3
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Proses Pabrik Kelapa Sawit
Secara umum pengolahan kelapa sawit dibagi menjadi dua jenis akhir, yaitu pengolahan minyak sawit dan pengolahan inti. Pengolahan minyak sawit adalah untuk memperoleh minyak sawit yang berasal dari daging buah (mesocarp) sedangkan pengolahan inti sawit adalah memperoleh inti yang berasal dari biji (nut). Proses produksi minyak sawit kasar dari tandan buah segar kelapa sawit terdiri dari beberapa tahapan proses seperti perebusan buah, perontokan, pelumatan dan pengepresan buah, purifikasi dan klarifikasi. Tandan buah segar yang masuk ke dalam pabrik ditimbang terlebih dahulu kemudian dibawa menuju lantai penerimaan buah. Tandan buah segar mengalami proses perebusan menggunakan uap basah. Selanjutnya buah mengalami proses perontokan buah pada tandan dengan menggunakan thresher. Buah yang telah rontok mengalami proses pelumatan yang bertujuan untuk memudahkan proses pengepresan, sehingga minyak dengan mudah dapat dipisahkan dari daging buah. Dalam prosesnya, pabrik kelapa sawit memiliki 6 stasiun yang saling berhubungan antara satu dengan yang lainnya. Menurut (Pahan, 2008) ada pun 6 stasiun tersebut diantaranya :
a) Stasiun Penerimaan Buah
Stasiun Penerimaan Buah terdiri dari timbangan dan dan loading ramp. Timbangan berfungsi untuk mengetahui berat dari apa saja yang keluar dan masuk di pabrik baik itu berupa Tandan Buah Segar (TBS), minyak kelapa sawit / Crude Palm Oil (CPO), kernel, fibre, shell, dan yang lainnya yang penting untuk ditimbang. Sedangkan untuk loading ramp berfungsi untuk pensortiran buah yang masuk sesuai dengan kriteria yang diterima pabrik.
4 b) Stasiun Perebusan
Stasiun perebusan terdiri dari sterilizer. Tandan Buah Segar (TBS) yang sudah disortir selanjutnya akan direbus dengan sterilizer. Sterilizer adalah bejana uap bertekanan yang digunakan untuk merebus TBS dengan uap (steam). Steam yang digunakan adalah uap kering (saturated steam) dengan tekanan 2,8 - 3,0 Kg/cm2 dan suhu 120 - 135 oC yang diinjeksi dari BPV untuk mencapai suatu kondisi tertentu pada buah.Pada saat Tandan Buah Segar (TBS) direbus, tekanan dan suhu haruslah tinggi. Perebusan ini bertujuan untuk menurunkan tingkat keasaman lemak bebas dan mengurangi kadar air sehingga memudahkan saat proses pembrondolan pada thresher dan melembutkan daging buah untuk pemisahan antara biji dengan buahnya.
c) Stasiun Penebah
Stasiun Penebah terdiri dari hoasting crane / tippler dan threser. Tippler adalah alat yang digunakan dalam proses penuangan buah yang telah direbus yang ada dalam lori untuk diproses di tresher drum. Sistem kerjanya yaitu dengan memutar lori sehingga buah dapat tertuang.Setelah buah direbus dengan lori, lori kemudian diangkat dengan hoasting crane atau tippler kemudian masuk ke thresser. Pada proses ini buah/brondolan dipisahkan dari tandan sawit dengan menggunakan mesin penebah (thresher) dengan cara mengangkat dan membanting tandan buah rebus tersebut.
d) Stasiun Press
Stasiun Press terdiri dari digester dan screw press. Buah yang telah diolah hingga ketahap ketiga akan proses pressing. Proses keempat ini merupakan proses inti dimana minyak diambil dari buah dengan melumatkan terlebih dahulu brondolan kemudian dilakukan penekanan dengan mesin press untuk mendapatkan minyak.
5 e) Stasiun Pemurnian Minyak
Minyak kasar (crude oil) yang keluar dari Screw Press masih mengandung kotoran, pasir, cairan dan benda kasar lainnya. Oleh karena itu harus dilakukan pemurnian untuk mengurangi kandungan yang tidak sesuai ketentuan norma.Stasiun Pemurnian Minyak terdiri dari Sand Trap Tank, Vibro Separator, Crude Oil Tank, Vertical Continuous Tank, Oil Tank, Floater Tank, Vacum Dryer, Sludge Tank, Sand Cylone, Buffer Tank, Sludge Separator, Fat Fit, dan Storage Tank. Setelah proses pressing minyak dari buah, barulah didapat minyak kasar. Stasiun pemurnian minyak berfungsi untuk memisahkan minyak dengan kotoran serta unsur yang mengurangi kualitas minyak dan mengupayakan agar kehilangan minyak seminimal mungkin. Selanjutnya minyak tersebut akan kebih disempurnakan dengan berbagai macam proses seperti fraksinasi, sedimentasi, pengutipan dan penyaringan. Setelah melalui tahap penyempurnaan minyak dipompakan ke storage tank untuk tempat penyimpanan sementara sebelum dikirim.
f) Stasiun Pengolahan Biji
Stasiun Pengolahan Biji adalah stasiun mengeolah hasi selain dari CPO karena memilki nilai ekonomis yang lumayan tinggi jika dapat diolah dengan baik. Pada stasiun biji aada beberapa alat dan mesin yang beroprasi terdiri dari Cake Breaker Conveyor, Depricarper, Nut Polishing Drum, Destoner, Nut Gruding Drum, Nut silo, Ripple Mill, Cracked Mixer Conveyor, Light Tenera Dush Separator I/II, Claybath/Hydro Cyclone, Kernel Dryer dan Kernel Bunker. Pada proses pengolahan biji, biji akan melalui beberapa dan menghasilkan produk utama berupa kernel dan produk samping berupa fibre an shell. Fibre dan shell dimanfaatkan sebagai bahan bakar boiler dan bias juga dijual sebagai produk samping.
