1. Program Insentif Dikti, Depdiknas 2010
RISET PENINGKATAN KAPASITAS
IPTEK SISTEM PRODUKSI
Nomer Urut: 52
LAPORAN AKHIR
Kajian Modifikasi Desain Turbin Uap Menjadi Turbin
Hidrokarbon untuk PLTP Siklus Biner Daya 100 kW
Peneliti Utama: Dipl.-Ing. Suyanto MSc
BADAN PENGKAJIAN DAN PENERAPAN TEKONOLGI
Pusat Teknologi Konversi dan Konservasi Energi
Ji. M.H. Thamrin No.8 Jakarta 10340
TIp. 021-3169754, suyanto@webmail.bppt.go.id
November 2010

2. Program Insentif Dikti, Depdiknas 2010
RISET PENINGKATAN KAPASITAS
IPTEK SISTEM PRODUKSI
Nomer Urut: 52
LAPORAN AKHIR
Kajian Modifikasi Desain Turbin Uap Menjadi Turbin
Hidrokarbon untuk PLTP Siklus Biner Daya 100 kW
Peneliti Utama: Dipl.-Ing. Suyanto MSc
BADAN PENGKAJIAN DAN PENERAPAN TEKONOLGI
Pusat Teknologi Konversi dan Konservasi Energi
Ji. M.H. Thamrin No.8 Jakarta 10340
Tlp. 021-3169754, suyanto@webmail.bppt.go.id
November 2010

3. Daftar lsi
LEMBAR PENGESAHAN ....................................................................................................................................11
RINGKASAN ....................................................................................................................................................111
KATA PENGANTAR...........................................................................................................................................v
DAFTAR ISI......................................................................................................................................................Vl
DAFTAR TABEL..............................................................................................................................................Vlll
DAFTAR GAMBAR .........................................................................................................................................Vlll
BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................................................................... 1
1.1 LATAR BELAKANG .......................................................................................................................................... 1
BAS II TINJAUAN PUSTAKA.............................................................................................................................. 4
2.1 TURBIN UAP PADA PEMBANGKIT liSTRIK TENAGA UAP (PLTU) ............................................................................. 4
2.1.1 Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) ............................................................................................ 4
2.1.2 Turbin Uap ...................................................................................................................................... 6
2.1.2.1 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage. Multi-Stage) ...................................................9
2.1.2.2 Turbin lmpuls dan Turbin Reaksi ....................................................................................................11
2.1.2.2.1 Turbin Impuls ...............................................................................................................................11
2.1.2.2.2 Turbin Reaksi ...............................................................................................................................14
2.1.2.3 Turbin Aksial. Radial, Helikal............................................................................................................16
2.1.2.4 Turbin Industri ..................................................................................................................................19
2.1.2.4.1 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)......................................................................19
2.1.2.4.2 Turbin Kondensasi .......................................................................................................................22
2.1.2.4.3 Turbin ekstraksi ...........................................................................................................................23
2.2 TEKNOLOGI PLTP SIKLUS SiNER..................................................................................................................... 27
2.2.1 Turbin -Generator PLTP Siklus Biner............................................................................................. 31
2.2.2 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle 100kW.............................................. 32
2.2.2.1 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW....................................................................................35
2.3 REVIEW SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 Hp MlliK PTIM ...................................................................................... 38
2.4 SIMULASI COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) .......................................................................................... 39
2.4.1 Cara Kerja Program CFD ............................................................................................................... 40
2.4.1.1 Pre-processor.....................................................................................................................................40
2.4.1.2 Solver..................................................................................................................................................41
2.4.1.3 Post-Processor ...................................................................................................................................42
2.4.2 Hukum-hukum Konservasi ............................................................................................................ 42
2.4.2.1 Hukum Kekekalan Massa ..................................................................................................................43
2.4.2.2 Kekekalan Momentum ......................................................................................................................44
2.4.2.3 Kekekalan Energi...............................................................................................................................44
2.4.2.4 Persamaan Keadaan ..........................................................................................................................44
2.4.2.5 Model Turbulensi...............................................................................................................................45
2.4.2.6 Bentuk Umum Persamaan Differensial ............................................................................................45
2.4.2.7 Koordinat ...........................................................................................................................................46
2.4.2.8 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat................................................................................46
2.4.3 Kondisi Batas (Boundary Conditions} ............................................................................................ 47
2.4.3.1 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal ..................................................................................47
2.4.2.1 Kondisi batas: INLET .........................................................................................................................48
2.4.3.3 Kondisi batas: OUTLET .....................................................................................................................48
2.4.3.4 Kondisi batas: WALL .........................................................................................................................49
2.4.3.5 Kondisi batas: SYMMETRY (Simetri)................................................................................................50
2.4.3.6 Kondisi batas: PERIODIC (Periodik).................................................................................................51
2.4.3.7 Kondisi batas lainnya. .......................................................................................................................51
BAS III TUJUAN DAN MANFAAT..................................................................................................................... 52
VI

4. 3.1 TUJUAN DAN SASARAN ................................................................................................................................. 52
3.2 PEMANFAATAN RISTEK ................................................................................................................................. 52
3.3 MANFAAT EKONOMI ................................................................................................................................... 53
3.3.1 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil........................................................................................... 53
3.3.2 Kontribusi terhadap sektor lain .................................................................................................... 53
BAB IV MEDOTOLOGI .................................................................................................................................... 54
4 .1 GEOMETRI2D ............................................................................................................................................ 54
4.2 VALIDASI MODEL ........................................................................................................................................ 54
4 .3 SIMULASI MODEL. ....................................................................................................................................... 54
4.4 KONDISI BATAS (BOUNDARY CONDITIONS)....................................................................................................... 55
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN................................................................................................................... 58
5 .1 GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP .............................................................................................................. 58
5 .2 KONDISI QPERASI ........................................................................................................................................ 59
5.2.1 Inlet............................................................................................................................................... 59
5.2.2 Outlet............................................................................................................................................ 60
5.2.3 Gerakan rotor ............................................................................................................................... 60
5.2.4 Solver ............................................................................................................................................ 60
5.2.5 Turbulensi ..................................................................................................................................... 60
5.2.6 Running model.............................................................................................................................. 60
5 .3 HASIL SIMULASI .......................................................................................................................................... 61
5.4 ANALISA DAN PEMBAHASAN.......................................................................................................................... 61
5.4.1 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air........................................................................................... 61
5.4.2 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana ........................................................................................ 62
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN.................................................................................................................. 71
DAFTAR PUSTAKA.......................................................................................................................................... 72
Vll

