BAB 2 TINJUAN PUSTAKA
2.7 Perhitungan Unjuk Kerja Gas Turbin
Pada perhitungan unjuk kerja atau kinerja dari turbin gas dilakukan dengan mengacu ke gambar berikut:
Gambar 2. 11 P-V dan T-S Diagram (Mohamad Faizal,Bambang Teguh Prasetyo, Eriq Sulton Effendy,2017 : 159)
18 2.7.1 Proses Kompresi pada Kompresor
Dalam asumsi kompresi pada kompresor, dapat diasumsikan bahwa entropi (isentropik) tidak berubah dan tidak ada kalor masuk atau keluar dari sistem (adiabatik reversibel). Kerja kompresor di kondisi isentropis bisa dihitung dengan persamaan sebagai berikut: (Meherwan P. Boyce,2012 : 89)
Wk = mu × (ℎ2′- h1) atau Wk = mu × Cp × (𝑇2′- T1), hp...(2.1) Dalam praktiknya, kompresor kehilangan energi melalui gesekan dan perpindahan panas. Agar tekanan kompresinya sama, maka dibutuhkan peningkatan entalpi yang lebih tinggi. Kerja kompresor di kondisi nyata bisa diketahui dengan persamaan dibawah ini: (Budhi M. Suyitno, Jamaludin, Sorimuda Harahap,2012 : 96)
𝑊𝑘𝑘 = (𝑚𝑢 × (ℎ2− ℎ1)) ,hp...(2.2)
Nilai 𝜂𝑘 bervariasi tergantung pada jenis kompresor, jumlah udara yang diproses, dan perbandingan tekanan. Kompresor aksial memiliki efisiensi sebesar 90%, sedangkan pada kompresor sentrifugal bertingkat memiliki efisiensi sebesar 80%. (Meherwan P. Boyce,2012 : 98)
Keterangan :
Wk = Kerja Aktual Kompresor Tiap Satuan Massa, HP mu = Laju Aliran Massa Udara Masuk (lb/min)
19
h1 = Entalpi Aktual Masuk Kompressor (Btu/lbm) h2 = Entalpi Aktual Keluar Kompressor (Btu/lbm) Cp = Panas Jenis Pada Tekanan Tetap (Btu/lbm ᵒR) ɳk = Efisiensi Jenis Kompresor, %
1. Temperature Adiabatic Reversible (T2’)
Nilai suhu adiabatic reversible ditentukan menggunakan persamaan sebagai berikut: (Yunus A.Cengel, Michael A. Boles, 2015 : 508)
𝑇2′ = 𝑇1 × (𝑃2
𝑃1)𝑘−1𝑘 ...(2.3) 2. Menghitung nilai eksponen adiabatik (k)
Nilai eksponen adiabatik bisa dihitung dengan persamaan dibawah ini:
(Meherwan P. Boyce,2012 : 98)
𝑘 = 𝑀𝑐𝑝
𝑀𝑐𝑝−1,99,...(2.4) 3. Entalpi Aktual Keluar Compressor (h2)
Perhitungan entalpi aktual compressor bisa dengan persamaan sebagai berikut : (Yunus A.Cengel, Michael A. Boles, 2015 : 508)
ℎ2 = ℎ1+ ℎ2′− ℎ1
𝑛𝑘 , Btu/lb...(2.5)
20 Keterangan :
T1 = Temperatur Masuk (Renkin) P1 = Tekanan Masuk (psia) P2 = Tekanan Keluar (psia) k = Eksponen Adiabatic MCP = Specific Heat
2.7.2 Proses Pembakaran pada Ruang Bakar
Pada siklus brayton, proses pembakaran ekivalen dilakukan dengan memasukkan panas ke dalam siklus. Untuk menentukan nilai entalphi pembakaran, bisa menggunakan persamaan keseimbangan energi: (Meherwan P. Boyce,2012 : 89)
(mup × h2) + (mf × hf) = (mup + mf) × h3 ...(2.6) Keterangan :
mup = Massa Udara Pembakaran (lbm/menit) mf = Laju Aliran Massa Bahan Bakar (lbm/menit)
hf = Enthalpy Bersih Bahan Bakar Sebanding Dengan LHV (btu/lbm) h3 = Enthalpy Masuk Rotor Turbin (btu/lbm)
21 1. Pembakaran Stoikiometri
Ketika molekul mengalami reaksi kimia, atom reaktan akan mengalami proses restrukturisasi membentuk senyawa baru. Dalam perhitungan reaksi pembakaran diperlukan udara kering yang mengandung 21% O2 dan 79% N2 atau 3,76 mol N2 per mol O2. Pada suatu reaksi stoikiometri bisa dihitung dengan menyetarakan atom setiap unsur di dalam campuran. Jumlah udara yang secara teoritis diperlukan untuk pembakaran sempurna, bahan bakarnya disebut sebagai udara stoikiometri. (Yunus A.Cengel, Michael A. Boles, 2015 : 760)
2. Air Fuel Ratio (AFR)
Untuk menentukan AFR dapat menggunakan persamaan berikut: (Yunus A.Cengel, Michael A. Boles, 2015 : 755)
𝐴𝐹𝑅 = 𝑚𝑢
𝑚𝑓, lb/min...(2.7) 3. Excess Air
Udara berlebih (Excess air) adalah jumlah udara yang lebih di atas udara teoritis dan dinyatakan sebagai persentase udara teoritis. Excess air bisa mengggunakan persamaan sebagai berikut: (Yunus A.Cengel, Michael A.
Boles, 2015 : 508)
𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠 𝐴𝑖𝑟 = 100 × ( 𝑚𝑢𝑝− 𝑚𝑢𝑝𝑠
𝑚𝑢𝑝𝑠 ),%...(2.8) mups = mƒ × 𝐴𝐹𝑅s...(2.9) Keterangan:
22
Mup = Massa Udara Pembakaran (lbm/min)
mups = Massa Udara Pembakaran Stoikiometri (lbm/min) mf = Laju aliran massa bahan bakar masuk (lb/min) AFRS = Air Fuel Ratio Stoikiometri (kgudara/kgbahan bakar) 4. Temperatur Pembakaran Adiabatic Reversible (T3)
Dalam proses kehilangan panas dalam proses pembakaran: 0, maka pembakaran mencapai suhu tinggi. Suhu ini disebut suhu api adiabatik, dimana pada proses pembakaran yang stabil, suhu api adiabatik dicapai pada saat Q = W = 0 (dalam persamaan energi), sehinggan menghasilkan kesetimbangan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Yunus A.Cengel, Michael A.
Boles, 2015 : 771):
𝛴𝑁r(ℎo𝑓 + ℎ − ℎo)r = 𝛴𝑁P(ℎo𝑓 + ℎ − ℎo)p...(2.10) Keterangan :
ℎᵒ𝑓= Entalpi Dalam Bentuk Cairan (kj/kmol) ℎᵒ= Entalpi Dalam Keadaan Standar (kj/kmol) ℎ= Entalpi Dalam Keadaan Aktual (kj/kmol) 5. Efisiensi Ruang Bakar
Untuk menghitung efisiensi ruang bakar maka menggunakan persamaan sebagai berikut (Syammary Rakha,Hendri,Lukfianto, 2020 : 75):
23 𝜂𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 =ℎ2−ℎ3
ℎ2′−ℎ3× 100% ...(2.11)
Keterangan:
h2 = Entalpi Aktual Keluar Kompressor (Btu/lbm) h3 = Enthalpy Masuk Rotor Turbin (btu/lbm)
h2’ = Entalpi Ideal Keluar Kompressor (Btu/lbm)
2.7.3 Proses Ekspansi pada Turbin
Selama proses ekspansi diasumsikan tidak terdapat perbedaan tekanan dan kerugian lainnya di turbin. Namun kenyataannya, proses ekspansi turbin tidak bersifat isentropis karena rugi-rugi dari gesekan dan perpindahan panas. Kerja turbin dalam kondisi sebenarnya dapat diketahui menggunakan persamaan dibawah ini (Budhi M. Suyitno, Jamaludin, Sorimuda Harahap,2012 : 96)
Wt = 𝑚g × (ℎ3 − ℎ4),hp...(2.12) Efisiensi tergantung pada jenis, jumlah tingkat, dan ukuran turbin. Efisiensi turbin bertingkat, baik reaksi maupun impuls mencapai sebesar 88% sampai 90%, sedangkan efisiensi turbin impuls bertingkat mencapai 80% sampai 85%
(Meherwan P. Boyce,2012 : 89).
24 2.7.4 Kerja Turbin Bersih
Tidak semua daya turbin dimanfaatkan untuk menggerakkan beban.
Karena untuk menggerakkan kompresor membutuhkan sebagian daya turbin.
Maka perlu menentukan kerja turbin bersih yang nantinya digunakan untuk menggerakkan beban. Untuk menentukan kerja turbin bersih bisa digunakan pada persamaan sebagai berikut (Meherwan P. Boyce,2012 : 89):
𝑊nett = 𝑊t − 𝑊k, hp...(2.13)
2.7.5 Proses Pelepasan Kalor
Proses pelepasan kalor terjadi pada tekanan konstan. Dalam siklus terbuka aktual, pelepasan kalor tidak terjadi karena gas hasil pembakaran langsung dikeluarkan ke lingkungan. Proses pelepasan panas hanya diperlukan dalam kondisi ideal. Perhitungan proses pelepasan panas bisa dengan persamaan dibawah ini: (Yunus A.Cengel, Michael A. Boles, 2015 : 508)
𝑄out = (h4 − h1),Btu/lbm...(2.14)
2.7.6 Jumlah Kalor Masuk
Jumlah panas yang masuk ke combustor tergantung pada laju aliran bahan bakar (mƒ) dan nilai panas bawah bahan bakar (LHV). Perhitungan jumlah kalor masuk dapat menggunakan persamaan dibawah ini: (Meherwan P. Boyce,2012 : 89)
𝑄in = 𝑚ƒ × 𝐿𝐻𝑉, Btu/min...(2.15)
25 2.7.7 Heat Rate
Laju panas (Heat Rate) merupakan rasio antara jumlah kebutuhan energi dengan daya yang dihasilkan oleh beban (generator listrik). Heat Rate bisa menggunakan persamaan dibawah ini (ML. Mathur, 2014 : 64):
𝐻𝑟𝑎𝑡𝑒= 𝑚𝑒
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑡, Btu/hp-jam...(2.16) Keterangan:
me = Kebutuhan Energi (Btu/jam) 2.7.8 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan rasio antara laju aliran massa bahan bakar per satuan waktu dengan daya yang dihasilkan oleh beban turbin.
Konsumsi bahan bakar spesifik bisa dengan persamaan sebagai berikut (ML.
Mathur, 2014 : 64):
𝑆𝐹𝐶 = 𝑚𝑓 × 60
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑡 , lb/hp-jam...(2.17) 2.7.9 Efisiensi Termal Efektif
Efisiensi termal efektif merupakan rasio antara daya beban turbin dengan jumlah panas yang masuk. Perhitungan efisiensi termal efektif bisa dengan persamaan sebagai berikut (Yunus A.Cengel, Michael A. Boles, 2015 : 488):
η𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 = 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑡
𝑄𝑖𝑛 × 100%...(2.18)
26