BAB II TINJAUAN PUSTAKA. Turbin gas merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Cara Kerja Instalasi Turbin Gas

Turbin gas merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial gas menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin secara langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Turbin gas dapat digunakan pada berbagai bidang industri, diantaranya pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi.

Gambar 2.1. Instalasi turbin gas (sumber : internet)

Turbin gas merupakan suatu unit yang menggunakan gas sebagai fluida kerjanya. Kompresor memampatkan udara dari luar menjadi udara yang bertekanan tinggi dan diumpankan ke ruang bakar. Bersama-sama dengan udara yang bertekanan tinggi, bahan bakar dibakar di ruang bakar. Gas panas yang

(2)

yang dialirkan ke turbin untuk menggerakkan rotor yang dihubungkan dengan generator listrik.

Gambar 2.2. Instalasi turbin gas (sumber : internet) 2.2. Klasifikasi Turbin Gas

2.2.1 Berdasarkan Siklus Kerja 2.2.1.a. Siklus Terbuka

Pada siklus ini gas hasil pembakaran langsung dibuang ke udara bebas setelah diekspansikan di dalam turbin. Instalasi ini memiliki struktur yang sederhana yaitu terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan turbin yang berfungsi sebagai penggerak kompresor dan beban. Skema instalasi turbin gas siklus ini ditunjukkan pada gambar sebagai berikut :

(3)

Udara masuk

K

RB

Buang Gas Bahan Bakar

T

Gambar 2.3.Diagram alir turbin gas siklus terbuka (sumber : lit 1, hal 509)

2.2.1.b. Siklus Tertutup

Siklus tertutup dibagi menjadi siklus tertutup langsung dan siklus tertutup tak langsung. Pada siklus tertutup langsung (direct closed cycle), gas pendingin dipanaskan di dalam reaktor dan berekspansi melalui turbin, didinginkan di dalam penukar kalor dan dikompresi kembali ke reaktor. Siklus ini dapat juga menggunakan gas lain yang bukan hanya udara. Tidak ada buangan gas radioaktif yang dibuang ke atmosfer dalam operasi normal. Fluida yang paling cocok untuk ini adalah helium. Sedangkan pada siklus tertutup tak langsung (indirect closed

cycle) merupakan gabungan siklus terbuka tak langsung dan siklus tertutup

langsung, karena reaktornya terpisah dari fluida kerja oleh suatu penukar kalor. Sedangkan gas kerja itu membuang kalor ke atmosfer melalui penukar kalor. Bahan pendingin primer biasanya air, atau gas helium.

Pada siklus tertutup ini fluida kerja tidak berhubungan dengan atmosfir sekitarnya, dengan demikian dapat juga dijaga kemurniannya. Hal ini sangat

(4)

sampai 40 atm seperti pada instalasi uap, tetapi kerjanya tidak mengalami perubahan fasa. Keuntungan pada siklus ini antara lain adalah :

1. Untuk daya yang sama turbin ini mempunyai ukuran yang lebih kecil 2. Dapat digunakan pada sistem bertekanan tinggi

3. Lebih menghemat penggunaan bahan bakar

Gas K l Gas k Penukar -Kalor Kompresor Penukar - Turbin 3 2 Beban 1 4

Gambar 2.4. Skema instalasi gas siklus tertutup langsung (sumber : lit 1, hal 509)

2.2.1.c. Siklus Kombinasi

Siklus kombinasi pada umumnya adalah usaha untuk memanfaatkan gas buang dengan cara menambahkan beberapa alat sehingga energi yang seharusnya terbuang dapat dimanfaatkan lagi untuk suatu proses tertentu yang pada akhirnya proses tersebut akan meningkatkan efisiensi sistem. Turbin gas dengan siklus ini akan bermanfaat jika dijalankan untuk base load (beban dasar atau utama) dan secara kontinu.

(5)

2.2.2. Berdasarkan Konstruksi 2.2.2.a. Turbin Gas Poros Tunggal

Turbin satu poros mempunyai kompresor, turbin, dan beban pada satu poros yang berputar pada kecepatan tetap. Konfigurasi ini digunakan untuk menggerakkan generator kecil dan generator besar untuk utilitas.

