pemahaman yang terstruktur, praktis, dan tekni,bukan sekadar definisi. Kamu kemungkinan butuh baik konsep termodinamis (Brayton/Rankine) dan juga konsekuensi operasional (apa yang terjadi kalau temperatur di luar batas). Aku akan menganggap kamu punya latar teknik/teknis sehingga penjelasan bisa teknis tapi tetap jelas.
โข Intention
Tujuan pembahasan ini:
1. Jelaskan cara kerja turbin gas dan turbin uap secara ringkas tapi lengkap.
2. Jelaskan pengaruh temperatur (jika terlalu rendah atau terlalu tinggi) pada turbin gas (juga catatan untuk turbin uap).
3. Bandingkan turbin gas dengan turbin Pelton dan Francis.
4. Berikan instruksi praktis (bagaimana mengoperasikan/merawat/menanggulangi masalah temperatur).
โข Initial-Thinking (pemikiran awal / analisis teknis)
1).Cara kerja โ ringkasan fisika & komponen utama Turbin Gas (siklus Brayton)
Komponen: kompresor โ ruang bakar โ turbin โ gas buang.
Proses: udara dikompresi โ dicampur bahan bakar & dibakar โ gas bertekanan/bertemperatur tinggi mengembang lewat sudu turbin menghasilkan torsi. Sebagian daya turbin menggerakkan kompresor; sisanya keluaran kerja. Energi yang dimanfaatkan adalah energi termal/enthalpy dari gas panas.
Turbin Uap (siklus Rankine) Komponen: boiler โ turbin uap โ kondensor โ pompa.
Proses: air dipanaskan jadi uap bertekanan tinggi โ mengembang di turbin menghasilkan kerja โ uap dikondensasikan kembali menjadi air. Energi yang dimanfaatkan adalah entalpi uap.
2). Pengaruh temperatur โ konteks yang perlu dibedakanKita harus bedakan dua hal: (A) temperatur fluida kerja (mis. Turbine Inlet Temperature / TIT pada gas turbine), dan (B) temperatur lingkungan/udara masuk.
A. Jika temperatur kerja (TIT) terlalu rendah
Turbin gas: entalpi gas lebih kecil โ drop entalpi saat ekspansi di turbin menurun โ daya keluaran berkurang dan efisiensi termal turun. Sistem bisa tetap aman, tetapi tidak optimal. Dalam PLTG, operator mungkin menaikkan bahan bakar untuk sedikit kompensasi (dibatasi batas material).
B. Jika temperatur kerja (TIT) terlalu tinggi Keuntungan: potensi daya dan efisiensi meningkat karena lebih besar perbedaan temperatur antara masuk dan buang (dekat hukum Carnot).
Risiko serius: material pada sudu/blade dan disk terkena creep, oksidasi, thermal fatigue, deformasi. Bisa terjadi rub / seizure, retak, atau kegagalan komponen.*
Solusi desain: blade internal cooling, thermal barrier coating (TBC), superalloys, dan pengawasan ketat pada batas operasi.
C. Efek temperatur lingkungan (udara masuk) pada turbin gas
Udara dingin (lebih padat): massa alir lebih besar โ daya keluaran meningkat** (lebih power). Namun udara sangat dingin bisa menyebabkan masalah start/icing pada inlet.
Udara panas (kurang padat): massa alir turun โ daya turun, perlu derating pada kondisi panas.
D. Untuk turbin uap โ efek suhu/kelembaban berbeda
Jika uap terlalu basah (kondensasi parsial di tahap akhir): droplet menyebabkan erosi pada sudu (impak), efisiensi turun.
Jika suhu/tekanan boiler terlalu tinggi tanpa kontrol: resiko material (creep) pada pipa/boiler dan turbin.
3). Mekanisme kegagalan material akibat temperatur tinggi Creep: deformasi permanen pada temperatur tinggi dan beban seiring waktu.
Oxidation/Hot corrosion: lapisan pelindung hilang โ penurunan kekuatan.
Thermal fatigue / cyclic stress: siklus panas-dingin menyebabkan retak.
Kontaminasi (sulfate/vanadium) dan deposit: mempercepat kerusakan.
โขIdealization
(asumsi ideal & simplifikasi untuk memahami perilaku)Untuk analisis sederhana kita asumsikan: gas ideal (udara), proses kompresor dan turbin punya isentropic efficiency tetap, tidak ada kebocoran atau kehilangan panas eksternal. Dengan asumsi ini:
Efisiensi siklus Brayton meningkat dengan pressure ratio dan TIT (semakin tinggi TIT โ semakin baik efisiensi sampai batas material).
Trade-off nyata: peningkatan TIT memberi keuntungan termal tetapi memperpendek umur komponen jika tidak diimbangi teknologi pendinginan/material.Ringkasan ideal:* Ideal Brayton: ฮท โ fungsi pressure ratio (rp) dan ฮณ; menaikkan rp biasanya meningkatkan efisiensi sampai titik tertentu.* Ideal Rankine: manfaat besar dari menaikkan tekanan & temperatur uap, tapi risiko material meningkat.
โข Instruction-Set
(langkah praktis โ tindakan untuk operator / perancang / peneliti)
A. Desain & material (untuk engineer)
1. **Pilih material**: nickel-based superalloys untuk sudu; gunakan TBC (ceramic thermal barrier) pada permukaan sudu.
2. **Desain pendinginan**: film cooling, internal serpentine cooling, atau transpiration cooling untuk sudu tahap pertama.
3. **Kontrol TIT** lewat fuel scheduling & variable geometry (VGV) agar tidak melampaui batas.
4. **Implementasi sensor**: thermocouples/RTD di inlet, outlet, blade metal temperature (jika tersedia), tekanan, getaran. Data harus direkam real time.
B. Operasi & kontrol (harian/operasional)
1. Monitoring kontinu: TIT, rotor vibration, bearing temps, exhaust gas temperature (EGT), compressor surge margin.
2. Derating saat hari panas: gunakan inlet air cooling (evaporative or mechanical) atau kurangi beban sesuai bagan kemampuan mesin.
3. Startup/shutdown prosedur: lakukan pre-heat (steam/HT oil) pada komponen bila suhu lingkungan sangat rendah untuk mencegah thermal shock; jalankan pemanasan bertahap.
4. Emergency trip: bila TIT melebihi batas safety โ trip untuk mencegah kegagalan cepat.
C. Perawatan & inspeksi
1. Borescope inspection ke sudu turbin secara periodik (setiap outage) untuk deteksi erosi, retak, deposit.
2. Analisis oli & bearing: temperatur bearing & kontaminan minyak memberikan indikasi awal masalah.
3. Non-destructive testing (NDT) untuk komponen kritis setelah jam operasi tertentu / tiap outage.
4. Track creep & life consumption: gunakan model pemakaian material untuk menilai sisa umur thermal.
D. Jika menemui temperatur terlalu tinggi saat operasi (tindakan darurat & tindak lanjut)
1. Turunkan beban / kurangi flow bahan bakar untuk menurunkan TIT.
2. Aktifkan (atau tingkatkan) sistem pendinginan sudu jika tersedia.
3. Trip mesin apabila parameter melebihi batas desain kritis.
4. Setelah trip: lakukan borescope inspeksi, material analysis pada sudu, dan root-cause analysis sebelum restart penuh.
E. Jika temperatur terlalu rendah (operational issue)
1. Pre-heating komponen utama sebelum mencapai beban penuh (hindari thermal shock).
2. Periksa kondisi uap (untuk steam turbine): pastikan moisture separator & reheater bekerja supaya tidak memasukkan uap basah ke turbin.
3. Cegah icing pada inlet (inlet heating / de-icing) dan kontrol drain/condensate.
โขPerbandingan singkat: Turbin Gas vs Pelton vs Francis (praktis)
-Fluida kerja Turbin Gas: gas panas (combustion gas) โ kompresibel.
-Pelton/Francis: air โ incompressible.
Tipe kerja Turbin Gas: kombinasi impulse + reaction (tergantung desain stage), bergantung pada ekspansi gas.
Pelton: impulse murniโ jet air menabrak bak (bucket), cocok head tinggi, debit rendah.
Francis: mixed flow (reaction + impulse)** โ cocok head menengah, debit sedang-besar.
Aplikasi Turbin Gas: pembangkit listrik, propulsi jet, combined cycle.
Pelton: PLTA di lokasi head tinggi (pegunungan).
Francis: PLTA skala besar/menengah di banyak bendungan.
Sensitivitas terhadap temperatur
Turbin Gas: sangat sensitif (TIT kritis). Perlu material/pendinginan.
Pelton/Francis: kurang sensitif terhadap temperatur (air bekerja normal), namun kelembaban/air yang mengandung abrasif/partikel berpengaruh pada kerusakan.
Ringkasan cepat (apa yang terjadi jika temperatur terlalu rendah / tinggi pada turbin gas).
Terlalu rendah (TIT rendah) โ daya & efisiensi turun; operasi tetap aman jika dalam batas; kemungkinan perlu peningkatan bahan bakar untuk kompensasi.
Terlalu tinggi (TIT tinggi melebihi batas desain) โ peningkatan daya tetapi risiko kerusakan material (creep, oksidasi, retak) โ bisa memicu trip atau kegagalan komponen.
Tindakan: real-time monitoring, derating, sistem pendinginan, trip otomatis, inspeksi komprehensif.
