TUGAS SKRIPSI
SISTEM PEMBANGKIT TENAGA
ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA UAP PADA PKS KAPASITAS 30 TON TBS/JAM
OLEH ISKANDAR PERANGIN ANGIN 040401030
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
Universitas Sumatera Utara
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK MESIN MEDAN TUGAS SKRIPSI
SISTEM PEMBANGKIT TENAGA
ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN PADA PEMBANGKIT TENAGA UAP PKS KAPASITAS 30 TON TBS/JAM
Oleh : ISKANDAR PERANGIN ANGIN 040401030
Diketahui/Disyahkan : Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU Ketua,
Disetujui oleh : Dosen Pembimbing
DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 132 018 668
Ir. Zamanhuri, MT NIP. 130353113
Universitas Sumatera Utara
ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA UAP PADA PKS KAPASITAS 30 TON TBS/JAM
ISKANDAR PERANGIN ANGIN NIM. 040401030
Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-546, pada tanggal 8 Agustus 2009
Pembanding I
Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. NIP. 132018668
Pembanding II
Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT. NIP. 132018668
Universitas Sumatera Utara
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN 2008 FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN
AGENDA
: 847 / TS /
DITERIMA TGL: PARAF :
TUGAS SKRIPSI NAMA
: ISKANDAR PERANGIN ANGIN
NIM
: 040401030
MATA PELAJARAN
: SISTEM PEMBANGKIT TENAGA
SPESIFIKASI
: Analisis dan simulasi untuk mendapatkan sudut-sudut turbin pada PKS kapasitas 30 ton/jam Analisis meliputi : - Perhitungan manual dari kondisi yang ada - Pemrograman simulasi untuk memperoleh optimasi - Menggunakan data-data awal dari hasil survey.
DIBERIKAN TANGGAL : 02 / 02 / 2009 SELESAI TANGGAL
: 22 / 07/ 2009
MEDAN, 02 FEBRUARI 2009 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
DOSEN PEMBIMBING,
DR.ING.IR IKHWANSYAH ISRANURI
IR. ZAMANHURI, MT
NIP. 132018668
NIP. 130353113
Universitas Sumatera Utara
KARTU BIMBINGAN TUGAS SKRIPSI MAHASISWA No : 847 / TS / 2008 Sub. Program studi Bidang Tugas Judul Tugas Skripsi
Diberikan Tanggal Dosen Pembimbing
NO
Tanggal
: Mesin Konversi Energi : Sistem Pembangkit Tenaga. : Analisis Variasi Sudut Sudu-Sudu Turbin Impuls Terhadap Daya Mekanis Turbin Sebagai Pembangkit Tenaga Uap Pada PKS Kapasitas 30 Ton TBS/Jam : 02 Februari 2009 Selesai Tanggal : 22 Juli 2009 : Ir. Zamanhuri,MT Nama Mahasiswa : Iskandar Perangin Angin NIM : 04 0401 030 Kegiatan Asistensi Bimbingan
1
02-02-2009
2
10-02-2009
3
25-02-2009
4
03-03-2009
5
17-03-2009
3
26-03-2009
Penentuan Spesifikasi Tugas dan Bahan Kajian Asistensi BAB I
6
30-03-2009
Asistensi BAB II
7
03-04-2009
8
17-04-2009
Perhitungan manual dari data-data yang diperoleh Analisis prinsip impuls pada turbin
9
15-05-2009
10
30-05-2009
11
14-06-2009
12
18-07-2009
Tanda Tangan Dosen
Pemberian tugas dan diskusi ide mengenai gambaran umum tugas skripsi Studi literatur mesin pengangkat & mekanika kekuatan bahan Survey data penelitian di PKS PTPN IV Diskusi hasil Pengambilan Data
Analisis variasi sudut uap masuk terhadap gaya, daya dan efisiensi turbin Analisis dan simulasi dengan bantuan program computer Matlab Asistensi hasil analisis dengan program Matlab Acc dan siap diseminarkan
CATATAN : 1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada dosen pembimbing setiap asistensi. 2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi. 3. Kartu ini harus dikembalikan kejurusan, bila kegiatan asistensi telah selesai,
Diketahui, Ketua Departemen Teknik Mesin F.T U.S.U
DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 132 018 668
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT yang atas nikmat dan karunia yang dilimpahkannya sehingga penulis mampu menyelesikan tugas skripsi ini. Tugas skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi mahasiswa guna menyelesaikan pendidikan dan mendapatkan gelar Sarjana Teknik di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Oleh karena itu penulis sebagai mahasiswa yang akan menyelesaikan pendidikannya turut melaksanakan skripsi ini. Adapun dalam skripsi ini, penulis mengambil topik pembahasan
tentang
Analisis Variasi Sudut Sudu-sudu Turbin Impuls terhadap Daya Mekanis Turbin pada Pembangkit Tenaga Uap PKS Kapasitas 30 ton TBS/ jam. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Zamanhuri, MT sebagai dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan dan pengajaran dari awal hingga selesainya skripsi ini. 2. Bapak DR.ING.Ir Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin ST. MT sebagai ketua jurusan dan sekretaris jurusan Departemen Teknik Mesin USU. 3. Para dosen dan staf pengajar Departemen Teknik Mesin USU yang selama ini telah memberikan dan mengajarkan ilmu-ilmu keteknik-mesinan. 4. Kedua orang tua yang tercinta M. S Perangin Angin dan R. Br Tarigan yang selalu memberikan motivasi dan doa dalam menyelesaikan skripsi ini.
Universitas Sumatera Utara
5. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin yang senantiasa membantu dan memberikan masukan guna penyelesaian skripsi ini. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum mencaoai kesempurnaan dan masih
banyak
kesilapan
dan
kekurangan-kekurangan.
Untuk
itu
penulis
mengharapkan masukan dan krietikan yang membangun untuk perbaikan selanjutnya. Kiranya skripsi ini bermanfaat bagi kita semua, khususnya mahasiswa Departemen Teknik Mesin FT USU.
Medan, 22 Juli 2009 Penulis,
(Iskandar Perangin Angin) 040401030
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ....................................................................................................
i
Daftar Isi ..............................................................................................................
iii
Daftar Simbol .......................................................................................................
vi
Daftar Gambar ......................................................................................................
viii
Daftar Tabel .. .......................................................................................................
xi
BAB I. PENDAHULUAN ..................................................................................
1
1.1 Latar Belakang ...........................................................................................
1
1.2 Maksud Dan Tujuan ...................................................................................
2
1.3 Batasan Masalah .........................................................................................
3
1.4 Metode Penulisan ........................................................................................
3
1.5 Sistematika Penulisan ..................................................................................
4
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................ 2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga.
9 9
2.2 Analisa Termodinamika ............................................................................ 10 2.3 Komponen Instalasi Turbin Uap ………………………………………… 12 2.4 Klasifikasi Turbin Uap ..............................................................................
17
2.5 Bagian-bagian Turbin ................................................................................
21
2.6 Kerugian Energi pada Turbin Uap ............................................................
22
2.6.1 Kerugian Energi Kalor pada Katup Pengatur ..............................
23
2.6.2 Kerugian Energi Pada Nosel .........................................................
24
2.6.3 Kerugian Energi Kalor pada sudu-sudu Gerak ............................
25
Universitas Sumatera Utara
2.6.4 Kerugian Energi Akibat Kecepatan Keluar ..................................
26
2.6.5 Kerugian Energi karena Gesekan Roda dan Ventilasi ................
26
2.6.6 Kerugian akibat Ruang Bebas .....................................................
27
2.6.7 Kerugian Akibat Kebasahan Uap ................................................
28
2.6.8 Kerugian akibat Pemipaan Buang ...............................................
28
2.6.9 Kerugian Mekanis ........................................................................
29
2.6.10 Efisiensi dalam Turbin .................................................................
30
BAB III. PRINSIP DAN PERHITUNGAN TURBIN IMPULS SERTA ANALISIS ALIRAN UAP MELALUI SUDU ....................
31
3.1 Dasar Teori Impuls ..................................................................................
31
3.1.1 Prinsip Impuls dan Momentum ....................................................
31
3.2 Asas Impuls Pada Turbin ........................................................................... 33 3.3 Prinsip Turbin Impuls ..............................................................................
34
3.4 Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis ................................
36
3.5 Transformasi Energi Pada Sudu ..............................................................
38
3.6 Analisis Kecepatan Aliran Uap ................................................................
40
3.7 Gaya Tangensial Turbin ...........................................................................
43
3.8 Daya Mekanis yang dihasilkan Turbin ....................................................
44
3.9 Efisiensi Turbin Impuls ............................................................................
46
BAB IV. ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU IMPULS TERHADAP ENERGI MEKANIS TURBIN ...................................
41
4.1 Prinsip Aksi Aliran Uap Melalui Sudu ...................................................
41
4.2 Analisis Aliran Uap Melalui Penempang Sudu Yang Bervariasi ...........
42
Universitas Sumatera Utara
4.3 Perhitunan Data Survey ..........................................................................
47
4.3.1
Data hasil Survey Studi .................................................................. 47
4.3.2
Perhitungan Data ...........................................................................
49
4.4 Perhitungan Kerja Turbin Berdasarkan Prinsip Aksi Uap ......................
52
4.5 Hubungan Variasi α 1 terhadap F u dan P u .............................................
55
4.6 Hubungan u/c dengan besar sudut α 1 dan pengaruhnya terhadap Efisiensi Turbin ......................................................................................
58
4.7 Menentukan Sudut α 1 Optimal .............................................................
59
4.8 Analisis Dan Simulasi Dengan Bantuan Softwere Komputer .................
61
4.8.1
Menghitung Gaya Tangensial dan Daya Mekanis Turbin dengan softwere MATLAB ......................................................................... 63
4.8.2
Analisis Variasi sudut terhadap Fu dan P u ..................................... 67
4.8.3
Pengaruh Sudut dan Koefisien Kecepatan Terhadap Effisiensi .... 71
4.9 Perbandingan Hasil Perhitungan Manual Dengan Simulasi ……………. 75
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN................................................................ 77 5.1 Kesimpulan ........................................................................................... 77 5.2 Saran ..................................................................................................... 77 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ 78
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Arti
Satuan
A
Luas penampang turbin
m2
b
Lebar sudu turbin
m
c1
Kecepatan uap mutlak masuk sudu
m/s
c2
Kecepatan uap mutlak keluar sudu
m/s
c it
Kecepatan uap teoritis
m/s
d
Diameter turbin
m
F
Gaya impuls
N
Fu
Gaya tangensial turbin
N
g
Percepatan gravitasi bumi
m/s2
h
Entalphy uap
kJ/kg
Mt
Momen torsi
Nm
m
Massa uap
kg
m
Laju aliran massa uap
kg/s
n
Jumlah putaran turbin
rpm
P
Momentum
kg.m/s
Pu
Daya/ energi mekanis turbin
kWatt
P0
Tekanan uap masuk turbin
bar
P2
Tekanan uap bekas turbin
bar
t
Jarak bagi sudu
m
u
Kecepatan tangensial turbin
m/s
v
Spesific volume
m3/kg
w1
Kecepatan relatif uap masuk sudu turbin
m/s
Universitas Sumatera Utara
w2
Kecepatan relatif uap keluar sudu gerak
m/s
x
Kualitas uap
--
z
Jumlah sudu
buah
α1
Sudut masuk uap ke turbin
derajat
α2
Sudut keluar sudu
derajat
β1
Sudut masuk sudu
derajat
β2
Sudut keluar uap
derajat
ε
Pemasukan uap parsial
--
ηu
Effisiensi turbin
%
ϕ
Koefisien gesek pada nosel
--
ψ
Kerugian pada sudu-sudu
--
ω
Kecepatan sudut
rad/s
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
GAMBAR
NAMA GAMBAR
Gambar 2.1
Mesin uap buatan Hero
Gambar 2.2
Mesin uap buatan Branca
Gambar 2.3
Turbin impuls sederhana
Gambar 2.4
Diagram alir Siklus Rankine
Gambar 2.5
Diagram T-s Siklus Rankine
Gambar 2.6
Pompa
Gambar 2.7
Boiler pipa air
Gambar 2.8
Turbin
Gambar 2.9
Kondensor
Gambar 2.10
Penampang Turbin Aksi
Gambar 2.11
Penampang Turbin Reaksi
Gambar 2.12
Perbedaan skema aliran uap antara Turbin Aksi dan Reaksi
Gambar 2.13
Bagian-bagian turbin
Gambar 2.14
Grafik untuk Menentukan Koefisien ϕ sebagai Fungsi Tinggi Nosel.
Gambar 2.15
Grafik untuk menentukan koefisien ψ berdasarkan
tinggi
sudu-gerak untuk turbin impuls Gambar 2.16
Efisiensi Mekanis Turbin Uap
Gambar 2.17
Efisiensi Generator
Gambar 2.18
Efisiensi Efektif
Gambar 3.1.
Impuls pada sudu Turbin
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.2.
Impuls pada penampang vertikal dan melengkung
Gambar 3.3.
Sudu Turbin simetris
Gambar 3.4.
Aliran uap pada nosel
Gambar 3.5.
Saluran uap pada nosel
Gambar 3.6.
Skema aliran uap pada sudu gerak
Gambar 3.7.
Skema arah kecepatan uap pada sudu gerak
Gambar 3.8
Konstruksi turbin uap impuls satu tahap
Gambar 4.1
Semburan uap dari nosel
Gambar 4.2
Prinsip aksi uap pada berbagai bentuk benda
Gambar 4.3
Arah aliran uap melalui sudu turbin
Gambar 4.4
Impuls uap pada sudu
Gambar 4.6
Grafik pengaruh perubahan sudut terhadap gaya tangensial
Gambar 4.7
Grafik pengaruh perubahan sudut terhadap Daya mekanis turbin
Gambar 4.8
Grafik variasi η u sebagai fungsi u/c 1
Gambar 4.9
Grafik nilai (u/c 1 ) optimum terhadap effisiensi
Gambar 4.10
Layar tampilan Matlab
Gambar 4.11
Layar kerja Matlab
Gambar 4.12
Aliran uap melalui sudu
Gambar 4.13
Instruksi kerja Matlab
Gambar 4.14
Hasil instruksi kerja Matlab
Gambar 4.15
Grafik hubungan sudut dengan Gaya tangensial turbin
Gambar 4.16
Grafik hubungan sudut dengan daya mekanis turbin
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.17
Grafik hubungan nilai (u/c 1 ) optimum terhadap effisiensi maksimum
Gambar 4.18
Grafik effisiensi sebagai fungsi u/c
Gambar 4.19
Grafik effisiensi dengan sudut uap masuk sudu
Gambar 4.20
Grafik hubungan sudut dengan daya dan efisiensi turbin
Gambar 4.21
Grafik perbandingan hasil perhitungan manual dengan
simulasi Gambar 5.1
Grafik sudut α 1 terhadap gaya tangensial turbin
Gambar 5.2
Grafik sudut α 1 terhadap daya mekanis turbin
Gambar 5.3
Grafik effisiensi sebagai fungsi u/c
Gambar 5.4
Grafik effisiensi vs u/c optimum
Gambar 5.5
Grafik effisiensi dengan sudut uap masuk sudu
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1
Pengaruh variasi sudut terhadap Gaya dan Daya turbin
Table 4.2
Pengaruh (u/c 1 ) terhadap Effisiensi turbin
Tabel 4.3
Pengaruh variasi sudut terhadap Gaya tangensial turbin
Tabel 4.4
Pengaruh variasi sudut terhadap Daya mekanis turbin
Table 4.5
Pengaruh (u/c 1 ) terhadap Effisiensi turbin
Tabel 4.6
Pengaruh variasi sudut terhadap Daya dan Effisiensi Turbin
Tabel 4.6
Perbandinganhasil perhitungan manual dengan simulasi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pembangkit tenaga uap merupakan suatu sistem yang dirancang untuk memanfatkan
energi
potensial
uap
sebagai
penghasil
tenaga
untuk
membangkitkan suatu generator. Jika suatu pembangkit tenaga (power plant) menggunakan turbin sebagai alat untuk mentransmisikan energi yang dikandung
Universitas Sumatera Utara
