Turbine Performance
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan
Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS
Keputih, Sukolilo, Surabaya 60111
1. Steam
Conditions
Sejak awal terciptanya turbin uap merupakan upaya untuk
mengimprofisasi uap dalam meningkatkan
perekonomian pada sebuah pembangkit. Pembangkit bertenaga uap pada bidang
marine cenderung maju secara terus menerus, dengan kemajuan tersebut diperoleh
dari pemgalaman dan pengetahuan.
Meningkatkan tekanan pada uap juga akan meningkatkan
efisiensi dari turbin hingga tekanan mencapai 2500 psig. Sebuah peraturan kasar
berbunyi “Menggandakan tekana akan mengurangi tingkat panas sebesar 4-6
persen”. Lebih akuratnya, 100 psi akan meningkatkan tekanan awal tetapi akan
mengurangi tingkat uap dengan persentase
Besarnya pengurangan saat tekanan meningkat dikarenakan
efisiensi turbin menurun saat tekanan besar. Seperti tekanan uap meningkat,
spesifik volume uap akan menurun, sehingga nozle dan juga blade dari turbin
akan lebih kecil dan efisiensi berkurang. Pembatasan tekanan yang dicapai untuk
setiap kapasitas turbin dimana untuk memperbaiki tekanan dengan diimbangi
dengan penurunan efisiensinya. Untuk alasan ini, tekanan awal mungkin lebih
digunakan untuk turbin yang lebih besar.
Tekanan awal direkomendasikan untuk tekanan dengan batas
tertinggi, untuk berbagai ukuran pada unit propulsi. Ini harus dicatat,
bagaimanapun juga, tekanan yang rendah ditentukan agar optimal ketika semua
faktor ekonomi dipertimbangkan. Tekanan yang ada pada tabel telah ditentukan
karena izin yang masuk akal penggunaan flange pipa dan dimensi katup yang
berstandart American National Standart Institute. Badan peraturan harus
mematuhi standart ini untuk kebutuhan unit propulsi pada kapal.
Meningkatkan temperatur awal juga akan mengurangi tingkat
panas dan tingkat uap. Seperti perkiraan, kenaikan temperatur 15 derajat F saat
power penuh atau kenaikan temperatur 25 derajat F saat power rendah akan
menghasilkan penurunan tingkat uap sebesar 1%. Lebih tepatnya saat temperatur
awal meningkat 100 derajat F akan mengurangi tingkat uap beberapa persen.
Tidak seperti perubahan pada tekanan awal, perubahan
temperatur hanya berdampak pada volume spesifik dengan jumlah relatif kecil.
Sebagai hasil, ukuran fisik dari bagian-bagian berubah sedikit, dan merubah
temperatur awal akan meningkatkan ekonomi yang sama pada kedua turbin yang
lebih besar maupun yang lebih kecil. Bagian yang mengurangi pada tingkat panas
didapat dari meningkatkan temperatur awal (saat tekanan awal konstan)
disebabkan karena meningkatnya efisiensi pada turbin, peningkatan efisiensi
diperoleh dari pengurangan kelembaban yang ada pada tekanan yang lebih rendah.
Sisanya adalah karena kenaikan energi yang tersedia.
Untuk memberikan tekanan awal, temperatur awal minimal
tergantung kelembaban yang ada pada tekanan rendah akhir pada turbin yang cukup
untuk menyebabkan erosi pada turbin blade dan kehilangan efisiensi. Konten dari
kelembaban 12% pada exhaust masih diterima sebagai batas, dan temperatur awal
minimal yang sesuai ditunjukkan pada gambar 3.
Kombinasi dari tekanan dan temperatur dapat diterima secara luas. Kondisi
standart ini ditunjukkan pada gambar 3. Meskipun turbin uap untuk marine dapat
di desain untuk operasi dengan temperatur 1040 F atau lebih, yang menjadi
masalah adalah superheater yang ada pada boiler cenderung memaksakan batas
temperatur maksimal yaitu 950 F.
Masalah ini sudah diungkapkan mengenai menaikkan
temperatur diatas batas maksimal pada biasanya pendingin turbin dan casing
exhaust, bagaimanapun ini masih mungkin untuk menampung panas kejut dan
pelebaran secara tiba-tiba entah dengan gangguan.
Tekanan inlet uap turbin juga mempengaruhi kinerja
turbin. Semua turbin dirancang untuk tekanan inlet uap tertentu. Untuk
mendapatkan efisiensi desain, tekanan masuk uap harus dijaga pada tingkat
desain. Menurunkan tekanan inlet uap akan menghambat efisiensi turbin dan uap konsumsi
di turbin akan meningkat. Demikian pula pada tekanan inlet uap yang lebih
tinggi, energi yang tersedia untuk menjalankan turbin akan tinggi, yang pada
gilirannya akan mengurangi uap konsumsi di turbin. Efek dari saluran masuk uap tekanan
pada konsumsi uap dan efisiensi turbin masing-masing, menjaga semua faktor lain konstan untuk turbin tipe
kondensasi.
Enthalpy uap adalah fungsi suhu dan tekanan. Di bawah suhu,
entalpi akan rendah, pekerjaan yang dilakukan oleh turbin akan rendah, turbin efisiensi
akan rendah, maka konsumsi uap untuk output yang dibutuhkan akan menjadi lebih
tinggi. Dengan kata lain, pada suhu saluran masuk uap yang lebih tinggi,
ekstraksi panas oleh turbin akan lebih tinggi dan karenanya untuk keluaran yang
dibutuhkan, konsumsi uap akan turun mengurangi. Efek suhu saluran masuk uap konsumsi
uap dan efisiensi turbin masing-masing, menjaga semua faktor lainnya konstan
untuk turbin jenis kondensasi.
2. Thermodynamic
Model and Off-Design Condition
Pembangkit uap
dioperasikan dengan siklus Rankine yang meliputi ketel uap, turbin uap,
kondensor, penukar panas, pompa dan katup. Hasil kerja bersih dari siklus dan
efisiensi termal sangat bergantung pada nilai kimia dari bahan bakar yang
terbakar, efisiensi boiler, energi konsumsi pada kondensor dan pompa (s) dan
efisiensi isentropik dari turbin uap dan pompa (s). Tekanan, suhu dan laju
aliran yang berubah pada kondisi inlet dan / atau outlet akan mempengaruhi
efisiensi isentropik turbin dan efisiensi termal.
Turbin uap adalah mesin
panas yang mengubah energi panas dari suhu tinggi dan uap tekanan menjadi
energi kinetik dan kemudian kinetik menjadi energi mekanis dalam dua tahap dan
/ atau energi listrik dengan alternator.
Kondisi efisiensi
maksimum, dimana panas spesifik untuk masing-masing daya yang dihasilkan
minimum, juga sesuai dengan kondisi paling ekonomis yang disebut kondisi
operasi turbin atau kondisi disain turbin. Oleh karena itu, kondisi efisiensi
termal maksimum harus diperhitungkan saat desain turbin uap. Untuk meningkatkan
efisiensi, kapasitas turbin uap harus menentukan rentang nilai yang luas antara
kondisi beban penuh dan kondisi beban nol.
Turbin dirancang dan
diproduksi dengan mempertimbangkan beberapa kondisi khusus. Profil pisau turbin
dan dimensi geometris setiap bagian dirancang untuk mempertimbangkan beberapa
parameter. Seperti, parameter inlet dan outlet turbin (tekanan dan suhu), laju
aliran uap spesifik, turunan arus masuk, tekanan kondensor spesifik, laju uap
ekstraksi spesifik dan frekuensi grid ditentukan untuk kondisi tertentu. Selain
itu, diameter rotor, tinggi bilah pertama dan terakhir, jumlah tahapan dan
siklus termodinamika sistem juga digunakan untuk menentukan kondisi disain.
Kondisi Off-Design dapat
diciptakan oleh banyak faktor internal dan eksternal. Meski faktor internal
pada umumnya terkendali, sangat sulit untuk mengendalikan faktor eksternal.
Beberapa kondisi yang menyebabkan kondisi off-design dan mengurangi kinerja
turbin adalah mengubah sifat inlet dari turbin uap, frekuensi grid, tekanan
kondensor dan kinerja pemanas air umpan; busur parsial, deformasi jalur uap dan
beroperasi pada beban parsial. Meskipun kerugian internal dan eksternal minimum
pada kondisi desain, sementara waktu operasi, hampir tidak mungkin bekerja
dengan parameter desain pada kondisi kerja nyata yang tidak terkendali.
3. Partial Load
Conditions
Kondisi beban parsial
dapat terjadi variasi permintaan energi, perawatan dan perbaikan penting untuk
mengendalikan aliran uap. Kontrol beban parsial bisa diatur dengan dua cara.
Yang pertama adalah throttling yang mengendalikan sistem dengan mengubah
tekanan inlet turbin. Jika tekanan uap menurunkan uap laju alir dan suhu juga
menurun sehingga dalam sistem ini rugi akan jauh lebih banyak. Sistem kedua
adalah nosel mengatur yang mengubah laju alir pada tekanan inlet turbin konstan
dan suhu. Kontrol kedua metode ini jauh lebih efisien dan lebih umum. Tingkat
aliran uap diatur oleh governor atau katup cek pada beban yang berbeda.
Sedangkan arus inline turbin Tingkat penurunan tekanan inlet turbin juga
menurun (Ellipse Law). Namun, efisiensi termal dan turbin Efisiensi isentropik
sangat bergantung pada tetes tekanan, itulah cara tekanan inlet turbin tetap
konstan bahkan jika laju alir berubah. Daya yang diproduksi sebanding dengan
laju alir uap dan tetesan uap turbin panas jadi ini mungkin untuk mengatur
kekuatan dengan mengubah parameter ini dan tekanan geser boiler juga bisa
digunakan mengatur
beban.
