TURBIN GAS
A. Pengertian Dan Sejarah Turbin Gurbin adalah salah satu mesin termal, di mana energi panas (heat energy) yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar (umumnya cair atau gas) ditransformasikan ke roda turbin (rotor) yang menghasilkan putaran dan kerja (mekanikal). Terminologi lain bahwa Turbin Gas adalah peralatan yang mengkonversi termal menjadi energi mekanis dalam bentuk kerja putaran poros. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas.
Penggunaan Turbin Gas dibagi menjadi dua, yaitu :
1. Pada bidang Aviasi (penerbangan)
Digunakan sebagai mesin yang menghasilkan daya dorong pada pesawat terbang ( Aeroderivatif). Turbin gas dinilai sangat cocok sebagai motor propulsi pesawat terbang karena memiliki bobot yang ringan dimensi yang ringkas,sehingga tidak memerlukan banyak ruangan, serta mampu menghasilkan daya yang besar. hal ini menjadi penting karena adanya kecenderungan terbang pada kecepatan tinggi serta jarak jelajah yang panjang dan muatan yang bertambah berat.
Gambar 4. Aplikasi Turbin Gas Pada Pesawat Terbang
2. Pada bidang Industri
Turbin gas digunakan untuk menggerakkan bermacam-macam peralatan, seperti pompa, generator listrik, dan kompresor.
Gambar 5. Turbin gas Untuk Industri (Pembangkit Listrik)
1. Sejarah Turbin Gas
Turbin gas adalah suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran yang menggerakkan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakkan beban (generator listrik, pompa, kompresor atau yang lainnya). Turbin gas merupakan salah satu komponen dari suatu sistem turbin gas. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas. Menurut Dr. J. T. Retaliatta, sistim turbin gas ternyata sudah diken al pada jaman “Hero of Alexanderia”. Disain pertama turbin gas dibuat oleh John Barber seorang Inggris pada tahun 1791. Sistem tersebut bekerja dengan gas hasil pembakaran batu bara, kayu atau minyak, kompresorn ya digerakkan oleh turbin dengan perantaraan rantai roda gigi. Pada tahun 1872, Dr. F. Stolze merancang sistem turbin gas yang menggunakan kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan langsung oleh turbin reaksi tingkat ganda. Tahun 1908, sesuai dengan konsepsi H. Holzworth, dibuat suatu sistem turbin gas yang mencoba menggunakan proses pembakaran pada volume konstan. Tetapi usah a tersebut dihentikan karena terbentur pada masalah konstruksi ruan g bakar dan tekanan gas pembakaran yang berubah sesuai beban. Tahun 1904, “Societe des Turbomoteurs” di Paris membuat suatu sistem turbin gas yang instruksinya berdasarkan disain Armen gaud dan Lemate yang menggunakan bahan bakar cair. Temperatur gas pembakaran yang masuk sekitar 450 C dengan tekanan 45 atm dan kompresornya langsung digerakkan oleh turbin. Selanjutnya, perkemban gan sistem turbin gas berjalan lambat hingga pada tahun 1935 sistem turbin gas mengalami perkembangan yang pesat dimana diperoleh efisiensi sebesar lebih kurang 15 %. Pesawat pancar gas yang pertama diselesaikan oleh “British
Thomson Houston Co” pada tahun 1937 sesuai dengan konsepsi Frank Whittle (tahun 1930). Saat ini sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk berbagai keperluan seperti mesin penggerak generator listrik, mesin industri, pesawat terbang dan lainnya. Sistem turbin gas dapat dipasang dengan cepat dan biaya investasi yang relatif rendah jika dibandingkan dengan instalasi turbin uap dan motor diesel untuk pusat tenaga listrik.
2. Kelebihan turbin gas
- Efisien
- Rasio kompresi tinggi ( 20:1 )
- Simple
- Relatif ringan bobotnya.
3. Kekurangan Turbin Gas
- Desain kompleks
- Mahal
3. Komponen Turbin Gas
1. Komponen-komponenUtama padaTurbin gas
Ada 3 komponen utama yang menunjang kerja Turbin Gas, yaitu:
1. Kompresoraksial
Yang dimaksud aliran axial adalah bahwa jalan aliran udara arahnya paralel atau memanjang searah dengan shaft dari rotor .Kompresor aksial terdiri dari beberapa tingkat (dapatmencapai30tingkat), masing-masing tingkat terdiri dari satu baris sudu gerak pada rotor, dan satu baris sudu tetap pada stator untuk memperoleh efisiensi yang tinggi diperlukan rasio kompresi yang tinggi. Namun, karena dalam satut ingkathanya dapat memberikan kenaikan tekanan yang kecil, maka kenaikan tekanan yang diperoleh dalam satubaris sudu tidak besar. Dengan demikian untuk memperoleh effisiensi yang tinggi diperlukan beberapa tingkat kompresor aksial dalam seri. Komponen utama sebuah kompresor aksial adalah rotor dengan sudu– sudu gerak dan stator dengan sudu–sudu tetap. Penampang suduber bentuk airfoil. Biasanya sudu dipasangkan longgar pada rotor untuk memberi ruang pemuaian saat sudah panas ketika beroperasi [2 &3].
2. Ruang bakar
Ruang bakar sangat menentukan mutu gas pembakaran,bukan hanya dari segi energi yang disediakan tetapi juga emisi gas buangnya.Untuk menjamin hal tersebut maka ruang bakar turbin gas harus memenuhi syarat-syarat berikut ini:
- Efisiensi pembakaran yang tinggi, bahan bakar harus terbakar sempurna sehingga semua energi kimia dapat dikonversi menjadi energi panas.
- Distribusi temperatur keluar ruang bakar yang sama.
- Emisi polutan (CO, NoX, SoX) dan asap yang rendah
- Harga yang murah dan mudah perawatannya. Maka konstruksi harus sederhana serta dibuat dari material yang tidak mahal.
- Tahan lama. Konstruksi dan material yang baik serta pendinginan yang baik.
Ada beberapa jenis ruang bakar :
1. Tubular
- Konstruksi yang tegar dan kuat
- Aliran bahan bakar dan aliran udara mudah dipadukan.
- Berat total material ringan
- Mudah pemeriksaan dan penggantian.
- Volume dan penampang frontal besar
2. Anular
- Penampang frontal minimum
- Penyalaan lebih mudah
- Relatif tidak banyak membentuk asap
- Pendinginan dan pembersihannya lebih mudah
3. Tubo-anular atau kanular
Pola aliran bahan bakar dan aliran udara mudah disesuaikan
Ruang bakar terdiri dari tabung luar dan tabung dalam, tabung luar merupakan bungkus dan sekaligus struktur penyangga ruang bakar. Sedangkan tabung dalam membentuk atau membatasi ruang dimana proses pembakaran itu berlangsung.
Didalam tabung dalam terdapat penyemprot bahan bakar dan penyala, dan pemegang nyala (flameholder) yang berfungsi memperlambat aliran, membentuk vorteks atau turbulensi, sehingga api pembakaran terbakar sempurna dantetap ditempat.Hanyasekitar20–30%udarayang digunakan untuk pembakaran pada beban penuh (fullload). Sedangkan sisanya akibat panas dari api pembakaran akan mengembang atau berekspansi melalui sudu-sudu turbin. Udara yang digunakan untuk pembakaran itulah yang disebut PrimaryAir dan jumlahnya diatur oleh banyak dan besarnya lubang-lubang combustor, tempatur dara tersebut masuk kedaerah pembakaran.
Sebelum digunakan untuk proses pembakaran, sebagian dari primary air diarahkan melalui lubang-lubang disekeliling combuster untuk membentuk selubung (layers) udara yang berfungsi untuk melindungi dinding kombustor dari sentuhan api.
Disebelah bawah kombustor, dimasukkan aliran udara yang disebut SecondaryAir. Aliran udara ini bercampur dengan gas panas hasil pembakaran (primary air), untuk mencegah masuknya aliran yang sangat panas ke dalam turbin. Udara sekunder (cooling air) tersebut juga berfungsi mendinginkan ruang bakar, nozzle blade, dan turbine disc.
Tanpa adanya aliran udara tersebut maka ruang bakar akan menjadi bola api yang besar yang bertemperatur kira-kira 3500 derajat Fahrenheit (1927deg.C). Letak penyala pada kombuster ditetapkan berdasarkan pengalaman dan pengujian, yaitu ditempat dimana campuran bahan bakar–udara paling mudah terbakar tetapi juga dilindungi dari api yang panas. Hal tersebut disebabkan karena fungsi penyala adalah menyalakan campuran bahan bakar–udara sampai terjadi pembakaran yang tetap atau stabil, setelah itu tidak bekerja atau dimatikan [2 &3].
3. TurbinAksial
Bagian turbin merubah panas dari pembakaran diruang bakar menjadi tenaga putar mekanis. Sama seperti kompresor, bagian turbin juga terdiri dari beberapa deret sudu-sudu yang berputar dan tidak berputar. Sudu-sudu yang berputar tersebut disebut rotorblade dan sudu-sudu yangtidak berputar pada turbin disebut nozzle. Karena proses aliran gas didalam turbin adalah ekspansi, sudu turbin dapat dibuat dengan sudut belok lebih besar dari pada sudu kompresor. Hal tersebut memungkinkan konversi energi pertingkat yang lebih besar pula. Maka tidak mengherankan jika satu tingkat turbin dapat menghasilkan daya untuk menggerakkan 12 atau lebih tingkat kompresor dengan effisiensi yang cukup tinggi.Perlukiranya disebutkan disini bahwa pada unit daya tinggi, turbin dibuat dengan beberapa tingkat karena keterbatasan kemampuan satu tingkat turbin untuk menyerap semua energi gas yang tersedia itu sekaligus secara efisien [2 &3].
2. KomponenPendukungTurbin gas
Variable Inlet GuideVane (VIGV)
Terletak pada 1atau 2 tingkat sudu stator pertama kompresor. Berfungsi mengatur aliran massa udara supaya bisa menyesuaikan dengan keadaan pada saat start, akselerasi , dan deselerasi kompresor[4 &5].
Bleed Valve
Terletak dikompresor dan sebelum diatas rumah ruang pembakardan mempunyai saluran untuk membuang aliran udara kompresor dengan tidak melewati ruang bakar dan bagian turbin. Berfungsi untuk mengurangi tekanan balik atau back pressure pada kompresor dan juga mengurangi beban yang diterima turbin. Sekitar 10-15% dari jumlah aliran udara pada saat itu dibuang [4 &5].
Pada saat pembakaran, temperatur dalam ruang bakar akan meningkat dengan cepat. Kenaikan temperatur ini menyebabkan volume dan kecepatan aliran tersebut bertambah besar, tapi tekanannya tetap. Dari proses pembakaran, gas mengalami proses ekspansi yang kemudian diarahkan oleh nozzle untuk mendorong sudu-sudu rotor turbin sehingga turbin akan berputar.
Turbin pada RRAVON adalah kombinasi dari cara impuls dan reaksi. Pergerakan pertama dari rotor adalah dengan cara impuls, yaitu gas membentur dan mendorong sudu rotor untuk mulai berputar, tetapi gas yang berekspansi setelah melewati sudu akan bertambah kecepatannya sehingga menghasilkan proses reaction yang menyebabkan perputaran secara terus-menerus. Gas yang berekspansi tersebut kemudian memutar rotor turbin, sehingga energinya berkurang menyebabkan turunnya tekanan dan temperatur gas tersebut setelah berekspansi.
Pada RRAVON, terdapat 3 tingkat (stage) sudu pada turbin, dimana terpasang dalam 2 bagian shaft yang berbeda pada RRAVON 2 stage GG dan1 stage power turbin terhubung secara split shaft. Dua tingkat sudu pertama untuk gas producer generator dan satu tingkat terakhir untuk power turbin. Sekitar 2/3 dari jumlah tenaga dihasilkan oleh gas producer rotor. Gas producer generator adalah stage pada turbin yang tenaganya digunakan untuk memutar engine kompresor dan perlengkapannya. Misalnya compressor package, generator, pompa dan lain-lain. Dan 1/3 jumlah tenaga sisanya pada turbin dihasilkan oleh power turbin rotor yang terletak pada turbin tingkat 3 digunakan untuk menggerakkan peralatan yang diinginkan seperti gas kompresor, dll. Gas sisa ekspansi tersebut dikeluarkan melalui exhaust ke atmosfir [4].
Difuser
Difuser adalah alat atau saluran yang berfungsi menaikkan tekanan fluida dengan jalan menurunkan kecepatannya. Atau, difuser adalah alat yang mengubah energi kinetik menjadi tekanan. Difuser tidak menghasilkan atau memerlukan kerja mekanik.
VELOCITY= DEREASING PRESSURE= INCREASING TEMPERATURE= INCREASING
Fungsi diffuser disini adalah untuk memperlambat kecepatan (velocity) udara. Sehingga udara bercampur dengan bahan bakar dengan sempurna.
Nozel
Nozel adalah alat atau saluran yang berfungsi menaikkan kecepatan fluida dengan jalan menurunkan tekanannya. Atau, nozel adalah alat untuk mengekspansikan fluida sehingga kecepatannya bertambah besar. Sepertidifuser, nozzel tidak menghasilkan atau memerlukan kerja mekanik ; maka untuk nozzel W=0[3, 4,&5].
Variabel-variabel Kinerja Turbin Gas [6, 7,&8]
- Po : Barometric Pressure, yaitu tekanan udara luar atau tekanan atmosfer diukur sebelum masuk intake.
- P1 : GG bellmouth pressure,yaitu tekanan udara pada bell mouth atau tekanan udara yang diukur pada intake kompresor.
- ΔPi : Gas generator intake depression,yaitu besarnya penurunan tekanan yang masuk gas generator (turbin stage 1 &2) atau penurunan tekanan setelah keluar ruangbakar.
- T1 :Intake temperature, yaitu temperature udara masuk kompresor.
- T2 : Compressor delivery temperatur, yaitu temprature udara keluar kompresor, diukur pada kompresor stage ke 17.
- T4 : Exhaust gas temperature, yaitu temperature gasyang keluar dari gas generator (turbin stage ke 2) atau temperatur gas sebelum masuk power turbin.
- T5 : Exhaust conetemperature, yaitu temperature gas yang keluar dari power turbin (turbin stage ke 3).
- CDP : Compressor discharge pressure (P2), yaitu tekanan udara yang keluar dari kompresor atau tekanan udara sebelum masuk ruang bakar (kompresor stage ke 17).
- P4 : Exhaust gas generator pressure, yaitu tekanan gas yang keluar dari gas generator (turbin stage ke 2) atau tekanan gas sebelum masuk power turbin.
- P5 : Exhaust conepressure, yaitu tekanan gas yang keluar dari power turbin (turbin stage ke 3).
- N1 : Compressor speed, yaitu besarnya putaran kompresor.
- VIGV : Variable inletguide vane angle,yaitu besarnya sudut bukaan pada kompresor stageke1,yang berfungsi untuk mengatur besarnya udara yang masuk ke kompresor.
- Effisiensi kompresor, yaitu besar keefektifan energi pada kompresor.
- Effisiensi Thermal, yaitu besarnya keefektifan energi panas pada suatu ruang bakar turbin gas.
4. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas
1. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine)
Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).
Gambar turbin gas pesawat terbang
Turbin gas yang dipakai industri dapat dilihat pada gambar 18, cara kerjanya sama dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starter dinyalakan untuk memutar kompresor, udara segar terhisap masuk dan dimampatkan. Kemudian, udara mampat dengan temperatur dan tekanan yang cukup tinggi (2000C, 6bar) mengalir masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar kemudian dinyalakan dan terjadi proses pembakaran, temperatur gas pembakaran naik drastis. Gas pembakaran dengan temperatur tinggi (6bar, 7500C) berekspansi pada turbin, sehingga terjadi perubahan energi, dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran setelah berekspansi diturbin, lalu keluar sebagai gas bekas. Selanjutnya, turbingas bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak kompresor dan generator listrik.
Gambar 19. Turbin gas untuk industri (pembangkit listrik)
Persamaan turbin gasdengan motor bakar adalah pada proses pembakarannya yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya adalah sama yaitu hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang. Perbedaannya adalah terlatak pada kontruksinya, motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik (reciprocating) sedangkan turbin gas adalah mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap (intermiten), untuk turbin gas adalah kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak pernah dipakai untuk gaya dorong.
Gambar 20. Mesin pembakaran dalam (turbin gas dan motor bakar)
Turbin gas bekerja secara kontinyu tidak betahap, semua proses yaitu hisap kompresi, pembakaran dan buang adalah berlangsung bersamaan. Pada motor bakar yang prosesnya bertahap yaitu yang dinamakan langkah, langkah hisap,kompresi, pembakaran,ekspansidan langkah buang, antara langkah satu dan lainnya saling bergantung dan bekerja bergantian. Pada proses ekspansi turbin gas, terjadi perubahan energi dari energi panas menjadi energi mekanik putaran poros turbin, sedangkan pada motor bakar pada langkah ekspansi terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi mekanik gerak bolak-balik torak. Dengan kondisi tersebut, turbin gas bekerja lebih halus tidak banyak getaran.
Gambar 21. Perbandingan turbin gas dan mesin diesel
Turbin gas banyak digunakan untuk mesin propulsi atau jet, mesin automotiv, tenaga pembangkit listrik [gambar20], atau penggerak peralatan-peralatan industri seperti penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasil kan turbin gas mulai dari 250000 HP untuk pembangkit listrik sampai 5HP pada turbo charger pada mesin motor.
Keunggulan dari turbin gas adalah mesinnya yang ringan dan ukuran yang kecil bisa menghasilkan daya yang besar. Sebagai contoh pada gambar 20 adalah turbin gas yang biasa dipakai untuk penggerak generator listrik kecil. Generator ini banyak dipakai untuk mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya bisa menggantikan kalau terjadi pemadaman listrik. Gedung-gedung perkantoran, rumah sakit, universitas, perusahaan dan lainnya, banyak yang menggunakan generator jenis ini. Dibandingkan dengan penggunaan generator penggerak diesel, dengan penggerak turbin gas ukurannya menjadi lebih kecil, sehingga bisa menghemat tempat dan mudah dipindahkan. Pesawat terbang memerlukan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin dengan daya besar untuk daya dorong, tetapi ringan juga dari segi ukuran harus kecil. Dengan alasan tersebut, penggunaan turbin gas pada pesawat terbang menjadi pilihan yang tepat, dan tidak bisa digantikan jenis mesin lain. Pada industri dan pembangkitan listrik turbin gas sangat menguntungkan karena mesin mudah diinstal, operasinya tidak ruwet, dan tidak memerlukan ruangan yang besar.
Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin diesel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer masuk ruang bakar melewati swirler, sehingga alirannya berputar.
Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.
Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara pendinginan udara sekunder,temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan.
Pada gambar 22 diatas, terlihat zona terakhir adalah zona pencampuran (dillute zone), adalah zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang aman apabila mengenai sudu-sudu turbin ketika gas pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakaran juga bertambah. Apabila Wkinetik adalah energi kinetik gas pembakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder adalah m1 maka energi kinetiknya adalah sebagai berikut:
Wkinetik,1= m1.V²
Dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energi kinetik menjadi
Wkinetik,1= (m1+m2).V²
Jadi dapat dilihat Wkinetik,2 (dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1 (tanpa udara sekunder).
