1

2

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.

3

Fluida kerja (air-uap air) menjalani proses-proses: a. penyerapan panas pada tekanan tetap di boiler b. ekspansi adiabatik untuk menghasilkan kerja c. pembuangan panas pada tekanan tetap di condensor d. pemompaan untuk menaikkan tekanan

4

Dasar TermodinamikaSistem turbin uap didasari Siklus Rankine

entropi

temperatur

4 3

P 32

P 2

P 1

ba

1

Efisiensi siklus Rankine < efisiensi siklus Carnot (pada rentang temperatur kerja kedua siklus sama) bandingkan luas bidang 1-b-2-3-4-1 (untuk siklus Rankine) terhadap luas bidang 1-a-b-2-3-4-1 (untuk siklus Carnot)

5

Peningkatan efisiensi sistem turbin uappeningkatan 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

6

Siklus Rankine SEDERHANA

7

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 kPaair masuk boiler: P1 = 2000 kPa

8

Perhitungan dimulai dengan penentuan nilai h, s di setiap titik. (1) Titik 2, uap jenuh: P2 = 2000 kPa dan T2 = 212,4 oC h2 = 2799,5 kJ/kg (dari steam table) s2 = 6,3409 kJ/(kg.K) (dari steam table) (2) Titik 3, adalah uap hasil ekspansi yang akan masuk kondenser P3 = 7,5 kPa (diketahui) s3 = s2 = 6,3409 kJ/(kg.K) (2 - 3 dianggap ekspansi isentropik) Titik 3 merupakan campuran cair-jenuh dan uap-jenuh. Data kondisi jenuh dari steam table:

entalpi, kJ/kg entropi, kJ/(kg.K) cair jenuh (A) 168,79 0,5764 uap jenuh (B) 2574,8 8,2515

Entropi titik 3 (campuran cair-uap): s3 = 6,3409 = x.sA + (1 - x).sB x = 0,2489 x = fraksi cairan dalam aliran keluar turbin Entalpi titik 3: h3 = x.hA + (1 - x).hB h3 = 1975,9 kJ/kg

9

(3) Kerja pompa (persamaan mekanika fluida): wp = v . (P1 – P4) dengan: P1 = 2000 kPa; tekanan aliran keluar pompa dan masuk boiler P4 = 7,5 kPa; tekanan aliran masuk pompa, dari kondensor v1 = v2 = 1,008.10-3 m3/kg (dari steam table); volum spesifik air dianggap konstan wp = 1,008.10-3 . (2000 – 7,5) = 2 kJ/kg (4) Titik 1 adalah cairan dingin (subcooled water dengan T1 < Tdidih). Entalpi h1 ditentukan dari neraca energi proses pemompaan 4 – 1: h1 - h4 = wp h1 = h4 + wp = 168,79 + 2 = 170,79 kJ/kg Sampai disini, semua data termodinamika air dan uap telah lengkap.

Selanjutnya perhitungan kerja dan panas. (5) Kerja yang dihasilkan turbin (2 - 3): w = h3 - h2 = 1975,9 – 2799,5 = - 823,6 kJ/kg (keluar) (6) Kerja neto = kerja hasil ekspansi di turbin - kerja untuk pompa wnet = 2 - 823,6 = - 821,6 kJ/kg (7) Panas yang diserap (1 – 2): qin = h2 - h1 = 2799,5 – 170,79 = 2628,71 kJ/kg (8) Efisiensi siklus Rankine:

31,3% 100% x2628,71

821,6

masuk panas

neto kerja

10

Dari contoh soal di atas, beberapa hal perlumendapat perhatian:

a. kerja pompa relatif sangat kecil dibandingkan terhadap kerja hasil ekspansi di turbin (wp << w)

b. wp sering diabaikan, sehingga entalpi air sebelum dan sesudah pompa dianggap sama

c. efisiensi siklus dipengaruhi oleh kondisi uap di titik masuk turbin dan kondisi uap keluar turbin

d. jumlah cairan dalam uap keluar turbin tergantung spesifikasi turbin masing-masing

11

Efek Kenaikan Temperatur Uap thd Efisiensi Siklus

12

Kondisi masuk turbin superheated steam:T3a = 500 C (Td2000kPa = T3 = 212,4 C)P3a = 2000 kPah3a = 3467,6 kJ/kgs3a = 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/kgb). 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

13

(2) kondisi 1 dan 2 sama dengan contoh sebelumnya (3) w = h4a - h3a = 2317,8 – 3467,6 = -1149,8 kJ/kg wp = 2 kJ/kg (contoh sebelumnya) qin = h3a - h2 = 3467,6 – 170,79 = 3296,8 kJ/kg

100% x 3296,8

21149,8

q

w+w

masuk panas

neto kerja =

in

p = 34,8%

(4) Kesimpulan

dasar kenaikan temp.

selisih (%)

Temp. masuk turbin, oC 212,4 500 Kerja netto, kJ/kg 821,6 1147,8 39,7 Panas masuk, kJ/kg 2628,71 3296,8 25,4 Efisiensi siklus, % 31,3 34,8 11,2

14

Efek Kenaikan Tekanan Uap thd Efisiensi Siklus

15

Kondisi masuk turbin superheated steam:T3’ = 500 CP3’ = 3000 kPah3’ = 3456,5 kJ/kgs3’ = 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

16

(2) w = h4' - h3' = 2255,8 – 3456,5 = -1200,7 kJ/kg wp = 1,008.10-3 . (3000 - 7,5) = 3,01 kJ/kg h2' = h1 + wp = 168,79 + 3,01 = 171,8 kJ/kg qin = h3' - h2' = 3456,5 – 171,8 = 3284,7 kJ/kg

100% x 3284,7

3,01)(,

q

w+w

masuk panas

neto kerja =

in

p

71200 = 36,5%

3) Kesimpulan

dasar kenaikan temp.

kenaikan T dan P

Temp. masuk turbin, oC 212,4 500 500 Tekanan masuk turbin, kPa 2000 2000 3000 Kerja netto, kJ/kg 821,6 1147,8 1197,7 Panas masuk, kJ/kg 2628,7 3296,8 3284,7 Efisiensi siklus, % 31,3 34,8 36,5

17

Pemanasan Awal Air Umpan Boiler

18

Kondisi-kondisi aliran yang diketahui (angka bold-italic = hasil hitungan): 1 2 3 4 5 6 7

sat. steam sat. water

P, kPa 2000 400 7,5 7,5 400 400 2000 T, C 212,42 h, kJ/kg 2799,5 2507,3 1975,9 168,79 609,9 s, kJ/(kg.K) 6,3409 6,3409 6,3409 v, L/kg 1,008 1,086

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)

19

5) wnet = -723,7 kJ/kg (kerja 2 pompa diabaikan) (6) qin = h1 - h7 = 2799,5 – 611,6 = 2187,9 kJ/kg (7) efisiensi siklus = 723,7 / 2187,9 = 33%

kenaikan temp. Kesimpulan siklus dasar masuk boiler

Temp. masuk turbin, oC 212,4 212,4 Tek. masuk turbin, kPa 2000 2000 Temp. masuk boiler, oC sub-cooled water 212,4 (sat.water) Kerja netto, kJ/kg 821,6 723,7 Panas masuk, kJ/kg 2628,71 2187,9 Efisiensi siklus, % 31,3 33,0

20

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.

21

Kelompok atas dasar tahapan ekspansi a. turbin impuls: steam hanya mengalami ekspansi ketika lewat nosel dan tidak pada

sudu-gerak.

nose

l

sudu

-ger

ak

sudu

-ger

ak

sudu

-ger

ak

sudu

-dia

m

sudu

-dia

m

v

v

P

P

22

b. turbin reaksi: steam diekspansikan bertahap ketika lewat nosel dan sudu-gerak

nose

l

sudu

-ger

ak

sudu

-ger

ak

sudu

-ger

ak

sudu

-dia

m

sudu

-dia

m

vv

P

P

23

Kelompok atas dasar kondisi steam ketika keluar turbin

a. back pressure turbine

• steam keluar masih bertekanan relatif tinggi

• turbin jenis ini banyak digunakan di pabrik kimia

24

b. condensing turbine

• steam keluar = saturated steam atau bahkan sebagian steam telah terkondensasi

• jenis ini banyak digunakan di pembangkit listrik

25

c. extraction/induction turbine

• gabungan back-pressure dan condensing turbine dalam satu rumah casing

• banyak digunakan dalam cogeneration

26

Rugi-rugi internal turbin

a. available work: entalpi steam yang mungkin dikonversi menjadi kerjab. stage work: entalpi steam yang terkonversi nyata menjadi kerja

27

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

28

Efisiensi Isentropik

dengan h1= entalpi steam masukh2= entalpi steam keluar (nyata)h2,s = entalpi steam keluar (jika ekspansi isentropik, s2s = s1

29

Rugi internal turbin banyak tingkat

Reheat factor

30

Efisiensi isentropik turbin banyak tingkat

Efisiensi isentropik tergantung pada berbagai faktor, seperti: kapasitas dan kondisi steam masuk turbin.

jenis turbin Kapasitas

HP Efisiensi

% Steam rate

kg/kWh satu tingkat 500 30 11,4 lima tingkat 1000 55 6,30 tujuh tingkat 4000 65 5,30 sembilan tingkat 10000 75 4,54 disalin dari Perry, "Chem Engr. Handbook", ed. 5

31

Konsumsi Steam Spesifik

Konsumsi Uap Spesifik (specific steam rate): konsumsi steam per satuan waktu untuk menghasilkan satu satuan daya.

w = he - hiW = 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:

32

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/kWhJika 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

33

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.

34

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/kgfraksi 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

35

Contoh Spesifikasi Turbin Uap 12.5 MW

generator pumpa BFW

kompresor gas proses

1 Shaft Power, kW 12500 1338.3 2557

2 Speed, rpm 3000 4200 6596

3 Steam inlet Conditions: Normal Normal Normal

4 Pressure, kg/cm2G 59.8 17.6 59.8

5 Temperature, oC 445 316 445

6 Flow, kg/h 101.305 - 21500

7 Steam Extraction Condition: Normal Normal Normal

8 Pressure, kg/cm2G 42 - -

9 Temperature, oC - - -

10 Flow, kg/h 90720 - -

11 Steam Exhaust: Normal Normal Normal

12 Pressure, mmHg/abs 101.6 3.9 3.9

13 Cooling Water - Sea Water Normal Normal Normal

14 Allow. Temp. Rise, oC 17 16.6 16.6

15 Max. Inlet Temp. oC 29.4 - 29.4

16 Max. Press. Drop kg/cm2 1.0 1.0 1.0

36

37

Konsumsi Panas Spesifik (Heat Rate)

turbin untuk produksi energi listrik

a. GHR (Gross Heat Rate, konsumsi panas spesifik bruto):

b. 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).

38

c. PNHR (plant net heat rate) :

(ef. boiler) = efisiensi boiler

[%aux. power] = daya yang diserap oleh internal power plant

39

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 programpenghematan energi.

40

Contoh Efek Tekanan Kondensor thd Konsumsi Steam

Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.

41

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%

42

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

43

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/kWhNHR (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)

44

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.

45

46

Kerjakan sendiri dan hasilnya sbb: