Laporan SPTL PLTG New

Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Gas dengan Kapasitas 20 MW

Oleh: Nama Failasuf Zohrarirani Fuad Hanjar Amsyari Kevin Alfansyah I Wayan Dharma W. M. Fakhri Adriawan Adam Noor Ardiansyah Novan Ardhiyangga

NRP 3210121001 3210121022 3210121026 3210121027 3210121028 3210121029 3210121030

Pembimbing: Achmad Bahrul Ulum, S.T.

PROGRAM STUDI SISTEM PEMBANGKITAN ENERGI DEPARTEMEN TEKNIK MEKANIKA DAN ENERGI POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA 2016 1

ABSTRAK Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) merupakan pembangkit yang menggunakan fluida kerja uap (water steam). Dalam proses operasional pembangkit listrik, Boiler berperan penting bagi kontinuitas pembangkitan. Boiler dibagi mejadi tiga yaitu Boiler Steam (BS), Boiler Air and Gas (BG) dan Boiler Fuel (BF). Untuk dapat menyalakan boiler, diperlukan komponen pendukung seperti batu bara, udara dan ignition. Salah satu perangkat tambahan/auxiliary equipment pada boiler yang sangat penting adalah pulverizer. Pulverizer adalah alat penggerus batu bara (grinding) hingga mencapai kehalusan (fineness) tertentu untuk nantinya di alirkan ke ruang bakar/furnace. Batu bara yang telah digerus inilah yang nanti menjadi bahan bakar, salah satu syarat terjadinya pembakaran di ruang bakar. Dalam penggerusan terdapat classifier yang menyaring ukuran batu bara yang lolos ke furnace. Kehalusan/Fineness yang dicapai bisa menjadi tolok ukur performa pulverizer. Pada PLTU Paiton unit 7&8 terdapat 6 pulverizer di setiap unit, dalam operasionalnya hanya 4-5 pulverizer yang running tergantung beban yang diminta. Sehingga ada pulverizer yang digunakan sebagai spare/stand by. Setiap satu pulverizer memiliki empat tube yang terhubung ke windbox, sehingga ruang bakar mampu menerima panas dari empat sudut. Sistem pembakaran di ruang bakar adalah tangential firing system yang berasal dari coal nozzles yang berisi batu bara dan oil gun yang berisi pematik. Komponen dalam pulverizer diantaranya adalah coal silo, coal feeder, belt, raw coal, bowl, journals, grinding ball, classifier, primary air supply, dan lubrication system. Proses perawatan pada pulverizer dibagi menjadi beberapa periode yakni harian, satu bulan, dua bulan, 2000 jam, 4000 jam dan 2 tahun/outage. Beberapa kontrol yang ada di pulverizer untuk dipantau keamanannya adalah outlet temperature, fineness, flowrate, CO monitoring, air fuel ratio, coal flow dan permintaan pulverizer. Kata kunci: Pembangkit Listrik Tenaga Gas

2

DAFTAR ISI 1

2

BAB I PENDAHULUAN..............................................................................................1 1.1

LATAR BELAKANG.............................................................................................1

1.2

TUJUAN.................................................................................................................1

1.3

MANFAAT..............................................................................................................1

1.4

BATASAN MASALAH..........................................................................................2

BAB II DASAR TEORI................................................................................................3 2.1

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS............................................................3

2.2

KLASIFIKASI TURBIN GAS...............................................................................5

2.2.1

Klasifikasi Turbin Gas Berdasarkan Siklus Kerjanya......................................5

2.2.2

Klasifikasi Turbin Gas Berdasarkan Konstruksinya........................................8

2.2.3

Klasifikasi Turbin Gas Berdasarkan Aliran Fluidanya....................................9

2.3

KOMPONEN UTAMA...........................................................................................9

2.3.1

Kompresor.......................................................................................................9

2.3.2

Ruang Bakar....................................................................................................9

2.3.3

Turbin Gas.....................................................................................................10

2.3.4

Generator.......................................................................................................12

2.4

SISTEM PENDUKUNG.......................................................................................21

2.4.1

Air Intake System..........................................................................................21

2.4.2

Exhaust system..............................................................................................25

2.4.3

Starting System..............................................................................................25

2.4.4

Fuel System....................................................................................................26

2.4.5

Lubrication Oil System..................................................................................28

2.4.6

Coupling and Accessory Gear........................................................................29

2.5

SIKLUS KERJA PLTG.........................................................................................29

3

BAB III SPESIFIKASI PLTG.....................................................................................30

4

BAB IV PERANCANGAN KOMPONEN UTAMA..................................................31 4.1

PERANCANGAN KOMPRESOR.......................................................................31

4.1.1

Analisis Termodinamika................................................................................31

4.1.2

Perancangan Kompresor................................................................................36

4.2

PERANCANGAN RUANG BAKAR..................................................................40

4.3

PERANCANGAN TURBIN GAS........................................................................46

4.3.1

Perhitungan Jumlah Tingkat Turbin...............................................................46

4.3.2

Kondisi Gas dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat................................................46

4.3.3

Diagram kecepatan dan sudu gas tiap tingkat turbin.....................................55 3

4.3.4 5

6

7

Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin..................................................................58

BAB V SPESIFIKASI KOMPONEN PENDUKUNG................................................61 5.1

GENERATOR.......................................................................................................61

5.2

AIR INTAKE SYSTEM........................................................................................61

5.3

EXHAUST SYSTEM...........................................................................................66

5.4

STARTING SYSTEM...........................................................................................66

5.4.1

Static Start Operation.....................................................................................66

5.4.2

Sistem Proteksi..............................................................................................67

5.4.3

Komponen Static Start Operation..................................................................68

5.5

FUEL SYSTEM....................................................................................................68

5.6

Coupling and Accessory Gear...............................................................................70

5.7

Lubrication Oil System.........................................................................................70

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN.....................................................................72 6.1

KESIMPULAN.....................................................................................................72

6.2

SARAN.................................................................................................................72

DAFTAR PUSTAKA...................................................................................................73

4

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Konstruksi Umum PLTG...................................................................................3 Gambar 2.2 Profil Longitudinal Gas......................................................................................4 Gambar 2.3 Skema PLTG Siklus Terbuka.............................................................................5 Gambar 2.4 Siklus StandarBrayton.......................................................................................5 Gambar 2.5 Skema PLTG Siklus Tertutup.............................................................................6 Gambar 2.6 Skema PLTG Siklus Terbuka dengan Regenerator............................................6 Gambar 2.7 Siklus Turbin Gas Regeneratif...........................................................................7 Gambar 2.8 Skema PLTG Siklus Terbuka dengan Regenerator dan Intercooler...................8 Gambar 2.9 Siklus Turbin Gas Regeneratif dengan Intercooler dan Reheater......................8 Gambar 2.10 Tubular combustor.........................................................................................10 Gambar 2.11 Tubo-annular combustor................................................................................10 Gambar 2.12 Skema Aliran Turbin Aksial...........................................................................11 Gambar 2.13 Skema Medan Magnet yang Terbangkitkan di sekitar Kumparan Listrik.....12 Gambar 2.14 Alternator dengan Magnet Permanen.............................................................13 Gambar 2.15 Alternator dengan Magnet Buatan.................................................................13 Gambar 2.16 Alternator dengan Kumparan sebagai Rotor..................................................14 Gambar 2.17 Alternator dengan Medan Magnet sebagai Rotor..........................................15 Gambar 2.18 Gelombang Listrik AC Fasa Tunggal dan Tiga Fasa.....................................15 Gambar 2.19 Koneksi Antarkumparan pada Alternator AC................................................19 Gambar 2.20 Kumparan yang terhubung dengan koneksi Y...............................................20 Gambar 2.21 Generator Sinkron..........................................................................................20 Gambar 2.22 Komponen generator asinkron.......................................................................21 Gambar 2.23 Weather hood pada sistem filtrasi..................................................................22 Gambar 2.24 Vane Axial Separartor....................................................................................23 Gambar 2.25 Pengoperasian Inertial Separator...................................................................23 Gambar 2.26 Prefilter/Coalescer..........................................................................................24 Gambar 2.27 Skema Filtrasi pada PLTG.............................................................................25 Gambar 4.1 Ruang bakar tipe tubular..................................................................................41 Gambar 4.2 Penampang annulus turbin aksial.....................................................................47 Gambar 4.3 Diagram kecepatan pada sudu turbin...............................................................55 Gambar 4.4 Grafik (s/c) vs Sudu-Sudu Gas........................................................................59 Gambar 5.1 Macam-macam filter........................................................................................62 Gambar 5.2 Filter untuk daerah tropis.................................................................................62 Gambar 5.3 Louver..............................................................................................................63 Gambar 5.4 Insect Screen....................................................................................................63 Gambar 5.5 Vane Axial Separator........................................................................................64 Gambar 5.6 Coalescer..........................................................................................................64 Gambar 5.7 Pre-Filter: Bag Filter........................................................................................65 Gambar 5.8 High Efficiency Filter......................................................................................66 Gambar 5.9 Diagram Starter Statik......................................................................................67 Gambar 5.10 Static Frequency Converter............................................................................67 Gambar 5.11 Skema Sistem Bahan Bakar...........................................................................69

5

6

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1

LATAR BELAKANG Energi listrik merupakan salah satu energi yang memiliki peran penting bagi kehidupan manusia. Energi listrik dapat dihasilkan melalui serangkaian proses konversi energi dalam sistem unit pembangkit listrik. Pembangkitan listrik dapat dilakukan baik secara konvensional maupun dengan renewable energy. Pembangkit konvensional ialah pembangkit yang masih menggunakan bahan bakar fosil untuk menghasilkan listrik, sementara pembangkit listrik renewable energi memanfaatkan sumber energi alternatif yang terdapat bebas di alam. Beberapa contoh pembangkit listrik konvensional misalnya PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap), PLTG (Pembangkit Listrik Tenaga Gas), dan juga PLTD (Pembangkit Listrik Tenaga Diesel). Saat ini, pembangkit listrik konvensional masih mendominasi pemenuhan energi listrik dunia. Salah satu pembangkit listrik konvensional yang populer adalah PLTG. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) menggunakan bahan bakar gas alam untuk menggerakkan turbin gas yang dikopel dengan generator untuk membangkitkan listrik. Secara umum, prinsip kerja PLTG hampir sama dengan PLTU, perbedaannya, turbin pada PLTU digerakkan oleh uap air yang telah dipanaskan terlebih dahulu dalam unit boiler, sementara PLTG tidak menggunakan boiler. Dengan alasan peningkatan efisiensi, biasanya PLTG dikombinasikan dengan PLTU atau biasan kita kenal dengan Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU). Komponen utama dari PLTG adalah turbin gas, kompresor, dan ruang bakar (combustor), sedangkan komponen pendukungnya seperti air intake system, exhaust system, starting system, dan fuel system. Siklus kerja sebuah PLTG dibagi menjadi tiga, yaitu, siklus kerja terbuka (open cycle), siklus kerja tertutup (closed cycle), dan siklus kerja kombinasi (dengan penambahan komponen tambahan berupa regenerator, intercooler, dan reheater untuk memaksimalkan efisiensi). Laporan ini membahas mengenai perancangan sistem PLTG secara sederhana dengan siklus kerja terbuka. Perancangan sistem PLTG ini meliputi perancangan komponen utama dengan analisis dan perhitungannya serta spesifikasi singkat dari komponen pendukung PLTG. 1.2

TUJUAN Laporan ini bertujuan untuk mendapatkan rancangan PLTG yang baik sesuai dengan standar PLTG pada umumnya, dan bersifat rasional dimana dapat diaplikasikan langsung dalam dunia nyata. 1.3

MANFAAT Adapun manfaat dari kegiatan ini adalah sebagai berikut: 1. Menambah wawasan mahasiswa mengenai prinsip kerja pembangkit listrik konvensional khususnya pada PLTG. 2. Menambah wawasan dan pengetahuan mahasiswa mengenai komponen-komponen yang terdapat pada PLTG.

1

3. Memberikan referensi singkat mengenai perancangan komponen-komponen PLTG dan fungsinya. 1.4

BATASAN MASALAH Batasan masalah dalam perancangan PLTG ini sebagai berikut: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Siklus PLTG adalah siklus terbuka. PLTG berporos tunggal. Aliran udara dalam turbin gas adalah aliran aksial. Bahan bakar yang digunakan adalah gas alam. Pendesainan tidak membahas masalah mekanika teknik, material, dan manufaktur. Tidak membahas analisis biaya

2

2

BAB II DASAR TEORI

2.1

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) adalah pembangkit listrik konvensional yang menggunakan komponen turbin gas sebagai penggerak generatornya. Tenaga yang digunakan untuk memutar generator berasal dari energi panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara pada ruang bakar (combustor). Energi panas dari pembakaran diubah menjadi energi mekanis berupa putaran poros yang kemudian dikonversi menjadi energi listrik oleh generator. \

Gambar 2.1 Konstruksi Umum PLTG (Sumber: REP Holding)

No 1 2 3 4 5 6 7 8

Keterangan Gas Turbine Gearbox Generator Filter House Cycle Air Duct Gas Duct with Silencer Exhaust Pipe Maintenance Platform 3

PLTG memiliki kelebihan yaitu energi mekanik yang dihasilkan dari mesin turbin gas lebih besar dibandingkan pembangkit listrik lainnya. Selain itu PLTG juga sebagai alternatif dari pembangkit listrik tenaga air disaat musim kemarau dimana pada musim kemarau debit air sangat rendah. Adapun kekurangan dari turbin gas adalah sifat korosif pada material yang digunakan untuk komponen-komponen turbinnya karena harus bekerja pada temperature tinggi dan adanya unsur kimia bahan bakar minyak yang korosif (sulfur, vanadium dll), tetapi dalam perkembangannya pengetahuan material yang terus berkembang hal tersebut mulai dapat dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan dihilangkan. Dengan tingkat efisiensi yang rendah hal ini merupakan salah satu dari kekurangan sebuah turbin gas juga dan pada perkembangannya untuk menaikkan efisiensi dapat diatur/diperbaiki temperature kerja siklus dengan menggunakan material turbin yang mampu bekerja pada temperature tinggi dan dapat juga untuk menaikkan efisiensinya dengan menggabungkan antara pembangkit turbin gas dengan pembangkit turbin uap dan hal ini biasa disebut dengan combined cycle.

Gambar 2.2 Profil Longitudinal Gas (Sumber: Wartsila Inc.)

Turbin gas pada PLTG berfungsi untuk mengubah energi yang terkandung dalam bahanbakar (fluida kerja) menjadi energi mekanis. Fluida kerja yang digunakan untuk memutar turbin gas adalah gas panas yang diperoleh dari proses pembakaran bahan bakar dengan udara. Proses pembakaran memerlukan tiga unsur utama yaitu: bahan bakar, udara, dan panas. Dalam proses pembakaran ini, bahan bakar disuplai oleh pompa bahan bakar (fuel oil pump) apabila bahan bakar berfase liquid, atau kompresor apabila bahan bakar yang digunakan adalah gas. Sistem PLTG paling sederhana terdiri atas kompresor, ruang bakar, dan generator. Siklus PLTG dimulai ketika udara dari luar diserap ke sistem oleh kompresor dan dikompresi hingga menjadi udara bertekanan tinggi. Udara bertekanan tinggi tersebut kemudian diumpan ke dalam ruang bakar bersama dengan bahan bakar yang diinjeksi. Panas yang digunakan pada proses awal pembakaran diperoleh dari ignitor. Campuran bahan bakar udara dibakar 4

pada temperatur lebih dari 2000 derajat Fahrenheit. Proses pembakaran menghasilkan gas bertemperatur dan tekanan tinggi yang akan diekspansikan melalui turbin gas. Proses ekspansi gas tersebut akan memutar sudu-sudu turbin. Putaran turbin yang terbentuk akan memutar generator untuk menghasilkan energi listrik. Gas yang telah melewati turbin keluar menuju saluran buang (exhaust) untuk selanjutnya diteruskan ke bypass stack. 2.2

KLASIFIKASI TURBIN GAS Turbin gas dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kriteria, yaitu: klasifikasi berdasarkan siklus kerja, klasifikasi berdasarkan konstruksinya, dan juga klasifikasi berdasarkan aliran fluidanya. 2.2.1

Klasifikasi Turbin Gas Berdasarkan Siklus Kerjanya 1. Siklus Terbuka (Open Cycle) Dalam siklus terbuka, gas hasil pembakaran yang diekspansikan pada turbin gas langsung dibuang ke atmosfer. Instalasi ini memiliki struktur yang sederhana, yaitu terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan turbin gas sebagai penggerak kompresor dan beban. Skema dari siklus terbuka ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.

Gambar 2.3 Skema PLTG Siklus Terbuka (Sumber: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed., 2011)

Gambar 2.4 Siklus StandarBrayton (Sumber: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed., 2011)

2. Siklus Tertutup (Closed Cycle)

5

Pada siklus terbuka, gas panas yang telah diekspansikan melalui turbin gas tidak langsung dibuang ke atmosfer, akan tetapi dialirkan ke dalam penukar kalor (heat exchanger) untuk didinginkan dengan media pendingin udara atau air sebelum dialirkan kembali melalui sisi inlet kompresor. Skema dari siklus tertutup ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.

Gambar 2.5 Skema PLTG Siklus Tertutup (Sumber: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed., 2011)

3. Turbin Gas Siklus Terbuka Dilengkapi dengan Regenerator Seperti pada siklus kerja sebelumnya, gas panas yang telah diekspansikan ke turbin gas tidak langsung dibuang ke atmosfer. Gas bekas (flue gas) tersebut dialirkan ke sebuah heat exchanger yang dikenal dengan istilah regenerator dimana di dalamnya gas bekas ini digunakan untuk memanaskan udara outlet kompresor sebelum masuk ke ruang bakar. Skema ini ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.

Gambar 2.6 Skema PLTG Siklus Terbuka dengan Regenerator (Sumber: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed., 2011)

6

Gambar 2.7 Siklus Turbin Gas Regeneratif (Sumber: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed., 2011)

4. Turbin Gas Siklus Terbuka Dilengkapi dengan Regenerator dan Intercooler Pada siklus ini, baik kompresor maupun turbin gas masing-masing terdiri dari dua bagian terpisah, yaitu kompresor tekanan rendah dan kompresor tekanan tinggi serta turbin gas tekanan rendah dan turbin gas tekanan tinggi. Aliran udara dan gas-gas yang dihasilkan melalui serangkaian proses sebagai berikut, mulamula udara atmosfer masuk ke dalam kompresor tekanan rendah untuk dikompresi, setelah itu, udara bertekanan tersebut dialirkan ke dalam intercooler untuk didinginkan hingga temperatur dan kelembapan tertentu dengan media pendingin air atau media pendingin lain. Dari intercooler, udara bertekanan yang telah didinginkan dialirkan ke dalam kompresor tekanan tinggi untuk dikompresi lagi hingga menghasilkan udara bertemperatur dan tekanan tinggi. Udara tersebut kemudian dialirkan ke dalam regenerator untuk mendapatkan udara dengan temperatur dan tekanan lebih tinggi lagi yang akan memudahkan terjadinya proses pembakaran. Media pemanas dalam regenerator berasal dari gas buang yang telah melewati turbin gas. Udara keluar dari regenerator dialirkan ke dalam ruang bakar utama (primary combustion chamber) untuk menghasilkan gas panas yang digunakan untuk memutar turbin gas tekanan tinggi. Hasil ekspansi dari turbin gas tekanan tinggi berupa gas buang yang kemudian dialirkan ke ruang bakar kedua (secondary combustion chamber) atau biasa disebut juga dengan reheater chamber. Dari reheater chamber, gas buang mengalami proses pembakaran yang selanjutnya digunakan untuk memutar turbin gas tekanan rendah. Siklus tersebut ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.

7

Gambar 2.8 Skema PLTG Siklus Terbuka dengan Regenerator dan Intercooler (Sumber: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed., 2011)

Gambar 2.9 Siklus Turbin Gas Regeneratif dengan Intercooler dan Reheater (Sumber: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed., 2011)

2.2.2

Klasifikasi Turbin Gas Berdasarkan Konstruksinya Berdasarkan konstruksinya, turbin gas terdiri dari dua jenis: 1. Turbin gas berporos tunggal Pada konstruksi ini, antara kompresor, turbin, dan generator terhubung dalam satu poros. Konstruksi turbin gas berporos tunggal ini biasanya diaplikasikan pada pembangkit listrik maupun industri berskala besar. 2. Turbin gas berporos ganda Pada konstruksi poros ganda, kompresor digerakkan oleh turbin tekanan tinggi yang disebut compressor turbine, dan generator digerakkan secara terpisah oleh turbin tekanan rendah yang disebut power turbine. Sistem poros ganda umumnya menggunakan mesin aero-derivative yang akan menghasilkan gas panas dengan tekanan dan temperatur tinggi yang akan dialirkan langsung ke power turbine. 8

2.2.3

Klasifikasi Turbin Gas Berdasarkan Aliran Fluidanya Berdasarkan aliran fluidanya, turbin gas dibagi menjadi dua jenis: 1. Turbin radial Turbin radial merupakan turbin dimana arah aliran kerjanya tegak lurus terhadap sumbu porosnya. 2. Turbin aksial Turbin aksial merupakan turbin dimana arah aliran fluida kerjanya sejajar terhadap sumbu porosnya.

2.3 KOMPONEN UTAMA 2.3.1 Kompresor Kompresor berfungsi untuk meningkatkan temperatur dan tekanan udara inlet dan membawanya menuju ruang bakar. Kompresor aksial akan mengkompresi fluida kerja dengan mengakselerasinya kemudian mendifusikan fluida kerja untuk menaikkan tekanan. Fluida dinaikkan kecepatannya dengan putaran airfoil (sudu) yang disebut rotor, kemudian didifusikan pada bagian stator. Proses difusi pada stator akan mengkonversi kenaikan kecepatan pada rotor menjadi kenaikan tekanan. Pada kompresor, terdiri dari beberapa tingkat. Sebuah rotor dan stator akan membentuk satu tingkat keadaan. Satu baris sudu tetap (inlet guide vanes) sering digunakan pada inlet kompresor untuk memastikan udara masuk tingkat pertama kompresor sesuai dengan sudut yang diinginkan. 2.3.2

Ruang Bakar Ruang bakar berfungsi sebagai tempat pembakaran campuran bahan bakar dan udara. Hasil dari pembakaran bahan bakar dan udara adalah panas yang kemudian diinputkan ke dalam siklus turbin gas. Ruang bakar (combustor) menerima udara bertekanan dari kompresor dan membakarnya bersama dengan bahan bakar yang diinjeksikan. Produk pembakaran kemudian bercampur dengan sisa udara agar sesuai dengan temperatur inlet turbin. Ada tiga macam tipe dari ruang bakar, yaitu, tipe tubular, tubo-annular, dan anular. Meskipun ada banyak perbedaan desain, akan tetapi semua ruang bakar pada turbin gas mempunyai tiga fitur: (1) zona resirkulasi, (2) zona pembakaran, (3) zona pencairan. Fungsi dari zona resirkulasi adalah untuk mengevaporasi, sebagian terbakar, dan menyiapkan bahan bakar untuk proses pembakaran yang terjadi pada zona pembakaran. Idealnya, pada akhir zona pembakaran, semua bahan bakar seharusnya terbakar sehingga fungsi zona pengenceran praktis hanya untuk mencampur gas panas dengan udara tambahan (dilution air). Campuran gas panas dan udara yang meninggalkan ruang bakar harus mempunyai temperatur dan kecepatan sesuai dengan guide vane dan turbin. Udara tambahan (dilution air) diinjeksikan untuk mendinginkan produk pembakarn agar sesuai dengan temperatur inlet turbin.

9

Gambar 2.10 Tubular combustor (Sumber: Brown Boveri Turbomachinery, Inc.)

Gambar 2.11 Tubo-annular combustor (Sumber: General Electric Company)

2.3.3

Turbin Gas Turbin gas berfungsi untuk mengekspansikan gas hasil pembakaran yang dilewatkan pada sudu-sudu turbin yang menyebabkan sudu turbin gas berputar. Putaran sudu ini akan menyebabkan kompresor menarik lebih banyak udara bertekanan ke ruang bakar dan juga akan memutar generator untuk menghasilkan energi listrik. Putaran turbin gas dipengaruhi oleh laju aliran dari gas hasil pembakaran, semakin besar laju aliran, maka putaran turbin akan semakin cepat dan apabila laju aliran kecil, maka putaran turbin juga akan melambat. Turbin gas yang digunakan pada rancangan PLTG ini adalah turbin gas aliran aksial. Turbin aksial merupakan tipe yang banyak digunakan untuk berbagai aplikasi termasuk pada 10

pembangkit listrik. Fluida kerja yang digunakan adalah fluida kompresibel. Turbin aksial memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan turbin radial. Teknologi turbin gas mengadopsi perkembangan dari turbin uap selama beberapa tahun. Teknologi pada turbin gas mengembangkan skema pendinginan yang lebih rumit dibandingkan dengan turbin uap karena temperatur fluida pembakaran yang sangat tinggi saat melewati turbin gas. Perancangan turbin gas harus memperhatikan masalah daya output yang dihasilkan. Turbin gas yang baik harus memiliki faktor kerja yang tinggi (rasio kerja tiap tingkat keadaan dibandingkan dengan kuadrat kecepatan sudu) untuk mendapatkan konsumsi bahan bakar yang minimal dan mengurangi kebisingan yang ditimbulkan oleh putaran turbin. Aliran gas pembakaran pada turbin aksial sejajar dengan sumbu porosnya. Ada dua jenis dari turbin aksial: (1) tipe impuls dan (2) tipe reaksi. Karakteristik turbin impuls yaitu adanya penurunan entalpi setiap saat melewati nosel sehingga aliran yang masuk pada rotor memiliki kecepatan yang tinggi. Sementara pada turbin reaksi, penurunan tekanan terbagi pada bagian antara nosel dan rotor.

Gambar 2.12 Skema Aliran Turbin Aksial (Sumber: Gas Turbine Engineering Handbook, 4th ed., 2012)

Kebanyakan turbin aksial memiliki lebih dari satu tingkat yang mana pada tingkat pertama biasanya turbin impuls digunakan sedangkan pada tingkat selanjutnya digunakan 50% tubin reaksi. Pada fase turbin impuls, output yang dihasilkan kira-kira dua kali lebih besar dibandingkan saat fase turbin reaksi. Efisiensi pada fase turbin impuls lebih kecil dibandingkan dengan fase turbin reaksi. Sekarang, kemampuan turbin menahan panas sudah berkembang seiring dengan perkembangan pada industri metalurgi sudu turbin. Dengan pengembangan teknologi solidifikasi (pemadatan) dan juga teknologi kristal tunggal pada sudu turbin, didukung dengan skema pendinginan dan pelapisan yang terbaru, maka ketahanan turbin terhadap temperatur tinggi meningkat. Temperatur gas buang turbin bisa mencapai 1200 F. Lintasan 11

pendingin pada skema pendinginan turbin memerlukan proses coating (pelapisan) untuk menghindari pengaruh korosi dari fluida pendingin. Jumlah udara pendingin juga harus dibatasi agar tidak menimbulkan dampak negatif pada total efisiensi termal karena bertambahnya penggunaan udara untuk proses pendinginan. Secara sederhana, jika kita membutuhkan tambahan 8% udara sebagai pendingin, kita akan kehilangan faktor bertambahnya temperatur gas masuk turbin. 2.3.4

Generator Generator berfungsi untuk mengubah energi mekanis yang dihasilkan turbin gas menjadi energi listrik. Generator yang digunakan dalam rancangan sistem PLTG adalah generator AC atau alternator. Alternator sendiri dapat diklasifikasikan menjadi beberapan macam, berikut adalah klasifikasi tersebut: 2.3.4.1 Macam Alternator Berdasarkan Berdasarkan Sumber Eksitasi Salah satu komponen utama dari generator adalah magnet yang berfungsi untuk membangkitkan medan magnet pada proses elektromagnetik, magnet yang digunakan tersebut dapat berupa magnet permanen ataupun medan kumparan. Proses pembangkitan medan magnet dikenal dengan proses eksitasi. Eksitasi dapat dilakukan dengan mengalirkan arus listrik searah ke dalam kumparan kawat.

Gambar 2.13 Skema Medan Magnet yang Terbangkitkan di sekitar Kumparan Listrik (Sumber: http://thefutureofthings.com/3815-los-alamos-magnet-lab-explores-superconductivity/)

Berdasarkan sumber eksitasi, generator AC dapat dibagi menjadi dua tipe, yaitu generator dengan magnet permanen dan generator dengan magnet sementara. 2.3.4.1.1 Generator dengan Magnet Permanen Kelebihan :   

Desain yang sederhana Umur generator lebih awet (reliable) Tidak membutuhkan sumber arus listrik DC dari luar untuk membangkitkan medan magnet 12

Gambar 2.14 Alternator dengan Magnet Permanen (Sumber: Comsol Blog)

Kekurangan:  

Tidak efisien, karena produksi fluks magnet yang rendah Pembangkitan daya listrik terbatas sejauh kemampuan magnet dalam membentuk medan magnet, sehingga tidak cocok digunakan skala besar

2.3.4.1.2 Generator dengan Magnet Buatan Kelebihan:  

Dapat membangkitkan medan magnet dengan fluks besar sehingga efisien jika digunakan untuk menghasilkan power yang besar Besaran fluks medan magnet dapat diatur sesuai kebutuhan.

Gambar 2.15 Alternator dengan Magnet Buatan (Sumber: http://www.daviddarling.info/encyclopedia/G/generator.html)

Kekurangan: 

Desain lebih rumit dibandingkan dengan alternator yang menggunakan magnet permanen

13



Sangat bergantung dengan supply arus DC dari luar untuk membangkitkan medan magnet, jika sumber arus gagal memasok arus DC, maka alternator tidak berfungsi sama sekali.

2.3.4.2 Macam Alternator Berdasarkan Posisi Kawat Kumparan (Armature) Pembangkitan gaya gerak listrik (GGL) oleh generator terjadi karena adanya medan magnet yang di tengah-tengahnya melintas kawat kumparan, atau sebaliknya adanya sebuah kawat kumparan yang sedang dilintasi oleh medan magnet. Atas dasar hal tersebut maka generator AC dapat diklasifikasikan menjadi dua, yakni alternator dengan kumparan sebagai rotor dan alternator dengan medan magnet sebagai rotor. 2.3.4.2.1 Alternator Dengan Kumparan Sebagai Rotor. Generator AC dengan kumparan sebagai rotor diilustrasikan pada gambar di bawah ini. Stator generator ini bekerja sebagai sumber medan magnet, sedangkan sisi rotor bekerja sebagai kumparan kawat. Kumparan kawat berputar dan memotong garis gaya magnet sehinngga terbangkitkan arus listrik pada kumparan tersebut. Arus listri dikeluarkan dari rotor melalui slip ring dan sikat karbon (brush). Masing-masing slip ring terkoneksi dengan tiaptiap ujung kawat kumparan. Sikat karbon berfungsi sebagai bidang gesek yang berkontak langsung dengan slip ring. Voltase listrik yang dihasilkan generator ditransfer dari slip ring melewati sikat karbon untuk menuju ke luar sistem.

Gambar 2.16 Alternator dengan Kumparan sebagai Rotor (Sumber: Wikipedia.com)

Generator AC tipe ini lebih banyak diaplikasikan untuk kebutuhan daya listrik rendah. Jika digunakan untuk daya listrik tinggi, maka arus listrik mengalir melewati slip ring dan sikat karbon akan semakain besar. Tentu hal ini merupakan losses yang cukup besar dengan mentransmisikan listrik berdaya besar melewati sebuah bidang gesek. Dibutuhkan biaya yang tidak sedikit jika alternator tipe ini dipaksakan untuk memproduksi listrik berdaya tinggi merupakan tipe medan magnet sebagai rotor. 2.3.4.2.2 Alternator Dengan Medan Magnet Sebagai Rotor. Generator AC dengan medan magnet sebagai rotor menjadi generator AC yang lebih umum digunakan dibandingkan dengan tipe sebelumnya. Pada tipe ini, arus listrik DC dari sumber luar dialirkan ke kumparan rotor dengan melewati slip ring dan sikat karbon. Arus 14

listrik DC tersebut digunakan untuk membangkitkan medan magnet di kumparan rotor. Seiring dengan perputaran rotor, maka medan magnet akan ikut bergerak berputar. Garis gaya medan magnet yang bergerak berputar, akan terpotong oleh kumparan pada sisi stator yang diam sehingga tercipta gaya gerak listrik di sisi kumparan stator. Dikarenakan daya keluaran generator ini melalui sisi stator, maka dimungkinkan untuk menggunakan konektor tetap dan selalu terisolasi sebagai sistem transmisinya. Hal ini tentu menjadi kelebihan jika digunakan tunuk mentransmisikan arus AC yang besar. Di sisi lain, sistem slip ring dan sikat karbon yang digunakan pada sisi rotor tidak menjadi masalah karena arus listrik DC yang ditransmisikan tidak sebesar arus listrik AC yang dihasilkan pada sisi stator.

Gambar 2.17 Alternator dengan Medan Magnet sebagai Rotor (Sumber: Wikipedia.com)

2.3.4.3 Macam-Macam Alternator Berdasarkan Fase Listrik yang Dihasilkan Karakter listrik AC adalah besar voltase yang naik turun membentuk gelombang sinusoidal. Pada suatu sistem listrik AC, gelombang voltase tersebut bisa berjumlah satu atau tiga. Jumlah satu dan tiga ini lebih familiar digunakan di khalayak umum dibandingkan dengan angka yang lain, jika sistem listrik AC tersebut hanya terdapat satu gelombang voltase, maka hal ini disebut listrik AC satu fasa. Sedangkan jika terdapat tiga gelombang voltase maka disebut dengan listrik AC tiga fasa.

Gambar 2.18 Gelombang Listrik AC Fasa Tunggal dan Tiga Fasa (Sumber: http://www.tripplite.com/products/single-vs3-phase)

15

Bagaimana bisa ada dua tipe arus listrik AC di atas adalah berasal dari sumber listrik AC tersebut, dalam hal ini adalah generator. Komponen generator yang menentukan jumlah fasa yang dihasilkan tersebut adalah kumparan kawat (armature). Jumlah dan susunan kumparan menjadi penentu jumlah fasa yang dihasilkan oleh sebuah generator AC. Berikut akan kita bahas lebih lanjut dua tipe generator ini berdasarkan fasa listrik AC yang ia hasilkan. 2.3.4.3.1 Generator AC Fasa Tunggal. Generator Ac yang menghasilkan listrik fasa tunggal adalah generator yang di dalamnya hanya memiliki satu kumparan kawat (armature), atau beberapa kumparan kawat yang tersusun secara seri. Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan beberapa skema generator berikut.

(a) Alternator dengan satu putaran lilitan kumparan sebagai rotor (Sumber: Wikipedia.com)

(b) Alternator dengan beebrapa putaran lilitan kumparan sebagai rotor (Sumber: Wikipedia.com)

16

(c) Alternator dengan satu pasang kumparan sebagai stator (Sumber: Wikipedia.com)

(d) Alternator dengan dua pasang kumparan sebagai stator (Sumber: Wikipedia.com)

Keempat jenis generator di atas sama-sama menghasilkan arus listrik AC satu fasa. Gambar (a) adalah sebuah generator AC dengan kumparan kawat sebagai rotor. Nampak pada grafik dibawahnya bahwa dengan satu putaran lilitan kumparan mampu menghasilkan listrik AC fasa tunggal. Gambar (b) juga sama seperti gambar (a), yakni sebuah alternator dengan kumparan sebagai rotor. Hanya saja lililtan kumparan diperbanyak menjadi beberapa kali. Hal ini akan menghasilkan arus listrik AC fasa tunggal dengan frekuensi yang sama seperti gambar (a), namun memiliki nilai voltase yang berlipat ganda sesuai dengan jumlah lilitan kumparan. Gambar (c) dan (d) adalah generator AC tipe medan magnet sebagai rotor, sehingga kawat kumparan didesain berada di sisi stator. Nampak pada gambar ©, stator tersusun atas dua sisi kumparan yang saling terhubung secara seri. Selain iitu arah putaran lilitan kumparan antara yang satun dengan yang lainnya Nampak saling berkebalikan, hal ini dikarenakan tiap17

tiap kumparan akan menghadap ke medan magnet dengan kutub yang berbeda. Dengan desain demikian akan membuat arah arus listrik yang terbangkitkan akan selalu searah antara kumparan yang satu dengan yang lainnya. Generator gambar (d) merupakan pengembangan dari desain ©, dimana kumparan kawat bertambah menjadi empat kumparan dan begitu pula dengan kutub magnet yang juga menjadi empat kutub. Lilitan kumparan saling terhubung secara seri sesuai dengan gambar di atas. Dengan desain semacam ini, untuk setiap 90o putaran rotor, kutub voltase listrik akan berubah arah dari positif ke negative ataupun sebaliknya. Sehingga di setiap satu putaran rotor akan tercipta dua gelombang penuh listrik AC. Selain itu karena kumparan dihubungkan secara seri dan output tegangan berupa satu fase, maka besar tengangan listrik total yang dihasilkan oleh generator ini sebanyak empat kali tegangan yang dihasilkan oleh masingmasing kumparan. Dengan kata lain dua kali lebih besar dibandingkan dengan tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator (c). 2.3.4.3.2 Generator AC Fasa Tiga Generator tiga fasa memiliki prinsip kerja yang sama dengan generator satu fasa. Pembeda paling utama adalah digunakannya tiga kumparan kawat yang saling terhubung dengan konfigurasi khusus. Jika pada alternator satu fasa beberapa kumparan dihubungkan secara seri akan menghasilkan tegangan listrik AC yang lebih bsesar, maka pada alternator tiga fasa konkesi antar ketiga kumparan kawat akan menghasilkan tiga gelombang voltase listrik AC yang saling mendahului.

18

Gambar 2.19 Koneksi Antarkumparan pada Alternator AC (Sumber: Idaho State University’s College of Technology)

Tiga kumparan kawat, baik diposisikan sebagai rotor ataupun start alternator, disusun sedemikian rupa sehingga diantara ketiganya memiliki jarak sudut 120 o. masing-masing kumparan memiliki dua ujung kawat yang salah satu ujungnya dihubungkan dengan ujung kawat kumparan lainnya dengan bentuk konfigurasi delta (Δ) atau wye (Y) seperti pada gambar di atas. Sedangkan ujung-ujung kawat kumparan lainnya berfungsi sebagai output untuk menyalurkna energi listrik AC yang terbangkitkan keluar generator.

19

Gambar 2.20 Kumparan yang terhubung dengan koneksi Y (Sumber: http://www.reliantemc.com/OnFILTER-AC-Three-Phase-Filters.html)

Tegangan listrik keluaran alternator AC tiga fasa membentuk tiga buah geombang sinus jika diproyeksikan ke dalam sebuah grafik. Ketiga gelombang tersebut memiliki frekuensi yang sama persis, namun saling memiliki jarak sepertiga gelombang antara satu gelombang dengan gelombang lainnya. 2.3.4.4 Macam Alternator Berdasarkan Kecepatan Putaran Rotor Generator AC juga dapat dibagi menjadi dua berdasarkan kecepatan putaran rotornya. Jika sebuah generator AC rotornya berputar dengan kecepatan sesuai dengan sinkronisasi jaringan, maka generator tersebut dinamakan generator sinkron. Namun jika kecepatan putaran rotor generator lebih cepat sedikit dibandingkan kecepatan frekuensi jaringan, maka generator tersebut adalah generator tidak sinkron. 2.3.4.4.1 Generator Sinkron Generator sinkron adalah generator yang putaran rotornya seirama dengan frekuensi jaringan. Pada generator ini berlaku rumus menghitung frekuensi jaringan sebagai berikut: f =df rac N ¿ P 60 Dimana N adalah kecepatan rotor dalam rpm, P adalah jumlah pasang kutub magnet rotor, sedangkan 60 adalah konversi ke detik.

Gambar 2.21 Generator Sinkron 20

(Sumber: http://www.alternative-energy-tutorials.com/wind-energy/synchronous-generator.html)

Semisal ada sebuah generator yang menggunakan dua kutub magnet (1 utara dan 1 selatan) terpasang ke sebuah jaringan listrik berfrekuensi 50Hz. Jika putaran rotor generator tersebut adalah 3000 rpm, maka generator tersebut disebut generator sinkron. 2.3.4.4.2 Generator Asinkron Generator asinkron (tidak sinkron) merupakan generator yang memiliki kecepatan putaran rotor yang sedikit lebih cepat dibandingkan dengan kecepatan sinkronisasi jaringan. Hal ini dikarenakan komponen rotor generator ini tidak menggunakan magnet permanen ataupun sistem eksitasi dari luar. Rotor generator tipe ini menggunakan induksi elektromagnetik yang tercipta pada stator untuk ditangkap oleh batan-batang konduktor sehingga tercipta medan magnet di dalam rotor. Disaat yang sama rotor tersebut diputar oleh su,ber putaran dari luar dengan kecepatan di atas kecepatan sinkronisasi, menghasilkan fluks magnet rotor yang sekarang memotong kumparan stator. Pada saat inilah kumparan stator akan menghasilkan arus listrik untuk dikirim ke sistem.

Gambar 2.22 Komponen generator asinkron (Sumber: http://www.alternative-energy-tutorials.com/wind-energy/synchronous-generator.html)

Generator tipe ini banyak digunakan untuk pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga mikro hidro. Hanya saja ada beberapa kelemahan di dalamnya, yakni:   

Efisiensi sistem eksitasi internal di dalam generator ini kurang baik. Tidak dapat digunakan saat kondisi faktor daya sedang lagging. Generator ini membutuhkan daya reaktif yang terlalu besar.

Pada proses start-up, generator dioperasikan sebagai motor sinkron dengan megalirkan arus eksitasi ke dalam generator. Setelah mencapai self-excited speed (kecepatan rating), maka arus listrik akan diputus. Putaran dari motor sinkron akan menggerakkan kompresor dan turbin karena berada dalam satu poros. 2.4 SISTEM PENDUKUNG 2.4.1 Air Intake System Air intake system merupakan sistem yang memiliki peran sebagai filter/penyaring untuk mensuplai udara bersih yang akan masuk ke kompresor. Proses filtrasi udara yang buruk dapat mengakibatkan penurunan performa dari turbin gas dan bahkan dapat 21

mengakibatkan kerusakan pada turbin gas. Kondisi turbin gas dipengaruhi oleh beberapa partikel pada sisi inlet berdasarkan komposisi dan ukuran partikel tersebut. Proses filtrasi yang buruk dapat mengakibatkan beberapa kerugian, antara lain: foreign object damage (FOD), erosi, fouling, peleburan partikel asing ke komponen, dan juga korosi (karat). Proses filtrasi udara dapat memiliki efek positif dan negatif. Efek negatif dari proses filtrasi ini akan menyebabkan penurunan tekanan udara masuk yang dapat mengurangi performa/efisiensi sistem. Akan tetapi, proses filtrasi udara ini juga berperan dalam menjaga kualitas udara yang masuk ke kompresor agar turbin gas dapat beroperasi dengan maksimal. Pemilihan/rancangan filter yang baik yaitu memiliki penurunan tekanan udara yang minimum di saat ia dapat menghilangkan sejumlah partikel asing dan embun, Proses filtrasi yang baik terkadang membutuhkan beberapa tahap filtrasi untuk menghilangkan material/partikel yang berbeda yang terdapat di udara atau menghilangkan material/partikel dengan ukuran atau fasa yang berbeda. Proses filtrasi yang bertingkat ini disebut juga dengan multiple stage filtration yang biasanya terdiri dari dua/tiga tahap filtrasi. Pemilihan sistem filtrasi didasarkan pada kondisi lingkungan sekitar pembangkit seperti kondisi cuaca, komposisi partikel/debu, serangga, dan material pengotor lain. Kondisi lingkungan yang juga dapat mempengaruhi desain dan lokasi dari filter misal: arah angin, polusi lokal, kontur tanah tempat pembangkit beroperasi, dan kemiringan inlet. Berikut adalah beberapa macam tipe filtrasi yang digunakan pada air intake system. 1. Weather protection dan Trash Screen Louver atau hood dan trash screen merupakan filter yang paling sederhana tetapi sangat penting untuk mengurangi partikel dan embun yang masuk ke sistem filtrasi utama. Weather protection (proteksi cuaca) ini tidak diklasifikasikan sebagai filter, akan tetapi mempermudah proses penghilangan partikel-partikel asing.

Gambar 2.23 Weather hood pada sistem filtrasi (Sumber: Camfil Farr)

2. Inertial Separator

22

Tipe inertial separator yang sering digunakan pada filtrasi inlet turbin gas adalah tipe separator vane dan cyclone. Vane separator efektif untuk menyaring partikel yang lebih besar dari 10 mikron. Efektivitas dari separator didasarkan pada desain kecepatan udaranya. Efektivitas terbaik adalah saat kecepatan udara masuk mendekati rating kecepatan udaranya. Vane separator relatif memiliki drop tekanan yang rendah (0,1-0,5 bar dalam H2O). Tipe separator ini efektif digunakan untuk menghilangkan air dengan kecepatan tinggi dimana biasanya diaplikasikan pada kegiatan kelautan dan off-shore.

Gambar 2.24 Vane Axial Separartor (Sumber: Guideline for Gas Turbine Inlet Air Filtration System, Gas Machinery Research Council Southwest Research Institute®, 2010, Texas)

Tipe cyclone separator menggunakan sudu stasioner untuk menggerakkan aliran secara sentrifugal. Gerak berputar ini menyebabkan partikel padat dan cair bergerak ke arah luar membentuk aliran vortex atau cyclone. Tipe cyclone separator ini memiliki drop tekanan yang lebih besar dibandingkan tipe vane separator. Cyclone separator efektif untuk menyaring partikel padatan dan cair berukuran lebih dari 10 mikron yang dapat mencegah erosi dan karat komponen.

Gambar 2.25 Pengoperasian Inertial Separator 23

(Sumber: Mueller Environmental Design, Inc.)

3. Moisture Coalescers Pada lingkungan dengan kelembapan yang tinggi, sebuah coalescer diperlukan untuk menghilangkan cairan lembab. Coalescer bekerja dengan menangkap droplet air di bagian fiber. Coalescer didesain untuk melewatkan droplet air untuk di-drain atau dilepas kembali ke aliran. 4. Prefilter Selama kompresor beroperasi, parrikel-partikel debu dan pengotor akan mengendap di dalam kompresor yang dapat megurangi efisiensi dan daya output dari pembangkit. Filter yang terdapat pada sistem intake udara ini berfungsi untuk mencegah hal tersebut.

Gambar 2.26 Prefilter/Coalescer (Sumber: Camfil Farr)

5. High Efficiency Filter Berfungsi untuk menyaring partikel-partikel pengotor yang lebih kecil yang lolos dari pre-filter. 6. Silencer Aliran udara yang masuk ke dalam kompresor akan menimbulkan noise (kebisingan). Oleh karena itu, terdapat sebuah silencer yang berfungsi untuk mengurangi kebisingan sampai pada batas yang diinginkan dan dipasang pada bagian saluran masuk udara.

24

Gambar 2.27 Skema Filtrasi pada PLTG (Sumber: Guideline for Gas Turbine Inlet Air Filtration System, Gas Machinery Research Council Southwest Research Institute®, 2010, Texas)

2.4.2

Exhaust system Exhaust system diperlukan untuk mengarahkan gas buang dari turbin gas menuju ke atmosfer. Temperatur gas buang bisa mencapai 400-650o C. Kebisingan yang ditimbulkan oleh gas buang dapat dikurangi dengan silencer yang terletak pada bypass stack. Stack adalah sebuah laluan gas buang yang menjulang ke atas untuk memastikan temperatur gas buang aman saat dilepsakan ke atmosfer. Dalam siklus kombinasi, gas buang akan digunakan kembali sebagai pemanas ulang dalam sistem HRSG (Heat Recovery Steam Generator) untuk mengoperasikan turbin uap tambahan untuk meningkatkan efisiensi pembangkit. Pada kebanyakan pembangkit, sebuah diverter damper dipasang diantara turbin gas dan HRSG. Hal ini memungkinkan pembangkit beroperasi dengan siklus kombinasi (combined cycle) atau dengan siklus sederhana (simple cycle), pada kasus dimana boiler perlu di-maintenance. 2.4.3

Starting System Starting system berfungsi untuk melakukan start-up sebelum turbin gas bekerja. Starting system akan membentuk momentum awal turbin gas untuk mencapai kecepatan operasi tertentu. Prinsip kerjanya kurang lebih sama dengan motor starter yang ada pada mobil. Pada PLTG, turbin gas akan berputar pada kecepatan 3000 RPM pada frekuensi grid 50 Hz dan 3000 RPM pada frekuensi grid 60 Hz. Saat start-up, kecepatan putar awal setidaknya adalah 60 % dari kecepatan operasi agar turbin dapat bekerja. Starter motor yang digunakan sebagai start-up tergantung pada seberapa besar turbin yang digunakan. Untuk turbin yang besar berarti membutuhkan kapasitas motor yang besar pula. Sebuah motor dengan converter torsi dapat digunakan untuk memutar turbin yang besar hingga mencapai kecepatan yang dibutuhkan. Konverter torsi disini digunakan untuk meningkatkan torsi yang dibangkitkan. Saat ini, trend terbaru adalah menggunakan generator itu sendiri sebagai starter motor dengan pengaturan elektrik yang sesuai. Pada kondisi dimana

25

tidak ada daya yang tersedia, seperti di atas kapal atau pada off-shore platform, maka dapat menggunakan mesin diesel atau mesin gas. 2.4.4

Fuel System Fuel system berfungsi untuk menyediakan bahan bakar bersih untuk proses pembakaran dalam ruang bakar. Normalnya, turbin gas menggunakan bahan bakar gas alam, disamping itu, ia juga dapat membakar bahan bakar diesel atau bahan bakar destilasi. Banyak turbin gas yang memiliki kemampuan ganda. Sistem pembakaran (burner) dan pengapian (ignition) dengan sistem pengaman adalah salah satu komponen terpenting pada PLTG. Pada sistem pengapian terdapat sebuah control valve yang mengatur jumlah bahan bakar yang diinjeksi ke ruang bakar. Sebuah filter juga dipasang untuk mencegah partikel pengotor yang dapat menyumbat burner. Gas alam dari sumber diserap dan dibersihkan sebelum masuk ke turbin. Pemanas eksternal memanaskan gas agar pembakaran berlansung sempurna. Untuk bahan bakar cair, dibutuhkan pompa tekanan tinggi untuk memompa bahan bakar agar terjadi proses atomisasi yang baik sebelum proses pembakaran. Dalam menentukan bahan bakar yang dipakai, ada beberapa hal yang harus diperhatikan seperti nilai kalor, kebersihan bahan bakar, korosivitas, kecenderungan fouling dan pengendapan, dan ketersediaan bahan bakar. Pemilihan yang tepat berutujuan untuk mendapatkan efisiensi yang tinggi, downtime yang minimum, dan ekonomis. Nilai kalor bahan bakar akan mempengaruhi besar dari sistem bahan bakar. Umumnya, analisis lebih mendalam mengenai bahan bakar ada pada bahan bakar gas karena pada bahan bakar cair memiliki variasi nilai kalor yang berdekatan yang memudahkan dalam pemilihannya. Kebersihan bahan bakar merupakan faktor penting untuk menghasilkan pembakaran yang baik. Kebersihan bahan bakar harus dimonitor untuk memastikan bahan bakar tersebut bebas dari pengotor-pengotor yang terbawa saat proses transpor bahan bakar. Partikel pengotor dalam bahan bakar dapat menyebabkan kerusakan atau fouling pada sistem bahan bakar yang berdampak pada pembakaran yang buruk. Korosi (karat) karena aliran bahan bakar biasanya terjadi pada komponen ruang bakar dan sudu turbin. Korosi dapat timbul karena pengaruh dari sejumlah material logam berat yang terkandung dalam bahan bakar. Fouling dan pengendapan dapat terjadi pada bagian hot section turbin gas. Laju pengendapan bergantung pada sejumlah senyawa yang terdapat pada bahan bakar. Senyawasenyawa yang dapat menyebabkan pengendapan dapat dihilangkan dengan adanya penanganan khusus. Selain itu, ketersediaan bahan bakar juga merupakan faktor penting dalam sistem bahan bakar. Jika cadangan bahan bakar masih belum diketahui/dipastikan ada, maka PLTG harus memiliki back-up bahan bakar yang memadai.

26

Kebutuhan akan bahan bakar harus memperhatikan variasi dari properties bahan bakar. Kebersihan bahan bakar diukur dari jumlah air, sedimen, dan partikulat yang terdapat pada bahan bakar. Sedimen dan air terdapat terutama pada bahan bakar cair, sedangakan partikulat sering ditemukan pada bahan bakar gas. Partikulat dan sedimen dapat menyebabkan penyumbatan filter bahan bakar. Selain itu, air juga dapat menyebabkan oksidasi pada sistem dan menyebabkan pembakaran yang buruk. Penang\anan kebersihan bakan bakar ini dapat dilakukan dengan melakukan proses filtrasi. Residu karbon, titik tuang (pour point), dan viskositas merupakan properti penting terkait pengendapan dan fouling yang terjadi. Nilai residu karbon menunjukkan kecenderungan bahan bakar untuk menghasilkan deposit karbon pada nosel dan bagian ruang bakar. Sedangakan, titik tuang menunjukkan temperatur terendah dimana bahan bakar dapat dituangkan yang dipengaruhi oleh gravitasi. Viskositas (kekentalan) erat kaitannya dengan drop tekanan pada aliran dalam pipa. Variabel titik tuang dan viskositas menunjukkan ukuran kecenderungan bahan bakar untuk mengotori (menimbulkan fouling) pada sistem. Partikel abu yang terdapat pada bahan bakar cair merupakan faktor penting yang menentukan kebersihan, korosivitas, dan pengendapan bahan bakar. Abu merupakan material sisa pembakaran. Abu terbentuk menjadi dua macam, (1) sebagai partikel padatan yang dikenal dengan sedimen, (2) sebagai minyak atau air bekas larutan logam. Seperti yang disebutkan di awal, sedimen akan berdampak pada kebersihan bahan bakar, sementara korosivitas bahan bakar terkait dengan jumlah berbagai trace element (unsur kimia yang muncul sebentar dalam sampel tertentu) pada abu bahan bakar. Bahan bakar tertentu dengan jumlah abu tinggi bisa sangat korosif. Tabel menunjukkan rangkuman dari spesifikasi bahan bakar gas untuk PLTG.

(Sumber: Gas Turbine Engineering Handbook, 4th ed., 2012)

Partikel sulfur (belerang) pada tabel di atas harus dikontrol dengan exhaust recovery system. Jika sulfur terkondensasi pada exhaust stack, maka korosi dapat terjadi. PLTG tanpa exhaust recovery system bukanlah menjadi masalah dengan selama temperatur stack lebih tinggi dari titik embun gas buang. Sulfur juga dapat menyebabkan korosi pada bagian hot section ruang bakar dengan logam tertentu seperti sodium atau potassium. Korosi yang terjadi pada ruang bakar tersebut disebut dengan sulfidasi atau korosi karena panas. Sulfidasi dapat dicegah dengan penyaringan (filter) pada sistem intake udara. Tabel 12-4 menunjukkan rangkuman dari spesifikasi bahan bakar cair berasal dari uji pabrikan agar pengoperasiannya efektif. Kontaminan air dan sedimen maksimal 1% dari volume untuk mencegah fouling bahan bakar dan penyumbatan filter. Nilai viskositas maksimal 20 censistoke pada nosel bahan bakar untuk mencegah penyumbatan saluran bahan bakar. Sedangkan nilai titik tuang minimal 20o F (11o C) dibawah temperatur lingkungan. 27

Emisi karbon harus kurang dari 1% dari 100% berat sampel. Sementara untuk emisi hidrogen terkait dengan asap dari bahan bakar. Bahan bakar dengan kandungan hidrogen rendah akan menghasilkan lebih banyak asap dibandingkan dengan bahan bakar dengan kandungan hidrogen tinggi. Standar nilai belerang bertujuan untuk melindungi sistem dari korosi.

(Sumber: Gas Turbine Engineering Handbook, 4th ed., 2012)

Analisis abu (ash) mendapatkan perhatian khusus karena beberapa logam trace pada abu yang dapat menyebabkan korosi. Unsur yang menjadi perhatian utama seperti vanadium, sodium, potasium, timah, dan kalsium. Keempat unsur yang pertama tidak boleh ada karena pengaruh korosi yang besar pada temperatur tinggi. Selain korosi, semua unsur tersebut juga akan menimbulkan deposit (endapan). Sodium dan potasium sangat dihindari karena dapat bereaksi dengan belerang pada temperatur tinggi yang dapat menimbulkan korosi pada logam. Proses korosi pada temperatur tinggi ini dinamakan sulfurisasi. Selain itu, endapan sodium sulfat (Na2SO4) pada sudu turbin diperkirakan akan mereduksi lapisan oksida pelindung sudu. Korosi akan semakin parah seiring dengan bertambahnya endapan yang mereduksi lapisan pelindung. Lebih lanjut, oksidasi juga dapat terjadi ketika cairan vanadium mengendap pada sudu. Sementara pada kontaminan unsur timah jarang ditemui. Kontaminan unsur timah ini dapat muncul terutama dari partikel pengotor bahan bakar sendiri atau dari kilang produksi minyak. Hingga saat ini, belum ada penanganan bahan bakar untuk menetralkan timah. 2.4.5

Lubrication Oil System Berikut ini beberapa fungsi lubrikasi mesin : 1. Mengurangi keausan mesin 2. Mengurangi panas akibat pembakaran dan gesekan mesin 3. Mengendapkan kotoran-kotoran ke dalam karter 4. Mengurangi suara berisik pada mesin 5. Mengoptimalkan kerja mesin 28

2.4.6

Coupling and Accessory Gear Kopling adalah alat yang digunakan untuk menghubungkan dua poros pada kedua ujungnya dengan tujuan untuk mentransmisikan daya mekanis. Kopling biasanya tidak mengizinkan pemisahan antara dua poros ketika beroperasi, namun saat ini ada kopling yang memiliki torsi yang dibatasi sehingga dapat slip atau terputus ketika batas torsi dilewati. Tujuan utama dari kopling adalah menyatukan dua bagian yang dapat berputar (poros). Dengan pemilihan, pemasangan, dan perawatan yang teliti, performa kopling bisa maksimal, kehilangan daya bisa minimum, dan biaya perawatan bisa diperkecil. Kopling digunkan pada bidang permesinan dengan tujuan:    

Mengurangi dampak misalignment yang terjadi antara dua poros. Untuk mendapatkan fleksibilitas mekanis, terutama pada dua poros yang tidak berada pada satu aksis. Untuk mengurangi beban kejut ( shock load ) dari satu poros ke poros yang lain. Untuk mengurangi karakteristik getaran dari dua poros yang berputar.

Dalam turbin gas ada tiga jenis coupling yang digunakan, yaitu:   

Jaw Cluth, menghubungkan starting turbine dengan accessory gear dan HP turbin rotor. Accessory Gear Coupling, menghubungkan accessory gear dengan HP turbin rotor. Load Coupling, menghubungkan LP turbin rotor dengan kompressor beban.

Coupling dibagi menjadi dua jenis, (1) kopling kaku, (2) kopling fleksibel. Kopling kaku biasa digunakan untuk menghubungkan poros dengan kondisi misalignment (ketidaksejajaran) yang kecil. Kopling fleksibel dibagi menjadi banyak jenis, seperti jenis beam, kopling kecepatan konstan, diafragma, membran logam, elastomeric, gear, miscellaneous, dll. Kopling jenis gear dan membrane logam banyak diaplikasikan pada industri termasuk aplikasi pada pembangkit. 2.5 SIKLUS KERJA PLTG Turbin gas secara termodinamika bekerja dengan siklus Brayton. Siklus ini untuk sistem turbin gas sederhana dengan siklus terbuka.

29

3

BAB III SPESIFIKASI PLTG

Langkah awal melakukan proses perancangan PLTG adalah menentukan konfigurasi awal/spesifikasi teknis pembangkit. Spesifikasi teknis ini diambil berdasarkan aspek-aspek termodinamika, prestasi, dan biaya. Spesifikasi Pembangkit: 1. PLTG dengan siklus kerja open cycle 2. PLTG dengan konstruksi turbin gas berporos tunggal 3. Aliran Fluida: Axial Spesifikasi Teknis: Spesifikasi Daya yang dibangkitkan Bahan Bakar Fluida kerja Putaran turbin Perbandingan kompresi Temperatur inlet kompresor Temperatur inlet turbin Tekanan inlet Efisiensi kompresor Efisiensi turbin Efisiensi ruang bakar Efisiensi generator

Nilai : 20 MW : Gas alam (LNG) : Udara : 3000 RPM :8 : 28o C : 1227o C : 1,013 bar : 0,85 : 0,95 : 0,98 : 0,95

Data-data yang digunakan dalam menentukan spesifikasi awal mengacu pada berbagai penelitian dan literatur yang relevan.

30

4

BAB IV PERANCANGAN KOMPONEN UTAMA

4.1 PERANCANGAN KOMPRESOR 4.1.1 Analisis Termodinamika Proses 1-2’ (Kerja kompresor aktual) W Kompresor=

c pa−T 02−T a Ƞm

Pada kondisi stagnasi P01= pa− p f P01=1,013−0,02 P01=0,933 ¯¿ k a−1 Ta T 01= ¿ Pa ¿ Ƞ p01 ka pk

T 01=

301 ) 0,95 1,013 ( 1,4−1 1,4 0,993

T 01=299,12 k h01=299,12 kj/kg Pada keadaan statis: C a2 T 1 =T 01− 2 c pa T 1 =299,12− T 1 =287,92k

150 2 3 21,005 x 10 h1=287,02 kj/ kg

31

Ka

T p1= p01 x 1 (k −1 ) T 01 a

p1=0,933 x

1,4 287,92 (1,4−1) 299,12

P1=0,86 ¯¿ Kondisi outlet kompresor Stagnasi p02=r p x p01 p02=8 x 0,993 p02=7,994 ¯¿ T 02=T 01 x r p

K a−1 k a Ƞ pk

1,4−1

T 02=299,12 x 8 1,4 0,9 T 02=576,81 k

h02=584,45 kj/kg

Statis T 2 =T 02 x

ca2 2cp

1502 T 2 =576,81− 2 x 1,005 x 10 3 T 2 =565,61k

h2=570,35 kj /kg T 2 K k−1 P2= p02 ( ) T 02 a

a

P2=7,994 (

565,61 ) 576,81

1,4 −1 1,4

32

P2=7,94 ¯¿ Kerja kompresor Wk=

C p (T 02−T a ) Ƞm P02 Pa ¿ ¿

T 02−T a=

Ta ¿ Ƞk

T 02−T a=275,81k Wk=

1,005(275,81) =279,98 kj/kg 0,99

Kondisi actual h'02=h 01+ wk '

h02=299,12+279,98=579,1kj /kg Temperatur aktual = 573,98 kj/kg Perbandingan massa bahan bakar dengan udara 1:57,2 Kondisi 3 inlet turbin: p03= p02−( 1−p tb ) p03=7,994−( 1−0,02 ) =6,996 ¯¿ C2a T 3 =T 03− 2. C pg T 3 =1500−

P3=P03 X

1502 =1490 , 2k 3 2.1,148 x 10

T 3 kgkg−1 T 03 33

P3=6,98 ¯¿ Kondisi 4 (keluar turbin): P04=Pa .1,1 P04=1,1143 ¯¿ Ratio tekanan turbin rt =

P 03 P04

r t =6,27 ¯ ¿ Temperatur outlet turbin

( kg−1 ) . Ƞpt kg ¿ ¿ r t¿ T 03 T 04= ¿ ( kg−1 ) . Ƞpt kg ¿ ¿ r t¿ T 03 T 04= ¿ T 04 =995,53 K h04=1035,4 kj/kg Kondisi statis T 4=T 04 −

C 2a 2.C pg

T 4=985,73 k P4 =P 04 X

T 4 kg−1 kg T 04

P4 =0,11 ¯¿ 34

Temperatur ekivalen dari total kerja turbin: ΔT 034 =Ƞ T . T 03 .(1−

1 P 03 P04

Kg−1 Kg

)

ΔT 034 =530,80 k Kerja total turbin per mass flow: W´ T =C pg . T 034 W´ T =609,35 kj /kg

Kerja system: W net =W T −W K W net =609,35−279,98 W net =329,37 Kj / kg Konsumsi bahan bakar: s fc =

f W T −W K

s fc =

3600 x 0,017 kg =0,185 .h 329,37 kW

Efisiensi termal: Ƞth =

3600 s fc xLHV

Ƞth =

3600 =0,41 0,185 x 47320

Daya putaran poros: N pp =

Ng Ƞg

N pp=

20000 =21052 kW 0,95 35

N pp=N T −N K N T =mg .W t N T =m a (1+f ) .W t N T =619,7 m a N k =ma . W k N k =279,98 m a 21052=619,7 ma−279,98ma ma=61,96 kg /s Laju aliran untuk bahan bakar: mf =ma . f mf =1,056 kg/ s Laju aliran massa udara pendingin Annulus wall 0,016 Nozzle blade 0,025 Rotor blade

0,019

Rotor disc

0,005

Total

0,065

mf =0,065. ma mf =4,027 kg /s Total massa udara yang disuplai kompresor mt=ma + mp mt=65,987 kg/ s Daya yang digunakan untuk menggerakkan kompresor:

36

N K =mt . ( T 02−T 01 ) N K =65,987. ( 576,81−299,12 ) N K =65,987. ( 576,81−299,12 ) N K =65,987. ( 576,81−299,12 ) N K =18323.93 kW =18,323 MW Daya yang harus dibangkitkan turbin: N K =( 1+f ) . mt . (T 03−T 04 ) N K =( 1+0,017 ) .65,987(1500−995,53) N K =33854,36 KW =33,854 MW 4.1.2

Perancangan Kompresor Kompresor dirancang untuk mensupalai udara ke ruang bakar dan menaikkan tekanan udara dari kondisi atmosfer sampai dengan tekanan dengan nominal yang telah ditentukan. i. Pemilihan Jenis Kompresor Perancangan kompresor dibutuhkan untuk menaikan tekanan yang dibutuhkan relatif tinggi. Jenis kompresor yang sesuai untuk menaikkan tekanan tinggi adalah kompresor aksial. Kompresor jenis tersebut dapat menaikkan tekanan yang signifikan di tiap tingkatnya. ii. Penentuan Jumlah Tingkat Kompresor Banyaknya tingkat kompresor dapat ditentukan dari perbandingan kenaikan temperatur pada tiap tingkat. Kenaikkan temperatur diseluruh tingkat adalah selisih temperatur udara keluar dan masuk kompresor. Untuk mengetahui keanaikkan temepratur, harus dikeathui massa jenis udara pada sisi masuk dan jari-jari kompresor. Langkah perhitungannya adalah sebagai berikut: Massa jenis udara pada tingkat keadaan 1 ƥ1=

ƥ1=

p 01 R a .T 01

0,993 x 102 =1,15 kg/ m3 0,287.299,12

Jari-jari puncak kompresor adalah 37

r 2t =

mat 2

r π . ƥ1 .C a [1− r ] rt

()

65,987

r 2t =

π .1,15 .150[ 1−

r 2t =

rr 2 ] rt

()

0,121 r 2 [1− r ] rt

()

Besarnya kecepatan poros adalah: N=

Ut 2 π . rt

N=

350 2 π . rt

Hasil perhitungan rt dan N dari variasi Rr/rt 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

rr rt

Rt 0.379536 0.389518 0.401663 0.416505 0.434813

N 146.8437 143.0807 138.7543 133.8098 128.1757

Yang mendekati 3000 rpm pada rr/rt 0,6. Maka, r m=

rr + rt 2

r m=

0,258+ 0,6 =0,429 m 2

Kecepatan keliling sudu rata-rata ut =2 π . r m . N

38

ut =2 π .0,429 .128 ut =345 m/s Sudut masuk udara kecepatan aksial tingkat 1: tan β 1=

ut ca

tan β 1=

345 =2,3 150

β 1=66.550 Kecepatan relatif udara masuk β 1=

ca cosβ 1

v 1=

150 cos 66,55

v 1=376,93 m/ s Kecepatan keluar uadara ralatif pada tingkat 1 v 2=0,72 x v 1 v 2=0,72 x 376,93=271,38 m/s Sudut keluar udara tingkat 1 cos β 2=

ca v2

cos β 2=

150 271,38

0

β 2=56

Kenaikan temperature tiap tingkat adalah: ΔT os =

γ . u. c a .( tan β 1−tan β2 ) cp

39

0,9 .345 .150 .(tan66,55−tan 56) 3 1,005 x 10

ΔT os =

❑

ΔT os =38,13 k

Jumlah tingkat kompresor yangdibutuhkan adalah: Zk =

T 02−T 1 ΔT os

Zk =

576,81−287,92 38,13

Z k =8 Tingkat Perbedaan tekanan tiap tingkat adalah: 1

∆ p =c r n 1

∆ p =8 8 ∆ p =1,29 ¯¿ Volume spesifik tiap tingkat adalah: v=

1 ƥ1

v=

1 1,15

v =0,86 m3 /kg iii. Pendesainan Blade Blade kompresor di desain untuk putaran 3000 rpm dan menghasilkan daya mekanik sebesar 18 MW. 1.

Pendesainan annlus kompresor Luas annulus pada sisi masuk kompresor adalah: 40

A 1=

m ƥ1 . c a

A 1=

65,987 1,15.150

A 1=0,38 m2 Diambil dari puncak dasar sudu (rt/rr)=0,43 dan rt=0.0.4296, maka: r r =r t .0,43 r r =0.258 m Jari-jari rata-rata annulus r m=

rt + rr 2

r m=0.429 m Tinggi sudu gerak kompresor tingkat 1 h1=

A1 2. π r m

h1=0,14 m Telah didapat sebelumnya 0

β 1=66.55 ¿ ɑ2 β 2=560=ɑ1

β 1−β 2=66,55−56 β 1−β 2=10,55 Dari literatur (2), terdapat grafik hubungan antara

β 2 dan € dan didapatkan:

s =1,10 c

41

h =0,3 c Panjang chord adalah: c 1=

h1 3 Panjang pitch

s 1=1,2. c 1 Tebal sudu t 1 =10 . c 1 Berat sudu W 1=volum sudu x berat jenis sudu (γ ) Volume sudu V s=h . c . t Tingkat 1 2 3 4 5 6 7 8

Jumlah Z 62.74 59.93 59.09 58.32 57.63 57.03 56.51 56.07

Annulus A (m) 0.38 0.26 0.22 0.19 0.16 0.14 0.11 0.09

Tinggi h (m) 0.141 0.096 0.083 0.071 0.060 0.050 0.042 0.035

Chord c (m) 0.047 0.032 0.028 0.024 0.020 0.017 0.014 0.012

Pitch s (m) 0.056 0.039 0.033 0.028 0.024 0.020 0.017 0.014

Tebal t (m) 0.0047 0.0032 0.0028 0.0024 0.0020 0.0017 0.0014 0.0012

Volume V (m2) 3.12E-05 9.94E-06 6.34E-06 3.92E-06 2.37E-06 1.4E-06 8.15E-07 4.67E-07

Berat W (N) 2.370 0.756 0.482 0.298 0.180 0.107 0.062 0.036

4.2 PERANCANGAN RUANG BAKAR Analisis Ruang Bakar Ruang bakar merupakan komponen setelah kompresor, dimana didalam ruang bakar fluida kerja dari kompresor akan dicampur dengan aerosol bahan bakar, untuk kemudian dibakar sehingga diperoleh gas pembakaran bertemperatur tinggi. Ruang bakar yang digunakan adalah tipe tubular, karena distribusi udara-bahan bakar yang merata. Selain itu, tipe ini biasa digunakan di industri pembangkitan listrik sementara tipe annular dan tuboannular biasa digunakan untuk mesin pesawat udara. Ruang bakar tipe tubular terdiri dari suatu silinder linier yang terpasang didalam casing. Ruang bakar ini dilengkapi 8 buah

42

burner (pembakar) yang memiliki lubang injeksi bahan bakar dan diagonal swirler untuk menghasilkan campuran udara dan bahan bakar yang optimal.

Gambar 4.28 Ruang bakar tipe tubular Bahan bakar yang digunakan adalah natural gas atau gas alam (LNG), karena pembakaran menggunakan gas alam tidak menghasilkan abu dan jelaga, sehingga akan memperkecil kerusakan yang dialami sudu-sudu turbin gas. Selain itu, pembakaran dengan gas alam relatif lebih sempurna, sehingga bahan bakar gas alam cenderung mengurangi polusi yang dihasilkan dari gas buang turbin. Berikut merupakan komposisi gas alam : Komposisi gas alam Metana (CH4) Etana (C2H6) Propana (C3H8) Butana (C4H10) Pentana (C5H12) Hexana (C6H14) CO2 (N2 + H2S) Total

% Volume 74.44 5.66 2.42 1.22 0.47 0.52 14.90 0.39 100.00

Sumber : Operation Manual, Volume 12. Fuel Gas System JCC. Corporation. Pertamina Arun LNG

Low Heating Value (LHV) bahan bakar untuk tiap kg bahan bakar adalah : 47320 kJ/kg Proses pembakaran gas-gas dengan 100% udara teoritis adalah sebagai berikut : 

Metana (CH4) CH4 + 2 (3.76N2 + O2)

CO2 + 2H2O + 7.52N2 43

AFR = =



M udara 28.97 kg udara =30.94 x =15.454 M gas alam kg gas alam ( 4 x 12 ) +(10 x 1)

Jadi : 1 kg C4H10 membutuhkan 15.454 kg udara Pentana (C5H12) C5H12 + 8 (3.76N2 + O2) 5CO2 + 6H2O + 30.08N2 8 ( 3.76+1 ) Nudara mol udara =38.08 AFR = N gas alam = 1 mol gas alam =



M udara 28.97 kg udara =23.8 x =15.67 M gas alam kg gas alam ( 3 x 12 ) +( 8 x 1)

Jadi : 1 kg C3H8 membutuhkan 15.67 kg udara Butana (C4H10) C4H10 + 6.5 (3.76N2 + O2) 4CO2 + 5H2O + 24.44N2 6.5 ( 3.76+1 ) Nudara mol udara =30.94 AFR = N gas alam = 1 mol gas alam =



M udara 28.97 kg udara =16.66 x =16.08 M gas alam kg gas alam ( 2 x 12 )+(6 x 1)

Jadi : 1 kg C2H6 membutuhkan 16.08 kg udara Propana (C3H8) C3H8 + 5 (3.76N2 + O2) 3CO2 + 4H2O + 18.8N2 5 ( 3.76+1 ) Nudara mol udara =23.8 AFR = N gas alam = 1 mol gas alam =



M udara 28.97 kg udara =9.52 x =17.23 M gas alam kg gas alam ( 1 x 12 )+( 4 x 1)

Jadi : 1 kg CH4 membutuhkan 17.39 kg udara Etana (C2H6) C2H6 + 3.5 (3.76N2 + O2) 2CO2 + 3H2O + 13.16N2 3.5 ( 3.76+1 ) Nudara mol udara =16.66 AFR = N gas alam = 1 mol gas alam =



2 ( 3.76+1 ) Nudara mol udara = =9.52 N gas alam 1 mol gas alam

M udara 28.97 kg udara =38.08 x =15.32 M gas alam kg gas alam ( 5 x 12 ) +(12 x 1)

Jadi : 1 kg C5H12 membutuhkan 15.32 kg udara Hexana (C6H14) C6H14 + 9.5 (3.76N2 + O2) 6CO2 + 7H2O + 35.72N2

44

AFR = =

9.5 ( 3.76+1 ) Nudara mol udara = =45.22 N gas alam 1 mol gas alam M udara 28.97 kg udara =45.22 x =15.21 M gas alam kg gas alam ( 6 x 12 ) +(14 x 1)

Jadi : 1 kg C6H14 membutuhkan 15.21 kg udara Sehingga : Komposisi gas alam % Volume Kandungan udara Metana (CH4) 74.44 x 17.23 Etana (C2H6) 5.66 x 16.08 Propana (C3H8) 2.42 x 15.67 Butana (C4H10) 1.22 x 15.454 Pentana (C5H12) 0.47 x 15.32 Hexana (C6H14) 0.52 x 15.21 CO2 14.90 (N2 + H2S) 0.39 1 kg (100%) gas alam membutuhkan

Jumlah = 12.83 = 0.91 = 0.38 = 0.18 = 0.07 = 0.08 14.45 kg udara

Dengan demikian perbandingan massa bahan bakar dan udara dengan 100% udara teoritis adalah : mf 1 = =0.0692 ma 14.45 Untuk pembakaran dengan menggunakan 400% udara teoritis : mf 1 = =0.0173=fteoritis ma 4 x 14.45 Sehingga : f teoritis ῃ rb

Faktual = Dimana : ῃ rb

= efisiensi ruang bakar = 0.98

maka : Faktual =

f teoritis =¿ ῃ rb

0.0173 =0.01765 0.98

Perbandingan massa bahan bakar dan udara yang baik adalah dalam range 0.005 sampai dengan 0.02, sehingga Faktual yang dihasilkan cukup baik untuk proses pembakaran. 45

a. Luas dan diameter casing Luas penampang casing ruang bakar dapat ditentukan dengan persamaan berikut :

[(

2

R mat √T 02 ∆ Po Ac= PfL 2 P 02 P 02

)

]

1 2

Dimana : R = Konstanta gas = 0.287 kJ/kg.K mat = Massa udara keluar kompresor = 500.6 kg/s Plf = Pressure loss factor = 37 ∆ Po = 0.02 P 02 Maka :

[ (

2

287 65,987 √ 576,81 ∆ Po Ac= 37 5 2 Po 2 7,994 x 10

)

]

1 2

2

¿ 0,2 m

Besarnya diameter setiap casing ruang bakar adalah : 4 Ac Dc= π

√

¿

√

4 x 0,2 π

¿ 0,5 m b. Tabung api (Linier) ruang bakar Luas tiap linier dapat ditentukan dengan persamaan : ALin = Ac . K Dimana : Ac = Luas penampang casing ruang bakar K = Perbandingan diameter linier dengan diameter casing Maka nilai K dapat dihitung dengan persamaan :

[

(1−msn)2−λ K=1− PfL−λ r 2

]

1 3

Dimana : Msn = Perbandingan saluran udara masuk dengan udara total, nilai optimalnya = 0.12 λ = Koefisien penurunan tekanan udara masuk nilai optimal = 0.5 46

r = Perbandingan luas casing dengan luas penampang masuk ruang bakar, nilai optimal = 0.6 maka :

[

2

(1−0,12) −0,5 k =1− 2 37−0,5(6)

]

1 3

¿ 1−0,24 ¿ 0,76

Sehingga luas penampang setiap linier adalah : ALin= Ac . K ¿ 0,2 .0,76

¿ 0,152 m2 Besarnya diameter linier adalah : 4 xAin DLin= π

√

¿

√

4 x 0,152 π

¿ 0,44 m

Luas annulus ruang bakar (ruang diantara casing dan linier) adalah : π Aan= ( Dc2−DLin2 ) 4 π 2 2 ¿ ( 0,5 −0,44 ) 4 ¿ 0,0443 m2 Panjang linier dapat ditentukan dengan persamaan :

[

∆ PL 1 Pin=DLin A ln qref 1−Pf Dimana : A

∆ PL qref

Pf

(

−1

)]

= Konstanta = 0.07 untuk ruang bakar tubular = Plf = 37rn faktor, dapat dihitung dengan = pattern faktor, dapat dihitung dengan : 47

Pf = ¿

Tmax−¿ 3 ¿ 3−¿ 2

[ ( 1,07 x 1500 )−1500 ] 1500−576,81

¿ 0,1137 Maka :

[

∆ PL 1 Pin=DLin A ln qref 1−Pf

[

(

1 ¿ 0,44 0,07 37 ln 1−0,1137

(

−1

)]

−1

)]

¿ 1,4 m

4.3

   

PERANCANGAN TURBIN GAS

Untuk perancangan turbin jenis aksial reaksi, ada beberapa hal yang harus ditentukan dan ditetapkan. Diantaranya adalah sebagai berikut :  Koefisen aliran sudu ( ) =3 Kecepatan tangensial rata-rata (Um) = 350 m/s Kecepatan aliran gas (Ca) = 150 m/s Derajar reaksi (Rr) = 0,5 4.3.1

Perhitungan Jumlah Tingkat Turbin Penurunan temperatur tiap tingkat turbin 

3

2C pg    To .s 

U m  2

2 x1,148 x10 3    To .s 

 350 2

To.s

Total penurunan temperatur gas (



To

= 160,06 K

)

Total penurunan temperatur gas disini merupakan selisih antara temperature masuk dan keluar turbin.



To

 T3  T4

= 1500 – 995 = 550 K 48

Jumlah tingkat turbin yang dibutuhkan (n)

n

n=

 To

To

s

550 160 n=¿ 3,43 ≈ 4 tingkat

4.3.2

Kondisi Gas dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat Untuk merancang sudu turbin dibutuhkan data kondisi gas baik dalam keadaan statis maupun stagnasi pada setiap tingkat. Keadaan stagnasi maksudnya adalah kondisi gas yang dianalisa dalam keadaan diam tanpa memperhitungkan kecepatannya. Sedangkan kondisi statis adalah kondisi gas yang dianalisa dalam keadaan diam dengan memperhitungkan kecepatannya. Baik pada setiap gas masuk sudu diam, keluar sudu diam, masuk sudu gerak dan keluar sudu gerak dan masuk sudu diam lagi.

Gambar 4.29 Penampang annulus turbin aksial (Sumber: Gas Turbine Engineering Handbook, 4th ed., 2012)

Dalam rancangan ini akan dibahas analisis data kondisi gas meliputi perhitungan temperatur dan tekanan juga massa jenis aliran untuk setiap tingkat turbin. TINGKAT 1 1. Gas masuk sudu diam Dari gambar 1 diatas yaitu pada titik 1.  Kondisi pada keadaan stagnasi T01= 1500 K P01=6,99 bar 49



Kondisi pada keadaan statik ¿ T 01−

T1

¿ 1500−

C2 2 Cp g

1502 2 x 1,148 x 103

¿ 1490 ,2 K

P1

r T 1 r −1 ¿ P01( ) T 01

1,33

1490 1,33−1 ¿ 6,99( ) 1500 ¿ 6,978

ρ1

¿

¿

bar

100. P1 Rg T 1

100 x 6,978 0,278 x 1490,2

¿ 1,63

Kg m3

2. Gas keluar sudu diam dan masuk sudu gerak Pada gambar 1 yaitu pada titik 2. 

Kondisi pada keadaan stagnasi ɳn x ∆ Tos x R R 1 ¿ γ−1 Po2 ( ) ¿ [1− ¿ ] γ Po1 1,3−1 Po 2 160 x 0,5 ¿[1− ] 1,3 6,99 0,95 x 1500

(

)

Po2=6,89 ¯¿

50

Dimana: ɳn = efisiensi statik (asumsi 0,95) RR = derajat reaksi (0,5)

TO2 = TO1- ( ∆ Tos . R R ¿ = 1500 – (160x0,5) = 1420 K 

Kondisi keadaan statik ¿ T 02−

T2

C2 2 Cp g

1502 1420− 3 = 2 x 1,148 x 10 = 1410,2 K P2

¿ P02(

r T 2 r −1 ) T 02

1,33 1410,2 1,33−1 6,89( ) = 1420

= 6,878 bar ρ2

=

¿

100. P2 Rg T 2

100 x 6,878 0,278 x 1410,2

= 1,699

Kg m3

3. Gas keluar sudu gerak dan masuk sudu diam Pada gambar 1 yaitu pada titik 3.  Kondisi pada keadaan stagnasi Po3 ∆Tos . R R γ −1 ¿[1− ] γ Po2 ɳst .¿ 2

(

)

51

1,3−1 Po3 160 x 0,5 ¿[1− ] 1,3 6,89 0,95 x 11420,2

(

)

Po3=6,786 ¯¿ TO3 = TO2- ∆ Tos . R R = 1420 – (160x0,5) = 1340 K 

Kondisi pada keadaan statik 2

C ¿ T 03− 2 Cpg

T3

=

1340−

1502 2 x 1,148 x 103

= 1330,2 K P3

r T 3 r−1 ¿ P03 ( ) T 03

1,33 1330,2 1,33−1 6,78( ) = 1340

= 6,77 bar

ρ3

=

¿

100. P3 Rg T 3

100 x 6,77 0,278 x 1330,2

= 1,77

Kg m3

Untuk perhitungan di tingkat selanjutnya dilakukan dengan cara yang sama seperti perhitungan diatas. Penentuan T01 ditentukan dari penurunan temperatur ditiap tingkat turbin dari temperatur masuk dan keluar turbin dengan menggunakan tabel ideal gas. Hasil perhitungan ditampilkan dalam table berikut. 52

Tabel 1 kondisi gas pada tiap tingkat turbin tingkat T01 P01 T1 P1 p1 T02 P02 T2 P2 P2 T03 P03 T3

1 1500 6.99 1490.2 6.97864 1 1.63171 5

2 1373.8 4.7406 1364 4.73218 7 1.20883 1

3 1247.5 3.2354 1237.7 3.22907 5 0.90903 5

4 1121.3 2.0892 1111.5 2.08465 5 0.65349 6

1420 6.89050 7

1293.8 4.66677 6

1167.5 3.17977 8

1041.3

1410.2 6.87867 8 1.69958 3 1340 6.78677 6

1284

1157.7 3.17313 5 0.95501 6 1087.5 3.12125 9

P3

1330.2 6.77442 7

P3

1.77449

4.65798 1.26401 1213.8 4.58949 2 1204 4.58027 1.32550 9

1077.7 3.11425 7 1.00687 3

2.04912 1031.5 2.04431 8 0.69055 3 961.3 2.00669 951.500 3 2.00159 5 0.73296 9

Ukuran jari-jari sudu dapat dihitung untuk setiap jumlah massa gas masing-masing baris. Pendinginan sudu menggunakan 1,5% - 2% udara kompresi pada tiap tingkat sudu, sehingga 4 tingkat turbin didinginkan dengan (4,5-6)% udara kompresi. Maka laju aliran massa pendingin(mρ) adalah mp = (4.5-6)% x Ma = 5% x 61,96 = 3,098 kg /s ≈ 4 kg /s Untuk setiap baris sudu didinginkan oleh: 4 mn ¿ 8 = 0,5 kg/s udara Dimana udara pendingin ini ikut berekspansi pada tingkat berikutnya.

53

Keliling rata rata sudu (Um) adalah: Um = 2 rm π n Dimana:

Um = Kecepatan keliling rata-rata sudu (m/s) rm = Jari-jari rata-rata sudu (m) n = Putaran poros turbin (rpm)

maka : 60 U

m rm ¿ 2 π . n

¿

60 x 350 2 πx 3000

¿ 1,11465 m Kondisi masuk pada sudu diam (kondisi-1) Kondisi masuk pada sudu diam adalah laju aliran massa gas masuk sudu diam tingkat 1 serta perhitungan dimensi sudu pada tingkat tersebut. ¿

A1

mg 1 ρ1Ca

dimana mg 1=¿ laju aliran massa gas masukk sudu diam m a +m f m g 1 =¿ ) 61,96+¿ 1,056) ¿¿ ¿

63 kg/s

Maka luas annulus (A1) adalah A1

¿

¿

mg 1 ρ1Ca

63 1,632 x 150

¿

0,257 m2

Sehingga tinggi blade (h1) adalah 54

¿

h1

¿

A1 . n U m 60

0,257 x .3000 150 x 60 ¿ 0,086 m

h1 rr1 ¿ r m− 2 −0,086 2

= 1,11465

= 1,072 m h1 rt1 ¿ r m + 2 +0,086 2

= 1,11465

= 1,157 m

Kondisi keluar sudu diam, masuk sudu gerak (kondisi-2) Kondisi masuk pada sudu diam adalah laju aliran massa gas masuk sudu diam tingkat 2 serta perhitungan dimensi sudu pada tingkat tersebut. A2 mg 2=¿

¿

mg 2 ρ1Ca

laju aliran massa gas masukk sudu gerak = mg 1 +¿

mn 2

= 63 + 0,5 = 63,5 kg/s Maka: mg 2 A2 ¿ ρ 2 C a

55

¿

64 1,632 x 150

¿

0,257 m2

A2 . n h2 ¿ U m 60

¿

0,249 x .3000 150 x 60

¿ 0,083 m

h2 rr2 ¿ r m− 2 = 1,11465

−0,083 2

= 1,073 m rt2

¿ rm+

=1,11465

h2 2

+0,083 2

= 1,156 m

Kondisi keluar sudu gerak, masuk sudu dim (kondisi-3) Kondisi masuk pada sudu diam adalah laju aliran massa gas masuk sudu diam tingkat 3 serta perhitungan dimensi sudu pada tingkat tersebut. mg 3 A3 ¿ ρ 3 C a mg 3=mg 2+mn 3 = 64 + 0,5 = 64,5 kg/s Maka: mg 3 A3 ¿ ρ 3 C a 56

¿

64,5 1,774 x 150

¿

h3

¿

0,242 m2

A3 . n U m 60

¿

0,242 x .3000 150 x 60

¿ 0,0807 m

rr3

¿ r m−

= 1,11465

h3 2

−0,0807 2

= 1,074 m

h3 rt3 ¿ r m + 2 = 1,11465

+0,087 2

= 1,155 m Tinggi rata-rata sudu diam ( h N ¿ Tinggi rata-rata sudu diam adalah nilai rata-rata dari tinggi sudu pada kondisi 1 dan 2 h N =1 /2( h1+ h2) ¿ 1/2(0,0858+0,083) = 0,0844 m Tinggi rata-rata sudu gerak ( h R ¿ Tinggi rata-rata sudu gerak adalah nilai rata-rata dari tinggi sudu pada kondisi 2 dan 3 h R=1/ 2(h 3+ h2)

57

¿ 1/2(0,0807+0,083) = 0,0819 m Tebal (lebar) sudu gerak (w) Tebal sudu gerak pada tingkat 1 adalah Wr =

=

hR 3

0,0819 3

= 0,0273 m Lebar celah aksial (c) Lebar celah aksial merupakan celah yang dirancang antara sudu gerak dengan penutup agar sudu dapat berputar bebas. C = 0,25 . WR = 0,25 . 0,0273 = 0,0068 m Untuk perhitungan ditingkat selanjutnya dilakukan dengan cara yang sama seperti perhitungan diatas. Hasil perhitungan ditampilkan dalam bentuk tabel dibawah ini. Tabel 2 dimensi sudu turbin tingkat m.g1 r.m A1 h1 r.r1

1 63 1.11465 0.257463 0.085821 1.071739

2 59.8652 1.11465 0.330155 0.110052 1.059624

3 56.87194 1.11465 0.417086 0.139029 1.045135

4 54.02834 1.11465 0.551173 0.183724 1.022788

1.15756

1.169675

1.184164

1.206512

64

60.3402

57.32319

54.45703

A2

0.249144

0.318247

0.400155

0.525733

h2

0.083048

0.106082

0.133385

0.175244

r.r2

1.073126

1.061608

1.047957

1.027027

r.t2 m.g3

1.156174 64.5

1.167691 61.275

1.181342 58.21125

1.202272 55.30069

A3

0.242323

0.308184

0.385426

0.502984

h3

0.080774

0.102728

0.128475

0.167661

r.r3

1.074262

1.063286

1.050412

1.030819

r.t1 m.g2

58

r.t3

1.155037

1.166014

1.178887

1.19848

hN hR Wr C

0.084434 0.081911 0.027304 0.006826

0.108067 0.104405 0.034802 0.0087

0.136207 0.13093 0.043643 0.010911

0.179484 0.171453 0.057151 0.014288

4.3.3

Diagram kecepatan dan sudu gas tiap tingkat turbin Gambar diagram segitiga kecepatan gas didapatkan dari perhitungan sudut-sudut saat gas melalui sudu-sudu turbin.

Gambar 4.30 Diagram kecepatan pada sudu turbin (Sumber: Gas Turbine Engineering Handbook, 4th ed., 2012)

TINGKAT SATU 1. Sudut gas pada tengah sudu Sudut-sudut gas yang terjadi pada tengah sudu diantaranya :  Sudut masuk relatif gas (β2m) Ψ = 4. Φtg . β2m + 2 dimana: φ=

=

Ca Um 150 350

= 0,428 Maka: 59

Ψ = 4. Φtg . β2m + 2 3 = 4. 0,428 tg . β2m + 2 tg β2m = 0,584 β2m 

= 30,11o

Sudut keluar relatif gas (β3m) Ψ = 4. Φtg . β3m – 2 3 = 4. 0,428 tg . β3m - 2 tg β3m = 2,920561 β3m

= 56,96o

Sudut masuk absolut gas pada sudu diam dan sudut keluar gas pada sudu gerak adalah sama dengan sudut relative gas. α 1m =β 2 m=α 3 m=¿ 30,11o Sudut keluar relative gas pada sudu diam sama dengan sudut keluar relative gas pada sudu gerak. α 2m =β 3 m=¿ 56,96o 

Kecepatan absolut gas masuk sudu gerak Ca C2m ¿ cos α 2 m

¿

150 cos 56,96o

= 163,92 m/s 

Kecepatan absolut gas masuk sudu diam Ca ¿ C1m cosɑ3 m =



150 cos 30,11o

= 557,802 m/s Kecepatan relatif masuk gas sudu gerak (V2m) Ca V2m ¿ cos β2 m 60

150 o cos 30,11

=

= 557,802 m/s Kecepatan absolut gas keluar sudu gerak (C3m ) sama dengan kecepatan relatif gas masuk sudu gerak maka C3m = C1m = 557,802 m/s 

Kecepatan absolut gas masuk sudu diam Ca V3m ¿ cos β3 m

¿

150 o cos 56,96

= 163,92 m/s 2. Sudut gas pada dasar sudu Sudut-sudut gas yang terjadi pada tengah sudu diantaranya :  Sudut keluar absolut gas dari sudu diam (ɑ2r) rm ¿( ) Tg ɑ2 m Tgɑ2r rr 2 1,11465 o = ( 1,073 )tan 56,96 = 0,457 ɑ2r = 24,5386 o 

Sudut keluar absolut gas dari sudu gerak rm ¿( ) Tg ɑ3 m Tgɑ3r rr 3 1,11465 o = ( 1,0743 ) tan 30,11 ɑ3r



= 28,48 o

Kecepatan rotasi sudu rm ¿2 Ur r r ¿Um¿

1,11465 = 350( 1,0731 ) = 363,54 m/s 

Sudut keluar relatif gas pada sudu diam β2r = ɑ2r = 24,5386 o 61



Sudut keluar relatif gas pada sudu gerak β3r = ɑ3r = 28,48 o



Kecepatan absolut gas masuk sudu gerak (C2r) Ca C2 ¿ cosɑ2 r r 150 cos 24,539

=

= 181,02 m/s 

Kecepatan absolut gas keluar sudu gerak Ca C3r ¿ cosɑ3 r =

150 cos 28,48

= 170,65 m/s 

Kecepatan whirl gas masuk sudu gerak Cw2r = Ca . tg . ɑ2r = 150 . 0,4578 = 68,668 m/s



Kecepatan relatif gas masuk sudu gerak Ca ¿ V2r cos β2 r =

150 cos 28,48

= 170,65 m/s 

Kecepatan whirl gas keluar sudu gerak Cw3r = Ca . tg . ɑ3r = 150 . 0,5454 = 81,81 m/s

4.3.4

Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin Untuk menentukan jumlah sudu gerak dan jumlah sudu diam tiap tingkat turbin, maka dilakukan perhitungan pada tengah-tengah sudu dengan menggunkan tinggi ratarata sudu. Perbandingan tinggi sudu dengan chord sudu (aspek ratio h/c) dapat diasumsikan antara 3 dan 4 (lit.2 hal 271). Harga perbandingan pitch dengan chord sudu (s/c) dapat diperoleh dari gambar berikut dengan bantuan sudu-sudu gas.

62

Gambar 4.31 Grafik (s/c) vs Sudu-Sudu Gas (Sumber: Turbine theory, Cohen. H)

Pada sudu gerak dapat ditentukan sebagi berikut : 

Panjang chord sudu (c) hr 3

C= =

0.0137 3

= 0,0273 m 

Panjang pitch sudu s S = C( c ¿ = 0,0273 x (3) = 0.0819 m



Jumlah sudu rm 2 π Z= s 1,1146 = 2 x 3,14 0,0819 = 85,458 ≈ 86 sudu

Untuk tingkat selanjutnya sudu gerak dapat dihitung dengan cara yang sama dan hasilnya dapat dilihat pada berikut. Tabel 3 spesifikasi sudu gerak ditiap tingkat turbin tingkat

1

2

3

4

63

C S Z Z' hR

0.027304 0.081911 85.4585 86 0.013652

0.034802 0.104405 67.04649 68 0.017401

0.043643 0.13093 53.46358 54 0.021822

0.057151 0.171453 40.82755 41 0.028575

h/c

3

3

3

3

Pada sudu diam dapat ditentukan sebagi berikut : 

Panjang chord sudu (c) hn 3

C= =

0.5068 3

= 0,0281 m 

Panjang pitch sudu s S = C( c ¿ = 0,0281 x (3) = 0.0844 m



Jumlah sudu rm 2 π Z= s 1,1146 = 2 x 3,14 0,0844 = 79,816 ≈ 80 sudu

Untuk tingkat selanjutnya pada sudu diam dapat dihitung dengan cara yang sama dan hasilnya dapat dilihat pada tabel berikut : Tabel 4 spesifikasi sudu diam ditiap tingkat turbin Tingkat C S Z Z'

1 0.02814 5 0.08443 4

hN

79.8161 80 0.50682 6

h/c

3

2 0.03602 2 0.10806 7 61.6922 7 62 1.0087

3 0.04540 2 0.13620 7 48.3174 4 49 1.51091 1

4 0.05982 8 0.17948 4 35.9347 9 36 2.01428 8

3

3

3

64

65

5

BAB V SPESIFIKASI KOMPONEN PENDUKUNG

5.1

GENERATOR Generator berfungsi untuk mengubah energi mekanik hasil pembakaran bahan bakar dan udara menjadi energi listrik. Generator dalam rancangan PLTG ini berfungsi ganda, saat proses start-up, generator dioperasikan sebagai motor sinkron yang digerakkan oleh starter statik hingga mencapai self-excited speed (kecepatan eksitasi). Sistem eksitasi generator yang digunakan yaitu sistem eksitasi statik dimana eksitasi disuplai dari sistem penyearah yang sumbernya disuplai oleh transformator. Eksitasi (penguatan medan) bertujuan untuk membuat kutub magnet pada generator dengan jalan memberi arus listrik. Berikut adalah spesifikasi generator yang digunakan dalam sistem PLTG ini: Tipe Daya Output Tegangan Output Cos ɸ Frekuensi Sambungan Jumlah Fasa RPM

Siemens 20 MW 10,5 kV 0,8 50 Hz Y 3 3000

5.2

AIR INTAKE SYSTEM Air intake system ini berfungsi untuk menyediakan udara bersih yang akan masuk ke kompresor sebelum masuk ruang bakar. Seperti yang telah disebutkan oleh penjelasan sebelumnya, ada beberapa macam pertimbangan dalam menentukan filter udara sebelum masuk kompresor. Pemilihan filter terutama dipengaruhi oleh partikel kontaminan yang ada di lingkungan sekitar pembangkit. Ada beberapa macam kondisi lingkungan yang harus diperhatikan agar pemilihan filter efektif dan sesuai porsi. Contoh lingkungan tersebut misalnya, pada off-shore, gurun, kutub, tropis, laut, perkotaan, daerah padat penduduk, dan daerah industri yang kesemuanya memiliki spesifikasi filter yang berbeda.

66

Gambar 5.32 Macam-macam filter (Sumber: Guideline for Gas Turbine Inlet Air Filtration System, Gas Machinery Research Council Southwest Research Institute®, 2010, Texas)

Karena instalasi PLTG ini ada di lingkungan tropis, dan dekat daerah laut, maka kontaminan yang ada di lingkungan tersebut seperti: air hujan, serangga, partikel-partikel kecil (pollen), dan partikel garam.

Gambar 5.33 Filter untuk daerah tropis (Sumber: Guideline for Gas Turbine Inlet Air Filtration System, Gas Machinery Research Council Southwest Research Institute®, 2010, Texas)

Filter pada daerah tropis antara lain (dari kiri ke kanan): weather hood, insect screen, vane axial separator, coalescer, rectangular pre-filter, dan vane axial separator. Sedangkan kombinasi kedua (gambar sebelah kanan) tanpa menggunakan coalescer, dan filter akhir menggunakan rectangular high efficiency filter. Berikut adalah spesifikasi dari setiap filter: 67

1. Weather Hood Spesifikasi weather hood: Spesifikasi Material Kecepatan maksimal inlet

Keterangan Sheet metal (stainless-steel) 650 ft/s

Gambar 5.34 Louver https://www.munters.com/globalassets/inriver/resources/inriverassociations/me_cs_gas-turbine_2.jpg

2. Insect Sreen Insect screen berfungsi untuk menyaring serangga-serangga atau hewan kecil yang dapat masuk ke dalam sistem intake udara dan mempengaruhi kualitas udara pembakaran. Insect screen berbentuk jaring-jaring kecil dengan material aluminium. Insect screen yang digunakan dilapisi dengan lapisan anti-karat agar tahan lama dan menghindari dampak korosi dari masuknya air ke dalam sistem intake udara.

Gambar 5.35 Insect Screen Sumber: BUNNINGS warehouse 3. Vane Axial Separator Separator ini berfungsi untuk memisahkan partikel-partikel air dari udara intake.

68

Gambar 5.36 Vane Axial Separator (Sumber: Camfil Farr)

Spesifikasi Tipe Material Lebar x tinggi x kedalaman Koneksi drain

Keterangan Double-pocket vane Stainless steel 59,2 x 59,2 x 14,1 (cm) Ø 30 mm

4. Coalescer Coalescer digunakan untuk menghilangkan bintik-bintik air yang dapat masuk ke dalam sistem intake udara.

Gambar 5.37 Coalescer Sumber: CLARCOR 5. Rectangular Pre-Filter Pre-filter yang digunakan berguna untuk melindungi high efficiency filter yaitu dengan menyaring partikel-partikel yang lebih besar sehingga high efficiency filter hanya bekerja dengan menyaring partikel-partikel yang lebih kecil. Pre-filter yang digunakan pada air intake system ini menggunakan bag filter dengan spesifikasi sebagai berikut: Spesifikasi Material frame Media Gasket EN779:2012 efficiency

Keterangan Galvanized Steel (HC-66) Sintesis Neoprene G4 69

ASHRAE 52.2.2007 filter class Temperatur operasi maksimal Lebar x tinggi x kedalaman Laju alir udara maksimal Jumlah kantung filter Berat Kemampuan filter

MERV 7 70o C 59,2 x 59,2 x 36 (cm) 3400 m3/h (0,94 m3/s) 6 1,7 kg Partikel diatas 10 mikron

Gambar 5.38 Pre-Filter: Bag Filter (Sumber: Camfil Farr)

6. Rectangular High Efficiency Filter High efficiency filter berfungsi untuk menyaring partikel-partikel yang lebih kecil yang dapat menyebabkan korosi, fouling, dan plugging. Spesifikasi dari high efficiency filter yang digunakan sebagai berikut: Spesifikasi Tipe Material frame Media EN779:2012 efficiency ASHRAE 52.2.2007 filter class Temperatur operasi maksimal Lebar x tinggi x kedalaman Filter class Media area Volume Berat

Keterangan Compact pleated filter (filter berlapis) Galvanized steel Water repellent glass fiber M6 MERV 12 70o C 59,2 x 59,2 x 29,2 (cm) M6 10,5 m2 0,1 m3 8,2 kg

70

Gambar 5.39 High Efficiency Filter Sumber: Camfil Farr

5.3

EXHAUST SYSTEM Temperatur outlet dari turbin gas mencapai 900 C, maka untuk untuk meningkatkan efisiensi pembangkit seharusnya gas buang tersebut dimanfaatkan lagi pada sistem PLTGU. Akan tetapi, pembahasan perancangan ini hanya sebatas pada sistem PLTG. Filter yang digunakan pada PLTG ini memiliki material yang cukup kuat untuk menahan gas bertemperatur tinggi. 1. Diffuser dan Ducting 2. Silencer 3. Stack 5.4

STARTING SYSTEM Proses start-up pada rancangan PLTG ini menggunakan ac drive yang disebut loadcommutated inverter (LCI) atau static-frequency converter. Starter statik ini lebih ekonomis dibandingkan dengan penggunaan motor, mesin diesel, atau konverter torsi (torque converter) sebagai starter. Prinsip kerjanya yaitu dengan mengontrol generator sebagai motor sinkron sebagai penggerak awal tanpa adanya komponen tambahan. Penggunaan sistem start-up ini dapat menghemat ruang sekitar turbine base. 5.4.1

Static Start Operation Static start menggunakan Load Commutated Inverter (LCI). LCI menggerakkan generator, kemudian generator dioperasikan sebagai motor sinkron untuk start up turbin. Generator berputar sekitar 6 rpm dengan penggerak low speed turning gear. Dengan sinyal dari sistem control turbin, LCI akan meng-akselerasi atau mereduksi kecepatan putar generator hingga mencapai kecepatan ratingnya. Setelah generator (yang beroperasi sebagai motor) mencapai self-excited speed, yaitu sekitar 67% rated speed atau 2010 rpm, maka static starter akan ter-disconnect dari generator.

71

Gambar 5.40 Diagram Starter Statik (Sumber: General Electric)

Sistem ini dapat mengakselerasi generator tanpa adanya arus listrik tambahan. 12-pulse bridge circuit digunakan sebagai rectifier dan inverter yang dikoneksikan ke dc link inductor. Transformer digunakan sebagai pembangkit daya tiga fasa, impedansi untuk proteksi, dan isolasi elektrik terhadap disturbansi ke ground. Eksitasi awal dijalankan oleh sistem eksitasi generator.

Gambar 5.41 Static Frequency Converter 5.4.2

Sistem Proteksi Sistem proteksi berfungsi untuk melindungi komponen utama dari kerusakan yang disebabkan karena kesalahan pengoperasian. Komponen pada sistem proteksi ini adalah relay protektif, seperti phase overcurrent ground fault, dan proteksi motor. Pada rectifier dan inverter terdapat proteksi dari lonjakan tegangan dan tegangan transien yang dapat timbul 72

karena kesalahan internal atau kerusakan komponen. Sistem penggerak motor dan indikator kesalahan secara terus-menerus memonitor kondisi pengoperasian dari LCI. 5.4.3 Komponen Static Start Operation a. Low Speed Turning Gear Sebuah turning gear dipasang pada kolektor di bagian akhir generator dan digunakan pada kecepatan operasi rendah (kira-kira 6 rpm), pendinginan dan standby turning, dan pemisahan rotor saat proses start up. b. LCI Power Conversion Equipment  12-pulse converter dengan redundant thyristor untuk merektifikasi tegangan AC  Sistem pendingin menggunakan liquid coolant untuk mentransfer panas dari komponen seperti SCR dan resistor. Sistem pendingin berupa sistem yang tertutup dilengkapi dengan reservoir sebagai tempat cadangan coolant. Coolant akan mengalir dari pompa menuju heat exchanger kemudian ke power conversion bridge dan kembali lagi ke pompa.  Control panel dilengkapi dengan sistem mikroprosesor. c. DC Link Reactor DC link reactor akan menghaluskan arus dc. Tipe dc link reactor adalah dry-type air, dengan pendinginan secara konveksi. d. Fused Contactor Fused contactor berfungsi sebagai pengaman terhadap terhadap rangkaian utama. e. Isolation Transformer Isolation transformer akan menyediakan proteksi elektrik dan sistem proteksi impedansi terhadap notching dan distorsi harmonic. Transformer dirancang untuk tegangan tiga fasa, 6-pulse power converter yang terhubung pada lilitan sekunder. f. Motorized Disconnect Switch Berfungsi untuk memutus sistem static starter saat generator beroperasi secara normal. Switch pemutus terkoneksi antara LCI dan stator generator. 5.5

FUEL SYSTEM Bahan bakar yang digunakan pada PLTG ini adalah liquid natural gas (LNG) dengan fasa cair. Spesifikasi Bahan Bakar yang Digunakan: Bahan Bakar: Gas Alam (LNG) Spesifikasi Heating value Solid Contaminants Flammability limits Composition (Sulfur+sodium+potassium+lithium ) % Berat H2O

Nilai 1000 Btu/ft3 25ppm 2,2:1 3ppm 20%

Skema Aliran Bahan Bakar: 73

(Sumber: Gas Turbine Engineering Handbook, 4th ed., 2012)

Gambar 5.42 Skema Sistem Bahan Bakar (Sumber: Brenan, J. R., Imo Industries Inc., USA)

Awalnya bahan bakar tersimpan pada sebuah tanki penyimpanan (fuel storage) dengan kondisi masih memiliki kandungan kontaminan/partikel-partikel pengotor. Kemudian bahan bakar tersebut akan melalui treatment system untuk memastikan bahan bakar bebas dari partikel pengotor yang dapat menyebabkan korosi dan fouling. Partikel-partikel pengotor yang sering terdapat dalam bahan bakar cair antara lain sodium, potasium, dan kalsium. 74

Partikel-partikel tersebut dihasilkan dari sumur yang mengandung garam atau bisa timbul karena proses transportasi yang melewati air laut. Bahan bakar yang bebas dari partikel pengotor kemudian disimpan dalam tangki penyimpanan bahan bakar bersih (clean fuel). Bahan bakar bersih selanjutnya akan dipompa menuju bagian flow division sebelum akhirnya diinjeksikan ke dalam ruang bakar oleh fuel injector. 5.6

Coupling and Accessory Gear Dalam turbin gas, kopling digunakan untuk menghubungkan: a b c

Turbin ke generator Turbin ke kompresor Turbin dan accessory gear

Kopling yang digunakan untuk pada ketiga kondisi di atas adalah kopling jenis diafragma. Kopling diafragma dipilih karena gaya dan momen yang timbul pada kopling diafragma relatif lebih kecil dan dapat diprediksi. Selain itu, pada kopling diafragma juga tidak membutuhkan pelumasan. Material kopling yang digunakan adalah AISI 4100 steel yang dilapisi dengan pelindung korosi, PH stainless steels atau nickel alloy. 5.7

Lubrication Oil System Sistem lubrikasi turbin gas meliputi pompa, cooler (pendingin), filter, peralatan instrumentasi dan control, mist eleminiation, dan reservoir minyak. Minyak pelumas berasal dari sebuah reservoir yang kemudian dipompa menuju ke dalam sistem filter minyak untuk dibersihkan dari partikel-partikel pengotor, setelah itu minyak akan dialirkan ke dalam turbin, kompresor, dan komponen lain. Pada reservoir terdapat sebuah heater elektrik yang berfungsi untuk memanaskan minyak pelumas agar saat digunakan pada komponen tidak terjadi thermal stress/shock yang dapat merusak komponen turbin gas. Pelumas yang digunakan adalah Mobil DTE 732, yaitu pelumas sintesis yang cocok digunakan pada temperatur yang tinggi. Spesifikasi ISO VG Viscosity, ASTM D 445 cSt @ 40o C cSt @ 100o C Viscosity Index, ASTM D 2270 Pour Point, oC ASTM D 97 Flash Point, oC ASTM D 92

Keterangan 32 30 5,5 117 -30 228

(Sumber: Mobil Industrial Lubricants Inc.)

1. Pompa a Lubrication oil pump - Main lubrication oil pumps: Dual redundant ac motor-driven pump - Back up pump: Dc motor-driven centrifugal pump b Hydraulic pumps 75

c d

Dual redundant ac motor-driven, variable displacement hydraulic oil pump Seal oil pumps - Piggyback AC/DC motor pump Oil pump untuk bearing - Hydraulic oil pump

2. Cooler - Dual plate and frame heat exchanger dengan material stainless steel 3. Filter - Filter yang digunakan adalah dual filter. Setiap filter dilengkapi dengan differential pressure transmitter untuk mengindikasikan alarm melalui sistem control turbin gas saat cleaning diperlukan. Sebuah replaceable cartridge juga dipasang untuk memudahkan pemeliharaan. 4. Mist Eliimination - Mist elimination digunakan untuk menghilangkan partikel kabut hasil dari sirkulasi pelumas turbin gas. Untuk menhilangkan partikel tersebut, sebuah demister (semacam separator) digunakan untuk memisahkan partikel kabut, membuangnya ke atmosfer sekaligus menahan pelumas dan mengembalikannya ke reservoir. - Demister terdiri dari holding tank dengan elemen filter, motor-driven blower, dan relief valve. 5. Oil Reservoir - Kapasitas reservoir pelumas yaitu 6200 gallon (23.470 liter) - Reservoir dilengkapi dengan level switch untuk mengindikasikan kondisi penuh, kosong, high level alarm, low level alarm, dan low level trip. - Instrumen yang terpasang di reservoir seperti thermocouple, filling filter, dan drain. - Terdapat heater sebagai pemanas pelumas.

76

6

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

6.1

KESIMPULAN Dasar perancangan PLTG yang telah dilakukan, didapatkan kesimpulan dengan spesifikasi komponen sebagai berikut: 1. Kompresor Tipe Jumlah Tingkat Perbandingan Kompresi Temperatur Udara Masuk Temperatur Udara Keluar Tekanan Udara Masuk Tekanan Udara Keluar

Aksial 8 8 28o C 292,51o C 1,013 bar 7,54 bar

2. Ruang Bakar Tipe Jumlah Ruang Bakar Temperatur Udara Masuk Temperatur Udara Keluar Tekanan Udara Masuk Tekanan Udara Keluar

Tubular 2 292,51o C 1227o C 7,54 bar 6,96 bar

3. Turbin Tipe Jumlah Tingkat Temperatur Udara Masuk Temperatur Udara Keluar Tekanan Udara Masuk Tekanan Udara Keluar

Aksial-Reaksi 4 1227o C 985,73o C 6,96 bar 1,143 bar

Dari perhitungan analisis termodinamika yang tertera di atas didapatkan nilai efisiensi termalnya yaitu 41%. 6.2

SARAN Siklus turbin gas akan lebih optimal jika diaplikasikan pada siklus gabungan (PLTGPLTGU) karena efisiensi siklus PLTG relative rendah.

77

7

DAFTAR PUSTAKA

[1] Moran, M.J., 2011. Fundamentals of Engineering Thermodinamics, Edisi ke-7. USA: Wiley. [2] Boyce, M. P., 2012. Gas Turbine Engineering Handbook, Edisi ke-4. UK: Elsevier. [3] Wilcox, Melissan dkk. 2010. Guideline for Gas Turbine Inlet Air Filtration Systems. Texas: Gas Machinery Research Council Southwest Research Institute®

78