TUGAS SARJANA
SISTEM PEMBANGKIT TENAGA
PERANCANGAN TURBIN UAP PENGGERAK GENERATOR LISTRIK PADA PABRIK PENGOLAHAN KELAPA SAWIT
KAPASITAS : 60 TON TBS/JAM DAYA TERPASANG : 10 MW
PUTARAN : 5700 RPM
OLEH :
RUMTONI SIREGAR NIM : 030401033
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FAKULTAS TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN M E D A N
2 0 0 8
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur dipanjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.
Adapun tugas sarjana ini saya ambil adalah dibidang system pembangkit tenaga dengan sub bidang turbin uap yang berjudul“Perancangan turbin uap penggerak generator listrik, dengan daya terpasang generator 10 MW dan putaran turbin 5700 rpm”.
Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada : 1. Orang tuaku tercinta ayahanda J. Siregar (alm), dan ibunda N. Aritonang
untuk segala cinta dan kasih sayangnya atas tanggung jawab serta pengorbanannya, demikian juga kepada abang Pak Manonga, Pak Joel, abang Gunawan, abang Bornock, kakak Jujur, kakak Vanny, kakak Dicky, adek Kartika, adek Nunut, dan Lae yang turut memberikan dukungan baik secara materil maupun spiritual, juga kepada bapak Tua, bapak Uda, Namboru, Amangboru, karena doa, dukungan, dan nasehat-nasehat yang tak terhitung jumlahnya.
2. Kekasih tercinta “Yohana Winda Sinuhaji”atas dukungan, doa,dan semua peran sertanya yang membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri dan bapak Tulus Burhanuddin,ST, MT, selaku ketua dan sekretaris Departemen Teknik Mesin USU
4. Bapak Ir. Halim Nasution, M.Sc sebagai dosen pembimbing yang telah membimbing saya dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
5. Bapak Terang UHSG, Manik, ST, MT, selaku dosen pembanding I yang telah meluangkan waktu, pemikiran dan memberikan nasehat kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
6. Bapak Tulus Burhanuddin,ST, MT, sebagai, dosen pembanding II yang telah meluangkan waktu, pemikiran dan memberikan nasehat kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
7. Bapak/ Ibu Staff pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU.
8. Pimpinan dan karyawan PT.Putra Kreasi Nusantara Multimas Nabati Asahan ada abang Joni, Harris, Yusfi, Ali, Raja, dan Hendra, atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk melakukan survey dalam pengambilan data sebagai bahan dalam pengerjaan tugas sarjana ini.
9. Teman-teman gang bahagia 319 atas dukungan fasilitasnya.
10. Teman – teman Teknik Mesin, terutama stambuk 2003, dan seluruh teman- teman stambuk lainnya, atas motivasi dan bantuannya dalam mengerjakan tugas sarjana ini.
Penulis menyadari bahwa tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna, untuk itu penulis mengharapkan saran yang membangun untuk kesempurnaan tugas sarjana ini, akhir kata penulis mengucapkan banyak terima kasih.
Medan, November 2008.
Penulis,
Rumtoni Siregar (03 0401 033)
ABSTRAK
Meningkatnya tuntutan kebutuhan hidup sehari-sehari terhadap sumber energi maka diperlukan suatu sistem yang dapat mengubah energi yang terkandung di alam, antara lain dalam bentuk energi potensial, energi kimia, dan energi mekanis kemudian dapat dikonversikan menjadi energi listrik yang akan digunakan untuk memenuhi kebutuhan rumah tangga, kebutuhan industri, dan kebutuhan transportasi.
Pembangkit tenaga tidak tersedia di alam, tetapi sumber energi seperti air dan udara dapat di gunakan langsung atau melalui proses, untuk memperoleh energi yang lebih besar dan ketersediaannya di alam dalam jumlah besar maka uap air sering digunakan sebagai fluida kerja.
Air yang tersedia di alam dengan bantuan energi panas yang dialirkan ke dalam boiler mengakibatkan air berubah fasa dari air menjadi uap air dan disebut dengan uap kering. Uap yang keluar dari boiler mempunyai temperatur dan tekanan tertentu kemudian dialirkan lewat nozel mengakibatkan energi yang terkandung didalam uap berubah seiring dengan perubahan tekanan dan kecepataan aliran uap yang akan menubruk sisi-sisi atau dinding sudu-sudu yang terpasang pada poros turbin dengan kata lain terjadi perubahan energi mekanis. Suatu pembangkit tenaga adalah kombinasi dari ekonomiser, ketel, ruang bakar, kompresor, pompa, kondensor, pemanas ulang.
Uap air yang bertekanan dan bertemperatur tinggi memiliki energi kinetik yang tinggi pula, sehingga uap air dapat mendorong sudu turbin yang mengakibatkan turbin berputar pada porosnya (energi mekanis), kemudian diteruskan ke generator yang mengkonversikannya ke bentuk energi listrik
DAFTAR ISI
SPESIFIKASI TUGAS KARTU BIMBINGAN
KATA PENGANTAR ... i
DAFTAR ISI... . iii
DAFTAR SIMBOL YUNANI ... vii
DAFTAR SIMBOL LATIN ... viii
DAFTAR TABEL ... . xi
DAFTAR GAMBAR ... xii
BAB I. PENDAHULUAN 1.1. Latar belakang ... 1
1.2. Tujuan perencanaan ... 2
1.3. Batasan masalah ... 2
1.4. Metodologi penulisan ... 3
1.5. Sistematika penulisan ...3
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Analisa termodinamika ... 5
2.2. Analisa termodinamika pada pompa ... 7
2.3. Analisa termodinamika pada ruang bakar ... 9
2.4. Analisa termodinamika pada turbin ... 12
2.5. Modifikasi siklus Rankine pada PLTU ... 13
2.6. Klasifikasi turbin uap ... 15
2.7. Analisa kecepatan uap ... 21
2.8. Kerugian-kerugian kalor pada turbin uap ... 23
2.8.1. Kerugian-kerugian dalam(internal losses) ... 23
2.8.2. Kerugian-kerugian luar (external losses) ... 30
2.9. Effisiensi pada turbin ... 30
BAB III. PEMBAHASAN MATERI 3.1. Pemilihan jenis turbin………..32
3.2. Perhitungan penurunan kalor untuk jenis turbin nekatingkat... 32
3.2.1. Analisa termodinamika untuk penurunan kalor ... 33
3.3. Perhitungan tekanan dan temperatur ekstraksi ... 35
3.4. Analisa termodinamika pada diagram T-s untuk turbin uap dengan satu tingkat ekstraksi ... 36
3.5. Perhitungan daya generator listrik ... 39
3.6. Perancangan turbin tingkat pengaturan (tingkat satu) ... 41
3.7. Penurunan kalor dari tingkat pengaturan sampai tingkat ekstraksi ... 48
3.8. Kelompok turbin tingkat ekstraksi sampai tingkat terakhir ... 53
3.9. Pengecekan hasil perhitungan penurunan kalor keseluruhan .... 55
BAB IV. PERHITUNGAN UKURAN UTAMA TURBIN 4.1. Perhitungan ukuran poros ... 57
4.2. Perhitungan ukuran nozel dan sudu gerak ... 59
4.2.1. Tinggi nozel dan sudu gerak ... 59
4.2.2. Lebar sudu gerak ... 62
4.2.3. Jarak bagi antara sudu gerak ... 63
4.2.4. Jumlah sudu ... 64
4.2.5. Nozel dan sudu gerak tingkat 2 ... 64
4.3. Kekuatan sudu ... 65
4.4. Pemeriksaan kekuatan sudu terhadap getaran ... 68
4.5. Pembahasan perhitungan ukuran cakram... 69
4.6. Perhitungan putaran kritis ... 78
4.7. Roda gigi ... 82
4.8. Bantalan dan pelumasan ... 86
4.9. Rumah Turbin... 91
BAB V. PENGATURAN TURBIN 5.1. Pengaturan putaran turbin... 93
5.2. Governor ... 93
5.3. Analisa pengatur sentirfugal ... 95
5.4. Sistem pengaturan tidak langsung ... 99
5.5.Cara kerja governor ...100
BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Spesifikasi Turbin Uap ...105
6.2. Dimensi Bagian Utama Turbin ...105
6.3. Saran ...105 LAMPIRAN
GAMBAR TEKNIK DAFTAR PUSTAKA
SIMBOL YUNANI
αn Sudut tekanan normal ˚
α1 Sudut kemiringan nozel ˚
α2 Sudut relatif sisi keluar sudu gerak baris pertama ˚
α1’ Sudut sudu pengarah sisi keluar ˚
α2’ Sudut sisi keluar gerak baris kedua ˚
β1 Sudut sisi masuk sudu gerak baris pertama ˚
β2 Sudut sisi keluar sudu gerak baris pertama ˚
β1’ Sudut sisi masuk sudu gerak baris kedua ˚
β2’ Sudut sisi keluar sudu gerak baris kedua ˚
δ Tebal dinding silinder mm
ε Derajat pemasukan -
φ v Koefisien beban -
φ s Koefisien ketahanan -
ρ Massa jenis kg/cm3
ηe Efisiensi efektif -
ηm Efisiensi mekanis -
ηoi Efisiensi overall internal -
ηu Efisiensi relatif sudu -
φ Koefisien kecepatan nozel -
σ Tegangan izin cakram kg/cm3
σb Tegangan lentur sudu gerak baris pertama kg/cm3
ω Kecepatan sudut rad/det
ψ Koefisien sudu -
DAFTAR SIMBOL LATIN
Notasi Arti satuan
A0 Titik perpotongan antara tekanan uap masuk dengan temperatur uap masuk
-
A0’
A1t
A1’t
Titik perpotongan antara penurunan tekanan uap masuk akibat katup pengatur dengan entalpi konstan
Titik perpotongan garis vertikal kebawah dari titik A0 dengan tekanan uap buang
Titik perpotongan garis vertikal kebawah dari titik A’0
dengan tekanan uap buang
-
-
-
a b
Lebar penampang setiap nozel Lebar sudu
mm mm C Kapasitas termal rata-rata minyak pelumas kkal/kgºC C1 Kecepatan uap aktual pada sisi keluar nosel m/det C1’ Kecepatan mutlak uap masuk pada sudu baris kedua m/det C2 Kecepatan uap mutlak keluar sudu gerak baris pertama m/det C2’ Kecepatan uap mutlak keluar sudu gerak baris kedua m/det C1t Kecepatan uap teoritis pada sisi keluar nosel m/det C1u
C2u
d
Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris pertama
Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris kedua
Diameter roda cakram diukur pada diameter rata-rata sudu
m/det
m/det
mm
D Diameter dalam silinder mm
dp Diameter poros mm
f1 G Geks
Luas penampang pada sisi keluar nosel
Massa alir uap melalui turbin setelah ekstraksi Massa alir uap ekstraksi
m2 kg/det kg/det
Gkebocoran Kebocoran uap melalui perapat labirin kg/det
Go Massa aliran uap total melalui turbin kg/det
hb’ Kerugian kalor pada sudu gerak baris pertama kJ/kg hb” Kerugian kalor pada sudu gerak baris kedua kJ/kg
he Kerugian kalor akibat kecepatan keluar kJ/kg
hgb Kerugian kalor pada sudu pengarah kJ/kg
hn Kerugian kalor pada nosel kJ/kg
ho
h’o
Penurunan kalor teoritis sebelum katup pengatur Penurunan kalor teoritis setelah katup pengatur
kJ/kg kJ/kg hi Penurunan kalor yang dimanfaatkan pada turbin kJ/kg io Kandungan kalor uap pada sisi masuk turbin kJ/kg
iit Kandungan uap ideal keluar turbin kJ/kg
iit’ Kandungan kalor uap akibat katup pengatur kJ/kg
I Momen inersia mm4
l Tinggi nosel mm
l1’ Tinggi sisi masuk sudu gerak baris pertama mm l1” Tinggi sisi keluar sudu gerak baris pertama mm l2’ Tinggi sisi masuk sudu gerak baris kedua mm l2” Tinggi sisi keluar sudu gerak baris kedua mm
lgb’ Tinggi sisi masuk sudu pengarah mm
lgb” Tinggi sisi keluar sudu pengarah mm
Wct Berat cakram total kg
Wp Berat poros kg
Mt
Mx1
Momen torsi Momen lengkung
kg.cm kg.cm
n Putaran poros turbin rpm
Ni Daya dalam turbin kW
No Daya ideal turbin kW
Ne Daya efektif turbin kW
Ngea Daya gesek dan ventilasi cakram kW
Pa Gaya akibat perbedaan tekan uap masuk dan keluar kg
Pa’ Gaya akibat momentum uap yang mengalir kg
Pkr Tekanan kritis bar
Po Tekanan uap awal turbin bar
Po’ Tekanan uap sebelum nosel bar
Pu Gaya akibat rotasi sudu kg
P1 Tekanan uap masuk sudu gerak bar
P2 Tekanan uap keluar turbin bar
Qr Kalor yang timbul pada bantalan kkal/kg
R1 Jari-jari kelengkungan sudu gerak baris pertama mm R2 Jari-jari kelengkungan sudu gerak baris kedua mm
Rp Jari-jari kelengkungan sudu pengarah mm
rs Jari-jari rata-rata plat penguat sudu mm
r2 Jari-jari cakram mm
tp Jarak bagi sudu pengarah mm
t1 Jarak bagi sudu gerak baris pertama mm
t2 Jarak bagi sudu gerak baris kedua mm
u Kecepatan tangensial sudu m/det
Wy Momen perlawanan terkecil sudu cm3
w1 Kecepatan uap relatif masuk sudu gerak baris pertama m/det w2 Kecepatan uap relatif keluar sudu gerak baris pertama m/det w1’ Kecepatan uap relatif masuk sudu gerak baris kedua m/det w2’ Kecepatan uap relatif keluar sudu gerak baris kedua m/det
z1 Jumlah sudu gerak baris pertama -
z2 Jumlah sudu gerak baris kedua -
zp Jumlah sudu pengarah -
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Tegangan-tegangan tangensial pada cakram konis ... 75
Tabel 4.2. Tegangan-tegangan radial pada cakram konis ... 76
Tabel 4.3. Tegangan-tegangan radial pada hub ... 76
Tabel 4.4. Tegangan-tegangan tangensial pada hub ... 77
Tabel 4.5. Sifat-sifat baja yang digunakan pada pembuatan cakram ... 78
Tabel 4.6 Ruang bebas yang diperbolehkan untuk bantalan luncur ... 87
Tabel 5.1 Besarnya kecepatan sudut rotasi (ω) dan sudut θ, β, α ………98
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Diagram alir siklus Rankine ... 6
Gambar 2.2. Diagram T-s siklus Rankine ... 6
Gambar 2.3. Perbandingan antara kompresi nyata dan isentropik ... 8
Gambar 2.4. Diagram alir siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi ... 14
Gambar 2.5. Diagram T-s siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi ... 15
Gambar 2.6. Turbin impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan dan diagram efisiensinya ... 17
Gambar 2.7. Penampang turbin impuls Curtis tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan dan diagram efisiensinya ... 18
Gambar 2.8. Penampang turbin Zoelly/Rateau tiga tingkat tekanan... 19
Gambar 2.9. Penampang turbin Parson reaksi dan diagram efisiensinya... 20
Gambar 2.10. Variasi kecepatan uap pada sudu-sudu gerak turbin impuls... 21
Gambar 2.11. Proses ekspansi uap melalui mekanisme pengatur dan kerugian- kerugian akibat pencekikan ... 24
Gambar 2.12. Grafik untuk menetukan koefisien kecepatan φ sebagai fungsi tinggi nozel ... 25
Gambar 2.13. Koefisien kecepatan untuk sudu gerak turbin impula untuk berbagai panjang dan propil sudu ... 26
Gambar 2.14. Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls ... 29
Gambar 3.1. Diagram Mollier untuk proses penurunan kalor pada turbin ... 34
Gambar 3.2. Diagram Mollier untuk penurunan kalor dengan satu tingkat ekstraksi ... 35
Gambar 3.3. Instalasi pembangkit tenaga uap ... 36
Gambar 3.4 Diagram T-s dengan satu tingkat ekstraksi ... 36
Gambar 3.5 Effisiensi mekanis turbin ... 38
Gambar 3.6 Effisiensi generator ... 39
Gambar 3.7 Diagram daya yang harus disuplai turbin uap ke generator ... 40
Gambar 3.8 Segitiga kecepatan untuk turbin impuls dua tingkat kecepatan ... 44
Gambar 3.9. Diagram I-s untuk tingkat pengaturan ... 47
Gambar 3.10. Proses ekspansi uap pada setiap tingkat turbin ... 55
Gambar 4.1. Ukuran nozel dan sudu gerak... 62
Gambar 4.2. Gaya-gaya lentur pada Sudu ... 68
Gambar 4.3. Penampang cakram kelepak konis ... 70
Gambar 4.4. Berbagai koefisien untuk cakram konis ... 72
Gambar 4.5. Pembebanan pada poros ... 80
Gambar 4.6. Roda gigi... 82
Gambar 4.7. Bantalan luncur ... 87
Gambar 4.8. Dudukan poros pada bantalan pada berbagai kecepatan ... 88
Gambar 4.9. Grafik koefisien φv (kriteria beban)...89
Gambar 4.10. Grafik untuk menentukan koefisien φs...90
Gambar 5.1 Governor pengaturan putaran turbin………..94
Gambar 5.2 Pengatur sentrifugal………...95
Gambar 5.3 Analisa gaya pada pendulum……….96