Dari uraian diatas, terlihat proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara yang berlebih, biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran dengan jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara pembakaran terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan proses pembakaran dan mati, karena panas banyak terbuang keluar melalui gas bekas yang bercampur udara dingin sekunder. Dengan pemikiran yang sama, apabila udara jumlah udara kurang dari normal, yaitu terjadi over heating, material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melampaui kekuatannya dan ruang bakar bisa pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti bekerja atau proses pembakaran terhenti.
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut:
- Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
- Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.
- Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle).
- Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.
Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:
- Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.
- Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
- Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
- Adanya mechanical loss, dsb.
Klasifikasi Turbin Gas
Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari:
- Turbin gas siklus tertutup (Close cycle)
- Turbin gas siklus terbuka (Open cycle)
Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus fluida kerja. Pada turbin gas siklus terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses awal.
Dalam industri turbin gas umumnya diklasifikasikan dalam dua jenis yaitu :
- Turbin Gas Poros Tunggal (Single Shaft) Turbin jenis ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang menghasilkan energi listrik untuk keperluan proses di industri.
- Turbin Gas Poros Ganda (Double Shaft) Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang berubah seperti kompresor pada unit proses.
Siklus-Siklus Turbin Gas
Siklus Turbin Gas
Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu:
a. Siklus Ericson
Merupakan siklus mesin kalor yang dapat balik (reversible) yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik dapat balik (reversible isobaric). Proses perpindahan panas pada proses isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya adalah : hth = 1 – T1/Th, dimana T1 = temperatur buang dan Th = temperatur panas.
b. Siklus Stirling
Merupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson.
c. Siklus Brayton
Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut.
Proses 1 ke 2 (kompresi isentropik). Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 – h1). Proses 2 ke 3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (ma + mf) (h3 – h2). Proses 3 ke 4, ekspansi isentropik didalam turbin. Daya yang dibutuhkan turbin: WT = (ma + mf) (h3 – h4). Proses 4 ke 1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor yang dilepas: QR = (ma + mf) (h4 – h1)
A. Siklus Termodinamika Turbin Gas
Turbingas merupakan suatu mesin yang bekerja mengikuti siklus termodinamik Brayton. Adapun siklus termodinamikanya pada diagram p-v dan t-s adalah sebagai berikut[gambar24]:
Urutan proses kerja sistem turbin gas [gambar 24] adalah:
- 1-2 Proseskompresiadiabatisudarapadakompresor,tekanan udara naik [A]
- 2-3 Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bakar pada tekanan konstan, dihasilkan panas pada ruang bakar [B]
- 3-4 Proses ekspansi adiabatic gas pembakaran pada turbin dihasilkan
- Kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong, tekanan turun [C]
- 4-1 Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan [D]
Dari diagram T-S dapat dilihat setelah proses kompresi pada kompresor temperatur naik yaitu T2 dari tempertur atmosfer T1 dan tekanan naik dari p1 menjadi p2, tempertur dan tekanan ini diperlukan untuk proses pembakaran. Setelah bahan bakar disemprotkan dan bercampur dengan udara mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan, terjadi proses pembakaran, temperatur naik lagi sampai T3. Temperatur T3 adalah temperatur gas pembakaran yang akan masuk turbin, temperatur ini dibatasi oleh ketahanan material turbin pada suhu tinggi. Setelah proses ekspansi pada turbin, temperatur gas sisa menjadi turun sampai T4 dan temperature gas sisa ini masih tinggi diatas temperature T1.
Ada banyak tipe turbin gas,tetapi dengan prinsip kerja yang sama, yaitu mengikuti siklus Bryton. Siklus tersebut adalah siklus dasar yang menjadi patokan dalam perancangan turbin gas. Secara teoritis kelihatan tidak ada kesulitan, tetapi pada kenyataannya, pembuatan turbin gas menemui banyak kesukaran, terutama yang berhubungan dengan efisiensi pemakaian bahan bakar dan ketersedian material yang bekerja pada temperatur tinggi. Dengan berbagai alasan dan tujuan, banyak tipe turbin gas yang dikembangkan. Adapun beberapa alasan tersebut adalah;
- Pemakaian bahan bakar harus lebih bervariasi tidak hanya untuk bahan bakar cair dan gas saja atau untuk mencegah singgungan fluida kerja dengan lingkungan, khususnya untuk bahan bakar nuklir. Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas terbuka dan tertutup atau turbin gas langsung dan tidak langsung.
- Pemakaian turbin gas yang semakin meluas, disamping sebagai pembangkit daya dorong dan pembangkit listrik, turbin gas sekarang banyak digunakan untuk pengerak mula, contohnya penggerak pompa dan kompresor pada industri-industri atau pusat pembangkit tenaga (power plant). Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas dengan model satu poros dan dua poros.
A. Turbin gas sistem terbuka (langsung dan tidak langsung)
Gambar 25. Bagan kerja turbin gas sistem terbuka langsung
Pada sistem turbin gas terbuka langsung [gambar 22], fluida kerja akan keluar masuk sistem yaitu udara lingkungan masuk kompresor dan gas bekas keluar turbin ke lingkungan. Ruang bakar menjadi satu dengan sistem turbin gas dan bahan bakar yang digunakan terbatas yaitu hanya bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar tersebut sebelum digunakan sudah dimurnikan, sehingga tidak mengandung unsur-unsur yang merugikan.
