ccitonline.com

A. Project Title

Perancangan Turbin Impuls Axial untuk pengaplikasian pada Pembangkit Listrik Geotermal Dry Steam

B. Author Complete Name

Marvienello Indriawan

C. Affiliation

Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia

D. Abstract

Bumi memiliki berbagai sumber daya alam yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi, salah satunya adalah energi panas bumi (geotermal). Energi ini memiliki potensi besar untuk dikonversi menjadi energi listrik dan menjadi alternatif sumber energi terbarukan yang dapat mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil. Salah satu penerapannya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) dengan sistem dry steam, yang memanfaatkan uap panas bumi secara langsung untuk menggerakkan turbin. Proyek ini menyajikan perancangan awal turbin uap aksial tipe impuls untuk PLTP dry steam dengan mempertimbangkan parameter utama seperti tekanan dan temperatur uap masuk, laju aliran massa, tekanan keluar, serta daya yang ditargetkan. Parameter tersebut digunakan dalam analisis termodinamika dan perancangan awal untuk menentukan karakteristik ekspansi uap, dimensi utama turbin, serta parameter operasi yang diperlukan. Hasil perancangan diharapkan dapat menjadi dasar untuk pengembangan desain turbin yang lebih lanjut serta menunjukkan potensi penerapan turbin impuls pada pembangkit listrik tenaga panas bumi.

Keywords: Geotermal, Pembangkit Listrik, Turbin, Desain Turbin, Konversi Energi, Dry Steam

E. Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I

Fokus saya pada tugas besar ini mengenai pemanfaatan panas geotermal yang dapat dikonversikan menjadi energi menggunakan turbin berawal dari sebuah kesadaran dimana Bumi sudah memberikan begitu banyak kepada manusia, namun manusia terus-menerus menerima tanpa memberi kembali, ataupun mengembalikannya secara destruktif. Alangkah baiknya apabila kita sebagai Mechanical Engineer dapat mencari cara untuk menghasilkan energi dengan jumlah yang bermanfaat sambil memperhatikan dampaknya kepada lingkungan sekitar. Meskipun benar pembangkit listrik geotermal tidak bersifat bersih secara keseluruhan, namun menurut saya hal tersebut dapat menjadi langkah ke arah yang benar, membawa kembali kesetimbangan pada alam yang dapat menguntungkan alam dan manusia.

2. Intention of the Project Activity

Niat yang mendasari penelitian ini adalah untuk menghasilkan desain turbin yang mudah dipahami dan diikuti langkah-langkahnya, dengan tujuan utama membentuk turbin seefisien mungkin untuk tidak menyia-nyiakan apa yang telah diberikan oleh bumi melewati plant geotermal ini. Dengan instruction set yang akan saya rancang, permasalahan dalam pertimbangan desain dan parameter dapat dimudahkan dan dibersihkan workflownya.

F. Introduction (Initial Thinking)

Pembangkit listrik tenaga panas bumi dry steam (sepenuhnya uap jenuh & uap superheated, tanpa campuran cairan) memanfaatkan uap jenuh atau uap yang sedikit superheated yang berasal langsung dari sumur produksi, sehingga uap dapat dialirkan ke turbin dan dimanfaatkan menjadi energi tanpa perlu menggunakan energi external / boiler. Indonesia merupakan salah satu dari sedikit negara yang memiliki zona geotermal yang bersifat dry steam, seperti Kamojang dan Darajat di Jawa Barat. Masalah yang dihadapi adalah merancang turbin yang mengubah entalpi uap panas bumi yang relatif bertekanan rendah menjadi daya poros secara efisien, dengan kondisi uap yang korosif dan mengandung gas non-kondensabel (CO₂, H₂S).

Tekanan uap panas bumi (~6–10 bar) jauh lebih rendah dibandingkan tekanan uap yang dapat dihasilkan oleh boiler (~100 bar), sehingga daya yang dapat dihasilkan dari perubahan entalpi [W_dot = m_dot (h1 – h2)] perlu diseimbangkan dengan laju alir massa yang besar agar penghasilan daya dari turbin geotermal ini lebih memungkinkan digunakan / sebanding dengan penghasilan daya dari turbin pada sistem boiler. Meskipun penurunan entalpi selama melalui turbin tidak sebesar pada sistem boiler, masih tidak dapat diabaikan, sehingga turbin perlu dirancang bertingkat agar kecepatan uap dan tegangan blade tetap aman.

Berikut adalah skematik dari pembangkit listrik geotermal, dimana uap panas keluar dari bumi (tanpa perlu dipisah cairan & uap karena bersifat dry steam) yang kemudian melewati turbin. Setelah itu, uap sehabis turbin dikondensasi agar dapat menahan kondisi tekanan rendah setelah turbin (perbedaan tekanan yang lebih besar berarti perbedaan entalpi lebih besar, sehingga lebih banyak tenaga yang dapat dihasilkan); lalu hasil kondensasi tersebut dikembalikan ke bumi untuk menjaga kesetimbangan tekanan reservoir, yang membuat plant geotermal menjadi sustainable.

Turbin geotermal modern umumnya berupa turbin uap aksial multistage impuls-reaksi dengan blade berlapis, pemisah kelembaban, dan material tahan korosi. Masalah yang belum sepenuhnya selesai adalah erosi tetesan air pada tingkat akhir dan kerak pada nosel.

Dengan wawasan tersebut, dapat diambil masalah umum yang dipecah menjadi:

• Berapa jumlah tingkat ideal pada turbin?
• Berapa penurunan entalpi per tingkat?
• Bagaimana bentuk segitiga kecepatan? dan
• Berapa tinggi blade dan diameter rata-rata?

G. Methods & Procedures (Idealization, Instruction Set)

Idealization:

• Aliran yang melewati Turbin bersifat tunak, adiabatik, dan bersifat satu dimensi pada garis rata-rata blade (mean-line), dengan U₁ = U₂ = U karena turbin aksial.
• Tingkat bertipe impuls murni, seluruh penurunan entalpi tingkat terjadi di nosel (derajat reaksi nol), sehingga tekanan di sisi masuk dan keluar rotor sama.
• Kondisi uap diambil dari tabel uap air jenuh & superheated. Faktor dari H2S dan CO2 tidak mempengaruhi perubahan entalpi secara signifikan dan tidak mempengaruhi perhitungan desain turbin.
• Kebocoran dan gesekan cakram diabaikan pada tahap awal, lalu dikoreksi pada efisiensi.
• Sifat dari uap sebelum memasuki turbin adalah 8bar
• Sifat dari uap setelah keluar dari turbin adalah 0,1bar
• Laju aliran massa memiliki nilai 20kg/s
• Generator bersifat dua kutub, menyesuaikan frekuensi arus AC di indonesia (50Hz) sehingga akan berputar dengan kecepatan konstan 3000RPM (n = 120f/p)
• Koefisien kecepatan nosel φ = 0,95 dan koefisien gesek blade k = W₂/W₁ = 0,90.

Instruction Set:

1. Hitung penurunan entalpi ideal (isentropik): Ekspansi isentropik ke 0,1 bar dapat memberi nilai x ideal (x_s), dimana x_s ≈ 0,80 (dengan rumus s = s_f + x_s . s_fg). dari nilai x_s tersebut dapat juga dihitung nilai entalpi isentropik, yaitu h_2s ≈ 2109 kJ/kg, sehingga Δh_s ≈ 660 kJ/kg.
2. Tentukan jumlah tingkat. Dipilih penurunan per tingkat Δh = 50 kJ/kg, sehingga N ≈ 660/50 ≈ 13 tingkat.
3. Hitung kecepatan nosel. C₁ = φ√(2Δh) dengan pilihan desain sudut nosel α₁ = 15°. *rumus dari persamaan Energi masuk = Energi keluar
4. Tentukan kecepatan blade. Rasio optimum tingkat impuls satu baris U/C₁ = cos α₁ / 2 ≈ 0,48. Diameter rata-rata D = 60U/(πN).
5. Gambar segitiga kecepatan. Hitung C_x1, C_y1, W₁, β₁, lalu W₂ = kW₁ dengan blade simetris (β₂ = β₁), kemudian C_x2 dan C₂.

1. Hitung kerja dan efisiensi. Gunakan persamaan Euler w = U(C_x1 − C_x2) dan bandingkan dengan energi kinetik ½C₁² serta Δh.
2. Hitung tinggi blade dari kontinuitas: A = ṁv/C_y, h = A/(πD). *v = volume spesifik
3. Hitung daya P = ṁ·N·w, lalu iterasi: sesuaikan Δh per tingkat, α₁, dan D berdasarkan batas tinggi blade, tegangan, dan kelembaban.

H. Results & Discussion

Tinggi blade tingkat 1 hanya sekitar 28 mm (h/D ≈ 0,03), sehingga rugi kebocoran ujung besar dan perlu dipertimbangkan partial admission atau diameter yang lebih kecil. Nilai tinggi blade tingkat lainnya juga tidak dihitung karena bersifat repetitif, dimana akan ada perbedaan kecepatan di setiap tingkat yang sebanding dengan entalpi. Pada tingkat akhir volume spesifik uap membesar drastis sehingga blade harus jauh lebih panjang dan diameter membesar.

I. Kesimpulan, Penutup, Rekomendasi

Turbin uap aksial impuls kompaun tekanan dengan 13 tingkat pada 3000 RPM mampu menghasilkan 10,4 MW dari uap geotermal jenuh 8 bar dengan laju aliran massa 20 kg/s. Pendekatan berlapis dari kontinuitas dan hukum pertama, melalui persamaan Euler dan segitiga kecepatan, sampai ke daya terbukti konsisten untuk perancangan awal.

Hal yang dapat dilakukan untuk memperbagus hasil desain adalah:

• Validasi dengan simulasi CFD dan analisis tegangan serta getaran sirip,
• Mempertimbangkan tingkat impuls-reaksi pada tingkat akhir untuk menaikkan efisiensi
• Pemilihan material dan dilakukannya pengendalian gas non-kondensabel, serta
• Melakukan optimasi ekonomi berdasarkan jumlah tingkat dan biaya manufaktur.

I. Acknowledgments

Terima kasih kepada Prof. DAI yang sudah memberikan saya kesempatan untuk meluaskan pengertian saya mengenai turbin; Terima kasih juga kepada teman-teman saya yang dapat saya ajak berdiskusi mengenai topik ini; serta terima kasih kepada Claude AI yang sudah membantu saya mencari banyak ilmu dan merangkumkan referensi yang bermanfaat bagi tugas besar saya ini.

J. References

– Dixon, S. L., & Hall, C. A. (2014). Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery (7th ed.). Butterworth-Heinemann.
– DiPippo, R. (2016). Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact (4th ed.). Butterworth-Heinemann.
– Çengel, Y. A., & Boles, M. A. Thermodynamics: An Engineering Approach 9th Edition. McGraw-Hill.
– Wagner, W., & Kretzschmar, H.-J. (2008). International Steam Tables: Properties of Water and Steam Based on IAPWS-IF97 (2nd ed.). Springer.