Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam

(1)

Tangkas Mario Heli : Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit Dengan Kapasitas Olah 30 Ton Tbs/Jam, 2009.

RANCANGAN TURBIN UAP PENGGERAK GENERATOR

LISTRIK PADA PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN

KAPASITAS OLAH 30 TON TBS/JAM

KARYA AKHIR

Karya akhir yang diajukan untuk melengkapi Syarat memperoleh gelar Sarjana Sain Terapan

OLEH:

TANGKAS MARIO HELI 035202030

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang memberikan berkat

dan rahmatNya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Sarjana yang

merupakan syarat dalam menyelesaikan masa studi di Departemen Teknik Mesin

Jurusan Teknolgi Mekanik Industri Universitas Sumatera Utara.

Adapun dalam Tugas Sarjana ini, Penulis mengambil topik Turbin Uap

yaitu Rancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik Pada Pabrik Kelapa

Sawit (PKS) dengan kapasitas olah 30 Ton TBS/jam.

Dengan segala upaya dan kemampuan yang terbatas, penulis berhasil

menyelesaikan Karya Akhir dan dengan kerendahan hati menyajikan pada

pembaca dengan harapan bias bermamfaat.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada semua

pihak yang telah membantu dalam Penyelesaian Karya Akhir ini. Secara khusus

Penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Ayahanda dan Ibunda tercinta yang tetap membimbing, memberi nasehat,

memotivasi dan mendukung saya, baik dari segi materi, moril dan doa

sejak masa perkuliahan sampai penyelesaian tugas sarjana ini.

2. Bapak Ir. Isril Amir sebagai dosen pembimbing yang telah banyak

meluangkan waktu serta menyumbangkan ilmu dan memberikan arahan

yang sepenuhnya dari awal hingga selesainya tugas Sarjana ini .

3. Bapak Dr.Ing Ikhwansyah Isranuri Sebagai Ketua Departemen Teknik

Mesin FT. USU

4. Bapak Tulus Burhanudin, ST,MT sebagai seketaris Departemen Teknik

Mesin FT-USU

4. Seluruh dosen Departemen Teknik Mesin FT- USU yang telah

memberikan bekal ilmu pengetahuan kepada penulis selama perkuliahan.

5. Ketiga adik tercinta saya, Merry Veronica, Mega Wati, Trisno yang juga

memberikan dukungan dan doa kepada penulis.

6. Rekan- rekan mahasiswa Teknolgi mekanik Industri angkata 2003 yang

(3)

Penulis menyadari bahwa Karya Akhir ini masih banyak kekurangan dan

kesilapan, karena itu penulis mengharapkan masukan dan kritikan untuk

perbaikan selanjutnya.

Kiranya Tugas Sarjana ini dapat bermamfaat bagi kita semua, khususnya

bagi maha siswa Teknologi mekanik Industri Fakultas Teknik Universitas

Sumatera Utara. Terima kasih.

Medan , Maret 2009

Penulis

Tangkas Mario Heli

(4)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR………i

DAFTAR ISI...iii

SPESIFIKASI TUGAS……….vi

DAFTAR GAMBAR...vii

DAFTAR TABEL……….ix

DAFTAR SIMBOL………....x

BAB I PENDAHULUAN………..1

1.1Latar Belakang………...1

1.2 Tujuan Perencanaan………..2

1.3 Metologi Penulisan………...2

1.4 Batasan Masalah………...2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA……….3

2.1 Tinjauan Umum……….3

2.2 Analisis Termodinamika………3

2.3 Klasifikasi Turbin Uap………...6

2.3.1 Turbin De Laval………8

2.3.2 Turbin Kurtis………...10

2.3.3 Turbin Zoelly/ Rateau……….12

2.3.4 Turbin Parson………..13

2.4 Pemilihan Jenis Turbin……….14

2.5 Prinsip dan Sistem Kerja Turbin Kurtis………...………16

2.6 Kerugian- Kerugian Kalor Pada Turbin Uap………...21

2.6.1 Kerugian – kerugian dalam (Internal Loses)…………...21

2.6.2 Kerugian –kerugian luar (External Loses)………..27

2.7 Efesiensi Pada Turbin………..27

BAB III PENETAPAN SPESIFIKASI……….29

(5)

3.2 Dasar Perencanaan………...34

3.3 Penentuan Putaran Turbin………34

3.4 Perhitungan Termodinamika………35

3.5 Efesiensi Turbin………...37

3.6 Menentukan Masa Aliran Uap……….38

3.7 Segitiga Kecepatan………...38

3.8 Kerugian – kerugian kalor pada turbin……….43

3.9 Daya Turbin Uap………..47

3.10 Spesifikasi Teknik Turbin Uap………..47

BAB IV PERHITUNGAN UKURAN UTAMA TURBIN………..48

4.1 Perhitungan Ukuran Poros………...48

4.2 Perhitungtan Ukuran Nosel………..50

4.2.1 Nosel Konvergen……….50

4.2.2 Nosel Konvergen-Divergen………50

4.3 Perhitungan Tinggi Sudu Gerak Dan Sudu Pengarah………..53

4.3.1 Sudu - Sudu Gerak Baris Pertama………..53

4.3.2 Sudu-Sudu Pengarah………...54

4.3.3 Sudu- Sudu Gerak Baris Kedua………..54

4.4 Perhitungan Sudu Gerak Dan Sudu Pengarah………..55

4.4.1 Lebar Sudu-Sudu Gerak Baris Pertama Dan Kedua...…55

4.4.2 Jarak Antara Masing-Masing Sudu……….55

4.4.3 Jumlah Sudu………....55

4.4.4.1 Kekuatan Sudu………56

4.5 Perhitungan Cakram………58

4.6 Rumah Turbin………..63

4.7 Roda Gigi……….64

4.8 Putaran Kritis………...68

4.9 Bantalan Dan Pelumasan………..73

BAB V SISTEM PENGATURAN TURBIN………...77

5.1 Pengaturan Putaran Turbin………..….77

(6)

5.3 Analisa Pengatur Sentrifugal………79

5.4 Sistem Pengaturan Tidak Langsung……….82

5.5 Cara Kerja Governor………83

BAB VI KESIMPULAN……….85 DAFTAR PUSTAKA

(7)

(8)

(9)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1 Kebutuhan daya listrik pada pabrik kelapa sawit………..33

Tabel 3.2 Besaran –besaran dari komponen-komponen kecepatan uap…………41

Tabel 3.3 Besaran Nilai-nilai η_u,N_geadanη_oiuntuk beberapa nilai

   

i

c u

……….42

Tabel 4.1 Momen perlawanan terkecil sudu relative terhadap sumbu y-y…...….57

(10)

DAFTAR SIMBOL

Notasi Arti Satuan

1

d Lebar nosel pada sisi keluar mm

min

d Lebar nosel pada bagian leher mm

b Lebar sudut mm

1

c Kecepatan uap actual pada sisi keluar nosel m/s

t

c₁ Kecepatan uap teoritis pada sisi keluar nosel m/s

2

c Kecepatan uap mutlak keluar sudut gerak baris kedua m/s

, 1

c Kecepatan uap mutlak masuk sudut gerak baris pertama m/s

, 2

c Kecepatan uap mutlak masuk sudut gerak baris kedua m/s

kr

c Kecepatan kritis m/s

d Diameter roda cakra diukur pada diameter rata-rata sudut mm

D Diameter dalam silinder mm

p

d Diameter poros mm

o

f Luas penampang sudut paling lemah mm²

maks

f Luas penampang sisi keluar nosel mm²

min

f Luas penampang leher nosel mm²

kebocoran

G Kebocoran uap melalui perapat labirin kg/s

o

G Aliran massa aliran uap melalui turbin kg/s

C Kapasitas termal rata-rata minyak pelumas kkal/kgºC

,

b

h Kerugian kalor pada sudut gerak baris pertama kkal/kg

, ,

b

h Kerugian kalor pada sudut gerak baris kedua kkal/kg

c

h Kerugian kalor akibat kecepatan keluar kkal/kg

gb

h Kerugian kalor pada suhu keluar kkal/kg

gea

h Kerugian kalor akibat gesekan pelek cakram kkal/kg

n

h Kerugian kalor pada nosel kkal/kg

o

H Penurunan kalor teoritis kkal/kg

,

o

(11)

