PERANCANGAN TURBIN UAP PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA 80 MW PADA INSTALASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS UAP
SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
APUL T.P. SIPAYUNG NIM : 040401065
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala karunia yang telah diberikan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini yang merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul dari pada Tugas Sarjana ini yaitu “Perancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik dengan Daya 80 MW pada Instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap”. Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Kedua orang tua penulis, M. Sipayung dan N. Br Manihuruk beserta kakakkakakku, abangku dan adekku yang telah mendukung penulis dengan sepenuh hati dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc sebagai dosen pembimbing yang telah membimbing penulis dari awal hingga akhir penyelesaian Tugas Sarjana ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai ketua Departemen Teknik Mesin USU dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT sebagai sekretaris Departemen Teknik mesin USU. 4. Seluruh dosen staf pengajar dan pegawai Departemen Teknik Mesin USU yang telah banyak membimbing dan membantu penulis selama kuliah di Departemen Teknik Mesin USU. 5. Bapak Sukajack, Bapak H. Thamrin, dan bang Musa yang telah membantu penulis selama melaksanakan survey lapangan di PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Belawan.
Universitas Sumatera Utara
6. Teman-teman mahasiswa khususnya stambuk 2004 yang telah banyak membantu penulis selama perkuliahan dan dalam penyelesaian Tugas Sarjana ini. 7. Sahabat-sahabatku: Adrian, Tatang, Rendy, Tumpal, Januar, dan lain-lain yang telah banyak mendukung penulis.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih mempunyai beberapa kekurangan, untuk itu penulis sangat mengharapkan adanya saran dari para pembaca untuk memperbaiki dan memperlengkapi tulisan ini ke depan. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat berguna memperkaya pengetahuan dari para pembaca. Terima kasih.
Medan,
Juni 2010
Penulis,
Apul T. P. Sipayung NIM : 040401065
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
SPESIFIKASI TUGAS
Halaman
KATA PENGANTAR………………………………………………..i DAFTAR ISI ………………………………………………………... ii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ……………………………………………………1 1.2 Rumusan Masalah ………………………………………………...2 1.3 Tujuan Perancangan ………………………………………………3 1.4 Manfaat Penulisan ………………………………………………...4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pandangan Umum Siklus Gabungan ……………………………...5 2.2 Tinjauan Termodinaamika Untuk Siklus Gabungan ……………...6 2.3 Prinsip dasar desain turbin Uap …………………………………...9 2.4 Klasifikasi Turbin Uap ……………………………………………10 2.5 Kerugian Energi pada Turbin Uap ………………………………..13 2.5.1 Kerugian Pada Katup Pengatur …………………………14 2.5.2 Kerugian Pada Nosel ...………………………………....15 2.5.3 Kerugian Pada Sudu Gerak .…………………………....16 2.5.4 Kerugian Akibat Kecepatan Keluar …………………….17 2.5.5 Kerugian Akibat Gesekan ……………………………...18 2.5.6 Kerugian Ruang Bebas Pada Turbin Impuls…………….20 2.5.7 Kerugian Akibat Kebasahan Uap………………………..21 2.5.8 Kerugian Pemipaan Buang………………………………22 2.5.9 Kerugian Luar……………………………………………23 2.6 Efisiensi dalam Turbin Uap………………………………………..24 2.7 Perhitungan Fraksi Massa pada Tiap Ekstraksi……………………25 2.8 Perhitungan Jumlah Uap yang Mengalir Melalui Turbin dan Ekstraksi…………………………………………………….………28
Universitas Sumatera Utara
BAB 3 PENENTUAN SPESIFIK TURBIN UAP PLTU 3.1 Pemilihan Jenis Turbin Uap ……………………………………….31 3.2 Perhitungan Daya Turbin Uap……………………………………..32 3.3 Perhitungan Penurunan Kalor untuk Jenis Turbin Nekatingkat…...34 3.4 Perhitungan Fraksi Massa dan Laju Aliran Massa pada Tiap Ekstraksi…………………………………………………………....40 3.5 Pengujian Kembali Laju Aliran Massa yang Diperoleh……………42
BAB 4 PERHITUNGAN KALOR TURBIN UAP PLTU 4.1 Turbin Tingkat Pengaturan…………………………………………44 4.2 Perhitungan Kalor dari Tingkat Pengaturan sampai Ekstraksi I…...52 4.3 Perhitungan Kalor dari Ekstraksi I sampai Kondensor…………….60 4.4 Pengujian Hasil Perhitungan Kalor Keseluruhan…………………..66
BAB 5 PERHITUNGAN UKURAN UTAMA TURBIN UAP PLTU 5.1 Nosel dan Sudu Gerak………………………………………….....67 5.1.1 Tinggi Nosel dan Sudu Gerak…………………...………67 5.1.2 Lebar dan Jari-jari Busur Sudu…………………………..70 5.1.3 Jarak bagi antara Sudu…………………………………...71 5.1.4 Jumlah Sudu……………………………………………..72 5.1.5 Nosel dan Sudu Gerak Tingkat 2…………...…………...73 5.2 Kekuatan Sudu………………………………………....………...76 5.3 Getaran sudu…………………………………………….………..80 5.4 Pembahasan Perhitungan Ukuran Cakram………….....……….....81
BAB 6 SISTEM PENGATURAN TURBIN UAP PLTGU 6.1 Konsep Dasar……………………………………………………...90 6.2 Jenis-jenis Sistem Pengaturan Turbin Uap………………………..91 6.3 Sistem Pengaturan Turbin Uap PLTGU…………………………. 92 BAB 7 KESIMPULAN……………………………………………....94 DAFTAR PUSTAKA DAFTAR LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
1. Simbol dari abjad biasa Simbol
Arti
Satuan
Ao
Luas penampang sudu paling lemah
cm2
As
Luas plat penguat sudu
cm2
a
Ruang bebas bantalan
mm
b
Lebar sudu
mm
C
Kapasitas termal rata-rata minyak pelumas
cad
Kecepatan mutlak uap keluar nosel tanpa
kkal/kg0C m/s
memperhitungkan derajat reaksi c1
Kecepatan mutlak uap keluar nosel
m/s
c1t
Kecepatan uap masuk mutlak teoritis
m/s
c2
Kecepatan uap pada saluran keluar
m/s
ckr
Kecepatan kritis
m/s
d
Diameter nominal sudu atau rotor
mm
dp
Diameter poros
mm
E
Modulus elastisitas poros
f1
Luas penampang sudu gerak
cm2
g
Percepatan gravitasi bumi
m/s2
Geks
Massa alir uap ekstraksi
kg/s
Gkebocoran
Massa kebocoran uap pada perapat labirin
kg/s
Go
Massa alir uap
kg/s
hb
Kerugian energi dalam sudu-sudu gerak
kJ/kg
he
Kerugian energi akibat aliran keluar
kJ/kg
hge.a
Kerugian energi karena gesekan roda dan
kJ/kg
kg/cm2
ventilasi hi tk
Nilai penurunan kalor pada tiap tingkat turbin
kJ/kg
hkebasahan
Kerugian energi karena kelembaban uap keluar
kJ/kg
hn
Kerugian energi pada nosel
kJ/kg
Ho
Nilai
penurunan
kalor
dengan
kJ/kg
memperhitungkan kerugian tekanan
Universitas Sumatera Utara
Ho’
Nilai penurunan kalor dengan memperhitungkan
kJ/kg
kerugian tekanan dan pemipaan buang
Ho,th
Nilai penurunan kalor teoritis
kJ/kg
I
Momen inersia
cm4
i0
Kandungan kalor uap saat masuk turbin
kJ/kg
i1t
Kandungan kalor uap saat keluar turbin
kJ/kg
i1’t
Kandungan kalor uap setelah katup pengatur
kJ/kg
l
Tinggi nosel
mm
l1’
Tinggi sisi masuk sudu gerak
mm
l1”
Tinggi sisi keluar sudu gerak
mm
Mt
Momen puntir
kg.mm
n
Putaran turbin
rpm
nkr
Putaran kritis poros
rpm
P
Daya nominal generator listrik
MW
Pa
Gaya yang terjadi akibat perbedaan tekanan uap
kg
masuk Pa ’
Gaya yang bekerja akibat perbedaan momentum
kg
uap PG
Daya yang dibutuhkan generator listrik
MVA
PN
Daya netto turbin
MW
po
Tekanan awal uap masuk turbin
kg/cm2
po’
Tekanan uap sebelum nosel
kg/cm2
pkr
Tekanan kritis
kg/cm2
Pu
Gaya akibat rotasi pada sudu gerak
kg
R
Jari-jari konis sempurna
mm
r1
Jari-jari hub
mm
rs
Jari-jari rata-rata plat penguat sudu
mm
t0
Temperatur uap awal
u
Kecepatan keliling sudu turbin
ν
Volume spesifik uap
W
Momen perlawanan poros
cm3
Wcr,tot
Berat total cakram
kg
Wp
Berat total poros
kg
0
C
m/s m3/kg
Universitas Sumatera Utara
Wy
Momen perlawanan terkecil sudu
cm3
z
Jumlah sekat labirin
Buah
zs,1
Jumlah sudu gerak baris pertama
Buah
2. Simbol dari abjad Yunani (Greek Letters)
Simbol
Arti
Satuan
α1
Sudut masuk kecepatan uap mutlak ke sudu gerak
o
α2
Sudut keluar kecepatan uap mutlak
o
β1
Sudut masuk kecepatan relatif uap ke sudu gerak
o
β2
Sudut keluar kecepatan relatif uap ke sudu gerak
o
ρ as
Massa jenis bahan Alloy Steel
kg/m3
ρ pl
Massa jenis minyak pelumas
kg/ltr
ρu
Massa jenis uap
kg/m3
∆pv
Penurunan tekanan uap saat melewati katup
kg/cm2
pengatur σ
Tegangan
kg/cm2
τa
Tegangan izin poros
kg/cm2
ω
Kecepatan sudut
ηg
Efisiensi generator
-
ηm
Efisiensi mekanis
-
λ
Koefisien jenis fluida pada rumus stodola
-
ϕ
Faktor kecepatan (angka kualitas) nosel
-
ψ
Koefisien kecepatan (angka kualitas) sudu
-
rad/s
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel
Nama Tabel
Halaman
3.1
Data hasil perancangan turbin dua tingkatan ekstraksi ............ 33
3.2
Fraksi massa tiap ekstraksi ..................................................... 35
3.3
Jumlah uap yang mengalir antara berbagai titik ekstraksi ...... 35
4.1
Kondisi uap pada setiap bagian tingkat turbin uap PLTU ...... 54
5.1
Ukuran nosel dan sudu gerak ................................................ 65
5.2
Tegangan - tegangan tangesial pada Cakram Konis ................ 77
5.3
Tegangan - tegangan radial cakram konis ............................... 78
5.4
Tegangan - tegangan radial pada hub ..................................... 79
5.5
Tegangan - tegangan tangesial pada hub ................................ 79
5.6
Ukuran dan berat cakram ...................................................... 84
5.7
Ruang Bebas yang diperbolehkan untuk Bantalan Luncur ...... 89
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR Gambar
Nama Gambar
Halaman
2.1
Pembangkit daya siklus gabungan ....................................................... 5
2.2
Skema Siklus Gabungan dengan Regenerasi untuk PLTGU ................. 7
2.3
Diagram T-S Siklus Gabungan dengan Regenerasi untuk PLTGU ...... 10
2.4
Grafik untuk Menentukan Koefisien ϕ sebagai Fungsi Tinggi Nosel (l1). ...... 18
2.5
Grafik untuk menentukan koefisien ψ berdasarkan tinggi sudu gerak .. 19
2.6
Tingkat tekanan pada turbin impuls ..................................................... 22
2.7
Grafik efisiensi mekanis turbin uap ....................................................... 25
2.8
Grafik efisiensi generator...................................................................... 25
2.9
Grafik efisiensi efektif relatif turbin uap .............................................. 27
2.10
Skema ekstraksi uap pada siklus gabungan PLTGU ............................. 28
3.1
Diagram daya yang harus disuplai turbin uap ke generator ................... 32
3.2
Proses penurunan kalor pada turbin uap ............................................... 35
4.1
Segitiga kecepatan uap pada tingkat pengaturan sudu gerak baris I ...... 46
4.2
Segitiga kecepatan tingkat pengaturan ................................................. 49
4.3
Diagram i-s untuk tingkat pengaturan .................................................. 50
4.4
Segitiga kecepatan tingkat kedua ......................................................... 56
5.1
Ukuran Nosel dan Sudu Gerak ............................................................. 70
5.2
Jarak bagi dari profil sudu gerak .......................................................... 72
5.3
Gaya-gaya lentur pada Sudu ................................................................. 78
5.4
Penampang Cakram Konis .................................................................... 81
5.5
Berbagai Koefisien untuk Cakram Konis .............................................. 84
5.6
Diagram reaksi pada bantalan dan beban pada poros turbin .................. 94
5.7
Penentuan defleksi pada poros turbin ................................................... 96
5.8
Bantalan Luncur ................................................................................... 98
5.9
Kedudukan poros pada bantalan pada berbagai kecepatan..................... 100
5.10
Grafik kriteria beban koefisien φv ........................................................ 101
5.11
Grafik untuk Menentukan φs ................................................................. 102
6.1
Sistem Pengaturan Turbin uap PLTGU ................................................ 107
Universitas Sumatera Utara
