boiler dan turbin
DESCRIPTION
Boiler Dan TurbinTRANSCRIPT
BUKU I BAHAN AJAR
BOILER DAN TURBIN
Penyusunan Bahan Ajar Dalam Kurikulum Berbasis
Kompetensi (Kurikulum 2007) ini dibiayai dari PHKI
Politeknik Negeri Bandung
Departemen Pendidikan Nasional
Tahun Anggaran 2010
Disusun Oleh :
Ir. Haryadi, MT
NIP : 19640826 199003 1 002
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2010
BA 10 PBME3153 06
Boiler dan Turbin
i
HALAMAN PENGESAHAN
1. Identitas Bahan Ajar
a. Judul Bahan Ajar : Boiler dan Turbin
b. Mata Kuliah / Semester : Boiler dan Turbin/ V
c. SKS (T-P) /Jam (T-P) : 2(1-1)/(2-2)
d. Jurusan : Teknik Mesin
e. Program Studi : Teknik Mesin
e. Nomor Kode Mata Kuliah : PBME3153
2. Penulis
a. Nama : Ir. Haryadi, MT
b. NIP : 19640826 199003 1 002
c. Pangkat / Golongan : III/d
d. Jabatan Fungsional : Lektor
e. Program Studi : Teknik Mesin
f. Jurusan : Teknik Mesin
Bandung, 12 Nopember 2010
Mengetahui,
Ketua KBK
Ir. Ali Mahmudi, MSc.
NIP. 19580606 199003 1 001
Penulis,
Ir. Haryadi, MT
NIP. 19640826 199003 1 002
Menyetujui,
Ketua Jurusan / Program Studi
Dr. Carolus Bintoro, Dipl. Ing., MT.
NIP. 19620602 199102 1 001
Boiler dan Turbin
ii
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................................... i
DAFTAR ISI ..................................................................................................................... ii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................ v
DAFTAR TABEL .......................................................................................................... viii
DESKRIPSI MATA KULIAH ......................................................................................... 1
CARA PENGGUNAAN ................................................................................................... 1
BAB I ................................................................................................................................ 2
BOILER ............................................................................................................................ 2
1.1 Klasifikasi Boiler ............................................................................................... 2
1.2 Konstruksi dan Bagian-bagian Boiler ................................................................ 3
1.3 Pembakaran dan Bahan Bakar .......................................................................... 4
1.3.1 Komposisi Bahan Bakar ............................................................................. 5
1.3.2 Nilai Kalor Bahan Bakar ............................................................................. 5
1.3.3 Jenis-jenis Bahan Bakar .............................................................................. 6
1.3.4 Perbandingan Berbagai Jenis Bahan Bakar ................................................ 7
1.4 Boiler Berbahan-bakar Padat ............................................................................. 7
1.4.1 Boiler dengan Teknik Pembakaran Unggun Terfluidisasi .......................... 7
1.4.2 Boiler dengan Teknik Pembakaran Stoker ................................................. 8
1.4.3 Boiler dengan Teknik Pembakaran Pulverasi ........................................... 10
1.5 Neraca Kalor dan Efisiensi Boiler .................................................................... 11
1.5.1 Metode Langsung ..................................................................................... 11
1.5.2 Metode Tidak Langsung dalam Menentukan Efisiensi Boiler ................. 12
1.6 Peraturan perundangan dan keselamatan ......................................................... 14
1.7 Instrumentasi dan Kontrol pada Boiler ............................................................ 15
1.7.1 Drum Level Control. ................................................................................. 16
1.7.2 Combustion Control .................................................................................. 17
1.7.3 Master control ........................................................................................... 18
1.7.4 Fuel flow – air flow control ...................................................................... 19
1.7.5 Oxygen control ......................................................................................... 20
1.7.6 Atomizing Control .................................................................................... 22
1.7.7 Blowdown Control .................................................................................... 23
1.7.8 Steam Temperature Control ...................................................................... 24
1.8 Pengolahan Air Umpan .................................................................................... 25
1.8.1 Pengkerakan .............................................................................................. 25
Boiler dan Turbin
iii
1.8.2 Pembusaan dan priming ........................................................................... 26
1.8.3 Korosi ........................................................................................................ 27
1.9 Perawatan ......................................................................................................... 27
1.10 Kesimpulan ...................................................................................................... 30
1.11 Soal-soal ........................................................................................................... 31
BAB II ............................................................................................................................. 32
TURBIN UAP ................................................................................................................. 32
2.1 Pengantar .......................................................................................................... 32
2.2 Termodinamika Pembangkit Daya Tenaga Uap .............................................. 33
2.3 Klasifikasi Turbin Uap ..................................................................................... 35
2.4 Konstruksi Turbin Uap ..................................................................................... 37
2.4.1 Sudu Gerak Turbin Uap ............................................................................ 38
2.4.2 Sudu Diam ................................................................................................ 38
2.4.3 Governor dan Sistem Kontrol ................................................................... 39
2.4.4 Labirin ....................................................................................................... 41
2.5 Perawatan dan Perbaikan ................................................................................. 43
2.6 Kesimpulan ...................................................................................................... 45
2.7 Soal-soal ........................................................................................................... 46
BAB III ........................................................................................................................... 47
TURBIN GAS ................................................................................................................. 47
3.1 Pengantar .......................................................................................................... 47
3.2 Termodinamika Turbin Gas ............................................................................. 48
3.2.1 Siklus Ideal ............................................................................................... 48
3.2.2 Modifikasi Siklus Ideal ............................................................................. 50
3.3 Konstruksi ........................................................................................................ 51
3.3.1 Kompresor ................................................................................................ 53
3.3.2 Turbin ........................................................................................................ 55
3.3.3 Ruang Bakar ............................................................................................. 56
3.4 Siklus Kombinasi ............................................................................................. 58
3.5 Perawatan ......................................................................................................... 60
3.6 Kesimpulan ...................................................................................................... 60
3.7 Soal-soal ........................................................................................................... 60
BAB IV ........................................................................................................................... 62
TURBIN AIR .................................................................................................................. 62
4.1 Pengantar .......................................................................................................... 62
4.2 Dasar Mekanika Fluida .................................................................................... 63
4.2.1 Analisis Dimensional ................................................................................ 64
4.2.2 Pemodelan ................................................................................................. 65
4.2.3 Kecepatan Spesifik Daya .......................................................................... 66
4.2.4 Daya pada Turbin ...................................................................................... 68
Boiler dan Turbin
iv
4.3 Turbin Pelton .................................................................................................... 69
4.4 Turbin Francis .................................................................................................. 72
4.5 Turbin Kaplan .................................................................................................. 75
4.6 Kavitasi pada Turbin Air .................................................................................. 76
4.7 Perawatan Turbin Air ....................................................................................... 77
4.8 Kesimpulan ...................................................................................................... 78
4.9 Soal-soal ........................................................................................................... 78
REFERENSI ................................................................................................................... 80
GBPP (Garis-garis Besar Program Pengajaran) ............................................................. 81
SAP (Satuan Acara Perkuliahan) .................................................................................... 82
Boiler dan Turbin
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar I-1 Klasifikasi boiler ........................................................................................... 3
Gambar I-2 Spreader Stoker ............................................................................................. 9
Gambar I-3 Chain gerate stoker ........................................................................................ 9
Gambar I-4 Vibrating stoker ........................................................................................... 10
Gambar I-5 Pulverized combination coal burner ............................................................ 11
Gambar I-6 Single-element drum level control ............................................................... 16
Gambar I-7 Two-element drum level control ................................................................ 17
Gambar I-8 Three-element drum level control .............................................................. 17
Gambar I-9 Combustion control ..................................................................................... 18
Gambar I-10 Pembagi beban boiler ................................................................................ 19
Gambar I-11 Fuel flow – air flow control ..................................................................... 19
Gambar I-12 Fuel flow – air flow control untuk bahan bakar gas .................................. 20
Gambar I-13 Oxygen control .......................................................................................... 21
Gambar I-14 Atomizing control ...................................................................................... 22
Gambar I-15 Blodown control ........................................................................................ 23
Gambar I-16 Continuous blowdown control .................................................................. 24
Gambar I-17 Steam termperatur control ........................................................................ 24
Gambar I-18 Kerak pada pipa air ................................................................................... 26
Gambar II-1 Skema siklus Renkine sederhana ............................................................... 33
Gambar II-2 Siklus Renkine ideal pada bidang T - s ...................................................... 33
Gambar II-3 Siklus Renkine dengan pemanasan ulang .................................................. 34
Gambar II-4 Karakteristik kombinasi turbin Curtis - Rateau ........................................ 35
Gambar II-5 Karakteristik kombinasi turbin Curtis - Parsons ........................................ 36
Gambar II-6 Turbin uap dengan kondensasi ................................................................... 36
Gambar II-7 Turbin uap ekstraksi atau tanpa kondensasi .............................................. 37
Gambar II-8 Konstruksi turbin uap ................................................................................ 37
Gambar II-9 Konstruksi turbin sudu turbin impuls dan turbin reaksi ............................. 38
Gambar II-10 Konstruksi sudu tetap turbin uap ............................................................. 39
Gambar II-11 Skema cara kerja governor kecepatan putar ............................................ 40
Gambar II-12 Skema cara kerja governor tekanan keluar .............................................. 40
Boiler dan Turbin
vi
Gambar II-13 Skema cara kerja governor kecepaatan putar dan ekstraksi otomatis ..... 41
Gambar II-14 Sil labirin cincin karbon ........................................................................... 41
Gambar II-15 Kombinasi sil sikat dan labirin ................................................................ 42
Gambar II-16 Pemasangan dengan dorongan ke dalam ................................................. 42
Gambar II-17 Jenis-jenis kerusakan pada bagian-bagian turbin uap .............................. 43
Gambar II-18 Rangkaian sebab akibat kegagalan pada turbin uap ................................ 44
Gambar II-19 Gejala dan penyebab kerusakan pada turbin uap ..................................... 44
Gambar III-1 Sikus Brayton ideal ................................................................................... 48
Gambar III-2 Representasi siklus Brayton ideal pada diagram P – V dan T – S .......... 49
Gambar III-3 Siklus Brayton dengan regenerator ........................................................... 50
Gambar III-4 Siklus Brayton dengan intercooler .......................................................... 51
Gambar III-5 Siklus Brayton dengan reheater ................................................................ 51
Gambar III-6 Turbin gas industri kelas menengah ......................................................... 52
Gambar III-7 Turbin aeroderivatif .................................................................................. 53
Gambar III-8 Skema kompresor sentrifugal ................................................................... 53
Gambar III-9 Skema kompresor aksial ........................................................................... 54
Gambar III-10 Sudu turbin radial ................................................................................... 55
Gambar III-11 Sudu turbin aksial dan cara pendinginannya .......................................... 56
Gambar III-12 Skema ruang bakar turbin gas aliran lurus dan zona pembakaran ......... 57
Gambar III-13 Skema siklus kombinasi ......................................................................... 59
Gambar III-14 Gambaran distribusi energi pada siklus kombinasi ................................ 59
Gambar IV-1 Instalasi suatu turbin air ........................................................................... 63
Gambar IV-2 Volume atur pada turbin air ...................................................................... 64
Gambar IV-3 Karakteristik performasi turbin air ........................................................... 65
Gambar IV-4 Efisiensi turbin dan bentuk runner turbin air untuk berbagai kecepatan
spesifik .................................................................................................... 67
Gambar IV-5 Berbagai bentuk runner turbin air dengan kecepatan spesifiknya ............ 67
Gambar IV-6 Kecepatan spesifik [rpm] dan bentuk turbin ............................................ 68
Gambar IV-7 Momentum sudut pada turbin air ............................................................. 69
Gambar IV-8 Pengaturan beban pada turbin Pelton ....................................................... 72
Gambar IV-9 Instalasi dan distribusi energi pada turbin Francis ................................... 73
Gambar IV-10 Bagian-bagian turbin Francis ................................................................. 73
Gambar IV-11 Segitiga kecepatan turbin Francis ........................................................... 74
Gambar IV-12 Bagian-bagian turbin Kaplan .................................................................. 75
Gambar IV-13 Segitiga kecepatan turbin Kaplan ........................................................... 76
Gambar IV-14 Koefisien kavitasi Thoma kritis untuk berbagai turbin reaksi ............... 77
Boiler dan Turbin
vii
Gambar IV-15 Runer turbin Francis yang rusak ............................................................ 78
Boiler dan Turbin
viii
DAFTAR TABEL
Tabel I-1 Perbandingan bahan bakar padat, cair dan gas ................................................. 7
Tabel I-2 Contoh EA optimal terhadap beban boiler ...................................................... 21
Tabel I-3 Contoh fuel/air ratio dari hasil test .................................................................. 22
Tabel I-4 Tabel konduktivitas termal baja dan kerak ..................................................... 26
Tabel I-5 Daftar periksa berkala boiler ........................................................................... 28
Tabel II-1 Metode Perawatan untuk Meningkatkan Umur Komponen Individual Turbin
Uap .......................................................................................................... 45
Tabel III-1 Jenis-jenis ruang bakar, keuntungan dan kerugiannya ................................. 58
Tabel IV-1 Instalasi turbin Pelton pada suatu pembangkit daya listrik .......................... 70
Tabel IV-2 Bagian-bagian turbin Pelton ......................................................................... 70
Tabel IV-3 Segi tiga kecepatan pada sudu gerak turbin Pelton ...................................... 71
Boiler dan Turbin
1
DESKRIPSI MATA KULIAH
Identitas Mata Kuliah
Judul Mata Kuliah : Boiler dan Turbin
Nomor Kode / SKS : KBME 3153 / 2
Semester / Tingkat : VI / 3
Prasyarat : Dasar Mesin Kalor dan Fluida
Jumlah Jam/Minggu : 4
Ringkasan Topik / Silabus
Boiler merupakan peralatan mesin konversi energi yang banyak digunakan oleh
industri proses dan pembangkit listrik, sedang turbin digunakan pada pembangkit.
Turbin digunakan untuk mengubah energi fluida menjadi daya poros. Turbin uap
bersama boiler digunakan pada PLTU. Selain turbin uap, ada turbin gas dan turbin
air yang digunakan pada PLTG dan PLTA.
Mata kuliah ini membahas boiler, turbin uap, turbin air secara lebih mendalam dari
sebelumnya..
Kompetensi Yang Ditunjang
1. Menghitung efisiensi, mengoperasikan dan malakukan perawatan boiler.
2. Menghitung daya dan efisiensi, mengoperasikan dan malakukan perawatan
turbin uap.
3. Menghitung daya dan efisiensi, mengoperasikan dan malakukan perawatan
turbin gas.
4. Menghitung daya dan efisiensi, mengoperasikan dan malakukan perawatan
turbin air..
Tujuan Pembelajaran Umum
1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta
dasar-dasar perawatan, pada boiler, turbin uap, turbin gas dan turbin air.
Tujuan Pembelajaran Khusus
1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta
dasar-dasar perawatan boiler .
2. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta
dasar-dasar perawatan turbin uap.
3. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta
dasar-dasar perawatan turbin gas.
Boiler dan Turbin
2
4. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta
dasar-dasar perawatan turbin air.
Boiler dan Turbin
1
CARA PENGGUNAAN
Pedoman Mahasiswa
1. Bacalah dan pelajarilah setiap uraian materi setiap bab dalam bahan ajar ini
secara runtut, teliti, dan cermat.
2. Catat atau tandai hal-hal yang anda anggap penting.
3. Apabila ada yang kurang jelas, diskusikan dengan teman-teman anda atau
carilah sumber lain yang sesuai atau tanyakan kepada penyusun bahan ajar
ini.
4. Setelah anda memahami uraian materi dalam setiap bab, baca referensi untuk
memperkuat pemahaman.
Pedoman Pengajar
1. Bacalah dan pelajarilah setiap uraian materi setiap bab dalam bahan ajar ini
secara runtut, teliti, dan cermat.
2. Catat atau tandai hal-hal yang anda anggap penting.
3. Apabila ada yang kurang jelas, diskusikan dengan pengajar yang lain atau
carilah sumber lain yang sesuai atau tanyakan kepada penyusun bahan ajar
ini.
4. Setelah anda memahami uraian materi dalam setiap bab, baca referensi untuk
memperkuat pemahaman.
5. Catat ketidakterkaitan antar bab dalam bahan ajar ini.
6. Catat ketidaksinambungan dengan mata kuliah yang berperan (tergabung)
sebagai satu modul dalam sistem pendidikan.
Penggunaan Ilustrasi dalam Bahan Ajar
1. Foto
2. Gambar
3. Sketsa
4. Tabel
5. Grafik
6. Diagram
7. Skema
Boiler dan Turbin
2
BAB I
BOILER
Tujuan Pembelajaran Umum
1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasar-
dasar perawatan pada boiler.
Tujuan Pembelajaran Khusus
1. Mahasiswa dapat menerangkan klasifikasi boiler.
2. Mahasiswa dapat menjelaskan konstruksi boiler.
3. Mahasiswa dapat membandingkan penggunaan berbagai bahan bakar boiler.
4. Mahasiswa dapat menjelaskan boiler berbahan-bakar padat.
5. Mahasiswa dapat menghitung efisiensi boiler secara langsung dan tak langsung.
6. Mahasiswa dapat menjelasakan peraturan perudangan boiler.
7. Mahasiswa dapat menelaskan sistem kontrol sederhana pada boiler.
8. Mahasiswa dapat menjelaskan air umpan boiler dan permasalahnnya.
9. Mahasiswa dapat menjelaskan teknik perawatan boiler.
1.1 Klasifikasi Boiler
Ketel uap atau boiler didefinisikan sebagai suatu alat yang dapat menghasilkan
uap untuk digunakan di luar alat tersebut. Disamping boiler, terdapat alat yang
dapat menghasilkan uap, akan tetapi uap tersebut digunakan untuk memanaskan
produk di dalamnya. Alat ini disebut autoclave.
Uap yang dihasilkan oleh ketel uap diperoleh dari memanaskan air, sampai
mendidih, berubah menjadi uap yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Uap
tersebut dimanfaatkan panas dan tekanannya untuk berbagai keperluan. Uap
digunakan untuk pemanasan pada berbagai industri kimia, tekstil, makanan,
hotel dll. Uap bertekanan tinggi digunakan untuk penggerak turbin, yang
selanjutnya digunakan untuk pembangkit listrik, transportasi maupun penggerak
mesin-mesin lainnya.
