Steam Power Plant

BAB 1: LOJI KUASA STIM

1

HUKUM KE-2 TERMO SEPINTAS LALU “…secara semulajadi haba akan mengalir dari takungan yang panas ke takungan yang sejuk…” Σ Haba kasar > Σ kerja bersih Terdapat beberapa pertanyaan penting iaitu: Claussius Kelvin Plank

2

KONSEP ENJIN HABA Definasi : Enjin haba merupakan satu sistem yang menghasilkan kerja dari haba yang dibekalkan. Dari pertanyaan-pernyataan Hukum ke-2: 2.

Enjin haba akan mempunyai 2 takungan iaitu: Takungan Panas b) Takungan Sejuk a)

3

KONSEP ENJIN HABA 1. 

Haba akan mengalir dari panas ke takungan sejuk. Jumlah kerja bersih yang dihasilkan oleh sebuah enjin haba harus lebih kecil dari haba yang dibekalkan. Qin > Wout - Win

4

LOJI KUASA STIM 1.

Merupakan satu contoh enjin haba.

3.

Loji kuasa stim menerima haba daripada pembakaran bahan api dan haba tersebut mengalir ke dalam stim.

5.

Melalui proses-proses yang tertentu, stim akan memusingkan aci yang disambungkan kepada turbin bagi menghasilkan kuasa. 5

LOJI KUASA STIM MUDAH

Dandang

DANDANG

TURBIN

KOMPONEN ASAS

PAM AIR SUAPAN

Pam air suapan

Turbin

Pemeluwap

PEMELUWAP

6

DANDANG

TURBIN

PEMELUWAP

Stim yang berada pada tekanan yang tinggi setelah melalui pemampat akan menerima haba daripada hasil pembakaran bahan api dan udara. Ini menyebabkan stim berada pada aras tenaga yang tinggi. • Stim pada aras yang tinggi akan memasuki turbin. Tenaga dari stim akan berpindah bentuk menjadi kerja apabila stim memusingkan bilah untuk memusingkan Aci. Aci ini disambungkan ke alat-alat gunakuasa stim yang berada pada tekanan tinggi dan mengalami penurunan tekanan setelah melalui turbin. • Stim memasuki pemeluwap dan menyingkirkan haba ke persekitaran. Ini dilakukan dengan memindahkan haba ke air penyejuk yang mengalir keluar dan masuk pemeluwap.

PAM AIR SUAPAN

• Setelah haba dibebaskan ke persekitaran, stim akan dimampatkan di dalam pam air suapan ke satu nilai tekanan yang tinggi.

7

APLIKASI LOJI DENGAN KONSEP ENJIN HABA TAKUNGAN PANAS Q1-2 Dandang

W4-1

Pam air suapan

Turbin

W2-3

Pemeluwap

Q3-4

TAKUNGAN SEJ UK

8

KITAR CARNOT UNTUK AIR Salah satu jenis kitar bagi loji kuasa stim ialah kitar Carnot. Kitar ini diambil atas nama perekanya iaitu Sida Carnot. Kitar ini mencadangkan beberapa siri proses bolehbalik yang memberikan kecekapan yang maksima. Proses-proses itu ialah: 1-2 Proses 2-3 Proses 3-4 Proses malar. 4-1 Proses

penambahan haba, Qin pada suhu malar pengembangan isentropik (S2 = S3) penyingkiran haba Qout pada suhu pemampatan isentropik (S4 = S1)

9

RAJAH T-S KITAR CARNOT

T °C

PROSE KOMPONEN S 1-2 Dandang 1

4

2

2-3

Turbin

3-4

Pemeluwap

4-1

Pam air suapan

3

s

10

IMBANGAN TENAGA T °C

DANDANG (1-2)

Anggapan PE ≈ 0, KE ≈ 0, W ≈0 Q12 – W12 = H12 + PE12 + KE12 Q12 = H12 = (H2 – H1)

1

2

4

3

s

TURBIN (2-3)

Anggapan PE ≈ 0, KE ≈ 0, Q ≈ 0 Q23 – W23 = H23 + PE23 + KE23 -W23 = H23 = H3 - H2

11

IMBANGAN TENAGA PEMELUWAPAN (3-4)

Anggapan : PE = 0, KE = 0, W = 0 Q34 – W34 = H34 + PE34 + KE34 Q34 = H34 = (H4 – H3) PAM AIR SUAPAN (4-1)

Anggapan PE = 0, KE = 0, Q = 0 Q41 – W41 = H41 + PE41 + PE41

T °C

1

2

4

3

-W41 = H41 = H1 – H4 s

12

KECEKAPAN HABA CARNOT Wnet Kecekapan haba = Qin atau

Qin − Qout ηth = Qin Qout ηth = 1 − Qin

Oleh kerana kitar Carnot mempunyai proses yang boleh balik, menurut skala suhu Kelvin: Qout T s = Qin T p

di mana; Ts= suhu takungan panas Tp=suhu takungan sejuk 13

CONTOH 1.1 Sebuah kitar Carnot beroperasi di antara tekanan 0.03 bar dan 70 bar masing-masing di dalam keadaan wap basah. Stim memasuki dandang pada keadaan cecair tepu meninggalkan dandang di dalam keadaan wap tepu. Tentukan kecekapan haba loji.

14

KITAR CARNOT Kelemahan pada kitar: Darjah kekeringan pada keluaran turbin begitu rendah dan kakisan pada bilah turbin boleh berlaku dengan cepat. Agak sukar untuk menghasilkan alat yang boleh menukar fasa ke fasa tepu. Terlalu sukar untuk memastikan proses pemeluwapan hingga ke titik 4, dimana titik 1 diperolehi melalui proses pemampatan isentropik.

15

KITAR RANKINE Secara praktik, kitar Carnot tidak digunakan untuk penghasilan kuasa. Ini adalah kerana nisbah kerja, proses pengawalan yang sukar dan jangkahayat yang rendah. Kelemahan ini menyebabkan wujudnya kitar Rankine

PENGUBAHSUAIAN KITAR RANKINE

a) Proses pemeluwapan dilanjutkan sehingga bendalir menjadi cecair tepu.

T 3

T1

b) Mampatan bendalir ke tekanan dandang menggunakan pam air suapan

2

T2

1

c) Proses sesuhu di dandang digantikan dengan proses setekanan

4

s

16

PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA Proses 1-2: Proses pemampatan secara seentropi di pam air suapan dari p1 ke p2. (PE=0,KE=0,Q=0) Q12 − W12 = H12 + PE12 + KE12 − W12 = ( H 2 − H1 )

Selain daripada itu kerja pam juga boleh dikira dengan menggunakan hubungan: W12 = V ( P2 − P1 )

17

PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA Proses 2-3: Proses penambahan haba di dandang pada tekanan malar (PE=0,KE=0,W=0) Q23 −W23 =H 23 +PE 23 +KE23

Q23 = ( H3 − H 2 )

Proses 3-4: Proses pengembangan secara seentropi di turbin dari p3 ke p4. (PE=0,KE=0,Q=0) Q34 − W34 = H34 + PE34 + KE34 − W34 = ( H 4 − H 3 )

18

PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA Proses 4-1: Proses penyingkiran haba di pemeluwap pada tekanan malar (PE=0,KE=0,W=0) Q41 −W41 =H 41 +PE 41 +KE41

Q41 = ( H1 − H 4 )

19

KECEKAPAN HABA RANKINE

ηR Kecekapan haba rankine, ηR =

(Wturbin) − (Wpam)

(W

)

dandang

ηR =

Wnet = Qin

( h3 − h4 ) − ( h2 − h1 ) ( h3 − h2 )

T 3

T1 2

T2

1

4

s

Kecekapan ini memberitahu kita, berapa banyak kerja bersih dapat ditukarkan daripada haba yang dibekalkan ke dalam sistem.

20

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA Selain daripada kecekapan haba rankine, beberapa kriteria juga perlu dicari bagi menentukan prestasi sesebuah loji kuasa. 3. Penggunaan stim tentu (s.s.c) Penggunaan stim tentu merupakan nisbah kadalir jisim (kadar penggunaan stim terhadap masa) dengan kuasa keluaran bersih yang dihasilkan Ia memberitahu kita berapakah kadalir stim yang diperlukan untuk hasilkan 1 unit kuasa

21

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA Kadalir jisim stim = m s

 kg     s 

 kg kJ  x   s kg 

Kuasa keluaran = m s x (w net )  s m Oleh itu, s.s.c= m (w ) s net

1 w net

iaitu =

  kg   s  kg    kJ  s  kg     

kg kJ

Selain daripada unit ini, unit lain yang biasa digunakan ialah: kg kg kg( 3600) = = kJ kW .s kW . jam

Maka s.s.c = 3600 w net

 kg   kW . jam  

22

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA 1. Nisbah kerja Nisbah ini menunjukkan berapa banyak kerja bersih dapat dihasilkan daripada keseluruhan kerja kasar yang dipunyai oleh sistem. Nisbah kerja = kerjakeluaranbersih= Wturbin − Wpam kerjakeluarankasar

Wturbin

3. Kecekapan isentropik (seentropi) Kecekapan isentropik/seentropi terbahagi kepada dua iaitu:  kecekapan seentropi pam  kecekapan seentropi turbin 23

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA Wujudnya kecekapan ini kerana terdapat ketidakboleh balikan proses pada turbin dan pam air suapan. Ketidakbolehbalikan ini menyebabkan turbin dan pam air suapan tidak lagi beroperasi secara isentropik atau seentropi. T

3 2’ 2

1

4

4’

s

24

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA Bagi pam: ηs ( pam) =

kerjaseentropi h2 − h1 = kerjasebenar h2' − h1

Bagi turbin: ηs ( turbin) =

kerjasebenar h4' − h3 = kerjaseentropi h4 − h3

1. Beban haba pemeluwap (Condenser heat load) Digunakan untuk membandingkan penyingkiran haba di antara loji kuasa. Beban haba pemeluwap = s.s.c x haba tersingkir di pemeluwap kg kJ =

kW . jam kJ = kW . jam

x

kg

25

CONTOH 1.2 Sebuah kitar loji kuasa stim bekerja dengan tekanan dandang dan pemeluwap 30 bar dan 0.04 bar masing-masing. Kirakan kecekapan, nisbah kerja dan pengunaan stim tentu bagi: b. Kitar Carnot menggunakan stim basah c. Kitar Rankine dengan stim tepu kering masuk ke turbin. d. Kitar Rankine di(b) dengan kecekapan seentropi turbin 80% e. Sekiranya turbin di bekalkan dengan stim panas lampau pada suhu 450°C, tentukan pengunaan stim tepu (PST) Bandingkan kecekapan terma, kerja bersih dan nisbah kerja bagi . kitaran (a),(b),© dan (d). Nyatakan ulasan anda

26

KITAR RANKINE DGN PEMANAS LAMPAU • Salah satu cara untuk meningkatkan kecekapan haba ialah dengan cara meningkatkan Wnet. 2. Bagaimana meningkatkan Wnet? • Naikkan Wout • Kurangkan Win • Penggunaan pemanas lampau merupakan satu cara untuk menaikkan Wout. • Ia akan menyebabkan stim yang keluar dari dandang pada keadaan wap tepu dipanaskan di dalam pemanas lampau sehingga stim menjadi wap panas lampau. • Ini menyebabkan perbezaan entalpi yang tinggi di turbin dan ini meningkatkan Wout.

27

T °C

Kitar Rankine biasa

3 2

∆Η

1

4

s

T °C

4

Kitar Rankine dengan pemanas lampau

3 ∆Η

2

1

5

s

28

SUSUNATUR LOJI T °C

3 Dandang

4 4

Pemanas lampau

2

3

Pam air suapan

Turbin

Pemeluwap 1

∆Η

2

1

5

5

s

KESEIMBANGAN TENAGA Qin = Q23 + Q34

Win = V ( P2 − P1 )

Qin = ( H3 − H 2 ) + ( H 4 − H3 )

Wout = ( H 4 − H5 )

Qin = ( H 4 − H 2 )

29

CONTOH Sebuah janakuasa stim kitar Rankine berada diantara tekanan 40 bar dan 0.1 bar. Sekirannya suhu keluaran pemanas lampau ialah 520oC, dapatkan kecekapan terma, penggunaan stim tentu dan nisbah kerja. Bandingkan nilai yang diperolehi dengan jawapan daripada contoh sebelumnya. Dapatkan juga beban haba pemeluwap dan beri ulasan. Jika suhu air penyejuk bagi pemeluwap naik 22oC kepada 30oC, dapatkan berapakah jisim air penyejuk untuk satu kg stim

30

PENGARUH SUHU STIM Lebih tinggi suhu stim yang keluar dari pemanas lampau, lebih kering stim yang memasuki pemeluwap. T °C

3' 3

2

1

x 5

x' 5'

s

31

PENGARUH TEKANAN STIM Pada suhu yang malar, apabila tekanan dandang ditambah, stim akan menjadi lebih basah kerana x berkurang. T °C P1 P1'

P2

x

x'

s

32

KITAR RANKINE DENGAN PEMANAS SEMULA 1. Kitar rankine dengan pemanas semula merupakan salah satu kitar modifikasi Rankine yang digunakan secara praktikal pada masa ini. 2. Apabila tekanan dandang ditingkatkan stim yang memasuki pemeluwap akan menjadi lebih basah dan akan merosakkan turbin T °C

x

x'

s

33

KITAR RANKINE DENGAN PEMANAS SEMULA 1. Untuk mengatasi masalah ini sistem pemanasan semula digunakan. 2. Penggunan alat ini menyebabkan terdapat dua unit turbin digunakan: turbin tekanan tinggi dan rendah. 3. Penggunaan sistem pemanasan semula adalah untuk memanaskan semula stim yang keluar daripada turbin tekanan tinggi sebelum memasuki turbin tekanan rendah

34

SUSUNATUR LOJI & RAJAH T-S 2 Dandang

5 3

Pam air suapan

4

TTT

Pemeluwap

TTR

6

T °C

1

3

4'

2

5

4 1

6 6'

s

35

IMBANGAN TENAGA 1. Kerja TTT:

WTTT = H3 −H 4

(kJ)

1. Kerja TTR:

WTTR = H5 −H 6

(kJ)

T °C

3

4'

2

5

4

• Qin= Q23 + Q45 = ( H3 − H2 ) + ( H5 − H 4 )

(kJ)

1

Apabila wujudnya ketidakbolehbalikan: 1. Kerja TTT:

WTTT = H3 −H 4'

(kJ)

1. Kerja TTR:

WTTR = H5 −H 6'

(kJ)

• Qin=

Q23 + Q45

= ( H3 − H 2 ) + ( H5 − H 4' )

∴ Kecekapan haba rankine,

ηR =

(WTTT

6 6'

s

(kJ)

+ WTTR ) − Wpam Q23 + Q45

36

CONTOH • Sebuah janakuasa stim bekerja dengan tekanan stim 42 bar dengan suhu 5000C. Stim ini mengembang secara isentropik di dalam turbin tekanan tinggi sehingga stim menjadi tepu kering. Stim seterusnya dipanaskan semula sehingga ke suhu asal 500oC dan mengembang di dalam turbin tekanan rendah sehingga mencapai tekanan pemeluwap 0.05 bar. Dapatkan kecekapan terma kitar.

37

KITAR JANA SEMULA Direkabentuk bertujuan mendapatkan kecekapan kitar Carnot sambil mengekalkan nisbah kerja yang tinggi. Bagaimana? Meninggikan suhu air suapan kepada suhu ketepuan sepadan dengan tekanan dandang sebelum ia memasuki dandang agar mendekati proses pembekalan haba suhu malar. Jenis

Pemanas terbuka

Pemanas Tertutup

38

SUSUNATUR LOJI DENGAN PEMANAS AIR TERBUKA

1 6

(1-y)kg 2

(y)kg

Boiler

Condenser

5

3 Feed Heater

Pump

8

7

Pump

4

39

PROSES-PROSES KITAR Titik 1

Titik 6

Stim di dalam keadaan wap panas lampau dikembangkan di dalam turbin (1 kg) Pada titik ini sebahagian stim pada suhu tinggi diekstrak ke dalam pemanas suapan sebanyak y kg. Baki (1-y) kg mengembang sehingga ke tekanan pemeluwap.

Titik 2

Stim memasuki pemeluwap Titik 3

Titik 4 Titik 5

Stim keluar setelah haba disingkarkan dan memasuki pam air suapan tekanan rendah. Stim masuk ke pemanas suapan dan stim ini dipanaskan secara semulajadi oleh stim . Sim pada titik 6 berubah fasa. Suhu titik 4 meningkat sehingga mencapai suhu tepu. Fasa berubah dari cecair termampat ke cecair tepu.

Titik 7

Jisim stim bercampur menjadi 1 kg semula dan masuk ke pam air suapan tekananan tinggi. Titik 8

40

Stim keluar dari pam air suapan dan masuk ke dalam

RAJAH T-S T

1 5

1 kg 1 kg

8

y kg 6

7 4

(1-y)kg

(1 – y) kg 3

2 s

41

ANALISIS TENAGA Wpam = (1 − y )WpamI ( 4 − 3) + WpamII ( 7 −8 ) Wturbin = (h1 −h6 ) + (1 − y )(h6 −h2 )

Qin = ( h1−h8 ) Qout =(1 −y )(h 2− h3 )

Bagaimana mendapatkan nilai suhu di titik 6 dan mendapatkan nilai y ? T6 =

(T 5 − T 2 ) 2

Dari pemanas terbuka:

∑m h

in in

= ∑ mouthout

yh6 + (1 − y ) h4 = h7

42

CONTOH 1.3: Kitar Rankine dengan pemanas air suapan terbuka

Sebuah kitaran kuasa stim janasemula yang menggunakan pemanas air terbuka, beroperasi di antara tekanan dandang 30 bar dan pemeluwap 0.04 bar. Stim pada keadaan 450°C masuk ke turbin dan berkembang pada tekanan 3 bar. Sebahagian daripada stim di ekstrak kepada pemanas air suapan terbuka (open Feed Water Heater) dengan kecekapan seentropi turbin ialah 0.85%. Abaikan kerja pam dan kirakan; l. Kecekapan terma loji (Cycle efficiency) ll.Pengunaan stim tentu (Specific steam

43

PEMANAS AIR TERTUTUP Digunakan bagi mengelakkan penggunaan pam air suapan yang banyak. Sistem ini menggunakan 1 pam air suapan sahaja. Sistem ini menggunakan dua atau lebih (sehingga lapan) pemanas suapan bergantung kepada rekabentuk. Selain itu sistem ini juga menggunakan injap pengembangan.

44

SUSUNATUR LOJI DENGAN DUA PEMANAS AIR TERTUTUP 1 (1-y1 – y2 )kg

7 y1 kg

Boiler

2

y2 kg

Condenser

8

3 6

Feed 5 Feed Heater 1 Heater 2

11

4

Feed Pump

10

12 9 (y1 + y2) kg

45

•

Pada 1, stim dalam keadaan wap panas lampau memasuki turbin (1 kg). Pada 7, sebanyak y1 kg diekstrak. Pada 8, sebanyak y2 kg stim pula diekstrak

•

Pada 2, sebanyak (1-y1-y2) kg stim memasuki pemeluwap.

•

Di pemanas suapan 1, proses pemindahan haba berlaku. Stim pada 7 sebanyak y1 kg digunakan untuk memanaskan stim pada titik 5 menyebabkan suhu meningkat sehingga titik 6. Stim pada 7 berubah fasa kepada cecair tepu pada titik 11.

•

Pada titik 11 pula, stim (y1 kg) seterusnya didikitkan di dalam injap sehingga titik 12 dan memasuki pemanas suapan 2.

•

Di pemanas suapan 2, proses pemindahan haba berlaku. Stim pada 8 sebanyak y2 kg dibantu pula dengan stim (y1 kg) yang masuk dari titik 12, digunakan untuk memanaskan stim pada titik 4 menyebabkan suhu meningkat ke titik 5. Stim di 8 dan 12 bergabung dan berubah fasa menjadi cecair tepu di titik 9 (y1+y2)

•

Stim pada 9 ini seterusnya didikitkan di dalam injap sehingga titik 10 dan masuk kedalam pemeluwap. Di pemeluwap, stim ini bergabung dengan stim pada 2 dan keluar sebagai cecair tepu pada 3 ( 1 kg).

•

Pemanas di dandang berlaku di titik 6 hingga titik 1.

46

RAJAH T-S T 1 1 kg

6

5

11

y2 kg

9 12

4 3

y1 kg

10

1 kg 7 (1 – y1) kg 8 (1 – y1 – y2)kg 2

s

47

ANALISIS TENAGA Qin = ( h1−h6 ) Wout =(h1 −h7 ) +(1 −y1 )(h7 −h8 ) +(1 −y1 −y 2 )(h8 −h2 )

• Bagaimana mendapatkan nilai y1 dan y2 ? • Dari pemanas suapan 1:

∑m h

in in

=

∑m

h

out out

y1h7 + h5 = y1h11 + h6

• Dari pemanas suapan 1:

∑m h

in in

= ∑ mouthout

y 2h8 + y1h12 + h4 = h 5 + ( y1 + y 2 ) h9

48

CONTOH 1.4 : Pemanas air tertutup Sebuah kitaran kuasa stim janasemula yang menggunakan pemanas air tertutup bekerja dengan keadaan wap 40 bar dan 500oC. Tekanan pemeluwap ialah 0.035 bar. Stim dijujuh pada tekanan 10 bar dan 1.1 bar masing-masing. Tentukan –jisim jisim stim ekstrak yang diperlukan bagi pemanas air untuk tiaptiap 1 kg stim yang keluar dari dandang. Kira juga kecekapan terma dan penggunaan stim tentu loji.

49