20
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Energi merupakan suatu besaran yang tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Dengan kata lain, energi hanya bisa dikonversi atau berubah bentuk menjadi energi lain. Salah satu mesin konversi energi yang banyak digunakan untuk kebutuhan yang besar adalah turbin.
Turbin sendiri merupakan mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Bagian turbin yang berputar dinamai rotor atau roda turbin., sedangkan bagian yang tidak berputar dinamai stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya, seperti : generator listrik, pompa, kompresor, baling-baling dan lain sebagainya.
Di dalam turbin, fluida kerja mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinu. Fluida kerja yang digunakan turbin dapat berupa air, uap air, atau gas.
Secara umum, sistem turbin terdiri dari beberapa komponen, antara lain: kompresor, pompa, ketel uap (boiler), ruang bakar, kondensor dan turbin. Turbin banyak di manfatkan untuk pembangkit listrik, pesawat terbang, pemanfaatan di dalam industry, dan lain sebagainya. Di dalam makalah ini, akan di bahas khusus mengenai turbin gas baik dalam siklus, klasifikasi, komponen-komponen yang ada, dan prinsip kerja dari turbin gas tersebut serta aplikasi turbin yang akan di gunakan.
Tujuan
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Mesin Konversi Energi II di Universitas Negeri Malang. Manfaat penulisan makalah ini bagi penulis adalah mampu memahami mengenai klasifikasi dan perhitungan yang terdapat pada turbin gas. Sedangkan manfaat makalah ini untuk pembaca diharapkan mampu menjadi sumbangan yang memperkaya pengetahuan pembaca mengenai tubin gas.
BAB II
PEMBAHASAN
Sejarah Turbin Gas
Sifat energi yang tidak bisa diciptakan dan dimusnahkan akan tetapi hanya bisa dikonversikan sudah lama diketahui. Bukti dari hal adalah dengan adanya prinsip konversi energi dalam turbin yang ditemukan oleh ilmuwan mesir kuno (Alexanderia) yang bernama Hero. Alat konversi energi tersebut dinamakan Aeolipilie. Prinsip dari Aeolipilie itu sendiri adalah dengan mengisi air ke dalam bejana, bejana tersebut dihubungkan dengan bejana sperical yang bebas bergerak melalui penopang pipa, bila bejana air dipanaskan maka uap akan mengalir melalui pipa penyangga dan masuk ke bejana sperical dan memancar melalui sebuah nozzle, pancaran tersebut menghasilkan gaya dorong dan timbul reaksi gaya gerak sperical berputar dengan arah yang berlawanan.
Gambar 2.1. Hero Engine
Selanjutnya temuan dari ilmuwan bernama Hero tersebut banyak dikembangkan oleh ilmuwan yang lain. Salah satu ilmuwan yang mengembangkan prinsip sistem turbin gas adalah John Barber (Nuneaton, Inggris) pada tahun 1971. Sistem yang dikembangkan oleh John Barber ini merupakan sistem yang desainnya masih digunakan hingga sekarang. Sistem turbin gas tersebut terdiri dari kompresor, ruang bakar dan turbin.
Kemajuan teknologi turbin gas pada era sekarang ini juga dipacu dari adanya temuan mengenai turbin uap oleh Sir Charles Person (Inggris) pada tahun 1884. Turbin uap kemudian diterapkan pada sistem populas kapal dan pusat tenaga listrik. Selanjutnya turbin gas terus dikembangkan pada tahun-tahun berikutnya oleh para ilmuwan hingga kemajuan teknologi turbin gas dapat digunakan dengan maksimal seperti sekarang. Pada era sekarang ini turbin gas banyak dimanfaatkan untuk kebutuhan industri, pembangkit listrik, dan juga untuk pesawat terbang.
Turbin Gas
Energi pada era sekarang ini sudah banyak dimanfaatkan. Pemanfaatan energi tersebut dengan dapat dilakukan dengan menggunakan mesin konversi energi. Salah satu mesin konversi energi yang banyak digunakan adalah turbin gas. Turbin gas merupakan suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja.
Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran yang menggerakan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian turbin yang berputar disebut rotor dan bagian turbin yang diam disebut stator. Rotor sendiri dapat diartikan sebagai roda turbin sedangkan stator dapat diartikan sebagai rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakan beban seperti generator listrik, pompa dan lain sebagainya.
Gambar 2.2. Turbin gas
Prinsip Kerja Turbin gas
Turbin gas termasuk dalam mesin pembakaran dalam. Artinya proses pembakarannya berada didalam mesin itu sendiri.
Gambar 2.3. Mesin Pembakaran Dalam
Dilihat dari gambar 2.3. Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet) proses ini disebut dengan proses hisap. Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, akibatnya temperatur udara juga meningkat, proses ini dinamakan dengan proses kompresi kompresi. Kemudian udara yang telah dikompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik dan lain sebagainya. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).
Karena prinsip dasar kerja turbin gas yang berlangsung kontinyu, maka semua proses yang ada baik itu hisap, kompresi, pembakaraan dan buang semuanya berlangsung secara bersamaan.
Berdasarkan uraian tersebut maka dapat disimpulkan bahwa secara umum prinsip kerja dari turbin gas adalah sebagai beikut :
Pemampatan (compression) artinya udara dihisap dan dimampatkan
Pembakaran (combustion) artinya bahan bakar dicampurkan kedalam ruang bakar dengan udara kemudian dibakar
Pemuaian (expansion) artinya gas hasil pembakaran memuai dan mengalir keluar melalui nozel
Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan
Akan tetapi, didalam suatu proses kerja suatu proses turbin tidak ada proses yang selalu ideal. Dengan kata lain, suatu proses tetap akan menimbulkan kerugian-kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada komponen-komponen sistem turbin gas. Kerugian-kerugian tersebut timbul karena terjadinya :
Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar
Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompressi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
Adanya mechanical losses, dan lain sebagainya
Kerugian-kerugian tersebut dapat dikurangi dengan cara melakukan perawatan yang teratur atau dengan memodifikasi peralatan yang ada.
Komponen Turbin Gas
Turbin gas tersusun atas komponen-komponen utama dan juga komponen-komponen pendukung. Komponen utama merupakan kompenen yang harus ada dalam konstruksi turbin gas. Komponen-komponen utama tersebut meliputi air intlet section, compressor section, combustion section, turbin section, dan exhaust section. Sedangkan komponen pendukung merupakan komponen yang keberadannya mampu mendukung komponen utama dalam konstruksi turbin gas.komponen pendukung tersebut seperti starting equipment, lube-oil system, cooling system, dan lain sebagainya yang mampu mendukung turbin gas dalam mengkonversi energi. Untuk penjelasan dari masing-masing komponen tersebut adalah sebagai berikut :
Komponen utama turbin gas
Air inlet section Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari :
Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.
Inertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau partikel yang terbawa bersama udara masuk.
Pre-Filter, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet house.
Main Filter, merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini masuk ke dalam kompresor aksial.
Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat memasuki ruang kompresor.
Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan.
Compressor section berfungsi untuk menaikkan tekanan udara yang masuk. Ada dua jenis compressor yakni compressor radial flow dan compressor aksial flow.
Tabel a. Perbedaan compressor radaial flow dan aksial flow
Radial flow
Axial flow
Keuntungan
-Efisien
-Rasio kompresi tinggi
-Simple dan tidak mahal
-Relatif ringan bobotnya
Kelemahan
-Desain kompleks
-Mahal
- Kurang efisien
- Frontal Area yang besar
- Rasio Kompresi terbatas
Dari kedua jenis compreesor tersebut yang sering digunakan untuk komponen utama pada turbin gas adalah compressor aksial flow. Seperti yang kita ketahui, compressir section berfungsi untuk mengkompresikan udara dalam hal ini udara yanag berasala dari air inlet section hingga memiliki tekanan yang tinggi sehingga pada saat terjadi pembakaran dapat menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang dapat menimbulkan daya output turbin yang besar. Aksial flow compressoe terdiri dari dua bagian yaitu :
Compressor Rotor Assembly
Jika dilihat dari namanya maka bagian ini merupakan bagaian compressor yang berputar. Dengan kata lain, bahwa bagaian ini merupakan bagian yang berputara pada porosnya. Rotor ini memiliki 17 tingkat sudu yang mengompresikan aliran udara secara aksial dari 1 atm menjadi 17 kalinya sehingga diperoleh udara yang bertekanan tinggi. Bagian ini tersusun dari wheels, stubshaft, tie bolt dan sudu-sudu yang disusun kosentris di sekeliling sumbu rotor.
Gambar 2.4.a Bagian compressor rotor assembly
Compreesor stator assembly
Komponencompressor stator merupakan komponen yang tidak bergerak. Dengan kata lain bagian compressor ini merupkan bagian yang menjadi rumah dari compressor rotor assembly. Compressor stator asembly terdiri dari :
Inlet Casing, merupakan bagian dari casing yang mengarahkan udara masuk ke inlet bellmouth dan selanjutnya masuk ke inlet guide vane.
Forward Compressor Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat empat stage kompresor blade.
Aft Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat compressor blade tingkat 5-10.
Discharge Casing, merupakan bagian casing yang berfungsi sebagai tempat keluarnya udara yang telah dikompresi. Pada bagian ini terdapat compressor blade tingkat 11 sampai 17.
Gambar 2.4.b compressor stator assembly
Combustion Section
Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan fluida kerja yang berupa udara bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Hasil pembakaran ini berupa energi panas yang diubah menjadi energi kinetik dengan mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces yang juga berfungsi sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin. Sistem pembakaran ini terdiri dari komponen-komponen berikut yang jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas. Gambar 2.4.c menunjukan komponen yang ada pada combustion section. Komponen-komponen itu adalah :
Combustion Chamber, berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar yang masuk.
Combustion Liners, terdapat didalam combustion chamber yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.
Fuel Nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam combustion liner.
Ignitors (Spark Plug), berfungsi untuk memercikkan bunga api ke dalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar.
Transition Fieces, berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas.
Cross Fire Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua combustion chamber.
Flame Detector, merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi proses pembakaran terjadi.Combustion chamber yang ada disusun kosentris mengelilingi aksial flow compressor dan disambungkan dengan keluaran kompresor udara dari aksial flow compressor yang dialirkan langsung ke masing-masing chambers. Zona pembakaran pada combustion chamber ada tiga yaitu:
Primary Zone, merupakan tempat dimana bahan bakar berdifusi dengan udara kompresor untuk membentuk campuran udara bahan bakar yang siap dibakar.
Secondary Zone, adalah zona penyempurnaan pembakaran sebagai kelanjutan pembakaran pada primary zone.
Dilution Zone, merupakan zona untuk mereduksi temperatur gas hasil pembakaran pada keadaan yang diinginkan pada saat masuk ke first stage nozzles.
Gambar 2.4.c Combustion Section
Turbin Section
Pada bagian ini terjadi proses konversi energi kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak kompresor aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60 % digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan.Komponen-komponen pada turbin sesction dapat dilihat pada gambar 2.4.d
Gambar 2.4.d Turbin Section
Sedangkan menurut dimas dalam makalah sistem turbin gas pada sistem PLTGU komponen dari turbin section adalah sebagai berikut :
Turbin Rotor Case
First Stage Nozzle, yang berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first stage turbine wheel.
First Stage Turbine Wheel, berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik dari aliran udara yang berkecepatan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaran rotor.
Second Stage Nozzle dan Diafragma, berfungsi untuk mengatur aliran gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi untuk memisahkan kedua turbin wheel.
Second Stage Turbine, berfungsi untuk memanfaatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first stage turbine untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang lebih besar.
Exhaust Section
Bagian ini merupakan bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas atau gas sisa yang keluar dari turbin gas. Exhaust gas keluar dari turbin gas melalui exhaust diffuser pada exhaust frame assembly, lalu mengalir ke exhaust plenum dan kemudian didifusikan dan dibuang ke atmosfir melalui exhaust stack, sebelum dibuang ke atmosfir gas panas sisa tersebut diukur dengan exhaust thermocouple dimana hasil pengukuran ini digunakan juga untuk data pengontrolan temperatur dan proteksi temperatur trip. Pada exhaust area terdapat 18 buah termokopel yaitu, 12 buah untuk temperatur kontrol dan 6 buah untuk temperatur trip.
Gambar 2.4.e Exhaust Section
Komponen Pendukung Turbin Gas
Komponen-komponen ini akan membantu proses pada turbin gas. Akan tetapi jika dalam turbin gas tidak terdapat peralatan ini juga turbin tersebut masih dapat bekerja namun proses kerja turbin menjadi tidak maksimal. Komponen-komponen pendukung turbin gas ini dapat dilihat pada gambar 2.4.f.
Gambar 2.4.f Komponen Pendukung
Starting Equipment
Komponen pendukung ini memiliki fungsi untuk melakukan start up sebelum turbin bekerja. Jenis-jenis starting equipment yang digunakan di unit-unit turbin gas pada umumnya adalah :
Diesel Engine, (PG –9001A/B)
Induction Motor, (PG-9001C/H dan KGT 4X01, 4X02 dan 4X03)
Gas Expansion Turbine (Starting Turbine)
Coupling dan Accessory Gear
Fungsi dari komponen ini adalah untuk memindahkan daya dan putaran dari poros yang bergerak ke poros yang akan digerakkan. Ada tiga jenis coupling yang digunakan, yaitu:
Jaw Cluth, menghubungkan starting turbine dengan accessory gear dan HP turbin rotor.
Accessory Gear Coupling, menghubungkan accessory gear dengan HP turbin rotor.
Load Coupling, menghubungkan LP turbin rotor dengan kompressor beban.
Fuel System
Pada proses turbin gas membutuhkan bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan berasal dari fuel gas system dengan tekanan sekitar 15 kg/cm2. Fuel gas yang digunakan sebagai bahan bakar harus bebas dari cairan kondensat dan partikel-partikel padat. Untuk mendapatkan kondisi tersebut diatas maka sistem ini dilengkapi dengan knock out drum yang berfungsi untuk memisahkan cairan-cairan yang masih terdapat pada fuel gas.
Lube Oil System
Lube oil system berfungsi untuk melakukan pelumasan secara kontinu pada setiap komponen sistem turbin gas. Lube oil disirkulasikan pada bagian-bagian utama turbin gas dan trush bearing juga untuk accessory gear dan yang lainnya. Lube oil system terdiri dari:
Oil Tank (Lube Oil Reservoir)
Oil Quantity
Pompa
Filter System
Valving System
Piping System
Instrumen untuk oil
Pada turbin gas terdapat tiga buah pompa yang digunakan untuk mensuplai lube oil guna keperluan lubrikasi, yaitu:
Main Lube Oil Pump, merupakan pompa utama yang digerakkan oleh HP shaft pada gear box yang mengatur tekanan discharge lube oil.
Auxilary Lube Oil Pump, merupakan pompa lube oil yang digerakkan oleh tenaga listrik, beroperasi apabila tekanan dari main pump turun.
Emergency Lube Oil Pump, merupakan pomp yang beroperasi jika kedua pompa diatas tidak mampu menyediakan lube oil.
Cooling System.
Sistem pendingin yang digunakan pada turbin gas adalah air dan udara. Udara dipakai untuk mendinginkan berbagai komponen pada section dan bearing. Komponen-komponen utama dari cooling system adalah :
Off base Water Cooling Unit
Lube Oil Cooler
Main Cooling Water Pump
Temperatur Regulation Valve
Auxilary Water Pump
Low Cooling Water Pressure Swicha
Dari penjelasan-penjelasan mengenai komponen-komponen turbin gas baik komponen utama maupun komponen pendukung maka dapat disimpulkan bahwa untuk memperoleh kinerja turbin gas yang maksimal maka tidak hanya menggunakan komponen utamanya saja akan tetapi juga membutuhkan komponen pendukung turbin gas.
Klasifikasi Turbin Gas
Seiring dengan perkembangan teknologi, turbin gas juga turut berkembang. Banyak macam-macam konstruksi turbin gas. Sehingga turbin gas dapat diklasifikasian. Pengklasifikasian turbin gas dapat dilihat dari konstruksi poros maupun dari siklus turbin gas itu sendiri. Pengklasifikasian ini merupakan pengklasifikasian turbin gas standart yang belum dimodifikasi. Berikut merupakan klasifikasi turbin gas :
Klasifikkasi turbin gas berdasarkan siklus kerjanya :
Siklus terbuka
Gas hasil pembakaran setelah ekspansi pada turbin langsung dibuang ke udara bebas. Instalasi turbin gas dengan siklus ini memiliki struktur yang sederhana, yaitu terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan turbin sebagai penggerak beban dan kompresor. Struktur dan susunan dari instalasi turbin gas dengan siklus terbuka dapat dilihat pada gambar 2.5.a.
Gambar 2.5.a Siklus Terbuka
Siklus Tertutup
Seperti halnya pada turbin uap, turbin gas dapat pula dirancang dengan siklus tertutup yaitu fluida kerjanya tidak berhubungan dengan atmosfer sekitarnya. Dengan demikian dapat dijaga kemurniannya. Hal ini sangat menguntungkan dari segi pencegahan kerusakan yang disebabkan oleh erosi dan korosi. Pemilihan fluida kerjanya dapat disesuaikan dengan persyaratan yang diminta. Salah satu hal yang penting adalah bahwa pada system ini dapat digunakan tekanan tinggi (sampai 40 atm) seperti pada turbin uap, tetapi fluida kerjanya tidak mengalami perubahan fasa. Skema instalasi turbin gas siklus tertutup dapat dilihat pada gambar 2.5.b
Gambar 2.5.b Siklus Terbuka
Dari pengklasifikasian turbin gas berdasarkan siklus kerjanya tersebut memiliki beberapa perbedaan. Perbedaan tersebut dapat dilihat pada tabel b.
Tabel b. Perbandingan turbin gas siklus terbuka dengan siklus tertutup
No
Turbin Gas Siklus Terbuka
Turbin Gas Siklus Tertutup
1
Udara tekan dipanaskan diruang bakar. Produk pembakaran bercampur dengan udara panas
Udara tekan dipanaskan diruang bakar. Karena gas dipanaskan oleh sumber eksternal, jumlah gas tetap sama
2
Gas dari turbin dibuang ke atmosfir
Gas dari turbin diteruskan ke
ruang pendinginan.
3
Fluida kerja diganti secara kontinyu
Fluida kerja bersirkulasi secara
kontinyu.
4
Hanya udara yang bisa digunakan sebagai fluida kerja.
Fluida jenis apa saja dengan sifat thermodinamika yang baik bisa digunakan
5
Sudu turbin cepat aus, karena udara dari atmosfir terkontaminasi ketika melewati ruang bakar.
Sudu turbin tidak cepat aus, karena gas tidak terkontaminasi ketika melewati ruang bakar
6
Karena udara dari turbin dibuang ke atmosfir, cocok digunakan untuk kendaraan yang bergerak.
Karena udara didinginkan dengan sirkulasi air, cocok digunakan untuk jenis instalasi stasioner atau di kapal.
7
Biaya perawatan rendah
Biaya perawatan tinggi
8
Berat instalasi perdaya (HP) lebih kecil.
Berat instalasi perdaya (HP) lebih besar.
Dari perbandingan tersebut maka dapat disimpulkan bahwa penggunaan turbin gas dengan siklus terbuka maupun dengan siklus tertutup bergantung untuk apa turbin gas tersebut digunakan. Apakah turbin gas digunakan untuk peralatan yang membutuhkan daya yang tinggi atau tidak, apakah turbin gas digunakan untuk bidang aviasi atau industri dan lain sebagainya.
Klasifikasi turbin gas berdasarkan konstruksi porosnya
Pengklasifikasian ini didasarkan pada konstruksi poros yang berada pada turbin gas. Berikut merupakan pengklasifikasiannya :
Turbin gas poros tunggal (single shaft)
Turbin gas ini digunakan untuk menggerakan generator listrik pada perusahaan listrik maupun industri yang memerlukan energi listrik. Gambar dari turbin gas poros tunggal dapat dilihat pada gambar 2.5.c.
Gambar 2.5.c Turbin Gas Poros Tunggal
Turbin gas poros tunggal ini menghubungkan antara kompresor, turbin, dan beban. Untuk lebih jelas dalam memahaminya dapat dilihat pada gambar skema turbin gas poros tunggal sebagai berikut.
Gambar 2.5.d. Skema Turbin Gas Poros Tunggal
Turbin gas poros ganda (double shaft)
Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang berubah seperti kompresor pada unit proses. Turbin dengan tekanan tinggi berfungsi menggerakkan kompresor, mensuplai gas panas untuk turbin bertekanan rendah. Turbin tekanan rendah untuk memutar generator listrik. Turbin multi shaft ini juga digunakan untuk sentral listrik dan industri. Turbin ini direncanakan beroperasi pada putaran yang berbeda tanpa menggunakan reduction gear. Berikut merupakan gambar dan skema dari turbin gas poros ganda.
Gambar 2.5.e. Turbin Gas Poros Ganda
Gambar 2.5.f. Skema Turbin Gas Poros Ganda
Dari gambar tersebut maka dapat disimpulkan bahwa sistem turbin gas dengan dua poros ini mempunyai dua unit turbin gas set yang terpisah, yaitu turbin gas penggerak kompresor dan turbin gas yang menghasilkan daya serta menggerakkan beban. Jadi, poros pertama menghubungkan turbin pembangkit gas dengan poros yang lainnya.
Siklus Thermodinamika Turbin Gas
Siklus-siklus turbin gas ini merupakan siklus thermodinamikanya. Secara umum siklus-siklus ini terbagi menjadi 3, yaitu :
Siklus ericson
Merupakan siklus mesin kalor yang dapat balik (reversible) yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik dapat balik (reversible isobaric). Proses perpindahan panas pada proses isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya adalah :
ηth = 1 – T1/Th,
dimana
ηth = efisensi thermal
T1 = temperatur buang
Th = temperatur panas.
Siklus stirling
Merupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson.
Siklus brayton
Sikus ini merupakan siklus yang sering digunakan dalam turbin gas. Karena siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Diagram siklus brayton dapat dilihat pada gambar 2.6.a. Sedangkan untuk siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut :
Gambar 2.6.a Siklus Brayton
Dari gambar tersebut dapat dilihat untuk setiap proses dari siklus brayton ini. Hasil analisa tiap-tiap keadaan proses tersebut adalah sebagai berikut :
Proses 1 2 (kompresi isentropik)
Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor :
Wc = ma (h2 – h1)
Proses 2 3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan.
Jumlah kalor yang dihasilkan :
Qa = (ma + mf) (h3 – h2)
Proses 3 4, ekspansi isentropik didalam turbin.
Daya yang dibutuhkan turbin :
WT = (ma + mf) (h3 – h4)
Proses 4 1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara.
Jumlah kalor yang dilepas:
QR = (ma + mf) (h4 – h1)
Untuk efisiensi thermalnya dapat dihitung sebagai berikut :
Efisiensi termal (ηth) didefinisikan sebagai :
ηth=keja keluar energi diperlukan = wqms= qms-qklqms=1- qklqms
Dimana (lihat diagram T-S)
w = kerja spesifik keluar
qms = energi (kalor) masuk
qkl = energi (kalor) keluar
untuk proses tekanan konstan (isobar) antara titik 2 ke 3 yang merupakan proses pembakaran di ruang bakar :
qms= cp (T3- T2)
untuk proses tekanan konstan (isobar) antara titik 4 ke 1 yang merupakan proses pembuangan kalor :
qkl= cp (T4- T1)
Modifikasi Turbin Gas
Proses pada turbin gas tidak selamnya ideal. Hal tersebut dapat menyebabkan penurunan daya atau penurunan kinerja dari turbin itu sendiri. Salah satu penanganan untuk tetap menjaga kinerja dari turbin gas dapat dilakukan dengan salah satu caranya yaitu memodifikasi turbin gas sederhana. Proses modifikasi ini terkonsentrasi pada tiga bidang sebagai beikut :
Turbin gas dengan regenerator (Siklus brayton/ siklus thermodinamika ideal)
Gas keluar turbin masih mempunyai temperatur tinggi sehingga tidak baik apabila dibuang ke udara atmosfer, gas buang seperti ini perlu dimanfaatkan. Udara sebelum masuk ke ruang bakar (CC) dipanaskan terlebih dahulu dengan memanfaatkan kalor yang terkandung dalam gas buang yang bertujuan untuk menurunkan kebutuhan kalor dalam ruang bakar serta peningkatan efisiensi. apabila pertukaran kalor dalam regenerator berjalan ideal maka temperatur udara keluar regenerator adalah T4, tetapi aktualnya adalah T5 yang lebih kecil dari T4. Untuk diagramnya dapat dilihat pada gambar 2.7.b
Gambar 2.7.a Turbin gas dengan regenerator
Gambar 2.7.b Diagram T-S Turbin gas dengan regenerator
Efektifitas Generator :
ε= qreg,aqreg,max= h3-h2h4-h2
Efisiensi siklus :
ηt=1-T1T3rpk-1k
Didapatkan efisiensi termal yang lebih tinggi untuk (T1/T3) yang lebih kecil pada suatu rasio tekanan tertentu. Hanya regenerator dengan efektivitas yang tinggi yang akan menaikkan ηt, karena regenerator dengan ε tinggi (ukuran besar) menimbulkan rugi tekanan besar dan butuh investasi tinggi sehingga penggunaan regenerator tidak selalu ekonomis kecuali terjadi penghematan bahan bakar yang signifikan.
Turbin gas dengan intercooling/pendingin antara (siklus thermodinamika brayton/ ideal)
LPC (low pressure compressor) menaikkan tekanan dari p1 ke p2 (juga temperatur dari T1 ke T2) dan kemudian udara melepas kalor dalam intercooler (temperatur turun), udara masuk ke HPC (high pressure compressor) untuk menjalani kompresi lebih lanjut. Intercooling membuat kerja total yang dibutuhkan untuk menaikkan tekanan p1 ke p4 menjadi lebih kecil dibandingkan apabila hanya dengan 1 tingkat kompresor akan menaikkan kerja netto turbin gas.
Tekanan p2 = p3 optimum : p2 =p1. p4
intercooling akan meningkatkan back work ratio, tetapi karena intercooling menurunkan temperatur rata-rata proses penambahan kalor menjadi tidak berarti selalu menaikkan efisiensi termal. Semakin banyak tingkat kompresi maka efisiensinya akan mendekati efisiensi siklus Carnot, tetapi karena efek penambahan tingkat semakin sedikit dengan semakin banyak tingkat, secara ekonomis paling banyak 3 tingkat. untuk gambar turbin gas modifikasi dengan intercooling dapat dilihat pada gambar 2.7.c
Gambar 2.7.c Turbin gas dengan intercooling
Gambar 2.7.d Diagram T-S turbin gas dengan intercooling
Proses 1-2 menunjukkan pemanasan udara di ruang pemanas pada tekanan konstan.
Proses 2-3 memperlihatkan ekspansi isentropik udara pada turbin.
Proses 3-4 adalah pendinginan udara di ruang pendingin pada tekanan konstan. Proses 4-5 adalah kompresi udara di LP kompresor.
Proses 5-6 adalah pendinginan udara pada intercooler pada tekanan konstan.
Proses 6-1 adalah kompresi udara pada HP kompresor.
