Makalah Turbin Gas
-
Upload
daphyt-panjaitan -
Category
Documents
-
view
321 -
download
63
description
Transcript of Makalah Turbin Gas
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala rahmat yang diberikan-Nya
sehingga tugas Makalah yang berjudul “Turbin Gas” ini dapat saya selesaikan. Makalah ini saya
buat sebagai kewajiban untuk memenuhi tugas.
Dalam kesempatan ini, penulis menghaturkan terimakasih yang dalam kepada semua pihak
yang telah membantu menyumbangkan ide dan pikiran mereka demi terwujudnya makalah ini.
Akhirnya saran dan kritik pembaca yang dimaksud untuk mewujudkan kesempurnaan makalah
ini penulis sangat hargai.
Penulis
1
DAFTAR ISI
Pengertian Turbin Gas.....................................................................................................1
Sejarah Turbin Gas..........................................................................................................3
Komponen Turbin Gas....................................................................................................5
Variabel-variabel Kinerja Turbin Gas...........................................................................12
Prinsip Kerja Turbin Gas...............................................................................................14
Proses Pembakaran........................................................................................................18
Klasifikasi Turbin Gas...................................................................................................20
Siklus Turbin Gas..........................................................................................................22
Efisiensi Turbin Gas......................................................................................................29
Bahan Bakar, Pelumasan, Pendinginan.........................................................................31
2
TURBIN GAS
A. Pengertian Dan Sejarah Turbin Gas
1. Pengertian Turbin Gas
Turbin adalah salah satu mesin termal, di mana energi panas (heat energy) yang dihasilkan
dari pembakaran bahan bakar (umumnya cair atau gas) ditransformasikan ke roda turbin
(rotor) yang menghasilkan putaran dan kerja (mekanikal). Terminologi lain bahwa Turbin
Gas adalah peralatan yang mengkonversi termal menjadi energi mekanis dalam bentuk kerja
putaran poros. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu
kompresor, ruang bakar dan turbin gas.
Penggunaan Turbin Gas dibagi menjadi dua, yaitu :
1. Pada bidang Aviasi (penerbangan)
Digunakan sebagai mesin yang menghasilkan daya dorong pada pesawat terbang
( Aeroderivatif). Turbin gas dinilai sangat cocok sebagai motor propulsi pesawat terbang
karena memiliki bobot yang ringan dimensi yang ringkas,sehingga tidak memerlukan banyak
ruangan, serta mampu menghasilkan daya yang besar. hal ini menjadi penting karena adanya
kecenderungan terbang pada kecepatan tinggi serta jarak jelajah yang panjang dan muatan
yang bertambah berat.
3
Gambar 4. Aplikasi Turbin Gas Pada Pesawat Terbang
2. Pada bidang Industri
Turbin gas digunakan untuk menggerakkan bermacam-macam peralatan, seperti
pompa, generator listrik, dan kompresor.
Gambar 5. Turbin gas Untuk Industri (Pembangkit Listrik)
4
1. Sejarah Turbin Gas
Turbin gas adalah suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja.
Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran
yang menggerakkan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian turbin yang berputar
disebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin.
Rotor memutar poros daya yang menggerakkan beban (generator listrik, pompa, kompresor
atau yang lainnya). Turbin gas merupakan salah satu komponen dari suatu sistem turbin gas.
Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang
bakar dan turbin gas. Menurut Dr. J. T. Retaliatta, sistim turbin gas ternyata sudah diken al
pada jaman “Hero of Alexanderia”. Disain pertama turbin gas dibuat oleh John Barber
seorang Inggris pada tahun 1791. Sistem tersebut bekerja dengan gas hasil pembakaran batu
bara, kayu atau minyak, kompresorn ya digerakkan oleh turbin dengan perantaraan rantai
roda gigi. Pada tahun 1872, Dr. F. Stolze merancang sistem turbin gas yang menggunakan
kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan langsung oleh turbin reaksi tingkat
ganda. Tahun 1908, sesuai dengan konsepsi H. Holzworth, dibuat suatu sistem turbin gas
yang mencoba menggunakan proses pembakaran pada volume konstan. Tetapi usah a tersebut
dihentikan karena terbentur pada masalah konstruksi ruan g bakar dan tekanan gas
pembakaran yang berubah sesuai beban. Tahun 1904, “Societe des Turbomoteurs” di Paris
membuat suatu sistem turbin gas yang instruksinya berdasarkan disain Armen gaud dan
Lemate yang menggunakan bahan bakar cair. Temperatur gas pembakaran yang masuk
sekitar 450 C dengan tekanan 45 atm dan kompresornya langsung digerakkan oleh turbin.
Selanjutnya, perkemban gan sistem turbin gas berjalan lambat hingga pada tahun 1935 sistem
turbin gas mengalami perkembangan yang pesat dimana diperoleh efisiensi sebesar lebih
kurang 15 %. Pesawat pancar gas yang pertama diselesaikan oleh “British
Thomson Houston Co” pada tahun 1937 sesuai dengan konsepsi Frank Whittle (tahun
1930). Saat ini sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk berbagai keperluan seperti
mesin penggerak generator listrik, mesin industri, pesawat terbang dan lainnya. Sistem turbin
gas dapat dipasang dengan cepat dan biaya investasi yang relatif rendah jika dibandingkan
dengan instalasi turbin uap dan motor diesel untuk pusat tenaga listrik.
2. Kelebihan turbin gas
·Efisien
5
·Rasio kompresi tinggi ( 20:1 )
·Simple
·Relatif ringan bobotnya.
3. Kekurangan Turbin Gas
·Desain kompleks
·Mahal
3. Komponen Turbin Gas
1. Komponen-komponenUtama padaTurbingas
6
Ada 3 komponen utama yang menunjang kerja Turbin Gas, yaitu:
1. Kompresoraksial
Yang dimaksud aliran axial adalah bahwa jalan aliran udara arahnya paralel atau
memanjang searah dengan shaft dari rotor .Kompresor aksial terdiri dari beberapa tingkat
(dapatmencapai30tingkat), masing-masing tingkat terdiri dari satu baris sudu gerak pada
rotor, dan satu baris sudu tetap pada stator untuk memperoleh efisiensi yang tinggi diperlukan
rasio kompresi yang tinggi. Namun, karena dalam satut ingkathanya dapat memberikan
kenaikan tekanan yang kecil, maka kenaikan tekanan yang diperoleh dalam satubaris sudu
tidak besar. Dengan demikian untuk memperoleh effisiensi yang tinggi diperlukan beberapa
tingkat kompresor aksial dalam seri. Komponen utama sebuah kompresor aksial adalah rotor
dengan sudu– sudu gerak dan stator dengan sudu–sudu tetap. Penampang suduber bentuk
airfoil. Biasanya sudu dipasangkan longgar pada rotor untuk memberi ruang pemuaian saat
sudah panas ketika beroperasi [2 &3].
2. Ruang bakar
Ruang bakar sangat menentukan mutu gas pembakaran,bukan hanya dari segi energi
yang disediakan tetapi juga emisi gas buangnya.Untuk menjamin hal tersebut maka ruang
bakar turbin gas harus memenuhi syarat-syarat berikut ini:
1. Efisiensi pembakaran yang tinggi, bahan bakar harus terbakar sempurna sehingga semua
energi kimia dapat dikonversi menjadi energi panas.
2. Distribusi temperatur keluar ruang bakar yang sama.
3. Emisi polutan (CO, NoX, SoX) dan asap yang rendah
4. Harga yang murah dan mudah perawatannya. Maka konstruksi harus sederhana serta
dibuat dari material yang tidak mahal.
5. Tahan lama. Konstruksi dan material yang baik serta pendinginan yang baik.
Ada beberapa jenis ruang bakar :
1. Tubular
Konstruksi yang tegar dan kuat
7
Aliran bahan bakar dan aliran udara mudah dipadukan.
Berat total material ringan
Mudah pemeriksaan dan penggantian.
Volume dan penampang frontal besar
Gambar 6.melintang titik nyala pada ruang bakar tubular
Gambar 7. Potongan gambar ruang bakar tubular
2. Anular
Penampang frontal minimum
Penyalaan lebih mudah
Relatif tidak banyak membentuk asap
Pendinginan dan pembersihannya lebih mudah
8
Gambar8. Gambar melintang pada ruang bakar anular[3]
Gambar9.Potongan gambar ruang bakar anular[1]
3. Tubo-anular atau kanular
Pola aliran bahan bakar dan aliran udara mudah disesuaikan
Gambar10.Gambar melintang titik nyala pada ruang bakar tubo anular atau kanular
9
Gambar11.Potongan gambar ruang bakar tuboanular atau kanular
Ruang bakar terdiri dari tabung luar dan tabung dalam, tabung luar merupakan
bungkus dan sekaligus struktur penyangga ruang bakar. Sedangkan tabung dalam
membentuk atau membatasi ruang dimana proses pembakaran itu berlangsung.
Didalam tabung dalam terdapat penyemprot bahan bakar dan penyala, dan pemegang nyala
(flameholder) yang berfungsi memperlambat aliran, membentuk vorteks atau turbulensi,
sehingga api pembakaran terbakar sempurna dantetap ditempat.Hanyasekitar20–
30%udarayang digunakan untuk pembakaran pada beban penuh (fullload). Sedangkan
sisanya akibat panas dari api pembakaran akan mengembang atau berekspansi melalui sudu-
sudu turbin. Udara yang digunakan untuk pembakaran itulah yang disebut P r i m a r yAir dan
jumlahnya diatur oleh banyak dan besarnya lubang-lubang combustor, tempatur dara tersebut
masuk kedaerah pembakaran.
Sebelum digunakan untuk proses pembakaran, sebagian dari primary air diarahkan
melalui lubang-lubang disekeliling combuster untuk membentuk selubung (layers) udara
yang berfungsi untuk melindungi dinding kombustor dari sentuhan api.
Disebelah bawah kombustor, dimasukkan aliran udara yang disebut S ec o nd a r yAir. Aliran
udara ini bercampur dengan gas panas hasil pembakaran (primary air), untuk mencegah
masuknya aliran yang sangat panas ke dalam turbin. Udara sekunder (cooling air) tersebut
juga berfungsi mendinginkan ruang bakar, nozzle blade, dan turbine disc.
Tanpa adanya aliran udara tersebut maka ruang bakar akan menjadi bola api yang
besar yang bertemperatur kira-kira 3500 derajat Fahrenheit (1927deg.C). Letak penyala pada
kombuster ditetapkan berdasarkan pengalaman dan pengujian, yaitu ditempat dimana
campuran bahan bakar–udara paling mudah terbakar tetapi juga dilindungi dari api yang
panas. Hal tersebut disebabkan karena fungsi penyala adalah menyalakan campuran bahan
bakar–udara sampai terjadi pembakaran yang tetap atau stabil, setelah itu tidak bekerja atau
10
dimatikan [2 &3].
3. TurbinAksial
Bagian turbin merubah panas dari pembakaran diruang bakar menjadi tenaga putar
mekanis. Sama seperti kompresor, bagian turbin juga terdiri dari beberapa deret sudu-sudu
yang berputar dan tidak berputar. Sudu-sudu yang berputar tersebut disebut rotorblade dan
sudu-sudu yangtidak berputar pada turbin disebut nozzle. Karena proses aliran gas didalam
turbin adalah ekspansi, sudu turbin dapat dibuat dengan sudut belok lebih besar dari pada
sudu kompresor. Hal tersebut memungkinkan konversi energi pertingkat yang lebih besar
pula. Maka tidak mengherankan jika satu tingkat turbin dapat menghasilkan daya untuk
menggerakkan 12 atau lebih tingkat kompresor dengan effisiensi yang cukup
tinggi.Perlukiranya disebutkan disini bahwa pada unit daya tinggi, turbin dibuat dengan
beberapa tingkat karena keterbatasan kemampuan satu tingkat turbin untuk menyerap semua
energi gas yang tersedia itu sekaligus secara efisien [2 &3].
2. KomponenPendukungTurbingas
Variable Inlet GuideVane (VIGV)
Terletak pada 1atau 2 tingkat sudu stator pertama kompresor. Berfungsi mengatur aliran
massa udara supaya bisa menyesuaikan dengan keadaan pada saat start, akselerasi , dan
deselerasi kompresor[4 &5].
Gambar12 Potongan gambar VIGV[4]
Bleed Valve
Terletak dikompresor dan sebelum diatas rumah ruang pembakardan mempunyai saluran
untuk membuang aliran udara kompresor dengan tidak melewati ruang bakar dan bagian
11
turbin. Berfungsi untuk mengurangi tekanan balik atau back pressure pada kompresor dan
juga mengurangi beban yang diterima turbin. Sekitar 10-15% dari jumlah aliran udara pada
saat itu dibuang [4 &5].
Gambar13.Potongan gambar Bleed valve
Pada saat pembakaran, temperatur dalam ruang bakar akan meningkat dengan cepat.
Kenaikan temperatur ini menyebabkan volume dan kecepatan aliran tersebut bertambah
besar, tapi tekanannya tetap. Dari proses pembakaran, gas mengalami proses ekspansi yang
kemudian diarahkan oleh nozzle untuk mendorong sudu-sudu rotor turbin sehingga turbin
akan berputar.
Turbin pada RRAVON adalah kombinasi dari cara impuls dan reaksi. Pergerakan
pertama dari rotor adalah dengan cara impuls, yaitu gas membentur dan mendorong sudu
rotor untuk mulai berputar, tetapi gas yang berekspansi setelah melewati sudu akan
bertambah kecepatannya sehingga menghasilkan proses reaction yang menyebabkan
perputaran secara terus-menerus. Gas yang berekspansi tersebut kemudian memutar rotor
turbin, sehingga energinya berkurang menyebabkan turunnya tekanan dan temperatur gas
tersebut setelah berekspansi.
Pada RRAVON, terdapat 3 tingkat (stage) sudu pada turbin, dimana terpasang dalam
2 bagian shaft yang berbeda pada RRAVON 2 stage GG dan1 stage power turbin terhubung
secara split shaft. Dua tingkat sudu pertama untuk gas producer generator dan satu tingkat
terakhir untuk power turbin. Sekitar 2/3 dari jumlah tenaga dihasilkan oleh gas producer
rotor. Gas producer generator adalah stage pada turbin yang tenaganya digunakan untuk
memutar engine kompresor dan perlengkapannya. Misalnya compressor package, generator,
pompa dan lain-lain. Dan 1/3 jumlah tenaga sisanya pada turbin dihasilkan oleh power turbin
rotor yang terletak pada turbin tingkat 3 digunakan untuk menggerakkan peralatan yang
diinginkan seperti gas kompresor, dll. Gas sisa ekspansi tersebut dikeluarkan melalui
12
exhaust ke atmosfir [4].
Difuser
Difuser adalah alat atau saluran yang berfungsi menaikkan tekanan fluida dengan
jalan menurunkan kecepatannya. Atau, difuser adalah alat yang mengubah energi kinetik
menjadi tekanan. Difuser tidak menghasilkan atau memerlukan kerja mekanik.
VELOCITY= DEREASING PRESSURE= INCREASING TEMPERATURE=
INCREASING
Gambar 14. Skema aliran udara dari kompresor ke ruang bakar [2]
Fungsi diffuser disini adalah untuk memperlambat kecepatan (velocity) udara. Sehingga
udara bercampur dengan bahan bakar dengan sempurna.
Nozel
Nozel adalah alat atau saluran yang berfungsi menaikkan kecepatan fluida dengan jalan
menurunkan tekanannya. Atau, nozel adalah alat untuk mengekspansikan fluida sehingga
kecepatannya bertambah besar. Sepertidifuser, nozzel tidak menghasilkan atau memerlukan
kerja mekanik ; maka untuk nozzel W=0[3, 4,&5].
Variabel-variabel Kinerja Turbin Gas [6, 7,&8]
Po : Barometric Pressure, yaitu tekanan udara luar atau tekanan atmosfer diukur
sebelum masuk intake.
P1 : GG bellmouth pressure,yaitu tekanan udara pada bell mouth atau tekanan udara
13
yang diukur pada intake kompresor.
ΔPi : Gas generator intake depression,yaitu besarnya penurunan tekanan yang masuk
gas generator (turbin stage 1 &2) atau penurunan tekanan setelah keluar ruangbakar.
T1 :Intake temperature, yaitu temperature udara masuk kompresor.
T2 : Compressor delivery temperatur, yaitu temprature udara keluar kompresor,
diukur pada kompresor stage ke 17.
T4 : Exhaust gas temperature, yaitu temperature gasyang keluar dari gas generator
(turbin stage ke 2) atau temperatur gas sebelum masuk power turbin.
T5 : Exhaust conetemperature, yaitu temperature gas yang keluar dari power turbin
(turbin stage ke 3).
CDP : Compressor discharge pressure (P2), yaitu tekanan udara yang keluar dari
kompresor atau tekanan udara sebelum masuk ruang bakar (kompresor stage ke 17).
P4 : Exhaust gas generator pressure, yaitu tekanan gas yang keluar dari gas generator
(turbin stage ke 2) atau tekanan gas sebelum masuk power turbin.
P5 : Exhaust conepressure, yaitu tekanan gas yang keluar dari power turbin (turbin
stage ke 3).
N1 : Compressor speed, yaitu besarnya putaran kompresor.
VIGV : Variable inletguide vane angle,yaitu besarnya sudut bukaan pada kompresor
stageke1,yang berfungsi untuk mengatur besarnya udara yang masuk ke kompresor.
Effisiensi kompresor, yaitu besar keefektifan energi pada kompresor.
Effisiensi Thermal, yaitu besarnya keefektifan energi panas pada suatu ruang bakar
turbin gas.
Gambar15. Potongan gambar rotor kompresor [4 &5]
14
Gambar16. Potongan gambar rotor turbin [4 &5]
Gambar17. Potongan gambar bell mouth kompresor [4 &5]
4. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas
1. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine)
Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor
berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara
juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang
bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan
bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga
dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran
15
tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran
tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk
memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll.
Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).
Gambar turbin gas pesawat terbang
Turbin gas yang dipakai industri dapat dilihat pada gambar 18, cara kerjanya sama
dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starter dinyalakan untuk memutar kompresor,
udara segar terhisap masuk dan dimampatkan. Kemudian, udara mampat dengan temperatur
dan tekanan yang cukup tinggi (2000C, 6bar) mengalir masuk ruang bakar, bercampur
dengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar kemudian dinyalakan dan terjadi
proses pembakaran, temperatur gas pembakaran naik drastis. Gas pembakaran dengan
temperatur tinggi (6bar, 7500C) berekspansi pada turbin, sehingga terjadi perubahan energi,
dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran setelah berekspansi
diturbin, lalu keluar sebagai gas bekas. Selanjutnya, turbingas bekerja dengan putaran poros
turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak kompresor dan generator listrik.