5. Daftar Tabel
TABEL 1: HASIL PENGUKURAN KINER/A PROTOTIPE BINARY CYCLE 2KW .................................................................... 33
TABEL 2: NILAI KONDISI KOMPONEN PLTP SIKLUS BINER - DAYA TURBIN 100 KW ..................................................... 36
TABEL 3: DATA PROSES MODEL................................................................................................................................ 59
TABEL 4: PENYETELAN KONDISI BATAS INLET ........................................................................................................... 60
TABEL 5: PENYETELAN KONDISI BATAS OUTLET ........................................................................................................ 60
TABEL 6: DATA YANG DIAMBIL DARI HASIL PERHITUNGAN MODEL SIMULASl................................................................. 61
Daftar Gambar
GAMBAR 1: PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW ..................................................................................................... 1
GAMBAR 2: SKEMA SISTEMjSIKLUS PLTU ................................................................................................................. 5
GAMBAR 3: TURBIN UAP............................................................................................................................................ 7
GAM BAR 4: SEBUAH RODA TURBIN ............................................................................................................................ 7
GAMBAR 5: TURBIN NEKATINGAT (MULTISTAGE) ..........................................................................................,........... 10
GAMBAR 6: [LLUSTRASI PRINSIP KERJA TURBIN IMPULS DAN TURBIN REAKSl.............................................................. 11
GAMBAR 7: TURBIN IMPULS SEDERHANA (RATEAU STAGE) ....................................................................................... 12
GAMBAR 8: TURBIN IMPULS KECEPATAN BERTINGKAT (CURTIS STAGE) ..................................................................... 13
GAMBAR 9: TURBIN IMPULS TEKANAN BERTINGKAT (RATEAU) ................................................................................. 14
GAMBAR 10: TURBIN REAKSI .................................................................................................................................. 15
GAMBAR 11: TURBIN IMPULS-REAKSI ...................................................................................................................... 16
GAMBAR 12: TURBIN RADIAL .................................................................................................................................. 17
GAMBAR 13: TURBIN HELIKAL ................................................................................................................................ 17
GAMBAR 14: KARAKTERISTIK OUTPUT TURBIN UAP.................................................................................................. 18
GAMBAR 15: DIAGRAM MOLLIER UNTUK BACK PRESURE TURBINES (PI = TEKANAN KITEL, TI = TEMPERATUR KITEL, Po =
TEKANAN UAP PROSES, To = TEMPERATUR UAP PROSES) ....................................................................................... 19
GAMBAR 16: STORK-TURBINE BLADE ...................................................................................................................... 20
GA!vIBAR 17: DIAGRAM INSTALASI UAP SECARA DIAGRAMATIS (A. SALURAN AIR KETEL, B. PIPA UAP ADIPANAS, C. SALURAN
UAP KE TURBIN) ............................................................................................................................................. 21
GA.IBAR 18: THERMODYNAMIC CYCLE UNTUK TURBIN TEKANAN LAWAN (PO= TEKANAN KETEL (KGjCM2 ABS), PI =
TEKANAN MASUK TURBIN (KGjCM2 ABS), PT= TEKANAN UAP PEMANAS (KGjCM2 ABS), BC= PROSES TROTTLING
PADA KATUP TROTEL, CD=PROSES EKSPANSI PADA TURBIN, DA= KONDENSASI (PENGEMBUNAN) DALAM PEMANAS) 22
GAr-IBAR 19: STRAIGHT CONDENSING TURBINE .......................................................................................................... 23
GA!vIBAR 20: TURBIN EKSTRAKSI KONDENSASI ......................................................................................................... 23
GAMBAR 21: TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI .................................................................................. 24
GAMBAR 22: DIAGRAM EKSPANSI UAP DALAM TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI (M.DANNY SAM) .......... 25
GAMBAR 23: TURBIN TEKANAN LAWAN DENGAN PEMBUANGAN DINI........................................................................... 27
GAM BAR 24: SKEMA DIAGRAM PLTP BINARY CYCLE ................................................................................................. 29
GAMBAR 25: A. TURBIN-GENERATOR, B SUDU-SUDU ROTOR TURBIN PLTP SIKLUS SINER DI LAHENDONG...................... 32
GAMBAR 26: SISTEM PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW ..................................................................................... 32
GAMBAR 27: SUASANA UJICOBA PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW ..................................................................... 33
GAM BAR 28: PERHITUNGAN MASS DAN HEAT BALANCE PLTP SIKLUS BINER BRlNE DENGAN TURBINE OUTPUT 100KW.. 37
GAMBAR 29: KEGIATAN MANUFAKTUR TURBIN PTIM .............................................................................................. 38
GAMBAR 30: DATA SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 HP- PTIM ................................................................................... 39
GAMBAR 31: SATU UNIT ELEMEN FLUIDA.................................................................................................................. 43
GAMBAR 32: PENENTUAN DOMAIN MASUK DAN KELUAR UAP MELEWATI SUDU.......................................................... 56
GAMBAR 33: A). GRID DAN MESHING B). SOLID SUDU C). KASKADE SUDU D). SUDU CURTIS TINGKAT PERTAMA............ 56
GAMBAR 34: GRID DUA DIMENSI (2D) SUDU TURBIN HIDROKARBON...............................................................;......... 57
GAMBAR 35: GRAFIK KONSTANTA LIFT (CI) TERHADAP WAKTU (SlMULASI UNSTEADY) .............................................. 57
GAMBAR 36: BAGIAN - BAGIAN GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP......................................................................... 58
GAMBAR 37: GEOMETRI DAN MESH- MODEL TURBIN 450 HP .................................................................................... 59
GAMBAR 38: l.A. DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR ................. 63
Vlll

6. GAMBAR 39 : 1.B. DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR......... 64
GAMBAR 40: I.e. DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR .............. 65
GAMBAR 41: 1.D. DISTRIBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA UA? AIR ....... 66
GAMBAR 42: 2.A. DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE ............ 67
GAMBAR 43: 2.B. DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE.... 68
GAMBAR 44: 2.e. DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA N-BUTANE ......... 69
GAMBAR 45: 2.D. DISTRiBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BUTANE .. 70
IX

7. BABI
PENDAHULUAN
1.1 Latar be/akano
Indonesia mempunyai potensi sumberdaya energi panas bumi lebih dari
28.100 MW (40% potensi dunia), setara dengan 219 juta barel minyak, tersebar
mengikuti jalur vulkanik mulai dari pulau Sumatera, Jawa, Bali, NIT, Sulawesi
dan Maluku. Sampai dengan saat ini baru sekitar 1.189 MW (4%) yang
dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik.
Sebagai bagian dari Pemerintah, BPPT telah mulai mengembangkan PLTP
dengan menerapkan teknologi binary cycle yang sangat sesuai untuk pembangkit
skala kecil. BPPT telah merancang-bangun dan menguji prototipe PLTP binary
cycle dengan kapasitas 2kW (Gambar 1), dengan menggunakan fluida
hidrokarbon n-pentane sebagai fluida kerjanya. Seluruh sistem dan komponen
utamanya seperti turbin, evaporator, kondenser dan sistem kontrol didesain dan
dibuat sendiri oleh tim panas bumi BPPT. Hasil pengujian di lapangan panas
bumi Wayang Windu menunjukkan bahwa konsep teknologi ini dapat berjalan
dengan baik (prove of concept).
Gambar 1: Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

8. Tahapan selanjutnya adalah mengembangkan pilot plant PLTP binary
cycle berkapasitas 100kW dengan fluida kerja N-Butane. Target akhir kegiatan di
BPPT adalah membangun PLTP skala kecil sistem modul 1 MW pada tahun 2013,
yang seluruh komponen utamanya (turbin, heat exchanger, sistem kontrol, dB.)
bisa dibuat oleh industri dalam negeri. PLTP ini akan menggantikan PLTD
sebesar 600 MW yang tersebar di daerah terpencil yang mempunyai potensi
sumber panas bumi, sehingga akan mampu mensubstitusi BBM sebesar 450 juta
liter per tahun, dan menghemat BBM sebesar Rp. 2 trilyun per tahun (sumber
data tahun 2005).
Basic design sistem pilot plant PLTP beserta komponen-komponen
pembangkit dengan kapasitas 100kW ini telah diselesaikan pada tahun anggaran
2008 yang lalu, dan berdasarkan pada hasH pengujian dan analisa kinerja
prototipe 2kW serta review terhadap desain awal pilot plant 100kW tersebut,
maka perlu dilakukan optimasi terhadap engineering design pilot plant 100kW
ini. Salah komponen yang harus dioptimasi adalah turbin hidrokarbon.
Disisi lain, BPPT juga mengembangkan turbin uap. Salah satu turbin uap
yang telah dikembangkan adalah turbin uap berkapasitas 450 HP (335 kWe).
Berdasarkan pada pertimbangan sinergi antar unit di BPPT dan perilaku turbin
terhadap fluida kerja, perlu dilakukan kajian modifikasi desain turbin uap
menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner. Dengan demikian melalui
program insentif riset oleh Departemen Pendidikan Nasional ini diharapkan
akan diketahui apakah turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon,
serta akan menghasilkan engineering design untuk turbin hidrokarbon yang
optimal dan siap diimplementasikan, serta diharapkan dapat dibangun secara
keseluruhan oleh industri dalam negeri.
Pengembangan sistem PLTP Siklus Biner 100 kW oleh PTKKE-BPPT
diharapkan ataupun direncanakan untuk menggunakan turbin yang telah diteliti
oleh PTIM-BPPT. Fluida kerja yang akan digunakan untuk sistem PLTP Siklus
Biner 100 kW adalah n-Butana. Sedangkan turbin uap yang telah dikembangkan
oleh PTIM menggunakan fluida kerja uap air, sehingga perlu dilakukan kajian
untuk mengavaluasi kelayakan teknis penggunaan turbin tersebut untuk PLTP
2

9. Siklus Biner. Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD. Pada kajian ini
sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi
turbin yang ada. Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan
masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana. CFD akan menghitung kondisi
fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin.
Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengeva}uasi
kinerja turbin..
3

10. BABII
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)
2.1.1 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)
Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang
mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan 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.
Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve,
pompa, motor, fan, boiler, turbin, generator, dan lainnya. Terdapat beberapa
sistem/siklus utama dalam sebuah PLTU, yaitu
1. siklus air dan uap
Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diubah fasanya menjadi
uap kering untuk menggerakan turbin, kemudian dikondensasi kembali
menjadi air, dan seterusnya.
2. siklus air pendingin
Siklus air pendingin, digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin
menjadi air di kondensor.
3. Sistem pengolahan bahan bakar
Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan
bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai
nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler.
4. Sistem udara pembakaran
Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai
udara untuk pembakaran. Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi
4

11. menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk
pembakaran.
5. Sistem pengolahan air
Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku. Di PLTU yang
mengambil air dari laut, ada sistem desalination, yakni untuk mengubah air
laut menjadi air tawar, kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa
mineral) melalui proses demineralization. Kalau PLTU yang sumber airnya
dari sungai, proses pengolahan awalnya seperti di PDAM, kemudian
sebagian digunakan untuk siklus pendingin, sebagian lagi untuk dijadikan air
demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama.
6. Sistem pengolahan abu
Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran
di boiler. Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan
produk limbah berupa abu, kayak asap pada kendaraan bermotor. Abu yang
dihasilkan sangat banyak makanya, ada peralatan yang namanya
electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu. Abu yang
ditangkap oleh EP di-drain secara berkala. Abu hasil pembakaran tersebut
bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat
batako. Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan. Berikut adalah salah
satu contoh skema sistem/siklus PLTU.
http://m3holz.wordpress.com _ ,• •••-
Gambar 2: Skema Sistem/SikIus PLTU
Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat
dikelompokkan sebagai berikut:
5

12. • Steam Turbine-Generator
• Steam Generator & Fuel Handling
• Cooling Water System
• Water Treatment System
• Plant Electrical System
• Instrumentation & Control (DCS)
• Civil Structures
• Common Facilities
o Emergency Diesel
o Air Conditioning System
o Overhead Crane
o Loader Capacity
o Compressed Air System
o Plant Lighting & Lightening
o Hydrant System
o Laboratory & Workshop
• Balance Of Plant
o Boiler Feed Water Pumps
o De Aerator
o Piping, Fittings, Valves & Instrumentations
• Transmission 150 kV
2.1.2 Turbin Uap
Secara urnurn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut
Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi
fluida kerja menjadi energi mekanik. Turbin telah mengalami perkembangan
dalam desainnya. Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D.
6

13. Gambar 3: Turbin Uap
Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan
dalam gambar 4. Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir
melalui ruang diantara sudu tersebut. Apabila roda turbin dapat berputar, maka
terdapat gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut terjadi akibat perubahan
momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu. Fluida kerja turbin
yang dapat digunakan adalah air, uap air, dan gas. Fluida kerja turbin pada PLTU
adalah uap, sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap.
6. Pipa ke luar (Exhaust pipe)
1. Poros (shaft)
2. Roda Turbin (disc)
3. Sudu gerak (moving blades)
4. Nosel- Sudu tetap (Nozz/e)
5. Stator2
Gambar 4: Sebuah Roda Turbin
Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi
beberapa kategori:
1. Jumlah tingkat tekanan
7

14. a. Turbin satu tingkat, biasanya berkapasitas kecil dan banyak
digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan
mesin-mesin lain yang serupa.
b. Turbin nekatingkat (multi-stage), biasanya berkapasitas besar
dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik
berkapasitas tinggi
2. Ekspansiuap
a. Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya
hanya terjadi pada nosel, energi termal uap diubah menjadi
energi kinetik seluruhnya di nose!, dan kemudian impuls dari
uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar. Karena pada .
sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin
tersebut adalah simetris
b. Turbin reaksi, turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya
terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak, energi termal uap
diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan
sudu-sudu jalan, dan kemudian gaya reaksi dari uap akan
mendorong sudu-sudu untuk berputar.
3. Arah aliran uap.
a. Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap
sumbu turbin
b. Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak
lurus terhadap sumbu turbin
4. Tekanan Akhir
a. Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya <
latm, sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb
menyebabkan penambahan entalpi total.
b. Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang '
tekanan uap keluarnya > 1 atm. Tekanan fluida kerja
Hidrokarbon (N-Pentane, N-Butane) keluar tsb biasanya
8

15. digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk
turbin.
2.1.2.1 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage, Multi-Stage)
Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus
sehingga mengakibatkan roda turbin berputar. Ekspansi uap melalui nosel
mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi.
Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak.
Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana
adalah turbin satu tingkat (single stage). Turbin satu tingkat (single stage)
digunakan pada kebutuhan khusus, dan dapat dikenali dengan uap keluar yang
masih memiliki banyak energi.
Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat, terdiri dari 3
sudu gerak yang terdapat pada poros. Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang
akan mengerakkan poros berputar. Ketika uap melewati nosel pertama,
kecepatan uap akan menaik, dan tekanan uap akan menurun. Penurunan
tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap. Uap mengekspansi
sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama, serta memasuki
nosel ke 2, dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi. Energi diekspansi
pada tingkat ke 2 dan ke 3. Setelah uap melalui tingkat ke 3, dimana uap
memberikan energinya untuk mengasilkan gerak, uap akan meninggalkan turbin
sebagai uap ke luar. Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari
tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap.
9

16. STEAM
mOM
BOILER
ROTOR
- -•• EXHAUST
tW1 STAGE
Gambar 5: Turbin Nekatingat (Multistage)
Terdapat sedikit kerugian/kehilangan energi, ketika uap melalui nose!.
Proses konversi energi terjadi di nose!, dimana energi internal (tekanan) uap
dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan). Nosel harus didisain dengan
penyempitan luas area aliran uap secara halus. Kemudian uap akan mengalami
percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan
meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi. Lalu, uap akan menubruk
sudu gerak, dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari
kecepatan uap yang tinggi.
Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap
melewati sudu tersebut, yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu,
yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi. Ketika uap menimpa sudu gerak,
uap memberikan gaya dan energinya · ke sudu, dalam bentuk perubahan
momentum, yang mempercepat sudu bergerak.
Didalam proses turbin, energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik, terdapat
2 transformasi energi utama, yaitu;
1. transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik, yaitu energi
thermal diubah ke energi kinetik, yang menghasilkan kecepatan uap
yang tinggi dan perubahan momentum.
2. transformasi energi kedua adalah proses mekanik, yaitu uap menimpa
sudu gerak, yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin.
10

17. 2.1.2.2 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi
Berdasarkan proses ekspansi, turbin dibedakan menjadi 2 tipe, yaitu;
turbin impuls dan turbin reaksi. Turbin impuls adalah turbin dimana proses
ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu
tetap (nosel) saja, sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap
(nosel) maupun sudu gerak. Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat
illustrasikan sebagai berikut; turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar
6a), sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b).
-
- -
a. Turbin Impuls b. Turbin Reaksi
Gambar 6: Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi
2.1.2.2.1 Turbin Impuls
Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya
terjadi pada nosel, energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya
di nosel, dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk
berputar. Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu
gerak turbin tersebut adalah simetris. Turbin impuls dapat merupakan turbin
impuls sederhana (bertingkat tunggal), turbin impuls kecepatan bertingkat
(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau). Keadaan
aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik
tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7. Turbin impuls sederhana
11

18. diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel, rnasing-rnasing bekerja
dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar.
T.......... u~
,0:..c,
.4 I ,,:. Kecepat8" mutlak u~
, I I
, II'
I II ­
I' " --~ _--- .
J
AXIAl VIEW
4- ':. ;--~~------~=~: nt?
RA() IAl VIfW
~~(1­_---. VOlUME
VllOCITY
PRESSURE
Gambar 7: Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)
Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap,
kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pada tekanan konstan. Tetapi
kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja
mernutar roda turbin. Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi,
sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu
besar.
Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar, uap diekspansikan
secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda. Dengan turbin bertingkat
ganda, diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal
menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien. Gambar 8 rnelukiskan
perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls
kecepatan bertingkat (turbin Curtis). Uap hanya diekspansikan di dalam nosel
(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan. Akan tetapi
turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu
12

19. - --- - -
- ---
gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan). Meskipun tekanan uap
didalam sudu gerak konstan, kecepatan absolut turun karena sebagian dari
energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin. Kecepatan uap didalam
sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan.
AXIAl. VIEW
STEAM
IHlfT
- -- RADIAL VIEW
-
I vtl.....E
r.-----------­
}l,·W
i/ '~J
j ... I ~Inrr
jf ~
1/ PRESSURE
~
Gambar 8: Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)
Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut
dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau). Tekanan uap
turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja, sedangkan di dalam baris
sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan. Kecepatan uap naik dan turun
ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak. Baris sudu tetap
berfungsi sebagai nosel; kecepatan uap naik karena tekanan uap turun. Dengan
mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan
kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar, sehingga kerugian
gesekannyapun akan berkurang.
Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu
implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi
output turbin.
13

20. STEAM
INLET
PRESSURE
.JJ.../ , .
/ J- 1 1//
J' -"4- -¥..,; --- '"
RADIAL VIEW
r---~
Gambar 9: Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)
2.1.2.2.2 Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)
yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak, energi termal
uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan,
dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar.
Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin
pertama, yaitu Sir Charles Parsons.
Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan
dan kecepatan absolut dari uap. Turbin reaksi dalam gambar tersebut adalah
turbin reaksi nekatingkat/bertingkat. Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan
nosel bergerak. Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut. Turbin
reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selih­
berganti. Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat. Seperti
turbin impuls, turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan
kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum.
14

