1. Gas turbine
engine adalah suatu alat yang memanfaatkan
gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Didalam
turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan
yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang
paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan
turbin gas.
A.
Prinsip
Kerja Sistem Turbin Gas (Gas Turbine Engine)
Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet).
Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut,
sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk
kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan
cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. 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, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar
melalui saluran buang (exhaust).
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas
adalah sebagai berikut:
1.
Pemampatan (compression)
udara di hisap dan dimampatkan
2.
Pembakaran (combustion) bahan
bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.
3.
Pemuaian (expansion) gas
hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle).
4.
Pembuangan gas (exhaust) gas
hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.
Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap
terjadi kerugiankerugian 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 ketiga komponen sistem turbin
gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:
a. Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian
tekanan (pressure losses) di ruang bakar.
b. Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang
menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
c. Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat
terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida
kerja.
d. Adanya mechanical loss, dsb.
B.
Klasifikasi
Turbin Gas
Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi
poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari:
1. Turbin gas siklus tertutup (Close cycle)
2. Turbin gas siklus terbuka (Open cycle)
Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus
fluida kerja. Pada turbin gas siklus terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya
langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup akhir
ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses awal.
Dalam industri turbin gas umumnya diklasifikasikan dalam dua
jenis yaitu :
a.
Turbin Gas
Poros Tunggal (Single Shaft)
Turbin jenis ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang menghasilkan energi listrik untuk keperluan proses di industri.
Turbin jenis ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang menghasilkan energi listrik untuk keperluan proses di industri.
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 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.
C.
Siklus-Siklus
Turbin Gas
Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu:
1.
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 isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya adalah : hth = 1 – T1/Th, dimana T1 = temperatur buang dan Th = temperatur panas.
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 isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya adalah : hth = 1 – T1/Th, dimana T1 = temperatur buang dan Th = temperatur panas.
2.
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.
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.
3.
Siklus
Brayton
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. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:
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. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:
4.
Proses 1
ke 2 (kompresi isentropik). Kerja
yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 – h1). Proses 2 ke 3,
pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa =
(ma + mf) (h3 – h2). Proses 3 ke 4, ekspansi isentropik didalam turbin.
Daya yang dibutuhkan turbin: WT = (ma + mf) (h3 – h4). Proses 4 ke 1,
pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor yang dilepas: QR =
(ma + mf) (h4 – h1)
D.
Perkembangan
Gas Turbin
Disain pertama turbin gas dibuat oleh John Wilkins seorang
Inggris pada tahun 1791. Sistem tersebut bekerja dengan gas hasil pembakaran
batu bara, kayu atau minyak, kompresornya digerakkan oleh turbin dengan
perantaraan rantai roda gigi. Pada tahun 1872, Dr. F. Stolze merancang sistem
turbin gas yang menggunakan kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan
langsung oleh turbin reaksi tingkat ganda. Tahun 1908, sesuai dengan konsepsi
H. Holzworth, dibuat suatu sistem turbin gas yang mencoba menggunakan proses
pembakaran pada volume konstan. Tetapi usaha tersebut dihentikan karena
terbentur pada masalah konstruksi ruang bakar dan tekanan gas pembakaran yang
berubah sesuai beban. Tahun 1904, “Societe des Turbomoteurs” di Paris
membuat suatu sistem turbin gas yang konstruksinya berdasarkan disain Armengaud
dan Lemate yang menggunakan bahan bakar cair. Temperatur gas pembakaran yang
masuk sekitar 450 C dengan tekanan 45 atm dan kompresornya langsung digerakkan
oleh turbin.
Selanjutnya, pada tahun 1935 sistem turbin gas mengalami
perkembangan yang pesat dimana diperoleh efisiensi sebesar kurang lebih 15%.
Pesawat pancar gas yang pertama diselesaikan oleh “British Thomson Houston
Co” pada tahun 1937 sesuai dengan konsepsi Frank Whittle (tahun 1930).
E.
Komponen Turbin Gas
Turbin gas
tersusun atas komponen-komponen utama seperti air inlet section, compressor
section, combustion section, turbine section, dan exhaust section. Sedangkan
komponen pendukung turbin gas adalah starting equipment, lube-oil system,
cooling system, dan beberapa komponen pendukung lainnya. Berikut ini
penjelasan tentang komponen utama turbn gas:
1.
Air Inlet Section.
Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum
masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari:
a.
Air Inlet Housing,
merupakan tempat udara masuk dimana didalamnya terdapat peralatan pembersih
udara.
b.
Inertia Separator,
berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau partikel yang terbawa bersama udara
masuk.
c.
Pre-Filter,
merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet house.
d.
Main Filter,
merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian dalam inlet house, udara
yang telah melewati penyaring ini masuk ke dalam kompresor aksial.
e.
Inlet Bellmouth,
berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat memasuki ruang kompresor.
f.
Inlet Guide Vane,
merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur jumlah udara yang masuk agar
sesuai dengan yang diperlukan
2.
Compressor Section.
Komponen utama pada bagian ini adalah aksial flow compressor, berfungsi untuk
mengkompresikan udara yang berasal dari inlet air section hingga bertekanan
tinggi sehingga pada saat terjadi pembakaran dapat menghasilkan gas panas
berkecepatan tinggi yang dapat menimbulkan daya output turbin yang besar.
Aksial flow compressor terdiri dari dua bagian yaitu:
a.
Compressor Rotor Assembly. Merupakan
bagian dari kompresor aksial yang berputar 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.
b.
Compressor Stator. Merupakan
bagian dari casing gas turbin yang terdiri dari:
1)
Inlet Casing,
merupakan bagian dari casing yang mengarahkan udara masuk ke inlet bellmouth
dan selanjutnya masuk ke inlet guide vane.
2)
Forward Compressor Casing,
bagian casing yang didalamnya terdapat empat stage kompresor blade.
3)
Aft Casing,
bagian casing yang didalamnya terdapat compressor blade tingkat 5-10.
4)
Discharge Casing,
merupakan bagian casing yang berfungsi sebagai tempat keluarnya udara yang
telah dikompresi.
3.
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 mensuplai energi panas ke siklus
turbin. Sistem pembakaran ini terdiri dari komponen-komponen berikut yang
jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas.
Komponen-komponen itu adalah :
a.
Combustion Chamber,
berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah
dikompresi dengan bahan bakar yang masuk.
b.
Combustion Liners,
terdapat didalam combustion chamber yang berfungsi sebagai tempat
berlangsungnya pembakaran.
c.
Fuel Nozzle,
berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam combustion liner.
d.
Ignitors (Spark Plug),
berfungsi untuk memercikkan bunga api ke dalam combustion chamber sehingga
campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar.
e.
Transition Fieces,
berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran gas panas agar sesuai dengan
ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas.
f.
Cross Fire Tubes,
berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua combustion chamber.
g.
Flame Detector,
merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi proses pembakaran terjadi.
4.
Turbin Section.
Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik menjadi
energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak compresor 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 section adalah sebagai berikut :
Komponen-komponen pada turbin section adalah sebagai berikut :
a.
Turbin Rotor Case
b.
First Stage Nozzle,
yang berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first stage turbine wheel.
c.
First Stage Turbine Wheel,
berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik dari aliran udara yang
berkecepatan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaran rotor.
d.
Second Stage Nozzle
dan Diafragma, berfungsi untuk mengatur
aliran gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi
untuk memisahkan kedua turbin wheel.
e.
Second Stage Turbine,
berfungsi untuk memanfaatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first
stage turbine untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang lebih besar.
5.
Exhaust Section.
Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai saluran
pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas. Exhaust section terdiri
dari beberapa bagian yaitu : (1) Exhaust Frame Assembly, dan (2)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.
Adapun beberapa komponen
penunjang dalam sistem turbin gas adalah sebagai berikut:
1.
Starting Equipment.
Berfungsi untuk melakukan start up sebelum turbin bekerja. Jenis-jenis starting
equipment yang digunakan di unit-unit turbin gas pada umumnya
adalah :
adalah :
a.
Diesel Engine, (PG –9001A/B)
b.
Induction Motor, (PG-9001C/H dan KGT 4X01, 4X02
dan 4X03)
c.
Gas Expansion Turbine (Starting Turbine)
2.
Coupling dan Accessory Gear.
Berfungsi untuk memindahkan daya dan putaran dari poros yang bergerak ke poros
yang akan digerakkan. Ada tiga jenis coupling yang digunakan, yaitu:
a.
Jaw Cluth, menghubungkan starting turbine dengan
accessory gear dan HP turbin rotor.
b.
Accessory Gear Coupling, menghubungkan accessory
gear dengan HP turbin rotor.
c.
Load Coupling, menghubungkan LP turbin rotor
dengan kompressor beban.
3.
Fuel System.
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.
4.
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:
a.
Oil Tank (Lube Oil Reservoir)
b.
Oil Quantity
c.
Pompa
d.
Filter System
e.
Valving System
f.
Piping System
g.
Instrumen untuk oil
Pada turbin gas terdapat tiga
buah pompa yang digunakan untuk mensuplai lube oil guna keperluan lubrikasi,
yaitu:
h.
Main Lube Oil Pump, merupakan pompa utama yang
digerakkan oleh HP shaft pada gear box yang mengatur tekanan discharge lube
oil.
i.
Auxilary Lube Oil Pump, merupakan pompa lube oil
yang digerakkan oleh tenaga listrik, beroperasi apabila tekanan dari main pump
turun.
j.
Emergency Lube Oil Pump, merupakan pompa yang
beroperasi jika kedua pompa diatas tidak mampu menyediakan lube oil.
5.
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:
a.
Off base Water Cooling Unit
b.
Lube Oil Cooler
c.
Main Cooling Water Pump
d.
Temperatur Regulation Valve
e.
Auxilary Water Pump
f.
Low Cooling Water Pressure Swich
F. Maintenance Turbin Gas
Maintenance
adalah perawatan 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 perasional 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:
1.
Preventive Maintenance.
Suatu kegiatan perawatan yang direncanakan baik itu secara rutin maupun
periodik, karena apabila perawatan dilakukan tepat pada waktunya akan
mengurangi down time dari peralatan. Preventive maintenance dibagi menjadi:
a. Running Maintenance. Suatu
kegiatan perawatan yang dilakukan hanya bertujuan untuk memperbaiki equipment
yang rusak saja dalam satu unit. Unit produksi tetap melakukan kegiatan.
b. Turning Around Maintenance.
Perawatan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya.
2.
Repair Maintenance.
Perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang tidak kritis, atau disebut
juga peralatan-peralatan yang tidak mengganggu jalannya operasi.
3.
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.
4.
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.
5.
Break Down Maintenance.
Kegiatan perawatan yang dilakukan setelah terjadi kerusakan atau kelainan pada peralatan
sehingga tidak dapat berfungsi seperti biasanya.
6.
Modification Maintenance.
Pekerjaan yang berhubungan dengan disain suatu peralatan atau unit. Modifikasi
bertujuan menambah kehandalan peralatan atau menambah tingkat produksi dan
kualitas pekerjaan.
7.
Shut Down Maintenance.
Kegiatan perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan
pengoperasiannya.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar