Turbin Uap dan Pembangkit Listrik

Turbin Uap dan Pembangkit Listrik

Turbin uap adalah perangkat mekanis yang mengubah energi panas dari uap bertekanan menjadi kerja mekanis yang berguna. Ini adalah jantung dari pembangkit listrik. Ini memiliki efisiensi termodinamika yang lebih tinggi dan rasio power-to-weight yang lebih rendah. Ini memperoleh sebagian besar efisiensi termodinamika karena penggunaan beberapa tahap dalam ekspansi uap yang menghasilkan pendekatan yang lebih dekat ke proses reversibel yang ideal. Turbin uap adalah salah satu teknologi penggerak utama yang paling serbaguna dan tertua yang digunakan untuk menggerakkan generator. Pembangkit listrik menggunakan turbin uap telah digunakan selama lebih dari 100 tahun. Generator turbo adalah kombinasi dari turbin yang terhubung langsung ke generator untuk menghasilkan tenaga listrik. Generator tenaga uap besar menyediakan sebagian besar tenaga listrik.

Turbin uap ideal untuk konfigurasi daya yang sangat besar yang digunakan di pembangkit listrik karena efisiensinya yang lebih tinggi dan biaya yang lebih rendah. Pada pembangkit listrik, turbin uap dihubungkan dengan generator untuk menghasilkan tenaga listrik. Turbin bertindak sebagai sisi yang lebih mekanis dari sistem dengan memberikan gerakan putar untuk generator, sedangkan generator bertindak sebagai sisi listrik dengan menggunakan hukum listrik dan magnet untuk menghasilkan tenaga listrik.

Dalam turbin uap, rotor adalah komponen berputar yang memiliki roda dan sudu yang melekat padanya. Pisau adalah komponen yang mengekstrak energi dari uap. Diagram skematis pembangkit listrik berbasis turbin uap bertenaga bahan bakar fosil untuk pembangkit listrik diberikan pada Gambar 1

 Gbr 1 Diagram skematis untuk pembangkit listrik berbasis turbin uap

Proses konversi energi

Steam memiliki tiga komponen komponen energi berikut

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

Dua komponen energi terakhir bersama-sama dikenal sebagai entalpi. Energi total uap dapat direpresentasikan sebagai jumlah energi kinetik dan entalpi.

Pembangkit energi menggunakan turbin uap melibatkan tiga konversi energi, mengekstrak energi panas dari bahan bakar dan menggunakannya untuk menaikkan uap, mengubah energi panas uap menjadi energi kinetik di turbin dan menggunakan generator putar untuk mengubah energi mekanik turbin menjadi energi listrik .

Uap bertekanan tinggi diumpankan ke turbin dan melewati sepanjang sumbu mesin melalui beberapa baris sudu yang tetap dan bergerak secara bergantian. Dari lubang masuk uap turbin menuju titik buang, bilah dan rongga turbin semakin besar untuk memungkinkan ekspansi uap.

Bilah stasioner bertindak sebagai nozel di mana uap mengembang dan muncul pada kecepatan yang meningkat tetapi tekanan lebih rendah (prinsip kekekalan energi Bernoulli yaitu bahwa energi kinetik meningkat ketika energi tekanan turun). Saat uap berdampak pada bilah yang bergerak, ia memberikan sebagian energi kinetiknya ke bilah yang bergerak.

Turbin dapat dari jenis kondensasi, non-kondensasi, pemanasan ulang, ekstraksi atau induksi. Turbin kondensasi umumnya digunakan di pembangkit listrik. Turbin ini mengeluarkan uap dalam keadaan terkondensasi sebagian, biasanya dengan kualitas mendekati 90%, pada tekanan jauh di bawah atmosfer ke kondensor. Turbin non-kondensasi juga dikenal sebagai turbin tekanan balik dan paling banyak digunakan untuk aplikasi proses steam. Tekanan buang dikontrol oleh katup pengatur agar sesuai dengan kebutuhan tekanan uap proses. Ini biasanya digunakan dalam industri di mana sejumlah besar uap proses tekanan rendah diperlukan. Turbin pemanas ulang juga digunakan hampir secara eksklusif di pembangkit listrik. Dalam turbin reheat, aliran uap keluar dari bagian turbin bertekanan tinggi dan dikembalikan ke boiler di mana superheat tambahan ditambahkan. Uap kemudian kembali ke bagian tekanan menengah turbin dan melanjutkan ekspansinya. Dalam turbin ekstraksi, uap ditarik dari satu atau lebih tahap, pada satu atau lebih tekanan, untuk kebutuhan pemanasan, proses pabrik, atau pemanas air umpan. Turbin ini juga dikenal sebagai turbin pemeras. Aliran ekstraksi dapat dikontrol dengan katup, atau dibiarkan tidak terkontrol. Turbin induksi memasukkan uap bertekanan rendah pada tahap menengah untuk menghasilkan daya tambahan.
Ada dua jenis turbin uap dasar yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Bilah dirancang untuk mengontrol kecepatan, arah, dan tekanan uap saat melewati turbin.

Dalam desain impuls, rotor berputar karena gaya uap pada sudu sedangkan desain reaksi bekerja berdasarkan prinsip bahwa rotor memperoleh gaya rotasi dari uap saat meninggalkan sudu.

Untuk memaksimalkan efisiensi turbin, uap diekspansi, menghasilkan kerja, dalam beberapa tahap. Tahapan ini dicirikan oleh bagaimana energi diekstraksi darinya dan dikenal sebagai turbin impuls atau turbin reaksi. Kebanyakan turbin uap menggunakan campuran reaksi dan desain impuls. Setiap tahap berperilaku sebagai salah satu atau yang lain, tetapi turbin secara keseluruhan menggunakan keduanya. Biasanya, bagian bertekanan lebih tinggi adalah tipe impuls dan tahap tekanan lebih rendah adalah tipe reaksi.
Turbin impuls memiliki nozel tetap yang mengarahkan aliran uap ke pancaran berkecepatan tinggi. Pancaran ini mengandung energi kinetik yang signifikan, yang diubah menjadi rotasi poros oleh bilah rotor berbentuk ember, saat pancaran uap berubah arah. Penurunan tekanan hanya terjadi pada sudu-sudu stasioner, dengan peningkatan netto dalam kecepatan uap melintasi stage. Saat uap mengalir melalui nosel, tekanannya turun dari tekanan masuk ke tekanan keluar (tekanan atmosfer, atau lebih biasanya, vakum kondensor). Karena rasio ekspansi uap yang tinggi ini, uap meninggalkan nosel dengan kecepatan yang sangat tinggi. Uap yang meninggalkan sudu-sudu yang bergerak memiliki sebagian besar kecepatan maksimum uap ketika meninggalkan nosel. Kehilangan energi karena kecepatan keluar yang lebih tinggi ini biasa disebut dengan kecepatan carry over atau kerugian meninggalkan.

Dalam turbin reaksi, bilah rotor itu sendiri diatur untuk membentuk nozel yang konvergen. Turbin jenis ini memanfaatkan gaya reaksi yang dihasilkan saat uap dipercepat melalui nozel yang dibentuk oleh rotor. Uap diarahkan ke rotor oleh baling-baling stator tetap. Ia meninggalkan stator sebagai pancaran yang memenuhi seluruh keliling rotor. Uap kemudian berubah arah dan meningkatkan kecepatannya relatif terhadap kecepatan sudu-sudu. Penurunan tekanan terjadi di kedua stator dan rotor, dengan uap dipercepat melalui stator dan melambat melalui rotor, dengan tidak ada perubahan bersih dalam kecepatan uap melintasi panggung tetapi dengan penurunan tekanan dan suhu, yang mencerminkan pekerjaan yang dilakukan di penggerak rotor.

Kedua jenis turbin ditunjukkan pada Gambar 2.

 Gbr 2 Jenis turbin

Diagram pada Gambar 3 merangkum siklus turbin uap boiler.

Gbr 3 Siklus turbin uap boiler sederhana

Turbin uap beroperasi berdasarkan prinsip dasar termodinamika menggunakan siklus Rankine seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Setelah meninggalkan boiler, uap superheat memasuki turbin pada suhu dan tekanan tinggi. Uap panas/tekanan tinggi diubah menjadi energi kinetik menggunakan nosel (nosel tetap pada turbin tipe impuls atau sudu tetap pada turbin tipe reaksi). Setelah uap meninggalkan nosel, ia bergerak dengan kecepatan tinggi dan dikirim ke sudu-sudu turbin. Sebuah gaya dibuat pada bilah karena tekanan uap pada bilah yang menyebabkan bilah bergerak. Generator atau perangkat lain semacam itu dapat ditempatkan pada poros, dan energi yang ada di uap sekarang dapat disimpan dan digunakan. Gas keluar dari turbin sebagai uap jenuh pada suhu dan tekanan yang lebih rendah daripada saat masuk dan dikirim ke kondensor untuk didinginkan.

Gambar 4 diagram T-s dari siklus Rankine

Uap buang dari turbin dikondensasikan menjadi air di kondensor yang mengekstrak panas laten penguapan dari uap. Hal ini menyebabkan volume uap menjadi nol, mengurangi tekanan secara dramatis hingga mendekati kondisi vakum sehingga meningkatkan penurunan tekanan melintasi turbin yang memungkinkan jumlah energi maksimum yang dapat diekstraksi dari uap. Kondensat tersebut kemudian dipompa kembali ke boiler sebagai feed-water untuk digunakan kembali.

Gubernur adalah perangkat yang mengontrol kecepatan turbin. Kontrol kecepatan turbin dengan pengatur kecepatan diperlukan, karena turbin harus dijalankan perlahan untuk mencegah kerusakan dan pembangkitan daya listrik AC memerlukan kontrol kecepatan yang tepat. Akselerasi rotor turbin yang tidak terkendali dapat menyebabkan over speed trip, yang menyebabkan katup nosel yang mengontrol aliran uap ke turbin menutup. Jika ini gagal maka turbin dapat terus berakselerasi sampai pecah, seringkali dengan bencana. Turbin modern memiliki pengatur elektronik yang menggunakan sensor untuk memantau kecepatan turbin dengan 'melihat' gigi rotor.

Turbin uap menggerakkan generator, untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Generator adalah mesin sinkron medan berputar. Turbin uap secara langsung digabungkan ke generator mereka. Generator harus berputar pada kecepatan sinkron konstan sesuai dengan frekuensi sistem tenaga listrik. Kecepatan paling umum adalah 3.000 RPM untuk sistem daya dengan frekuensi 50 Hz. Efisiensi konversi energi dari generator berkapasitas tinggi ini bisa mencapai 98% atau 99% untuk mesin yang sangat besar.