Komponen-komponen Turbin Uap

Berikut ini akan saya jelaskan lebih rinci beberapa komponen penting dari turbin uap. Sebagai contoh langsung, saya mengambil contoh turbin uap yang digunakan pada PLTU.

1. Stop Valve
Stop valve pada turbin uap berfungsi untuk mengisolasi turbin dari aliran uap air dan juga untuk menghentikan secara cepat supply uap air ke turbin pada kondisi-kondisi tertentu. Semisal pada suatu PLTU terjadi kehilangan beban listrik dari PLN (load rejection), secara cepat stop valve akan menutup dalam hitungan sepersekian detik. Hal ini berguna untuk menghindari overspeed pada turbin akibat adanya uap air yang masuk ke turbin tetapi tidak ada beban listrik pada generator. Stop valve membuka akibat kerja dari aktuator hidrolik dan menutup secara cepat oleh pegas.

2. Control Valve
Control Valve berfungsi untuk mengontrol aliran uap air yang masuk ke dalam turbin uap sesuai dengan beban yang ada. Pada PLTU control valve pada turbin uap bukaannya tergantung oleh besar beban listrik yang ada di generator.

3. Aktuator Elektrohidrolik pada Stop dan Control Valve
Aktuator untuk stop dan control valve pada turbin uap PLTU menggunakan prinsip "fail-safe". Artinya, valve-valve tersebut membuka oleh aktuator hidrolik dan menutup oleh tenaga dari pegas. Perbedaan aktuator antara stop valve dan control valve yaitu pada stop valve tidak perlu menggunakan sensor posisi valve seperti pada control valve. Pada stop valve hanya menggunakan semacam sensor limit switch.

Prinsip Kerja Aktuator Hidrolik dengan Pegas

20110812-110748.jpg

4. Jalur Extraction Steam dan Check Valve-nya
Extraction Steam adalah uap air yang diambil dari stage-stage tertentu pada turbin uap yang digunakan untuk berbagai hal, seperti preheating air (feedwater sebelum masuk boiler, sistem sealing turbin, sistem sootblower, dan lain sebagainya.

Pada jalur pipa extraction steam wajib dipasang check valve untuk mencegah aliran balik dari uap air dan air. Semisal pada kasus load rejection di atas, aliran balik air yang masuk ke dalam turbin, terutama pada sisi turbin superheater akan menyebabkan diferensial temperatur yang terlalu besar sehingga resiko terjadinya patah (crack) sangat mungkin terjadi.

Swing Check Valve dan Power Assisted Swing Check Valve

20110812-111858.jpg

20110812-111906.jpg

Check valve yang digunakan yaitu jenis Swing Check Valve dan Power Assisted Swing Check Valve. Swing Check Valve membuka akibat perbedaan besar tekanan uap air. Dan pada saat terjadi perubahan aliran uap air (seperti saat terjadi load rejection) check valve ini akan menutup akibat dari berat valve itu sendiri. Sedangkan Power Assisted Swing Check Valve menggunakan aktuator tambahan pada saat valve menuju posisi menutup, untuk terbuka valve ini tidak perlu menggunakan aktuator, tetapi terbuka karena perbedaan tekanan dari uap air di pipa tersebut.

5. Bearing
Turbin uap dilengkapi oleh bearing sebagai bagian untuk mengurangi gesekan antara poros (bagian yang berputar) dengan casing/stator (bagian yang diam). Bearing dilengkapi dengan fluida pelumas / oli yang bersirkulasi dan bertekanan. Untuk mengkompensasi gaya berat dari turbin digunakanlah journal bearing, sedangkan untuk mengkompensasi gaya aksial yang timbul akibat aliran uap air di dalam turbin, digunakanlah thrust bearing. Bearing-bearing ini digunakan untuk mengunci gerakan rotor pada arah aksial dan radial.

6. Hydraulic Turning Gear
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. Sistem ini menggunakan sebuah motor hydromatic yang tenaga putarnya berasal dari sistem hidrolik bertekanan tinggi.

7. Balance Piston
Balance Piston pada turbin uap berfungsi untuk mengkompensasi timbulnya gaya aksial akibat aliran dari uap air. Komponen ini banyak meringankan kerja dari thrust bearing.

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.