Siklus Rankine di Turbin Uap 1
Pengertian Siklus Rankine Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine. Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari. Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagai siklus Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukan gas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada temperatur 565 oC (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30 oC. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik tenaga batu bara sebesar 42%. Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namun air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah. Sistem siklus Rankine terdiri atas empat komponen, yaitu: 1 2 3 4
Pompa Boiler Turbin Kondenser
Dalam siklus Rankine yang sebenarnya, kompresi oleh pompa dan ekspansi dalam turbin tidak isentropic,dengan kata lain proses ini tidak bolak-balik dan entropi meningkat selama proses. Hal ini meningkatkan tenaga yang dibutuhkan oleh pompa dan mengurangi energi yang dihasilkan oleh turbin. Secara khusus, efisiensi turbin akan dibatasi oleh terbentuknya titik-titik air selama ekspansi ke turbin akibat kondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin, menyebabkan erosi dan korosi, mengurangi usia turbin dan efisiensi
turbin. Cara termudah dalam menangani hal ini adalah dengan memanaskannya pada temperatur yang sangat tinggi. Efisiensi termodinamika bisa didapatkan dengan meningkatkan temperatur input dari siklus. Terdapat beberapa cara dalam meningkatkan efisiensi siklus Rankine. Siklus Rankine dengan pemanasan ulang, dalam siklus ini dua turbin bekerja secara bergantian. Yang pertama menerima uap dari boiler pada tekanan tinggi, Setelah uap melalui turbin pertama, uap akan masuk ke boiler dan dipanaskan ulang sebelum memasuki turbin kedua, yang bertekanan lebih rendah. Manfaat yang bisa didapatkan diantaranya mencegah uap berkondensasi selama ekspansi yang bisa mengakibatkan kerusakan turbin, dan meningkatkan efisiensi turbin. Siklus Rankine regeneratif Konsepnya hampir sama seperti konsep pemanasan ulang. Yang membedakannya adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan kondenser akan bercampur dengan sebagian uap yang belum melewati turbin kedua. Pencampuran terjadi dalam tekanan yang sama dan mengakibatkan pencampuran temperature, hal ini akan mengefisiensikan pemanasan primer. Siklus Rankine Organik Siklus Rankine Organik menggunakan fluida organik seperti n-pentana atau toluena menggantikan air dan uap. Penggunaan kedua jenis fluida tersebut akan mengurangi suplai panas yang dibutuhkan karena rendahnya titik didih dari kedua jenis fluida tersebut sehingga energi matahari sudah cukup untuk mengubah fase fluida tersebut. Meski efisiensi Carnot akan berkurang, namun pengumpulan panas yang dilakukan pada temperatur rendah akan mengurangi banyak biaya operasional. Siklus Rankine sesungguhnya tidak membatasi fluida jenis apa yang digunakan karena pada dasarnya siklus Rankine adalah mesin kalor sehingga efisiensinya dihitung berdasarkan
efisiensi
Carnot.
termodinamika. 2. Proses Siklus Rankine Perhatikan gambar berikut!
Konsepnya
tidak
boleh
dipisahkan
dengan
siklus
Siklus fluida sederhana pada turbin uap Penjelasan : Proses 1-2 : Fluida kerja (misalnya air) dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Pada tahap ini fluida kerja berfase cair sehingga hanya membutuhkan energi yang relatif kecil untuk proses pemompaan. Proses 2-3 : Air bertekanan tinggi memasuki boiler untuk dipanaskan. Di sini air berubah fase menjadi uap jenuh. Proses ini berlangsung pada tekanan konstan. Proses 3-4: Uap jenuh berekspansi pada turbin sehingga menghasilkan kerja berupa putaran turbin. Proses ini menyebabkan penurunan temperatur dan tekanan uap, sehingga pada suhu turbin tingkat akhir kondensasi titik air mulai terjadi. Proses 4-1:
Uap basah memasuki kondenser dan didinginkan sehingga semua uap berubah menjadi fase cair. Air dipompakan kembali (Proses 1-2)
Turbin Uap dari boiler pada kondisi 1, yang berada pada temperatur dan tekanan yang sudah dinaikkan bereksansi didalam turbin untuk menghasilkan kerja dan kemudian didinginkan dimkondenser pada kondisi 2 dengan tekanan yang relatif rendah.
