Analisis Erosi pada Turbin Uap

Partikel erosi padat disebabkan oleh benda asing yang masuk ke saluran masuk turbin uap. Sebagian besar partikel tersebut dihasilkan dari tabung boiler. Selama pembangkit beroperasi, kerak pada permukaan bagian dalam tabung boiler secara bertahap tumbuh lebih tebal. Kemudian kerak terlepas dari dinding bagian dalam tabung karena tegangan termal transien pada prosedur start-up boiler. Kerak memasuki turbin dalam kondisi tunak/steady, tetapi lebih rentan di bawah operasi sementara seperti prosedur start-up karena tegangan termal lebih tinggi. Menurut metode difraksi sinar-X yang dilakukan di masa lalu, sebagian besar kerak adalah Fe₂O₄ (hematit) dan Fe₃O₄ (magnetit) termasuk sejumlah kecil kromium dan nikel.

Daerah Rentan Erosi

Area yang rentan terhadap erosi adalah batang katup kontrol, bilah stasioner tahap pertama dan bilah bergerak turbin HP, bilah stasioner tahap pertama dan bilah bergerak dari turbin tekanan menengah atau turbin pemanas ulang, dan area sirip dari tahap ini. Daerah yang tererosi setiap komponen dan setiap tahap berbeda karena perilaku partikel. Misalnya, sisi tekanan, terutama area tepi belakang dari sisi tekanan, rentan terhadap erosi pada turbin tahap pertama HP.

Karena kecepatan uap sangat cepat dan kepadatannya sangat tinggi, partikel mengikuti pergerakan uap dan memasuki saluran yang dibentuk oleh sudu-sudu. Namun, partikel tidak dapat mengikuti aliran uap dan tidak dapat diputar di tepi belakang jalur uap karena massa dan inersianya. Kemudian partikel mengenai sisi tekanan dekat tepi belakang, menyebabkan erosi di daerah ini. Sebaliknya, tepi terdepan dari sisi hisap tererosi di bilah bergerak dari turbin tekanan menengah (turbin panas ulang).

Pertimbangan pada desain turbin dan mode operasi

Ukuran dan jumlah bilah

Analisis partikel secara umum menunjukkan bahwa partikel dapat mengikuti aliran uap lebih baik untuk profil bilah yang lebih besar. Hal ini dikarenakan kelengkungan radius putar aliran uap lebih besar untuk profil yang lebih besar, dan ada lebih banyak waktu bagi partikel untuk dipercepat oleh aliran uap. Ada aturan umum antara ukuran bilah dan jumlahnya dalam satu tahap dari sudut pandang efisiensi tahap maksimum. Ketika profil blade lebih besar, jarak optimal bilah yang berdekatan (pitch of blades) menjadi lebih besar secara berurutan memiliki efisiensi tahap tertinggi.

Oleh karena itu, semakin besar profil bilah, semakin kecil jumlah bilah dalam satu tahap. Kemudian, dapat dianggap bahwa profil bilah yang lebih besar dengan jumlah bilah yang lebih sedikit lebih menguntungkan daripada profil bilah yang lebih kecil dari sudut pandang karakteristik antierosi. Hal ini dikarenakan kelengkungan belokan yang lebih besar dan waktu tempuh yang lebih lama di saluran uap memungkinkan partikel untuk dipercepat dan mengikuti aliran uap. Penting untuk diingat bahwa partikel atau tetesan apa pun yang mengikuti aliran uap tidak begitu berbahaya terlepas dari erosi partikel atau erosi tetesan karena tidak mengenai permukaan bilah atau bagian lainnya. Juga, beberapa manufaktur turbin mempertimbangkan bahwa efisiensi tahap (efisiensi entalpi) lebih baik untuk profil yang lebih besar dan bilah dengan jumlah kecil.

Pengaturan Nozzle dan Throttle

Untuk tahap pertama turbin HP, ada dua jenis mode kontrol masuk yaitu pengaturan throttle dan pengaturan nosel. Pengaturan throttle adalah mode operasi yang sangat sederhana, di mana semua bilah stasioner digunakan dari start-up untuk beban penuh. Pengaturan nozzle agak rumit, di mana peti kecil yang disebut kotak nosel digunakan dan bilah stasioner tahap pertama memiliki penerimaan busur parsial. Penerimaan busur parsial ini digunakan dalam beban parsial operasi untuk menjaga efisiensi tinggi bahkan di bawah beban parsial bila diperlukan area bilah stasioner lebih kecil dari operasi beban penuh. Namun, penurunan panas, dalam kata lain penurunan tekanan, pada bilah stasioner tahap pertama menjadi lebih besar untuk parsial penerimaan busur.

Hasil Dari Erosi

Penurunan Efisiensi

Jenis penurunan efisiensi yang pertama adalah struktur aliran uap yang tidak diinginkan melalui bagian bilah. Jenis penurunan efisiensi yang kedua adalah kekasaran permukaan. Telah diketahui dengan baik bahwa kekasaran permukaan yang buruk membuat kehilangan gesekan di lapisan batas yang lebih besar menghasilkan efisiensi yang lebih rendah. Bahkan, produsen turbin dan pengguna sangat memperhatikan kekasaran permukaan bilah stasioner dan bilah bergerak sehubungan dengan efisiensi. Jenis penurunan efisiensi yang ketiga adalah erosi di daerah-daerah clearance kecil. Turbin memiliki banyak area celah kecil antara bagian-bagian yang berputar dan bagian stasioner, yang khas untuk sebagian besar mesin rotasi berkecepatan tinggi. Desain clearance sangat penting untuk turbin uap untuk mengontrol kebocoran antara bagian yang diam dan bagian yang berputar. Karena sifat tekanan tinggi, menjaga clearance tetap kecil adalah tindakan yang sangat langsung untuk mencapai efisiensi tinggi dari sudut pandang meminimalkan aliran kebocoran.

Getaran Rotor

Ada berbagai jenis getaran rotor, dan telah dibuat oleh produsen dan pengguna turbin banyak upaya untuk memecahkan masalah getaran ini karena mereka secara langsung membatasi operasi dari turbin. Ada dua getaran rotor yang sangat khas yang memiliki ketergantungan kuat pada beban turbin. Yang pertama disebut “pusaran uap” dan disebabkan oleh ketidakseragaman distribusi tekanan dinamis dalam arah melingkar di ujung dan/atau poros daerah labirin. Biasanya, getaran ini memiliki ketergantungan yang kuat pada beban karena tekanan di area labirin meningkat dengan meningkatnya beban, dan frekuensinya dekat frekuensi alami dengan beberapa pita pencar. Namun, satu perbedaan yang jelas adalah bahwa getaran yang disebabkan oleh uap meningkat secara monoton dengan beban dan tidak pernah berkurang pada beban 100%. Yang lainnya adalah getaran yang disebabkan oleh karakteristik material dari rotor itu sendiri. Jika pita pencar dari sifat mekanik rotor besar dalam arah melingkar, getaran rotor dapat terjadi. Pita pencar dari sifat mekanik biasanya ketidakseragaman dari koefisien termal ekspansi dalam arah melingkar. Kemudian, ada kemungkinan bahwa sisa ketidakseimbangan di rotor terjadi ketika beban berubah; dengan kata lain, suhu uap berubah karena ekspansi termal yang tidak seragam. Namun, frekuensi rotasi kecepatan adalah mode utama dari getaran ini karena disebabkan oleh ketidakseimbangan.

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR KONVERSI ENERGI LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Tanuma, Tadashi. (2017). Advances in Steam Turbines for Modern Power Plants. Duxford: Elsevier.

Author: admin