BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Energi merupakan suatu besaran yang tidak dapat diciptakan maupun

dimusnahkan. Dengan kata lain, energi hanya bisa dikonversi atau berubah bentuk

menjadi energi lain. Salah satu mesin konversi energi yang banyak digunakan

untuk kebutuhan yang besar adalah turbin.

Turbin sendiri merupakan mesin penggerak, dimana energi fluida kerja

dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Bagian turbin yang berputar

dinamai rotor atau roda turbin., sedangkan bagian yang tidak berputar dinamai

stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda

turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya, seperti :

generator listrik, pompa, kompresor, baling-baling dan lain sebagainya.

Di dalam turbin, fluida kerja mengalami proses ekspansi, yaitu proses

penurunan tekanan dan mengalir secara kontinu. Fluida kerja yang digunakan

turbin dapat berupa air, uap air, atau gas.

Secara umum, sistem turbin terdiri dari beberapa komponen, antara lain:

kompresor, pompa, ketel uap (boiler), ruang bakar, kondensor dan turbin. Turbin

banyak di manfatkan untuk pembangkit listrik, pesawat terbang, pemanfaatan di

dalam industry, dan lain sebagainya. Di dalam makalah ini, akan di bahas khusus

mengenai turbin gas baik dalam siklus, klasifikasi, komponen-komponen yang

ada, dan prinsip kerja dari turbin gas tersebut serta aplikasi turbin yang akan di

gunakan.

1.2. Tujuan

Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk memenuhi salah satu tugas

mata kuliah Mesin Konversi Energi II di Universitas Negeri Malang. Manfaat

penulisan makalah ini bagi penulis adalah mampu memahami mengenai

klasifikasi dan perhitungan yang terdapat pada turbin gas. Sedangkan manfaat

makalah ini untuk pembaca diharapkan mampu menjadi sumbangan yang

memperkaya pengetahuan pembaca mengenai tubin gas.

1

BAB II

PEMBAHASAN

2.1. Sejarah Turbin Gas

Sifat energi yang tidak bisa diciptakan dan dimusnahkan akan tetapi hanya

bisa dikonversikan sudah lama diketahui. Bukti dari hal adalah dengan adanya

prinsip konversi energi dalam turbin yang ditemukan oleh ilmuwan mesir kuno

(Alexanderia) yang bernama Hero. Alat konversi energi tersebut dinamakan

Aeolipilie. Prinsip dari Aeolipilie itu sendiri adalah dengan mengisi air ke dalam

bejana, bejana tersebut dihubungkan dengan bejana sperical yang bebas bergerak

melalui penopang pipa, bila bejana air dipanaskan maka uap akan mengalir

melalui pipa penyangga dan masuk ke bejana sperical dan memancar melalui

sebuah nozzle, pancaran tersebut menghasilkan gaya dorong dan timbul reaksi

gaya gerak sperical berputar dengan arah yang berlawanan.

Gambar 2.1. Hero Engine

Selanjutnya temuan dari ilmuwan bernama Hero tersebut banyak

dikembangkan oleh ilmuwan yang lain. Salah satu ilmuwan yang

mengembangkan prinsip sistem turbin gas adalah John Barber (Nuneaton, Inggris)

pada tahun 1971. Sistem yang dikembangkan oleh John Barber ini merupakan

sistem yang desainnya masih digunakan hingga sekarang. Sistem turbin gas

tersebut terdiri dari kompresor, ruang bakar dan turbin.

2

Kemajuan teknologi turbin gas pada era sekarang ini juga dipacu dari

adanya temuan mengenai turbin uap oleh Sir Charles Person (Inggris) pada tahun

1884. Turbin uap kemudian diterapkan pada sistem populas kapal dan pusat

tenaga listrik. Selanjutnya turbin gas terus dikembangkan pada tahun-tahun

berikutnya oleh para ilmuwan hingga kemajuan teknologi turbin gas dapat

digunakan dengan maksimal seperti sekarang. Pada era sekarang ini turbin gas

banyak dimanfaatkan untuk kebutuhan industri, pembangkit listrik, dan juga

untuk pesawat terbang.

2.2. Turbin Gas

Energi pada era sekarang ini sudah banyak dimanfaatkan. Pemanfaatan

energi tersebut dengan dapat dilakukan dengan menggunakan mesin konversi

energi. Salah satu mesin konversi energi yang banyak digunakan adalah turbin

gas. Turbin gas merupakan suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai

fluida kerja.

Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik

berupa putaran yang menggerakan roda turbin sehingga menghasilkan daya.

Bagian turbin yang berputar disebut rotor dan bagian turbin yang diam disebut

stator. Rotor sendiri dapat diartikan sebagai roda turbin sedangkan stator dapat

diartikan sebagai rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakan

beban seperti generator listrik, pompa dan lain sebagainya.

Gambar 2.2. Turbin gas

3

2.3. Prinsip Kerja Turbin gas

Turbin gas termasuk dalam mesin pembakaran dalam. Artinya proses

pembakarannya berada didalam mesin itu sendiri.

Gambar 2.3. Mesin Pembakaran Dalam

Dilihat dari gambar 2.3. Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran

masuk udara (inlet) proses ini disebut dengan proses hisap. Kompresor berfungsi

untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, akibatnya temperatur

udara juga meningkat, proses ini dinamakan dengan proses kompresi kompresi.

Kemudian udara yang telah dikompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam

ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan

menyebabkan proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam

keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk

menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas

melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-

sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk

memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator

listrik dan lain sebagainya. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang

keluar melalui saluran buang (exhaust).

4

Karena prinsip dasar kerja turbin gas yang berlangsung kontinyu, maka

semua proses yang ada baik itu hisap, kompresi, pembakaraan dan buang

semuanya berlangsung secara bersamaan.

Berdasarkan uraian tersebut maka dapat disimpulkan bahwa secara umum

prinsip kerja dari turbin gas adalah sebagai beikut :

1. Pemampatan (compression) artinya udara dihisap dan dimampatkan

2. Pembakaran (combustion) artinya bahan bakar dicampurkan kedalam ruang

bakar dengan udara kemudian dibakar

3. Pemuaian (expansion) artinya gas hasil pembakaran memuai dan mengalir

keluar melalui nozel

4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran

pembuangan

Akan tetapi, didalam suatu proses kerja suatu proses turbin tidak ada

proses yang selalu ideal. Dengan kata lain, suatu proses tetap akan menimbulkan

kerugian-kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh

turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri.

Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada komponen-komponen sistem turbin

gas. Kerugian-kerugian tersebut timbul karena terjadinya :

1. Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan

(pressure losses) di ruang bakar

2. Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompressi yang menyebabkan

terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

3. Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur

dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.

4. Adanya mechanical losses, dan lain sebagainya

Kerugian-kerugian tersebut dapat dikurangi dengan cara melakukan

perawatan yang teratur atau dengan memodifikasi peralatan yang ada.

2.4. Komponen Turbin Gas

Turbin gas tersusun atas komponen-komponen utama dan juga komponen-

komponen pendukung. Komponen utama merupakan kompenen yang harus ada

dalam konstruksi turbin gas. Komponen-komponen utama tersebut meliputi air

5

intlet section, compressor section, combustion section, turbin section, dan exhaust

section. Sedangkan komponen pendukung merupakan komponen yang

keberadannya mampu mendukung komponen utama dalam konstruksi turbin

gas.komponen pendukung tersebut seperti starting equipment, lube-oil system,

cooling system, dan lain sebagainya yang mampu mendukung turbin gas dalam

mengkonversi energi. Untuk penjelasan dari masing-masing komponen tersebut

adalah sebagai berikut :

1. Komponen utama turbin gas

a) Air inlet section Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa

dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari :

Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana didalamnya

terdapat peralatan pembersih udara.

Inertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau partikel

yang terbawa bersama udara masuk.

Pre-Filter, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet

house.

Main Filter, merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian

dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini masuk ke

dalam kompresor aksial.

Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat

memasuki ruang kompresor.

Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur

jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan.

b) Compressor section berfungsi untuk menaikkan tekanan udara yang masuk.

Ada dua jenis compressor yakni compressor radial flow dan compressor

aksial flow.

Tabel a. Perbedaan compressor radaial flow dan aksial flow

Radial flow Axial flow

Keuntu

ngan

-Efisien

-Rasio kompresi

tinggi

-Simple dan tidak mahal

-Relatif ringan bobotnya

6

Kelema

han

-Desain

kompleks

-Mahal

- Kurang efisien

- Frontal Area yang besar

- Rasio Kompresi terbatas

Dari kedua jenis compreesor tersebut yang sering digunakan untuk

komponen utama pada turbin gas adalah compressor aksial flow. Seperti

yang kita ketahui, compressir section berfungsi untuk mengkompresikan

udara dalam hal ini udara yanag berasala dari air inlet section hingga

memiliki tekanan yang tinggi sehingga pada saat terjadi pembakaran dapat

menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang dapat menimbulkan daya

output turbin yang besar. Aksial flow compressoe terdiri dari dua bagian

yaitu :

Compressor Rotor Assembly

Jika dilihat dari namanya maka bagian ini merupakan bagaian

compressor yang berputar. Dengan kata lain, bahwa bagaian ini

merupakan bagian yang berputara pada porosnya. Rotor ini memiliki 17

tingkat sudu yang mengompresikan aliran udara secara aksial dari 1 atm

menjadi 17 kalinya sehingga diperoleh udara yang bertekanan tinggi.

Bagian ini tersusun dari wheels, stubshaft, tie bolt dan sudu-sudu yang

disusun kosentris di sekeliling sumbu rotor.

Gambar 2.4.a Bagian compressor rotor assembly

Compreesor stator assembly

7

Komponencompressor stator merupakan komponen yang tidak bergerak.

Dengan kata lain bagian compressor ini merupkan bagian yang menjadi

rumah dari compressor rotor assembly. Compressor stator asembly terdiri

dari :

o Inlet Casing, merupakan bagian dari casing yang mengarahkan udara

masuk ke inlet bellmouth dan selanjutnya masuk ke inlet guide vane.

o Forward Compressor Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat

empat stage kompresor blade.

o Aft Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat compressor blade

tingkat 5-10.

o Discharge Casing, merupakan bagian casing yang berfungsi sebagai

tempat keluarnya udara yang telah dikompresi. Pada bagian ini

terdapat compressor blade tingkat 11 sampai 17.

Gambar 2.4.b compressor stator assembly

c) Combustion Section

Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan fluida

kerja yang berupa udara bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Hasil

pembakaran ini berupa energi panas yang diubah menjadi energi kinetik

dengan mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces yang juga

berfungsi sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem adalah untuk

8

mensuplai energi panas ke siklus turbin. Sistem pembakaran ini terdiri dari

komponen-komponen berikut yang jumlahnya bervariasi tergantung besar

frame dan penggunaan turbin gas. Gambar 2.4.c menunjukan komponen

yang ada pada combustion section. Komponen-komponen itu adalah :

Combustion Chamber, berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran

antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar yang masuk.

Combustion Liners, terdapat didalam combustion chamber yang

berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.

Fuel Nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam

combustion liner.

Ignitors (Spark Plug), berfungsi untuk memercikkan bunga api ke dalam

combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat

terbakar.

Transition Fieces, berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran

gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas.

Cross Fire Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua

combustion chamber.

Flame Detector, merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi proses

pembakaran terjadi.Combustion chamber yang ada disusun kosentris

mengelilingi aksial flow compressor dan disambungkan dengan keluaran

kompresor udara dari aksial flow compressor yang dialirkan langsung ke

masing-masing chambers. Zona pembakaran pada combustion chamber

ada tiga yaitu:

o Primary Zone, merupakan tempat dimana bahan bakar berdifusi

dengan udara kompresor untuk membentuk campuran udara bahan

bakar yang siap dibakar.

o Secondary Zone, adalah zona penyempurnaan pembakaran sebagai

kelanjutan pembakaran pada primary zone.

o Dilution Zone, merupakan zona untuk mereduksi temperatur gas hasil

pembakaran pada keadaan yang diinginkan pada saat masuk ke first

stage nozzles.

9

Gambar 2.4.c Combustion Section

d) Turbin Section

Pada bagian ini terjadi proses konversi energi kinetik menjadi energi

mekanik yang digunakan sebagai penggerak kompresor aksial dan

perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60 %

digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan

untuk kerja yang dibutuhkan.Komponen-komponen pada turbin sesction

dapat dilihat pada gambar 2.4.d

Gambar 2.4.d Turbin Section

Sedangkan menurut dimas dalam makalah sistem turbin gas pada sistem

PLTGU komponen dari turbin section adalah sebagai berikut :

Turbin Rotor Case

First Stage Nozzle, yang berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first

stage turbine wheel.

10

First Stage Turbine Wheel, berfungsi untuk mengkonversikan energi

kinetik dari aliran udara yang berkecepatan tinggi menjadi energi

mekanik berupa putaran rotor.

Second Stage Nozzle dan Diafragma, berfungsi untuk mengatur aliran

gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi

untuk memisahkan kedua turbin wheel.

Second Stage Turbine, berfungsi untuk memanfaatkan energi kinetik

yang masih cukup besar dari first stage turbine untuk menghasilkan

kecepatan putar rotor yang lebih besar.

e) Exhaust Section

Bagian ini merupakan bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai

saluran pembuangan gas panas atau gas sisa yang keluar dari turbin gas.

Exhaust gas keluar dari turbin gas melalui exhaust diffuser pada exhaust

frame assembly, lalu mengalir ke exhaust plenum dan kemudian didifusikan

dan dibuang ke atmosfir melalui exhaust stack, sebelum dibuang ke atmosfir

gas panas sisa tersebut diukur dengan exhaust thermocouple dimana hasil

pengukuran ini digunakan juga untuk data pengontrolan temperatur dan

proteksi temperatur trip. Pada exhaust area terdapat 18 buah termokopel

yaitu, 12 buah untuk temperatur kontrol dan 6 buah untuk temperatur trip.

Gambar 2.4.e Exhaust Section

2. Komponen Pendukung Turbin Gas

11

Komponen-komponen ini akan membantu proses pada turbin gas. Akan tetapi

jika dalam turbin gas tidak terdapat peralatan ini juga turbin tersebut masih

dapat bekerja namun proses kerja turbin menjadi tidak maksimal. Komponen-

komponen pendukung turbin gas ini dapat dilihat pada gambar 2.4.f.

Gambar 2.4.f Komponen Pendukung

a) Starting Equipment

Komponen pendukung ini memiliki fungsi untuk melakukan start up

sebelum turbin bekerja. Jenis-jenis starting equipment yang digunakan di

unit-unit turbin gas pada umumnya adalah :

Diesel Engine, (PG –9001A/B)

Induction Motor, (PG-9001C/H dan KGT 4X01, 4X02 dan 4X03)

Gas Expansion Turbine (Starting Turbine)

b) Coupling dan Accessory Gear

Fungsi dari komponen ini adalah untuk memindahkan daya dan putaran dari

poros yang bergerak ke poros yang akan digerakkan. Ada tiga jenis coupling

yang digunakan, yaitu:

Jaw Cluth, menghubungkan starting turbine dengan accessory gear dan

HP turbin rotor.

12

Accessory Gear Coupling, menghubungkan accessory gear dengan HP

turbin rotor.

Load Coupling, menghubungkan LP turbin rotor dengan kompressor

beban.

c) Fuel System

Pada proses turbin gas membutuhkan bahan bakar. Bahan bakar yang

digunakan berasal dari fuel gas system dengan tekanan sekitar 15 kg/cm2.

Fuel gas yang digunakan sebagai bahan bakar harus bebas dari cairan

kondensat dan partikel-partikel padat. Untuk mendapatkan kondisi tersebut

diatas maka sistem ini dilengkapi dengan knock out drum yang berfungsi

untuk memisahkan cairan-cairan yang masih terdapat pada fuel gas.

d) Lube Oil System

Lube oil system berfungsi untuk melakukan pelumasan secara kontinu pada

setiap komponen sistem turbin gas. Lube oil disirkulasikan pada bagian-

bagian utama turbin gas dan trush bearing juga untuk accessory gear dan

yang lainnya. Lube oil system terdiri dari:

Oil Tank (Lube Oil Reservoir)

Oil Quantity

Pompa

Filter System

Valving System

Piping System

Instrumen untuk oil

Pada turbin gas terdapat tiga buah pompa yang digunakan untuk mensuplai

lube oil guna keperluan lubrikasi, yaitu:

o Main Lube Oil Pump, merupakan pompa utama yang digerakkan oleh HP

shaft pada gear box yang mengatur tekanan discharge lube oil.

o Auxilary Lube Oil Pump, merupakan pompa lube oil yang digerakkan

oleh tenaga listrik, beroperasi apabila tekanan dari main pump turun.

o Emergency Lube Oil Pump, merupakan pomp yang beroperasi jika kedua

pompa diatas tidak mampu menyediakan lube oil.

13

e) Cooling System.

Sistem pendingin yang digunakan pada turbin gas adalah air dan udara.

Udara dipakai untuk mendinginkan berbagai komponen pada section dan

bearing. Komponen-komponen utama dari cooling system adalah :

Off base Water Cooling Unit

Lube Oil Cooler

Main Cooling Water Pump

Temperatur Regulation Valve

Auxilary Water Pump

Low Cooling Water Pressure Swicha

Dari penjelasan-penjelasan mengenai komponen-komponen turbin gas baik

komponen utama maupun komponen pendukung maka dapat disimpulkan bahwa

untuk memperoleh kinerja turbin gas yang maksimal maka tidak hanya

menggunakan komponen utamanya saja akan tetapi juga membutuhkan komponen

pendukung turbin gas.

2.5. Klasifikasi Turbin Gas

Seiring dengan perkembangan teknologi, turbin gas juga turut

berkembang. Banyak macam-macam konstruksi turbin gas. Sehingga turbin gas

dapat diklasifikasian. Pengklasifikasian turbin gas dapat dilihat dari konstruksi

poros maupun dari siklus turbin gas itu sendiri. Pengklasifikasian ini merupakan

pengklasifikasian turbin gas standart yang belum dimodifikasi. Berikut

merupakan klasifikasi turbin gas :

1. Klasifikkasi turbin gas berdasarkan siklus kerjanya :

a) Siklus terbuka

Gas hasil pembakaran setelah ekspansi pada turbin langsung dibuang ke

udara bebas. Instalasi turbin gas dengan siklus ini memiliki struktur yang

sederhana, yaitu terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan turbin sebagai

penggerak beban dan kompresor. Struktur dan susunan dari instalasi turbin

gas dengan siklus terbuka dapat dilihat pada gambar 2.5.a.

14

Gambar 2.5.a Siklus Terbuka

b) Siklus Tertutup

Seperti halnya pada turbin uap, turbin gas dapat pula dirancang dengan

siklus tertutup yaitu fluida kerjanya tidak berhubungan dengan atmosfer

sekitarnya. Dengan demikian dapat dijaga kemurniannya. Hal ini sangat

menguntungkan dari segi pencegahan kerusakan yang disebabkan oleh erosi

dan korosi. Pemilihan fluida kerjanya dapat disesuaikan dengan persyaratan

yang diminta. Salah satu hal yang penting adalah bahwa pada system ini

dapat digunakan tekanan tinggi (sampai 40 atm) seperti pada turbin uap,

tetapi fluida kerjanya tidak mengalami perubahan fasa. Skema instalasi

turbin gas siklus tertutup dapat dilihat pada gambar 2.5.b

Gambar 2.5.b Siklus Terbuka

15

Dari pengklasifikasian turbin gas berdasarkan siklus kerjanya tersebut memiliki

beberapa perbedaan. Perbedaan tersebut dapat dilihat pada tabel b.

Tabel b. Perbandingan turbin gas siklus terbuka dengan siklus tertutup

No Turbin Gas Siklus Terbuka Turbin Gas Siklus Tertutup

1 Udara tekan dipanaskan diruang

bakar. Produk pembakaran

bercampur dengan udara panas

Udara tekan dipanaskan diruang

bakar. Karena gas dipanaskan oleh

sumber eksternal, jumlah gas tetap

sama

2 Gas dari turbin dibuang ke

atmosfir

Gas dari turbin diteruskan ke

ruang pendinginan.

3 Fluida kerja diganti secara

kontinyu

Fluida kerja bersirkulasi secara

kontinyu.

4 Hanya udara yang bisa

digunakan sebagai fluida kerja.

Fluida jenis apa saja dengan sifat

thermodinamika yang baik bisa

digunakan

5 Sudu turbin cepat aus, karena

udara dari atmosfir

terkontaminasi ketika melewati

ruang bakar.

Sudu turbin tidak cepat aus, karena

gas tidak terkontaminasi ketika

melewati ruang bakar

6 Karena udara dari turbin dibuang

ke atmosfir, cocok digunakan

untuk kendaraan yang bergerak.

Karena udara didinginkan dengan

sirkulasi air, cocok digunakan untuk

jenis instalasi stasioner atau di kapal.

7 Biaya perawatan rendah Biaya perawatan tinggi

8 Berat instalasi perdaya (HP)

lebih kecil.

Berat instalasi perdaya (HP) lebih

besar.

Dari perbandingan tersebut maka dapat disimpulkan bahwa penggunaan turbin

gas dengan siklus terbuka maupun dengan siklus tertutup bergantung untuk apa

turbin gas tersebut digunakan. Apakah turbin gas digunakan untuk peralatan yang

membutuhkan daya yang tinggi atau tidak, apakah turbin gas digunakan untuk

bidang aviasi atau industri dan lain sebagainya.

16

2. Klasifikasi turbin gas berdasarkan konstruksi porosnya

Pengklasifikasian ini didasarkan pada konstruksi poros yang berada pada turbin

gas. Berikut merupakan pengklasifikasiannya :

a) Turbin gas poros tunggal (single shaft)

Turbin gas ini digunakan untuk menggerakan generator listrik pada

perusahaan listrik maupun industri yang memerlukan energi listrik. Gambar

dari turbin gas poros tunggal dapat dilihat pada gambar 2.5.c.

Gambar 2.5.c Turbin Gas Poros Tunggal

Turbin gas poros tunggal ini menghubungkan antara kompresor, turbin, dan

beban. Untuk lebih jelas dalam memahaminya dapat dilihat pada gambar

skema turbin gas poros tunggal sebagai berikut.

Gambar 2.5.d. Skema Turbin Gas Poros Tunggal

b) Turbin gas poros ganda (double shaft)

Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan

tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk

menggerakkan beban yang berubah seperti kompresor pada unit proses.

Turbin dengan tekanan tinggi berfungsi menggerakkan kompresor,

mensuplai gas panas untuk turbin bertekanan rendah. Turbin tekanan rendah

untuk memutar generator listrik. Turbin multi shaft ini juga digunakan untuk

sentral listrik dan industri. Turbin ini direncanakan beroperasi pada putaran

17

yang berbeda tanpa menggunakan reduction gear. Berikut merupakan

gambar dan skema dari turbin gas poros ganda.

Gambar 2.5.e. Turbin Gas Poros Ganda

Gambar 2.5.f. Skema Turbin Gas Poros Ganda

Dari gambar tersebut maka dapat disimpulkan bahwa sistem turbin gas

dengan dua poros ini mempunyai dua unit turbin gas set yang terpisah, yaitu

turbin gas penggerak kompresor dan turbin gas yang menghasilkan daya

serta menggerakkan beban. Jadi, poros pertama menghubungkan turbin

pembangkit gas dengan poros yang lainnya.

2.6. Siklus Thermodinamika Turbin Gas

Siklus-siklus turbin gas ini merupakan siklus thermodinamikanya. Secara umum

siklus-siklus ini terbagi menjadi 3, yaitu :

a) Siklus ericson

Merupakan siklus mesin kalor yang dapat balik (reversible) yang terdiri dari

dua proses isotermis dapat balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik

dapat balik (reversible isobaric). Proses perpindahan panas pada proses

18

isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana

effisiensi termalnya adalah :

ηth = 1 – T1/Th,

dimana

ηth = efisensi thermal

T1 = temperatur buang

Th = temperatur panas.

b) Siklus stirling

Merupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses

isotermis dapat balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik).

Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson.

c) Siklus brayton

Sikus ini merupakan siklus yang sering digunakan dalam turbin gas. Karena

siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas,

sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin

turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus

Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses

pelepasan panas pada tekanan konstan. Diagram siklus brayton dapat dilihat

pada gambar 2.6.a. Sedangkan untuk siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses

dapat dianalisa secara berikut :

Gambar 2.6.a Siklus Brayton

Dari gambar tersebut dapat dilihat untuk setiap proses dari siklus brayton ini.

Hasil analisa tiap-tiap keadaan proses tersebut adalah sebagai berikut :

Proses 1→2 (kompresi isentropik)

19

Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor :

Wc = ma (h2 – h1)

Proses 2→3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan.

Jumlah kalor yang dihasilkan :

Qa = (ma + mf) (h3 – h2)

Proses 3→4, ekspansi isentropik didalam turbin.

Daya yang dibutuhkan turbin :

WT = (ma + mf) (h3 – h4)

Proses 4→1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara.

Jumlah kalor yang dilepas:

QR = (ma + mf) (h4 – h1)

Untuk efisiensi thermalnya dapat dihitung sebagai berikut :

Efisiensi termal (ηth) didefinisikan sebagai :

ηth= keja keluar

energidiperlukan= w

qms=

qms−q kl

q ms=1−

qkl

qms

Dimana (lihat diagram T-S)

w = kerja spesifik keluar

qms = energi (kalor) masuk

qkl = energi (kalor) keluar

untuk proses tekanan konstan (isobar) antara titik 2 ke 3 yang merupakan

proses pembakaran di ruang bakar :

qms=c p(T 3−T 2)

untuk proses tekanan konstan (isobar) antara titik 4 ke 1 yang merupakan

proses pembuangan kalor :

qkl=c p(T 4−T 1)

2.7. Modifikasi Turbin Gas

Proses pada turbin gas tidak selamnya ideal. Hal tersebut dapat

menyebabkan penurunan daya atau penurunan kinerja dari turbin itu sendiri. Salah

satu penanganan untuk tetap menjaga kinerja dari turbin gas dapat dilakukan

dengan salah satu caranya yaitu memodifikasi turbin gas sederhana. Proses

modifikasi ini terkonsentrasi pada tiga bidang sebagai beikut :

20

a) Turbin gas dengan regenerator (Siklus brayton/ siklus thermodinamika ideal)

Gas keluar turbin masih mempunyai temperatur tinggi sehingga tidak baik

apabila dibuang ke udara atmosfer, gas buang seperti ini perlu dimanfaatkan.

Udara sebelum masuk ke ruang bakar (CC) dipanaskan terlebih dahulu dengan

memanfaatkan kalor yang terkandung dalam gas buang yang bertujuan untuk

menurunkan kebutuhan kalor dalam ruang bakar serta peningkatan efisiensi.

apabila pertukaran kalor dalam regenerator berjalan ideal maka temperatur

udara keluar regenerator adalah T4, tetapi aktualnya adalah T5 yang lebih kecil

dari T4. Untuk diagramnya dapat dilihat pada gambar 2.7.b

Gambar 2.7.a Turbin gas dengan regenerator

Gambar 2.7.b Diagram T-S Turbin gas dengan regenerator

21

Efektifitas Generator :

ε=qreg ,a

qreg ,max=

h3−h2

h4−h2

Efisiensi siklus :

ηt=1−(T1

T3 )r p

( k−1)k

Didapatkan efisiensi termal yang lebih tinggi untuk (T1/T3) yang lebih

kecil pada suatu rasio tekanan tertentu. Hanya regenerator dengan efektivitas

yang tinggi yang akan menaikkan ηt , karena regenerator dengan ε tinggi

(ukuran besar) menimbulkan rugi tekanan besar dan butuh investasi tinggi

sehingga penggunaan regenerator tidak selalu ekonomis kecuali terjadi

penghematan bahan bakar yang signifikan.

b) Turbin gas dengan intercooling/pendingin antara (siklus thermodinamika

brayton/ ideal)

LPC (low pressure compressor) menaikkan tekanan dari p1 ke p2 (juga

temperatur dari T1 ke T2) dan kemudian udara melepas kalor dalam intercooler

(temperatur turun), udara masuk ke HPC (high pressure compressor) untuk

menjalani kompresi lebih lanjut. Intercooling membuat kerja total yang

dibutuhkan untuk menaikkan tekanan p1 ke p4 menjadi lebih kecil

dibandingkan apabila hanya dengan 1 tingkat kompresor akan menaikkan

kerja netto turbin gas.

Tekanan p2 = p3 optimum : p2=√ p1 . p4

intercooling akan meningkatkan back work ratio, tetapi karena intercooling

menurunkan temperatur rata-rata proses penambahan kalor menjadi tidak

berarti selalu menaikkan efisiensi termal. Semakin banyak tingkat kompresi

maka efisiensinya akan mendekati efisiensi siklus Carnot, tetapi karena efek

penambahan tingkat semakin sedikit dengan semakin banyak tingkat, secara

ekonomis paling banyak 3 tingkat. untuk gambar turbin gas modifikasi dengan

intercooling dapat dilihat pada gambar 2.7.c

22

Gambar 2.7.c Turbin gas dengan intercooling

Gambar 2.7.d Diagram T-S turbin gas dengan intercooling

Proses 1-2 menunjukkan pemanasan udara di ruang pemanas pada

tekanan konstan.

Proses 2-3 memperlihatkan ekspansi isentropik udara pada turbin.

Proses 3-4 adalah pendinginan udara di ruang pendingin pada tekanan

konstan. Proses 4-5 adalah kompresi udara di LP kompresor.

Proses 5-6 adalah pendinginan udara pada intercooler pada tekanan

konstan.

Proses 6-1 adalah kompresi udara pada HP kompresor.

Kerja yang dilakukan turbin per kg udara:

Wt=Cp (T 2−T 3 ) …………(i)

Dan kerja yang dilakukan kompresor per kg udara :

Wc=Cp [ (T 1−T 6 )+(T 5−T 4 ) ]……….(ii)

23

Kerja netto yang tersedia :

W = Wt – Wc

Untuk pendinginan yang sempurna, tekanan antara bisa dicari dengan

persamaan:

p6 = p5 = √ (p1 x p4)= √ (p2 x p3)

Pada akhir proses kompresi pada kompresor, terjadi kenaikan temperatur

dari fluida gas. Dari perumusan termodinamika didapat bahwa kenaikan

temperatur sebanding dengan rasio tekanannya. Adapun persamaannya sebagai

berikut :

Tb/Ti = (Pd/Pi) (n-1)/n

Tb = Ti (Pd/Pi) (n-1)/n

Dimana

Tb = temperatur akhir kompresi

Ti = temperatur awal kompresi

pd = tekanan akhir kompresi

pi = tekanan hisap kompresi

n = faktor politropie ( n=1 ~n = 1,4)

dan persamaan kerja dari kompresor adalah

Wkompresor = Ri Ts n/(n-1)[(Tb/Ti)-1]

dan untuk kerja pada kondisi isotermal, persamaannya adalah

Wkompresor = Ri Ts ln(Pb/Pi)

Dari perumusan temperatur dan kerja menunjukkan bahwa dengan

kenaikan rasio tekanan akan menaikkan temperatur akhir dari kompresi, hal ini

juga berarti kerja yang dibutuhkan kompresor naik. Kenaikan kerja kerja

kompresor sangat tidak menguntungkan, karena kerja kompresor adalah

negatif. Apabila kondisi ini diaplikasikan pada kompresor turbin gas pada rasio

tekanan tinggi, maka akan banyak mengurangi daya dari turbin gas, hal ini

akan menurunkan efisiensi secara keseluruhan. Untuk mengatasi hal tersebut di

atas, proses kompresi dibuat bertingkat dan dengan pendinginan sela

( intercooler) pada setiap tingkat kompresi. Dengan metode ini akan

menggunakan kompresor yang jumlahnya sama dengan jumlah tingkat

24

kompresi, dan jumlah intercooler yang dipasang adalah jumlah kompresor

dikurangi satu.

Dengan pemasangan intercooler suhu dari proses kompresi tingkat

sebelumnya didinginkan kembali ke temperatur awal. Dengan keadaan tersebut

kerja kompresor yang kedua adalah sama dengan kerja kompresor sebelumnya,

dengan rasio tekanan yang sama.

c) Turbin gas dengan reheater/pemanasan ulang (siklus thermodinamika

brayton/ideal)

reheating akan meningkatkan kerja yang dihasilkan turbin dengan tanpa

menaikkan temperature masuk turbin. reheater memanaskan gas keluar HPT

(high pressure turbine) pada tekanan konstan sebelum masuk ke LPT (low

pressure turbine) diusahakan temperatur masuk HPT = masuk LPT

Tekanan P4 = P5 optimum : p4=√ p3 p6

seperti halnya intercooling, reheating juga meningkatkan back work ratio;

tetapi karena reheating menaikkan temperatur rata-rata proses pembuangan

kalor tidak berarti selalu menaikkan efisiensi termal. dengan alasan yang sama

dengan intercooling maka jumlah tingkat paling banyak adalah 3. Untuk

gambar dari turbin gas dengan reheating dapat dilihat pada gambar 2.7.e di

bawah ini.

Gambar 2.7.e Turbin gas dengan reheater

25

Gambar 2.7.f Diagram T-S turbin gas dengan reheater

d) Turbin gas dengan rehaeater, intercooling dan regenerator

Modifikasi- modifikasi yang sebelumnya sudah dijelaskan sudah mampu

meningkatkan efisensi thermal. Dari modifikasi- modifikasi tersebut juga dapat

dikombinasikan. Kombinasi dari reheat, dan intercooling dengan regenerasi

menghasilkan peningkatan efisiensi thermal yang besar. Dengan jumlah

reheater dan intercooler yang tak hingga, siklus ini akan memiliki efisiensi

seperti Carnot karena proses perpindahan panasnya menjadi isothermal. Untuk

gambar turbin gas dengan modifikasi kombinasi reheater, intercooling dan

regenerator dapat dilihat pada gambar 2.7.g

Gambar2.7.g turbin gas dengan reheater, intercooling, dan regenerator

26

Gambar 2.7.h diagram T-S turbin gas dengan reheater, intrcooling, dan

regenerator

Efisiensi siklus turbin gas pada awalnya masih sederhana, namun pada

perkembangannya, kini dapat hampir dua kali lipat efisiensi semula dengan

memasang/ melakukan intercooling, regenerasi, dan pemanasan (reheating).

Back work ratio siklus turbin gas meningkat sebagai hasil dari intercooling dan

reheating. Tetapi efisiensitermalnya akan menurun. Intercooling dan reheating

selalu akan menurunkan efisiensi termal kecuali mereka disertai oleh

regenerasi. Hal ini karena intercooling menurunkan suhu rata-rata di mana

panas yang ditambahkan, dan meningkatkan pemanasan suhu rata- rata di mana

panas ditolak. Oleh karena itu, dalam pembangkit listrik gas turbin,

intercooling dan pemanasan selalu digunakan bersama dengan regenerasi.

Modifikasi kombinasi ini, siklus thermodinamikanya menggunakan siklus

thermodinamika brayton.

2.8. Bahan Bakar Turbin Gas

Pada proses kerja turbin gas membutuhkan bahan bakar. Bahan bakar untuk turbin

gas tersebut harus memenuhi persyaratan tertentu sebelum digunakan pada proses

pembakaran. Persyaratan tersebut yaitu bahan bakar mempunyai kadar abu yang

tidak tinggi. Dengan alasan, bahan bakar yang mempunyai kadar abu yang tinggi,

27

pada proses pembakaran dihasilkan gas pembakaran yang mengandung banyak

partikel abu yang keras dan korosif. Gas pembakaran dengan karakteristik

tersebut, akan mengenai dan merusak sudu-sudu turbin pada waktu proses

ekspansi pada temperatur tinggi.

Dengan persyaratan tersebut, bahan bakar yang memenuhi persyaratan

adalah bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar cair dan gas cenderung mempunyai

kadar abu yang rendah jika dibandingkan dengan bahan bakar padat, sehingga

lebih aman digunakan sebagai bahan bakar turbin gas. Bahan bakar yang

digunakan turbin gas pesawat terbang, persyaratan yang haus dipenui adalah lebih

ketat, hal ini karena menyangkut faktor keamanan dan keberhasilan selama turbin

gas beroperasi. Adapun persyaratannya adalah :

Nilai kalor per satuan berat dari bahan bakar harus tinggi. Dengan jumlah

bahan bakar yang sedikit dan ringan dengan tetapi nilai kalornya tinggi sangat

menguntungkan karena mengurangi berat pesawat terbang secara keseluruhan.

Kemampuan menguap (volatility) dari bahan bakar tidak terlalu tinggi, oleh

karena pada harga volatility yang tinggi bahan bakar akan mudah sekali

menguap, terutama pada ketinggian tertentu. Hal ini akan membahayakan

karena bahan bakar menjadi mudah terbakar. Disamping itu, saluran bahan

bakar mudah tersumbat karena uap bahan bakar.

Kemurnian dan kestabilan bahan bakar harus terjamin, yaitu bahan bakar tidak

mudah mengendap, tidak banyak mengandung zatzat seperti air, debu, dan

belerang. Kandungan zat zat tersebut apabila terlalu banyak akan sangat

membahayakan pada proses pembakaran. Khusus untuk belerang, zat ini akan

korosif sekali pada material sudu turbin.

Flash point dan titik nyala tidak terlalu rendah, sehingga penyimpanan lebih

aman.

Gradenya harus tinggi, bahan bakar harus mempunyai kualitas yang bagus,

tidak banyak mengandung unsur-unsur yang merugikan seperti dyes dan

tretaetyl lead.

Dengan karakteristik bahan bakar untuk turbin gas pesawat terbang seperti

yang disebutkan di atas, terlihat bahwa bahan bakar tersebut adalah bermutu

28

tinggi, untuk menjamin faktor keamanan yang tinggi pada operasi turbin gas

selama penerbangan. Kegagalan operasi berakibat sangat fatal yaitu turbin gas

mati, pesawat terbang kehilangan gaya dorong, kondisi ini dapat dipastikan

pesawat terbang akan jatuh. Bahan bakar pesawat yang biasa digunakan adalah

dari jenis gasoline dan kerosene atau campuran keduanya, tentunya sudah

dimurnikan dari unsur-unsur yang merugikan. Sebagai contoh, standar yang

dikeluarkan American Society for Tinting Material Spesification (ASTM) seri D-

1655, yaitu Jet A, Jet A1, Jet B. Notasi A, A, dan B membedakan titik bekunya.

2.9. Proses Pembakaran pada Turbin Gas

Setelah kita mengetahui tentang bahan bakar pada turbin gas selanjutnya

kita akan membahas mengenai proses pembakaran pada turbin gas. Sama halnya

dengan motor bakar, pada turbin gas juga terjadi proses pembakaran. Untuk

mengetahui proses pembakaran pada turbin gas dapat kita lihat pada gambar 2.9.a

dibawah ini.

Gambar 2.9..a Proses pembakaran pada turbin gas

Dari gambar tersebut dapat kita simpulkan bahwa proses pembakaran dari

turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin diesel, yaitu proses

pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara

mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu

udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan

udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer

masuk ruang bakar melewati swirler, sehingga alirannya berputar. Bahan bakar

kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya bertemu,

29

terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses

pencampuran, hal ini menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih

sempurna. Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar

ruang bakar akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona

sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer.

Disamping untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder,

udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus

didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi

yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara pendinginan udara

sekunder, temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang

diijinkan. Pada gambar di atas, terlihat zona terakhir adalah zona pencampuran

(dillute zone), adalah zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi

dengan sebagian udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu

adalah mendinginkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi

temperatur yang aman apabila mengenai sudu-sudu turbin ketika gas pembakaran

berekspansi. Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah massa dari gas

pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi

potensial gas pembakaran juga bertambah. Apabila Wkinetik adalah energi kinetik

gas pembakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder

adalah m1 maka energi kinetiknya adalah sebagai berikut :

w kinetik 1=m1 x v2

2

Dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energy kinetic

menjadi :

w kinetik 2=(m1+m2) x v2

2

Jadi, dapat dilihat Wkinetik,2 ( dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1

(tanpa udara sekunder).

Proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara yang berlebih,

biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran dengan

jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara

30

pembakaran terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan

proses pembakaran dan mati, karena panas banyak terbuang ke luar melalui gas

bekas yang bercampur udara dingin sekunder. Dengan pemikiran yang sama,

apabila jumlah udara kurang dari normal, yaitu terjadi overheating, material ruang

bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melampaui kekuatannya dan ruang bakar

dapat pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti bekerja atau proses pembakaran

terhenti.

2.10.Aplikasi Turbin Gas

Pada era sekarang ini turbin gas sudah banyak digunakan. Turbin gas di

aplikasikan pada dua bidang, yakni pada bidang aviasi dan bidang industri. Untuk

penjelasan dari pengaplikasiannya adalah sebgai berikut :

1. Pada bidang aviasi

Turbin gas pada bidang aviasi digunakan sebagai mesin yang

menghasilkan daya dorong pada pesawat terbang ( Aeroderivatif). Turbin gas

dinilai sangat cocok sebagai motor propulsi pesawat terbang karena memiliki

bobot yang ringan dimensi yang ringkas,sehingga tidak memerlukan banyak

ruangan, serta mampu menghasilkan daya yang besar. hal ini menjadi penting

karena adanya kecenderungan terbang pada kecepatan tinggi serta jarak jelajah

yang panjang dan muatan yang bertambah berat. Gambar dari turbin gas yang

digunakan pada bidang aviasi dapat dilihat sebagai berikut.

Gambar 2.10.a Turbin gas pesawat terbang

31

Gambar 2.10.b Pengaplikasian turbin gas pada pesawat terbang

2. Pada bidang industri (sebagai pembangkit listrik)

Turbin gas pada bidang industri digunakan untuk mrnggrakan berbagai

macam peralatan didalam industri seperti, pompa, generator dan lain

sebagainya. Berikut merupakan gambar dari turbin gas yang ada didalam

inustri.

Gamba 2.10.c Turbin gas untuk industri

32

Turbin gas dalam bidang industri tidak hanya digunakan untuk

menggerakan peralatan-peralatan yang didalam industri saja namun juga

mampu diaplikasian sebagai pembangkit listrik tenaga gas. Berikut merupakan

gambar beserta penjelasan pembangkit listrik tenaga gas.

Gambar 2.10.d Pembangkit Listrik Tenaga Gas

Gambar 2.10.e Prinsip kerja pembangkit listrk tenaga gas

Gambar 2.10.e menunjukkan prinsip kerja PLTG. Udara masuk ke

kompresor untuk dinaikkan tekanannya, kemudian udara tersebut dialirkan ke

ruang bakar. Dalam ruang bakar, udara bertekanan ini dicampur dengan bahan

bakar dan dibakar. Apabila digunakan bahan bakar gas (BBG), maka gas dapat

langsung dicampur dengan udara untuk dibakar, tetapi apabila digunakan

bahan bakar minyak (BBM), maka BBM ini harus dijadikan kabut terlebih

33

dahulu kemudian baru dicampur dengan udara untuk dibakar. Teknik

mencampur bahan bakar dengan udara dalam ruang bakar sangat

mempengaruhi efisiensi pembakaran. Pembakaran bahan bakar dalam ruang

bakar menghasilkan gas bersuhu tinggi. Gas hasil pembakaran ini kemudian

dialirkan menuju turbin untuk disemprotkan kepada sudu-sudu turbin sehingga

energi (enthalpy) gas ini dikonversikan menjadi energi mekanik dalam turbin

penggerak generator (dan kompresor udara) dan akhirnya generator

menghasilkan tenaga listrik.

2.11.Prosedur Pengoperasian Turbin Gas

Dalam pengoperasian turbin gas harus mematuhi prosedur-prosedur

pengoperasian yang ada. Selain untuk menjaga keselamatan, mematuhi prosedur

pengoperasian turbin gas juga dapat meningkatkan efisiensi kerja dan keawetan

turbin itu sendiri. Berikut merupkan contoh prosedur pengoperasian tubin gas

pada Pembangkit listrik tenaga gas dan uap di Cilegon.

1. Persiapan dan Pelaksanaan, Sebelum Operasi Turbin Gas

Pada tahap ini, pastikan seluruh peralatan bekerja secara normal sebelum turbin

gas dioperasikan, peralatan-peralatan tersebut adalah :

Lube oil system

Control oil system

CCW system

Gen. seal oil/H2-system

Turbine cooling air system

Inlet & exhaust duct

Package ventilation system

Circulating demin water system

Instrument air system

Service air for back up system

HP purge air system

Water injection system

Fuel gas and fuel oil system

CO2 fire fighting

34

2. Persiapan Start

Pastikan kondisi unit turbin gas bekerja normal pada bagian :

a) Mechanical

Pastikan semua pompa, fan, motor, control valve pada posisi remote/auto

control mode.

Pastikan H2 gas system dalam kondisi siap dioperasikan dan tekanan H2

di dalam gas turbine generator normal.

Periksa status operasi CO2 fire fighting system bekerja secara normal.

Pastikan seluruh instalasi pada masing-masing system sudah terpasang

dengan benar sesuai dengan P&ID.

b) Control and instrument

Pastikan semua signal and communications dari local gas turbine system

beserta peralatan bantunya masuk ke control unit.

Semua alarm dan trip interlock system sudah dinormalkan.

Pastikan air instrument system beroperasi dengan normal.

c) Electrical

Pastikan semua MV/LV Switch gear & MCCC dalam kondisi

bertegangan.

Pastikan generator protection relay and inter-trip test antara

generator dengan turbine system bekerja dengan normal.

3. Batasan operasi

Dalam pemakaian suatu alat pasti akan ada batasan operasinya. Hal

tersebut berlaku pula pada turbin gas. Batasan operasi tersebut dimaksudkan

agar turbin gastidak diguakan melebihi batasan-batasan tersebut karena akan

memaksa turbin bekerja lebih yang dapat menyebabkan kerusakan sistem atau

bahkan menimbulkan kecelakaan kerja pada mesin ataupun lingkungan.

Karena hal tersebutlah dibuat batasan operasi pada suatu mesin dalam hal ini

turbin gas. Berikut merupakan contoh batasan operasi pada pembangkit listrik

tenaga gas dan uap di Cilegon.

Tabel c. Batasan opersi PLTGU Cilegon

Speed up rate 135 rpm/min

35

Load change rate 6,7 %/min

Purge period 5 min

Speed incrase rate 135 rpm/min

Over speed setting Mechanical over speed 110 ± 1 % of

rated speed (3270 ~ 3330 rpm)

Tabel d. Vibration limits settings value (peak to peak)

Alarm >125 µm

Trip >200 µm

Tabel e. Lube oil pressure setting

Lube oil supply pressure control 1.5 kg/cm2

Lube oil supply presure alarm <1.08 kg/cm2

Lube oil supply pressure trip <0.88 kg/cm2

Turning interlock <0.41 kg/cm2

Lube oil filter differential pressure

high alarm

>1.0 kg/cm2

Tabel f. Lube oil temperature setting

Lube oil supply temperature control 46 0C

Lube oil supply temperature alarm >60 0C

Journal bearing metal temperature alarm >107 0C

Thrust bearing metal temperature alarm >99 0C

Bearing drain oil temperature alarm >77 0C

Tabel g. Cooling temperature setting

Rotor cooling air alarm >260 0C

No. 2 disc cavity temperature alarm >460 0C

No. 3 disc cavity temperature alarm >460 0C

No.4 disc cavity temperature alarm >460 0C

Down stream of no. 4 turbine disc >410 0C

36

temperature alarm

Gambar 2.11.a. Lokasi PLTGU Cilegon

Gambar 2.11.b Bangunan PLTGU Cilegon

Tabel-tabel diatas merupakan batasan operasi yang ada di pembangkit

listrik tenaga gas dan uap di Cilegon. Batasan operasi turbin gas bisa saja berbeda

ditempat lain.

2.12.Pemasalahan dan Perawatan Turbin Gas

1. Permasalahan pada turbin gas

Secara umum ada beberapa permasalahan yang sering terjadi pada turbin

gas pada umumnya dan yang diterapkan untuk PLTG pada khususnya.

37

Pengoperasian pembangkit LTG dalam waktu yang lama secara terus menerus,

dengan kondisi lingkungan yang berdebu (lingkungan tropis) semakin

mempercepat penurunan kinerja kompresor ditandai dengan menurunnya

tekanan. Kinerja kompresor dapat menerun dikaranakan adanya kontaminan

deposit yang menempel pada kompresor dan inlet guide vane. Semakin tebal

deposit yang menempel semakin menurun unjuk kerja kompresor.

Penurunan kinerja kompresor mengakibatkan penurunan output turbin gas,

yang mana menjadikan kinerja turbin gas mejadi menurun. Dengan

menurunnya kinerja kompresor dan turbin gas sangat mempegaruhi efisiensi

pembangkit. Permasalahan tersebut diatas dapat ditanggulangi lagi dengan

melakukan pembersihan pada kompresor(Compressor C leaning) atau pasir

halus.

2. Perawatan pada turbin gas

Perawatan atau maintenance berfungsi untuk mencegah hal-hal yang tidak

diinginkan seperti kerusakan terlalu cepat terhadap semua peralatan di pabrik,

baik yang sedang beroperasi maupun yang berfungsi sebagai suku cadang.

Kerusakan yang timbul biasanya terjadi karena keausan dan ketuaan akibat

pengoperasian yang terus-menerus, dan juga akibat langkah pengoperasian

yang salah.

Maintenance pada turbine gas selalu tergantung dari faktor-faktor

operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional

turbine gas sangat tergantung dari kondisi daerah operasional. Semua pabrik

pembuat turbine gas telah menetapkan suatu ketetapan yang aman dalam

pengoperasian sehingga turbine selalu dalambatas kondisi aman dan tepat

waktu untuk melakukan maintenance.

Secara umum maintenance dapat dibagi dalam beberapa bagian,

diantaranya adalah:

a) Preventive Maintenance

Suatu kegiatan perawatan yang direncanakan baik itu secara rutin maupun

periodik, karena apabila perawatan dilakukan tepat pada waktunya akan

38

mengurangi down time dari peralatan. Preventive maintenance dibagi

menjadi :

Running Maintenance adalah suatu kegiatan perawatan yang dilakukan

hanya bertujuan untuk memperbaiki equipment yang rusak saja dalam

satu unit. Unit produksi tetap melakukan kegiatan.

Turning Around Maintenance merupakan perawatan terhadap peralatan

yang sengaja dihentikan pengoperasiannya.

b) Repair Maintenance

Perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang tidak kritis, atau disebut

juga peralatan-peralatan yang tidak mengganggu jalannya operasi.

c) Predictive Maintenance

Kegiatan monitor, menguji, dan mengukur peralatan-peralatan yang

beroperasi dengan menentukan perubahan yang terjadi pada bagian utama,

apakah peralatan tersebut berjalan dengan normal atau tidak.

d) Corrective Maintenance

Perawatan yang dilakukan dengan memperbaiki perubahan kecil yang

terjadi dalam disain, serta menambahkan komponen-komponen yang sesuai

dan juga menambahkan material-material yang cocok.

e) Break Down Maintenance

Kegiatan perawatan yang dilakukan setelah terjadi kerusakan atau kelainan

pada peralatan sehingga tidak dapat berfungsi seperti biasanya.

f) Modification Maintenance

Pekerjaan yang berhubungan dengan disain suatu peralatan atau unit.

Modifikasi bertujuan menambah kehandalan peralatan atau menambah

tingkat produksi dan kualitas pekerjaan.

g) Shut Down Maintenance

Kegiatan perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang sengaja

dihentikan pengoperasiannya.

2.13.Efisiensi Turbin Gas

Pada dasarnya, urutan proses kerja turbin gas adalah sebagai berikut :

39

Gambar 2.13.a Diagram p-v dan t-s

Urtutan proses kerja turbin gas :

1-2 Proses kerja adiabatis udara pada kompresor, tekanan udara naik [A]

2-3 Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bahan pada tekanan

konstant, dihasilkan panas pada ruang bakar [B]

3-4 Proses ekspansi adiabatis gas pembakaran pada turbin dihasilkan kerja

turbin berupa putaran poros dan gaya dorong , tekanan turun [C]

4-1 Proses pembuangan kalor pada tekanan konstant [D]

Dari diagram t-s tersebut dapat dilihat setelah proses kompresi pada

kompresor temperature naik yaitu T2 dari temperature atmosfer T1 dan tekanan

naik dari P1 menjadi P2, temperature dan tekanan ini diperlukan untuk proses

pembakaran. Setelah bahan bakar disemprotkan dan bercampur dengan udara

mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan terjadi proses pembakaran,

temperature naik lagi sampai T3 temperature T3 adalah temperature gas

pembakaran yang akan masuk turbin, temperature ini dibatasi oleh ketahanan

material turbin pada suhu tinggi. Setelah proses ekspansi pada turbin, temperature

gas sisa menjadi turun sampai T4 dan temperature gas sisa ini masih tinggi diatas

temperature T1.

Dari penjelasan diatas maka dapat kita ketahui perhitungan untuk efisiensi

tubin gas. Efisensi turbin gas tersebut dapat dihitung dengan cara sebagai berikut :

Pemasukan panas berlangsung pada tekanan konstant :

qmasuk=m. c p(T3−T2)

40

Pengeluaran panas juga pada tekanan konstant :

qkeluar=m . c p(T 4−T 1)

Sehingga kerja berguna dapat dirumuskan sebagai berikut :

W berguna=qmasuk−qkeluar=m .cp (T 3−T 2 )−m . cp(T4−T 1)

Dari uraian tersebut sudah dapat dihitung efisiensinya. Efisiensi sendiri diartikan

sebagai perbandingan antara kerja berguna dengan energi kalor yang masuk,

dirumuskan sebagai berikut :

η=W berguna

qmasuk=

qmasuk−qkeluar

qmasuk.100 %

dimana :

Cp (kapasitas panas udara) = 1.0035 Kj/kg.K

η = efisesnsi termal

2.14.Soal-soal

1. Soal Pilihan Ganda

1) Berikut ini yang merupakan bagian-bagian utama dari turbin gas, kecuali ....

A. Air Inlet Section

B. Fuel System Section

C. Compressor Section

D. Combustion Section

E. Turbin Section

2) Berikut ini merupakan proses turbin gas.

(a)Compression

(b)Combuston

(c)Exhaust

(d)Expansion

Urutan dari proses turbin gas yang benar adalah ....

A. (a), (b), (c), (d)

B. (d), (a), (b), (c)

C. (a), (b), (d), (c)

D. (d), (b), (a), (c)

E. (a), (d), (b), (c)

41

3) Turbin gas yang memiliki turbin bertekanan tinggi dan rendah merupakan

pengertian dari tubin gas ....

A. Siklus terbuka

B. Siklus tertutup

C. Poros tunggal

D. Poros ganda

E. Kombinasi

4) Pada saat terjadi pembakaran pada turbin gas, terjadi proses termodinamika

berupa?

A. Isobarik

B. Isokorik

C. Isotermis

D. Exspansi

E. Adiabatis

5) Dibawah ini merupakan pengaruh yang harus dipertimbangkan dikarenakan

merubah proses ideal dari tubin gas, kecuali?

A. Kerugian tekanan selama penambahan dan pembuangan panas yang

menyebabkan garis tekanan konstan menurun.

B. Inefensiensi kompresi dan Ekspansi menyebabkan garis isentropis

berbelok ke kanan.

C. Udara yang keluar dari kompresor tekanan rendah didinginkan melalui

intercooler pada tekanan konstan.

D. Variabel laju aliran massa, aliran pendingin mesin, dan lain-lain.

E. Inefesiensi pembakaran, pembakaran yang kurang sempurna dari bahan

bakar akan mengurangi panas yang dibebaskan.

2. Soal uraian

1) Sebutkan sebab kerugian yang dapat menyebabkan turunya daya system

turbin gas?

Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan

(pressure losses) di ruang bakar.

42

Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan

terjadinya gesekan antara bantalan turbindengan angin.

Adanya mechanical loss.

2) Jelaskan salah satu cara untuk meningkatkan efisensi turbin gas!

Salah satu cara yang bisa dilakukan untuk meningkatkan efisensi turbin

adalah dengan cara memodifikasi turbn tersebut. Miasalnya saja dengan

memberikan system tambahan seperti intercooler, reheater, maupun

regenerator.

3) Gambarkan diagram p-v dan t-s dari tubin gas sederhana serta jelaskan urutan

prosesnya!

Urutan proses kerja turbin gas :

1-2 Proses kerja adiabatis udara pada kompresor, tekanan udara naik

[A]

2-3 Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bahan pada tekanan

konstant, dihasilkan panas pada ruang bakar [B]

3-4 Proses ekspansi adiabatis gas pembakaran pada turbin dihasilkan

kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong , tekanan turun

[C]

4-1 Proses pembuangan kalor pada tekanan konstant [D]

BAB III

PENUTUP

43

3.1. Kesimpulan

1. Turbin gas merupakan suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai

fluida kerja. Turbin gas terdiri dari tiga komponen utama, yaitu : kompresor,

ruang bakar, dan turbin

2. Bahan bakar untuk turbin gas harus memenuhi persyaratan tertentu sebelum

digunakan pada proses pembakaran. Persyaratan tersebut yaitu bahan bakar

mempunyai kadar abu yang tidak tinggi.

3. Untuk meningkatkan kinerja dari turbin gas dapat dilakukan dengan

memodifikasi komponen pada turbin.

4. Batasan Operasi sangatlah penting sebagai panduan operator guna

mengoperaiskan turbin gas

5. Maintenance pada turbine gas selalu tergantung dari faktor-faktor operasional

dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional turbine gas

sangat tergantung dari kondisi daerah operasional.

6. Perhitungan efisensi termal pada turbin gas

η=W berguna

qmasuk=

qmasuk−qkeluar

qmasuk. 100 %

3.2. Saran

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam makalah ini,

dikarenakan referensi yang penulis dapat masih minim. Untuk itu penulis

menyarankan untuk pembaca agar apa yang belum ada dalam makalah ini bisa

melengkapinya dengan referensi atau sumber-sumber lain.

44

DAFTAR PUSTAKA

Ambong, arnoldus sabon, dkk. 2013. Makalah Mesin Konversi Energi II.

(Online), (https://petekmesum11.files.wordpress.com/ ) , diunduh tanggal 20

September 2015

Nugroho, Dwi. 2013. Turbin Gas. (Online),

(https://id.scribd.com/doc/124737635/Makalah-Turbin-Gas), diakses

tanggal 20 September 2015

Situmorang, pandedo. 2014. Gas Turbine Engine. (Online),

(http://airframeandpowerplant.blogspot.com/2014_01_01_archive.html),

diakses tanggal 20 september 2015

Suwasono, agus. 2010. Turbin Gas. (Online),

(http://www.agussuwasono.com/artikel/teknologi/mechanical/412-turbin-

gas.html), diakses tanggal 20 september 2015

Utama, dimas yudha satria. 2013. Sistem Turbin Gas pada Sistem PLTGU.

(Online),

(https://www.academia.edu/11999586/MAKALAH_SISTEM_TURBIN_G

AS_PADA_SISTEM_PLTGU) diunduh tanggal 20 september 2015

Wikipedia, Turbin Gas. (Online),(http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_gas ) ,

diakses tanggak 20 September 2015

Yanto, rodhy. 2014. Turbin Gas. (Online),

(http://rondie91.blogspot.com/2014/10/turbin-gas.html), dikases tanggal 20

September 2015

Yanto, rodhy. 2014. Prinsip Kerja Turbin Gas. (Online),

(http://rondie91.blogspot.com/2014/10/microsoftinternetexplorer4-0-

2.html), dikases tanggal 20 September 2015

45