Dokumen tersebut membahas tentang teori turbin uap dan proses termodinamikanya. Didefinisikan bahwa turbin uap mengubah energi uap menjadi energi kinetik melalui nozzle dan sudu berputar. Dibahas pula klasifikasi, komponen, proses, dan analisis efisiensi siklus turbin uap dengan mempertimbangkan variabel seperti tekanan dan temperatur uap masuk.
2. Definisi Steam Turbine
“Sebuah steam turbine didefinisikan sebagai suatu mesin
yang mengubah energi steam menjadi energi kinetik dengan
melakukan ekspansi melalui nozzle, dan energi kinetik yang
dihasilkan oleh semburan steam yang diubah menjadi daya
kerja pada sudu-sudu yang terdapat pada bagian yang
berputar.“
Dengan kata lain:
“Sebuah steam turbine adalah penggerak utama yang
mengubah energi panas dari steam langsung menjadi energi
putaran mesin.”
Pendahuluan
3. • Steam Turbine digerakkan oleh fluida :
superheated steam atau saturated steam
• Efisiensi Steam Turbine dipengaruhi oleh : diameter roda
turbin, jumlah tingkat, panjang sudu, dan penampang bagian
-
b
agian yang menghantarkan uap.
• Kerja Steam Turbine dipengaruhi panas jatuh. Panas jatuh
yang terjadi merupakan selisih entalpi yang terjadi pada
turbin stage pertama dan terakhir akibat ekspansi uap.
Pendahuluan
4. MESIN TENAGA UAP
Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar [gambar
Dibawah]. Fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor
dari proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap
panas dibangkitkan didalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk
memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada
reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga
temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap.
14. Pendahuluan
Terdiri dari 4 proses :
1-2. Proses penekanan air dari
kondenser ke boiler (isentropik)
2-3. Proses pemanasan air di boiler dan
superheater (isobarik)
3-4. Proses ekspansi uap pada turbin
uap (isentropik)
4-1. Proses pengembunan uap pada
kondenser (isobarik)
22. Tentukan efisiensi sebuah sistem turbin uap dgn kondisi
aliran sebagai berikut:
uap masuk turbin : saturated steam P2 = 2000 kPa
uap masuk kondenser : P3 = 7,5 kPa.
air keluar kondenser : air jenuh P4 = 7,5 kPa
air masuk boiler: P1 = 2000 kPa
23. Perhitungan dimulai dengan penentuan nilai h, s di setiap titik.
(1) Titik 2, uap jenuh: P2 = 2000 kPa dan T2 = 212,4 o
C
h2 = 2799,5 kJ/kg (dari steam table)
s2 = 6,3409 kJ/(kg.K) (dari steam table)
(2) Titik 3, adalah uap hasil ekspansi yang akan masuk kondenser
P3 = 7,5 kPa (diketahui)
s3 = s2 = 6,3409 kJ/(kg.K) (2 - 3 dianggap ekspansi isentropik)
Titik 3 merupakan campuran cair-jenuh dan uap-jenuh.
Data kondisi jenuh dari steam table:
entalpi, kJ/kg entropi, kJ/(kg.K)
cair jenuh (A) 168,79 0,5764
uap jenuh (B) 2574,8 8,2515
Entropi titik 3 (campuran cair-uap):
s3 = 6,3409 = x.sA + (1 - x).sB x = 0,2489
x = fraksi cairan dalam aliran keluar turbin
Entalpi titik 3:
h3 = x.hA + (1 - x).hB h3 = 1975,9 kJ/kg
24. (3) Kerja pompa (persamaan mekanika fluida):
wp = v . (P1 – P4)
dengan: P1 = 2000 kPa; tekanan aliran keluar pompa dan masuk boiler
P4 = 7,5 kPa; tekanan aliran masuk pompa, dari kondensor
v1 = v2 = 1,008.10-3
m3
/kg (dari steam table);
volum spesifik air dianggap konstan
wp = 1,008.10-3
. (2000 – 7,5) = 2 kJ/kg
(4) Titik 1 adalah cairan dingin (subcooled water dengan T1 < Tdidih).
Entalpi h1 ditentukan dari neraca energi proses pemompaan 4 – 1:
h1 - h4 = wp
h1 = h4 + wp = 168,79 + 2 = 170,79 kJ/kg
Sampai disini, semua data termodinamika air dan uap telah lengkap.
Selanjutnya perhitungan kerja dan panas.
(5) Kerja yang dihasilkan turbin (2 - 3):
w = h3 - h2 = 1975,9 – 2799,5 = - 823,6 kJ/kg (keluar)
(6) Kerja neto = kerja hasil ekspansi di turbin - kerja untuk pompa
wnet = 2 - 823,6 = - 821,6 kJ/kg
(7) Panas yang diserap (1 – 2):
qin = h2 - h1 = 2799,5 – 170,79 = 2628,71 kJ/kg
(8) Efisiensi siklus Rankine:
31,3%
100%
x
2628,71
821,6
masuk
panas
neto
kerja
25. Dari contoh soal di atas, beberapa hal perlu
mendapat perhatian:
a. kerja pompa relatif sangat kecil dibandingkan terhadap kerja
hasil ekspansi di turbin (wp << w)
b. wp sering diabaikan, sehingga entalpi air sebelum dan
sesudah pompa dianggap sama
c. efisiensi siklus dipengaruhi oleh kondisi uap di titik masuk
turbin dan kondisi uap keluar turbin
d. jumlah cairan dalam uap keluar turbin tergantung spesifikasi
turbin masing-masing
28. (2) kondisi 1 dan 2 sama dengan contoh sebelumnya
(3) w = h4a - h3a = 2317,8 – 3467,6 = -1149,8 kJ/kg
wp = 2 kJ/kg (contoh sebelumnya)
qin = h3a - h2 = 3467,6 – 170,79 = 3296,8 kJ/kg
100%
x
3296,8
2
1149,8
q
w
+
w
masuk
panas
neto
kerja
=
in
p
= 34,8%
(4) Kesimpulan
dasar kenaikan
temp.
selisih
(%)
Temp. masuk turbin, o
C 212,4 500
Kerja netto, kJ/kg 821,6 1147,8 39,7
Panas masuk, kJ/kg 2628,71 3296,8 25,4
Efisiensi siklus, % 31,3 34,8 11,2
35. Ekspansi dalam Turbin
Turbin merupakan salah satu bagian dalam siklus Rankine.
Di dalam turbin, konversi energi termal uap menjadi energi mekanik
melalui beberapa tahap,
misalnya:
• steam lewatkan nosel, sehingga terjadi penurunan tekanan dan kenaikan
kecepatan
• momentum steam keluar nosel digunakan untuk menggerakkan sudu-
turbin.
36. Kelompok atas dasar tahapan ekspansi
a. turbin impuls: steam hanya mengalami ekspansi ketika lewat nosel dan tidak pada
sudu-gerak.
nosel
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-diam
sudu-diam
v
v
P
P
37. b. turbin reaksi: steam diekspansikan bertahap ketika lewat nosel dan sudu-gerak
nosel
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-diam
sudu-diam
v
v
P
P
38. Kelompok atas dasar kondisi steam ketika keluar turbin
a. back pressure turbine
• steam keluar masih bertekanan relatif tinggi
• turbin jenis ini banyak digunakan di pabrik kimia
39. b. condensing turbine
• steam keluar = saturated steam atau bahkan sebagian steam telah
terkondensasi
• jenis ini banyak digunakan di pembangkit listrik
40. c. extraction/induction turbine
• gabungan back-pressure dan condensing turbine dalam satu rumah casing
• banyak digunakan dalam cogeneration
41. Metode Peningkatan Performa Turbin Uap
1. Reheating (pemanasan ulang)
Uap yang berekspansi di
turbin dan hampir
mencapai kondisi jenuh
dipanaskan lagi dalam
generator uap untuk
kemudian dialirkan ke
tingkat turbin berikutnya
untuk berekspansi lebih
lanjut.
42. 2. Regenerative
air umpan boiler
sebelum masuk boiler
dipanasi terlebih
dahulu dengan uap
panas yang diekstrak
dari turbin sehingga
dapat meminimalkan
kalor input (qin) dari
pembakaran bahan
bakar
43. Penggunaan Turbin Uap:
Penggerak kapal
Utilitas (penggerak pompa dan kompresor)
Penghasil daya listrik (PLTU, PLTN, PLTP).
Keunggulan:
biaya operasional murah karena dapat
menggunakan bahan bakar kualitas rendah
dapat menyediakan uap untuk proses dalam
industri
Kerugian :
biaya investasi mahal karena ukurannya
sangat besar
susah dipindahkan dan di-install
butuh waktu untuk starting
44. Rugi-rugi internal turbin
a. available work: entalpi steam yang mungkin dikonversi menjadi kerja
b. stage work: entalpi steam yang terkonversi nyata menjadi kerja
45. Rugi-rugi di dalam turbin satu tingkat :
• nozzle reheat: rugi-rugi ketika steam diekspansikan di nosel secara
adiabatik tak-reversibel dan mengakibatkan kenaikan temperatur
steam (relatif terhadap temperatur jika steam diekspansikan
isentropik)
• blade reheat: ugi-rugi gesekan aliran steam ketika lewat sudu-gerak
• windage losses: rugi-rugi gesekan ketika steam meninggalkan sudu-
gerak
• stage reheat: jumlah semua rugi-rugi dalam satu tahap ekspansi
48. Efisiensi isentropik turbin banyak tingkat
Efisiensi isentropik tergantung pada berbagai faktor, seperti: kapasitas dan kondisi
steam masuk turbin.
jenis turbin
Kapasitas
HP
Efisiensi
%
Steam rate
kg/kWh
satu tingkat 500 30 11,4
lima tingkat 1000 55 6,30
tujuh tingkat 4000 65 5,30
sembilan tingkat 10000 75 4,54
disalin dari Perry, "Chem Engr. Handbook", ed. 5
49. Konsumsi Steam Spesifik
Konsumsi Uap Spesifik (specific steam rate): konsumsi steam per
satuan waktu untuk menghasilkan satu satuan daya.
w = he - hi
W = m . (he - hi)
dengan: w = energi/massa
W = daya, kW atau HP
m = laju massa steam, kg/jam
h = entalpi spesifik steam, kJ/kg
subskrip: i = inlet dan e = exit
Konsumsi steam:
50. TSR (Theoretical Steam Rate):
Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara isentropik.
TSR = 1/ (hi - he)
TSR dapat dinyatakan dalam berbagai satuan:
Jika entalpi h dalam kJ/kg, maka TSR = 3600/(hi - he) kg/kWh
Jika entalpi h dalam Btu/lb, maka TSR = 2545/(hi - he) lb/HPh
ASR (Actual Steam Rate)
Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara adiabatik tak-reversibel.
ASR = TSR /
dengan = efisiensi isentropik
51. Contoh
Turbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated
steam
(Pi = 2000 kPa, Ti = 500 C). Steam keluar turbin pada keadaan jenuh (Pe
= 7,5 kPa). Efisiensi isentropik turbin 70%.
Hitung konsumsi steam.
52. Contoh
Turbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated steam (Pi
= 2000 kPa, Ti = 500 C). Steam keluar turbin pada keadaan jenuh (Pe = 7,5 kPa).
Efisiensi isentropik turbin 70%.
(1) Data termodinamika steam (dari steam table)
Pi = 2000 kPa dan Ti = 500 oC
hi = 3467,6 kJ/kg dan si = 7,4317 kJ/(kg.K)
(2) Pe = 7,5 kPa dan se = si = 7,4317 kJ/(kg.K) campuran uap dan
cair.
uap: suap = 8,2515 kJ/(kg.K) ; huap = 2574,8 kJ/kg
cair: scair = 0,5762 kJ/(kg.K) ; hcair = 168,79 kJ/kg
fraksi uap: y = (7,4317-0,5764)/(8,2515-0,5764) = 0,893
he = 0,893 x 2574,8 + (1 - 0,893) x 168,79 = 2317,35 kJ/kg
(3) TSR = 3600/(3467,6 – 2317,35,8) = 3,13 kg/kWh
(4) ASR = 3,13/70% = 4,47 kg/kWh
(5) Konsumsi steam: m = W.ASR = 2000. 4,47 = 8940 kg/jam
53. Contoh Spesifikasi Turbin Uap
12.5 MW
generator
pumpa
BFW
kompresor
gas proses
1 Shaft Power, kW 12500 1338.3 2557
2 Speed, rpm 3000 4200 6596
3 Steam inlet Conditions: Normal Normal Normal
4 Pressure, kg/cm2G 59.8 17.6 59.8
5 Temperature, oC 445 316 445
6 Flow, kg/h 101.305 - 21500
7 Steam Extraction Condition: Normal Normal Normal
8 Pressure, kg/cm2G 42 - -
9 Temperature, oC - - -
10 Flow, kg/h 90720 - -
11 Steam Exhaust: Normal Normal Normal
12 Pressure, mmHg/abs 101.6 3.9 3.9
13 Cooling Water - Sea Water Normal Normal Normal
14 Allow. Temp. Rise, oC 17 16.6 16.6
15 Max. Inlet Temp. oC 29.4 - 29.4
16 Max. Press. Drop kg/cm2 1.0 1.0 1.0
54.
55. Konsumsi Panas Spesifik (Heat Rate)
turbin untuk produksi energi listrik
a. GHR (Gross Heat Rate, konsumsi panas spesifik bruto):
b. NHR (Net Heat Rate, konsumsi panas spesifik netto):
Listrik netto setelah dikurangi dengan konsumsi listrik untuk sistem
pembangkit listrik yang bersangkutan (pompa, blower, penerangan dll).
56. c. PNHR (plant net heat rate) :
(ef. boiler) = efisiensi boiler
[%aux. power] = daya yang diserap oleh internal power plant
57. Konsumsi panas spesifik dipengaruhi berbagai faktor.
• Penurunan tekanan kondensor akan menurunkan NHR atau
PNHR.
• Temperatur uap masuk turbin mempengaruhi heat rate.
• Pemanasan awal udara pembakaran (air preheating)
sebelum masuk boiler dapat mengurangi konsumsi panas
spesifik sebesar 2%. Air preheating ini dapat dilakukan
dengan memanfaatkan panas sensibel gas cerobong.
• Hilang tekanan (pressure drop) di saluran uap dapat
meningkatkan heat rate.
• Efisiensi turbin mempengahur heat rate.
Faktor di atas perlu mendapat perhatian dalam program
penghematan energi.
58. Contoh Efek Tekanan Kondensor thd Konsumsi
Steam
Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.
59. Perkirakan kenaikan konsumsi steam dan penurunan daya turbin jika tekanan
kondensernya naik dari 2,5 menjadi 4,5 inHg absolut.
Dari kurva karakteristik di atas:
NHR (2,5 inHg) = 7200 Btu/kWh = 7596 kJ/kWh
NHR (4,5 inHg) = 7750 Btu/kWh = 8177 kJ/kWh
(1) Jika daya turbin tetap, maka heat rate (konsumsi steam) meningkat:
(NHR) = 8177 – 7596 = 581 kJ/kWh (7,6%)
(2) Jika laju uap dijaga konstan, maka kenaikan NHR mengakibatkan penurunan
daya keluar turbin):
(NKW) = - 0,0765/ (1 - 0,0765) = - 8,28%
60. Efek Tekanan Steam masuk Turbin thd Konsumsi Steam
Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.
61. Perkirakan kenaikan konsumsi panas spesifik pada beban 600 MW, jika tekanan
uap masuk turbin turun dari 3500 menjadi 2400 kPa.
Dari kurva karakteristik di atas
NHR (3500 kPa) = 7450 Btu/kWh = 7860 kJ/kWh
NHR (2400 kPa) = 7700 Btu/kWh = 8124 kJ/kWh
(NHR) = 250 Btu/kWh = 264 kJ/kWh (3,3%)
atau kenaikan laju steam (pemborosan) pada 600 MW = 360000 kg/jam
(ekspansi di turbin, Δh = 440 kJ/kg)
62. Siklus Rankine (Rankine Cycle)
Diketahui: Siklus Rankine seperti gambar
P3 = 8 MPa = 8000 kPa = 80 bar
T3 = 480oC
P4 = 8 kPa = 0,08 bar
wnet = 100 MW
Ditanya: seperti soal
Penyelesaian:
Langkah awal dilakukan analisis pada setiap proses
berdasarkan diagram alir dan diagram T-s, sebagai berikut:
69. Siklus Rankine (Rankine Cycle)
Soal 4.2 Sebuah sistem pembangkit tenaga uap beroperasi dengan
siklus Rankine ideal, yang bekerja pada batas tekanan dari 3 MPa
dan 50 kPa. Temperatur uap pada sisi masuk turbin adalah 300oC,
jika laju aliran massa uap adalah 35 kg/s. Tentukanlah:
a. Gambarkan proses sistem dalam diagram T-s
b. Efisiensi Thermal Siklus
c. Kerja netto siklus
d. Daya output sistem pembangkit tenaga