## Analisis Efisiensi Sistem Turbocharger Pada Engine PLTMG 20mw Berdasarkan Konsumsi Udara
Sepfitrah, Rinaldi, Adi Febrianton, Siswo Pranoto, Arios Ferial Jurusan Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknologi Pekanbaru Jalan Dirgantara No.4 Pekanbaru - Riau
E-mail :sepfitrah@gmail.com

## Abstract
Turbocharging  system  efficiency  is  a  comparison  between  turbocharging  efficiency  and turbocharger  efficiency.  This  study  analyzes  the  performance  of  the  ABB  140  and  TCR  18 turbochargers on two JGS 620 series F111 gas engines for 3000 hours of operation. The analysis will be carried out based on the specific airflow consumption of the JGS 620 series F111 gas engine.  The  specific  air  flow  consumption  is  obtained  based  on  calculations,  the  ABB  A140 turbocharger  consumes  an  average  of  0.2%  more  air  than  the  TCR  18  turbocharger.  This condition results in a higher output power on engine 2 on average of 2516.84 kW, compared to the output power engine 1 on average of 2402.72 kW. Based on the calculation of the conduction ratio, the average air consumption on engine 2 is less than engine 1 by 0.41%. The turbocharging efficiency value on the turbine engine 2 side is disrupted at 1700 and 2500 hours of operation. This is due to the disturbance on the turbocharger compressor side of the incoming airflow. The efficiency of the turbocharging system on engine 1 has a value of 79.77%, while on engine 2 it is 77.99%.
Keywords: turbocharger, efficiency, compressor, turbine, gas engine

## Abstrak
Efisiensi  sistem turbocharger merupakan  perbandingan  antara  efisiensi turbocharging dengan  efisiensi turbocharger . Penelitian ini menganalisa kinerja turbocharger ABB 140 dan TCR 18 pada dua mesin gas JGS 620 seri F111 selama 3000 jam operasional. Analisis yang akan dilakukan berdasarkan konsumsi aliran udara  spesifik  dari  mesin  gas  JGS  620  seri  F111.  Didapat  konsumsi  aliran  udara  spesifik  berdasarkan perhitungan,  pada turbocharger ABB  A140  megkonsumsi  udara  rata-rata  lebih  banyak  0,2  %  dari turbocharger TCR  18.  Kondisi  ini  menghasilkan  daya output yang  lebih  tinggi  pada  engine  2  rata-rata sebesar  2516,84  kW,  dibanding  daya output  engine 1  sebesar  rata-rata  2402,72  kW.  Berdasarkan perhitungan  rasio  hantaran,  konsumsi  udara  rata-rata  pada  engine  2  lebih  sedikit  dari    engine  1  sebesar 0.41%.  Nilai  efisiensi turbocharging pada  sisi  turbin engine 2  terganggu  pada  1700  dan  2500  jam operasional. Hal ini disebabkan  pada sisi  kompresor turbocharger terjadi gangguan aliran udara  masuk. Efisiensi  sistem turbocharger pada engine 1  memiliki  nilai  sebesar  79,77%,  sedangkan  pada engine 2 sebesar 77,99%.
Kata kunci: turbocharger, efisiensi, kompresor, turbin, mesin gas

## 1. Pendahuluan
Kehandalan suatu mesin pembangkit merupakan  salah  satu  faktor  utama  yang  perlu diperhatikan  dalam  menghasilkan  energi  listrik. Dalam menjaga kehandalan tersebut kita dihadapkan dengan berbagai masalah  yang salah satunya  adalah  kerusakan  pada  komponen  yang mengakibatkan  mesin  pembangkit  tidak  bisa
berfungsi.  Salah  satu  komponen  penting  yang mempengaruhi  performa  mesin  pembangkit secara  keseluruhan  adalah turbocharger [1]. Penelitian  ini  mengambil  kasus  yang  terjadi  di PLTMG 20 MW Rengat dimana pada pembangkit listrik  tersebut  digunakan  7  unit  mesin  gas  JGS 620 seri F 111. Dalam setiap unit mesin terpasang
2 buah turbocharger yaitu pada sisi A dan sisi B.
Turbocharger adalah  sebuah  kompresor sentrifugal yang mendapat daya dari turbin yang sumber  tenaganya  berasal  dari  gas  buang  motor bakar  [2].  Fungsi  dari turbocharger ini  adalah untuk  meningkatkan daya output dari unit  mesin dengan  memanfaatkan  aliran  gas  buang  untuk digunakan mengkompresi udara masuk ke silinder sehingga  jumlah  udara  yang  masuk  ke  ruang bakar  menjadi  lebih  banyak  [3][4]  .  Cara  kerja turbocharger adalah  dengan  mengalirkan  gas buang  dari  silinder  menuju  turbin  dengan  tujuan untuk memutar sudu-sudu turbin yang terhubung dengan poros kompresor sehingga kompresor ikut berputar [2][5]. Putaran Kompresor
mengkompresi udara masuk dan dialirkan menuju ke  tiap  silinder  sehingga  jumlah  udara  yang masuk ke tiap silinder semakin banyak.
Pada  pengoperasian  unit  pembangkit  di PLTMG  20  MW  Rengat  terpasang  sistem turbocharger .  Dengan  memanfaatkan  gas  buang sebagai penggerak, dimana temperatur gas buang bisa  mencapai  600°  C  menyebabkan  system  ini sangat rawan akan terjadinya kerusakan. Dikarenakan  hal  tersebut,  PLTMG  20  MW Rengat  menggunakan turbocharge r  yaitu  seri ABB A140 dan TCR 18.

## 2. Metodologi
Turbocharger yang  di  jadikan  objek  dalam penelitian  ini  adalah  jenis turbocharger sistem pulsa  ( pulse  turbocharger ). Pulse  turboharger memiliki  keunggulan  pada  tekanan  sistem  yang sangat  konstan  [6]  .    Penelitian  ini  akan menganalisa kinerja turbocharger ABB 140 pada engine 1dan TCR 18 pada engine 2 mesin gas JGS 620 seri F111, dimana kedua engine tersebut baru selesai  di overhaul .  Periode  pengambilan  data selama 3000 jam operasional. Analisis yang akan dilakukan  adalah  dengan  melihat  daya  mampu dan konsumsi aliran udara spesifik dari mesin gas JGS  620  seri  F111  selama  periode  penelitian. Data-data penelitian ini bersumber dari parameter yang  terekam  pada  kontrol  panel engine gas. Spesifikasi  mesin  gas  tersebut  adalah  sebagai berikut:
Merk dan tipe mesin : J620 GS-F101 Bahan bakar : Gas Silinder : 20 in-line Kapasitas silinder : 124,75 liter Perbandingan kompresi     : 10,5 Diameter x langkah
: 190 x 220 mm Daya maksimum              : 150 (110)/3700 (Psi/ KW/rpm)
Charging System
: TCR 18 & ABB A140
Sudu turbin : 11 Sudu kompresor : 9
2.1. Konsumsi Aliran Udara Spesifik (ṁ Cyi ) Jumlah  konsumsi  udara  spesifik  dapat ditentukan  dengan  metode  pengukuran  langsung maupun  simulasi  [7].  Namun  apabila  kedua metode tersebut tidak dapat dilakukan maka dapat ditentukan melalui perhitungan.
1. Perhitungan konsumsi aliran udara spesifik
CYi . m 3600 e e l P  (1)
Dimana : ṁ CYi : Konsumsi aliran udara spesifik (kg/s) l e : Konsumsi udara spesifik (kg/kWh)
P e : Daya mesin
(kW)
Nilai konsumsi udara spesifik untuk beberapa tipe  kecepatan  putaran  mesin  dapat  digunakan sebagai berikut [7]:
a. 5 – 6,5 kg/kWh  untuk mesin putaran tinggi b. 6,5  –  8  kg/kWh  untuk  mesin  putaran medium
c. 8 – 9 kg/kWh untuk mesin putaran rendah
2. Rasio hantaran
Metode  perhitungan  konsusmsi  aliran  udara spesifik  menggunakan  metode  rasio  hantaran, lebih ditekankan pada data spesifikasi mesin [7]. Nilai pada spesifikasi dapat diukur langsung pada mesin yang akan dianalisa.
CYi d n m . V  . z . . . 30 IM d A IM P R T    (2)
Dimana : ṁ CYi : Konsumsi aliran udara spesifik (kg/s) V d : Volume langkah torak ( m 3 ) z : Jumlah silinder
n : Putaran mesin ( rpm)
 : Jumlah langkah
 d : Rasio hantaran Nilai  rasio  hantaran  (  d )  untuk  beberapa  tipe kecepatan putaran mesin dapat digunakan sebagai berikut :
a. 0,9 – 1      untuk mesin putaran tinggi
b. 1,1  – 1,2 untuk mesin putaran medium
c. 1,0 – 1,2  untuk mesin putaran rendah

## 2.2. Efisiensi Turbocharging
Efisiensi turbocharging merupakan  tinjauan terhadap  kondisi  kinerja  kompresor,  yang  dapat dihitung  dengan  persamaan  berikut  untuk  jenis mesin 4 langkah turbocharger sistem pulsa:
A A G G K 1 K 1-K K 1 1 IM si Mf EM so p P P p P          
                      (3)
A CYi si A A G CYo EM G G K . . T  . R K 1 C . C . K . . T . R K 1 T f wt Mf m P m    
(4)
Dimana :  T = Efisiensi turbocharging P Mf = Rasio tekanan gas manifold
2.3. Efisiensi Turbocharger Sedangkan efisiensi
untuk
sistem
turbocharger merupakan  tinjaun  kondisi  kinerja turbin [7], yang dapat dihitung dengan persamaan berikut:
A A G G K 1 K 1-K K 1 1 Co Ci T Ti To p P P p P     
     
                     (5) A Co Ci A A G Ti Ti G G K . . T . R K 1 C .C . K . . T . R K 1 TC f wt T m P m     (6)
Keterangan :  TC = Efisiensi sistem turbocharger P T = Rasio tekanan turbin

## Tabel 1.
Data hasil pengukuran dan literatur parameter turbocharger
Parameter turbocharger Simbol Hasil pengukuran dan literatur Aliran massa udara di inlet silinder CYi m 5,52 kg/det Aliran massa udara di outlet kompresor Co m 5,52 kg/det Aliran massa gas di outlet silinder CYo m 5,68 kg/det Aliran massa gas ke turbin Ti m 5,68 kg/det Kelembaban udara x 0,63% Temperatur udara sistem T si 306,77 o K Temperatur inlet kompresor T Ci 306,77 o K Tekanan udara sistem P si 1,001 bar Tekanan udara inlet kompresor P Ci 1,003 bar Tekanan udara outlet kompresor P Co 3,46 bar Tekanan udara di inlet manifold P IM 3,33 bar Faktor koreksi bahan bakar C f 0,983 Faktor koreksi kandungan air C wt 1 Fraksi massa gas x c 0,419 Temperatur gas exhaust manifold T EM 892,15 o K Temperatur gas inlet turbin T Ti 780,89 o K Tekanan gas exhaust manifold P EM 2,67 bar Tekanan gas inlet turbin P Ti 2,67 bar
Tekanan gas outlet turbin P To 1,08 bar Tekanan gas sistem P so 1,02 bar Konstanta gas udara kering R 287,05J/kg.K Konstanta rasio panas spesifik udara kering K A 1,4 Konstanta rasio panas spesifik gas buang K G 1,3427

## 2.4. Efisiensi Sistem Turbocharger
Berdasarkan  persamaan  4  dan  persamaan  6 maka  dapat  didefinisikan  efisiensi  sistem turbocharger adalah perbandingan antara efisiensi turbocharging
dengan efisiensi
turbocharger [7].
TC T TS    
(7)
3. Hasil dan Pembahasan
Gas  engine J620GS  yang  merupakan  mesin pembakaran dalam 4 langkah, pengapian dengan busi, menggunakan turbocharger and intercooler . Bahan  bakar  gas  yang  digunakan  adalah  LPG dengan  LHV  =  46.000  kJ/kg  dan  densitas  2,22 kg/m 3 .  LPG  dan  udara  dicampur  di  dalam  gas mixer kemudian dimasukkan ke dalam gas engine dengan  bantuan turbocharger .  Sebelum  masuk gas  engine,  campuran  LPG  dan  udara  melalui intercooler .  Putaran  mesin  dalam  penelitian adalah  tetap  sebesar  1500  rpm.  Besarnya  daya yang  dihasilkan  dapat  diketahui  dari print  out kontrol  panel,  termasuk  data-data  lainnya  yang diperlukan dalam penelitian ini.
3.2. Konsumsi Aliran udara Spesifik (ṁ CYi ) Nilai  aliran  udara  spesifik  ( ṁ CYi )  yang digunakan  dalam  persamaan  1,  untuk  mesin empat  langkah  putaran  tinggi  ini  adalah  6,5 kg/kWh.  Perhitungan  berikut  juga  mengunakan data daya output berdasarkan tabel 1.

## Tabel 2.
Nilai konsumsi aliran udara spesifik engine 1 & 2
Waktu (Jam) Engine1 Engine2 Daya output (kW) ṁ CYi (kg/s) Daya output (kW) ṁ CYi (kg/s) 24 2379,45 4,30 2544,00 4,59 100 2270,82 4,10 2256,50 4,07 200 2326,42 4,20 2207,50 3,99 . . . . .
.
. . . . 2800 2138,75 3,86 2646,50 4,78 2900 2260,73 4,08 2576,09 4,65 3000 2204,42 3,98 2545,00 4,60 Rata- rata 2402,72 4,34 2516,84 4,54
Gambar 1. Perbandingan ṁ CYi pada mesin dengan tubocharger .
Grafik ṁ CYi pada gambar , menunjukkan aliran spesifik  konsumsi  udara  pada engine  1 , maksimum  sebesar  4,94  kg/s  dan  minimum sebesar  3,74  kg/s.  Sedangkan  pada engine  2 konsumsi  udara  maksimum  5,04  kg/s  dan konsumsi  udara  minimum  sebesar  3,92  kg/s. Konsumsi  udara  rata-rata engine  1 sebesar  4,34 dan  pada  engine  2  sebesar  4,54  kg/s.  Nilai konsumsi  udara  cenderung  terus  turun  pada engine 2 setelah 1500 jam operasional.
Tabel 3. Nilai konsumsi aliran udara spesifik berdasarkan rasio hantaran Waktu (Jam) Engine1 Engine2 Daya output (kW) ṁ CYi (kg/s) Daya output (kW) ṁ CYi (kg/s) 24 2379,45 0,23 2544,00 0,24 100 2270,82 0,22 2256,50 0,21 200 2326,42 0,22 2207,50 0,21 . . . . . . . . . . 2800 2138,75 0,20 2646,50 0,20 2900 2260,73 0,21 2576,09 0,21 3000 2204,42 0,21 2545,00 0,21 Rata- rata 2402,72 0,24 2516,84 0,24
Gambar 2. Perbandingan ṁ CYi pada mesin dengan tubocharger berdasarkan rasio hantaran
Karakteristik  konsumsi  udara  pada engine  1 dan 3 berdasarkan udara speifik hantaran terlihat pada gambar 2. Tidak terlau jauh berbeda dengan
profil  nilai  konsumsi  aliran  udara  spesifik  pada gambar 1. Nilai konsumsi udara maksimum pada engine 1 sebesar 0,27 kg/s dan minimum sebesar 0,19  kg/s.  Sedangkan  pada  engine  2  konsumsi udara  maksimum  sebesar  0,28  kg/s  dan  nilai minimum sebesar 0,18 kg/s.
Gambar 3. Grafik efisiensi turbocharging (Kinerja kompresor)
Nilai  efisiensi turbochargin g  didapat  dari perhitungan kondisi temperatur dan tekanan kerja pada  sisi  kompresor engine .  Kondisi  ini  dapat disebut  pula  sebagai  kondisi  awal  kerja engine , sehingga mempengaruhi terhadap proses pembakaran dan kinerja turbocharger . Dari grafik perbandingan nilai efisiensi turbocharging (  T ) di atas,  tampak  kondisi  kerja  kompresor  pada turbocharger TCR  mulai  terganggu  pada  1700 jam kerja dengan menurunnya nilai efisiensi dari 63,58%  menjadi  48,42  %,  hingga  pada operasional 2500 jam turun drastis menjadi 24,31 %. Pada kondisi peneurunan efisiensi ini terlihat terjadi  akibat  tekanan  pada exhaust  manifold (P EM )  meningkat  hingga  15,61  bar  yang normalnya berada pada 2,5 – 3 bar.
Gambar 4. Grafik efisiensi turbocharger (Kinerja turbin)
Posisi exhsaust manifold berada sebelum inlet  turbin turbocharger ,  jika  kondisi  tekanan maupun  temperatur  naik  pada exhaust  manifold engine dapat  diakibatkan  diakibatkan  oleh penurunan turbocharger sehingga  gas  buang tertahan pada exhaust manifold yang mengakibatkan  tekanan  naik.  Sedangkan  jika
0 1 2 3 4 5 6 24 400 800 1.200 1.600 2.000 2.400 2.800 Ko n su m si sp es if ik u d ar a (k g/s ) Waktu operasional (jam) TCR 18 ABB A140 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 E fi si en si ( % ) Waktu Operasional (jam) NT ABB A140 NT TCR 18 20 30 40 50 60 70 80 90 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 E fi si en si S ist em ( % ) Waktu Operasional (jam) NTC ABB A140 NTC TCR 18 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 24 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 Ko n su m si sp es if ik u d ar a (k g/s ) Waktu operasional (jam) TCR 18 ABB A140
tekanan  pada exhaust  manifold turun  bisa diaklibatkan  oleh  keinerja engine ataupun kompresor yang menurun.
Gambar 5. Grafik efisiensi sistem turbocharger
Efisiensi  sitem turbocharger merupakan efisiensi  kinerja  engine  keseluruhan  yang dipengaruhi  oleh  nilai  efisiensi  pada  sisi kompresor dan efisiensi pada sisi turbin. Hingga 3000 jam operasional efisiensi sistem turbocharger engine  1  tidak  terjadi  penurunan nilai.  Efisiensi  sistem turbocharger rata-rata engine 1 sebesar 79,77 %, sedangkan pada engine 2 sebesar 77,99 %.

## 4. Simpulan
Dari  hasil  pengolahan  data  engine  1  yang menggunakan turbocharger ABB  A140  dan engine  2  menggunakan turbocharger TCR  18, didapat kesimpulan sebagai berikut.
a. Berdasarkan  konsumsi  aliran  udara  spesifik berdasarkan persamaan 1 didapat pada engine 2  menggunakan turbocharger ABB  A140, megkonsumsi  udara  rata-rata  sebesar  4,54% lebih  banyak  0,2  %  dari  engine  1  yang menggunakan turbocharger TCR 18.
b. Berdasarkan  perhitungan  rasio  hantaran, didapat  konsumsi  udara  maksimum  tertinggi pada engine  2 sebesar 5,61 kg/s dengan rata- rata  konsumsi  udara  sebesar  4,88  %. Sedangkan  pada engine  1 memiliki  nilai konsumsi  udara  maksimum  sebesar  5,29  % dan rata-rata konsumsi udara sebesar 5,29 %.
c. Engine  2  memiliki  daya  output  rata-rata sebesar  2516,84  kW,  lebih  tinggi  dari  daya output rata-rata engine 1 sebesar 2402,72 kW. d. Nilai  efisiensi turbocharging ,  pada  sisi kompresor engine  2 memiliki  nilai  yang fluktuatif  dengan  terdapatnya  penurunan efisieni pada 1700 dan 2500 jam operasional, turun hingga 24,31 %. Hal ini disebabkan pada sisi turbocharger (kerja  kompresor),  terjadi gangguan  aliran  udara  masuk.  Kinerja turbocharging menurun  seiring  lamanya waktu operasional.
e. Efisiensi  sistem turbocharger pada engine  1 memiliki  nilai  sebesar  79,77%,  lebih  tinggi dari efisiensi sistem turbocharger pada engine 2, sebesar 77,99%. Hal ini menunjukan kinerja sistem kedua turbocharger cukup stabil dalam rentang waktu operasional 3000 jam.

## Daftar Pustaka
[1] S.  Shaaban  and  J.  Seume,  “Impact  Of Turbocharger  Non-Adiabatic  Operation  On Engine  Volumetric  Efficiency  And  Turbo Lag,” Int. J. Rotating Mach. , vol. 2012, 2012, doi: 10.1155/2012/625453.
[2] G.  D.  Uhlenhake,  “Characterization  of Turbocharger  Performance  and  Surge,”  The Ohio State University, 2010.
[3] S.  Setiawan,  “Analisa  Pengaruh  Temperatur Udara  Masuk  Terhadap  Tekanan  Dan Temperatur  Gas  Buang  Pada  Pltd  Pulo Panjang Banten,” JTM , vol. 05, no. 2, pp. 35– 40, 2016.
[4] P.  Balashanmugam  and  E  Elakiya  and Sunayana Sharma, “Performance Analysis On A  Turbocharged  Two  Wheeler  Engine,” IJERST , vol. 2, no. 4, 2013.
[5] Irwanto, “Kajian Studi Turbocharger Terhadap  Performansi  Motor  Bakar  Diesel Daya 150 PS,” Universitas Medan Area, 2017.
[6] N.  W.  and  M.  S.  Janota, Turbocharging  the Internal  Combustion  Engine .  London:  The Macmillan Press LTD, 1982. doi: 10.1007/978-1-349-04024-7.
[7] CIMAC, “Turbocharging  Efficiencies  - Definitions And Guidelines For Measurement And Calculation,” CIMAC Recomm. , vol. 27, no. 27, pp. 1–46, 2007.
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 E fi si en si ( % ) Waktu Operasional (jam) NTS ABB A140 NTS TCR 18