BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Turbin gas adalah suatu unit turbin dengan menggunakan gas sebagai fluida kerjanya. Sebenarnya turbin gas merupakan komponen dari suatu sistem pembangkit. Sistem turbin gas paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama, yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin.
Turbin gas yang ada saat ini sangat luas dan beragam penggunaannya. Salah satu contoh penerapannya yang sudah sangat terkenal adalah sebagai mesin penghasil daya dorong pada pesawat terbang. Di industri, turbin gas digunakan untuk menggerakan bermacam-macam peralatan mekanik, misalnya pompa dan kompresor atau generator listrik kecil.Turbin gas juga digunakan untuk memutar generator listrik pada instalasi pembangkit listrik tenaga gas guna menanggulangi beban puncak kebutuhan listrik dan kadang-kadang juga beban menengah dan beban dasar.
2.1. Klasifikasi Turbin Gas
Turbin gas dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, sebagai berikut :
2.1.1.Berdasarkan siklus, kerjanya 1. Siklus terbuka
Dalam siklus ini, gas hasil pembakaran setelah diekspansikan pada turbin, langsung dibuang keudara bebas. Instalasi turbin gas dengan siklus in memiliki struktur yang sederhana, yaitu terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan turbin sebagai penggerak beban dan generator listrik. Struktur dan susunan dari instalasi turbin gas dengan siklus terbuka (open cycle) adalah :
Gambar 2.1. Sistem turbin gas dengan siklus terbuka Keterangan :
K = Kompresor T = Turbin
RB = Ruang Bakar G = Generator
2. Siklus tertutup (closed cycle)
Seperti halnya pada turbin uap, turbin gas dapat pula dirancang dengan sistem siklus tertutup yaitu fluida kerjanya akhir ekspansi didinginkan untuk kembali ke dalam proses awal. Hal ini sangat menguntungkan dari segi pencegahan kerusakan yang disebabkan oleh erosi dan korosi. Pemilihan fluida kerjanya dapat disesuaikan dengan persyaratan yang diminta. Salah satu
hal yang pent ing adalah bahwa pada sistem ini dapat digunakan tekanan tinggi ( sampai 40 atm ) seperti pada turbin uap, tetapi fluida kerjanya tidak mengalami perubahan fasa. Skema instalasi turbin gas siklus tertutup dapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.2. Skema Instalasi turbin gas dengan siklus tertutup.
Turbin gas dengan sistem ini konstruksinya lebih rumit, karena membutuhkan pesawat pemanas yang mempunyai luas pemanas yang besar dan juga membutuhkan pesawat pendingin udara sebelum masuk kompresor.
Keuntungannya adalah:
- Lebih menghemat penggunaan bahan Bakar
- Untuk daya yang sama, turbin ini mempunyai ukuran yang lebih kecil. - Bisa bekerja dengan tekanan yang tinggi
2.1.2. Menurut konstruksinya:
1. Turbin gas berporos Tunggal (single shaft)
Turbin gas ini digunakan untuk pembangkit listrik pada perusahaan listrik maupun industri yang berskala besar
2. Turbin gas berporos ganda ( multi shaft )
Jenis turbin ini digunakan untuk menahan beban dan torsi yang bervariasi. Poros pertama turbin dikopel langsung dengan poros aksial. Turbin dengan tekanan tinggi berfungsi menggerakan kompresor, mensuplai gas panas untuk turbin bertekanan rendah. Turbin tekanan rendah untuk memutar generator listrik. Turbin multi shaft ini juga digunakan untuk sentral listrik dan industri. Turbin ini direncanakan beroperasi pada putaran yang berbeda tanpa menggunakan reduction gear.
Gambar 2.3. Turbin gas berporos ganda
Keterangan :
P = Poros HPT = Hight Pressure Turbine
LPT = Low Pressure Turbine
3. Turbin gas dengan siklus kombinasi
Karena banyaknya energi yang hilang bersama dengan terbuangnya gas buang, maka telah dilakukan beberapa upaya untuk memanfaatkannya dengan
cara menambah beberapa macam proses baru serta peralatan tambahan sehingga energi yang seharusnya terbuang dapat dimanfaatkan lagi untuk suatu proses tertentu sehingga dengan demikian dapat meningkatkaan efesiensi dari sistem tersebut. Tetapi seiring dengan hal itu, bertambah pula biaya investasi yang diperlukan karena harus membeli peralatan baru. Dilihat dari segi ekonomisnya, turbin gas dengan siklus kombinasi memiliki kebaikan dan keuntungan bila turbin gas ini dijalankan untuk base load (beban dasar atau utama) dan secara kontinue. Ada beberapa macam turbin gas siklus kombinasi, antara lain:
a. Turbin gas dengan siklus Regenerasi
Pada turbin gas dengan siklus regenerasi dilakukan penambahan peralatan berupa alat penukar kalor ( Heat Exchanger ) yang diletakan antara ruang bakar dan saluran gas buang. Udara bertekanan dari kompresor mengalir dengan suhu rendah ke heat exchanger untuk kemudian diteruskan ke ruang bakar dengan temperatur tinggi. Panas yang diberikan oleh heat exchanger diperoleh dari sisa gas buang yang dilewatkan terlebih dahulu didalam pesawat penukar kalor sebelum dibuang keudara beban. Skema dari instalasi tersebut dapat dilihat pada gambar 2.4.
Gambar 2.4. Skema turbin gas siklus regeneratif dengan heatexchanger
Keterangan :
K = Kompresor T = Turbin
RB = Ruang Bakar G = Generator
P = Poros HE = Heat Exchanger
b. Siklus gabungan turbin gas dengan turbin uap
Siklus ini gabungan dari siklus Rankine (turbin uap) dan siklus Brayton (turbin gas). Panas dari turbin gas dimanfaatkan kembali untuk turbin uap dengan alat pemindah panas. Berikut skema siklus gabungan “ Combined gas and steam cycle “ pada gambar 2.5.
Gambar 2.5. Skema Siklus gabungan turbin uap dan turbin gas 4. Menurut arah aliran fluida kerjanya
yaitu :
1. Turbin aksial , dimana arah aliran fluida kerjanya sejajar dengan poros
2. Turbin radial , dimana arah aliran fluida kerianya menyilang poros atau dalam arah tegak lurus dengan poros turbin.
2.2 Komponen – Komponen Utama Turbin Gas
Turbin gas mempunyai komponen utama yaitu kompresor, ruang bakar (combustion chamber), turbin gas, load gear dan generator.
1. Kompresor
Kompresor berfungsi untuk menghisap udara luar ( udara atmosfir ) dan selanjutnya dikompresikan untuk mendapatkan tekanan yang lebih besar.
2. Ruang bakar
Ruang bakar (combustion chamber) untuk tempat pembakaran bahan bakar agar diperoleh fluida kerja berupa gas hasil pembakaran yang akan digunakan untuk menggerakkan turbin. Bahan bakar terbakar akibat bercampur dengan udara kompresi serta dengan bantuan percikan nyala api dari busi.
3. Turbin
Turbin berfungsi merubah energi kinetik yang tersimpan pada gas hasil pembakaran menjadi energi berguna.
4. Generator
Generator berfungsi untuk merubah energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin gas menjadi energi listrik
2.3. Sistem Kerja Dan Start Turbin Gas
Penggerak mula yang digunakan pada sistem ini adalah motor diesel. Motor diesel ini dihubungkan dengan accessory gear melalui torque converter dan clutch. Mula-mula motor diesel akan memutar kompresor, turbin dan generator sekaligus dalam keadaan idle ( tanpa beban ) sampai tercapai putaran ( 16-22 ) % dari putaran kerja. Pada putaran ini kapasitas kompresor telah cukup untuk proses pembakaran sehingga proses pembakaaran telah dapat didalam ruang bakar. Gas panas hasil pembakaran kemudian diekspansikan kedalam turbin secara kontinue. Jumah bahan bakar terus bertambah, sehingga mengakibatkan entalpi hasil pembakaran semakin tinggi, demikian juga tenaga ( daya ) yang dihasilkan turbin semakin besar. Dengan semakin meningkatnya daya yang dihasilkan turbin, akan membawa kompresor dan turbin itu sendiri semakin cepat berputar. Pada. putaran sekitar ( 65 – 75 ) % dari putaran kerja maka motor diesel telah tertingga l putarannya, sehingga terjadi slip pada kopling. Pada saat inilah kopling melepas hubungan antara motor diesel dan turbin. Kemudian motor diesel berjalan idle dan akhirnya berhenti, sementara turbin berakselerasi sendiri dengan adanya tambahan bahan bakar sampai dengan putaran kerja. Pada saat putaran kerja telah tercapai, governor telah berfungsi untuk mengatur bahan bakar dan program start telah selesai, sehingga turbin siap menerima beban dari generator dan operasi terus berjalan dengan bervariasi beban dari generator.
2.4. Siklus Kerja Turbin Gas
Turbin gas pada umumnya memiliki dua siklus kerja, yaitu : 2.4.1. Siklus ideal
Turbin gas secara termodinamika beker ja dengan sik lus brayton. Siklus ini merupakan siklus ideal untuk sistem turbin gas sederhana dengan siklus terbuka. Seperti terlihat pada gambar 2.1.
Siklus ideal adalah suatu siklus yang dibangun berdasarkan asumsi sebagai berikut : (Arismunandar, 2002)
- Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara reversibel adiabatik (isentropis).
- Perubahan energi kinetik dari fluida kerja diantara sisi masuk dan sisi keluar setiap kompresor diabaikan.
- Tidak ada kerugian tekanan pada sisi masuk ruang bakar dan keluar gas. - Fluida kerja dianggap gas ideal dengan panas jenis konstan.
Adapun diagram h,T vs S dan P vs V dapat dilihat berikut ini:
Proses proses yang terjadi dari diagram tersebut diatas adalah sebagai berikut : • Proses 1-2 : Proses kompresi isentropis pada kompresor.
• Proses 2-3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan ( isobar ) didalam ruang bakar, adanya pemasukan panas
• Proses 3-4 : Proses ekspansi isentropik pada turbin.
Dengan demikian pada proses steady state untuk masing-masing proses diatas, diperoleh
• Proses 1-2 : Kerja kompresor
Wkomp =Cp ( T2a — T1 )
= h2a – h1 ( k J / k g ) ……….(2.1)
• Proses 2-3 Pemasukan panas
Q RB = Cp ( T3 - T2a)
= h3 –h2a ( kJ / kg) ………. (2.2)
• Proses 3-4 : Kerja turbin
WTa =Cp ( T3 — T4a)
= h3 – h4a (kJ/kg) ………. (2.3)
• Kerja netto siklus ( W net )
W net = WTa - Wka ………. (2.4)
= Cp (T3—T4a)— Cp (T2a— T1) = [(h3 – h4a)- ( h2a – h1)]
dengan pemasukan energi.
2.4.2. Siklus aktual
Proses – pro ses yang terjad i diat as berlaku secara teorit is, tetapi kenyataannya (secara aktual ) terjadi penyimpangan – penyimpangan dan proses yang ideal. Penyimpangan-penyimpangan itu adalah :
1. Fluida kerja bukanlah gas ideal dengan panas spesifik konstan. 2. Laju aliran massa fluida kerja tidak konstan.
3. Proses yang berlangsung diset iap ko mpo nen t idak adiabat ik dan reversibel, karena ada kerugian energi akibat gesekan, perpindahan panas dan lain-lain.
4. Proses kompresi didalam kompresor tidak berlangsung secara isentrofik. 5. Proses ekspansi didalam turbin tidak berlangsung secara isentropik. 6. Proses pembakaran tidak berlangsung secara adiabatik serta tidak dapat menjamin terjadinya pembakaran sempurna, sehingga untuk mencapai temperatur gas masuk turbin yang ditetapkan diperlukan jumlah bahan bakar yang lebih banyak.
7. T e r j a d i p e n u r u n a n t e k a n a n p a d a r u a n g b a k a r