21. Umumnya, turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan
kecepatan uap rendah, dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada
kecepatan sudu ideal. Hal tersebut, membuat penggunaan uap lebih effisien pada
kondisi tekanan rendah. Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah,
turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal.
STEAM
INlfT EXHAUST
MOVINGFIXED
NOZZlES NOZZlES
PRESSURE
Gambar 10: Turbin Reaksi
Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi
sebagai nosel, maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari
kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan. Meskipun demikian,
kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut
uap masuk sudu gerak yang bersangkutan, oleh karena sebagian energi kinetik
diubah menjadi kerja memutar roda turbin.
Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu
yang bersangkutan, sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada
bantalan.
Turbin reaksi berskala besar, umumnya, didisain dengan Curtis stage
(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama, kemudian
15

22. diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11). Curtis stage beroperasi sangat
effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin
lebih effisien. Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja
lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah. Kombinasi ini akan
mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan
effisiensi turbin. Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi,
dimana akan membuat lebih pendek dan compact.
REACTION STAGES
CURTIS STAGE
STEAM
INLET
Gambar 11: Turbin Impuls-Reaksi
2.1.2.3 Turbin Aksial, Radial, Helikal
Seperti dijelaskan diatas, salah satu karakter turbin dapat dibedakan
berdasarkan arah aliran uap, yaitu turbin aksial, turbin radial, dan turbin helikal.
Secara umum, arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose!, diaphragms,
sudu tetap dan sudu gerak.
1. Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar
terhadap sumbu turbin (shaft). Pada proses· ekspansinya turbin ini
dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi.
16

23. 2. Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus
terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12).
I I
Ii
I
I
Gambar 12: Turbin Radial
3. Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial
terhadap lingkaran rotor dan menubruk/menimpa sudu gerak. Sudu­
sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada
setiap sudu. Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap
kembali, dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk
sudu gerak melalui kanal di turbin, hal tersebut akan mengekspansi energy
uap lebih banyak (lihat gambar 13)
Gambar 13: Turbin Helikal
17

24. • •
Pembagian aliran uap apakah aliran tunggal atau aliran ganda, tergantung
apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah.
• Aliran uap tunggal: Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali
jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin.
• Aliran uap ganda:: Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir
melalui sudu menuju masing-masing ujung poros , dan keluar melaui
exhaust chambers. Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudu­
sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pada
kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial
Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya, turbin uap dapat
digolongkan dalam tiga jenis utama, yaitu:
o Turbin generator, yang dioperasikan di industri dan termaI
o Turbin mekanik, yang dioperasikan untuk menggerakan
:kompresor, pompa, blower
o Turbin kapaI (marine turbine), yang dioperasikan untuk
menggerakan baling-baling kapaI, dan perlengkapan kapaI
Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah :
• putaran bervariasi antara (80% sid 105%) dari putaran rancangan nomal
• perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)
• putaran tinggi
• sesuai dengan standar API (American petroleum institute).
mrbinkGmflfCSO(
.-L------,- ii. ._I J--.-- rurbin kapal
B . "~ {~·;.0-~~ · t . .
~ __ -:... _ __ . _ ... J.J. " tmbinp:ncr1lOr
" ~. :/
?/' I f
~ i .
--- --4--
Gambar 14: Karakteristik Output Turbin Uap
Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri
dan termal, sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri.
18

25. 2.1.2.4 Turbin Industri
Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup, yaitu :
• Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)
• Tubin kondensasi (Condensing Turbines)
• Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)
• Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)
Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan, turbin kondensasi dan
turbin ekstraksi akan dibahas.
2.1.2.4.1 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)
Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan
pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan
sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan. Tekanan uap
meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan
uap pemproses. Dengan demikian, tekanan dan temperatur uap dari ketel harus
diatur berdasarkan tekanan, temperatur uap pemroses dan daya yang
dihasilkan, efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin, seperti dilukiskan dalam
diagram mollier dibawah ini.
""""B
Gambar 15: Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan
ketel, ti = temperatur ketel, po =tekanan uap proses, to =temperatur uap
proses)
Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan. Titik A merupakan
kondisi uap masuk turbin, jadi kehilangan energi termal pada ekspansi
19

26. isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu. Titik A
diperoleh dari garis AB = ilh. ilh adalah penurunan energi termal selama
ekspansi isentropik. ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B.
Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh.
(1)
Nt = daya turbin(DK)
77 t =efisiensi turbin (%)
Ws = konsumsi uap(kg/s)
ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik
Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin.
Dalam beberapa tahun yang lalu, penelitian intensif telah dilakukan dilapangan
tentang peningkatan efisiensi. Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian
adalah Stork Turbo Blading. Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa
perbaikan, yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah
beroperasi. Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade.
Gambar 16: Stork-Turbine Blade
Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat
ini maksimum 12.000 rpm), berkaitan dengan volume uap yang keeil. Hal
tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah), karena ruang/volume
20

27. yang dibutuhkan sedikit. Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk
menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada
pabrik kimia dan lain-lain), dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui roda
gigi reduksi, seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda, putaran dapat
direduksi sampai putaran yang dikehendaki , contoh: dari 6000 rpm ke 1500
rpm pada 50 Hz.
Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan
awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan. Layout dari instalasi
uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17
dibawah ini.
b
F
L- _--' ______ _
-M-- ...----+--'
a Suplai air I
Dcsuper healer
Gambar 17: Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a. saluran air ketel,
b. pipa uap adipanas, c. saluran uap ke turbin)
Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18
dibawah ini
21

28. t
Gambar 18: Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=
tekanan ketel (kg/cm2 ABS), pi = tekanan masuk turbin (kg/cm2 ABS), pt=
tekanan uap pemanas (kg/cm2 ABS), bc= proses trottling pada katup
trotel, cd=proses ekspansi pada turbin, da= kondensasi (pengembunan)
dalam pemanas)
2.1.2.4.2 Turbin Kondensasi
Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk
menghasilkan daya. Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam
kondenser, dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah,
sehingga menghasilkan daya yang tinggi. Kemudian air hasil kondensasi dapat
disirkulasikan kembali ke dalam ketel.
Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut
juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine).
22

29. Gambar 19: Straight Condensing Turbine
2.1.2.4.3 Turbin ekstraksi
Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis, yaitu :
• turbin ekstraksi kondensasi
• turbin ekstraksi tekanan lawan
Turbin ekstraksi kondensasi, beroperasi dengan penggunaan uap ganda,
yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya), dan juga untuk penyediaan
uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi. Bila tidak ada kebutuhan uap untuk
ekstraksi, maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung. Turbin
ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah
ini.
Header uap induk
_ kensn pcnutup u::ap induk
kaNp uap l'Iouuk
/ ' / kaNp kontrol cksu-u-si
Gambar 20: Turbin Ekstraksi Kondensasi
23

30. Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri,
dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan
(processing), dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)
untuk pembangkit tenaga. Turbin itu ·disebut juga turbin uap dengan
pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini.
Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua
bagian, yaitu turbi.n bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah
(TTR), dengan fungsi uap ganda, yaitu: untuk keperluan pemprosesan dan
pembangkit tenaga. Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan
untuk kebutuhan pemprosesan. Selebihnya masuk ke TTR, mengekspansi turbin
yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load).
Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor,
yang kemudian menghasilkan air kondensat. Air kondensat dapat dijadikan air
pengisi ketel (boiler feed water).
Gambar 21: turbin kondensasi dengan pembuangan dini
Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan
pembuangan dini.
24

31. ~. B
Gambar 22: Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan
pembuangan dini (M.Danny sam)
Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah :
• ha tekanan pa kg/cm2 ABS)
• temperatur ta (0C)
• entalpi (kkal/kg)
setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap), kondisi uap masuk TTT
adalah:
• tekanan Pi (kg/cm2 ABS)
• temperatur ti (0C)
• entalpi hi = ha (kkaljkg)
Kondisi uap meninggalkan TTT adalah :
• tekanan pol (kg/cm2 ABS)
• temperatur tol (0C)
• entalpi hOl (kkal/kg)
kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah :
• tekanan Pil (kg/cm2 ASS)
• temperatur til (0C)
• entalpi hil (kkaljkg)
kondisi uap masuk kondensor:
25

32. • tekanan pc (kg/cmzABS)
• temperatur tc (oC)
• entalpi h~ (kkaljkg)
AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati
katup pengatur ( regulating value ). AB menggambarkan garis ekspansi
isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal .1Hi. .1Hi = ha - ho (
kkal/kg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik. Tetapi dari
kenyataan, bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu :
.1Hil = ha - ho ( kkaljkg ), penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik
dalam TTT.
.1HiZ = he - hb ( kkal.kg ), penurunan nergi termal teoritis secara isentropik
dalam TTR.
jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR
adalah:
.1Hi1+.1HiZ= (ha- he )+( he' - hb") (kkaljkg).
Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah :
.1He =ha - hb (kkaljkg).
Jadi efisiensi turbin teoritis adalah :
(2)
Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah :
.1Hel =ha - he' , dalam TIT
.1Hez =he' - he, dalam TTR
jadi efisiensi turbin aktual :
bHel+bHe2
(3)rft)akt= bHll +bHz2
Oaya turbin teoritis :
(Ne)tb =5,963 .1He (Ok/kg)
Oaya turbin aktual
(Ne)akt =5,963 (.1Hel + .1Hez) (Ok/kg)
Oengan perincian :
26

33. Oaya TTT: Ncl =Wa. 5,963 .1Hcl (Ok)
Oaya TTR: Nc =(WS - Weks) 5,963 .1Hc2 (Ok)
Ws = Konsumsi uap TTT (kg/det)
Weks =Konsumsi uap ekstraksi
(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR
Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan, adalah turbin yang beroperasi
dengan kegunaan uap berganda, yaitu untuk kebutuhan :
ekstraksi
pemprosesan, dan
pembangkit tenaga
Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan,
dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis, yaitu dari sebuah TTT dari jenis
bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat
ganda (Rateau).
p
Gambar 23: Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini
2.2 Teknologi PLTP Siklus Biner
Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai
prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), dimana
sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap
digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap.
27

34. PLTP siklus biner adalah proses tertutup. Proses PLTP siklus biner
menurut jenis aliran fluida kerjanya, secara skematis ditunjukkan pada gambar
24 dibawah ini.
Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu:
1. Loop energi panas bumi
Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air
panas. Uap digunakan untuk menggerakkan turbin, kemudian untuk
membangkitkan Iistrik. Sedang air panas dialirkan melalui evaporator
fluida kerja (contoh:n-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi
uap. Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke
sumur re-injeksi.
2. Loop fluida kerja
Uap panas lanjut fluida kerja (contoh:n-Butane) yang keluar dari
evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan
untuk menggerakkan rotor turbin-Generator. Kemudian, keluaran fluida
kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut
dikondensasikan di Kondensor. Sebagai media pendinginnya adalah air.
Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan
pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada
loop fluida kerja. Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan
adalah pompa sentrifugal sistem hermetic.
3. Loop sirkulasi air pendingin.
Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh
dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah diproses dialirkan ke
cooling tower. Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan
sejumlah pompa sirkulasi.
28

35. CGPP
cs
li
WP
PW
l iIW
C Condenser E Evaponttor PW Production Well
CGPP Conventional Geothermal Power P(.ant HT Hydrocarbon Tank S Sik!ncer
CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping
CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump T/G Turbine/Generator
CVvf' Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping
o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve
Gambar 24: Skema Diagram PLTP Binary Cycle
Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik
adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C, tetapi secara tidak langsung
fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk
pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida
organik yang mempunyai titik didih rendah. Uap dari fluida organik ini
kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik.
Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar
kalor atau heat exchanger. Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung
melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi, sementara fluidanya sendiri
diinjeksikan kembali kedalam reservoar. Pembangkit ini juga tidak
memproduksi emisi udara. Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi
energi seperti ini adalah Parantuka, Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake
(Jepang). Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas
bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 2,5 MW.
Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus
Biner:
a. Downwell pumps dan motors
29
HTMFl'

36. • Multistage centrifugal pumps, lineshaft-driven from surface­
mounted electric motors atau submersible electric pumps.
b. Brine supply system
• Sand removal system
a. Solids knock-out drum.
c. heat exchangers pada brine/fluida kerja
• Preheater
a. Horizontal cylinder, liquid-liquid, shell-dan-tube type;
brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell, atau
vertical, corregated plate type
• Evaporator/superheater
a. Horizontal cylinder atau kettle-type boiler
b. Superheater section (optional)
c. Brine pada sisi tube, flU ida kerja pada sisi shell.
d. Turbine-generator dan controls
• Turbin hidrokarbon (axial atau radialflow), generator dan
accessories.
e. Condenser, accumulator dan storage system
• Condenser
• Dump tank dan accumulator
a. Tanki penampung harus cukup besar untuk
menampung seluruh kapasitas fluida kerja
• Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke
tangki penampungan selama perawatan
f Feed pump system
• Condensate pumps
• Booster pumps (bila diperlukan)
g. Heat rejection system
• Wet cooling system
a. Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up
water
b. Cooling water pumps dan motors
c. Cooling water treatment system (bila diperlukan)
30

37. • Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak
tersedia)
a. Air-cooled condensers dengan manifolds dan
accumulator
b. Induced draft fans dan motors.
h. Back-up systems
• Standby power supply.
i. Brine disposal system
• Brine return pumps dan piping
a. Horizontal, variable-speed, motor-driven units
b. High-head, high-volume flow design.
j. Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)
• High-pressure sprinkler system
• Flare stack
2.2.1 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner
Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP
siklus biner. Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklus­
Biner 2,5 MW di Lahendong. Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk
mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi
mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi
kinetik. Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar
sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b). Daya poros turbin ditransmisikan ke
poros generator melalui sistem transmisi roda gigi. Dengan demikian energi
listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang
dikehendaki. Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls
satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan, maka
instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan
menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan.
Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di
Indonesia.
31

38. From
ProoUaTon
WeUs
Separator
Hot Bnnes
WeBs
';'wr"0.1201 [1<gls]
3-S 961'q
7 I 19 [bar]
Mam Feed
Putr(l
To To Crrulatlng
W<lterpurTlJ
Gambar 25: a. Turbin-Generator, b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus
Biner di Lahendong
2.2.2 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle
100kW
Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan
pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW, kemudian dilanjutkan dengan
pilot plant dengan kapasitas lOOkW, dan sebagai target akhir adalah sistem
modular lMW. Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama, yaitu:
• Fluida kerja : n-pentane
• Jenis turbin : axial single stage
• Sistem kontrol : micro-controller
Steam to COl"MlroonaJ geolhermal plants
Working Fluid =N-Pent~e
';"'-0.5153 [kgl]
'I'lpump=O./3S
' ' '!o107 Jl<WJ " ••••_--','--••_ ....._ ••J
17177 AI.OO;anes pu~s I
To ~!l'lIRrtion
WeUs
Gambar 26: Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW
32

39. Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 26. Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur
oleh BPPT, dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu,
Jawa Barat (Gambar 27).
Gambar 27: Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW
Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti
yang ditunjukkan pada Tabel1.
"P t " B"
Tekanan
Tabe11: HaSI"I PengUikuran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW
Temperatur Enthalpy Daya Daya
Titik Posisi
(DC)(bar) Turbin Bersih
1
(kJ/kg)
2,46 76,16 449,2
2
Turbine inlet
·431,6
3
Turbine outlet 1,44 64,73
1,39 64,73 431,6
6
Condenser inlet
1,24 38,96 30,72Condenser outlet
~
~
~
1,19 38,96 30,72Pump inlet7 coN ~'40,46 4,00
9
Pump discharge 4,668
47,473,16 52,43
12
Evaporator inlet
2,66 76,62 574,6
outlet
Evaporator
Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb:
a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain.
b) Terjadi kebocoran pada turbin, diakibatkan tidak optimalnya
pemilihan jenis seal.
c) Putaran turbin tidak stabil, diakibatkan karena tidak adanya governor.
33

40. d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi
dengan baik.
Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle, basic
design pilot plant dengan kapasitas 100kW, serta "Optimasi Engineering Design
PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW" telah dibuat dengan menetapkan hal-hal
sbb:
1. Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti n­
pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi
pembangkit. Selain itu, fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam
negeri dengan biaya yang lebih rendah.
2. Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi
superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi
isentropik turbin yang lebih tinggi, serta kondisi gas keluar turbin dalam
keadaan superheat yang lebih rendah. Hal ini memberi pengaruh pada
kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah, sehingga dimensi dan
biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil.
3. Untuk menggantikan turbin axial, turbin radial-inflow lebih sesuai
diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan
pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci!.
Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini:
1. Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah
yang tersusun membentuk lingkaran
34

41. 2. Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda
turbin . Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam
uap menjadi energi mekanik.
3. Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang
rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang
mendekati kecepatan normal dalam pipa.
4. Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang
berputar dengan kecepatan tinggi.. Tenaga ini dapat dihubungkan
dengan kompressor atau generator.
2.2.2.1 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW
Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan
data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air
panas (brine). Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan
menggunakan perangkat lunak EES (lihat gambar 28). Gambar 28 adalah
perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine; suhu
brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari
preheater 1000e.
Pada gambar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance
PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 141,6 kW
dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW. Lajut debit brine adalah 5,108
kg/s (18,39 ton/jam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan
temperatur keluar dari evaporator adalah 12S,60C dan keluar dari preheater
1000C, adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1,089
MW. Sementara itu, kondisi inlet dan outlet dari evaporator pada sisi fluida kerja
35

