Turbin Uap

TURBIN UAP Sistem turbin uap merupakan salah satu jenis mesin panas yang mengkonversi sebagian panas yang diterimanya menjadi kerja. Sebagian panas lainnya dibuang ke lingkungan dengan temperatur yang lebih rendah.

Dasar Termodinamika Sistem turbin uap didasari Siklus Rankine

Peningkatan efisiensi sistem turbin uap peningkatan tekanan uap masuk turbin peningkatan temperatur uap masuk turbin (superheating) penurunan tekanan keluar turbin (penurunan temperatur kondensasi; dengan resiko kenaikan fraksi cairan dalam uap keluar turbin) pemanasan air umpan boiler (regenerative process) dll

Siklus Rankine SEDERHANA

Tentukan efisiensi sebuah sistem turbin uap dgn kondisi aliran sebagai berikut: uap masuk turbin : saturated steam P2 = 2000 kPa uap masuk kondenser : P3 = 7,5 kPa. air keluar kondenser : air jenuh P4 = 7,5 kPa air masuk boiler: P1 = 2000 kPa

Dari contoh soal di atas, beberapa hal perlu mendapat perhatian: kerja pompa relatif sangat kecil dibandingkan terhadap kerja hasil ekspansi di turbin (wp << w) wp sering diabaikan, sehingga entalpi air sebelum dan sesudah pompa dianggap sama efisiensi siklus dipengaruhi oleh kondisi uap di titik masuk turbin dan kondisi uap keluar turbin jumlah cairan dalam uap keluar turbin tergantung spesifikasi turbin masing-masing

Efek Kenaikan Temperatur Uap thd Efisiensi Siklus

Kondisi masuk turbin  superheated steam:. T3a = 500 C Kondisi masuk turbin  superheated steam: T3a = 500 C (Td2000kPa = T3 = 212,4 C) P3a = 2000 kPa h3a = 3467,6 kJ/kg s3a = 7,4317 kJ/(kg.K) (1) kondisi 4a: P4a = 7,5 kPa (lihat contoh sebelumnya) s4a = s3a = 7,4317 kJ/(kg.K) (ekspansi isentropik) a). cair jenuh: sAa = 0,5764 kJ/(kg.K); hAa = 168,79 kJ/kg b). uap jenuh: sBa = 8,2515 kJ/(kg.K); hBa = 2574,8 kJ/kg xa = (s4a - sBa)/(sAa - sBa) = 0,1068 (kandungan air) h4a = xa.hAa + (1 – xa).hBa = 2317,8 kJ/kg

Efek Kenaikan Tekanan Uap thd Efisiensi Siklus

Kondisi masuk turbin  superheated steam: T3’ = 500 C P3’ = 3000 kPa h3’ = 3456,5 kJ/kg s3’ = 7,2338 kJ/(kg.K) (1) kondisi 4': P4' = 7,5 kP (diketahui) s4' = s3' = 7,2338 kJ/(kg.K) (ekspansi isentropik) a). cair jenuh: sA' = 0,5764 kJ/(kg.K); hA' = 168,79 kJ/kg b). uap jenuh: sB' = 8,2515 kJ/(kg.K); hB' = 2574,8 kJ/kg x' = (s4' - sB')/(sA' - sB') = 0,1326 (kandungan air) h4' = x'.hA' + (1 – x').hB' = 2255,8 kJ/kg

Pemanasan Awal Air Umpan Boiler

Basis hitungan: m1 = 1 kg (m1 = m6 = m7 = m2 + m3) (1) h5 = h4 + v4 .(P5 - P4) = 168,79 + 1,008x10-3.(400 - 7,5) = 168,79 + 0,395 = 169,19 kJ/kg (2) neraca entalpi contact heater: m6.h6 = m2.h2 + m5.h5 609,9 = m2. 2507,3 + (1 - m2).169,19  m2 = 0,188 kg (3)h7 = h6 + v6 .(P7 - P6) = 609,9 + 1,086.10-3.(2000 - 400) = 611,6 kJ/kg (4) w = m1.(h2 - h1) + (m1 - m2).(h3 - h2) (hasil ekspansi di turbin) w = (2507,3 - 2799,5) + (1 - 0,188).(1975,9 – 2507,3) = - 723,7 kJ/(kg m1)

Ekspansi dalam Turbin Turbin merupakan salah satu bagian dalam siklus Rankine. Di dalam turbin, konversi energi termal uap menjadi energi mekanik melalui beberapa tahap, misalnya: steam lewatkan nosel, sehingga terjadi penurunan tekanan dan kenaikan kecepatan momentum steam keluar nosel digunakan untuk menggerakkan sudu-turbin.

Kelompok atas dasar kondisi steam ketika keluar turbin back pressure turbine steam keluar masih bertekanan relatif tinggi turbin jenis ini banyak digunakan di pabrik kimia

condensing turbine steam keluar = saturated steam atau bahkan sebagian steam telah terkondensasi jenis ini banyak digunakan di pembangkit listrik

extraction/induction turbine gabungan back-pressure dan condensing turbine dalam satu rumah casing banyak digunakan dalam cogeneration

Rugi-rugi internal turbin a. available work: entalpi steam yang mungkin dikonversi menjadi kerja b. stage work: entalpi steam yang terkonversi nyata menjadi kerja

Rugi-rugi di dalam turbin satu tingkat : nozzle reheat: rugi-rugi ketika steam diekspansikan di nosel secara adiabatik tak-reversibel dan mengakibatkan kenaikan temperatur steam (relatif terhadap temperatur jika steam diekspansikan isentropik) blade reheat: ugi-rugi gesekan aliran steam ketika lewat sudu-gerak windage losses: rugi-rugi gesekan ketika steam meninggalkan sudu-gerak stage reheat: jumlah semua rugi-rugi dalam satu tahap ekspansi

Efisiensi Isentropik dengan h1= entalpi steam masuk h2= entalpi steam keluar (nyata) h2,s = entalpi steam keluar (jika ekspansi isentropik, s2s = s1

Rugi internal turbin banyak tingkat Reheat factor

Efisiensi isentropik turbin banyak tingkat

Konsumsi Steam Spesifik Konsumsi Uap Spesifik (specific steam rate): konsumsi steam per satuan waktu untuk menghasilkan satu satuan daya. w = he - hi W = m . (he - hi) dengan: w = energi/massa W = daya, kW atau HP m = laju massa steam, kg/jam h = entalpi spesifik steam, kJ/kg subskrip: i = inlet dan e = exit Konsumsi steam:

TSR (Theoretical Steam Rate): Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara isentropik. TSR = 1/ (hi - he) TSR dapat dinyatakan dalam berbagai satuan: Jika entalpi h dalam kJ/kg, maka TSR = 3600/(hi - he) kg/kWh Jika entalpi h dalam Btu/lb, maka TSR = 2545/(hi - he) lb/HPh ASR (Actual Steam Rate) Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara adiabatik tak-reversibel. ASR = TSR /  dengan  = efisiensi isentropik

Contoh Turbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated steam (Pi = 2000 kPa, Ti = 500 C). Steam keluar turbin pada keadaan jenuh (Pe = 7,5 kPa). Efisiensi isentropik turbin 70%. Hitung konsumsi steam.

