TURBINE PERFORMANCE ~ Bagian 1

1. Tujuan Turbine Performance

Turbine Performance bertujuan untuk mengetahui daya mampu dan heat rate steam turbine.

2. Lingkup Turbine Performance

Menurut ASME PTC 6-2004, performance steam turbine pada kondisi operasi tertentu biasanya diukur dengan lima parameter berikut:

1. Power Output, adalah daya yang mampu dihasilkan oleh generator. Selain itu diukur pula total auxiliary power consumption.
2. Heat Rate, adalah banyak nya energy yang dibutuhkan untuk membangkitkan 1 kWh electricity. Dari nilai heat rate dapat dihitung pula efisiensi thermal nya.
3. Feedwater flow, adalah jumlah laju aliran massa air pengisi.
4. Steam Flow, adalah jumlah laju aliran massa uap air.
5. Steam Rate, adalah jumlah laju aliran massa uap air untuk membangkitkan 1 kWh.

Sebelum dilakukan pengujian performance steam turbine, perlu dilakukan persiapan sebagai berikut:

• Mempersiapkan peralatan uji seperti tercantum pada Tabel 1 (Bagian 2)
• Menyampaikan surat permintaan ijin pengaturan beban kepada P3BS (sebaiknya disampaikan pada saat RAE).
• Untuk kondisi pengujian normal, blowdown valve dan make up water pada kondisi close. Apabila tingkat kesadahan silika tinggi, blowdown valve boleh dibuka. Apabila level hotwell condenser berada di bawah normal, make up water harus dibuka.
• Untuk kondisi pengujian isolated, seluruh drain valves, bypass valves dan isolation valves ditutup. Tingkat kesadahan silika dan level hotwell condenser unit pembangkit dikondisikan terlebih dahulu sesuai standard/desain pembangkit supaya pada saat pengujian blowdown valve dan make up water tidak perlu dibuka.
• Saat pengujian, suplai auxiliary steam dari pembangkit untuk keperluan eksternal harus diisolasi.
• Tidak melakukan sootblowing selama pengambilan data.

3. Referensi Standar Turbine Performance

Standar-standar yang biasa digunakan dalam perhitungan Turbine performance adalah sebagai berikut:

• The American Society of Mechanical Engineers, “Steam Turbines”, Performance Test Code 6, 2004.
• The American Society of Mechanical Engineers, “Appendix A To PTC”, Performance Test Code 6A, 2000.

4. Perhitungan Turbine Heat Rate

Turbine heat rate merupakan energi yang dibutuhkan turbin yang diperoleh dari proses transfer panas untuk menghasilkan 1 kWh electricity. Untuk memudahkan perhitungan turbine heat rate harus dipahami terlebih dahulu heat balance dari unit pembangkit tersebut.

Diagram Heat Balance PLTU

Dari skema heat balance diatas dapat diketahui diagram alir air dan uap pada PLTU. Konfigurasi dari masing-masing heater sangat mempengaruhi dalam perhitungan turbine heat rate, khususnya untuk menentukan jumlah aliran feed water dan cold reheat. Persamaan yang digunakan untuk menghitung turbine heat rate sebagai berikut:

Turbine Heat Rate =  (Heat in - Heat Out) / Generator Power Output , (kJ/kWh)

Dimana :

Heat in : Energi panas yang masuk ke turbin (kJ/hr)

Heat out : Energi panas yang keluar dari turbin (kJ/hr)

Karena adanya pengaruh dari temperatur dan tekanan pada perhitungan turbine heat rate, maka nilai turbine heat rate perlu dikoreksi oleh faktor-faktor berikut 

k1 = faktor koreksi dari tekanan main steam

k2 = faktor koreksi dari temperatur main steam

k3 = faktor koreksi dari condenser pressure

k4 = faktor koreksi dari power factor

k5 = faktor koreksi dari frekuensi

Sehingga nilai turbine heat rate setelah dikoreksi menjadi :

THR Corrected = Turbine Heat Rate /  Total Faktor Koreksi , (kJ/kWh) 

Dimana :

Total Faktor Koreksi = k1 x k2 x k3 x k4 x k5 

4.1. HEAT IN

Heat in merupakan seluruh energi yang masuk pada sistem boundary turbin. Heat in pada turbin meliputi energi pada main steam. heat in terdiri dari : 

Heat in = Qms = (Ms . Hs) , (kJ/jam)

Dimana :

Qms : Energi pada main steam (kJ/jam)

Ms : Jumlah aliran main steam (kg/jam)

Hs : Enthalphy pada main steam (kJ/jam)

Dari formula diatas nilai entalphy pada main steam berasal dari pemanasan feed water pada boiler hingga menjadi uap superheated. Enthalphy pada main steam dapat diketahui dari parameter tekanan dan temperatur (P dan T). Kedua parameter tersebut akan menunjukan nilai enthalphy berdasarkan diagram moiler. Sedangkan untuk jumlah aliran main steam dapat diketahui berdasarkan kesetimbangan masa pada heat balance unit yang ditunjukan pada diagram Heat Balance.

4.2. ALIRAN MAIN STEAM

Main steam merupakan uap superheated yang digunakan untuk menggerakan high pressure turbin. Aliran pada main steam sebagian besar berasal dari aliran feed water yang dipanaskan pada boiler. Namun demikian saat terjadi kelebihan temperatur pada aliran steam di superheater, superheater spraywater akan memberikan aliran pada laluan steam tersebut untuk menurunkan temperatur di superheater tersebut. Terdapat dua superheater spraywater pada PLTU ini, yaitu setelah low temperature superheater inlet header dan setelah platen superheater. Kedua aliran pada superheater spraywater berasal dari outlet boiler feed pump dan memberikan kontrisbusi terhadap peningkatan aliran pada main steam. Selain itu jumlah aliran make up water, storage pada deaerator dan hot well, serta blowdown flow juga memberikan kontribusi terhadap aliran main steam. Dengan demikian aliran main steam dapat diketahui berdasarkan : 

Ms=Mfw+Mis–Mmu,(kg/jam) 

Mmu=Mm–(Mcs+Mds+Mbd+Mdv), (kg/jam) 

Dimana : 

Ms : Jumlah aliran pada main steam (kg/jam)

Mfw : Jumlah aliran pada final feed water (kg/jam)

Mis : Jumlah aliran superheater spraywater (kg/jam)

Mmu : Total make up flow (kg/jam)

Mm : Aliran make up water flow ke kondensor (kg/jam)

Mcs : Konsendor hot well storage (kg/jam)

Mds : Deaerator tank storage (kg/jam)

Mbd : Aliran blowdown (kg/jam)

Mdv : Aliran deaerator vent (kg/jam).

Dari seluruh aliran tersebut jumlah final feed water yang paling mempengaruhi perubahan pada main steam. Jumlah feedwater berdasarkan heat balance diperoleh dari kesetimbangan energi pada masing-masing high pressure heater. Sehingga jumlah final feed water terdiri dari : 

Feedwater ke steam generator

Mfw = Mcw+Mext1+Mext2+Mext3-Mds-Mis–Mdv, (kg/jam) 

Dimana :

Mcw :Jumlah aliran condensate water ke deaerator (kg/jam)

Mext1 :Jumlah aliran uap ekstraksi dari HP turbin ke HP heater 1 (kg/jam)

Mext2 :Jumlah aliran uap ekstraksi dari HP turbin ke HP heater 2 (kg/jam)

Mext3 :Jumlah aliran uap ekstraksi dari HP turbin ke deaerator (kg/jam)

Heat balance pada HP heater 1

Mfw(Hfw–Hw1) = Mext1(Hex1–Hd1), (kg/jam) 

Dimana :

Hfw : Enthalphy feed water (kJ/kg)

Hw1 : Enthalphy feed water ke high pressure heater 1 (kJ/kg)

Hext1 : Enthalphy extraction steam ke high pressure heater 1 (kJ/kg)

Hd1 : Enthalphy drain water dari high pressure heater 1 (kJ/kg)

Heat balance pada HP heater 2

Mfw(Hw1–Hw2)= Mext2(Hex2–Hd2)+mext1(Hd1–Hd2),(kg/jam)

Dimana :

Hw2 : Enthalphy feed water ke high pressure heater 2 (kJ/kg)

Hext2 : Enthalphy exctraction steam ke high pressure heater 2 (kJ/kg)

Hd2 : Enthalphy drain water dari high pressure heater 2 (kJ/kg)

Heat balance pada deaerator

(Mfw+Mis)Hd3+MgsHgs=Mext3Hext3+MdsHd3+McwHcw+ (Mext1+Mext2)Hd2, (kg/jam)

Dimana :

Hext3 : Enthalphy extraction steam ke deaerator (kJ/kg)

Hd3 : Enthalphy feed water dari deaerator (kJ/kg)

Hcw : Enthalphy condensate water ke deaerator (kj/kg)

Hgs : Enthalphy gland seal dari deaerator (kj/kg)

Deaerator or Boiler Drum tank storage 

Dimana : 

G : (kg/jam)
l : Panjang dimensi drum (m)

ρ : Massa jenis air di dalam drum (kg/m3)

H1 : Level air drum awal (m)

H2 : Level air drum akhir (m)

R : Jari-jari dimensi drum (m)

t : Durasi waktu pengetesan (jam) 

Deaerator vent

Mdv=36(√Pd/Vd) ,(kg/hr) 

Dimana:

Pd : Deaerator shell pressure (bar)

Vd : Volume spesifik (kg/jam)

Seperti dijelaskan sebelumnya, nilai enthalphy pada perhitungan feed water diatas diperoleh dari parameter tekanan dan temperatur. Selain jumlah final feed water, besarnya jumlah keseluruhan make up flow dan kebocoran pada steam yang digunakan untuk gland seal system juga ikut mempengaruhi jumlah main steam. Formula untuk perhitungan keseluruhan make up flow dan jumlah gland seal system yaitu :

Kondensor hot well storage

Dimana :

L : Panjang dimensi hot well (m)

ρ : Massa jenis air di dalam hot well (kg/m3)

H1 : Level air hot well awal (m)

H2 : Level air hot well akhir (m)

W1 : Lebar dimensi hot well bawah (m)

W2 : Lebar dimensi hot well atas (m)

∆t : Durasi waktu pengetesan (jam) 

4.3. HEAT OUT

Heat out merupakan seluruh energi yang keluar pada sistem boundary turbin. Heat out pada turbin meliputi energi pada final feed wáter dan superheater spraywater. Sehingga heat out terdiri dari: 

Heat out = Qfw +Qis, (kJ/hr) 

Heat out = (Mfw Hf)+(Mis Hw2), (kJ/hr)