42. N-Butane masing-masing adalah 22 bar, 120,470C (gas) dan 22 bar, 120,50C
(gas), sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah
22,3 bar, 43,430C (cair) dan 22 bar, 120,470C (gas). Laju debit N-Butane yang
dibutuhkan adalah 2,494 kg/s (8,98 ton/jam). Dengan daya turbin 141,6 kW,
kondisi inlet turbin adalah 21,8 bar dan 120,10C (gas), dan outlet 4,541 bar dan
64,420C (gas). Kemudian, sisa daya sebesar 0,9596 MW dikondensasikan melalui
kondenser, dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air
(cooling tower) pada temperatur inlet 410C dan outlet 300C. Daya parasitik
sebesar 10% dari daya turbin, digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi
fluida dan pompa cooling tower. Proses PLTP siklus biner berlangsung secara
siklus tertutup. Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi
pada komponen preheater, evaporator, turbin, kondenser dan pumpa.
Tabel 2: Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW
ntik
h[i]
[kJ/kg]
sri]
[kJ/kg-K]
T[i]
[OC]
P[i]
[bar]
P$[i] T_brine[i] h_brine[i]
[kJ/kg]
T_cw[i] h_cw[i]
[kJ/kg]
Densitas
(kg/m3)
Da·ya
Turbin
Daya
Bersih
1 743 2,52 120,1 21,8 superheated 150 743 41 686,2 59,93
::-"
D
...-~
...
::-"
0
0
...
2 686,2 2,543 64,42 4,541 superheated 145,5 703,3 40 651,9 10,39
3 686,2 2,545 64,42 4,491 superheated 140,9 663,6 39 617,6 10,26
4 648,4 2,435 44,93 4,491 saturated 136,4 623,8 38 583,3 548,7
5
6
309 1,377
1,343
44,93 4,491 liquid 131,8 584,1 37 549 548,7
301,4 41,93 4,341 liquid 127,3 544,4 36 514,7 552,5
7 301,4 1,343 41,93 4,291 liquid 122,7 504,7 35 480,5 552,5
8 306,2 1,348 43,43 23,8 liquid 118,2 465 34 446,2 554,8
9 306,2 1,348 43,43 22,3 liquid 113,6 425,3 33 411,9 554,5
10 528,7 1,973 120,5 22 saturated 109,1 385,6 32 377,6 60,75
11 741,1 2,513 120,5 22 superheated 104,5 345,9 31 343,3 60,75
12 743 2,519 120,5 22 superheated 100 306,2 30 309 60,75
36

43. Thermodvnamic Cvcle
PUP
~ Wa<1Iing Fluid· N-a..c- P~. tt1 . 1
.... s.•GoI.-..J
'WI'E. 10S~~
GtoosWcrt
_WertT__ Wcrt '
"a- .. '61'W1
U
! I ea,.....,e
: t; P.{" ..II ------,1:
!
&I-!','5
From
~
6
- IT, - ~~ I
·
·
I.bn"-d To To ! ~
"-P'_+~1 --­
-
~:
t .).... :;.3 JlWI rrn? ........." · ~_-1l)1'WI
.........:-fl''"·
_ -~.t~ II.. _ lilt : ? ..
To~
L : ~..J
3 I - . J------J.
Gambar 28: Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW
37

44. 2.3 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM
Berlatar belakang permasalahan energi nasional, permasalahan pengembangan
pembangkit tenaga listik uap skala kecil, khususnya permasalahan industri manufaktur
turbin uap, dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur, ketersedian
material, uji performance, Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan
akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap, khususnya turbin skala keciI.
Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun, rekayasa
dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk
pembangkit Iistrik skala keci!. Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang
(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri. Langkah
tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit
tenaga listrik yang lebih besar. Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan
secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur
peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci!. Dibawah ini adalah tahapan reverse
engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM.
Gambar 29: Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM
Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama
dengan PT. Nusantara Turbin & Propusi, PT Barata Indonesia, PT PINDAD, PT Compact.
38

45. Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI. Turbin uap 450 HP
merupakan turbin impuls satu tingkat. Berdasarkan arah aliran uap, turbin tersebut
digolongkan turbin aksial, sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin
backpressure. Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kg/cmz
dan 0,8 kg/cmz, sedangkan temperatur inlet adalah 3200C. Turbin tersebut
mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kg/jam. Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi
turbin uap 450 HP- PTIM
RATNG
TYPE : HORIZONTAL
IMPULSE
SINGLE STAGE
SNGLE VALVE,
BACK PRESSURE
GEARBOX
MODEL : SNM HO-163R
OUTPUT : 450HP
SPEED 4336 RPM
STEAM INLET
PRESSURE
: 15 kglcm~2
STEAM INLET 320deg. C
TEMPERATURE
EXHAUST STEAM
PRESSURE
: 0.8 kglcm~2
STEAM CONSP. : 5290 kg.Hr
Gambar 30: Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM
2.4 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)
Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis
numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran
fluida, perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia, dan lain­
lain.
Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD,
dan outputnya berupa prediksi pola aliran yang terjadi, perpindahan panas dan massa,
reaksi kimia, dan lain-lain. Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu
proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh, '
seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu proses/alat
pada berbagai kondisi operasi, agar dapat memilih rancangan yang optimum dari
39

46. berbagai pilihan yang ada.
Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal
memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat
berJangsungnya suatu proses.
CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan
tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik. Kinerja tersebut mencakup kecepatan
pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia. Perkembangan teknologi
perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD
semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan. CFD juga dimanfaatkan di bidang
aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya, hidrodinamika
pada kapal laut, pembakaran pada motor bakar dan turbin gas, distribusi polutan di
udara, aliran darah melalui arteri, dB.
2.4.1 Cara Kerja Program CFD
Umumnya, Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk
mempermudah penggunaannya, untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa
hasil simulasi. Oleh karena itu, program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama
yang terdiri dari pre-processor, solver dan post-processor.
Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru, proses simulasi tetap terdiri dari 3
tahap, tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer
dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk
pembuatan geometri dan mesh). Secara singkat, ketiga komponen tersebut akan
dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut.
2.4.1.1 Pre-processor
Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat
diproses oleh solver. Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi :
Mendefiniskan geometri dari ruang/daerah yang akan disimulasikan yang
disebut sebagai domain.
Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan
membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau
40

47. elemen).
Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan.
Mendefinisikan sifat fisik fluida.
Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu
sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain.
Solusi dari problem aliran (kecepatan, tekanan, temperatur, dB.) didefinisikan
pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel. Dengan demikian keakuratan
dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid. Secara umum
semakin besar jumlah sel, akurasi simulasi akan semakin baik. Akan tetapi jumlah sel
yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat
pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitungan/pemprosesan.
2.4.1.2 Solver
Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan
pengembangan metode finite-difference. Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga
tahap yaitui:
1. Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada
seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses
transien. Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode
lainnya.
2. Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil
integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan
finite-difference.
3. Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif.
Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada
fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan
karena aliran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel <p pada setiap
titik). Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel
<p dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya
variabel <p dari satu titik ke titik lain). Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat
kompleks dan tidak linear, maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi
diperlukan.
41

48. 2.4.1.3 Post-Processor
Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan
dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah. Gambar atau
grafik yang dapat ditampilkan meliputi:
Geometri domain dan grid,
Vektor aliran,
Kontur dalam bentuk garis atau arsiran,
Gambar permukaan 2D dan 3D, -Particle tracking, dll.
Pada program-program yang baru, terdapat fasilitas tambahan yang dapat
memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik.
2.4.2 Hukum-hukum Konservasi
Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus
merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi.
Hukum-hukum tersebut diantaranya:
• Hukum kekekalan massa.
• Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada
partikel fluida (hukum Newton kedua)
• Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor
dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika
pertama).
Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna, akan tetapi akan ada berbagai
versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar.
Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan.
Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu. Untuk analisa, maka diambil
satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x, 8y, dan 8z seperti gambar di bawah ini.
42

49. S I
.:
I
~~!~:1€t.........
Gambar 31: Satu unit elemen fluida
Masing-masing permukaan diberi label N, S, E, W, T, dan B yang merupakan
singkatan dari North, South, East, West, Top dan Bottom. Pusat dari elemen terletak
pada koordinat (x,y,z). Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu
sehingga dapat ditulis misalnya p(x,y,z,t), p(x,y,z,t), T(x,y,z,t), dan u(x,y,z,t) untuk massa
jenis, tekanan, temperatur, dan vektor kecepatan.
2.4.2.1 Hukum Kekekalan Massa
Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda.
Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]:
ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)
at ax ay az
dimana u, v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u, y untuk v, dan z
untuk w. Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]:
ap + div(pu) =0 (5)
at
Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses
unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid. Suku pertama menunjukkan
perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu. Sedangkan suku
kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan
biasa disebut sebagai suku konvektif.
43

50. Untuk incompressible fluid (cairan), massa jenis dianggap konstan sehingga
persamaan menjadi [10]:
div u =0 (6)
2.4.2.2 Kekekalan Momentum
Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Navier­
Stokes, maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3
dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]:
Momentum arah x : 0( pu) + div( puu) = - ap + div(Ji grad u) +SMe< (7a)
at ax
Momentum arah y : a( pv) + div( pvu) =- ap + div(Ji grad v) + SM (7b)
at ay Y
Momentum arah z : a( pw) +div( pwu) =- ap + div(Ji grad w) +SMz (7c)
at az
S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force.
Sebagai contoh, jika body force disebabkan oleh gravitasi, maka dimodelkan sebagai
berikut: SMx = 0, SMy = 0, dan SMz = - pg.
2.4.2.3 Kekekalan Energi
Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama.
Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam, dalam
bentuk persamaan sebagai berikut [10]:
a(pi) + div( piu) =-P div u + div(k grad T) + <l> +S; (8)
at
dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah
source untuk energi dalam.
2.4.2.4 Persamaan Keadaan
Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari
5 persamaan diferensial parsial yaitu : persamaan koNservasi massa, persamaan
momentum arah x, y, dan z, dan persamaan energi. Di dalam persamaan-persamaan
44

51. tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p, p, i dan T. Keempat
variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan
termodinamika pada proses. Dengan asumsi tersebut, 2 variabel tingkat keadaan
tereliminasi dari 4 variabel di atas.
2.4.2.5 Model Turbulensi
Kelima persamaan di atas, telah mencukupi jika digunakan untuk
mensimulasikan aliran laminar. Untuk aliran dengan bilangan Reynolds yang tinggi,
maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan
tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada
banyak model turbulensi seperti misalnya :
• zero equation model- mixing length model
• model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)
• model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)
• model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers. aljabar), dB.
2.4.2.6 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial
Jika diperhatikan secara seksama, maka berbagai persamaan differensial di atas
memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel. Jika berbagai variabel
tersebut diganti dengan variabel umum $, maka dapat disusun bentuk umum
persamaan differensial sbb. [10]:
a(p¢)
+ div(pu¢) = div(f grad ¢) + S¢ (9)
at
(transien) (konveksi) (difusi) (source)
dengan: t menyatakan waktu;
p menyatakan massa jenis;
$ menyatakan variabel umum seperti misalnya entalpi, fraksi massa,
temperatur, tekanan, dB.
u menyatakan vektor kecepatan;
f menyatakan koefisien difusi; dan
S~ menyatakan besarnya source dari $.
45

52. div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx
+ aly
+ alz
ax ry 8z
2.4.2.7 Koordinat
Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan
variabel-variabel tak bebas (dependent variables, ~). Secara umum, variabel-vriabel
tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D: x,y dan z) dan waktu (t) yang
merupakan variabel bebas (independent variables). Di dalam metode numeris, kita
harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu
dimana variabel ~ dihitung. Untungnya, tidak semua problem harus diselesaikan dengan
memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut. Dengan semakin sedikitnya variabel
bebas yang terlibat, maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat
diselesaikan lebih cepat. Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang
ada), 2-dimensi, dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady
dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi.
Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit
mungkin, maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan
penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun
tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis.
2.4.2.8 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat
Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat. Untuk itu, model
dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
1. One-way coordinate, adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu
koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut.
Sebagai contoh pada simulasi unsteady, harga variabel cp pada suatu t tertentu
tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya. Terminologi yang
digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah
kondisi parabolik.
2. Two-way coordinate, adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu
koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya. Sebagai contoh
konduksi panas pada suatu batang logam, maka temperatur pada lokasi
46

53. tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada
kedua ujung batang logam. Dalam bahasa metematis, kondisi ini dinamakan
eliptik.
Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas, bergantung pada cara
memandang proses tersebut. Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady
yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik, tetapi kenyataannya adalah
parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang.
Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas, model matematis juga mengenal
istilah hiperbolik. Namun di dalam metode numerik, kondisi tersebut biasanya
dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik.
Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah
penghematan waktu dan memori komputer. Jika suatu model dapat
disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik, maka memori yang
dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang
dilakukan dan waktu yang diperlukan.
2.4.3 Kondisi Batas (Boundary Conditions)
Di dalam setiap simulasi CFD, akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai
bagian dari model. Dengan demikian, sangatlah penting untuk mengetahui cara
menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan. Beberapa jenis kondisi
batas yang sering digunakan diantaranya adalah: inlet, outlet, wall, simetri, dan
periodik.
Pada saat menyusun staggered grid, tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang
batas fisik model. Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2).
Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas
volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi
inlet. Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah
persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas.
2.4.3.1 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal
Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga
47

54. harga 0 di nodal P konstan pada 0fix. Sebagai contoh, jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su
=1030 0fix, dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi, maka akan diperoleh:
(10)
Angka yang digunakan tidak harus 1030, tetapi harus cukup besar dibanding semua
koefisien didalam persamaan diskretisasi, sehingga Gp dan Gob dapat diabaikan. Dengan
demikian akan didapat
(11)
yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix.
2.4.2.1 Kondisi batas: INLET
Untuk mempermudah pembahasan, akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah
x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah aliran. Sebagaimana telah ditunjukkan
sebelumnya, bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang
pertama. Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan
inlet yang telah diketahui, karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik
dan batas grid dari persamaan diskretisasi. Dengan demikian harga u akan menjadi:
•
I1w =IIw (12)
dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O.
Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak
menghasilkan tekanan absolut. Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan
menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi
tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut. Dengan demikian, medan tekanan absolut
akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan.
2.4.3.3 Kondisi batas: OUTLET
Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x), maka
penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l). Sebelum
itu, untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi
gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET. Perlu diperhatikan bahwa
persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar, hal tersebut mengakibatkan penentuan
48

55. VNI,j = VNI-l,j dan 0NI,j = 0NI-l,j yang dapat diselesaikan secara normal. Namun untuk
kecepatan arah-x, asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan
UNI,j = UNl-l,j (13)
yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi
massa pada seluruh domain. Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku
di seluruh domain, maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung
pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi. Agar
fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min), maka
komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio
Min/Mout. Sehingga persamaan
kecepatan menjadi:
UNl,j = UNI-l,j X Mln/Mout (14)
Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan, sehingga
di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan, hubungan ke batas OUTLET (sisi e)
dihilangkan dengan menentukan aE = O.
2.4.3.4 Kondisi batas: WALL
WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran
tertutup (confined). Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding
sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain). Dengan demikian arah komponen
kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus
terhadap dinding, demikan juga untuk variabel skalar.
Untuk kondisi tanpa slip, maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan
di dinding padat adalah u=v=o. Karena kecepatan dinding telah tertentu, maka tidak
diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan
diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL, hubungan ke
dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan v'w=Vw sebagai suku SOURCE.
Di dalam simulasi CFD, lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding
merupakan stuktur yang berlapis-lapis. Lapisan yang menempel pada dinding
49

56. merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous, kemudian di luarnya adalah lapisan
buffer dan inti turbulensi (turbulent core). Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara
mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin
diaplikasikan di dalam simulasi CFD. Oleh karena itu, dikenal suatu fungsi, yang dikenal
sebagai "wall function", untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran
fluida di dekatnya.
Untuk simulasi aliran turbulen, perhitungan diawali dengan menyelesaikan
persamaan:
(15)
dengan !J.yP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat.
Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys;11,63. Jika
y~11,63 maka alirannya adalah turbulen, dan pendekatan fungsi dinding akan
digunakan. Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan
sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari
suatu lapisan turbulen di dekat dinding. Harga y=11,63 sendiri menunjukkan area
irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh
dari persamaan:
(16)
Di dalam persamaan (16) ini, K adalah konstanta von Karman (=0,4187) dan E
adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding. Untuk
permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan, maka E=9,793.
2.4.3.5 Kondisi batas: SYMMETRY (Simetri)
Kondisi pada batas simetri adalah: tidak ada aliran melalui bidang batas dan
tidak ada fluks skalar melewati bidang batas. Sehingga pada pelaksanaannya, kecepatan
tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut. Harga variabel
pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal
yang tepat disebelahnya di bagian dalam.
50

