Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Turbin Gas

Turbin gas merupakan suatu mesin yang memanfaatkan energi panas bahan bakar untuk menghasilkan energi mekanik. Dengan menggunakan udara sebagai fluida kerjanya, energi panas bahan bakar ditransfer ke udara tersebut untuk kemudian dikonversi menjadi energi mekanik oleh sudu turbin. Turbin gas banyak digunakan di industri-industri seperti migas sebagai penggerak kompresor gas, atau pembangkit listrik sebagai penggerak generator listrik.

Terdapat tiga komponen utama turbin, yaitu Kompresor, Combustion Chamber dan Turbin. Selain itu terdapat komponen pendukungnya seperti Intake Air Filter, Lube Oil System, Hydraulic Oil System, Starting system dan fuel system. Turbin gas menggunakan gas dan HSD (High Speed Diesel) sebagai bahan bakarnya. Turbin gas dalam penggunaanya di pembangkit listrik memiliki sejumlah kelebihan dibanding pembangkit jenis lain, yaitu:

1. Sinkronisasi yang cepat
2. Ramping rate yang cukup besar
3. Responsif terhadap perubahan beban
4. Efisiensi termal yang tinggi (PLTGU)
5. Relatif bersih dan ramah lingkungan

Kelebihan-kelebihan ini menjadikan turbin gas (PLTG/ PLTGU) menjadi andalan saat beban pucak (peak load) sebagai penstabil frekuensi sistem. Sebagai suatu mesin konversi energi, turbin gas memiliki suatu pengukuran kerja mesin yang biasa disebut Kinerja Termal. Kinerja Termal ini memproyeksikan seberapa efisien turbin gas dalam memanfaatkan bahan bakar menjadi energi mekanik/ listrik. Dalam pengukuran kinerja termal suatu mesin dikenal istilah Heat Rate dan Specific Fuel Consumption (SFC).

Heat rate menggambarkan seberapa besar energi panas yang dapat dikonversi menjadi energi berguna (mekanik atau listrik), sedangkan SFC menggambarkan seberapa besar jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah energi mekanik/ listrik. Besar kecilnya indikator ini sangat dipengaruhi oleh performa peralatan atau bagian dari mesin itu sendiri. Dalam hal ini turbin gas, ada beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja termal. Tapi sebelum itu, penulis akan menjelaskan siklus mesin ini untuk memudahkan memahami faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja termal tersebut.

Turbin gas menggunakan siklus Brayton sebagai siklus kerjanya. Terdapat 2 diagram yang menggambarkan aliran kerjanya, yaitu diagram P-V (tekanan-volume) dan diagram T-S (temperatur-entropi). Dari diagram-diagram tersebut terlihat bahwa turbin gas bekerja secara isobarik (tekanan konstan) dan isentropik (entropi konstan). Titik-titik 1-4 merupakan titik proses turbin gas bekerja, sedangkan garis biru merupakan kerja termal turbin gas tersebut. Artinya besar luasan di dalam garis biru tersebut merupakan kerja yang dihasilkan oleh turbin gas.

Maka bisa dilihat pada diagram tersebut bahwa tekanan (P) dan temperatur (T) menjadi faktor penting yang berpengaruh pada kinerja turbin gas. Dalam bentuk matematis, kinerja turbin gas dapat dituliskan sebagai berikut.

Kinerja termal GT (ẃ) = Cp x (T3 – T4)

Kinerja output kompresor (W) = ma x Cp x (T2 – T1)

Daya output GT (P) = (ma+mf) x Cp x (T3 – T4)

Kerja bersih GT (Wnett) = (ma+mf) x Cp x (T34 – T21)

Berikut merupakan parameter yang mempengaruhi kinerja turbin gas:

1. Tekanan udara masuk kompresor. Tekanan udara juga mempengaruhi kinerja turbin gas, karena kompresor memiliki rasio kompresi. Jadi ketika tekanan udara masuk kompresor tinggi, maka tekanan discharge kompresor juga tinggi dan sebaliknya. Seperti dijelaskan sebelumnya pada diagram P-V bahwa tekanan mempengaruhi kinerja termal turbin gas, tekanan discharge kompresor yang tinggi akan menaikkan daya output turbin gas tersebut.
2. Temperatur udara masuk kompresor. Sebagaimana dijelaskan bahwa udara merupakan fluida kerja pada turbin gas, udara ini diambil dari lingkungan sekitar. Sehingga temperatur udara sekitar merupakan temperatur udara masuk kompresor. Temperatur udara yang lebih rendah terbukti dapat menaikkan daya output turbin gas. Hal ini karena temperatur udara yang rendah memiliki kerapatan yang tinggi sehingga massa udara yang terkandung juga tinggi. Maka gaya dorong udara yang ke turbin gas akan lebih besar sehingga daya output juga akan naik. Begitu juga sebaliknya, temperatur udara yang tinggi akan menurunkan daya output turbin gas.
3. Mass flow udara. Seperti terlihat pada formula bahwa mass flow udara sangat menentukan besarnya daya output sebuah turbin gas. Mass flow udara ini dihasilkan dari discharge kompresor dan massa flow bahan bakar.
4. Tekanan discharge kompresor. Sudah dijelaskan di poin 2 terkait pengaruh tekanan terhadap kinerja turbin gas, tekanan discharge kompresor yang tinggi akan memberikan energi tekanan yang tinggi pula pada sisi turbin sehingga daya dorong turbin juga besar.
5. Temperatur discharge kompresor. Pada diagram T-S terlihat temperatur sangat menentukan kinerja turbin. Pada diagram di atas temperatur discharge kompresor terletak pada titik 2. Temperatur discharge kompresor berpengaruh terhadap temperatur pembakaran di combustion chamber. Temperatur discharge kompresor yang tinggi akan menaikkan temperatur pembakaran sehingga energi panas (entalpi) yang masuk ke sisi turbin juga besar.
6. Temperatur exhaust turbin. Tinggi rendahnya temperatur exhaust turbin menggambarkan seberapa besar energi yang terserap dan dikonversi oleh turbin menjadi energi mekanik. Pada diagram T-S temperatur exhaust turbin terletak pada titik 4, dan temperatur masuk turbin pada titik 3. Daya yang dihasilkan turbin merupakan selisih entalpi masuk dan keluar turbin tersebut.
7. Tekanan exhaust turbin. Seperti halnya temperatur exhaust, tekanan exhaust turbin juga menggambarkan seberapa besar energi tekanan yang mampu diserap oleh turbin. Dari diagram P-V juga dapat dilihat bahwa tekanan exhaust turbin berkaitan dengan besar luasan kerja turbin gas. Idealnya tekanan exhaust turbin sama dengan tekanan udara atmosfer.
8. Nilai kalor (heating value) bahan bakar. Hal ini jelas sangat berpengaruh karena berkaitan dengan temperatur pembakaran dan konsumsi energi per satuan massa. Misalnya, jika suatu bahan bakar bernilai kalor (x) dengan massa 1 kg dapat menghasilkan energi 1 kWh, maka bahan bakar dengan nilai kalor yang lebih tinggi (y) hanya dibutuhkan kurang dari 1 kg untuk menghasilkan energi yang sama.

Faktor-faktor di atas merupakan spesifik untuk turbin gas di instalasi PLTG/ PLTGU. Pada industri, kinerja mesin yang efisien telah menjadi perhatian khusus karena menyangkut cost yang dibebankan dalam operasionalnya. Maka dari itu, perlu adanya analisis-analisis yang membahas tentang bagaimana meningkatkan performa mesin tersebut atau setidaknya mempertahankannya dari degradasi performa. Untuk turbin gas sendiri, penulis akan memberikan beberapa hal yang menjadi sebab dan indikasi degradasi performa serta maintenance nya.

Maintenance merupakan suatu keharusan dalam menjaga performa turbin gas tetap efisien. Selain membuat turbin gas lebih efisien, maintenance juga akan memperpanjang umur pemakaian turbin gas itu sendiri.

Pustaka: Modul Presentasi "Faktor-faktor yang Mempengaruhi Performansi PLTGU. Grati 2019."