1001 Pengetahuan: Materi Penggerak Mula

PENGGERAK MULA

Turbin Uap

Oleh :

Kelompok 3

Hana masita (2011-72-065)

Gracia matatula (2011-72-040)

Divia alvionita sakina (2011-72-058)

Marthen b a risakota (2011-72-020)

Fervin likumahwa (2011-72-027)

Muhdi suwakul (2011-72-056)

Boysilan kelerey (2011-72-025)

Usman madaul (2011-72-026)

Ahmad pangeran (2011-72-019)

JURUSAN TEKNIK MESIN

PROGRAM STUDI TEKNIK INDUSTRI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS PATTIMURA

AMBON

2012

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dalam sejarah, mesin uap pertama kali dibuat oleh Hero dari Alexandria, yaitu sebuah prototipe turbin uap primitif yang bekerja menggunakan prisip reaksi. Selanjutnya setelah penemuan Hero, beberapa abad kemudian dikembangkan turbin uap oleh beberapa orang yang berusaha memanfaatkan uap sebagai sumber energi untuk peralatan mereka. Thomas Savery (1650-1715) adalah orang Inggris yang membuat mesin uap bolak-balik pertama, mesin ini tidak populer karena mesin sering meledak dan sangat boros uap. Untuk memperbaiki kinerja dari mesin Savery, Denis Papin (1647-1712) membuat katup-katup pengaman dan mengemukakan gagasan untuk memisahkan uap air dan air dengan menggunakan torak.

Gagasan Papin direspons oleh Thomas Newcomen ( 1663-1729) yang merancang dan membangun mesin menggunakan torak. Prinsip kerja yaitu uap tekanan rendah dimasukan ke silinder dan menekan torak sehingga bergerak ke atas. Selanjutnya, silinder disemprot air sehingga terjadi kondensasi uap, tekanan menjadi turun dan vakum. Karena tekanan atmosfer dari luar torak turun maka terjadi langkah kerja. Perkembangan mesin uap selanjutnya adalah mesin uap yang dikembangkan oleh James Watt. Selama kurang lebih 20 tahun ia mengembangkan dan memperbaiki kinerja dari mesin Newcomen. Gagasan James Watt yang paling penting adalah mengkonversi gerak bolak-balik menjadi geraka putar (1781). Mesin tersebut kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Corliss (1817-1888), yaitu dengan mengembangkan katup masuk yang menutup cepat, untuk mencegah pencekikan katup pada waktu menutup. Mesin Corliss menghemat penggunaan bahan bakar batu bara separo dari batu bara yang digunakan mesin uap James watt.

Kemudian Stumpf (1863) mengembangkan mesin uniflow yang dirancang untuk mengurangi susut kondensasi. Mesin uap yang dibuat paling besar pada abad 18 adalah menghasikan daya 5 MW, pada waktu itu dianggap raksasa, karena tidak adal agi mesin yang lebih besar. Seiring dengan kebutuhan tenaga listrik yang besar, kemudian banyak pengembangan untuk membuat mesin yang lebih efisien yang berdaya besar.

Gustav de Laval (1845-1913) dari Swedia dan Charles Parson (1854-1930) dari Inggris adalah dua penemu awal dari dasar turbin uap modern. De laval pada mulanya mengembangkan turbin rekasi kecil berkecepatan tinggi, namun menganggapnya tidak praktis dan kemudian mengembangkan turbin impuls satu tahap yang andal, dan namanya digunakan untuk nama turbin jenis impuls. Berbeda dengan De laval, Parson mengembang turbin rekasi tingkat banyak, turbinnya dipakai pertama kali pada kapal laut.

Disamping para penemu di atas, penemu-penemu lainnya saling melengkapi dan memperbaiki kinerja dari turbin uap. Rateau dari Prancis mengembangkan turbin impuls tingkat banyak, dan C.G. Curtis dari Amerika Serikat mengembangkan tubin impuls gabungan kecepatan. Selanjutnya, penggunaan turbin uap meluas dan praktis menggantikan mesin uap bolak-balik, dengan banyak keuntungan. Penggunaan uap panas lanjut yang meningkatkan efisiensi sehingga turbin uap berdaya besar (1000 MW, 3600 rpm, 60 Hz) banyak dibangun.

Turbin uap memiliki kelebihan berupa efisiensi termal yang besar dan perbandingan berat dengan daya yang dihasilkan yang cukup tinggi. Pada prosesnya turbin uap menghasilkan gerakan rotasi, sehingga hal ini sangat cocok digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Pada saat ini, sudah hampir 80% pembangkit listrik diseluruh dunia telah menggunakan turbin uap. Dengan demikian, ulasan di atas melatarbelakangi kami mengangkat kajian tentang turbin uap.

