TURBIN GAS

1.  KLASIFIKASI TURBIN GAS

Turbin gas ialah alat yang menghasilkan daya mekanikal poros yang menggerakkan alat-alat tertentu seperti pompa, kompresor atau generator listrik. Untuk menghasilkan daya penggerak tersebut, turbin gas melakukan beberapa proses, yaitu pengambilan udara, kompresi udara, pembakaran, dan ekspansi. Semua proses ini erat kaitannya dengan temperatur dan tekanan yang tinggi. Maka perkembangan turbin gas saat ini lebih difokuskan pada pencarian material turbin yang memiliki daya tahan yang lebih tinggi terhadap temperatur dan tekanan tinggi.

TIPE BERDASARKAN SIKLUS TURBIN GAS

Secara thermodinamik, proses turbin gas disebut juga dengan siklus turbin gas sederhana yang biasanya dikenal dengan siklus brayton. Siklus turbin gas sederhana ini pertama kali diajarkan oleh seorang insinyur dari universitas Boston, George Brayton, pada akhir abad 19. Siklus Brayton ini terdiri dari tiga proses dasar, yaitu proses kompresi fluida yang dilanjutkan dengan penambahan kalor/panas (pembakaran) pada tekanan tetap kemudian berekspansi.     

Gambar 1. Siklus Brayton dengan grafik P-V dan T-S

Pada gambar 1 menunjukkan siklus sederhana Brayton ideal dengan pendekatan diagran klasik hubungan tekanan-volume (PV) dan temperatur-entropi (TS). Penjelasannya yaitu :

1 – 2           Menunjukkan proses kompresi yang terjadi pada kompresor.

2 – 3           Menunujukkan penambahan kalor pada tekanan tetap saat terjadi proses pembakaran.

3 – 4           Menunjukkan udara dan gas panas yang berekspansi.

4 – 1           Menunjukkan proses pendinginan pada tekanan tetap.

Daya maupun energi yang dihasilkan oleh turbin gas dapat digunakan dalam berbagai macam bentuk. Hal ini dikarenakan, mesin yang menggunakan siklus brayton ini dapat diadaptasikan menjadi berbagai macam bentuk aplikasi yang telah dikembangkan. Tentunya siklus brayton yang digunakan dapat divariasikan dan disesuaikan dengan perkembangan yang telah dilakukan.

A. Turbin Gas Siklus Brayton Tertutup Sederhana

Turbin gas dengan siklus tertutup ini menggunakan fluida kerja yang mengalir pada aliran tertutup dan mengalami penambahan dan pelepasan kalor. Proses kompresi dan ekspansi yang dilakukan sama dengan proses pada siklus terbuka, sedangkan untuk proses pembakaran diganti dengan proses penambahan kalor menggunakan heat exchanger. Setelah udara dikompresikan kemudian dipanaskan oleh heat exchanger. Udara panas ini kemudian menggerakkan turbin. Udara ini lalu didinginkan dan dialirkan kembali ke kompresor.

Gambar 2. Siklus Tertutup

B. Turbin Gas Siklus Brayton Terbuka Sederhana

Tipe turbin gas yang sering dipakai saat ini adalah siklus terbuka sederhana. Karakteristiknya adalah mengambil udara ke kompresor sebagai substansi kerja yang telah dikompresikan kemudian diteruskan ke ruang bakar. Di ruang bakar, temperatur dinaikkan ke tingkat tertentu sesuai dengan banyak bahan bakar yang dibakar, kemudian diekspansikan ke atmosfer dengan melewati turbin.

Gambar 3. Siklus Terbuka

Pada industri perminyakan dan gas, turbin gas yang sering digunakan adalah siklus terbuka. Pada bagian turbin daya dari turbin gas tipe ini dihubungkan ke kompresor sentrifugal untuk menginjeksikan atau menyedot gas alam. Pada umumnya turbin set ini dibagi menjadi dua bagian utama, yaitu bagian pembangkit gas dan bagian turbin daya. Bagian pembangkit gas terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan turbin tekanan tinggi. Sedangkan bagian turbin daya terdiri dari turbin tekanan rendah.

TIPE BERDASARKAN POROS TURBIN GAS

Berdasarkan konfigurasi poros mekaniknya, turbin gas terbagi :

1.    Sistem turbin gas poros tunggal

2.    Sistem turbin gas poros ganda

A. Turbin gas poros tunggal

Turbin gas poros tunggal menghubungkan antara kompresor, turbin, dan beban.

Gambar 4. Turbin gas poros tunggal

B. Turbin gas poros ganda

Sistem turbin gas dengan dua poros ini mempunyai dua unit turbin gas set yang terpisah, yaitu turbin gas penggerak kompresor dan turbin gas yang menghasilkan daya serta menggerakkan beban. Jadi, poros pertama menghubungkan turbin pembangkit gas dengan poros yang lainnya.

