TURBINE PERFORMANCE

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 28^1/2  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

h_w = h_o – 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

h_i = h_w – 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

Q_T (H_T – h_FW) + Q_Rhtr (H_HR – H_CR)                                                       

Dimana

Q_T                 = 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

Δh_AHP     = Actual enthalpy drop pada turbin high pressure stage

Δh_SHP         = Isentropic enthalpy drop pada turbin high pressure stage

Perhitungan Actual enthalpy drop adalah sebagai berikut

Δh_AHP     = h_MS - h_CR                                                                                                                             

Δh_AIP       = h_HR - h_EX                                                                                                                                            

Dimana :

h_MS          = Enthalpy dari main steam

h_CR           = Enthalpy dari cold reheat steam

h_HR          = Enthalpy dari hot reheat steam

h_EX          = Enthalpy dari IP exhaust steam

Enthalpy diitung dari ASME steam table dengan parameter tekanan (P) dan tempeatur (T) sebagai berikut

h_MS : f((P_MS + P_ATM), T_MS)                                                                                                   

h_CR : f((P_CR + P_ATM), T_CR)                                                                                                    

h_HR : f((P_HR + P_ATM), T_HR)                                                                                                   

h_EX : f((P_EX, T_EX)                                                                                                                   

Perhitungan isentropic enthalpy drop adalah sebagai berikut

Δh_SHP      = h_MS - h_SHP                                                                                                                                                         

Δh_SIP           = h_HR - h_SIP                                                                                                            

Dimana :

h_SHP                  = Enthalpy yang berekspansi secara isentropis pada kondisi exhaust di high pressure turbine

h_CR                    = 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

h_SHP : f((P_CR + P_ATM), S_MS)                                                                                                  

h_CR : f((P_EX, S_HR)                                                                                                                  

Entropy dihitung dari steam table menggunakan parameter tekanan (P) dan temperatur (T) sebagai berikut

S_MS : f((P_MS + P_ATM), T_MS)                                                                                                    

S_HR : f((P_HR + P_ATM), T_HR)                                                                                                    

                 

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