Mengenal Turbin Uap

1. Perkembangan Turbin Uap

Proses menghasilkan tenaga tergantung pada beberapa proses konversi energi, mulai dengan energi kimia dalam bahan bakar fosil atau energi nuklir dalam atom. energi ini diubah menjadi energi panas, yang kemudian ditransfer ke fluida kerja, dalam kasus ini kita coba menganalisa, uap (Steam). Energi panas diubah menjadi energi mekanik dengan bantuan kecepatan tinggi turbin rotor dan konversi akhir menjadi energi listrik dibuat melalui suatu listrik generator di aplikasi-pembangkit tenaga listrik. Presentasi dalam bagian ini berfokus pada penerapan daya listrik, namun juga relevan dengan aplikasi lain, seperti sebagai penggerak kapal.

Di seluruh dunia, industri-pembangkit listrik bergantung terutama pada turbin uap untuk produksi energi listrik. Di Amerika Serikat, sekitar 77% dari kapasitas terpasang pembangkit listrik adalah turbin uap-driven. Dari sisa 23%, tenaga air instalasi berkontribusi 13%, akun turbin gas untuk 9%, dan sisanya 1% merupakan dibagi di antara sumber daya panas bumi, diesel, dan solar. Akibatnya, lebih dari 99% dari listrik daya yang dihasilkan di Amerika Serikat dikembangkan oleh turbomachinery satu desain atau lain, dengan turbin uap tercatat sejauh ini bagian terbesar dari beban. Turbin uap memiliki hidup yang panjang dan penting setelah dilakukan pengembangan yang praktis pada akhir abad ke-19 disebabkan upaya yang dipimpin oleh CA Parsons dan G. DELAVAL. Perkembangan yang signifikan datang cukup cepat pada hari-hari awal di bidang propulsi kapal dan kemudian di industri pembangkit listrik.

Kondisi uap pada klep penutup (throttle) progresif naik, memberikan kontribusi untuk meningkatkan produksi daya dan efisiensi termal. Hal Itu munculnya  energi nuklir baru sebagai sumber panas untuk produksi listrik memiliki efek sebaliknya di akhir 1950-an. Kondisi uap jatuh untuk mengakomodasi desain reaktor, dan harga satuan panas mengalami langkah kenaikan  perubahan. Pada saat ini, satuan fosil klep penutup kondisi uap dasarnya telah diselesaikan di luar pada 2400 psi dan 1000° F dengan pemanasan ulang (Single reheat) sampai 1000° F. Lebih lanjut kemajuan dalam Pembangkit tenaga uap dicapai dengan menggunakan boiler  melalui penghataran tekanan uap superkritis pada tekanan 3500-4500 psi. Sebuah pabrik uap unik dengan memanfaatkan uap maju kondisi ini Eddystone No 1, yang dirancang untuk memberikan uap pada 5000 psi dan 1200° F ke klep penutup, dengan memanaskan ulang (reheat) sampai 1050° F dan kedua panaskan (Second reheat) juga sampai 1050° F. Ukuran unit meningkat pesat pada periode 1950-1970, sedangkan ukuran unit maksimum meningkat 200-1200 mW (peningkatan enam kali lipat) dalam rentang 20 tahun ini. Pada 1970-an, ukuran unit yang stabil, dengan unit baru umumnya dinilai secara substansial kurang maksimal ukuran.

Pada saat ini, bagaimanapun, ukuran yang diharapkan dari unit baru adalah sangat kurang, muncul untuk menjadi di kisaran 350-500 mW. Dalam hal tingkat panas (atau efisiensi termal), perubahan belum begitu dramatis. kecenderungan umum menunjukkan penurunan daya heat rate stasiun selama periode 80-tahun adalah disajikan pada Gambar. 1. 

 Gambar 1. Perkembangan Pembangkit Tenaga Uap

 Munculnya pemanasan air umpan regeneratif pada tahun 1920 membawa pengurangan langkah perubahan dalam tingkat panas. Penurunan lebih lanjut dibawa oleh pengantar dari pemanasan uap. Perbaikan bertahap terus dalam sistem uap dan baru-baru ini dilengkapi dengan teknologi siklus gabungan, turbin / steam turbin gas sistem (lihat Gambar. 2). Dalam periode waktu yang sama bahwa ukuran unit yang berubah dengan faktor enam (1950-1970), Nilai panas berkurang dari 20%, perubahan yang mencakup siklus gabungan. Pada kenyataannya, perbaikan bahkan kurang, peraturan sebagai lingkungan dan energi yang dibutuhkan untuk memuaskan mereka dapat mengkonsumsi sampai 6% atau lebih dari daya yang dihasilkan suatu unit. Laju peningkatan tingkat turbin siklus panas jelas menurun. 

 Gambar 2.  Unit nilai panas berbahan bakar fosil sebagai fungsi waktu.

2. 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. 

 Gambar 3. Ilustrasi kerja Turbin Uap

 Gambar 4. Skema Kerja Turbin Uap

3. Komponen-Komponen Turbin Uap

Komponen utama turbin uap terdiri dari: 

1. Rumah turbin (casing), umumnya terdiri dari belahan tutup atas dan rumah bagian bawah 
2. Poros dan piringan sudu jalan (rotor) 
3. Piringan sudu arah dan nosel 
4. Bantalan aksial dan radial 
5. Penyekat (umumnya dari jenis labirint) 
6. Peralatan kontrol uap (steam chest) 

Gambar 5. Ilustrasi 3 D Turbin Uap

Gambar 6. Bagian-bagian turbin uap

4. 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:

a. Klasifikasi Turbin berdasarkan Prinsip Kerjanya

1.         Turbin Impulse

Turbin ini merubah arah dari aliran fluida berkecepatan tinggi menghasilkan putaran impuls dari turbin dan penurunan energi kinetik dari aliran fluida. Tidak ada perubahan tekanan yang terjadi pada fluida, penurunan tekanan terjadi di nozzle.

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.

Gambar 7. Prinsip Kerja Turbin Impuls

2.  Turbin Reaksi 

Turbin ini menghasilkan torsi dengan menggunakan tekanan atau massa gas atau fluida. Tekanan dari fluida berubah pada saat melewati sudu rotor. Pada turbin jenis ini diperlukan semacam sudu pada casing untuk mengontrol fluida kerja seperti yang bekerja pada turbin tipe multistage atau turbin ini harus terendam penuh pada fluida kerja (seperti pada kincir angin).

Gambar 8. Prinsip Kerja Turbin Reaksi

Ciri-ciri turbin ini adalah :

-          Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di Nosel dan Sudu  Gerak

-          Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut Tekanan Bertingkat.

 Gambar 9. Perbandingan Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

b.  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.  

c. 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.

5. Siklus Turbin Uap

Siklus Rankine

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

 Gambar 10. Siklus Rankine

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 T-s berikut:

Gambar 11. Diagram Temperatur (T) - Enthalpy (s)

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 =  o  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.

Referensi : 

 Arismunandar, Penggerak Mula Turbin, ITB Bandung, 1988

 Shlyakin P. Steam Turbines, Theory and Design, Foreign Language Houses, Moscow 

Stodola A., Steam and Gas Turbines, Vol 1, Mc. Graw Hill Book Company Inc. New York 

 Myer Kutz, Mechanical Engineer's Handbook : Energy and Power Vol 4 Third Edition. John Wiley & Sons. Inc. 2006 

Yuriadi K. Thermodinamika Terapan, Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana. Jakarta 

 http://www.agussuwasono.com/artikel/mechanical/566-prinsip-dasar-turbin-uap.html

 

---__---

Video Turbin Uap

Video Turbin Uap Buatan James Watt