1.2 Tujuan

Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini adalah ;

1. Mengidentifikasi definisi turbin uap

2. Menjelaskan prinsip kerja turbin uap

3. Dapat membedakan klasifikasi turbin uap berdasarkan prinsip kerja, berdasarkan tingkat penurunan tekanan dalam turbin,dan proses penurunan tekanan uap.

1.3 Metode

Metode yang kami gunakan dalam penyusunan makalah ini, yaitu studi pustaka dimana kami mengumpulkan informasi-informasi dengan cara menggali informasi dari buku-buku referensi serta media-media massa yang ada.

BAB II

ISI

2.1 Definisi Turbin Uap

Siklus Renkine setelah diciptakan langsung diterima sebagai standar untuk pembangkit daya yang menggunakan uap (steam ). Siklus Renkine nyata yang digunakan dalam instalasi pembangkit daya jauh lebih rumit dari pada siklus renkine ideal asli yang sederhana. siklus ini merupakan siklus yang paling banyak digunakan untuk pembangkit daya listrik sekarang ini. Oleh karena siklus Rankine merupakan sikus uap cair maka paling baik siklus itu digambarkan dengan diagram P-v dan T-s dengan garis yang menunjukkan uap jenuh dan cair jenuh. Fluida kerjanya adalah air (H₂O).

Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap. Dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap.

2 3

WpW_T

1 4

Gambar.1. Siklus rankine

Siklus ideal yang terjadi didalam turbin adalah siklus Renkine ; Air pada siklus 1 dipompakan, kondisinya adalah isentropik s₁= s₂ masuk ke boiler dengan tekanan yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi super panas h₃=h₄ dan keluaran dari turbin berbentuk uap jenuh dimana laju aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin, ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram

T-s berikut:

T Cp

Gambar.2. Diagram Temperatur (T) – Entropi (S)

Menurut Hukum pertama Thermodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu proses siklus adalah sama dengan Jumlah Perpindahan Kalor pada fluida kerja selama proses siklus tersebut berlangsung. Jadi untuk proses Siklus

1 – 2 – 2’ – 3 – 3’ – 4 – 1

Dengan rumus:

W = f T dS

W = Kerja per satuan berat fluida kerja

Ds = Luas 1 – 2 - 2 – 2’ – 3 – 4 - 1 pada diagaram ( T – s )

Dalam kenyataan Siklus sistem Turbin Uap menyimpang dari Siklus Ideal (Siklus Rankine ) antara lain karena faktor tersebut dibawah ini :

1. Kerugian dalam pipa atau saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfer disekitarnya .

2. Kerugian tekanan dalam ketel uap

3. Kerugian energi didalam turbin karena adanya gesekan pada fluida kerja dan bagian-bagian dari turbin.

2.2 Prinsip Kerja Turbin Uap

Secara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut :

Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan.

Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel.

Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin.

Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkn sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap ( guide blade ) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat.

Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil.

2.3 Klasifikasi turbin uap

Turbin Uap dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori yang berbeda berdasarkan pada konstruksinya, prinsip kerjanya dan menurut peoses penurunan tekanan uap sebagai berikut:

2.3.1 Klasifikasi Turbin berdasarkan Prinsip Kerjanya

1. Turbin Impulse

Turbin impuls atau turbin tahapan impuls adalah turbin sederhana berrotor satu atau banyak (gabungan ) yang mempunyai sudu-sudu pada rotor itu. Sudu biasanya simetris dan mempunyai sudut masuk dan sudut keluar.

q Turbin satu tahap.

q Turbin impuls gabungan.

q Turbin impuls gabungan kecepatan.

Ciri-ciri dari turbin impuls antara lain:

- Proses pengembangan uap / penurunan tekanan seluruhnya terjadi pada sudu diam / nosel.

- Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan Tekanan Rata.

2. Turbin Reaksi

Turbin reaksi mempunyai tiga tahap, yaitu masing-masingnya terdiri dari baris sudu tetap dan dua baris sudu gerak. Sudu bergerrak turbin reaksi dapat dibedakan dengan mudah dari sudu impuls karena tidak simetris, karena berfungsi sebagai nossel bentuknya sama dengan sudu tetap walaupun arahnya lengkungnya berlawanan.

Ciri-ciri turbin ini adalah :

- Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di Nosel dan Sudu Gerak

- Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut Tekanan Bertingkat.

2.3.2 Klasifikasi turbin uap berdasarkan pada tingkat penurunan Tekanan Dalam Turbin

Ø Turbin Tunggal ( Single Stage )

Dengan kecepatan satu tingkat atau lebih turbin ini cocok untuk untuk daya kecil, misalnya penggerak kompresor, blower, dll.

Ø Turbin Bertingkat (Aksi dan Reaksi ).

Disini sudu-sudu turbin dibuat bertingkat, biasanya cocok untuk daya besar. Pada turbin bertingkat terdapat deretan sudu 2 atau lebih. Sehingga turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan.

2.3.3 Klasifikasi turbin berdasarkan Proses Penurunan Tekanan Uap

Ø Turbin Kondensasi.

Tekanan keluar turbin kurang dari 1 atm dan dimasukkan kedalam kompresor.

Ø Turbin Tekanan Lawan.

Apabila tekanan sisi keluar turbin masih besar dari 1 atm sehingga masih dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin lain.

Ø Turbin Ekstraksi.

Didalam turbin ini sebagian uap dalam turbin diekstraksi untuk roses pemanasan lain, misalnya proses industri.

2.4 Prinsip Kerja Turbin Uap Jenis Bertingkat 905 TG – 1 / 2 / 3 / 4

Turbin pembangkit listrik tenaga uap UP II Dumai adalah turbin yang mempunyai Condensing Axial Flow Type dan memiliki turbin jenis bertingkat. Turbin uap yang diinjeksikan steam LP kedalam turbin dan keluaran dalam bentuk condence (uap jenuh) dan disebut dengan turbin uap kondensasi. Besarnya tekanan keluaran 0,04 bar sampai dengan 0,1 bar.

Turbin uap dibuat dengan daya yang telah ditentukan. Daya yang dihasilkan turbin diperoleh dari selisih entalphi (panas jatuh) dan kapasitas uap ( massa aliran uap persatuan waktu ) yang masuk kedalam turbin. Dan pada saat transformasi energi didalam turbin terjadi kerugian, sehingga daya yang dihasilkan turbin dapat dihitung dengan persamaan berikut:

P = h . m_s . h_i . h_m dalamKW

Dimana :

h : selisih entalpi dari ekspansi esentropik antara uap baru masuk kedalam turbin dengan uap bekas yang keluar dari turbin , dalam KJ/Kg.

M_s : kapasitas uap (massa uap yang masuk kedalam turbin persatuan waktu).

h_i : Rendemen dalam turbin.

h_m : Rendamen mekanis dari turbin.

Dan randemen dari kopling dari turbin

h_I. h_m= h_c

Besarnya harga randemen dari turbin tergantung dari kepada sistem sudu-sudu turbin. Pada turbin bertingkat deretan sudu ada dua atau lebih sehingga dalam turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan, tegantung dari jenis turbin ( aksi dan reaksi ) serta hasil-hasil fabrikasi. Berikut gambar grafik kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat pada turbin bertingkat aksi dan reaksi. Turbin reaksi mengalami ekspansi pada sudu pengarah maupun pada sudu gerak sehingga menggerakan dan mendorong sudu dalam arah aksial. Untuk mengurangi dorongan aksial ini, adalah biasanya dengan memasang sudu-sudu gerak pada pada drum yang juga berfungsi sebagai rotor.

2.4.1 Proses Induction Steam Turbin.

Proses pemasukan uap di turbin uap 905 – GT 1/2/3/4 secara sederhana :

Uap masuk kedalam emergency stop valve, dimana fungsinya menutup total suplay uap dari boiler ke turbin dalam waktu yang singkat. Setelah dari stop valve, uap melewati HP control valve. Control valve ( katup pengatur ) ini digerakkan oleh sebuah balok yang diatur naik atau turun oleh sebuah silinder melalui serangkai tuas. Silinder ini menerima sinyal dari Governor.

Katup pengatur uap tekanan tinggi ( HP Control Valve ) mengatur jumlah uap yang masuk ke nosel ( pipa semprot ), yang selanjutnya menggerakkan turbin impuls satu tingkat. Energi uap yang masih tersisa kemudian menggerakkan turbin reaksi yang terdiri atas 14 tingkat. Desain turbin ini memungkinkan penggunaan uap tekanan rendah (LP steam) yang diijeksikan/induction untuk membantu menggerakkan turbin reaksi tingkat ke 13 dan tingkat ke 14.

Pola operasi dengan uap tekanan rendah yang bertekanan konstan diatur oleh LP control valve ( katup pengatur uap tekanan rendah ). Governor mengatur aliran uap tekanan rendah dan daya keluaran turbin yang tidak saling bergantung satu sama lainnya. Uap yang telah diekspansikan keluar melalui pipa buangan berdiameter 70 inchi. Pipa buangan dari tiap turbin 905 - TG 1/2/3/4 bergabung pada satu pipa berdiameter 110 inchi yang selanjutnya mengalirkan uap dan kondensat ke surface condensor (pendingin dengan media udara). Sebelum air tersebut dikembalikan ke Boiler (ketel), air kondensat digabungkan dengan air yang ada pada bak penampung dan dipompakan ke Turbin 1 Tingkat yang berjumlah dua buah untuk menjaga kekurangan kuantitas air ke Boiler. Air dikembalikan kembali ke boiler untuk diubah menjadi uap kembali, jadi sistem yang digunakan adalah sistem tertutup.

Rumah turbin terbagi dua dalam arah horizontal yang dipasangkan pada dudukan Bantalan (Bearing Pendestal ).

Pipa keluaran uap dan kondensat dihubungkan dengan turbin memakai sambungan Flens dan arah aliran kebawah. Poros turbin terbuat dari baja tempa yang kemudian dikerjakan dengan proses permesinan. Sudu turbin terdiri dari sudu impuls dan sudu reaksi. Bantalan Luncur ( Jounal Bearing ) penyangga poros terdiri dari dua bahagian. Dudukan bagian depan juga merupakan Rumah Bantalan Aksial (Trust Bearing) yang meredam gaya aksial. Kelonggaran yang tepat antara sudu tetap dengan sudu gerak akan menghasilkan pemanfaatan energi yang optimum.

Balancing Piston dipasang pada turbin untuk mengimbangi gaya aksial yang ditimbulkan oleh sudu reaksi. Besarnya gaya aksial bergantung kepada beban yang terjadi yang kelebihannya ditahan oleh bantalan aksial. Pada saat bersamaan Balancing piston menyekat uap tekanan tinggi didaerah sudu impuls. Diafragma memisahkan uap bertekanan tinggi dengan uap bertekanan rendah. Turbin dikontrol oleh governor hidrolik.

Pompa pelumas utama dan Impeler dari governor diputar oleh turbin melalui roda gigi. Governor adalah sebagai pengatur yang berfungsi untuk mengurangi aliran uap ke turbin bila kecepatan putar melebihi yang diinginkan (Over Speed).

BAB III

PENUTUP

Kesimpulan

Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap, dimana komponen utama dari sistem tersebut yakni : Ketel, Kondensor, Pompa Air Ketel, dan Turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh ketel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap

Adapun prinsip kerja turbin uap adalah Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan. Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel. Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin.

Turbin uap terdiri dari beberapa jenis antara lain :

1. Turbin uap Berdasarkan prinsip kerjanya

a. Turbin impuls, yaitu turbin sederhana berrotor satu atau banyak (gabungan) yang mempunyai sudu-sudu pada rotor itu.

b. Turbin reaksi. Turbin ini memiliki 3 tahap yaitu masing-masingnya terdiri dari baris sudu tetap dan dua baris sudu gerak.

2. Turbin uap berdasarkan tingkat penurunan Tekanan Dalam Turbin

a. Turbin Tunggal (Single Stage)

Dengan kecepatan satu tingkat atau lebih turbin ini cocok untuk daya kecil, misalnya penggerak kompresor, blower, dll

b. Turbin Bertingkat (Aksi dan Reaksi).

Disini sudu-sudu turbin dibuat bertingkat, biasanya cocok untuk daya besar. Pada turbin ini terdapat deretan sudu 2 atau lebih sehingga turbin ini terjadi distribusi kecepatan/tekanan.

3. Turbin uap berdasarkan Proses Penurunan Tekanan Uap

a. Turbin Kondensasi

Tekanan keluar turbin kurang dari 1atm dan dimasukkan kedalam kompresor

b. Turbin Tekanan Lawan

Apabila tekanan sisi keluar turbin masih besar dari 1atm sehingga dapat dimanfaatkan untuk menggerakan turbin lain.

c. Turbin Ekstraksi

Didalam turbin ini sebagian uap dalam turbin diekstraksi untuk proses pemanasan lain, misalnya proses industri

DAFTAR PUSTAKA

1. Fanchi. John R., Energy – Technology and Directions for the Future. ElsevierAcademic Press, 2004.

2. Arismunandar, W. PENGGERAK MULA TURBIN. ITB Bandung. 1980

3. Http :google.com