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

b. Siklus Stirling

Merupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat 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 saat ini siklus ini yang sangat populer 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 dapat dianalisa secara berikut.

Proses 1 ke 2 (kompresi isentropik). Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 – h1). Proses 2 ke 3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (ma + mf) (h3 – h2). Proses 3 ke 4, ekspansi 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 adalah 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 campuran udara dan bahan-bakar pada tekanan konstan, dihasilkan panas pada ruang bakar [B]

3-4 Proses ekspansi 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 dapat dilihat setelah proses kompresi pada kompresor temperatur naik yaitu T2 dari tempertur atmosfer T1 dan tekanan naik dari p1 menjadi p2, tempertur dan tekanan ini diperlukan untuk proses pembakaran. Setelah bahan bakar disemprotkan dan bercampur dengan udara mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan, terjadi proses pembakaran, temperatur naik lagi sampai T3. Temperatur T3 adalah temperatur gas pembakaran yang akan masuk turbin, temperatur ini dibatasi oleh ketahanan material turbin pada suhu tinggi. Setelah proses ekspansi pada turbin, temperatur gas sisa menjadi turun sampai 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 adalah 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 berhubungan dengan efisiensi pemakaian bahan bakar dan ketersedian material yang bekerja pada temperatur tinggi. Dengan berbagai alasan dan tujuan, banyak tipe turbin gas yang dikembangkan. Adapun beberapa alasan tersebut adalah;

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

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

Pada sistem turbin gas terbuka langsung [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 bahan bakar yang digunakan terbatas yaitu hanya bahan 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, karena gas pembakaran langsung 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 dipakai untuk mesin pesawat terbang, karena 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, karena hasil pembakaran banyak mengandung partikel yang bersifat korosi terhadap material turbin, yang dapat merusak sudu turbin. Kendala tersebut dapat diatasi dengan memisahkan ruang bakar dengan saluran fluida kerja, dengan kata lain, fluida kerja masuk turbin dikondisikan tidak mengandung gas hasil pembakaran. Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas sistem terbuka tak langsung. Dengan sistem ini, proses pembakaran berlangsung sendiri di dalam ruang bakar yang terpisah dengan saluran fluida kerja yang akan masuk turbin. Energi panas dari porses pembakaran akan ditransfer ke fluida kerja secara langsung atau menggunakan alat penukar kalor.

Model transfer energi panas dari ruang bakarke fluida kerja secara lansung adalah sebagai berikut. Pipa-pipa yang berisi fluida kerja udara mampat dari kompresor dilewatkan keruang bakar atau dapur. Panas dari proses pembakaran ditransfer secara langsung ke fluida kerja didalam pipa-pipa, temperatur fluida akan naik sampai 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, adalah contoh skema untuk turbin gassistem terbuka. Dapat dilihat fluida kerja yang dipakai adalah 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, lalu keluar ruang bakar dengan temperatur tinggi pada titik 3. Selanjutnya, fluida kerja masuk turbin dan berekspansi untuk memberikan energinya ke sudu-sudu turbin. Terjadi perubahan energi, dari energi panas fluida kerja menjadi putaran poros turbin. Sesudah berekspansi pada turbin, fluida kerja lalu keluar turbin dengan temperatur relatif rendah ke lingkungan.

Pada gambar 26. adalah contoh sistem turbin gas tak langsung dengan penukar kalor. Dapat dilihat, fluida kerja (fluida sekunder) yang dipakai adalah 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 adalah fluida primer bertemperatur tinggi yang mengalir dari reaktor. Fluida primer ini, sebagai pembawa energi panas dari proses pembakaran bahan bakar nuklir, yang biasa digunakan adalah air atau gas helium. Proses selanjutnya adalah sama dengan skema gambar 23.

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

Gambar Bagan kerja turbin gas sistem tertutup langsung

Sistem turbin gas tertutup langsung banyak digunakan untuk aplikasi tubin gas dengan bahan bakar nuklir [gambar25]. Fluida kerja yang paling cocok adalah helium. Proses kerja dari sistem tersebut adalah 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 langsung 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 dingin masuk kompresor lagi untuk dikompresi lagi.

MESIN KONVERSI ENERGI II

Pada gambar 26 adalah sistem turbin gas tertutup tak langsung, sistem ini adalah 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 penggerak lain, seperti yang sudah diuraikan diatas,yaitu turbin gas bentuknya lebih simple dan tidak banyak memakan tempat. Kalau dibandingkan dengan turbin uap, turbin gas lebih mudah dioperasikan, mudah 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 berguna dapat dirumuskan sebagai berikut;

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

Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan kerja berguna 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 memiliki perbandingan tekanan yang tinggi,

Sehingga pemakaian bahan bakar lebih sedikit. Kenaikan perbandingan tekan tidak selamanya menaikan daya turbin, pada perbandingan tekanan tertentu, daya turbin mencapai maksimum, selanjutnya daya yang berguna akan kembali turun. Hal ini dikarenakan, pada perbandingan tekanan yang tinggi diperlukan 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 contoh untuk menggerakan generator listrik 100kW, turbin gas harus mempunyai daya 300kW, karena 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 bagian 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 bahan bakar harus bebas dari cairan kondensat dan partikel-partikel padat. Untuk mendapatkan 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 melakukan 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 mampu menyediakan lube oil.

3. System Pendingin

Cooling System. Sistem pendingin yang digunakan pada turbin gas adalah air dan udara. Udara dipakai untuk mendinginkan berbagai 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 adalah perawatan untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan seperti kerusakan terlalu cepat terhadap semua peralatan di pabrik, baik yang sedang beroperasi maupun yang berfungsi sebagai suku cadang. Kerusakan yang timbul biasanya terjadi karena keausan dan ketuaan akibat pengoperasian yang terus-menerus, dan juga akibat langkah pengoperasian yang salah.

Maintenance pada turbine gas selalu tergantung dari faktor-faktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional turbine gas sangat tergantung dari kondisi daerah operasional. Semua pabrik pembuat turbin gas telah menetapkan suatu ketetapan yang aman dalam pengoperasian sehingga turbine selalu dalambatas kondisi aman dan tepat waktu untuk melakukan maintenance.

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

1. Preventive Maintenance.

Suatu kegiatan perawatan yang direncanakan baik itu secara rutin maupun periodik, karena apabila perawatan dilakukan tepat pada waktunya akan mengurangi down time dari peralatan.

Preventive maintenance dibagi menjadi:

1. Running Maintenance. Suatu kegiatan perawatan yang dilakukan hanya bertujuan untuk memperbaiki equipment yang rusak saja dalam satu unit. Unit produksi tetap melakukan kegiatan
2. Turning Around Maintenance. Perawatan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan 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 menentukan perubahan yang terjadi pada bagian 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 setelah terjadi kerusakan atau kelainan pada peralatan sehingga tidak dapat berfungsi seperti biasanya.
7. Modification Maintenance. Pekerjaan yang berhubungan 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 dihentikan pengoperasiannya.

SUMBER ARTIKEL;

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