2.2.2.b. Turbin Gas Poros Ganda

Turbin ini digunakan untuk menahan beban dan torsi yang bervariasi dimana poros pertama turbin dikopel langsung dengan poros aksial. Pada jenis ini, turbin terdiri atas dua buah yaitu turbin tekanan tinggi dan turbin tekanan rendah. Turbin dengan tekanan tinggi berfungsi menggerakkan kompresor dan mensuplai gas panas untuk turbin bertekanan rendah. Turbin berporos ganda ini juga digunakan untuk sentral listrik dan industri. Turbin ini direncanakan beroperasi pada putaran yang berbeda tanpa menggunakan reduction gear. TM 2500 PLTG Paya Pasir merupakan contoh dari turbin gas poros ganda.

2.2.3. Berdasarkan Aliran Fluida 2.2.3.a. Turbin Aliran Axial

Adalah turbin dengan arah aliran fluida diperoleh pada arah sejajar dengan dengan sumbu poros turbin. Turbin aksial umumnya sering digunakan untuk kapasitas dan daya besar karena mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan turbin jenis radial. Antara lain yaitu:

1. Efisiensinya lebih baik

2. Perbandingan tekanan (rp) dapat dibuat lebih tinggi

(6)

Gambar 2.5. Rotor turbin rasio bertekanan tinggi ALSTOM (sumber : Gas Turbine Engineering Hand book, Meherwan P. Boyce)

Bila ditinjau dari sistem konversi energinya, turbin aksial dibagi menjadi dua bagian yaitu :

1. Turbin aksial reaksi

Turbin yang proses ekspansinya terjadi tidak saja pada laluan–laluan sudu gerak, sehingga penurunan seluruh kandungan kalor pada semua tingkat terdistribusi secara merata.

2. Turbin aksial aksi (impuls)

Merupakan turbin yang proses ekspansi (penurunan tekanan) fluidanya hanya terjadi pada sudu diam dan energi kecepatan diubah menjadi energi mekanis pada sudu–sudu turbin (tanpa terjadinya ekspansi pada sudu gerak itu).

(7)

2.2.3.b. Turbin Aliran Radial

Turbin aliran radial adalah turbin dengan arah aliran fluida diperoleh pada arah tegak lurus dengan sumbu poros turbin.

Gambar 2.6. Karakteristik turbin aliran radial

Pada turbin radial, ekspansi fluida dari tekanan awal ke tekanan akhir terjadi di dalam laluan semua baris sudu–sudu yang berputar. Turbin radial umumnya digunakan untuk aliran yang kecil, dimana turbin radial lebih murah dan sederhana untuk dibuat bila dibandingkan dengan turbin aksial. Sebagai contoh pada instalasi turbin gas yang kecil dalam bidang automotif dan pompa pemadam yang dapat dipindah–pindah.

2.3. Siklus Kerja Turbin Gas

Turbin gas secara thermodinamika bekerja dengan siklus Brayton (Brayton

cycle). Siklus ini merupakan siklus ideal untuk sistem turbin gas sederhana

dengan siklus terbuka. Siklus ini terdiri dari dua proses isobar (tekanan tetap) dan dua proses adibatik mampu balik (isentropic).

(8)

Siklus ideal adalah siklus dengan asumsi :

1. Proses kompresi dan ekspansi terjadi secara isentropik

2. Perubahan energi kinetik dari fluida kerja antara sisi masuk dan sisi keluar kompresor diabaikan

3. Tidak ada kerugian tekanan pada sisi masuk dan sisi keluar ruang bakar 4. Laju aliran massa gas dianggap konstan.

Adapun diagram T–s untuk siklus terbuka seperti terlihat pada gambar 2.7 di bawah ini :

3

T

q_in

Gambar 2.7. Diagram T – s siklus terbuka turbin gas (Sumber : Lit 1. hal. 510)

Dari gambar diagram T –s tersebut, proses yang terjadi adalah : Proses 1 – 2 : Proses kompresi isentropik pada kompresor

Proses ini merupakan proses kerja kompresor. Kerja spesifik kompresor itu sendiri adalah kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor pada kondisi ideal.

WK = Cp ( T2 – T1 ) = h2 – h1 (kJ/kg)...lit. 2, hal 38 W _out 2 4 W_in s 1 qout

(9)

dimana :

Cp = Panas jenis udara pada tekanan konstan (kJ/kg K)

T1 = Temperatur udara masuk kompresor (K)

T2 = Temperatur udara keluar kompresor (K)

= Temperatur udara masuk ruang bakar

h1 = Entalpi udara spesifik masuk kompresor (kJ/kg)

h2 = Entalpi udara spesifik keluar kompresor (kJ/kg)

= Entalpi udara spesifik masuk ruang bakar

Proses 2 – 3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan (isobar) dalam ruang bakar.