Dengan
kesetimbangan
=
Kondenser
perpindahan
kalor
dengan
sekelilingnya,
laju energi dan massa untuk volume atur disekitar turbin pada
kondisi tunak.
Wt m
mengabaikan
h1 - h2
Dalam kondenser terjadi perpindahan kalor dari uap ke air pendingin yang mengalir dalam aliran yang terpisah. Uap terkondensasi dan temperatur air pendingin meningkat. Pada keadaan tunak, kesetimbangan laju massa dan energi untuk volume atur dari permukaan kalor.
Q out m
h2 - h3
=
Pompa Kondensat cair yang meninggalkan kondenser dikondisi 3 dipompa dari kondenser kedalam boiler yang bertekanan tinggi, dengan menggunakan volume atur dan mengasumsi tidak ada perpindahan kalor dengan sekitarnya.
Wp m
h4
=
h3
-
Boiler Fluida kerja yang meninggalkan pompa pada kondisi 4 disebut air pengisian, dipanaskan sampai jenuh dan diuapkan didalam boiler, dengan menggunnakan volume atur dari kondisi 4 kekondisi 1, kesetimbangan massa dan energi.
Q¿ m
=
h1 - h4
Parameter Kerja Efisiensi termal mengukur seberapa banyak energi yang masuk kedalam fluida kerja melalui boiler yang dikonversi menjadi keluaran kerja netto merupakan efisiensi termal.
Wt W p − m m η= Q¿ m
3. Siklus rankine
=
(h1−h2)−(h 4−h3) h1 −h4
menjadi
η=1−
(h 2−h3 ) (h1−h4 )
Diagram T-s Siklus Rankine
Proses 1-2 : Fluida kerja (misalnya air) dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Pada tahap ini fluida kerja berfase cair sehingga hanya membutuhkan energi yang relatif kecil untuk proses pemompaan. Proses 2-3 : Air bertekanan tinggi memasuki boiler untuk dipanaskan. Di sini air berubah fase menjadi uap jenuh. Proses ini berlangsung pada tekanan konstan. Proses 3-4: Uap jenuh berekspansi pada turbin sehingga menghasilkan kerja berupa putaran turbin. Proses ini menyebabkan penurunan temperatur dan tekanan uap, sehingga pada suhu turbin tingkat akhir kondensasi titik air mulai terjadi. Proses 4-1:
Uap basah memasuki kondenser dan didinginkan sehingga semua uap berubah menjadi fase cair. Air dipompakan kembali (Proses 1-2)
Contoh Soal : 1. Sebuah siklus Rankine sederhana ideal bekerja pada temperatur 400 oC dan tekanan 80 bar. Tekanan kondensor 0,1 bar. Aliran massa uap yang masuk ke turbin 100 kg/s. Hitunglah kerja turbin, kerja pompa, kalor masuk, kalor keluar dan efisiensi siklus. daya yang dihasilkan turbin dan daya netto siklus. Jawab Pertama-tama gambarkan skema siklus Rankine sederhana dan lengkapi dengan data-data yang ada di dalam soal
Gam bar 7 data dari soal Dari tabel sifat-sifat uap panas lanjut di dapat : Entalpi uap masuk ke turbin : h1 = 3139,4 kJ/kg Entropi uap masuk ke turbin : s1 = 6,3658 kJ/kg.K Entropi uap keluar turbin sama dengan entropi uap masul turbin (proses ideal atau isentropis) sehingga s1 = s2 = 6,3658 kJ/kg.K Dari tabel uap jenuh, pada tekanan 0,1 bar (10 kPa) didapat : Entalpi fase uap (hg2) = 2583,9 kJ/kg
Entalpi fase cair (hf2) = 191,81 kJ/kg Entalpi perubahan fase (hfg2) = 2392,1 kj/kg Entropi fase uap (sg1) = 8,1488 kJ/kg.K Entropi fase cair (sf2) = 0,6492 kJ/kg.K Entropi perubahan fase (sfg2) = 7,4996 kJ/kg.K Fraksi (kadar) uap (X) dapat dihitung :
x=
S 2−S f 2 6,3658−0,6492 = =0,7622 atau76,22 uap S fg 2 7,4996
Artinya kadar uap yang keluar dari turbin menuju kondensor adalah 76,22 % atau fluida yang keluar dari turbin 76,22 % uap dan 23.78 % cair. Bagian yang cair ini tidak perlu lagi diembunkan, tetapi 76,22 % uap ini yang harus dibuang kalornya supaya fasenya berubah menjadi cair. Maka energi total yang terkandung di dalam 76,22% uap dapat dihitung :
x=
h2−h f 2 h fg
0,7622=
h2−191,81 2392,1
h2= ( 0,7622 x 2392,1 ) +191,81=2015,07 kJ /kg
Maka kerja turbin dapat dihitung yaitu :
W t =( h1 −h2 )=3139,4−2015,07=1124,33 kJ / kg
Daya turbin adalah :
PT −W T . m=1124,33
kJ kg kJ −100 =112433 atau112344 kW ≈ 112,344 MW kg s s
Kalor yang dibuang oleh kondensor :
Qout =h2−h3 h adalah entalpi uap yang masuk ke kondensor = 2015,07 kJ/kg 2 h3 adalah entalpi air yang keluar dari kondensor = 191,81 kJ/kg maka kalor yang dibuang oleh kondensor adalah :
Qout =2015,7−191,81=1823,26 kJ /kg
Daya kondensor yang dibutuhkan untuk membuang kalor tersebut adalah :
PK =1823,26 x 100=182.326 kW ≈ 182.236 MW
Kerja pompa dapat dihitung dengan rumus :
3 P 4−P¿ ¿ W P=v ¿
ν = volume jenis air pada tekanan 0,1 bar = 0,00101 m3/kg p4 = tekanan air keluar pompa = tekanan boiler (proses ideal tidak ada rugi-rugi tekanan) maka p4 = p1 = 400 bar = 40 Mpa. p3 = tekanan air masuk pompa = tekanan air keluar kondensor, untuk proses ideal tidak ada rugi-rugi tekanan sehingga p3 = 0,1 bar = 10 kPa maka kerja pompa :
W P=0,00101 ( 40000−10 )=40,3899 kJ /kg
Bila aliran massa air yang dipompa 100 kg/s maka daya yang diperlukan oleh pompa adalah:
P p=(W P . m)
P p=40,3899
kJ kg x 100 =4038,99 kW kg s
Daya netto siklus :
Pnett =PT −P P=112344−4038,99=108305,01 kW ≈ 108,305 MW
Kalor yang masuk ke sistem (qin) dapat dihitung :
Q¿ =h1−h 4
h1 = entalpi uap panas lanjut keluar dari boiler = 3139,4 kJ/kg h4 = entalpi air keluar pompa yang besarnya = entalpi air masuk pompa + kerja pompa, maka
h 4=191,81+ 40,3899=232,1999 kJ /kg
maka kalor yang masuk ke sistem adalah :
Q¿ =3139,4−232,1999=2900,2 kJ /kg
Daya yang dihasilkan Boiler :
P B=2900,2 kJ /kg x 100 kg/ s=290.020 kW=290,02 MW
Efisiensi termodinamika siklus adalah :
ηth =
W T −W P Q¿
ηth =
1124,33−40,3899 2392,1
ηth =0,3737 ≈ 37,37
Dari hasil perhitungan dapat dilihat hanya 37,37 % dari daya yang diberikan ke dalam boiler yang dapat diubah menjadi energi mekanis, sisanya hilang atau dibuang ke alam melalui kondensor dan ada sebagian kecil yang digunakan untuk mengerakan pompa. Daya Pompa BFP:
m3=2112 T /H ¿ 587 kg /s
P BFP=W BFP . m3 ¿ 13096,93 KW
¿ 13,10 MW
h 4=h 3+W BFP ¿ 750,30 kJ /kg
Daya Pompa total:
P Pompa Total=P CEP+ 2. P BFP
¿ 27,12 MW
Daya Turbin Nett:
PTurbin Nett=PTurbin−P Pompa
Total=706,07 MW
Kalor yang dibuang Condenser:
Q out=h 10−h 1
¿ 2186,00 kJ /kg
Daya Condenser untuk membuang kalor:
m1=1668T / H
¿ 463 kg /s m10=1368 T / H
¿ 380 kg/ s
PCondenser =(m 10 . H 10)−(m1 . H 1)
¿ 815915,61 KW ¿ 815,92 MW
Kalor yang masuk ke sistem:
Q∈¿(h 6−h 5)+(h 8−h 7)−( h 8−h 11)
¿ 2196,93 kJ /kg
Daya yang dihasilkan Boiler:
m5=2112 T /H
¿ 587 kg /s m7=1788 T /H
¿ 497 kg /s
P Boiler=((m 6 . h 6)−(m5−h5))+((m8 . h 8)−(m7 . h 7)) ¿ 1549810,43 KW
¿ 1549,81 MW
Efisiensi Thermal Siklus Rankine:
η Thermal=(W Turbin−W Pompa Total)/Q∈¿ ¿ 49,16 %g
Pin Tin 2. Turbin Uap
TURBIN UAP GENERATOR
Pout Tout
Tekanan masuk turbin dan keluar turbin Dari data yang diketahui tekanan masuk turbin diambil nilai rata-rata adalah sebesar
(Pin)=18 kg /cm² G
( tekanan dibaca lewat alat ukur ), ditambah dengan 1 atm.
Tekanan 1 kg/ cm2
¿ 98,07 kPa
Tekanan masuk turbin rata-rata
¿ 18 kg/cm ²
¿ 18 x 98,07 kPa ¿ 1.765,26 kPa
Tekanan ruangan 1 atm
¿ 101,325 kPa
Pin=(Tekanan pada alat ukur +Tekanan ruangan)kPa
¿(1.765,26+101,325)kPa |¿| ¿ 1.866,59 kPa¿ )
Jadi nilai tekanan masuk turbin yang diperoleh adalah sebesar 1.866,59 kPa Sedangkan untuk tekanan keluar turbin nilai rata-rata adalah sebesar (Pout) = 2,8 kg/ cm² G ( tekanan dibaca lewat alat ukur ).
Tekanan1 kg /cm 2=98,07 kPa
Tekanankeluar turbin rata−rata=2,8 kg /cm ² ¿ 2,8 x 98,07 kPa=274,59 kPa
Tekananruangan 1 atm=101,325 kPa Pout=(Tekanan pada alat ukur +Tekanan ruangan) kPa
¿(274,59+101,325)kPa |¿| ¿ 375,92 kPa¿
Jadi nilai tekanan keluar turbin yang diperoleh adalah sebesar 375,92 kPa.
Temperatur rata−ratamasukturbin=208° C+ 273 ¿ 481 K
Temperatur rata−ratakeluarturbin=142° C+273 ¿ 415 K
Entalpi masuk turbin dan keluar turbin Untuk mendapatkan nilai efisiensi turbin memerlukan beberapa tahap yaitu:
Dari tekanan masuk boiler yaitu penjumlahan antara tekanan ruangan 1 atm dengan tekanan separator 0,7 kg/cm maka dapat dicari entalpi fluida masuk boiler (h1) sebagai berikut: Tahap 1 P1= 169,974 kPa (Tabel A-5) Interpolasi, h1= hf @ 169,974 kPa = 483,013 kj/ kg V1= Vf@ 169,974 kPa = 0,001056 m³/ kg Selanjutnya dari entalpi fluida masuk boiler maka dapat dicari eltalpi fluida keluar boiler (h2) yaitu :
P2=1.866,59 kPa
Tahap 2
S 2=S 1 Kerja spesifik pompa masuk adalah sebagai berikut:
Wpump ,∈¿ V 1( P 2−P 1)=0,001056 m³ /kg x (1.866,59 – 169,974)kpa ¿ 1,7916265 kj/kg
h 2=h 1+Wpump ,∈¿ 483,013 kj/kg+ 1,7916265 kj/kg ¿ 484,8046 kj/kg
Selanjutnya pada tahap tiga dari tekanan dan temperature dapat dicari (h3) dan (s3) sebagai berikut: Tahap 3
P3= 1.866,59 kPa (Tabel A-6) Interpolasi,
T 3=208° C h 3=2.796,7 kj/kg
S 3=6,3659 kj/kg . K Selanjutnya pada tahap empat nilai temperatur 141,3°C diasumsikan sama dengan 142°C sehingga dapat menggunakan tabel A-5 untuk mencari nilai entalpi dan entropi adalah sebagai berikut: Tahap 4
P4= 375,92 kPa (Tabel A-5) Interpolasi,
T 4=141,3 ° C
h 4=2.735,20 kj/ kg hf =602,88 kj/kg
hfg=2.136,70 kj/ kg S 4=S 3=6,3659 kj / kg . K
Sf =1,7680 kj/kg . K Sfg=5,1528 kj /kg . K Sehingga didapatkan fraksi uap adalah 0,89
¿ 602,88+0,89 x 2136,7
¿ 2.509,48 kj/kg . Efisiensi Turbin Uap A. Efisiensi Termal Laju uap steam (ms) yang dihasilkan = 20.000 kg/ jam Daya steam masuk Turbin adalah sebagai berikut :
WTi=ms x h3
¿ 20.000 kg/ jam x 2.796,71kJ /kg ¿ 55.934 .200 kJ /Jam=15.537,28 kW Daya steam keluar Turbin adalah sebagai berikut :
WTo=ms x h 4
¿ 20.000 kg/ jam x 2.735,20 kJ / kg ¿ 54.704 .000 kJ /Jam=15.195,56 kW Efisiensi termal turbin uap yang dihasilkan adalah 0,0221 = 2,21 % Jadi, efisiensi termal yang dihasilkan turbin uap adalah sebesar 2,21 %.
B. Efisiensi Isentropik 0,2141 = 21,41% Jadi efisiensi isentropik turbin uap adalah sebesar 21,41 % Daya Turbin Uap dan Daya Generator
Laju uap steam (ms) yang dihasilkan=20.000 kg/ jam Daya yang dihasilkan turbin uap adalah:
WT =ms x (h 3−h 4)
¿ 20.000 kg/ jam x (2.796,71 kJ /kg−2.735,20 kJ /kg) ¿ 1.230.200 kJ / jam=341,72 kJ /s=341,72 kW . Cos φ rata-rata = 0,84 (nilai rata- rata Cos φ dari hasil pengamatan pada panel turbin). Daya yang dihasilkan setelah generator adalah:
WTG=WT /cos φ ¿ 341,72 kW /0,84
¿ 406,80 kVA Efisiensi Sistem Turbin Uap Efisiensi sistem turbin uap adalah sebagai berikut :
Laju bahan bakar (mf )=8.838,70 kg / jam
LHV bahan bakar=2.762 kkal / jam Jadi, efisiensi sistem turbin uap adalah sebesar 5,04 %.
