PERANCANGAN TURBIN GAS PENGGERAK GENERATOR PADA INSTALASI PLTG DENGAN PUTARAN 3000 RPM DAN DAYA TERPASANG GENERATOR 130 MW
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ALBERT J. DAMANIK NIM. 050421003
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala berkat-Nya yang memberi kesehatan, kesempatan seta pengetahuan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Skripsi ini. Adapun
laporan tugas skripsi yang berjudul “Perancangan Turbin Gas
Penggerak Generator Pada Instalasi PLTG Dengan Putaran 3000 RPM Dan Daya Terpasang Generator 130 MW” ini merupakan salah satu syarat dalam menyelesaikan studi di Departemen Teknik Mesin, Program Studi Pendidikan Sarjana Ekstensi Universitas Sumatera Utara, Medan. Sesuai dengan judulnya, dalam laporan tugas skripsi ini akan dibahas mengenai perhitungan analisa thermodinamika serta perancangan komponenkomponen utama pada sistem turbin gas. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada berbagai pihak yang turut membantu penulis dalam menyelesaikan tugas skripsi ini yang telah banyak memberi dukungan moril, materil, spiritual, tenaga dan waktu . Oleh karena itu, sudah selayaknya penulis menyampaikan terimakasih banyak kepada : 1. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU; 2. Bapak Ir. Isril Amir, sebagai Koordinator PPSE Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU dan juga sebagai Dosen Pembimbing Tugas Sarjana; 3. Bapak dan Ibu dosen dan seluruh pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU;
Universitas Sumatera Utara
4. Keluarga penulis di Medan, St. O. br. Sigumonrong , Drs. Sukendra M.I. Saragih beserta keluarga. 5. Kedua orang tua penulis, J. Damanik S.Th. dan R. Br. Saragih beserta saudarasaudara penulis. 6. Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya Ekstensi stambuk 2005 Fakultas Teknik USU serta teman-teman selaku mahasiswa pembanding; Dalam penyusunan tugas skripsi ini, penulis telah berupaya dengan segala kemampuan dalam pembahasan dan pengkajian dengan disiplin ilmu yang telah diperoleh selama di perkuliahan, serta bimbingan dari dosen pembimbing. Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam penyelesaian tugas skripsi ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan tugas skripsi ini. Akhirnya penulis berharap semoga laporan tugas skripsi ini bermanfaat bagi siapapun yang membacanya.
Medan, Juni 2009 Hormat saya,
Albert J. Damanik NIM : 050421003
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Hal SPESIFIKASI TUGAS KARTU BIMBINGAN KATA PENGANTAR …………………………………………………….......
i
DAFTAR ISI ………………………………………………………………...... iii DAFTAR NOTASI ………………………………………………………........ v DAFTAR TABEL ….……………………………………………………......... ix DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………..... x
BAB I
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
....................................…………………….... 1
1.2 Tujuan Penulisan ....………………………………………........ 2
BAB II
1.3 Batasan Masalah .......………………………………………....
2
1.4 Metodologi Penulisan ……………………………………….....
3
1.5 Sistematika Penulisan ................................................................
3
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Cara Kerja Instalasi Turbin Gas ……………………………...... 4 2.2 Klasifikasi Turbin Gas
…………………………………….... 5
2.3 Siklus Kerja Turbin Gas …………………………………….... 2.4 Pemilihan Jenis Turbin
9
………………………........................ 16
2.5 Ruang Bakar …........………………………………………..... 19 2.6 Laju Aliran Massa Udara ……………………………………... 20 2.7 Generator ......................…………………………………….... 21 2.8 Perencanaan Turbin .................................................................. 23 2.9 Bagian Utama Turbin .................................................................. 26
BAB III
ANALISA TERMODINAMIKA
Universitas Sumatera Utara
3.1 Spesifikasi Teknis Perancangan .……………………………... 30 3.2 Analisa Termodinamika …...........................................…......... 31 3.2.1 Kompresor ......................………………………………. 31 3.2.2 Ruang Bakar …...................................……….………… 35 3.2.3 Turbin ………………………………………………….. 39 3.3 Generator ................................................................................... 43 3.4 Laju Aliran Massa Udara dan Bahan Bakar ............................... 44
BAB IV
PERENCANAAN TURBIN 4.1 Perencanaan Kompresor …………………………………......... 47 4.1.1 Jumlah Tingkat Kompresor …………………………….. 47 4.1.2 Poros Utama (Tie Rod) ………………….…………….... 53 4.1.3 Sudu Kompresor …………………..………….………… 54 4.1.4 Disk Kompresor ………………………………………… 64 4.2 Perencanaan Sudu Turbin dan Disk Turbin ............................... 67 4.2.1 Kondisi sudu Tetap Turbin Tingkat 1 ............................. 69 4.2.2 Kondisi sudu Gerak Turbin Tingkat 1 ............................ 72 4.2.3 Ukuran-ukuran Sudu Turbin ........................................... 75 4.3 Perencanaan Poros Penghubung ....................................……… 83 4.4 Perencanaan Unit Ruang Bakar....................................……….. 85 4.4.1 Luas dan Diameter Casing .............................................. 88 4.4.2 Tabung Api (liner) Ruang Bakar .................................... 89
BAB V
KESIMPULAN ………………………………………………….... 91
DAFTAR PUSTAKA
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
1. Simbol dari abjad biasa
Simbol Latin
Arti
Satuan
A
Luasan yang ditempati gas
m2
Ab
Luas bidang normal
mm2
Ag
Luas bidang geser
mm2
AFR
Perbandingan udara dengan bahan bakar
kg/kg
C
Celah antara sudu
m
c
Panjang chord sudu
m
Ca
Kecepatan aksial
m/s
cp
Panas jenis pada tekanan konstan
Cx
Panjang chord arah aksial
m
Cw2
Kecepatan whirl masuk sudu gerak
m/s
Cw3
Kecepatan whirl keluar sudu gerak
m/s
C1
Kecepatan absolute gas masuk sudu gerak
m/s
C2
Kecepatan absolute
m/s
C3
Kecepatan absolute gas keluar sudu gerak
m/s
Fc
Faktor koreksi
-
Ft
Gaya tangensial
FAR
Perbandingan bahan bakar dengan udara
kg/kg
G
Kecepatan grafitasi
m/s2
Ar
kerja yang dilakukan untuk melawan gesekan
h
Tinggi sudu
m
hm
Tinggi rata-rata sudu
m
kJ/kg.k
kgf ; N
kg.m/det
Universitas Sumatera Utara
h1
Enthalpy udara masuk kompresor
kJ/kg
h2
Enthalpy udara keluar kompresor
kJ/kg
h2’
Enthalpy udara keluar kompresor aktual
kJ/kg
h3
Enthalpy gas keluar ruang bakar ideal
kJ/kg
h4
Enthalpy gas keluar turbin ideal
kJ/kg
h4’
Enthalpy gas keluar turbin aktual
kJ/kg
Laju aliran massa udara
kg/s
Laju aliran massa udara bahan bakar
kg/s
Laju aliran massa udara pendingin
kg/s
mg
Laju aliran massa gas
kg/s
n
Putaran sudu
rpm
nc
Putaran kritis sistem
rpm
n
Jumlah tingkat turbin
-
Pk
Daya kompresor
Watt
Pt
Daya turbin
Watt
P01
Tekanan gas pada kondisi stagnasi
bar
P1
Tekanan pada kondisi statik
bar
P02
Tekanan gas setelah terjadinya proses
bar
pr
reduction pressure
-
qrb
Kalor ruang bakar
Watt
qin
Kalor masuk
kJ/kg
qeff
Kalor efektif
kJ/kg
qout
Kalor keluar
kJ/kg
RR
Derajat reaksi tingkat
-
•
ma •
mf •
mP •
Universitas Sumatera Utara
r
Radius jurnal
m
rP
Pressure ratio
-
rr
Jari-jari akar sudu
m
rm
Jari-jari tengah sudu
m
s
Panjang pitch sudu
m
s
Entropi
T1
Temperatur udara masuk kompresor
K
T1
Temperatur gas pada kondisi statik
K
T2
Temperatur udara keluar kompresor
K
T01
Temperatur gas pada kondisi stagnasi
K
T02
Temperatur pada P02
K
T2’
Temperatur udara keluar kompressor aktual
K
T3
Temperatur udara keluar ruang bakar ideal
K
T4
Temperatur udara keluar turbin ideal
K
T4’
Temperatur udara keluar turbin aktual
K
tm
Tebal rata – rata sudu
m
Ur
Kecepatan rotasi sudu
m/s
Um
Kecepatan tangensial rata - rata sudu
m/s
V
Volume
m3
V2
Kecepatan relative gas masuk sudu
m/s
V3
Kecepatan relative gas keluar sudu
m/s
w
Tebal sudu gerak
m
Win
Kerja spesifik masuk
kJ/kg
Wout
Kerja spesifik keluar
kJ/kg
Wsg
Berat sudu gerak
N
kJ/kg.K
Universitas Sumatera Utara
Wk 1-2
Kerja kompressor ideal
kJ/kg
Wk 1-2’
Kerja kompressor aktual
kJ/kg
Wnett
Kerja bersih
kJ/kg
z
Jumlah sudu
-
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel
Nama Tabel
Halaman
3.1
Komposisi bahan bahan bakar turbin gas
35
4.1
Perbandingan dasar dan puncak sudu
49
4.2
Kondisi udara tiap tingkat kompresor
52
4.3
Ukuran-ukuran utama kompresor
60
4.4
Berat dan diameter disk kompresor
66
4.5
Kondisi tiap tingkat turbin
74
4.6
Ukuran-ukuran sudu turbin
80
4.7
Ukuran-ukuran utama sudu turbin
81
4.8
Berat tingkat (stage) turbin
82
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Nama Gambar
Halaman
1.1
Turbin gas
1
2.1
Skema turbin gas
4
2.2
Sistem turbin gas dengan siklus terbuka
5
2.3
Sistem turbin gas dengan siklus tertutup
6
2.4
Skema instalasi turbin gas siklus regenaratif dengan heat exchanger
7
2.5
Skema instalasi siklus gabungan turbin gas dan turbin uap 9
2.6
Diagram T-S dan P-V turbin gas siklus terbuka
10
2.7
Grafik hubungan effisiensi dengan rasio tekanan
13
2.8
Diagram h-s siklus aktual
14
2.9
Penampang turbin jenis radial
16
2.10
Penampang turbin jenis aksial
17
2.11
Grafik effisiensi turbin vs velocity ratio
18
2.12
Skema alur daya pada instalasi generator
21
2.13
Diagram kecepatan pada sudu
25
2.14
Poros
26
2.15
Pasak
27
2.16
Bantalan luncur
28
3.1
kondisi stagnasi pada kompresor
31
3.2
Skema alur daya pada instalasi turbin gas
43
4.1
Grafik hubungan s/c
58
Universitas Sumatera Utara
4.2
Profil sudu aerofoil
61
4.3
Disk kompresor
64
4.4
50 Percent Reaction Design
67
4.5
Diagram kecepatan untuk derajat reaksi
69
4.6
Diagram h–s untuk satu tingkat turbin
69
4.7
Axial flow turbin stage
76
4.8
Nilai ‘optimum’ pitch/chord ratio
79
4.9
Profil sudu turbin gas dan T6 aerofoil section
80
4.10
Poros penghubung
83
4.11
Susunan ruang bakar unit turbin gas
85
4.12
Section burner combination
86
Universitas Sumatera Utara
