Turbin Uap

                                                     Turbin Uap

            Siklus Renkine setelah diciptakan langsung diterima sebagai standar untuk pembangkit daya yang menggunakan uap (steam ). Siklus Renkine nyata yang digunakan dalam instalasi pembangkit daya jauh lebih rumit dari pada siklus renkine ideal asli yang sederhana. siklus ini merupakan siklus yang paling banyak digunakan untuk pembangkit daya listrik sekarang ini. Oleh karena siklus Rankine merupakan sikus uap cair maka paling baik siklus itu digambarkan dengan diagram P-v dan T-s dengan garis yang menunjukkan uap jenuh dan cair jenuh. Fluida kerjanya adalah air (H₂O).

            Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap. Dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap.            Siklus ideal yang terjadi didalam turbin adalah siklus Renkine ; Air pada siklus 1 dipompakan, kondisinya adalah isentropik   s₁ =  s₂  masuk ke boiler dengan tekanan yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi  super panas  h₃   =   h₄   dan  keluaran dari turbin berbentuk uap jenuh dimana laju aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin, ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram                                                                                                            

Menurut Hukum pertama Thermodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu proses siklus adalah sama dengan Jumlah Perpindahan Kalor pada fluida kerja selama proses siklus tersebut berlangsung.  Jadi untuk proses Siklus

1 – 2 – 2’ – 3 – 3’  – 4 – 1

Dengan rumus:

W =  f T dS

W  =  Kerja per satuan berat fluida kerja

Ds =  Luas 1 – 2  - 2 – 2’ – 3 – 4  - 1 pada diagaram  ( T – s )

            Dalam  kenyataan  Siklus  sistem Turbin Uap menyimpang dari Siklus  Ideal (Siklus Rankine ) antara lain karena faktor tersebut dibawah ini :

1.      Kerugian dalam pipa atau saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfer disekitarnya .

2.      Kerugian tekanan  dalam ketel uap

3.      Kerugian energi didalam turbin karena adanya gesekan pada fluida kerja dan bagian-bagian dari turbin.

  Prinsip Kerja Turbin Uap

Secara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut :

     Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis  dan uap mengalami pengembangan.

Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam  nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel.

Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin.

     Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkn sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap ( guide blade ) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat.

     Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil. 

 Klasifikasi turbin uap

Turbin Uap dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori yang berbeda berdasarkan pada konstruksinya, prinsip kerjanya dan menurut peoses penurunan tekanan uap sebagai berikut:

2.3.1   Klasifikasi Turbin berdasarkan Prinsip Kerjanya

1.                  Turbin Impulse

Turbin impuls atau turbin tahapan impuls adalah turbin sederhana berrotor satu atau banyak (gabungan ) yang mempunyai sudu-sudu pada rotor itu. Sudu biasanya simetris dan mempunyai sudut masuk dan sudut keluar.

q  Turbin satu tahap.

q  Turbin impuls gabungan.

q  Turbin impuls gabungan kecepatan.

Ciri-ciri dari turbin impuls antara lain:

-     Proses pengembangan uap / penurunan tekanan seluruhnya terjadi pada sudu diam / nosel.

-          Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan Tekanan Rata.

2.                  Turbin Reaksi

Turbin reaksi mempunyai tiga tahap, yaitu masing-masingnya terdiri dari baris sudu tetap dan dua baris sudu gerak. Sudu bergerrak turbin reaksi dapat dibedakan dengan mudah dari sudu impuls karena tidak simetris, karena berfungsi sebagai nossel bentuknya sama dengan sudu tetap walaupun arahnya lengkungnya berlawanan.

Ciri-ciri turbin ini adalah :

-          Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di Nosel dan Sudu  Gerak

-          Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut Tekanan Bertingkat.

2.3.2         Klasifikasi turbin uap berdasarkan pada tingkat penurunan Tekanan Dalam Turbin

Ø  Turbin Tunggal ( Single Stage )

      Dengan kecepatan satu tingkat atau lebih turbin ini cocok untuk untuk daya kecil, misalnya penggerak kompresor, blower, dll.

Ø  Turbin Bertingkat  (Aksi dan Reaksi ).

   Disini sudu-sudu turbin dibuat bertingkat, biasanya cocok untuk daya besar. Pada turbin bertingkat terdapat deretan sudu 2 atau lebih. Sehingga turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan.  

2.3.3   Klasifikasi turbin berdasarkan Proses Penurunan Tekanan Uap

Ø  Turbin Kondensasi.

   Tekanan keluar turbin kurang dari 1 atm dan dimasukkan kedalam kompresor.

Ø  Turbin Tekanan Lawan.

   Apabila tekanan sisi keluar turbin masih besar dari  1 atm     sehingga masih dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin lain.

Ø  Turbin Ekstraksi.

   Didalam turbin ini sebagian uap dalam turbin diekstraksi untuk roses pemanasan lain,  misalnya proses industri.

2.4  Prinsip Kerja Turbin Uap  Jenis Bertingkat  905 TG – 1 / 2 / 3 / 4  

Turbin pembangkit listrik tenaga uap UP II Dumai adalah turbin yang mempunyai Condensing Axial Flow Type dan memiliki turbin jenis bertingkat. Turbin uap yang diinjeksikan steam LP  kedalam turbin dan keluaran dalam bentuk condence  (uap jenuh) dan disebut  dengan turbin uap kondensasi. Besarnya tekanan keluaran 0,04 bar sampai dengan 0,1 bar.

Turbin uap dibuat dengan daya yang telah ditentukan. Daya yang dihasilkan turbin diperoleh dari selisih entalphi  (panas jatuh) dan kapasitas uap ( massa aliran uap persatuan waktu ) yang masuk kedalam turbin. Dan pada saat transformasi energi didalam turbin terjadi kerugian, sehingga daya yang dihasilkan turbin dapat dihitung dengan persamaan berikut:

P  =    h . m_s . h_i . h_m     dalam                 KW

Dimana :

 h   :  selisih entalpi dari ekspansi esentropik antara uap baru masuk kedalam turbin  dengan uap bekas yang keluar dari turbin , dalam KJ/Kg.

M_s  : kapasitas uap (massa uap yang masuk kedalam turbin persatuan waktu).

         h_i   :  Rendemen dalam turbin.

         h_m  :  Rendamen mekanis dari turbin.

Dan randemen dari kopling dari turbin

                     h_I       .    h_m       =     h_c

Besarnya harga randemen dari turbin tergantung dari kepada sistem sudu-sudu turbin. Pada turbin bertingkat deretan sudu ada dua atau lebih sehingga dalam turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan, tegantung dari jenis turbin ( aksi dan reaksi ) serta hasil-hasil fabrikasi. Berikut gambar grafik kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat pada turbin bertingkat aksi dan reaksi. Turbin reaksi mengalami ekspansi pada sudu pengarah maupun pada sudu gerak sehingga menggerakan dan mendorong sudu dalam arah aksial. Untuk mengurangi dorongan aksial ini, adalah biasanya dengan  memasang sudu-sudu gerak pada pada drum yang juga berfungsi sebagai rotor.

2.4.1    Proses Induction Steam Turbin.

            Proses pemasukan uap di turbin uap 905 – GT 1/2/3/4 secara sederhana :

Uap masuk kedalam emergency stop valve, dimana fungsinya menutup total suplay uap dari boiler ke turbin dalam waktu yang singkat. Setelah dari stop valve,  uap melewati HP control valve. Control valve ( katup pengatur ) ini digerakkan oleh sebuah balok yang diatur naik atau turun oleh sebuah silinder melalui serangkai tuas. Silinder ini menerima sinyal dari Governor.

            Katup pengatur uap tekanan tinggi  ( HP Control Valve ) mengatur jumlah uap yang masuk ke nosel  ( pipa semprot ), yang selanjutnya menggerakkan turbin impuls satu tingkat. Energi uap yang masih tersisa kemudian menggerakkan turbin reaksi yang terdiri atas 14  tingkat. Desain turbin ini memungkinkan penggunaan uap tekanan rendah (LP steam) yang diijeksikan/induction untuk membantu menggerakkan turbin reaksi tingkat ke 13 dan tingkat ke 14.

            Pola operasi dengan uap tekanan rendah yang bertekanan konstan diatur oleh LP control valve ( katup pengatur uap tekanan rendah ). Governor mengatur aliran uap tekanan rendah dan daya keluaran turbin yang tidak saling bergantung satu sama lainnya. Uap yang telah diekspansikan keluar melalui pipa buangan berdiameter 70 inchi. Pipa buangan dari tiap turbin 905 - TG 1/2/3/4 bergabung pada satu pipa berdiameter 110 inchi yang selanjutnya mengalirkan uap dan kondensat ke surface condensor (pendingin dengan media udara). Sebelum air tersebut dikembalikan ke Boiler  (ketel), air kondensat digabungkan dengan air yang ada pada bak penampung dan dipompakan ke Turbin 1 Tingkat yang berjumlah dua buah untuk menjaga kekurangan kuantitas air ke Boiler. Air dikembalikan kembali ke boiler untuk diubah menjadi uap kembali, jadi sistem yang digunakan adalah sistem tertutup.

            Rumah turbin terbagi dua dalam arah horizontal yang dipasangkan pada dudukan Bantalan (Bearing Pendestal ).

            Pipa keluaran uap dan kondensat dihubungkan dengan turbin memakai sambungan Flens dan arah aliran kebawah. Poros turbin terbuat dari baja tempa yang  kemudian dikerjakan dengan proses permesinan. Sudu turbin terdiri dari sudu impuls dan sudu reaksi. Bantalan Luncur ( Jounal Bearing ) penyangga poros terdiri dari dua bahagian. Dudukan bagian depan juga merupakan Rumah Bantalan Aksial  (Trust Bearing) yang meredam gaya aksial. Kelonggaran yang tepat antara sudu tetap dengan sudu gerak akan menghasilkan pemanfaatan energi yang optimum.

            Balancing Piston dipasang pada turbin untuk mengimbangi gaya aksial yang ditimbulkan oleh sudu reaksi. Besarnya gaya aksial bergantung kepada beban yang terjadi yang kelebihannya ditahan oleh bantalan aksial. Pada saat bersamaan Balancing piston menyekat uap tekanan tinggi didaerah sudu impuls. Diafragma memisahkan uap bertekanan tinggi dengan uap bertekanan rendah. Turbin dikontrol oleh governor hidrolik.

            Pompa pelumas utama dan Impeler dari governor diputar oleh turbin melalui roda gigi. Governor adalah sebagai pengatur yang berfungsi untuk mengurangi aliran uap ke turbin bila kecepatan putar melebihi yang diinginkan (Over Speed).

2.4.2    Bagian – bagian Turbin Uap 9

Dari data yang didapatkan dari Blue Book dan menurut lampiran  dari gambar Turbin Part SR 434450 maka bagian – bagian Turbin dapat diuraikan sebagai berikut :

1.      CASSING

Adalah sebagai penutup bagian-bagian utama turbin.

2.       ROTOR

Adalah bagian turbin yang berputar yang terdiri dari poros, sudu turbin atau deretan sudu yaitu  Stasionary Blade dan Moving Blade. Untuk turbin bertekanan tinggi atau ukuran besar, khususnya unuk turbin jenis reaksi maka motor ini perlu di Balanceuntuk mengimbagi gaya reaksi yang timbul secara aksial terhadap poros.

3.   BEARING PENDESTAL

      Adalah merupakan kekdudukan dari poros rotor.

4.   JOURNAL BEARING

      Adalah Turbine Part yang berfungsi untuk menahan Gaya Radial atau Gaya Tegak Lurus Rotor.

5.   THRUST BEARING

      adalah Turbine Part yang berfungsi untuk menahan atau untuk menerima gaya aksial atau gaya sejajar terhadap poros yang merupakan gerakan maju mundurnya poros rotor.

6.   MAIN OLI PUMP

      Berfungsi untuk memompakan oli dari tangki untukdisalurkan pada bagian – bagian yang berputar pada turbin .  Dimana fungsi dari Lube Oil adalah :

Ø  Sebagai Pelumas pada bagian – bagian yang berputar.

Ø  Sebagai Pendingin  ( Oil Cooler ) yang telah panas dan masuk ke bagian turbin dan akan menekan / terdorong keluar secara sirkuler

Ø  Sebagai Pelapis ( Oil Film ) pada bagian turbin yang bergerak secara rotasi.

Ø  Sebagai Pembersih ( Oil Cleaner ) dimana oli yang telah kotor sebagai akibat dari benda-benda yang berputar dari turbin akan terdorong ke luar secara sirkuler oleh oli yang masuk .

7.   GLAND PACKING

      Sebagai Penyekat untuk menahan kebocoran baik kebocoran Uap maupun kebocoran oli.

8.   LABIRINTH RING

      Mempunyai fungsi yang sam dengan gland packing.

9.   IMPULS STAGE

      Adalah sudu turbin tingkat pertama yang mempunyai sudu sebanyak 116 buah

10.  STASIONARY BLADE

Adalah sudu-sudu yang berfingsi untuk menerima dan mengarahkan steam yang masuk.

11. MOVING BLADE

Adalah sejumlah sudu-sudu yang berfungsi menerima dan merubah Energi Steam menjadi Energi Kinetik yang akan memutar generator.

12. CONTROL VALVE

Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk mengatur steam yang masuk kedalam turbin sesuai dengan jumlah Steam yang diperlukan.

13. STOP VALVE

      Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk menyalurkan atau menghentikan aliran steam yang menuju turbin.

14. REDUCING GEAR

      Adalah suatu bagian dari turbin yang biasanya dipasang pada turbin-turbin dengan kapasitas besar dan berfungsi untuk menurunkan putaran poros rotor dari 5500rpm menjadi 1500 rpm.

       Bagian-bagian  dari  Reducing Gear adalah :

§  Gear Cassing adalah merupakan penutup gear box dari bagian-bagian dalam reducing gear.

§  Pinion ( high speed gear ) adalah roda gigi dengan type Helical yang putarannya merupakan putaran dari shaft rotor turbin uap.

§  Gear Wheal ( low speed gear ) merupakan roda gigi type Helical  yang putarannya akan mengurangi jumlah putaran dari Shaft rotor turbin yaitu dari 5500 rpm menjadi 1500 rpm.

§  Pinion Bearing yaitu bantalan yang berfungsi untuk menahan / menerima gaya tegak lurus  dari pinion gear.

§  Pinion Holding Ring yaitu ring berfungsi menahan Pinion Bearing terhadap gaya radial shaft pinion gear.

§  Wheel Bearing yaitu bantalan yang berfungsi menerima atau menahan gaya radial dari shaft gear wheel.

§  Wheel Holding Ring  adalah ring penahan dari wheel Bearing terhadap gaya radial atau tegak lurus shaft gear wheel.

§  Wheel Trust Bearing merupakn bantalan yang berfungsi menahan atau menerima gaya sejajar dari poros gear wheel ( gaya aksial ) yang merupakan gerak maju mundurnya poros.