Upload
permana072
View
258
Download
12
Embed Size (px)
Citation preview
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
1/34
6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II. 1.Sistem PembangkitMenurut hukum thermodinamika energi tidak bisa diciptakan maupun
dihilangkan. Akan tetapi energi bisa dirubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.
Karena tidak semua bentuk energi bisa bermanfaat langsung, ataupun
dapat didistribusikan kedalam kehidupan sehari hari, maka pengkonversian
bentuk energi sangat krusial. Karena kebutuhan akan energi khususnya energi
listrik selalu meningkat secara eksponensial bersama dengan peningkatan tingkat
peradaban suatu manusia.
Sebagaimana kita ketahui untuk menghasilkan energi listrik telah banyak
dibangun berbagai jenis pembangkit energi listrik, baik itu merupakan
Pembangkit energi listrik dengan sumber energi terbarukan ataupun tidak.
II.1. 1.DefinisiSecara definisi ada dua definisi yang diketahui tentang pembangkit listrik
yaitu :
Sebuah Unit Situs yang berfungsi untuk merubah jenis energi tertentu
menjadi energi listrik (Power Plant) [1]
Sebuah Situs stasioner yang memiliki beberapa perangkat atau komponen
untuk mengkonversi bentuk energi skala besar dari salah satu jenis energi seperti
hidrolik, uap, atau lainya menjadi energy listrik (Generating Station) [1]
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
2/34
7
Gambar 2.1 Gambar Situs Pembangkit[p1]
Sistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan
dari prinsipprinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkit
uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.
II.1. 2.Klasifikasi Pembangkit ListrikBila dilihat dari jenis energi yang digunakan untuk membangkitkan energy
listrik maka pembangkit Listrik dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
II.1.2.1.Energi ThermalDalam pembangkit listrik tenaga thermal daya dihasilkan dari mesin
penghasil panas heat engine yang mengubah energi thermal menjadi energi
putar atau mekanik[2]
II.1.2.1.1. Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Thermalpembangkit listrik tenaga thermal sendiri dapat diklasifiksikan atas dua
kriteria yaitu :
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
3/34
8
a. Sumber bahan bakar:klasfikasi dari pembangkit energi thermal antara lain :
Bahan Bakar Fossil Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Energi Geothermal Pembangki listrik Bertenaga Biomasa Sisa Panas dari Proses Industri Energi Panas Mataharib. Penggerak Utama :Bila dilihat dari penggerak utamanya maka pembangkit Listrik dibedakan
menjadi :
Turbin Uap Turbin Gas Siklus Gabungan Mesin Pembakaran internal dengan Prinsip torak Microturbine, stirling engine
II.1.2.1.2. Siklus ThermodinamikaSistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan
dari prinsipprinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkit
uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
4/34
9
a. Siklus CarnotPertama diusulkan tahun 1824 oleh insyinyur berkebangsaan perancis Sadi
Carnot. Siklus ini terdari dari empat proses reversible dua isothermal dan dua
adiabatic yang dapat dilaksanakan baik dalam sistem tertup maupun tunak.[2
Gambar 2.2. Skema Siklus Carnot[p2]
b. Siklus BraytonPertama diuslkan oleh George Brayton sekitar taun 1870. Siklus ini
digunakan untuk pada gas turbin, dibuat dalam siklus terbuka, dimana proses
kompresi dan ekspansi berlangsung dalam rotating Machienaery.[2]
Siklus turbin gas dapat dimodelkan sebagai siklus tertup dengan
menambahkan asumsi standar udara. Proses pembakaran digantikan dengan
penambahan energi termal adiabatik. Proses pembuangan diganti dengan proses
penghilangan energi termal adiabatik kedalam udara lingkungan.[2]
Siklus Ideal Brayton terbagi atas empat proses yaitu :
1-2 Kompresi Isentropik (Kompresor), 2-3 Penambahan Energi Thermal Isobarik, 3-4 Ekpansi Isentropik (Turbin),
4-1 Penghilangan Energi Thermal Isobarik.
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
5/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
6/34
11
d. Siklus Kombinasi Gas dan UapPencarian terhadap efisiensi termal telah menghasilkan modifikasi inovatif
terhadappembangkit listrik konvensioanal. Yaitu the binary vapor cycle atau
biasa disebut siklus kombinasi gasvapor atau bisaisebut juga siklus kombinasi,
yang mengkombinasikan siklus rankine dan siklus brayton yang memiliki efisensi
lebih tinggi bila dibandingkan dengan salah satu siklus bila dilaksanakan secara
terpisah.[2]
Gambar 2.5 Skema Siklus Kombinasi Gas dan Uap[p2]
e. Siklus Diesel dan Siklus OttoAdalah siklus yang digunakn sebagai siklus ideal dari motor bakar torak.
Siklus otto sebagai siklus yang digunakan untuk motor bakar torak berbahan
bakar bensin dan siklus diesel untuk motor bakar torak berbahan bakar minya
diesel. Perbedaan dari kedua siklus tersebut adalah pada proses prose yang
dilakukan pada siklus tersebut.
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
7/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
8/34
13
Gambar 2.7. Pembangkit Listrik Tenaga Air[p5]
b. Pembangkit Listrik Tenaga AnginPembangkit listrik menghasilkan listrik yang berasal dari energi
kinetik dari angin. Prinsipnya adalah angin yang bergerak memutarkan
poros yang dihubungkan ke generator sehingga dapat menghasilkan listrik.
[en.wikipedie.org]
Gambar 2.8. Pembangkit Listrik Tenaga Angin[p5]
c. Pembangkit Listrik Tenaga SuryaTenaga surya adalah konversi sinar matahari menjadi listrik, baik
secara langsung menggunakan photovoltaic (PV), atau tidak langsung
menggunakan tenaga surya terkonsentrasi (CSP). Sistem tenaga surya
terkonsentrasi menggunakan lensa atau cermin dan sistem pelacakan untuk
http://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight&usg=ALkJrhg0Z_mronJSQRcfqS0D2ofp-6gimwhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electricity&usg=ALkJrhgC6TExrvu8QvBzEj19YzQeFCIoMAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics&usg=ALkJrhi55ym6LUYFf0xRnvt6JbQXj9np8whttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power&usg=ALkJrhg4Ag7YFgHVpjeXYws2WRcyKVcJ-whttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power&usg=ALkJrhg4Ag7YFgHVpjeXYws2WRcyKVcJ-whttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics&usg=ALkJrhi55ym6LUYFf0xRnvt6JbQXj9np8whttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electricity&usg=ALkJrhgC6TExrvu8QvBzEj19YzQeFCIoMAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight&usg=ALkJrhg0Z_mronJSQRcfqS0D2ofp-6gimw7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
9/34
14
fokus area besar sinar matahari menjadi sinar kecil. Fotovoltaik mengubah
cahaya menjadi arus listrik dengan menggunakan efek
fotolistrik[en.wikipedie.org]
Gambar 2.9. Pembangkit Listrik Tenaga Air[p5]
II.2 Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap
Siklus pembangkit Uap adalah pembangkit dimana penggerak utamanya
adalah Uap. Air pertama dipanaskan hingga berubah menjadi uap dan memutar
turbin uap. Sehingga memutarkan generator listrik. Setelah uap keluar dari turbin .
turbin dikondensasikan didalam kondensor dan didaur ulang menjadi air. Dimana
prinsip kerja ini dikenal dengan siklus Rankine[3]
II.2.1.Sumber EnergiPembangkit listrik tenaga uap sendiri bias digunakan pada beberapa jenis
sumber enegi yaitu :
1. Geothermal2. Biomassa3. Sampah4. Batubara
http://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect&usg=ALkJrhjuvyxXkRdjPdXqG8b_0yI90HXAnAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect&usg=ALkJrhjuvyxXkRdjPdXqG8b_0yI90HXAnAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect&usg=ALkJrhjuvyxXkRdjPdXqG8b_0yI90HXAnAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect&usg=ALkJrhjuvyxXkRdjPdXqG8b_0yI90HXAnA7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
10/34
15
II.2.2.Analisis Energi pada SiklusAnalisis energi dapat dilihat dari setiap komponen (alat-alat) yang terdapat
pada siklus Rankine dengan menggunakan asumsi bahwa komponen-komponen
tersebut bekerja pada aliran tunak (steady). Persamaan energi untuk sistem dengan
aliran tunak yaitu:
(2.1)
Persamaan energi untuk masing-masing komponen dapat ditulis:
Pompa (2.2)
Boiler (2.3)
Turbin (2.4)
Condenser (2.5)
Dari persamaan diatas diperoleh yaitu:
(2.6)
Efisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis:
Q
Q
QW
in
out
in
net 1 (2.7)
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
11/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
12/34
17
Gambar 2.11 Siklus Rankine sebenarnya (a), Siklus Rankine
isentropik (s)[p2]
Efisiensi pompa dan turbin yang mengalami irreversibilitas dapat dihitung
dengan
12
12
hh
hh
W
W
a
s
a
s
P
(2.8)
a
a
s
aT
hh
hh
W
W
43
43
(2.9)
dimana:
2a & 4a, menyatakan keadaan yang sebenarnya pada turbin danpompa.
2s & 4s, menyatakan keadaan isentropic.
II.2.3.Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
13/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
14/34
19
II.2.4.1.BoilerBoiler adalah sebuah bejana tertutup dimana air atau cairan dipanaskan.
Cairan atau Uap yang telah dipanaskan keluar dari boiler dalam bentuk uap untuk
digunakan dalam beberapa proses atau aplikasi pemanasan[4][5][6]
Gambar 2.13. Boiler[p4]
II.2.4.1.1.Material BoilerBejana tekan dalam boiler biasanya dibuat dari baja (baja paduan), atau
dalam sejarnya dibuat menggunakan besi mentah. Stainless steel dilarang (oleh
Kode boiler ASME) untuk digunakan di bagian yang terbasahi dari boiler, tapi
stainless steel biasa digunakan dalam bagian superheater yang tidak tersentuh
secara langsung terhadap air dalma boiler. Dalam live steam boiler tembaga dan
kuningan kadang juga digunakan karena mudah dibentuk dan mudah dibuat untuk
boiler dengan kapasitas lebih kecil.
II.2.4.1.2.Bahan Bakar (Fuel)Asal dari panas yang digunakan pada boiler adalah hasil pembakaran dari
berbagai jenis bahan bakar, contohnya : kayu, batubara, minyak, atau Gas Alam.
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
15/34
20
Sedangkan Boiler sistem elektrik menggunakan resistansi atau imersi dari
pemanas listrik, Ada juga penggunaan Nuklir yang biasa disebut Nuklir Fisi
sebagai sumber dari panas yang digunaka pada boiler. Tapi ada yang
menggunakan panas hasil sisa dari proses lainya yang biasa dinamakan Heat
recovery Steam Generator (HRGRs, contohnya seperti gas turbin.
II.2.4.1.3.Konfigurasi / Jenis Jenis BoilerAda beberapa jenis konfigurasi dari boiler. Yang bergantung dari
mekanisme penghasilan uap, seperti:
"Pot boiler" atau"Haycock boiler": adalah ketel uap primitifdimana api memanaskan ketel tersebut dari bawah. Tipe dari oiler ini
menghasilkan uap dengan tekanan sangat rendah
fire Tube boiler. : Jenis ini mengisi tong boiler dengan sedikitjumlah air yang hanya cukup mengakomodasi uap. Tipe jenis ini memiliki tungku
(firebox) yang kemudian dialirkan kedalam pipa pipa. Yang nantinya akan
memanaskan air sehingga menjadi uap.
Gambar 2.14. Fire Tube Boiler[p5]
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
16/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
17/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
18/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
19/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
20/34
25
Sudu merupakan sebuah sebuah alat yang mengkonversi energ kinetik yang
didapat dari nosel dan mengubahnya menjadi putaran pada poros.
Gambar 2.21 Sudu Turbin Jenis Impulse
CakramCakram merupakan dudukan dari sudu yang menghubungkan dan menghantarkan
energi yang didapat sudu menuju poros turbin uap
Gambar 2.22 Cakram
Poros (shaft)Merupakan komponen utama pada turbin uap yang berfungsi menghatarkan daya
torsi yang diperoleh sudu serta sebagai tempat dudukan cakram
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
21/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
22/34
27
KoplingFungsi kopling adalah sebagai penghubung mekanisme poros dan generator dan
juga berfungsi mentransmisikan daya poros rotor menuju poros generator
Gambar 2.25Kopling Tetap Pada Turbin Uap
Paking labirinPaking labirin berfungsi mencegah kebocoran uap pada turbin uap
Gambar 2.26Foto Dan Skema Paking Labirin
Rumah Turbin (casing)Rumah turbin berfungsi sebagai tumpuan utama berbagai mekanisme turbin uap
dan berbagai komponen lainnya
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
23/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
24/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
25/34
30
1. Berdasarkan arah aliran uap di dalam turbin, maka turbin dapat dibedakanmenjadi:
1) Turbin aksial, pada turbin ini fluida kerja mengalir dalam arah yang sejajarterhadap sumbu turbin.
Contohnya turbinParsons dan turbin Curtis.
2) Turbin radial, pada turbin ini fluida kerja mengalir dalam arah tegak lurusterhadap sumbu turbin.
Contohnya turbinLjungstrom
2. Berdasarkan tekanan uap keluar turbin, turbin uap dapat dibedakanmenjadi:
1) Turbin Kondensasi (Condensing Turbine)Pada turbin ini saluran keluar dihubungkan langsung dengan kondensor, sehingga
tekanan uap pada saluran keluar mendekati vakum.
Gambar 2.29 Skema turbin kondensasi
2) Turbin Tekanan Lawan (Back Pressure Turbine)Adalah turbin yang tekanan uap pada saluran keluarnya masih diatas 1 atmosfer,
sehingga uap bekas masih dapat dimanfaatkan.
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
26/34
31
Gambar 2.30 Skema turbin tekanan lawan
3.1.1 Segitiga kecepatan pada turbin impulsKarena sudu grak berputar, maka ada kecepatan realtif antara uap dan sudu gerak.
Hubungan antara kecepatan sudu gerak dan kecepatan absolute uap adalah salah
satu faktor yang menentukan efisiensi turbin sudu. Dalam pembahasan segitiga
kecepatan , umumnya dipakai notasi-notasi sebagai berikut
U = kecepatan keliling sudu gerak W = kecepatan relatif uap terhadap sudu C = Kecepatan absolut uap
Gambar 2.31 Koefisien kecepatan sebagai fungsi tinggi sudu (ld) [1]
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
27/34
32
Hubungan antara kecepatan-kecepatan tersebut adalah sebagai berikut:
wuc 111 wuc
222wuc
Dalam arah tangensial :
w1u = w1.cos 1 c1u = c1.cos 1
w2u = w2.cos 2 c2u = c2.cos 2
Dalam arah aksial :
w1a = w1.sin 1 c1a = c1.sin 1
w2a = w2.sin 2 c2a = c2.sin 2
Dari segitiga kecepatan di atas diperoleh hubungan sebagai berikut :
c1u = c2u + u
c2u = w2u - u +
c1u + c2u = c2u + w2u
Gambar 2.32 Koefisien kecepatan sebagai fungsi tinggi sudu (ld) [1]
Uap keluar dari nosel dengan kecepatan absolut c1, kemudian memasuki
barisan sudu gerak dengan sudut 1 (sudut serang nossel). Karena cakram berputar
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
28/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
29/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
30/34
35
Harga koefisien kecepatan untuk sudu gerak maupun sudu tetap (pengarah) dapat
diperoleh dari gambar.
Gambar 2.33 Koefisien Kecepatan Sebagai Fungsi Tinggi Sudu (Ld) [1]
Kecepatan absolut uap yang keluar dari sudu gerak (c2), dapat ditentukan secara
grafis dari diagram kecepatan atau dengan menggunakan persamaan berikut:
2
22
22cos..2 uuwc [m/s] (4.7)
Uap keluar dari sudu gerak dengan sudut 2 dan ditentukan dari persamaan :
2
21
22
.sin.sin
c
u (4.8)
II.2.4.2.3 Ekspansi Uap Pada Nosel
Pada nosel terjadi perubahan energi entalpi uap menjadi energi kinetik uap,
proses tersebut dinamakan proses ekspansi atau proses pengembangan,
karena volume spesifik uap keluar nosel membesar. Pada proses
pengembangan uap ini terjadi :
- Tekanan uap turun - Kecepatan uap naik
- Temperatur turun - Volume spesifik naik
- Entalpi turun
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
31/34
36
Jika tidak terjadi perpindahan panas dengan lingkungan, maka berdasarkan
hukum kekekalan energi, energi total uap pada sisi masuk sama dengan pada
sisi keluar nosel, yaitu :
22
2
1
1
2
0
0
vh
vh (4.9)
Dimana:
2
0
2
0cv ;
2
1
2
1cv
00
2
0
0
2hvh
01
2
1
1
2h
vh
Pada nosel terjadi rugi-rugi energi yang akan menyebabkan berkurangnya
kecepatan uap yang keluar dari nosel. Kerugian tersebut dinyatakan
sebagai koefisien kecepatan , sehingga kecepatan absolut uap sewaktu
meninggalkan nosel dapat ditentukan:
Harga dapat diperoleh dari gambar 4.12. Harga tergantung dari dimensi
dan bentuk nosel yang besarnya hanya dapat ditentukan melalui eksperimen,
biasanya antara 0,91 sampai 0,98.
Gambar 2.34 Koefisien Kecepatan () Sebagai Fungsi Tinggi Nosel (Ln)[1]
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
32/34
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
33/34
38
aliran, penebalan lapisan batas, turbulensi pada olakan( kerugian olakan) dan
kerugian pada dinding dinding di bawah sudu nosel, dll
Kerugian pada kecepatan uap yang keluar dari nosel telah dicakup oleh koefisien
kecepatan nosel . Besarnya koefisien kecepatan sangat tergantung dari
tinggi nosel dimana semakin kecil ukuran nosel maka koefisien kecepatan
sudu juga akan semakin berkurang. Koefisien kecepatan sudu dapat dambil
dari data berikut
Untuk coran kasar nilai = 0,93 - 0,94
Untuk nosel yang dicor dan di mesin freis = 0,950,96
Untuk nosel yang difrais halus = 0,970,98
Kerugian pada sudu gerakKerugian pada sudu gerak disebabkan oleh beberapa faktor yaitu kerugian akibat
olaka pada ujung belakang sudu kerugian akibat turbrukan, kerugian akibat
kebocoran ua melingkar, kerugian akibat gesekan, kerugian akibat pembelokan
semburan uap pada sudu dan kerugian akibat penyelubungan.
Kerugian total pada sudu telah dicakup oleh koefisien kecepatan sudu . Koefisien
kecepatan sudu dapat diperoleh dari gambar 2. Untuk berbagai ukuran tinggi sudu
Kerugian akibat gesekan cakramKergian terajdi diantara cakram turbin yang berputar dan uap yang
menyelubunginya. Cakram yang berputar itu menarik partikel partikel yang ada di
dekat permukaannya dan memberi gaya gaya yang searah dengan putarannya.
Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan partikel partikel uap ini akan
dikonversi menjadi kalor. Hal ini menyebabkan bertambahnya kandungan kalor
uap
7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap
34/34