6
Gambar 2.1 Diagram alir proses Kelapa sawit ( Sumber PTPN III SeiMangkei )
Akan tetapi keseluruhan proses yang terjadi pada masing-masing stasiun di pabrik tidak terlepas dari peran penting dari stasiun pembangkit tenaga sebagai pemasok steam yang akan digunakan turbin untuk menghasilkan energi listrik dan uap bekasnya digunakan untuk pengolahan pengolahan (pahan, 2008).
7 2.2 Power Plant Pabrik Kelapa Sawit
Power Plant merupakan stasiun yang menghasilkan tenaga listik yang sumbernya dari generator diesel dan turbin uap yang menggerakkan generator. Stasiun pembangkit listrik adalah sumber tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan mesin pada pengolahan, juga sebagai tempat masuknya uap dari boiler ke setiap stasiun yang ada di PKS. Berikut merupakan alat/mesin yang ada di sistem power plant di pabrik kelapa sawit ( Michael, 2006) :
a) Boiler merupakan bejana bertekanan dengan bentuk dan ukuran yang didesain untuk menghasilkan uap panas atau steam. Steam dengan tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Ketel uap berasal dari kata ”boil” yang artinya mendidih dan menguap. Dengan demikian boiler dapat diartikan sebagai suatu peralatan pembangkit/ pembentuk uap atau disebut juga sebagai suatu peralatan yang berfungsi untuk mengkonversikan energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas pembentukan.
b) Turbin Uap merupakan mesin konversi yang mengubah energi potensial uap ke dalam energi kinetik. kemudian energi kinetik dirubah menjadi energi listrik dengan menggunakan alternator.
c) Genset merupakan mesin konversi yang merubah energi kimia dari bahan bakar diesel kedalam energi listrik dengan menggunakan alternator diesel.
d) BPV (Back Pressure Vessel) merupakan bejana yang menyimpan dan mendistribusikan uap dengan tekanan rendah untuk proses pengolahan dipabrik.
8 2.2.1 Boiler
Gambar 2.2 Boiler ( Sumber : Wakil , 1992 )
Boiler merupakan instalasi penghasil uap yang dipakai untuk menggerakkan turbin uap sebagai pembangkit tenaga dipabrik kelapa sawit. Boiler bekerja mengkonversi panas yang dihasilkan bahan bakar kedalam bentuk uap yang mengandung enthalphy, yang kemudian digunakan untuk menggerakkan turbin uap. Berdasarkan dari jenis uap yang dihasilkan boiler merupakan mesin kalor (thermal engineering) yang mentransfer energi-energi kimia menjadi kerja.Boiler mengubah energi-energi kimia menjadi bentuk energi yang lain untuk menghasilkan kerja. Boiler dirancang untuk melakukan atau memindahkan kalor dari suatu sumber pembakaran, yang biasanya berupa pembakaran bahan bakar ( Khanmohammadi, 2008).
9
Boiler berfungsi sebagai pesawat konversi energi yang mengkonversikan energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas. Boiler terdiri dari 2 komponen utama, yaitu: ( Naibaho,1998 )
1) Dapur sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi panas.
2) Alat penguap (evaporator) yang mengubah energi pembakaran (energi panas) menjadi energi potensial uap (energi panas).
Kedua komponen tersebut dia atas telah dapat untuk memungkinkan sebuah boiler untuk berfungsi. Uap yang dihasilkan boiler dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan antara lain adalah:
a. Pembangkit daya listrik, seperti pada PLTU dimana uap tersebut untuk menggerakkan turbin agar dapat menghasilkan listrik.
b. Industri, seperti pada pabrik kelapa sawit dimana uap dipakai untuk menghasilkan listrik dan juga sebagai pemanas pada alat-alat pengolahannya.
Boiler pada dasarnya terdiri dari drum yang tertutup pada ujung pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa air. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka boiler diklasifikasikan menjadi: ( Djokosetyardjo, J. M. 1993 )
1) Boiler pipa api (fire tube boiler)
Boiler jenis ini pada bagian tubenya dialiri dengan gas pembakaran dan bagian lainnya yaitu sell dialiri air yang akan diuapkan. Tube-tubenya langsung didinginkan oleh air yang melindunginya. Jumlah pass dari boiler tergantung dari jumlah laluan horizontal dari gas pembakaran diantara furnance dan pipa-pipa api.
10 2) Boiler pipa air (water tube boiler)
Boiler jenis ini banyak dipakai untuk kebutuhan uap skala besar. Prinsip kerja dari boiler pipa air berkebalikan dengan pipa api, gas pembakaran dari furnace dilewatkan ke pipa-pipa yang berisi air yang akan diuapkan.
2.2.2 Turbin Uap
Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik, dan untuk transportasi. Pengubahan energi potensial uap menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros dilakukan dengan berbagai cara. Secara umum turbin uap diklasifikasikan ke dalam tiga jenis : impuls, reaksi, dan gabungan (impuls reaksi), yang tergantung pada cara perolehan pengubahan energi potensial menjadi energi kinetik semburan uap (P. Shlyakin 1990).
Sistem turbin uap merupakan salah satu jenis mesinpanas yang mengkonversi sebagian panas yang diterimanya menjadi kerja.Sebagian panas lainnya dibuang kelingkungan dengan temperatur yang lebih rendah. Dengan kata lain mengubah energi entalpi fluida menjadi energi mekanik.(Syamsir, 1998)
11
Turbin Uap sendiri merupakan salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap, dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. Turbin telah mengalami perkembangan dalam desainnya. Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang diantara sudu tersebut. Apabila roda turbin dapat berputar, maka terdapat gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut terjadi akibat perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu.(Rsityanto, 2012).
Gambar 2.3 Turbin Uap ( Sumber : Shlyakhin, 1999 ) a. Komponen Turbin Uap
Berdasarkan Gambar 2.3 diatas ,Berikut merupakan komponen turbin uap secara umum : ( Shlyakhin , 1999 )
1) Cassing adalah sebagai penutup bagian-bagian utama turbin. 2) Rotor adalah bagian turbin yang berputar yang terdiri dari poros,
sudu turbin atau deretan sudu yaitu Stasionary Blade dan Moving Blade. Untuk turbin bertekanan tinggi atau ukuran besar, khususnya untuk turbin jenis reaksi maka motor ini perlu di
12
Balance untuk mengimbangi gaya reaksi yang timbul secara aksial terhadap poros.
3) Bearing pendestal merupakan dudukan dari poros rotor.
4) Journal bearing adalah Turbin Part yang berfungsi untuk menahan gaya radial atau gaya tegak lurus rotor.
5) Thrust bearing adalah Turbin Part yang berfungsi untuk menahan atau untuk menerima gaya aksial atau gayasejajar terhadap poros yang merupakan gerakan maju mundurnya poros rotor.
6) Main oli pump berfungsi untuk memompakan oli dari tangki untuk disalurkan pada bagian -bagian yang berputar pada turbin .Dimana fungsi dari Lube Oil adalah :
i. Sebagai Pelumas pada bagian–bagian yang berputar. ii. Sebagai Pendingin (Oil Cooler) yang telah panas dan
masuk kebagian turbin dan akan menekan / terdorong keluar secara sirkuler.
iii. Sebagai Pelapis (Oil Film) pada bagian turbin yang bergerak secara rotasi.
iv. Sebagai Pembersih (Oil Cleaner) dimana oli yang telah kotor sebagai akibat dari benda-benda yang berputar dari turbin akan terdorong keluar secara sirkuler oleh oli yang masuk .
7) Gland packing sebagai penyekat untuk menahan kebocoran baik kebocoran uap maupun kebocoran oli.
8) Labirinth ring mempunyai fungsi yang samdengan gland packing. 9) Impuls stage adalah sudu turbin tingkat pertama yang mempunyai
sudu sebanyak 116 buah
10) Stasionary blade adalah sudu-sudu yang berfingsi untuk menerima dan mengarahkan steam yang masuk.
13
11) Moving blade adalah sejumlah sudu-sudu yang berfungsi menerima dan merubah energy steam menjadi energy kinetik yang akan memutar generator.
12) Control valve adalah merupakan katup yang berfungsi untuk mengatur steam yang masuk kedalam turbin sesuai dengan jumlah steam yang diperlukan.
13) Stop valve merupakan katup yang berfungsi untuk menyalurkan atau menghentikan aliran steam yang menuju turbin.
14) Reducing gear adalah suatu bagian dari turbin yang biasanyadipasang pada turbin-turbin dengan kapasitas besar dan berfungsi untuk menurunkan putaran poros rotor dari 5500 rpm menjadi 1500 rpm. Bagian-bagian dari Reducing Gear adalah :
i. Gear casing adalah merupakan penutup gear box dari bagian-bagian dalam reducing gear.
ii. Pinion (high speed gear) adalah roda gigi dengan type helical yang putarannya merupakan putaran dari shaft rotor turbin uap.
iii. Gear wheal (low speed gear) merupakan roda gigi type helical yang putarannya akan mengurangi jumlah putaran dari Shaft rotor turbinya itudari 5500 rpm menjadi 1500 rpm.
iv. Pinion bearing yaitu bantalan yang berfungsi untuk menahan / menerima gaya tegak lurus dari pinion gear. v. Pinion holding ring yaitu ring berfungsi menahan pinion
bearing terhadap gaya radial shaft pinion gear.
vi. Wheel bearing yaitu bantalan yang berfungsi menerima atau menahan gaya radial dari shaft gear wheel.
vii. Wheel holding ring adalah ring penahan dari wheel bearing terhadap gaya radial atau tegak lurus shaft gear wheel.
14
viii. Wheel trust bearing merupakan bantalan yang berfungsi menahan atau menerima gaya sejajar dari poros gear whel (gayaaksial) yang merupakan gerak maju mundurnya poros.
Secara umum komponen-komponen utama dari sebuah turbin uap adalah :
i. Nosel, sebagai media ekspansi uap yang merubah energi potensial menjadi energi kinetik.
ii. Sudu, alat yang menerima gaya dari energi kinetik uap melalui nosel.
iii. Cakram, tempat sudu-sudu dipasang secara radial pada poros. iv. Poros, sebagai komponen utama tempat dipasangnya
cakram-cakram sepanjang sumbu.
v. Bantalan, bagian yang berfungsi uuntuk menyokong kedua ujung poros dan banyak menerima beban.
vi. Kopling, sebagai penghubung antara mekanisme turbin uap dengan mekanisme yang digerakkan.
b. Prinsip Kerja Turbin
Turbin uap kelapa sawit sendiri pada dasarnya adalah suatu mesin penggerak yang mana mengubah energi yang terkandung di dalam uap secara langsung menjadi gerak putar di poros. Uap tersebut nantinya setelah melalui proses yang dikehendaki, maka uap yang sudah dihasilkan dari proses tersebut bisa digunakan untuk memutar alat turbin tersebut melalui alat pemancar dengan kecepatan yang relatif. Kecepatan relatif tersebut nantinya akan membentur sudu penggerak, dengan demikian bisa menghasilkan suatu putaran. Uap yang keluar memancar dari nosel tersebut kemudian diarahkan ke sudu – sudu turbin yang memiliki bentuk
15
seperti lengkungan dan juga dipasang pada sekeliling roda dari turbin. Uap tersebut nantinya akan mengalir melalui banyak celah yang terdapat di antara bagian sudu turbin tersebut kemudian dibelokkan ke arah yang mengikuti lengkungan sudu turbin. Perubahan dari kecepatan uap tersebut menimbulkan gaya yang mendorong kemudian memutar roda dan juga poros.
( Susepto,1996 )
Jika uap tersebut masih memiliki kecepatan pada saat lewat pada sudu turbin, itu berarti hanya sebagian yang memiliki energi sintetis dari uap yang mana diambil oleh sudu – sudu turbin yang
sedang berjalan. Agar energy kinetis yang masih ada pada saat
meninggalkan bagian sudu turbin dapat dimanfaatkan, maka pada turbin tersebut dipasang lebih dari sebaris sudu untuk gerak. Namun sebelum memasuki baris kedua dari sudu gerak, maka di antara baris pertama dan juga baris kedua dari sudu gerak tersebut akan dipasang satu baris sudu tetap yang memiliki fungsi untuk
bisa merubah arah dari kecepatan uap. ( Yohana. 2012)
Hal tersebut bertujuan agar uap tersebut bisa masuk ke dalam baris kedua sudu gerak dengan arah yang lebih tepat. Kecepatan dari uap tersebut pada saat meninggalkan bagian sudu gerak yang terakhir tentu saja harus bisa dibuat sekecil mungkin, dengan tujuan energi kinetis dengan baik. Dengan demikian tentu saja efisiensi dari turbin sawit akan menjadi lebih tinggi yang disebabkan oleh
16
c. Klasifikasi Turbin Uap
Turbin uap ada bermacam-macamjenis sesuai dengan kegunaannya, apabila digunakan untuk penggerak daya kecil maka lebih dipilih tingkat tunggal sampai tiga tingkat. Akan tetapi bila untuk menggerakkan daya yang besar lebih dipilih turbin multi stage sampai Tandem Compound. ( Shlyakhin P,1999 )
Jenis-jenis Turbin Uap dapat digolongkan atas dasar sebagai berikut : ( Shlyakhin P, 1999 )
1. Berdasarkan proses transformasi energi uap : A. Turbin Impuls
yaitu turbin yang ekspansi uap terjadi pada sudu tetapnya.Turbin impulse pertama kali dibuat oleh Branca pada tahun 1629. Turbin Impuls juga ada beberapa macam diantaranya:
b) Turbin Impuls bertingkat kecepatan.Turbin kecepatan bertingkat (curtis) adalah jenis turbin yang mana kecepatan aliran uap yang mengalir di dalamnya bertingkat sedangkan tekanannya tetap.
c) Turbin Impuls bertingkat tekanan.Turbin tekanan
bertingkat (rateau) adalah jenis turbin yang mana kondisi tekanan uap yang mengalir di dalamnya bertingkat sedangkan kecepatannya tetap.
d) Turbin Reaksi, yaitu turbin yang ekspansi uap terjadi pada sudu tetap dan sudu jalan.Turbin ini dirancang pertama oleh Hero, 120 tahun sebelum Masehi
17
Gambar 2.5 Perbedaan turbin uap tipe impuls dan reaksi ( Sumber : Moore W, 1950 )
2. Berdasarkan tekanan Uap keluar turbin :
a. Turbin Back Pressure adalah turbin yang tekanan akhirnya diatas tekanan atmosfir karena uap keluaran akhir dari turbin tersebut tidak dikondensasikan.
b. Turbin Condensing adalah turbin yang mana uap keluaran sudu terakhirnya dikondensasikan, tekanan akhir dari turbin kondensasi ini dibuat vaccum, sehingga temperature kondensasinya sedikit diatas temperatur air pendingin yang tersedia.
3. Berdasarkan tekanan Uap masuk turbin :
a. Turbin Tekanan Super Kritis (Super Critical Pressure Turbines) tekanan uap diatas 22,5 MPa
b. Turbin Tekanan Tinggi ( High Pressure Turbines ) tekanan uap antara 8,8 – 22,5Mpa
c. Turbin Tekanan Menengah ( Intermediate Pressure Turbines) tekanan uap antara 1 – 8,8 MPa
d. Turbin Tekanan Rendah ( Low Pressure Turbines ) tekanan dibawah 1 Mpa.
18
4. Berdasarkan pengaturan Uap masuk turbin :
a. Turbin pemasukan penuh (Full Admision Turbines) : Uap yang masuk turbin melalui katup masuk pada posisi buka penuh (full Open)/posisi pembukaannya tetap sedangkan pengaturan daya turbin dengan cara menaikkan tekanan uap utama yang menyebabkan kenaikan masa alir uap yang masuk ke turbin. Hal ini menyebabkan kenaikan/penurunan daya turbin fungsi dari tekanan uap masuk. Turbin semacam ini juga dikenal dengan sebutan Sliding Pressure Turbines.
b. Turbin pemasukan parsial (Partial Admision Turbines) : Uap yang masuk turbin melalui katup masuk tidak pada posisi membuka penuhuntuk menaikkan/menurunkan daya turbin dengan cara mengatur laju alir uap ke turbinpenuh. Pengaturan laju alir uap ke turbin dilakukan dengan dua cara yaitu dengan pengendalian Throtling Valve dan dengan pengendalian Nozles
5. Berdasarkan dari segi aliran Uap :
a. Turbin Reheat dan Non-Reheat : Turbinreheat terdiri lebih dari satu silinder dan uap mengalami proses pemanasanulang di reheater boiler. Pada turbin reheat, uap yang keluar dari turbin tekanan tinggi (HP)dialirkan kembali kedalam ketel. Didalam ketel, uap ini dipanaskan kembali pada elemenpemanas ulang(reheater) untuk selanjutnya dialirkan kembali melalui saluran reheat ke turbintekanan menengah dan turbin tekanan rendah.
b. Turbin Ekstraksi dan Non-Ekstraksi. : Turbin ekstraksi (extraction turbine) adalah turbin yang mengekstrak sebagian uap yang mengalir dalam turbin. Pengekstraksian uap ini dapat dilakukan di beberapa tempat disepanjang casing turbin.
19
Uap yang diekstrak kemudian dialirkan ke pemanas awal air pengisi untuk memanaskan air pengisi. Tekanan dan aliran uap ekstraksi sangat tergantung pada beban. Pada turbin-turbin ekstraksi yang relatif kecil, variasi tekanan dan aliran uap ekstraksi tidak terlalu signifikan sehingga tidak diperlukan katup pengatur pada saluran uap ekstraksinya. Turbin ekstraksi seperti ini disebut turbin ekstraksi otomatis (Automatic Extraction Turbine).Tetapi pada turbin ekstraksi yang besar, variasi ini cukup besar sehingga diperlukan katup pengatur pada saluran ekstraksi guna mengontrol tekanan/aliran uap ekstraksi.
Sedangkan pada turbin non ekstraksi, tidak dilakukan ekstraksi uap sama sekali. Jadi seluruh uap yang mengalir masuk turbin non ekstraksi akan keluar meninggalkan turbin melalui exhaust.
6. Berdasarkan dari Saluran Uap Keluar :
A. Single Flow : Turbin-turbin kecil biasanya hanya memiliki 1 saluran exhaust. Turbin semacam ini biasanya disebut Turbin Single Flow. Tetapi untuk turbin-turbin besar, bila menerapkan rancangan seperti ini, maka dibutuhkan exhaust yang sangat luas. Sebagaimana diketahui kondisi uap pada exhaust turbin sudah dibawah jenuh atau uap basah, dan tekanannya dibawah tekanan atmosfir. Perubahan tekanan dari beberapa puluh bar menjadi tekanan minus mengakibatkan perubahan volume yang sangat besar sehingga dibutuhkan laluan yang luas agar uap dapat melintas tanpa hambatan yang berarti. Karena keterbatasan kemampuan material, luas laluan exhaust juga menjadi sangat terbatas, sehingga kemampuan turbin dengan exhaust tunggal juga terbatas.
20
B. Multi Flow : Umumnya dipakai pada turbin kapasitas besar, exhaust dipecah menjadi dua atau lebih. Bila ternyata dibutuhkan 2 exhaust, berarti keduanya berada dalam satu poros dengan aliran uap yang berlawanan. Rancangan turbin seperti ini disebut turbin multi flow (aliran banyak).
Dengan cara seperti ini masalah keterbatasan luas laluan exhaust dapat diatasi sekaligus memberi perimbangan terhadap gaya aksial pada poros.
7. Berdasarkan Casing :
a. Turbin Single Casing : Turbin single casing adalah turbin dimana seluruh tingkat sudu- sudunya terletak didalam satu casing saja. Ini merupakan konstruksi turbin yang paling sederhana yang hanya dapat diterapkan pada turbin-turbin kapasitas kecil.(PT. PLN Pusat Pendidikan dan Pelatihan)
b. Multi Casing : Untuk turbin-turbin kapasitas yang lebih besar, konstruksi single, maka dibuatlah turbin-turbin dengan 2 casing atau lebih (multy casing). Komposisi dari turbin multy casing ada 2 macam yaitu :
Tandem Compound dan Cross Compound. Pada turbin tandem compound, casing-casing dipasang secara seri antara satu dengan lain sehinggga sumbu aksial casing berada dalam 1 garis.
d. Kerugian pada Turbin
Pada pengoprasiannya terdapat berbagai kerugian yang menyebabkan turunya performa Turbin , kerugian itu misalnya : Kerugian pada perapat (labyrinth).
Pada turbin tekanan tinggi, jika sistem perapat (gland seal) tidak baik maka uap akan melewati celah antara sudu tetap dan poros sehingga energi dari uap tidak semuanya diberikan pada turbin untuk melakukan kerja.
21
a). Kerugian karena derajat kebasahan uap.
Pada condensing turbin (turbin yang dilengkapi kondensor), biasanya beberapa tingkat terakhir bekerja dengan kondisi uap basah yang menyebabkan terbentuknya butiran-butiran air , karena pengaruh gaya sentrifugal butiran air tersebut akan terlempar ke bagian belakang sudu gerak yang menyebabkan gaya tumbukan dimana ini akan mempengaruhi kerja sudu gerak.
b).Kerugian Throttling pada beban berubah-ubah.
Pada saat beban berubah-ubah kadang tidak semua katup governor membuka secara keseluruhan, ada yang membuka sebagian ada yang menutup (throttling).
Hal ini merupakan kerugian karena pada proses throttling terjadi proses penurunan temperatur dan tekanan, akibatnya ekspansi pada turbin akan berkurang.
c).Kerugian mekanik.
Besarnya kerugian gesekan yang terjadi pada bantalan tergantung pada kondisi sistem pelumasan. Faktor yang dominan dari sistem pelumasan baik dalam pembentuk lapisan pelumas (lapisan flim) maupun terhadap koefisien gesek adalah kekentalan (viscosity) minyak pelumas. Sedangkan kekentalan minyak pelumas merupakan fungsi dari temperatur.
22 2.3 Proses Pembetukan Uap
Gambar 2.6 proses pembentukanUap ( Sumber : Tjahjo P Tetro )
1. Drum uap 11. Turbin tekana rendah
2. Drum air 12. Turbin mundur
3. Pipa air tirai 13. Condensor 4. Pipa air utama 14. Hot Well 5. Pemanas lanjut uap 15. Feed Pump
6. Economiser 16. Pre heater
7. Pemanas udara 17. Reduction gear
8. Cerobong 18. Thrust block
9. Dapur 19. Prepeller shaft
23 Cara kerjanya :
Air didalam pipa - pipa air tirai dan pipa air utama dipanaskan oleh gas-gas pembakaran hasil pembakaran bahan bakar dan udara didapur. Air ini akan menyerap panas dari gas pembakaran, mengakibatkan air menjadi panas, mendidih dan menguap. Uap yang terbentuk adalah uap jenuh dimasukkan dalam drum uap. Selanjutnya uap ini dipanaskan lagi di pemanas lanjut uap, sebagai pemanas uap tersebut menggunakan gas pembakaran, sehingga uap jenuh tadi berobah menjadi uap panas lanjut uap panas lanjut inilah yang digunakan untuk menggerakkan turbin. (Tjahjo P Tetro)
Uap penggerak turbin tersebut adalah uap baru (UBA) dan setelah dipakai di turbin menjadi uap bekas (UBE) untuk turbin tekanan rendah ataupun turbin mundur digerakkan juga oleh uap baru dari ketel. Uap bekas yang telah terpakai di turbin didinginkan (dikondensasikan) di condensor menjadi kondensat. Kondensat ini ditampung di bak air panas (hot well), selanjutnya dimasukkan sebagai air ketel melalui preheater dan economiser. Penambahan air pengisian ketel dilaksanakan dari air kondensasi baik di condensor maupun air yang diproduksi di Evaporator. Keadaan uap tergantung dari tekanan, oleh karena itu pembentukan uap diadakan pada tekanan konstan. Bila 1 kg air dipanaskan dengan temperatur mula 00 C di dalam tangki tertutup dengan tekanan konstan, pada pemanasan tingkat pertama temperatur air akan naik sampai air mendidih dan dikenal sebagai temperatur didih. Setelah temperatur didih dicapai, uap mulai terbentuk selama temperatur dipertahankan konstan, sampai dicapai titik di mana semua air berubah menjadi uap. Isi tangki akan berupa campuran air dan uap, dikenal sebagai uap basah. Dan bila semua air termasuk butir-butir yang terapung dalam uap basah itu diuapkan maka akan didapat uap kenyang atau keadaan uap di mana ia tepat berwujud uap seluruhnya. (Tjahjo P Tetro)
24
Jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah 1 kg air mendidih menjadi 1 kg uap kenyang pada tekanan yang sama dinamakan entalpi penguap laten. Begitu pemanasan dilanjutkan temperature uap kenyang itu naik dan uap ini dikenal sebagai uap kering. Gas-gas hasil pembakaran memanasi bidang pendidih atau penguap, super heater, ekonomiser dan pemanas udara dan akhirnya dibuang ke atmosfir melalui cerobong asap. Udara setelah mengalami pemanasan pada pemanas udara, di masukan ke dalam dapur. Air pengisi setelah mengalami pemanasan pada ekonomiser, dimasukan kependidih atau penguap. Dari bidang ini, uap dikeringkan pada super heater, untuk selanjutnya siap untuk diisikan ke dalam mesin atau turbin uap. Penempatan ekonomiser dan pemanas udara dalam saluran gas bekas, dimaksudkan untuk mengurangi kerugian panas melalui gas yang meninggalkan cerobong asap. ( El-Wakil M, 1992 )
Proses terbentuknya uap terjadi melalui perubahan energi panas pembakaran bahan bakar menjadi energi panas dalam bentuk uap. Panas hasil pembakaran digunakan untuk menaikkan entalpi air sampai terbentuk uap air yang mengandung energi dalam yang disimpan dalam bentuk panas dan tekanan. Salah satu proses pembentukan uap adalah mendidih, dimana titik didih suatu zat cair tergantung pada tekanan pada tekanan yang diberikan pada permukaan zat cair. Untuk menghasilkan uap yang lebih besar digunakan ketel uap, dimana fluida kerja yang digunakan adalah air, karena air memiliki sifat-sifat yang lebih menguntungkan bila dibandingkan dengan fluida kerja yang lain. ( El-Wakil M, 1992 )
Adapun keuntungan penggunaan air sebagi fluida kerja yang lain: a. Mudah diperoleh dengan harga yang murah.
b. Air dapat bersifat netral (pH = 7) sehingga sifat korosif yang merusak logam dapat diatasi.
c. Air tidak terbakar.
d. Mampu menerima kalor dalam jumlah besar. e. Dapat bekerja pada tekanan yang tinggi.
25
Uap yang terbentuk dari pemanasan ini diubah menjadi uap basah ataupun kering melalui beberapa tahap. Dengan demikian uap yang terbentuk dapat digolongkan kedalam berbagai bentuk jenis uap yaitu:
2.3.1 Uap Basah
Kondisi uap ini mengandung titik-titik air. Kwalitas uap ini dapat dinyatakan dengan kwalitas uap tertentu (x), dimana harga x berkisar antara 0<x<1. Dalam hal ini temperatur air dan uap adalah sama seperti ditunjukkan pada gambar dibawah. Kondisi uap berada pada titik 2 dan 3.
2.3.2 Uap Jenuh
Kondisi uap ini tidak mengandung titik-titik air lagi. Kualitas uap pada kondisi ini x = 100%. Uap ini diperoleh dengan penambahan kalor pada uap basah sama sehingga mencapai titik 3.
2.3.3 Uap Panas Lanjut
Kondisi uap ini diperoleh dengan memanaskan uap jenuh pada tekanan konstan sehingga temperaturnya meningkat.
T C 4 Air Uap Panas 2 3 Lanjut Air ap K kg ) 1
Gambar 2.7 Diagram T-S Proses Pembentukan UapSumber : (Irpain Harahap,2016)
26
Pemanasan air dari keadaan awal (titik 1) menjadi kondisi cair jenuh (titik 2). Pemanasan dari titik 1 ketitik 2 ini hanya akan menaikkan temperatur tetapi tidak merubah fasa cair. Perubahan fasa akan terjadi apabila panas tetap diberikan pada air yang telah mencapai kondisi titik 2.
