Turbin Uap
TURBIN UAP Siklus pembangkitan tenaga terdiri dari pompa, generator uap (boiler), turbin, dan kondenser di mana fluida kerjanya (umumnya adalah air) mengalami perubahan fasa dari cair ke uap atau sebaliknya selama menjalani siklus.
Penggunaan: penggerak kapal utilitas (penggerak pompa dan kompresor) penghasil daya listrik (PLTU, PLTN, PLTP).
Keunggulan: biaya operasional murah karena dapat menggunakan bahan bakar kualitas rendah dapat menyediakan uap untuk proses dalam industri
Kerugian : biaya investasi mahal karena ukurannya sangat besar susah dipindahkan dan di-install butuh waktu untuk starting
Prinsip kerja
Air umpan untuk generator uap dialirkan dengan bantuan pompa sehingga mengalami kenaikan tekanan dan masuk ke generator uap. Di dalam generator uap air boiler dipanaskan oleh api dalam ruang bakar secara radiasi dan dipanaskan lebih lanjut oleh aliran gas hasil pembakaran sehingga berubah uap jenuh (saturated vapor) dan kemudian menjadi uap panas lanjut (superheated steam).
Uap panas lanjut keluar dari generator uap masuk ke dalam turbin dan mengalami ekspansi sehingga dapat menggerakkan sudu-sudu turbin. Putaran sudusudu turbin diteruskan oleh poros untuk menggerakkan pompa, kompresor, atau pembangkit listrik. Uap keluar dari turbin dalam bentuk campuran jenuh (saturated mixture). Uap campuran jenuh masuk ke kondenser untuk mengalami kondensasi dengan melepas kalor sehingga berubah menjadi cairan terkompresi (compressed liquid). Selanjutnya air ini dipompa masuk ke generator uap lagi dengan penambahan make-up water.
Siklus Ideal Turbin Uap (Rankine Cycle)
1-2 : kompresi dalam pompa secara isentropis 2-3 : penambahan kalor dalam generator uap pada tekanan konstan (isobaris) 3-4 : ekspansi dalam turbin secara isentropis 4-1 : pembuangan kalor dalam kondenser
Asumsi: aliran steadi perubahan energi kinetik & potensial bisa diabaikan Kalor masuk :
qin = h3 − h2 Kalor yang dibuang :
qout = h4 − h1 Kerja bersih :
w net = qin − qout = w t − w p
Kerja yang dihasilkan turbin :
w t = h3 − h4
Kerja yang dibutuhkan pompa:
wp = h2 − h1 ≅ v1 ( p2 − p1 )
Efisiensi termal : w net w t − w p h4 − h1 ηt = = = 1− qin qin h3 − h2
Siklus Aktual Turbin Uap
Pada kondisi yang sesungguhnya terjadi kerugiankerugian yang berupa gesekan aliran dan aliran kalor ke sekeliling. Akibatnya terjadi penurunan tekanan di dalam pipa-pipa boiler (tidak isobaris) dan di dalam kondenser, sehingga dalam siklus aktual dibutuhkan tekanan pompa yang lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan pompa siklus ideal. Ireversibilitas yang terjadi dalam pompa dan turbin juga menyebabkan penyimpangan dari kondisi ideal. Sehingga kerja yang dibutuhkan pompa menjadi lebih besar dan kerja yang dihasilkan turbin menjadi lebih kecil. Untuk menilai performa pompa dan turbin digunakan istilah efisiensi adiabatis.
Efisiensi adiabatis pompa
w s h2s − h1 ηP = = w a h2a − h1 Efisiensi adiabatis turbin
w a h4a − h1 ηT = = w s h4s − h1
Metode Dasar Peningkatan Efisiensi Termal Peningkatan tekanan pemanasan air dalam generator uap (p2 atau p3). Peningkatan temperatur uap panas lanjut (T3). Metode ini mempunyai keuntungan bahwa uap keluar turbin dalam kondisi lebih kering (kualitas uap meningkat). Harga T3 dibatasi oleh kekuatan material yaitu sekitar 620°C. Penurunan tekanan dalam kondenser (p4 atau p1)
Metode Peningkatan Performa Turbin Uap 1. Reheating (pemanasan ulang)
uap yang berekspansi di turbin dan hampir mencapai kondisi jenuh dipanaskan lagi dalam generator uap untuk kemudian dialirkan ke tingkat turbin berikutnya untuk berekspansi lebih lanjut. dengan metode ini tidak diperlukan temperatur masuk turbin yang sangat tinggi untuk mendapatkan daya turbin yang dibutuhkan.
Kerja yang dihasilkan turbin:
w t = (h3 − h4 ) + (h5 − h6 ) w HPT
w LPT
Kerja yang dibutuhkan pompa:
w p = h2 − h1 Efisiensi termal: ηt =
wt − w p qin
=
(h3 − h4 ) + (h5 − h6 ) − (h2 − h1 ) (h3 − h2 ) + (h5 − h4 ) q in,1
= 1−
(h6 − h1 ) (h3 − h2 ) + (h5 − h4 )
q in,2
pemanasan ulang biasanya hanya dilakukan maksimal 2 kali karena pemanasan ulang yang ketiga hanya akan meningkatkan efisiensi yang tidak signifikan (tidak seimbang dengan investasi dan kompleksitasnya). temperatur pemanasan ulang dibuat hampir sama dengan temperatur inlet turbin tekanan tinggi (HPT), sedangkan tekanan pemanasan ulang adalah sekitar 1/4 tekanan maksimum turbin.
2. Regenerative
air umpan boiler sebelum masuk boiler dipanasi terlebih dahulu dengan uap panas yang diekstrak dari turbin sehingga dapat meminimalkan kalor input (qin) dari pembakaran bahan bakar dengan metode ini kalor laten (kalor penguapan) tidak hilang dibuang di kondenser tetapi bermanfaat untuk memanasi air isian boiler
Kalor masuk:
qin = h5 − h4 Kalor yang dibuang:
qout = (1 − y )(h7 − h1 ) Kerja turbin:
w t = (h5 − h6 ) + (1 − y )(h6 − h7 )
Kerja pompa:
w p = (1 − y )w p,1 + w p,2 Fraksi uap yang diekstrak:
6 −m 5 y =m
3. Binary Vapor Cycles Syarat-syarat ideal untuk fluida kerja dalam siklus Rankine: a. Temperatur kritis tinggi (porsi transfer kalor pada
temperatur konstan besar) dan tekanan maksimum yang aman (tekanan terlalu besar menyebabkan persoalan kekuatan material). b. Tekanan kondenser tidak terlalu rendah (tidak
menyebabkan kebocoran udara).
c. Enthalpi penguapan besar (laju massa tidak
perlu terlalu besar). d. Kurva jenuh dengan bentuk “U” terbalik
(mengurangi kandungan moisture dalam turbin). e. Konduktivitas tinggi. f.
Tidak bereaksi, tidak beracun, murah, dan mudah didapat.
Air merupakan fluida yang paling baik tetapi dengan kelemahan pada poin (a) yaitu temperatur kritisnya 374°C (<< 620°C) dan tekanan jenuh tinggi pada temperatur tinggi (16,5MPa pada 350°C) ⇒ membagi siklus turbin uap menjadi siklus temperatur tinggi dan siklus temperatur rendah dengan masing-masing fluida yang cocok. Untuk siklus temperatur rendah tetap digunakan air sebagai fluida kerja dan untuk siklus temperatur tinggi dapat digunakan mercury, potassium, dan sodium-potassium.
Karakteristik mercury: Temperatur kritis tinggi 898°C dengan tekanan kritis 18MPa. Tekanan jenuh pada temperatur kondenser 0,07Pa ⇒ terlalu rendah (temperatur jenuh pada tekanan minimum kondenser 7kPa adalah 237°C ⇒ terlalu tinggi). Beracun dan mahal.
