Session 17 Steam Turbine Theory
PT. Dian Swastatika Sentosa DSS Head Office, 27 Oktober 2008
Outline 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Pendahuluan Bagan Proses Tenaga Uap Air dan Uap dalam diagram T – s dan h – s Penggunaan Diagram h – s Daya yang Dihasilkan, Efisiensi, dan Kapasitas Uap Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas Aliran Uap Ketika Melewati Fixed Blade dan Moving Blade Cara Kerja dan Bagian-Bagian Turbin Uap Bertingkat Back-Pressure Turbine dan Condensing Turbine
1. Pendahuluan Definisi Steam
Steam merupakan air dalam wujud gas
1. Pendahuluan Definisi Steam Turbine “Sebuah steam turbine didefinisikan sebagai suatu mesin yang mengubah energi steam menjadi energi kinetik dengan melakukan ekspansi melalui nozzle, dan energi kinetik yang dihasilkan oleh semburan steam yang diubah menjadi daya kerja pada sudu-sudu yang terdapat pada bagian yang berputar.“ Dengan kata lain: “Sebuah steam turbine adalah penggerak utama yang mengubah energi panas dari steam langsung menjadi energi putaran mesin.”
1. Pendahuluan •
Steam Turbine digerakkan oleh fluida : superheated steam atau saturated steam
•
Efisiensi Steam Turbine dipengaruhi oleh : diameter roda turbin, jumlah tingkat, panjang sudu, dan penampang bagian - b agian yang menghantarkan uap.
•
Kerja Steam Turbine dipengaruhi panas jatuh. Panas jatuh yang terjadi merupakan selisih entalpi yang terjadi pada turbin stage pertama dan terakhir akibat ekspansi uap.
1. Pendahuluan Konstruksi Turbin
Input
Superheated Steam Saturated Steam
Proses
Output
Single stage Multi Stage
Condensing
High Pressure Intermediate Pressure Low Pressure Axial Radial
Efisiensi
•Full Condensing •Extraction-Condensing
Non-Condensing •Back Pressure •Extraction-Back Pressure
1. Pendahuluan
Condensing Turbine
Non-Condensing Turbine
1. Pendahuluan
Radial Blade Turbine
Axial Blade Turbine
1. Pendahuluan Hero’s Aelopile Impulse Steam Turbine
Branca’s Steam Turbine
Reaction Steam Turbine
1. Pendahuluan Steam Tubine Thermodynamic Process
1. Pendahuluan Efficiency Definition
2. Bagan Proses Tenaga Uap
W P W C Q in
m h 2 h1 m h3 h 2
W t m h3 h 4 Q out m h1 h 4
2.1. Saturated Rankine Cycle in PLTN
2. 2. Superheated Rankine Cycle
2.3. Superheated-Reheated Rankine Cycle
3. Air dan Uap Air Dalam Diagram T – s dan h – s Steam Table • Tabel uap terbagi atas 2 bagian, yakni : tabel uap jenuh (saturated steam) dan tabel uap lanjut (superheated steam). • Masing - masing tabel uap tersebut memuat besaran besaran ukur: pressure (P), temperature (T), specific volume (v), specific enthalpy (h), and specific entropy (s)
3.1. Diagram T - s dQ = T ds
X= kg uap / kg campuran uap dan air) Besarnya temperatur didih bergantung tekanan yang bekerja pada sistem tersebut.
3.2. Diagram h - s Contoh 1.
lihat gambar berikut Berapakah selisih entalpi seluruhnya dari proses isentropic h = h1-h2 dalam kJ/kg? Berapakah entalpi uap bekas yang keluar dari mesin? Bisa mencapai berapakah efisiensi teoritis ηtt, bila untuk dua proses tenaga uap dengan tujuan yang sama yaitu perpindahan energi, tetapi bekerja dengan data uap yang berlainan?
a. Uap dengan tekanan tinggi yang bekerja di dalam suatu turbin uap dengan kondensasi b. Uap dengan tekanan menengah yang bekerja di dalam suatu lokomotif uap
3.2. Diagram h - s
Panas Jatuh (Δh) = h1 – h2 Efisiensi konversi energi kalor menjadi energi mekanik
h1 h2 u tt h1 Back
4. Penggunaan Diagram h – s Mollier Diagram – perubahan keadaan isobar – penentuan panas jatuh – proses pencekikan (throttling) Dalam daerah uap basah garis temperatur tidak ada, karena temperatur uap basah antara x = 0 sampai x = 1 adalah selalu tetap konstan, tergantung kepada tekanan yang dipunyai temperatur didih air, yang diambil dari tabel uap
4. Penggunaan Diagram h – s Peristiwa a : Perubahan keadaan isobar Uap yang lembab dengan tekanan 10 bar dan x = 0,96 (4% air) harus dipanaskan lanjut sampai 10 bar, 4000C • Berapakah jumlah kalor yang diperlukan? • Berapakah temperatur uap lembab tersebut? • Berapakah spesifik volume v yang dipunyai uap panas lanjut dan uap yang lembab?
Contoh 2
4. Penggunaan Diagram h – s Peristiwa b : Penentuan panas jatuh • Berapakah panas jatuh (selisih entalpi) h yang terdapat pada turbin bila uap baru dengan tekanan 10 bar/4000C berekspansi isentropik sampai 0,05 bar? • Berapakah keadaan uap bekas yang keluar dari turbin? Bila di dalam turbin terdapat kerugian perpindahan energi sehingga ηi = 0,80, bagaimanakah keadaan uap bekas dari turbin?
4. Penggunaan Diagram h – s Peristiwa c : Proses pencekikan (throttling) Uap baru dengan kondisi 40 bar/4000C di ekspansikan di dalam turbin sampai tekanannya menjadi 1 bar. Sehingga terdapat panas jatuh isentrop sebesar h = 760 kJ/kg. • Bagaimanakah kondisi uap baru yang masuk ke turbin, bila katup pemasukan uap sebelum turbin ditutup perlahanlahan dicekik sampai 4 bar (uap yang keluar dari katup dan masuk ke turbin menjadi bertekanan 4 bar)? • Setelah proses pencekikan, berapakah panas jatuh isentrop yang bekerja di dalam turbin?
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas Steam Turbine Moisture Separation and Steam Reheating
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas
Reheater Assembly
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas Actual Moisture Separator
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas
Moisture Separator Reheater Guangdong Sizewell N.P.S.
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas
Open or Direct Contact Feedwater Heater System
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas
Feedwater Heating (Direct Contact Heater)
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas
Closed or Surface (Tubed) Feedwater Heater System
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas
Feedwater Heating (Surface (Tubed) Heater)
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas
Feedwater Heating (Multiple Heaters)
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas Efficiency Gain With Feedwater Heaters
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas – Perbaikan dengan jalan pemanasan ulang • Dengan menggunakan Re-Heater • Steam yang keluar dari HP turbin dipanaskan kembali di Boiler dan dimasukkan kembali di IP Turbin • Menaikkan 3 - 4 % efisiensi
u
Akan mengembun
(a b c d e f g h i a) (h b a i) (a b c d e f g h i a)
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas Perbaikan dengan jalan pemanasan pendahuluan air umpan boiler dengan uap yang di ekstraksi dari turbin uap (sistem regeneratif) Dengan menggunakan ekstraksi steam dari turbin untuk memanasi air umpan menuju boiler Dengan LP Heater, HP Heater, IP Heater Menaikkan 7% efisiensi
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas Pemanasan pendahuluan air umpan boiler dengan uap yang di ekstraksi dari turbin. Proses siklus dengan data uap dari turbin ekstraksi 1 tingkat terdapat pada gambar dibawah ini :
Contoh 3
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas Uap baru yang masuk ke dalam turbin = uap yang keluar dari boiler = 160 bar, 5300C. Uap ekstraksi tekanannya 16 bar, x = 1 mengikuti proses ekspansi isentropik. Tekanan uap bekas yang keluar dari turbin = 0,04 bar. Perhitungan dilakukan terhadap tiap 1 kg uap baru yang masuk ke dalam turbin.
5. Perbaikan Proses Tenaga Uap dengan Teknologi Panas • Berapakah uap ekstraksi (yang harus dikeluarkan dari turbin) z dalam kg/kg yang diperlukan untuk pemanasan pendahuluan air kondensat utama dari temperatur TKA = 290C dan hKA = 121 kJ/kg menjadi air pengisi ketel dengan temperatur TKE = 1900C dan hKE = 810 kJ/kg? Uap ekstraksi meninggalkan turbin dengan tekanan 16 bar, x = 1 dan T = 2010C (tabel uap). Di dalam pesawat pemanas lanjut uap ekstraksi ini akan mengembun dan setelah menyerahkan kalor keadaannya menjadi hzK = 856 kJ/kg sesuai dengan temperatur didih 2010C (dari tabel uap). • Berapa persenkah perbaikan efisiensi termis yang bisa dicapai proses ini?
6. Daya Yang Dihasilkan, Efisiensi, dan Kapasitas Uap • • • •
h = selisih entalpi dari ekspansi isentropik antara uap baru yang masuk ke dalam turbin dengan uap bekasnya yang keluar dari turbin, dalam kJ/kg. ms = Kapasitas uap (masa uap yang masuk ke dalam turbin persatuan waktu), dalam kg/detik. ηi = efisiensi dalam turbin ηm = efisiensi mekanis dari turbin
Daya yang dihasilkan
P h m s i m
Efisiensi kopling dari turbin
e i m
Bekerjanya turbin tergantung kepada panas jatuh, keadaan uap dan kapasitas uap yang dimasukkan ke dalam sebuah atau ke dalam kedua rumah turbin.
6. Daya Yang Dihasilkan, Efisiensi, dan Kapasitas Uap
7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran Fixed Blade
Moving Blade
Bagan cara kerja uap ketika sedang melewati sudu-sudu turbin uap satu tingkat, bentuk penampang sudu pengarah dibuat sedemikian rupa supaya dapat melaksanakan ekspansi uap dengan pertambahan kecepatan yang tertentu. Akibat dari ekspansi itu menghasilkan pertambahan volume.
7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran Persamaan Kontinuitas
m s v A c Vs m s v Vs A c Asumsi kapasitas uap 1 kg/detik
ms = kapasitas uap (kg/detik) V = volume spesifik (m3/kg) A = luas penampang saluran (m2) c = kecepatan uap masuk dan keluar saluran (m/detik) Vs=volume aliran uap
7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran Bagan penampang saluran suatu tingkat turbin uap
A D L sin 1
D 3,0 L
7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran Uap baru dengan tekanan 170 bar, 5300C diekspansikan sampai 0,065 bar dengan kondisi akhir x = 0,9. daya pada kopling yang dihasilkan turbin P = 150.000 kW (150 MW). Turbin memakai pemanasan ulang dan juga menggunakan pemanasan pendahuluan air ketel (Feedwater heater), dengan adanya uap yang diekstraksi dari turbin maka kondisi uap menjadi seperti berikut : Volume spesifik dan kapasitas aliran uap dalam turbin didapat dari Tingkat
Pertama
Terakhir
ms
120
80
kg/det
v
0,019
20
m3/kg
Vs
2,25
1600
m3/det
Contoh 4 Vs m s v
Perhitungan kasar untuk Diameter tingkat (diameter rata-rata lingkaran sudu) dan panjang sudu.
7. Persamaan Kontinuitas dan Penampang Saluran Tujuan : untuk menghindari jangan sampai diameter tingkat (diameter ratarata lingkaran sudu pada tingkat itu) terlalu besar dan kecepatankeliling terlalu tinggi, maka uap yang keluar dari turbin dengan tekanan tinggi dibagi menjadi beberapa aliran uap dan dimasukkan ke dalam beberapa buah turbin tekanan rendah.
Different Applications Turbine Expansion Lines
Turbine Configurations
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan Energi Tempat + Energi Kecepatan + Energi Tekanan + Energi Dalam = Konstan
c12 c2 2 P1 v1 u1 P2 v2 u2 2 2 Pv u h c22 c12 h1 h2 2 2 c2 2 (h1 h2 ) c22
c 2 1000 (h1 h2 ) 44, 72 h1 h2 Kecepatan keluar sudu
2
c hst 2000
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan Uap dengan tekanan 20 bar, 3500C di ekspansikan dalam suatu alat pengarah (Nozzle) yang sempurna tanpa kerugian menjadi uap dengan tekanan 3 bar. Berapakah kecepatan akhir uap itu bila kecepatan awalnya c1 = nol? Bagaimanakah kondisi uap di bagian keluar, bila harga-harga uap tersebut dibaca dari diagram h – s?
Contoh 5
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan – Banyaknya aliran uap, perbandingan tekanan, bentuk penampang saluran Suatu masa aliran uap panas ms = 1 kg/detik dengan P1 = 20 bar dan T1 = 3500C harus diekspansikan isentropik sampai 3 bar. Penampang saluran A harus dilaksanakan bagaimana supaya bisa memenuhi persamaan kontinuitas?