Kerja yang dilakukan turbin per kg udara:
Wt=Cp T2-T3…………(i)
Dan kerja yang dilakukan kompresor per kg udara :
Wc=Cp T1-T6+T5-T4……….(ii)
Kerja netto yang tersedia :
W = Wt – Wc
Untuk pendinginan yang sempurna, tekanan antara bisa dicari dengan persamaan:
p6 = p5 = (p1 x p4)= (p2 x p3)
Pada akhir proses kompresi pada kompresor, terjadi kenaikan temperatur dari fluida gas. Dari perumusan termodinamika didapat bahwa kenaikan temperatur sebanding dengan rasio tekanannya. Adapun persamaannya sebagai berikut :
Tb/Ti = (Pd/Pi) (n-1)/n
Tb = Ti (Pd/Pi) (n-1)/n
Dimana
Tb = temperatur akhir kompresi
Ti = temperatur awal kompresi
pd = tekanan akhir kompresi
pi = tekanan hisap kompresi
n = faktor politropie ( n=1 ~n = 1,4)
dan persamaan kerja dari kompresor adalah
Wkompresor = Ri Ts n/(n-1)[(Tb/Ti)-1]
dan untuk kerja pada kondisi isotermal, persamaannya adalah
Wkompresor = Ri Ts ln(Pb/Pi)
Dari perumusan temperatur dan kerja menunjukkan bahwa dengan kenaikan rasio tekanan akan menaikkan temperatur akhir dari kompresi, hal ini juga berarti kerja yang dibutuhkan kompresor naik. Kenaikan kerja kerja kompresor sangat tidak menguntungkan, karena kerja kompresor adalah negatif. Apabila kondisi ini diaplikasikan pada kompresor turbin gas pada rasio tekanan tinggi, maka akan banyak mengurangi daya dari turbin gas, hal ini akan menurunkan efisiensi secara keseluruhan. Untuk mengatasi hal tersebut di atas, proses kompresi dibuat bertingkat dan dengan pendinginan sela ( intercooler) pada setiap tingkat kompresi. Dengan metode ini akan menggunakan kompresor yang jumlahnya sama dengan jumlah tingkat kompresi, dan jumlah intercooler yang dipasang adalah jumlah kompresor dikurangi satu.
Dengan pemasangan intercooler suhu dari proses kompresi tingkat sebelumnya didinginkan kembali ke temperatur awal. Dengan keadaan tersebut kerja kompresor yang kedua adalah sama dengan kerja kompresor sebelumnya, dengan rasio tekanan yang sama.
Turbin gas dengan reheater/pemanasan ulang (siklus thermodinamika brayton/ideal)
reheating akan meningkatkan kerja yang dihasilkan turbin dengan tanpa menaikkan temperature masuk turbin. reheater memanaskan gas keluar HPT (high pressure turbine) pada tekanan konstan sebelum masuk ke LPT (low pressure turbine) diusahakan temperatur masuk HPT = masuk LPT
Tekanan P4 = P5 optimum : p4 = p3 p6
seperti halnya intercooling, reheating juga meningkatkan back work ratio; tetapi karena reheating menaikkan temperatur rata-rata proses pembuangan kalor tidak berarti selalu menaikkan efisiensi termal. dengan alasan yang sama dengan intercooling maka jumlah tingkat paling banyak adalah 3. Untuk gambar dari turbin gas dengan reheating dapat dilihat pada gambar 2.7.e di bawah ini.
Gambar 2.7.e Turbin gas dengan reheater
Gambar 2.7.f Diagram T-S turbin gas dengan reheater
Turbin gas dengan rehaeater, intercooling dan regenerator
Modifikasi- modifikasi yang sebelumnya sudah dijelaskan sudah mampu meningkatkan efisensi thermal. Dari modifikasi- modifikasi tersebut juga dapat dikombinasikan. Kombinasi dari reheat, dan intercooling dengan regenerasi menghasilkan peningkatan efisiensi thermal yang besar. Dengan jumlah reheater dan intercooler yang tak hingga, siklus ini akan memiliki efisiensi seperti Carnot karena proses perpindahan panasnya menjadi isothermal. Untuk gambar turbin gas dengan modifikasi kombinasi reheater, intercooling dan regenerator dapat dilihat pada gambar 2.7.g
Gambar2.7.g turbin gas dengan reheater, intercooling, dan regenerator
Gambar 2.7.h diagram T-S turbin gas dengan reheater, intrcooling, dan regenerator
Efisiensi siklus turbin gas pada awalnya masih sederhana, namun pada perkembangannya, kini dapat hampir dua kali lipat efisiensi semula dengan memasang/ melakukan intercooling, regenerasi, dan pemanasan (reheating). Back work ratio siklus turbin gas meningkat sebagai hasil dari intercooling dan reheating. Tetapi efisiensitermalnya akan menurun. Intercooling dan reheating selalu akan menurunkan efisiensi termal kecuali mereka disertai oleh regenerasi. Hal ini karena intercooling menurunkan suhu rata-rata di mana panas yang ditambahkan, dan meningkatkan pemanasan suhu rata- rata di mana panas ditolak. Oleh karena itu, dalam pembangkit listrik gas turbin, intercooling dan pemanasan selalu digunakan bersama dengan regenerasi. Modifikasi kombinasi ini, siklus thermodinamikanya menggunakan siklus thermodinamika brayton.
Bahan Bakar Turbin Gas
Pada proses kerja turbin gas membutuhkan bahan bakar. Bahan bakar untuk turbin gas tersebut harus memenuhi persyaratan tertentu sebelum digunakan pada proses pembakaran. Persyaratan tersebut yaitu bahan bakar mempunyai kadar abu yang tidak tinggi. Dengan alasan, bahan bakar yang mempunyai kadar abu yang tinggi, pada proses pembakaran dihasilkan gas pembakaran yang mengandung banyak partikel abu yang keras dan korosif. Gas pembakaran dengan karakteristik tersebut, akan mengenai dan merusak sudu-sudu turbin pada waktu proses ekspansi pada temperatur tinggi.
Dengan persyaratan tersebut, bahan bakar yang memenuhi persyaratan adalah bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar cair dan gas cenderung mempunyai kadar abu yang rendah jika dibandingkan dengan bahan bakar padat, sehingga lebih aman digunakan sebagai bahan bakar turbin gas. Bahan bakar yang digunakan turbin gas pesawat terbang, persyaratan yang haus dipenui adalah lebih ketat, hal ini karena menyangkut faktor keamanan dan keberhasilan selama turbin gas beroperasi. Adapun persyaratannya adalah :
Nilai kalor per satuan berat dari bahan bakar harus tinggi. Dengan jumlah bahan bakar yang sedikit dan ringan dengan tetapi nilai kalornya tinggi sangat menguntungkan karena mengurangi berat pesawat terbang secara keseluruhan.
Kemampuan menguap (volatility) dari bahan bakar tidak terlalu tinggi, oleh karena pada harga volatility yang tinggi bahan bakar akan mudah sekali menguap, terutama pada ketinggian tertentu. Hal ini akan membahayakan karena bahan bakar menjadi mudah terbakar. Disamping itu, saluran bahan bakar mudah tersumbat karena uap bahan bakar.
Kemurnian dan kestabilan bahan bakar harus terjamin, yaitu bahan bakar tidak mudah mengendap, tidak banyak mengandung zatzat seperti air, debu, dan belerang. Kandungan zat zat tersebut apabila terlalu banyak akan sangat membahayakan pada proses pembakaran. Khusus untuk belerang, zat ini akan korosif sekali pada material sudu turbin.
Flash point dan titik nyala tidak terlalu rendah, sehingga penyimpanan lebih aman.
Gradenya harus tinggi, bahan bakar harus mempunyai kualitas yang bagus, tidak banyak mengandung unsur-unsur yang merugikan seperti dyes dan tretaetyl lead.
Dengan karakteristik bahan bakar untuk turbin gas pesawat terbang seperti yang disebutkan di atas, terlihat bahwa bahan bakar tersebut adalah bermutu tinggi, untuk menjamin faktor keamanan yang tinggi pada operasi turbin gas selama penerbangan. Kegagalan operasi berakibat sangat fatal yaitu turbin gas mati, pesawat terbang kehilangan gaya dorong, kondisi ini dapat dipastikan pesawat terbang akan jatuh. Bahan bakar pesawat yang biasa digunakan adalah dari jenis gasoline dan kerosene atau campuran keduanya, tentunya sudah dimurnikan dari unsur-unsur yang merugikan. Sebagai contoh, standar yang dikeluarkan American Society for Tinting Material Spesification (ASTM) seri D-1655, yaitu Jet A, Jet A1, Jet B. Notasi A, A, dan B membedakan titik bekunya.
Proses Pembakaran pada Turbin Gas
Setelah kita mengetahui tentang bahan bakar pada turbin gas selanjutnya kita akan membahas mengenai proses pembakaran pada turbin gas. Sama halnya dengan motor bakar, pada turbin gas juga terjadi proses pembakaran. Untuk mengetahui proses pembakaran pada turbin gas dapat kita lihat pada gambar 2.9.a dibawah ini.
Gambar 2.9..a Proses pembakaran pada turbin gas
Dari gambar tersebut dapat kita simpulkan bahwa proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin diesel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer masuk ruang bakar melewati swirler, sehingga alirannya berputar. Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna. Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer.
Disamping untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara pendinginan udara sekunder, temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan. Pada gambar di atas, terlihat zona terakhir adalah zona pencampuran (dillute zone), adalah zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang aman apabila mengenai sudu-sudu turbin ketika gas pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakaran juga bertambah. Apabila Wkinetik adalah energi kinetik gas pembakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder adalah m1 maka energi kinetiknya adalah sebagai berikut :
wkinetik 1= m1 x v22
Dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energy kinetic menjadi :
wkinetik 2= m1+ m2x v22
Jadi, dapat dilihat Wkinetik,2 ( dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1 (tanpa udara sekunder).
Proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara yang berlebih, biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran dengan jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara pembakaran terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan proses pembakaran dan mati, karena panas banyak terbuang ke luar melalui gas bekas yang bercampur udara dingin sekunder. Dengan pemikiran yang sama, apabila jumlah udara kurang dari normal, yaitu terjadi overheating, material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melampaui kekuatannya dan ruang bakar dapat pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti bekerja atau proses pembakaran terhenti.
Aplikasi Turbin Gas
Pada era sekarang ini turbin gas sudah banyak digunakan. Turbin gas di aplikasikan pada dua bidang, yakni pada bidang aviasi dan bidang industri. Untuk penjelasan dari pengaplikasiannya adalah sebgai berikut :
Pada bidang aviasi
Turbin gas pada bidang aviasi digunakan sebagai mesin yang menghasilkan daya dorong pada pesawat terbang ( Aeroderivatif). Turbin gas dinilai sangat cocok sebagai motor propulsi pesawat terbang karena memiliki bobot yang ringan dimensi yang ringkas,sehingga tidak memerlukan banyak ruangan, serta mampu menghasilkan daya yang besar. hal ini menjadi penting karena adanya kecenderungan terbang pada kecepatan tinggi serta jarak jelajah yang panjang dan muatan yang bertambah berat. Gambar dari turbin gas yang digunakan pada bidang aviasi dapat dilihat sebagai berikut.
Gambar 2.10.a Turbin gas pesawat terbang
Gambar 2.10.b Pengaplikasian turbin gas pada pesawat terbang
Pada bidang industri (sebagai pembangkit listrik)
Turbin gas pada bidang industri digunakan untuk mrnggrakan berbagai macam peralatan didalam industri seperti, pompa, generator dan lain sebagainya. Berikut merupakan gambar dari turbin gas yang ada didalam inustri.
Gamba 2.10.c Turbin gas untuk industri
Turbin gas dalam bidang industri tidak hanya digunakan untuk menggerakan peralatan-peralatan yang didalam industri saja namun juga mampu diaplikasian sebagai pembangkit listrik tenaga gas. Berikut merupakan gambar beserta penjelasan pembangkit listrik tenaga gas.
Gambar 2.10.d Pembangkit Listrik Tenaga Gas
Gambar 2.10.e Prinsip kerja pembangkit listrk tenaga gas
Gambar 2.10.e menunjukkan prinsip kerja PLTG. Udara masuk ke kompresor untuk dinaikkan tekanannya, kemudian udara tersebut dialirkan ke ruang bakar. Dalam ruang bakar, udara bertekanan ini dicampur dengan bahan bakar dan dibakar. Apabila digunakan bahan bakar gas (BBG), maka gas dapat langsung dicampur dengan udara untuk dibakar, tetapi apabila digunakan bahan bakar minyak (BBM), maka BBM ini harus dijadikan kabut terlebih dahulu kemudian baru dicampur dengan udara untuk dibakar. Teknik mencampur bahan bakar dengan udara dalam ruang bakar sangat mempengaruhi efisiensi pembakaran. Pembakaran bahan bakar dalam ruang bakar menghasilkan gas bersuhu tinggi. Gas hasil pembakaran ini kemudian dialirkan menuju turbin untuk disemprotkan kepada sudu-sudu turbin sehingga energi (enthalpy) gas ini dikonversikan menjadi energi mekanik dalam turbin penggerak generator (dan kompresor udara) dan akhirnya generator menghasilkan tenaga listrik.
Prosedur Pengoperasian Turbin Gas
Dalam pengoperasian turbin gas harus mematuhi prosedur-prosedur pengoperasian yang ada. Selain untuk menjaga keselamatan, mematuhi prosedur pengoperasian turbin gas juga dapat meningkatkan efisiensi kerja dan keawetan turbin itu sendiri. Berikut merupkan contoh prosedur pengoperasian tubin gas pada Pembangkit listrik tenaga gas dan uap di Cilegon.
Persiapan dan Pelaksanaan, Sebelum Operasi Turbin Gas
Pada tahap ini, pastikan seluruh peralatan bekerja secara normal sebelum turbin gas dioperasikan, peralatan-peralatan tersebut adalah :
Lube oil system
Control oil system
CCW system
Gen. seal oil/H2-system
Turbine cooling air system
Inlet & exhaust duct
Package ventilation system
Circulating demin water system
Instrument air system
Service air for back up system
HP purge air system
Water injection system
Fuel gas and fuel oil system
CO2 fire fighting
Persiapan Start
Pastikan kondisi unit turbin gas bekerja normal pada bagian :
Mechanical
Pastikan semua pompa, fan, motor, control valve pada posisi remote/auto control mode.
Pastikan H2 gas system dalam kondisi siap dioperasikan dan tekanan H2 di dalam gas turbine generator normal.
Periksa status operasi CO2 fire fighting system bekerja secara normal.
Pastikan seluruh instalasi pada masing-masing system sudah terpasang dengan benar sesuai dengan P&ID.
Control and instrument
Pastikan semua signal and communications dari local gas turbine system beserta peralatan bantunya masuk ke control unit.
Semua alarm dan trip interlock system sudah dinormalkan.
Pastikan air instrument system beroperasi dengan normal.
Electrical
Pastikan semua MV/LV Switch gear & MCCC dalam kondisi bertegangan.
Pastikan generator protection relay and inter-trip test antara
generator dengan turbine system bekerja dengan normal.
Batasan operasi
Dalam pemakaian suatu alat pasti akan ada batasan operasinya. Hal tersebut berlaku pula pada turbin gas. Batasan operasi tersebut dimaksudkan agar turbin gastidak diguakan melebihi batasan-batasan tersebut karena akan memaksa turbin bekerja lebih yang dapat menyebabkan kerusakan sistem atau bahkan menimbulkan kecelakaan kerja pada mesin ataupun lingkungan. Karena hal tersebutlah dibuat batasan operasi pada suatu mesin dalam hal ini turbin gas. Berikut merupakan contoh batasan operasi pada pembangkit listrik tenaga gas dan uap di Cilegon.
Tabel c. Batasan opersi PLTGU Cilegon
Speed up rate
135 rpm/min
Load change rate
6,7 %/min
Purge period
5 min
Speed incrase rate
135 rpm/min
Over speed setting
Mechanical over speed 110 ± 1 % of rated speed (3270 ~ 3330 rpm)
Tabel d. Vibration limits settings value (peak to peak)
Alarm
>125 µm
Trip
>200 µm
Tabel e. Lube oil pressure setting
Lube oil supply pressure control
1.5 kg/cm2
Lube oil supply presure alarm
<1.08 kg/cm2
Lube oil supply pressure trip
<0.88 kg/cm2
Turning interlock
<0.41 kg/cm2
Lube oil filter differential pressure high alarm
>1.0 kg/cm2
Tabel f. Lube oil temperature setting
Lube oil supply temperature control
46 0C
Lube oil supply temperature alarm
>60 0C
Journal bearing metal temperature alarm
>107 0C
Thrust bearing metal temperature alarm
>99 0C
Bearing drain oil temperature alarm
>77 0C
Tabel g. Cooling temperature setting
Rotor cooling air alarm
>260 0C
No. 2 disc cavity temperature alarm
>460 0C
No. 3 disc cavity temperature alarm
>460 0C
No.4 disc cavity temperature alarm
>460 0C
Down stream of no. 4 turbine disc temperature alarm
>410 0C
Gambar 2.11.a. Lokasi PLTGU Cilegon
Gambar 2.11.b Bangunan PLTGU Cilegon
Tabel-tabel diatas merupakan batasan operasi yang ada di pembangkit listrik tenaga gas dan uap di Cilegon. Batasan operasi turbin gas bisa saja berbeda ditempat lain.
Pemasalahan dan Perawatan Turbin Gas
Permasalahan pada turbin gas
Secara umum ada beberapa permasalahan yang sering terjadi pada turbin gas pada umumnya dan yang diterapkan untuk PLTG pada khususnya. Pengoperasian pembangkit LTG dalam waktu yang lama secara terus menerus, dengan kondisi lingkungan yang berdebu (lingkungan tropis) semakin mempercepat penurunan kinerja kompresor ditandai dengan menurunnya tekanan. Kinerja kompresor dapat menerun dikaranakan adanya kontaminan deposit yang menempel pada kompresor dan inlet guide vane. Semakin tebal deposit yang menempel semakin menurun unjuk kerja kompresor.
Penurunan kinerja kompresor mengakibatkan penurunan output turbin gas, yang mana menjadikan kinerja turbin gas mejadi menurun. Dengan menurunnya kinerja kompresor dan turbin gas sangat mempegaruhi efisiensi pembangkit. Permasalahan tersebut diatas dapat ditanggulangi lagi dengan melakukan pembersihan pada kompresor(Compressor C leaning) atau pasir halus.
Perawatan pada turbin gas
Perawatan atau maintenance berfungsi untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan seperti kerusakan terlalu cepat terhadap semua peralatan di pabrik, baik yang sedang beroperasi maupun yang berfungsi sebagai suku cadang. Kerusakan yang timbul biasanya terjadi karena keausan dan ketuaan akibat pengoperasian yang terus-menerus, dan juga akibat langkah pengoperasian yang salah.
Maintenance pada turbine gas selalu tergantung dari faktor-faktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional turbine gas sangat tergantung dari kondisi daerah operasional. Semua pabrik pembuat turbine gas telah menetapkan suatu ketetapan yang aman dalam pengoperasian sehingga turbine selalu dalambatas kondisi aman dan tepat waktu untuk melakukan maintenance.
Secara umum maintenance dapat dibagi dalam beberapa bagian, diantaranya adalah:
Preventive Maintenance
Suatu kegiatan perawatan yang direncanakan baik itu secara rutin maupun periodik, karena apabila perawatan dilakukan tepat pada waktunya akan mengurangi down time dari peralatan. Preventive maintenance dibagi menjadi :
Running Maintenance adalah suatu kegiatan perawatan yang dilakukan hanya bertujuan untuk memperbaiki equipment yang rusak saja dalam satu unit. Unit produksi tetap melakukan kegiatan.
Turning Around Maintenance merupakan perawatan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya.
Repair Maintenance
Perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang tidak kritis, atau disebut juga peralatan-peralatan yang tidak mengganggu jalannya operasi.
Predictive Maintenance
Kegiatan monitor, menguji, dan mengukur peralatan-peralatan yang beroperasi dengan menentukan perubahan yang terjadi pada bagian utama, apakah peralatan tersebut berjalan dengan normal atau tidak.
Corrective Maintenance
Perawatan yang dilakukan dengan memperbaiki perubahan kecil yang terjadi dalam disain, serta menambahkan komponen-komponen yang sesuai dan juga menambahkan material-material yang cocok.
Break Down Maintenance
Kegiatan perawatan yang dilakukan setelah terjadi kerusakan atau kelainan pada peralatan sehingga tidak dapat berfungsi seperti biasanya.
Modification Maintenance
Pekerjaan yang berhubungan dengan disain suatu peralatan atau unit. Modifikasi bertujuan menambah kehandalan peralatan atau menambah tingkat produksi dan kualitas pekerjaan.
Shut Down Maintenance
Kegiatan perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya.
Efisiensi Turbin Gas
Pada dasarnya, urutan proses kerja turbin gas adalah sebagai berikut :
Gambar 2.13.a Diagram p-v dan t-s
Urtutan proses kerja turbin gas :
1-2 Proses kerja adiabatis udara pada kompresor, tekanan udara naik [A]
2-3 Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bahan pada tekanan konstant, dihasilkan panas pada ruang bakar [B]
3-4 Proses ekspansi adiabatis gas pembakaran pada turbin dihasilkan kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong , tekanan turun [C]
4-1 Proses pembuangan kalor pada tekanan konstant [D]
Dari diagram t-s tersebut dapat dilihat setelah proses kompresi pada kompresor temperature naik yaitu T2 dari temperature atmosfer T1 dan tekanan naik dari P1 menjadi P2, temperature dan tekanan ini diperlukan untuk proses pembakaran. Setelah bahan bakar disemprotkan dan bercampur dengan udara mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan terjadi proses pembakaran, temperature naik lagi sampai T3 temperature T3 adalah temperature gas pembakaran yang akan masuk turbin, temperature ini dibatasi oleh ketahanan material turbin pada suhu tinggi. Setelah proses ekspansi pada turbin, temperature gas sisa menjadi turun sampai T4 dan temperature gas sisa ini masih tinggi diatas temperature T1.
Dari penjelasan diatas maka dapat kita ketahui perhitungan untuk efisiensi tubin gas. Efisensi turbin gas tersebut dapat dihitung dengan cara sebagai berikut :
Pemasukan panas berlangsung pada tekanan konstant :
qmasuk=m.cp (T3-T2)
Pengeluaran panas juga pada tekanan konstant :
qkeluar=m.cp (T4-T1)
Sehingga kerja berguna dapat dirumuskan sebagai berikut :
Wberguna= qmasuk-qkeluar= m.cp T3-T2- m.cp (T4-T1)
Dari uraian tersebut sudah dapat dihitung efisiensinya. Efisiensi sendiri diartikan sebagai perbandingan antara kerja berguna dengan energi kalor yang masuk, dirumuskan sebagai berikut :
η= Wbergunaqmasuk= qmasuk-qkeluar qmasuk . 100%
dimana :
Cp (kapasitas panas udara) = 1.0035 Kj/kg.K
η = efisesnsi termal
Soal-soal
Soal Pilihan Ganda
Berikut ini yang merupakan bagian-bagian utama dari turbin gas, kecuali ....
Air Inlet Section
Fuel System Section
Compressor Section
Combustion Section
Turbin Section
Berikut ini merupakan proses turbin gas.
Compression
Combuston
Exhaust
Expansion
Urutan dari proses turbin gas yang benar adalah ....
(a), (b), (c), (d)
(d), (a), (b), (c)
(a), (b), (d), (c)
(d), (b), (a), (c)
(a), (d), (b), (c)
Turbin gas yang memiliki turbin bertekanan tinggi dan rendah merupakan pengertian dari tubin gas ....
Siklus terbuka
Siklus tertutup
Poros tunggal
Poros ganda
Kombinasi
Pada saat terjadi pembakaran pada turbin gas, terjadi proses termodinamika berupa?
Isobarik
Isokorik
Isotermis
Exspansi
Adiabatis
Dibawah ini merupakan pengaruh yang harus dipertimbangkan dikarenakan merubah proses ideal dari tubin gas, kecuali?
Kerugian tekanan selama penambahan dan pembuangan panas yang menyebabkan garis tekanan konstan menurun.
Inefensiensi kompresi dan Ekspansi menyebabkan garis isentropis berbelok ke kanan.
Udara yang keluar dari kompresor tekanan rendah didinginkan melalui intercooler pada tekanan konstan.
Variabel laju aliran massa, aliran pendingin mesin, dan lain-lain.
Inefesiensi pembakaran, pembakaran yang kurang sempurna dari bahan bakar akan mengurangi panas yang dibebaskan.
Soal uraian
Sebutkan sebab kerugian yang dapat menyebabkan turunya daya system turbin gas?
Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.
Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbindengan angin.
Adanya mechanical loss.
Jelaskan salah satu cara untuk meningkatkan efisensi turbin gas!
Salah satu cara yang bisa dilakukan untuk meningkatkan efisensi turbin adalah dengan cara memodifikasi turbn tersebut. Miasalnya saja dengan memberikan system tambahan seperti intercooler, reheater, maupun regenerator.
Gambarkan diagram p-v dan t-s dari tubin gas sederhana serta jelaskan urutan prosesnya!
Urutan proses kerja turbin gas :
1-2 Proses kerja adiabatis udara pada kompresor, tekanan udara naik [A]
2-3 Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bahan pada tekanan konstant, dihasilkan panas pada ruang bakar [B]
3-4 Proses ekspansi adiabatis gas pembakaran pada turbin dihasilkan kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong , tekanan turun [C]
4-1 Proses pembuangan kalor pada tekanan konstant [D]
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
Turbin gas merupakan suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja. Turbin gas terdiri dari tiga komponen utama, yaitu : kompresor, ruang bakar, dan turbin
Bahan bakar untuk turbin gas harus memenuhi persyaratan tertentu sebelum digunakan pada proses pembakaran. Persyaratan tersebut yaitu bahan bakar mempunyai kadar abu yang tidak tinggi.
Untuk meningkatkan kinerja dari turbin gas dapat dilakukan dengan memodifikasi komponen pada turbin.
Batasan Operasi sangatlah penting sebagai panduan operator guna mengoperaiskan turbin gas
Maintenance pada turbine gas selalu tergantung dari faktor-faktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional turbine gas sangat tergantung dari kondisi daerah operasional.
Perhitungan efisensi termal pada turbin gas
η= Wbergunaqmasuk= qmasuk-qkeluar qmasuk . 100%
Saran
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam makalah ini, dikarenakan referensi yang penulis dapat masih minim. Untuk itu penulis menyarankan untuk pembaca agar apa yang belum ada dalam makalah ini bisa melengkapinya dengan referensi atau sumber-sumber lain.
DAFTAR PUSTAKA
Ambong, arnoldus sabon, dkk. 2013. Makalah Mesin Konversi Energi II. (Online), (https://petekmesum11.files.wordpress.com/), diunduh tanggal 20 September 2015
Nugroho, Dwi. 2013. Turbin Gas. (Online), (https://id.scribd.com/doc/124737635/Makalah-Turbin-Gas), diakses tanggal 20 September 2015
Situmorang, pandedo. 2014. Gas Turbine Engine. (Online), (http://airframeandpowerplant.blogspot.com/2014_01_01_archive.html), diakses tanggal 20 september 2015
Suwasono, agus. 2010. Turbin Gas. (Online), (http://www.agussuwasono.com/artikel/teknologi/mechanical/412-turbin-gas.html), diakses tanggal 20 september 2015
Utama, dimas yudha satria. 2013. Sistem Turbin Gas pada Sistem PLTGU. (Online),(https://www.academia.edu/11999586/MAKALAH_SISTEM_TURBIN_GAS_PADA_SISTEM_PLTGU) diunduh tanggal 20 september 2015
Wikipedia, Turbin Gas. (Online),(http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_gas), diakses tanggak 20 September 2015
Yanto, rodhy. 2014. Turbin Gas. (Online), (http://rondie91.blogspot.com/2014/10/turbin-gas.html), dikases tanggal 20 September 2015
Yanto, rodhy. 2014. Prinsip Kerja Turbin Gas. (Online), (http://rondie91.blogspot.com/2014/10/microsoftinternetexplorer4-0-2.html), dikases tanggal 20 September 2015
