BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Gas
Turbin adalah mesin penggerak mula dimana fluida kerjanya yang menghasilkan energi kinetis diarahkan langsung ke sudu turbin untuk mendapatkan energi mekanis, fluida kerjanya dapat berupa air, udara panas ataupun uap air (steam).
Turbin gas adalah mesin penggerak mula dimana fluida kerjanya yang mempergunakan gas panas yang dihasilkan dalam ruang bakar,. Prinsip dasar pengoperasian turbin ini adalah merubah energi kinetis yang berupa kecepatan aliran udara panas menjadi energi mekanis yang berupa putaran turbin sehingga menghasilkan daya.
Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakkan beban.
Turbin gas merupakan salah satu komponen dari suatu sistem turbin gas. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompressor, ruang bakar dan turbin gas.
Oleh sebab itu didalam sistem turbin gas terjadi tiga proses pokok untuk memproduksi energi yaitu :
1. Proses penekanan/pemampatan udara (kompresi) 2. Proses pembakaran udara - bahan bakar
3. Proses ekspansi gas hasil pembakaran.
2.2 Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas
Udara masuk kedalam kompressor melalui saluran masuk (inlet). Kompressor ini berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekana udara tersebut, akibatnya temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara yang telah dikompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Didalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehinnga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur.
Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu - sudu turbin. daya yang dihasilkan turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll.Setelah melewati turbin gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust)
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut :
1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan kedalam ruang bahan bakar dengan udara kemudian dibakar.
3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir keluar melalui nozel
4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.
.
Pada kenyataanya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetapi terjadi kerugian - kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh gas turbin dan berakibat pada menurunnya performansi turbin gas itu sendiri. Kerugian - kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab - sebab terjadinya kerugian antara lain :
• Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.
• Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
• Berubahnya nilai Cp dari fluida akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
• Adanya mechanical loss, dsb.
Untuk memperkecil kerugian ini hal yang dapat kita lakukan antara lain dengan perawatan (maintenance) yang teratur atau dengan memodifikasi peralatan yang ada.
.
2.3 Klasifikasi Sistem Turbin Gas
Sistem turbin gas dapat di klasifikasikan menjadi beberapa jenis antara lain :
• Klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan siklusnya
• klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan konstruksi porosnya
• Klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan alirannya
2.3.1 Klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan siklusnya 1. Siklus terbuka (opened cycle)
2. Siklus tertutup (closed cycle)
Sistem kerja turbin gas dengan siklus tertutup prosesnya hampir sama dengan siklus terbuka. Namun gas bekas yang keluar dari turbin dimasukkan kembali ke kompressor untuk di kompresikan kembal, tetapi sebelum mendekati kompressor gas bekas tersebut mengalami pendinginan hingga temperatur awal memasuki kompressor pada sebuah alat penukar kalor (APK)
Gambar 2.3. Skema siklus sistem terbuka dan tertutup
3. Siklus kombinasi (Combination Cycle)
Siklus kombinasi ini sangat memperhatikan efisiensi dan penghematan energi yang berasal dari gas buang yang merupakan kerugian besar apabila gas buang dengan temperatur yang makin tinggi keluar dari turbin gas namun tidak dimanfaatkan, bahkan dibuang ke udara bebas.
Ada beberapa jenis siklus kombinasi ini, antara lain : Siklus sistem regeneratif
Siklus Reheat
Siklus gabungan turbin gas dan turbin uap.
Siklus Sistem Regeneratif
kalor diantara kompresor dan ruang bakar, sehingga pada alat penukar kalor ini terjadi pelepasan panas dari gas bekas dan penyerapan panas oleh udara keluar kompresor. Tujuan siklus ini adalah untuk meningkatkan temperatur udara yang masuk ke ruang bakar, sehingga efisiensi thermal dan efisiensi bahan bakar dapat tercapai.
Siklus Sistem Reheat
Pada sistem turbin gas jenis ini, sistem menggunakan dua tingkat turbin gas yaitu :
1. Turbin gas tekanan tinggi (HP Turbine) 2. Turbin tekanan rendah (LP Turbine)
Reheat ditempatkan antara turbin tekanan tinggi (HP Turbine) dan turbin tekanan rendah (LP Turbine), alat ini berfungsi memanaskan kembali gas bekas yang keluar dari HP turbine sebelum diekspansikan pada LP Turbine.
Siklus Sistem Gabungan Turbin Gas dan Turbin Uap
Siklus ini biasanya disebut dengan combine cycle, yaitu suatu sistem pembangkit tenaga gas dan tenaga uap.