16
Gambar 19. Turbin gas untuk industri (pembangkit listrik)
Persamaan turbin gasdengan motor bakar adalah pada proses pembakarannya yang
terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya adalah sama yaitu hisap,
kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang. Perbedaannya adalah terlatak pada kontruksinya,
motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik (reciprocating) sedangkan turbin gas
adalah mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap (intermiten), untuk turbin gas adalah
kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak pernah dipakai untuk gaya dorong.
Gambar 20. Mesin pembakaran dalam (turbin gas dan motor bakar)
Turbin gas bekerja secara kontinyu tidak betahap, semua proses yaitu hisap
kompresi, pembakaran dan buang adalah berlangsung bersamaan. Pada motor bakar yang
prosesnya bertahap yaitu yang dinamakan langkah, langkah hisap,kompresi,
17
pembakaran,ekspansidan langkah buang, antara langkah satu dan lainnya saling bergantung
dan bekerja bergantian. Pada proses ekspansi turbin gas, terjadi perubahan energi dari energi
panas menjadi energi mekanik putaran poros turbin, sedangkan pada motor bakar pada
langkah ekspansi terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi mekanik gerak bolak-
balik torak. Dengan kondisi tersebut, turbin gas bekerja lebih halus tidak banyak getaran.
Gambar 21. Perbandingan turbin gas dan mesin diesel
Turbin gas banyak digunakan untuk mesin propulsi atau jet, mesin automotiv, tenaga
pembangkit listrik [gambar20], atau penggerak peralatan-peralatan industri seperti
penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasil kan turbin gas mulai dari 250000 HP
untuk pembangkit listrik sampai 5HP pada turbo charger pada mesin motor.
Keunggulan dari turbin gas adalah mesinnya yang ringan dan ukuran yang kecil bisa
18
menghasilkan daya yang besar. Sebagai contoh pada gambar 2 0 adalah turbin gas yang biasa
dipakai untuk penggerak generator listrik kecil. Generator ini banyak dipakai untuk
mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya bisa menggantikan kalau terjadi
pemadaman listrik. Gedung-gedung perkantoran, rumah sakit, universitas, perusahaan dan
lainnya, banyak yang menggunakan generator jenis ini. Dibandingkan dengan penggunaan
generator penggerak diesel, dengan penggerak turbin gas ukurannya menjadi lebih kecil,
sehingga bisa menghemat tempat dan mudah dipindahkan. Pesawat terbang memerlukan
mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin dengan daya besar untuk daya dorong,
tetapi ringan juga dari segi ukuran harus kecil. Dengan alasan tersebut, penggunaan turbin
gas pada pesawat terbang menjadi pilihan yang tepat, dan tidak bisa digantikan jenis mesin
lain. Pada industri dan pembangkitan listrik turbin gas sangat menguntungkan karena mesin
mudah diinstal, operasinya tidak ruwet, dan tidak memerlukan ruangan yang besar.
Proses Pembakaran
Padagambar20, dapatdilihatdarikotruksikomponenruangbakar,apabila
digambarkanulangdenganprosespembakaranadalahsebagaiberikut :
Gambar 22. Ruang baka dan proses pembakaran turbin gas
Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin diesel,
yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara
mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer
yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara mampat sekunder
yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer masuk ruang bakar melewati swirler,
sehingga alirannya berputar.
Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya
19
bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses
pencampuran, hal ini menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.
Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar akan
membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan
menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses
pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar.
Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang
tinggi yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara pendinginan udara
sekunder,temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan.
Pada gambar 22 diatas, terlihat zona terakhir adalah zona pencampuran (dillute zone), adalah
zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder.
Fungsi udara pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas pembakaran yang
bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang aman apabila mengenai sudu-sudu turbin
ketika gas pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah
massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi
potensial gas pembakaran juga bertambah. Apabila Wkinetik adalah energi kinetik gas
pembakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder adalah m1 maka
energi kinetiknya adalah sebagai berikut:
Wkinetik,1= m1.V²
2
Dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energi kinetik menjadi
Wkinetik,1= (m1+m2).V²
2
Jadi dapat dilihat Wkinetik,2 (dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1 (tanpa
udara sekunder).
Dari uraian diatas, terlihat proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara
yang berlebih, biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran dengan
jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara pembakaran
terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan proses pembakaran dan mati,
karena panas banyak terbuang keluar melalui gas bekas yang bercampur udara dingin
sekunder. Dengan pemikiran yang sama, apabila udara jumlah udara kurang dari normal,
20
yaitu terjadi over heating, material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melampaui
kekuatannya dan ruang bakar bisa pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti bekerja atau
proses pembakaran terhenti.
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut:
Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan
udara kemudian di bakar.
Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui
nozel (nozzle).
Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran
pembuangan.
Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang
dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada
menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada
ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:
Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure
losses) di ruang bakar.
Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya
gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan
perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
Adanya mechanical loss, dsb.
Klasifikasi Turbin Gas
Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut
siklusnya turbin gas terdiri dari:
Turbin gas siklus tertutup (Close cycle)
21
Turbin gas siklus terbuka (Open cycle)
Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus fluida kerja. Pada turbin gas siklus
terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk
siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses
awal.
Dalam industri turbin gas umumnya diklasifikasikan dalam dua jenis yaitu :
Turbin Gas Poros Tunggal (Single Shaft)
Turbin jenis ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang menghasilkan energi
listrik untuk keperluan proses di industri.
Turbin Gas Poros Ganda (Double Shaft)
Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin
bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang
berubah seperti kompresor pada unit proses.
Siklus-Siklus Turbin Gas
22
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.
23
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 24. 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
24
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.
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.
25
A. Turbin gas sistem terbuka (langsung dan tidak langsung)
Gambar 25. Bagan kerja turbin gas sistem terbuka 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
26
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.
27
Gambar 26. Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung
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.
Gambar 27. Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung
28
B. Turbin gas sistem tertutup (langsung dan tidak langsung)
Gambar 28. 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.
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
29
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 6.1diagram 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
yangmasuk,dirumuskansebagaiberikut;
η=Wbergunaqmasuk
=qmasuk−qkeluarqmasuk
bisaditulisdalambentuk;
Dimana Cp kapasitasjenispadatekanankonstan
ᵧ=CpC
Dapat dilihat dari perumusan diatas, bahwa untuk menaikan efisiensi turbin gas, kompresor
yang di gunakan harus memiliki perbandingan tekanan P 2P 1
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.
30
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 29. 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
31
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:
a. Main Lube Oil Pump, merupakan pompa utama yang digerakkan oleh HP shaft pada
gear box yang mengatur tekanan discharge lube oil.
b. Auxilary Lube Oil Pump, merupakan pompa lube oil yang digerakkan oleh tenaga
listrik, beroperasi apabila tekanan dari main pump turun.
c. 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:
32
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:
a. Running Maintenance. Suatu kegiatan perawatan yang dilakukan hanya bertujuan
untuk memperbaiki equipment yang rusak saja dalam satu unit. Unit produksi tetap
melakukan kegiatan.
b. Turning Around Maintenance. Perawatan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan
pengoperasiannya.
33
c. Repair Maintenance. Perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang tidak kritis,
atau disebut juga peralatan-peralatan yang tidak mengganggu jalannya operasi.
d. 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.
e. 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.
f. Break Down Maintenance. Kegiatan perawatan yang dilakukan setelah terjadi
kerusakan atau kelainan pada peralatan sehingga tidak dapat berfungsi seperti
biasanya.
g. Modification Maintenance. Pekerjaan yang berhubungan dengan disain suatu
peralatan atau unit. Modifikasi bertujuan menambah kehandalan peralatan atau
menambah tingkat produksi dan kualitas pekerjaan.
h. Shut Down Maintenance. Kegiatan perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang
sengaja dihentikan pengoperasiannya.
34