Iyan mulk arafah: mesin Konversi Energi (turbin gas)

PENDAHULUAN

Pengertian: (gas turbine),adalah suatu alat yang dapat menghasilkan Energy dari proses pembakaran Gas panas dan di alirkan untuk menggerakkan turbin. Bentuk sederhana pembangkit tenaga listrik dengan bahan bakar gas alam yang berasal dari dalam perut bumi.

proses gas alam yang nantinya setelah diolah, akan digunakan untuk pembakaran (combustion) pada turbine gas. Kebanyakkan di pembangkitan yang digunakan adalah gas ethan serta pentana

Pembangkit tenaga listrik dengan gas alam mempunyai biaya investasi yang paling kecil bila dibandingkan dengan pembangkit listrik dengan menggunakan bahan bakar minyak, diesel, maupun batubara. Gas combined cycle mempunyai biaya investasi yang lebih besar bila dibandingkan dengan turbin gas tetapi gas combined cycle mempunyai keunggulan yaitu efisiensinya tinggi. Turbin gas lebih banyak digunakan bila kapasitas pembangkitan masih rendah seperti kondisi di Sumatera., Kalimantan, dan pulau lain.

KOMPONEN TURBIN GAS

Turbin gas tersusun atas komponen-komponen utama seperti air inlet section, compressor section, combustion section, turbine section, dan exhaust section. Sedangkan komponen pendukung turbin gas adalah starting equipment, lube-oil system, cooling system, dan beberapa komponen pendukung lainnya. Berikut ini penjelasan tentang komponen utama turbn gas:

1. Air Inlet Section. Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari:

a. Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.

b. Inertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau partikel yang terbawa bersama udara masuk.

c. Pre-Filter, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet house.

d. Main Filter, merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini masuk ke dalam kompresor aksial.

e. Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat memasuki ruang kompresor.

f. Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan

2. Compressor Section. Komponen utama pada bagian ini adalah aksial flow compressor, berfungsi untuk mengkompresikan udara yang berasal dari inlet air section hingga bertekanan tinggi sehingga pada saat terjadi pembakaran dapat menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang dapat menimbulkan daya output turbin yang besar. Aksial flow compressor terdiri dari dua bagian yaitu:

3. Compressor Rotor Assembly. Merupakan bagian dari kompresor aksial yang berputar pada porosnya. Rotor ini memiliki 17 tingkat sudu yang mengompresikan aliran udara secara aksial dari 1 atm menjadi 17 kalinya sehingga diperoleh udara yang bertekanan tinggi. Bagian ini tersusun dari wheels, stubshaft, tie bolt dan sudu-sudu yang disusun kosentris di sekeliling sumbu rotor.

4. Compressor Stator. Merupakan bagian dari casing gas turbin yang terdiri dari:

a. Inlet Casing, merupakan bagian dari casing yang mengarahkan udara masuk ke inlet bellmouth dan selanjutnya masuk ke inlet guide vane.

b. Forward Compressor Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat empat stage kompresor blade.

c. Aft Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat compressor blade tingkat 5-10.

5. Discharge Casing, merupakan bagian casing yang berfungsi sebagai tempat keluarnya udara yang telah dikompresi.

6. Combustion Section. Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan fluida kerja yang berupa udara bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Hasil pembakaran ini berupa energi panas yang diubah menjadi energi kinetik dengan mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces yang juga berfungsi sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin. Sistem pembakaran ini terdiri dari komponen-komponen berikut yang jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas. Komponen-komponen itu adalah :

7. Combustion Chamber, berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar yang masuk.

8. Combustion Liners, terdapat didalam combustion chamber yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.

9. Fuel Nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam combustion liner

10. Ignitors (Spark Plug), berfungsi untuk memercikkan bunga api ke dalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar.

11. Transition Fieces, berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas.

12. Cross Fire Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua combustion chamber.

13. Flame Detector, merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi proses pembakaran terjadi.

14. Turbin Section. Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak compresor aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60 % digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan.

Komponen-komponen pada turbin section adalah sebagai berikut :

a. Turbin Rotor Case

b. First Stage Nozzle, yang berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first stage turbine wheel.

c. First Stage Turbine Wheel, berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik dari aliran udara yang berkecepatan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaran rotor.

d. Second Stage Nozzle dan Diafragma, berfungsi untuk mengatur aliran gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi untuk memisahkan kedua turbin wheel.

e. Second Stage Turbine, berfungsi untuk memanfaatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first stage turbine untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang lebih besar.

f. Exhaust Section. Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas.

Cara Turbin Gas Bekerja

Turbin gas banyak digunakan oleh pesawat terbang, helikopter dan pembangkit energi listrik skala kecil. Turbin gas digunakan karena memiliki kelebihan.

Daya yang dihasilkan turbin gas lebih banyak dibandingkan dengan mesin siklus 4 atau 2 tak dengan berat mesin yang sama. Artinya dengan berat yang sama daya yang dihasilkan turbin gas lebih banyak, oleh karena itu turbin gas banyak digunakan untuk alat transportasi seperti yang disebutkan diatas.

Cara Kerja Turbin Gas

Komponen utama turbin gas ada tiga. Kompresor berfungsi untuk menghasilkan udara bertekanan tinggi. Bilik pembakaran berfungsi sebagai area tempat pembakaran bahan bakar dan menghasilkan udara bertekanan dan berkecepatan tinggi. Turbin berfungsi merubah udara yang bertekanan tinggi dari bilik pembakaran menjadi gerakan mekanis.

Ruang Pembakaran. Pembakaran merupakan kombinasi kimia dari tiga elemen yaitu udara bahan bakar dan api. Bahan bakar yang digunakan untuk turbin gas adalah hidrokarbon. Udara yang bertekanan tinggi dari kompresor memasuki ruang pembakaran, saat itu juga bahan bakar di semprotkan oleh fuel injector sehingga terjadi pembakaran yang menghasilkan udara yang bertekanan dan berkecepatan tinggi. Inilah yang dimanfaatkan oleh turbin untuk menghasilkan daya. Modifikasi dari turbin gas ada yang disebut dengan turbofan. Bentuknya hampir sama dengan turbin gas. Turbo fan memiliki kipas (fan) sebelum kompresor.

PROSES SINGKAT PADA TURBIN GAS

Turbin gas secara teori tidak begitu rumit untuk menjelaskannya. Terdapat 3 komponen atau bagian utama yaitu :

1. Compressor : menaikkan tekanan udara yang masuk

2. Combustion Area: Membakar bahan bakar yang masuk dan menghasilkan tekanan yang sangat tinggi begitu pula dengan kecepatannya.

3. Turbin: Mengkonversi energi dari gas dengan tekanan dan kecepatan yang tinggi hasil dari combustion area menjadi energi mekanik berupa rotasi poros turbin.

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:

th = 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 (isovolum). 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 up-grading performance. 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:

• Proses 1---2,(kompresi isentropik)

Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma(h2–h1)

• Proses 2---3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan.

Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (ma+mf)(h3–h2)

• Proses 3---4, ekspansi isentropik didalam turbin.

Daya yang dibutuhkan turbin: WT = (ma+mf)(h3-h4)

• Proses 4---1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara.

Jumlah kalor yang dilepas: QR = (ma+mf)(h4–h1)

Siklus Brayton

KLASIFIKASI TURBIN GAS

Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya.

A. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari:

•Turbin gas siklus tertutup (Close cycle)

•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.

Contoh data-data manufacture gas turbin poros tunggal adalah :

Type PG 5341 (N)

Rating (Base, Gas/Oil) 20.900/20.450 (kW)

Altitude Sea Level

Compressor Stage 17

Turbin Stage 2

Turbin Speed 5100 rpm

Inlet Temperatur 32.2oC

Inlet Pressure 1.0333 kg/cm2

Exhaust temperatur 488oC

Exhaust Pressure 1.0333 kg/cm2

Pressure Ratio 9.4