3.1. Turbin uap3.1.1. Prinsip Kerja dan Klasifikasi Turbin UapPada sistem pembangkitan listrik, turbin dihubungkan dengan generator untuk menghasilkan listrik. Sistem yang menggunakan turbin sebagai media penghasil energi mekanik pada generator diantaranya Pembangkit Listrik Tenaga Air, Pembangkit Listrik Tenaga Uap, Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi, hingga Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir. Perbedaannya hanya pada jenis turbin yang digunakan. Jenis turbin yang digunakan bergantung pada tipe pembangkitan yang digunakan. Bisa berupa turbin air, turbin gas, atau turbin uap. Turbin uap adalah jenis turbin yang paling sering digunakan dalam sistem pembangkitan. Turbin uap adalah turbin yang mengkonversi energi termal dari uap menjadi energi kinetik, dan mengkonversi energi kinetik tersebut menjadi energi mekanik. Turbin uap digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap, Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi, Pembangkit Listrik Tenaga Matahari dan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir.

Gambar 3.1. Siklus pembangkitan listrik sederhana [a]Turbin uap bekerja dengan menerima energi kinetik dari uap yang dialirkan pada turbin. Uap dengan tekanan, suhu, dan entalpi yang tinggi yang berasal dari boiler diekspansikan melalui nozzle menuju turbin. Pada saat keluar dari nozzle, energi kinetik dari uap akan bertambah (ditandai dengan pertambahan kecepatan) dikarenakan ekspansi yang dialami oleh energi tekanan (tekanan menurun). Energi kinetik yang besar tersebut akan dikonversi menjadi energi mekanik berupa putaran turbin. Turbin akan dihubungkan dengan generator untuk kemudian dihasilkan listrik.Berdasarkan jenis kerja nozzle nya, prinsip kerja turbin uap diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu :

Gambar 3.2. Impulse turbine (kiri) dan reaction turbine (kanan) [b]

1. Impulse blade turbinePrinsip kerja turbin dengan jenis impulse blade adalah dengan mentransfer momentum (mV) dari aliran uap kepada sudu turbin sehingga sudu turbin tersebut dapat bergerak. Momentum tersebut muncul dari gaya yang diberikan oleh uap yang kemudian mendorong turbin bergerak searah dengan arah gerak uap. Pada prinsip ini, nozzle tidak bergerak, melainkan berada pada satu titik. Nozzle terus mengeluarkan jet (istilah uap yang keluar dari nozzle) yang diarahkan ke bagian sudu turbin yang bergerak.

Gambar 3.3. Komponen dasar turbin dengan prinsip impulse turbine [b]

Secara umum, turbin jenis ini terdiri dari nozzle, casing, dan sudu turbin yang berputar. Mula mula, uap akan dikeluarkan melalui nozzle. Nozzle akan mengatur keluaran uap agar memiliki kecepatan yang diizinkan. Penambahan kecepatan tersebut dapat dimungkinkan karena di dalam nozzle terjadi konversi energi tekanan uap menjadi energi kinetik. Kenaikan energi kinetik akan membuat kecepatan uap bertambah. Uap yang keluar dari nozzle disebut jet. Selanjutnya, jet dengan kecepatan tinggi tersebut diarahkan ke sudu - sudu turbin sehingga turbin bergerak atau berputar pada porosnya. Selanjutnya, turbin dihubungkan dengan generator sehingga generator ikut berputar untuk kemudian dihasilkan listrik.

2. Reaction turbinePrinsip reaction turbine adalah dengan memanfaatkan gaya reaksi yang dihasilkan oleh nozzle kepada bagian sudu turbin yang bergerak karena akselerasi aliran sebagai kompensasi berkurangnya cross sectional area. Pada turbin jenis ini, nozzle dihubungkan dengan guide ring yang bergerak berputar sehingga nozzle ikut berputar.

Gambar 3.4. Turbin dengan prinsip kerja reaction turbine [b]Pada turbin jenis ini, terdapat bilah turbin yang diam (fixed blades), dan bilah turbin yang bergerak (moving blades). Nozzle memiliki dua keluaran jet di kedua ujungnya dan dibentuk sedemikian rupa sehingga dihasilkan gaya sentrifugal yang dialami oleh nozzle sehingga nozzle berputar. Pertama, sambil berputar nozzle terus mengeluarkan jet menuju fixed blades Fungsi dari fixed blades adalah mengarahkan aliran sesuai dengan kriteria perancangan. Setelah melewati fixed blades yang telah diarahkan, jet menuju moving blades yang kemudian berputar.

Berdasarkan jumlah silinder yang digunakan, turbin uap diklasifikasikan menjadi turbin dengan silinder tunggal dan turbin dengan silinder bertingkat. Turbin uap dengan silinder tunggal digunakan untuk pembangkitan listrik pada rentang 40 hingga 60 MW, sedangkan untuk unit yang lebih besar digunakan turbin dengan silinder bertingkat. 1. Single cylinder urbines (turbin dengan silinder tunggal)Berdasarkan tipe uap hasil buangannya, turbin uap diklasifikasikan menjadi jenis condensing dan back-pressure turbines. Condensing turbines adalah turbin yang keluaran uapnya berada pada tekanan di bawah tekanan atmosferik dan langsung didistribusikan seluruhnya ke kondenser untuk dimasukkan ke siklus fluida. Turbin dengan jenis back pressure atau juga biasa disebut non condensing merupakan turbin yang keluaran uapnya masih memiliki tekanan yang bisa dimanfaatkan kembali. Pada umumnya, uap keluaran dari turbin jenis ini akan di ekstrasikan ke intermediate pressure turbines untuk digunakan kembali. Turbin jenis back pressure tentunya membutuhkan insrumen kendali yang lebih kompleks untuk mempertahankan tekanan atau beban yang diinginkan.

Gambar 3.5. Jenis turbin dengan silinder tunggal [a]

2. Compound turbines (turbin dengan silinder bertingkat)Turbin jenis ini memiliki lebih dari satu silinder. Silinder tersebut terbagi menjadi turbin tekanan tinggi (high pressure turbine) dan turbin tekanan rendah (low pressure turbine). Turbin tekanan rendah pada umumnya bertipe double flow untuk mengkompensasi uap bertekanan rendah yang memiliki volum besar. Sistem yang besar biasanya menggunakan tambahan satu silinder dengan tekanan operasi menengah dan maksimal empat silinder bertekanan rendah. Terkadang untuk mendapatkan entalpi uap yang diinginkan, proses pemanasan uap kembali (reheating) dari silinder bertekanan tinggi ke menengah juga dilakukan.

Gambar 3.6. Jenis turbin dengan silinder bertingkat [a]

3.1.2. Instrumentasi Turbin UapTerdapat enam jenis instrumentasi yang digunakan pada turbin uap [c], diantaranya adalah :a. Supervisory instrument,b. Efficiency instrument,c. Auxiliary system instrument,d. Condition-monitoring instrument,e. Intstrumentation associated with protection and control equipment, danf. Instrumentation to provide post incident records.Poin pertama dan kedua menjadi poin yang paling penting karena keduanya memainkan peran vital pada fungsi pengamatan kemanan plant dan produksi listrik.a. Supervisory instrumentationSupervisory instruments menjadi penting karena kebutuhan analisis terhadap kondisi dan performansi komponen utama turbin, baik stator mapun rotor. Secara khusus terdapat dua fungsi utama dari instrumentasi supervisori, diantaranya :1. Memastikan operasi sistem keseluruhan dalam kondisi aman dengan batasan yang diperbolehkan.2. Memberikan peringatan tingkat tinggi jika terjadi degradasi performansi sistem turbin.

b. Efficiency instrumentationInstrumen instrumen yang digunakan pada sistem instrumentasi efisiensi digunakan untuk menghitung efisiensi termal dari plant. Pengukuran dilakukan terhadap kondisi termal sistem seperti suhu masukan turbin, suhu keluaran turbin, suhu umpan masuk header dan sebagainya. Proses perhitungan tersebut dilakukan dalam waktu yang kontinyu sehingga dapat dilihat tren kondisi termal plant secara keseluruhan dari waktu ke waktu, karena efisiensi sistem tentu akan terus menurun dari waktu ke waktu sehingga pengamatan ini menjadi penting untuk menentukan waktu dan aksi yang tepat pada proses maintenance turbin.

3.2. Sistem Lubrikasi Turbin UapSistem lubrikasi pada sistem turbin uap khususnya pada bagian bearing, sangat penting dilakukan. Sistem bearing pada turbin uap rentan mengalami kerusakan akibat gesekan maupun kenaikan temperatur yang terjadi saat operasional. Tujuan dari lubrikasi pada sistem turbin uap diantaranya adalah :1. Menyediakan pelumas hidrodinamis antara bearing dan batang turbin.2. Menyediakan pelumas untuk merawat kondisi white metal pada bearing agar tetap berada pada suhu dibawah 110oC. Panas muncul karena terdapat proses konduksi termal, gesekan antara pelumas dan komponen turbin, dan gesekan antara pelumas. Dalam memenuhi kebutuhan lubrikasi pada turbin uap dibutuhkan journal dan thrust bearings, sistem kendali hidraulik, segel pelumas batang, kopel fleksibel, dan gerigi putar. 1. Journal bearingsJournal bearing digunakan untuk menopang turbin uap dan generator. Bearing tersebut harus dipasang secara akurat dan beroperasi pada kondisi operasi dengan toleransi nol. Hal tersebut dilakukan karena casing turbin dan bilah turbin yang berputar berada pada jarak yang sangat tipis. Pelumas pada journal bearing pada umumnya bersuhu 71oC saat keluar dari bearing. Jacking oil juga digunakan pada journal bearing pada saat proses start up dan shut down turbin.

2. Thrust bearingsThrust bearing digunakan untuk menjaga rotor pada posisi aksial yang tepat dikarenakan perbedaan tekanan pada tiap baris di sudu sudu turbin.

3. Sistem kendali hidraulikSistem hidraulik digunakan dalam mengirimkan sinyal dari transduser ke control valve pada sistem kendali turbin uap. Pada sistem kendali turbin modern, fluida hidraulik beroperasi pada tekanan tinggi, 1.500 hingga 2.000 psi. Komponen yang ada didalamnya meliputi reservoir fluida dan dua buah sistem pemompaan fluida yang terpisah. Fluida hidraulik harus terus berada pada kondisi terbaik, maka dari itu terdapat juga sistem filtrasi untuk menjaga kualitas fluida dan sistem pemanas dan pendingin untuk menjaga suhu dan viskositas fluida.

Gambar 3.7. Bearing pada turbin

4. Gerigi putar (Turning gear)Pada saat kondisi start up maupun shutdown, rotor pada turbin harus berputar secara perlahan untuk menghindari perubahan suhu tiba tiba. Untuk itu digunakanlah gerigi putar (turning gear) yang pada umumnya berotasi dibawah 100 rpm. Saat gerigi putar berotas, pelumas yang digunakan adalah jacking oil.3.2.4. Faktor Faktor yang Mempengaruhi LubrikasiAda dua faktor utama yang sangat mempengaruhi performansi sistem lubrikasi pada turbin uap, yaitu keberadaan udara yang cukup dan kontaminasi pada pelumas. Berikut ini penjelasannya :1. Keberadaan udaraPada saat turbin dan seluruh komponennya bekerja, akan dihasilkan panas yang muncul akibat gesekan maupun proses konduksi panas pada komponen komponen turbin. Panas tersebut membuat minyak pelumas dapat berubah fasa menjadi droplet yang kemudian memungkinkan terjadinya reaksi oksidasi antara minyak yang air (droplet). Reaksi oksidasi ini berakibat pada bertambahnya viskositas dari minyak pelumas dan menghasilkan larutan sejenis pernis. Pernis yang muncul ini dapat merusak komponen komponen turbin, seperti valve, bearings, saringan minyak pelumas hingga alat penukar panas.

2. Kontaminasi Kurang rapatnya pelindung pada turbin dan pompa, kondensasi, dan kebocoran pada penukar panas menjadi faktor utama munculnya air pada sistem lubrikasi. Air sangat dihindari karena sifatnya yang kontaminatif dan memungkinkan terjadi oksidasi. Pada minyak pelumas yang baru dan bersih, air tidak akan dengan mudah tercampur dengan minyak menjadi emulsi. Akan tetapi pada minyak yang belum masuk sistem penyaringan akan dengan mudah tercampur dengan air dan membentuk emulsi. Campuran ini dapat mengganggu jalannya proses karena dapat memunculkan lumpur dan kerak yang mengotori sistem pemipaan, menggores journal bearings, hingga memperlambat jalannya operasional.

a. Power generation handbookb. Steam turbinec. British electrical international