Definisi
Baik sistem turbin uap maupun gas memiliki prinsip kerja dasar yang sama, yakni memanfaatkan fluida untuk menghasilkan energi. Namun, terdapat perbedaan yang cukup signifikan pada fluida yang digunakan. Turbin uap memanfaatkan fluida berbasis air, sementara turbin gas menggunakan udara atau jenis gas-gas lainnya untuk beroperasi. Selain itu, bagaimana fluida dimanfaatkan pada kedua turbin juga mengadakan perbedaan dasar.
Fluida kerja
Merupakan perbedaan mendasar pada kedua turbin tersebut. Turbin uap memanfaatkan air sebagai fluida opersionalnya, yang mana air tersebut akan dipanaskan dalam boiler hingga berwujud gas (uap) sebelum melewati turbin, dan dikembalikan menjadi air melalui kondenser setelah fluida melewati turbin
Sementara itu, turbin gas menggunakan gas seperti udara untuk dapat beroperasi. Hal tersebut mengingat sifat gas yang mudah terbakar menjadikannya efektif dalam proses ekspansi pada turbin. Akibatnya, berbeda dengan turbin uap, tidak ada proses perubahan wujud gas pada turbin tersebut
Komponen penyusun
Secara umum, turbin uap tersusun dengan komponen-komponen sebagai berikut:
- Boiler: sebagai alat untuk mentransfer panas ke fluida kerja (air). Boiler memanfaatkan sumber energi eksternal, seperti batu bara atau nuklir, untuk menghasilkan panas.
- Turbin: digunakan untuk mengonversi energi dari fluida menjadi bentuk energi lain, seperti contohnya listrik. Turbin tersusun atas beberapa propeller dengan sejumlah bilah, dan dapat berbentuk aksial atau sentrifugal. Di beberapa sistem turbin uap, terdapat 2 tahap ekspansi pada turbin (high dan low pressure turbine)
- Kondenser: berfungsi untuk melepas energi dari uap setelah melewati turbin agar berubah fase kembali menjadi air. Kondenser biasanya berupa cerobong dengan aliran fluida pada sisinya
- Pompa: sebagai alat yang digunakan untuk menaikkan tekanan aitr dalam siklus. Pompa bekerja secara berkebalikan dengan turbin, yaitu memanfaatkan sumber energi eksternal untuk ditransfer menuju fluida
- Generator: dalam pembangkit listrik, generator terhubung dengan turbin, yang mana saat diputar akan menghasilkan energi berupa tegangan listrik
Sementara itu, pada turbin gas, komponen-komponen dasarnya sebagai berikut:
- Kompresor: biasanya terletak di mulut sistem turbin. Berbeda dengan pompa, kompresor digunakan untuk menaikkan tekanan gas, dan umumnya penggunaan energinya lebih besar daripada pompa. Kompresor dapat berbentuk aksial dengan beberapa propeller, atau sentrifugal
- Ruang pembakaran: disebut juga combustion chamber, fungsi bagian tersebut mensuplai energi pada gas untuk mengekspansinya. sumber energi dari proses tersebut biasanya dari bahan bakar yang terbakar ketika tercampur dengan udara bertekanan tinggi
- Turbin: merupakan bagian utama dari sistem, yang mana memiliki fungsi sama dengan turbin uap. Terkadang, terdapat poros yang menghubungkan turbin dengan kompresor pada sistem turbin gas, yang memungkinkan transfer energi antara kedua komponen tersebut
- Exhaust: biasanya terdapat pada mesin jet pesawat, yang mana fungsinya untuk mengubah energi dari gas hasil pembakaran menjadi propulsi
- Heat exchanger: berbeda dengan exhaust nozzle, heat exchanger biasanya terdapat pada siklus tertutup, dan berfungsi untuk memanfaatkan kembali panas hasil pembakaran gas pada turbin dengan siklus gabungan gas-uap
- Generator: ketika turbin gas dipakai untuk kebutuhan PLTU, generator dapat digunakan untuk mengonversi energi rotasi pada turbin menjadi tegangan listrik
Prinsip kerja
Berdasarkan prinsip termodinamika, sistem turbin uap bekerja dengan mengaplikasikan siklus Rankine, yang mana diagram T-S (Temperatur terhadap entropi) dari siklus tersebut sebagai berikut:
Gambar 1: diagram T-S pada siklus Rankine. Sumber: https://www.thermodynamics-forum.com/thermodynamics-forum/thermodynamics-forum/how-to-calculate-pump-work-in-the-rankine-cycle
Berdasarkan siklus tersebut, proses operasi turbin uap sederhana adalah sebagai berikut:
- Evaporasi: proses pemberian kalor pada air (fluida kerja) pada boiler, sehingga entropinya meningkat dan berubah fase menjadi gas (uap)
- Ekspansi: uap bertekanan dan temperatur tinggi mengalami ekspansi saat melewati turbin. Akibatnya energi kinetik gas menurun, yang dapat dilihat dari penurunan baik tekanan maupun temperatur uap tersebut
- Kondensasi: setelah melewati turbin, uap diarahkan menuju kondenser yang mana pada tahap tersebut uap melepas energinya dalam bentuk pengurangan entropi dan perubahan wujud menjadi cair (air)
- Kompresi: air diarahkan melewati feedwater pump yang mana akan diberikan energi berupa penambahan tekanan. Selanjutnya, air menuju boiler dan siklusnya kembali diulang
Sementara itu, turbin gas mengaplikasikan siklus Brayton dalam pengoperasiannya, yang mana diagram T-S nya sebagai berikut:
Gambar 2: Diagram T-S pada siklus Brayton. Sumber: https://www.sciencefacts.net/brayton-cycle.html
Berdasarkan pengaplikasiannya, cara kerja turbin gas adalah sebagai berikut:
- Kompresi: udara bertekanan rendah dimampatkan menggunakan kompresor, sehingga tekanannya meningkat sebelum melewati ruang pembakaran
- Kombusi: berbeda dengan turbin uap, pada turbin gas, fluida kerja bertekanan akan dicampur dengan bahan bakar pada ruang bakar (combustion chamber) sehingga temperaturnya meningkat. Kemudian gas hasil pembakaran diarahkan menuju turbin
- Ekspansi: saat melewati turbin, sama halnya dengan turbin uap, energi kinetik gas akan ditransfer menuju turbin. Di beberapa jenis turbin gas, turbin dihubungkan dengan kompresor melalui poros (shaft) yang memungkinkan sebagian energi kinetik yang diterima turbin didistribusikan menuju kompresor
- Exhaust: gas akan ditujukan ke lingkungan sebagai gas buang. Namun, pada siklus tertutup, gas buang akan diarahkan kembali menuju kompresor untuk mengulangi siklusnya. Sementara itu, terdapat pula heat exchanger pada turbin gabungan gas-uap untuk memanfaatkan panas pada gas buang sebagai boiler pada siklus uap
Aplikasi
Secara umum, turbin uap digunakan untuk kebutuhan-kebutuhan berikut:
- PLTU/PLTN: siklus uap dengan boiler berbahan bakar batu bara atau reaksi nuklir dimanfaatkan untuk memodifikasi aliran fluida agar dapat memutar turbin elektrik
- Kereta api tenaga uap: pada kereta jenis tersebut, dimanfaatkan aliran uap untuk menggerakkan lokomotif. Namun, uap bertekanan di sistem tersebut dipakai bukan untuk memutar turbin, melainkan piston yang menggerakkan as-as roda lokomotif
Sementara itu, aplikasi turbin gas adalah sebagai berikut:
- Mesin jet pesawat terbang: mesin turbo yang dipakai pesawat terbang modern memanfaatkan pengompresian udara untuk memutar turbinnya dan menghasilkan propulsi. Dengan jenis mesin tersebut, pesawat dapat menghasilkan gaya dorong (thrust) yang optimal pada ketinggian jelajah yang cukup tinggi
- Pembangkit listrik tenaga gas-uap: pembangkit jenis tersebut memanfaatkan uap untuk siklus utamanya. Sementara itu, panas yang ditransfer pada fluida kerja didapat dari gas hasil pembakaran pada siklus Brayton yang menyertainya