Dalam hal ini pemanasan tidak akan menaikkan temperatur fluida yang dipanaskan. Pemberian panas selanjutnya akan merubah titik-titik air menjadi uap atau pemanasan dari titik-titik 2 hingga titik-titik 3. Pemanasan dari titik 1 ketitik 2 ini hanya akan menaikkan temperatur tetapi tidak merubah fasa cair.Perubahan fasa akan terjadi apabila panas tetap diberikan pada air yang telah mencapai kondisi titik 2. Dalam hal ini pemanasan tidak akan menaikkan temperatur fluida yang dipanaskan. Pemberian panas selanjutnya akan merubah titik-titik air menjadi uap atau pemanasan dari titik 2 hingga titik 3.
2.3.4 Kerugian nilai Entalpi di Turbin
Pertambahan energi kalor yang dubutuhkan untuk melakukan kerja mekanis pada praktek aktual dibandingkan nilai teoritis, yang proses ekspansinya terjadi benar sesuai dengan proses adiabatic, dinamakan kerugian energi pada turbin. Pada suatu tingkat turbin, jumlah penurunan kalor yang benar – benar dikonversi menjadi kerja mekanis pada poros turbin adalah lebih kecil daripada nilai – nilai yang dihitung untuk tingkat turbin ideal. Kerugian mekanis, kebocoran uap melalui gland, dan lain – lain, membantu dalam memperbesar pengurangan kerja yang berguna yang dilakukan pada poros turbin. ( Shlyakhin P,1999 )
27
Semua kerugian yang timbul pada turbin dapat dibagi menjadi beberapa kelompok:
1. Kerugian dalam, yaitu kerugian yang berkaitan dengan kondisi-kondisi uap sewaktu uap tersebut mengalir melewati turbin.
Jenis – jenis kerugian berikut dapat diklarifikasikan kedalam kerugian dalam, yaitu:
a. Kerugian pada katup – katup pengatur b. Kerugian pada nozel ( sudu pengarah)
c. Kerugian kecepatan-keluar (kecepatan sisi keluar)
d. Kerugian akibat gesekan cakram yang merupakan tempat pemasangan sudu – sudu dan kerugian pengadukan (windage)
e. Kerugian akibat ruang bebas (clearance) antara rotor dan cakram – cakram sudu pengarah
f. Kerugian akibat kebahasan uap g.Kerugian pada pemipaan buang (exchaust piping), dan lain – lain.
2. Kerugian luar, yaitu kerugian yang tidak mempengaruhi kondisi – kondisi uap.
Jenisnya adalah kerugian mekanis, yaitu kerugian akibat kebocoran uap dari perapat – perapat grand labirin. (Shlyakhin, 1999) .
28 2.4 Thermodinamika
Termodinamika merupakan bagian dari cabang Fisika yang namanya Termofisika (Thermal Physics). Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem. Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari temperatur, panas, dan pertukaran energi. Menurut sejarahnya, semula termodinamika merupakan ilmu pengetahuan yang merangkaikan kalor dengan usaha mekanik.
Termodinamika juga dapat diartikan sebagai ilmu yang
menjelaskan kaitan antara besaran fisis tertentu yang menggambarkan sikap zat di bawah pengaruh kalor.Jadi, Termodinamika merupakan ilmu yang berlandaskan pada hasil-hasil eksperimen. Dalam hal ini akan dijelaskan hukum termodinamika pertama dan Hukum termodinamika kedua.
2.4.1 Hukum Thermodinamika Pertama
Hukum Termodinamika pertama adalah hukum konversi (kekekalan) energi. Hukum ini menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dilenyapkan. Energy dari suatu system yang mengalami perubahan (proses) dapat bertambah atau berkurang oleh pertukaran dengan lingkungan dan diubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain di dalam system itu. Jadi, hukum ini adalah semata-mata hukum “tata- buku” yang menyatakan pertukaran dalam kemampuan perubahan darienergy dan menjaga bahwa dalam setiap perubahan semua energy harus diperhitungkan. Hukum pertama tidak menunjukkan apakah perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk yang lain berlangsung secara sempurna atau tidak, atau apakah beberapa bentuk energy dapat dikonversikan secara penuh ke bentuk yang lain. Masalah keterbatasan tersebut diserahkan kepada hukum kedua.
29
Pernyataan matematis paling umum mengenai hukum pertama adalah yang untuk sistem terbuka yang mengalami perubahan dalam bentuk trasien. Yang dimaksud dengan system adalah setiap bagian tertentu, yang volumenya dan batas-batasnya tidak perlu tetap, dimana perpindahan dan konversi energi dan massa akan dikaji.
Di dalam sistem Termodinamika dikenal 4 proses perubahan wujud atau pertukaran energi yaitu:
1. Proses pada tekanan konstan (isobarik)
Pada proses tekanan konstan, tekanan awal proses sama dengan tekanan akhir proses atau p1= p2 (wakil,1998).
2. Proses pada volume konstan (isokhorik)
Pada proses isokhorik, volume awal akan sama dengan volume akhir gas atau V1 = V2 (wakil,1998).
3. Proses pada temperatur konstan (isotermal)
Pada proses isotermal, temperatur awal proses akan sama dengan temperatur akhir proses atau T1 = T2 (wakil,1998). 4. Proses adiabatis reversibel (isentropi)
Proses adiabatis reversibel adalah proses termodinamika dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (adiabatis) dan proses ini mampu balik (reversibel) artinya tidak ada hambatan atau gesekan (wakil,1998).
a. Enthalpi
Entalpi adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah energi internal dari suatu sistem termodinamika ditambah energi yang digunakan untuk melakukan kerja. Dari tinjauan, entalpi tidak bisa diukur, namun yang bisa dihitung adalah nilai perubahannya. Secara matematis, perubahan entalpi dapat dirumuskan sebagai berikut:
30
h= U + PV………….……….. 2.1) di mana:
h = entalpi sistem ( joule ) U = energi internal ( joule ) P = tekanan dari sistem ( Pa ) V = volume sistem ( m3 )
Karena energi dalam U dan perkalian PV kedua-duanya memiliki satuan energi, H juga memiliki satuan energi. Lebih dari itu, karena U, P dan V merupakan sifat – sifat system, maka H juga sebuah sifat sistem (wakil, 1998).
b. Mencari Nilai Entalpi Steam Masuk (Pi)
Mencari nilai entalpi superheated dengan cara interpolasi dengan menggunakan tabel uap.
T = h T1 = h1
T2 = h2 = x T3 = h3
Mencari x dengan cara interpolasi seperti di bawah ini :
= = ...2.2 Atau = = ...2.2 Dengan : T = Temperatur ( C) h = Entalpi (Kj/kg)
31
2.4.2 Hukum Thermodinamika Kedua
Bila hukum pertama adalah hukum kekekalan energi, yang menyatakan bahwa semua bentuk energi dapat saling dirubah satu sama lain, maka hukum kedua memberi batasan mengenai konversi beberapa bentuk energi menjadi bentuk lain. Ada dua bentuk energi yang paling banyak mendapat perhatian kita, yaitu kalor (heat) dan kerja (work). Hukum kedua tidaklah membantah kesetaraan dalam konversi kedua bentuk itu, tetapi hanya membatasi sampai dimana konversi itu bisa berlangsung. Kerja adalah komoditas yang paling berharga. Kerja dapat dikonversikan seluruhnya dan secara terus – menerus menjadi kalor. Tetapi sebaliknya, kalor tidak dapat dikonversikan secara keseluruhan dan terus – menerus menjadi kerja. Dengan kata lain, kalor tidak seluruhnya tersedia untuk melakukan kerja secara terus – menerus, yaitu dalam siklus ( walaupun mungkin dalam proses). ( M.M El-Wakil, 1992 )
a. Entropi
Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per-satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Mungkin manifestasi yang paling umum dari entropi adalah (mengikuti hukum termodinamika), entropi dari sebuah sistem tertutup selalu naik dan pada kondisi transfer panas, energi panas berpindah dari komponen yang bersuhu lebih tinggi ke komponen yang bersuhu lebih rendah. Pada suatu sistem yang panasnya terisolasi , entropi hanya berjalan satuarah (bukan proses reversibel/bolak-balik). Entropi suatu sistem perlu diukur untuk menentukan bahwa energi tidak dapat dipakai untuk melakukan usaha pada proses - proses termodinamika. Proses-proses ini hanya bisa dilakukan oleh
32
energi yang sudah diubah bentuknya, dan ketika energi diubah menjadi kerja/usaha, maka secara teoritis mempunyai efisiensi maksimum tertentu. Selama kerja/usaha tersebut, entropi akan terkumpul pada system,yang lalu terdisipasi dalam bentuk panas buangan.
Pada termodinamika klasik, konsep entropi di definisi kan pada hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi dari sistem yang terisolasi selalu bertambah atau tetap konstan. Maka, entropi juga dapat menjadi ukuran kecenderungan suatu proses,apakah proses tersebut cenderung akan "ter entropikan" atau akan berlangsung ke arah tertentu. Entropi juga menunjukkan bahwa energi panas selalu mengalir secara spontan dari daerah yang suhunya lebih tinggi ke daerah yang suhunya lebih rendah. Entropi termodinamika mempunyai dimensi energi dibagi temperatur,yang mempunyai Satuan Internasional joule per kelvin (wakil,1998).
2.5 Efisiensi
Efisiensi merupakan suatu ukuran keberhasilan yang dinilai dari segi besarnya sumber energi untuk mencapai hasil dari kegiatan yang dijalankan.
Efisiensi juga bisa disebut perbandingan yang terbaik antara input dan output hasil antara keuntungan dengan sumber-sumber yang dipergunakan, seperti halnya juga hasil optimal yang dicapai dengan penggunaan sumber yang terbatas. Dengan kata lain hubungan antara apa yang telah diselesaikan. ( SP.Hasibuan ,1984 )
Dalam analisis termodinamik siklus dan instalasi daya, efesiensi termal adalah rasio antara kerja netto dan kalor yang ditambahkan pada siklus atau instalasi daya. Efisiensi termal instalasi daya lebih kecil daripada yang dihasilkan dari perhitungan. ( M.M El-Wakil, 1992 )
33 2.6 Isentropik
Isentropik adalah proses yang berlangsung tanpa disertai perubahan entropi Berdasarkan definisi perubahahan entropi ,proses isentropik berlangsung jika tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem ( Adiabatik ) dan tidak ada energy yang hilang akibat gesekan pada saat berlangsungnya proses ( reversible).
2.6.1 Efesiensi Isentropik
Efesiensi isentropik merupakan perbandingan antara kinerja aktual sebuah peralatan dan kinerja yang dapat dicapai dibawah keadaan ideal untuk keadaan yang masuk yang sama dan tekanan keluar yang sama
Persamaan perhitungan mencari efesiensi Isentropik turbin uap adalah :
Kerja turbin uap Isentropik ( )
= - kJ kg )……….. 2.1 )
Kerja turbin Uap kondisi Aktual ( )
= - kJ kg )……… 2.2 ) Fraksi Uap
=
……….( 2.3 )
Efesiensi Isntropik Turbin Uap ( ) =
=
X 100 % ……… ( 2.4 )
keterangan :
= Efesiensi Isentropik Turbin ( % ) = Enthalpy Aktual Masuk Turbin ( kJ/kg )
= Enthalpy aktual keluar turbin ( kJ/kg ) = Enthalpy Isentropik keluar turbin ( kJ/kg ) = Fraksi Uap
