Teknologi Turbin Uap: Menggerakkan Pembangkit Listrik Efisien

Turbin Uap dan Pembangkitan Listrik

Turbin uap adalah perangkat mekanis yang mengubah energi termal dari uap bertekanan menjadi kerja mekanis yang berguna. Ini adalah jantung pembangkit listrik. Ini memiliki efisiensi termodinamik yang lebih tinggi dan rasio daya-berat yang lebih rendah. Ini mendapatkan sebagian besar efisiensi termodinamiknya karena penggunaan banyak tahap dalam ekspansi uap yang menghasilkan pendekatan yang lebih dekat ke proses reversibel ideal. Turbin uap adalah salah satu teknologi prime mover paling serbaguna dan tertua yang digunakan untuk menggerakkan generator. Pembangkitan listrik menggunakan turbin uap telah digunakan selama lebih dari 100 tahun. Turbo generator adalah kombinasi turbin yang langsung terhubung ke generator untuk pembangkitan daya listrik. Generator tenaga uap besar menyediakan mayoritas daya listrik.

Peran Turbin Uap di Pembangkit Listrik

Turbin uap ideal untuk konfigurasi daya yang sangat besar yang digunakan di pembangkit listrik karena efisiensi dan biaya yang lebih rendah. Di pembangkit listrik, turbin uap dipasang dengan generator untuk menghasilkan daya listrik. Turbin bertindak sebagai sisi mekanis sistem dengan memberikan gerakan rotasi untuk generator, sementara generator bertindak sebagai sisi listrik dengan menggunakan hukum listrik dan magnetisme untuk menghasilkan daya listrik.

Di turbin uap rotor adalah komponen yang berputar yang memiliki roda dan blader yang dipasang padanya. Blade adalah komponen yang mengekstrak energi dari uap. Sebuah skematis typikal dari pembangkit listrik berbahan bakar fosil berbasis turbin uap untuk pembangkitan listrik diberikan dalam Fig 1

Fig 1 Schematic diagram for steam turbine based power generation

Proses Konversi Energi

Uap memiliki tiga komponen energi berikut

• Energi kinetik – karena kecepatannya
• Energi tekanan – karena tekanannya
• Energi internal – karena suhunya

Dua komponen energi terakhir bersama-sama dikenal sebagai enthalpy. Total energi uap dapat direpresentasikan sebagai jumlah energi kinetik dan enthalpy.

Pembangkitan energi menggunakan turbin uap melibatkan tiga konversi energi, mengekstrak energi termal dari bahan bakar dan menggunakannya untuk menghasilkan uap, mengonversi energi termal uap menjadi energi kinetik di turbin dan menggunakan generator rotatif untuk mengonversi energi mekanis turbin menjadi energi listrik.

Uap bertekanan tinggi diumpankan ke turbin dan melewati sumbu mesin melalui beberapa baris blader yang bergantian tetap dan bergerak. Dari port masuk uap turbin menuju titik buangan, blader dan ruang turbin secara bertahap lebih besar untuk mengizinkan ekspansi uap.

Blader statis bertindak sebagai nozzle di mana uap mengembang dan muncul dengan kecepatan yang meningkat tetapi tekanan yang lebih rendah (prinsip konservasi energi Bernoulli yang energi kinetik meningkat seiring penurunan energi tekanan). Saat uap mengenai blader yang bergerak ia mentransfer sebagian energi kinetiknya ke blader yang bergerak.

Turbin dapat berupa condensing, non-condensing, reheat, extraction atau induction type. Turbin condensing biasanya digunakan di pembangkit listrik. Turbin ini mengeluarkan uap dalam keadaan sebagian terkondensasi, biasanya dengan kualitas dekat 90 %, pada tekanan jauh di bawah atmosfer ke kondensor. Turbin non-condensing juga dikenal sebagai backpressure turbines dan paling banyak digunakan untuk aplikasi uap proses. Tekanan buangan dikontrol oleh klepen pengatur untuk mencocokkan kebutuhan tekanan uap proses. Ini biasanya digunakan di industri di mana diperlukan sejumlah besar uap proses tekanan rendah. Turbin reheat juga digunakan hampir eksklusif di pembangkit listrik. Di turbin reheat, aliran uap keluar dari bagian tekanan tinggi turbin dan dikembalikan ke boiler di mana superheat tambahan ditambahkan. Uap kemudian kembali ke bagian tekanan menengah turbin dan melanjutkan ekspansinya. Di turbin extraction, uap ditarik dari satu atau lebih tahap, pada satu atau lebih tekanan, untuk kebutuhan pemanasan, proses pabrik, atau pemanas air makan. Turbin ini juga dikenal sebagai bleeder turbines. Aliran extraction dapat dikontrol dengan klepen, atau dibiarkan tidak dikontrol. Induction turbines memperkenalkan uap tekanan rendah pada tahap menengah untuk menghasilkan daya tambahan. Ada dua tipe dasar turbin uap yakni impulse turbines dan reaction turbines. Blader dirancang untuk mengontrol kecepatan, arah dan tekanan uap saat melewati turbin.

Dalam desain impulse rotor berputar karena gaya uap pada blader sementara desain reaction bekerja berdasarkan prinsip bahwa rotor mendapatkan gaya rotasinya dari uap saat meninggalkan blader.

Untuk memaksimalkan efisiensi turbin uap diperluas, menghasilkan kerja, dalam sejumlah tahap. Tahap-tahap ini ditandai dengan cara energi diekstrak dari mereka dan dikenal sebagai impulse atau reaction turbines. Sebagian besar turbin uap menggunakan campuran desain reaction dan impulse. Setiap tahap berperilaku sebagai salah satu atau yang lain, tetapi turbin secara keseluruhan menggunakan keduanya. Biasanya, bagian tekanan tinggi adalah tipe impulse dan tahap tekanan rendah adalah tipe reaction. Sebuah impulse turbine memiliki nozzle tetap yang mengarahkan aliran uap menjadi jet berkecepatan tinggi. Jet ini mengandung energi kinetik yang signifikan, yang dikonversi menjadi rotasi poros oleh blader rotor berbentuk ember, saat jet uap berubah arah. Penurunan tekanan terjadi hanya di seluruh blader statis, dengan peningkatan bersih kecepatan uap di seluruh tahap. Saat uap mengalir melalui nozzle tekanannya jatuh dari tekanan masuk ke tekanan keluar (tekanan atmosfer, atau biasanya, vacuum kondensor). Akibat rasio ekspansi uap yang tinggi, uap meninggalkan nozzle dengan kecepatan sangat tinggi. Uap yang meninggalkan blader yang bergerak memiliki sebagian besar kecepatan maksimum uap saat meninggalkan nozzle. Kehilangan energi karena kecepatan keluar yang lebih tinggi ini biasanya disebut carry over velocity atau leaving loss.

Di reaction turbine, blader rotor itu sendiri disusun untuk membentuk nozzle konvergen. Tipe turbin ini memanfaatkan gaya reaksi yang dihasilkan saat uap mempercepat melalui nozzle yang dibentuk oleh rotor. Uap diarahkan ke rotor oleh vana tetap stator. Uap meninggalkan stator sebagai jet yang mengisi seluruh lingkaran rotor. Kemudian uap berubah arah dan meningkatkan kecepatannya relatif terhadap kecepatan blader. Penurunan tekanan terjadi di seluruh stator dan rotor, dengan uap mempercepat melalui stator dan memperlambat melalui rotor, tanpa perubahan bersih kecepatan uap di seluruh tahap tetapi dengan penurunan tekanan dan suhu, yang mencerminkan kerja yang dilakukan dalam menggerakkan rotor.

Dua tipe turbin ditunjukkan dalam Fig 2.

Fig 2 Types of turbine

Diagram di Fig 3 merangkum siklus boiler turbin uap.

Fig 3 A simple boiler steam turbine cycle

Turbin uap bekerja pada prinsip dasar termodinamika menggunakan siklus Rankine seperti ditunjukkan dalam Fig 4. Setelah meninggalkan boiler, uap superheat masuk ke turbin pada suhu tinggi dan tekanan tinggi. Uap panas/tekanan tinggi dikonversi menjadi energi kinetik menggunakan nozzle (nozzle tetap di turbin tipe impulse atau blader tetap di turbin tipe reaction). Setelah uap meninggalkan nozzle ia bergerak pada kecepatan tinggi dan dikirim ke blader turbin. Gaya diciptakan pada blader karena tekanan uap pada blader yang menyebabkan mereka bergerak. Sebuah generator atau perangkat semacam itu dapat ditempatkan pada poros, dan energi yang ada dalam uap sekarang dapat disimpan dan digunakan. Gas keluar dari turbin sebagai uap saturated pada suhu dan tekanan yang lebih rendah daripada saat masuk dan dikirim ke kondensor untuk didinginkan.

Fig 4 T-s diagram of a Rankine cycle

Uap buangan dari turbin terkondensasi menjadi air di kondensor yang mengekstrak panas laten vaporisasi dari uap. Ini menyebabkan volume uap menjadi nol, mengurangi tekanan secara dramatis ke kondisi dekat vacuum sehingga meningkatkan penurunan tekanan di seluruh turbin memungkinkan jumlah energi maksimum diekstrak dari uap. Kondensat kemudian dipompa kembali ke boiler sebagai air makan untuk digunakan lagi.

Governor adalah perangkat yang mengontrol kecepatan turbin. Kontrol kecepatan turbin dengan governor diperlukan, karena turbin diperlukan untuk dijalankan perlahan untuk mencegah kerusakan dan pembangkitan daya listrik AC membutuhkan kontrol kecepatan yang presisi. Akselerasi yang tidak terkendali dari rotor turbin dapat menyebabkan over speed trip, yang menyebabkan klepen nozzle yang mengontrol aliran uap ke turbin menutup. Jika ini gagal turbin mungkin terus berakselerasi sampai pecah, seringkali secara katastrofik. Turbin modern memiliki governor elektronik yang menggunakan sensor untuk memantau kecepatan turbin dengan ‘melihat’ gigi rotor.

Turbin uap menggerakkan generator, untuk mengonversi energi mekanis menjadi energi listrik. Generator adalah mesin sinkron putaran lapangan. Turbin uap langsung terhubung ke generator mereka. Generator harus berputar pada kecepatan sinkron konstan sesuai dengan frekuensi sistem daya listrik. Kecepatan paling umum adalah 3.000 RPM untuk sistem daya dengan frekuensi 50 Hz. Efisiensi konversi energi dari generator kapasitas tinggi ini dapat mencapai 98 % atau 99 % untuk mesin yang sangat besar.