TURBIN UAPTURBIN UAP
*
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
*
entropi
temperatu
r
4
3
P
3
2
P
2
P
1
b
a
1
(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)
_1114667560.vsd
entropi
temperatur
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
*
*
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
*
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)
Titik 3 merupakan campuran cair-jenuh dan uap-jenuh.
Data kondisi jenuh dari steam table:
entalpi, kJ/kg
entropi, kJ/(kg.K)
s3 = 6,3409 = x.sA + (1 - x).sB ( x = 0,2489
x = fraksi cairan dalam aliran keluar turbin
Entalpi titik 3:
*
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
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:
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
*
*
T3a = 500 C (Td2000kPa = T3 = 212,4 C)
P3a = 2000 kPa
h3a = 3467,6 kJ/kg
s3a = 7,4317 kJ/(kg.K)
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
*
(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
2
1149,8
q
w
*
T3’ = 500 C
P3’ = 3000 kPa
h3’ = 3456,5 kJ/kg
s3’ = 7,2338 kJ/(kg.K)
s4' = s3' = 7,2338 kJ/(kg.K) (ekspansi isentropik)
a). cair jenuh: sA' = 0,5764 kJ/(kg.K);
hA' = 168,79 kJ/kg
hB' = 2574,8 kJ/kg
h4' = x'.hA' + (1 – x').hB' = 2255,8 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)
*
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
(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)
Kondisi-kondisi aliran yang diketahui (angka bold-italic = hasil hitungan):
1
2
3
4
5
6
7
(7) efisiensi siklus = 723,7 / 2187,9 = 33%
kenaikan temp.
Di dalam turbin, konversi energi termal uap menjadi energi
mekanik melalui beberapa tahap,
steam lewatkan nosel, sehingga terjadi penurunan tekanan dan kenaikan kecepatan
momentum steam keluar nosel digunakan untuk menggerakkan sudu-turbin.
*
Kelompok atas dasar tahapan ekspansi
a. turbin impuls: steam hanya mengalami ekspansi ketika lewat nosel dan tidak pada sudu-gerak.
nosel
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-diam
sudu-diam
v
v
P
P
_1114003298.vsd
nosel
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-diam
sudu-diam
v
v
P
P
*
b. turbin reaksi: steam diekspansikan bertahap ketika lewat nosel dan sudu-gerak
nosel
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-diam
sudu-diam
v
v
P
P
_1114003474.vsd
nosel
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-gerak
sudu-diam
sudu-diam
v
v
P
P
back pressure turbine
turbin jenis ini banyak digunakan di pabrik kimia
*
steam keluar = saturated steam atau bahkan sebagian steam telah terkondensasi
jenis ini banyak digunakan di pembangkit listrik
*
banyak digunakan dalam cogeneration
*
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
*
h2,s = entalpi steam keluar (jika ekspansi isentropik,
s2s = s1
Reheat factor
Efisiensi isentropik tergantung pada berbagai faktor, seperti: kapasitas dan kondisi steam masuk turbin.
jenis turbin
*
Konsumsi Steam Spesifik
Konsumsi Uap Spesifik (specific steam rate): konsumsi steam per satuan waktu untuk menghasilkan satu satuan daya.
w = he - hi
subskrip: i = inlet dan e = exit
Konsumsi steam:
TSR = 1/ (hi - he)
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)
ASR = TSR /
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.
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
*
*
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).
*
(ef. boiler) = efisiensi boiler
*
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.
*
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%
*
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)
*
b. turbin reaksi: steam diekspansikan bertahap ketika lewat nosel dan sudu -gerak
nosel
sudu-geraksudu-geraksudu-gerak
sudu-diamsudu-diam
v
v
P
P
Perhitungan dimulai dengan penentuan nilai h, s di setiap titik.
(1) Titik 2, uap jenuh: P
2
s
2
= 6,3409 kJ/(kg.K) (dari steam table)
(2) Titik 3, adalah uap hasil ekspansi yang akan masuk kondenser
P
3
Titik 3 merupakan campuran cair -jenuh dan uap-jenuh.
Data kondisi jenuh dari steam table:
entalpi, kJ/kg entropi, kJ/(kg.K)
Entropi titik 3 (campuran cair -uap):
s
3
Entalpi titik 3:
(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)
w
p
P
4
v
1
= v
2
= 1,008.10
-3
m
3
w
p
= 1,008.10
-3
(4) Titik 1 adalah cairan dingin ( subcooled water dengan T
1
< T
didih
h
1
- h
4
= w
p
h
1
= h
4
+ w
p
Sampai disini, semua data termodinamika air dan uap telah lengkap.
Selanjutnya perhitungan kerja dan panas.
(5) Kerja yang dihasilkan turbin (2 - 3):
w = h
= 1975,9 – 2799,5 = - 823,6 kJ/kg (keluar)
(6) Kerja neto = kerja hasil ekspansi di turbin - kerja untuk pompa
w
net
q
in
= h
2
- h
1
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
5) w
(6) q
kenaikan temp.
Temp. masuk turbin,
Temp. masuk boiler,
Efisiensi siklus, % 31,3 33,0
1 2 3 4 5 6 7
sat. steam sat. water
T, C
s, kJ/(kg.K) 6,3409 6,3409 6,3409
v, L/kg 1,008 1,086
Kelompok atas dasar tahapan ekspansi
a. turbin impuls: steam hanya mengalami ekspansi ketika lewat nosel dan tidak pada
sudu-gerak.
nosel
sudu-geraksudu-geraksudu-gerak
sudu-diamsudu-diam
v
v
P
P
(3) w = h
Efisiensi siklus, % 31,3 34,8 11,2
Efisiensi isentropik tergantung pada berbagai faktor , seperti: kapasitas dan kondisi
steam masuk turbin.
disalin dari Perry, "Chem Engr. Handbook", ed. 5
12.5 MW
2 Speed, rpm 3000 4200 6596
3 Steam inlet Conditions: Normal Normal Normal
4 Pressure, kg/cm
7 Steam Extraction Condition: Normal Normal Normal
8 Pressure, kg/cm
13 Cooling Water - Sea Water Normal Normal Normal
14 Allow. Temp. Rise,
2
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