Mengingat luasnya penggunaan ketel, jenisnya pun sangat banyak, sehingga
tidak dapat diklasifikasikan secara sederhana. Boiler dirancang dan dibuat
seseuai dengan kebutuhan dan kegunaannya. Dengan kemajuan teknik produksi,
material, kontrol dan berbagai teknologi pendukung lainnya, desain boiler juga
turut berkembang. Pada mata kuliah Dasar Mesin Kalor dan Fluida telah
dijelaskan klasifikasi boiler. Pada kesempatan ini akan diulang secara singkat.
Gambar I-1 di bawah ini menunjukkan klasifikasi boiler.
Semakin tinggi temperatur boiler, semakin tinggi tekanannya, temperatur gas
asapnya juga semakin tinggi, sehingga rugi-ruginya juga semakin tinggi. Akan
Boiler dan Turbin
3
tetapi rugi-rugi juga bisa dikurangi dengan peningkatan kapasitas. Kapasitas
ketel ditentukan oleh laju perpindahan panas dari nyala dan gas asap ke air atau
uap. Sedangkan laju perpindahan panas pada bolier bergatung pada beda
temperatur antara api/gas asap dan air/uap, luas permukaan perpindahan panas
dan koefisien perpindahan panas keseluruhan.
Ketel uap
Menurut tempat
pemakaiannya
Menurut
mobolitas
Menurut
temperatur kerja
Menurut
keudukan
Menurut
kapasitas
Menurut
tekanan kerja
1. Ketel darat
2. Ketel laut
1. Ketel stasioner
2. Ketel bergerak
1. Ketel datar
2. Ketel tegak
1. Ketel dingin: <1200C
2. Ketel panas: >1200C
1. Ketel kecil: sd. 10 ton/jam
2. Ketel sedang: 10-100 ton/jam
3. Ketel besar: 100-500 ton/jam
4. Ketel ultra: lebih dari 500 ton/jam
1. Ketel tek. rendah : sd. 20 atm
2. Ketel tek. sedang: 20-50 atm
3. Ketel tek. tinggi : 50-218 atm
4. Ketel super kritis: > 218 atm
Menurut
konstruksi
1. Ketel pipa api
2. Ketel pipa air
Gambar I-1 Klasifikasi boiler
Keuntungan penggunaan tekanan tinggi adalah mengurangi ukuran fisik ketel
untuk kapasitas pengangkutan panas yang sama. Hal ini karena kenaikan
densitas uap, akibat naiknya tekanan. Tekanan tinggi juga diperlukan bila uap
digunakan untuk pembangkit.
Diantara klasifikasi yang paling relevan untuk kondisi saat ini adalah
berdasarkan konstruksi, karena cara ini relatif dapat mewakili jenis klasifikasi
lainnya.
1.2 Konstruksi dan Bagian-bagian Boiler
Boiler dapat dipandang terdiri dari dua sistem yang terpisah, dalam arti tidak ada
pertukaran atau perpindahan massa di antara keduanya. Sistem yang pertama
Boiler dan Turbin
4
adalah sistem air-uap, yang juga disebut sisi air ketel. Sedangkan sistem yang
kedua adalah bahan bakar-udara-gas asap, yang juga disebut sisi api. Walaupun
di antara keduanya tidak ada transfer massa, akan tetapi tentu saja ada
perpindahan panas.
Bagian-bagian utama boiler adalah sbb.:
1. Sistem air-uap: pompa, deaerator, penampung air, penampung uap, pemanas
uap lanjut (superheater) dan penyalur uap.
2. Sistem bahan bakar-udara-gas asap: blower, pengumpan bahan bakar,
pencampur dan pembakar, pembuang gas asap (cerobong, blower).
3. Permukaan perpindahan panas
4. Sistem perolehan panas kembali: pemanas mula udara, ekonomiser
Disamping itu, pada ketel dilengkapi juga:
5. Alat-alat kontrol: pengontrol laju bahan bakar, pengontrol tekanan,
pengontrol muka air
6. Alat-alat pengaman: safety valve, sight glass, pengisi-air tambahan, dsb.
Rugi-rugi gas asap bisa dikurangi dengan menambahkan penukar panas terpisah
pada ketel sederhana untuk memperoleh panas yang lebih banyak dan
mendinginkan gas asap.
Salah satu cara yang biasa dilakukan adalah dengan menambahkan pemanas
udara bakar mula (combustion air preheater). Dengan cara ini penghematan
bahan bakar yang bisa diperoleh adalah sekitar 1% untuk setiap 22°C kenaikan
temperatur udara pembakar.
Cara lain perolehan panas udara pembakar adalah dengan menambahkan
ekonomiser. Gas asap yang keluar dari ketel, masuk ke dalam ekonomiser dan
memanaskan air umpan ketel. Lebih-kurang, untuk setiap kenaikan temperatur
air umpan sebesar 5,5°C, menghemat bahan bakar sebesar 1%.
1.3 Pembakaran dan Bahan Bakar
Pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara oksigen dan bahan yang
dapat terbakar, disertai timbulnya cahaya dan menghasilkan kalor. Pembakaran
spontan adalah pembakaran dimana bahan mengalami oksidasi perlahan-lahan
sehingga kalor yang dihasilkan tidak dilepaskan, akan tetapi dipakai untuk
menaikkan suhu bahan secara pelan-pelan sampai mencapai suhu nyala.
Pembakaran sempurna adalah pembakaran dimana semua konstituen yang dapat
terbakar di dalam bahan bakar membentuk gas CO2, air (H2O), dan gas SO2,
sehingga tak ada lagi bahan yang dapat terbakar tersisa.
Ditinjau dari sudut teknis dan ekonomis, bahan bakar diartikan sebagai bahan
yang apabila dibakar dapat meneruskan proses pembakaran tersebut dengan
sendirinya, disertai dengan pengeluaran kalor. Bahan bakar dibakar dengan
tujuan untuk memperoleh kalor tersebut, untuk digunakan baik secara langsung
maupun tak langsung. Sebagai contoh penggunan kalor dari proses pembakaran
secara langsung adalah: untuk memasak di dapur-dapur rumah tangga, untuk
Boiler dan Turbin
5
instalasi pemanas. Sedang contoh penggunaan kalor secara tidak langsung
adalah: kalor diubah menjadi energi mekanik, misalnya pada motor bakar.
Beberapa macam bahan bakar yang dikenal adalah:
1. Bahan bakar fosil, seperti: batubara, minyak bumi, dan gas bumi.
2. Bahan bakar nuklir, seperti: uranium dan plutonium. Pada bahan bakar
nuklir, kalor diperoleh dari hasil reaksi rantai penguraian atom-atom melalui
peristiwa radioaktif.
3. Bahan bakar lain, seperti: sisa tumbuh-tumbuhan, minyak nabati, minyak
hewani.
Bahan bakar konvensional, ditinjau dari keadaannmya dan wujudnya dapat
padat, cair atau gas, sedang ditinjau dari cara terjadinya dapat alamiah dan non-
alamiah atau buatan atau “manufactured”. Termasuk bahan bakar padat alamiah
ialah: antrasit, batubara bitumen, lignit, kayu api, sisa tumbuhan. Termasuk
bahan bakar padat nonalamiah antara lain: kokas, semi-kokas, arang, briket, bris,
serta bahan bakar nuklir.
Bahan bakar cair non-alamiah antara lain: bensin atau gasolin, kerosin atau
minyak tanah, minyak solar, minyak residu, dan juga bahan bakar padat yang
diproses menjadi bahan bakar cair seperti minyak resin dan bahan bakar sintetis.
Bahan bakar gas alamiah misalnya: gas alam dan gas petroleum, sedang bahan
bakar gas non-alamiah misalnya gas rengkah (atau cracking gas) dan “producer
gas”.
1.3.1 Komposisi Bahan Bakar
Bahan bakar fosil dan bahan bakar organik lainnya umumnya tersusun dari
unsur-unsur C (karbon), H (hidrogen), O (oksigen), N (nitrogen), S (belerang), P
(fosfor) dan unsur-unsur lainnya dalam jumlah kecil, namun unsur-unsur kimia
yang penting adalah C, H dan S, yaitu unsur-unsur yang jika terbakar
menghasilkan kalor, dan disebut sebagai “bahan yang dapat terbakar” atau
“combustible matter”, disingkat dengan BDT. Unsur-unsur lain yang terkandung
dalam bahan bakar namun tidak dapat terbakar adalah O, N, bahan mineral atau
abu dan air.
Secara singkat komposisi bahan bakar padat dinyatakan menurut analisis
pendekatan (proximate analysis) dan analisis tuntas (ultimate analysis). Analisis
pendekatan (proximate analysis), yaitu kandungannya akan air, zat volatil (zat
yang bisa menguap), karbon tetap (fixed char) dan abu. Sedangkan analisis
tuntas (ultimate analysis), yaitu analisis komposisi bahan bakar sampai unsur-
unsurnya, seperti kandungan C, H, O, N, S, abu dan air.
1.3.2 Nilai Kalor Bahan Bakar
Nilai kalor atau heating value atau calorific value atau kalor pembakaran adalah
kalor yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna 1 kilogram atau satu satuan
berat bahan bakar padat atau cair atau 1 meter kubik atau 1 satuan volume bahan
bakar gas, pada keadaan baku.
Nilai kalor atas atau gross heating value atau higher heating value (HHV) adalah
kalor yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna satu satuan berat bahan bakar
padat atau cair, (atau satu satuan volume bahan bakar gas, pada tekanan tetap,
Boiler dan Turbin
6
suhu 250C) apabila semua air setelah pembakaran mengembun menjadi cair.
(HHV atau GCV = gross calorific value).
Nilai kalor bawah atau nett heating value atau lower heating value (LHV) adalah
kalor yang besarnya sama dengan nilai kalor atas dikurangi kalor yang
diperlukan oleh air yang terkandung dalam bahan bakar dan air yang terbentuk
dari pembakaran untuk menguap. (LHV atau NCV = nett calorific value).
1.3.3 Jenis-jenis Bahan Bakar
Bahan bakar padat yang biasa dipakai dalam industri dan transportasi adalah
batubara. Batubara termasuk bahan bakar fosil karena terbentuk dari sisa
tumbuh-tumbuhan yang mengalami proses geologis dalam jangka waktu jutaan
tahun.
Berdasarkan perbedaan umur geologis, berturut-turut dari yang paling tua,
batubara dibagi sebagai:
1. antrasit,
2. semi-bitumen,
3. bitumen,
4. sub-bitumen,
5. lignit.
Selain itu, bahan bakar padat juga dapat berupa
6. gambut,
7. biomassa,
8. sampa, dll.
Bahan bakar cair terdiri dari seyawa hidrokarbon atau campuran beberapa
macam senyawa hidrokarbon. Pada minyak bumi, kandungan hidrokarbon
terdiri dari C5 sampai C16, meliputi seri parafin, napftena, olefin dan aromatik.
Hidrokarbon-hidrokarbon tersebut kadang-kadang merupakan senyawa ikatan
dengan belerang, oksigen dan nitrogen, yang jumlahnya beragam.
Bahan bakar cair yang biasa dipakai dalam industri, transportasi maupun rumah
tangga adalah fraksi minyak bumi. Minyak bumi adalah campuran berbagai
hidrokarbon yang termasuk dalam kelompok senyawa: parafin, naphtena, olefin,
dan aromatik. Kelompok senyawa ini berbeda dari yang lain dalam kandungan
hidrogennya.
Minyak mentah, jika disuling akan menghasilkan beberapa macam fraksi,
seperti: bensin atau premium, kerosen atau minyak tanah, minyak solar, minyak
bakar, dan lain-lain. Setiap minyak petroleum mentah mengandung keempat
kelompok senyawa tersebut, tetapi perbandingannya berbeda.
Bahan bakar gas terdiri dari campuran senyawa-senyawa C dan H yang mudah
terbakar (CH4, C2H6, C2H4, C2H2, CO, H2 dan lain-lain), serta gas -gas yang
tidak terbakar (N2, CO2, SO2). Senyawa C dan H tersebut tidak selalu senyawa
hidrokarbon (CO, H2). Contoh bahan bakar gas adalah gas alam, yang
merupakan campuran gas-gas parafin hidrokarbon jenuh seperti metana, etana,
gas nitrogen, gas karbon dioksida, dan lain-lain.
Kandungan air di dalam bahan bakar cair dan bahan bakar gas terbatas pada
harga nisbi menurut kelarutan air di dalam cairan dan dalam gas tersebut.
Boiler dan Turbin
7
Kandungan air, kandungan abu dan kandungan belerang dalam bahan bakar
sangat menentukan mutu bahan bakar tersebut, karena bahan-bahan tersebut
mempengaruhi besarnya nilai kalor dan sekaligus menentukan spesifikasinya.
1.3.4 Perbandingan Berbagai Jenis Bahan Bakar
Perbandingan ketiga bentuk bahan bakar, yaitu: padat, cair dan gas, tersebut
tercermin pada Tabel I-1 berikut ini.
Tabel I-1 Perbandingan bahan bakar padat, cair dan gas
Parameter Padat Cair Gas
Harga Murah Mahal Sedang
Nilai kalor Rendah Tinggi Tinggi (>cair)
Nilai kalor/volume Rendah Tinggi Rendah
Penanganan Sedang Mudah Sulit
Pengangkutan Mudah Mudah Sulit
Tingkat bahaya Rendah Sedang Tinggi
Kemudahan penggunaan Sulit Mudah Sedang
Secara umum bahan bakar cair lebih unggul dibanding dengan bahan bakar
padat dan gas, akan tetapi harganya paling mahal dan persediaannya terus
berkurang. Boiler adalah mesin konversi energi yang dapat dengan mudah
didisain untuk bahan bakar yang lebih murah. Dengan semakin mahalnya bahan
bakar, maka boiler semakin banyak menggunakan bahan bakar padat.
1.4 Boiler Berbahan-bakar Padat
Khusus untuk yang berbahan bakar padat, boiler dapat diklasifikasikan menurut
teknik pembakarannya. Jenis-jenis boiler berbahan bakar padat, menurut teknik
pembakarannya adalah:
1. Boiler dengan teknik pembakaran unggun terfluidisasi (Fluidized Bed
Combustion atau FBC), yang bisa dibagi lagi menjadi:
a. Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC)
b. Atmospheric Circulation Fluidized Bed Combustion (CFBC)
c. Pressurizec Fluidized Bed Combustion (PFBC)
2. Boiler dengan teknik pembakaran stoker (Stoker Fired Boiler)
a. Spreader Stokers
b. Chain-grate atau Traveling-grate Stoker
3. Boiler dengan teknik pembakaran pulverasi (Pulverized Fuel Boiler)
1.4.1 Boiler dengan Teknik Pembakaran Unggun Terfluidisasi
Fluidisasi adalah suatu operasi dengan unggun yang terdiri atas partikel padat
yang diubah menjadi dalam keadaan seperti fluida dengan cara dialirkan
padanya gas atau cairan. Metoda kontak dengan fluidisasi ini memiliki
karakteristik yang khas.
Bila pada suatu unggun partikel padat dilewatkan fluida dengan kecepatan
rendah, fluida hanya melewati ruang-ruang kosong di antara partikel padatan
Boiler dan Turbin
8
yang diam. Fenomena ini disebut unggun tetap. Dengan bertambahnya
kecepatan fluida, partikel mulai bergerak terpisah satu sama lain dan terlihat
bergetar dan bergerak pada daerah yang terbatas, disebut unggun terkembang.
Pada kecepatan yang lebih tinggi, sampai pada kondisi dimana partikel-partikel
tepat terlarut dalam aliran ke atas fluida, gaya gesek antara partikel dan fluida
seimbang dengan berat partikel. Komponen vertikal gaya tekan diantara partikel
yang berdekatan tidak ada lagi. Unggun tepat mulai terfluidisasi, yang disebut
fluidisasi mula atau unggun pada fluidisasi minimum.
Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan gelembung,
turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan unggun
yang rapat. Unggun partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan
terlihat seperti fluida, yang disebut unggun fluidisasi gelembung (bubbling
fluidized bed). Fenomena ini dimanfaatkan untuk pembakaran bahan bakar
padat pada boiler jenis pembakaran unggun terfluidisasi (Fluidized Bed
Combustion atau FCB). Seperti disebutkan di atas, ada tiga boiler FCB ini
dibagi lagi menjadi: Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC),
Atmospheric Circulation Fluidized Bed Combustion (CFBC), dan Pressurized
Fluidized Bed Combustion (PFBC). Hal ini telah dibahas pada buku ajar Dasar
Mesin Kalor dan Fluida.
Pada PLTU, boiler jenis ini digunakan pada pembangkit listrik ukuran 5 MW
sampai 300 MW. Pembakaran dengan unggun terfluidisasi mampu membakar
berbagai jenis bahan bakar seperti batubara maupun biomassa.
1.4.2 Boiler dengan Teknik Pembakaran Stoker
Stoker (tungku) diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar,
menurut jenis grate-nya. Grate biasanya berupa baja berlubang, dimana bahan
bakar ditempatkan di atasnya dan dibakar. Grate bisa diam, maupun bergerak.
Jenis stoker amatlah banyak. Namun, untuk memudahkan, stoker dapat
diklasifikasikan menjadi:
a. Spreader Stoker
b. Chain-grate or Traveling-grate Stoker
Spreader stokers memanfaatkan kombinasi pembakaran suspensi dan
pembakaran grate. Bahan bakar diumpankan secara kontinyu ke tungku diatas
unggun pembakaran. Bahan bakar yang halus dibakar dalam suspensi; partikel
yang lebih besar akan jatuh ke grate, dimana bahan bakar ini akan dibakar dalam
unggun bahan bakar yang tipis dan pembakaran cepat. Metode pembakaran ini
memberikan fleksibilitas yang baik terhadap fluktuasi beban, dikarenakan
penyalaan hampir terjadi secara cepat bila laju pembakaran meningkat. Karena
hal ini, spreader stoker lebih disukai dibanding jenis stoker lainnya dalam
berbagai penerapan di industri.
Bahan bakar diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate
bergerak sepanjang tungku, bahan bakar terbakar sebelum jatuh pada ujung
sebagai abu. Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama bila menyetel
grate, damper udara dan baffles, untuk menjamin pembakaran yang bersih serta
menghasilkan seminimal mungkin jumlah bahan bakar (karbon) yang tidak
terbakar dalam abu. Hopper umpan bahan bakar memanjang di sepanjang
Boiler dan Turbin
9
seluruh ujung umpan bahan bakar pada tungku. Pengendalian kecepatan
pembakaran bahan bakar yang diumpankan ke tungku dilakukan dengan
mengendalikan ketebalan unggun bahan bakar. Ukuran bahan bakar harus
seragam sebab bongkahan yang besar tidak akan terbakar sempurna pada waktu
mencapai ujung grate. Biasanya digunakan pada pembangkit listrik ukuran 15
kW sampal 25 MW.
Gambar I-2 Spreader Stoker
Gambar I-3 Chain gerate stoker
Boiler dan Turbin
10
Gambar I-4 Vibrating stoker
1.4.3 Boiler dengan Teknik Pembakaran Pulverasi
Bahan bakar padat yang bisa dipulverasi adalah batubara. Kebanyakan boiler
stasiun pembangkit tenaga yang berbahan bakar batubara menggunakan
batubara halus, dan banyak boiler pipa air di industri yang lebih besar juga
menggunakan batubara yang halus. Teknologi ini berkembang dengan baik dan
diseluruh dunia terdapat ribuan unit dan lebih dari 90 persen kapasitas
pembakaran batubara merupakan jenis ini. Untuk batubara jenis
bituminous,batubara digiling sampai menjadi bubuk halus, yang berukuran +300
micrometer (μm) kurang dari 2 persen dan yang berukuran dibawah 75 microns
sebesar 70-75 persen. Harus diperhatikan bahwa bubuk yang terlalu halus akan
memboroskan energi penggilingan.
Sebaliknya, bubuk yang terlalu kasar tidak akan terbakar sempurna pada ruang
pembakaran dan menyebabkan kerugian yang lebih besar karena bahan yang
tidak terbakar. Batubara bubuk dihembuskan dengan sebagian udara
pembakaran masuk menuju plant boiler melalui serangkaian nosel burner. Udara
sekunder dan tersier dapat juga ditambahkan. Pembakaran berlangsung pada
suhu dari 1300 - 1700 °C, tergantung pada kualitas batubara. Waktu tinggal
partikel dalam boiler biasanya 2 hingga 5 detik, dan partikel harus cukup kecil
untuk pembakaran yang sempurna.
Sistim ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan membakar berbagai
kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan,
penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll. Salah satu sistim yang
paling populer untuk pembakaran batubara halus adalah pembakaran tangensial
dengan menggunakan empat buah burner dari keempat sudut untuk menciptakan
bola api pada pusat tungku.
Biasanya digunakan pada pembangkit listrik dengan kapasitas di atas 25 MW.
Boiler dan Turbin
11
Gambar I-5 Pulverized combination coal burner
1.5 Neraca Kalor dan Efisiensi Boiler
Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai “persen energi (panas) masuk yang
digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan.”
Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler:
1. Metode Langsung: energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam)
dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler.
2. Metode Tidak Langsung: efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan
dan energy yang masuk.
1.5.1 Metode Langsung
Keuntungan metode langsung
1. Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler
2. Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan
3. Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan
Kerugian metode langsung
1. Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi
sistim yang lebih rendah
2. Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai
tingkat efisiensi.
Boiler dan Turbin
12
Metoda perhitungan efisiensi boiler dengan metoda langsung adalah sebagai
barikut:
Dimana:
η = efisiensi boiler
= laju aliran massa uap
hg = entalpi uap keluar boiler
hf = entalpi air masuk boiler
= laju aliran massa bahan bakar
= nilai kalor pembakaran atas bahan bakar
1.5.2 Metode Tidak Langsung dalam Menentukan Efisiensi Boiler
Standar acuan untuk Uji Boiler di Tempat dengan menggunakan metode tidak
langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-
4-1 Power Test Code Steam Generating Units.
Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi
dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 prosen
sebagai berikut:
Dimana:
η = Efisiensi boiler
A = Kerugian panas pada gas buang cerobong yang kering
B = Kerugian panas akibat penguapan air yang terbentuk karena H2
dalam bahan bakar
C = Kerugian panas akibat Penguapan kadar air dalam bahan bakar
D = Kerugian panas akibat Adanya kadar air dalam udara pembakaran
E = Kerugian panas akibat Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu
terbang/ fly ash
F = Kerugian panas akibat Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu
bawah/ bottom ash
G = Kerugian panas akibat Radiasi dan kehilangan lain yang tidak
terhitung
Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang
disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak
dapat dikendalikan oleh perancangan.
Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan
metode tidak langsung adalah:
1. Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu)
Boiler dan Turbin
13
2. Persentase oksigen (OFG) atau CO2 dalam gas buang
3. Suhu gas buang dalam °C (Tf)
4. Suhu ambien dalam °C (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering
5. HHV bahan bakar dalam kkal/kg
6. Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat)
7. HHV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)
Prosedur rinci untuk perhitungan efisiensi boiler menggunakan metode tidak
langsung diberikan dibawah. Biasanya, manager energi di industri lebih
menyukai prosedur perhitungan yang lebih sederhana.
Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis
AS = [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan bakar
Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA atau excess air)
Dimana: OFG = Kandungan oksigen pada gas buang asap
Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok per kg bahan
bakar
Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas (A sampai dengan G)
Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering per kg
bahan bakar
Dimana: mfg = massa gas buang kering dalam kg/kg bahan bakar
Cp = Panas jenis gas buang (0,23 kkal/kg )
Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2
dalam bahan bakar
Dimana: H2 = persen H2 dalam bahan bakar
CpU = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg)
Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar
Dimana: M = persen kadar air dalam bahan bakar
Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara
Boiler dan Turbin
14
Dimana: Y = Kelembaban mutlak bahan bakar
Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu
terbang/ fly ash
Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu
bawah/ bottom ash
Dimana: mFA = massa abu terbang dalam kg/kg bahan bakar
mBA = massa abu bawah dalam kg/kg bahan bakar
HHVFA = Nilai kalor pembakaran abu terbang
HHVBA = Nilai kalor pembakaran abu bawah
Kehilangan radiasi dan konveksi aktual sulit dikaji sebab daya emisifitas
permukaan yang beraneka ragam, kemiringan, pola aliran udara, dll. Pada boiler
yang relatif kecil, dengan kapasitas 10 MW, kehilangan radiasi dan yang tidak
terhitung dapat mencapai 1 hingga 2persen nilai kalor kotor bahan bakar,
sementara pada boiler 500 MW nilainya 0,2 hingga 1 persen. Kehilangan dapat
diasumsikan secara tepat tergantung pada kondisi permukaan.
1.6 Peraturan perundangan dan keselamatan
Menurut undang-undang, boiler harus dilengkapi dengan berbagai alat
keamanan, bersertifikat, serta dijalakan oleh operator bersertifikat. Peraturan
Perudangan tentang boiler adalah:
1. Undang-undang no. 1 Tahun 1970 tentang Keselamatan Kerja
2. Undang-undang Uap Tahun 1930 (Stoom Ordonantie 1930)
3. Peraturan Uap Tahun 1930 (Stoom Verordening 1930)
Menurut Undang-undang Uap, pesawat uap adalah ketel uap atau alat-alat
lainnya yang dengan peraturan pemerintah ditetapkan langsung atau tidak
langsung, besambung atau tidak disambungkan dengan suatu ketel uap dan
diperuntukkan bekerja dengan tekanan yang lebih besar dari tekanan udara.
Ketel uap adalah suatu pesawat yang dibuat guna menghasilkan uap untuk
dipergunakan di luar pesawatnya. Sedangkan pesawat uap selain ketel uap
adalah pesawat-pesawat yang tersambung langsung tau tidak langsung dengan
ketel uap.
Menurut Undang-undang Uap tahun 1930, pesawat uap dibagi menjadi 2
golongan, yaitu:
1. Ketel uap
a. Ketel uap dengan tekanan kerja lebih dari 0,5 kg/cm².
b. Ketel uap dengan tekanan kerja paling tinggi 0,5 kg/cm².
2. Pesawat uap selain ketel uap, yaitu:
a. Pemanas air (water heater)
b. Pengering uap (superhater)
Boiler dan Turbin
15
c. Penguap (evaporator)
d. Bejana uap (steam vessel)
Tiap-tiap golongan pesawat uap tersebut memiliki ketentuan-ketentuan umum
yang harus dipenuhi.
Ketel uap dengan tekanan kerja melebihi 0,5 kg/cm², harus dilengkapi dengan:
1. Sekurang-kurangnya 2 buah tingkap pengaman (savety valve) yang baik
pembuatannya dan berukuran cukup, dipasang pada ketel uapnya sendiri atau
pada kamar uapnya.
2. Sekurang-kurangnya satu pengukur tekanan atau manometer (pressure
gauge)
3. Sekurang-kurangnya 2 buah kran coba (steam trap dan water trap) atau dua
gelas pedoman air semacam itu.
4. Sekurang-kurangnya 2 buah alat pengisi yang tidak tergantung satu sama
lainnya, masing-masing dapat memberikan kebutuhan air pada ketel uapnya
dengan leluasa, dimana sekurang-kurangnya satu dari alat-alat ini harus
dapat bekerja sendiri (pompa uap otomatis, injektor, yang tidak bergantung
pada mesin induknya).
5. Suatu .alat yang dapat bekerja sendiri, yang dapat memberitahukan
kekurangan air di dalam ketel uapnya, lepas dari operatornya (otomatis).
6. Suatu batas air terendah yang diperbolehkan.
7. Suatu kran (tap) memakai flens coba, yang dapat dipasang padanya alat ukur
tekanan untuk kalibrasi.
8. Suatu kran pembuang atau katup pembuang (blow off valve) yang dapat
dipasangkan dengan baik pada ketel uapnya, baik langsung maupun dengan
pipa penghubung, dan pipa tersebut tidak boleh kena tembokan.
9. Lubang lalu orang (man hole) dan lumpur seperlunya,
10. Suatu plat nama (name plate) yang dipasangkan memakai 4 baut terbenam
yang mempunyai diameter sekurang-kurangnya 10 mm. Pada pelat nama
harus tertera dengan jelas dan utuh:
11. Tekanan tertinggi yang diperbolehkan dalam kg/cm², dan
12. Tahun dan tempat pembuatan, serta nama pembuatnya.
1.7 Instrumentasi dan Kontrol pada Boiler
Boiler merupakan salah satu peralatan proses yang berfungsi memproduksi
steam/uap. Steam yang dihasilkan tersebut akan digunakan untuk berbagai
macam keperluan, antara lain sebagai penggerak turbin dan sebagai media
pemanas dalam unit proses.
Air (feedwater) dimasukkan ke boiler dan dipanaskan, dalam hal ini oleh panas
hasil pembakaran bahan bakar sehingga menghasilkan uap. Bahan bakar yang
digunakan bisa bahan bakar gas, cair, atau padat, atau kombinasi.
Secara umum, tujuan sistem kontrol pada boiler adalah:
1. Uap yang dihasilkan sesuai dengan spesifikasi yang dikehendaki
2. Boiler dapat beroperasi dengan efisien
3. Menjamin keamanan operasi, selama start up, sampai shutdown.
Secara garis besar, sistem kontrol pada boiler ini terdiri dari:
Boiler dan Turbin
16
1. Drum level control;
2. Combustion control;
3. Atomizing control;
4. Blowdown control;
5. Steam temperature control.
1.7.1 Drum Level Control.
Tujuan drum level control adalah menjaga agar level drum (tinggi permukaan air
dalam drum) tetap pada setpoint-nya walaupun terjadi perubahan beban ataupun
gangguan/disturbance lainnya. Level drum yang terlalu rendah bisa
menyebabkan terjadinya panas berlebih (overheated) pada boiler tubes sehingga
tubes bisa menjadi rusak/bengkok/bocor. Sebaliknya level drum yang terlalu
tinggi akan menyebabkan pemisahan air dan steam dalam drum tidak sempurna
sehingga kualitas steam yang dihasilkan kurang (banyak mengandung air/basah).
Ada tiga alternative/jenis drum level control, yaitu: 1) Single element drum
level control; 2) Two-element drum level control; 3) Three-element drum level
control.
Single-element drum level control. Ini merupakan konfigurasi drum level
control yang paling sederhana, yaitu hanya menggunakan feedback level
control. Disebut single-element karena hanya level drum saja yang dikontrol.
Konfigurasi kontrol ini umumnya digunakan pada boiler berkapasitas rendah
(kurang dari 150,000 lb/jam atau sekitar 70 ton/jam), tekanan rendah (kurang
dari 250 psi atau sekitar 12 bar), dan dengan beban yang relatif tetap/stabil.
Kekurangan konfigurasi kontrol ini adalah sulit mempertahankan level pada
setpointnya jika terjadi perubahan beban secara terus menerus.
Gambar I-6 Single-element drum level control
Two-element drum level control. Konfigurasi ini digunakan untuk mengatasi
kekurangan konfigurasi single-element dalam menangani fluktuasi beban, yaitu
dengan jalan menambah steam flow control (yang mewakili beban boiler)
sebagai feedforward control. Jadi, dalam konfigurasi ini, terdapat dua controller,
yaitu level control sebagai feedback dan steam flow control sebagai feedforward
control, sehingga disebut dengan two-element control. Konfigurasi ini cocok
Boiler dan Turbin
17
untuk single drum boiler dengan kondisi pressure/flow feedwater yang relatif
konstan.
Gambar I-7 Two-element drum level control
Three-element drum level control. Ini merupakan konfigurasi yang paling
lengkap, yang dibentuk dengan menambah feedwater flow control dalam
konfigurasi cascade. Penambahan feedwater flow control ini dimaksudkan untuk
mengantisipasi fluktuasi pada flow/pressure feedwater, yang umumnya terjadi
pada feedwater line yang menggunakan beberapa pompa (multiple pump) untuk
melayani beberapa boiler sekaligus (multiple boiler).
Gambar I-8 Three-element drum level control
1.7.2 Combustion Control
Tujuan combustion control adalah untuk menjaga tekanan uap yang dihasilkan
boiler agar selalu sesuai dengan yang dikehendaki (sesuai setpoint-nya). Oleh
karena itu, dalam konfigurasi combustion control, tekanan uap (biasanya diambil
dari steam header) digunakan sebagai master control, outputnya di-cascade
dengan bahan bakar flow control dan combustion air flow control (kontrol aliran
udara). Jika terjadi kenaikan beban (yang ditandai dengan turunnya tekanan uap
dari setpoint-nya), maka bahan bakar flow control dan combustion air flow
control akan bereaksi membuka control valve. Sebaliknya, apabila terjadi
penurunan beban (yang ditandai dengan kenaikan pressure steam dari setpoint-
nya), maka kedua control tersebut akan bereaksi menutup control valve.
Boiler dan Turbin
18
Bahan bakar flow control dan combustion air flow control diinterkoneksikan
untuk menjamin agar combustion air/udara selalu cukup tersedia untuk
membakar habis bahan bakar pada kondisi berapapun perubahan flow bahan
bakar. Hal ini untuk menjaga agar tidak terjadi akumulasi bahan bakar yang
tidak terbakar di dalam ruang bakar karena sangat membahayakan (bisa
menimbulkan ledakan). Interkoneksi fuel flow control dan combustion air
flow control ini dilakukan melalui selector switch (high dan low), seperti pada
gambar berikut.
Gambar I-9 Combustion control
Dalam konfigurasi ini, apabila terjadi kenaikan beban, maka yang terlebih
dahulu bereaksi untuk membuka control valve adalah combustion air flow
control baru kemudian fuel flow control. Sebaliknya, apabila terjadi penurunan
beban, maka yang terlebih dahulu bereaksi untuk menutup control valve adalah
fuel flow control baru kemudian combustion air flow control.
1.7.3 Master control
Seperti yang dijelaskan di atas, yang menjadi master (utama) dalam combustion
control adalah pressure steam. Apabila lebih dari satu boiler digunakan secara
paralel, maka perlu ada pembagian beban (load) ke masing-masing boiler. Untuk
keperluan pembagian beban ini, maka sinyal/informasi yang berasal dari master
control akan dikirim ke loading station di masing-masing boiler, seperti pada
gambar berikut. Dengan loading station, operator dapat memberikan bias ke
master control. Output loading station akan dikirim ke steam flow control
masing-masing boiler.
Kadang kala, untuk pertimbangan efisiensi, suatu boiler diopresikan pada beban
tetap, sedangkan beban boiler lainnya dibiarkan berubah-ubah secara otomatis
untuk disesuaikan dengan perubahan total beban. Untuk keperluan ini, boiler
berbeban tetap tersebut dioperasikan berbasiskan beban (based load), dimana
sebagai master bukan steam pressure control, tetapi steam flow control.
Boiler dan Turbin
19
Gambar I-10 Pembagi beban boiler
1.7.4 Fuel flow – air flow control
Seperti yang sudah dijelaskan di atas, bahwa salah satu hal yang paling penting
dalam combustion control adalah menjaga agar perbandingan fuel
flow/combustion air flow (fuel/air ratio) selalu terpenuhi untuk pembakaran
yang sempurna. Data fuel/air ratio diperoleh dari operation test. Indikator
terjadinya pembakaran yang sempurna adalah jika terdapat excess air (oksigen)
secukupnya dalam gas sisa pembakaran. Excess air yang berlebih menyebabkan
operasi boiler tidak efisien karena sebagian panas akan diserap oleh kelebihan
udara tersebut. Excess air yang kurang juga mengurangi efisiensi karena
sebagian fuel tidak terbakar. Yang lebih berbahaya adalah terakumulasinya
bahan bakar yang tidak terbakar dalam ruang bakar karena dapat menyebabkan
ledakan.
Fuel/air ratio bisa berubah, antara lain disebabkan oleh perubahan kandungan
panas (HHV) dari bahan bakar atau perubahan suhu udara. Untuk itu maka
dalam combustion control perlu ada fasilitas untuk merubah nilai perbandingan
ini, seperti diperlihatkan pada gambar berikut.
Gambar I-11 Fuel flow – air flow control
Boiler dan Turbin
20
Perubahan fuel/air ratio bisa dilihat dari perubahan excess air di gas buangan
hasil pembakaran. Dari informasi mengenai perubahan excess air ini (melalui
pengukuran dengan O2 analyzer), operator merubah ratio ini dengan cara
memberikan bias seperti pada gambar diatas.
Apabila bahan bakar yang digunakan adalah bahan bakar gas, maka sebaiknya
dilengkapi dengan pressure compensation untuk mengatasi fluktuasi pressure
pada supply bahan bakar gas. Jika menggunakan bahan bakar oil, maka
diperlukan atomizing control agar pembakaran bahan bakar oil bisa lebih
sempurna. Atomizing control akan dibahas pada topik tersendiri.
Gambar I-12 Fuel flow – air flow control untuk bahan bakar gas
Apabila menggunakan dua jenis fuel (fuel gas dan fuel oil), maka hasil
pengukuran fuel gas flow dan fuel oil flow dijumlahkan dulu baru dikirim ke
total fuel flow control sebagai measurement/process variable (PV) dan ke
combustion air high selector switch, seperti diperlihatkan dalam gambar diatas.
Selanjutnya, output total fuel flow control dikirim ke masing-masing flow
control fuel oil dan fuel gas melalui pembagi (FY2) dan FY3). Besarnya porsi
fuel oil dan fuel gas di-set oleh operator melalui hand control (HC).
Penggunaan high selector (>) sebelum control valve dimaksud untuk
mengantisipasi fluktuasi pressure pada line fuel.
1.7.5 Oxygen control
Seperti yang sudah dijelaskan bahwa untuk mengatasi perubahan fuel/air ratio,
operator memberi/mengubah bias secara manual dengan berpedoman pada
excess air hasil pengukuran O2 analyzer. Jika kandungan panas (HHV) dalam
bahan bakar berfluktuasi secara terus menerus, maka akan lebih baik jika
Boiler dan Turbin
21
adjustment fuel/air ratio tersebut tidak dilakukan secara manual, melainkan
secara otomatis. Hal ini dapat dilakukan dengan menambah/menggunakan O2
control, seperti gambar berikut.
Gambar I-13 Oxygen control
Nilai optimal excess air pada operasi boiler tidak tetap, tetapi bergantung pada
beban boiler, pada beban rendah nilai optimal excess air tinggi, sebaliknya pada
beban tinggi nilai optimal excess air rendah. Nilai optimal excess air pada suatu
boiler diperoleh dari plant/operational test, salah satu contohnya seperti
diperlihatkan pada tabel berikut.
Tabel I-2 Contoh EA optimal terhadap beban boiler
Setpoint untuk O2 control (AC) akan mengikuti nilai pada tabel tersebut sesuai
perubahan beban, seperti terlihat pada konfigurasi kontrol di atas (dijalankan di
AY).
Fuel/air ratio juga diperoleh dari plant/operational test. Tabel berikut adalah
contoh fuel/air ratio dari hasil test tersebut.
Boiler dan Turbin
22
Tabel I-3 Contoh fuel/air ratio dari hasil test
Fungsi fuel/air ratio ini akan dijalankan/dieksekusi di FY1 (lihat gambar di
atas). Automatic bias untuk fuel/air ratio dilakukan di FY2 dengan
menggunakan formula berikut: Bias air flow = (air flow/(0.4 x output oxygen
control + 80)) x 100.
1.7.6 Atomizing Control
Pada boiler yang menggunakan bahan bakar cair, diperlukan proses atomizing
untuk memecah-mecah molekul bahan bakar sehingga proses pembakaran
berjalan dengan sempurna. Salah satu jenis proses atomizing ini adalah dengan
menggunakan steam atomizing, yaitu dengan cara memberi tekanan (dengan
menggunakan tekanan steam) pada nozzle penyemprot bahan bakar (cair). Agar
proses atomizing ini selalu berjalan dengan sempurna pada berbagai kondisi
tekanan/pressure fuel oil maupun steam atiomizing , maka digunakan sistem
kontrol yang disebut atomizing control. Tujuan konfigurasi atomizing control
adalah menjaga beda tekanan (pressure differential) antara atomizing steam dan
fuel oil yang menuju burner agar tidak berubah, seperti diperlihatkan pada
gambar di bawah ini.
Gambar I-14 Atomizing control
Boiler dan Turbin
23
1.7.7 Blowdown Control
Blowdown system dalam boiler berguna untuk mengontrol kandungan padatan
dalam drum agar tidak berlebih. Kandungan solid dalam feedwater akan terikut
ke uap yang diproduksi, sehingga apabila kandungan padatan dalam feedwater
tinggi, maka kandungan padatan di steam juga akan tinggi, sehingga bisa
menurunkan kualitas uap yang dihasilkan. Selain itu, kandungan padatan dalam
feedwater yang berlebih juga akan menyebabkan terjadinya kerak/scale pada
pipa/tube/drum sehingga selain peralatan tersebut cepat rusak, juga efisiensi
boiler menurun karena kehadiran kerak tersebut akan mengurangi area
perpindahan panas (heat transfer area).
Ada dua jenis blowdown, yaitu intermittent blowdown dan continuous
blowdown. Intermittent blowdown dioperasikan secara manual oleh operator,
berdasarkan hasil pengukuran kualitas feedwater (pengukuran electrolytic
conductivity dalam feedwater) atau hasil pengukuran steam purity dengan
menggunakan sodium analyzer. Sedangkan continuous blowdown akan
membuang air yang mengandung solid dalam drum secara terus menerus dengan
besarnya aliran buangan dikontrol berdasarkan hasil pengukuran/perkiraan
jumlah kandungan solid dalam feedwater di boiler drum.
Ada dua jenis sistem kontrol yang digunakan pada continuous blowdown, yaitu
conductivity control dan ratio control. Dalam konfigurasi conductivity control,
electrolytic conductivity feedwater diukur menggunakan conductivity meter
secara online, kemudian sinyal hasil pengukuran ini dikirim ke controller (AC)
untuk menggerakan control valve, seperti pada gambar berikut. Semakin tinggi
electrolytic conductivity hasil pengukuran conductivity meter, semakin besar
bukaan control valve continuous blowdown (semakin banyak air yang
dibuang/dikuras), begitu pula sebaliknya.
Gambar I-15 Blodown control
Continuous blowdown juga dapat dikontrol dengan menggunakan ratio control,
yaitu ratio antara blowdown flow dan feedwater flow, seperti diperlihatkan pada
gambar berikut. Setpoint untuk ratio control ini ditentukan/diberikan secara
manual berdasarkan hasil pengukuran kualitas feedwater (electrolytic
conductivity) atau kualitas uap (steam purity).
Boiler dan Turbin
24
Gambar I-16 Continuous blowdown control
1.7.8 Steam Temperature Control
Untuk boiler yang menghasilkan steam dengan tekanan tinggi (HP steam),
biasanya dilengkapi dengan Superheater – Desuperheater. Superheater
berfungsi menaikan temperature steam yang dihasilkan boiler (saturated steam).
Sedangkan Desuperheater digunakan untuk menstabilkan temperature steam
yang keluar dari Superheater, dengan jalan menyemprotkan steam tersebut
dengan water (feedwater). Untuk menjaga temperature steam selalu stabil pada
berbagai beban, maka Desuperheater dilengkapi dengan temperature control,
seperti gambar berikut.
Gambar I-17 Steam termperatur control
Temperature steam yang keluar dari Desuperheater diukur, hasil pengukuran
digunakan oleh temperature control (TC) untuk menggerakan control valve pada
feedwater line yang masuk ke Desuperheater. Bila temperature steam lebih
tinggi dari setpoint, control valve membuka untuk menaikan aliran feedwater
yang masuk ke Desuperheater, sebaliknya jika temperature steam lebih rendah
dari setpoint-nya maka control valve akan menutup.
Perlu diketahui bahwa, dalam prakteknya belum tentu semua jenis kontrol yang
dibahas diatas digunakan, karena penggunaan jenis kontrol tersebut bergantung
pada kebutuhan. Sehingga sering kita temukan suatu boiler memiliki sistem
Boiler dan Turbin
25
kontrol yang lebih lengkap dibandingkan dengan boiler lainnya, seperti dua
contoh berikut ini.
1.8 Pengolahan Air Umpan
Pada umumnya, sumber-sumber air umpan boiler adalah:
1. Air permukaan: sungai, kolam danau, dsb, memiliki kelebihan dan
kekurangan sbb.:
Komposisi tidak stabil karena terpengaruh hujan, buangan dsb.
Keruh
Suhu berubah-ubah.
Lebih murah
2. Air tanah : sumur dalam, sumur dangkal, memiliki kekurangan dan kelebihan
sbb.:
Jernih, tidak berwarna
Komposisi stabil, tidak bau
Bebas buangan
Suhu tetap
Lebih mahal
3. Air laut yang didesalinasi, yang memiliki sifat seperti air tanah, hanya saja
bisa lebih mahal.
Zat-zat pengotor yang terkandung dalam air umpan tersebut dapat digolongkan
sbb.:
1. Gas: O2, CO2, H2S, NO3, NO2, NH3
2. Garam:
Garam-garam bikarbonat: Ca, Mg, Na, K
Chlorida, Sulfat, silikat
3. Bahan padat:
Lumpur, pasir halus, dsb. dalam air kali
Koloid besi, mangaan dalam air tanah
Masalah pada ketel yang disebabkan oleh air umpan dapat dibagi menjadi 3
bagian:
1. Pengkerakan (scale)
2. Pembusaan dan priming
3. Korosi
1.8.1 Pengkerakan
Kerak Boiler disebabkan oleh kotoran yang diendapkan dari air secara langsung
pada permukaan perpindahan panas atau dengan padatan tersuspensi dalam air
mengendap pada logam yang melekat dan menjadi keras. Penguapan di dalam
boiler juga menyebabkan kotoran menjadi terkonsentrasi. Hal ini mengganggu
transfer panas dan dapat menyebabkan pemanasan lokal (hot spot), selanjutnya
menyebabkan pemanasan berlebih (overheating). Pengkerakan terjadi akibat
Boiler dan Turbin
26
konstrasi zat mineral melebihi batas kelarutan dari karena suhu tinggi, dan
selanjutnya padatan terkonsentrasi pada permukaan pipa. Semakin sedikit panas
yang bisa di transfer, pemanasan lokal akan semakin berbahaya, karaena
kekuatan pipa akan semakin berkurang akibat temperaturnya yang semakin
tinggi.
Kontaminan air umpan yang dapat membentuk endapan boiler adalah kalsium,
magnesium, besi, aluminium, dan silika. Kerak dibentuk oleh garam yang
memiliki kelarutan terbatas namun tidak sepenuhnya larut dalam air boiler.
Garam-garam ini mencapai lokasi deposit dalam bentuk yang larut dan
mengendap.
Gambar I-18 Kerak pada pipa air
Tabel I-4 Tabel konduktivitas termal baja dan kerak
Bahan Konduktivitas termal
kcal/m2.h.°C
Baja
CaSO4
CaCO3
SiO2
15
1-2
0.5-1
0.2-0.5
1.8.2 Pembusaan dan priming
Carry-over air boiler adalah kontaminasi uap boiler dengan padatan yang
terdapat pada air boiler . Gelembung atau buih tumbuh di atas permukaan air
boiler dan terbawa bersama uap. Ini disebut pembusaan (foaming) dan hal itu
disebabkan oleh konsentrasi tinggi dari setiap padatan dalam air boiler.
Dipercaya bahwa zat tertentu seperti alkali, minyak, lemak, gemuk, beberapa
jenis bahan organik dan padatan tersuspensi sangat memudahkan untuk
terbentuk busa. Secara teori, padatan tersuspensi terkumpul pada lapisan
permukaan sekitarnya gelembung uap dan membuatnya lebih tangguh.
Boiler dan Turbin
27
Gelembung uap itu tidak mudah pecah dan terbentuklah busa. Hal ini diyakini
bahwa makin halus partikel makin mudah terkumpul di dalam gelembung.
Priming adalah terbawanya sejumlah tetesan air dalam uap (busa dan kabut),
yang menurunkan efisiensi energi uap dan mengarah ke deposit kristal garam
pada superheater dan turbin. Priming mungkin disebabkan oleh konstruksi yang
tidak tepat boiler, penggunaan yang melebihi kapasitas, atau fluktuasi tiba-tiba
dalam permintaan uap. Priming kadang-kadang diperparah oleh kotoran dalam
air boiler.
Tindakan paling umum untuk mencegah busa dan priming adalah menjaga
konsentrasi padatan dalam air boiler pada tingkat yang cukup rendah.
Menghindari level air yang tinggi, pembeban boiler yang berlebihan, dan
perubahan beban tiba-tiba. Sangat sering kondensat terkontaminasi kembali ke
sistem boiler menjadi penyebab masalah carry-over. Dalam kasus ini kondensat
harus dibuang sementara sampai sumber kontaminasi ditemukan dan
dieliminasi. Penggunaan bahan kimia anti-busa dan agen anti-priming,
campuran bahan aktif permukaan yang mengubah tegangan permukaan cairan,
dapat menghilangkan busa dan mencegah carry-over partikel air halus, dan
sangat efektif dalam mencegah carry-over akibat konsentrasi tinggi kotoran
dalam air boiler.
1.8.3 Korosi
Korosi adalah kembalinya suatu logam untuk menjadi bentuk kimiawi alaminya,
yaitu bijih. Besi, misalnya, beralih menjadi besi oksida sebagai akibat dari
korosi. Proses korosi merupakan reaksi elektro kimia yang kompleks kompleks.
Korosi dapat menyerang permukaan logam yang luas atau mungkin
mengakibatkan titik sempit penetrasi logam. Masalah korosi adalah selalu ada
akibat air dalam boiler. Korosi dapat terjadi akibat oksigen terlarut, maupun
langsung karena air.
Walaupun korosi boiler terjadi terutama karena reaksi logam dengan oksigen,
faktor-faktor lain seperti tegangan, kondisi asam, dan kandungan kimia tertentu
mungkin memiliki pengaruh penting dan menghasilkan berbagai bentuk
serangan. Hal ini diperlukan untuk memperhitungkan kuantitas berbagai zat
berbahaya yang dapat diperbolehkan dalam air boiler tanpa risiko kerusakan
boiler. Korosi dapat terjadi dalam sistem umpan-air sebagai akibat dari air pH
rendah dan adanya oksigen terlarut dan karbon dioksida.
Perlindungan besi-baja dalam sistem boiler tergantung pada suhu, pH, dan kadar
oksigen. Umumnya, suhu yang lebih tinggi, pH tinggi atau rendah dan oksigen
yang terkonsentrasi meningkatkan laju korosi baja.Faktor-faktor mekanis dan
operasi seperti kecepatan, tegangan, dan tingkat kehati-hatian pengoperasian
sangat dapat mempengaruhi laju korosi. Setiap sistem bervariasi dalam
kecenderungan korosi dan harus dievaluasi secara individual.
1.9 Perawatan
Boiler adalah pesawat yang bekerja pada tekanan tinggi, dan umumnya tidak
tersedia dalam jumlah banyak dalam suatu lingkungan. Untuk itu perlu dilalukan
perawatan, mengingat bahaya dan kerugian yang ditimbulkan bila terjadi
kegagalan.
Boiler dan Turbin
28
Tabel I-5 Daftar periksa berkala boiler
Sistim Harian Mingguan Bulanan Tahunan
Blowdown (BD) dan
Pengolahan Air
Periksa klep BD
tidak bocor. BD
tidak berlebihan
- Yakikan tidak terjadi
penumpukan bahan
padat
Sistim Air Umpan Periksa dan betulkan
ketinggian air yang
tidak tetap. Pastikan
penyebab tidak
tetapnya ketinggian
air, kelebihan beban
tidak tetapnya
ketinggian air, kele-
bihan beban pence-
mar, kerusakan, dll.
Periksa pengontrol
dengan
menghentikan
pompa air umpan
dan membiarkan
pengendali
menghentikan bahan
bakar.
Tidak ada Penerima kondensat,
pompa sistim
deaerator
Gas Buang Periksa suhu pada Ukur suhu dan Sama dengan Sama dengan
dua titik yang bandingkan mingguan. mingguan, rekam
berbeda komposisinya pada Bandingkan dengan acuannya
pembakaran yang pembacaan
berbagai dan setel sebelumnya.
klep yang telah
direkomendasikan Pasokan Udara Periksa kecukupan Pembakaran pembukaan pada
udara masuk.
Bersihkan lintasan Burners Periksa apakah Bersihkan burners, Sama dengan Sama dengan
beroperasi baik. pilot assemblies, mingguan mingguan,
Mungkin perlu periksa kondisi bersihkan dan
pembersihan celah percikan rekondisikan
beberapa kali dalam elektroda pada
sehari. burners Karakteristik Amati kegagalan operasi boiler nyala api dan
karakteristiknya Katup pengaman Periksa dari Ambil dan
kebocoran rekondisikan
Tekanan Steam Periksa beban
berlebih yang dapat
menyebabkan
variasi berlebih
pada tekanan Sistim Bahan Bakar Peiksa pompa, Bersihkan dan
pengukur tekanan, rekondisikan sistim
alur perpindahan
Bersihkan. Belt untuk gland Periksa kerusakan packing Periksa gland
packing dari
kebocoran dan
kompresi yang tepat
Boiler dan Turbin
29
Kebocoran udara Bersihkan
pada permukaan permukaan setiap
sisi air dan sisi api tahun sebagaimana
rekomendasi pabrik
pembuatnya.
Kebocoran udara Periksa kebocoran
disekitar akses
pembukaan dan
nyala api
Refraktori pada sisi Perbaiki
bahan bakar Sistim ke listrikan Bersihkan panel Periksa panel Bersihkan, perbaiki
luar dibagian dalam terminal dan
kontak-kontak dll.
Klep hidrolik dan Bersihkan Perbaiki seluruh
pneumatik peralatan, hindari kerusakan dan
tumpahan minyak periksa operasi
dan kebocoran yang semestiya
udara
Yang perlu dilakukan pada boiler:
1. Tiup jelaga secara teratur
2. Bersihkan pengukur gelas blowdown sekali tiap satu sift
3. Periksa klep keamanan seminggu sekali
4. Blowdown pada setiap sift, sesuai keperluan
5. Jaga seluruh pintu tungku tertutup
6. Kendalikan sirkulasi tungku
7. Bersihkan, hopper pembuangan abu setiap sift
8. Jaga asap cerobong dan pengendali api
9. Periksa pengendali otomatis pada bahan bakar dengan menghentikan sekali
waktu air umpan untuk jangka waktu pendek
10. Perhatikan kebocoran secara berkala
11. Periksa seluruh klep, damper, dll untuk operasi yang benar seminggu sekali
12. Beri pelumas seluruh alat mekanik untuk berfungsi mulus
13. Jaga switchboards rapi dan bersih dan sistim penunjuk sesuai dengan
perintah pekerjaan
14. Jaga kebersihan area, bebas debu
15. Jaga alat pemadam kebakaran selalu dalam keadaan siap. Lakukan latihan
yang diselenggarakan sebulan sekali
16. Seluruh lembar data harian harus diisi secara sungguh-sungguh
17. Jalanan fan FD jika fan ID mati
18. Perekam CO2 atau O2 harus diperiksa /dikalibrasi tiga bulan sekali
19. Traps harus diperiksa dan diurus secaraberkala
20. Kualitas steam, air harus diperiksa sehari sekali, atau sekali tiap sift
21. Kualitas bahan bakar harus diperiksaseminggu sekali
22. Jaga saluran pembuangan sub pemanas terbuka selama start up
23. Jaga kran air terbuka selama start dan tutup
Yang tidak boleh dilakukan pada boiler
Boiler dan Turbin
30
1. Jangan nyalakan pemantik api secara mendadak setelah api habis
(pembersihan)
2. Jangan lakukan blowdown jika tidak perlu
3. Jangan biarkan pintu tungku terbuka jikatidak perlu
4. Jangan sering menghembus klep pengaman(kendali operasi)
5. Jangan memberikan aliran berlebih padahopper abu
6. Jangan menaikan laju pembakaran melebihi yang diperbolehkan
7. Jangan mengumpankan air baku
8. Jangan mengoperasikan boiler pada aliran tertutup
9. Jangan memberi beban berlebih pada boiler
10. Jangan membiarkan ketinggian air terlalutinggi atau terlalu rendah
11. Jangan mengoperasikan penghembus jelagapada beban tinggi
12. Jangan jalankan kipas ID manakala sedangdalam operasi
13. Jangan melihat langsung api dalam tungku,gunakan kacamata keamanan
yang berwarna
14. Hindarkan bed bahan bakar yang tebal
15. Jangan biarkan boiler diserahkan ke operator/ teknisi yang tidak terlatih
16. Jangan mengabaikan pengamatan yang tidak biasa (perubahan suara,
perubahan kinerja, kesulitan pengendalian), periksa
17. Jangan melewatkan pemeliharaan tahunan
18. jangan mencat boiler
19. Jangan biarkan terjadinya pembentukan steam pada economizer (jaga suhu.)
20. Jangan biarkan grate terbuka (sebarkan secara merata)
21. Jangan mengoperasikan boiler dengan pipaair yang bocor
1.10 Kesimpulan
1. Boiler telah digunakan secara luas untuk berbagai keparluan. Jenisnya
bermacam-macam sesuai dengan kebutuhan, pilihan teknologi, lingkukan
dan bahan bakar yang digunakan.
2. Konstruksi boiler terdiri atas: sistem air-uap, sistem bahan bakar-udara-gas
asap, permukaan perpindahan panas, sistem perolehan panas kembali, alat-
alat kontrol: pengontrol laju bahan bakar, pengontrol tekanan, pengontrol
muka air, dan alat-alat pengaman. Masing-masing mempunyai komponen-
komponen.
3. Seiring dengan meningkatnya harga bahan bakar, boiler semakin banyak
yang menggunakan bahan bakar padat.
4. Dua metode untuk menghitung efisiensi boiler: yaitu metode langsung dan
metode tak langsung.
5. Menurut undang-undang, boiler harus dilengkapi dengan berbagai alat
keamanan, bersertifikat, serta dijalakan oleh operator bersertifikat.
6. Secara umum, tujuan sistem kontrol pada boiler adalah: agar uap yang
dihasilkan sesuai dengan spesifikasi yang dikehendaki, boiler dapat
beroperasi dengan efisien, dan menjamin keamanan operasi.
7. Masalah pada ketel yang disebabkan oleh air umpan dapat dibagi menjadi 3
bagian: pengkerakan (scale), pembusaan dan priming, serta korosi.
8. Perawatan boiler harus dilakukan dengan baik.
Boiler dan Turbin
31
1.11 Soal-soal
1. Jelaskan beberapa difinisi boiler.
2. Jelaskan klasifikasi boiler.
3. Sebutkan jenis-jenis boiler berbahan bakar padat menurut teknik pemba-
karannya.
4. Apa yang disebut HHV dan LHV?
5. Apa keuntungan dan kerugian perhitungan efisiensi boiler secara langsung
dan tak langsung.
6. Sebutkan alat-alat pengaman yang harus ada pada boiler menurut undang-
undang.
7. Apa tujuan pengontrolan?
8. Apa saja masalah yang bisa ditimbulkan oleh air umpan? Apa penyebabnya?
9. Sebutkan beberapa hal yang harus dilakukan untuk pemeriksaan rutin boiler.
10. Sebuah boiler menggunakan batubara. Dari analisis ultimate batubara kering
diperoleh: C = 65%, H2 = 6%, O=25,5%, N =1%, Abu =3%, S=0,5%.
Kandungan air = 26%. GCV = 4300 kkal/kg. Dari analisis gas asap (Cp =
0,23 kkal/kg) diperoleh data: O2 = 8%, CO2= 11%, suhu gas buang, Tf:
250ºC. Suhu ambien (Ta): 27ºC, kelembaban udara Y: 0,018 kg/kg udara
kering. Hal-hal lain yang diperlukan boleh diasumsikan, menurut kewajaran.
Hitung efisiensi boiler, menurut cara tak langsung.
11. Bandingkan harga-harga energi dibawah ini, urutkan mulai dari yang
termurah.
Bahan bakar Harga Pasar Nilai kalor
Premium 4,500 Rp/liter 44.500 kJ/kg
Minyak diesel 4.600 Rp/liter 42.000 kJ/kg
Batubara 600 Rp/kg 4.500 kkal/kg
Listrik 700 Rp/kWh
LPG 4,300 Rp/kg 11000 Kkal/kg
Gas alam 4.5 USD/MMBTU
Boiler dan Turbin
32
BAB II
TURBIN UAP
Tujuan Pembelajaran Umum
1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasar-
dasar perawatan turbin uap.
Tujuan Pembelajaran Khusus
1. Mahasiwa dapat menjelaskan kelebihan turbin uap.
2. Mahasiwa dapat menghitung kapasitas daya pembangkit daya uap secara
termodinamik.
3. Mahasiwa dapat menjelaskan klasifikasi turbin uap.
4. Mahasiwa dapat menjelaskan konstruksi, dan carakerja turbin uap dan bagian-
bagianya.
5. Mahasiwa dapat menjelaskan dasar-dasar perawatan turbin uap
2.1 Pengantar
Turbin uap dikenal sebagai pembangkit daya yang dapat diandalkan dan serba
guna, bagi industri dan pembangkit listrik. Bersama dengan boiler, turbin uap
dapat beroperasi dengan berbagai bahan bakar, mulai dari sampah, limbah
pertanian, biomassa, batubara, sampai nuklir. Uap keluarannya bisa diambil
pada berbagai temperatur dan tekanan, untuk dimanfaatkan.
Dengan berkembangnya teknologi manufaktur, material, kontrol, dll.; kapasitas
daya yang dihasilkan semakin tinggi, tekanan dan temperatur operasi semakin
tinggi, jarak waktu antar overhaul semakin panjang, keandalan semakin tinggi.
Banyak inovasi telah dilakukan oleh para pembuat turbin selama seperempat
abad terakhir seperti: exhaust multi-aliran, rotor solid, bantalan putaran tinggi,
diameter sudu gerak yang semakin besar, dan berbagai sistem kontrol yang
canggih. Pembuat turbin uap besar yang dikenal saat ini tersebar di tiga benua;
dari Eropa adalah: ALSTOM Power yang merupakan merger dari ABB
Kraftwerke dan GEC Alsthom, Siemen Power Generation dan cabangnya
Siemen Westinghouse Power Corporation; dari Jepang adalah: Hitachi,
Mitsubishi Heavy Industries, dan Toshiba; dari AS adalah General Electric; dari
Rusia adalah Leningrad Metallic Works; Turboatom (Kharkov Turbine Works)
dari Ukraina; dari China adalah Shanghai and Dongfang Turbine Works; dari
Korea adalah Doosan Heavy Industries and Construction.
Sebagian besar para pembuat ini dapat menghasilkan turbin uap berkapasitas
antara 800 – 1200 MW. Mitshubishi siap mengapalkan turbin uap tunggal
berkapasitas 1.400 MW, dan ALSTOM bahkan sampai 1.800 MW.
Boiler dan Turbin
33
2.2 Termodinamika Pembangkit Daya Tenaga Uap
Turbin adalah mesin yang mengubah energi fluida menjadi daya poros, dimana
fluida mengalir secara kontinyu melalui sudu-sudu yang berputar. Turbin uap
memanfaatkan energi fluida berupa entalpi uap yang mempunyai tekanan dan
temperatur tinggi. uap pada umumnya digunakan bersama dengan boiler,
pompa dan kondenser dalam bentuk siklus Rankine yang biasa digunakan pada
PLTU. Berikut ini adalah siklus Renkine sederhana dengan tinjauan
termodinamika. Representasi siklus tersebut pada diagram T-s dapat dilihat pada
Gambar II.2.
Gambar II-1 Skema siklus Renkine sederhana
Gambar II-2 Siklus Renkine ideal pada bidang T - s
Proses 1-2: Proses kerja kompresi adiabatik reversibel (isentropik) cairan jenuh
di pompa. Jika proses 1–2 adalah proses ideal, maka tidak ada perubahan entropi
antara kondisi 1 dan kondisi 2.
Proses 2-3: Proses kalor masuk pada tekanan tetap di ketel (boiler)
Proses 3-4: Proses kerja ekspansi adiabatik reversibel (isentropik) uap di turbin.
Boiler dan Turbin
34
Proses 4-1: Proses pelepasan kalor pada tekanan tetap dan reversibel di
kondensor .
Efisiensi termal siklus Rankine sederhana ideal dapat dinyatakan dengan
persamaan :
Daya turbin yang dihasilkan,
Berikut ini adalah istilah-istilah yang sering digunakan untuk menunjukkan
performansi siklus daya uap atau gas:
Backwork ratio (BWR) adalah perbandingan antara daya pompa dengan yang
dihasilkan turbin.
Steam rate: penggunaan uap dibagi energi mekanik yang dihasilkan (kg/hp.h).
Heat rate: penggunaan kalor per satuan energi mekanik atau listrik yang
dihasilkan siklus (kcal/kWh).
Efisiensi isentropik: daya turbin sebenarnya dibagi dengan efisiensi turbin
isentropik.
Dalam prakteknya, siklus sederhana seperti di atas dimodifikasi untuk
meningkatkan efisiensi maupun alasan lain. Gambar II.3 menunjukkan siklus
Renkine yang dimodifikasi dengan pemanasan ulang (reheat).
Gambar II-3 Siklus Renkine dengan pemanasan ulang
Boiler dan Turbin
35
2.3 Klasifikasi Turbin Uap
Secara garis besar, turbin uap dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
1. Turbin impuls:
a. Turbin impuls satu tingkat (sederhana)
b. Turbin impuls kecepatan bertingkat (turbin Curtis)
c. Turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau)
2. Turbin reaksi (turbin Pearson).
Pada turbin impuls atau disebut juga
Gambar II-4 Karakteristik kombinasi turbin Curtis - Rateau
turbin aksi adalah ekspansi (penurunan tekanan) fluida kerjanya hanya terjadi
didalam baris sudu diam (stator) saja. Sedangkan turbin reaksi adalah turbin
dimana proses ekspansi fluida kerjanya terjadi baik didalam baris sudu diam
(stator) maupun baris sudu geraknya (rotor). Untuk turbin uap dengan daya
besar, pada umumnya dibuat dalam bentuk bertingkat, yang merupakan
kombinasi dari ketiga jenis turbin ini. Gambar V.3 menunjukkan karakteristik
kombinasi turbin Curtis dan Rateau, sedangkan gambar V.4 menunjukkan
karakteristik kombinasi turbin Curtis dan Pearson.
Berdasarkan uap exhaust-nya, turbin uap dapat dibagi menjadi:
1. Turbin uap dengan kondensasi (condensing turbine): yaitu yang uap
keluarannya bertekanan rendah, langsung masuk kondenser untuk
dikondensasi.
2. Turbin uap ekstraksi atau turbin uap tanpa kondensasi (extracting turbine
atau noncondensing turbine): yaitu turbin uap yang uap keluarannya masih
bertekanan tinggi, bisa digunakan untuk proses atau dipanaskan ulang
(reheat).
Selain itu, turbin uap juga bisa merupakan kombinasi dari turbin ekstraksi dan
kondensasi.
Boiler dan Turbin
36
Gambar II-5 Karakteristik kombinasi turbin Curtis - Parsons
Gambar II-6 Turbin uap dengan kondensasi
Boiler dan Turbin
37
Gambar II-7 Turbin uap ekstraksi atau tanpa kondensasi
2.4 Konstruksi Turbin Uap
Suatu turbin uap haruslah handal, ekonomis, mudah dioperasikan, memiliki
konstruksi dan rakitan yang sederhana, mudah dalam perbaikan dan perawatan.
Pengalaman menunjukkan bahwa membuat turbin seperti ini tidaklah mudah.
Untuk memperoleh efisiensi yang tinggi, selalu diperlukan desain yang
kompleks, memerlukan material yang lebih banyak dan lebih baik, sehingga
mengakibatkan biaya pembuatan, perakitan, perawatan dan perbaikan yang lebih
mahal. Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah turbin uap dengan kapasitas
50 MW.
1. Rumah
2. Poros
3. Pipa keluar
4. Rumah katup
5. Katup regulator
6. Aktuator katup
7. Tingkat regulator (regulating stage)
8. Labirin tekanan tinggi
9. Labirin tekanan rendah
10. Rumah bantalan depan
11. Bantalan kombinasi (thust dan
journal) depan
12. Bantalan belakang
13. Bantalan generator
14. Kopling
15. Shaft turning gear
15. Roda gigi cacing untuk generator
Gambar II-8 Konstruksi turbin uap
Boiler dan Turbin
38
Konstruksi turbin amatlah kompleks. Beberapa bagian penting dari konstruksi
turbin uap akan diuraikan di sini.
2.4.1 Sudu Gerak Turbin Uap
Seperti telah disebutkan di atas, turbin uap dapat dibagi menjadi turbin impuls
dan turbin reaksi. Karena perbedaan prinsip kerja keduanya, maka desain sudu
diam dan sudu gerak keduanya juga berbeda.
Pada turbin reaksi, ekspansi uap terjadi pada sudu diam dan sudu gerak. Oleh
karena itu, agar dapat beroperasi secara efisien, kebocoran antara sudu gerak
dengan rumah turbin dan sudu diam haruslah sekecil mungkin. Turbin reaksi
juga memerlukan balance piston seperti pada kompresor sentrifugal besar,
karena adanya gaya dorong (thrust) aksial yang cukup besar.
Pada turbin impuls tidak ada (atau kecil) penurunan tekanan pada sudu gerak,
sehingga tidak ada reaksi, celah (clearance) internal cukup besar, dan tidak
diperlukan balance piston. Aliran uap pada sudu gerak menyerupai aliran air
pada turbin air Pelton. Hal ini membuat turbin impuls kuat dan tahan lama, dan
dapat melayani beban berat.
Gambar II-9 Konstruksi turbin sudu turbin impuls dan turbin
reaksi
2.4.2 Sudu Diam
Untuk turbin satu tingkat, uap dapat disemprotkan melalui satu nosel atau lebih.
Satu tingkat dari sebuah turbin multi tingkat terdiri dari sudu diam dan sudu
gerak. Sudu diam bisa berupa cincin rangkaian nozzle (Gambar 2.10, atas) atau
diafragma (Gambar 2.10, bawah). Keduanya berfungsi untuk mengarahkan uap
sudu gerak, memutar rotor, dan menghasilkan kerja mekanik.
Boiler dan Turbin
39
Sebuah diafragma dari turbin impuls berupa partisi stasioner yang terletak di
antara sudu gerak. Nozel yang terdapat dalam diafragma berbeda ukuran dan
luas lubangnya dari tingkat ke tingkat agar dicapai efisiensi yang maksimal
untuk seluruh turbin.
Gambar II-10 Konstruksi sudu tetap turbin uap
2.4.3 Governor dan Sistem Kontrol
Gambar II-6 dan II-7 menunjukkan berbagai jenis turbin menurut distribusi uap
keluarannya. Makin kompleks aliran uap pada sistem turbin, akan membutuhkan
sistem kontrol yang lebih kompleks. Yang paling sederhana adalah turbin uap
dengan aliran langsung tanpa kondensasi.
Pemilihan jenis turbin dan sistem kontrolnya harus mempertimbangkan sifat
beban turbin, daya, dan temperatur dan tekanan proses di bagian hilirnya. Satu
set katup dapat mengendalikan hanya satu parameter pada suatu waktu:
kecepatan / beban, inlet tekanan, tekanan ekstraksi, atau knalpot tekanan.
Sistem kontrol putaran elektronik modern menggunakan dan sensor tekanan,
digital pengolahan dan rangkaian logika, dan sistem hidrolik. Gambar-gambar di
bawah ini menunjukkan alat governor mekanik untuk membantu visualisasi
prinsip kerja, tetapi tidak untuk mewakili implementasi aktual. Kontrol
kecepatan putar dimodelkan oleh seorang bola (flyball) governor. Peningkatkan
Boiler dan Turbin
40
kecepatan putar akan menyebabkan bola untuk bergerak keluar, katup uap akan
menutup. Kontrol tekanan dimodelkan oleh sebuah puputan (bellow) mekanis.
Peningkatan tekanan terkontrol menyebabkan bellow untuk berkembang,
menutup katup inlet atau membuka katup ekstraksi.
Gambar II-11 merupakan unit dengan governor kecepatan sederhana. Tekanan
keluar (exhaust) didesain tidak bergantung turbin, bisa ditentukan oleh
kondensor atau sumber uap lain pada header. Pengaturan seperti ini juga
diterapkan untuk turbin kondensasi . Katup kontrol kecepatan dan beban saja
(torsi), atau bersama-sama turbin dapat beroperasi tersendiri atau disinkronkan
secara paralel dengan generator.
Gambar II-11 Skema cara kerja governor kecepatan putar
Gambar II-12 menunjukkan sebuah unit kontrol mempertahankan tekanan keluar
melalui aksi pengaturan katup masuk. (Sebuah governor kecepatan mengambil
alih kendali ketika batas kecepatan yang terlewati. Dalam hal ini kontrol tekanan
tidak berfungsi). Pengaturan seperti ini tidak dapat diterapkan untuk sebuah
beban yang terisolasi membutuhkan regulasi kecepatan yang akurat. Ia bekerja
dengan baik ketika turbin menggerakkan sebuah generator listrik yang
beroperasi secara paralel dengan satu atau lebih generator lain, yang mempunyai
sistem kontrol kecepatan. Dalam operasi normal satu katup mengatur satu
parameter: tekanan keluar. Pengaturan ini bisa diterapkan pada turbin non
kondensasi. Penurunan tekanan padakeluaran turbin menunjukkan peningkatan
permintaan untuk uap buangan. Governor tekanan bertindak untuk
meningkatkan aliran uap masuk agar sesuai dengan perubahan uap keluar turbin
(exhaust). Output generator bervariasi terhadap penggunaan uap keluar (proses).
Gambar II-12 Skema cara kerja governor tekanan keluar
Boiler dan Turbin
41
Gambar II-13 merupakan unit ekstraksi tunggal otomatis. Governor kecepatan
merespon kecepatan / perubahan beban. Governor tekanan mengatur tekanan
ekstraksi akibat perubahan tekanan uap keluar yang dibutuhkan. Cukup
mengubah posisi katup ekstraksi pada posisi katup inlet konstan juga akan
mengubah kecepatan / beban juga. Oleh karena itu, dua sistem berinteraksi
untuk mempertahankan beban konstan. Sebagai contoh, penurunan kebutuhan
uap keluar mengarah pada pengurangan ekstraksi dan kenaikan tekanan
ekstraksi. Governor membuka katup tekanan ekstraksi, meningkatkan sisi
tekanan rendah. Pada saat yang sama, ia bertindak secara proporsional menutup
katup inlet untuk mengurangi aliran inlet, mempertahankan kecepatan/torsi agar
konstan.
Gambar II-13 Skema cara kerja governor kecepaatan putar dan
ekstraksi otomatis
2.4.4 Labirin
Tekanan dan temperatur uap di dalam rumah turbin sangat tinggi. Uap harus
dicegah agar tidak bocor, terutama pada celah antara poros yang berputar
dengan rumah turbin. Metode sil yang banyak digunakan untuk pompa dan
kompresor tidak dapat digunakan pada turbin uap. Sampai saat ini, metode yang
paling umum digunakan labirin dan clearance sempit bushing karbon. Pada
kenyataannya, labirin tidak berfungsi sebagai sil, tetapi hanya bertindak sebagai
alat throttling untuk meminimalkan kebocoran dengan membuat diameter
berganti-ganti dan perangkap. Sil labirin cincin karbon seperti ini diilustrasikan
pada Gambar II-14.
Gambar II-14 Sil labirin cincin karbon
Boiler dan Turbin
42
Kebocoran melalui seal labirin dapat dikurangi hingga 80 persen dengan
mengintegrasikan segel sikat dengan segel biasa labirin stasioner, seperti
ditunjukkan pada Gambar II-15. Jenis kombinasi ini mengurangi kesenjangan,
sehingga mengurangi kebocoran antar tingkat tanpa gesekan rotor. Jika
pemilihan sil tidak tepat, dapat menyebabkan getaran rotor.
Gambar II-15 Kombinasi sil sikat dan labirin
Gigi labirin bisa rusak oleh gesekan, terutama selama start-up atau coast-down
saat melewati turbin rotor melalui putaran kritis lateral. Kebocoran juga dapat
terjadi sebagai akibat dari gesekan. Gesekan juga dapat terjadi saat start-up
karena tingkat yang berbeda ekspansi termal antara labirin dan rotor. gesekan ini
membuka clearance, mengakibatkan kebocoran, dan mengurangi efisiensi.
Pemasangan dengan dorongan ke dalam (retractable) seperti yang diilustrasikan
pada Gambar II-16 adalah mungkin solusinya. Cincin Labirin ini dibagi
menjadi segmen yang diberi pegas, terpisah satu sama lain, dengan clearance
yang cukup. Setelah turbin start up dan uap terkumpul di luar sil, uap akan
melawan tekanan pegas dan menutup sil.
Gambar II-16 Pemasangan dengan dorongan ke dalam
Boiler dan Turbin
43
2.5 Perawatan dan Perbaikan
Gambar di bawah ini menunjukkan kemungkinan kerusakan yang terjadi pada
turbin uap. Sedangkan gambar berikutnya menunjukkan alur sebab akibat,
sehingga sampai pada failure (kegagalan).
Gambar II-17 Jenis-jenis kerusakan pada bagian-bagian turbin
uap
Statistik menunjukkan bahwa, ketika pembangkit mencapai umur pakainya,
jumlah penghentian operasi yang tidak direncanakan akan semakin besar,
keandalan dan availabilitasnya jatuh. Secara bersamaan efisiensi akan turun,
meskipun dilakukan overhaul. Beberapa faktor yang menentukan dalam
keausan, yang disebabkan oleh lamanya pemakaian dapat dilihat pada gambar
dibawah ini.
Boiler dan Turbin
44
Gambar II-18 Rangkaian sebab akibat kegagalan pada turbin
uap
Gambar II-19 Gejala dan penyebab kerusakan pada turbin uap
Boiler dan Turbin
45
Tabel II-1 Metode Perawatan untuk Meningkatkan Umur
Komponen Individual Turbin Uap
Komponen
Turbin
Posisi Penyebab
Berakhirnya
Pemakaian
Tindakan
Pertolongan
Ketentuan Batas
Waktu
Rotor tekanan
tinggi dan
menengah
Alur dan filet
luar
Lelah Pengelupasan
(Skin peeling)
Peeling tidak
dapat dilakukan
lagi
Center bore Lelah,
perambatan
retakan, dan
patah getas
Overboring Overboring tidak
dapat dilakukan
lagi
Penyangga
alur (groove)
sudu
perambatan
retakan
Inspeksi dan
investigasi
detail
Permulaan
retakan diketahui
Rotor tekanan
rendah
Center bore/
sumbu rotasi
Lelah,
perambatan
retakan, dan
patah getas
Inspeksi dan
investigasi
detail
Perambatan
retakan diketahui
Rumah-
dalam
tekanan
tinggi
Permukaan
dalam
Lelah dan
mulur
Pengelasan Perbaikan tidak
realistik klagi
Ulir dalam Mulur Oversize Oversize tidak
dapat dilakukan
Kotak Nosel Akar sudu Lelah dan
mulur
Inspeksi dan
investigasi
detail
Retakan tidak
dapat diperbaiki
atau deformasi
sangat besar
diketahui
Sudu tekanan
tinggi dan
menengah.
Ekor merpati
dan akar
Mulur Inspeksi dan
investigasi
detail
Terjadi retak dan
abnormal
Ruang uap
katup uatama
Body Lelah Pengelasan Perbaikan
dengan
pengelasan tidak
mungkin,
deteriorasi besar
Ulir dalam Mulur Oversize Oversize tidak
mungkin lagi
Baut tekanan
tinggi
Ulir Lelah dan
mulur
Penggantian Retak dapat
diantisipasi
2.6 Kesimpulan
1. Turbin uap memiliki kelebihan-kelebihan: andal, dapat beroperasi dengan
berbagai jenis bahan bakar, serba guna: uap keluarannya bisa diambil pada
berbagai temperatur dan tekanan, untuk dimanfaatkan.
Boiler dan Turbin
46
2. Secara termodinamik: efisiensi pembangkit daya uap dapat ditingkatkan
dengan meningkatkan temperatur dan tekanan opersi, serta melakukan
modifikasi siklus.
3. Istilah-istilah yang sering digunakan untuk menunjukkan performansi siklus
daya uap atau gas adalah: Backwork ratio (BWR), Steam rate, Heat rate dan
efisiensi isentropik.
4. Berdasarkan cara kerjanya turbin uap dapat dibagai menjadi:
Turbin impuls:
a. Turbin impuls satu tingkat (sederhana)
b. Turbin impuls kecepatan bertingkat (turbin Curtis)
c. Turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau)
Turbin reaksi (turbin Pearson).
5. Berdasarkan uap exhaust-nya, turbin uap dapat dibagi menjadi: Turbin uap
dengan kondensasi dant urbin uap ekstraksi atau turbin uap tanpa
kondensasi (extracting turbine atau noncondensing turbine).
6. Konstruksi turbin uap, sangat kompleks. Suatu turbin uap haruslah handal,
ekonomis, mudah dioperasikan, memiliki konstruksi dan rakitan yang
sederhana, mudah dalam perbaikan dan perawatan.
7. Tindakan perawatan dan perbaikan yang tepat, dapat meningkatan
keandalan, availabilitas dan umur turbin.
2.7 Soal-soal
1. Jelaskan kelebihan dan kekurangan turbin uap.
2. Bagaimana cara meningkatkan efisiensi turbin uap secara termodinamik?
3. Jelaskan klasifikasi turbin uap.
4. Jelaskan cara kerja labirin.
5. Sebuah turbin uap dilengkapi dengan pemanas ulang. Air masuk pompa pada
kondisi cair jenuh pada temperatur 40°C. Tekanan keluar pompa 120 bar. Air
dipanaskan oleh boiler hingga mencapai temperatur 650°C. Diekspasikan
sampai tekanan 50 bar, kemudian dipanaskan ulang sampai 650°C. Laju
aliran uap adalah 60 ton per jam. Hitunglah daya turbin, efisiensi termal, dan
heat rate dari siklus tersebut. Ulangi perhitungan tersebut bila tanpa
pemanasan ulang. Bandingkan hasilnya.
6. Apa perbedaan sudu gerak dan sudu diam turbin impuls dan turbin reaksi?
7. Sebutkan kerusakan mungkin terjadi pada komponen utama turbin uap, dan
cara perbaikannya.
8. Jelaskan cara kerja governor kecepaatan putar dan ekstraksi otomatis.
Boiler dan Turbin
47
BAB III
TURBIN GAS
Tujuan Pembelajaran Umum
1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasar-
dasar perawatan turbin gas.
Tujuan Pembelajaran Khusus
1. Mahasiswa dapat menjelaskan definisi, keuntungan dan kerugian turbin gas.
2. Mahasiswa dapat menghitung daya dari siklus Brayton ideal sederhana dan
modifikasinya, secara termodinamik.
3. Mahasiswa dapat menjelaskan konstruksi, cara kerja dan klasifikasi dari
kompresor, turbin gas dan ruang bakar.
4. Mahasiswa dapat menjelaskan siklus kombinasi dan kelebihan-kelebihannya.
5. Mahasiswa dapat menjelaskan perawatan turbin gas.
3.1 Pengantar
Turbin gas adalah mesin konversi energi yang mengubah energi fluida gas
panas, yang berupa tekanan dan temperatur tinggi, menjadi energi mekanik
poros, dimana fluida mengalir secara kontinyu melalui sudu-sudu yang berputar.
Turbin gas pada umumnya digunakan bersama kompresor dan ruang bakar
(combustor atau combustion chamber) pada siklus pembangit daya, yang dikenal
dengan siklus Brayton atau siklus Joule. Sering kali, rangkaian ketiga alat ini
berserta alat-alat tambahannya (accessories) disebut sebagai turbin gas, karena
biasanya sudah dibuat dalam bentuk paket yang kompak.
Sebagai pembangkit daya, turbin gas memiliki keunggulan penting dibanding
dengan pembangkit daya lainnya, yaitu tingginya daya yang dibangkitkan untuk
berat mesin yang sama. Hal ini membuat turbin gas bisa dikatakan satu-satunya
pilihan pembangkit daya yang digunakan pada pesawat udara, kecuali roket
yang memang digunakan dalam keantariksaan.
Disamping bisa dianggap bebas getaran, turbin gas juga dapat beroperasi dengan
berbagai bahan bakar, seperti: gas alam, minyak diesel, nafta, metana, minyak
mentah, gas dengan nilai kalor rendah, minyak bakar yang divoporisasi, bahkan
gas biomassa. Hal ini membuat turbin gas menjadi pilihan untuk pembangkit
daya pada anjungan lepas pantai. Dengan teknologi material yang semakin maju,
turbin gas dapat beroperasi pada temperatur yang lebih tinggi.
Kekurangan turbin gas adalah tidak dapat menggunakan bahan bakar padat, serta
efisiensinya yang rendah terutama pada daya rendah, tidak dapat digunakan
untuk daya rendah. Namun saat ini efisiensi turbin uap dapat mencapai 45%
dengan menggunakan gas alam. Bila dikombinasikan dengan pembangkit daya
uap menggunakan HRSG (Heat Recovery Steam Generator) atau WHRB (Waste
Boiler dan Turbin
48
Heat Recovery Boiler), efisiensinya dapat mencapai 55%. Hal ini dimungkinkan
karena kemampuan turbin gas untuk bekerja pada tekanan dan temperatur tinggi.
Turbin gas mempunyai performansi yang baik, terutama pada bahan bakar
dengan nilai kalor tinggi.
Pemilihan turbin gas sebagai pembangkit daya bergantung pada: daya yang
diperukan, jenis, ketersediaan dan harga bahan bakar, efisiensi, biaya instalasi
dan perawatan, ukuran dan berat.
3.2 Termodinamika Turbin Gas
3.2.1 Siklus Ideal
Siklus Brayton ideal ditunjukkan oleh Gambar III.1. Udara masuk ke dalam
kompresor, dinaikkan tekanannya, kemudian diteruskan ke dalam ruang bakar.
Udara bertekanan tersebut digunakan untuk membakar bahan bakar yang
dimasukkan ke dalam ruang bakar. Selanjutnya sisa udara bersama dengan gas-
gas hasil bertekanan dan bertemperatur tinggi berekspansi pada turbin dan
menghasilkan daya poros, dan dibuang ke atmosfir. Siklus ini disebut siklus
terbuka.
Pada siklus tertutup, digunakan gas khusus sebagai fluida kerja. Bahan bakar
tidak dicampurkan, akan tetapi dibakar pada ruang terpisah, kemudian panas
yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan fluida kerja. Fluida kerja yang
keluar dari turbin didinginkan dan dimasukkan kembali kedalam kompresor,
sebagaimana ditunjukkan garis putus-putus. Siklus Brayton tertutup tidak
banyak digunakan dalam praktek.
Gambar III-1 Sikus Brayton ideal
Reprsentasi siklus Brayton ideal pada diagram P – V dan T – S, ditunjukkan
oleh gambar III.2. Proses yang terlibat dalam siklus Braton ideal adalah sbb.:
1. Proses 1 – 2 : kompresi isentropik (entropi konstan adiabatik reversibel)
2. Proses 2 – 3 : kenaikan temperatur isobarik (tekanan konastan)
3. Proses 3 – 4 : ekspansi isentropik (entropi konstan adiabatik reversibel)
Untuk memudahkan analisis, fluida kerja dianggap udara standar, tanpa ada
perubahan massa dan komposisi kimiawi.
Boiler dan Turbin
49
Reprsentasi siklus Brayton ideal pada diagram P – V dan T – S, ditunjukkan
oleh gambar III.2. Proses yang terlibat dalam siklus Braton ideal adalah sbb.:
1. Proses 1 – 2 : kompresi isentropik (entropi konstan adiabatik reversibel)
2. Proses 2 – 3 : kenaikan temperatur isobarik (tekanan konastan)
3. Proses 3 – 4 : ekspansi isentropik (entropi konstan adiabatik reversibel)
Untuk memudahkan analisis, fluida kerja dianggap udara standar, tanpa ada
perubahan massa dan komposisi kimiawi.
Gambar III-2 Representasi siklus Brayton ideal pada diagram
P – V dan T – S
atau
Dimana: = laju aliran massa bahan bakar dan
LHV = nilai kalor bahan bakar
Efisiensi termal siklus Brayton sederhana ideal dapat dinyatakan dengan
persamaan :
Daya turbin yang dihasilkan,
Bila fluida kerja dianggap sebagai gas ideal maka:
Dan untuk kerja politropik dari kondisi 1 ke kondisi 2 adalah
[(
) ⁄
]
untuk
Boiler dan Turbin
50
Untuk proses isentropik maka .
Efisiensi isentropik siklus Brayton ideal dengan fluida kerja gas ideal adalah:
3.2.2 Modifikasi Siklus Ideal
Berbagai modifikasi dilakukan terhadap siklus ideal. Tujuannya adalah untuk
meningkatkan efisiensi proses. Gambar III.3 menunjukkan penggunaan
regenerator untuk meningkatkan efisiensi proses. Regenerator berfungsi untuk
memanaskan udara masuk ruang bakar dengan gas buang (exhaust gas).
Gambar III-3 Siklus Brayton dengan regenerator
Boiler dan Turbin
51
Gambar III-4 Siklus Brayton dengan intercooler
Gambar III-5 Siklus Brayton dengan reheater
3.3 Konstruksi
Dari segi konstruksi, turbin gas siklus sederhana dapat digolongkan sbb.:
1. Turbin gas tipe frame heavy-duty:
Mempunyai daya besar, 3 – 480 MW, dengan efisiensi 30 – 46%.
Merupakan pengembangan dari turbin uap, dipasarkan awal
tahun 1950an.
Berat dan volume tidak menjadi batasan yang penting, karena
digunakan di darat.
Perbandingan tekanan antara 5:1 sampai 35:1
Yang paling mutakhir berdaya 480 MW, menggunakan pendingin
uap pada siklus kombinasi dapat mecapai efisiensi 60%, dengan
temperatur pengapian mencapai 1427°C,
2. Turbin gas aeroderivatif:
Berasal dari penggerak pesawat udara, bila digunakan sebagai
pembangkit, fan bypass yang ada dibuang, dan diganti dengan
turbin daya pada bagian exhaust.
Daya turbin antara 2,5 – 50 MW, dengan efisiensi 35 – 45%.
Boiler dan Turbin
52
Kelebihannya adalah: biaya instalasi rendah, cocok digunakan
untuk pemakaian terpencil karena menggunakan pendingin udara,
alat bantunya sederhana, daya untuk start rendah, perawatan
mudah.
3. Turbin gas tipe industri:
daya antara 2,5 – 15 MW, banyak digunakan pada industri
petrokimia untuk menggerakkan kompresor, efisiensi sekitar
30%.
Sering kali menggunakan regenerator atau recuperator untuk
meningkatkan efisiensi. Dengan recuperator bisa dicapai efisiensi
38%.
4. Turbin gas kecil:
antara 0,5 – 2,5 MW, banyak menggunakan kompresor setrifugal
dan turbin radaial (radial inflow turbine),
efisiensi antara 15 – 25%.
5. Turbin mikro:
daya antara 20 kW – 350 kW, mulai banyak digunakan pada
akhir 1990an.
Menggunakan bahan bakar gas alam atau minyak diesel
Gambar III-6 Turbin gas industri kelas menengah
Boiler dan Turbin
53
Gambar III-7 Turbin aeroderivatif
3.3.1 Kompresor
Kompresor berfungsi mengalirkan dan menaikkan tekanan udara. Dua jenis
kompresor yang digunakan pada turbin gas, yaitu: kompresor aksial dan
kompresor sentrifugal. Kebanyakan kompresor yang telah dibuat dengan baik,
sarat dengan seni dan liku-liku, yang diperoleh dengan perhitungan dan
pengalaman. Hal ini merupakan rahasia dan merupakan bagian dari daya saing
pabrik pembuatnya.
Gambar III-8 Skema kompresor sentrifugal
Kompresor sentrifugal mempunyai karakteristik berikut ini:
Bagian-bagiannya dapat dilihat pada Gambar III-8. Mata impeler,
inducer dan impeler merupakan satu kesatuan. Inducer (lubang masuk)
berfungsi seperti bagian kompresor aksial.
Boiler dan Turbin
54
Udara masuk ke dalam kompresor melalui mata impeler (impeler eye)
dalam arah sejajar dengan sumbu putar rotor, dan keluar dalam arah
tegak lurus sumbu rotor.
Difuser berfungsi mengubah kecepatan menjadi tekanan, dan
mengarahkan udaran masuk kedalam ruang bakar.
Perbandingan kompresi per tingkat antara 3:1 sampai 13:1 pada model
eksperimental. Untuk turbin kecil, perbandingan kompresi sampai 7:1.
Pada perbandingan kompresi di atas 5:1, udara mesuk ke difuser
mencapai kecepatan supersonik, sehingga diperlukan desin khusus.
Memerlukan diameter atau penampang frontal besar, sehingga tidak
susuai untuk pesawat terbang besar.
Dapat dibuat lubang isap tunggal atau ganda.
Kompresor aksial mempunyai karakteristik berikut ini:
Bagian-bagiannya dapat dilihat pada Gambar III-9.
Udara masuk ke dalam kompresor melalui sudu pengarah masuk yang
dapat diatur, dan mengalir sepanjang kompresor dalam arah yang sama
dengan sumbu putar rotor.
Perbandingan tekanan setiap tingkat antara 1,1:1 sampai 1,4:1. Jumlah
tingkat dapat mencapai 30, perbandingan kompresi total dapat mencapai
40:1.
Laju aliran massa udara tinggi dengan luas bidang frontal yang kecil,
sesuai untuk pesawat terbang.
Efisiensi lebih tinggi dari kompresor setrifugal, akan tetapi daerah
kerjanya untuk efisiensi tinggi lebih sempit.
Gambar III-9 Skema kompresor aksial
Boiler dan Turbin
55
3.3.2 Turbin
Seperti pada kompresor, turbin yang digunakan pada turbin gas ada dua jenis,
yaitu: turbin aksial dan turbin radial (radial inflow turbine). Lebih dari 95%
turbin gas menggunakan turbin aksial.
Karena proses aliran gas di dalam turbin adalah ekspansi, maka sudu turbin
dapat dibuat dengan sudut belok yang lebih besar daripada sudu kompresor. Hal
ini memungkinkan konversi energi per tingkat yang lebig besar pula. Satu
tingkat turbin dapat menghasilkan daya untuk menggerakan 12 tingkat
kompresor dengan efisiensi yang cukup tinggi. Akan tetapi pada unit daya
tinggi, turbin dibuat dengan beberapa tingkat untuk meningkatkan efisiensi.
Satu tingkat turbin, terdiri dari satu baris sudu tetap atau nosel dan satu baris
sudu gerak. Apabila ekspansi hanya terjadi pada sudu tetap, maka tingkat
tersebut dinamai tingkat impuls. Sedangkan apabila ekspansi terjadi baik pada
sudu diam maupun sudu gerak, maka tingkat tersebut dinamakan tingkat reaksi
Secara termodinamik, kedua jenis tingkat turbin dinyatakan menurut derajat
reaksinya. Derajat reaksi dinyatakan oleh persamaan berikut ini:
Dimana Δhg dan Δhd masing-masing adalah penurunan entalpi gas pada sudu
gerak dan pada sudu diam.
Jadi turbin impuls mempunyai derajat reaksi RR = 0. Tingkat yang paling depan
selalu tingkat impuls. Kebanyakan turbin dibuat dengan RR = 0,50 yang biasa
disebut tingkat simetrik.
Perbaikan dalam metalurgi memungkinkan pembuatan sudu yang dapat
beroperasi pada temperatur tinggi. Penggunaan keramik, pengecoran kristal
tunggal dan pendinginan sudu dapat menaikkan temperatur gas masuk yang
diijinkan mencapai 1750 K, bahkan lebih. Sudu-sudu turbin dapat didinginkan
dengan menggunakan 3 – 10% udara kompresor, atau 1,5 – 2,5% udara
kompresor per satu baris sudu. Lubang-lubang kecil untuk pendinginan dapat
dibuat dengan erosi loncatan listrik (spark erosion).
Ada 4 macam pendingian yang biasa digunakan pada turbin gas, yaitu:
1. Pendinginan konveksi
2. Pendinginan pancaran
3. Pendinginan lapisan
4. Pendinginan transpirasi
Gambar III-10 Sudu turbin radial
Boiler dan Turbin
56
Gambar III-11 Sudu turbin aksial dan cara pendinginannya
3.3.3 Ruang Bakar
Ruang bakar adalah tempat terjadinya pembakaran. Proses pembakaran
mencakup peristiwa fisika dan kimia yang kompleks. Api berwarna biru
menunjukkan pembakaran dari campuran yang sempurna antara bahan bakar
dan udara, sedangkan warna putih dan kuning menunjukkan pembentukan
karbon, warna hijau menunjukkan kaya setempat (lokal) disertai dengan
pembentukan radikal-radikal. Pembakaran sempurna harus diusahakan untuk
mencapai temperatur pembakaran yang tinggi dan menekan emisi gas buang.
Perbandingan bahan bakar – udara pada turbin gas relatif kecil (f ≈ 1/50 –
1/200) dibandingkan dengan motor otto (f ≈ 1/15) atau motor diesel (f ≈ 1/20).
Batas nyala untuk bahan bakar hidrokarbon adalah antara f ≈ 1/30 – 1/5.
Kecepatan perambatan nyala adalah 5 – 7 m/s, sedangkan kecepatan udara
keluar dari kompresor antara 150 – 450 m/s. Untuk itu diperlukan langkah-
langkah tertentu agar reaksi pembakaran di dalam ruang bakar dapat
berlangsung dengan baik. Langkah-langkah tersebut adalah yang akan diuraikan
berikut ini:
1. Kecepatan udara diturunkan dengan difuser. Dengan cara ini
kecepatan udara turun menjadi 25 m/s.
2. Selanjutnya udara dibagi menjadi dua, yaitu udara primer dan
sekunder.
Boiler dan Turbin
57
3. Pada udara primer udara disemprotkan bahan bakar sehingga
campuran udara dan bahan bakar mendekati stokhiometrik, untuk
bahan bakar hidrokarbon sekitar f = 1/15. Sedangkan kecepatan udara
diusahakan rendah (mis. 1 – 5 m/s) pada pada sumbu, dan boleh lebih
besar pada daerah yang jauh dari sumbu. Hal ini terjadi pada zone I.
4. Selanjutnya campuran gas bahan bakar ini masuk ke zone II, dimana
udara skunder dimasukkan secukupnya melalui lubang-lubang pada
dinding tabung dalam. Pemasukan udara skunder harus diatur supaya
tidak menghentikan pembakaran karena pendinginan, akan tetapi
menyempurnakannya.
5. Pada zone III, dimasukkan lagi 20 – 40% jumlah udara total, yang
bertujuan menurunkan dan menyeragamkan temperatur.
Gambar III-12 Skema ruang bakar turbin gas aliran lurus dan
zona pembakaran
Jenis-jenis ruang bakar pada turbin gas:
1. Tabular atau kan (can): berukuran relatif kecil, terdiri atas beberapa
buah (unit) yang melingkari sumbu atau poros motor, pada setiap unit
terdapat penyemprot bahan bakar, tetapi penyala (igniter) tidak
dipasang pada setiap unit, pipa api menghubungkan zona I (primer)
dari setiap unit. Jenis ini banyak digunakan pada awal perkembangan
turbin gas.
2. Anular: tabung luar dan tabung dalam melingkari sumbu motor,
dilengkapi dengan beberapa penyemprot bahan bakar dalam zone
primer yang juga melingkari poros, dilengkapi dengan satu atau lebih
penyala.
3. Turbo-anular atau kanular: merupakan perpaduan antara anular
dengan kan, dinding luar serupa dengan ruang bakar anular, tetapi
dinding dalam berupa beberapa buah berbentuk silinder dipasang di
dalam ruang anular melingkari sumbu ruang bakar, pada setiap
tabung terdapat penyemprot bahan bakar.
Untuk jenis pertama dan kedua masing bisa dibagi lagi menjadi aliran balik dan
aliran lurus.
Boiler dan Turbin
58
Tabel III-1 Jenis-jenis ruang bakar, keuntungan dan
kerugiannya
3.4 Siklus Kombinasi
Seiring dengan peningkatan harga bahan bakar, perlu dilakukan usaha-usaha
untuk meningkatkan efisiensi pembangkit daya. Kombinasi antara siklus
Brayton yang menggunakan turbin gas dan siklus Rankine yang menggunakan
turbin uap adalah solusi yang sudah banyak diterapkan, terutama untuk
pembangit daya yang menggunakan bahan bakar gas. Turbin gas dimanfaatkan
kelebihannya untuk mengekstraksi daya dari gas pembakaran yang
bertemperatur dan tekanan tinggi, sedangkan turbin uap digunakan untuk
Boiler dan Turbin
59
mengekstraksi energi yang tersisa dari gas buang, yang masih bertekanan dan
bertemperatur mencukupi. Gambar III-13 menunjukkan skema dari siklus
kombinasi (combined cycle). Tingkat keadaan1a, 2a, 3a dan 4a menunjukkan
siklus udara (gas hasil pembakaran), sedangkan 1s, 2s, 3s dan 4s menunjukkan
siklus uap.
Gambar III-13 Skema siklus kombinasi
Gambar III-14 menunjukkan gambaran distribusi energi pada siklus kombinasi.
Mulai dari energi bahan bakar, menjadi energi yang berguna dan energi yang
terbuang.
Gambar III-14 Gambaran distribusi energi pada siklus
kombinasi
Boiler dan Turbin
60
3.5 Perawatan
Pembatas umur turbin gas terutama akibat batasan umur ruang bakar, nosel
tingkat pertama, dan sudu gerak tingkat pertama. Setelah itu baru sistem kontrol
dan bantalan.
Seperti pembangkit daya lainnya, turbin gas memerlukan inspeksi terprogram
terhadap penggantian komponen yang rusak. Pelaksanaan program inspeksi dan
perawatan preventif yang tepat akan sangat meningkatkan availabilitas turbin
gas dan mengurangi perawatan tak terjadwal. Pada umumnya inspeksi dan
perawatan preventif bisa sangat mahal, tetapi tidak akan semahal mati tiba-tiba
(forced shutdown). Hampir semua pembuat turbin menjelaskan prosedur
perawatan preventif mesin yang dihasilkan. Berikut ini adalah inspeksi yang
umum dilakukan pada turbin gas:
1. Level minyak pelumas
2. Kebocoran pelumas
3. Mur-baut, fitting pipa, sambungan listrik kendor
4. Filter udara masuk
5. Sistem gas buang
6. Lampu indikator sistem monitor dan kontrol
3.6 Kesimpulan
1. Pembangkit daya turbin gas mempunyai kelebihan utama, yaitu tingginya
daya yang dibangkitkan untuk berat mesin yang sama. Turbin gas juga bisa
dianggap bebas getaran, dapat beroperasi dengan berbagai bahan bakar,
seperti: gas alam, minyak diesel, nafta, metana, minyak mentah, gas dengan
nilai kalor rendah, minyak bakar yang divoporisasi, bahkan gas biomassa.
2. Secara termodinamik, peningkatan efisiensi pembangkit daya turbin gas,
dapat dilakukan dengan: meningkatkan perbandingan kompresi,
meningkatkan temperatur ruang bakar, serta modifikasi dari siklus
sederhana, berupa reheat, dan pemasangan intercooler.
3. Kompresor aksial dan turbin aksial lebih banyak digunakan karena
efisiensinya yang lebih baik. Sudu gerak perlu didinginkan, pendinginan
dilakukan dengan mengalirkan sebagian udara dari kompresor.
4. Tiga jenis ruang bakar yang digunakan pada turbin gas, yaitu: tabular atau
kan, anular dan turbo anular atau kanular.
5. Siklus kombinasi dapat mengingkatkan efisiensi menjadi sangat tinggi,
karena memanfaatkan kemampuan turbin gas untuk mengekstraksi daya pada
temperatur tinggi, dan kemampuan turbin uap untuk memanfaatkan sisa
energi pada gas buang yang bertemperatur rendah.
3.7 Soal-soal
1. Apa yang dimaksud turbin gas?
2. Sebutkan kekurangan dan kelebihan turbin gas.
Boiler dan Turbin
61
3. Secara termodinamik, bagaimana meningkatkan efisiensi turbin gas.
4. Jelaskan jenis-jenis komprsor dan turbin menurut cara kerjanya.
5. Gambarkan skema pembangkit daya siklus kombinasi.
6. Bagian mana dari turbin gas yang paling banyak mengalami kerusakan.
7. Jelaskan jenis-jenis pendinginan pada sudu turbin gas.
8. Jelaskan jenis-jenis ruang bakar, keuntungan dan kerugiannya masing-
masing.
9. Sebuah turbin gas bekerja dengan pemanasan ulang. Temperatur udara
masuk kompresor 25°C, pada tekanan 1 bar, kemudian dikompresi hingga
mencapai 8 bar. Pemanasan dilakukan hingga temperatur 1100°C. Turbin
tingkat pertama mengekspansikan gas asap sampai pada tekanan 4 bar,
kemudian dilakukan pemanasan ulang hingga mencapai 1100°C lagi
kemudian diekspansikan pada turbin tingkat kedua. Laju aliran massa udara
siklus adalah 30 kg/s. Hitunglah daya, BWR dan Heat rate turbin gas
tersebut, bila:
a. Dengan reheater
b. Tanpa reheater, menggunakan satu turbin saja.
Boiler dan Turbin
62
BAB IV
TURBIN AIR
Tujuan Pembelajaran Umum
1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasar-
dasar perawatan turbin air.
Tujuan Pembelajaran Khusus
1. Mahasiswa bisa menjelaskan definisi, kelebihan dan kekurangan pembangkit
daya air.
2. Mahasiswa bisa menjelaskan dasar-dasar mekanika fluida yang berhubungan
dengan turbin air, serta klasifikasinya
3. Mahasiswa bisa menjelaskan konstruksi, bagian-bagian, dan perhitungan daya
turbin Pelton.
4. Mahasiswa bisa menjelaskan konstruksi, bagian-bagian, dan perhitungan daya
turbin Francis.
5. Mahasiswa bisa menjelaskan konstruksi, bagian-bagian, dan perhitungan daya
turbin Kaplan.
6. Mahasiswa bisa menjelaskan peristiwa kavitasi pada turbin air dan cara
menanggulanginya.
7. Mahasiswa bisa menjelaskan dasar-dasar perawatan turbin air.
4.1 Pengantar
Turbin adalah mesin yang mengubah, atau mengekstraksi energi fluida yang
mengalir kontinyu menjadi daya poros. Turbin air mengubah energi air berupa
energi potensial maupun kinetik air menjadi daya poros.
Turbin air umumnya digunakan pada pembangkit daya tenaga air dalam bentuk
Pembangkit Listrik Tenaga Air. PLTA memiliki kelebihan-kelebihan dibanding
dengan PLTU maupun pembangkit listrik lainnya sebagai berikut:
1. Mempunyai efisiensi tinggi
2. Fleksibel dalam pengoperasian: tidak memerlukan waktu lama dalam
start up, serta dengan mudah dapat menyesuaikan terhadap perubahan
beban, bahkan bisa dioperasikan sebagai pompa sehingga berfungsi
seperti baterai.
3. Keausan relatif rendah
4. Bahan energi masukannya terbarukan, dan tidak akan habis selama bisa
dijaga kelestariannya.
5. Tidak menghasilkan polusi atmosfir.
Boiler dan Turbin
63
6. Reservoirnya bisa digunakan sebagai cadangan air baku, pariwisata,
perikanan maupun irigasi.
Meskipun begitu PLTA juga memiliki kekurangan-kekurangan diantaranya
adalah:
1. Biaya investasi yang lebih besar.
2. Memerlukan lahan yang cukup luas untuk reservoir air, sehingga sangat
berpotensi untuk menimbulkan masalah sosial dan lingkungan. Hal ini
terutama jika tidak terdapat danau alam, dan harus dibuat waduk atau
danau buatan.
3. Walaupun suplai sumber energi PLTA berupa adanya air pada ketinggian
selalu ada, namun pada prakteknya umur waduk terbatas, terutama akibat
adanya sedimentasi dan berbagai aktifitas manusia lainnya.
Seperti pada turbin uap dan tubin gas, pada turbin air juga dikenal turbin impuls
dan turbin reaksi.
4.2 Dasar Mekanika Fluida
Gambar IV-1 menunjukkan instalasi suatu tubin air.
Gambar IV-1 Instalasi suatu turbin air
Daya hidrolik yang diberikan oleh air terhadap turbin adalah:
Sedangkan daya poros yang dikeluarkan oleh turbin adalah:
gQH
Ps
0
Efisiensi hidrolik (hydraulic eff.)
gQH
PP msH
Dimana:
= rugi-rugi mekanik
= daya poros
Boiler dan Turbin
64
= efisiensi keseluruhan (overall)
= efisiensi hidrolik (overall)
4.2.1 Analisis Dimensional
Fenomena yang terjadi pada suatu mesin fluida yang bekerja, amatlah kompleks.
Terjadi berbagai bentuk aliran, dan pertukaran energi antar fluida, antara fluida
dengan sudu dan sebaliknya. Terdapat banyak variabel yang saling
mempengaruhi. Seringkali, walaupun keterkaitan antara suatu variabel dengan
yang lain amat jelas, tetapi sulit dinyatakan dalam persamaan analitis. Analisis
dimensional merupakan usaha untuk memprediksi keterkaitan antar variabel
tersebut berdasarkan dimensinya (satuannya). Analisis dimensional berfungsi:
menyederhanakan hubungan antar variabel dalam bentuk hubungan antar group
variabel yang tak berdimensi, memprediksi perilaku prototipe berdasarkan
perilaku model, dan menentukan jenis turbin yang sesuai (mempunyai efisiensi
paling tinggi) jika head, debit dan kecepatan putarnya diketahui.
.
Gambar IV-2 Volume atur pada turbin air
Gambar IV-2 adalah skema yang menunjukkan hubungan berbagai variabel pada
suatu turbin air. Daya dari turbin merupakan fungsi dari berbagai variabel, yang
dinyatakan dengan persamaan berikut ini:
Asumsikan daya merupakan hasil kali konstanta dan semua variabel yang
terlibat dengan pangkat masing-masing:
Jika setiap variaebel dinyatakan dengan dimensi dasar, maka kita peroleh:
gHQDNfP ,,,,,
fedcba gHQDNconstP
Boiler dan Turbin
65
Dengan menyamakan pangkat ruas kanan dengan ruas kiri, maka diperoleh:
Persamaan dicatas dapat ditulis:
Dimana:
Hubungan antara koefisien daya dengan koefisian kapasitas dan koefisien head
dinyatakan oleh Gambar VI-3.
Gambar IV-3 Karakteristik performasi turbin air
4.2.2 Pemodelan
Banyak turbin air dibuat dengan diameter sangat besar, dan hanya dibuat satu
buah. Untuk mengetahui karaktristik turbin tersebut secara riil, tidaklah mungkin
dengan menguji turbin tersebut di laboratorium. Untuk itu, dibuatlah model
dengan ukuran yang lebih kecil dan sesuai dengan prototipe yang ada, untuk
diuji di laboratorium. Antara model dan prototipe harus memenuhi persyaratan:
fe
d
cba
T
L
T
LL
LT
M
TL
Mconst
T
ML
2
23
33
2 1
fefeccfecc gHQDNconstP 2325231
fec
DN
gH
ND
Q
NDDNconstP
2232
53
,Re,fP
Re
1
.. :ReynoldsBilangan Koefisien
.. :DayaKoefisien
.
. :HeadKoefisien
. :KapasitasKoefisien
2
53
22
3
DN
PDN
P
DN
Hg
DN
Q
Boiler dan Turbin
66
keserupaan geometrik, keserupaan kinemetik dan keserupaan dinamaik.
Keserupaan dinamik mengimplikasikan kerserupaan geometrik dan kinematik.
Keserupaan dinamik bearti gaya-gaya yang bersesuaian, yang bekerja pada
model dan prototipe, mempunyai perbandingan yang sama. Ini bearati bilangan-
bilangan tak berdimenasi: koefisien daya, head, kapasitas, dan bilangan Reynold
antara model dan prototipe haruslah sama. Dengan demikian maka: bila
diameter model (1) sama dengan prototipe (2) maka:
Sedangkan bila putaran model (1) sama dengan prototipe (2) maka:
4.2.3 Kecepatan Spesifik Daya
Telah diketahui bersama bahwa hubungan karakteristik fungsional, seperti
terlihat pada Gambar VI-2 berlaku untuk turbin yang serupa, mempunyai desain
yang sama, atau dalam satu keluarga yang sama. Dengan demikian, dapat
dirumuskan suatu parameter yang mewakili bentuk turbin, yang bebas dari
diameter. Dengan asumsi bahwa head dan daya lebih signifikan dalam turbin,
dibanding dengan debit, maka dirumuskanlah suatu parameter yang disebut
kecepatan spesifik daya (power specific speed), dengan mengeleminasi
diameter, sebagai berikut:
Sehingga diperoleh:
Rumusan di atas adalah kecepatan spsifik dalam satuan SI. Nsp mempunyai
satuan radial.
3
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
.
.
.
N
N
P
Pc
N
N
H
Hb
N
N
Q
Qa
3
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
.
.
.
D
D
P
Pc
D
D
H
Hb
D
D
Q
Qa
4/5
2/1
PN sp
45)(
//sp
gH
PNN
Boiler dan Turbin
67
Gambar VI-4 menunjukkan perkiraan efisiensi berdasarkan bentuk runner
(bagian yang berputar) turbin untuk berbagai kecepatan spesifik. GambarVI-5
menunjukkan berbagai runner dengan kecepatan spesifiknya.
Gambar IV-4 Efisiensi turbin dan bentuk runner turbin air untuk
berbagai kecepatan spesifik
Gambar IV-5 Berbagai bentuk runner turbin air dengan
kecepatan spesifiknya
Boiler dan Turbin
68
Para praktisi sering menyatakan kecepatan spesifik dalam satuan-satuan yang
umum dipakai. Tambahan lagi faktor g (grafitasi) dan ρ dihilangkan karena
konstan. Koefisien debit diutamakan atas koefisien daya, selanjutnya diperoleh
rumusan di bawah ini
⁄
⁄
Kecepatan putar dalam rpm, debit dinyatakan dalam m3/s, dan H dalam m,
diperoleh Gambar di bawah ini.
Gambar IV-6 Kecepatan spesifik [rpm] dan bentuk turbin
4.2.4 Daya pada Turbin
Jika suatu benda menumbuk benda lain, maka benda yang tertumbuk akan
mengalami perubahan momentum sebesar :
12 VVmM
Gaya adalah laju perubahan momentum, sehingga gaya yang dialami oleh benda
adalah:
t
VVm
t
M
12
Boiler dan Turbin
69
Gambar IV-7 Momentum sudut pada turbin air
Laju perubahan momentum sudut:
1122 xx CrCrmT
Jika mesin berputar:
1122 xx CrCrmT
Maka daya mesin :
1122 xx CUCUmT
Untuk turbin :
2211 xx CUCUmT > 0 atau
2211 xx CUCUmP
Dimana:
C = kecepatan fluida
U = kecepatan linier sudu = r
Persamaan terakhir di atas disebut persamaan Euler untuk turbin, yang
selanjutnya ditulis sbb.:
daya turbin per laju aliran berat air
4.3 Turbin Pelton
Turbin Pelton termasuk turbin air yang murni impuls, dimana semprotan jet air
dari nosel menumbuk sudu gerak (bucket) berbentuk sepasang mangkuk, yang
dipasang berderet sepanjang periperal roda turbin. Tekanan air yang keluar dari
nosel, sampai reservoir bawah atau tail race bertekanan konstan.
Skema turbin Pelton pada suatu instalasi pembangkit daya air dapat dilihat pada
Gambar IV-1. Pressure tunnel (pipa tekan) dengan kemiringan rendah, yang bisa
sangat panjang dibanding dengan penstock. Pipa tekan akan mengalami
Boiler dan Turbin
70
fluktuasi tekanan yang sangat besar akibat pengontrolan beban oleh katup masuk
turbin. Segitiga kecepatan dapat dilihat pada gambar IV-3.
Tabel IV-1 Instalasi turbin Pelton pada suatu pembangkit daya
listrik
Tabel IV-2 Bagian-bagian turbin Pelton
Boiler dan Turbin
71
Tabel IV-3 Segi tiga kecepatan pada sudu gerak turbin Pelton
Indeks 1 menunjukkan kondisi air masuk, sedangkan indeks 2 menunjukkan
kondisi keluar. Daya persatuan berat air yang dibangkitkan oleh turbin Pelton
dapat dicari dari persamaan Euler.
Dari segi tiga kecepatan diperoleh:
Dengan mengasumsikan tidak ada rugi-rugi aliran sepanjang sudu gerak, maka
. Sehinga diperoleh:
Dengan memasukan faktor koreksi kecepatan relatif k, diperoleh:
cos11 kUCg
UE
Efisiensi pembakitan
inE
E
Boiler dan Turbin
72
g
CEin
2
2
1
Dimana:
P = daya turbin
= kecepatan liner sudu gerak
Kecepatan semburan jet air masuk
kecepatan relatif air terhadap sudu gerak
faktor koreksi kecepatan relatif
= laju aliran massa air
Daya maksimum akan terjadi bila:
Pengaturan beban dilakukan dengan katup tombak (spear valve). Untuk
mengantisipasi perubahan beban tiba-tiba dilakukan dengan membelokkkan arah
aliran jet menggunakan deflektor.
Gambar IV-8 Pengaturan beban pada turbin Pelton
4.4 Turbin Francis
Turbin Francis disebut juga turbin radial karena air mengalir dari arah radial
atau tegak lurus sumbu putar. Turbin Francis merupakan turbin reaksi. Untuk
mencapai kondisi reaksi maka rotor harus dilingkupi oleh rumah guna mencegah
Boiler dan Turbin
73
perubahan arah aliran air, sehingga sampai ke ujung sudu. Head total turbin
Francis antara 30 – 500 m, sedangkan kecepatan spesifiknya antara 0,3 – 2,5 rad.
Gambar IV-9 Instalasi dan distribusi energi pada turbin Francis
Mula-mula air masuk kedalam volut atau rumah spiral. Kemudian air melalui
sederetan sudu pengarah tetap, lalu melewati sudu pengarah tak tetap (bisa
diatur), kemudian ke rotor. Luas penampang di antara sudu pengarah tak tetap
dapat diatur sesuai dengan beban turbin.
Gambar IV-10 Bagian-bagian turbin Francis
Boiler dan Turbin
74
Gambar IV-11 Segitiga kecepatan turbin Francis
Segi tiga kecepatan turbin Francis dapat dilihat pada gambar IV-10. Dari
persamaan Euler diperoleh:
E akan maksimum bila Cx2 = 0.
Pada turbin Francis, air masuk turbin dari arah radial. Dengan demikian debit air
yang masuk kedalam turbin adalah:
tebal sudu gerak
Head total masuk turbin (0) = 0
2
00
2Z
g
V
g
p
Head total keluar turbin (3) = 3
2
33
2Z
g
V
g
p
Head total melintas turbin (0 -3) H= 30
2
3
2
030
2ZZ
g
VV
g
pp
Z3=0, p3= 1 atm (abs)
Agar V3 kecil, maka penampang 3 (tail race) harus besar. Akan tetapi
penampang tail race dibatasi oleh slope konus dan panjang pipa. Sudut
divergensi dibatasi 8° untuk mencegah separasi.
Boiler dan Turbin
75
4.5 Turbin Kaplan
Distribusi energi pada turbin Kaplan atau turbin aksial sama seperti pada turbin
Francis pada Gambar IV-8. Sudu pengarah inlet dibuat tetap, ditempatkan pada
bidang yang lebih tinggi dari dari runner (bagian yang berputar, sudu gerak
bersama poros), sedemikian sehingga air harus berbelok 90° sebelum masuk
runner, dan mengalir searah sumbu putar. Perubahan beban diperoleh dengan
pengaturan sudut bilah sudu runer. Karena turbin Kaplan ini digunakan pada
head rendah, maka sudu gerak haruslah panjang dan tebal, sehingga dapat
meneruskan torsi yang tinggi
Gambar IV-12 Bagian-bagian turbin Kaplan
Gambar IV-12 menunjukkan segi tiga kecepatan turbin Kaplan, yang biasanya
diambil pada bagian tengah dari radius rata-rata. Segi tiga kecepatan tentu saja
berubah dari hub ke ujung radius. Pada sudu turbin Kaplan berlaku:
Dengan demikian persamaan Euler menjadi:
Jika diasumsikan, pada begian uap keluar (exit) tidak ada whirl, maka
Dari segitiga kecepatan diperoleh:
Boiler dan Turbin
76
Agar E konstan sepanjang radius sudu, harus meningkat dari hub ke ujung,
artinya sudu harus dipuntir, karena U meningkat dari hub ke ujung dan C
konstan.
Gambar IV-13 Segitiga kecepatan turbin Kaplan
4.6 Kavitasi pada Turbin Air
Kavitasi adalah fenomena terjadinya gelembung-gelembung uap air akibat
terjadinya tekanan rendah lokal yang lebih redah dari tekanan uap pada
temperatur yang bersangkutan. Peristiwa kavitasi terjadi pada turbin maupun
pompa air. Tekanan rendah lokal bisa terjadi akibat turbulensi. Gelembung-
gelembung ini akan runtuh (kolaps) bila bergerak dan mencapai daerah yang
bertekanan cukup tinggi. Hal ini mengakibatkan benturan air, yang
menghasilkan tekanan tinggi. Biasanya hal ini berulang terus-menerus pada
tempat yang sama, dan bila mengenai bagian turbin akan mengakibatkan luka
(pitting). Kavitasi sejauh mungkin dihindari dengan menaikkan tekanan di
dalam turbin melaui penempatan turbin pada tempat serendah mungkin.
Koefisien kavitasi Thoma didevinisikan sebagai:
( )
Elevasi maksimum turbin air agar terhindar dari kavitasi :
Hg
ppZ c
vapatm
2
Koefisien kavitasi Thoma kritis untuk turbin Francis dan Kaplan dapat dilihat
pada gambar IV-16.
Boiler dan Turbin
77
Gambar IV-14 Koefisien kavitasi Thoma kritis untuk berbagai
turbin reaksi
Atau (bila NPSHR diketahui):
NPSHRg
ppZ
vapatm
2
4.7 Perawatan Turbin Air
Runer turbin air setelah dipakai cukup lama menunjukkan adanya luka (pitting)
akibat kavitasi, retak lelah (fatigue cracking) dan kegagalan. Perbaikan runner
menggunakan batang las yang sesuai dengan bahan induknya.
Turbin dirancang untuk dijalankan selama puluhan tahun dengan sedikit
mungkin perawatan pada bagian utama; overhaul dilakukan dalam selang
beberapa tahun. Pemeliharaan runer dan bagian terkena air meliputi
pembuangan, inspeksi, dan perbaikan bagian aus.
Keausan normal disebabkan oleh: pitting karena kavitasi, retak lelah, dan abrasi
oleh padatan tersuspensi dalam air. Bagian yang terbuat dari baja yang
diperbaiki dengan pengelasan, biasanya dengan batang stainless steel. Daerah
yang rusak dipotong atau digerinda, kemudian dilas kembali seperti semula atau
profilnya diperbaiki. Runer turbin lama, bila sudah diperbaiki dengan cara ini
dalam jumlah tertentu, munkin tidak dapat diperbaiki lagi dan harus diganti.
Prosedur pengelasan yang tepat memungkinkan perbaikan dengan kualitas
tertinggi.
Elemen lainnya yang membutuhkan pemeriksaan dan perbaikan selama overhaul
adalah bantalan, packing box dan shaft sleeves, servomotor, sistem pendingin
untuk bantalan dan kumparan generator, cincin sil, elemen wicketgate linkage
dan semua permukaan.
Boiler dan Turbin
78
Gambar IV-15 Runer turbin Francis yang rusak
4.8 Kesimpulan
1. Dengan berbagai kelemahan dan kerugiannya, pembangkit daya air telah
digunakan di banyak negara. Dengan mengetahui kelemahan-kelemahannya,
desaian dan pembuatannya dapat dilakukan dengan lebih baik.
2. Secara umum: turbin Pelton digunakan untuk head tinggi – debit rendah,
turbin Francis digunakan untuk head – debit menengah, turbin Pelton
digunakan untuk head rendah – debit tinggi.
3. Daya keluaran turbin dapat dihitung dengan melalui sigitga kecepatan.
4. Turbin air harus ditempatkan cukup rendah, untuk mengurangi kemungkinan
kavitasi.
5. Runer turbin air setelah dipakai cukup lama menunjukkan adanya luka
(pitting) akibat kavitasi, retak lelah (fatigue cracking) dan kegagalan.
Perbaikan runner menggunakan batang las yang sesuai dengan bahan
induknya.
4.9 Soal-soal
1. Terangkan kelebihan dan kekurangan pembangkit daya air dibanding dengan
pembangkit daya lainnya.
2. Sebuah turbin air akan digunakan pada head 91,5 m dan debit 0,04 m³/s,
dengan putaran 720 rpm. Jika efisiensinya diperkirakan 80%, Hitunglah daya
keluaran turbin. Hitunglah kecepatan spesifik turbin, dan tentukan jenis tubin
air yang sesuai.
3. Sebuah pembangkit listrik menggunakan turbin Francis dengan putaran 1260
rpm. Head nettonya sebesar 124 m, dengan debit sebesar 0,5 m³/s. Radius
rurner 0,6 m, lebar sudu runer inlet 0,03 m, sudut sudu pengarah diset 72°
dari arah radial. Dengan mengsumsikan kecepatan air absolut murni radial,
Hitunglah torsi, daya, dan efisiensi hidrolik turbin.
4. Sebuah turbin air didesain pada 300 rpm dengan head netto 50 m, daya 2
MW. Kec. Keluar runner 10,4 m/s,Tinggi runner 6 m dari permukaan
air.Tekanan uap air 4 kPa.
Apakah terjadi kavitasi?
Boiler dan Turbin
79
Berapa ketinggian outlet runner maksimum agar tidak terjadi kavitasi?
Head loss atara outlet runner dan tailrace ketika kavitasi hampir terjadi.
Paremeter kavitasi kritis untuk turbin tersebut adalah sbb:
Ns (rev) 0 0,049 0,096 0,144 0,192 0,24
σc (-) 0 0,04 0,1 0,18 0,28 0,41
Boiler dan Turbin
80
REFERENSI
1. Bloch, Heinz P., Singh, Murari P., Steam Turbines Design, Applications,
and Rerating, McGraw-Hill Book Company, New York, 2009
2. Boyce, Meherwan P., Gas Turbine Engineering Handbook, Gulf Publishing
Company, 2nd
Edition, Houston,Texas, 2002
3. Dukelov, Samuel G., The Control of Boilers, Instrument Society of America,
1991
4. http://asro.wordpress.com/2009/01/30/process-equipment-control-4-boiler-
control
5. Kanwil Depnaker Propinsi Jawa Barat, Mater Pelajaran Operator Pesawat
Uap Kelas II, 1998
6. Leyzerovich, Alexander S., Steam Turbines for Modern Fossil Fuel Power
Plants, Fairmont Press, Inc., Lilburn, 2008
7. Praswasti PDK Wulan, Teknik Pembakaran, Universitas Indonesia, 2004
8. Sayers, A. T., Hydraulic and Compresible Flow Turbomachines, McGraw-
Hill Book Company, London, 1990
9. Shlyakhin, P. Steam Turbines, Theory and Design, Forign Languages
Publishing House, Moskow
10. William C. Reynolds, Henry C. Perkins, Termodinamika Teknik, Edisi
kedua, Penerbit Erlangga, 1991
11. Wiranto Arismunandar, Pengantar Turbin Gas dan Sistem Propulsi, Penerbit
ITB, Bandung, 2002
12. www.energyefficiencyasia.org, Boiler
13. http://en.wikipedia.org
14. http://www.lenntech.com
15. http://www3.toshiba.co.jp/power/english/thermal/service/support/gene7/rbm.
htm
Boiler dan Turbin
81
GBPP (Garis-garis Besar Program Pengajaran)
Boiler dan Turbin
82
SAP (Satuan Acara Perkuliahan)