Contoh 6
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan p1
20
20
20
20
20
20
20
bar
px
20
15
10,9
8
6
5
3
bar
h1
3140
3140
3140
3140
3140
3140
3140
kJ/kg
hx
3140
3060
2920
2912
2850
2810
2715
kJ/kg
h1-hx
0
80
160
228
290
330
425
kJ/kg
cx
0
400
565
675
763
812
920
m/s
vx
0,140
0,175
0,224
0,280
0,350
0,400
0,600
m3/kg
436
395
415
460
493
654
mm2
Ax
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan – Perbandingan tekanan-laval, fungsi pengaliran
P1 m s A s 2 v1
s ( maks )
2 1
1
( 1)
Massa uap yang mengalir persatuan waktu
1
Fungsi pengaliran
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan Gas atau uap air
pL/p1
s maks
Gas dengan 2 atom, udara
1,4
0,528
0,484
Gas dengan 3 atom, uap panas lanjut
1,3
0,546
0,473
Uap jenuh
1,135
0,577
0,450
Uap basah = 1,035 + 0,1 . x
Harga dihitung
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan
Lintasan bilangan pengaliran s terhadap perbandingan tekanan p/p1
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan – Di bawah kecepatan suara, kecepatan suara, dan di atas kecepatan suara
cL 2 P1 v1
( 1)
Kecepatan suara
cL PL vL P L 0 , 5 7 7 P1
PL 0,546 P1
Untuk uap jenuh Untk uap panas lanjut
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan Untuk p1 = 100 bar, T1 = 4500C besarnya pL = 54,6 bar dan cL = 565 m/s. untuk p1 = 0,8 bar, x = 0,95 besarnya pL = 0,462 bar dan cL = 430 m/s. Kecepatan uap diatas kecepatan suara di dalam turbin uap terjadi pada “tingkat curtis”, dan juga terjadi di dalam tingkat terakhir dari turbin uap yang besar dan menggunakan kondensasi. Contoh 7
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan – penampang saluran pada turbin
Sudu Pengarah (Fixed Blade)
Nozzle Laval
8. Aliran Uap Ketika Melewati Sudu Pengarah dan Sudu Jalan
Sudu Jalan (Moving Blade)
8. Aliran Uap Ketika Melewati Turbin
Impulse Steam Turbine
Reaction Steam Turbine
8. Aliran Uap Ketika Melewati Turbin – Perubahan tekanan dan kapasitas uap yang masuk ke dalam turbin •
Luas penampang saluran nozzle dan sudu-sudu di dalam turbin dibuat untuk kondisi operasi turbin dengan beban penuh.
•
Jika turbin dioperasikan dengan kondisi beban sebagian atau lebih besar dari beban penuh, maka distribusi tekanan di dalam tingkat turbin akan berubah.
8. Aliran Uap Ketika Melewati Turbin – Perubahan tekanan dan kapasitas uap yang masuk ke dalam turbin •
p/p1 berubah akan menimbulkan perubahan bilangan pengaliran s, jika perubahannya sampai di bawah tekanan laval, maka kecepatan masa uap yang mengalir per satuan waktu ms di bagian keluar saluran pengarah akan mencapai kecepatan suara
•
Ekspansi uap yang selanjutnya sampai di bawah tekanan laval terjadi di dalam ruang sebelah belakang saluran pengarah, dengan demikian penampang keluar dari saluran pengarah berfungsi sebagai penampang tersempit dari nozzle laval.
9. Cara Kerja dan Bagian-Bagian Turbin Uap Bertingkat
10. Back-Pressure Turbine dan Condensing Turbine 1. Turbin Kondensasi (Condensing Turbine) Turbin yang saluran keluarnya dihubungkan dengan kondenser, sehingga tekanan uap pada saluran keluarnya mendekati tekanan vakum Condensing turbine < 1 bar (0,04 bar s.d. 0,1 bar)
10. Back-Pressure Turbine dan Condensing Turbine 2. Turbin Tekanan Balik (Backpressure Turbine) Turbin yang tekanan uap keluarnya dikontrol dengan sebuah pusat pengatur yang menjaga proses steam pada tekanan yang diinginkan. Back-Pressure Turbine > 1 bar
Hubungan Antara Tekanan dan Flow Steam, dan Turbine Load
Konversi Satuan 1 Bar = 100 kPa = 0,1 MPa = 0,986923 atm = 1,0197 kg/cm2 = 100.000 N/m2
1 BTU/lb = 0,556 Kcal/kg = 2,33 kJ/kg
5 deg C x(deg F 32) 9 9 deg F x deg C 32 5 deg Kelvin deg C 273