Panas yang dilepas dari pembangkit turbin gas dimanfaatkan oleh sistem pembangkit tenaga uap, temperatur yang keluar dari sistem turbin gas masih relatif tinggi dan dialirkan ke Heat Recovery Steam Generator (HRSG) sehingga menghasilkan uap yang siap digunakan untuk menggerakkan turbin
Gambar 2.4. Siklus kombinasi Turbin Gas
2.3.2 Klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan konstruksinya Menurut konstruksinya Turbin Gas terbagi atas dua bagian, yaitu: 1. Turbin Gas berporos tunggal ( single shaft )
Turbin gas ini hanya memiliki satu poros saja, tetapi pada poros tersebut terdiri dari beberapa komponen utama turbin gas, seperti sudu turbin dan sudu kompressor. Jenis ini banyak digunakan untuk pembangkit listrik maupun industri, karena digunakan padas daya beban torsi yang konstan.
2. Turbin Gas berporos ganda ( multy shaft )
Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang berubah seperti kompresor pada unit.
Turbin gas ini menggunakan poros ganda atau lebih dan biasanya digunakan untuk beban torsi yang tinggi ataupun bervariasi.
Gambar 2.6. Turbin Gas berporos Ganda
2.3.4 Klasifikasi Turbin Gas menurut arah alirannya
Menurut arah alirannya Turbin Gas dibedakan atas dua bagian, yaitu : 1. Turbin Axial
Disebut turbin axial karena arah aliran fluida kerjanya sejajar dengar poros turbin.
Gambar 2.7. Turbin gas tipe axial 2. Turbin Radial
Gambar 2.8. Turbin gas tipe radial
2.4 Siklus Dasar Turbin Gas
Siklus ini merupakan siklus daya thermodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbin atau manufactur dalam analisa untuk upgrading performance. Siklus brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Pada siklus brayton tiap - tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut.
Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:
•1 – 2 Kompresi isentropik (isentropic compression) di kompresor
•2 – 3 Penambahan panas tekanan tetap (constant pressure heat addition)
•3 – 4 Expansi isentropik (isentropic expansion) di turbin
•4 – 1 Pembuangan panas tekanan tetap (constant pressure heat rejection)
Proses yang terjadi pada PLTG adalah sebagai berikut :
Pertama, turbin gas berfungsi menghasilkan energi mekanik untuk memutar kompresor dan rotor generator yang terpasang satu poros, tetapi pada saat start up fungsi ini terlebih dahulu dijalankan oleh penggerak mula (prime mover).
Penggerak mula ini dapat berupa diesel, motor listrik atau generator turbin gas itu sendiri yang menjadi motor melalui mekanisme SFC (Static frequency Converter). Setelah kompresor berputar secara kontinu, maka udara luar terhisap
hingga dihasilkan udara bertekanan pada sisi discharge (tekan) kemudian masuk ke ruang bakar.
Kedua, proses selanjutnya pada ruang bakar, jika start up menggunakan bahan bakar cair (fuel oil) maka terjadi proses pengkabutan (atomizing) setelah itu terjadi proses pembakaran dengan penyala awal dari busi, yang kemudian dihasilkan api dan gas panas bertekanan. Gas panas tersebut dialirkan ke turbin sehingga turbin dapat menghasilkan tenaga mekanik berupa putaran. Selanjutnya gas panas dibuang ke atmosfir dengan temperatur yang masih tinggi.
2.4.1 Siklus Brayton Ideal
Siklus Brayton ideal merupakan siklus teoritis yang terdiri dari 4 (empat) macam proses yaitu:
(1) (2) : Proses kompresi secara isentropis/adiabatis (2) (3) : Proses penambahan panas secara isobar
Proses–proses tersebut diatas dapat digambarkan pada diagram P–V dan T–S siklus brayton ideal seperti gambar dibawah ini.
Gambar 2.10. Diagram siklus brayton ideal
Pada hukum Thermodinamika I untuk setiap proses steady pada masing – masing sistem yang ditunjukkan dalam diagram energi serta dengan mengabaikan perubahan potensial.
Proses (1) (2) := Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor Wc = ma (h2 – h1)
Proses (2) (3) = Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (mc + mf) h3 – ma . h2
Proses (3) (4) = Daya yang dibutuhkan turbin WT = (ma + mf) (h3 – h4)
Proses (4) (1) = Jumlah kalor yang dilepas QR = (ma + mf) (h4 – h1)
Daya bersih sistem (Nnet) Wnet = Wt - Wc
Efisiensi thermal siklus :
ηth = 𝑃𝑃𝑃𝑃+𝑃𝑃𝑃𝑃
𝑄𝑄𝑄𝑄
= Pt +Pk
(ma + mf )h3− ma .h2
Dimana
Pt = Kerja turbin Pk = Kerja kompresor ma = Massa udara mf = massa bahan bakar
mc = massa campuran udara + bahan bakar
2.4.2 Siklus Brayton Aktual
Siklus Brayton aktual selalu memperhitungkan kerugian – kerugian dan penyimpangan – penyimpangan yang terjadi baik dikompressor, ruang bakar maupun turbin.
Adapun kerugian dan penyimpangan tersebut terjadi sebagai akibat dari proses berikut :
1. Proses kompresi didalam kompresor tidak berlangsung secara isentropis akibat gesekan fluida kerja.
2. Proses ekspansi didalam turbin tidak berlangsung secara isentropis akibat fluida kerja.
3. Terjadi penurunan tekanan pada ruang bakar.
4. Panas jenis dari fluida kerja akan bervariasi akibat perubahan temperatur. 5. Gas hasil pembakaran adalah bukan gas sempurna
Berikut ini akan digambarkan diagram h,s siklus brayton aktual turbin gas seperti gambar dibawah ini dengan memperlihatkan penyimpangan – penyimpangan yang terjadi.
Gambar 2.11. Diagram T-S siklus brayton aktual
Dari diagram diatas dapat dilihat bahwa
A.kompresi berlangsung tidak secara isentropis menurut garis 1 – 2, sedangkan pada proses ideal pada garis 1 – 2s.
B.Proses ekspansi tidak dapat berlangsung secara isentropis dengan mengikuti garis 3 – 4, sedangkan proses ideal adalah mengikuti garis ideal 3 – 4s.
C.Penurunan tekanan terjadi di ruang bakar dari P2 – P3.
D.Tekanan pada saat keluar turbin, sama dengan tekanan pada saat masuk kompressor (P4 = P1), hal ini dikarenakan turbin gas menggunakan siklus terbuka.
Dengan demikian proses kompresi dan ekspansi dengan gesekan fluida mengakibatkan entalphi mengalami peningkatan dalam proses adiabatik dan hal ini disebabkan oleh tingkat ketidakmampu – balikan fluida semakin besar.
Ketidakmampu – balikan disebabkan oleh gesekan fluida akan meningkatkan temperatur fluida sekaligus fluida akan menyerap beberapa masukan fluida kerja dilepas dalam gesekan fluida
3 2a
Pada akhirnya peningkatan entalphi akan menurunkan kerja atau daya bersih siklus akibat kerja kompresor semakin besar dan sebaliknya kerja turbin akan menurun, sehingga proses diatas memiliki efisiensi politropik atau adiabatik isentropik.
Efisiensi isentropik kompresor (ηc)
ηc = 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 𝐼𝐼𝐼𝐼𝐾𝐾𝐾𝐾𝐼𝐼
𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 𝐴𝐴𝑃𝑃𝑃𝑃𝐴𝐴𝐾𝐾𝐼𝐼
= ℎ2𝑠𝑠−ℎ1
ℎ2−ℎ1
Efisiensi isentropik turbin (ηt)ηt =
𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 𝐴𝐴𝑃𝑃𝑃𝑃𝐴𝐴𝐾𝐾𝐼𝐼 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 𝐼𝐼𝐼𝐼𝐾𝐾𝐾𝐾𝐼𝐼
= ℎ3 −ℎ4
ℎ3 −ℎ4𝑠𝑠
2.5 Komponen Utama Turbin Gas
Adapun komponen - komponen utama turbin gas adalah :
• Air Inlet Section
Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara se belum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari:
1. Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana
didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.
2. Inertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu - debu atau
3. Pre - Filler, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet house.
4. Main Filter, merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian
dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaringan ini masuk kedalam kompresor aksial.
5. Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat
memasuki ruang kompresor.
6. Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur
jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan.
• Kompresor
Kompresor berfungsi untuk menghisap udara atmosfer dan mengkompresikannya sehingga pada tekanan tertentu. Selain untuk pemanfaatan udara bertekanan juga digunakan untuk pendinginan suhu turbin gas, yaitu:
a) Kompresor Sentrifugal
Kompresor sentrifugal banyak dipakai pada turbin gas yang relatif berukuran kecil. Kompresor sentrifugal ini terdiri dari infeler yang tersimpan dalam suatu rumah yang berisi diffuser, seperti yang terlihat pada gambar dibawah. Udara disedot kedalam pusat infeler yang berputar dengan cepat. Kemudian disalurkan pada tekanan dan kecepatan yang lebih tinggi pada diffuser stasioner. Penurunan kecepatan udara dan energi kinetik mengakibatkan kenaikan tekanan melalui infeler yang lebih dari dua tingkat pada turbin gas.
Gambar 2.12. komponen kompresor sentrifugal dan type infeler untuk kompresor sentrifugal
b) Kompresor Aliran Aksial
Kompresor ini dinamakan kompresor aksial karena udara mengalir paralel terhadap sumbu rotor. Selama kompresi melalui satu susunan yang terdiri dari beberapa tingkat. Tiap tingkat terdiri dari satu baris sudu gerak yang terpasang pada rumah kompresor. Sebagai perbandingan dengan kompresor sentrifugal, kompresor aliran aksial bisa mencapai 15 tingkat untuk menghasilkan tekanan operasi yang diinginkan.
Gambar 2.13. Komponen kompresor aksial
Besarnya kerja kompresor berdasarkan siklus brayton adalah:
Wkompresor=Mudara(h2-h1) (kj/s)
Dimana :
Wkompresor = Kerja kompresor (kj/s) Mudara = Aliran massa udara (kj/s)
H1 = Enthalphi pada kondisi tekanan P1 dan suhu T1 (kj/kg) H2 = Enthalphi pada kondisi tekanan P2 dan suhu T2 (kj/kg)
• Ruang Bakar
Ruang Bakar adalah tempat dimana diharapkan terjadi percampuran udara yang telah dimanfaatkan oleh kompresor dengan bahan bakar. Pada instalasi ruang bakar dapat terdiri dari beberapa bagian, diantaranya adalah:
a) Ruang Bakar Pembakaran (combustion chamber)
Merupakan tempat terjadinya seluruh proses pembakaran. fungsinya sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar udara yang masuk.
b) Tabung api silang (cross fire tube)
Merupakan penghubung antara can dan juga bagian combustion liner. Fungsinya adalah untuk meratakan nyalaapi padasemuacombustion chamber.
Merupakan komponen yang terdapat didalam combustion chamber, yangberfungsisebagai tempat dimana bahan bakar dan udara dicampur dan juga merupakan tempat berlangsungnya pembakaran. Bagian ini memiliki sirip - sirip sebagai saluran masuknya udara kedalam combustion chamber dan juga berfungsi untuk mendinginkan combustion liner ini sendiri.
d) Pelindung Ruang Bakar (combustionchambercover)
Merupakan komponen penutup bagian combustion chamber, pada bagian ini juga berfungsi sebagai tempat dudukan nozzle.
e) Pematik nyala api ( spark flug/ignitor)
merupakan komponen yang berfungsi untuk memercikkan bunga api kedalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar. Spark pluh ini didesain sedemikian rupa (sehinnga menggunakan pegas) sehinnga timbul pembakaran pada waktu spark plug akan keluar dari zona pembakaran
Gambar 2.14. Removal of Spark Plug
f) Pendeteksi nyala api (flame detector)
Gambar 2.15. Removal of flame detector
g) Nozzle dan selang bahan bakar
Merupakan komponen yang berfungsi untuk menyemprotkan bahan bakar gas kedalam combustion liner dan bercampur dengan udara. Sedangkan pigtails (gas fuel line) adalah pipa yang menghubungkan saluran bahan bakar gas dengan fuel nozzle.
h) Bagian transisi (transietion pieces)
Merupakan komponen yang digunakan untuk mengarahkan udara yang dengan kecepatan tinggi yang dihasilkan combustion section. Pada transition pieces ini terjadi penurunan temperatur sehingga dicapai temperatur udara yang diinginkan sebelum udara tersebut masuk ke dalam nozzle nozzle tingkat pertama. Transition piece juga berfungsi sebagai nozzle, bila dilihat dari konstruksinya seperti saluran yang ujungnya berbentuk konvergen.
Combustion chamber yang ada disusun kosentris mengelilingi aksial flow kompresor dan disambungkan dengan keluaran kompresor udara dari aksial flow kompresor yang dialirkan langsung ke masing - masing camber.
Ruang Bakar 1) Zona Utama (primary zone)
Primary zone merupakan daerah dimana udara berdifusi dengan udara dari kompresor untuk membentuk campuran udara dan bahan bakar yang siap terbakar, juga dimana tempat bahan bakar di sulut oleh spark Flug.
2) Zona kedua (secondary zone)
Secondary zone adalah zona penyempurnaan pembakaran sebagai kelanjutan pembakaran pada primary zone.
3) Zona reduksi temperatur (dilution zone)
Dilution zone merupakan zona untuk mereduksi temperatur gas hasil pembakaran pada keadaan yang diinginkan pada saat masuk first stage nozzle.
• Turbin
Pada turbin terjadi perubahan energi kinetik kecepatan menjadi energi mekanis putar yang digunakan untuk menggerakkan kompresor dan juga sebagai penggerak generator listrik.
2.6 Prinsip Kerja Turbin Gas
Suatu instalasi turbin gas terdiri dari tiga komponen utama, yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin. Untuk lebih jelasnya bagaimana prinsip kerja suatu instalasi turbin gas sebagai penggerak generator dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
udara masuk
gas buang Gambar 2.16. Prinsip kerja instalasi turbin gas
Proses kerja dari turbin gas yang terlihat seperti gambar dimulai dari udara yang dihisap ke dalam inlet house yang memiliki saringan - saringan udara. saringan - saringan ini berfungsi untuk menahan kotoran - kotoran atau debu - debu agar tidak masuk kedalam kompresor. Udara yang sudah disaring tersebut kemudian masuk kedalam kompresor untuk dimanfaatkan. Udara yang telah dimanfaatkan dan bertekanan tinggi tersebut dialirkan kedalam ruang bakar (combustion chamber). Didalam ruang bakar tersebut fluida kerja dicampur dengan bahan bakar yang berupa gas alam murni. Di dalam ruang bakar, campuran bahan bakar dan udara tersebut terbakar dengan bantuan spark plug dan menimbulkan panas yang tinggi dan kecepatan yang tinggi pula. Karena proses pembakaran tersebut dapat menghasilkan gas bertemperatur tinggi dalam waktu yang lama, maka perlu diturunkan temperaturnya dengan memanfaatkan udara yang relatif lebih dingin. Hal ini erat kaitannya dengan ketahanan material sudu-sudu turbin yang terbatas dalam menerima gas panas hasil pembakaran tersebut.
Gas hasil pembakaran dengan kecepatan tinggi tersebut mengalir melewati transition piece menuju turbine section. Fluida kerja tersebut diarahkan oleh first stage nozzle menumbuk first stage turbine sehingga menambah kecepatan putar dari rotor. Fluida kerja yang telah keluar dari first stage turbin tersebut masih memiliki kecepatan putar yang tinggi, sehingga bisa dimanfaatkan lagi untuk menambah kecepatan putar rotor dengan mengalirkan fluida panas tersebut menumbuk second stage turbin.
Jadi energi kinetik yang dihasilkan dimanfaatkansemaksimal mungkin.Sete lah keluar dari turbine section, udara tersebut dibuangke atmosfer melalui exhaus section.Suhu udara buangan tersebut kira – kira 500oC. Rotor yang berputar tersebut dihubungkan ke generator listrik.
2.7. Jenis Turbin Yang Digunakan
Dalam Perencanaan ini dipilih turbin aksial karena mempunyai keuntungan antara lain: efisiensi yang lebih baik, perbandingan tekanan dapat diubah lebih tinggi, konstruksi lebih ringan dan tidak membutuhkan ruangan yang lebih besar. Selain itu turbin aksial lazimnya digunakan untuk keperluan industri dan pusat tenaga listrik maupun sistem propulsi kendaraan darat, kapal dan pesawat terbang. Pada turbin aksial, fluida kerjanya mengalir masuk dan keluar turbin dalam arah aksial, yaitu sejajar dalam sumbu motor. Turbin aksial yang direncanakan adalah bertingkat 3 (tiga), dimana tiap tingkat terdiri dari satu baris sudu diam dan satu baris sudu gerak. Sudu diam berfungsi mempercepat aliran fluida kerja dan sudu gerak berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik menjadi energi mekanis.
Maka dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial, turbin ini dipilih karena:
• Pada tipe ini, kecepatan tangensial yang mengalir diantara sudu - sudu adalah tidak terlalu besar, sehingga kerugian gesekan akibat kecepatan tidak terlalu besar
• Effisiensi tingkat pada tipe reaksi lebih baik dari pada yang lainnya, dengan perbandingan kecepatan yang lebih besar.
• Pada turbin ini satu tingkat turbin dapat menghasilkan daya untuk menggerakkan 10 atau lebih tingkat kompresor dengan efisiensi cukup tinggi.
2.8 Teori Dasar Ruang Bakar Turbin Gas 2.8.1 Pengertian Ruang Bakar
Ruang bakar adalah tempat terjadinya pembakaran campuran bahan bakar dengan udara kompresi yang akan menghasilkan energi thermal yang bertujuan untuk meningkatkan enthalpi (h), entropi (s), dan temperatur (T) dari fluida kerja.
Adapun “liner” merupakan bagian dimana secara langsung memperoleh energi panas atau tempat terjadinya pembakaran (flame tube), liner terletak didalam casing dan dilengkapi dengan batu tahan api untuk melindungi material liner dari kontak langsung terhadap api pembakaran serta sebagai isolasi thermal ruang bahan bakar.
Sedangkan “burner” merupakan alat pembakar, bahan bakar cair atau gas disemprotkan dalam bentuk kabut kedalam ruang bakar, kemudian campuran bahan bakar dan udara panas dibakar dengan penyalaan busi (spark – plug) yang terpasang pada bagian sisi burner.
2.8.2 Tipe Ruang Bakar (Combustion Chamber)
Pemilihan bentuk ruang bakar disesuaikan dengan pemakaian pada sistemturbin gas, yang juga akan mempengaruhi konstruksi dari keseluruhan sistem turbin gas tersebut. Tipe ruang bakar umumnya dikategorikan atas 2 macam, yaitu :
1. Berdasarkan bentuk 2. Berdasarkan peletakan
2.8.2.1 Tipe Ruang Bakar Berdasarkan Bentuk
Tipe ruang bakar berdasarkan bentuk terbagi menjadi 3(tiga) bagian, yaitu 1. Turbular
2. Turboanular 3. Annular
• Turbular
Gambar 2.17. Ruang bakar tubular
Keuntungan
- Konstruksi kuat dan sederhana
- Pola aliran bahan bakar dan aliran udara mudah dipaduklan
- Pengujian dapat dilakukan secara sederhana dengan hanya memerlukan sebagian kecil laju aliran massa udara total pesawat turbin
Kerugian
- Konstruksinya besar dan berbobot besar - Memerlukan pipa penghubung (duct)
- Tidak efisien untuk turbin berkapasitas kecil
• Turboanular
Gambar 2.18. Ruang bakar turboanular
Keuntungan
- Konstruksi kecil dan kokoh
- Pola aliran bahan bakar dan udara mudah dipadu
- Pengujian hanya membutuhkan sebagian kecil dari total laju aliran massa udara pesawat turbin
- Lebih pendek dan ringan Kerugian
- Kurang kompak dibandingkan dengan tipe annular - Memerlukan pipa penghubung (duct)
- Konstruksi lebih rumit dari tipe tubular
• Annular
Gambar 2.19 Ruang bakar annular
Keuntungan
- Konstruksinya pendek dan sederhana - Penampang fronbal kecil
- Kerugian tekanan kecil
Kerugian
- Terjadi masalah saat pembentukan dan pembengkokan pada selubung luar (outer casing)
- Pengujian memerlukan laju aliran massa total - Pola aliran bahan bakar dan udara sulit dipadukan - Distribusi temperatur keluar yang stabil sulit dicapai
2.8.2.2 Tipe Ruang Bakar Berdasarkan Peletakannya
Berdasarkan peletakan ruang bakar turbin gas dapat dibedakan menjadi 2 (dua) macam, yaitu:
1. Vertikal
b 8
Gambar 2.20. Ruang bakar vertikal double chamber
Keterangan gambar: 1. Pressure shell
2. Burner combustion
3. Platform incl
4. Flame Tube
5. Turbine casing
6. Blow-of Pipes
7. Rotor
8. Manhole with inspection hole
A. Annular space for combustor air supply
B. Hot gas duct
2. Horizontal
Peletakan horizontal merupakan peletakan ruang bakar yang sejajar dengan sumbu poros turbin dan biasa digunakan pada sistem turbin yang berdaya ringan untuk sistem pembangkit listrik.
2.9 Syarat - Syarat Ruang Bakar Turbin Gas
Ruang bakar turbin gas secara umum harus sesuai dengan kondisi pemakaian dan sesuai dengan kebutuhan yang berbeda – beda dari setiap turbin gas.
Syarat – syarat dasar yang harus dimiliki ruang bakar antara lain :
1. Mempunyai efisiensi pembakaran yang tinggi dimana bahan bakar harus terbakar sempurna sehingga seluruh energi kimia dapat berubah menjadi energi thermal.
2. Mudah untuk pembakaran awal, terutama untuk temperatur lingkungan yang terjadi rendah.
3. Kerugian tekanan yang terjadi rendah. 4. Mempunyai emisi gas yang rendah 5. Mempunyai daya tahan yang tinggi
6. Panas temperatur ruang bakar harus tetap menjaga umur dari turbin dan sudu pengara.
7. Mempunyai batas stabilitas yang luas, dimana api harus tetap nyala dalam mencakup tekanan, serta kecepatan perbandingan bahan bakar udara.
8. Perawatan yang ekonomis.
2.10 Pemilihan Tipe Ruang Bakar
Dalam pemilihan tipe ruang bakar yang akan digunakan harus dilihat faktor – faktor bentuk, peletakkan dan harus memenuhi syarat – syarat yang harus dimiliki ruang bakar seperti yang telah disebutkan pada sub – sub bab diatas.
Pada perencanaan ini tipe ruang bakar yang dipilih adalah bentuk “Tubular” karena konstruksinya kuat dan sederhana dimana ruang bakar hanya terdiri dari satu silinder yang terpasang konsentris di dalam casing dan tidak terdiri dari multi liner yang membuat konstruksi menjadi lebih rumit.
Selain bentuk, peletakkan yang dipilih adalah peletakkan ruang bakar “Vertikal” dimana peletakkan jenis ini memiliki kerugian energi potensial dari gas pembakaran yang memasuki turbin sangat kecil dengan posisi gravitasi yang baik.
kedua faktor diatas, setelah di pertimbangkan dengan alasan – alasannya telah memenuhi persyaratan yang harus dimiliki oleh sebuah ruang bakar turbin gas.
Gambar 2.21. Ruang bakar tubular vertikal
2.11 Prinsip Kerja Ruang Bakar
Pada saat yang bersamaan busi menyala (spark-plug) memercikkan bunga api listrik ke sistem saluran utama bahan bakar pada burner sehingga pada burner terjadi pembakaran.
Setelah proses pembakaran terjadi dengan sempurna, maka busi penyala secara otomatis berhenti bekerja, sedangkan gas pemanasan hasil pembakaran dengan temperatur yang tinggi mengalir ke turbin gas melalui saluran (duck) dan sudu pengarah (transition piece) masuk memutar poros turbin.
2.12 Bahan Bakar dan Reaksi Pembakaran
Gas alam adalah bahan bakar fosil yang merupakan senyawa hidrokarbon (CnH2n+2) dan terdiri dari campuran beberapa macam gas hidrokarbon yang mudah terbakar dan non-hidrokarbon seperti N2, CO2 dan H2S. Umumnya gas yang terbentuk sebagian besar dari metan (CH4), dan dapat juga etan (C2H6) dan propan (C3H8).
Komponen utama dalam gas alam adalah metana (CH4), yang merupakan molekul-molekul hidrokarbon yang lebih berat seperti2H6 (C3H8) da4H10), selain juga gas-gas yang mengandung sulfur
Gas alam lebih ringan dari udara, sehingga cenderung mudah tersebar di atmosfer. Akan tetapi bila ia berada dalam ruang tertutup, seperti dalam rumah, konsentrasi gas dapat mencapai titik campuran yang mudah meledak, yang jika tersulut api, dapat menyebabkan ledakan yang dapat menghancurkan bangunan. Kandungan metana yang berbahaya di udara adalah antara 5% hingga 15%
Gas alam digunakan sebagai bahan bakar turbin gas lebih diprioritaskan karena: 1. Pembakaran gas tidak menghasilkan abu dan jelaga sehingga akan
memperkecil kerusakan yang dialami sudut - sudut turbin
3. Nilai kalor gas alam (natural gas) lebih besar dari bahan bakar solar, sehingga dapat meningkatkan efisiensi dari turbin gas tersebut.
Komposisidarigasalam(naturalgas)dapatdilihatpadatabeldibawahini:
No. Nama Gas Komposisi(%)
Sumber:ArunPlantOrientation,TrainingCenter
2.12.1 Proses Pembakaran
Proses pembakaran adalah reaksi eksotermik antara bahan bakar dan udara untuk menghasilkan gas pembakaran pada temperatur dan tekanan tertentu. Proses pembakaran mencakup fenomena fisika dan kimia, bukan sekedar merupakan bagian kimia saja. Hal tersebut disebabkan karena dalam proses pembakaran terdapat pulaperpindahan massa, thermodinamika, dinamika gas dan mekanika fluida.
Proses pembakaran dalam ruang bakar berlangsung kontinu pada tekanan konstan.Kalaupun terjadi kerugian tekanan, relatif sangat kecil dan perbandingan penurunan tekanan total terhadap tekanan total udara masuk ruang bakar berkisar 3 - 5%. Pembakaran gas metan terjadi secara kimiawi yaitu dengan terjadinya reaksi antara metan dan oksigen yang hasilnya berupa karbon di-oksida (CO2), air (H2O) ditambah sejumlah besar energi (energi sebagai pemicu terjadinya
− ReaksipembakaransempurnaCH4
CH4+2(O2+3,76N2) CO2+2H2O+2(3,76N2)
− ReaksipembakaransempurnaC2H6
C2H6+3,5(O2+3,76N2) 2CO2+3H2O+3,5(3,76N2)
− ReaksipembakaransempurnaC3H8
C3H8+5(O2+3,76N2) 3CO2+4H2O+5(3,76N2)
− ReaksipembakaransempurnaC4H10
C4H10+6,5(O2+3,76N2) 4CO2+5H2O+6,5(3,76N2)
2.13 Pandangan Umum Tentang Software ANSYS
ANSYS adalah program paket yang dapat memodelkan elemen hingga untuk menyelesaikan masalah yang berhubungan dengan mekanika, termasuk di dalamnya masalah statis, dinamik, analisis struktural (baik linier maupun nonlinier), masalah fluida dan juga masalah yang berhubungan dengan akuistik dan elektromagnetik. Secara umum penyelesaian elemen hingga menggunakan ANSYS dapat dibagi menjadi tiga tahap, yaitu :
1. Preprocessing: pendefinisian masalah
Langkah umum dalam preprocessing terdiri dari mendefenisikan keypoint/lines/areas/volume, mesh lines/ areas/ volume sebagaimana yang dibutuhkan akan tergantung pada dimensi yang dianalisis.
2. Solution: assigning loads, constraints, and solvings
Disini perlu menentukan tekanan, constraints (translasi dan rotasi) kemudian menyelesaikan masalah yang diset.
3. Postprocessing
Dalam hal ini pengguna mungkin dapat melihat daftar pergeseran, gaya elemen dan momentum, plot deflection dan diagram kontur tegangan (stress) atau pemetaan suhu.
2.13.1 Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak FLUENT
hingga (finite volume methods). Untuk mempermudah perhitungan numerik telah tersedia banyak perangkat lunak komputer. Salah satu perangkat lunak yang terkenal dalam perhitungan dan simulasi CFD adalah FLUENT
2.13.2 FLUENT
Fluent adalah program komputer yang dikembangkan oleh ANSYS Inc.untuk memodelkan aliran fluida dalam geometri yang kompleks. Fluent merupakan salah satu jenis program CFD (Computational Fluid Dynamics) yang menggunakan metode diskritisasi volume hingga. FLUENT memiliki fleksibilitas mesh, sehingga kasus - kasus aliran fluida yang memiliki mesh tidak terstruktur akibat geometri benda yang rumit dapat diselesaikan dengan mudah. Selain itu, FLUENT memungkinkan untuk penggenerasian mesh lebih halus atau lebih besar dari mesh yang sudah ada berdasarkan pemilihan solusi aliran.
Fluent menggunakan teknik control volume untuk mengubah persamaan pembentuk aliran menjadi persamaan algebra sehingga dapat diselesaikan secara numeric. Teknik control volume ini mengandung pengintegralan setiap persamaan pembentuk aliran pada tiap - tiap kontrol volume, menghasilkan persamaan - persamaan diskrit yang mengkonversikan tiap jumlah yang ada pada control volume.
Secara lengkap langkah - langkah FLUENT dalam menyelesaikan suatu simulasi adalah sebagai berikut:
1. Membuat geometri dan mesh pada model.
2. Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D). 3. Mengimpor mesh model (grid).
4. Memilih formulasi solver.
5. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisa. 6. Menentukan kondisi batas.
7. Mengatur parameter kontrol solusi. 8. Initialize the flow field.
11. Jika diperlukan, memperhalus grid kemudian melakukan iterasi ulang.[19]
2.13.3 Skema Numerik
FLUENT memberikan dua pilihan metode numerik, yaitu metode segregated dan coupled. Kedua metode tersebut dapat digunakan untuk memecahkan persamaan integral kekekalan momentum, massa, dan energi (governing integral equation), serta besaran skalar lainnya seperti turbulensi. Dalam proses pemecahan masalah, baik metode segregated dan coupled memiliki persamaan yaitu menggunakan teknik kontrol volume. Teknik kontrol volume sendiri terdiri dari:
1. Pembagian daerah asal (domain) ke dalam kontrol volume diskrit dengan menggunakan grid komputasi
2. Integrasi persamaan umum kontrol volume untuk membuat persamaan aljabar dari variabel tak-bebas yang berlainan ( discrete dependent variables) seperti kecepatan, tekanan suhu, dan sebagainya.
3. Linearisasi persamaan dan solusi diskritisasi dari resultan sistem persamaan linear untuk menghasilkan nilai taksiran variabel tak-bebas.
Pada dasarnya metode segregated dan coupled memiliki persamaan dalam proses diskritisasi yaitu volume berhingga (finite volume), tetapi memiliki perbedaan pada cara pendekatan yang digunakan untuk melinearisasi dan memecahkan suatu permasalahan.
2.13.4 Diskritisasi (Discretization)
2.13.5 Linearisasi
