Turbin

TURBIN

1.        Power turbin

Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida. Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak, "asembli rotor-blade". Fluida yang bergerak menjadikan baling-baling berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air.

Sebuah turbin yang bekerja terbalik disebut kompresor atau pompa turbo.

Turbin gas, uap dan air biasanya memiliki "casing" sekitar baling-baling yang memfokus dan mengontrol fluid. "Casing" dan baling-baling mungkin memiliki geometri variabel yang dapat membuat operasi efisien untuk beberapa kondisi aliran fluid.

Energi diperoleh dalam bentuk tenaga "shaft" berputar.

Penggunaan turbin

Penggunaan paling umum dari turbin adalah pemroduksian tenaga listrik. Hampir seluruh tenaga listrik diproduksi menggunakan turbin dari jenis tertentu.Turbin kadangkala merupakan bagian dari mesin yang lebih besar. Sebuah turbin gas, sebagai contoh, dapat menunjuk ke mesin pembakaran dalam yang berisi sebuah turbin, kompresor, "kombustor", dan alternator.

Turbin berfungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik yangkemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen-komponenturbin yang penting adalh sebagai berikut;

1.         Sudu pengarah

biasanya bisa diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yangmasuk turbin

2.        Roda jalan

atau runner turbin, pada bagian ini terjadi peralihan ari energipotensial fluida menjadi energi mekanik

3.      Poros turbin

          pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan

4.      bantalan radial dan bantalan axial

5.      Rumah turbin,

biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untukmengarahkan aliran masuk    sudu pengarah

6.      Pipa hisap, mengalirkan air yang keluar turbin ke saluran luar

Turbin dapat memiliki kepadatan tenaga ("power density") yang luar biasa (berbanding dengan volume dan beratnya). Ini karena kemampuan mereka beroperasi pada kecepatan sangat tinggi. Mesin utama dari Space Shuttle menggunakan turbopumps (mesin yang terdiri dari sebuah pompa yang didorong oleh sebuah mesin turbin) untuk memberikan propellant (oksig n cair dan hidrogen cair) ke ruang pembakaran mesin. Turbopump hidrogen cair ini sedikit lebih besar dari mesin mobil dan memproduksi 70.000 hp (52,2 MW).

·      Jenisturbinmenurutbentukblade terdiridari

-       TurbinImpuls(aksi)

-       Turbinreaksi

·      Jenisturbinmenurutbanyaknyasilinder

-       Single cylinder

-       Multi cylinder

·      Jenisturbinmenurutarahaliranuap

-       Single flow

-       Double flow

Turbin atau expander  adalah  high rotating device  ( alat yang berputar dengan kecepatan tinggi ) yang digunakan untuk menghasilkan energi atau dapat juga sebagai penggerak  ( drive ) kompressor maupun pompa. Turbin menggunakan energi yang umumnya bersumberkan pada gas – gas tekanan tinggi maupun gas  - gas dengan temperature tinggi ( seperti pada proses pembakaran , combustion  ). Gas – gas bertekanan dan bertemperature tinggi tersebut melewati nosel sehingga dihasilkan aliran dengan kecepatan tinggi , aliran tersebut menabrak atau menumbuk blade  ( bilah ) yang terdapat pada poros yang berputar ( rotating shaft  ) sehingga kerja poros ( shaft work ) dihasilkan. Turbin dapat terdiri dari dua jenis,   yaitu turbin dengan aliran radial dan axial. Turbin dengan aliran radial digunakan untuk laju alir  ( aliran working fluid ) rendah dan dengan perbedaaan tekanan ( difference pressure ) tinggi sementara turbin dengan aliran axial digunakan untuk laju alir tinggi dan dengan perbedaan tekanan rendah ( 1 – 40 bar ). Jika working fluid atau fluida kerja yang digunakan adalah steam, maka disebut dengan steam turbin, jika working fluid yang digunakan adalah gas bertekanan tinggi maka disebut dengan expander. Bila diklasifikasikan berdasarkan suplai steam dan kondisi output /keluaran ( exhaust ) maka , steam turbin dapat dibagi menjadi 4 yaitu : Condensing Turbin, turbin jenis ini umumnya digunakan untuk mengerakkan generator pada power plant, tekanan keluaran ( exhaust pressure ) dari turbin ini kurang dari tekanan atmosferik Non Condensing Turbin atau Backpressure Turbin, turbin jenis ini banyak digunakan pada industri – industri proses , tekanan keluaran dari turbin ini dikontrol sesuai dengan tekanan proses yang diinginkan , steam ini digunakan sebagai media pemanas Reheat Condensing Turbin, jenis ini banyak dijumpai pada power plant, dimana steam dengan tekanan tinggi ( high pressure , HP Steam ) dikembalikan ke proses pemanasan ( boiler) sehingga temperature steam dapat ditingkatkan lagi. Extraction and Induction Turbin, pada jenis turbin ini, steam diekstraksi dari titik tertentu dari steam turbin dan steam digunakan untuk proses ( proses stream ), sedangkan pada Induction turbin, steam di masukkan ( introduced ) pada bagian tengah atau intermediate turbin untuk menghasilkan energi tambahan. Steam yang diekstraksi dapat digunakan sebagai media pemanas pada feedwater heaters Output dari steam turbin dapat terdiri dari satu fase   maupun dua fase, untuk output dua fase atau condensing biasanya fraksi uap yang terbentuk antara 0.8 – 0.9 , pembentukan liquid yang terlalu banyak akan menyebabkan erosi pada blade turbin. Persamaan energi balance turbin dapat diturunkan dari hukum pertama thermodinamika untuk steady state yaitu : ΔH +   + gΔz = Q + Ws Asumsi yang digunakan adalah : Energi kinetik dan potensial diabaikan Adiabatik, asumsi ini cukup beralasan mengingat luas perpindahan panas turbin yang kecil serta waktu yang dibutuhkan oleh fluida kerja untuk melewati turbin  cukup singkat.

2. Efisiensi turbin

Effisiensi adalah indikator keberhasilan sistem turbin mendekati proses ideal. Dengan kata lain, Effisiensi merupakan parameter yang menyatakan derajat keberhasilan komponen atau sistem turbin mendekati desain atau proses ideal.

FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI EFISIENSI TURBIN

Faktor Penyebab

Besarnya kerugian didalam turbin akan mempengaruhi efisiensinya.Kerugian yang besar berarti efisiensinya rendah.

Faktor-faktor penyebab kerugian didalam turbin diantaranya :

-            KerugianpadaKatupGovernor.

-            KerugianpadaNosel(Nozzle Loss).

-            KerugianpadaMoving Blades.

-            Kerugianpadauapmeninggalkanmoving blades (Leaving Velocity/Carry Over Loss).

-            KerugianGesekan.

-            KerugianCelah(Clearance Loss).

-            Kerugianakibatkebasahanuap.

-            Kerugian akibat kecepatan uap keluar turbin.

-            Kerugianluar(External Loss).

3.   Gas turbin

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.

Turbin gas adalah turbin dengan gas sebagai fluida kerjanya gas diperoleh dari pembakaran bahan bakar cair yang mudah terbakar. System turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama, yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin, yang disusun menjadi system yang kompak.

Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas

Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor ini
berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, akibatnya temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara yang telah dikompresi ini masuk kedalam ruang bakar.

Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara
tadi dan menyebabkan proses pembakaran.

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).

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistim turbine gas adalah sebagai berikut:

1.         Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan

2.         Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan kedalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.

3.         Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel(nozzle).

4.         Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.

Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugian-
kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performansi 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.

4.Sistem distribusi steam

Sistim distribusi  steammerupakan hubungan penting antara  pembangkit  steam dan pengguna steam.  Terdapat  berbagai  macam  metoda  untuk  membawa  steam  dari  p usat sumber ke titik penggunaan. Pusat sumber mungkin berupa ruang boiler atau pengeluaran dari plant kogenerasi. Boiler dapat menggunakanbahan bakar primer, atau boiler limbah panas yang menggunakan gas buang  dari  proses  bersuhu  tinggi,  mesin- mesin  atau  bahkan  insinerator. Apapun sumbernya, sistim distribusi steam yang efisien adalah penting untuk pemasokan steam dengan kualitas  dan tekanan yang benar ke peralatanyang menggunakan steam. Pemasangan dan perawatan sistim steammerupakan hal penting dan harus sudah dipertimbangkan mulai tahap perancangan.

Ketika steam mengembun  didalam proses,  kondensat  dialirankan  kembali kedalam pipa  suplai  air  boiler.  Kondensat  memiliki  volum yang  sangat  kecil  dibandingkan dengan  steam,  dan  hal ini menyebabkan  penurunan  tekanan,  yang  me mbuat steam mengalir melalui pipa-pipa.

Steam  yang  dihasilkan  pada  boiler  harus  dibawa  melalui  pipa  kerja  ke  titik  dimana  energi panasnya diperlukan. Pada awalnya hanya terdapat satu at au lebih pipa utama, atau ‘saluran pipa steam’,  yang membawa  steam dari boiler  kearah plant  yang  menggunakan  steam.  Pipa-pipa cabang yang lebih kecil membawa steam ke masing- masing peralatan.

Ketika kran isolasiboiler utama (kadangkala disebut  kran ‘mahkota’)  dibuka,  steam  dengan segera  melintas  dari  boiler  menuju  dan  sepanjang  saluran  pipa  steam ke  titik  pada  tekanan rendah. Pipa kerja pada mulanya lebih dingin daripada steam, sesampai panas dipindahkan dari steam ke pipa. Udara disekitar pipa-pipa juga  sebelumnya  lebih dingin dari steam,kemudian pipa kerja akan mulai memindahkan panas steam ke udara.

Distribusi tekanansteam dipengaruhi oleh sejumlah faktor, dan dibatasi oleh:

·      Tekanan kerja maksimumyang aman bagi  boiler

·      Tekananminimum yang diperlukan pada plant

Ketika  steam  melewati  pipa  distribusi, maka  steam  tidak  dapat  menghindari  kehilangan tekanannya karena :

·           Tahanan gesekan/ friksi didalam pipa.

·           Kondensasi/pengembunan yang terjadi didalam pipa ketika panas dipindahkan  ke lingkungan.

Oleh karenaitu  pada  saat  menentukan  tekanan  distribusi harus ada kelonggaran  untuk kehilangantekanan ini. Satu kilogramsteam pada tekanan yang lebih tinggi  mempunyai  volum lebih kecil dari pada pada tekanan rendah. Jadi, jika steam dibangkitkan dalam boiler pada tekanantinggi dan didistribusikan pada tekanan yang tinggi pula, maka ukuran saluranpipa distribusi akan menjadi lebih kecil. Pembangkitan dan pendistribusian steam pada tekanan tinggi memberikan tiga keuntungan yang cukup penting:

-                          Kapasitas penyimpanan panas pada boiler meningkat, membantu boiler lebih efisien dalam menangani  bebanyang berfluktuasi,  meminimalkan  resiko terbentuknya  steam basah dan kotor.

-                          Diperluka n saluran pipa  steam yang lebih kecil,  sehingga  biaya investasinya untuk pipa, flens , bahan penunjang, bahan isolasi dan buruh lebih rendah.

-                          Saluran pipa steam yang lebih kecil berarti biaya isolasi lebih rendah.

Pada sistim distribusi tekanan tinggi, d iperlukan penurunan tekanan steam pada setiap zona atau titik penggunaan pada sistim  untuk menyesuaikan dengan tekanan maksimum yang diperlukan penggunanya. Penurunan tekanan tersebut juga akan menghasilkan steam yang lebih kering pada titik penggunaan.

Komponen penting pada sistim distribusi akan d ijelaskan pada bagian berikut :

-                          Pipa-pipa

-                          Titik pengeluaran

-                          Jalur cabang

-                          Saringan/ strainers

-                          Saringan/ filters

-                          Pemisah/ separator

-                          Steam traps

-                          Ventilasi udara

5. Steam

Steam merupakan bagian penting dan tidak terpisahkan dari teknologi modern. Tanpa steam, maka industri makanan kita, tekstil, bahan kimia, bahan kedokteran,daya, pemanasan dan transportasi tidak akan ada atau muncul seperti sekarang ini. steam memberikan suatu cara pemindahan sejumlah energi yang terkendali dari suatu pusat, ruang boiler yang otomatis, dimana energi dapat dihasilkan secara efisien dan ekonomis, sampai ketitik penggunaan. Steam yang bergerak mengelilingi pabrik dianggap sama dengan transportasi danpenyediaan energi. untuk beberapa alasan, steam digunakan untuk membawa energi panas. Penggunaanya terkenal diseluruh industri untuk pekerjaan yang luas dari produksi daya mekanis sampai penggunaan proses danpemanasan ruangan.

Alasan dari penggunaan Steam adalah :

·           Steam  dapat  dengan  mudah  dan  murah  untuk  didistribusikan  ke  titik penggunaan

·           Steam mudah dikendalikan

·           Energinya mudah ditransfer ke proses

·           Plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan

·           Steam bersifat fleksibel

Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati kondisi didihnya, beberapa molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang membuatnya  sewaktu-waktu  lepas  dari  cairan  ke  ruang  diatas  permukaan, sebelum jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih  besar  dan  sejumlah  molekul  dengan  energi  cukup  untuk  meninggalkan cairan jadi meningkat.

Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, masuk akal bahwa steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh satu dengan yang lainnya. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi diatas permukaan air menjadi terisih dengan molekul steam yang kurang padat.

Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari yang masuk kembali, maka air menguap dengan bebasnya. Pada titik ini air telah mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas. Jika tekanannya tetap, penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan kenaikan  suhu  lebih  lanjut  namun  menyebabkan air  membentuk  steam jenuh. Suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam sistem yang sama adalah sama, akan  tetapi  energi  panas  per  satuan  massanya  lebih  besar  pada  steam.  Pada tekanan atmosfir suhu jenuhnya adalah 1000C. Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka akan ada penambahan lebih banyak panas yang peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan tekanan secara efektif akan meningkatkan energi air dan suhu jenuh. Hubungan antara suhu jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva steam jenuh.

6. Power balance

Heat / power Balance (kesetaraan Kalor) adalah keseteraan massa dan energi dalam keadaan steady state dalam sebuah proses. Semua  aliran  massa  masuk  dan keluar proses harus setara, dan semua energi masuk dan keluar batas proses harus   diperhitungkan sebagai panas atau kerja.

Heat / power balance merupakan salah satu alat untuk menilai unjuk kerja suatu pembangkit.

Heat / power balance dapat disiapkan dari   detail  yang sederhana sehingga yang     paling     kompleks, tergantung dari kebutuhan dan tingkatan desain.

Ruang Lingkup Power Balance :

1.         Heat / powerBalance Siklus Turbin

       Batas prosesuntuk heat balancesiklus turbin adalah sekitar turbin dan siklus air pengisi ketel (feedwater) dan uap yang masuk dan keluar batas proses dengan kondisi uap tetap pada saat keluar dan masuk turbin. Jadi perubahan kondisi uap antara ketel dan turbin dianggap diluar siklus turbin.Make up dianggap aliran luar masuk kedalam siklus turbin.

2.         Plant Heat / power Balance (Kesetaraan Kalor Pembangkit)

       Batas  heat  balance  plant  secara  harfiah  dapat  didefinisikan dalam garis   plant.Pada  prakteknya,   batas   ini   biasanya digambarkan untuk seluruhproses konversi energi mulai dari hantaran bahan bakar (fuel delivery ) hngga ekspor energi listrik dan energi listrik dan energi lainnya.