ANALISIS RANCANGAN RUANG BAKAR TURBIN GAS
PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA
TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
SYAIFUL AMRI NASUTION
100421034
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
MEDAN
TUGAS SARJANA
TURBIN GAS
ANALISIS RANCANGAN RUANG BAKAR TURBIN GAS
PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA
TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS
Oleh :
NIM : 100421034
SYAIFUL AMRI NASUTION
Diketahui / disahkan Disetujui oleh Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing. Fakultas Teknik USU
Ketua
DR. ING. IR. IKHWANSYAH ISRANURI
ANALISIS PERENCANAAN RUANG BAKAR TURBIN GAS
PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA
TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS
SYAIFUL AMRI NASUTION NIM 100421034
Telah Disetujui Oleh:
Pembimbing
NIP. 19491012 1981031002 Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc
Pembanding I Pembanding II
Ir.Syahrul Abda, M.Sc
NIP. 195708051988111001 NIP. 195512101987101001 Ir. Syahril Gultom. MT
Diketahui Oleh:
Departemen Teknik Mesin USU Ketua,
SKRIPSI
TURBIN GAS
ANALISIS RANCANGAN RUANG BAKAR TURBIN GAS
PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA
TERPASANG 128 MW DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS
OLEH:
NIM : 100421034
SYAIFUL AMRI NASUTION
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 191, Pada Tanggal 15 Juni 2013
Pembanding I Pembanding II
Ir.Syahrul Abda, M.Sc
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 312 / TS / 2009 PROGRAM PENDIDIKAN EKSTENSI DITERIMA : / /
FAKULTAS TEKNIK USU PARAF : MEDAN
TUGAS SARJANA
NAMA : SYAIFUL AMRI NASUTION NIM : 100421034
MATA PELAJARAN : TURBIN UAP DAN GAS
SPESIFIKASI : Analisis Perencanaan Ruang Bakar Turbin Gas Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 128 MW Dengan Menggunakan software Ansys. - Melakukan Survey lapangan
- Studi literatur
DIBERIKAN TANGGAL : 27/02/2013 SELESAI TANGGAL : 31/05/2013
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN MEDAN,
DOSEN PEMBIMBING
DR. ING. IR. IKHWANSYAH ISRANURI
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Sub Program : Teknik Mesin Konversi Energi Bidang Tugas : Turbin Gas
Judul Tugas : Analisis Perencanaan Ruang Bakar Turbin Gas Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 128 MW Dengan Menggunakan Ansys
Diberikan Tgl. : 27/02/2013 Selesai Tgl. : 31/05/2013 Dosen Pembimbing : Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc Nama Mhs. : Syaiful Amri NST. NIP : 19491012981031002 NIM : 100421034
No. Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan
1 28-02-2013 Pemberian Spesifikasi Tugas Skripsi 2 04-03-2013 Survey Lapangan ke PLN sicanang 3 18-03-2013 Assistensi BAB I
4 21-03-2013 Perbaikan Latar Belakang dan sistematika penulisan 5 28-03-2013 Assistensi BAB II
6 08-04-2013 Perbaikan Siklus Turbin Gas dan Diagram T-S 7 22-04-2013 Assistensi BAB III
8 15-04-2013 Perbaiki metode penulisan literatur 9 25-04-2013 Assistensi BAB IV
10 13-05-2013 lengkapi dengan menggunakan software 11 31-05-2013 ACC Seminar
2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi Dr. –Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
ABSTRAK
Pemanfaatan listrik di Indonesia merupakan salah satu faktor pendukung tercapainya pembangunan di segala bidang. Untuk menghasilkan energi listrik perlu diciptakan suatu sistem pembangkit tenaga yang merupakan hasil dari teknologi, salah satunya adalah Turbin Gas penggerak generator listrik. Pada penulisan ini akan dikemukakan beberapa prinsip dasar yang penting untuk perhitungan yang digunakan dalam perencanaan dan penganalisaan sistem kerja pada ruang bakar dengan menggunakan Ansys dan perhitungan termodinamika. Tujuan perencanaan ruang bakar turbin gas adalah menganalisa termodinamika ruang bakar untuk mengetahui temperatur rata -rata keluar ruang bakar, dan tekanan rata - rata keluar ruang bakar, mengetahui komponen - komponen utama ruang bakar turbin gas dan menggunakan software ansys untuk mengetahui temperatur, tekanan dan kecepatan rata - rata udara keluar ruang bakar menuju turbin. Metode yang digunakan adalah dengan perhitungan termodinamika dan metode simulasi numerik menggunakan Ansys. Hasil perhitungan termodinamika menunjukkan temperatur keluar ruang bakar 1323oK dan tekanan keluar ruang bakar 9,969 bar. Hasil simulasi yang dilakukan oleh Ansys menunjukkan temperatur rata - rata keluar ruang bakar 1580oK, tekanan rata - rata keluar ruang bakar 9.90 bar, dan kecepatan rata - rata udara panas 651 m/s. Hasil perbandingan menunjukkan temperatur rata - rata keluar ruang bakar menggunakan Ansys lebih besar 19,42% dari pada perhitungan termodinamika dan hasil perbandingan menunjukkan tekanan rata - rata keluar ruang bakar menggunakan Ansys lebih kecil 0,6% dari pada perhitungan termodinamika.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia-Nya memberikan pengetahuan, pengalaman, kesehatan dan kesempatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tugas sarjana ini..Tugas skripsi ini adalah salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan program studi Strata-1 di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Penulis dalam tugas sarjana ini mengambil judul yaitu “ANALISIS PERENCANAAN RUANG BAKAR TURBIN GAS PENGGERAK
GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA TERPASANG 128 MW
DENGAN MENGGUNAKAN ANSYS”.
Dalam proses penulisan tugas sarjana ini, penulis banyak mendapat berbagai kesulitan, namun berkat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak baik berupa materi, informasi maupun segi administrasi, semua itu dapat diatasi. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil
2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc, selaku dosen pembimbing penulis yang dengan sabar telah meluangkan waktu, pemikiran dan tenaga untuk membimbing serta memberikan arahan hingga selesainya tugas sarjana ini.
3. Bapak DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai dilingkungan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
5. Seluruh Pegawai PT. PLN (PERSERO) Daerah Pembangkit Bagian Sumatera Utara Sicanang Belawan, dimana tempat penulis melakukan riset.
7. Rekan - rekan mahasiswa yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
Penulis menyadari Tugas Sarjana ini tidak luput dari kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan saran maupun masukan yang sifatnya membangun untuk penyempurnaan tugas sarjana ini.
Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dengan harapan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis khususnya dan pembaca umumnya.
Medan, 28 Mei 2013 Hormat Penulis,
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN PEMBIMBING ...i
LEMBAR PENGESAHAN PEMBANDING ...ii
SPESIFIKASI TUGAS SARJANA ...iii
KARTU BIMBINGAN ...iv
ABSTRAK ...v
1.2 Perumusan Masalah ...1
1.3 Tujuan ...2
1.4 Batasan Masalah ...3
1.5 Manfaat Perancangan...3
1.6 Sistematika Penulisan ...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...5
2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Gas ...5
2.1.Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas ...6
2.3.Klasifikasi sistem Turbin Gas ...6
2.3.1 Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan Siklusnya ...7
2.3.2 Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan Konstruksinya ...10
2.3.3 Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan arah alirannya ...11
2.4 Siklus Dasar Turbin Gas ... . 12
2.4.1 Siklus Brayton Ideal ... . 13
2.4.2Siklus Brayton Aktual ... . 15
2.6 Prinsip Kerja Turbin Gas ... 23
2.7 Jenis Turbin Yang Digunakan ... 25
2.8 Teori Dasar Ruang Bakar Turbin Gas ... 25
2.8.1 Pengertian Ruang Bakar ... 25
2.8.2 Tipe Ruang Bakar ... 26
2.8.2.1 Tipe Ruang Bakar Berdasarkan Bentuk ... 26
2.8.2.2 Tipe Ruang Bakar Berdasarkan Peletakannya... 29
2.9 Syarat - Syarat Ruang Bakar Turbin Gas ... 31
2.10 Pemilihan Tipe Ruang Bakar ... 31
2.11 Prinsip Kerja ruang Bakar ... 32
2.12 Bahan Bakar dan Reaksi Pembakaran ... 33
2.12.1 Proses Pembakaran... 34
2.13 Pandangan Umun Tentang Software ANSYS ... 35
2.13.1 Metode CFD menggunakan Perangkat Lunak Fluent . 35 2.13.2 Fluent ... 36
2.13.3 Skema Numerik ... 37
2.13.4 Diskritsasi ... 37
2.13.5 Linearisasi ... 38
BAB III DASAR PERENCANAAN RUANG BAKAR ... 39
3.1 Data Perencanaan ... 39
3.2 Komponen Utama Ruang Bahan Bakar... 39
3.3 Analisa Thermodinamika Pada Kompresor ... 40
3.4 Analisa Thermodinamika PadaRuang Bakar ... 42
3.5 Analisa Thermodinamika Pada Turbin ... 45
3.6 Perhitungan Daya Kompresor dan Daya Turbin ... 49
3.7 Efisiensi Thermal Siklus ... 50
BAB IV PERENCANAAN BAGIAN - BAGIAN UTAMA RUANG BAKAR ... 52
4.1 Komponen Utama Ruang Bakar ... 52
4.3 Liner ... 55
4.4 Annulus ... 58
4.5 Hole... 59
4.6 Burner ... 62
4.7 Transition Pieces ... 65
4.8 Pindahan Panas ... 65
4.9 Perpindahan Panas Secara Radiasi ... 65
4.9.1 Internal Radiasi ... 65
9.9.2 External Radiasi ... 67
4.10 Perpindahan Panas Secara Konveksi ... 68
4.10.1 Internal Konveksi ... 68
4.10.2 External Konveksi ... 69
4.11 Perpindahan Panas SecaraKonduksi ... 70
4.12 Langkah - Langkah Membuat Gambar Ruang Bakar Dengan Solid Work ... 71
4.13 Langkah - Langkah Simulasi Menggunakan Software ANSYS .... 74
4.14 Data Hasil Simulasi ... 84
BAB V KESIMPULAN ... 89
DAFTAR PUSTAKA ... 91
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Turbin Gas ... 5
Gambar 2.2. Prinsip Kerja Turbin Gas ... 6
Gambar 2.3. Skema Siklus Sistem Terbuka dan Tertutup ... 8
Gambar 2.4. Siklus Kombinasi Turbin Gas ... 10
Gambar 2.10. Diagram Siklus Brayton Ideal ... 14
Gambar 2.11. Diagram T-S Siklus Brayton Aktual ... 16
Gambar 2.12. Komponen Kompresor Sentrifugal dan Tipe Impeler untuk Kompresor Sentrifugal ... 19
Gambar 2.13. Komponen Kompresor Aksial ... 20
Gambar 2.14. Pematik Nyala Api ... 21
Gambar 2.15. Pendeteksi Nyala Api ... 22
Gambar 2.16. Prinsip Kerja Instalasi turbin Gas ... 23
Gambar 2.17. Ruang Bakar Turbular ... 27
Gambar 2.18. Ruang Bakar Turboanular ... 28
Gambar 2.19. Ruang Bakar Annular ... 29
Gambar 2.20. Ruang Bakar Tubular Vertikal Double Chamber ... 30
Gambar 2.21. Ruang Bakar Tubular Vertikal ... 32
Gambar 3.2. Diagram h - s padaKompresor ... 41
Gambar 3.3 Diagram h - s pada ruang bakar ... 43
Gambar 3.4. Diagram h - s pada Turbin ... 45
Gambar 3.4. Skema Sistem Turbin Gas dan Kondisi Fluida Kerjanya ... 50
Gambar 4.1. Casing ... 58
Gambar 4.2. Liner ... 61
Gambar 4.3 Dimensi Ruang Bakar ... 64
Gambar 4.4. Koefisien Penurunan Tekanan Pada Hole ... 67
Gambar 4.5. Burner ... 69
Gambar 4.6. Penampang Orifice ... 71
Gambar 4.7 Jendela Solidwork untuk Membuat Gambar ... 72
Gambar 4.8. Jendela kerja solidwork ... 72
Gambar 4.9. Sketsa Gambar Kerja ... 73
Gambar 4.10. Ruang Bakar Turbin Gas ... 74
Gambar 4.11. Jendela Awal Ansys ... 74
Gambar 4.12. Jendela Kerja Solidwork ... 75
Gambar 4.13. Ruang Bakar Setelah Diimport dari Solidwork ... 75
Gambar 4.14. Hasil Mesh Ruang Bakar Pada Ansys ... 76
Gambar 4.15. Jendela Untuk Mengatur Species Model ... 77
Gambar 4.16. Jendela Untuk Mengatur Material ... 77
Gambar 4.17. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Inlet Pada Ruang Bakar ... 78
Gambar 4.18. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Thermal Pada Inlet Fuel ... 78
Gambar 4.19. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Species Pada Inlet Fuel ... 79
Gambar 4.20. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Massflow pada Inlet Gas 1 . 79 Gambar 4.21. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Thermal pada Inlet Gas 1 ... 80
Gambar 4.23. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Massflow pada Inlet Gas 2 . 81
Gambar 4.24. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Thermal pada Inlet Gas 2 ... 81
Gambar 4.25. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Species pada Inlet Gas 2 ... 82
Gambar 4.26. Jendela Untuk Memasukkan Nilai Tekanan pada Outlet ... 82
Gambar 4.27. Jendela Untuk Memulai Perhitungan ... 83
Gambar 4.28. Jendela Untuk Menjalankan Perhitungan ... 83
Gambar 4.29. Kontur Temperatur Pada Ruang Bakar ... 84
Gambar 4.30. Grafik Distribusi Temperatur Pada Outlet Ruang Bakar ... 84
Gambar 4.31. Kontur Kecepatan Pada Ruang Bakar ... 85
Gambar 4.32. Grafik Distribusi Kecepatan Pada Outlet Ruang Bakar ... 86
Gambar 4.33. Kontur Tekanan Pada Outlet Ruang Bakar ... 86
Gambar 4.34. Grafik Distribusi Tekanan Pada Outlet Ruang Bakar ... 87
DAFTAR TABEL
Halaman
DAFTAR NOTASI
Ar Perbandingan luas Hole dengan Annulus m2 CD Coefisien Discharge m
f Perbandingan bahan bakar dengan udara teoritis f’ Perbandingan bahan bakar dengan udara aktual
h enthalpy KJ/kg
K Koefisien penurunan tekanan pada Hole W/m K k Eksponen Adiabatik
Ka Konductifitas thermal udara W/m K Kbt Konductifitas thermal batu tahan api W/m K Kg Konductifitas thermal gas W/m K Kl Konductifitas bahan liner W/m K L Luminositas factor
ma Laju aliran udara kg/s
man Laju aliran massa udara annular kg/s
mc Laju aliran massa campuran kg/s mf Laju aliran massa bahan bakar kg/s
P Daya bar
Qin Panas Masuk kJ/kg
Qout Panas keluar kJ/kg
Wc Daya Kompresor kW
Wg Daya Generator kW
Wt Daya Turbin kW
SG Spesific gravity
R Konstanta Gas J/kg K
T Temperatur K
zc Jumlah tingkat kompresor stage
Notasi Yunani Keterangan Simbol
η Efisiensi %
ε Emisivitas
θ Sudut jet o
δ Konstanta Stefan Boltzman W/m2.K4
µg Viskositas dinamik gas kg/m.s
α Faktor kelebihan udara %