4. Exhaust Vacuum
Sebuah vacuum berukuran
sedang 281/2 in.Hg merupakan
ukuran umum yang diterima sebagai dasar mendesain untuk kapal yang menggunakan
turbin. Pemilihan ini berdasarkan alasan ekonomi, yang didasari dengan varisai
temperatur air laut di dunia dan juga ukuran, berat, biaya turbin serta
perlengkapannya.
Air laut dengan temperatur
rendah dizinkan menggunakan high vacuum, dan sebaliknya air laut dengan
temperatur tinggi harus membatasi penggunaan vacuum. Ini merupakan kesulitan
saat membangun konstruksi untuk memastikan kapal tersebut tetap pada spesifik
rute perdagangan sepanjang masa manfaatnya. Oleh karena itu pada umumnya
berdasarkan desain yang diinginkan untuk vacumm yang berkecukupan. Pada kasus
tertentu dimana service yang terbatas untuk area dengan temperatur air laut,
akan meningkatkan biaya dan berat dari desain turbin untuk lebih tinggi dari
standart vacuum harus diperhitungkan didalam evaluasi ekonominya.
Volume spesifik dari uap
meningkat secara tiba-tiba menyebabkan vacuum harus ditingkatkan. Sebagai
contoh, peningkatan dari 28 ke 29 in. Mercury (mengacu pada 30 in. Sebagai
barometer) secara praktis akan menggandakan spesifik volume. Untuk mengatasi
peningkatan efisiensi volume saat beban penuh, ini sangat penting untuk
meningkatkan proporsional area aliran dari stage turbin pada akhir exhaust.
Lebih lengkapnya diskusi tentang exhaust losses.
Untuk membuat kecepatan
tinggi, kapal yang ringan harus mengorbankan biaya yang besar dengan diterima
tekanan tinggi pada exhaust (umumnya 2.5 psia) saat daya tinggi untuk
mengurangi berat dan juga ukuran dari tirbin dan kondensor. Saat daya jelajah
dimana biaya berperan penting. Pendekatan vakum mendekati tingkat pedagang
karena mengurangi pemuatan kondensor.
Vacuum yang baik sangat
penting untuk alasan selain ekonomi. Ketika elemen dari astern menyalurkan
daya, blade yang ada didepan akan didorong mundur dalam tekanan uap. jika
vacuum yang yang digunakan buruk, losses pada windage dari stage depan akan
mengakibatkan pemanasan lebih cepat dan mungkin batas kecepatan atau periode
yang diperbolehkan saat astern beroperasi. Efek tekanan buang /vakum pada
tekanan exhaust / vakum yang lebih tinggi, meningkatkan konsumsi uap di turbin,
menjaga semua parameter operasi lainnya tetap konstan. Tekanan buang lebih
rendah dari yang ditentukan akan mengurangi konsumsi uap dan memperbaiki efisiensi
turbin. Begitu pula exhaust vakum yang lebih rendah dari yang ditentukan, akan
menurunkan efisiensi turbin dan mengurangi konsumsi uap.
Efek vakum exhaust pada
konsumsi uap dan efisiensi turbin masing-masing, menjaga semua faktor lainnya
konstan untuk turbin jenis kondensasi. Gambar 6a & 6b menunjukkan bahwa
perbaikan pada vakum exhaust sebesar 10 mmHg, mengurangi konsumsi uap di turbin
sekitar 1,1%. Perbaikan di Efisiensi turbin bervariasi dari 0,24% sampai 0,4%. Dalam
hal pengurangan turbin tipe tekanan balik pada tekanan knalpot sebesar 1,0 kg /
cm2, mengurangi konsumsi uap di turbin sekitar 0,8% dan memperbaiki efisiensi
turbin sekitar 0,14% seperti yang ditunjukkan oleh gambar - 7a & 7b.
5. Nonextraction
Steam Rate
Ketika tingkat daya dalam
keadaan penuh, kondisi awal uap, dan exhaust vacuum telah dipilih, ,memungkinkan
untuk merancang tingkat uap sesuai yang diharapkan dari desain yang baik. Gambar
7 merupakan indikasi dari tipikal nonextraction steam rate untuk tipe-tipe
kapal, unit gear pada turbine untuk menghasilkan peforma yang optimum saat daya
penuh dengan keseimbangan yang tepat antara efisiensi, ukuran, berat, dan juga
biaya. Pengurangan pada tingkatan uap dengan memperbaharui kondisi uap sama
mudahnya seperti menurunkan tingkatan uap, dimana ini memungkinkan dengan daya
yang lebih tinggi. Metode untuk mengestimasi tingkat uap saat kondisi lainnya.
Kapal dagang pada umumnya beroperasi
pada daya penuh atau mendekati daya penuh. Oleh sebab itu performa untuk beban
parsial cenderung kurang penting. Variasi tipikal dalam tingkat uap saat
sebagian kecil daya di representasikan dari desain turbin, dimana tidak
menyertakan fitur khusus untuk menambah peforma daya parsial lain daripada
stage pertama nozzle kontrol, ditunjukkan pada kurva “straight-through” gambar
8. Ketika peforma daya parsial penting, seperti pada kasus pada kapal perang,
beberapa cara dapat digunakan untuk memindahkan titik optimum dari tingkat uap
ke daya parsial dan untuk mengurangi daya yang rendah pada tingkat uap.
kemungkinan termasuk total kelebihan kecepatan putaran saat daya penuh dengan
interstage bypass, turbin seri-paralel, two-row/one-row stage kontrol. Diskusi
dari perencanaan ini ada pada section berikut, dan tipikal relatif tingkat uap.
6. Extraction of
Steam
Uap mungkin ditambahkan
dari turbin untuk memberikan panas dan untuk service sebuah kapal. Jumlah
penambahan dan tekanan yang dibutuhkan untuk setiap sistem tergantung pada
pemilihan cycle pembangkit uap seperti yang didiskusikan pada Chapter. Hubungan
atau tujuannya adalah untuk menyediakan pada turbin stage dimana tekanan sesuai
penggunaannya. Seringkali, itu akan ditemukan dalam jumlah tekanan stage yang
dipilih oleh desainer turbin untuk memberikan peforma turbin yang optimum akan
menghasilkan tekanan ekstraksi yang diiginkan ada diantara dua stage. Dalam
kasus ini, biasanya pilihan terbaik untuk memilih antara tekanan yang tinggi
atau rendah tidak menggangu desain turbin.
Pada umumnya, variasi
tekanan stage hampir sejajar dengan aliran semu diluar titik ekstraksi. Kurva
dapat dilihat pada gambar 9. Mungkin diperoleh dari desainer turbin. Dalam
memilih turbin stage yang tepat untuk setiap titik ekstraksi, harus dipilih
secara kustom yang memiliki daya penuh dengan tekanan lebih tinggi dari yang
dibutuhkan sehingga titik ekstraksi nya memungkinkan untuk digunakan saat
beroperasi dengan daya penuh.
Sambungan ekstraksi sering
dihilangkan untuk kesederhanaan pada turbin kapal, karena rentang kekuatan yang
luas di mana ekstraksi diinginkan akan memerlukan pengaturan katup dan pipping
yang kompleks untuk menggeser setiap sistem dari satu tahap turbin ke tahap yang
lain karena variasi daya.
Kebalikan dari ekstraksi,
yang disebut induksi, dimana uap berlebih di pabrik yang dikenalkan pada turbin
umumnya tidak dianjurkan. Sementara ini dapat memperbaiki keseimbangan panas,
maka (1) cenderung mengimbangi tahap terakhir turbin, (2) dapat mengenalkan air
yang besar dari sistem pelengkap dan dengan demikian menyebabkan kerusakan pada
pisau, dan (3) memerlukan katup kontrol otomatis untuk mencegah induksi saat
macet, operasi astern, atau jika terjadi overspeed turbin.
7. Expansion Line
Bagan Mollier adalah representasi
grafis dari tekanan, suhu, superheat, dan kandungan uap panas. akan lebih mudah
untuk merencanakan pada diagram ini "titik nyala" uap pada tahap
apapun dalam turbin saat ini dilakukan untuk semua tahap turbin, garis yang
ditarik melalui titik ini disebut "garis ekspansi" atau "garis
state”.
"Garis ekspansi"
untuk diberi daya penuh dan untuk daya parsial biasanya diperoleh dari
perancang turbin. Keduanya berguna dalam menentukan karakteristik uap sepanjang
turbin, terutama pada titik ekstraksi dan pada exhaust turbin.
Jika kurva ekspansi tidak
tersedia, perkiraan kurva ekspansi kekuatan penuh dibuat untuk tujuan awal
seperti ditunjukkan pada gambar 6. Tekanan awal (P1) dan temperatur
awal (T1). garis state "titik puncak" kemudian diplot pada
entalpi awal dan 90% tekanan awal.
"energi yang
digunakan" per pound uap dapat ditemukan dari
2544 /
(steam rate x external efficiency)
Efisiensi eksternal yang kehilangan
bantalan turbin serta kerugian mekanis dalam roda gigi reduksi, dan untuk
instalasi penggerak listrik mencakup kerugian motor dan generator, jika
kerugian eksternal ini tidak diketahui, asumsi berikut dapat dilakukan:
TYPE OF DRIVE EXTERNAL
EFFICIENCY
Gear drive, single
reduction 0,97
Gear drive, double
reduction 0,96
Electric drive 0,92
Efisiensi eksternal pada
daya parsial dapat diperkirakan dengan memvariasikan losses pada eksternal (satu minus efisiensi eksternal)
dengan kekuatan penuh 1,7 daya kecepatan baling-baling. Entalpi uap yang habis
ke kondensor utama adalah
hw = ho
– used energy
Losses pada exhaust disebabkan oleh energi kecepatan di
uap yang meninggalkan deretan terakhir dari blade, yang tidak dapat dipulihkan
sebagai karya yang berguna, namun diubah menjadi panas dengan disipasi pada
eddies dan gesekan. Losses pada exhaust juga termasuk adanya penurunan tekanan
antara roda keluar terakhir dan knalpot knalpot. besarnya kerugian keseluruhan
bergantung pada desain turbin, aliran uap, dan vakum knalpot tertentu.
Untuk desain turbin
propulsi merchant yang khas, total exhaust loss (EL) pada daya penuh dengan
knalpot pengenal knalpot sekitar 12 Btu / lb dan pada daya parsial bervariasi
kira-kira sebagai kuadrat rasio aliran uap pada tekanan absolut absolut.
entalpi uap di "titik
akhir" adalah
hi = hw
– EL
Garis lurus yang bergabung
dengan "titik puncak" dan "titik akhir" memberikan
perkiraan kurva ekspansi yang masuk akal. Sifat penyimpangan dari kurva akurat
ditunjukkan oleh garis putus-putus pada gambar 6 dan disebabkan oleh
ketidakmampuan untuk mendapatkan efisiensi tahap rata-rata pada tahap turbin
pertama dan terakhir.
Gambar 10 juga menunjukkan
kecenderungan kurva kondisi pada kekuatan parsial. Catatan bahwa pada kekuatan
yang sangat rendah, jika temperatur awal tetap konstan, exhaust mungkin menggunakan
superheater.
8. Exhaust Loss
Diantara faktor yang
menentukan efisiensi dan ukuran turbin, kerugian exhaust adalah salah satu yang
lebih penting. Mesin yang dirancang untuk beroperasi secara ekonomi pada vakum
tinggi secara inheren besar, namun lebih efisien. Untuk alasan ini perancang
harus mencapai keseimbangan antara ekonomi yang dibutuhkan dan berat dan ukuran
unit. Pada umumnya, unit yang dirancang untuk beroperasi selama sebagian besar
kehidupan mereka di tingkat yang lebih tinggi harus memiliki area pembuangan
yang cukup, sedangkan unit yang pada umumnya beroperasi pada daya yang dikurangi
dapat dirancang dengan exhaust yang lebih kecil, karena kehilangan exhaust
berkurang dengan cepat saat penurunan beban.
Pemahaman tentang efek
pembebanan volumetrik tinggi per unit area anulus exhaust berguna. Sebagai
ilustrasi, asumsikan tekanan buang turbin khas berkurang dalam serangkaian
langkah. tiga kondisi yang ditemui, seperti yang diilustrasikan pada gambar 11.
Dalam kondisi I, saat tekanan balik turun, kecepatan uap (D2) pada
tenggorokan kenaikan baris terakhir sampai sama dengan kecepatan akustik yang
sesuai dengan kondisi uap pada titik ini. Daun jet uap di sudut keluar pisau (γ). Dengan penurunan tekanan balik lebih lanjut, yang ditunjukkan oleh kondisi
II, tekanan tenggorokan dan kecepatan tetap konstan, namun ekspansi sekarang
terjadi di luar tenggorokan yang menyebabkan peningkatan kecepatan eflux (D2’)
dan defleksi jet ke sudut (γ +δ’) Kondisi III dicapai
dengan penurunan tekanan balik lebih lanjut, ketika komponen aksial dari
kecepatan efflux mencapai kecepatan akustik. Penurunan tekanan balik lebih
lanjut akan mengakibatkan ekspansi pada batang knalpot atau pada kondensor pada
anulus exhaust dan karena itu, tingkat uap tidak akan terpengaruh. Kondisi ini
kadang disebut "tersedak".
Turbin daerah anulus tahap
terakhir biasanya berukuran untuk menangani dari 6000 sampai 8000 lb / jam uap
per kaki persegi daerah anulus pada 1,5 in Hg abs, untuk tekanan balik lainnya,
kisaran ini akan bervariasi bersamaan sebagai tekanan absolut. Nilai terendah
dari nilai ini mewakili mesin yang memiliki exhaust loss sangat rendah dan
dirancang untuk operasi normal pada beban penuh. Nilai yang lebih tinggi
mewakili mesin yang, untuk ekonomi dalam ukuran dan berat, dirancang dengan
tudung exhaust yang relatif kecil dan diharapkan beroperasi pada beban rendah.
9. Equivalent Nonextraction Steam Rate of Reheat Cycles
Dalam kasus pembangkit
listrik tenaga laut yang tidak dipanaskan kembali, kinerja turbin ditentukan
dalam hal tingkat steam nonextraction. Kriteria ini cukup sesuai dengan
persyaratan perancang dan aktivitas pembelian pabrik, selanjutnya mudah
ditunjukkan pada uji coba kapal, dan variasinya tercermin dengan benar dalam
porsi total bahan bakar yang dibakar untuk tujuan penggerak utama. Bila prinsip
pemanasan ulang digunakan, laju steam nonextraction tidak lagi menjadi kriteria
kinerja turbin yang tepat, karena tidak mengenali penambahan panas dalam
pemanasan ulang. Tingkat uap bervariasi dengan tekanan reheat yang dipilih,
menurun saat tekanan turun dan bahkan jika, selain kondisi uap dan vakum yang
ditetapkan, tekanan pemanasan ulang spesifik diasosiasikan dimana setiap
tingkat uap, hasilnya tidak dapat digunakan untuk perbandingan desain turbin
yang kompetitif. Hal ini dapat dilihat dengan mempertimbangkan kurva kondisi
turbin reheat, gambar 8. Sebagai contoh, dua desain turbin dapat dikembangkan
seperti vakum kondensor yang sama, dan tingkat uap yang sama, namun efisiensi
dan tingkat bahan bakar yang sesuai dapat berbeda. Turbin yang memiliki
efisiensi lebih tinggi pada tahap sebelum pemanasan ulang dan efisiensi yang
lebih rendah mengikuti titik ini akan memerlukan jumlah panas yang lebih banyak
untuk ditambahkan ke dalam pemanasan ulang dengan mengorbankan bahan bakar
tambahan ke boiler.
Oleh karena itu, perlu
dikembangkan beberapa bentuk laju panas sebagai kriteria kinerja turbin panas
ulang. Tingkat panas dapat didefinisikan dalam beberapa cara, namun metode
standar untuk unit laut telah disarankan [10]. Secara umum, laju panas turbin
di Btu / shp-jam ditunjukkan sebagai berikut.
Turbine heat rate = Heat
added to turbine cycle by boiler (btu/hr) / Power output (shp)
The heat added dapat
didefinisikan sebagai berikut
QT (HT
– hFW) + QRhtr (HHR – HCR)
Dimana
QT = aliran throttle, lb/hr
QRhtr = aliran reheter, lb/hr
HT = entalpi throttle, Btu/lb
hFW = entalpi feedwater akhir, Btu/lb
HHR = entalpi keluar dari reheater, Btu/lb
HCR = entalpi masuk ke reheater, Btu/lb
Kecepatan panas turbin
dapat didefinisikan dengan basis nonextraction, yang relatif sederhana karena
komponen lain dari siklus tidak dilibatkan. Demonstrasi laju panas
nonextraction memerlukan tes khusus dengan bleeders ditutup. Sebagai
alternatif, laju panas turbin pengekstraksi dapat didefinisikan dengan cara yang
serupa dengan praktek dimana pengaturan pemanasan umpan harus benar-benar
spesifikasi [10]. Jenis tingkat panas ini dapat ditunjukkan selama uji coba
kapal dalam perjalanan ekonomi reguler namun memerlukan tambahan penyesuaian,
perhitungan yang lebih rumit, dan prosedur korektif yang lebih banyak. Rentang
panas turbin ekstraksi tipikal diberikan pada gambar 13 untuk siklus
umpan-pemanas lima.
10. Torque and Speed Characteristic
Kemampuan yang melekat
pada turbin uap untuk bermanuver dengan cepat adalah karena karakteristik torsi
kecepatannya. Kurva torsi keluaran turbin untuk turbin depan dan astern yang
khas diplot terhadap kecepatan pada gambar
14, pada arus uap terdepan di atas. Kurva untuk turbin astern menunjukkan bahwa
torsi tersedia untuk memperlambat unit saat masih berputar ke arah depan
meningkat seiring kecepatan di depan manuever yang mulai meningkat. Hubungan
yang sama untuk torsi turbin depan membantu declarating unit dari putaran
astern.
11. Heat Balanced
Heat Balance
(kesetaraanKalor) adalah keseteraan massa dan energi dalam keadaan steady state
dalam sebuah proses. Semua aliran massa masuk dan keluar proses harus setara,
dan semua energi masuk dan keluar batas proses harus diperhitungkan sebagai panas
atau kerja. Heat balance merupakan salah satu alat untuk menilai unjuk kerja suatu
pembangkit. Heat balance dapat disiapkan dari detail yang sederhana sehingga yang
paling kompleks, tergantung dari kebutuhan dan tingkatan desain. Lingkup Heat
Balanced meliputi
a.
Heat Balance SiklusTurbin
Batas proses untuk heat balance siklus turbin adalah
sekitar turbin dan siklus air pengisi ketel (feed water) dan uap yang masuk dan
keluar batas proses dengan kondisi uap tetap pada saat keluar dan masuk turbin.
Jadi perubahan kondisi uap antara ketel dan turbin dianggap diluar siklus turbin.
Make up dianggap aliran luar masuk kedalam siklus turbin.
b.
Plant Heat balance (Kesetaraan Kalor Pembangkit)
Batas heat balance plant secara harfiah dapat didefinisikan
dalam garis plant. Pada prakteknya, batas ini biasanya digambarkan untuk seluruh
proses konversi energi mulai dari hantaran bahan bakar (fuel delivery) hngga ekspor
energi listrik dan energi listrik dan energi lainnya.
c.
Combined Cycle Heat Balance
Pada dasarnya sama dengan plant heat balance.
12. Performance Calculation
Faktor Penyebab
·
Besarnya
kerugian didalam turbin akan mempengaruhi efisiensinya.Kerugian yang besar
berarti efisiensinya rendah.
·
Faktor-faktor
penyebab kerugian didalam turbin diantaranya :
ü KerugianpadaKatupGovernor.
ü KerugianpadaNosel(Nozzle Loss).
ü KerugianpadaMoving Blades.
ü Kerugianpadauapmeninggalkanmoving blades
(Leaving Velocity/Carry Over Loss).
ü KerugianGesekan.
ü KerugianCelah(Clearance Loss).
ü Kerugianakibatkebasahanuap.
ü Kerugian akibat kecepatan uap keluar turbin.
ü Kerugianluar(External Loss).
Efisiensi turbin dapat dihitung
dengan Enthalpy Drop Method sesuai dengan ASME Power Test Code Report PTC-6S,
“Simplified Procedures for Routine Performance Test of Steam Turbine”sebagai berikut
:
EHP = ∆h AHP / ∆h SHP x 100%
Dimana :
EHP = Efisiensi Turbine high pressure
ΔhAHP =
Actual enthalpy drop pada turbin high pressure stage
ΔhSHP =
Isentropic enthalpy drop pada turbin high pressure stage
Perhitungan Actual
enthalpy drop adalah sebagai berikut
ΔhAHP = hMS - hCR
ΔhAIP =
hHR - hEX
Dimana :
hMS =
Enthalpy dari main steam
hCR =
Enthalpy dari cold reheat steam
hHR =
Enthalpy dari hot reheat steam
hEX =
Enthalpy dari IP exhaust steam
Enthalpy diitung dari ASME
steam table dengan parameter tekanan (P) dan tempeatur (T) sebagai berikut
hMS
: f((PMS +
PATM), TMS)
hCR
: f((PCR + PATM), TCR)
hHR
: f((PHR + PATM), THR)
hEX
: f((PEX, TEX)
Perhitungan isentropic
enthalpy drop adalah sebagai berikut
ΔhSHP =
hMS
- hSHP
ΔhSIP =
hHR
- hSIP
Dimana :
hSHP = Enthalpy yang berekspansi secara isentropis
pada kondisi exhaust di high pressure turbine
hCR = Enthalpy yang berekspansi secara isentropis
pada kondisi exhaust di high pressure turbine
Enthalpy dihitung dari
ASME steam table dengan parameter tekanan (P) dan entropy (S) adalah sebagai
berikut
hSHP
: f((PCR + PATM), SMS)
hCR
: f((PEX, SHR)
Entropy dihitung dari
steam table menggunakan parameter tekanan (P) dan temperatur (T) sebagai
berikut
SMS
: f((PMS + PATM), TMS)
SHR
: f((PHR + PATM), THR)
13. Meningkatkan Efisiensi Thermal Turbin
Secara ideal Efisiensi
Thermal dari Siklus Rankine berkisar di angka 42%. Ada beberapa cara untuk
meningkatkan Efisiensi Thermal Siklus Rankine dengan memodifikasi siklusnya.
a.
Reheater
Cara pertama adalah dengan menggunakan
Reheater. Menggunakan dua Turbin Uap (High Pressure dan Low Pressure) yang
keduanya berada pada satu poros. Uap air yang keluar dari Turbin High Pressure
masuk kembali ke Boiler untuk dipanaskan kembali menjadi uap Superheated.
Setelah itu uap air tersebut kembali masuk ke Turbin Uap Low Pressure. Dari
Turbin Kedua ini uap air masuk ke Condenser. PLTU modern sudah banyak
menggunakan tiga atau bahkan 4 Turbin Uap, yaitu High Pressure Turbine,
Intermediate Pressure Turbine, dan Low Pressure Turbine. Uap air Reheater masuk
kembali ke Intermediate Pressure Turbine, selanjutnya tanpa mengalami Reheater
lagi uap air yang keluar dari Intermediate Pressure Turbine masuk ke Low
Pressure Turbine.
Dari modifikasi ini dapat
kita tambahkan dalam hitungan Efisiensi Thermal siklus energi panas masuk pada
saat Reheater (Q in Reheater) serta output kerja pada Low Pressure Turbine (W
LPT out). Sehingga nilai kalor total yang masuk ke fluida kerja adalah:
Q total = Q in boiler + Q
in reheater
Q total = m.(h3 – h1) +
m.(h5 – h4)
Sedangkan nilai kerja
output keluar total adalah:
W out total = W HPT out +
W LPT out
W out total = m.(h3 – h4)
+ m.(h5 – h6)
Penambahan penggunaan satu
tahap Reheater akan meningkatkan Efisiensi Thermal Siklus Rankine sebesar 3-4%,
penambahan dua tahap Reheater menaikkan efisiensi sebesar 1,5-2%, penambahan
tiga tahap Reheater menaikkan efisiensi sebesar 0,75-1%, dan begitu seterusnya.
Akan tetapi umumnya hanya dipergunakan satu tahap Reheater saja.
b.
Preheater atau Regenerative
Cara meningkatkan Efisiensi Siklus Rankine yang
kedua adalah dengan menggunakan Preheater atau pemanasan awal dari fluida kerja
sebelum masuk ke Boiler. Cara ini disebut dengan Regenerative Rankine Cycle. Sumber
panas yang digunakan untuk Preheater berasal dari uap air yang diambil dari
Turbine Uap pada stage tertentu (Extraction Steam). Uap panas ini dialirkan
melewati pipa menuju ke Heat Exchanger dan bertemu dengan air kondensat atau
Feed Water. Air kondensat yang keluar dari Condenser dipompa oleh pompa
ekstraksi kondensat menuju Heat Exchanger tersebut. Ada dua macam proses
perpindahan panas yang terjadi, yang otomatis ada dua jenis juga Heat Exchanger
yang biasa digunakan.
Yang pertama adalah tipe Open Feed Water
Heater, yang mana tipe ini bersifat terbuka, perpindahan panas secara konveksi,
Extraction Steam akan bertemu dan bercampur langsung dengan fluida kerja di
sebuah wadah tertentu. Kelemahan sistem ini adalah tidak dapat digunakan
apabila antara Extraction Steam dengan fluida kerja terdapat perbedaan tekanan
yang terlalu besar, tetapi memiliki kelebihan dalam sisi ekonomis dan
perpindahan panas yang maksimal karena kedua media bertemu secara langsung.
Massa aliran fluida pada
setiap komponen menjadi berbeda karena adanya extraction steam. Apabila 1 kg
uap air masuk ke Turbin, dan y kg menjadi Extraction Steam, dan (1-y) kg
berlanjut menuju ke Boiler, maka kita dapat menghitung kerja output dan kalor
masuk sebagai berikut:
Jika q = Q / m ; maka:
Heat Input:
q in = h5 – h4
Heat Output:
q out = (1 – y).(h7 – h1)
Work Output:
W turbin out = (h5 – h6) +
(1 – y).(h6 – h7)
Work Input:
W pump in = (1 – y)(h2 –
h1) + (h4 – h3)
Tipe yang kedua adalah
tipe tertutup (Close Feed Water Heater), yang mana di dalamnya terjadi
perpindahan panas secara konduksi, uap air pada sisi Shell dan fluida kerja di
sisi pipa. Tipe ini dapat digunakan apabila kedua media dalam kondisi perbedaan
tekanan yang besar, namun kelemahannya adalah harga yang lebih mahal serta
perpindahan panas yang lebih kecil karena kedua media tidak bertemu secara
langsung.
Sama dengan Open Feed
Water Heater apabila 1 kg uap air masuk ke Turbin, dan y kg menjadi Extraction
Steam, dan (1-y) kg berlanjut menuju ke Boiler, maka kita dapat menghitung
kerja output dan kalor masuk sebagai berikut:
Heat Input:
q in = h4 – h3
Heat Output:
q out = (1 – y).(h6 – h1)
+ y.(h8 – h1)
Work Output:
W turbin out = (h4 – h5) +
(1 – y).(h5 – h6)
Work Input:
W pump in = (h2 – h1)
14. Referensi
Harrington, L Roy. (1992). Marine Engineering, The Society of Naval Architets and Marine
Engineers, New Jersey.
Taylor, D.A. (1990). Introduction to Marine Engineering, Butterworth Heinemann, ISBN 0
7506 0752 1, Cambridge.
C. D. Weir, “An Analytical Approach to the
Estimation of the Performance of Steam Turbine Cycles Off-Design,” Proc. Inst.
Mech. Eng. Part J. Power Energy, vol. 199, no. 1, pp. 33–43, Feb. 1985
M. Petrovic and W. Riess, “Off-design flow
analysis of low-pressure steam turbines,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part J. Power
Energy, vol. 211, no. 3, pp. 215–224, May 1997.
Journal of Thermal Engineering, Research
Article, Vol. 3, No. 2, pp. 1121-1128, April, 2017
