turbin uap
Post on 01-Dec-2015
119 Views
Preview:
TRANSCRIPT
TURBIN UAP
A. Pengertian Turbin Uap
Istilah turbin berasal dari bahasa latin yaitu ”turbo” yang berarti putar. Karena energi
yang digunakan untuk memutar poros turbin adalah energi potensial fluida maka turbin
sendiri termasuk ke dalam golongan mesin-mesin fluida.
Mesin–mesin fluida adalah mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis pada
poros menjadi energi potensial fluida atau sebaliknya, yaitu mengubah energi potensial fluida
menjadi energi mekanis pada poros.
Secara umum mesin fluida dapat digolongkan menjadi dua golongan besar, yaitu:
1. Mesin kerja, adalah mesin fluida yang berfungsi mengubah energi mekanis pada poros
menjadi energi potensial fluida, misalnya : pompa, kompresor, blower, dan lain-lain.
2. Mesin tenaga, adalah mesin fluida yang berfungsi mengubah energi potensial fluida
menjadi energi mekanis pada poros, misalnya : kincir angin, turbin air, turbin gas, dan turbin
uap.
Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial kukus
menjadi energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran
poros turbin. Poros turbin langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan
dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digerakkan,
turbin uap dapat dipergunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga
listrik, dan untuk transportasi.
Turbin uap secara umum diklasifikasikan kedalam tiga jenis impuls, dan gabungan
(impuls-reaksi) yang tergantung pada cara perolehan perubahan energi potensial menjadi
energi kinetik semburan kukus.
B. Komponen-komponen Turbin Uap
Keterangan :1. Kopling, 2. Bantalan luncur, 3. Poros turbin, 4. Tutup (casing) atas, 5. Piringan dan sudu
jalan, 6. Piringan dan sudu arah, 7. Rumah (casing) turbin bawah, 8. Labirint, 9. Bantalan radial dan aksial, 10.
Penumpu (pedestal) bantalan depan, 11. Penumpu (pedestal) bantalan belakang, 12. Sistem kontrol hidrolik,
13. Katup pengontrol
Komponen-komponen utama pada turbin uap yaitu
a. Cassing
Adalah sebagai penutup (rumah) bagian-bagian utama turbin.
b. Rotor
Adalah bagian turbin yang berputar terdiri dari:
1) Poros
Berfungsi sebagai komponen utama tempat dipasangnya cakram-cakram sepanjang
sumbu.
2) Sudu turbin atau deretan sudu
Berfungsi sebagai alat yang menerima gaya dari energi kinetik uap melalui nosel.
3) Cakram
Berfungsi sebagai tempat sudu-sudu dipasang secara radial pada poros.
c. Nosel
Berfungsi sebagai media ekspansi uap yang merubah energi potensial menjadi energi
kinetik.
d. Bantalan (bearing)
Merupakan bagian yang berfungsi uuntuk menyokong kedua ujung poros dan banyak
menerima beban.
e. Perapat (seal)
Berfungsi untuk mencegah kebocoran uap, perapatan ini terpasang mengelilingi poros.
Perapat yang digunakan adalah :
1. Labyrinth packing
2. Gland packing
f. Kopling
Berfungsi sebagai penghubung antara mekanisme turbin uap dengan mekanisme yang
digerakkan.
C. Prinsip Kerja Turbin Uap
Turbin uap terdiri dari sebuah cakram yang dikelilingi oleh daun-daun cakram yang
disebut sudu-sudu. Sudu-sudu ini berputar karena tiupan dari uap bertekanan yang berasal
dari ketel uap, yang telah dipanasi terdahulu dengan menggunakan bahan bakar padat, cair
dan gas.
Uap tersebut kemudian dibagi dengan menggunakan control valve yang akan dipakai
untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung dengan pompa dan juga sama halnya
dikopel dengan sebuah generator singkron untuk menghasilkan energi listrik.
Setelah melewati turbin uap, uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi tadi
muncul menjadi uap bertekanan rendah. Panas yang sudah diserap oleh kondensor
menyebabkan uap berubah menjadi air yang kemudian dipompakan kembali menuju boiler.
Sisa panas dibuang oleh kondensor mencapai setengah jumlah panas semula yang masuk. Hal
ini mengakibatkan efisisensi thermodhinamika suatu turbin uap bernilai lebih kecil dari 50%.
Turbin uap yang modern mempunyai temperatur boiler sekitar 5000C sampai 6000C dan
temperatur kondensor 200C sampai 300C (Shlyakhin,P: Turbin uap. Hal 12).
C.1 Asas Impuls dan Reaksi
Turbin adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik uap
menjadi putaran poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu turbin. Sebagai
perbandingan dengan mesin torak yang bekerja karena ekpansi energi panas gas atau uap di
dalam silinder yang mendorong torak untuk bergerak bolak-balik. Pada dasarnya, prinsip
kerja mesin torak dengan turbin uap adalah sama. Fluida gas dengan energi potensial yang
besar berekspansi sehingga mempunyai energi kinetik tinggi yang akan medorong torak atau
sudu, karena dorongan atau tumbukan tersebut, torak atau sudu kemudian bergerak. Proses
tumbukan inilah yang dinamakan dengan Impuls.
Azas impuls dapat dijelaskan dengan metode sebagai berikut. Adalah sebuah pelat
yang ditumbuk dengan fluida gas berkecepatan Vs, dan laju massa m, karena pelat itu beroda
sehingga bergerak dengan kecepatan Vb. Dari dua model di atas, dapat dilihat bahwa model
sudu mempunyai daya yang lebih besar pada kecepatan dan laju massa fluida gas yang sama.
Maka dengan alasan tersebut, bentuk sudu dianggap yang paling efisien untuk diterapkan
pada turbin uap atau jenis turbin lainnya seperi turbin gas dan air. Penerapan model sudu
tersebut di atas pada turbin uap, yaitu menata sudu sudut tersebut sebaris mengelilingi roda
jalan atau poros turbin uap, sehingga terjadi keseimbangan gaya.
Perbedaan turbin impuls dan reaksi dari segi aliran
Model turbin impuls dalam sejarahnya sudah pernah dibuat oleh Branca. Prinsip
kerjanya adalah dengan menyemburkan uap berkecapatan tinggi melalui nosel ke sudu-sudu
impuls pada roda jalan. Akibat adanya tumbukan antara semburan gas dengan sudu-
sudu jalan turbin impuls, poros turbin menjadi berputar.
Berbeda dengan azas impuls, azas reaksi untuk sebagaian orang lebih sulit dipahami.
Untuk menggambarkan azas reaksi bekerja pada gambar adalah model jet uap dari Newton.
Semburan uap dari tabung mempunyai energi kinetik yang besar sehingga sepeda
akan bergerak ke kiri. Dari hal tersebut dapat dipahami bahwa mesin tersebut bekerja dengan
azas reaksi, yaitu semburan uap melakukan aksi sehingga timbul reaksi pada sepeda untuk
begerak melawan aksi.
D. Klasifikasi Turbin Uap
Untuk memudahkan identifikasi terhadap turbin uap, maka turbin uap diklasifikasikan
sebagai berikut :
1. Menurut jumlah tingkat tekanan
a) Turbin satu tingkat yang memiliki kapasitas tenaga kecil, biasanya digunakan untuk
menggerakkan kompresor, pompa, dan mesin-mesin lainnya yang kapasitas tenaganya kecil.
b) Turbin bertingkat banyak (neka tingkat), yaitu turbin yang dibuat untuk kapasitas tenaga dari
kecil kepada yang besar dan biasanya terdiri dari susunan beberapa nosel dan beberapa
cakram yang ditempatkan berurutan dan berputar pada satu poros yang sama.
2. Menurut arah aliran uap
a) Turbin aksial, yang uapnya mengalir dengan arah yang sejajar terhadap poros turbin.
b) Turbin radial, yang arah aliran uapnya tegak lurus terhadap poros turbin.
3. Menurut jumlah silinder
a) turbin silinder tunggal
b) turbin silinder ganda
c) turbin tiga silinder
d) turbin empat silinder
4. Menurut kondisi uap yang digunakan
a) Turbin tekanan lawan, yaitu bila tekanan uap bekas sama dengan tekanan uap yang
dibutuhkan untuk keperluan proses kegiatan pabrik. Turbin ini tidak mengalami kondensasi
uap bekas.
b) Turbin kondensasi langsung, yaitu turbin yang mengondensasikan uap bekasnya langsung ke
dalam kondensor, guna mendapatkan air kondensat untuk pengisi air umpan ketel.
c) Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan, dimana uap bekas digunakan untuk keperluan proses.
d) Turbin ekstraksi dengan kondensasi, dimana sebagian uapnya dipakai untuk proses dan
sebagian lagi untuk penyediaan kondensat air pengisi ketel uap.
e) Turbin kondensasi dengan ekstraksi ganda, uap bekas dari turbin dipakai untuk kebutuhan
beberapa tingkat ekstraksi da sisanya dijadikan kondensasi dalam kondensor untuk kebutuhan
air pengisi ketel uap.
f) Turbin non kondensasi dengan aliran langsung dan tanpa ada ekstraksi serta kondensasi, uap
bekas dibuang ke udara luar dengan tekanan lawan sama atau melebihi dari 1 atm.
g) Turbin non kondensasi dengan ekstraksi, uap bekas tidak dikondensasikan, hanya digunakan
untuk proses.
5. Menurut kondisi uap yang masuk ke dalam turbin
a) Turbin tekanan rendah dimana tekanan uapnya 2 kg/cm2
b) Turbin tekanan menengah, tekanan uap sampai dengan 40 kg/cm2
c) Turbin tekanan tinggi, tekanan uap sampai dengan 170 kg/cm2
d) Tubin tekanan sangat tinggi, tekanan uap di atas 170 kg/cm2
e) Turbin adikritis, turbin uap yang beroperasi dengan tekanan uap di atas 225 kg/cm2.
6. Menurut prinsip aksi uap
a) Turbin impuls, yang energi potensial uapnya diubah menjadi energi kinetik di dalam nosel
atau laluan yang dilewati oleh sudu-sudu gerak,lalu energi kinetik ini diubah menjadi energi
mekanik pada poros turbin.
b) Turbin reaksi aksial, yang ekspansi uap diantara laluan sudu, baik sudu pengarah maupun
sudu gerak tiap-tiap tingkat langsung pada derajat yang sama.
7. Menurut sistem pemanas ulang uap
a) Turbin uap dengan pemanas ulang tunggal
b) Turbin uap dengan pemanas ulang ganda
8. Menurut lingkungan pengoperasiannya
a) Turbin darat, biasa terdapat pada industri atau PLTU untuk menggerakkan generator
b) Turbin yang dioperasikan di kapal.
9. Menurut arah aliran uap
a) Turbin aksial, Fluida kerja mengalir dalam arah yang sejajar terhadap sumbu turbin
b) Turbin radial, Fluida kerja mengalir dalam arah yang tegak lurus terhadap sumbu turbin.
10. Menurut prinsip aksi uap
a) Turbin impuls, Energi potensial uap diubah menjadi energi kinetik di dalam nosel.
Adapun turbin impuls mengubah energi potensial uapnya menjadi energi kinetik
didalam nosel (yang dibentuk oleh sudu-sudu diam yang berdekatan). Nosel diarahkan
kepada sudu gerak. Didalam sudu-sudu gerak, energi kinetik diubah menjadi energi mekanis.
Energi potensial uap berupa ekspansi uap, yang diperoleh dari perubahan tekanan awal
hingga tekanan akhirnya di dalam sebuah nosel atau dalam satu grup nosel yang ditempatkan
didepan sudu-sudu cakram yang berputar. Penurunan tekanan uap didalam nosel diikuti
dengan penurunan kandungan kalornya yang terjadi didalam nosel. Hal ini menyebabkan
naiknya kecepatan uap yang keluar dari nosel (energi kinetik). Kemudian energi kecepatan
semburan uap yang keluar dari nosel yang diarahkan kepada sudu gerak (sudu-sudu cakram
yang berputar) memberikan gaya impuls pada-pada sudu gerak sehingga menyebabkan sudu-
sudu gerak berputar (melakukan kerja mekanis).
Atau bisa dafahami secara sederhana pronsip kerja dari turbin impuls yaitu turbin
yang proses ekspansi lengkap uapnya hanya terjadi pada kanal diam (nosel) saja, dan energi
kecepatan diubah menjadi kerja mekanis pada sudu-sudu turbin. Kecepatan uap yang keluar
dari turbin jenis ini bisa mencapai 1200 m/detik. Turbin jenis ini pertama kali dibuat oleh de
Laval, yang mana turbin ini mampu beroperasi pada putaran 30.000rpm. Pada aplikasinya
turbin impuls ini dilengkapi dengan roda gigi reduksi untuk memindahkan momen putar ke
mekanisme yang akan digerakkan seperti generator listrik.
b) Turbin reaksi, Ekspansi uap terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak.
Turbin reaksi yaitu turbin yang ekspansi uapnya tidak hanya terjadi pada laluan-laluan
sudu pengarah (nosel) yang tetap saja tetapi juga terjadi pada laluan sudu gerak (sudu-sudu
cakram yang berputar), sehingga terjadi penurunan keseluruhan kandungan kalor pada semua
tingkat sehingga terdistribusi secara seragam. Turbin yang jenis ini umumnyan digunakan
untuk kepentingan industri. Kecepatan uap yang mengalir pada turbin (yang biasanyan
nekatingkat) lebih rendah yaitu sekitar 100 – 200 m/detik.
E. APLIKASI TURBIN UAP
Pembangkit Listrik Tenaga Uap ( PLTU )
Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang mengandalkan
energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Bentuk utama dari pembangkit
listrik jenis ini adalah Generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga
kinetik dari uap panas/kering. Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam
bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up awal.
PLTU batu bara di Indonesia yang pertama kali dibangun adalah di Suryalaya pada
tahun1984 dengan kapasitas terpasang 4 x 400 MW. Kemudian PLTU Bukit Asam dengan
kapasitas 2 x 65 MW pada tahun 1987. Dan pada tahun 1993-an beroperasi pula PLTU Paiton
1 dan 2 masing-masing dengan kapasitas 400 MW. Kemudian PLTU Suryalaya akan
dikembangkan dari unit 5 - 7 dengan kapasitas 600 MW/unit. PLTU batu bara pada tahun
1994 kapasitasnya sudah mencapai 2.130 MW (16% dari total daya terpasang). Pada tahun
2003 kapasitasnya diperkirakan sekitar 12.100 MW (37%), tahun 2008/09 mencapai 24.570
MW (48%) dan pada tahun 2020 sekitar 46.000 MW. Sementara itu pemakaian batu bara
pada tahun 1995 tercatat bahwa untuk menghasilkan energi listrik sebesar 17,3 Twh
dibutuhkan batu bara sebanyak 7,5 juta ton. Dan pada tahun 2005 pemakaian batu bara
diperkirakan mencapai 45,2 juta ton dengan energi listrik yang dihasilkan mencapai 104Twh.
Pengaplikasian turbin pada PLTU itu sendiri adalah sebagai mesin penggerak,
dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda/poros turbin. Pada
turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi, melainkan gerakan rotasi. Bagian
turbin yang berputar biasa disebut dengan istilah rotor/roda/poros turbin, sedangkan bagian
turbin yang tidak berputar dinamai dengan istilah stator. Roda turbin terletak didalam rumah
turbin dan roda turbin memutar poros daya yang digerakkannya atau memutar bebannya
(generator listrik,pompa, kompresor,baling-baling,dll).
Didalam turbin fluida kerja mengalami ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan
mengalir secara kontinyu. Penamaan turbin didasarkan pada jenis fluida yang mengalir
didalamnya, apabila fluida kerjanya berupa uap maka turbin biasa disebut dengan turbin uap.
Contoh beberapa PLTU yang ada di Indonesia :
No Pembangkit Tempat Kapasitas Keterangan1 PLTU NAD Meulaboh 2x100MW2 PLTU 2 Sumatera Utara Pangkalan Susu 2x200MW3 PLTU Sumatra Barat Teluk Sirih 2x100MW4 PLTU 3 Bangka Belitung Belitung 2 x 25MW5 PLTU 4 Bangka Belitung Belitung 2 x 15MW6 PLTU 1 Riau Bengkalis 2 x 10MW7 PLTU 2 Riau Selat Panjang 2 x 7 MW
8 PLTU Kepulauan RiauTanjung Balai Karimun
2 x 7 MW
9 PLTU Lampung Tarahan Baru 2x100MW
10PLTU 1 Kalimantan Barat
Kalimantan Barat 2 x 50MW
11PLTU 2 Kalimantan Barat
Bengkayang 2 x 25MW
12PLTU 1 Kalimantan Tengah
Pulang Pisau 2 x 60MW PLTU Pulang Pisau
13PLTU Kalimantan Selatan
Asam-Asam 2 x 65MWPLTU Asam-asam unit III dan IV
14 PLTU 2 Sulawesi Utara Amurang 2 x 25MW15 PLTU Sulawesi Tenggara Kendari 2 x 10MW16 PLTU Sulawesi Selatan Barru 2 x 50MW17 PLTU Gorontalo Gorontalo 2 x 25MW18 PLTU Maluku Maluku 2 x 15MW19 PLTU Maluku Utara Tidore 2 x 7 MW20 PLTU 1 NTB Bima 2 x 15MW21 PLTU 2 NTB Lombok 2 x 25MW22 PLTU 1 NTT Ende 2 x 7 MW23 PLTU 2 NTT Kupang 2 x 15MW24 PLTU 1 Papua Papua 2 x 7 MW25 PLTU 2 Papua Jayapura 2 x 10MW
F. DIAGRAM TURBIN UAP
1. DIAGRAM T-s
Pada proses 1-2 terjadi kompresi
isentropik yang terjadi di dalam
pompa, hal ini mengakibatkan tekanan fluida kerja menjadi naik. Pada proses 2-3 terjadi
penambahan panas dengan tekanan konstan di dalam boiler. Pada proses 3-4 terjadi ekspansi
isentropik di dalam turbin yang menyebabkan tekanan menjadi turun. Pada proses 4-1 terjadi
pembuangan panas ke lingkungan oleh kondensor pada tekanan konstan.
2. DIAGRAM h-s
dimana pada diagram tersebut terdapat nomor yang
merupakan definisi dari proses,yaitu:
Process 1-2 : Reversible adiabatic expansion in turbine (or steam engine)Process 2-3 : Constant-pressure transfer of heat in the condenserProcess 3-4 : Reversible adiabatic pumping process in the feed pumpProcess 4-1 : Constant-pressure transfer of heat in the boiler
G. PERHITUNGAN PADA TURBIN UAP
1. Perubahan Entalpi Spesifik ( Ek dan Ep diabaikan )/ efisiensi isentropis
a. Kompresi
n isen=h 2'−h1h2−h 1
Gas sempurna:
n isen=T 2 '−T 1T 2−T 1
b. Ekspansi
n isen= h 1−h 2h 1−h 2 '
Gas sempurna:
n isen= T 1−T 2T 1−T 2 '
2. Efisiensi Carnot
n th=T 1−T 2T 1
3. Persamaan Energi Aliran Tetap
q−Wx=∆ h+ ∆ V 2
2+∆ gz
4. Persamaan Entalpi dan Entropi
a. Entalpi
h=hf +X hfg
h fg=hg−h f
b. Entropi
s=sf + X sfg
s fg=sg−sf
5. Contoh Soal
Uap pada sebuah turbin uap adiabatis, berekspansi dari tekanan 60 bar dan
temperatur 500oC ketekanan 0,04 bar. Efisiensi isentropis turbin tersebut
adalah 0,82 dan perubahan energi kinetic dan potensial diabaikan. Tentukan keadaan
uap keluar turbin dan perpindahan kerja spesifik?
Jawab:
Menunjukkan proses ekspansi pada grafik Mollier
Dari tabel uap, pada 60 bar dan 500oC,
h1 = 3422,2 ( kj/ kg )
s1 = 6,8803 ( kj/ kg K )
Dalam grafik, garis vertical dari 1 ke 2’ menunjukkan proses reversible ideal.
Dari tabel uap 0,04 bar.
S2’ = S1 dan x2’ didapat dengan menggunakan Sf = 0,4231 ( kj/ kg K )
Dan Sfg = Sg – Sf dimana, Sfg = 8,4739 kj/ kg K – 0,4231 kj/ kg K = 8,0508 kj/ kg K
Sehingga, S1 = Sf + X Sfg
6,8803 kj/ kg K = 0,4231 kj/ kg K + X2’ 8,0508 kj/ kg K
X2’ = 6,4572 kj /kg K8,0508 kj /kg K
X2’ = 0,802
h2’ = hf + X2’ hfg
= 121,61 kj/ kg + 0,802 x 2432,8 kj/ kg
= 2072,72 kj/ kg
n isen= h1−h 2h 1−h2 '
ideal
2’
s
Saturated line
1
2
h
0,82= 3422,2 kj /kg−h 23422,2 kj /kg−2072,72
-h2 = 1106,57 kj/kg - 3422,2 kj/kg
h2 = 2315,63 kj/kg
Mencari X2 ;
h2 = hf + X2 hfg
2315,63 kj/kg = 121,61 kj/kg + X2 x 2432,8 kj/kg
X2 = 0,902
Dengan menggunakan persamaan energi aliran tetap
q−Wx=∆ h+ ∆ V 2
2+∆ gz
q = 0, ∆ V 2
2=0 , dan ∆ gz=0, Maka;
-Wx = ∆ h
-Wx = h2 – h1
-Wx = 2315,63 kj/kg – 3422,2 kj/kg
Wx = 1106,57 kj/kg
top related