1

TURBIN UAP

PENYEDIAAN ENERGI

2

TURBIN UAPSistem 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

Siklus Rankine• Penyerapan panas isobarik (1-2)• Ekspansi adiabatik (2-3)• Pembuangan panas isobarik (3-4)• Kompresi isentropik (4-1)

Dasar TermodinamikaSistem turbin uap didasari Siklus Rankine

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

Menaikkan Efisiensi1) menaikkan tekanan uap masuk turbin2) menaikkan suhu uap masuk turbin3) menurunkan tekanan kondensor4) pemanasan uap keluar turbin5) pemanasan awal air umpan boiler

6

SOALTentukan efisiensi sebuah sistem turbin uap dgn kondisi aliran sebagai berikut:

Uap masuk turbin : saturated steam P2 = 2000 kPa Uap masuk kondensor : P3 = 7,5 kPa.Air keluar kondensor : air jenuh P4 = 7,5 kPaAir masuk boiler: P1 = 2000 kPa

7

Jawab

8

Jawab (Lanjutan…)

9

Jawab (Lanjutan…)

10

Jawab (Lanjutan…)

11

Jawab (Lanjutan…)

12

PERHATIKANDari contoh soal di atas, beberapa hal perlu mendapat

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 samac. 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

13

MENAIKKAN KESANGKILANTurbin Uap

14

Efek Kenaikan Temperatur Uap thd Efisiensi Siklus

15

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

16

(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

21149,8q

w+wmasuk panasneto 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

17

Efek Kenaikan Tekanan Uap thd Efisiensi Siklus

18

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

19

(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+wmasuk panasneto 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

20

Pemanasan Awal Air Umpan Boiler

21

Pemanasan Awal Air Umpan Boiler

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

Contoh

22

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)

23

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

24

JENIS TURBINTURBIN UAP

25

1) Ekspansi dalam Turbin

Turbin merupakan salah satu bagian dalam siklus Rankine. Di dalam turbin, konversi energi termal uap menjadi energi mekanikmelalui beberapa tahap, misalnya:

• steam lewat nosel, sehingga terjadi penurunan tekanan dan kenaikan kecepatan

• momentum steam keluar nosel digunakan untuk menggerakkan sudu-turbin.

26

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

mv

v

P

P

27

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

mvv

P

P

28

2) Kelompok Atas Dasar Kondisi Steam Ketika

Keluar turbina. Back Pressure Turbine• Steam keluar masih bertekanan relatif tinggi• Turbin jenis ini banyak digunakan di pabrik kimia

29

b. Condensing Turbine• Steam keluar = saturated steam atau bahkan

sebagian steam telah terkondensasi• Jenis ini banyak digunakan di pembangkit listrik

30

c. Extraction (Induction) Turbine• Gabungan back-pressure dan condensing turbine

dalam satu rumah casing• Banyak digunakan dalam cogeneration

31

RUGI-RUGITURBIN UAP

32

Rugi-rugi Internal Turbin

Available Work Entalpi steam yang mungkin dikonversi menjadi kerja

Stage Work Entalpi steam yang terkonversi nyata menjadi kerja

33

Rugi-rugi di dalam Turbin Satu Tingkat

Nozzle ReheatRugi-rugi ketika steam diekspansikan di nosel secara

adiabatik tak-reversibel dan mengakibatkan kenaikan temperatur steam (relatif terhadap temperatur jika steam diekspansikan isentropik)

Blade Reheat Rugi-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

34

Efisiensi Isentropik Turbin Satu Tingkat

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

35

Rugi internal turbin banyak tingkat

Reheat factor

36

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

37

Konsumsi Steam SpesifikKonsumsi 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:

38

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

39

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.

40

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(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

41

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

42

43

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).

44

c. PNHR (plant net heat rate) :

Keterangan:(ef. boiler) = efisiensi boiler [%aux. power] = daya yang diserap oleh internal power plant

45

Konsumsi Panas Spesifik Dipengaruhi Oleh• 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.

46

Contoh Efek Tekanan Kondensor terhadap Konsumsi Steam

Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.

47

CONTOHPerkirakan 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%

48

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

49

CONTOHPerkirakan 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)

50