Siklus-Siklus Turbin Gas

Siklus-Siklus Turbin Gas

Siklus Turbin Gas

Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu:

a. Siklus Ericson

Merupakan siklus mesin kalor yang sanggup balik (reversible) yang terdiri dari dua proses isotermis sanggup balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik sanggup balik (reversible isobaric). Proses perpindahan panas pada proses isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya ialah : hth = 1 – T1/Th, dimana T1 = temperatur buang dan Th = temperatur panas.

b. Siklus Stirling

Merupakan siklus mesin kalor sanggup balik, yang terdiri dari dua proses isotermis sanggup balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson.

c. Siklus Brayton

Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga dikala ini siklus ini yang sangat terkenal digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses sanggup dianalisa secara berikut.

Proses 1 ke 2 (kompresi isentropik). Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 – h1). Proses 2 ke 3, pemasukan materi bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (ma + mf) (h3 – h2). Proses 3 ke 4, perluasan isentropik didalam turbin. Daya yang dibutuhkan turbin: WT = (ma + mf) (h3 – h4). Proses 4 ke 1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor yang dilepas: QR = (ma + mf) (h4 – h1)

A. Siklus Termodinamika Turbin Gas

Turbingas merupakan suatu mesin yang bekerja mengikuti siklus termodinamik Brayton. Adapun siklus termodinamikanya pada diagram p-v dan t-s ialah sebagai berikut[gambar24]:

Gambar Diagram p-v dan T-s

Urutan proses kerja sistem turbin gas [gambar 24] adalah:

1-2 Proseskompresiadiabatisudarapadakompresor,tekanan udara naik [A]

2-3 Proses pembakaran gabungan udara dan bahan-bakar pada tekanan konstan, dihasilkan panas pada ruang bakar [B]

3-4 Proses perluasan adiabatic gas pembakaran pada turbin dihasilkan

Kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong, tekanan turun [C]

4-1 Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan [D]

Dari diagram T-S sanggup dilihat sehabis proses kompresi pada kompresor temperatur naik yaitu T2 dari tempertur atmosfer T1 dan tekanan naik dari p1 menjadi p2, tempertur dan tekanan ini diharapkan untuk proses pembakaran. Setelah materi bakar disemprotkan dan bercampur dengan udara mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan, terjadi proses pembakaran, temperatur naik lagi hingga T3. Temperatur T3 ialah temperatur gas pembakaran yang akan masuk turbin, temperatur ini dibatasi oleh ketahanan material turbin pada suhu tinggi. Setelah proses perluasan pada turbin, temperatur gas sisa menjadi turun hingga T4 dan temperature gas sisa ini masih tinggi diatas temperature T1.

Konversi energi

Ada banyak tipe turbin gas,tetapi dengan prinsip kerja yang sama, yaitu mengikuti siklus Bryton. Siklus tersebut ialah siklus dasar yang menjadi patokan dalam perancangan turbin gas. Secara teoritis kelihatan tidak ada kesulitan, tetapi pada kenyataannya, pembuatan turbin gas menemui banyak kesukaran, terutama yang berafiliasi dengan efisiensi pemakaian materi bakar dan ketersedian material yang bekerja pada temperatur tinggi. Dengan banyak sekali alasan dan tujuan, banyak tipe turbin gas yang dikembangkan. Adapun beberapa alasan tersebut adalah;

1. Pemakaian materi bakar harus lebih bervariasi tidak hanya untuk materi bakar cair dan gas saja atau untuk mencegah singgungan fluida kerja dengan lingkungan, khususnya untuk materi bakar nuklir. Untuk keperluan tersebut, dibentuk turbin gas terbuka dan tertutup atau turbin gas eksklusif dan tidak langsung.
2. Pemakaian turbin gas yang semakin meluas, disamping sebagai pembangkit daya dorong dan pembangkit listrik, turbin gas kini banyak digunakan untuk pengerak mula, misalnya pelopor pompa dan kompresor pada industri-industri atau sentra pembangkit tenaga (power plant). Untuk keperluan tersebut, dibentuk turbin gas dengan model satu poros dan dua poros.

A. Turbin gas sistem terbuka (langsung dan tidak langsung)

Pada sistem turbin gas terbuka eksklusif [gambar 22], fluida kerja akan keluar masuk sistem yaitu udara lingkungan masuk kompresor dan gas bekas keluar turbin ke lingkungan. Ruang bakar menjadi satu dengan sistem turbin gas dan materi bakar yang digunakan terbatas yaitu hanya materi bakar cair dan gas. Bahan bakar tersebut sebelum digunakan sudah dimurnikan, sehingga tidak mengandung unsur-unsur yang merugikan.

Permasalahan turbin gas sistem terbuka terfokus pada proses pendinginan ruang bakar dan sudu-sudu turbin. Disamping itu, alasannya ialah gas pembakaran eksklusif bersinggungan dengan material turbin, permasalahan korosi dan abarasi pada sudu turbin menjadi sangat penting, jika hal ini diabaikanakan berakibat fatal dan sangat merugikan, yaitu sudu-sudu turbin bisa bengkok atau patah. Kalau hal tersebut terjadi, daya turbin menurun, dan secara keseluruah efisien kerja menjadi rendah.

Turbin gas sistem terbuka banyak digunakan untuk mesin pesawat terbang, alasannya ialah bentuknya lebih simpel, ringan dan tidak banyak memakan tempat, hal ini cocok dengan pesyaratan turbin gas untuk pesawat terbang. Bahan bakar padat tidak disarankan untuk digunakan pada sistem turbin gas terbuka langsung, alasannya ialah hasil pembakaran banyak mengandung partikel yang bersifat korosi terhadap material turbin, yang sanggup merusak sudu turbin. Kendala tersebut sanggup diatasi dengan memisahkan ruang bakar dengan kanal fluida kerja, dengan kata lain, fluida kerja masuk turbin dikondisikan tidak mengandung gas hasil pembakaran. Untuk keperluan tersebut, dibentuk turbin gas sistem terbuka tak langsung. Dengan sistem ini, proses pembakaran berlangsung sendiri di dalam ruang bakar yang terpisah dengan kanal fluida kerja yang akan masuk turbin. Energi panas dari porses pembakaran akan ditransfer ke fluida kerja secara eksklusif atau memakai alat penukar kalor.

Model transfer energi panas dari ruang bakarke fluida kerja secara lansung ialah sebagai berikut. Pipa-pipa yang berisi fluida kerja udara mampat dari kompresor dilewatkan keruang bakar atau dapur. Panas dari proses pembakaran ditransfer secara eksklusif ke fluida kerja didalam pipa-pipa, temperatur fluida akan naik hingga nilai tertentu sebelum masuk turbin.

Untuk model transfer panas dengan penukar kalor, banyak diaplikasikan pada turbin gas berbahan bakar nuklir. Ruang bakar berbahan bakar nuklir sering disebut dengan reaktor. Didalam reaktor nuklir terjadi reaksi fusi yang menghasilkan panas yang tinggi, panas yang tinggi tersebut ditransfer ke fluida yang sekaligus berfungsi sebagai pendingin reaktor, fluida tersebut sering diistilahkan sebagai fluida primer. Kemudian, fluida primer bersuhu tinggi dialirkan kealat penukar kalor. Didalam alat penukar kalor terdapat pipa-pipa berisi fluida kerja bersuhu rendah, untuk fluida ini sering disebut sebagai fluida sekunder. Dengan kondisi tersebut, terjadi tranfer panas dari fluida primer bersuhu tinggi ke fluida sekunder bersuhu rendah.

Pada gambar 25, ialah rujukan denah untuk turbin gassistem terbuka. Dapat dilihat fluida kerja yang digunakan ialah udara. Udara masuk kompresor, dan keluar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut masuk ruang bakar dan menyerap panas dari proses pembakaran, kemudian keluar ruang bakar dengan temperatur tinggi pada titik 3. Selanjutnya, fluida kerja masuk turbin dan berekspansi untuk memperlihatkan energinya ke sudu-sudu turbin. Terjadi perubahan energi, dari energi panas fluida kerja menjadi putaran poros turbin. Sesudah berekspansi pada turbin, fluida kerja kemudian keluar turbin dengan temperatur relatif rendah ke lingkungan.

Pada gambar 26. ialah rujukan sistem turbin gas tak eksklusif dengan penukar kalor. Dapat dilihat, fluida kerja (fluida sekunder) yang digunakan ialah udara. Udara masuk kompresor dan keluar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut, masuk penukar kalor dan menyerap panas dari sumber panas.Sumber panas tersebut ialah fluida primer bertemperatur tinggi yang mengalir dari reaktor. Fluida primer ini, sebagai pembawa energi panas dari proses pembakaran materi bakar nuklir, yang biasa digunakan ialah air atau gas helium. Proses selanjutnya ialah sama dengan denah gambar 23.

B. Turbin gas sistem tertutup (langsung dan tidak langsung)

Gambar Bagan kerja turbin gas sistem tertutup langsung

Sistem turbin gas tertutup eksklusif banyak digunakan untuk aplikasi tubin gas dengan materi bakar nuklir [gambar25]. Fluida kerja yang paling cocok ialah helium. Proses kerja dari sistem tersebut ialah sebagai berikut. Helium tekanan tinggi dari kompresor dimasukan reaktor untuk dipanasi dan sekaligus untuk pendinginan reaktor. Setelah itu, helium berekspansi diturbin dengan melepaskan sebagian besar energinya. Energi tersebut diubah pada sudu-sudu turbin menjadi putaran poros turbin dan eksklusif menggerakan kompresor ataupun beban lainnya. Helium keluar turbin, tekanannya sudah menurun, tetapi masih bertemperatur tinggi. Helium bertemperatur tinggi harus didinginkan sebelum masuk kompresor, untuk keperluan tersebut, dipasang penukar kalor. Selanjutnya, helium hambar masuk kompresor lagi untuk dikompresi lagi.

MESIN KONVERSI ENERGI II

Pada gambar 26 ialah sistem turbin gas tertutup tak langsung, sistem ini ialah sistem gabungan antara sistem tertutup dan sistem tak langsung. Fluida kerja primer menyerap panas dari ruang bakar atau reaktor kemudian dialirkan ke penukar kalor, kemudian diserap oleh fluida sekunder.

B. Efisiensi Turbin Gas

Pemakaian turbin gas banyak menguntungkan sebagai pengganti sumber pelopor lain, menyerupai yang sudah diuraikan diatas,yaitu turbin gas bentuknya lebih simple dan tidak banyak memakan tempat. Kalau dibandingkan dengan turbin uap, turbin gas lebih gampang dioperasikan, gampang dikendalikan dan instalasinya lebih sederhana. Akan tetapi,secara actual efisiensi turbin gas masih rendah. Sudah banyak metode yang digunakan untuk menaikan efisiensi tersebut.

Dari gambar diagram p-v dan t-s,dapat dilihat bahwa; Pemasukan panas berlangsung pada tekanan tetap;

qmasuk =mcp(T3−T2)

Pengeluaran panas juga pada tekanan konstan;

qkeluar =mcp(T4−T1)

Sehingga,kerja mempunyai kegunaan sanggup dirumuskan sebagai berikut;

Wberguna=qmasuk-qkeluar.=mcp(T3-T2)-mcp(T4-T1)

Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan kerja mempunyai kegunaan dengan energi kalor yang masuk, dirumuskan sebagai berikut;

Dimana Cp kapasitasjenispadatekanankonstan

Dapat dilihat dari perumusan diatas, bahwa untuk menaikan efisiensi turbin gas, kompresor yang di gunakan harus mempunyai perbandingan tekanan yang tinggi,

Sehingga pemakaian materi bakar lebih sedikit. Kenaikan perbandingan tekan tidak selamanya menaikan daya turbin, pada perbandingan tekanan tertentu, daya turbin mencapai maksimum, selanjutnya daya yang mempunyai kegunaan akan kembali turun. Hal ini dikarenakan, pada perbandingan tekanan yang tinggi diharapkan kerja kompresor yang besar, padahal kerja kompresor mengambil dari daya turbin. Dengan alasan tersebut, bisa dipahami kenaikan perbandingan tekanan tidak selalu menguntungan pada nilai tertentu.

Bagian dari kerja turbin yang digunakan untuk menggerakan kompresor dinamakan back work ratio [gambar29]. Perbandingan daya pada turbin gas biasanya 3:2:1,3 untuk daya turbin, 2 untuk kompresor, dan 1 untuk generator listrik. Sebagai rujukan untuk menggerakan generator listrik 100kW, turbin gas harus mempunyai daya 300kW, alasannya ialah harus menggerakkan kompresor sebesar 200 kW.

Gambar Backwork turbin gas

Dengan alasan itu, banyak factor yang harus diperhatikan terutama untuk mengoptimalkan kerja kompresor. Sebagai contoh, suhu masuk kompresor T1 tidak terlalu tinggi, dengan alasan pada suhu yang tinggi kerja kompresor bekerja lebih berat. Dengan kerja kompresor lebih berat, daya yang diambil dari daya turbin lebih banyak sehingga mengurangi bab yang lainnya.

Bahan Bakar, Pelumasan, Dan Pendinginan

1. Bahan Bakar

Fuel System. Bahan bakar yang digunakan berasal dari fuel gas system dengan tekanan sekitar 15 kg/cm2. Fuel gas yang digunakan sebagai materi bakar harus bebas dari cairan kondensat dan partikel-partikel padat. Untuk mendapat kondisi tersebut diatas maka sistem ini dilengkapi dengan knock out drum yang berfungsi untuk memisahkan cairan-cairan yang masih terdapat pada fuel gas.

2. Pelumasan

Lube Oil System. Lube oil system berfungsi untuk melaksanakan pelumasan secara kontinu pada setiap komponen sistem turbin gas. Lube oil disirkulasikan pada bagian-bagian utama turbin gas dan trush bearing juga untuk accessory gear dan yang lainnya. Lube oil system terdiri dari;

• Oil Tank (Lube Oil Reservoir)
• Oil Quantity
• Pompa
• Filter System
• Valving System
• Piping System
• Instrumen untuk oil

Pada turbin gas terdapat tiga buah pompa yang digunakan untuk mensuplai lube oil guna keperluan lubrikasi, yaitu:

• Main Lube Oil Pump, merupakan pompa utama yang digerakkan oleh HP shaft pada gear box yang mengatur tekanan discharge lube oil.
• Auxilary Lube Oil Pump, merupakan pompa lube oil yang digerakkan oleh tenaga listrik, beroperasi apabila tekanan dari main pump turun.
• Emergency Lube Oil Pump, merupakan pompa yang beroperasi jika kedua pompa diatas tidak bisa menyediakan lube oil.

3. System Pendingin

Cooling System. Sistem pendingin yang digunakan pada turbin gas ialah air dan udara. Udara digunakan untuk mendinginkan banyak sekali komponen pada section dan bearing. Komponen-komponen utama dari cooling system adalah:

• Off base Water Cooling Unit
• Lube Oil Cooler
• Main Cooling Water Pump
• Temperatur Regulation Valve
• Auxilary Water Pump
• Low Cooling Water Pressure Swich

5. Perawatan Mesin Turbin Gas

Maintenance ialah perawatan untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan menyerupai kerusakan terlalu cepat terhadap semua peralatan di pabrik, baik yang sedang beroperasi maupun yang berfungsi sebagai suku cadang. Kerusakan yang timbul biasanya terjadi alasannya ialah keausan dan ketuaan akhir pengoperasian yang terus-menerus, dan juga akhir langkah pengoperasian yang salah.

Maintenance pada turbine gas selalu tergantung dari faktor-faktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, alasannya ialah operasional turbine gas sangat tergantung dari kondisi tempat operasional. Semua pabrik pembuat turbin gas telah menetapkan suatu ketetapan yang kondusif dalam pengoperasian sehingga turbine selalu dalambatas kondisi kondusif dan sempurna waktu untuk melaksanakan maintenance.

Secara umum maintenance sanggup dibagi dalam beberapa bagian, diantaranya adalah:

1. Preventive Maintenance.

Suatu aktivitas perawatan yang direncanakan baik itu secara rutin maupun periodik, alasannya ialah apabila perawatan dilakukan sempurna pada waktunya akan mengurangi down time dari peralatan.

Preventive maintenance dibagi menjadi:

1. Running Maintenance. Suatu aktivitas perawatan yang dilakukan hanya bertujuan untuk memperbaiki equipment yang rusak saja dalam satu unit. Unit produksi tetap melaksanakan kegiatan
2. Turning Around Maintenance. Perawatan terhadap peralatan yang sengaja dilarang pengoperasiannya.
3. Repair Maintenance. Perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang tidak kritis, atau disebut juga peralatan-peralatan yang tidak mengganggu jalannya operasi.
4. Predictive Maintenance. Kegiatan monitor, menguji, dan mengukur peralatan-peralatan yang beroperasi dengan memilih perubahan yang terjadi pada bab utama, apakah peralatan tersebut berjalan dengan normal atau tidak.
5. Corrective Maintenance. Perawatan yang dilakukan dengan memperbaiki perubahan kecil yang terjadi dalam disain, serta menambahkan komponen-komponen yang sesuai dan juga menambahkan material-material yang cocok.
6. Break Down Maintenance. Kegiatan perawatan yang dilakukan sehabis terjadi kerusakan atau kelainan pada peralatan sehingga tidak sanggup berfungsi menyerupai biasanya.
7. Modification Maintenance. Pekerjaan yang berafiliasi dengan disain suatu peralatan atau unit. Modifikasi bertujuan menambah kehandalan peralatan atau menambah tingkat produksi dan kualitas pekerjaan.
8. Shut Down Maintenance. Kegiatan perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang sengaja dilarang pengoperasiannya.

SUMBER ARTIKEL;

https://www.blogger.com/blogger.g?blogID=4893352573915100228#editor/target=post;postID=3346510783788022481;onPublishedMenu=allposts;onClosedMenu=allposts;postNum=0;src=link

Share this post