BAB III

TINJAUAN PUSTAKA

3.1 Definisi Gas Turbine Generator (GTG)

Gas Turbine Generator secara sederhana dapat diartikan sebagai

pembangkit listrik dengan pemanfaatan daya dorong hasil pembakararan

gas sebagai penggerak turbin. Turbin Gas adalah suatu peralatan

pembangkit tenaga putar mekanik, tenaga tersebut diperoleh dari hasil

pembakaran gas yang kemudian berekspansi dengan kecepatan tinggi

selanjutnya gas panas dengan kecepatan tinggi ini digunakan untuk

mendorong sudu-sudu dan akhirnya menghasilkan tenaga putar pada

rotor.

3.2 Komponen Utama Gas Turbine

Gas Turbine mempunyai lima unit komponen utama, yakni Air Inlet, Compressor, Combustion System, Turbine dan Exhaust. Dari kelima unit komponen utama inilah, secara sederhana prinsip kerja Gas Turbine dapat dijelaskan sebagai berikut :

Gambar 3.1 Komponen utama Gas Turbine

Kompresor dan turbin ditempatkan dalam satu poros putar, disebut

juga rotor, sebagai istilah untuk bagian mesin yang berputar. Pada

awalnya, rotor (kompresor/turbin) digerakkan oleh perangkat penggerak

mula (Starting Device), yang mana sebagai tenaga penggeraknya dapat

berupa motor listrik, ekpansi gas bertekanan, steam atau yang lainnya.

Penggerak mula ini akan terlepas secara otomatis apabila unit Gas Turbine

telah mampu menghasilkan gas bakar sebagai penggerak lanjutan bagi

rotor.

Putaran kompresor ini digunakan sebagai kompresi, yang

sebelumnya udara tersebut telah difilter di dalam unit Air Inlet.

Selanjutnya udara bertekanan diumpankan ke bagian Combustion System.

Di dalam Combustion System, selain udara bertekanan, di alirkan juga gas

bakar. Campuran antara gas dan udara ini, nantinya di bakar oleh suatu

pemantik yang dihasilkan dari percikan api kontak sirkuit tegangan tinggi

(High Voltage Spark Plug), yang nantinya hasil pembakaran tersebut, yang

berupa gas bakar bertekanan diekspansikan ke turbin.

Sisa gas bakar atau gas buang yang telah diekspansikan ke turbin, akan

dibuang melalui unit Exhaust, yang nantinya gas ini dapat juga

dimanfaatkan kembali mengingat temperaturnya yang masih cukup tinggi,

Putaran turbin inilah yang nantinya dimanfaatkan oleh rotor Generator

sebagai pembangkit listrik.

3.2.1 Air Inlet

Unit ini berfungsi menyediakan udara yang telah dikondisikan

sesuai dengan kebutuhan gas turbine. Di dalamnya terdapat trash screen

yang berfungsi mencegah masuknya benda asing, seperti debu, kotoran,

serangga ke dalam unit kompresor. Untuk menjaga kualitas penyaringan

dari trash screen, di instal juga alat pengukur beda tekanan yang mengukur

beda tekanan udara terfilter (di dalam air inlet houese) terhadap udara luar.

Tingginya hasil pengukuran menunjukkan kualitas trash screen yang telah

menurun, yang bisa disebabkan adanya kotoran yang menumpuk sehingga

menutupi permukaan filter atau adanya pembekuan udara.

Di dalamnya juga terdapat air silencer yang berfungsi sebagai peredam

noise (frekuensi tinggi) yang keluar dari unit kompresor. Air silencer

terdiri atas beberapa panel akustikal atau disebut juga silencing buffles

dengan material khusus (sound-absorbing material) yang tersusun secara

paralel vertikal.

Di bagian akhir unit ini terdapat air plenum yang juga terhubung

langsung dengan unit kompresor, yang berfungsi meratakan distribusi

udara ke inlet kompresor.

3.2.2 Compressor

Komponen utama dari Kompressor Seksi adalah Aksial

Kompressor yang berfungsi untuk menyediakan udara bertekanan

tinggi guna pembakaran sehingga dihasilkan gas panas berkecepatan

tinggi yang diarahkan ke turbin dan mendorong sudu-sudu turbin,

udara yang dihasilkan tersebut juga digunakan untuk pembatas,

pendinginan dan penawar (sealing, cbooling and diluting).

Pada Aksial Kompressor tersebut terdapat 2 bagian yang dinamakan :

kompressor rotor

kompressor stator

Kompressor Rotor

Kompressor Rotor, adalah bagian dari Axial Kompressor yang

berputar pada poros, rotor tersebut mempunyai tingkat sudu-sudu yang

mengkompres/menekan aliran udara secara aksial yang kemudian udara

yang bertekanan 1 atm dinaikan menjadi lebih kurang 7 kali, sehingga

didapat udara yang bertekanan tinggi yang keluar melalui Discharge

Kompressor.

Gambar 3.2 Kompressor Rotor

Kompressor Stator

Kompressor Stator merupakan bagian Casing dari turbin gas

yang terdiri atas beberapa bagian :

Gambar 3.3 Kompresor Stator

• Inlet Casing

Yaitu bagian casing yang mengarahkan udara yang masuk ke inlet

bellmouth dalam arah tegak lurus dan selanjutnya masuk ke inlet guide

vane, pada inlet casing terdapat bearing nomor 1.

• Forward Casing

Yaitu bagian dari casing yang terdapat 4 tingkat compressor

blade.

• Aft Casing

Yaitu bagian dari casing yang terdapat kompressor blade yang ke 5

sampai ke 10.

• Discharge Casing

Yaitu bagian dari casing yang merupakan discharge dari udara yang

telah dikompres dan pada casing tersebut compressor blade yang ke

11sampai ke 16.

3.2.3 Combustion System

Pada unit ini terdiri atas 10 combustion chamber (ruang

pembakaran), yang masing-masing mempunyai fuel nozzle (inlet suplai

bahan bakar) dan transition piece (pengarah gas bakar untuk diekspansikan

ke turbin), dan masing-masingnya juga terhubung secara serial melalui

cross-fire tube. Unit ini tersusun secara konsentris mengelilingi axial

kompresor.

Udara yang masuk ke ruang bakar disuplai langsung dari

kompresor dengan aliran arah balik, yakni melewati bagian luar transition

piece dahulu kemudian kearah balik menuju ruang bakar. Udara yang

melewati transition piece berguna sebagai pendingin dan sebagai pemanas

awal udara sebelum masuk ke ruang bakar. Suplai udara yang masuk ini

mempunyai 3 fungsi, meng-oksidasi bahan bakar, mendinginkan bagian-

bagian berbahan metal, dan mengatur produksi gas panas sesuai dengan

temperatur yang dibutuhkan oleh inlet turbin.

Bahan bakar yang masuk ke ruang bakar melalui fuel nozzle

alirannya akan dibentuk berpilin atau memutar kearah axial (swirl), agar

dihasilkan pembakaran yang sempurna dan mengendalikan emisi yang

terbuang. Bahan bakar dapat berupa gas atau liquid, yakni diesel.

Percampuran gas dan udara ini nantinya dibakar oleh pijaran api dari

pemantik (atau bisa disebut busi), yang hanya aktif sesaat. Karena

pembakaran akan dapat terus berlangsung selama tersedia suplai gas dan

udara dengan memanfaatkan pengapian awal. Pemantik ini hanya terdapat

2 unit yang di instal di dua dari total sepuluh ruang bakar, yang keduanya

aktif bersamaan sehingga dapat menjadi back-up antara satu sama lain.

Untuk ruang bakar lainnya saat star-up, memanfaatkan pembakaran dari

ruang bakar berpemantik melalui hubungan cross-fire tube.

Pada unit ini juga terdapat 2 piranti Flame Detektor, yang

berfungsi mengindra tingkat intensitas nyala api pada ruang bakar. Kedua

piranti ini, layaknya pemantik diinstal di dua dari total 10 ruang bakar.

Keduanya bekerja paralel, yang dapat menyebabkan Gas Turbine trip atau

gagal start-up bila kedua-duanya tidak menunjukkan adanya nyala api

pada ruang bakar.

Ruang Bakar (Combustion Chamber) adalah tempat dimana

bahan bakar dan udara dicampur kemudian dinyalakan oleh spark-

plug, gas panas yang dihasilkan merupakan energy yang diperoleh dari

turbin gas. Komponen yang terdapat pada ruang bakar adalah :

Combustion Chamber

Combustion Liner

Fuel Nozzles

Spark-Pulgs

Transition Pieces

Cross Fire Tubes

Flame Detector

Combustion Chambers

Di ruang bakar ini (combustion) campuran bahan bakar dengan

udara yang telah dikompres di Axial Kompressor kemudian dibakar .

Tempat dimana aliran panas tersebut dialirkan terdapat Liner dan

Transition Piece yang mana liner ini befungsi sebagai tempat

pemcampuran bahan bakar dan udara lalu dibakar setelah itu aliran

panas tersebut diarahkan oleh Transition Piece ke sudu turbin, jadi

transition piece berfungsi sebagai alat untuk mengarahkan aliran panas ke

sudu turbin. Jadi tenaga turbin gas dihasilkan oleh campuran bahan

bakar dengan udara yang dinyalakan (ignition).

Combustion Liners

Didalam Combustion Chamber terdapat Liner yang berfungsi

tempat bercampurnya bahan bakar dan udara sehingga pembakaran

yang terjadi menjadi sempurna dan juga antara Combustion Can dan

Liner terdapat selimut udara sehingga panas pada Liner tidak

langsung merambat pada Combustion Can sehingga kepanasan

Combustion Can tidak terlalu tinggi.

Fuel Nozzles

Fuel Nozzle berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar

kedalam Liner sehingga bahan bakar yang masuk sudah tersemprot

dengan sempurna ke dalam liner .

Spark-Plugs

Spark Pugs adalah semacam busi yang memercikan bunga api

kedalam combrustio chamber sehingga campuran bahan bakar dan

udara bisa terbakar, park plug tersebut menyala dan mengeluarkan

bunga api hanya selama 60 detik.

Transition Pieces

Setelah api menyala pada semua Liner-Liner maka hasil ekspansi

pembakaran gas dengan kecepatan tinggi tersebut siap untuk mendorong

sudu-sudu Turbin Gas, sebelum disemprotkan ke sudu-sudutu turbin

tersebut maka uap panas tersebut perlu dibentuk alirannya sehingga sesuai

dengan ukuran yang diinginkan, maka fungsi dari Transition Piece tersebut

adalah membentuk aliran panas tersebut sesuai dengan ukuran nozzle dan

sudu-sudu turbin.

Cross Fire Tubes

Pada setiap combustion chamber satu dan lainnya terhubung oleh

Cross Fire Tubes, sehingga sewaktu pertama kali terjadi pembakaran oleh

spark-plug hanya dua combustion chamber yang dinyalakan selanjutnya

penyalaan akan menjalar atau berpindah kepada combustion chamber yang

lain melalui cross fire tube tersebut. Jadi fungsi cross fire tubes adalah

meratakan nyala api pada semua combustion chamber.

Flame Detectors

Flame Detector adalah instrument yang terpasang untuk

memantau keadaan pembakaran yang terjadi pada setiap turbin gas

terdapat dua buah flame detector, jika satu dari flame detector rusak

speedtronic panel akan memberitahukan dengan alarm “Flame failure

or Lost of flame trouble" dan turbin gas masih tetap berjalan dan

jika flame detector telah diperbaiki alarm tersebut akan hilang (bisa

direset), tapi jika kerusakan dari flame detector tersebut tidak diperbaiki

dan jika yang satu lagi juga rusak maka turbin gas akan trip dengan

alarm "Lost of flame Trip" dan turbin gas akan mati atau stop.

3.2.4 Turbine

Pada unit ini gas bakar bertemperatur tinggi dari unit combustion

dikonversikan ke daya putaran poros. Daya yang dibutuhkan sebagai

penggerak beban (generator) dan rotor kompresor di hasilkan oleh rotor

turbin 2 tingkat. Disetiap tingkatnya terdapat susunan sudu-sudu turbin

yang terpasang pada wheel turbin.

Gas bakar bertekanan tinggi dari unit combustion diarahkan oleh transition

piece (bagian akhir combustion) menuju tingat pertama turbine, melewati

turbine nozzle, yakni nozzle tingkat pertama. Begitu pula gas yang keluar

dari tingkat pertama menuju turbin tingkat kedua, dilewatkan ke turbin

nozzle, yakni nozzle tingkat kedua. Sebagian besar bagian turbin (kedua

wheel, kedua noozle dan shellnya) dialirkan udara pendingin, yang

disuplai dari unit kompresor, baik dari udara tingkat ke-4, ke-10 maupun

keluaran kompresor (baca penjelasan unit Air and Cooling System di

bagian Komponen Pendukung Gas Turbin).

3.2.5 Exhaust

Merupakan unit dari bagian turbin dimana gas bakar yang telah di

ekspansikan ke turbin di lepas ke udara. Secara umum terbagi atas 2, yakni

Exhaust Frame Assembly dan Exhaust Plenum. Di dalam exhaust frame

assembly yang terhubung langsung dengan turbin shell, terdapat gas

diffuser dan turning vane, dimana gas dari turbin keluar ke bagian exhaust

plenum. Exhaust frame sendiri terisolasi terhadap exhaust plenum melalui

expansion join, yang memberikan toleransi adanya ekpansi panas baik

arah radial maupun aksial terhadap exhaust frame. Exhaust plenum

merupakan box dimana gas keluaran di lepas melalui stack (cerobong) ke

udara bebas, atau melalui perangkat Heat Recovery (pemanfaatan kembali

panas gas keluaran) terlebih dahulu, lalu ke udara bebas.

Sebelum di lepas, udara dilewatkan dahulu ke unit silencer yang di instal

di dalam exhaust ducting di sisi akhir exhaust plenum. Unit silencer ini

berfungsi sebagai peredam noise yang dihasilkan di sisi turbin.

3.3 Control System

3.3.1 Fuel Stroke Reference (FSR)

FSR ditentukan oleh 6 loop kontrol yang berbeda. Setiap loop

kontrol menghitung jumlah arus menurut yang dibutuhkan dengan

mengevaluasi sendiri parameternya. Kontrol menggunakan gerbang nilai

minimum untuk memilih output terendah dari 6 loop kontrol untuk

digunakan sebagai FSR. Oleh karena itu, sinyal yang digunakan untuk

mengatur aliran bahan bakar selalu yang paling tepat.

Kontrol loop yang menghitung aliran fuel yang dibutuhkan adalah :

1. Start Up Control

Start Up Control membawa turbine dari zero speed sampai normal

operating secara aman dengan menyediakan aliran bahan bakar yang

tepat untuk membuat pengapian, accelerate turbine, melakukannya

sedemikian rupa untuk meminimalkan efek lelah pada hot gas path

selama sequence. Start Up Contol mempunyai 5 preset level untuk

preset level untuk FSR yaitu zero, fire, warmup, accelerate, dan max.

2. Acceleration Control

Acceleration adalah sebuah close control loop. Acceleration

control membandingkan TNH (Turbin Speed) dengan TNH dari

sample terakhir. Perbedaan keduanya mencerminkan percepatan

mesin actual akselerasi (TNHA) dibandingkan ke sebuah nilai

reference (TNHAR). FSRACC disesuaikan untuk meminimalkan

perbedaan keduanya menjadi nol. FSRACC digunakan untuk

membatasi tingkat dimana perubahan kecepatan mesin untuk

membatasi stress pada komponen rotor. Sebelum turbin mencapai full

speed, TNHAR bervariasi antara 0,1 dan 0,3 % per detik, tergantung

pada TNH.

3. Speed Control

Speed control adalah system pengontrolan speed dan beban pada

gas turbine generator didalam merespon perubahan actual signal speed

dibandingkan dengan suatu parameter yang disebut speed reference.

Tiga sensor magnetik yang digunakan untuk mengukur kecepatan

turbin, salah satunya yaitu pick up sensor magnetik (77NH-1,-2,-3)

adalah perangkat output yang terdiri dari sebuah magnet permanen

dikelilingi oleh seal tertutup rapat. Pickup sensor tersebut yang

dipasang pada sebuah cincin yang mempunyai sekitar 60-roda bergigi

pada kompresor turbin gas rotor. Dengan roda 60-gigi, frekuensi

output tegangan dalam satuan Hertz adalah persis sama dengan

kecepatan turbin dalam revolusi per menit.

Dalam system speed control pada GTG terdapat 2 mode

pengontrolan yaitu :

Droop control adalah Load demand dijumlahkan dengan speed

setpoint. Speed / load setpoint ini kemudian dibandingkan dengan

speed feedback (TNH) untuk menghasilkan speed control fuel flow

demand (FSRN).

Isoch control biasanya digunakan jika dioperasikan berdiri sendiri

(tidak parallel) untuk menahan constans speed yang sama ke system

frekuensi.

4. Temperature Control

Temperature control adalah close loop control yang berfungsi

untuk menjaga firing temperature dibawah level yang dapat merusak

hot path gas component. Karena tidak realistis untuk mencoba

mengukur firing temperature secara langsung, temperature control

mengambil input dari exhaust thermocouple dan menghitung firing

temperature berdasarkan temperature ini dan parameter lain. Karena

sabagai sebuah backup, firing temperature dikalkulasi dari exhaust

temperature dan FSR.

Untuk mengontrol firing temperature, temperature control

membandingkan aktual exhaust temperature (TTXM) dengan

reference temperature (TTRXB) dan menyesuaikan FSR untuk

memperkecil perbedaan. TTXM adalah median pada exhaust

temperature dan menentukan seperti berikut :

Exhaust thermocouple temperature dibandingkan kesebuah

konstanta dan ada yang terlalu rendah akan ditolak

Signal yang tertinggi dan terendah akan ditolak

Signal sisanya akan dirata-rata dan hasilnya adalah sebagai

TTXM.

5. Shutdown Control

Normal shutdown ditetapkan dengan memberikan perintah STOP

pada <HMI> screen. Ketika perintah stop diterima, FSRSD di ramp

dari normal value 100% turun ke level sekarang pada FSR. FSRN akan

me-lower FSR untuk mengurangi load sampai generator breaker (52G)

trip pada revers power. Setelah 52G open, FSRD ramp down ke

FSRMIN. Ketika TNH drop dibawah level dari K60RB, FSRD ramp

down sampai satu flame detector menyensor tidak ada api. Setelah itu,

FSRD ramp down pada titik ini fuel di stop.

6. Manual Control

Manual control adalah open loop yang mengijinkan operator untuk

menset batas atas untuk FSR. Tipikal, FSRMAN diset pada 100%.

3.4 Speedtronic MKV

3.4.1 Gambaran Umum Speedtronic MKV

Speedtronic Mark V adalah suatu sistem kontrol, proteksi, dan

monitoring pada turbin yang telah dikembangkan oleh GE dan mewakili

kesuksesan dari seri-seri SpeedtronicTM dalam sistem pengaturan.tujuan

sistem kontrol dan proteksi ini adalah menghasilkan output yang maksimal

untuk melindungi turbin gas dari kerusakan saat turbin dalam kondisi

operasi sehingga lifetimenya dapat lebih lama.

3.4.2 Konfigurasi Kendali Speedtronic MKV

SPEEDTRONIC Mark V adalah sistem kendali turbin yang

bersifat programmable yang didesain sesuai dengan kebutuhan industri

tenaga modern untuk sistem turbin yang bersifat kompleks dan dinamis.

Keunggulan sistem ini pada fitur-fiturnya antara lain:

1. Implementasi software dengan teknologi fault tolerance (SIFT), yang

memungkinkan turbin tetap beroperasi meskipun terjadi kesalahan

tunggal dengan mempertahankan kondisi on-line, dan memungkinkan

operasi saat prosesor kontrol shut down untuk perbaikan atau sebab

lain.

2. Operator interface yang user-friendly

3. Interface dengan sensor direct yang memungkinkan kendali dan

monitoring secara real time

4. Kemampuan diagnosa yang built-in menyatu dengan sistem

5. Arsitektur berbasis TMR (Triple Modulator Redundant)

SPEEDTRONIC TM Mark V menggunakan tiga buah modul kontrol,

masing-masing <R>, <S>, <T> yang identik untuk menjalankan

keseluruhan algoritma kendali yang vital, proses sinyal proteksi, dan

proses sekuensial. Konfigurasi inilah yang disebut TMR (Triple

Modulator Redundant). Untuk fungsi proteksi dijalankan oleh tiga

prosessor proteksi <X>, <Y>, <Z> pada core <P>.

3.4.3 Operator Interface MKV

Interface Mark V berfungsi sebagai upload, download, monitoring,

maupun pengontrolan sehingga dengan interface ini seluruh aktivitas dari

Mark V kontrol panel bisa terwakili. Work Station Interface <I>, terdiri

dari serangkaian alat-alat, antara lain: sebuah PC (Personal Computer)

layar monitor berwarna, Cursor Positioning Device (Mouse, atau

Trackball), Keyboard (QWERTY Keyboard) dan printer. Peralatan-

peralatan tersebut dapat menghubungkan antara operator dengan keadaan

mesin atau sebagai work station pemeliharaan lokal, baik itu pengamatan

peralatan turbin, pengontrolan turbin, pengamanan turbin maupun

pemasukan data baru ke kontrol panel.

3.5 Sensor Kecepatan

Sensor kecepatan pada kontrol kecepatan putaran turbin gas

memiliki prinsip kerja yang sederhana. Sensor tersebut bekerja

berdasarkan besar flux magnetic yang dihasilkan dalam pick up. Besarnya

flux magnetic tersebut akan sebanding dengan perubahan jarak ujung pick

up dengan rotor turbin. Bentuk dari rotor turbin ini berupa gerigi-gerigi

yang akan berputar saat turbin beroperasi. Frekuensi tegangan yang

dihasilkan oleh sensor pada gigi rotor akan sebanding dengan kecepatan

turbin. Jumlah gigi rotor pada rotor turbin adalah 60 buah. Kecepatan rotor

turbin tersebut diukur dalam rotation per minute (RPM) dengan magnitude

pengukuran tidak kurang dari 2 volt rms pada kecepatan 1000 rpm.

Tegangan yang dihasilkan ini merupakan sebuah fungsi yang sebanding

dengan kecepatan rotor.