Elements of Gas Turbine

Introduction:
                There are basically four elements of a gas turbine power plant. These are compressor, intercooler and heat exchangers, combustion chambers and gas turbines. These are explained in this section.
 

1. COMPRESSORS

• The high flow rates of turbines and relatively moderate pressure ratios necessitate the use of rotary compressors.
• The types of compressors, which are commonly used, are of two types, centrifugal and axial flow types.
• The centrifugal compressor consists of an impeller (rotating component) and a diffuser (stationary component). The impeller imparts the high kinetic energy to the air and diffuser converts the kinetic energy into the pressure energy.
• The compressors may have single or double inlet.
• The efficiency of multistage compressor is lower than a single stage due to the losses.  
• The axial flow compressor consists of a series of rotor and stator stages with decreasing diameters along the flow of air. The blades are fixed on the rotor and rotors are fixed on the shaft. The stator blades are fixed on the stator casing. The stator blades guide the air flow to the next rotor stage coming from the previous rotor stage.
• The advantages of axial flow compressor over centrifugal compressor are high isentropic efficiency (90-95%), high flow rate and small weight for the same flow quantity.

Fig: Axial flow compressor

2. INTERCOOLERS AND HEAT EXCHANGERS   
   

• The intercooler is generally used in gas turbine plant when the pressure ratio used is sufficiently large and the compression is completed with two or more stages. A cross-flow type intercooler is generally preferred for effective heat transfer. The regenerators, which are commonly used in gas turbine plant, are of two types, recuperator and regenerator.
• In a recuperative type of heat exchanger, the air and hot gases are made to flow in counter direction as the effect of counter flow gives high average temperature difference causing the higher heat flow.
• The performance of the heat exchanger is determined by a factor known as effectiveness. The effectiveness of the heat exchanger is defined as:

 Fig: Ritz Regenerative Heat Exchanger

                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

3. COMBUSTION CHAMBERS:       The gas turbine combustion system has to function under certain different operating conditions which are not usually met with the combustion systems of diesel engines:

• The chemical reaction takes place relatively slowly thus requiring large residence time in the combustion chamber in order to achieve complete combustion.
• It is impossible to ignite and maintain a continuous combustion with such weak mixture.
• A pilot or recirculated zone should be created in the main flow to establish a stable flame that helps to ignite the combustible mixture continuously.

Balancing

           Sebelum berbicara tentang balancing ada baiknya kita tahu dulu mengenai unbalance / ketidak seimbangan pada suatu rotor yang menjadi alasan utama untuk dilakukan Balancing. Unbalance atau ketidak keseimbangan adalah pusat massa tidak sesumbu pada sumbu rotasi.

* Penyebab Unbalance :

1. Kesalahan ketika proses produksi ataupun perakitan
2. Adanya kotoran ketika proses pengecoran
3. Eksentrisitas komponen
4. Terjadi korosi atau erosi pada sebagian area
5. Terjadi bengkok (temporary bent dapat saja terjadi ketika rotor tersebut pertamakali di jalankan karena efek heating up khususnya pada steam turbine)
6. Distorsi geometri adanya beban thermal dan beban mekanik
7. Terjadi scaling/deposit

* Ciri - ciri unbalance bisa dilihat berdasarkan analisis spectrum, analisis waveform dan analisis data phase.

Analisis Spectrum :

• Amplitudo yang sangat tinggi di 1x RPM
• Rasio amplitudo antara pengukuran arah horizontal dan vertical besar (H/V < 3), kecuali pada kasus khusus yang memiliki kekakuan yang tidak simetris
• Amplitudo yang rendah 1x RPM di arah axial (kecuali pada kasus mesin overhung)

Analisa Waveform :

• Sangat sinusoidal, bentuk waveform simetrik setiap 1x RPM putaran poros

Analisa Data Phase :

• Beda fasa antara pembacaan horizontal dan vertical pada bearing yang sama adalah 90° out of phase (±30°)
• Fasa antara pembacaan horizontal atau vertical pada kedua bearing adalah In phase (±30°)
• Data fasa relatif stabil, perubahannya antara 15% - 20%

Jenis - jenis Unbalance :

1. Static Unbalance
2. Couple Unbalance
3. Overhung Unbalance

* Static Unbalance bisa diketahui dengan melihat ciri -  cirinya seperti ;

• Force unbalance akan berada pada phase dan steady
• Amplitudo yang disebabkan unbalance akan bertambah oleh hasil kali dari kecepatan (3x pertambahan kecepatan = 9x vibrasi yang lebih tinggi)
• Spectrum pada umumnya selalu didominasi oleh 1x RPM

Spectrum                                                                           Phase

        

Cara melakukan koreksi static unbalance bisa dilakukan dengan menempatkan pemberat / pembalance (balance weight) hanya pada satu bidang (satu plane) pada center of gravity dari rotor tersebut.

* Couple Unbalance bisa diketahui dari beberapa ciri - cirinya seperti berikut :

• phase yang cenderung mendekati 180° Out-of-phase pada poros yang sama, namun perlu diketahui bahwa mendekati perbedaan phase 180° seharusnya ada antara outboard dan inboard horizontal seperti outboard dan inboard vertical
• Spectrum pada umumnya selalu didominasi oleh 1x RPM
• Amplitudo bervariasi dengan hasil kali dari bertambahnya kecepatan
• Dalam kasus tertentu sering muncul juga vibrasi aksial yang tinggi seperti pada arah radial

Spectrum                                                                              Phase
           

Cara melakukan koreksi couple unbalance  membutuhkan dua bidang/dua plane untuk meletakkan pemberat (balance weight).
   
* Overhung Unbalance bisa diketahui dari beberapa ciri - cirinya seperti berikut :

• Vibrasi tinggi pada kedua axial maupun radialnya
• Pembacaan axial rata - rata tidak steady
• Sering pula muncul ciri - ciri seperti static unbalance maupun couple unbalance

Spectrum                                                                                   Phase

 

Cara melakukan koreksi overhung unbalance bisa dilakukan dengan menempatkan pemberat/pembalance (balance weight) pada satu bidang (satu plane)

Sekian sharing kali ini perihal pengenalan mengenai balancing. Mengenai cara melakukan koreksi unbalance dan macam - macam balancing akan di bahas di sharing berikutnya. Thanks for reading my article.

Silahkan baca juga ; Teori dasar mekanika fluida, Sistem kontrol pembangkit listrik, Masalah - masalah operasional umum pada gas turbine,

Governor

              Governor adalah suatu alat yang sangat fital sebagai pengendali pengoperasian pada Satuan Pembangkit (Turbine Generator ataupun Diesel) yang dapat diatur baik secara manual atau secara automatis dengan prinsip kerjanya adalah mengatur kecepatan pada putaran tetap (isochonous) dan pengatur beban secara automatis melalui Speed Droop, dengan mengatur jumlah Uap yang masuk pada steam chamber atau pemakaian bahan bakar fuel rack Unit Pembangkit (primover). Perlu kita akui bahwa sebagian besar dari kalangan pengelola Satuan Pembangkit maupun seorang teknisi yang melakukan trouble shooting beranggapan governor masih dianggap sebagai alat yang sakral untuk disentuh, sehingga sampai saat ini pemeliharaan governor sepertinya masih merupakan hak paten pabrikan melalui sub agennya, termasuk gangguan pada governor yang ringan sekalipun harus dikirim ke agen service station khusus, tentunya dengan biaya yang tidak sedikit, karena apa??? setiap governor yang bermasalah kita tidak pernah tahu alat apa yang rusak pada governor tersebut kita percaya apapun yang diinformasikan oleh servicer, selain itu petugas pemeliharaan kita selama ini masih sedikit sekali yang mau memberanikan diri mempelajari tentang governor tersebut, hal ini karena kurangnya dukungan dari Manajemen dalam memberikan kesempatan untuk mempelajari atau memberikan kursus tentang governor.Padahal apabila dipelajari via buku petunjuk, governor tidaklah serawan yang kita bayangkan selama ini untuk disentuh dan juga dibongkar sekalipun asal memang terlebih dahulu dipelajari dengan benar dari prinsip kerjanya, penyetelan-penyetelan, pemeliharaan, pengoperasian, serta pengenalan fungsi pada masing-masing bagian pada governor tersebut. Dalam pemeliharaan governor akan menjadi kendala apabila terjadi kerusakan pada bagian-bagian yang fital, karena selama ini berdasarkan pengalaman saya diskusi langsung dengan beberapa satuan pembangkit belum pernah mengadakan penggantian suku cadang governor yang dilakukan oleh petugas pemeliharaan secara langsung, paling tidak sebelum governor yang terganggu dikirim ke service station, terlebih dahulu sudah bida diidentifikasi kerusakan suku cadangnya, atau kalau perlu dapat diusahakan terlebih dahulu dengan memperbaiki dan mengganti suku cadang (kanibal) dari bagian-bagian governor type yang sama yang sudah tidak berfungsi lagi. Dengan kursus ini diharapkan dapat memberikan pengetahuan yang benar bagian mengoperasikan, memelihara, mengenal bagian-bagian secara menyeluruh tentang governor atau paling tidak dapat memicu keinginan petugas pemeliharaan untuk mengenal lebih jauh tentang governor guna menghindari karena tidak tahunya petugas tentang governor didalam pengoperasian sistem pembangkit menjadikan suatu penghalang atau penghambat dalam mengatasi maupun menganalisa masalah / gangguan yang terjadi pada sistem pembangkit tersebut.

Governor digunakan sebagai ‘interface’ antara turbin penggerak dan generator. Pengaturan putaran turbin sejak turbin mulai bergerak sampai steady state dilakukan oleh governor, jadi bukan diambil alih oleh governor. Fungsi utama pengaturan putaran ini adalah untuk menjaga kestabilan sistem secara keseluruhan terhadap adanya variasi beban atau gangguan pada sistem.

Ada dua mode operasi governor, yaitu droop dan isochronous. Pada mode droop, governor sudah memiliki “setting point” Pmech (daya mekanik) yang besarnya sesuai dengan rating generator atau menurut kebutuhan. Dengan adanya “fixed setting” ini, output daya listrik generator nilainya tetap dan adanya perubahan beban tidak akan mengakibatkan perubahan putaran turbin (daya berbanding lurus dengan putaran).

Sedangkan pada mode isochronous, “set point” putaran governor ditentukan berdasarkan kebutuhan daya listrik sistem pada saat itu (real time). Kemudian melalui internal proses di dalam governor (sesuai dengan kontrol logic dari manufaktur), governor akan menyesuaikan nilai output daya mekanik turbin supaya sesuai dengan daya listrik yang dibutuhkan sistem. Pada saat terjadi perubahan beban, governor akan menentukan setting point yang baru sesuai dengan aktual beban sehingga dengan pengaturan putaran ini diharapkan frekuensi listrik generator tetap berada di dalam “acceptable range” dan generator tidak mengalami “out of synchronization”.

Seperti halnya peralatan listrik yang lain, governor juga memiliki keterbatasan kemampuan. Parameter- parameter governor, seperti daya mekanik, gas producer, speed droop, dll… umumnya memiliki nilai batas atas dan batas bawah sesuai spesifikasi dari pabrik.

Governor's Isochronous

Silahkan baca juga ; - Sistem kontrol pada Pembangkit Listrik ( jilid 1 )              
                                        - Cara Pengoperasian Boiler                                    
                                        - Cara Mengoperasikan Turbine                                   
                                        - Alignment

Teori Dasar Mekanika Fluida

a.         Hukum Bernoulli

Pada aliran fluida inkompresibel satu dimensi (one dimensional incompressible flow) tekanan total (p_t) yang terjadi adalah konstan sepanjang aliran tersebut. Tekanan total adalah hasil penjumlahan dari tekanan statik (p_s) dan tekanan dinamik (p_d)

                                                                              p_t = p_s + p_d9

b.        Tekanan

            Tekanan total (p_t), tekanan statik (p_s) dan tekanan dinamik (p_d) bisanya dinyatakan dalam hubunganya dengan tekanan atmosfir yaitu tekanan absolut dan tekanan vakum (over pressure and depression)

c.   Hukum St. Venant

            Hukum Bernoulli hanya dapat diaplikasikan pada aliran inkompresibel (M ≤ 0.3). Saat aliran adalah kompresibel (M ≥ 0.3) missal aliran udara pada kecepatan supersonik, maka hukum St. Venant yang harus diaplikasikan untuk perhitungannya :

                                                          C_p.T + ½ ρ V² = konstan

                                                          dimana:

                                                          C_p = koefisien panas spesifik pada tekanan konstan

                                                          T   = temperatur absolut (^oC + 273)

                                                          C_p.T₁ = C_p.T₀ + ½ ρ V²      sehingga  T₁ = T₀ + ρ V²/ 2 C_p

                                                          Mach Number = M = Vi/20.05√ T₀

                                                          Rumus empiris = T₁ = T (1 + 0.2 M²)

d.        Aliran melewati tabung

            Pada aliran subsonik, aliran fluida/udara yang melewati tabung divergen (divergent duct) maka tekanan statik (p_s) akan naik dan kecepatan aliran V akan turun Sebaliknya aliran fluida/udara yang melewati tabung konvergen (convergent duct) maka tekanan statik (p_s) akan turun dan kecepatan aliran V akan naik.

e.         Jenis Aliran

            Pada aliran laminar vektor kecepatan pada setiap garis arusnya adalah sejajar. Kecepatan aliran bertambah secara bertahap mulai dari nol sepanjang dinding. Pada aliran turbulen, pada setiap garis arusnya terjadi gerakan yang tidak beraturan. Nilai Reynolds number (Re), tergantung dari kecepatan aliran, diameter tabung dan viskositas fluida 

f.         Laju Aliran

            Besarnya volume aliran tergantung dari luas permukaan S dan kecepatan aliran V : Q=S.V

Jika berat jenis aliran adalah ρ maka besarnya debit aliran menjadi Q=ρ.S.V

Dari perbedaan tekanan (ΔP) aliran masuk (upstream) dan aliran keluar (downstream) dan perbedaan luas penampangnya maka kita dapat menghitung kecepatan aliran sebagai berikut: V=K√ΔP, dimana K adalah koefisien yang nilainya tergantung dari harga massa spesifik fluida dan jenis aliran

Baca juga : - Kapitasi
                   - Sistem Kontrol Pembangkit Listrik

Sistem Kontrol pada Pembangkit Listrik ( Jilid 2 )

Konfigurasi Tandem Compound

                Untuk mengatur sistem pembangkitan listrik yang kompleks seperti yang pernah dibahas pada artikel sebelumnya "Sistem kontrol pada Pembangkit Listrik ( jilid 1 )", diperlukan sistem instrumentasi dan kontrol yang juga memadai. Sistem instrumentasi utama yang berhubungan langsung dengan generator dan turbin adalah sistem instrumentasi frekuensi dan sistem instrumentasi daya  . Sistem instrumetasi frekuensi diperlukan untuk mengukur frekuensi dari turbin dan generator. Dari hasil pengukuran frekuensi juga dapat diperoleh kecepatan putaran dari turbin dan generator dalam revolusi per menit (rpm). Pengukuran kecepatan pada generator menggunakan magnetic pickup. Magnetic pickup pada prinsipnya merupakan generator listrik AC dengan satu kutub. Generator listrik yang dipakai terdiri dari satu magnet dengan kumparan kawat tembaga pada kutubnya. Magnetic pickup dapat nmengukur frekuensi dari putaran turbin maupun generator memanfaatkan keberadaan dari fluks magnet pada magnet generator. Ketika suatu material magnetik mendekati kutub dari generator, fluks magnetik akan bertambah. Kebalikannya, ketika material magnetik menjauhi generator, fluks magnetik akan berkurang menjadi seperti semula. Gerigi dari gir yang berputar pada generator maupun turbin terbentuk dari material magnetik. Perubahan dari fluks magnetik akan menghasilkan tegangan AC ke kumparan kawat yang ada. Dari tegangan AC yang dihasilkan, dapat dicari frekuensi dari pergerakan turbin dan generator. Namun perlu diperhatikan bahwa bentuk gir an jarak antar gerigi gir juga perlu diperhitungkan dalam pengukuran.

Fluks Magnetik Berkurang

Sistem instrumentasi daya diperlukan untuk mengamati perubahan beban listrik pada generator serta menjadi bagian dari sistem kontrol steam turbine. Instrumen yang dipakai adalah load sensor. Load sensor menggunakan current transformer yang ditempatkan di dekat keluaran generator. Saat generator menghasilkan daya listrik, arus listrik AC akan mengalir dari generator dan menginduksi arus pada current transformer. Arus pada current transformer bersifat linear terhadap beban di generator

Perbandingan arus pada current transformer dengan beban generator

                Dengan adanya sistem instrumentasi, sebagian hal yang diperlukan untuk mengontrol sistem pembangkitan listrik sudah terpenuhi. Hal lain yang diperlukan untuk mengontrol sistem adalah aktuator. Aktuator yang biasa dipakai dalam sistem kontrol pembangkitan listrik adalah governor. Governor merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengatur kecepatan serta keluaran daya dari suatu mesin, turbin, maupun alat penghasil daya (penggerak utama) lainnya. Governor mendeteksi kecepatan atau beban dari suatu alat penghasil daya dan mengatur banyaknya bahan bakar atau steam (uap) yang perlu dialirkan ke alat penghasil daya untuk menjaga beban dan kecepatan dari penggerak utama pada nilai tertentu. Dengan pengaturan tersebut, suatu alat penghasil daya dapat digunakan untuk suatu keperluan berdasarkan keadaan tertentu. Jenis governor pertama adalah centrifugal governor. Centrifugal governor bekerja dengan memanfaatkan gaya sentrifugal untuk membuka atau menutup suatu valve yang berakibat pada perubahan besar aliran bahan bakar atau steam. Sekarang, governor telah berkembang menjadi dua jenis yaitu governor hidromekanik dan governor elektrik. Prinsip kerja kedua governor ini serupa, namun governor hidromekanik menggunakan sinyal hidrolik dan governor elektrik menggunakan sinyal elektrik.

                Agar dapat bekerja, suatu governor harus memiliki lima elemen utama. Kelima elemen tersebut adalah :

1.            Speed setting

Menentukan kecepatan yang tepat adalah suatu hal penting untuk meningkatkan kinerja penggerak utama. Maka dari itu, governor membutuhkan alat untuk menentukan kecepatan yang tepat. Pada governor hydro mechanical digunakan speed springer sebagai penentu kecepatan. Apabila gaya yang diterima speed springer semakin besar, maka semakin tinggi juga kecepatan yang dicapai. Sementara pada governor elektronik, arus dan tegangan dipakai untuk menentukan kecepatan. Semakin tinggi arus atau tegangan masukan maka semakin tinggi kecepatan yang dicapai

2.            Sensing speed

Untuk menentukan kecepatan, pertama-tama governor perlu menerima gaya yang sebanding dengan kecepatan awal dari penggerak utama. Gaya yang diterima ini akan menjadi referensi dari kerja speed setting. Pada governor hydro mechanical digunakan flyweight sebagai elemen sensing speed. Flyweight akan menerima gaya sentrifugal yang terjadi akibat rotasi yang disebabkan gaya aliran steam atau bahan bakar. Gaya aliran ini proporsional dengan kecepatan dari penggerak utama. Sementara pada governor elektronik digunakan instrumen vibrasi atau rotasi. Nilai frekuensi atau rotasi yang diperoleh akan menjadi dasar dari elemen speed setting

3.            Pembanding antara kecepatan aktual dan kecepatan yang diinginkan

Antara kecepatan aktual dengan kecepatan yang diinginkan perlu dilakukan pembandingan. Dari pembandingan ini, dapat dicari selisih dari kecepatan aktual dan kecepatan yang diinginkan. Apabila selisih kecepatan nol, maka kecepatan yang diinginkan dari penggerak utama telah tercapai. Apabila kecepatan aktual lebih besar dari kecepatan yang diinginkan, maka governor akan mengurangi bahan bakar. Sementara apabila kecepatan aktual lebih kecil dari kecepatan yang diinginkan, maka governor akan menambah bahan bakar. Pada governor hydro mechanical, kecepatan dibandingkan di thrust bearing. Sementara pada governor elektronik, kecepatan dibandingkan pada summing point.

4.            Aktuator pengatur masukan bahan bakar

Untuk menjaga kecepatan pada nilai tertentu yang diinginkan, diperlukan suatu aktuator untuk mengatur masukan bahan bakar. Baik pada governor hydro mechanical maupun governor elektrik, aktuator yang diapakai adalah valve. Namun sistem penggerak valve yang digunakan pada kedua governor berbeda. Pada governor hydro mechanical, sistem hidrolik dipakai sebagai penggerak valve. Pada governor elektrikal, sistem elektrik dipakai sebagai penggerak valve.

5.            Sistem stabilisasi penggerak utama

Kestabilan penggerak utama adalah salah satu hal yang perlu dicapai oleh governor. Untuk mencapai kestabilan tersebut, governor menggunakan sistem feedback. Sinyal feedback akan dikirimkan dari penggerak utama ke thrust bearing atau summing point dari governor. Sinyal feedback yang dikirimkan dapat berupa droop maupun kompensator.

                Apabila sistem instrumentasi serta aktuator untuk sistem kontrol pembangkitan listrik sudah terpenuhi, dibutuhkan metode- metode tertentu untuk sistem kontrol tersebut. Metode pada sistem kontrol pembangkitan listrik bersifat unik, karena tidak lazim dipakai pada sistem lainnya. Isochronous dan droop adalah metode kontrol yang umum dipakai pada sistem kontrol pembangkitan listrik. Pada metode kontrol isochronous, tidak terjadi perubahan frekuensi dari sistem apabila terjadi perubahan beban listrik. Sementara pada metode kontrol droop, perubahan beban listrik akan diikuti dengan perubahan frekuensi dari sistem. Apabila beban listrik bertambah maka frekuensi dari sistem akan berkurang sesuai dengan nilai persentase droop yang telah ditentukan

                Dengan penggunaan metode kontrol isochronous, valve akan terus bergerak untuk melakukan koreksi hingga frekuensi yang diinginkan tercapai. Kebalikannya, pada metode kontrol droop, valve akan berada pada posisi (bukaan) yang tetap yang telah ditentukan berdasarkan nilai persentase droop. Pada suatu sistem pembangkit listrik yang terdiri dari beberapa generator, metode kontrol isochronous dihindari karena dapat menyebabkan hunting. Hunting adalah keadaan dimana masing- masing generator yang terhubung dalam suatu jaringan berupaya untuk menyamakan frekuensi sistem. Adanya hunting dapat menyebabkan osilasi pada frekuensi sistem. Osilasi ini dapat terjadi akibat koreksi frekuensi yang menyebabkan terjadi overshoot. Governor akan berusaha menghilangkan overshoot dengan menurunkan frekuensi sistem, namun undershoot akan terjadi. Koreksi akan terus dilakukan governor hingga overshoot dan undershoot terus terjadi dan semakin kuat, sehingga mengakibatkan osilasi

Grafik metode kontrol isochronous

Grafik metode kontrol droop

Silahkan baca juga ; - Sistem kontrol pada Pembangkit Listrik ( jilid 1 )             
                                     - Cara Pengoperasian Boiler                                    
                                     - Cara Mengoperasikan Turbine Shinko                                   
                                     - Alignment

Sistem Kontrol pada Pembangkit Listrik ( jilid 1 )

             Dalam suatu sistem pembangkit listrik, dibutuhkan sistem kontrol maupun instrumentasi supaya pembangkitan energi dapat berjalan optimal dan menghasilkan energi sesuai target yang sudah ditetapkan. Sistem kontrol pada pembangkit listrik juga berperan untik menjaga keamanan dan stabilitas sistem. Namun, untuk mengerti sistem kontrol pada pembangkit listrik perlu juga mengetahui mengenai sistem pembangkitan listrik itu sendiri.

              Hal utama yang perlu diketahui tentang sistem pembangkit listrik yaitu mengenai komponen - komponen pada sistem pembangkitan itu sendiri, komponen utama yang dibutuhkan adalah Generator. Generator berfungsi untuk menghasilkan listrik, dengan cara mengkonversi aliran uap bertekanan yang berfungsi memutar rotor turbine (pada steam turbine generator) diteruskan untuk memutar rotor generator sehingga menjadi energi listrik. Generator sendiri terdiri dari stator yaitu bagian magnet generator yang statis, serta rotor yaitu kumparan yang bergerak. Prinsip kerja dari generator adalah Hukum Faraday. Hukum Faraday menyatakan bahwa suatu medan magnet yang berubah terhadap waktu akan menghasilkan suatu medan listrik. Pada generator sendiri, Hukum Faraday dapat terjadi karena adanya pergerakan rotor pada suatu medan magnet tertentu yang terjadi karena adanya stator. Pergerakan kawat tersebut menyebabkan adanya perubahan medan magnet yang terjadi seiring waktu. Dari perubahan medan magnet tersebutlah medan listrik dihasilkan

Cara Kerja Generator

Agar generator dapat menghasilkan listrik, dibutuhkan suatu penggerak rotor yaitu turbin. Turbin berguna untuk menyalurkan energi mekanik ke generator. Turbin dapat dibedakan berdasarkan media penggeraknya, yaitu dengan uap, gas, maupun air. Turbin uap pada dasarnya terdiri dari dua jenis, yaitu turbin reaksi dan turbin impuls. Dua jenis turbin uap ini memiliki perbedaan pada mekanisme penggerakkan turbin oleh aliran uap. Pada turbin impuls, turbin memanfaatkan gaya impuls dari uap berkecepatan tinggi. Untuk turbin reaksi, turbin memanfaatkan perubahan tekanan dari aliran uap untuk menggerakkan turbin. Perubahan tekanan dapat terjadi karena luas area dimana uap meninggalkan turbin lebih kecil dari luas area dimana uap memasuki turbin. Namun pada aplikasinya, hampir semua turbin uap yang dibuat merupakan kombinasi turbin impuls dan turbin reaksi. Kombinasi ini digunakan untuk meningkatkan efisiensi dari turbin.

Turbin juga dapat dibedakan berdasarkan sistem pengaliran uap, yaitu turbin ekstraksi, turbin admisi, turbin kondensasi. Turbin ekstraksi mengeluarkan uap yang telah dipakai untuk menggerakkan turbin dari sistem pembangkit listrik. Kebalikannya, turbin admisi memasukkan aliran uap tambahan untuk membantu aliran uap masukan menggerakkan turbin. Sementara turbin kondensasi mengeluarkan uap yang telah dipakai untuk menggerakkan turbin, lalu dikondensasi dan dialirkan kembali ke boiler. Uap yang telah menjadi air dialirkan kembali ke boiler agar dapat dipakai kembali.

Suatu turbin uap dapat dibagi menjadi beberapa bagian yaitu high pressure, intermediate pressure dan low pressure. Pada bagian high pressure, aliran uap yang masuk adalah aliran uap utama yang masih bertekanan tinggi. Sementara pada bagian intermediate pressure dan low pressure, aliran uap yang masuk adalah aliran uap bertekanan sedang dan rendah. Uap bertekanan sedang dapat diperoleh dari keluaran bagian high pressure. Sedangkan uap bertekenan rendah dapat diperoleh dari keluaran bagian intermediate pressure.

Bagian- bagian dari turbin uap ini dapat disusun dalam dua bentuk, yaitu tandem compound dan cross compound. Apabila uap yang digunakan diperoleh dari pembakaran air menggunakan bahan bakar fosil, maka kedua konfigurasi dapat digunakan. Pada tandem compound, semua bagian berada pada satu shaft dan terhubung ke satu generator. Berbeda dengan tandem compound, pada cross compound terdapat dua shaft. Masing-masing shaft terhubung ke generator dan digerakkan oleh minimal satu bagian turbin. Konfigurasi cross compound menghasilkan kapasitas daya yang lebih besar serta lebih efisien, walaupun menghabiskan biaya yang lebih banyak. Kedua konfigurasi tersebut dapat dilengkapi dengan sistem pemanasan ulang (reheat). Dengan adanya reheat, aliran uap dari bagian high pressure akan menuju ke boiler untuk dipanaskan kembali dengan reheater. Setelah itu aliran uap dikembalikan ke turbin bagian intermediate pressure. Adanya sistem reheat dapat meningkatkan efisisensi sistem

MASALAH-MASALAH OPERASIONAL UMUM PADA GAS TURBINE

Bentuk kerusakan yang paling sering ditemukan pada turbin gas adalah : 

  - Kegagalan bantalan

·          - Cacat sudu-sudu turbin

·          - Korosi temperatur tinggi (HTC)

·          - Erosi

·          - Tip rubbing

·          - Low-Cycle Fatique Cracking (LCF)

·          - High-Cycle Fatique Cracking (HCF)

·          - Foreign object damage (FOD)

·          - Compressor fouling

* Kegagalan Bantalan

Kegagalan bantalan dapat disebabkan oleh satu atau lebih jenis problem. Problem ini adalah:

·       Kontaminasi minyak pelumas

·  Aliran minyak pelumas yang rendah yang disebabkan oleh masalah fungsi pompa, penyumbatan saluran, atau bocor.

·       Getaran rotor

·       Kehilangan oli ke bantalan

·       Misalignment

* Cacat sudu-sudu turbin

Sudu-sudu rotor turbin, khususnya sudu-sudu tingkat pertama, adalah salah satu komponen yang paling vital dari unit turbin gas. Sudu turbin tingkat pertama berada pada lingkungan yang paling keras dilihat dari level tegangan, temperatur logam, dan level kontaminasi. Cacat yang paling umum yang timbul pada sudu-sudu rotor turbin dihasilkan akibat tumbukan, serangan korosi panas atau sulfidisasi, retak lelah termal, dan lubang creep akibat terkena temperatur dan tegangan tinggi dalam jangka waktu yang lama. (creep adalah istilah yang digunakan untuk mendefinisikan fenomena yang dihasilkan ketika komponen mulur akibat kombinasi beban temperatur dan tegangan. Tegangan diakibatkan oleh gaya sentrifugal). Dengan adanya perbaikan las modern dan teknik lainnya, kebanyakan cacat, dengan pengecualian retak lelah termal, dapat diperbaiki hingga pada taraf tertentu.

Perbaikan lasan umumnya terbatas pada perbaikan ujung sudu yang tipis, retak ujung sudu radial yang minor, dan kerusakan akibat benda asing pada ujung, dan sedikit pada sisi depan dan belakang sudu-sudu. Serangan korosi panas dapat dibersihkan secara kimia (oleh bak asam atau perlakuan temperatur tinggi) dan/atau secara mekanis (oleh poles permukaan) untuk menghilangkan korosi permukaan. Sifat-sifat material sudu sering dapat diperbaiki dengan cara perlakuan panas. Dengan penerapan teknik pelapisan anti-sulfidisasi, sudu dapat digunakan kembali.

* Korosi Temperatur Tinggi (HTC, High Temperature Corrosion)

HTC adalah salah satu masalah utama pada turbin gas karena dia memengaruhi umur dari komponen hot-gas secara signifikan. Ini disebabkan utamanya oleh  sulfur, vanadium, dan alkali seperti sodium sulfat (Na2SO4) yang bereaksi sebagai sulfida.

Pada kebanyakan kasus, sulfur dan vanadium ditemukan sebagai pengotor dalam bahan bakar, sedangkan alkali dapat masuk melalui bahan bakar atau udara masuk kompresor. Serangan korosi merusak bagian panas di mana lapisan oksida sebagai proteksi pada material sudu dirusak dan chromates serta sulfida terbentuk. Pembentukan senyawa seperti chromium-sulfur mengurangi kandungan chromium pada material sudu, sehingga mengurangi ketahanan korosi material tersebut. Korosi temperatur tinggi memakan sudu material dan membentuk deposit pada permukaan sudu-sudu. (Lihat Gambar 13)

Sepanjang tidak ada kehilangan material yang signifikan, seperti normalnya pada kasus sudu-sudu solid, tegangan tidak akan naik secara signifikan. Akan tetapi, kehilangan material dalam jumlah kecil pun akan menggeser frekuensi natural dari sudu putar ke daerah frekuensi yang tidak diijinkan dan menyebabkan tegangan akibat vibrasi yang tinggi karena terjadinya resonansi. Getaran tinggi ini dapat menyebabkan kegagalan lelah high-cycle. Situasinya menjadi lebih kritis pada sudu-sudu hollow atau sudu dengan jalur pendingin-udara karena kehilangan material dapat menimbulkan lubang dan merusak sistem pendinginan-udara dari sudu tersebut, yang dapat menyebabkan overheating terhadap material (Lihat Gambar 13). Kerusakan tekstur permukaan dapat menyebabkan penurunan kinerja akibat berkurangnya efisiensi aerodinamis dari sudu-sudu.

* Erosi

Erosi adalah keausan abrasif dari logam oleh partikel dalam fluida kerja. Partikel ini dibawa kedalam turbin gas melalui udara yang masuk ke kompresor atau melalui bahan bakar dalam bentuk pasir atau karat pada saluran pipa. Erosi akan meningkatkan kekasaran permukaan dan merusak bentuk air-foil.

Erosi sudu-sudu kompresor umumnya dihubungkan dengan partikel dalam udara berukuran di atas sekitar 10 mikron. Efek erosi sudu-sudu kompresor adalah berkurangnya efektivitas dan efisiensi. Pada jangka panjang, perubahan ini akan menyebabkan penurunan kinerja turbin, hingga membutuhkan proses reblade pada kompresor. Lebih jauh lagi, penipisan sisi belakang sudu selalu menurunkan kekuatan sudu dan dengan demikian sangat tidak diinginkan.

Pada banyak kasus, sudu-sudu turbin gas modern dilengkapi oleh lapisan pelindung untuk meningkatkan ketahanan korosi dari material dasar. Jika korosi merusak lapisan ini, korosi temperatur tinggi pada material dasar dapat mulai terjadi dengan segala konsekuensinya. Oleh karena itu, kehilangan mekanis dan ekonomis yang disebabkan oleh korosi juga disebabkan oleh erosi. Erosi juga dapat menyerang sudu secara lokal, yang menimbulkan kehilangan yang signifikan terhadap area profil dan kekuatan mekanis. Perlu diperhatikan bahwa serangan oleh korosi (pada banyak kasus) datang bersamaan dengan erosi.

* Tip Rubbing

Tip rubbing sebagai hasil dari internal misalignment, thermal stresses, distrosi casing, atau kegagalan bantalan, selalu mengelupas material pada permukaan kontak dan menyebabkan clearance radial bertambah. Pada kasus rubbing yang parah, retak akibat termal dapat terjadi pada bagian terluar selubung dari sudu-sudu statisoner, juga pada ujung sudu-sudu gerak (Lihat Gambar 14). Material yang terkelupas juga dapat memblok keluaran lubang pendinginan radial yang dapat menimbulkan overheating pada material sudu dengan konsekuensi yang serius. Perhatian juga harus diberikan pada kemungkinan terjadinya retak lelah low-cycle pada seksi akar yang disebabkan oleh tib rubbing berulang yang kuat akibat distorsi casing. Kebanyakan tip rubbing akibat distorsi casing disebabkan oleh thermal cycling (turbin start dan stop).

* Low Cycle Fatique Cracking (LCF)

Pada komponen seksi panas, LCF ditimbulkan dari tegangan frekuensi rendah dan regangan material. Tegangan ini dapat dihasilkan oleh distribusi temperatur yang tidak seragam pada bagian-bagian tersebut. Distribusi tidak seragam yang ditimbulkan dari gradien temperatur akibat pendinginan bagian-bagian panas atau dari perubahan temperatur gas. Perubahan temperatur yang cepat terjadi pada start-up dan shutdown, pada kasus perubahan beban yang cepat, dan khususnya ketika mesin berhenti jika bekerja pada beban tinggi. Untuk menjaga thermal stress tetap rendah selama start-up, akan menguntungkan jika digunakan motor starting yang kuat yang memungkinkan temperatur masuk turbin yang lebih rendah pada saat penyalaan dan selama akselerasi rotor. Karena bagian komponen yang tipis mengikuti perubahan temperatur lebih cepat daripada bagian yang tebal, berbagai bagian akan mengalami ekspansi termal material yang berbeda (hal ini dapat menyebabkan fenomena yang disebut lelah termal).

Retak akibat lelah termal biasanya berawal pada seksi yang tipis dari suatu komponen. Umumnya akan menguntungkan merancang komponen seksi panas sedemikian sehingga ekspansi termal tidak terbatasi. Contohnya, sudu stationer tunggal cenderung mengalami retak termal yang lebih sedikit dibandingkan dengan segmen sudu jamak. Terdapat lebih sedikit batasan untuk thermal growth pada segmen jenis sudu tunggal.

Thermal stresses dapat lebih tinggi daripada mechanically induced stresses, yang menghasilkan retak lelah termal yang dengan mudah dideteksi selama inspeksi. LCF dapat juga diawali oleh takikan yang ditimbulkan oleh korosi temperatur tinggi.

* High Cycle Fatique Cracking (HCF)

HCF dapat terjadi jika tegangan siklik pada sudu melampaui kekuatan lelah material komponen. Sudu-sudu yang dirancang untuk mencegah terjadinya hal ini pada kondisi operasi normal. Akan tetapi, setelah periode panjang servis yang memuaskan, retak pada sudu-sudu dapat terjadi. Hal ini dapat disebabkan oleh:

·     Tegangan vibrasi akibat resonansi, yang terjadi ketika suatu turbin bekerja pada daerah kecepatan yang memicu resonansi.

·        Kelakuan getaran dari sudu-sudu yang dirusak oleh kehilangan material yang hebat akibat korosi/erosi.

             ·       Kekuatan lelah material yang berkurang oleh serangan korosi. 
Walaupun retak vibrasi      pada sudu tidak memengaruhi kinerja termodinamik, turbin harus dikeluarkan segera, karena retak akan menjalar lebih jauh dan dapat menyebabkan bagian yang rusak terlepas dan merusak sudu (lihat Gambar 15a dan 15b). Oleh karena itulah mengapa retak vibrasi harus dianalisis dan tindakan korektif yang sesuai harus diambil.

* Foreign-Object Damage (FOD) dan Domestic-Object Damage (DOD)

FOD dihasilkan dari benturan objek eksternal pada sudu-sudu. DOD adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan kerusakan yang disebabkan oleh objek yang ditemukan di dalam mesin. Objek seperti ini dapat merupakan bagian dari turbin gas yang telah menjadi longgar atau patahan dari komponen lain. Tergantung pada massa objek tersebut, kerusakan sudu-sudu dapat mulai dari yang kecil hingga patahnya suatu sudu dengan deformasi yang besar pada sudu-sudu yang lain (lihat Gambar 16). Umumnya, sudu gerak lebih sensitif terhadap FOD daripada sudu diam karena dia menumbuk objek pada kecepatan putarnya. Hollow blade atau sudu dengan saluran udara pendingin dapat memaksa turbin berhenti bekerja disebabkan oleh sistem pendinginnya yang rusak. Pada banyak kasus, kerusakan akibat objek ini menyebabkan deformasi sudu yang besar dan juga retakan. Sudu-sudu ini kemudian sangat rentan terhadap perambatan retak akibat tegangan operasi atau akibat low-cycle fatique atau high-cycle fatique. Pengaruhnya terhadap penurunan kinerja termodinamik tergantung pada jumlah sudu yang rusak. Jika hanya beberapa airfoil yang rusak secara lokal, maka efeknya akan sulit diketahui.

* Compressor Fouling

Fouling menurunkan efisiensi kompresor, menurunkan tekanan discharge kompresor dan menyebabkan penurunan terhadap output kompresor, meningkatkan konsumsi bahan bakar dan mengurangi umur komponen hot-gas-path akibat operasi pada temperatur gas yang lebih tinggi.

Prosedur operasi dan perawatan yang sesuai dapat mengurangi fouling, erosi, dan FOD. Prosedur ini termasuk perawatan yang baik pada sistem filtrasi, pembersihan kompresor yang efektif, inspeksi periodik, dan perbaikan segera terhadap sudu-sudu. Pelapisan protektif juga telah diterapkan guna meminimumkan efek fouling dan erosi. Pelapisan yang digunakan untuk mencegah serangan pitting pada sudu kompresor juga akan menaikkan efisiensi karena permukaan yang lebih halus. Coating yang umum: turbin: TMT 2813L (Nickel Aluminide), kompresor: lapisan berdasar Aluminum-filled chromate/phospate, bagian terluar dilapisi dengan bahan kimia inert chromate phospate. Lapisan penghalang termal (keramik) dapat digunakan untuk memperpanjang umur bagian-bagian hot-gas-path. Lapisan anti korosi dapat digunakan untuk mencegah korosi pada sudu-sudu turbin.


Baca juga : - Sistem Kontrol Pembangkit Listrik
                       - Mekanika Fluida
                       - Pengoperasian Turbine Shinko
                       - Prosedur Umum Pengoperasian Boiler
                       - Alignment