1.1 Pembangkit Listrik Tenaga
Uap (PLTU) Batubara
Pembangkit Listrik Tenaga Uap secara
terus menerus mengubah energi yang ada didalam
bahan bakar fosil (batubara, minyak bumi, gas alam) atau bahan bakar fisi (uranium,
thorium) dalam bentuk
poros kerja dan akhirnya menjadi
energi listrik. Kinerja
fluida adalah air yang sewaktu-waktu berada pada fasa cair dan sewaktu-waktu pada fasa uap selama siklus
beroperasi. Komponen-komponen pada pembangkit listrik
tenaga uap.
Gambar Komponen-komponen pembangkit listrik tenaga uap
Sistem kerja PLTU menggunakan bahan bakar minyak residu/MFO (solar) dan gas alam. Kelebihan dari PLTU adalah daya
yang dihasilkan sangat besar. Konsumsi energi
pada peralatan PLTU bersumber dari putaran turbin uap. PLTU adalah suatu pembangkit yang menggunakan uap sebagai
penggerak utama (prime mover). Untuk menghasilkan
uap, maka haruslah ada proses pembakaran untuk memanaskan air. PLTU merupakan suatu sistem pembangkit
tenaga listrik yang mengkonversikan energi kimia menjadi energi listrik dengan menggunakan uap air sebagai
fluida kerjanya, yaitu
dengan memanfaatkan energi kinetik uap untuk menggerakkan proses sudu-sudu turbin menggerakkan poros turbin, untuk selanjutnya poros turbin menggerakkan generator yang kemudian
dibangkitkannya energi listrik.
Energi listrik yang dihasilkan
akan menyuplai alat- alat yang disebut beban.
1.1.1 Prinsip Kerja PLTU
Prinsip kerja dari PLTU adalah dengan menggunakan siklus air-uap-air yang merupakan suatu sistem tertutup
air dari kondensat
atau air dari hasil proses pengondensasian
di kondensor dan air make up water (air yang dimurnikan) dipompa oleh condensat pump ke pemanas
tekanan rendah. Disini air dipanasi
kemudian dimasukkan oleh
daerator untuk menghilangkan oksigen, kemudian air ini dipompa oleh boiler feed water pump masuk ke
economizer. Dari economizer yang selanjutnya
dialirkan ke pipa untuk dipanaskan pada tube boiler.
Pada tube, air dipanasi berbentuk uap
air. Uap air ini dikumpulkan kembali pada steam drum, kemudian dipanaskan lebih lanjut pada superheater sudah berubah menjadi
uap kering yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi, dan selanjutnya
uap ini digunakan untuk menggerakkan sudu turbin tekanan
tinggi, untuk sudu turbin menggerakkan poros turbin. Hasil dari
putaran poros turbin kemudian memutar poros generator yang dihubungkan dengan
coupling, dari putaran
ini dihasilkan energi
listrik. Energi listrik yang
dihasilkan dari generator disalurkan dan didistribusikan lebih lanjut ke pelanggan. Uap bebas dari turbin
selanjutnya dikondensasikan dari kondensor dan
bersama air dari make up water pump dipompa lagi oleh pompa kondensat
masuk ke pemanas tekanan rendah,
daerator, boiler feed water pump, pemanas tekanan tinggi, economizer, dan akhirnya menuju
boiler untuk dipanaskan menjadi uap lagi. Proses ini akan terjadi berulang-ulang.
1.1.2
Siklus Termodinamika
Siklus Rankine adalah siklus
termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara
eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai
fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.
Siklus
Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik.
Sumber panas yang utama untuk
siklus Rankine adalah
batu bara, gas alam,
minyak bumi, nuklir, dan
panas matahari.
Siklus
Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagai siklus
Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus
ini menggunakan fluida
yang
bertekanan, bukan gas. Efisiensi siklus
Rankine biasanya dibatasi oleh
fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada temperatur 565ᵒ C (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar
30ᵒ C . Hal ini memberikan efisiensi
Carnot secara
teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik tenaga batu
bara sebesar 42%.
Fluida pada Siklus Rankine
mengikuti aliran tertutup
dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namun air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak
beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah.
