Pengertian Extraction Steam Turbin Uap

Seperti yang telah kita bahas pada artikel sebelumnya, salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus rankine adalah dengan menggunakan pemanasan awal air (feedwater) sebelum ia masuk ke boiler. Perhatikan diagram T-s siklus rankine di bawah ini yang tanpa proses pemanasan awal, nampak dengan bagian berwarna hijau adalah representasi kebutuhan energi untuk memanaskan feedwater dari temperatur (1) ke (a).
image

Diagram T-s Siklus Rankine
(Sumber)

Jika kita bandingkan dengan siklus rankine yang menggunakan proses pre-heating, maka diagram T-s akan nampak seperti di bawah ini. Dimana proses pemanasan air boiler menjadi lebih "ringan", yang ditunjukan dengan bergesernya garis pemanasan feedwater (2s-2-a) menjadi (2-3-4). Pergeseran garis ini mengakibatkan luasan bidang hijau yang sebelumnya menjadi lebih kecil, sehingga energi yang dibutuhkan untuk memanaskan air menjadi lebih sedikit. Penggunaan proses pre-heating ini akan meningkatkan efisiensi siklus rankine.
image

Diagram T-s Siklus Rankine Dengan Pre-Heater

Proses pemanasan awal air boiler, menggunakan sumber panas uap air yang diekstrak dari turbin uap. Proses ekstraksi uap air ini ditunjukkan oleh garis (6-3) pada diagram T-s di atas. Terlihat pada diagram tersebut bahwa pada titik (6) terjadi proses ekstraksi uap air dari dalam turbin uap yang diambil untuk memanaskan feedwater (3).

Sesuai dengan diagram T-s di atas, titik (6) terletak di tengah-tengah garis (5-7) yang merupakan proses ekspansi uap air kering di dalam turbin uap. Hal ini menjelaskan bahwa uap air ekstraksi diambil di tengah-tengah proses ekspansi tersebut. Gambar berikut akan menjelaskan bagaimana uap air diekstrak melalui sisi stator sebuah turbin uap.
image

Sistem Ekstraksi Uap Air Pada Turbin Uap
(Sumber)

Uap air diekstrak dari dalam turbin uap melalui sebuah orifice yang berada melingkar di sisi dalam stator turbin. Orifice ini memiliki luas penampang cekik yang bervariasi, dari yang tersempit di bagian atas stator, hingga yang terluas di bagian bawah. Bagian cekik yang terluas, terhubung dengan saluran manifold sebagai bagian yang terhubung dengan pipa ekstraksi uap air keluar sistem turbin uap. Melalui pipa ekstraksi inilah uap air didistribusikan ke sistem pengguna, seperti halnya pre-heater sebagai pemanas awal air boiler.

Dimensi longitudinal cekikan dan manifold relatif terhadap sumbu poros turbin, memiliki nilai yang tepat sedemikian rupa sehingga uap air terekstrak secara homogen melalui aliran uap air yang melewati sudu-sudu turbin, dan tidak tercipta perubahan tekanan secara drastis di area ekstraksi uap.

Sekalipun proses ekstraksi uap air ini akan mengurangi daya yang dibangkitkan turbin uap, namun secara termodinamika penggunaan extraction steam akan meningkatkan efisiensi termal siklus rankine. Peningkatan efisiensi termal siklus rankine tersebut diakibatkan oleh lebih sedikitnya energi kalor (Qin) yang dibutuhkan oleh boiler untuk memanaskan air karena temperatur air yang masuk ke boiler lebih tinggi. Kelebihan lain penggunaan extraction steam adalah untuk mengurangi kehilangan energi di dalam kondenser karena jumlah uap air yang masuk ke dalamnya menjadi lebih sedikit daripada siklus rankine biasa.
image

Siklus Rankine Dengan Proses Pre-Heating

Sumber dan Ebook Gratis

Siklus Rankine (3) - Cara-cara Meningkatkan Efisiensi Termal

Secara ideal efisiensi termal dari siklus rankine berkisar di angka 42%. Ada beberapa cara untuk meningkatkan efisiensi termal siklus rankine dengan memodifikasi siklusnya.

Reheater Pada Siklus Rankine
Cara pertama adalah dengan menggunakan dua turbin uap (High Pressure dan Low Pressure) yang keduanya berada pada satu poros. Uap air yang keluar dari turbin High Pressure masuk kembali ke boiler untuk dipanaskan kembali menjadi uap superheat. Setelah itu uap air tersebut kembali masuk ke turbin uap Low Pressure. Dari turbin kedua ini uap air masuk ke kondensor. PLTU modern sudah banyak menggunakan tiga atau bahkan 4 turbin uap, yaitu High Pressure Turbine, Intermediate Pressure Turbine, dan Low Pressure Turbine. Uap air reheater masuk kembali ke turbin intermediate pressure, selanjutnya tanpa mengalami reheater lagi uap air yang keluar dari intermediate pressure turbine masuk ke low pressure turbine.

Siklus Rankine Dengan Reheater

20111003-122653.jpg

Dari modifikasi ini dapat kita tambahkan dalam hitungan efisiensi termal siklus energi panas masuk pada saat reheater (Qin reheater) serta output kerja pada turbin low pressure (WLPT out). Sehingga nilai kalor total yang masuk ke fluida kerja adalah:

    Qtotal = Qin boiler + Qin reheater
    Qtotal = m(h3 - h1) + m(h5 - h4)

Sedangkan nilai kerja output keluar total adalah:

    Wout total = WHPT out + WLPT out
    Wout total = m(h3 - h4) + m(h6 - h5)

Penambahan penggunaan satu tahap reheat akan meningkatkan efisiensi termal siklus rankine sebesar 3-4%, penambahan dua tahap reheater menaikkan efisiensi sebesar 1,5-2%, penambahan tiga tahap reheater menaikkan efisiensi sebesar 0,75-1%, dan begitu seterusnya. Akan tetapi umumnya hanya dipergunakan satu tahap reheater saja.

Preheater atau Regenerative Pada Siklus Rankine
Cara meningkatkan efisiensi siklus rankine yang kedua adalah dengan menggunakan preheater atau pemanasan awal dari fluida kerja sebelum ia masuk ke boiler. Cara ini disebut dengan Regenerative Rankine Cycle.

Sumber panas yang digunakan untuk preheater berasal dari uap air yang diambil dari turbine uap pada stage tertentu (Extraction Steam). Uap panas ini dialirkan melewati pipa menuju ke heat exchanger dan bertemu dengan air kondensat atau feed water. Air kondensat yang keluar dari kondensor dipompa oleh pompa ekstraksi kondensat menuju heat exchanger tersebut.

Ada dua macam proses perpindahan panas yang terjadi, yang otomatis ada dua jenis juga heat exchanger yang biasa digunakan. Yang pertama adalah tipe Open Feed Water Heater, yang mana tipe ini bersifat terbuka, perpindahan panas secara konveksi, extraction steam akan bertemu dan bercampur langsung dengan fluida kerja di sebuah wadah tertentu. Kelemahan sistem ini adalah tidak dapat digunakan apabila antara extraction steam dengan fluida kerja terdapat perbedaan tekanan yang terlalu besar, tetapi memiliki kelebihan dalam sisi ekonomis dan perpindahan panas yang maksimal karena kedua media bertemu secara langsung.

Heat Exchanger yang digunakan pada Siklus Rankine
dengan Regenerative Open Feed Water Heater

20111004-085317.jpg

Siklus Rankine dengan Regenerative Open Feed Water Heater

20111004-085454.jpg

Diagram T-S Siklus Rankine
dengan Regenerative Open Feed Water Heater

20111004-085618.jpg

Massa aliran fluida pada setiap komponen menjadi berbeda karena adanya extraction steam. Apabila 1 kg uap air masuk ke turbin, dan y kg menjadi extraction steam, dan (1-y) kg berlanjut menuju ke boiler, maka kita dapat menghitung kerja output dan kalor masuk sebagai berikut:

Jika q = Q / m ; maka:
Heat Input:

    qin = h5 - h4

Heat Output:

    qout = (1 - y)(h1 - h7)

Work Output:

    Wturb,out = (h5 - h6) + (1 - y)(h6 - h7)

Work input:

    Wpump,in = (1 - y)(h2 - h1) + (h4 - h3)

Tipe yang kedua adalah tipe tertutup (Close Feed Water Heater), yang mana di dalamnya terjadi perpindahan panas secara konduksi, uap air pada sisi shell dan fluida kerja di sisi pipa. Tipe ini dapat digunakan apabila kedua media dalam kondisi perbedaan tekanan yang besar, namun kelemahannya adalah harga yang lebih mahal serta perpindahan panas yang lebih kecil karena kedua media tidak bertemu secara langsung.

Heat Exchanger yang digunakan pada Siklus Rankine
dengan Regenerative Close Feed Water Heater

20111004-075307.jpg

Siklus Rankine dengan Regenerative Close Feed Water Heater

20111004-074916.jpg

Diagram T-S Siklus Rankine
dengan Regenerative Close Feed Water Heater

20111004-075605.jpg

(Pict. Source: http://bit.ly/oKNCJP)

Sama dengan Open Feed Water Heater apabila 1 kg uap air masuk ke turbin, dan y kg menjadi extraction steam, dan (1-y) kg berlanjut menuju ke boiler, maka kita dapat menghitung kerja output dan kalor masuk sebagai berikut:

Heat Input:

    qin = h4 - h3

Heat Output:

    qout = (1 - y)(h1 - h6) + y(h8 - h1)

Work Output:

    Wturb,out = (h4 - h5) + (1 - y)(h5 - h6)

Work input:

    Wpump,in = (h2 - h1)

Free Ebook Peningkatan Efisiensi Siklus Rankine:
1. Thermodynamics
2. Modification of Rankine Cycle
3. Regenerative Rankine Cycle
4. Regenerative Rankine Cycle

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.