Contoh Turbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated steam (Pi = 2000 kPa, Ti = 500 C). Steam keluar turbin pada keadaan jenuh (Pe = 7,5 kPa). Efisiensi isentropik turbin 70%. (1) Data termodinamika steam (dari steam table) Pi = 2000 kPa dan Ti = 500 oC hi = 3467,6 kJ/kg dan si = 7,4317 kJ/(kg.K) (2) Pe = 7,5 kPa dan se = si = 7,4317 kJ/(kg.K)  campuran uap dan cair. uap: suap = 8,2515 kJ/(kg.K) ; huap = 2574,8 kJ/kg cair: scair = 0,5762 kJ/(kg.K) ; hcair = 168,79 kJ/kg fraksi uap: y = (7,4317-0,5764)/(8,2515-0,5764) = 0,893 he = 0,893 x 2574,8 + (1 - 0,893) x 168,79 = 2317,35 kJ/kg (3) TSR = 3600/(3467,6 – 2317,35,8) = 3,13 kg/kWh (4) ASR = 3,13/70% = 4,47 kg/kWh (5) Konsumsi steam: m = W.ASR = 2000. 4,47 = 8940 kg/jam

Contoh Spesifikasi Turbin Uap

Konsumsi Panas Spesifik (Heat Rate) turbin untuk produksi energi listrik GHR (Gross Heat Rate, konsumsi panas spesifik bruto): NHR (Net Heat Rate, konsumsi panas spesifik netto): Listrik netto setelah dikurangi dengan konsumsi listrik untuk sistem pembangkit listrik yang bersangkutan (pompa, blower, penerangan dll).

PNHR (plant net heat rate) : (ef. boiler) = efisiensi boiler [%aux. power] = daya yang diserap oleh internal power plant

Konsumsi panas spesifik dipengaruhi berbagai faktor. Penurunan tekanan kondensor akan menurunkan NHR atau PNHR. Temperatur uap masuk turbin mempengaruhi heat rate. Pemanasan awal udara pembakaran (air preheating) sebelum masuk boiler dapat mengurangi konsumsi panas spesifik sebesar 2%. Air preheating ini dapat dilakukan dengan memanfaatkan panas sensibel gas cerobong. Hilang tekanan (pressure drop) di saluran uap dapat meningkatkan heat rate. Efisiensi turbin mempengahur heat rate. Faktor di atas perlu mendapat perhatian dalam program penghematan energi.

Contoh Efek Tekanan Kondensor thd Konsumsi Steam Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.

Perkirakan kenaikan konsumsi steam dan penurunan daya turbin jika tekanan kondensernya naik dari 2,5 menjadi 4,5 inHg absolut. Dari kurva karakteristik di atas: NHR (2,5 inHg) = 7200 Btu/kWh = 7596 kJ/kWh NHR (4,5 inHg) = 7750 Btu/kWh = 8177 kJ/kWh (1) Jika daya turbin tetap, maka heat rate (konsumsi steam) meningkat: (NHR) = 8177 – 7596 = 581 kJ/kWh (7,6%) (2) Jika laju uap dijaga konstan, maka kenaikan NHR mengakibatkan penurunan daya keluar turbin): (NKW) = - 0,0765/ (1 - 0,0765) = - 8,28%

Efek Tekanan Steam masuk Turbin thd Konsumsi Steam Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.

Perkirakan kenaikan konsumsi panas spesifik pada beban 600 MW, jika tekanan uap masuk turbin turun dari 3500 menjadi 2400 kPa. Dari kurva karakteristik di atas NHR (3500 kPa) = 7450 Btu/kWh = 7860 kJ/kWh NHR (2400 kPa) = 7700 Btu/kWh = 8124 kJ/kWh (NHR) = 250 Btu/kWh = 264 kJ/kWh (3,3%) atau kenaikan laju steam (pemborosan) pada 600 MW = 360000 kg/jam (ekspansi di turbin, Δh = 440 kJ/kg)

Soal Latihan: Usaha Peningkatan Efisiensi Siklus Sebuah mesin panas menggunakan siklus Rankine dasar. Kondisi air dan uap pada siklus ini disajikan pada gambar dan tabel berikut. Usaha-usaha untuk meningkatkan efisiensi siklus dilakukan dengan cara menaikkan temperatur atau tekanan dari basis, menurunkan tekanan atau temperatur kondensor dari basis. Tentukan efisiensi siklus masing-masing usaha peningkatan efisiensi.

Kerjakan sendiri dan hasilnya sbb: