ANALISA PERFORMANSI TURBIN UAP KAPASITAS 800 KW TEKANAN 20 BAR PUTARAN 5000 RPM DIPABRIK KELAPA SAWIT
LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III
PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI MEKANIK
Oleh FEBY ANGGITA SINAGA 1205051018
JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN
INTISARI
Dalam menghasilkan listrik peran turbin uap sangatlah penting, hal ini dikarenakan turbin merupakan penggerak awal untuk menghasilkan energi listrik. Seiring berjalannya waktu perkembangan dunia industri semakin pesat termasuk Industri Pengolahan Kelapa Sawit. Dalam proses pengolahan kelapa sawit dibutuhkan energi listrik untuk menggerakan semua mesin produksi dalam jumlah yang tidak sedikit. Mesin – mesin konversi yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik diantaranya ialah turbin uap dengan fluida kerjanya ialah uap. Turbin uap yang dibahas memiliki kapasitas 800 KW dengan putaran 5000 rpm. Dengan melakukan perhitungan terhadap turbin tersebut, daya pada turbin uap dihasilkan dari selisih entalpi yang masuk ke turbin dikalikan dengan laju aliran uap. Adapun hasil dari data analisa yang diperoleh berdasarkan data spesifikasi turbin adalah: Daya Thermal Turbin Isentropik ialah 2,06 MW dan Efisiensi Total Turbin ialah 38,71% sedangkan berdasarkan data di lapangan adalah : Daya Thermal Turbin Isentropik ialah 2,05 MW dan Efisiensi Total Turbin ialah 35,17%.
Kata Kunci : Turbin Uap, Energi, Daya, Efisiensi
vi
ABSTRACT
In generating electricity, steam turbine is very important roles, this is because the turbine is an earlymover for generating electrical energy. As time passes, the development of the industrial company is more rapid oneof them is The Palm Oil Processing Industry. In Palm Oil Processing really need electrical energy to drive all of production machines. The engine of conversion is used to generate electrical energy including steam turbine which have steam as the fluid. A steam power plant have the four main components to generate electrical energy specifically : steam boiler, condensor, turbine, and generator. It is assisted with some of the other tools in order to support the performance of the main components that can make efficiency increase. Steam turbine is used to have the capacities 800 KW and rotation 5000 rpm. By performing the calculation of the turbine, the steam turbine power generated from the difference in enthalpy that enters the turbine times the flow rate of steam. The result obtained from the data analysis based on data from the turbine specifications are : actual power of turbine is 2,06 MW and steam turbine isentropic efficiency is 38,71% while The result obtained from the data analysis based on the data in the field are : actual power of turbine is 2,05 MW and steam turbine isentropic efficiency is 35,17%.
Keywords : Steam Turbine, Energy, Power, Efficiency.
KATA PENGANTAR
vii
Segala puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan anugerah-Nya telah memberikan pengetahuan dan kesehatan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik dan tepat pada waktunya. Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan dalam menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III Jurusan Teknik Mesin, Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik di Politeknik Negeri Medan dengan judul Analisa Performansi Turbin Uap Dengan Kapasitas 800 KW, Tekanan 20 Bar, Dan Putaran 5000 Rpm Di Pabrik Kelapa Sawit. Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, penulis menemukan hambatan dan tantangan. Namun berkat bantuan dari semua pihak, penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada: 1. Bapak M. Syahruddin, S.T., M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan; 2. Bapak Idham Kamil, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin; 3. Bapak Ir. Abdul Razak, M.T., selaku Kepala Program Studi Teknik Energi Mekanik; 4. Bapak Ir. Suprapto, M.T., selaku Dosen Pembimbing penulis; 5. Bapak Ir. Hairanus, M.T., selaku wali kelas EN-6A; 6. Seluruh Dosen, staff dan Karyawan di Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik Politeknik Negeri Medan; 7. Direksi PT Perkebunan Nusantara III (Persero) Pks Rambutan Tebing Tinggi Kota Madya Tebing Tinggi, Sumatera Utara; 8. Secara khusus penulis ucapkan terima kasih kepada kedua orang tua yang tercinta Ayahanda (Liber Charles Sinaga, S.sos.) dan Ibunda (Lumiap Silaen, B.sc.) yang telah berjuang, membimbing, membesarkan dan memberikan bantuan moril serta Doa-doanya selama ini kepada penulis;
viii
9. Rekan-rekan mahasiswa kelas EN-6A Teknik Konversi Energi Mekanik 2012 Politeknik Negeri Medan. Penulis menyadari bahwa dalam tugas akhir ini masih jauh dari kesesempurnaan dan terdapat kekurangan dan kesilapan dalam penulisan, oleh karena itu penulis mengharapka kritik dan saran yang membangun dalam penyempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua. Terimakasih.
Medan, Agustus 2015 Hormat Penulis,
Feby Anggita Sinaga NIM. 1205051018
DAFTAR ISI
ix
LEMBARAN JUDUL ........................................................................................ i SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ...................................................................... ii LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................iii LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................. iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ............................................ v INTISARI ........................................................................................................ vi ABSTRACT .................................................................................................... vii KATA PENGANTAR ...................................................................................viii DAFTAR ISI ..................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR .....................................................................................xiii DAFTAR TABEL ......................................................................................... xiv
BAB 1
PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ........................................................................... 1 1.2. Batasan Masalah ........................................................................ 2 1.3. Tujuan Penulisan ........................................................................ 3 1.4. Manfaat tugas Akhir .................................................................. 3 1.5. Teknik pengumpulan Data ........................................................ 4
BAB 2
LANDASAN TEORI 2.1. Sejarah Perkembangan Turbin ................................................... 5 2.2. Tinjauan Umum Turbin Uap ...................................................... 8 2.3. Pengertian dan Cara Kerja Turbin (Turbin Uap) ....................... 9 2.4. Prinsip Kerja Turbin Uap............................................ ............. 10 2.5. Siklus Rankine ......................................................................... 13 2.6. Efisiensi Siklus Rankine .......................................................... 16 2.6.1. Efisiensi Insentropik...................................................... 17 x
2.7. Klasifikasi Turbin Uap ............................................................. 17 2.7.1. Menurut Jumlah Tingkat Tekanan ................................ 17 2.7.2. Menurut Arah Aliran Uap ............................................. 18 2.7.3. Menurut Jumlah Silinder ............................................... 18 2.7.4. Menurut Metode Pengaturan ......................................... 18 2.7.5. Menurut Prinsip Aksi Uap ............................................ 19 2.7.6. Menurut Proses Penurunan Kalor ................................. 19 2.7.7. Menurut Kondisi-Kondisi Uap Pada Sisi Masuk Turbin ............................................................................ 20 2.7.8. Menurut Pemakaiannya di bidang Industri ................... 20 2.7.9. Menurut Prinsip Kerjanya ............................................. 21
BAB 3
TURBIN UAP PADA PABRIK KELAPA SAWIT 3.1. Turbin ....................................................................................... 23 3.2. Bagian-Bagian Penting dalam Turbin Uap .............................. 24 3.2.1. Shaft Seals ..................................................................... 24 3.2.2. Turbine Bearings ........................................................... 25 3.2.3. Balance Piston ............................................................... 26 3.2.4. Turbine Stop Valves ...................................................... 26 3.2.5. Turbine Control Valve .................................................. 26 3.2.6. Turning Device.............................................................. 26 3.3. Komponen-Komponen Utama Sistem Turbin Uap ................. 26 3.4. Komponen Pendukung Turbin Uap ......................................... 34 3.4.1. Main Stop Valve ........................................................... 34 3.4.2. Main Steam Steaner ...................................................... 34 3.4.3. Main Control Valve....................................................... 34 3.5. Alur Turbin Uap ...................................................................... 35 3.6. Prosedur Menjalankan Turbin Uap ......................................... 35 xi
3.7. Pengawasan Selama Operasi ................................................... 36 3.8. Cara Menghentikan Operasi Turbin Uap ................................ 37 3.9. Back Pressure Steam Receiver (Steam Vassel) ...................... 38
BAB 4
ANALISA DATA 4.1. Spesifikasi Turbin Uap ............................................................. 39 4.2. Analisa Data Spesifikasi Turbin Uap Berdasarkan Data Spesifikasi Turbin .................................................................... 40 4.3. Analisa Data Turbin Berdasarkan Data Di lapangan............... 42
BAB 5
PENUTUP 5.1. Simpulan ................................................................................. 45 5.2. Saran ........................................................................................ 45
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
xii
Gambar 2.1.
Turbin Uap Hero ......................................................................... 5
Gambar 2.2. Turbin Branca .............................................................................. 6 Gambar 2.3.
Ilustrasi Kerja Turbin Uap ........................................................ 12
Gambar 2.4.
Skema Kerja Turbin Uap........................................................... 12
Gambar 2.5.
Diagram Alir Siklus Rankine .................................................... 13
Gambar 2.6. Diagram T-S Siklus Rankine Sederhana ................................... 14 Gambar 2.7. Prinsip Kerja Turbin Impuls ...................................................... 22 Gambar 2.8. Prinsip Kerja Turbin Reaksi ...................................................... 22 Gambar 3.1.
Turbin Uap pada PKS ............................................................... 23
Gambar 3.2.
Bagian-Bagian Turbin Uap ....................................................... 27
Gambar 3.3.
Komponen-Komponen Turbin Uap .......................................... 28
Gambar 3.4.
Rotor Turbin .............................................................................. 30
Gambar 3.5. Journal Bearing ......................................................................... 31 Gambar 3.6.
Thrust Bearing ........................................................................... 31
Gambar 4.1. Diagram T-S Siklus Rankine Sederhana ................................... 39
DAFTAR TABEL
xiii
Tabel 4.1. Hasil Analisa Data Turbin Uap Berdasarkan Data Spesifikasi Turbin dan Berdasarkan Data di Lapangan ................................... 36
xiv
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Segala sesuatu yang dilakukan memerlukan energi, misalnya bermain, belajar, bekerja dan lain sebagainya. Mulai kita bangun tidur hingga tidur kembali manusia memerlukan energi yang besar. Besarnya peranan energi mengharuskan masyarakat menjaga kelestarian sumber daya alam agar manfaatnya tidak dirasakan saat ini saja, tapi juga untuk masa depan mendatang. Kebutuhan terhadap Energi merupakan hal mendasar yang dibutuhkan dalam
usaha
meningkatkan
taraf
hidup
masyarakat.
Seiring
dengan
meningkatnya taraf hidup serta kuantitas dari masyarakat, maka semakin meningkat juga kebutuhan energi. Pada saat ini kebutuhan energi berhubungan langsung dengan tingkat kehidupan masyarakat serta kemajuan industrisasi disuatu Negara. Dalam hal ini, energi listrik yang menjadi salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan oleh masyarakat dalam kehidupan, karena energi listrik dapat dengan mudah dan efisien diubah ke bentuk energi yang lainnya. Mesin-mesin konversi energi yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik diantaranya yaitu turbin uap. Dimana turbin uap merupakan kelompok pesawat-pesawat konversi. Dengan mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik pada nosel (turbin impuls) dan sudu-sudu gerak (turbin reaksi) dan diubah menjadi energi mekanik pada poros turbin. Dan dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industry, untuk transportasi, dan untuk pembangkit tenaga listrik.
1
Industri pertanian belakangan ini berkembang pesat khususnya dalam proses produksi kelapa sawit. Diamana dalam proses pengolahan kelapa sawit menjadi minyak mentah atau CPO (Crude Palm Oil) dan PKO (Palm Karnel Oil) diperlukan energi listrik. Oleh karena itu, pada pabrik kelapa sawit (PKS) harus memiliki pembangkit sendiri untuk memenuhi kebutuhan energi listrik dalam proses pengolahan. Pada Pabrik Pengolahan Inti Sawit (PPIS) / PKO (Palm Kernel Oil), unit instalasi tenaga uap (Steam Power Plant) sangat dibutuhkan sebagai sumber energi listrik, karena nantinya digunakan untuk menggerakkan mesin-mesin proses pengolahan. Dipilihnya instalasi ini, karena fluida kerja pada instalasi tenaga uap yaitu air sangat mudah diperoleh, sedangkan bahan bakar untuk menghasilkan uap seperti serabut (fiber), cangkang (shell), tandan kosong (empty bunch), juga mudah diperoleh karena merupakan limbah dari pengolahan sawit (CPO) , dan harganya relatif murah dibanding bahan bakar fosil. Selain itu, instalasi ini mudah dan hemat biaya operasional dalam pembuatan dan penggunaanya serta mudah dalam perawatannya. Pada unit instalasi tenaga uap pabrik pengolahan inti sawit, uap keluaran dari turbin tidak langsung dibuang ke udara bebas tetapi dimanfaatkan kembali untuk proses perebusan air di Boiler melalui proses kondensasi, sehingga siklus uap yang bekerja adalah siklus terbuka. Karena uap seluruhnya digunakan untuk menggerakkan turbin, sehingga dapat menghasilkan daya listrik yang cukup besar, dimana nantinya daya listrik tersebut digunakan untuk menggerakkan mesin-mesin dalam proses pengolahan kelapa sawit. Salah satu industri kelapa sawit yang mengambil minyak sawit dan inti sawit tersebut berasal dari buah kelapa sawit yang telah matang yang disebut sebagai Tandan Buah Segar (TBS) untuk mendapatkan minyak sawit dan inti sawit tersebut dilakukan proses pengolahan di PKS. Pada proses pengolahan
2
perlu beberapa tahapan, dimana setiap tahapan diperlukan uap yang berasal dari ketel uap yang dimana uap tersebut dipergunakan untuk: 1. Perebusan daging kelapa sawit pada stasiun perebusan; 2. Pemisah minyak dan lumpur/kotoran pada stasiun biji; 3. Dan keperluan-keperluan lainnya; Dari pemaparan di atas jelas bahwa sistem pembangkit tenaga uap adalah suatu hal yang sangat vital dalam proses produksi CPO dan PKO dari kelapa sawit. Di dalam sistem ini, turbin adalah salah satu alat yang sangat mempengaruhi kinerja dari keseluruhan sistem.
1.2. Batasan Masalah Adapun hal hal yang menjadi rumusan masalah dalam penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Menjelaskan prinsip kerja turbin uap. 2. Melakukan perhitungan daya yang dihasilkan turbin uap. 3. Melakukan perhitungan effisiensi turbin uap.
1.3. Tujuan Penulisan Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Mengetahui prinsip kerja turbin uap. 2. Mengetahui daya yang dihasilkan turbin uap. 3. Mengetahui effisiensi turbin uap.
3
1.4. Manfaat Tugas Akhir Manfaat dari penulisan tugas akhir ini adalah: Membantu mahasiswa dalam hal pengenalan serta pemahaman akan turbin uap. Sebagai media informasi terhadap mahasiswa dalam penulisan tugas akhir yang akan membahas hal yang sama dengan topik pembahasan penulis. Sebagai media informasi bagi perusahaan industri yang menggunakan turbin uap guna untuk mengingkatkan efisiensi turbin uap.
1.5. Teknik Pengumpulan Data Adapun teknik pengumpulan data dalam penyusunan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Studi literatur dengan mencari buku–buku yang ada di perpustakaan Politeknik Negeri Medan maupun sumber lain yang berkaitan dengan tugas akhir ini. 2. Melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing maupun dengan pihak-pihak yang dapat membantu menyelesaikan tugas akhir ini. 3. Menggunakan internet teknologi tepat guna dan website lainnya yang berhubungan dengan judul tugas akhir.
4
