Steam Turbin

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Steam

Turbin

adalah

mesin

mekanik

yang

menjalankan

atau

mengoperasikan turbin uap (Steam ( Steam Turbine) Turbine ) harus digunakan uap, selain itu uap yang digunakan harus berupa Superheated Steam. Steam. Karena uap yang dihasilkan dari  Boiler   hanya berupa Saturated Steam  Steam  maka sebelum uap tersebut digunakan untuk mengoperasikan turbin uap, uap tersebut harus dipanaskan kembali dengan menggunakan Superheater (pemanas lanjut) hingga mencapai Superheated Stem. Laporan tentang Steam Turbine ini kiranya dapat dipakai sebagai  pengantar belajar tentang permasalahan yang menyangkut Steam Turbine. Bahan lain yang berhubungan dengan Steam Turbine yang dikeluarkan oleh lembaga lainnya patut menjadi bahan acuan untuk melengkapi isi dari laporan ini.

1.2 Tujuan 1.2.1 Tujuan Instruksional Instruksional Umum :

1. Mahasiswa dapat mengoperasikan dengan benar pengoperasian Boiler, Kalorimeter, Steam Engine, Super Heater, dan Steam Turbine. 2. Mahasiswa

dapat

mengukur,

menghitung

dan

menganalisa

 performance / karakteristik dari Boiler, Kalorimeter, Steam Engine dan Super Heater.

1.2.2 Tujuan Instruksional Khusus :

1. Mahasiswa

dapat

melakukan

pengukuran

terhadap

beberapa

 parameter antara lain putaran turbine, tekanan, temperature uap, laju aliran embunan, laju aliran pendinginan, dan parameter lain yang diperlukan untuk menentukan performance steam turbine. 2. Mahasiswa dapat menghitung

laju aliran embunan, laju aliran

 pendinginan, konsumsi uap, penurunan entalphi actual, penurunan isentropis, perpindahan panas pada air pendingin dan embunan, daya  poros, daya listrik dan efisiensi.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Pengertian Steam Turbine

Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap. Dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap.

2.2 Pengoperasian Steam Turbine

Untuk menjalankan atau mengoperasikan turbin uap ( Steam Turbine) harus digunakan uap, selain itu uap yang digunakan harus berupa Superheated Steam. Karena uap yang dihasilkan dari  Boiler   hanya berupa Saturated

Steam 

maka

sebelum

uap

tersebut

digunakan

untuk

mengoperasikan turbin uap, uap tersebut harus dipanaskan kembali dengan menggunakan Superheater (pemanas lanjut) hingga mencapai Superheated Stem. Uap yang akan digunakan untuk mengoperasikan   Boiler   harus berupa uap kering (Superheated Steam) karena apabila uap tersebut masih dalam kondisi uap jenuh (Saturated Steam) dapat menyebabkan kavitasi dan korosi  pada turbin.

Saturated Steam

Super Heater Steam

Super Heater Saturated Steam

SuperHeater Steam

Super Heater Gambar1. Proses Perubahan Uap dengan Menggunakan Superheater

2.3 Prinsip Kerja Turbine Uap

Secara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut : 

Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap

dirubah

menjadi

energi

kinetis

dan

uap

mengalami

 pengembangan.Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari  pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel. Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros t urbin. 

Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkn sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris  pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap ( guide  blade ) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat.



Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil.

2.4 Proses Pemanasan Air pada Steam Turbine

Dalam dunia industri yang menggunakan Steam Turbine, digunakan  beberapa proses pemanasan air hingga siap digunakan untuk mengoperasikan Boiler (hingga menjadi Superheated Steam). Proses tersebut dilakukan dengan menambahkan  Economizer ,  Evaporator   dan Superheater.  Tidak hanya itu, ada juga yang memanfaatkan exhaust gas untuk memanskan Boiler. Boiler type ini disebut dengan HRSG ( Heat Recovery Steam Generator ). Dan juga ada yang menggunakan Cogeration atau Regenerator. Fungsi dari alat –  alat tersebut adalah sebagai berikut : Economizer Digunakan untuk memanasi air dingin dari Feed Water

Tank

menjadi air panas. Evaporator Digunakan untuk memanasi air panas menjadi uap basah. Superheater Digunakan untuk memanasi uap basah menjadi uap kering (Superheater Steam) Cogeration / Regenerator Digunakan untuk memanasi uap yang telah keluar dari turbin pertama ( High Pressure Turbine) ke turbin kedua atau ( Low Pressure Turbine)

Steam Turbine

EXHAUST

SH2

SH1

EVA

ECO

STACK

( ± 110 oC) Gambar2. HRSG Boiler dengan menggunakan ECO, EVA dan SH

2.5 Exhaust Sistem

G

Turbin & generator

Condensor

Boiler + SH

FWP Gambar 3. Diagram Blok

Exhaust Steam yang keluar dari steam turbine akan mengalami drop tekanan sehingga tekanan uap yang akan masuk kedalam condensate lebih kecil ( P = 0 Bar ) daripada tekanan cooling water dalam condensate (P = 1 atm atau 1 Bar). Untuk dapat dikondensasi maka harus digunakan vacuum pump  untuk mengalirkan uap kedalam condensate. Karena cooling water in digunakan untuk mendinginkan uap panas maka cooling water out   yang dikeluarkan akan bersifat  panas. Oleh karena itu cooling water out dispray agar dapat didinginkan olah cooling van.

2.6 Proses Cooling Water

Condensate harus selalu dalam keadaan baik (tidak kotor) karena apabila condensate terganggu karena adanya kotoran dari cooling water uap yang seharusnya didinginkan menjadi terganggu proses pendinginannya sehingga uap tetap bersifat panas. Hal ini menyebabkan tekanan dalam condensate naik yang menyebabkan naiknya tekanan vacum pump yang pada akhirnya menyebabkan turunnya performance dari Boiler. Untuk mengatasi hal ini dapat dilakukan dengan mem- Blow Down  sedikit Cooling Water In. Dan untuk mencegah terjadinya korosi maka cooling water harus di treatment, yaitu dengan menggunakan  Injection Chemical yang terdiri dari : 1. NaOCl

2. Inhibitor

3. Phospat

4. H2SO4

5. Bioxid

Cooling Water Out

C.W.P Blow Down

Gambar 4. Proses Cooli ng Water

Keterangan :

CWP = Cooling Water Pump

2.7 Sistem Proteksi Untuk Over Speed pada Steam Turbin

Uap dari Boiler sebelum digunakan ke Steam Turbine terlebih dahulu uap tersebut di panaskan kembali lewat superheater hingga mencapai superheated steam. Pada saat sebelum tercapai superheated steam, uap dijebak dahulu hingga menjadi superheated steam. Karena uap dijebak maka uap akan berkondensasi maka valve kondensasi harus dibuka. Baru setelah menjadi superheated steam, uap dapat digunakan untuk mengoperasikan steam turbine. Untuk steam turbine di PPNS  –  ITS memiliki putaran maximum 4000 Rpm. Oleh karena itu apabila putaran dari turbine melebihi 4000 Rpm maka  propeller akan menghancurkan casing. Untuk menghindari over speed maka digunakan sistem proteksi, yaitu : Dynamo Tranduser

udara

Pan

Gambar 5. Sistem Proteksi Untuk Over Speed Pada Steam Turbine

Cara kerja system proteksi ini adalah ketika putaran uap di dynamo lebih tinggi dari 4000 Rpm maka akan mengaktifkan solenoid. Kemudian solenoid membuka menyebabkan udara (uap) masuk lalu secara pneumatic uap tersebut akan menekan piston, sedangkan piston akan menekan valve uap yang ada pada saluran masuknya uap ke turbine. Karena piston menekan valve yang ada pada swaluran masuknya uap ke turbine maka valve tersebut menutup uap yang akan masuk kedalam turbine sehingga putaran turbine turun.

2.8 Aplikasi Steam Turbine

Pada aplikasinya ada yang menggunakan steam turbine dengan menggunakan regenerator untuk meningkatkan efisiensi dari penggunaan uap. System tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah : Regenerator

\REHEATE

Turbine 1 (HP)

Turbin

2 (LP)

Super Heater

Condensato

Boiler + Economizer + Evaporator Gambar 6. Steam Turbine dengan Regenerator

T

5

3

7

4 6

2 1

8

Gambar T  –  S diagram Steam Turbine Dengan Regenerato

Keterangan : 1.

1, 2, 3 = air dipompa kedalam Economizer, Evaporator

2.

4

= Masuk Boiler

3.

5

= Masuk Super Heater

4.

6

= Masuk Turbine (1)

5.

7

= Masuk Regenerator

6.

8

= Masuk Turbine (2) + Condensator

S

Turbine (1) di

 –  

couple dengan turbine (2) dengan tujuan untuk

memanfaatkan efisiensi dari uap yang dihasilkan pada system tersebut. Dengan di  –   couplenya turnbine 1 dengan turbine 2 maka sedikit uap dari regenator dapat memutar turbine (2) lebih cepat karena tercopulenya turbine 1 dengan turbine 2 yang mana turbine 1 membantu proses berputarnya turbine 2. Karena turbine 1 langsung menerima superheated steam dai super heater maka tenaga yang dimiliki / dihasilkan turbine 1 lebih besar daripada turbine 2 sehingga turbine 1 disebut juga dengan High Pressure Turbine, sedangkan turbine 2 disebut juga dengan Low Pressure Turbine. Dengan mengabaikan perubahan energi kinetis dan potensial yang dapat terjadi maka keluaran kerja persatuan masa yang dihasilkan turbin dapat dicari persamaan sebagai berikut : 1.

Kerja Turbin Ws

= h1 –  h2s

Ws

= Keluaran kerja tuebin pada proses isentropis (Kw/Kg)

h1

= Entalpi uap masuk turbin (Kj/Kg)

h2s

= Entalpi uap keluar turbin (Kj/Kg)

 Namun dalam praktek, proses yang terjadi pada turbin juga dipengaruhi adanya gesekan yang terjadi yaitu ekspansi adiabatic tak dapat balik (irrevisible). Keluaran kerja turbin dapat dicari dengan persamaan berikut ini : W

= h1 –  h2

W

= Keluaran kerja turbin sebenarnya (Kw/Kg)

h1

= Entalpi uap masuk turbin (Kj/Kg)

h2

= Entalpi uap keluar turbin (Kj/Kg)

Perbandingan antara keluaran kerja turbin sebenarnya dengan keluaran kerja turbin pada proses isentropis. Et Isentropis = W / Ws

2.

Konsumsi uap (Kj/Kg) SC = massa embun yang terkumpul (Kg) / waktu yang diperlukan (s)

3.

Pemasok nuap energi uap (KJ/Kg) HS = Entalpi pada nozel x konsumsi uap

4.

Energi panas yang keluar dari turbin (KJ/s) HE = Entalpi uap pada proses isentropis (KJ/s)

5.

Penurunan entalpi isentermis (KJ/s) = pemasok energi panas –  energi panas keluaran = (HS –  HE)

6.

Penurunan entalpi pada proses isentropis = Pemasok energi panas –  entalpi isentropic keluaran X konsumsi uap = (HS –  (entalpi isentropic keluaran X Sc)

7.

Kandungan embun (KJ/s) HK = (laju aliran massa uap = 4,18 temperatur embun)

8.

Kandungan panas pada air pendingin (KJ/s) HCW = (laju aliran masa air pendingin = 4,18 beda temperature air  pendingin).

9.

Panas yang diserap pada pendingin lanjut (KJ/s) = Panas keluaran turbine –  panas didalam embunnan. HU = HE –  HK

10.

Panas yang duberikan pada siklus rankine (KJ/s) HR = Pemasok energi panas  –  panas didalam embunan HR = HS –  HK

11.

Daya rem/break power (Kw) HP

= 2π x N x T

 N

= Putaran Poros Turbin

T

= Torsi (nm)

12. Konsumsi Energi Uap (KJ/Kw.s) EC = Panas yang diberikan pada siklus rankin / break power

12.

Konsumsi uap spesifik/SSC (Kg/Kw) SSC = Konsumsi Uap / Break power

13.

Effisiensi isentropic (%) Ef.Ist = (penurunan entalpi sesungguhnya / penurunan entalpi isentropis) x 100%

14.

Effisiensi mekanis (%) Ef.Mek = (break power / panas yang diberikan pada siklus rankin) x 100%

15.

Effisiensi termal (%) Ef.Ter = (break power / panas yang diberikan pada siklus r ankin) x 100%

16.

Effisiensi Renkin (%) Ef.Rkn = (penurunan entalpi sesungguhnya / panas yang diberikan pada siklus rankin) x 100%

17.

Efisiensi relative (%) Ef. Rel = (Effisiensi termal / Effisiensi Rankin) x 100%

18.

Daya listrik yang dibangkitkan (Kw) EL

=VxI

V

= Beda potensial generator (Volt)

I

= Arus Generator (ampere)

BAB III METODOLOGI PRAKTIKUM

3.1 Alat dan Bahan 3.1.1 Alat

Adapun alat  –   alat yang digunakan dalam praktikum ini adalah sebagai berikut : 1.

Paket Boiler

2.

Super Heater

3.

Steam Turbine

4.

Power Supply

5.

Compressor

6.

Pompa

7.

Condensator

8.

Steam Turbin

9.

Boiler

10. Super heater 11. Bahan bakar / solar 12. Water treatment 13. Air 14. Electric supply 15. Pompa 16. Compressor 17. Stop watch 18. Gelas ukur 19. Timba

3.1.2 Bahan

Adapun bahan  –  bahan yang digunakan dalam praktikum ini adalah sebagai berikut : 1.

Air

2.

uap

3.

oli

4.

udara

5. 3.2 Prosedur Kerja Secara Umum

3.2.1 Start Up Steam Turbine 3.2.2 Shutdown Steam Turbine

3.3 Perhitungan

Adapun perhitungan yang akan dilakukan adalah pada kerja turbine

3.4 Rangkaian Percobaan

Gambar 7. Diagram Blok

3.5 Prosedur Kerja Steam Turbine

1.  Nyalakan pompa colling water, periksalah air pendingin ( air pendingin harus sudah bersirkulasi sebelum uap masuk pada instalasi / unit Steam Turbin ). 2.

Putar pada posisi ON eksternal electrical supply pada RCB ( residual current breaker ) pada box isolator switch pada panel disamping steam turbin.

3.

Start boiler

4.

Tutup katub IV ( steam inlet ) ke turbin dengan catatan bila katub terbuka maka uap akan masuk ke instalasi pipa.

5.

Alirkan uap bertekanan 10 bar ke Super heater

6.

Buka katub bahan baker untuk Super heater. Tekanlah tombol ON untuk  power Super heater

7.

Burner akan menyala, tunggu beberapa saat, lihatlah pada alat control, apabila steam outlet menunjukan angka 240 0C maka pemanasan uap  pada super heater telah cukup dan burner akan mati secara otomatis

8.

Putar panel switch pada posisi ON dan tekan tombol start ON untuk cooling tower dan fan

9.

Bukalah katub pada system pendingin. Hubungkan compressor dengan membuka valve yang ada pada ruangan Automatic Marine Diesel dan aturlah valve ( boldvalve) pada tekanan kira

 –  

kira 6,5 bar sehingga

solenoid di steam turbin akan menyala. 10. Swich ON untuk steam turbin 11. Putarlah kunci kontak pada posisi absorber, putar knob merah stop steam turbin maka kecil hijau akan menyala 12. Bulkalah katub steam turbin inlet perlahan - lahan 13. Bukalah katub gland sealing V 13 dan V14 14. Bila turbin telah hangat bukalah steam turbin