Proses ini merupakan proses terjadinya pemasukan panas yang juga berarti besarnya kalor spesifik pada ruang bakar

Qin = Cp ( T3 – T2 )

= h3 – h2 (kJ/kg)...lit 1, hal 510 dimana :

T3 = Temperatur gas keluar ruang bakar (K)

= Temperatur gas masuk turbin

h3 = Entalpi gas keluar ruang bakar atau entalpi gas masuk turbin

(kJ/kg)

Proses 3 – 4 : Proses ekpansi isentropik pada turbin Proses ini merupakan proses kerja turbin

WT = Cp ( T3 – T4 )

(10)

dimana :

T4 = Temperatur gas keluar turbin (K)

h4 = Entalpi gas keluar turbin (kJ/kg)

Proses 4 – 1 : Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan

Proses ini menyatakan besarnya kalor spesifik pada proses pembuangan kalor Qout = Cp ( T4 – T1 )

= h4 – h1 (kJ/kg)...lit 1, hal 510 Dari kerja spesifik yang terjadi pada setiap proses diatas maka diperoleh : 1. Kerja Netto Siklus (Wnett)

Kerja netto siklus adalah selisih kerja yang dihasilkan turbin dengan kerja yang dibutuhkan kompresor tiap kg gas

Wnett = WT - WK

= Cp ( T3 – T4 ) - Cp ( T2 – T1 )

Wnett = Cp [( T3 – T4 ) - ( T2 – T1 )]...lit 1, hal 516

(11)

2. Efisiensi siklus (ηth)

Adalah perbandingan antara kerja netto siklus dengan pemasukan energi,

ηth, Brayton = in nett Q W = ) ( ) ( ) ( 2 3 1 2 4 3 T T C T T C T T C p p p     _{...lit 1, hal 510} 3. Pressure Ratio (rp)

Adalah perbandingan tekanan dikarenakan proses 1 – 2 dan 3 – 4 berlangsung secara isentropis dimana, P1 = P4 dan P2 = P3 maka

1 2 T T = k k P P ) 1 ( 1 2        = k k P P ) 1 ( 4 3        = 4 3 T T ...lit 1, hal 510

dimana rp adalah rasio tekanan,

1 2 P P = rp = 4 3 P P ...lit 1, hal 510 sehingga, ηth Brayton = 1 -            k k p r ( 1) 1 ...lit 1, hal 510

Proses diatas merupakan proses secara teoritis. Pada kenyataannya terjadi penyimpangan dari proses tersebut dimana proses inilah yang disebut proses aktual. Proses aktual ini diakibatkan oleh :

a. Fluida kerja bukan merupakan gas ideal dengan panas spesifik konstan, b. Laju aliran massa fluida kerja tidak konstan,

c. Proses yang terjadi di setiap komponen adiabatik,

d. Proses kompresi di dalam kompresor tidak berlangsung secara isentropik, e. Proses ekspansi di dalam turbin tidak berlangsung secara isentropis,

(12)

f. Proses pembakaran tidak berlangsung secara adiabatik serta tidak menjamin terjadinya proses pembakaran sempurna

g. Terjadinya penurunan tekanan pada ruang bakar dan turbin. Penyimpangan yang terjadi dapat dilihat pada gambar 2.9 :

Gambar 2.9. Diagram T-s siklus aktual (sumber : lit 3, hal 37)

4.Efisiensi kompresor dan turbin a. Efisiensi isentropik

Dengan menggunakan konsep enthalpy stagnasi atau temperatur untuk memperoleh jumlah setiap perubahan dalam energi kinetik fluida diantara sisi masuk dan buang. Untuk itu diperoleh efisiensi kompresor dan tubin dengan menggunakan perbandingan temperatur stagnasi, yaitu :

(13)

Turbin : ηt = ' W W = ' 04 03 04 03 T T T T   _{...lit 2, hal 48}

Pada perhitungan siklus, nilai untuk ηc dan ηt nantinya akan diasumsikan. Sedangkan temperatur ekivalen dari transfer kerja adalah untuk memberikan perbandingan tekanan (ratio pressure), dengan persamaan

T02 – T01 =                   1 ) 1 ( 01 02 01 k k C p P T  ...lit 2, hal 49 dan, T03 – T04 = ηt .T03                   k k p p ) 1 ( 04 03/ 1 1 ...lit 2, hal 49 b. Efisiensi politropik

Dengan pertimbangan yang membawa kepada konsep politropic

(small-stage) efficiency yang didefenisikan sebagai efisiensi isentropik yang berkenaan

dengan tingkat dalam proses adalah konstan pada keseluruhan proses. η∞c = Efisiensi politropik kompresor

