Turbin gas

Turbin gas/ Gas-turbine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan memanfaatkan kompresor dan mesin pembakaran internal. Di dalam turbin gas, energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar sudu turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas terdiri dari tiga komponen utama, yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin.

 

Sistem Turbin Gas

Turbin gas digunakan sebagai penggerak generator listrik. Agar turbin dapat berputar, dibutuhkan beberapa komponen yang lain. Turbin gas merupakan serangkain komponen yang dirangkai menjadi kesatuan yang dinamakan siklus brayton. Siklus ini terdiri dari kompresor, combuster, dan turbin.  Agar turbin gas dapat beroperasi dengan baik dan seefisien mungkin, turbin gas diperlukan peralatan-peralatan lain seperti lubrication system, control system, cooling system, fuel system, dan lain-lain.

Pada pembangkit listrik, turbin gas tidak hanya digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Akan tetapi turbin gas ini juga digunakan sebagai pemanas ada HRSG (Heat Recovery SteamGenerator). Temperatur pada sisi exhaust turbine masih cukup tinggi. Apabila gas sisa dari turbin gas dibuang ke atmosfir akan sia-sia.

FUNGSI DAN PRINSIP KERJA TURBIN GAS  

Dalam aplikasinya, turbin gas tidak dapat bekerja tanpa komponen kompresor dan ruang bakar/combuster. Ketiga komponen tersebut membentuk siklus yang dikenal dengan nama ”Siklus Brayton”. Fungsi dan prinsip kerja dari siklus ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Skema Turbin Gas

Turbin gas pada kondisi ideal memanfaatkan gas bertekanan yang didapat dari udara atmosfir yang dimampatkan dengan menggunakan kompresor pada kondisi isentropik (reversibel adiabatik/entropi konstan). Udara yang bertekanan tinggi ini kemudian dibakar dalam ruang bakar pada tekanan tetap. Dari ruang bakar, gas yang sudah dibakar bersama dengan bahan bakar diekspansikan ke turbin sebagai penggerak beban generator. Apabila digambar dalam diagram P-V dan T-S, siklus turbin gas akan terlihat seperti gambar dibawah ini:

Diagram P-V dan T-S Turbin Gas Ideal

proses 1-2 : Proses pemempatan udara secara isentropik dengan menggunakan kompresor
proses 2-3 : Pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Pemasukan bahan baker ini dilakukan di dalam combuster

proses 3-4 : Proses ekspansi gas hasil pembakaran (dari combuster). Ekspansi gas panas hasil pembakaran dilakukan pada turbin. Ekspansi dilakukan dalam kondisi isentropik.

proses 4-1 : Proses pembuangan panas pada tekanan konstan.

Pada proses pemampatan udara (proses 1-2), secara termodinamika kompresor membutuhkan kerja sebesar selish entalpi antara inlet kompresor dengan exhaust kompresor. Pada combuster (proses 2-3) terjadi pemasukan kalor dari pembakaran bahan bakar bersama-sama dengan udara yang dimampatkan. Sedangkan pada proses ekspansi pada turbin (proses 3-4), gas hasil pembakaran digunakan sebagai tenaga untuk memutar sudu-sudu pada rotor turbin. Rotor yang berputar ini akan memutar poros/shaft yang akan memutar poros generator. Generator inilah yang akan membangkitkan listrik. Isentropik merupakan kondisi entropi yang terjadi konstan. Secara matematis kerja dan panas yang dihasilkan atau dilepaskan pada siklus brayton dituliskan sebagai berikut.

Kerja yang dilakukan kompresor Wc= ma (h2-h1).

Kalor yang diberikan pada Combuster Qc= (ma+mf)(h3-h2)

Kerja yang dihasilkan turbin Wt= (ma+mf)(h3-h4)

dimana ma adalah massa dari udara dan mf adalah massa bahan bakar. Namun pada aplikasi di lapangan, siklus secara ideal ini sangat sulit tercapai. Entropi akan naik dan tekanan akan turun. Apabila dinyatakan dalam T-s dan diagram akan terlihat seperti gambar berikut: 

Diagram T-S Turbin Gas Aplikasi

Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal. Tetap terjadi kerugian-kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performansi turbin gas itu sendiri jika dibanding dengan kondisi ideal. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:

Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar. 
Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

Prinsip Kerja Kompresor

Kompresor yang biasanya dipakai pada turbin gas adalah axial compressore dan centrifugal compressore. Pada axial compressore, bentuk dari sudu-sudu rotor mendekati bentuk dari airfoils. Secara global kompresor bekerja dengan cara menyedot udara kemudian mendorong udara ini ke sudu tetap. Pada sudu tetap ini, bentuknya menyerupai bentuk dari difusor. Difusor ini berfungsi untuk memperbesar tekanan dan menurunkan kecepatan dari udara (prinsip bernoully aparatus). 

Prinsip Kerja Combuster

Dari kompresor, udara bertekanan dibawa ke ruang bakar (combuster). Di ruang bakar, udara bertekanan dibakar bersama dengan fuel/bahan bakar. Bahan bakar yang umum dipakai dalam ruang bakar ini adalah gas alam (natural gas). Selain gas alam, bahan bakar yang biasa dipakai sebagai bahan bakar adalah fuel oil/ minyak (dengan efisiensi tinggi). Bahan bakar yang dibakar berfungsi untuk menaikkan temperatur. Combuster didesain untuk menghasilkan campuran, pengenceran dan pendinginan sehingga gas yang keluar dari ruang bakar merupakan temperatur rata-rata dari campuran. Panjang dari ruang bakar didesain dengan mempertimbangkan waktu dan tempat yang cukup untuk bahan bakar bisa terbakar sempurna dan memudahkan pemantik untuk membakar bahan bakar menjadi lebih mudah. Desain ruang bakar juga mempertimbangkan masalah residu pembakaran. Desain ruang bakar harus mempertimbangkan bagaimana mereduksi gas NOx.

Prinsip Kerja Turbin

Pada turbin gas, temperature and preassure drop, dikonversi diubah menjadi energi mekanik. Konversi energi berlangsung dalam dua tahap. Pada bagian nosel, gas panas mengalami proses ekspansi. Sedangkan energi panas diubah menjadi energi kinetik. Hampir 2/3 dari kerja yang dibutuhkan dari siklus ini diperlukan untuk menggerakkan kompresor. Oleh karena itu, kerja output dari turbin, dipakai untuk menggerakkan poros penggerak beban, hanya mempresentasikan 1/3 dari kerja siklus.

Pada turbin, khususnya pada 1st stage, yang menggerakkan bucket dan disc, harus mampu menahan temperatur yang cukup ekstrim (2200°F/ 1204°C). Temperatur yang sangat tinggi ini juga bercampur dengan kotoran/ kontaminan dari udara dan bahan bakar sehingga sangat rawan terkena korosi. Kontaminasi ini sangat sulit untuk dikontrol,sehingga dibutuhkan bahan paduan/alloys dan proses coating yang cukup bagus untuk melindungi material dari korosi dan memaksimalkan umur dari komponen ini.

Berbagai sumber ..