Reaction Ratio Pada Turbin Uap

Turbin uap tersusun atas sudu-sudu turbin yang berfungsi sebagai nozzle. Nozzle-nozzle baik pada sisi stator maupun rotor tersebut bertugas untuk mengubah energi panas uap air menjadi energi kinetik. Sudu turbin pada sisi rotor yang berbentuk nozzle juga berfungsi untuk mengonversikan energi kinetik uap air menjadi energi mekanik putaran rotor. Perubahan energi panas menjadi kinetik selalu diikuti dengan penurunan entalpi secara isentropis. Penurunan entalpi tersebut dapat terjadi pada sisi sudu stator atau rotor tergantung desain yang dipilih.

Reaction Ratio (Rasio Reaksi) atau dikenal juga dengan Degree of Reaction (Derajat Reaksi) adalah sebuah bilangan rasio yang menunjukkan seberapa banyak energi panas diubah menjadi energi kinetik oleh satu bagian sudu rotor pada satu stage. Secara sederhana, Reaction Ratio menjadi bilangan yang menunjukkan tipe sebuah turbin apakah ia turbin impuls, turbin reaksi atau campuran.

Rasio Reaksi (R) = \dfrac {\Delta h_{rotor}}{\Delta h_{stage}}

Dimana ΔHrotor adalah jumlah penurunan entalpi yang dikonversikan menjadi energi kinetik pada sisi sudu rotor, dan ΔHstage adalah jumlah total penurunan entalpi pada satu stage tersebut.

Profil dan Vektor Kecepatan Turbin Impuls dan Reaksi

20110811-111048.jpg

Rasio Reaksi (R) = 0
Pada R = 0 berarti 100% penurunan entalpi akibat berubah menjadi energi kinetik terjadi pada sudu-sudu stator. Proses ini merupakan proses impuls murni yang ditandai dengan tekanan yang konstan pada titik sebelum dan sesudah sudu rotor, aliran uap air hanya mengalami perubahan arah saja. Sudu-sudu rotor merubah arah dari impuls uap air yang diarahkan padanya dan mentransfer torsi yang tinggi kepada poros turbin. Oleh karena itu, turbin tipe ini juga disebut dengan turbin impuls.

Keuntungan dari turbin tipe ini adalah penurunan entalpi yang besar pada satu stage sudu-sudu, sehingga pembangkitan energi oleh satu turbin lebih besar. Sehingga jumlah stage dari turbin akan lebih sedikit, dan ukuran turbin akan lebih pendek. Namun kerugian dari tipe ini adalah kehilangan aliran steam yang terlalu banyak karena kecepatan aliran yang lebih besar.

Rasio Reaksi (R) = 0,5
Turbin dengan desain R=0,5 berarti bahwa separuh dari penurunan entalpi pada satu stage sudu turbin terjadi pada sisi sudu stator, dan separuhnya lagi terjadi pada sudu rotor turbin. Turbin dengan desain ini disebut juga dengan turbin reaksi. Penurunan tekanan dan entalpi dari uap air terjadi pada sisi stator dan rotor turbin. Tekanan uap di inlet sudu rotor lebih besar daripada sisi outletnya. Aliran fluida (uap air) tidak hanya mengalami akselerasi di sisi stator, tetapi juga di sisi rotor turbin.

Perbedaan tekanan uap air pada sisi sudu rotor, menyebabkan timbulnya gaya aksial pada keseluruhan turbin. Gaya aksial berarti gaya yang arahnya segaris dengan arah poros/shaft. Gaya aksial dari rotor turbin ini berlawanan arah dengan arah aliran uap air, dan disebut juga axial thrust. Axial thrust/gaya aksial harus dikompensasi oleh penggunaan thrust bearing atau dilawan gaya tersebut dengan menggunakan balance piston.

Keuntungan dari penggunaan turbin tipe ini adalah berkurangnya kehilangan aliran uap air akibat kenaikan kecepatan aliran di setiap stage yang sedikit. Namun kerugiannya adalah desain turbin yang semakin panjang, karena kebutuhan stage yang lebih banyak daripada turbin impuls.

Pada prakteknya, turbin dengan desain R = 0,7 lebih banyak digunakan pada saat ini. Ini berarti penurunan entalpi lebih banyak terjadi pada sisi rotor turbin daripada sisi statornya.

Prinsip Kerja Turbin Uap

Prinsip kerja turbin uap,terletak pada perubahan energi panas yang terkandung di dalam uap air (keseluruhan sampai energi panas dalam uap air di sisi exhaust turbin) yang dikonversikan menjadi energi mekanik yang ditransmisikan ke rotor turbin. Hal ini terjadi di beberapa stage turbin uap yang berbeda. Satu stage turbin selalu terdiri atas bagian sudu-sudu melingkar yang diam/stasioner dan bagian sudu-sudu yang berputar/berotasi.

Energi panas di dalam uap air ditunjukkan oleh besaran entalpi (h).

    h = u + p.V
    u = energi internal, p.V = aliran kerja

Konversi Energi Panas Uap Air Menjadi Energi Kinetik

20110808-111705.jpg

Pertama, energi panas harus dikonversikan menjadi energi kinetik, proses ini terjadi pada nozzle (lihat gambar di atas). Pada turbin uap, nozzle terpasang di sisi casing (sudu-sudu stator turbin) dan ditambah pada sisi sudu-sudu rotor, yang selanjutnya dikenal dengan reaction stage/sisi reaksi. Pada nozzle, uap air mengalami penambahan kecepatan/akselerasi, dan akselerasi ini menyebabkan diferensial tekanan antara sisi sebelum nozzle dengan sesudah nozzle.

Kedua, energi kinetik ditransformasikan menjadi energi putar dari rotor turbin yang hanya terjadi pada sisi sudu-sudu yang berputar/rotor.

Vektor Kecepatan Pada Stage Turbin Uap Reaksi

20110808-110049.jpg

Stage pada turbin memiliki perbedaan kecepatan, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Pada tiap level digambar segitiga vektor kecepatan, satu di sisi inlet blade yang berputar, dan yang kedua di sisi outletnya. Kecepatan absolut (c) di inlet dan outlet besarnya berbeda, karena energi kinetik dari uap air dikonversikan menjadi energi mekanik pada rotor.

Turbin Uap

Sebuah sistem turbin uap - generator yang digunakan untuk pembangkit listrik tenaga uap berfungsi untuk mengkonversikan energi panas dari uap air menjadi energi listrik. Proses yang terjadi adalah energi panas yang ditunjukkan oleh gradien/perubahan temperatur dikonversikan oleh turbin menjadi energi kinetik dan sudu-sudu turbin mengkonversikan energi kinetik ini menjadi energi mekanik pada poros/shaft. Pada akhirnya, generator mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik. Panas dari uap air yang tidak terkonversi menjadi energi mekanik, terdisipasi/dibuang di kondenser oleh air pendingin.

Turbin Uap Multistage

20110807-075921.jpg

Umumnya PLTU menggunakan turbin uap tipe multistage, yakni turbin uap yang terdiri atas lebih dari 1 stage turbin (Turbin High Pressure, Intermediate Pressure, dan Low Pressure). Uap air superheater yang dihasilkan oleh boiler masuk ke turbin High Pressure (HP), dan keluar pada sisi exhaust menuju ke boiler lagi untuk proses reheater. Uap air yang dipanaskan kembali ini dimasukkan kembali ke turbin uap sisi Intermediate Pressure (IP), dan uap yang keluar dari turbin IP akan langsung masuk ke Turbin Low Pressure (LP). Selanjutnya uap air yang keluar dari turbin LP masuk ke dalam kondenser untuk mengalami proses kondensasi.

Berikut adalah beberapa bagian-bagian penting dari turbin uap:
1. Shaft Seals
Shaft seals adalah bagian dari turbin antara poros dengan casing yang berfungsi untuk mencegah uap air keluar dari dalam turbin melewati sela-sela antara poros dengan casing akibat perbedaan tekanan dan juga untuk mencegah udara masuk ke dalam turbin (terutama turbin LP karena tekanan uap air yang lebih vakum) selama turbin uap beroperasi.

Turbin uap menggunakan sistem labyrinth seal untuk shaft seals. Sistem ini berupa bagian yang berkelak-kelok pada poros dan casing-nya yang kedua sisinya saling bertemu secara berselang-seling. Antara labyrinth poros dengan labyrinth casing ada sedikit rongga dengan jaraj tertentu. Sistem ini bertujuan untuk mengurangi tekanan uap air di dalam turbin yang masuk ke sela-sela labyrinth sehingga tekanan antara uap air dengan udara luar akan mencapai nilai yang sama pada titik tertentu.

Prinsip dan Jenis Labyrinth Seals

20110807-092621.jpg

20110807-092632.jpg

Selain adanya sistem labyrinth seal, ada satu sistem tambahan bernama sistem seal & gland steam. Sistem ini bertugas untuk menjaga tekanan di labyrinth seal pada nilai tertentu terutama pada saat start up awal atau shut down turbin dimana pada saat tersebut tidak ada uap air yang masuk ke dalam turbin uap.

2. Turbine Bearings
Bearing / bantalan pada turbin uap memiliki fungsi sebagai berikut:

  • Menahan diam komponen rotor secara aksial
  • Menahan berat dari rotor
  • Menahan berbagai macam gaya tidak stabil dari uap air terhadap sudu turbin
  • Menahan gaya kinetik akibat dari sisa-sisa ketidakseimbangan atau ketidakseimbangan karena kerusakan sudu (antisipasi)
  • Menahan gaya aksial pada beban listrik yang bervariasi

Jenis bearing yang digunakan dalam desain turbin uap yaitu thrust bearing, journal bearing, dan kombinasi antara keduanya. Selain itu juga dibutuhkan sebuah sistem pelumasan menggunakan oli, yang secara terus-menerus disirkulasi dan didinginkan untuk melumasi bearing yang terus mengalami pergesekan pada saat turbin uap beroperasi normal.

3. Balance Piston
Pada turbin uap, ada 50%ngaya reaksi dari sudu yang berputar menghasilkan gaya aksial terhadap sisi belakang dari silinder pertama turbin, gaya inilah yang perlu dilawan oleh sistem balance piston.

4. Turbine Stop Valves
Atau disebut juga Emergency Stop Valve karena berfungsi untuk mengisolasi turbin dari supply uap air pada keadaan darurat untuk menghindari kerusakan atau juga overspeed.

5. Turbine Control Valve
Berfungsi untuk mengontrol supply dari uap air yang masuk ke dalam turbin sesuai dengan sistem kontrol yang bergantung pada besar beban listrik.

6. Turning Device
Adalah suatu mekanisme untuk memutar rotor dari turbin pada saat start awal atau pada saat setelah shut down untuk mencegah terjadinya distorsi/bending akibat dari proses pemanasan atau pendinginan yang tidak seragam pada rotor.

Ebook tentang turbin uap:
1. Turbin Uap dan Tren Pengembangannya
2. Steam Turbine
3. Introduction of Steam Turbine
4. Steam Turbine Design Philosophy and Technology