Session 17 Steam Turbine Theory. PT. Dian Swastatika Sentosa

Session 17

Steam Turbine Theory

DSS Head Office, 27 Oktober 2008

PT. Dian Swastatika Sentosa

1. Pendahuluan

2. Bagan Proses Tenaga Uap

3. Air dan Uap dalam diagram T – s dan h – s 4. Penggunaan Diagram h – s

5. Daya yang Dihasilkan, Efisiensi, dan Kapasitas Uap 6. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran

7. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas 8. Aliran Uap Ketika Melewati Fixed Blade dan Moving Blade 9. Cara Kerja dan Bagian-Bagian Turbin Uap Bertingkat

10. Back-Pressure Turbine dan Condensing Turbine

Outline

1. Pendahuluan

 Steam merupakan air dalam wujud gas

Definisi Steam

Definisi Steam Turbine

“Sebuah steam turbine didefinisikan sebagai suatu mesin yang mengubah energi steam

menjadi energi kinetik dengan melakukan

ekspansi melalui nozzle, dan energi kinetik yang dihasilkan oleh semburan steam yang diubah

menjadi daya kerja pada sudu-sudu yang terdapat pada bagian yang berputar.“

Dengan kata lain:

“Sebuah steam turbine adalah penggerak

utama yang mengubah energi panas dari steam langsung menjadi energi putaran mesin.”

1. Pendahuluan

• Steam Turbine digerakkan oleh fluida :

superheated steam atau saturated steam

• Efisiensi Steam Turbine dipengaruhi oleh : diameter roda turbin, jumlah tingkat, panjang sudu, dan

penampang bagian - b agian yang menghantarkan uap.

• Kerja Steam Turbine dipengaruhi panas jatuh.

Panas jatuh yang terjadi merupakan selisih entalpi yang terjadi pada turbin stage pertama dan terakhir akibat ekspansi uap.

1. Pendahuluan

1. Pendahuluan

Superheated Steam Saturated Steam

Single stage Multi Stage High Pressure

Intermediate Pressure Low Pressure

Axial Radial

Condensing

•Full Condensing

•Extraction-Condensing

Non-Condensing

•Back Pressure

•Extraction-Back Pressure

Proses Output

Input

Efisiensi

Konstruksi Turbin

Condensing Turbine Non-Condensing Turbine

1. Pendahuluan

Radial Blade Turbine Axial Blade Turbine

1. Pendahuluan

Hero’s Aelopile

Branca’s Steam Turbine Impulse Steam Turbine

Reaction Steam Turbine

1. Pendahuluan

Steam Tubine

Thermodynamic Process

1. Pendahuluan

Efficiency Definition

1. Pendahuluan

 



_{3 2}



1 2

h h

m Q

h h

W m W

in C P













 

 



 



_{1 4}



4 3

h h

m Q

h h

m W

out t









 

 

2. Bagan Proses Tenaga Uap

2.1. Saturated Rankine Cycle in PLTN

2. 2. Superheated Rankine Cycle

2.3. Superheated-Reheated Rankine Cycle

Steam Table

• Tabel uap terbagi atas 2 bagian, yakni : tabel uap jenuh (saturated steam) dan tabel uap lanjut

(superheated steam).

• Masing - masing tabel uap tersebut memuat besaran - besaran ukur: pressure (P), temperature (T), specific volume (v), specific enthalpy (h), and specific

entropy (s)

3. Air dan Uap Air

Dalam Diagram T – s dan h – s

3.1. Diagram T - s

X= kg uap / kg campuran uap dan air)

Besarnya temperatur didih bergantung tekanan yang bekerja pada sistem tersebut.

dQ = T ds

lihat gambar berikut

Berapakah selisih entalpi seluruhnya dari proses isentropic h = h1-h2 dalam kJ/kg?

Berapakah entalpi uap bekas yang keluar dari mesin?

Bisa mencapai berapakah efisiensi teoritis η_tt, bila untuk dua proses tenaga uap dengan tujuan yang sama yaitu perpindahan energi, tetapi bekerja dengan data uap yang berlainan?

a. Uap dengan tekanan tinggi yang bekerja di dalam suatu turbin uap dengan kondensasi

b. Uap dengan tekanan menengah yang bekerja di dalam suatu lokomotif uap

3.2. Diagram h - s

Contoh 1.

1 2 1

u tt

h h

    h ^

3.2. Diagram h - s

Panas Jatuh (Δh) = h1 – h2 Efisiensi konversi energi kalor menjadi energi mekanik

Back

– perubahan keadaan isobar – penentuan panas jatuh

– proses pencekikan (throttling)

4. Penggunaan Diagram h – s

Mollier Diagram

Dalam daerah uap basah garis

temperatur tidak ada, karena temperatur uap basah antara x = 0 sampai x = 1 adalah selalu tetap konstan, tergantung kepada tekanan yang dipunyai

temperatur didih air, yang diambil dari tabel uap

Peristiwa a :

Perubahan keadaan isobar

Uap yang lembab dengan tekanan 10 bar dan x = 0,96 (4% air) harus

dipanaskan lanjut sampai 10 bar, 400⁰C

• Berapakah jumlah kalor yang diperlukan?

• Berapakah temperatur uap lembab tersebut?

• Berapakah spesifik volume v yang dipunyai uap panas lanjut dan uap yang lembab?

4. Penggunaan Diagram h – s

Contoh 2

Peristiwa b :

Penentuan panas jatuh

• Berapakah panas jatuh (selisih entalpi) h yang terdapat pada turbin bila uap

baru dengan tekanan 10 bar/400⁰C

berekspansi isentropik sampai 0,05 bar?

• Berapakah keadaan uap bekas yang keluar dari turbin? Bila di dalam turbin terdapat kerugian perpindahan energi sehingga η_i = 0,80, bagaimanakah keadaan uap bekas dari turbin?

4. Penggunaan Diagram h – s

Peristiwa c :

Proses pencekikan (throttling) Uap baru dengan kondisi 40 bar/400⁰C di ekspansikan di dalam turbin sampai tekanannya menjadi 1 bar. Sehingga terdapat panas jatuh isentrop sebesar h = 760 kJ/kg.

• Bagaimanakah kondisi uap baru yang masuk ke turbin, bila katup pemasukan uap sebelum turbin ditutup perlahan- lahan dicekik sampai 4 bar (uap yang keluar dari katup dan masuk ke turbin menjadi bertekanan 4 bar)?

• Setelah proses pencekikan,

berapakah panas jatuh isentrop yang bekerja di dalam turbin?

4. Penggunaan Diagram h – s

Steam Turbine Moisture Separation and Steam Reheating

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Reheater Assembly

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Actual Moisture Separator

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Moisture Separator Reheater Guangdong Sizewell N.P.S.

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Open or Direct Contact Feedwater Heater System

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Feedwater Heating (Direct Contact Heater)

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Closed or Surface (Tubed) Feedwater Heater System

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Feedwater Heating (Surface (Tubed) Heater)

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Feedwater Heating (Multiple Heaters)

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Efficiency Gain With Feedwater Heaters

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

– Perbaikan dengan jalan pemanasan ulang

• Dengan menggunakan Re-Heater

• Steam yang keluar dari HP turbin dipanaskan kembali di Boiler dan

dimasukkan kembali di IP Turbin

• Menaikkan 3 - 4 % efisiensi

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas

) (

) (

) (

a i h g f

e d c b a

i a b h a

i h g f

e d c b a

u

        

























 



Akan mengembun

 Perbaikan dengan jalan pemanasan pendahuluan air umpan boiler dengan uap yang di ekstraksi dari turbin uap (sistem regeneratif)



Dengan menggunakan ekstraksi steam dari turbin untuk memanasi air umpan menuju boiler



Dengan LP Heater, HP Heater, IP Heater



Menaikkan 7% efisiensi

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

Pemanasan pendahuluan air umpan boiler dengan uap yang di ekstraksi dari turbin.

Proses siklus dengan data uap dari turbin ekstraksi 1 tingkat terdapat pada gambar dibawah ini :

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas

Contoh 3

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas

Uap baru yang masuk ke dalam turbin = uap yang keluar dari boiler = 160 bar, 530⁰C.

Uap ekstraksi tekanannya 16 bar, x = 1 mengikuti proses ekspansi isentropik.

Tekanan uap bekas yang keluar dari turbin = 0,04 bar.

Perhitungan dilakukan terhadap tiap 1 kg uap baru yang masuk ke dalam turbin.

• Berapakah uap ekstraksi (yang harus dikeluarkan dari turbin) z dalam kg/kg yang diperlukan untuk pemanasan pendahuluan air kondensat utama dari temperatur TKA = 290C dan hKA = 121 kJ/kg menjadi air pengisi ketel dengan temperatur TKE = 1900C dan hKE = 810 kJ/kg? Uap ekstraksi meninggalkan turbin dengan tekanan 16 bar, x = 1 dan T = 2010C (tabel uap). Di dalam pesawat pemanas lanjut uap ekstraksi ini akan mengembun dan setelah menyerahkan kalor keadaannya

menjadi hzK = 856 kJ/kg sesuai dengan temperatur didih 2010C (dari tabel uap).

• Berapa persenkah perbaikan efisiensi termis yang bisa dicapai proses ini?

5. Perbaikan Proses Tenaga Uap

dengan Teknologi Panas

• h = selisih entalpi dari ekspansi isentropik antara uap baru yang masuk ke dalam turbin dengan uap bekasnya yang keluar dari turbin, dalam kJ/kg.

• m_s = Kapasitas uap (masa uap yang masuk ke dalam turbin persatuan waktu), dalam kg/detik.

• η_i = efisiensi dalam turbin

• η_m = efisiensi mekanis dari turbin

6. Daya Yang Dihasilkan, Efisiensi, dan Kapasitas Uap

m i

m s

h

P       

Daya yang dihasilkan

m i

e  

  

Efisiensi kopling dari turbin

Bekerjanya turbin tergantung kepada panas jatuh, keadaan uap dan kapasitas uap yang dimasukkan ke dalam sebuah atau ke dalam kedua rumah turbin.

6. Daya Yang Dihasilkan, Efisiensi, dan

Kapasitas Uap

7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran

Bagan cara kerja uap ketika sedang melewati sudu-sudu turbin uap satu tingkat, bentuk penampang sudu pengarah dibuat

sedemikian rupa supaya dapat melaksanakan ekspansi uap dengan pertambahan kecepatan yang tertentu. Akibat dari ekspansi itu menghasilkan pertambahan volume.

Moving Blade Fixed Blade

c A

v

m  _s   

Persamaan Kontinuitas

c A V  ^s



v m

V  _s   _s 

7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran

Asumsi kapasitas uap 1 kg/detik

m_s = kapasitas uap (kg/detik) V = volume spesifik (m³/kg)

A = luas penampang saluran (m²) c = kecepatan uap masuk dan keluar saluran (m/detik)

V_s=volume aliran uap

sin 

1



   



 D L

A

7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran

Bagan penampang saluran suatu tingkat turbin uap

D 3, 0

  L 

Uap baru dengan tekanan 170 bar, 5300C diekspansikan sampai 0,065 bar dengan kondisi akhir x = 0,9. daya pada kopling yang dihasilkan turbin P = 150.000 kW (150 MW). Turbin memakai

pemanasan ulang dan juga menggunakan pemanasan pendahuluan air ketel (Feedwater heater), dengan adanya uap yang diekstraksi dari turbin maka kondisi uap menjadi seperti berikut :

Volume spesifik dan kapasitas aliran uap dalam turbin didapat dari

v m V 

_s

 

_s



Tingkat Pertama Terakhir

m_s 120 80 kg/det

v 0,019 20 m3/kg

V_s 2,25 1600 m3/det

Perhitungan kasar untuk Diameter tingkat (diameter rata-rata lingkaran sudu) dan panjang sudu.

7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran

Contoh 4

7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran

Tujuan : untuk

menghindari jangan sampai diameter

tingkat (diameter rata- rata lingkaran sudu pada tingkat itu) terlalu besar dan kecepatankeliling terlalu tinggi, maka uap yang keluar dari turbin dengan tekanan tinggi dibagi menjadi beberapa aliran uap dan dimasukkan ke dalam beberapa buah turbin tekanan rendah.

Different Applications

Turbine Expansion Lines

Turbine

Configurations

1 2 1 2

2 1000 ( ) 44, 72

c    h  h  h  h

Kecepatan keluar sudu

2 st

2000 h  c

Energi Tempat + Energi Kecepatan + Energi Tekanan + Energi Dalam = Konstan

2 2

1 2

1 1 1 2 2 2

2 2

2 1

1 2

2

2 1 2 2

2 2

2 2

2 ( )

c c

P v u P v u

P v u h

c c

h h

c h h c

      

  

  

   

8. Aliran Uap Ketika Melewati

Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

Uap dengan tekanan 20 bar, 350⁰C di ekspansikan dalam suatu alat pengarah (Nozzle) yang sempurna tanpa kerugian menjadi uap

dengan tekanan 3 bar. Berapakah kecepatan akhir uap itu bila kecepatan awalnya c₁ = nol? Bagaimanakah kondisi uap di bagian keluar, bila harga-harga uap tersebut dibaca dari diagram h – s?

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

Contoh 5

– Banyaknya aliran uap, perbandingan tekanan, bentuk penampang saluran

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

Suatu masa aliran uap panas m

_s

= 1 kg/detik dengan P1 = 20 bar dan T1 = 350

⁰

C harus diekspansikan isentropik

sampai 3 bar.

Penampang saluran A harus dilaksanakan bagaimana supaya bisa memenuhi persamaan kontinuitas?

Contoh 6

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

p₁ 20 20 20 20 20 20 20 bar

p_x 20 15 10,9 8 6 5 3 bar

h₁ 3140 3140 3140 3140 3140 3140 3140 kJ/kg h_x 3140 3060 2920 2912 2850 2810 2715 kJ/kg

h₁-h_x 0 80 160 228 290 330 425 kJ/kg

c_x 0 400 565 675 763 812 920 m/s

v_x 0,140 0,175 0,224 0,280 0,350 0,400 0,600 m³/kg

A_x 436 395 415 460 493 654 mm²

– Perbandingan tekanan-laval, fungsi pengaliran

1 1

s s

2

m A P

 ^ v ^

     

 



8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

1( 1)

( )

2

1 1

s maks





  



  

Massa uap yang mengalir persatuan waktu

Fungsi pengaliran

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

Gas atau uap air  p

_L

/p

₁



_{s maks}

Gas dengan 2 atom, udara 1,4 0,528 0,484 Gas dengan 3 atom, uap panas lanjut 1,3 0,546 0,473

Uap jenuh 1,135 0,577 0,450

Uap basah  = 1,035 + 0,1 . x Harga dihitung

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

Lintasan bilangan pengaliran _s terhadap perbandingan tekanan p/p₁

– Di bawah kecepatan suara, kecepatan suara, dan di atas kecepatan suara

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

1 1

2 ( 1)

L

L L L

c P v

c P v







   



  

0 , 5 7 7

1

P

L

  P

0, 546

1

P

L

  P

Untuk uap jenuh

Untk uap panas lanjut

Kecepatan suara

Untuk p1 = 100 bar, T1 = 4500C besarnya pL = 54,6 bar dan cL = 565 m/s. untuk p1 = 0,8 bar, x = 0,95 besarnya pL = 0,462 bar dan cL = 430 m/s.

Kecepatan uap diatas kecepatan suara di dalam turbin uap terjadi pada “tingkat curtis”, dan juga terjadi di dalam tingkat terakhir dari turbin uap yang besar dan

menggunakan kondensasi.

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

Contoh 7

– penampang saluran pada turbin

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

Sudu Pengarah (Fixed Blade) Nozzle Laval

8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan

Sudu Jalan (Moving Blade)

Impulse Steam Turbine Reaction Steam Turbine

8. Aliran Uap Ketika Melewati Turbin

– Perubahan tekanan dan kapasitas uap yang masuk ke dalam turbin

• Luas penampang saluran nozzle dan sudu-sudu di dalam turbin dibuat untuk kondisi operasi turbin dengan beban penuh.

• Jika turbin dioperasikan dengan kondisi beban sebagian atau lebih besar dari beban penuh, maka distribusi tekanan di dalam tingkat turbin akan berubah.

8. Aliran Uap Ketika Melewati Turbin

– Perubahan tekanan dan kapasitas uap yang masuk ke dalam turbin

• p/p₁ berubah akan menimbulkan perubahan bilangan

pengaliran _s, jika perubahannya sampai di bawah tekanan laval, maka kecepatan masa uap yang mengalir per satuan waktu m_s di bagian keluar saluran pengarah akan mencapai kecepatan suara

• Ekspansi uap yang selanjutnya sampai di bawah tekanan laval terjadi di dalam ruang sebelah belakang saluran pengarah, dengan demikian penampang keluar dari saluran pengarah berfungsi sebagai penampang tersempit dari nozzle laval.

8. Aliran Uap Ketika Melewati Turbin

9. Cara Kerja dan Bagian-Bagian

Turbin Uap Bertingkat

1. Turbin Kondensasi (Condensing Turbine)

Turbin yang saluran keluarnya dihubungkan dengan kondenser, sehingga tekanan uap pada saluran keluarnya mendekati tekanan vakum

10. Back-Pressure Turbine dan Condensing Turbine

Condensing turbine < 1 bar (0,04 bar s.d. 0,1 bar)

2. Turbin Tekanan Balik (Backpressure Turbine)

Turbin yang tekanan uap keluarnya dikontrol dengan sebuah pusat pengatur yang menjaga proses steam pada tekanan yang diinginkan.

Back-Pressure Turbine > 1 bar

10. Back-Pressure Turbine dan Condensing Turbine

Hubungan Antara Tekanan dan Flow Steam,

dan Turbine Load

1 Bar = 100 kPa

= 0,1 MPa

= 0,986923 atm

= 1,0197 kg/cm2

= 100.000 N/m2

1 BTU/lb = 0,556 Kcal/kg

= 2,33 kJ/kg

273 deg

deg

32 5 deg

deg 9

) 32 9 (deg

deg 5





 



 



 

 

 



 



C Kelvin

C x

F

F x

C

Konversi Satuan