57. 2.4.3.6 Kondisi batas: PERIODIC (Periodik)
Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY. Kalau kondisi batas
SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap
kondisi batas, maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah
luar dari kondisi batas PERIODIC. Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas
PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik, yang satu berfungsi sebagai
inlet dan yang lain sebagai outlet. Dengan demikian, kondisi batas PERIODIC sebagai
inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet. Jika batas-batas
pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC, maka
untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku:
(17)~l,J =9NK-l,J dan
Sedangkan untuk komponen kecepatan, berlaku persamaan:
, VNKt l,J = ,'J (18)dan
2.4.3.7 Kondisi batas lainnya.
Selain jenis-jenis di atas, masih banyak kondisi batas lain seperti untuk
mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan, kondisi yang khusus seperti
misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak, dB.
51

58. BAB III
TUJUAN DAN MANFAAT
3.1 Tujuan dan Sasaran
Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap
menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah
turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon, serta akan menghasilkan
engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap
diimplementasikan, serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh
industri dalam negeri.
Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap
menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner, serta engineering design guna
meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut :
1. mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam
pekerjaan engineering design
2. Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara
keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri,
termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri
komponen pada UKM.
3.2 Pemanfaatan Ristek
Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan
manfaat untuk pemerintah, industri, dan masyarakat, berikut adalah manfaat ristek:
1. Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600
MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi, dimana
akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter, potensi penghematan BBM
Rp.2 Trilyun / tahun (berdasarkan sumber data 2007).
2. Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN,
dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri.
3. Multiplier Effect: Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung
dalam negeri (UKM), dan membuka kesempatan kerja yang luas.
52

59. 4. Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80%
pada tahun 2025, dan menurunkan biaya investasi hingga 30%
5. Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya, mencegah
pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah
Iingkungan).
3.3 Man/aat Ekonomi
Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya, yaitu
engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon, dan
peningkatan kuaIitas industri lokal, komponen maupun pembangkitan yang
menggunakan energi panas bumi.
3.3.1 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil
Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah;
o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing
o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri
3.3.2 Kontribusi terhadap sektor lain
o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat, terutama dalam pengembangan
turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil.
o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin
hidrokarbon
o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada
UKM.
o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal
53

60. BABIV
MEDOTOLOGI
Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan, yaitu; Geometri 2D,
Validasi Model, Simulasi Model, dan Kondisi Batas (Boundary Conditions). Berikut
dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan.
4.1 Geometri 2D
Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2
dimensi). Dengan penyederhanaan tersebut, waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat
dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D. Model 2-D dilakukan
dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade, dimana pada posisi tersebut
dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut
Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin, maka kecepatan linier
rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung, dan digunakan dalam perhitungan
simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor.
4.2 Validasi Model
Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu
steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya). Dari simulasi tersebut akan diperoleh
penurunan entalpi, dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya
turbin hasH simulasi. Selanjutnya, daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan
daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp. Jika besaran daya hasH simulasi sudah
mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain, maka model dianggap telah
disetel dengan benar. Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah
mendekati kondisi disain, maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin
harus berkisar 228.5 kJ/kg.
4.3 Simulasi Model
Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida
steam, maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana. Hal ini
54

61. dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti
dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner. Oari hasil
perhitungan simulasi, akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin
sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi. Oari besaran penurunan entalpi
hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC, maka
dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru. Selanjutnya, daya
tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil
simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam.
4.4 Kondisi Batas (Boundary Conditions)
Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari:
a. Pressure inlet
Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain. Kondisi batas
tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak
(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi
masuk.
b. Pressure outlet
Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka
kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap
yang kita harapkan. Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di
simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan
ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat.
c. Periodic
Oalam hal ini, tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan.
Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup
untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna).
d. Steady state
Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator
maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini.
e. Aliran fluida dimodelkan turbulen
Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan
reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi
aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis
55

62. dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika
fluida.
Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi:
Gambar 32: Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu
Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin
hidrokarbon pada tingkat kurtis.
d
Gambar 33: a). Grid dan Meshing b). Solid Sudu c). Kaskade Sudu d). Sudu
Curtis Tingkat Pertama.
56

63. Gild (T~5{).OOOOe..OO)
Gambar 34: Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon
1 .6~O
1.5000
1.• 000 .
1.3000
12 000
CI
1.1000
1.0000
0.9000
0.8000
' 1
!~
1
1 1 1 1
I
II V '
~
0.7000 +---~--..,...--~--..,...--~----,
0.31B 0.31S 0.31S 0.318 0.318 0.319 0.319
Time
Gambar 35: Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (S;mulas; Unsteady)
57

64. BABV
HASIL DAN PEMBAHASAN
5.1 Geometri - Model Turbin 450 hp
Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada, terdiri dari: nose!,
sudu baris ke-1, sudu balik, sudu baris ke-2, dan outlet. Pengecualian terjadi pada nosel
inlet dan outlet, model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model, bagian­
bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada, dan
disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan
ketinggian nosel dan sudu. Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model
adalah sebagai berikut.
1. Nosel 2. Sudu baris ke-1 3. Sudu balik
4. Sudu baris ke-2 5. Outlet
Gambar 36: Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp
Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp
termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut.
58

65. Gambar 37: Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp
Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan
kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak
5.2 Kondisi Operasi
Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin
untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja n­
Butana adalah sebagai berikut:
T ba e13: 0ata proses mod 1e
No. Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana
1. Kecepatan 4336 4336I1lm
Bar absTekanan inlet 16 21,82.
QC3. Temperatur inlet 320 120,1
Tekanan outlet Bar abs 1,8 4,5414.
QCTemperatur outlet 64,425. n/a
Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6.
Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907. 2,494 kg/det
daya yang diharapkan kg/jam
Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas, maka pemilihan
model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah:
5.2.1 Inlet
Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet, dengan kondisi
batas disetel sebagai berikut:
59

66. . ITabe14: PenyeteIan kond"lSI batas In et
No. Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana
1. Gau,qe Total Pressure Pa 1.500.000 2.080.000
393.252. Total temperature K 593.15
3. Direction vector X X
4. Turbulence Intensity % 5 5
5. Hydraulic Diameter mm 12.72 12.72
5.2.2 Outlet
Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet, dengan
kondisi batas disetel sebagai berikut:
t 1 k d·' b taTabe15: Penye e an on lSI a soutlet
No. Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana
1. Gauge Pressure Pa 80.000 354.100
2. Total temperature K 374 337.57
3. BackflowDirect Spec. Met normal to boundary
5.2.3 Gerakan rotor
Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor
seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar
136,1 m/det ke arah sumby y positif. Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil
perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor.
5.2.4 Solver
Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi, maka dipilih Solver tipe Segregated
dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady.
5.2.5 Turbulensi
Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard.
5.2.6 Running model
Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi,
kondisi-kondisi batas, dan metode penyelesaiannnya, maka selanjutnya program
simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya.
Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady.
Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap
60

67. control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady.
Dengan cara demikian, konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai,
dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady.
5.3 Hasil Simulasi
Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan, Mach Number, temperatur, dan
tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut. Adapun data hasil
perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pada tabel 7 sebagai
berikut:
b'l d . h '1 .T be16 Data lam I an aSI per I ea : yang d' J:!gan mod I simu aSI
No. Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)
detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet rata·
rata
1 Steam 0.09495 1556.7 593.15 180.0 498.0 3264.0 2982 282.0 276.3 0.2529 0.2554 0.2514
0.09497 1556.8 593.15 180.0 499.6 3264.0 2988 276.0 0.2521 0.2522
0.09499 1556.8 593.15 180.0 499.8 3264.0 2993 271.0 0.2521 0.2437
2 n-butana 0.09500 2136.4 393.25 454.1 379.8 673.2 630 43.2 43.2 0.6525 0.6536 0.6483
0.09502 2136.5 393.25 454.1 379.8 673.2 630 43.2 0.6518 0.6458
0.09504 2136.5 393.25 454.1 379.7 673.2 630 43.2 0.6510 0.6353
WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap, namun simulasi ini hanya ditujukan
untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke
kondisi outlet turbin. Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai
pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut, sehingga tidak dilakukan analisa
terhadapnya.
5.4 Analisa dan Pembahasan
5.4.1 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air
Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh
penurunan entalpi sebesar 276.3 kJ/kg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar
0.2514 kg/det. Sedangkan berdasarkan spesifikasi, untuk mendapatkan 450 hp,
diperlukan flowrate sebesar 5290 kg/jam atau 1.4694 kg/det. Dengan demikian untuk
mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi, diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel,
jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya. Problem yang terjadi
pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi
61