah kompresor, sementara bila c berada di atas nilai tersebut maka api akan mengarah ke saluran di luar ruang bakar.
Hal ini akan mengakibatkan kenaikan temperatur di bagian masuk turbin semakin tinggi, juga akan memadamkan api di ruang bakar dan menyebabkan timbulnya thermal stress, yang diakibatkan distribusi temperatur yang tidak merata di bagian sebelum turbin.
III.1.4 Turbin Gas
Konstruksi utama dari turbin gas seperti yang terlihat pada gambar terdiri dari kompresor dan turbin yang berada pada rotor yang sama (single shaft) yang ditumpu oleh konstruksi baja.
Sistem sudu – sudu turbin gas terdiri dari sudu pengarah yang ditempatkan di dalam rumah turbin atau penyangga sudu penyerah dan sudu jalan.
Gambar III-4 – Turbin Gas dengan Sistem Terbuka dan Satu Shaft
Untuk memutar kompresor, kecepatan turbin gas dibuat lebih tinggi, supaya diameternya bisa dibuat lebih kecil dan sudu – sudunya bisa dibuat lebih panjang.
Daya yang dihasilkan turbin dapat diperhitungkan dengan menggunakan persamaan:
(persamaan 3-5)
di mana: PT = daya yang dihasilkan turbin keseluruhan (kW)
PV = daya yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor (kW)
PN = daya efektif yang keluar untuk memutar mesin (kW)
Biasanya daya efektif pada turbin gas sudah diketahui karena ukuran turbin gas ditentukan oleh daya yang berguna. Daya yang dihasilkan turbin gas harus dibagi sebagian untuk menggerakkan kompresor udara dan sebagian lagi untuk menggerakkan generator listrik.
Instalasi turbin gas yang bersifat tetap tidak mengalami pemindah – mindahan, seperti pada instalasi yang dipakai untuk memutar generator dan untuk menggerakkan kompresor. Oleh karena itu, turbin harus dapat bekerja dalam jangka waktu yang panjang. Untuk
mendapatkan durasi masa pakai yang lebih lama, maka dalam pemakaiannya turbin haruslah memikul beban yang tinggi agar efisiensi yang didapat semakin besar.
Dengan semakin tingginya operasi turbin gas, maka kekuatan logam bahan instalasi turbinpun akan turun. Sifat material yang disebut sebagai kekuatan rangkak, yang kemudian menjadi salah satu faktor penentu dalam pemilihan logam untuk instalasi turbin gas.
Untuk turbin gas dengan proses sistem terbuka hanya dapat menggunakan bahan bakar cair atau gas karena hasil proses bahan bakarnya harus bebas dari sisa bahan bakar (abu) yang keras dan terutama tidak menimbulkan korosi akibat suatu peristiwa kimia. Sebagai langkah pencegahan, penggunaan bahan bakar padat sangat dihindari.
Pembangkit listrik ini tidak dapat dengan sendirinya melakukan start pada saat pertama kali akan dijalankan. Ada beberapa sistem start yang dapat digunakan yaitu dengan pneumatic start, electrohydraulic start, dan turbohydraulic start. Ketiga cara tersebut menggunakan motor starter untuk menghasilkan gerakan mekanis (rotasional) pertama yang dibutuhkan untuk menjalankan turbin. Selain cara tersebut, terdapat pula cara lain dengan memanfaatkan karakteristrik elektronika daya, yaitu melalui penggunaan Static Frequency Converter (SFC).
III.1.6 Sistem Kebutuhan Udara
Supaya umur hidup turbin gas yang biasa dipakai pada industri dapat diperpanjang, maka turbin gas haruslah bekerja dengan temperatur rata – rata sebesar 950o K. Untuk mendinginkan sudu – sudu di setiap tingkat pada turbin, dialirkan udara dari kompresor. Udara pendingin mengalir di sekeliling dinding sudu dan akhirnya keluar melalui lubang – lubang kecil yang terdapat pada bagian sudu dan selanjutnya udara akan bercampur dengan gas yang bekerja di dalam turbin. Fungsi utama dari sistem udara pada turbin gas adalah membantu proses pembakaran. Tetapi selain itu, sistem udara juga dimanfaatkan untuk:
1. Memberikan tekanan pada oil seals
2. Pendinginan rotor turbin pada Turbin Cooling Air System
3. Membantu pengaturan udara untuk mengoperasikan sistem kontrol bahan bakar 4. Mencegah surge condition pada saat kecepatan turbin belum stabil, terutama pada saat
start.
Sistem minyak pelumasan mensirkulasikan minyak pelumas bertekanan rendah ke beberapa bagian dari turbin dan reduction drive gears yang memiliki fungsi selain sebagai pelumasan tetapi juga sebagai media pendingin.
III.1.8 Sistem Bahan Bakar
Fungsi utama dari sistem bahan bakar adalah untuk mengontrol besarnya laju aliran bahan bakar dengan mengontorl tekanan masuknya. Tujuan yang ingin didapat yaitu tubrin generator dapat berjalan dan berfungsi dengan baik, kecepatannya maksimum dan pada kecepatan rata – rata dapat diperoleh tegangan yang stabil, mencegah over-temperatur selama start-up dan operasi, serta menghasilkan frekuensi tegangan AC yang baik walaupun beban yang ada berubah – ubah.
Bahan Bakar Cair
Minyak bakar asalnya dari minyak bumi dan minyak bumi ini mengandung campuran zat hidrokarbon. Minyak bakar berat dan sedang adalah yang pertama kali
dipergunakan pada turbin gas di industri. Minyak ini mengandung aspal dan bitumen yang akan menyebabkan terbentuknya suatu endapan yang sukar terbakar di ruang bakar dan pada sudu – sudu turbin. Sisa – sisa pembakaran yang didapat dari pembakaran minyak bakar berat mempunyai bahan – bahan campuran yang untuk meleburkannya dibutuhkan suhu yang tinggi. Berdasarkan kenyataan ini, maka pemakaian minyak bakar berat dibatasi penggunaannya.
Bahan bakar untuk diesel cocok untuk turbin gas. Selain itu, dapat pula digunakan minyak kasar yang diambil langsung dari ladang minyak karena sebagian besar dari bagian – bagian tersebut mudah menguap.
Bahan bakar yang berbentuk gas yang umum digunakan untuk turbin gas adalah gas bumi, karena merupakan bahan bakar ideal dan terbaik. Hal ini disebabkan rendahnya radiasi yang dihasilkan serta proses pembakaran yang lebih mudah dan bersih.