Sistem Tenaga Uap

    Pada mesin uap dan turbin uap, air sebagai benda kerja mengalami deretan perubahan keadaan. Untuk merubah air menjadi uap digunakan suatu alat dinamakan boiler. Boiler menerima panas dari sumber panas atau dapur, panas tersebut digunakan untuk memanaskan air didalam boiler agar dieroleh uap. Kadang-kadang uap yang keluar dari boiler dipanaskan lagi dengan superheater agar diperoleh uap dengan temperatur yang lebih tinggi. Panas untuk superheater  diambil dari dapur dan superheater dihubungkan langsung dengan boiler.

Gambar 2.1. Skema Diagram Aliran Uap Dan Cairan Pada Mesin/Turbin Uap.

Uap yang keluar dari superheater  kemudian mengalir ke mesin uap atau turbin uap dan tenaga uap dirubah menjadi kerja poros mesin atau turbin. Pada waktu yang bersamaan, uap mengalami penurunan temperatur dan tekanan sebagian uap mengalami condensasi.

Kemudian campuran uap pada condensor semua uap diembunkan menjadi cairan. Panas dari condensor (panas pengembunan) dibuang. Cairan yang keluar dari condensor kemudian dipompakan kembali ke boiler.

1.      Siklus Rankine

Siklus rankine adalah siklus thermodinamika yang mengkonversi kalor/panas menjadi bentuk kerja. Siklus Rankine kadang-kadang disebut sebagai praktis siklus Carnot. Ketika sebuah turbin efisien digunakan, diagram T-S mulai mirip dengan siklus Carnot. Perbedaan utama adalah bahwa penambahan panas (dalam boiler) dan penolakan (di kondensor) yang isobarik dalam siklus Rankine dan isotermal dalam siklus Carnot teoritis.

Gambar 2.2. Skema Diagram Siklus Rankine.

Pompa digunakan untuk menekan cairan bekerja diterima dari kondensor sebagai cair bukan sebagai gas. Semua energi dalam memompa cairan bekerja melalui siklus lengkap hilang. Seperti semua energi penguapan dari fluida kerja, dalam boiler. Energi ini yang hilang ke dalam siklus yang pertama, kondensasi tidak terjadi dalam turbin, semua energi penguapan ditolak dari siklus melalui kondensor. Tapi memompa cairan bekerja melalui siklus sebagai cairan memerlukan fraksi yang sangat kecil.

Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluida kerja. Tanpa tekanan mencapai kritis super tingkat untuk fluida kerja, kisaran temperatur siklus dapat beroperasi lebih dari cukup kecil: suhu masuk turbin biasanya 565 ° C dan suhu kondensor adalah sekitar 30 ° C.

                                                                                        

                        Gambar  2.3. Diagram T-S Dari Siklus Rankine.

Ada empat proses dalam siklus Rankine pada diagram T-S:

·         Proses 1-2: Fluida kerja dipompa dari rendah ke tekanan tinggi, seperti fluida adalah cairan pada tahap ini pompa membutuhkan energi input sedikit.

·         Proses 2-3: Cairan tekanan tinggi memasuki boiler dimana dipanaskan pada tekanan konstan oleh sumber panas eksternal untuk menjadi uap jenuh kering. Energi input yang dibutuhkan dapat dengan mudah dihitung dengan menggunakan diagram mollier atau hs grafik atau diagram entalpi-entropi

·         Proses 3-4: Uap jenuh kering berekspansi melalui turbin, pembangkit listrik. Hal ini menurunkan suhu dan tekanan uap, dan kondensasi beberapa mungkin terjadi. Output dalam proses ini dapat dengan mudah dihitung dengan menggunakan grafik-entropi Entalpi

·         Proses 4-1: Uap basah kemudian memasuki kondensor dimana terkondensasi pada tekanan konstan untuk menjadi cair jenuh .

W_{pump =}  m (h₂-h₁)          Q_in = m (h₃-h₂)

W_{turbin =} m (h₃-h₄)          Q_out = m (h₃-h₂)

2.      Siklus Uap Kering

Sistem konversi fluida uap kering, merupakan sistem konversi yang paling sederhana dan paling murah. Uap kering langsung dialirkan menuju turbin kemudian setelah dimanfaatkan, uap dapat dibuang ke atmosfir (atmospheric exhaust turbine) atau dialirkan ke kondensor (condensing turbine).  

  Gambar 2.4. Skema Diagram Siklus         Gambar 2.5. Diagram T-S Konversi Uap Uap Kering.                                                                           Kering      

Pada sistem konversi uap kering, kerja yang dihasilkan turbin ditentukan dengan menggunakan persamaan. Pada Gambar 2.4 dan Gambar 2.5 titik 1 fasa fluida panas bumi berupa uap sedangkan pada titik 2 fluida berupa dua fasa. Proses yang dijalani fluida dari titik 1 ke titik 2 dianggap proses isentropik sehingga entropi pada titik 1 sama dengan entropi pada titik 2, sehingga:

S₁₌S₂

S₁₌S₁₂+X ₂  +  S_fg2

Untuk harga tekanan atau temperatur yang ditentukan, harga-harga entropi dan entalpi bisa didapat dari tabel uap. Sehingga dari persamaan 2 didapat harga x (fraksi uap) untuk kondisi tekanan atau temperatur pada outlet turbin. Dengan memanfaatkan harga fraksi uap tersebut, didapat entalpi pada outlet turbin :
                                               

h₂ = h_f2 + X₂ h_fg

B.  Jenis-jenis uap

            Proses pembentukan uap terbagi atas dua jenis, yaitu :

1.      Uap air yaitu uap yang terbentuk diatas permukaan air sebagai akibat dari penurunan tekanan di atas permukaan air sampai tekanan penguapan yang sesuai dengan temperatur permukaan air tersebut pada titik didih dan pada tekanan di bawah tekanan atmosfir bumi. Penurunan tekanan ini diantaranya disebabkan karena adanya tekanan uap jenuh yang sesuai dengan temperatur permukaan air maka akan terjadi penguapan.

2.      Uap panas yaitu uap yang terbentuk akibat mendidihnya air , aliran mendidih bila tekanan dan temperatur berada pada kondisi didih. Misalnya bila air tekanan 1 bar maka air tersebut akan mendidih pada suhu didih (±99,63⁰ C).

Uap yang terbentuk pada tekanan dan temperatur didih disebut uap jenuh saturasi (saturated steam).

Apabila uap jenuh dipanaskan pada tekanan tetap, maka uap akan mendapat pemanasan lanjut (temperatur naik). Uap yang demikian disebut uap panas lanjut (uap adi panas) atau superheated steam.

Menurut keadaannya uap ada tiga jenis, yaitu :

·      Uap jenuh

Uap jenuh merupakan uap yang tidak mengandung bagian-bagian air yang lepas dimana pada tekanan tertentu berlaku suhu tertentu.

·      Uap kering

Uap kering merupakan uap yang didapat dengan pemanas lanjut dari uap jenuh dimana pada tekanan terbentuk dan dapat diperoleh beberapa jenis uap kering dengan suhu yang berlainan.  

·      Uap basah

Uap basah merupakan uap jenuh yang bercampur dengan bagian-bagian air yang halus yang temperaturnya sama.

C.    Pengertian Turbin Uap

Turbin adalah salah satu mesin penggerak utama yang mengubah energi potensial dari suatu fluida menjadi energi kinetis yang selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Sehingga turbin sering disebut dengan pesawat penggerak mula atau  prime mover.(Shlyakhin,P: Turbin uap. Hal 3).

Istilah turbin berasal dari bahasa latin yaitu ”turbo” yang berarti putar. Karena energi yang digunakan untuk memutar poros turbin adalah energi potensial fluida maka turbin sendiri termasuk ke dalam golongan mesin-mesin fluida.

Mesin–mesin fluida adalah mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis pada poros menjadi energi potensial fluida atau sebaliknya, yaitu mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanis pada poros.

Secara umum mesin fluida dapat digolongkan menjadi dua golongan besar, yaitu:

1.   Mesin kerja, adalah mesin fluida yang berfungsi mengubah energi mekanis pada poros menjadi energi potensial fluida, misalnya : pompa, kompresor, blower, dan lain-lain.

2.   Mesin tenaga, adalah mesin fluida yang berfungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanis pada poros, misalnya : kincir angin, turbin air, turbin gas, dan turbin uap.

D.    Prinsip Kerja Turbin Uap

Turbin uap terdiri dari sebuah cakram yang dikelilingi oleh daun-daun cakram yang disebut sudu-sudu. Sudu-sudu ini berputar karena tiupan dari uap bertekanan yang berasal dari ketel uap, yang telah dipanasi terdahulu dengan menggunakan bahan bakar padat, cair dan gas seperti yang digunakan di PT. Toba Pulp Lestari, Tbk.

Uap tersebut kemudian dibagi dengan menggunakan control valve yang akan dipakai untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung dengan pompa dan juga sama halnya dikopel dengan sebuah generator singkron untuk menghasilkan energi listrik.

Setelah melewati turbin uap, uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi tadi muncul menjadi uap bertekanan rendah. Panas yang sudah diserap oleh kondensor menyebabkan uap berubah menjadi air yang kemudian dipompakan kembali menuju boiler. Sisa panas dibuang oleh kondensor mencapai setengah jumlah panas semula yang masuk. Hal ini mengakibatkan efisisensi thermodhinamika  suatu turbin uap bernilai lebih kecil dari 50%. Turbin uap yang modern mempunyai temperatur boiler sekitar 500⁰C sampai 600⁰C dan temperatur kondensor 20⁰C sampai 30⁰C. ( Shlyakhin,P: Turbin uap. Hal 12).

E. Klasifikasi Turbin Uap

Untuk memudahkan identifikasi terhadap turbin uap, maka turbin uap diklasifikasikan sebagai berikut :

1.   Menurut jumlah tingkat tekanan

a.  Turbin satu tingkat yang memiliki kapasitas tenaga kecil, biasanya digunakan untuk menggerakkan kompresor, pompa, dan mesin-mesin lainnya yang kapasitas tenaganya kecil.

b. Turbin bertingkat banyak (neka tingkat), yaitu turbin yang dibuat untuk kapasitas tenaga dari kecil kepada yang besar dan biasanya terdiri dari susunan beberapa nosel dan beberapa cakram yang ditempatkan berurutan dan berputar pada satu poros yang sama.

2.    Menurut arah aliran uap

a.  Turbin aksial, yang uapnya mengalir dengan arah yang sejajar terhadap poros turbin.

b. Turbin radial, yang arah aliran uapnya tegak lurus terhadap poros turbin.

3.    Menurut jumlah silinder

a.       turbin silinder tunggal

b.    turbin silinder ganda

c.    turbin tiga silinder

d.   turbin empat silinder

4.    Menurut kondisi uap yang digunakan

a.    Turbin tekanan lawan, yaitu bila tekanan uap bekas sama dengan tekanan uap yang dibutuhkan untuk keperluan proses kegiatan pabrik. Turbin ini tidak mengalami kondensasi uap bekas.

b.    Turbin kondensasi langsung, yaitu turbin yang mengondensasikan uap bekasnya langsung ke dalam kondensor, guna mendapatkan air kondensat untuk pengisi air umpan ketel.

c.     Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan, dimana uap bekas digunakan untuk keperluan proses.

d.    Turbin ekstraksi dengan kondensasi, dimana sebagian uapnya dipakai untuk proses dan sebagian lagi untuk penyediaan kondensat air pengisi ketel uap.

e.    Turbin kondensasi dengan ekstraksi ganda, uap bekas dari turbin dipakai untuk kebutuhan beberapa tingkat ekstraksi da sisanya dijadikan kondensasi dalam kondensor untuk kebutuhan air pengisi ketel uap.

f.     Turbin non kondensasi dengan aliran langsung dan tanpa ada ekstraksi serta kondensasi, uap bekas dibuang ke udara luar dengan tekanan lawan sama atau melebihi dari 1 atm.

g.    Turbin non kondensasi dengan ekstraksi, uap bekas tidak dikondensasikan, hanya digunakan untuk proses.

5.    Menurut kondisi uap yang masuk ke dalam turbin

a.    Turbin tekanan rendah dimana tekanan uapnya 2 kg/cm²

b.    Turbin tekanan menengah, tekanan uap sampai dengan 40 kg/cm²

c.    Turbin tekanan tinggi, tekanan uap sampai dengan 170 kg/cm²

d.   Tubin tekanan sangat tinggi, tekanan uap di atas 170 kg/cm²

e.    Turbin adikritis, turbin uap yang beroperasi dengan tekanan uap di atas 225 kg/cm².

6.    Menurut prinsip aksi uap

a. Turbin impuls, yang energi potensial uapnya diubah menjadi energi kinetik di dalam nosel atau laluan yang dilewati oleh sudu-sudu gerak,lalu energi kinetik ini diubah menjadi energi mekanik pada poros turbin.

b. Turbin reaksi aksial, yang ekspansi uap diantara laluan sudu, baik sudu pengarah maupun sudu gerak tiap-tiap tingkat langsung pada derajat yang sama.

7.    Menurut sistem pemanas ulang uap

a.    Turbin uap dengan pemanas ulang tunggal

b.     Turbin uap dengan pemanas ulang ganda

8.    Menurut lingkungan pengoperasiannya

a.    Turbin darat, biasa terdapat pada industri atau PLTU untuk    menggerakkan generator

b.    Turbin yang dioperasikan di kapal. 

F.     Bagian – bagian turbin uap

            Turbin uap ini pada umumnya mempunyai bagian-bagian utama yang sama dan dilengkapi dengan alat-alat pembantu serta alat-alat pelindung.

a.       Rotor

Rotor adalah salah satu bagian dari turbin uap yang dilengkapi dengan poros, cakram, sudu-sudu. Dimana rotor ini berfungsi untuk mengubah tenaga potensial menjadi  potensial menjadi tenaga mekanik, poros juga berfungsi sebagai tempat pemasangan roda dan meneruskan putaran cakram.

b.      Casing (rumah turbin)

Casing merupakan bagian turbin uap yang diperlengkapi dengan nosel, saluran buang (out let), katup (valve). Casing berfungsi sebagai tempat pemasangan rotor maupun drain valve yaitu katup untuk memperbesar pembuangan bila diperlukan.

c.       Nosel

Nosel adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mengubah energi potensial uap menjadi energi mekanis dengan jalan mengekspansikan uap dari bertekanan tinggi menjadi bertekanan lebih rendah dan nosel ini juga berfungsi untuk mengarahkan atau mengalirkan uap yang masuk ke dalam turbin.

d.      Sudu (blade)

Sudu turbin disebut juga sudu jalan atau sudu gerak yang dipasang melingkar mengelilingi cakram yang akan memutar cakram pada poros akibat dari tekanan uap dari nosel.

e.       Poros (shaft)

Poros turbin berfungsi untuk memindahkan daya turbin ke beban melalui kopling.

f.       Bantalan (bearing)

Bantalan atau bearing berfungsi untuk menahan atau menumpu poros dari pengaruh gaya aksial atau gaya radial. Bantalan ini harus dilumasi dengan minyak pelumas yang dialirkan melalui ruang yang berbentuk gelang (annular)

g.      Perapat (seal)

Perapat berfungsi untuk mencegah kebocoran uap, perapatan ini terpasang mengelilingi poros. Perapat yang digunakan adalah :

o  Labyrinth packing

o  Gland packing

h.      Kopling

Kopling berfungsi untuk menghubungkan serta meneruskan daya antara poros turbin dengan poros beban. Selain bagian-bagian utama tersebut, turbin uap juga dilengkapi alat bantu dan pengaman seperti : governor,emergency stop valve, over speed trip, over load trip dan lain-lain.