H Penurunan kalor aktual pada turbin kkal/kg

i Perbandingan transmisi -

o

i Kandungan kalor uap pada sisi masuk turbin kkal/kg

it

i Kandungan kalor uap keluar ideal turbin kkal/kg

I momen inersia mm4

1 Tinggi sisi masuk sudu gerak baris kedua mm

, , 2

1 Tinggi sisi keluar sudu gerak baris kedua mm

,

gb

l Tinggi sisi masuk sudu pengarah mm

, ,

gb

l Tinggi sisi keluar sudu pengarah mm

M Modul roda gigi mm

P Gaya akibat perbedaan tekanan uap masuk dan keluar kg

,

a

P Gaya akibat momentum yang mengalir kg

kr

Qr Kalor yang timbul pada bantalan kkal/kg

R1 Jari-jari kelengkungan sudu gerak baris pertama mm

R2 Jari-jari kelengkungan sudu gerak baris kedua mm

(12)

r_s Jari-jari rata-rata plat penguat sudu mm

r1 jari-jari hub mm

r2 Jari-jari cakram mm

p

t Jarak bagi sudu pengarah mm

1

t Jarak bagi sudu gerak baris pertama mm

2

t Jarak bagi sudu gerak baris kedua mm

u Kecepatan tangensial sudu m/s

y

W Momen perlawanan terkecil sudu mm³

1

w Kecepatan uap relatif masuk sudu gerak baris pertama m/s

2

w Kecepatan uap relatif keluar sudu gerak baris pertama m/s

, 1

w Kecepatan uap relatif masuk sudu gerak baris kedua m/s

, 2

w Kecepatan uap relatif keluar sudu gerak baris kedua m/s

1

z Jumlah sudu gerak baris pertama -

2

z Jumlah sudu gerak baris kedua -

p

(13)

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi merupakan unsur yang sangat penting dalam usaha meningkatkan

taraf hidup masyarakat. Sejalan dengan meningkatkan taraf hidup serta kuantitas

dari masyarakat, kebutuhan terhadap energi semakin meningkat. Sekarang ini,

kosumsi energi kelihatannya berhubungan langsung dengan tingkat kehidupan

penduduk serta derajat industrilisasi suatu Negara. Salah satu bentuk energi yang

paling banyak digunakan manusia dalam kehidupan sehari-hari adalah energi

listrik, sebab energi ini dapat dengan mudah dan efesien dikoversikan menjadi

bentuk energi yang lain.

Energi listrik dapat dihasikan dengan menggunakan mesin-mesin konversi

energi, yang salah satu jenisnya adalah turbin uap. Turbin uap termasuk dalam

kelompok pesawat-pesawat konversi energi potensial uap menjadi energi mekanik

pada poros turbin. Sebelum dikonversikan menjadi energi mekanik terlebih

dahulu dikonversikan menjadi energi kinetic dalam nozel ( pada turbin impuls)

atau pada dalam nozel dan sudu –sudu gerak (pada turbin reaksi). Poros turbin,

langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme

yang digerakkan. Tergantung dengan mekanisme yang digerakkan, turbin uap

dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk trasportasi , dan untuk

pembangkit tenaga listrik.

Adapun turbin uap ini sering digunakan karena uap air yang merupakan fluida

kerja dapat dihasilkan dengan bahan bakar yang bervariasi, sebagai contoh pada

pabrik kelapa sawit, bahan bakar yang digunakan pada ketel uapnya untuk

membangkitkan uap merupakan sisa dari pengolahan kelapa sawit tersebut

merupakan cangkang dan serabut terutama sekali digunakan untuk proses

pengolahan. Namun sebelum dimamfaatkan untuk proses, terlebih dahulu telah

dimamfaaatkan untuk memutar turbin uap.

Turbin uap pada kelapa sawit biasanya dikopel dengan sebuah generator

(14)

dihasilkan pada generator digunakan untuk menggerakkan berbagai peralatan

yang ada dalam proses pengolahan kelapa sawit di pabrik tersebut.

1.2 Tujuan Perencanaan.

Perencanaan ini dimaksud untuk merencanakan sebuah turbin uap

penggerak generator listrik untuk sebuah unit tenaga listrik pada sebuah pabrik

pengolahan kelapa sawit yang mempunyai kapasitas 30 ton TBS/jam .

perencanaan ini didasarkan pada data spesifikasi yang diperoleh dari survey

lapangan dan besaran-besaran atau koefesien –koefesien yang dibutuhkan dalam

perencanaan turbin uap maupun perhitungan ukuran-ukuran utama turbin maupun

perhitungan ukuran- ukuran utama turbin yang tidak terdapat dalam spesifikasi

teknik diambil dari referensi dan literature yang ada.

1.3 Metodologi Penulisan

Metodologi yang digunakan dalam penulisan Karya Akhir ini adalah

sebagai berikut :

Survey lapangan ke pabrik pengolahan kelapa sawit di PTP. Nusantara IV Bah

Jambi Kabupaten Simalungun.

Study literature , berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan

yang terkait dengan perencanaan ini.

Diskusi , berupa Tanya jawab dengan dosen pembimbing yang telah ditunjukkan

oleh Departemen Teknik Mesin ,selama penyusunan tugas sarjana.

1.4 Batasan Masalah

Dalam perencanaan ini akan dibahas tentang turbin uap penggerak

generator untuk dipakai pada pabrik kelapa sawit dengan kapasitas 30 ton TBS/

jam. Pemilihan jenis turbin , jumlah tingkat kecepatan turbin, dan dimensi lainnya

ditentukan berdasarkan besarnya daya turbin, masa aliran uap turbin, putaran

(15)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Umum

Turbin uap termasuk mesin-mesin konversi energi yang mengubah energi

potensial uap menjadi energi kinetis pada nozel dan selanjutnya diubah menjadi

energi mekanis pada sudu-sudu turbin yang dipasang pada poros turbin. Energi

mekanis yang dihasilkan dalam bentuk putaran poros turbin dapat secara langsung

atau dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang

digerakkan. Untuk menghasilkan energi listrik, mekanisme yang digerakkan

adalah porosw generator.

Jika dibandingkan dengan penggerak dengan tenaga listrik lain seperti

diesel , turbin memiliki kelebihan antara lain :

• Penggunaan panas yang lebih baik.

• Pengontrolan putaran yang lebih mudah .

• Tidak menghasilkan loncatan bunga api listrik.

• Tidak terpengaruh lingkungan sekeliling yang panas.

• Uap bekasnya dapat digunakan kembali atau untuk proses

2.2 Analisis Termodinamika

Siklus Rankine adalah siklus teoritis yang mendasari siklus kerja dari

suatu pembangkit daya uap. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara

ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada

saat evaporasi dan kondensasi, oleh karena itu fluida kerja untuk siklus Rankine

harus merupakan uap yang terdiri dari dua jenis siklus yaitu:

1.Siklus terbuka, dimana sisa uap dari turbin langsung dipakai untuk

(16)

2.Sikus tertutub, dimana uap bekas dari turbin dimamfaatkan lagi dengan cara

mendinginkannya pada kondesor, kemudian dialirkan kembali kepompa dan

seterusnya sehinga merupakan siklus tertutub.

Menurut pembentukannya ada dua jenis uap , yaitu :

1. uap air (kabut air) yaitu uap yang berbentuk diatas permukan air , sebagai

akibat penurunan tekan diatas permukaan air sampai tekan penguapan yang

sesuai dengan temperature permukaan air tersebut.

2. Uap air ( uap didih), adalah uap yang terbentuk akibat pendidihan air. Air akan

mendidih bila tekanan dan temperature berada pada kondisisi didih, yaitu pada

tekanan dan temperature didih. Pada peristiwa mendidih, maka pembentukkan

uap terjadi pada seluruh bagian fluida , kadar uap naik dari 0 s/d 1. uap yang

terbentuik pada tekanan dan temperature didih disebut uap jenuh (saturated

steam). Apabila uap jenuh dipanaskan pada tekanan tetab , maka uap akan

menerima panas lanjut (temperature naik), uap yang demikian disebut uap

panas lanjut ( superheated steam).

Gambar 2.1 siklus Rankine Sederhana BOILER

P

KONDENSER TURBIN

V

W turbin

1 2

3

4

W pompa q in

(17)

Untuk mempermudah penganalisaan termodinamika siklus ini, proses diatas

dapat disederhanakan dapat disederhanakan dalam diagram berikut :

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 terdiri dari beberapa proses sebagai berikut :

1 2 : proses pemompaan isentropik ; didalam pompa

2 3 : proses pemasukan kalor atau pemanasan pada tekanan konstan dalam ketel

uap

3 4 : proses ekspansi isentropik ; didalam turbin

4 1 : proses pengeluaran kalor pada tekanan konstan

Maka analisa pada masing-masing proses pada siklus untuk tiap satu satuan massa

dapat ditulis sebagai berikut:

1. Kerja Pompa (Wp) =h2−h1 =v(p2−p1)……...……….……… ..(2.1)

2. Penambahan kalor pada ketel (Qin)=h3−h2

(18)

4. Kalor dilepaskan dalam Kondensor (Q_out)=h₄ −h₁

5.Efesiensi termal siklus :

2

2.3 Klasifikasi Turbin Uap

Turbin uap dibagi mejadi bermacam –macam jenis menurut kontruksinya,

proses panas jatuhnya, kondisi awal dan akhir yang dipakai dan pemakain dalam

industri.

Menurut jumlah tingkat tekanan :

• Turbin uap tingkat tekanan tunggal atau beberapa tingkat tekanan kecepatan, pada umumnya digunakan untuk menggerakkan kompresor

• Turbin impuls dan tingkat banyak, dibuat untuk kapasitas dari tenaga kecil sampai yang besar.

Menurut arah aliran uapnya :

• Turbin aksial dimana uap mengalir pada arah sejajar dari sumbu turbin.

• Turbin radial dimana uap mengalir pada arah tegak lurus dari arah sudu turbin.

Menurut jumlah silinder :

• Turbin silinder tunggal.

• Turbin silinder ganda

• Turbin silinder tiga

(19)

Menurut kontruksi porosnya :

• Turbin as tunggal ( turbin multi silinder) yang rotornya dipasang pada satu poros yang sama dan dihubungkan kegenerator tunggal.

• Turbin multi aksial, turbin dengan as rotor yang dipisah untuk tiap- tiap silinder yang ditempatkan sejajar satu dengan yang lain.

Menurut metode pengaturan:

• Turbin dengan pengaturan pencekikan (throttling) dimana uap segar masuk melalui satu atau lebih ( tergantung daya yang dihasilkan) katub

pencekik yang dioperasikan serempak.

• Turbin dengan pengaturan nozel ( pemancar ) dimana uap masuk melalui dua atau lebih pengatur pembuka ( opening regulator) yang berurutan.

• Turbin dengan pengaturan langkau ( by-pass governing) dimana uap selain di alirkan ketingkat pertama juga langsung dialirkan kesatu , dua atau

bahkan tiga tingkat menegah turbin tersebut.

Menurut prinsip kerja uap

• Turbin impuls ( turbin aksi) dimana energi pontensial uap diubah menjadi energi kinetic didalam nozel ( pipa pemancar).

• Turbin reaksi aksial , dimana ekspansi uap antara sudu-sudu antar dan sudu-sudu gerak pada tiap tingkat terjadi pada luas yang sama.

• Turbin reaksi radial dengan/ tanpa sudu-sudu pengarah yang diam. Menurut pemakaian uap bekasnya

• Turbin kondensasi regulator , pada turbin uap pada tekanan yang lebih kecil dimasukkan kekondensor.

• Turbin kondensasi dengan satu atau dua penarikan tingkat dari tengah pada tekanan tertentu untuk proses dan pemanasan dalam industri.

• Turbin tekanan belakang, uap bekas dipakai untuk tujuan pemanasan dalam industri.

• Topping turbin, uap bekas dipakai untuk menggerakkan turbin

(20)

• Turbin Tekanan rendah dimana uap bekas dari mesin uap torak , mesin tempa , mesin press dipakai untuk turbin tersebut guna membakitkan

tenaga.

Menurut besarnya tekanan uap masuk

• Turbin tekanan rendah memakai uap pada tekanan 1,2 ÷ 2 atm

• Turbin tekanan sedang ( medium) memakai uap pada tekanan sampai 40 atm

• Turbin tekanan sedang ( medium) memakai uap pada tekanan sampai dengan lebih dari 40 atm.

• Turbin tekanan sangat tinggi dengan uap bertekanan 170 atm dan temperature 550 ˚C atau lebih

• Turbin tekanan super kritis pada tekanan lebih dari 225 atm. Menurut pemakaian dalam industri

• Turbin tetap dengan putaran konstan terutama untuk menggerakkan altenator.

• Turbin uap dengan kecepatan variabel untuk menggerakkan turbo blower, sikulator udara, pompa dan lain-lain.

• Turbin non stasionery ( tidak tetap) dengan kecepatan variabel, dipakai untuk mesin uap , kapal dan lokomotif.

2.3.1 Turbin De Laval

Turbin uap De-Laval adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip

impuls aksi dengan aliran aksial, satu tingkat tekanan dan satu tingkat kecepatan.

Turbin uap ini memiliki satu susunan sudu gerak sehingga seluruh droping energi

(energi jatuh) potensial uap akan dikonversikan oleh sudu-sudu gerak. Putaran

yang dihasilkan turbin uap ini sangat besar dan daya yang dihasilkan maksimum

1.500 kW, sehingga turbin ini biasanya digunakan untuk kapasitas generator yang

kecil.

Keuntungan turbin uap ini adalah konstruksinya yang sederhana sehingga

ongkos pembuatannya murah serta perakitannya pun mudah. Kerugian utama dari

(21)

putarannya yang terlalu tinggi sehingga memerlukan transmisi roda gigi untuk

mendapatkan putaran yang dibutuhkan untuk menggerakkan generator listrik.

Pada turbin de laval konversi energi pontensial ke energi kinetik terjadi pada

tabung pancar ekspansi , dengan kata lain bahwa dalam tabung pancar ekspansi

terjadi dropping (kehilangan) energi panas sebesar ekspansi uap masuk dikurangi

entalpi uap bekas dan bersamaan dengan itu terjadi kenaikan energi kinetik

sebesar setengah masa uap masa uap masuk dikalikan dengan kuadarat dari

kenaikan kecepatan uap memasuki tabung pancar ekspansi. Dari pertukaran energi

ini akan diperoleh besarnya kecepatan uap masuk sebenarnya (actual) tergantung

dari kualitas dari tabung pancar ekspansi.

Fenomena turbin de laval, yang disebut juga turbin impuls dengan roda gerak

tunggal (single dics impuls turbin), menyebabkan turbin tidak dapat bersaing

dengan mesin uap torak (reciprocating stean engine) ciptaan james watt pada

tahun 1769 M karena turbin de laval bekerja dengan uap kering bertekanan tinggi

, kerugian friksi besar sehingga efesiensi mekanik rendah.

Keterangan gambar :

1. Poros 2. Cakram 3. Sudu gerak 4. Nozel 5. Stator 6. Pipa buang

Gambar 2.3 Turbin De Laval

Dengan pertimbangan tersebut diatas maka turbin de laval sulit diterapkan

karena tidak praktis secara ekonomis. Turbin de laval biasanya menggunakan 4

(22)

terpisah untuk dapat mengatur kosumsi uap untuk turbin. Oleh sebab itu

sudu-sudu gerak (row of moving blades) hanya sebagian saja yang dikenai uap yang

keluar dari tabung pemancar ekspansi (tidak serentak untuk seluruh sudu-sudu

gerak), cara ini disebut pelumasan sebagian (partial admision).

Dalam tabung pancar ekspansi terjadi ekspansi uap dari tekanan uap

masuk ketel sampai ketekanan luar turbin , jadi terdapat satu jenjang (tingkat)

tekanan , oleh sebab itu maka turbin de laval disebut juga turbin impuls bertingkat

tekanan tunggal ( single stage pressure impuls turbine).

Bersamaan dengan terjadinya proses ekspansi uap , maka terjadi

kehilangan energi panas (droping energi pontensial ) uap (∆H) kkal/kg/detik.

Ekspansi dibarengi dengan kenaikan kecepatan uap sampai mencapai C m/detik ₁

yang sangat tinggi seperti yang diuraikan diatas. Dalam roda gerak (rotor) atau rai

sudu-sudu gerak terjadi kehilangan energi kinetik , karena terjadinya penurunan

kecepatan yang demikian tinggi. Jadi dalam rai sudu-sudu gerak terjadi pula

sebuah jenjang (tingkat) kecepatan , maka turbin ini disebut juga sebagai turbin

dengan satu tingkat kecepatan.

Kesimpulannya bahwa turbin De Laval dinamakan juga turbin impuls bertingkat

tekanan dan kecepatan tunggal (single stage pressure –velocity impuls turbine ).

2.3.2 Turbin Curtis

Turbin uap Curtis adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip impuls

aksi dengan aliran aksial, sistem tingkat tekanan tunggal dan lebih dari satu

tingkat kecepatan. Turbin uap ini memiliki putaran yang lebih rendah dari turbin

uap De-Laval dan daya yang dihasilkan dapat mencapai 4.000 kW, sehingga

turbin uap ini dapat dipakai untuk kapasitas generator yang sedang.

Dalam turbin uap Curtis ini, uap hanya diekspansikan pada nozel (sudu tetap yang

pertama) dan selanjutnya tekanan konstan sedangkan dalam baris sudu gerak tidak

terjadi ekspansi.

Meskipun demikian, dalam kenyataannya penurunan tekanan yang kecil di

(23)

turbulen dan kerugian lainnya. Keunggulan jenis turbin uap ini adalah

konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan namun efisiensinya rendah.

Keterangan gambar :

1. Poros 2. Cakram 3. Baris pertama sudu gerak

4. Nozel 5. Stator 6. Baris kedua sudu gerak

7. Sudu pengarah.

Gambar 2.4 Turbin Curtis

Pada turbin ini tingkat kecepatanlah yang dibagi dalam beberapa tingkat

sedangkan tingkat tekanannya adalah tetap satu, maka turbin curtis boleh

dianggap sebagai turbin de laval dengan beberapa tingkat kecepatan.

Dalam prinsipnya maka turbin curtis mengambil keuntungan sebanyak

mungkin dari tenaga gerak uap dari ekspansi uap dari ekspansi sekelilingnya.

Apabila dalam turbin zoelly, bentuk sudu adala semua sama maka dalam turbin

curtis tidak demikian , bentuk sudu makin lama makin berkurang kecekungannya.

Keburukan dari turbin curtis antara lain adalah :

• Tidak ekonomis bila dipakai pada daya yang besar

• Gesekan antara uap dengan dinding sudu besar

• Tidak dapat dibuat sudu yang besar

Mengingat hal itu semua maka turbin curtis hanya dibuat paling banyak

(24)

Pada turbin curtis yang kecil untuk mengalirkan uap masuk dapat

dipergunakan beberapa tabung pancar , jika tenaganya agak besar dan jumlah uap

harus dialirkan masukan demikian pula , lebih baik digunakan tembereng tabung

pemancar. Disini dibagian bawah atau dalam tubuh rumah turbin terdapat sebuah

lubang yang beredar membentang sepanjang sebagian kelilingnya. Didepan

lubang tembereng ini dipasang flens dan sejumlah besar baut. Didalam saluran

tembereng ini dipaang dinding –dinding kecil yang melengkung sehingga disini

timbul enam buah lubang tabung pancar yang letaknya bersebelahan dan

berpenampang persegi panjang.

Badan tembereng dibuat dari perunggu atau besi tuang, sebaliknya dinding

terbuat dari baja nikel , sebab baja nikel memiliki titik lembur yang yang jauh

lebih tinggi dari logam tembereng itu sendiri.

2.3.3 Turbin Zoelly /Rateau

Turbin uap Zoelly/Rateau bekerja dengan prinsip impuls aksi dengan

sistem tekanan bertingkat. Tekanan uap turun secara bertahap di dalam baris sudu

tetap saja, sedangkan di dalam baris sudu gerak tidak terjadi penurunan tekanan.

Daya yang dihasilkan adalah daya yang besar pada putaran rendah.

Sehingga turbin uap ini cocok dipakai sebagai penggerak daya generator yang

besar. Keuntungan turbin ini adalah efisiensinya yang tinggi, tetapi biaya

konstruksiya mahal. Dengan demikian konstruksinya lebih rumit dari turbin uap

satu tingkat tekanan.

(25)

1. Poros 2. Cakram 3. Baris pertama sudu gerak

4. Nozel 5. Stator 6. Baris kedua sudu gerak

7. Sudu pengarah.

Gambar 2.5 Turbin Zoelly /Rateau

2.3.4 Turbin Parson

Turbin parson adalah suatu turbin dengan beberapa tingkat kecepatan dan

tekanan, pada garis besarnya kontruksi turbin ini adalah sumbu turbin yang berupa

tromol dengan dikelilingi sudu-sudu jalan. Tiap rumah sudu jalan ada tersusun

sudu-sudu antar dalam rumah turbin. Sudu antar mengatur supaya bagian uap

dapat masuk diantara sudu jalan dengan tidak saling bersentuhan(bertumbukan).

Untuk menjaga agar jumlah putaran rotor tetap kecil maka pengurangan

tekan pada tiap-tiap rumah sudu harus kecil sehingga terkadang harus ada banyak

rumah sudu yang dibutuhkan. Uap baru dimasukan dalam tembusan (saluran )

yang berbentuk seperti gelang dan mengalir melalui rumah sudu-sudu antar

pertama. Karena isi uap bertambah besar jika tekan berkurang maka sudu-sudu

dalam arah aliran uap selalu lebih tinggi untuk memberi jalan yang cukup kepada

uap. Torak buta berguna untuk mencegah / mengatasi adanya gerak /daya aksial

dari akibat tingkat kecepatan / tekan uap yang menekan sudu-sudu jalan.

Keburukan dari turbin parson ini adalah bahwa uap yang mengalir

kepuncak –puncak sudu antar dan dalam perbandingan makin besar jika

sudu-sudu itu semakin rendah karena sudu-sudu pendek membutuhkan kelonggaran yang

sama dengan sudu panjang.

Turbin uap Parson bekerja dengan prinsip reaksi dengan aliran aksial. Turbin uap

ini umumnya bertingkat dan untuk kapasitas yang besar dengan putaran yang

rendah. Uap mengalami ekspansi baik pada sudu pengarah maupun pada sudu

gerak sehingga mengarahkan dorongan pada sudu dalam arah aksial.

Walaupun konversi energi terjadi pada ke dua tipe sudu tersebut, namun yang

menghasilkan daya tangensial reaksi hanya sudu-sudu gerak saja, maka turbin uap

(26)

Keuntungannya adalah efisiensinya lebih baik dari turbin uap Zolley, akan tetapi

sistem pengaturannya lebih rumit dan biaya konstruksinya lebih mahal jika

dibandingkan dengan turbin uap De-Laval, Curtis, dan Zoelly.

Gambar 2.6 Turbin Parson dan diagram Efesiensi

Rotornya dibuat dari balok baja yang kuat, ujung poros merupakan satu

keseluruhan dengan poros tersebut. Silinder terbuat dari baja tuang yang menjadi

semakin agar melebar kearah ujungnya, berhubungan panjang sudu yang yang

berangsur-angsur bertambah dari 45 mejadi 85 mm. rumah turbin terbuat dari

bahan baja tuang karena tahan suhu panas uap lebih dari 250˚ C. Pada suhu yang

sangat tinggi pada baja tuang itu masih ditambahkan sedikit molibden, pada suhu

yang lebih rendah cukuplah menggunakan baja tuangan, bidang tutup depan dan

belakang merupakan suatu keseluruhan dengan rumah turbin.

2.4 Pemilihan Jenis Turbin

Untuk merencanakan suatu turbin uap, dibutuhkan kecermatan dalam

penentuan jenis turbin agar kelangsungan operasi pabrik tidak mengalami

kerugian yang besar. Penentuan jenis turbin ini sangat penting, bukan hanya dari

factor teknisnya saja tapi juga factor ekonomisnya sehingga perlu diambil

beberapa jenis turbin uap sebagai bahan perbandingan terhadap turbin yang

direncanakan, yaitu:

(27)

Turbin ini memiliki kecepatan keliling yang cukup besar , yang

menyebabkan putaran turbin de laval sangat tinggi (6000-25000) rpm, sehingga

dalam pengoperasiannya dibutuhkan roda gigi untuk mereduksi putaran. Secara

umum turbin de laval hanya membangkitkan daya yang rendah.

b. Turbin Uap Jenis Curtis

Turbin curtis mengkonversikan seluruh droping energi pontensial dalam

satu tingkat tekanan , tetapi dengan dua atau tiga tingkat kecepatan. Dengan

menerapkan metode velositas ganda, turbin curtis tetap akan mempunyai putaran

tinggi. Daya yang dibangkitkan juga cukup rendah.

c. Turbin Zoelly

Kelemahan curtis dalam mengembangkan metode tingkat tekanan

berganda pada turbin uap , memberikan inspirasi kepada seorang ahli teknik dari

perancis bernama Rateau pada tahun 1898 dan di ikuti oleh Zoelly, seorang

kebangsaan swiss 1903, turbin jenis ini memperlihatkan antara rai-rai sudu-sudu

gerak dibatasi oleh tabung pancar ekspansi.

Dalam perencanaan ini dipilih turbin uap impuls jenis curtis dengan satu tingkat

tekanan dan dua tingkat kecepatan.

Adapun alas an dan pertimbangan dalam pemilihan jenis turbin ini adalah :

1. pertimbangan efesiensi dan keandalan

turbin curtis mempunyai efesiensi yang tinggi sehingga energi potensial

uap dapat dimanfaatkan seefesien mungkin. Turbin curtis dapat bekerja

pengisihan sebagian. Hal ini memudahkan dalam hal pengaturan kapasitas uap.

2. Segi Pemeliharaan

Perawatan dan pengoperasian yang baik dari turbin curtis akan mencegah

kerusakan dan dapat menjamin umur dari pemakaian turbin. Perawatan dan

pemakaian turbin impuls adalah tidak sulit.

3. Segi Kontruksi

Kontruksi turbin curtis lebih sederhana jika dibandingkan dengan turbin

jenis parson, dari segi pengadaan komponen mudah dilakukan seperti pengadaan

(28)

4. Pertimbangan tempat dan kondisi pemakaian

Turbin ini digunakan pada pabrik pengolahan kelapa sawit dengan

kapasitas 30 Ton TBS/jam dan daya listrik yang dibutuhkan pabrik tidak terlalu

besar.

5. Pertimbangan Investasi

Karena turbin ini digunakan sebagai penggerak mula generator listrik

dengan daya yang kecil, sehingga dari segi kontruksinya dipilih turbin impuls

yang relative sederhana untuk menghemat biaya investasi.

2.5 Prinsip dan Sistem Kerja Turbin Curtis

Turbin curtis adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip impuls- aksi

dengan aliran aksial. System diterapkan ada tiga macam yaitu:

• Turbin Curtis dengan tingkat tekan tunggal dan tingkat kecepatan ganda

• Turbin Curtis dengan tingkat tekan tunggal dan tingkat kecepatan berganda lebih dari dua .

• Turbin Curtis dengan tingkat tekanan dan velositas ganda Dari diagram sistem dapat dicatat hal-hal sebagai berikut :

 Droping entalpi serupa dengan turbin de laval, jadi seluruh kehilangan energi termis berubah menjadi pertambahan energi kinetis, jadi :

(

)

C_g

g C h

h i a

i a

2 2 427

2 2

− =

− ………...(2.3)

Atau

g C g C h

h i a

i a

2 2

) (

427

2

2 2

− =

−

ϕ ………..………...(2.4

)

 Roda gerak(rotor) mempunyai dua karangan/rai sudu bergerak. Pada dua rai terjadi penurunan kecepatan uap maka dikatakan turbin ini mempunyai

(29)

 Diantara dua rai gerak dipasang sebuah rai sudu-sudu tetap dengan arah berlawanan dengan kedua sudu gerak tersebut, yang berfungsi sebagai

pembalik arah uap dari arah C menjadi _o₁ C sehingga sudu tersebut _i₂

dinamakan sudu pemandu.

Gaya tangensial yang terjadi pada roda curtis dengan dua tingkat

kecepatan adalah sama dengan jumlah gaya-gaya tangensial pada kedua rai

sudu-sudu gerak tersebut, jadi :

2 1 1 Ft Ft

F = + ………..(2.5)

Sebagai akibat dari penurunan energi kinetis dalam rai-rai sudu-sudu

gerak, volume jenis uap akan bertambah besar sebagai konsekuensi dari ini maka

ukuran tinggi sudu-sudu pada sisi keluar dibuat lebih besar dari sisi masuk. Dari

gambar 2.7 dan 2.8 dapat diterangkan sebagai berikut:

Gambar2.7 Tinggi sudu-sudu pada sisi keluar

Pada tingkat pertama

1

i

C : kecepatan uap masuk mutlak pada tingkat pertama (m/det)

1

i

W : kecepatan uap masuk nisbi pada tingkat pertama (m/det)

1

o

C : kecepatan uap keluar mutlak pada tingkat pertama (m/det)

1

o

W : kecepatan uap keluar nisbi pada tingkat pertama (m/det)

1

i

α : sudut masuk mutlak pada tingkat pertama

1

i

β : sudu masuk nisbi pada tingkat pertama

1

o

α : sudu masuk mutlak pada tingkat pertama

1

o

(30)

Gambar 2.8 segitiga –segitiga kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar turbin

curtis

Pada tingkat kedua

2

i

C : kecepatan uap masuk mutlak pada tingkat pertama (m/det)

2

i

W : kecepatan uap masuk nisbi pada tingkat pertama (m/det)

2

o

C : kecepatan uap keluar mutlak pada tingkat pertama (m/det)

2

o

W : kecepatan uap keluar nisbi pada tingkat pertama(m/det)

2

i

2

i

β : sudut masuk nisbi pada tingkat pertama

2

o

2

o

β : sudut masuk nisbi pada tingkat pertama

Gambar 2.9 memperlihatkan diagram segitiga kecepatan untuk turbin curtis

dengan dua tingkat kecepatan dan dua pasang segitiga kecepatan dari tingkat dua

yang digambar menjadi satu. Gambar tersebut dapat juga dibuat terpisah ,

(31)

Gambar 2.9 Diagram segitiga kecepatan

Dari gambar 2.9 dapat dicatat sebagai berikut:

komponen tangensial Ci1adalahCi1cosαi1 komponen tangensial Wi1adalahWi1cosβi1

kecepatan tangensial rotor U =Ci1cosα −i1 Wi1cosβi1 komponen aksial Wi1adalahCi1sinαi1

komponen aksial Wi1adalahWi1sinβi1

Ci₁sinα =i₁ Wi₁sinβi₁

komponen tangensial Ci2adalahCi2cosαi2 komponen tangensial W12adalahWi2cosβi2

kecepatan tangensial rotor U = Ci2cosα −i2 Wi2cosβi2 komponen aksial Ci2adalahCi2ssinβi2

komponen aksial W_{i 2}adalahW_i₂sinβ_i₂

2 2 2

2sin i i sin i

i W

C α = β

Semua ketentuan diatas pada segitiga- segitiga kecepatan yang terdapat

pada sisi masuk, sedangkan untuk kentuan untuk sisi keluar adalah sebagai berikut

:

komponen tangensial Co1adalahCo1cosαo1 komonen tangensial Wo1adalahWo1cosβo1

kecepatan tangensial rotor U = WO1cosβ01− Co1cosαo1 komponen aksial Co1adalahCo1sinαo1

komponen aksial Wi1adalahWo1sinβo1

(32)

komponen tangensial Co2adalahCo2cosαo2 komponen tangensial Wo2adalahWo2cosαo2

kecepatan tangensial rotor U = WO2cosβ −o2 CO2cosαo2 komponen aksial C_{O 2}adalah C_o₂sinα_o₂

komponen aksial WO2adalahWo2sinβo2

Co2sinα =o2 Wo2sinβo2

komponen aksial mutlak :

C_o₁cosα =_o₁ ψC_i₁sinα_i₁

C_o₂cosα =_o₂ ψC_o₂sinα_o₂

komponen aksial nisbi :

Wo1sinα =o1 ψWi1sinβi1

W_o₂cosβ =_o₁ ψW_i₂sinβ_i₂

Maka gaya-gaya tangensial pada masing-masing tingkat pertama dan

kedua sepola jadi :

Wi1cosβi1 =Ci1cosαi1−U

W_o₂cosβ =_o₂ ψW_i₁sinβ_i₁

= ψC_o₁cosα_i₁ −ψU

C_o₁cosα_o₁ =W_o₁cosβ_o₁−U

= ψC_i₁cosα_i₁ −ψU −U

Gaya tangensial pada rai sudu-sudu gerak pada tingkat pertama adalah

: ₁ 1(1 )(C₁cos ₁ U) g

F_t = +ψ _i α_i − ………..………...(2.6)

Gaya tangensial pada rai sudu-sudu gerak pada tingkat kedua adalah:

) 1 ( 1

2 = +ψ

g

F_t {(ψ 2C_i₁cosα_i₁−(2+ψ +ψ2)U }

Gaya total yang dihasilkan turbin :

(33)

Jadi : = 1(1+ψ)

Energi mekanik turbin adalah

g

Efesien sudu (efesien rotor )ηadalah perbandingan energi mekanik dengan energi

kinetic, jadi:

g

Efesiensi gross Maksimal adalah :

2

2.6 Kerugian- Kerugian Kalor Pada Turbin Uap 2.6.1 Kerugian –kerugian dalam ( Internal Losses)

1. Kerugian kalor pada katup pengatur

Aliran uap melalui katup-katup penutup dan pengatur disertai oleh

kerugian energi akibat proses pencekikan (throtling), kerugian inilah yang disebut

dengan kerugian pada katup pengatur.

Jika tekanan uap masuk adalah (Po) maka akan terjadi penurunan tekanan

(34)

diperkirakan sebesar (3-5) % dari Po. Dimana ∆P = Po-Po’, pada perencanaan ini

diambil kerugian katup sebesar tekanan 5 % dari tekanan masuk turbin atau dapat

dituliskan[13,60] : ∆P = 5 %.Po

Kerugian energi ini terjadi pada katup pengatur ditentukan dengan:

ho ho

h = −

∆ ...(2.11) dimana : ho = nilai penurunan kalor total turbin.

Nilai penurunan kalor setelah mengalami proses penurunan tekanan akibat

pengaturan melalui katup pengatur dan katup penutup yang ditetapkan, h0’ sebesar

(3 – 5)% dari Po. Jadi tujuan perencanaan kerugian tekanan yaitu sebesar :

∆P = 5%Po. Kerugian-kerugian yang terjadi pada katup pengatur dapat dilihat

pada gambar di bawah ini :

Gambar 2.10. Proses ekspansi uap melalui mekanisme pengatur beserta

kerugian-kerugian akibat pencekikan

Keterangan gambar :

hn = kerugian pada nosel

hb = kerugian pada sudu gerak

hc = kerugian akibat kecepatan keluar

Po = tekanan uap masuk turbin

Po’= tekanan uap sebelum masuk nosel

P2 = tekanan keluar turbin

Ho = penurunan kalor

(35)

Hi = penurunan kalor yang dimanfaatkan dalam turbin.

2. Kerugian Kalor Pada Nozel (hn)

Kerugian energi pada nosel disebabkan oleh adanya gesekan uap pada

dinding nozel, turbulensi, dan lain-lain. Kerugian energi pada nosel ini dicakup

oleh koefisien kecepan nozel ( ) yang sangat tergantung pada tinggi nozel.

Kerugian energi kalor pada nozel dalam bentuk kalor dimana besarnya :

8378

2 1 2 1 C

C

h t

n

−

= kkal/kg...(2.12)

8378

2 1 2 1

C C

hn

−    

= ϕ ...(2.13)

dimana:

Cit = Kecepatan uap masuk nozel teoritis (m/det)

C1 = ϕ.C1t = Kecepatan aktual uap keluar dari nozel (m/det)

hn = Besar kerugian pada nozel (kJ/kg)

ϕ = koefesien kecepatan pada dinding nozel

Untuk tujuan perancangan, nilai-nilai koefisien kecepatan nozel dapat diambil

dari grafik yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.11. Grafik untuk menentukan koefisien ϕ fungsi tinggi nozel

(sumber : P.Shlyakhin,turbin kukus , teori dan rancangan ,1988,hal 62)

3.Kerugian Kalor Pada Sudu-sudu Gerak

Kerugian pada sudu gerak dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu :

(36)

• Kerugian akibat tubrukan

• Kerugian akibat kebocoran uap melalui ruang melingkar

• Kerugian akibat gesekan

• Kerugian akibat pembelokan semburan pada sudu

Semua kerugian di atas dapat disimpulkan sebagai koefisien kecepatan

sudu gerak (ψ). Akibat koefisien ini maka kecepatan relatif uap keluar dari sudu

w2 lebih kecil dari kecepatan relatif uap masuk sudu w1.

Kerugian kalor pada sudu :[13,85] :

hb’=

8378

2 1 2 1 w

w −

(kkal/kg)...(2.14)

w1 = kecepatan relatif uap masuk sudu gerak I

w2 = kecepatan relatif uap keluar sudu gerak I

w’1 = kecepatan relatif uap masuk sudu gerak II

w’2 = kecepatan relatif uap keluar sudu gerak II

Harga koefisien kecepatan atau faktor ψ dapat diambil dari grafik di bawah ini :

Gambar 2.12. Koefisien kecepatan untuk sudu gerak turbin impuls untuk

berbagai panjang dan profil sudu[13,62].

4.Kerugian Kalor Akibat Kecepatan Keluar

Uap meninggalkan sisi keluar sudu gerak dengan kecepatan mutlak C2,

sehingga kerugian energi kinetik akibat kecepatan uap keluar C2 untuk tiap 1 kg

uap dapat ditentukan sama dengan C22/2 kJl/kg. Jadi sama dengan kehilangan

energi sebesar[13,63] :

hc =

8378

2 2

C

(37)

5.Kerugian Kalor Pada Sudu Pengarah[13,86]

8378

2 1 2 2 C

C hgb

−

= (kkal/kg………..……...………..(2.16)

6.Kerugian Kalor Akibat Gesekan Cakram dan Ventilasi

Kerugian gesekan terjadi diantara cakram turbin yang berputar dengan uap

yang menyelubunginya. Cakram yang berputar itu menarik partikel-partikel yang

ada di dekat permukaannya dan memberi gaya-gaya searah dengan putaran.

Sejumlah kerja mekanis digunakan untuk mengatasi pengaruh gesekan dan

pemberian kecepatan ini.

Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan percepatan-percepatan partikel

uap ini pun akan dikonversikan menjadi kalor, jadi akan memperbesar kandungan

kalor uap. Kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi dapat ditentukan dari

persamaan berikut[13,64] :

G Ng

hg ca

ca

427 102

= kkal/kg ...(2.17)

dimana :

G = massa aliran uap melalui tingkatan turbin (kg/det)

Ngca = daya yang hilang dalam mengatasi gesekan dan ventilasi cakram.

Adapun penentuan daya gesek dan ventilasi cakram ini sering dilakukan

dengan memakai rumus sebagai berikut[13,64] :

γ β.10 10.d4.n3.l.

Ng_ca = − (kW)

dimana :

β = koefisien yang sama dengan 2.06 untuk cakram baris ganda d = diameter cakram yang diubah pada diameter rata-rata sudu (m)

n = putaran poros turbin (rpm)

l= tinggi sudu (cm)

γ = bobot spesifik uap di dalam mana cakram tersebut berputar, (kg/m3)

=

v 1

, dimana v = volume spesifik uap pada kondisi tersebut (m3/kg)

(38)

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. Adanya

perbedaan tekanan menyebabkan adanya kebocoran melalui celah ini, yang

besarnya[13,64] :

h kebocoran =

G G_kebocoran

( ho - h2) (kJ/kg)...(2.18)

Dimana G kebocoran ditentukan berdasarkan tekanan kritis[13,67]:

Pkr =

5 , 1 z

p 85 ,

0 ₁

+

× _{) ...(2.19)}

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[13,67]:

Gkebocoran = 100 fs

1 1

2 2 2 1

zp ) p p ( g

υ

− _{(kg/det) ...(2.20)}

Sebaliknya, bila tekanan kritis lebih tinggi dari p2, maka kecepatan uap

adalah lebih tinggi dari kecepatan kritisnya dan massa alir kebocoran dihitung

dengan[13,67] :

Gkebocoran = 100 fs

1 1 p 5 . 1 z

g υ ×

+ ...(2.21)

Gambar 2.13. Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls[13,62].

(39)

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[13,69].

hkebasahan = ( 1-x) hi

dimana :

hi = penurunan kalor yang dimanfaatkan pada tingkat turbin dengan

memperhitungkan semua kerugian kecuali kebasahan uap

x = fraksi kekeringan rata- rata uap didalam tingkat yang dimaksud

2.6.2 Kerugian-kerugian Luar (External Losses)

Kerugian-kerugian ini merupakan kerugian yang bersifat mekanik, yaitu

kerugian energi yang digunakan untuk mengatasi tahanan-tahanan mekanik atau

gesekan yang tidak langsung mempengaruhi kondisi uap. Seperti gesekan antara

poros dengan bantalan, mekanisme pengatur, pompa minyak pelumas, serta

kerugian karena kebocoran pada paking.

2.7. 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[13,71] :

u u u

u

i i

L A L L

− = =

0 0

.

η

...(2.22)

(40)

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[13,71] :

3. Efisiensi termal

Hubungan antara penurunan kalor adiabatik teoritis di dalam turbin dan

kalor yang tersedia dari ketel adalah[13,71] :

q

4. Efisiensi relatif efektif

Hubungan antara efisiensi mekanis dengan efisiensi internal turbin

adalah[13,71]

Daya efektif yang dihasilkan pada poros turbin adalah[13,72] :

i m

ef N

N =η _. ...(2.27)

Daya efektif turbin dapat juga diperoleh dari hubungan antara daya yang

dibangkitkan pada terminal generator Ne dan effisiensi generator g, yaitu[13,72] :

(41)

BAB III

PENETAPAN SPESIFIKASI

3.1 Kebutuhan Daya Listrik Pada PKS

Pada pabrik pengolahan kelapa sawit, uap diperoleh dari ketel uap yang

menggunakan bahan bakar cangkang dan serabut kelapa sawit. Uap panas lanjut

yang dihasilkan ini kemudian dialirkan keturbin uap untuk memutar generator dan

menghasilkan energi listrik. Uap bekas dari turbin uap didistribusikan ke unit-unit

pengolahan kelapa sawit dengan menggunakan alat BPV ( Back Pressure Vessel).

Disamping listrik tenaga uap, pabrik pengolahan kelapa sawit ini juga

menggunakan pembangkit listrik tenaga diesel dengan penggerak mula motor

diesel yang dihubungkan dengan generatornya sendiri dan kemudian setelah

turbin uap beroperasi , beban yang ada pada motor diesel dipindahkan ke turbin

uap, selain dari dua jenis pembangkit tadi, pabrik juga Memakai tenaga listrik dari

PLN untuk memenuhi kekurangan daya dari turbin uap.

Berdasarkan data hasil survey, untuk kebutuhan daya listrik pada pabrik

kelapa sawit ini dapat diuraikan sebagai berikut:

(42)

Pada satasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakan electromotor

dengan daya sebagai berikut:

a. Kompresor – I ,II.DAN III = 55,5 kW

b. Empty bunch conveyor ( Hdan V) = 15 kW

c. Pompa Draft – I dan II = 14 kW

Maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 84, 5 kW

2. Hoisting Crane

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakan electromotor

dengan daya sebagai berikut :

Maju Mundur –I/II = 1 kW

Turun -I/II = 0,65 kW

Naik -I/II = 0,65 kW

Turun -II/I = 6,5 kW

Naik Turun - II/I = 6,5 kW

Maka total daya listrik yang diperlukan stasiun ini adalah 15,3 kW

3. Pompa Bak Pat-pit

Pada stasiun ini terdapat beberapa mesin yang digerakkan electromotor

a. pompa Pat-pit = 5kW

b. Capstan –I/II = 16 kW

maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 21 Kw

4. Stasiun Ektraction

a. Automatic Feeder = 1,5 kW

b. Bunch Tripper = 13 kW

c. Fruit conveyor under tresher = 1,5 kW

d. Fruit Elevator = 2,5 kW

e. Fruit Conveyor (distribusi ) = 3,5 kW

f. Digester –I,II dan III = 54 kW

(43)

h. Hidraulik pres –I,II dan III = 4,5kW

i. Cake breaker Conveyor = 8kW

j. Fibre – fan = 37 kW

k.Plishing Drum = 4 kW

l.Nut Elevator = 2,2 kW

m. Crude oil Pump –I dan II =12 kW

n. Fibratin screen = 2 kW

o. Conveyor = 1kW

p. Bro Sweco = 1kW

maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 192,7 kW

5.Stasiun Clarifikasi

a. oil Purifier – alva laval I,II, dan III = 10kW

b.Slugde separator alva-laval I, II,dan III = 42 kW

c.foot tank – I dan II = 9 kW

d. Desanding cyclone I dan II =12 kW

e. Brush straner = 1 kW

f. Tansfer Pump –Idan II = 8kW

g. Vacum Dryer Pump I dan II = 9kW

maka total daya listrik yang dibutuhkan pada stasiun ini adalah 91 Kw

6. Stasiun Kernellery

a. Raster nut drayer -I/II = 2kW

b. Dry nut conveyor = 1 kW

c. Dry nut elevator = 2 kW

d. Nut grading screen = 4 kW

e. Nut cracker – I, II dan III = 11,5kW

f. Uncackad mixt conveyor = 2 kW

(44)

h. Shell Hydro cyclone = 18kW

I Kernel Hidro cyclone = 15,5 kW

j. Kernel dewatering screen = 2,5 kW

k. Kernel distributing conveyor = 3 kW

l. Kernel Silo fan – I DAN II = 14 kW

m. Raster kernel-I DAN II = 2 kW

n. Air lock kernel = 1kW

o. Uncracker separator = 3 kW

p. Shell conveyor = 5 kW

q. Shell elevator = 2kW

r. Fibre conveyor = 2,5 kW

s. air cock (fibre cyclone) = 3kW

t Air lock |(LTDS) = 4 kW

u. Dust separator = 9 kW

v. Dust separator colomb (LTDS) = 14 kW

Maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 131 kW.

7. Stasiun Boiler

a. General Conveyor (fuel) = 3,5 kW

b. Distribusi Fuel Conveyor = 4 kW

c. Turbulent air fan = 2,5 kW

d. Scundari fan = 3 kW

e. Primary fan = 4,5 kW

f. Induced draft fan = 12,5 kW

g. Feed water Pump = 21 kW

Maka total listrik pada stasiun ini adalah 51 kW

8. Stasiun Water Treatment

(45)

b. Filter pres – I dan II = 4 kW

c. Cation Permutif Pump = 4 kW

d. Cation Hidrex pump = 5 kW

e. Cation basnes Pump = 4 kW

f. Anion Permutif Pump = 3 kW

g. Anion Hidrex pump = 3 kW

h. Anion basnes Pump = 3,5 kW

i. Dearator Pump – I dan II = 6 kW

f. Dosing Pump – I , II dan III =1,5 kW

g. Bakortiba pump = 2 kW

Maka total daya listrik pada stasiun ini adalah 57,5 KW

9.Gret Chamber

Pada stasiun ini terdapat lima buah pompa yang digerakkan electromotor

dengan daya totalnya adalah 62,5 KW

10. Proyet Limbah

a. Reception Pump –I dan II = 12 kW

b. Circulation Pump -I dan II = 3 kW

c. Airator – I, II , III, dan IV = 36 kW

Maka total daya listrik yang dihasilkan pada stasiun ini adalah 51 kW

11. Work Shop ( Bengkel)

a. Mesin bubut ( 3 buah ) = 7,5 kW

b. Mesin Bor ( 2 buah) = 2 kW

c. Mesin gergaji = 1 kW

d. Mesin las (2 buah) = 11 kW

e. Trafo Las ( 4 buah) = 36,4 kW

f. Compresor = 4kW

(46)

Tabel 3.1 Kebutuhan Daya Listrik Pada Pabrik Kelapa Sawit

NO STASIUN Kebutuhan Daya Listrik ( kW)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Sterilisasi

Hoisting Crane

Pompa Bak Pat-pit

Extraktion

Klarifikasi

Kernellery

Boiler

Water Treatment

Great Chamber

Proyet Limbah

Work Shop (bengkel)

Penerangan

84,5

15,3

21

192,7

91

131

51

57,5

62,5

51

61,9

47

Jumlah 866,4

Daya diatas berasal dari generator sebesar 800 kW sedangkan sisanya

diambil dari PLN.

3.2 Dasar Perencanaan

Kapasitas turbin ditentukan berdasarkan kebutuhan daya listrik tiap ton

TBS yang diolah. Diatas telah diuraikan jumlah daya listrik untuk kapasitas

produksi 30 Ton TBS/ Jam sebesar 866,4 kW.

Dengan rujukan pada hasil survey maka perencanaan mengikuti jumlah daya yang

dihasilkan turbin uap di PKS dimana turbin yang beroperasi hanya satu unit saja

dengan kapasitas terminal generator sebesar 800 kW dan factor daya (cosϕ)

sebesar 0,8 (hasil survey).

Oleh karena itu dengan menggunakkan generator berkapasitas 800 kW

maka daya semu yang diperoleh pada generator sebesar :

ϕ

cos

gen s

N

(47)

kVA KW

Ns 1000

8 , 0 800

= =

3.3 Penentuan Putaran Turbin

Unit generator listrik mempunyai :

• Jumlah Kutup, P = 2

• Frekuensi . f = 50 Hz Maka putaran generator

P f n_g = 60

= 1500

2 50 . 60

= rpm

Dengan menetapkan reduksi roda gigi transmisi sebesar I = 3,327 maka

putaran poros turbin adalah:

g

t n

n =1×

rpm n_t =3,327×1500

rpm nt =4990,5

Disesuaikan data survey diambil putaran turbin sebesar 5000 rpm.

3.4 Perhitungan Termodinamika

Gambar instalasi pembangkit tenaga dari perencanaan turbin uap (sesuai dengan

(48)

Gambar 3.1 Instalansi pembangkit

Untuk membangkitkan energi listrik pada generator listrik dibutuhkan

sejumlah uap pada kondisi tertentu.berdasarkan penetapan data spesifikasi

rancangan di dapat kondisi-kondisi uap sebagai berikut:

• tekanan uap masuk turbin

• temperature uap masuk turbin

• Tekanan uap keluar turbin

(49)

Gambar 3.2 Diagram T-S

Karena uap yang telah digunakan pada turbin yang direncanakan ini

digunakan lagi proses penglohab kelapa sawit, maka kondisi uap keluar turbin

harus sesuai dengan kondisi- kondisi yang dibutuhkan untuk proses pengolahan.

Kondisi- kopndisi uap tersebut adalah:

tekanan uap masuk turbin Po = 20 kgh/cm2

temperature uap masuk turbin To = 260 ˚C

temperature uap keluar turbin P₁ = 3 kg/cm2

Dari kondisi – kondisi tersebut dengan menetapkan kerugian (kehilangan) tekanan

pada katup –katup pengatur sebesar 5%, maka diperoleh:

. 05 , 0

=

∆Pv Po

= 0,05. 20 kg/cm2

= 1 kg/cm2

Maka tekanan sebelum nosel adalah :

Po’ = Po- ∆Pv

= 20 kg/cm2- 1 kg/cm2

= 19 kg/cm2

Berdasarkan data diatas , maka penurunan kalor diperoleh diagram moller sesuai

dengan kondisi-kondisi uap yang ditetapkan yaitu:

pada kondisi Po = 20 kg kg/cm2 dan To =260 ˚C

io = 698, 9 kkal/ kg

S

1 ₅

6 4

3