Materi mengenai turbin uap untuk Mata Kuliah Penyediaan Energi

1. 1
TURBIN UAP
PENYEDIAAN ENERGI

2. 2
TURBIN UAP
Sistem turbin uap merupakan salah satu jenis mesin panas yang
mengkonversi sebagian panas yang diterimanya menjadi kerja.
Sebagian panas lainnya dibuang ke lingkungan dengan
temperatur yang lebih rendah.

3. 3
Siklus Rankine
• Penyerapan panas isobarik (1-2)
• Ekspansi adiabatik (2-3)
• Pembuangan panas isobarik (3-4)
• Kompresi isentropik (4-1)
Dasar Termodinamika
Sistem turbin uap didasari Siklus Rankine

4. 4
Dasar Termodinamika
Sistem turbin uap didasari Siklus Rankine
Efisiensi siklus Rankine < efisiensi siklus Carnot
(pada rentang temperatur kerja kedua siklus sama)
bandingkan luas bidang 1-b-2-3-4-1 (untuk siklus Rankine) terhadap luas bidang 1-a-
b-2-3-4-1 (untuk siklus Carnot)

5. 5
Menaikkan Efisiensi
1) menaikkan tekanan uap masuk turbin
2) menaikkan suhu uap masuk turbin
3) menurunkan tekanan kondensor
4) pemanasan uap keluar turbin
5) pemanasan awal air umpan boiler

6. 6
SOAL
Tentukan efisiensi sebuah sistem turbin uap dgn kondisi
aliran sebagai berikut:
Uap masuk turbin : saturated steam P2 = 2000 kPa
Uap masuk kondensor : P3 = 7,5 kPa.
Air keluar kondensor : air jenuh P4 = 7,5 kPa
Air masuk boiler: P1 = 2000 kPa

7. 7
Jawab

8. 8
Jawab (Lanjutan…)

9. 9
Jawab (Lanjutan…)

10. 10
Jawab (Lanjutan…)

11. 11
Jawab (Lanjutan…)

12. 12
PERHATIKAN
Dari contoh soal di atas, beberapa hal perlu mendapat
perhatian:
a. Kerja pompa relatif sangat kecil dibandingkan terhadap
kerja hasil ekspansi di turbin (wp << w)
b. Wp sering diabaikan, sehingga entalpi air sebelum dan
sesudah pompa dianggap sama
c. Efisiensi siklus dipengaruhi oleh kondisi uap di titik
masuk turbin dan kondisi uap keluar turbin
d. Jumlah cairan dalam uap keluar turbin tergantung
spesifikasi turbin masing-masing

13. 13
MENAIKKAN KESANGKILAN
Turbin Uap

14. 14
Efek Kenaikan Temperatur Uap thd Efisiensi Siklus

15. 15
Kondisi masuk turbin ∼ superheated steam:
T3a = 500 °C (Td2000kPa = T3 = 212,4 °C)
P3a = 2000 kPa
h3a = 3467,6 kJ/kg
s3a = 7,4317 kJ/(kg.K)
(1) kondisi 4a: P4a = 7,5 kPa (lihat contoh sebelumnya)
s4a = s3a = 7,4317 kJ/(kg.K) (ekspansi isentropik)
a). cair jenuh: sAa = 0,5764 kJ/(kg.K); hAa = 168,79 kJ/kg
b). uap jenuh: sBa = 8,2515 kJ/(kg.K); hBa = 2574,8 kJ/kg
xa = (s4a - sBa)/(sAa - sBa) = 0,1068 (kandungan air)
h4a = xa.hAa + (1 – xa).hBa = 2317,8 kJ/kg

16. 16
(2) kondisi 1 dan 2 sama dengan contoh sebelumnya
(3) w = h4a - h3a = 2317,8 – 3467,6 = -1149,8 kJ/kg
wp = 2 kJ/kg (contoh sebelumnya)
qin = h3a - h2 = 3467,6 – 170,79 = 3296,8 kJ/kg
= 34,8%
(4) Kesimpulan
dasar kenaikan
temp.
selisih
(%)
Temp. masuk turbin, o
C 212,4 500
Kerja netto, kJ/kg 821,6 1147,8 39,7
Panas masuk, kJ/kg 2628,71 3296,8 25,4
Efisiensi siklus, % 31,3 34,8 11,2

17. 17
Efek Kenaikan Tekanan Uap thd Efisiensi
Siklus

18. 18
Kondisi masuk turbin ∼ superheated steam:
T3’ = 500 °C
P3’ = 3000 kPa
h3’ = 3456,5 kJ/kg
s3’ = 7,2338 kJ/(kg.K)
(1) Kondisi 4':
P4' = 7,5 kP (diketahui)
s4' = s3' = 7,2338 kJ/(kg.K) (ekspansi isentropik)
a). cair jenuh: sA' = 0,5764 kJ/(kg.K);
hA' = 168,79 kJ/kg
b). uap jenuh: sB' = 8,2515 kJ/(kg.K);
hB' = 2574,8 kJ/kg
x' = (s4' - sB')/(sA' - sB') = 0,1326 (kandungan air)
h4' = x'.hA' + (1 – x').hB' = 2255,8 kJ/kg

19. 19
(2) w = h4' - h3' = 2255,8 – 3456,5 = -1200,7 kJ/kg
wp = 1,008.10-3
. (3000 - 7,5) = 3,01 kJ/kg
h2' = h1 + wp = 168,79 + 3,01 = 171,8 kJ/kg
qin = h3' - h2' = 3456,5 – 171,8 = 3284,7 kJ/kg
= 36,5%
3) Kesimpulan
dasar kenaikan
temp.
kenaikan
T dan P
Temp. masuk turbin, o
C 212,4 500 500
Tekanan masuk turbin, kPa 2000 2000 3000
Kerja netto, kJ/kg 821,6 1147,8 1197,7
Panas masuk, kJ/kg 2628,7 3296,8 3284,7
Efisiensi siklus, % 31,3 34,8 36,5

20. 20
Pemanasan Awal Air Umpan Boiler

21. 21
Pemanasan Awal Air Umpan Boiler
Kondisi-kondisi aliran yang diketahui (angka bold-italic = hasil hitungan):
1 2 3 4 5 6 7
sat. steam sat. water
P, kPa 2000 400 7,5 7,5 400 400 2000
T, °C 212,42
h, kJ/kg 2799,5 2507,3 1975,9 168,79 609,9
s, kJ/(kg.K) 6,3409 6,3409 6,3409
v, L/kg 1,008 1,086
Contoh

22. 22
Kondisi-kondisi aliran yang diketahui (angka bold-italic = hasil hitungan):
1 2 3 4 5 6 7
sat. steam sat. water
P, kPa 2000 400 7,5 7,5 400 400 2000
T, °C 212,42
h, kJ/kg 2799,5 2507,3 1975,9 168,79 609,9
s, kJ/(kg.K) 6,3409 6,3409 6,3409
v, L/kg 1,008 1,086
Basis hitungan: m1 = 1 kg (m1 = m6 = m7 = m2 + m3)
(1) h5 = h4 + v4 .(P5 - P4)
= 168,79 + 1,008x10-3.(400 - 7,5) = 168,79 + 0,395 = 169,19 kJ/kg
(2) neraca entalpi contact heater:
m6.h6 = m2.h2 + m5.h5
609,9 = m2. 2507,3 + (1 - m2).169,19 ⇒ m2 = 0,188 kg
(3) h7 = h6 + v6 .(P7 - P6) = 609,9 + 1,086.10-3.(2000 - 400) = 611,6 kJ/kg
(4) w = m1.(h2 - h1) + (m1 - m2).(h3 - h2) (hasil ekspansi di turbin)
w = (2507,3 - 2799,5) + (1 - 0,188).(1975,9 – 2507,3) = - 723,7 kJ/(kg m1)

23. 23
5) wnet = -723,7 kJ/kg (kerja 2 pompa diabaikan)
(6) qin = h1 - h7 = 2799,5 – 611,6 = 2187,9 kJ/kg
(7) efisiensi siklus = 723,7 / 2187,9 = 33%
kenaikan temp.
Kesimpulan siklus dasar masuk boiler
Temp. masuk turbin, oC 212,4 212,4
Tek. masuk turbin, kPa 2000 2000
Temp. masuk boiler, oC sub-cooled water 212,4 (sat.water)
Kerja netto, kJ/kg 821,6 723,7
Panas masuk, kJ/kg 2628,71 2187,9
Efisiensi siklus, % 31,3 33,0

24. 24
JENIS TURBIN
TURBIN UAP

25. 25
1) Ekspansi dalam Turbin
Turbin merupakan salah satu bagian dalam siklus Rankine.
Di dalam turbin, konversi energi termal uap menjadi energi mekanik
melalui beberapa tahap, misalnya:
• steam lewat nosel, sehingga terjadi penurunan tekanan dan
kenaikan kecepatan
• momentum steam keluar nosel digunakan untuk menggerakkan
sudu-turbin.

26. 26
Kelompok atas dasar tahapan ekspansi
a. turbin impuls: steam hanya mengalami ekspansi ketika lewat nosel dan tidak pada
sudu-gerak.

27. 27
b. turbin reaksi: steam diekspansikan bertahap ketika lewat nosel dan sudu-gerak

28. 28
2) Kelompok Atas Dasar Kondisi Steam Ketika
Keluar turbin
a. Back Pressure Turbine
• Steam keluar masih bertekanan relatif tinggi
• Turbin jenis ini banyak digunakan di pabrik kimia

29. 29
b. Condensing Turbine
• Steam keluar = saturated steam atau bahkan
sebagian steam telah terkondensasi
• Jenis ini banyak digunakan di pembangkit listrik

30. 30
c. Extraction (Induction) Turbine
• Gabungan back-pressure dan condensing turbine
dalam satu rumah casing
• Banyak digunakan dalam cogeneration

31. 31
RUGI-RUGI
TURBIN UAP

32. 32
Rugi-rugi Internal Turbin
Available Work
Entalpi steam yang mungkin dikonversi menjadi kerja
Stage Work
Entalpi steam yang terkonversi nyata menjadi kerja

33. 33
Rugi-rugi di dalam Turbin Satu Tingkat
Nozzle Reheat
Rugi-rugi ketika steam diekspansikan di nosel secara
adiabatik tak-reversibel dan mengakibatkan kenaikan temperatur
steam (relatif terhadap temperatur jika steam diekspansikan
isentropik)
Blade Reheat
Rugi-rugi gesekan aliran steam ketika lewat sudu-gerak
Windage Losses
Rugi-rugi gesekan ketika steam meninggalkan sudu-gerak
Stage Reheat
Jumlah semua rugi-rugi dalam satu tahap ekspansi

34. 34
Efisiensi Isentropik Turbin Satu Tingkat
dengan
h1= entalpi steam masuk
h2= entalpi steam keluar (nyata)
h2,s = entalpi steam keluar (jika ekspansi isentropik, s2s = s1

35. 35
Rugi internal turbin banyak tingkat
Reheat factor

36. 36
Efisiensi isentropik turbin banyak tingkat
Efisiensi isentropik tergantung pada berbagai faktor, seperti: kapasitas dan kondisi
steam masuk turbin.
jenis turbin
Kapasitas
HP
Efisiensi
%
Steam rate
kg/kWh
satu tingkat 500 30 11,4
lima tingkat 1000 55 6,30
tujuh tingkat 4000 65 5,30
sembilan tingkat 10000 75 4,54
disalin dari Perry, "Chem Engr. Handbook", ed. 5

37. 37
Konsumsi Steam Spesifik
Konsumsi Uap Spesifik (specific steam rate): konsumsi steam
per satuan waktu untuk menghasilkan satu satuan daya.
w = he - hi
W = m . (he - hi)
dengan: w = energi/massa
W = daya, kW atau HP
m = laju massa steam, kg/jam
h = entalpi spesifik steam, kJ/kg
subskrip: i = inlet dan e = exit
Konsumsi steam:

38. 38
TSR (Theoretical Steam Rate):
Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara isentropik.
TSR = 1/ (hi - he)
TSR dapat dinyatakan dalam berbagai satuan:
Jika entalpi h dalam kJ/kg, maka TSR = 3600/(hi - he) kg/kWh
Jika entalpi h dalam Btu/lb, maka TSR = 2545/(hi - he) lb/HPh
ASR (Actual Steam Rate)
Specific steam rate, jika ekspansi dilaksanakan secara adiabatik tak-
reversibel.
ASR = TSR / η
dengan η = efisiensi isentropik

39. 39
Contoh
Turbin steam dengan kapasitas 2 MW
digerakkan dengan superheated steam
(Pi = 2000 kPa, Ti = 500 °C). Steam keluar turbin
pada keadaan jenuh (Pe = 7,5 kPa). Efisiensi
isentropik turbin 70%.
Hitung konsumsi steam.

40. 40
Contoh
Turbin steam dengan kapasitas 2 MW digerakkan dengan superheated
steam (Pi = 2000 kPa, Ti = 500 °C). Steam keluar turbin pada keadaan
jenuh (Pe = 7,5 kPa). Efisiensi isentropik turbin 70%. Hitung konsumsi
steam
(1) Data termodinamika steam (dari steam table)
Pi = 2000 kPa dan Ti = 500 o
C
hi = 3467,6 kJ/kg dan Si = 7,4317 kJ/(kg.K)
(2) Pe = 7,5 kPa dan Se = Si = 7,4317 kJ/(kg.K) ⇒ campuran uap dan
cair.
Uap: Suap = 8,2515 kJ/(kg.K) ; huap = 2574,8 kJ/kg
Cair: Scair = 0,5762 kJ/(kg.K) ; hcair = 168,79 kJ/kg
Fraksi uap: y = (7,4317-0,5764)/(8,2515-0,5764) = 0,893
he = 0,893 x 2574,8 + (1 - 0,893) x 168,79 = 2317,35 kJ/kg
(3) TSR = 3600/(3467,6 – 2317,35,8) = 3,13 kg/kWh
(4) ASR = 3,13/70% = 4,47 kg/kWh
(5) Konsumsi steam: m = W.ASR = 2000. 4,47 = 8940 kg/jam

