TURBIN UAP

A. Pengertian Turbin Uap

Istilah turbin berasal dari bahasa latin yaitu ”turbo” yang berarti putar. Karena energi

yang digunakan untuk memutar poros turbin adalah energi potensial fluida maka turbin

sendiri termasuk ke dalam golongan mesin-mesin fluida.

Mesin–mesin fluida adalah mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis pada

poros menjadi energi potensial fluida atau sebaliknya, yaitu mengubah energi potensial fluida

menjadi energi mekanis pada poros.

Secara umum mesin fluida dapat digolongkan menjadi dua golongan besar, yaitu:

1. Mesin kerja, adalah mesin fluida yang berfungsi mengubah energi mekanis pada poros

menjadi energi potensial fluida, misalnya : pompa, kompresor, blower, dan lain-lain.

2. Mesin tenaga, adalah mesin fluida yang berfungsi mengubah energi potensial fluida

menjadi energi mekanis pada poros, misalnya : kincir angin, turbin air, turbin gas, dan turbin

uap.

Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial kukus

menjadi energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran

poros turbin. Poros turbin langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan

dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digerakkan,

turbin uap dapat dipergunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga

listrik, dan untuk transportasi.

Turbin uap secara umum diklasifikasikan kedalam tiga jenis impuls, dan gabungan

(impuls-reaksi) yang tergantung pada cara perolehan perubahan energi potensial menjadi

energi kinetik semburan kukus.

B. Komponen-komponen Turbin Uap

 Keterangan :1. Kopling, 2. Bantalan luncur, 3. Poros turbin, 4. Tutup (casing) atas, 5. Piringan dan sudu

jalan, 6. Piringan dan sudu arah, 7. Rumah (casing) turbin bawah, 8. Labirint, 9. Bantalan radial dan aksial, 10.

Penumpu (pedestal) bantalan depan, 11. Penumpu (pedestal) bantalan belakang, 12. Sistem kontrol hidrolik,

13. Katup pengontrol

Komponen-komponen utama pada turbin uap yaitu

a.         Cassing

Adalah sebagai penutup (rumah) bagian-bagian utama turbin.

b.        Rotor

Adalah bagian turbin yang berputar terdiri dari:

1)     Poros

Berfungsi sebagai komponen utama tempat dipasangnya cakram-cakram sepanjang

sumbu.

2)     Sudu turbin atau deretan sudu

Berfungsi sebagai alat yang menerima gaya dari energi kinetik uap melalui nosel.

3)     Cakram

Berfungsi sebagai tempat sudu-sudu dipasang secara radial pada poros.

c.     Nosel

Berfungsi sebagai media ekspansi uap yang merubah energi potensial menjadi energi

kinetik.

d.    Bantalan (bearing)

Merupakan bagian yang berfungsi uuntuk menyokong kedua ujung poros dan banyak

menerima beban.

e.      Perapat (seal)

Berfungsi untuk mencegah kebocoran uap, perapatan ini terpasang mengelilingi poros.

Perapat yang digunakan adalah :

1.      Labyrinth packing

2.      Gland packing

f.       Kopling

Berfungsi sebagai penghubung antara mekanisme turbin uap dengan mekanisme yang

digerakkan.

C. Prinsip Kerja Turbin Uap

Turbin uap terdiri dari sebuah cakram yang dikelilingi oleh daun-daun cakram yang

disebut sudu-sudu. Sudu-sudu ini berputar karena tiupan dari uap bertekanan yang berasal

dari ketel uap, yang telah dipanasi terdahulu dengan menggunakan bahan bakar padat, cair

dan gas.

Uap tersebut kemudian dibagi dengan menggunakan control valve yang akan dipakai

untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung dengan pompa dan juga sama halnya

dikopel dengan sebuah generator singkron untuk menghasilkan energi listrik.

Setelah melewati turbin uap, uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi tadi

muncul menjadi uap bertekanan rendah. Panas yang sudah diserap oleh kondensor

menyebabkan uap berubah menjadi air yang kemudian dipompakan kembali menuju boiler.

Sisa panas dibuang oleh kondensor mencapai setengah jumlah panas semula yang masuk. Hal

ini mengakibatkan efisisensi thermodhinamika  suatu turbin uap bernilai lebih kecil dari 50%.

Turbin uap yang modern mempunyai temperatur boiler sekitar 5000C sampai 6000C dan

temperatur kondensor 200C sampai 300C (Shlyakhin,P: Turbin uap. Hal 12).

C.1 Asas Impuls dan Reaksi

Turbin adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik uap

menjadi putaran poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu turbin. Sebagai

perbandingan dengan mesin torak yang bekerja karena ekpansi energi panas gas atau uap di

dalam silinder yang mendorong torak untuk bergerak bolak-balik. Pada dasarnya, prinsip

kerja mesin torak dengan turbin uap adalah sama. Fluida gas dengan energi potensial yang

besar berekspansi sehingga mempunyai energi kinetik tinggi yang akan medorong torak atau

sudu, karena dorongan atau tumbukan tersebut, torak atau sudu kemudian bergerak. Proses

tumbukan inilah yang dinamakan dengan Impuls.

Azas impuls dapat dijelaskan dengan metode sebagai berikut. Adalah sebuah pelat

yang ditumbuk dengan fluida gas berkecepatan Vs, dan laju massa m, karena pelat itu beroda

sehingga bergerak dengan kecepatan Vb. Dari dua model di atas, dapat dilihat bahwa model

sudu mempunyai daya yang lebih besar pada kecepatan dan laju massa fluida gas yang sama.

Maka dengan alasan tersebut, bentuk sudu dianggap yang paling efisien untuk diterapkan

pada turbin uap atau jenis turbin lainnya seperi turbin gas dan air. Penerapan model sudu

tersebut di atas pada turbin uap, yaitu menata sudu sudut tersebut sebaris mengelilingi roda

jalan atau poros turbin uap, sehingga terjadi keseimbangan gaya.

Perbedaan turbin impuls dan reaksi dari segi aliran

Model turbin impuls dalam sejarahnya sudah pernah dibuat oleh Branca. Prinsip

kerjanya adalah dengan menyemburkan uap berkecapatan tinggi melalui nosel ke sudu-sudu

impuls pada roda jalan. Akibat adanya tumbukan antara semburan gas dengan sudu-

sudu jalan turbin impuls, poros turbin menjadi berputar.

Berbeda dengan azas impuls, azas reaksi untuk sebagaian orang lebih sulit dipahami.

Untuk menggambarkan azas reaksi bekerja pada gambar adalah model jet uap dari Newton.

Semburan uap dari tabung mempunyai energi kinetik yang besar sehingga sepeda

akan bergerak ke kiri. Dari hal tersebut dapat dipahami bahwa mesin tersebut bekerja dengan

azas reaksi, yaitu semburan uap melakukan aksi sehingga timbul reaksi pada sepeda untuk

begerak melawan aksi.

D. Klasifikasi Turbin Uap

Untuk memudahkan identifikasi terhadap turbin uap, maka turbin uap diklasifikasikan

sebagai berikut :

1.      Menurut jumlah tingkat tekanan

a)     Turbin satu tingkat yang memiliki kapasitas tenaga kecil, biasanya digunakan untuk

menggerakkan kompresor, pompa, dan mesin-mesin lainnya yang kapasitas tenaganya kecil.

b)     Turbin bertingkat banyak (neka tingkat), yaitu turbin yang dibuat untuk kapasitas tenaga dari

kecil kepada yang besar dan biasanya terdiri dari susunan beberapa nosel dan beberapa

cakram yang ditempatkan berurutan dan berputar pada satu poros yang sama.

2.      Menurut arah aliran uap

a)      Turbin aksial, yang uapnya mengalir dengan arah yang sejajar terhadap poros turbin.

b)      Turbin radial, yang arah aliran uapnya tegak lurus terhadap poros turbin.

3.      Menurut jumlah silinder

a)      turbin silinder tunggal

b)      turbin silinder ganda

c)      turbin tiga silinder

d)     turbin empat silinder

4.      Menurut kondisi uap yang digunakan

a)     Turbin tekanan lawan, yaitu bila tekanan uap bekas sama dengan tekanan uap yang

dibutuhkan untuk keperluan proses kegiatan pabrik. Turbin ini tidak mengalami kondensasi

uap bekas.

b)      Turbin kondensasi langsung, yaitu turbin yang mengondensasikan uap bekasnya langsung ke

dalam kondensor, guna mendapatkan air kondensat untuk pengisi air umpan ketel.

c)     Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan, dimana uap bekas digunakan untuk keperluan proses.

d)    Turbin ekstraksi dengan kondensasi, dimana sebagian uapnya dipakai untuk proses dan

sebagian lagi untuk penyediaan kondensat air pengisi ketel uap.

e)     Turbin kondensasi dengan ekstraksi ganda, uap bekas dari turbin dipakai untuk kebutuhan

beberapa tingkat ekstraksi da sisanya dijadikan kondensasi dalam kondensor untuk kebutuhan

air pengisi ketel uap.

f)      Turbin non kondensasi dengan aliran langsung dan tanpa ada ekstraksi serta kondensasi, uap

bekas dibuang ke udara luar dengan tekanan lawan sama atau melebihi dari 1 atm.

g)     Turbin non kondensasi dengan ekstraksi, uap bekas tidak dikondensasikan, hanya digunakan

untuk proses.

