downacademia.com turbin uap

Sessi on 17

Steam Tur bi ne Theor y

DSS Head Offi ce, 27 Oktober 2008

PT. Di an Swastati ka 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

Outl i ne

1. Pendahul uan

 St eam m erupakan air dalam wuj ud gas

Definisi St eam

Definisi St eam Tur bine

“ Sebuah st eam t urbine didefinisik an sebagai suat u m esin yang m engubah energi st eam

m enj adi energi k inet ik dengan m elakukan

ekspansi m elalui nozzle, dan energi k inet ik yang dihasilk an oleh sem buran st eam yang diubah

m enj adi daya kerj a pada sudu- sudu yang t erdapat pada bagian yang berput ar.“

Dengan kat a lain:

“ Sebuah st eam t urbine adalah penggerak

ut am a yang m engubah energi panas dar i st eam langsung m enj adi energi put aran m esin.”

1. Pendahul uan

• 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. Pendahul uan

1. Pendahul uan

Super heat ed St eam Sat ur at ed St eam

Single st age Mult i St age High Pr essur e

I nt er m ediat e Pr essur e Low Pr essur e

Axial Radial

Condensing

• Full Condensing

• Ex t r act ion- Condensing

Non- Condensing

• Back Pressure

• Ex t r act ion- Back Pr essure

Pr ose s Ou t pu t

I n pu t

Efisie n si

Kon st r u k si Tu r bin

Condensing Tur bine Non- Condensing Tur bine

1. Pendahul uan

Radial Blade Tur bine Axial Blade Tur bine

1. Pendahul uan

Her o’s Aelopile

Br anca’s St eam Tur bine I m pulse St eam Tur bine

React ion St eam Tur bine

1. Pendahul uan

Steam Tubi ne

Thermodynam ic Process

1. Pendahul uan

Effic i enc y Defi ni ti on

1. Pendahul uan

 



^{3 2}



1 2

h h

m Q

h h

W m W

in C P







 



 

 



 



^{3h1 4h4}



m Q

h h

m W

out t









 

 

2. Bagan Pr oses Tenaga Uap

2.1. Satur ated Ranki ne Cyc l e i n PLTN

2. 2. Super heated Ranki ne Cyc l e

2.3. Superheated-Reheated Ranki ne Cyc l e

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. Ai r dan Uap Ai r

Dal am Di agr am T – s dan h – s

3.1. Di agr am T - s

X= kg uap / kg cam pur an uap dan air )

Besar nya t e m pe r a t u r did ih ber gant ung t e k a n a n yang beker j a pada sist em t er sebut .

dQ = T ds

lih a t ga m ba r be r ik u t

Ber apakah selisih ent alpi selur uhnya dar i pr oses isent r opic h = h1- h2 dalam kJ/ kg?

Ber apakah ent alpi uap bek as yang keluar dar i m esin?

Bisa m encapai ber apakah efisiensi t eor it is η

t t, bila unt uk dua pr oses t enaga uap dengan t uj uan yang sam a yait u per pindahan ener gi,

t et api beker j a dengan dat a uap yang ber lainan?

a. Uap dengan t ekanan t inggi yang beker j a di dalam suat u t ur bin uap dengan kondensasi

b. Uap dengan t ekanan m enengah yang beker j a di dalam suat u lokom ot if uap

3.2. Di agr am h - s

Con t oh 1 .

1 2 1

u tt

h h

    h ^

3.2. Di agr am h - s

Panas Jat uh (Δh) = h1 – h2 Efisiensi konver si ener gi k alor m enj adi ener gi m ekanik

Back

– perubahan keadaan isobar – penentuan panas jatuh

– proses pencekikan (throttling)

4. Penggunaan Di agr am h – s

Mollier Diagr am

Dalam daer ah uap basah gar is

t em per at ur t idak ada, kar ena t em per at ur uap basah ant ar a x = 0 sam pai x = 1 adalah selalu t et ap konst an, t er gant ung kepada t ekanan yang dipunyai

t em per at ur didih air , yang diam bil dar i t abel uap

Pe r ist iw a a :

Pe r u ba h a n k e a da a n isoba r

Uap yang lem bab dengan t ekanan 10 bar dan x = 0,96 ( 4% air ) har us

dipanaskan lanj ut sam pai 10 bar , 400⁰C

• Ber apakah j um lah kalor y ang diper lukan?

• Ber apakah t em per at ur uap lem bab t er sebut ?

• Ber apakah spesifik volum e v yang dipunyai uap panas lanj ut dan uap yang lem bab?

4. Penggunaan Di agr am h – s

Con t oh 2

Pe r ist iw a b :

Pe n e n t u a n pa n a s j a t u h

• Ber apakah panas j at uh ( selisih ent alpi) h yang t er dapat pada t ur bin bila uap

bar u dengan t ekanan 10 bar / 400⁰C

ber ekspansi isent r opik sam pai 0,05 bar ?

• Ber apakah keadaan uap bekas yang keluar dar i t ur bin? Bila di dalam t ur bin t er dapat ker ugian per pindahan ener gi sehingga η

i = 0,80, bagaim anakah keadaan uap bekas dar i t ur bin?