41. 41
Contoh Spesifikasi Turbin Uap
12.5 MW
generator
pumpa
BFW
kompresor
gas proses
1 Shaft Power, kW 12500 1338.3 2557
2 Speed, rpm 3000 4200 6596
3 Steam inlet Conditions: Normal Normal Normal
4 Pressure, kg/cm2G 59.8 17.6 59.8
5 Temperature, oC 445 316 445
6 Flow, kg/h 101.305 - 21500
7 Steam Extraction Condition: Normal Normal Normal
8 Pressure, kg/cm2G 42 - -
9 Temperature, oC - - -
10 Flow, kg/h 90720 - -
11 Steam Exhaust: Normal Normal Normal
12 Pressure, mmHg/abs 101.6 3.9 3.9
13 Cooling Water - Sea Water Normal Normal Normal
14 Allow. Temp. Rise, oC 17 16.6 16.6
15 Max. Inlet Temp. oC 29.4 - 29.4
16 Max. Press. Drop kg/cm2 1.0 1.0 1.0

42. 42

43. 43
Konsumsi Panas Spesifik (Heat Rate)
Turbin untuk produksi energi listrik
a. GHR (Gross Heat Rate, konsumsi panas spesifik bruto):
b. NHR (Net Heat Rate, konsumsi panas spesifik netto):
Listrik netto setelah dikurangi dengan konsumsi listrik untuk sistem
pembangkit listrik yang bersangkutan (pompa, blower, penerangan dll).

44. 44
c. PNHR (plant net heat rate) :
Keterangan:
(ef. boiler) = efisiensi boiler
[%aux. power] = daya yang diserap oleh internal power plant

45. 45
Konsumsi Panas Spesifik Dipengaruhi Oleh
• Penurunan tekanan kondensor akan menurunkan NHR
atau PNHR.
• Temperatur uap masuk turbin mempengaruhi heat
rate.
• Pemanasan awal udara pembakaran (air preheating)
sebelum masuk boiler dapat mengurangi konsumsi
panas spesifik sebesar 2%. Air preheating ini dapat
dilakukan dengan memanfaatkan panas sensibel gas
cerobong.
• Hilang tekanan (pressure drop) di saluran uap dapat
meningkatkan heat rate.
• Efisiensi turbin mempengahur heat rate.
Faktor di atas perlu mendapat perhatian dalam program
penghematan energi.

46. 46
Contoh Efek Tekanan Kondensor terhadap
Konsumsi Steam
Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.

47. 47
CONTOH
Perkirakan kenaikan konsumsi steam dan penurunan daya turbin jika
tekanan kondensernya naik dari 2,5 menjadi 4,5 inHg absolut.
Dari kurva karakteristik di atas:
NHR (2,5 inHg) = 7200 Btu/kWh = 7596 kJ/kWh
NHR (4,5 inHg) = 7750 Btu/kWh = 8177 kJ/kWh
(1) Jika daya turbin tetap, maka heat rate (konsumsi steam) meningkat:
∆(NHR) = 8177 – 7596 = 581 kJ/kWh (7,6%)
(2) Jika laju uap dijaga konstan, maka kenaikan NHR mengakibatkan
penurunan daya keluar turbin):
∆(NKW) = - 0,0765/ (1 - 0,0765) = - 8,28%

48. 48
Efek Tekanan Steam masuk Turbin thd Konsumsi Steam
Sebuah turbin memiliki performance curve sebagai berikut.

49. 49
CONTOH
Perkirakan kenaikan konsumsi panas spesifik pada beban 600 MW, jika
tekanan uap masuk turbin turun dari 3500 menjadi 2400 kPa.
Dari kurva karakteristik di atas
NHR (3500 kPa) = 7450 Btu/kWh = 7860 kJ/kWh
NHR (2400 kPa) = 7700 Btu/kWh = 8124 kJ/kWh
∆(NHR) = 250 Btu/kWh = 264 kJ/kWh (3,3%)
atau kenaikan laju steam (pemborosan) pada 600 MW = 360000 kg/jam
(ekspansi di turbin, Δh = 440 kJ/kg)

50. 50