Permasalahan turbin gas sistem terbuka terfokus pada proses pendinginan ruang bakar dan sudu-sudu turbin. Disamping itu, karena gas pembakaran langsung bersinggungan dengan material turbin, permasalahan korosi dan abarasi pada sudu turbin menjadi sangat penting, jika hal ini diabaikanakan berakibat fatal dan sangat merugikan, yaitu sudu-sudu turbin bisa bengkok atau patah. Kalau hal tersebut terjadi, daya turbin menurun, dan secara keseluruah efisien kerja menjadi rendah.
Turbin gas sistem terbuka banyak dipakai untuk mesin pesawat terbang, karena bentuknya lebih simpel, ringan dan tidak banyak memakan tempat, hal ini cocok dengan pesyaratan turbin gas untuk pesawat terbang. Bahan bakar padat tidak disarankan untuk digunakan pada sistem turbin gas terbuka langsung, karena hasil pembakaran banyak mengandung partikel yang bersifat korosi terhadap material turbin, yang dapat merusak sudu turbin. Kendala tersebut dapat diatasi dengan memisahkan ruang bakar dengan saluran fluida kerja, dengan kata lain, fluida kerja masuk turbin dikondisikan tidak mengandung gas hasil pembakaran. Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas sistem terbuka tak langsung. Dengan sistem ini, proses pembakaran berlangsung sendiri di dalam ruang bakar yang terpisah dengan saluran fluida kerja yang akan masuk turbin. Energi panas dari porses pembakaran akan ditransfer ke fluida kerja secara langsung atau menggunakan alat penukar kalor.
Model transfer energi panas dari ruang bakarke fluida kerja secara lansung adalah sebagai berikut. Pipa-pipa yang berisi fluida kerja udara mampat dari kompresor dilewatkan keruang bakar atau dapur. Panas dari proses pembakaran ditransfer secara langsung ke fluida kerja didalam pipa-pipa, temperatur fluida akan naik sampai nilai tertentu sebelum masuk turbin.
Untuk model transfer panas dengan penukar kalor, banyak diaplikasikan pada turbin gas berbahan bakar nuklir. Ruang bakar berbahan bakar nuklir sering disebut dengan reaktor. Didalam reaktor nuklir terjadi reaksi fusi yang menghasilkan panas yang tinggi, panas yang tinggi tersebut ditransfer ke fluida yang sekaligus berfungsi sebagai pendingin reaktor, fluida tersebut sering diistilahkan sebagai fluida primer. Kemudian, fluida primer bersuhu tinggi dialirkan kealat penukar kalor. Didalam alat penukar kalor terdapat pipa-pipa berisi fluida kerja bersuhu rendah, untuk fluida ini sering disebut sebagai fluida sekunder. Dengan kondisi tersebut, terjadi tranfer panas dari fluida primer bersuhu tinggi ke fluida sekunder bersuhu rendah.
Pada gambar 25, adalah contoh skema untuk turbin gassistem terbuka. Dapat dilihat fluida kerja yang dipakai adalah udara. Udara masuk kompresor, dan keluar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut masuk ruang bakar dan menyerap panas dari proses pembakaran, lalu keluar ruang bakar dengan temperatur tinggi pada titik 3. Selanjutnya, fluida kerja masuk turbin dan berekspansi untuk memberikan energinya ke sudu-sudu turbin. Terjadi perubahan energi, dari energi panas fluida kerja menjadi putaran poros turbin. Sesudah berekspansi pada turbin, fluida kerja lalu keluar turbin dengan temperatur relatif rendah ke lingkungan.
Gambar 26. Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung
Pada gambar 26. adalah contoh sistem turbin gas tak langsung dengan penukar kalor. Dapat dilihat, fluida kerja (fluida sekunder) yang dipakai adalah udara. Udara masuk kompresor dan keluar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut, masuk penukar kalor dan menyerap panas dari sumber panas.Sumber panas tersebut adalah fluida primer bertemperatur tinggi yang mengalir dari reaktor. Fluida primer ini, sebagai pembawa energi panas dari proses pembakaran bahan bakar nuklir, yang biasa digunakan adalah air atau gas helium. Proses selanjutnya adalah sama dengan skema gambar 23.
B. Turbin gas sistem tertutup (langsung dan tidak langsung)
Sistem turbin gas tertutup langsung banyak digunakan untuk aplikasi tubin gas dengan bahan bakar nuklir [gambar25]. Fluida kerja yang paling cocok adalah helium. Proses kerja dari sistem tersebut adalah sebagai berikut. Helium tekanan tinggi dari kompresor dimasukan reaktor untuk dipanasi dan sekaligus untuk pendinginan reaktor. Setelah itu, helium berekspansi diturbin dengan melepaskan sebagian besar energinya. Energi tersebut diubah pada sudu-sudu turbin menjadi putaran poros turbin dan langsung menggerakan kompresor ataupun beban lainnya. Helium keluar turbin, tekanannya sudah menurun, tetapi masih bertemperatur tinggi. Helium bertemperatur tinggi harus didinginkan sebelum masuk kompresor, untuk keperluan tersebut, dipasang penukar kalor. Selanjutnya, helium dingin masuk kompresor lagi untuk dikompresi lagi.
Pada gambar 26 adalah sistem turbin gas tertutup tak langsung, sistem ini adalah sistem gabungan antara sistem tertutup dan sistem tak langsung. Fluida kerja primer menyerap panas dari ruang bakar atau reaktor kemudian dialirkan ke penukar kalor, kemudian diserap oleh fluida sekunder.
C. Efisiensi Turbin Gas
Pemakaian turbin gas banyak menguntungkan sebagai pengganti sumber penggerak lain, seperti yang sudah diuraikan diatas,yaitu turbin gas bentuknya lebih simple dan tidak banyak memakan tempat. Kalau dibandingkan dengan turbin uap, turbin gas lebih mudah dioperasikan, mudah dikendalikan dan instalasinya lebih sederhana. Akan tetapi,secara actual efisiensi turbin gas masih rendah. Sudah banyak metode yang digunakan untuk menaikan efisiensi tersebut.
Dari gambar 6.1diagram p-v dan t-s,dapat dilihat bahwa; Pemasukan panas berlangsung pada tekanan tetap;
qmasuk =mcp(T3−T2)
Pengeluaran panas juga pada tekanan konstan;
qkeluar =mcp(T4−T1)
Sehingga,kerja berguna dapat dirumuskan sebagai berikut;
Wberguna=qmasuk-qkeluar.=mcp(T3-T2)-mcp(T4-T1)
Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan kerja berguna dengan energi kalor yangmasuk,dirumuskansebagaiberikut;
Dapat dilihat dari perumusan diatas, bahwa untuk menaikan efisiensi turbin gas, kompresor yang di gunakan harus memiliki perbandingan tekanan yang tinggi,
Sehingga pemakaian bahan bakar lebih sedikit. Kenaikan perbandingan tekan tidak selamanya menaikan daya turbin, pada perbandingan tekanan tertentu, daya turbin mencapai maksimum, selanjutnya daya yang berguna akan kembali turun. Hal ini dikarenakan, pada perbandingan tekanan yang tinggi diperlukan kerja kompresor yang besar, padahal kerja kompresor mengambil dari daya turbin. Dengan alasan tersebut, bisa dipahami kenaikan perbandingan tekanan tidak selalu menguntungan pada nilai tertentu.
Bagian dari kerja turbin yang digunakan untuk menggerakan kompresor dinamakan back work ratio [gambar29]. Perbandingan daya pada turbin gas biasanya 3:2:1,3 untuk daya turbin, 2 untuk kompresor, dan 1 untuk generator listrik. Sebagai contoh untuk menggerakan generator listrik 100kW, turbin gas harus mempunyai daya 300kW, karena harus menggerakkan kompresor sebesar 200 kW.
Gambar 29. Backwork turbin gas
Dengan alasan itu, banyak factor yang harus diperhatikan terutama untuk mengoptimalkan kerja kompresor. Sebagai contoh, suhu masuk kompresor T1 tidak terlalu tinggi, dengan alasan pada suhu yang tinggi kerja kompresor bekerja lebih berat. Dengan kerja kompresor lebih berat, daya yang diambil dari daya turbin lebih banyak sehingga mengurangi bagian yang lainnya.
Bahan Bakar, Pelumasan, Dan Pendinginan
1. Bahan Bakar
Fuel System. Bahan bakar yang digunakan berasal dari fuel gas system dengan tekanan sekitar 15 kg/cm2. Fuel gas yang digunakan sebagai bahan bakar harus bebas dari cairan kondensat dan partikel-partikel padat. Untuk mendapatkan kondisi tersebut diatas maka sistem ini dilengkapi dengan knock out drum yang berfungsi untuk memisahkan cairan-cairan yang masih terdapat pada fuel gas.
2. Pelumasan
Lube Oil System. Lube oil system berfungsi untuk melakukan pelumasan secara kontinu pada setiap komponen sistem turbin gas. Lube oil disirkulasikan pada bagian-bagian utama turbin gas dan trush bearing juga untuk accessory gear dan yang lainnya. Lube oil system terdiri dari:
- Oil Tank (Lube Oil Reservoir)
- Oil Quantity
- Pompa
- Filter System
- Valving System
- Piping System
- Instrumen untuk oil
Pada turbin gas terdapat tiga buah pompa yang digunakan untuk mensuplai lube oil guna keperluan lubrikasi, yaitu:
- Main Lube Oil Pump, merupakan pompa utama yang digerakkan oleh HP shaft pada gear box yang mengatur tekanan discharge lube oil.
- Auxilary Lube Oil Pump, merupakan pompa lube oil yang digerakkan oleh tenaga listrik, beroperasi apabila tekanan dari main pump turun.
- Emergency Lube Oil Pump, merupakan pompa yang beroperasi jika kedua pompa diatas tidak mampu menyediakan lube oil.
3. System Pendingin
Cooling System. Sistem pendingin yang digunakan pada turbin gas adalah air dan udara. Udara dipakai untuk mendinginkan berbagai komponen pada section dan bearing. Komponen-komponen utama dari cooling system adalah:
- Off base Water Cooling Unit
- Lube Oil Cooler
- Main Cooling Water Pump
- Temperatur Regulation Valve
- Auxilary Water Pump
- Low Cooling Water Pressure Swich
4. Perawatan Mesin Turbin Gas
Maintenance adalah perawatan untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan seperti kerusakan terlalu cepat terhadap semua peralatan di pabrik, baik yang sedang beroperasi maupun yang berfungsi sebagai suku cadang. Kerusakan yang timbul biasanya terjadi karena keausan dan ketuaan akibat pengoperasian yang terus-menerus, dan juga akibat langkah pengoperasian yang salah.
Maintenance pada turbine gas selalu tergantung dari faktor-faktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional turbine gas sangat tergantung dari kondisi daerah operasional. Semua pabrik pembuat turbin gas telah menetapkan suatu ketetapan yang aman dalam pengoperasian sehingga turbine selalu dalambatas kondisi aman dan tepat waktu untuk melakukan maintenance.
Secara umum maintenance dapat dibagi dalam beberapa bagian, diantaranya adalah:
1. Preventive Maintenance. Suatu kegiatan perawatan yang direncanakan baik itu secara rutin maupun periodik, karena apabila perawatan dilakukan tepat pada waktunya akan mengurangi down time dari peralatan.
Preventive maintenance dibagi menjadi:
- Running Maintenance. Suatu kegiatan perawatan yang dilakukan hanya bertujuan untuk memperbaiki equipment yang rusak saja dalam satu unit. Unit produksi tetap melakukan kegiatan.
- Turning Around Maintenance. Perawatan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya.
- Repair Maintenance. Perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang tidak kritis, atau disebut juga peralatan-peralatan yang tidak mengganggu jalannya operasi.
- Predictive Maintenance. Kegiatan monitor, menguji, dan mengukur peralatan-peralatan yang beroperasi dengan menentukan perubahan yang terjadi pada bagian utama, apakah peralatan tersebut berjalan dengan normal atau tidak.
- Corrective Maintenance. Perawatan yang dilakukan dengan memperbaiki perubahan kecil yang terjadi dalam disain, serta menambahkan komponen-komponen yang sesuai dan juga menambahkan material-material yang cocok.
- Break Down Maintenance. Kegiatan perawatan yang dilakukan setelah terjadi kerusakan atau kelainan pada peralatan sehingga tidak dapat berfungsi seperti biasanya.
- Modification Maintenance. Pekerjaan yang berhubungan dengan disain suatu peralatan atau unit. Modifikasi bertujuan menambah kehandalan peralatan atau menambah tingkat produksi dan kualitas pekerjaan.
- Shut Down Maintenance. Kegiatan perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya.
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah mesin konversi energi ini. Penulis juga tidak lupa mengucapkan banyak terima kasih kepada segenap pihak karena telah banyak membantu sehingga makalah ini dapat terselesaikan sebagaimana mestinya. Makalah mesin konversi energi ini disusun berdasarkan apa yang penulis dapatkan dari pembelajaran mesin konversi energi serta dari berbagai referensi yang penulis dapatkan. Dengan tersusunnya makalah ini, penulis berharap agar kiranya ini dapat digunakan sebagai salah satu sumber penambah ilmu, wawasan, dan pengetahuan. Disamping itu penulis mengharapkan bahwa makalah ini tidak hanya sebagai pelengkap tugas saja melainkan dapat disebut sebagai hasil karya yang setidaknya, dipelihara dan digunakan sebagaimana mestinya. Akhirnya penulis sadar bahwa makalah ini belumlah sempurna, oleh karena itu demi kesempurnaan makalah yang akan dibuat berikutnya, penulis sangat mengharapkan saran serta dukungan maupun kritik yang sifatnya membangun dari para pembaca sehingga dengansemua itu kesempurnaan makalah ini dapat tercapai.
DAFTAR ISI
Pengertian Turbin Gas.....................................................................................................1
Sejarah Turbin Gas..........................................................................................................3
Komponen Turbin Gas....................................................................................................5
Variabel-variabel Kinerja Turbin Gas...........................................................................12
Prinsip Kerja Turbin Gas...............................................................................................14
Proses Pembakaran........................................................................................................18
Klasifikasi Turbin Gas...................................................................................................20
Siklus Turbin Gas..........................................................................................................22
Efisiensi Turbin Gas......................................................................................................29
Bahan Bakar, Pelumasan, Pendinginan.........................................................................31
0 komentar:
Posting Komentar