4. Penggunaan Di agr am h – s

Pe r ist iw a c :

Pr ose s pe n ce k ik a n ( t h r ot t lin g) Uap bar u dengan kondisi 4 0 bar / 400⁰C di ekspansikan di dalam t ur bin sam pai t ekanannya m enj adi 1 bar . Sehingga t er dapat panas j at uh isent r op sebesar h = 760 kJ/ kg.

• Bagaim anakah kondisi uap bar u yang m asuk ke t ur bin, bila kat up pem asukan uap sebelum t ur bin dit ut up per lahan- lahan dicekik sam pai 4 bar ( uap yang keluar dar i kat up dan m asuk ke t ur bin m enj adi ber t ekanan 4 bar ) ?

• Set elah pr oses pencekikan,

ber apakah panas j at uh isent r op yang beker j a di dalam t ur bin?

4. Penggunaan Di agr am h – s

Steam Tur bi ne Moi stur e Separ ati on and Steam Reheati ng

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Reheater Assembl y

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Ac tual Moi stur e Separ ator

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Moi stur e Separ ator Reheat er Guangdong Si zew el l N.P.S.

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Open or Di r ect Cont ac t Feedwater Heater System

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Feedwater Heat i ng (Di r ect Cont ac t Heat er )

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Cl osed or Sur face (Tubed) Feedwater Heater System

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Feedwater Heat i ng (Sur face (Tubed) Heater )

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Feedwater Heat i ng (Mul ti pl e Heater s)

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Effi c i enc y Gai n Wi th Feedwater Heaters

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi 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. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap dengan Teknol ogi 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

                      



Ak an m engem bun

 Per baikan dengan j alan pem anasan pendahuluan air um pan boiler dengan uap yang di ekst r aksi dar i t ur bin uap ( sist em r egener at if)



Dengan m enggunakan ekst rak si st eam dari t urbin unt uk m em anasi air um pan m enuj u boiler



Dengan LP Heat er, HP Heat er, I P Heat er



Menaikkan 7% efisiensi

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi Panas

Pe m a n a sa n pe n da h u lu a n a ir u m pa n boile r de n g a n u a p y a n g di e k st r a k si da r i t u r bin .

Pr oses siklus dengan dat a uap dar i t ur bin ekst r aksi 1 t ingkat t er dapat pada gam bar dibawah ini :

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap dengan Teknol ogi Panas

Con t oh 3

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap dengan Teknol ogi Panas

Uap bar u yang m asuk ke dalam t ur bin = uap yang keluar dar i boiler = 160 bar , 530⁰C.

Uap ekst r aksi t ekanannya 16 bar , x = 1 m engikut i pr oses ekspansi isent r opik.

Tekanan uap bekas yang k eluar dar i t ur bin = 0,04 bar .

Per hit ungan dilakukan t er hadap t iap 1 kg uap bar u yang m asuk ke dalam t ur bin.

• Ber apakah uap ekst r aksi ( yang har us dikeluar kan dar i t ur bin) z dalam kg/ kg yang diper lukan unt uk pem anasan pendahuluan air kondensat ut am a dar i t em per at ur TKA = 290 C dan hKA = 121 kJ/ kg m enj adi air pengisi ket el dengan t em per at ur TKE = 1900C dan hKE = 810 kJ/ kg? Uap ekst r aksi m eninggalkan t ur bin dengan t ekanan 16 bar , x = 1 dan T = 2010C ( t abel uap) . Di dalam pesawat pem anas lanj ut uap ekst r aksi ini akan m engem bun dan set elah m enyer ahkan kalor keadaannya

m enj adi hzK = 856 kJ/ kg sesuai dengan t em per at ur didih 2010C ( dar i t abel uap) .

• Ber apa per senkah per baik an efisiensi t er m is yang bisa dicapai pr oses ini?

5. Per bai kan Pr oses Tenaga Uap

dengan Teknol ogi 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 Di hasi l kan, Efi si ensi , dan Kapasi tas Uap

m i

m s

h

P ^{   }  ^ 

Daya yang dihasilkan

m i

e  

  

Efisiensi kopling dar i t ur bin

Bek er j any a t ur bin t er gant ung k epada panas j at uh, k eadaan uap dan k apasit as uap y ang dim asuk kan k e dalam sebuah at au ke dalam k edua r um ah t ur bin.

6. Daya Yang Di hasi l kan, Efi si ensi , dan

Kapasi tas Uap

7. Per samaan Kont i nui tas dan Penam pang Sal ur an

Bagan car a ker j a uap ket ik a sedang m elewat i sudu- sudu t ur bin uap sat u t ingkat , bent uk penam pang sudu pengar ah dibuat

sedem ikian r upa supaya dapat m elaksanakan ekspansi uap dengan per t am bahan kecepat an yang t er t ent u. Akibat dar i ekspansi it u m enghasilkan per t am bahan volum e.

Mov ing Blade Fix ed Blade

c A

v

m  _s   

Per sam aan Kont inuit as

c A V  ^s



v m

V  _s   _s 

7. Per samaan Kont i nui tas dan Penam pang Sal ur an

Asum si kapasit as uap 1 kg/ det ik

m_s = kapasit as uap ( kg/ det ik) V = volum e spesifik ( m³/ kg)

A = luas penam pang salur an ( m²) c = kecepat an uap m asuk dan keluar salur an ( m / det ik)

V_s= volum e alir an uap

sin 

1



   



 D L A

7. Per samaan Kont i nui tas dan Penam pang Sal ur an

Bagan penam pang saluran suat u t ingk at t ur bin uap

D 3, 0

   L

Uap bar u dengan t ekanan 170 bar , 5300C diekspansikan sam pai 0,065 bar dengan kondisi akhir x = 0,9. daya pada k opling yang dihasilkan t ur bin P = 150. 000 kW ( 150 MW) . Tur bin m em akai

pem anasan ulang dan j uga m enggunakan pem anasan pendahuluan air ket el ( Feedwat er heat er ) , dengan adanya uap yang diekst r aksi dar i t ur bin m aka kondisi uap m enj adi seper t i ber ikut :

Volum e spesifik dan kapasit as alir an uap dalam t ur bin didapat dar i

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

Per hit ungan kasar unt uk Diam et er t ingkat ( diam et er r at a- rat a lingkar an sudu) dan panj ang sudu.

7. Per samaan Kont i nui tas dan Penam pang Sal ur an

Con t oh 4

7. Per samaan Kont i nui tas dan Penam pang Sal ur an

Tuj uan : unt uk

m enghindar i j angan sam pai diam et er

t ingkat ( diam et er r at a- r at a lingkar an sudu pada t ingkat it u) t er lalu besar dan kecepat ankeliling t er lalu t inggi, m aka uap yang keluar dar i t ur bin dengan t ekanan t inggi dibagi m enj adi beber apa alir an uap dan dim asukkan ke dalam beber apa buah t ur bin t ekanan r endah.

Di ffer ent Appl i c ati ons

Tur bi ne Expansi on Li nes

Tur bi ne Configur ati ons

1 2 1 2

2 1000 ( ) 44, 72

c     h h  h  h

Ke ce pa t a n k e lu a r su d u

2 st

2000 h  c

En e r gi Te m pa t + Ene r gi Ke ce pa t a n + En e r gi Te k a na n + En e r gi Da la m = Kon st a n

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. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i

Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

Uap dengan t ekanan 20 bar , 350⁰C di ek spansikan dalam suat u alat pengar ah ( Nozzle) yang sem pur na t anpa ker ugian m enj adi uap

dengan t ekanan 3 bar . Ber apakah kecepat an akhir uap it u bila kecepat an awalnya c₁ = nol? Bagaim anakah kondisi uap di bagian keluar , bila har ga- har ga uap t er sebut dibaca dar i diagr am h – s?

8. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

Con t oh 5

– Banyaknya aliran uap, perbandingan tekanan, bentuk penampang saluran

8. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

Suat u m asa aliran uap panas m

_s

= 1 kg/ det ik dengan P1 = 20 bar dan T1 = 350

⁰

C harus diekspansikan isent r opik

sam pai 3 bar.

Penam pang salur an A har us dilaksanakan bagaim ana supaya bisa m em enuhi per sam aan kont inuit as?

Con t oh 6

8. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

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. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

1( 1)

( )

2

1 1

s maks





  





 

Massa uap yang m engalir per sat uan wakt u

Fungsi pengalir an

8. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

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. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

Lint asan bilangan pengalir an s t er hadap per bandingan t ekanan p/ p₁

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

8. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

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

Unt uk uap j enuh

Unt k uap panas lanj ut

Kecepat an 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. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

Con t oh 7

– penampang saluran pada turbin

8. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

Sudu Pengarah ( Fixed Blade) Nozzle Laval

8. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Sudu Pengar ah dan Sudu Jal an

Sudu Jalan ( Moving Blade)

I m pulse St eam Tur bine React ion St eam Tur bine

8. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Tur bi n

– 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. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Tur bi n

– 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. Al i r an Uap Keti ka Mel ewat i Tur bi n

9. Car a Ker j a dan Bagi an-Bagi an

Tur bi n Uap Ber ti ngkat

1. Tur bin Kondensasi ( Condensing Tur bine)

Tur bin yang salur an keluar nya dihubungkan dengan kondenser , sehingga t ekanan uap pada salur an keluar nya m endekat i t ekanan vakum

10. Bac k-Pr essur e Tur bi ne dan Condensi ng Tur bi ne

Condensing t ur bine < 1 bar ( 0,04 bar s.d. 0,1 bar )

2. Tur bin Tekanan Balik ( Backpr essur e Tur bine)

Tur bin yang t ekanan uap keluar nya dikont r ol dengan sebuah pusat pengat ur yang m enj aga pr oses st eam pada t ekanan yang diinginkan.

Back- Pr essur e Tur bine > 1 bar

10. Bac k-Pr essur e Tur bi ne dan Condensi ng Tur bi ne

Hubungan Antar a Tekanan dan Fl ow Steam ,

dan Tur bi ne 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

Konver si Satuan