Gambar 5. Turbin gas poros ganda

2.  KOMPONEN KOMPRESOR SET

Dalam industri perminyakan dan gas, turbin gas biasanya digunakan untuk menggerakkan kompresor sentrifugal. Jenis turbin gas dan kompresor yang digunakan disesuaikan dengan kebutuhan dari konsumen. Dalam hal ini, biasanya paket turbin gas dan kompresor sentrifugal disebut kompresor set. Kompresor set merupakan suatu paket operasional yang terdiri dari beberapa komponen terkait yang bekerja secara selaras. Kompresor set terdiri dari beberapa komponen utama, antara lain turbin gas, kompresor sentrifugal, poros penghubung antara turbin gas dan kompresor, sistem pengontrolan dan katup-katup, serta tambahan-tambahan lain untuk mendukung operasional kompresor set. Pada kompresor sentrifugal dan turbin gas terdapat berbagai komponen didalamnya.

3.  TURBIN GAS

Turbin gas terdiri dari tiga komponen utama, yaitu kompresor aksial, ruang bakar, dan turbin. Namun dalam kondisi operasionalnya, turbin gas dilengkapi dengan berbagai pendukung, seperti saluran masuk udara (air inlet duct), saluran keluar (exhaust duct), dan roda gigi (gear box). Berikut akan dibahas mengenai komponen-komponen pada turbin gas.

A. Saluran Masuk Udara

Saluran masuk udara berfungsi sebagai filter terhadap partikel-partikel yang terbawa udara sebelum memasuki kompresor. Bagian ini antara lain:

1. Air inlet housing,  tempat udara masuk yang didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.

2. Inertia separator, berfungsi dalam membersihkan partikel-partikel asing yang terbawa masuk oleh udara.

3. Main filter, penyaring utama yang tedapat pada bagian dalam inlet house.

4. Air intake duct, berfungsi membagi udara agar merata ketika memasuki ruang kompresor.

B. Kompresor Aksial

Kompresor aksial berfungsi mengkompresikan udara dari saluran masuk hingga bertekanan tinggi sehingga ketika terjadi pembakaran, akan dapat menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang dapat menimbulkan daya keluaran turbin yang besar.

1. Inlet guide van, untuk mengatur volume dan mengarahkan udara yang akan masuk ke kompresor.

2. Rotor assembly, bagian dari kompresor aksial yang berputar pada porosnya.

3. Stator assembly, mengarahkan dan mengurangi kecepatan aliran udara.

4. Diffuser, mengkonversi kecepatan menjadi tekanan, sehingga kecepatan udara yang akan masuk ke combustion section tidak terlalu besar.

C. Combustion Section

Fungsi dari ruang bakar adalah untuk menambahkan energi panas ke aliran udara, sehingga menaikkan temperatur aliran udara melewati ruang bakar. Fungsi dari keseluruhan fungsi ini adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin. Sistem pembakaran ini terdiri dari komponen yang jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas, antara lain :

1. Combustion chamber, berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara bertekanan dengan bahan bakar yang masuk.

2. Fuel injector, sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam combustion liner.

3. Fuel manifold, mensuplai bahan bakar yang akan disalurkan melalui fuel injcetor.

4. Ignitors, untuk memercikkan bunga api ke dalam ruang bahan bakar sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar.

D. Turbin Section

Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan untuk menggerakkan kompresor sentrifugal dan perlengkapan lainnya. Komponen turbin section adalah sebagai berikut :

1. Turbin rotor case

2. First stage nozzle, berfungsi mengkonversikan tekanan menjadi kecepatan gas panas yang akan masuk ke first stage GP Turbine.

3. First stage GP Turbine, berfungsi mengkonversikan energi kinetik dari aliran udara yang bertekanan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaran rotor.

4. Second stage nozzle, berfungsi menkonversikan tekanan menjadi kecepatan gas panas yang akan masuk ke second stage GP Turbine.

5. Second stage GP Turbine, untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang lebih besar dengan memanfaatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first stage GP Turbine.

6. 3rd Nozzle, berfungsi untuk mengkonversikan tekanan menjadi kecepatan gas panas yang akan masuk ke PT Turbine.

7. PT Turbine, memanfaatkan energi kinetik untuk dikonversi menjadi energi mekanik berupa putaran rotor yang nantinya akan digunakan untuk memutar kompresor sentrifugal.

E. Saluran Buang Gas

Merupakan bagian terakhir dari turbin gas yang berfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas. Gas keluar dari PT Turbine melalui exhaust diffuser pada exhaust frame assembly, lalu mengalir ke exhaust collector dan kemudian dibuang ke atmosfer.