0. Steam Turbin

(1)

TURBIN GAS

Oleh

Dr. David Bahrin, ST., MT

Palembang, 09 April 2018

Kuliah Sistem Utilitas 2- Semester 4

Jurusan Teknik Kimia

(2)

PENGGERAK MULA (

PRIME MOVER

) DI INDUSTRI KIMIA

Penggerak mula ( prime mover ) di industri atau pabrik kimia diantaranya adalah (Susanto, 2016): 1. Turbin uap  prinsip Siklus Rankine.

Turbin uap dapat dioperasikan secara flleksibel sesuai variasi kecepatan dan daya. Turbin uap memerlukan peralatan bantu yang relatif banyak, termasuk sistem pengadaan air umpan boiler. Tetapi sistem turbin uap dapat memberikan penghematan sumber energi maksimum dalam pabrik kimia yang juga menggunakan uap untuk pemanas.

2. Turbin gas prinsip Siklus Bryton.

Turbin gas adalah salah satu jenis mesin panas yang mengubah panas menjadi kerja, atas dasar siklus Bryton. Turbin gas menggunakan udara sebagai fluida kerja, dan panas dimasukkan

kedalam fluida kerja melalui pembakaran bahan bakar secara internal. Turbin gas banyak dipakai di industri dan PLTU terutama untuk menghasilkan energi listrik.

3. Motor torak  prinsip Siklus Otto.

Motor torak memiliki banyak bagian yang bergerak (gerak putar dan maju-mundur), sehingga memerlukan perawatan lebih intensif dibandingkan motor listrik. Motor torak dapat berdiri sendiri dan tidak terlalu tergantung pada pasokan sumber energi dari luar (kecuali bahan bakar). Motor torak dapat dioperasikan secara fleksibel sesuai variasi beban dan kecepatan. Dari dua jenis motor torak, penggunaan motor diesel (compression engine) lebih luas dibandingkan motor otto (spark ingnition engine).

4. Motor listrik

Motor listrik digunakan hampir pada semua pemakaian, terutama pada penggunaan dengan kecepatan konstan. Motor listrik tidak bising dan dapat dioperasikan didaerah berbahaya. Motor listrik mempunyai efisiensi tinggi dan nisbah daya terhadap berat yang baik. Motor listrik sangat dapat diandalkan, tetapi mempunyai ketergantungan tinggi terhadap listrik.

(3)

TURBIN GAS/GENERATOR GAS (Sumber: Susanto, 2016)

Komponen utama peralatan

a. Kompresor: untuk mengkompresi udara sebagai fluida kerja.

• Laju alir spesifik udara: 0,005-0 ,015 kg/kWh (dipengaruhi faktor beban, jenis dan ukuran turbin).

• Jika bahan bakar berwujud gas, maka bahan bakar dapat dimasukan sebagai campuran melalui kompresor. • Nisbah kompresi = 8, efisiensi internal = 80-90%.

• Daya yang digunakan untuk kompresi gas berkisar 40 -60% daya total yang diproduksi turbin.

b. Ruang bakar: Tempat pembakaran bahan bakar untuk meningkatkan temperatur fluida kerja.

• Berdasarkan posisi terhadap poros turbin: (1) Annular combustion chamber anulus disekeliling poros turbin agar pembakaran merata

dan efisiensi tinggi; (2) Can type combustion turbine satu ruang pembakaran berbentuk tabung kecil dipasang menempel pada bagian utama turbin membentuk sudut tertentu dengan poros turbin.

• Nisbah udara terhadap bahan bakar: 50-200 kg/kg) atau nisbah stoikiometri = 14 (untuk bahan bakar hidrokarbon).

• Udara terbagi 2 yaitu: (1) udara primer, bercampur dengan bahan bakar yang hampir mendekati stoikiometri. (2) udara sekunder, dialirkan

ke ruang bakar untuk menjaga temperatur gas panas hasil pembakaran sebelum masuk turbin sekitar 950C. c. Turbin: tempat ekspansi gas panas hasil pembakaran (berupa entalpi) untuk menghasilkan kerja, terbagi atas:

• (1) Turbin penghasil gas (Gas producer turbine)bertujuan menngerakkan kompressor udara untuk menghasilkan gas panas dengan

semburan kuat, sedikit menghasilkan kerja; (2) Turbin daya (Power turbine) bertujuan mengekspansi gas panas sejauh mungkin dan menghasilkan daya keluar poros untuk menggerakan beban.

• Efisiensi internal turbin sekitar 80-90%. Menyimpang dari proses isentropik (adiabatik dan reversibel).

Pembakaran (Pemanasan fluida) Udara Kerja keluar (W_T) Turbin 3 2 4 1 Kompresor Gas Buang Bahan Bakar

(4)

SIKLUS BRYTON STANDAR ATAU SIKLUS BRYTON GAS IDEAL

Pembakaran (Pemanasan fluida) Udara Kerja keluar (W_T) Turbin 3 2 4 1 Kompresor Gas Buang Bahan Bakar 4 1 2 3 Entropi (S) Entalpi (h) 2’ 4 1 2 3 Diagram T-S Entropi (S) Temperatur (T) q_in q_out 4’ 2’ 4’ Keterangan Gambar

a. Kompresi isentropik (adiabatik dan reversibel; kerja masuk) 12 b. Pemanasan isobarik; Panas

diserap oleh fluida kerja (Constant pressure heat addition) 2  3 c. Ekspansi Isentropik; kerja

dihasilkan) 3 4

d. Pendinginan isobarik; panas

dibuang dari fluida kerja (Constant pressure heat removal ) 4 1

4 1 2 3 Volume (V) Tekanan (P) P_a P_b

(5)

CATATAN: Dari contoh diatas:

a) Kerja pompa relatif sangat kecil dibandingkan kerja ekspansi turbin (w_p << w_T), sehingga w_p sering diabaikan sehingga kenaikan entalpi air setelah keluar dari pompa dianggap sama dengan entalpi air masuk pompa.

b) Secara praktek, fraksi air didalam uap keluar turbin tidak boleh terlalu besar untuk menggurangi

water hammer ; fraksi air dalam uap keluar turbin tergantung spesifikasi turbin masing-masing.

2’ 4 1 2 3 Diagram T-S Entropi (S) Temperatur (T) q_in q_out 4’

3. Efisiensi Internal dari Kompresi dan Ekspansi

Proses ekspansi dan kompresi nyata tdk berlangsung secara isentropik, melainkan polytropik. Efisiensi internal kompresor (_c) dan efisiensi internal turbin (_T) didefenisikan sbb;

_c = , _, = ∆ ∆_{} = T₂ –T₁ T_2′ –T₁ atau WC,2’ =  . T2 –T1 _c _T =, , = ∆ ∆_{} = T₃ –T_4′ T₃ –T₄ atau WT,4’ =_. T3 –T4  T 4. Efisiensi Siklus Bryton

Adalah perbandingan antara energi mekanik yang dihas ilkan (setelah dikurangi dgn energi yang dibutuhkan untuk kompresi udara) terhadap energi yang dibutuhkan dari bahan bakar. Dari hukum termodinamika diperoleh:

- Kerja kompresi: W_c = C_p (T₂-T₁) - Kerja ekspansi: W_T = C_p (T₃-T₄) - Pemanasan: q_c = C_p (T₃-T₂) Efisiensi siklus (_cy) _cy =− q_c = =  . T3 –T −_. T2 –T1 _(T₃T₂) = 1 -T₄ –T₁ (T₃T₂)

Persamaan diatas menunjukkan pengaruh firing temperature terhadap efisiensi siklus (T₃>> maka _cy >>)

Efisiensi siklus dapat dinyatakan dalam nisbah tekanan dan nisbah temperatur isentropik.

_cy =1 - 1

_ = 1 – 1

_ ; nisbah tekanan>> memberikan cy >> Efisiensi siklus keseluruhan dapat dinyatakan sebagai fungsi efisiensi internal kompresor

_cy = 1−(  _)(−) _c ₁−1 −_+1 ; dengan k1= _ ₁ dan  =cT ( _ ₁) T /T = nisbah temp. maksimum (cycle max temp. ratio) 1. Nisbah Tekanan (Compression ratio)

Tekanan masuk kompresor (P₁) dan tekanan keluar turbin (P₄) = tekanan atmosferik (P_a)_.

Tekanan keluar kompresor (P₂) dan tekanan masuk turbin (P₃) adalah sama, (P_b)

Rumus nisbah tekanan (Compression ratio): r_p = 

2. Nisbah Temperatur isentropik ()

Temperatur pada berbagai tahap dapat dihitung berdasarkan nisbah tekanan.

Faktor eksponensial (m) didefenisikan sebagai: a. Ekspansi isentropik: m =−1

 dengan  = Cp/Cv b. Ekspansi politropik: m = =−1

 dengan  >  Jika udara diasumsikan sebagai gas ideal 2 atom, maka k = C_p/C_v = 1,4 dengan C_p = (7/2)R dan C_v = (5/2)R Jika T₁ = T_lingk, maka T₂ dapat dihitung

T₄ dapat dihitung dari T₃, dengan T₃= T₂+ 



 .

q_c = panas masuk = m x LHV = n x C_p x dT,

m_a = laju alir fluida kerja; T₃= Temp. siklus maks/temp.

=  =   = P_b Pa 

(6)

CONTOH SOAL 1:

Sebuah turbin gas beroperasi dengan kondisi masuk 25 C dan 1 bar. Kompresi dilaksanakan dengan rasio tekanan sebesar 10. Temperatur gas keluar ruang bakar adalah 900 C dan diekspansi dalam

ekspander (turbin ekspansi) hingga 1 bar. Turbin dan kompresor bekerja secara i sentropik. Basis udara masuk 100 mol/s. Fluida kerja yang digunakan adalah udara yang dapat dianggap gas ideal dengan Cp/Cv = 1,41 dan Cp udara = 29 J/mol.K

a) Hitunglah panas yang masuk (dalam kW).

b) Hitunglah kerja netto yang dihasilkan turbin gas (dalam kW).

c) Hitunglah efisiensi turbin gas jika kompresor dan turbin bekerja isentropik (dalam %). d) Hitunglah kerja spesifik (kerja persatuan massa) turbin gas (dalam kJ/kg).

Penyelesaian

Dik:T₁ = 25C = 298,15K; P₁ = P₄ = 1 bar; r_p = 10; T₃ = 900C = 1173,15K; n_udara = 100 mol/s; Cv/Cp = 1,41; dan C_p udara = 29 J/mol.K

Dit: a) Q _in= …(kW)? b) W_net = …..(kW)? c) _Cy = …..(%)? d) W_netspesifik = ……(kJ/kg) Jawab m = (-1)/ = 0,291 dengan =Cp/Cv = 1,41

a) Q _in = n_udara x Cp_udara x (T₃-T₂) dengan T₂ = T₁ x r_pm_{= (298,15K)(10/1)}0,291_{= 582,4K}

Q _in= (100 mol/s) (29 J/mol.K) (1173,15K-582,15K) = 1.713.200 J/s = 1.713 kW

b) W_k = n_udara x Cp_udara x (T₂-T₁)

W_k = (100 mol/s) (29 J/mol.K) (582,15K-298,15K) = 824.300 J/s = 824,3 kW

(7)

Jawab CONTOH SOAL 1 (lanjutan)

W_T = n_udara x Cp_udara x (T₃-T₄) dengan T₄ = T₃ x r_pm_{= (298,15K)(1/10)}0,291_{= 600,6K}

W_T = (100 mol/s) (29 J/mol.K) (1173,15K-600,6K) = 1.660.400 J/s = 1.660 kW

Kerja netto, W_net = W_T-W_c = 1.660 kW-824 kW = 836 kW c) Efisiensi siklus (_Cy) = W_net/Q _in = 836 kW/1.713 kW = 48,8%

d) Kerja persatuan massa = W_net /m_udara; dengan m_udara = mol_udara x Berat molekul udara = (836 kW/(0,5 kmol/s x 29 kg/kmol)

= 57,7 kJ/kg

a) Berbeda dengan siklus Rankine, kerja kompresi pada siklus Bryton signifikan sehingga tidak dapat diabaikan.

b) Besarnya kerja persatuan massa banyak digunakan sebagai pertimbangan dalam turbin gas untuk keperluan kendaraan karena menentukan dimensi peralatan.

CONTOH SOAL 2:

Sebuah turbin gas beroperasi dengan kondisi masuk 25 C dan 1 bar. Kompresi dilaksanakan dengan rasio tekanan sebesar 10. Temperatur gas keluar ruang bakar adalah 900 C dan diekspansi dalam ekspander (turbin ekspansi) hingga 1 bar. Basis udara masuk 100 mol/s. Fluida kerja yang digunakan adalah udara yang dapat dianggap gas ideal dengan Cp/Cv = 1,41 dan Cp udara = 29 J/mol.K

Hitunglah efisiensi turbin gas, pada kasus berikut: a) Turbin dan gas bekerja isentropik.

b) Turbin bekerja dengan efisiensi isentropik 90% dan kompresor bekerja dengan efisiensi isentropik 85%.

Penyelesaian

a) Turbin dan kompresor bekerja secara isentropik, pertanyaan ini sudah dijawab pada contoh soal 1

(8)

Jawab CONTOH SOAL 2 (lanjutan) b) Dik: _T = 90% dan _c = 85% Dit: _Cy= ……%? Penyelesaian Gunakan persamaan: _cy = 1−(  _)(−) _c(₁−1)(_+1) ; dengan



 =(rp m_{) =}

P

_b

P

a 

;

k₁= ₁

dan 

=cT ( _ ₁) k₁ = (1173,15K/273,15K) = 3,93



_{ =} (10/1)0,291_{= 1,95}



=_c_T ( ₁) = (0,9)(0,85)(3,93) = 3,01 cy = 1−( _)(−) _c(₁−1)(_+1) = 1−(  ,)(,01−1,95) 0,85 ,9−1 −1,95+1 = 29,63%

Walaupun efisiensi isentropik turbin dan kompresor kelihatan tinggi, efisiensi siklus (turbin gas secara keseluruhan) dapat turun secara drastis karena efisiensi isentropik turbin dan kompresor buruk)

CONTOH SOAL 3:

Sebuah turbin gas beroperasi dengan kondisi masuk T₁= 25C dan P₁= 1 bar. Kompresi dilaksanakan

dengan rasio tekanan (r_p). Temperatur gas keluar ruang bakar (T₃) (K). Gas keluar ruang bakar kemudian diekspansikan dalam ekspander hingga 1 bar. Basis udara masuk 100 mol/s. Fluida kerja yang digunakan adalah udara yang dapat dianggap gas ideal dengan Cp/Cv = 1,41 dan Cp udara = 29 J/mol.K

Hitunglah pengaruh rasio tekanan (r_p) dan temperatur pembakaran (T₃) terhadap efisiensi turbin gas, jika turbin turbin bekerja dengan efisiensi isentropik 90% dan kompresor bekerja dengan efisiensi isentropik 85% (buat dalam bentuk kurva menggunakan program mixcrosof excell)

(9)

SOAL-SOAL (KERJAKAN PERORANG DAN KUMPULKAN PUKUL 09.00 WIB): SOAL 3

Sebuah turbin gas beroperasi dengan kondisi masuk T₁= 25C dan P₁= 1 bar. Kompresi dilaksanakan dengan rasio tekanan (r_p). Temperatur gas keluar ruang bakar (T₃) (K). Gas keluar ruang bakar kemudian diekspansikan dalam ekspander hingga 1 bar. Basis udara masuk 100 mol/s. Fluida kerja yang digunakan adalah udara yang dapat dianggap gas ideal dengan Cp/Cv = 1,41 dan Cp udara = 29 J/mol.K

Hitunglah pengaruh rasio tekanan (r_p) dan temperatur pembakaran (T₃) terhadap efisiensi turbin gas, jika turbin turbin bekerja dengan efisiensi isentropik 90% dan kompresor bekerja dengan efisiensi isentropik 85%!

(untuk mempermudah perhitungan dan kurva dapat dibuat menggunakan program microsoft excell)

Petunjuk: efisiensi siklus atau turbin gas dihitung seperti contoh soal 2, temperatur pembakaran divariasikan dengan memvariasikan T₃/T₁ pada nilai T₁ tetap. Rasio tekanan (r_p) divariasikan dari 1,5 hingga 32)

SOAL 4

Sebuah turbin gas (daya nominal 5 MW) memiliki spesifikasi sebagai berikut: a. Compression ratio = 12

b. Efisiensi isentropik kompresor = 80%

c. Efisiensi isentropik turbin (ekspander) = 70% Kondisi operasional:

a. Udara lingkungan = 1 bar dan 30C

b. Bahan bakar gas alam dengan komposisi (fraksi mol): 92% CH₄, 3% C₂H₆ dan 5% CO₂ c. Temperatur gas buang keluar turbin (exhaust temperature) = 540C

Asumsi: udara dan gas cerobong bersifat seperti gas ideal dengan C_p = 7/2R, tulislah tambahan asumsi lain yang Anda gunakan dalam perhitungan.

Pertanyaan:

a) Berapa laju alir udara (dalam kmol/s) masuk kompresor. {Gunakan persamaan  =   = P_b Pa  ; _c = , _, = ∆ ∆_{} = T₂ –T₁ T_2′ –T₁ ; T = , _, = ∆ ∆_{} = T₃ –T_4′ T₃ –T₄ ; Wnet = WT-Wc }

b) Berapakah kebutuhan gas alam (dalam kmol/s) untuk menghasilkan daya 5 MW. (cari LHV gas alam, pakai rumus

 =  _ ._;neraca energi di combuster; Qudara masuk combuster + Q bahan bakar masuk combuster = Q flue gas keluar combustor ); rumus Q = n Cp T dengan n = mol udara atau mol gas alam)