η∞c = tan ` kons dT dT  ...lit 2, hal 51 tetapi : tan ) 1 ( kons P T k k  ...lit 2, hal 51 Dimana dalam bentuk diferensial :

P dP k k T dT` _1  ...lit 2, hal 51

(14)

Substitusikan dengan dT` dari persamaan sebelumnya maka : P dP k k T dT c 1     ...lit 2, hal 51

Dengan mengintegralkan antara masukan pada titik 1 dan keluaran pada titik 2 maka : η∞c =              1 2 ) 1 ( 1 2 ln ln T T P P k k ...lit 2, hal 51

Dan untuk efisiensi politropik turbin ; η∞t = Efisiensi politropik turbin

dimana : k k t P P T T ) 1 ( 4 3 4 3           ...lit 2, hal 52 maka :





4 3 4 3 1 _log log P P k k T T t          

Untuk turbin gas pada industri diambil p₀₁  p_a dan T , dimana untuk gas buang turbin ke atmosfir luar akan diambil sama dengan Jika nilai efisiensi isentropik yang diperoleh bervariasi dengan kompresi atau rasio ekspansi, maka akan ditampilkan pada gambar 2.10 .

a T  01 04 p p_a.

(15)

Gambar 2.10. Grafik variasi nilai efisiensi isentropic turbin dan kompresor dengan rasio tekanan untuk efisiensi politropik 85%

(sumber : lit 2, hal 52) 2.4. Ruang Bakar

Suatu reaksi kimia dimana suatu bahan bakar dioksidasi dan sejumlah besar energi dilepaskan disebut pembakaran. Hal tersebut terjadi di dalam ruang bakar atau combustion chamber. Pengoksidasi yang paling sering digunakan di dalam proses pembakaran adalah udara karena pertimbangan udara dapat diperoleh bebas dan siap tersedia. Kalor spesifik yang masuk (qin) pada ruang

bakar adalah gas hasil pembakaran. Pembakaran ini menaikkan temperatur gas sekaligus menaikkan enthalpinya dan secara teoritis terjadi pada tekanan konstan. Seperti yang telah disebutkan diatas udara dibutuhkan untuk reaksi stoikiometri pembakaran yang dapat diperoleh dari persamaan umum

CxHy + nO2  aCO2 + bH2O

dimana :

(16)

2.5. Generator

Pada proses pembebanan arus bolak-balik unsur yang terlihat dalam konversi energi daya adalah :

1. Daya nyata (V.I.cosφ) dalam Watt merupakan besaran yang terlibat dalam konversi daya

2. V.I.cosφ merupakan daya reaktif yang juga merupakan suatu kebutuhan yang harus dilayani. Daya reaktif hanya membebani biaya investasi bukan biaya

operasi

Beban membutuhkan daya reaktif karena :

1. Karakteristik beban itu sendiri yang tidak bisa dielakkan 2. Proses konversi daya di dalam alat itu sendiri.

Dari hal diatas disimpulkan bahwa daya yang harus disuplai oleh turbin kepada generator harus dapat memenuhi kebutuhan daya nyata atau daya reaktif seperti digambarkan pada gambar 2.11.

dimana : PN = Daya berguna/Aktif P PB = Daya semu PE = Daya reaktif φ PB PE

Gambar 2.11. Daya pada generator

Dalam hal transmisi daya dan putaran ke generator akan terjadi kerugian mekanis. Sehingga daya yang dibutuhkan generator adalah daya semu

(17)

dimana :

Cosφ = Faktor daya

Sedangkan daya reaktifnya yaitu :

PE = m g B P   .

dimana : ηg = Efisiensi generator (0.98)

ηm = Efisiensi mekanis generator (0,9) 2.6. Laju Aliran Massa Udara

Dalam menentukan laju aliran massa udara dan bahan bakar maka keadaan yang dihitung adalah pada temperatur rata–rata udara atmosfer yang dihisap kompresor. Hal ini berguna untuk mendapatkan perbedaan daya keluaran sistem agar tidak terlalu besar bila sistem bekerja pada temperatur udara atmosfer rendah ataupun temperatur udara atmosfer tinggi.

Laju aliran massa udara dan bahan bakar dapat dihitung dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi dan instalasi :

PE = PT - PK PE = (( + ). WTa - . WKa o a m mo_f mo_a dimana : = o a m K T a o o f E W W m m P           . 1 = o a m