5.      Menurut kondisi uap yang masuk ke dalam turbin

a)      Turbin tekanan rendah dimana tekanan uapnya 2 kg/cm2

b)      Turbin tekanan menengah, tekanan uap sampai dengan 40 kg/cm2

c)      Turbin tekanan tinggi, tekanan uap sampai dengan 170 kg/cm2

d)     Tubin tekanan sangat tinggi, tekanan uap di atas 170 kg/cm2

e)      Turbin adikritis, turbin uap yang beroperasi dengan tekanan uap di atas 225 kg/cm2.

6.      Menurut prinsip aksi uap

a)     Turbin impuls, yang energi potensial uapnya diubah menjadi energi kinetik di dalam nosel

atau laluan yang dilewati oleh sudu-sudu gerak,lalu energi kinetik ini diubah menjadi energi

mekanik pada poros turbin.

b)     Turbin reaksi aksial, yang ekspansi uap diantara laluan sudu, baik sudu pengarah maupun

sudu gerak tiap-tiap tingkat langsung pada derajat yang sama.

7.      Menurut sistem pemanas ulang uap

a)      Turbin uap dengan pemanas ulang tunggal

b)      Turbin uap dengan pemanas ulang ganda

8.      Menurut lingkungan pengoperasiannya

a)      Turbin darat, biasa terdapat pada industri atau PLTU untuk    menggerakkan generator

b)      Turbin yang dioperasikan di kapal.

9.      Menurut arah aliran uap

a)      Turbin aksial, Fluida kerja mengalir dalam arah yang sejajar terhadap sumbu turbin

b)      Turbin radial, Fluida kerja mengalir dalam arah yang tegak lurus terhadap sumbu turbin.

10.  Menurut prinsip aksi uap

a)      Turbin impuls, Energi potensial uap diubah menjadi energi kinetik di dalam nosel.

  Adapun turbin impuls mengubah energi potensial uapnya menjadi energi kinetik

didalam nosel (yang dibentuk oleh sudu-sudu diam yang berdekatan). Nosel diarahkan

kepada sudu gerak. Didalam sudu-sudu gerak, energi kinetik diubah menjadi energi mekanis.

Energi potensial uap berupa ekspansi uap, yang diperoleh dari perubahan tekanan awal

hingga tekanan akhirnya di dalam sebuah nosel atau dalam satu grup nosel yang ditempatkan

didepan sudu-sudu cakram yang berputar. Penurunan tekanan uap didalam nosel diikuti

dengan penurunan kandungan kalornya yang terjadi didalam nosel.  Hal ini menyebabkan

naiknya kecepatan uap yang keluar dari nosel (energi kinetik). Kemudian energi kecepatan

semburan uap yang keluar dari nosel yang diarahkan kepada sudu gerak (sudu-sudu cakram

yang berputar) memberikan gaya impuls pada-pada sudu gerak sehingga menyebabkan sudu-

sudu gerak berputar (melakukan kerja mekanis).

Atau bisa dafahami secara sederhana pronsip kerja dari turbin impuls yaitu turbin

yang proses ekspansi lengkap uapnya hanya terjadi pada kanal diam (nosel) saja, dan energi

kecepatan diubah menjadi kerja mekanis pada sudu-sudu turbin. Kecepatan uap yang keluar

dari turbin jenis ini bisa mencapai 1200 m/detik. Turbin jenis ini pertama kali dibuat oleh de

Laval, yang mana turbin ini mampu beroperasi pada putaran 30.000rpm. Pada aplikasinya

turbin impuls ini dilengkapi dengan roda gigi reduksi untuk memindahkan momen putar ke

mekanisme yang akan digerakkan seperti generator listrik.

b)      Turbin reaksi, Ekspansi uap terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak.

  Turbin reaksi yaitu turbin yang ekspansi uapnya tidak hanya terjadi pada laluan-laluan

sudu pengarah (nosel) yang tetap saja tetapi juga terjadi pada laluan sudu gerak (sudu-sudu

cakram yang berputar), sehingga terjadi penurunan keseluruhan kandungan kalor pada semua

tingkat sehingga terdistribusi secara seragam. Turbin yang jenis ini umumnyan digunakan

untuk kepentingan industri. Kecepatan uap yang mengalir pada turbin (yang biasanyan

nekatingkat)  lebih rendah yaitu sekitar 100 – 200 m/detik.

E. APLIKASI TURBIN UAP

Pembangkit Listrik Tenaga Uap ( PLTU )

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang mengandalkan

energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Bentuk utama dari pembangkit

listrik jenis ini adalah Generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga

kinetik dari uap panas/kering. Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up awal.

PLTU batu bara di Indonesia yang pertama kali dibangun adalah di Suryalaya pada

tahun1984 dengan kapasitas terpasang 4 x 400 MW. Kemudian PLTU Bukit Asam dengan

kapasitas 2 x 65 MW pada tahun 1987. Dan pada tahun 1993-an beroperasi pula PLTU Paiton

1 dan 2 masing-masing dengan kapasitas 400 MW. Kemudian PLTU Suryalaya akan

dikembangkan dari unit 5 - 7 dengan kapasitas 600 MW/unit. PLTU batu bara pada tahun

1994 kapasitasnya sudah mencapai 2.130 MW (16% dari total daya terpasang). Pada tahun

2003 kapasitasnya diperkirakan sekitar 12.100 MW (37%), tahun 2008/09 mencapai 24.570

MW (48%) dan pada tahun 2020 sekitar 46.000 MW. Sementara itu pemakaian batu bara

pada tahun 1995 tercatat bahwa untuk menghasilkan energi listrik sebesar 17,3 Twh

dibutuhkan batu bara sebanyak 7,5 juta ton. Dan pada tahun 2005 pemakaian batu bara

diperkirakan mencapai 45,2 juta ton dengan energi listrik yang dihasilkan mencapai 104Twh.

Pengaplikasian turbin pada PLTU itu sendiri adalah sebagai mesin penggerak,

dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda/poros turbin. Pada

turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi, melainkan gerakan rotasi. Bagian

turbin yang berputar biasa disebut dengan istilah  rotor/roda/poros turbin, sedangkan bagian

turbin yang tidak berputar dinamai dengan istilah stator. Roda turbin terletak didalam rumah

turbin dan roda turbin memutar poros daya yang digerakkannya atau memutar bebannya

(generator listrik,pompa, kompresor,baling-baling,dll).

Didalam turbin fluida kerja mengalami ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan

mengalir secara kontinyu. Penamaan turbin didasarkan pada jenis fluida yang mengalir

didalamnya, apabila fluida kerjanya berupa uap maka turbin biasa disebut dengan turbin uap.

Contoh beberapa PLTU yang ada di Indonesia :

No Pembangkit Tempat Kapasitas Keterangan1 PLTU NAD Meulaboh 2x100MW2 PLTU 2 Sumatera Utara Pangkalan Susu 2x200MW3 PLTU Sumatra Barat Teluk Sirih 2x100MW4 PLTU 3 Bangka Belitung Belitung 2 x 25MW5 PLTU 4 Bangka Belitung Belitung 2 x 15MW6 PLTU 1 Riau Bengkalis 2 x 10MW7 PLTU 2 Riau Selat Panjang 2 x 7 MW

8 PLTU Kepulauan RiauTanjung Balai Karimun

2 x 7 MW

9 PLTU Lampung Tarahan Baru 2x100MW

10PLTU 1 Kalimantan Barat

Kalimantan Barat 2 x 50MW

11PLTU 2 Kalimantan Barat

Bengkayang 2 x 25MW

12PLTU 1 Kalimantan Tengah

Pulang Pisau 2 x 60MW PLTU Pulang Pisau

13PLTU Kalimantan Selatan

Asam-Asam 2 x 65MWPLTU Asam-asam unit III dan IV

14 PLTU 2 Sulawesi Utara Amurang 2 x 25MW15 PLTU Sulawesi Tenggara Kendari 2 x 10MW16 PLTU Sulawesi Selatan Barru 2 x 50MW17 PLTU Gorontalo Gorontalo 2 x 25MW18 PLTU Maluku Maluku 2 x 15MW19 PLTU Maluku Utara Tidore 2 x 7 MW20 PLTU 1 NTB Bima 2 x 15MW21 PLTU 2 NTB Lombok 2 x 25MW22 PLTU 1 NTT Ende 2 x 7 MW23 PLTU 2 NTT Kupang 2 x 15MW24 PLTU 1 Papua Papua 2 x 7 MW25 PLTU 2 Papua Jayapura 2 x 10MW

F. DIAGRAM TURBIN UAP

1. DIAGRAM T-s

Pada proses 1-2 terjadi kompresi

isentropik yang terjadi di dalam

pompa, hal ini mengakibatkan tekanan fluida kerja menjadi naik. Pada proses 2-3 terjadi

penambahan panas dengan tekanan konstan di dalam boiler. Pada proses 3-4 terjadi ekspansi

isentropik di dalam turbin yang menyebabkan tekanan menjadi turun. Pada proses 4-1 terjadi

pembuangan panas ke lingkungan oleh kondensor pada tekanan konstan.

2. DIAGRAM h-s

dimana pada diagram tersebut terdapat nomor yang

merupakan definisi dari proses,yaitu:

Process 1-2 : Reversible adiabatic expansion in turbine (or steam engine)Process 2-3 : Constant-pressure transfer of heat in the condenserProcess 3-4 : Reversible adiabatic pumping process in the feed pumpProcess 4-1 : Constant-pressure transfer of heat in the boiler

G. PERHITUNGAN PADA TURBIN UAP

1. Perubahan Entalpi Spesifik ( Ek dan Ep diabaikan )/ efisiensi isentropis

a. Kompresi

n isen=h 2'−h1h2−h 1

Gas sempurna:

n isen=T 2 '−T 1T 2−T 1

b. Ekspansi

n isen= h 1−h 2h 1−h 2 '

Gas sempurna:

n isen= T 1−T 2T 1−T 2 '

2. Efisiensi Carnot

n th=T 1−T 2T 1

3. Persamaan Energi Aliran Tetap

q−Wx=∆ h+ ∆ V 2

2+∆ gz

4. Persamaan Entalpi dan Entropi

a. Entalpi

h=hf +X hfg

h fg=hg−h f

b. Entropi

s=sf + X sfg

s fg=sg−sf

5. Contoh Soal

Uap pada sebuah turbin uap adiabatis, berekspansi dari tekanan 60 bar dan

temperatur 500oC ketekanan 0,04 bar. Efisiensi isentropis turbin tersebut

adalah 0,82 dan perubahan energi kinetic dan potensial diabaikan. Tentukan keadaan

uap keluar turbin dan perpindahan kerja spesifik?

Jawab:

Menunjukkan proses ekspansi pada grafik Mollier

Dari tabel uap, pada 60 bar dan 500oC,

h1 = 3422,2 ( kj/ kg )

s1 = 6,8803 ( kj/ kg K )

Dalam grafik, garis vertical dari 1 ke 2’ menunjukkan proses reversible ideal.

Dari tabel uap 0,04 bar.

S2’ = S1 dan x2’ didapat dengan menggunakan Sf = 0,4231 ( kj/ kg K )

Dan Sfg = Sg – Sf dimana, Sfg = 8,4739 kj/ kg K – 0,4231 kj/ kg K = 8,0508 kj/ kg K

Sehingga, S1 = Sf + X Sfg

6,8803 kj/ kg K = 0,4231 kj/ kg K + X2’ 8,0508 kj/ kg K

X2’ = 6,4572 kj /kg K8,0508 kj /kg K

X2’ = 0,802

h2’ = hf + X2’ hfg

= 121,61 kj/ kg + 0,802 x 2432,8 kj/ kg

= 2072,72 kj/ kg

n isen= h1−h 2h 1−h2 '

ideal

2’

s

Saturated line

1

2

h

0,82= 3422,2 kj /kg−h 23422,2 kj /kg−2072,72

-h2 = 1106,57 kj/kg - 3422,2 kj/kg

h2 = 2315,63 kj/kg

Mencari X2 ;

h2 = hf + X2 hfg

2315,63 kj/kg = 121,61 kj/kg + X2 x 2432,8 kj/kg

X2 = 0,902

Dengan menggunakan persamaan energi aliran tetap

q−Wx=∆ h+ ∆ V 2

2+∆ gz

q = 0, ∆ V 2

2=0 , dan ∆ gz=0, Maka;

-Wx = ∆ h

-Wx = h2 – h1

-Wx = 2315,63 kj/kg – 3422,2 kj/kg

Wx = 1106,57 kj/kg