## Studi Pengujian MGT Berbahan Bakar Campuran LPG dan Briket Bambu serta Simulasi Tekanan Temperatur dengan Perangkat Lunak
Fatkur Rachmanu*, Mokhamad Is Subekti dan Widodo
Program Studi Teknologi Rekayasa Manufaktur, Politeknik Enjinering Indorama Kembangkuning, Jatiluhur, Purwakarta, Jawa Barat 41152, Indonesia
*Email : fatkur.rachman@gmail.com
Diajukan: 28-11-2021; Diterima: 11-08-2022; Diterbitkan: 22-08-2022

## Abstrak
Turbin  gas merupakan salah satu  penggerak mula siklus  terbuka dengan bahan bakar berupa minyak bumi, gas alam ataupun campuran antara minyak bumi dan gas. Dalam perkembangannya turbin gas dapat  dibuat dalam skala mikro dengan membalik prinsip turbocharger menjadi turbin gas mikro. Penelitian ini meliputi pengujian turbin gas mikro atau micro  gas  turbine ( MGT ) yaitu  menggunakan  2 turbocharger yaitu  1  sebagai  turbin  gas  penggerak  kompresor ( high pressure  turbine )  dan  1  turbine  gas  penggerak  generator  arus  searah  ( low  pressure  turbine ).  Dalam  penelitian  ini menggunakan 1 ruang bakar dengan desain  tertentu.  Tujuan dari  penelitian ini  adalah  membandingkan   dan  meneliti hasil  pengujian  langsung  pada  mesin  dan  simulasi  penggunaan  perangkat  lunak  untuk  memberikan  gambaran fundamental  tentang  permodelan  kinerja  turbin  gas  mikro.  Metode  penelitian  yang  digunakan  adalah  menggunakan metode  kuantitatif    berupa  pengambilan  data  besaran  fisik  temperatur  dan  tekanan  dengan  pengujian  langsung  pada mesin  menggunakan turbocharger DH 300-7 untuk turbin kesatu dan PC 200-8 untuk turbin kedua. Karena  tumpuan poros  menggunakan  bantalan  luncur  ( journal  bearing )  maka MGT dapat  dilakukan  dengan  pengujian  putaran  turbin kesatu  sebesar  16.000  rpm,  pengujian  kedua  menggunakan  putaran  20.000  rpm  dan  terakhir  25.000  rpm.  Dalam penelitian ini hasil uji performa MGT dimasukkan dalam perangkat  lunak Thermoflow, untuk  memberikan gambaran fundamental  tentang  permodelan  kinerja MGT lebih  lanjut.  Ditarik  kesimpulan  bahwa  semakin  tinggi  putaran  akan menghasilkan daya yang meningkat, tekanan dan temperatur pada sisi  keluar kompresor semakin meningkat, tekanan dan temperatur pada sisi keluar dari ruang bakar semakin meningkat serta tekanan dan temperatur keluar dari turbin 1 meningkat juga temperatur keluar dari turbin 2 meningkat. Berlaku tren peningkatan tekanan pada lokasi pengamatan pada setelah keluar kompresor dan pada ruang bakar serta sedikit menurun akibat kehilangan tekanan ( pressure drop ) di tengah ruang bakar dan menurun setelah keluar turbin 1 dan keluar turbin 2. Tren temperatur secara umum meningkat dari  keluar kompresor, ruang bakar, turbin ke 1 dan menurun sebelum masuk dan keluar turbin  2. Terjadi perbedaan antara hasil pengukururan langsung dan simulasi menggunaan perangkat lunak yaitu karena pengukuran langsung hanya mengukur kondisi fisik diluar ( casing ) mesin secara manual dan kondisi lingkungan yang berubah-ubah, berupa angin, kelembaban. Kondisi mesin berbeda saat pengujian 16.000 rpm mesin cenderung lebih dingin dibanding 20.000 rpm dan 25.000  rpm,  kehadiran  oli  pendingin  mesin  serta  desain  ruang  bakar.  Untuk  simulasi  perangkat  lunak  menggunakan perhitungan  berulang  berupa  iterasi  menggunakan  persamaan  matematika  secara  ideal  dan  bersifat  numerik  serta kemungkinan adanya asumsi yang tidak pasti.
Kata kunci: bambu; LPG; MGT; pengujian; perangkat lunak

## Abstract
The gas turbine is one of the prime movers of the open cycle with fuel in the form of oil, natural gas or a mixture of oil and gas. In its development, gas turbines can be made on a micro scale by reversing the principle of a turbocharger into a  micro  gas  turbine.  This  research  includes  testing  the  micro  gas  turbine  or  micro  gas  turbine  (MGT)  using  2 turbochargers, 1 as a gas turbine driving a compressor (high pressure turbine) and 1 gas turbine driving a direct current generator (low pressure turbine). In this study using 1 combustion chamber with a certain design. The purpose of this research is to compare and examine the results of direct testing on the engine and simulation of the use of software to provide  a  fundamental  picture  of  the  performance  modeling  of  micro  gas  turbines.  The  research  method  used  is quantitative methods in the form of data collection of physical temperature and pressure by direct testing on the engine using a DH 300-7 turbocharger for the first turbine and PC 200-8 for the second turbine. Because the shaft supports using a journal bearing, the MGT can be done by testing the first turbine rotation of 16,000 rpm, the second test using 20,000  rpm  and  the  last  25,000  rpm.  In  this  study,  the  results  of  the  MGT  performance  test  were  included  in  the Thermoflow software, to provide a fundamental overview of further MGT performance modeling. It was concluded that the higher the rotation, the higher the power, the higher the pressure and temperature at the exit of the compressor, the higher the pressure and temperature at the exit of the combustion chamber, and the higher the pressure and temperature at the exit of turbine 1, and the exit temperature of turbine 2 increased. There is a trend of increasing pressure at the observation location after exiting the compressor and in the combustion chamber and slightly decreasing due to pressure
drop in the middle of the combustion chamber and decreasing after exiting turbine 1 and exiting turbine 2. There is a difference  between  the  results  of  direct  measurements  and  simulations  using  software,  namely  because  direct measurements  only  measure  the  physical  conditions  outside  (the  casing)  of  the  engine  manually  and  changing environmental conditions, in the form of wind. , humidity. Different engine conditions when testing 16,000 rpm the engine tends to be cooler than 20,000 rpm and 25,000 rpm, the presence of engine cooling oil and the design of the combustion chamber. For software simulations, it uses repeated calculations in the form of iterations using mathematical equations that are ideal and numerical in nature and the possibility of uncertain assumptions.
Keywords: bamboo; LPG; MGT; testing; software

## 1. Pendahuluan
Seiring  dengan  upaya  pemerintah  tertuang  dalam  Peraturan  Menteri  Energi  dan  Sumber  Daya  Mineral  Republik Indonesia  Nomor  12  Tahun  2017  tentang  penggunaan  energi  baru  terbarukan  (EBT)  untuk  penyediaan  tenaga  listrik, terlebih lagi sejak  lahirnya Protokol Kyoto pada pertemuan ke-3 COP dengan nilai kesepakatan Paris yang dikenal dengan Paris Agreement on Climate Change . Perjanjian Paris ini bertujuan untuk mencegah pemanasan global tidak lebih dari 2 derajat Celcius maka penggunaan energi baru dan terbarukan (EBT) menjadi lebih dikembangkan untuk kemandirian energi juga untuk  pembangkitan listrik. Pembangkit listrik  ( genset ) yang dikenal  luas merupakan mesin  motor bakar berbahan bakar bensin atau mesin motor Diesel berbahan bakar solar . Di negara maju genset menggunakan mesin turbin gas mikro karena  relatif  tidak  berpolusi  dan  relatif  senyap  karena  tidak  banyak  menghasilkan  getaran  juga  dikenal  sebagai  mesin berputar, maka turbin gas mikro cocok untuk penyediaan listrik perumahan, pemukiman daerah desa, bisnis usaha kecil atau kantor kecil.
Mesin  turbin  gas  mikro  atau Micro  Gas  Turbine ( MGT )  mulai  banyak  diteliti  dan  digunakan  sebagai  pembangkit tenaga listrik. Turbin gas mikro secara umum mirip dengan turbin gas industri yang terdiri dari tiga komponen utama terdiri dari kompresor, ruang bakar dan turbin. Dalam pembuatan mesin genset turbin gas mikro yang baik, maka dalam tahap awal perlu dilakukan pengamatan kondisi kerja aktual pada turbin gas mikro sehingga berlaku prinsip termodinamika turbin gas  dengan  siklus Brayton .  Untuk  mengamati  kondisi  kerja  turbin  gas  mikro  maka  perlu  dilakukan  penelitian  berupa pengamatan  langsung  pada  mesin  dan  simulasi  komputer  bilamana  data  unjuk  kerja  mesin  secara  langsung  tidak  dapat diukur.
Tinjauan literatur pada penelitian turbin gas dan MGT sebelumnya telah dilakukan penelitian desain sudu turbin gas mikro menggunakan CFD [1]. Telah dilakukan simulasi pada ruang bakar prototipe sistem turbin gas mikro [2]. Turbin gas mikro aksial berputar 20.000-150.000 rpm [3]. Turbin gas mikro menggunakan bahan bakar briket yang terbuat dari limbah bambu  dan LPG menggunakan  1  turbin  gas  [4].  Putaran  aktual  turbin  gas  industri  sekitar  15.000  rpm  serta  dapat menggunakan CFD untuk  memprediksi  bentuk  sudu  [5].  Mengubah turbocharger mobil  sebagai  turbin  gas  mikro  telah dilakukan [6]. Turbin gas mikro yang dihasilkan dengan pembakaran eksternal biomassa menggunakan komponen otomotif [7].  Telah  dilakukan  turbin  gas  mikro  bertenaga  hibrid  energi  surya  berbasis turbocharger [8].  Karena  pada  umumnya turbin  gas mikro bekerja pada putaran tinggi maka telah di teliti penggunaan High Speed Generator untuk  membangkit listrik [9]. Pengujian turbin gas mikro menggunakan kerosin dan gas amonia telah diteliti menghasilkan NOx yang rendah [10]. Desain Combustor pada ruang bakar menghasilkan distribusi variasi temperatur pada aliran ruang bakar [11]. Simulasi turbin gas mikro menggunakan sistem exhaust gas recirculated perangkat lunak cycle-tempo [12]. Simulasi kinerja turbin gas  mikro  menggunakan  komputer  dengan  program Simulink [13].  Setelah  literatur  di  atas  maka  dilakukan  penelitian kinerja MGT baik  secara  pengukuran  langsung  dan  secara  simulasi  menggunakan  komputer  dengan  perangkat  lunak Thermoflow .
Tujuan dari penelitian ini adalah membandingkan   dan  meneliti hasil pengujian  langsung pada mesin  dan simulasi komputer menggunakan perangkat lunak untuk memberikan gambaran fundamental tentang permodelan kinerja turbin gas mikro. Literatur mencakup karya sebelumnya pada berbagai aspek pembuatan turbin gas mikro, penelitian diakhiri dengan kesimpulan pengamatan dalam kaitannya dengan permodelan kinerja MGT serta beberapa kemungkinan untuk penelitian selanjutnya guna penyempurnaan yang akan datang.

## 2. Material dan metodologi
Skema dan siklus MGT dalam penelitian ini adalah sesuai Gambar 1 [14].
Gambar 1. ( atas) diagram blok ( layout ) turbin gas terdiri dari 2 turbin gas ( high pressure dan low pressure )  dan (bawah) diagram siklus (T-S) ideal Brayton 1-2-3-4-5-1 serta diagram siklus (T-S) aktual Brayton 1-2a-3-4a-5a-1
Penulis meneliti MGT menggunaan 1 kompresor, 1 ruang bakar, turbin kesatu ( high-pressure turbine ) untuk penggerak kompresor dan turbin kedua ( low-pressure turbine ) sebagai penggerak generator, dapat dilihat pada diagram blok sesuai Gambar 2.
Gambar 2. Diagram blok (layout) MGT yang diteliti
Metode  penelitian  yang  digunakan  adalah  menggunakan  metode  kuantitatif    berupa  pengujian  langsung  pada  mesin menggunakan turbocharger DH 300-7 untuk turbin kesatu dan PC 200-8 untuk turbin kedua di bengkel Prodi Teknologi
Mesin  Politeknik  Enjinering  Indorama  pada  bulan  Desember  2020.  Pengambilan  data  yang  terbaca  dengan  alat  bantu pendeteksi besaran fisik, menggunakan thermometer infrared untuk pengukuran temperatur kerja mesin, pressure gauge untuk  tekanan.  Hasil  data  pengujian  kemudian  dilakukan  komputasi  pada  perangkat  lunak  ( software )  menggunakan Thermoflow . Data input pengujian yang dilakukan dengan putaran diatas 15.000 rpm  sesuai  putaran turbin  gas industri, yaitu dengan putaran varasi sebesar 16.000 rpm, 20.000 rpm dan 25.000 rpm.
Untuk diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 3 seperti berikut.
Gambar 3. Diagram Alur Penelitian MGT

## 3. Hasil dan pembahasan
Dari hasil pengujian turbin gas mikro ( MGT ) aktual maka didapat sesuai Tabel 1.

## Tabel 1 . Hasil pengujian MGT
No. Deskripsi Pengujian 1 Pengujian 2 Pengujian 3 1 Putaran (Rpm) 16.000 20.000 25.000 2 P1 (Bar) 1 1 1 3 T1 ( o C) 28 28 28 4 P2 (Bar) 1,76 5,45 9,5 5 T2 ( o C) 50 30,9 30 6 P3 (Bar) 1,15 1,55 1,92
No. Deskripsi Pengujian 1 Pengujian 2 Pengujian 3 7 T3 ( o C) 439 404 399 8 P4 (Bar) - - - 9 T4 ( o C) 503 507 602 10 P5 (Bar) - - - 11 T5 ( o C) 503 507 512 12 P6 (Bar) 1 1 1 13 T6 ( o C) 297 304 312
T1 hingga T6 merupakan nilai temperatur pada tiap titik peninjauan sesuai Gambar 2. P1 hingga P6 merupakan nilai tekanan dari titik tinjauan yang diambil sesuai Gambar 2. Tekanan P4, P5 tidak ada karena tidak dipasang sensor akibat besarnya biaya pengadaan sensor tekanan dengan temperatur ekstrim. Secara umum sesuai perilaku pengujian MGT bahwa semakin putaran  mesin  semakin tinggi maka tekanan keluar  kompresor dan tekanan masuk ke turbin  1 ( High Pressure Turbine )  semakin  tinggi  [15].  Dari  data  mesin  dan  kondisi  pengujian  menggunakan  perangkat  lunak  (software)  dengan putaran 16.000 rpm menghasilkan Gambar 4.
Gambar 4. Hasil simluasi perangkat lunak untuk putaran 16.000 rpm
Pada Gambar 4 terjadi peningkatan tekanan dan temperatur di tiap titik tinjauan hingga menurun setelah turbin 1 dan turbin 2. Sedangkan untuk putaran 20.000 rpm menghasilkan sesuai pada Gambar 4.
Terjadi peningkatan tekanan dan temperatur di tiap titik tinjauan hingga menurun setelah turbin 1 dan turbin 2 sesuai Gambar 5, hasil daya kotor (gross power) putaran 20.000 rpm lebih besar dari putaran 16.000 rpm. Adapun untuk putaran 25.000 rpm menghasilkan Gambar 6.
Gambar 6. Hasil simulasi perangkat lunak untuk putaran 25.000 rpm
Pada Gambar 6 terjadi peningkatan tekanan dan temperatur di tiap titik tinjauan hingga menurun setelah turbin 1 dan turbin 2, hasil daya kotor ( gross power ) putaran 25.000 rpm lebih besar dari putaran 20.000 rpm dan 16.000 rpm
Gambar 7. Grafik Putaran (Rpm) vs Gross Power (kW)
Pada Gambar 7, bahwa putaran 25.000 rpm menghasilkan gross power (kW) yang lebih tinggi /meningkat dibandingkan putaran 16.000 rpm ataupun 20.000 rpm karena seiring meningkatnya kecepatan putar kompresor dan turbin 1 sehingga mengakibatkan peningkatnya tekanan dan temperatur kerja yang secara otomatis meningkatkan enthalpi (energi panas) gas hasil pembakaran serta semakin tinggi kecepatan gas menabrak sudu sudu turbin 2, berakibat pada semakin cepat poros turbin 2 berputar yang dihubungkan dengan poros generator listrik.

## 4. Kesimpulan
Dari  pengujian  mesin  dan  penggunaan  software  dapat  ditarik  kesimpulan  bahwa  semakin  tinggi  putaran  akan menghasilkan daya yang meningkat, tekanan dan temperatur pada sisi keluar kompresor semakin meningkat, tekanan dan temperatur pada sisi keluar dari ruang bakar semakin meningkat, tekanan dan temperatur keluar dari turbin 1 meningkat, temperatur keluar dari turbin 2 meningkat, maka berlaku sistem turbin gas aktual Brayton. Terdapat  penurunan tekanan
0.0000 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500 0.3000 0.3500 16,000 20,000 25,000 Gr o ss P o we r (kW ) Putaran (Rpm)
Grafik Putaran vs Gross Power
saat masuk ruang bakar dan keluar ruang bakar (pressure drop). Terjadi perbedaan antara hasil pengukuraan langsung dan simulasi menggunakan perangkat lunak karena pengukuran langsung hanya mengukur diluar (casing) mesin secara manual dan kondisi lingkungan yang berubah-ubah, berupa angin, kelembaban, kondisi mesin berbeda saat pengujian 16.000 rpm mesin cenderung lebih dingin dibanding dua pengukuran serta kehadiran oli pendingin mesin, desain ruang bakar.  Untuk simulasi  komputer menggunakan perhitungan berulang berupa iterasi  menggunakan persamaan matematika secara ideal dan  bersifat  numerik  serta  kemungkinan  adanya  asumsi  yang  tidak  mutlak  benar.  Diperlukan  penelitian  lanjut  berupa penggunaan data akuisisi penggunaan sensor yang lengkap untuk pengujian yang presisi dibutuhkan pengujian berulang di dalam saluran jalannya udara dan pencampuran bahan bakar sampai hasil gas pencampuran hingga keluar sistem MGT seperti pengujian yang dilakukan pada mesin turbin gas industri.

## Ucapan terima kasih
Terimakasih  kepada  Kementerian  Pendidikan  Tinggi  (DIKTI)  melalui  Hibah  Penelitian  Simlitabmas  Nomor Kontrak  138/SP2H/AMD/LT-MONO/LL4/2020  antara  LLDIKTI-IV  dan  Politeknik  Enjinering Indorama  pada  program Penelitian Dosen Pemula pelaksanaan tahun 2020 yang telah mendanai penelitian ini.

## Daftar Pustaka
[1]  Sivasaikumar,  J.,  Barathi,  P.  CFD  analysis  of  radial  flow  micro  gas  turbine.  International  Journal  of  Advanced Research in Engineering and Technology (IJARET). 2018 Juli; 10(04): p. 113.
[2]    Daryus, A., Nopryandi, Siswantara, A. I., & Gunadi, G. G. R. Simulasi CFD aliran turbulen pada ruang bakar turbin gas  mikro  bioenergi  proto  x-3  menggunakan  model  turbulen  k-  ε.  Jurnal  Sains  &  Teknologi  Fakultas  Teknik Universitas Darma Persada. 2019 September; 09(02): p. 12
[3] Oppong, F., Spuy, S. J. Van Der, & Diaby, A. L. An overview on the performance investigation and improvement of micro gas turbine engine. R & D Journal Of the South African Institution Of Mechanical Engineering. 2015 Maret; 31: p. 35. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.10055.09123.
[4]  Rachmanu,  F.,  Janizal,  J.  Studi  turbin  gas  mikro  berbahan  bakar  briket  limbah  bambu  dan  LPG.  JTERA  Jurnal Teknologi Rekayasa. 2019 Desember; 4(2): p. 261.https://doi.org/10.31544/jtera.v4.i2.2019.261-266.
[5]  Rachmanu, F. Evaluasi desain sudu turbin gas model S-20 tipe aksial menggunakan CFD. Turbo Jurnal Program Studi Teknik Mesin. 2020 Juni;  9(1): p. 44. https://doi.org/10.24127/trb.v9i1.1188.
[6]  Usman  Butt,  M.  Converting  an  automobile  turbocharger  into  a  micro  gas  turbine.  E3S  Web  of  Conferences  95 (ICPEME). 2019; EDP Sciences. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199502008.
[7]    Francesconi, M., Pasini, G., Lensi, R., &  Antonelli, M. Externally  fired micro gas turbine for biomass application using  automotive components. AIP Conference Proceedings 2191. 17  December  2019; AIP Publishing, New york, USA. 2019 . p 020080-1. https://doi.org/10.1063/1.5138813.
[8]  Kalathakis,  C.,  Aretakis,  N.,  &  Mathioudakis,  K.  Solar  hybrid  micro  gas  turbine  based  on  turbocharger.  Applied System Innovation. Agustus 2018;  01(03): p. 14. https://doi.org/10.3390/asi10300 27.
[9]    James, B. P., & Zahawi, B. High  speed generator for turbocharger based domestic combined heat  and power unit employing  the  inverted  brayton  cycle. Mediterranean  Green  Energy  Forum. Energy  Procedia  42,  Amsterdam,
Netherland. Elsevier. 2013; p 249. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.11.025.
[10]  Iki, N., Kurata, O., Inoue, T., Matsunuma, T., Tsujimura, T., Furutani, H. Rich-lean combustor for a 50kw class micro gas  turbine  firing  ammonia.  Proceeding  Of  Global  Power  And Propulsion  Societ. 16-18 September  2019;  Beijing, China. GPPS Global. https://doi.org/10.33737/gpps19-bj-074.
[11]  Abagnale, C., Cameretti, M.A., Robbio, R.D., Tucillo, R. CFD study of a MGT combustor supplied with syngas. 71 st
Conference  of  the  Italian  Thermal  Machines  Engineering  Association.  Energy  Procedia;  14-16  September  2016; Turin, Italy. Elsevier; 2016. p 933. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.11.118.
[12] Ali, U., Best, T., Finney, K.N, Palma, C.F., Hughes, K.J, Ingham, D.B., Pourkashanian, M. Process simulation and thermodynamic analysis of a micro turbine with post combustion co 2 capture and exhaust gas recirculation. Energy
Procedia 63; Amsterdam, Netherland. Elsevier; 2014. p 986. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.107.
[13]  Shakur, SA., Jain S.K. Micro turbine generation using simulink. International Journal of Electrical Enjinering, 2012; 05(01): p 95.
[14]  Boyce P., Meherman. Gas Turbine Engineering Handbook 4th edition, Netherland: Elsevier Inc ; 2012.p 100 .
[15]  Fikri,  M.,  Ridzuan,  M.,  Saleh,  M.  Preliminary  study  of    low-cost  micro  gas  turbine.  Material  Science  and Engineering;  November 2016; IOP Publishing ; 2016. https:// doi.org/10.1088/1757-899X/160/1/012036.