Gambar Bagan Sederhana Siklus Rankin
Gambar Diagram T-s Siklus Rankine
Siklus Rankine ideal tidak melibatkan irreversibel internal dan terdiri
dari 4 tahapan proses :
1 – 2 merupakan
proses kompresi isentropik dengan pompa 2 – 3 Penambahan panas
dalam boiler pada P
= konstan
3 – 4 Ekspansi isentropik ke dalam turbin
4 – 1 Pelepasan panas
di dalam kondensor pada P = konstan
Air masuk pompa pada kondisi
1 sebagai cairan
jenuh dan dikompresi sampai tekanan
operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik ini melalui sedikit pengurangan dari
volume spesifik air. Jarak vertikal antara 1–2
pada T–s diagram ini biasanya dilebihkan untuk lebih amannya
proses. Air memasuki
boiler sebagai cairan terkompresi pada kondisi 2 dan akan menjadi uap
superheated pada kondisi
3.
Dimana panas diberikan oleh boiler ke
air pada T tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut
sebagai steam generator. Uap superheated pada
kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar
shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dihasilkanlah listrik.
P dan T dari steam akan turun selama
proses ini menuju keadaan 4 dimana steam
akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada P konstan di dalam
kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai
cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini. Area dibawah kurva proses 2–3 menunjukkan panas
yang ditransfer ke boiler, dan area dibawah kurva proses 4–1 menunjukkan panas yang dilepaskan di kondenser. Perbedaan
dari kedua aliran
ini adalah kerja netto yang dihasilkan selama
siklus.
1.1.3
Boiler
Boiler merupakan mesin kalor (thermal
engineering) yang mentransfer energi- energi
kimia atau energi otomis menjadi kerja (usaha) (Muin 1988:28). Boiler atau ketel uap adalah suatu alat berbentuk bejana tertutup yang digunakan untuk menghasilkan
steam. Steam diperoleh dengan memanaskan bejana yang
berisi air dengan bahan bakar (Yohana
dan Askhabulyamin 2009:13).
Boiler mengubah energi-
energi kimia menjadi
bentuk energi yang lain untuk menghasilkan kerja.
Boiler
dirancang untuk melakukan atau memindahkan kalor dari suatu
sumber pembakaran, yang biasanya
berupa pembakaran bahan bakar.
Sistem boiler terdiri dari: sistem air
umpan (feed water system), sistem steam (steam
system) dan sistem bahan bakar (fuel system). Sistem air umpan (feed water system)
menyediakan air untuk boiler secara
otomatis sesuai dengan
kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan
perawatan dan perbaikan. Sistem steam (steam
sistem) mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan
melalui sistem pemipaan
ke titik pengguna.
Pada keseluruhan sistem,
tekanan steam diatur
menggunakan kran dan dipantau dengan
alat pemantau tekanan.
Sistem bahan bakar (fuel sistem) adalah semua peralatan yang digunakan
untuk menyediakan bahan bakar untuk
menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan
yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahanbakar
yang digunakan pada sistem.
Boiler berfungsi sebagai pesawat
konversi energi yang mengkonversikan energi kimia (potensial) dari bahan bakar menjadi energi panas. Boiler terdiri dari 2 komponen
utama, yaitu:
1.
Dapur sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjadi
energi panas.
2.
Alat
penguap (evaporator) yang mengubah energi pembakaran (energi panas) menjadi
energi potensial uap (energi
panas).
Boiler pada dasarnya terdiri dari
bumbungan (drum) yang tertutup pada ujung pangkalnya
dan dalam perkembangannya dilengkapai dengan pipa api maupun pipa air. Banyak orang mengklasifikasi boiler
(ketel uap) tergantung kepada sudut pandang
masing-masing.
1.1.4
Proses Kerja Boiler
Energi kalor yang dibangkitkan dalam
sistem boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut
sistem boiler mengenal keadaan tekanan- temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi (high pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar
dari sistem boiler
dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan menjalankan
suatu mesin (commercial and
industrial boilers), atau membangkitkan energi listrik dengan merubah
energi kalor menjadi
energi mekanik kemudian
memutar generator sehingga
menghasilka energi listrik (power boilers). Namun, ada juga
yang menggabungkan kedua sistem
boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan temperatur tinggi untuk membangkitkan energi listrik, kemudian
sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri dengan bantuan heat recovery boiler.
Sistem
boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem
steam, dan sistem
bahan bakar. Sistem
air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis
sesuai dengan kebutuhan
steam. Berbagai kran disediakan untuk
keperluan perawatan dan perbaikan dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. Sistem
steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui
sistem pemipaan ke titik pengguna.
Pada keseluruhan sistem,
tekanan steam diatur menggunakan
kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan
yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan
panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan
pada sistem.
1.1.5 Penggunaan Boiler
Dengan sebuah boiler atau pembangkit uap
energi bahan bakar dapat diubah menjadi
energi uap yang dapat dimanfaatkan. Pada boiler yang menggunakan bahan bakar biasanya terjadi banyak kehilangan
panas. Tidak dapat disangkal lagi bahwa monitoring
secara berkala dan menjaga boiler beroperasi pada tingkat efisiensi yang optimal
adalah penting sekali.
Berikut ini hal yang perlu diperhatikan pada pengoperasian boiler:
1.
Air Umpan Boiler
Dari segi pengelolaan energi, pemurnian
air adalah hal yang sangat penting pada boiler.
Hal ini dikarenakan padatan yang terlarut cenderung untuk mengendap pada dasar dan dinding boiler yang selanjutnya mengakibatkan turunnya efisiensi operasi boiler. Dua sumber air
umpan adalah:
- Kondensat atau steam yang mengembun yang dikembalikan dari proses.
-
Air makeup
(air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler
dan plant proses.
2.
Tangki Air Pengisi Boiler
Merupakan bagian yang integral dari suatu instalasi
boiler dan harus dapat menampung setiap
kondensat tanpa kehilangan uap yang akan menurunkan beban
boiler. Tangki tersebut
haruslah selalu dipasangi
dengan suatu tutup untuk menekan kehilangan panas permukaan dan
tangki dengan ukuran yang besar haruslah sepenuhnya diberi isolasi.
3.
Pemanfaatan Kembali
Panas Air Buangan
Pada beberapa instalasi, pengeluaran sebagian air boiler
dilakukan secara teratur selama operasi
boiler berjalan normal.
Ini dimaksudkan untuk membuang endapan dari boiler yang besar, untuk
menjaga daya hantar boiler atau untuk membuang
uap dari autoclave dan dari proses siklus yang lain. Air dan uap yang dibuang melalui pembuangan boiler
(blowdown) mengandung panas yang dapat dimanfaatkan kembali
dan seharusnya bisa digunakan untuk pemanasan pendahuluan air umpan boiler (feed water) atau air untuk proses dengan menggunakan penukar panas (heat
exchanger).
4.
Tekanan Operasi
Pada setiap sistem uap, tekanan menentukan suhu dan suhu menentukan panas yang hilang dari sistem. Disamping itu bila uap bertekanan
tinggi digunakan untuk proses
bertekanan rendah, timbul panas lanjut (superheat) yang mungkin tidak diinginkan untuk proses tersebut. Berdasarkan hal-hal tersebut
diatas, maka boiler tidak boleh dioperasikan pada
tekanan yang jauh lebih besar dari tekanan tertinggi
proses. Dan tekanan proses haruslah tidak melebih besarnya tekanan yang diperlukan untuk melaksanakan proses tersebut. Dalam beberapa hal mungkin
lebih baik bila dipergunakan beberapa boiler yang dapat dioperasikan sendiri-sendiri atau paralel bersamaan, manakala proses-proses yang dilaksanakan memerlukan berbagai tekanan yang amat berbeda.
5.
Panas Hilang Awal Operasi
Untuk suatu operasi,
ada boiler yang berukuran besar dan ada juga yang berukuran
kecil. Perbedaan ukuran terletak pada banyaknya air yang disimpan didalam
drum boiler. Boiler bahan bakar umunya berukuran
besar karena membutuhkan permukaan
luas yang kontak dengan nyala api. Boiler listrik, sebaliknya cenderung berukuran kecil karena elemen pemanasnya
bentuknya sangat kompak
dan membutuhkan hanya sedikit air untuk bisa tercelup total.
Keuntungan boiler berukuran besar ialah kapasitasnya besar untuk menghasilkan
uap dengan sedikit penurunan tekanan (flash off steam), dan
karenanya cocok untuk penyediaan kebutuhan besar yang tiba-tiba. Dalam beberapa macam pemakaian,
hal ini merupakan suatu karakteristik yang menguntungkan, namun
ketel uap ini juga mempunyai kelemahan, karena ketel uap ini
membutuhkan waktu dan energi yang
banyak untuk mencapai tekanan operasi sejak mulai dipanaskan.
Untuk sistem kerja yang menggunkan satu atau dua gilir tenaga
kerja, energi yang dibutuhkan
untuk star up umumnya dianggap sebagai panas yang hilang, karena pada malam hari panas ini biasanya
hilang begitu saja. Waktu yang dibutuhkan untuk star up berkisar antara 5 menit sampai 2 jam.
6.
Penyimpanan Uap
Suatu alternatif yang lebih baik yang
sering diterapkan pengganti boiler besar ialah
pemasangan suatu boiler yang lebih kecil yang dihubungkan dengan suatu penyimpanan uap. Meskipun cara ini
mengakibatkan naiknya total untuk biaya instalasi
tersebut, tetapi cara ini mempunyai kombinasi keuntungan dari waktu star up yang cepat dan kesiapan tersedianya panas setiap uap diperlukan.
7.
Panas Hilang Boiler Uap saat tanpa Beban
Merupakan hal yang biasa bahwa boiler dibiarkan beroperasi
untuk waktu yang lama tanpa adanya beban yang berarti.
Selama waktu ini terjadi panas hilang yang cukup banyak.
Sebagai contoh misalnya
pada pembersihan kering
pabrik dimana boiler dioperasikan sepanjang hari untuk
jam operasi ternyata yang terpakai hanya
dua atau tiga jam saja.
Dengan jadwal kerja yang terencana, bisa saja pemakaian uap
dibatasi untuk beberapa jam yang
perlu saja dan selanjutnya boiler bisa dimatikan. Bahkan waktu istirahat makan siang, adalah lebih ekonomis bila katup
boiler ditutup dan pemanas
boiler dimatikan saja. Pemasangan boiler tepat di tempat- tempat
proses, mempermudah cara mematikan
boiler tersebut apabila proses yang berkenaan
tidak lagi memerlukan uap.
8.
Efisiensi Pembakaran dan Kelebihan Udara
Pada boiler listrik,
semua energi yang disuplay diteruskan ke air, tetapi
pada ketel uap bahan bakar 20% atau lebih dari energi yang diberikan bahan bakar terbuang
melalui gas buang boiler (flue gas). Sayangnya, gas buang ini merupakan
suatu ketentuan dasar tercapainya pembakaran yang baik. Umumnya diperlukan suplay
udara yang berlebih, sekitar 10% untuk gas, 20% untuk bahan
bakar minyak dan 40% bahan bakar
padat guna mencapai pembakaran bahan bakar yang komplit. Dan hal ini diukur sebagai
persentase CO2 didalam
gas buang. Efisiensi
maksimum harus dicapai dengan suhu minimum gas buang sekitar 200-250°C, suhu yang selalu diatas titik embun,
guna mengurangi terjadinya korosi.
1.1.6
Klasifikasi Boiler
Berbagai bentuk boiler telah berkembang mengikuti
kemajuan teknologi dan evaluasi dari produk-produk boiler
sebelumnya yang dipengaruhi oleh gas buang boiler
yang mempengaruhi lingkungan dan produk steam seperti apa yang akan dihasilkan. Berikut adalah beberapa
macam klasifikasi Boiler :
1.
Berdasarkan Fluida
yang menegalir dalam pipa
a.
Ketel pipa api (fire tube boiler)
Pada ketel pipa api seperti tampak pada Gambar 4. gas panas
melewati pipa- pipa dan air umpan ketel ada didalam shell
untuk dirubah menjadi
steam. Ketel pipa api biasanya digunakan untuk
kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan steam
rendah dan sedang.
Sebagai pedoman, ketel pipa api kompetitif untuk kecepatan steam sampai 14.000
kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2.
Ketel pipa api dapat menggunakan bahan bakar minyak, gas atau bahan bakar padat dalam 6 operasi. Untuk
alasan ekonomis, sebagian besar ketel
pipa api dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.
Gambar Ketel Pipa Api (Omnical)
Gambar
Fire Tube Boiler (Boiler Pipa Api)
Boiler jenis ini pada bagian tubenya
dialiri dengan gas pembakaran dan bagian
lainnya yaitu sell dialiri air yang akan diuapkan. Tube-tubenya langsung didinginkan oleh air yang melindunginya. Jumlah pass
dari boiler tergantung dari jumlah
laluan horizontal dari gas pembakaran diantara furnace dan pipa-pipa api. Lajuan gas pembakaran
pada furnace dihitung sebagai pass pertama.
Boiler jenis ini banyak
dipakai untuk industri
pengolahan mulai skala kecil sampai
skala menengah (Raharjo dan Karnowo
2008:180).
Konstruksi boiler pipa api terdiri dari sebuah silinder
atau tangki berisi air dimana didalam tangki tersebut terdapat
susunan tube yang dialiri oleh gas asap.
Pipa tube ini merupakan pengembangan ketel uap lorong api dengan pengembangan sebagai berikut :
-
Volume kecil (isi air ketel)
-
Luas bidang pemanas dapat
diusahakan lebih besar
-
Ruang
aliran gas asap dapat diusahakan lebih besar
sehingga aliran gas asap tidak
cepat keluar dari ketel uap.
Dalam
perancangan boiler ada beberapa faktor penting yang harus dipertimbangkan agar boiler yang
direncanakan dapat bekerja dengan baik sesuai
dengan yang kebutuhan. Faktor yang mendasari pemilihan jenis boiler adalah
sebagai berikut :
-
Kapasitas yang digunakan
-
Kondisi uap yang
dibutuhkan
-
Bahan bakar yang dibutuhkan
-
Konstruksi yang sederhana.
b.
Ketel pipa air (water
tube boiler)
Pada Ketel pipa air umpan
boiler mengalir melalui
pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakaran membentuk steam pada daerah
uap dalam drum.
Ketel ini dipilih
jika kebutuhan steam dan tekanan
steam sangat tinggi seperti pada kasus ketel untuk pembangkit tenaga
listrik. Untuk ketel pipa air yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara
paket. Karakteristik ketel pipa air sebagai
berikut:
- Force, induce,
dan balance draft
membantu untuk meningkatkan efisiensi
-
Kurang toleran terhadap kualitas air yang
dihasilkan dari pengola han
air
-
Memungkinkan untuk tingkat efisiensi
panas yang lebih tinggi.
Gambar Ketel Pipa Air (YourDitionary.com)
2.
Berdasarkan Pemakaiannya
a.
Ketel Stasioner (Stasionary boiler)
atau ketel tetap
Merupakan ketel-ketel yang didudukan di atas fundasi yang tetap, seperti
ketel untuk pembangkit tenaga, untuk industri
dan lain-lain sebagainya.
b.
Ketel pindah atau portable
boiler.
Merupakan
ketel yang dipasang fundasi yang berpindah-pindah (mobil), seperti boiler lokomotif, lokomobil, dan
ketel panjang serta lain yang sebagainya termasuk ketel kapal (marine Boiler).
3.
Berdasarkan pada Poros Tutup Drum (Shell)
a.
Ketel Tegak
Ketel Tegak (vertical steam boiler) adapun
contoh ketel tegak
adalah ketel Cocharn, Ketel Clarkson dan lain-lainnya.
Gambar 7.Ketel Tegak (UNEP)
Sumber : Murni, Buku ajar ketel
uap,2012
b.
Ketel mendatar (horizontal steam Boiler)
Adapun
yang termasuk jenis ketel ini adalah ketel Cornish, Lancashire, Scotch
dan lain-lain.
Gambar
Ketel Mendatar (Lancashire)
4.
Berdasarkan bentuk
dan letak pipa
a.
Ketel
dengan pipa lurus, bengkok dan terlekak-lekuk (straight, bent and sinous
tubuler heating surface).
b.
Ketel dengan
pipa miring datar dan miring tegak (horizontal, inclined or vertical tubuler heating surface).
5.
Berdasarkan tekanan kerjanya
a.
Ketel peredaran alami ( Natural circulation steam boiler)
Merupakan boiler dengan peredaran air
didalam ketel terjadi secara alami yaitu
air yang ringan naik, sedangkan air yang berat turun, sehingga terjadi aliran
conveksi alami. Umumnya
ketel beroperasi secara aliran alami, seperti
ketel Lancashire, Babcock & Wilcox dan lain-lain.
b.
Ketel peredaran paksa (Force
circulation steam boiler)
Merupakan
Boiler dengan aliran paksa, aliran paksa diperoleh dari pompa sentrifugal yang digerakan secara
electric motor, misalnya system aliran paksa pada ketel-ketel bertekanan tinggi misalnya La-mont
Boiler, Benson Boiler,
Loeffer Boiler dan Velcan Boiler.
6.
Berdasarkan Kapasitas
a.
Tekanan kerja rendah : ≤ 5 atm.
b.
Tekanan kerja sedang : > 5-40 atm .
c.
Tekanan kerja tinggi : > 40-80 atm.
d.
Tekanan kerja sangat tinggi :
> 80 atm.
7.
Berdasarkan pada sumber panasnya
a.
Ketel uap dengan bahan bakar alami.
b.
Ketel uap dengan bahan bakar buatan
c.
Ketel uap dengan dapur listrik.
d.
Ketel uap dengan energi nuklir.
Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi
kerja ketel uap (boiler) adalah sebagai berikut
:
a.
Faktor laju udara bersih yang disuplai
melewati air heater,
Boiler harus diopersaikan dengan laju aliran udara
lebih dari kebutuhan udara teoritis yang dihitung
berdasarkan analisa gas asap. Tetapi udara berlebih yang terlalu banyak juga akan mengakibatkan terjadinya
losses karena pengambilan panas sendiri oleh
udara berlebih untuk dibawa bersama gas buang, untuk itulah dilakukan analisa gas asap untuk menentukan kebutuhan udara aktual.
b.
Temperatur udara pembakaran juga merupakan faktor yang mempengaruhi efisiensi boiler, temperatur udara pembakaran dapat dinaikkan dengan memamfaatkan temperatur gas buang (flue gas) yang tinggi dengan menggunakan alat pemanas udara (air heater).
c.
Fouling
merupakan salah satu faktor utama yang mempengaruhi kerja boiler, Fouling
adalah terjadinya deposit
atau kerak pada permukaan perpindahan panas yang dapat
menghambat perpindahan panas yang terjadi pada boiler. Sehingga efisiensi boilernya akan menurun dan
temperatur gas buangnya akan semakin tinggi.
d.
Faktor
burner, fungsi dari burner ini adalah untuk mencampur bahan bakar dan udara dengan proporsi yang sesuai untuk
terjadinya penyalaan api dan untuk menjaga
kondisi pembakaran yang terus menerus berjalan dengan baik. Burner yang tidak diatur dengan baik akan
mengakibatkan pencampuran bahan bakar dengan udara sesuai dan pada setiap laju pembebanan akan meningkatkan kebutuhan udara berlebih dan memboroskan
pemakaian bahan bakar sehingga efisiensi boiler akan turun.
e.
Blowdown juga berpengaruh
terhadap efisiensi boiler.
Endapan yang terjadi di dingding tube pada sisi air dapat mengurangi efisiensi boiler dan bahkan
kerak dapat merusak tube karena over heating.
Endapan endapan tersebut
disebabkan
oleh tingginya konsentrasi suspended solids dan dissolved
solids, hal ini juga dapat
menyebabkan terbentuknya busa (foam) sehingga menybabkan carry over. Oleh
karena itu konsentrasi solids harus tetap
dijaga pada kondisi
tertentu. Proses blowdown adalah dimana air dibuang keluar
dan segera digantikan oleh air umpan boiler. Pada proses blowdown ini air
yang dikeluarkan dalam keadaan temperatur tinggi,
maka hal ini merupakan pembuangan panas yang mengakibatkan penurunan efisiensi.
1.1.7 Komponen-komponen
Boiler
Boiler terdiri dari beberapa ruangan yang memilki fungsi yang berbeda- beda,
yaitu :
1.
Main equipment
a.
Ruang Bakar (Furnance)
Ruang bakar adalah bagian dari boiler yang berfungsi
untuk tempat berlangsungnya proses pembakaran bahan bakar dan udara. Tekanan
gas
panas yang berada di dalam ruang bakar (furnace) dapat
lebih besar dari pada tekanan
udara luar (tekanan
ruang bakar positif) dan dapat juga bertekanan
lebih kecil dari pada tekanan udara luar (tekanan ruang bakar negatif)
atau bertekanan seimbang
(balance draft). Temperatur ruang bakar dapat mencapai
1300ᵒC, namun
khususnya di PLTU unit
sektor belawan hal ini tidak akan terjadi karena apabila bila
hal ini terjadi maka akan menyebabkan
pemuaian pipa yang berlebihan dan dapat mengakibatkan pecahnya tube wall di ruang bakar.
Gambar Ruang Bakar
b.
Burner (alat pembakaran)
Burner adalah alat yang dipakai untuk menyemburkan bahan
bakar ke dalam ruang bakar dan menghasilkan pengabutan yang memudahkan reaksi
pembakaran. Terdapat 3 tingkat burner pada masing- masing unit PLTU. Burner-burner tersebut dilengkapi oleh
igniter sebagai pemantik api agar bahan
bakar dan udara yang masuk ke ruang bakar dapat terbakar. Jenis bahan bakar utama yang digunakan pada unit
PLTU pembangkitan sektor belawan
adalah Marine Fuel Oil atau Heavy
Fuel Oil (HFO). Namun pada start awal PLTU jenis bahan bakar
yang digunakan adalah HSD atau sering disebut
Light Fuel Oil (LFO). Sebelum
bahan bakar dibakar
di dalam ruang bakar terlebih dahulu bahan bakar
dipanaskan di Fuel Oil Heater ( FOH) hingga temperature
120ᵒC agar memudahkan proses pengabutan
bahan bakar. Selain daripada itu untuk menyempurnakan proses pengabutan bahan bakar digunakan steam atomizing dengan temperatur
sekitar 220ᵒC dengan
tekanan sekitar 10 Ba
Gambar
Burner
c.
Superheater
Superheater adalah peralatan yang berfungsi untuk menaikkan
temperatur uap jenuh sampai menjadi
uap panas lanjut sesuai dengan kebutuhan untuk
menggerakkan turbine. Karena uap yang terbentuk dari pemanasan didalam pipa-pipa di ruang bakar berada dalam
wujud jenuh atau basah maka uap yang demikian
jika digunakan atau diekspansi dalam turbine, akan menimbulkan
pengembunan yang cepat. Superheater dibedakan atas 2 jenis yaitu:
-
Low Temperature Superheater ( LTS )
Uap jenuh dari steam drum dialirkan ke primary superheater atau low temperature superheater. Low Temperature Superheater (LTS) menghasilkan uap dengan temperature 426ᵒC. Uap yang keluar
dari
LTS kemudian dialirkan ke High Temperature
Superheater untuk dipanaskan kembali
menjadi uap panas lanjut. Uap dari LTS juga digunakan untuk steam atomizing yang membantu proses
pengabutan bahan bakar agar bahan bakar dapat terbakar
sempurna.
- High Temperature Superheater
Uap hasil pemanasan LTS selanjutnya
mengalir ke High Temperature Superheater(HTS)
yang terletak pada bagian gas sangat panas. Sebagian dari HTS terletak tepat diatas ruang bakar, oleh karena itu
transfer panas yang diperoleh oleh
HTS adalah secara radiasi dan konveksi. Kemudian uap panas yang diperoleh dari HTS mengalir
ke turbine
d.
Economizer
Economizer merupakan salah satu peralatan yang meningkatkan efisiensi boiler karena memanfaatkan kalor yang terkandung dalam flue gas sebelum
terbuang ke atmosfer melalui stack. Dengan kata lain dengan adanya ekonomiser maka unit PLTU telah
menghemat konsumsi bahan bakar. Economizer terdiri dari pipa-pipa
air yang ditempatkan pada lintasan gas asap
sebelum meninggalkan boiler. Transfer panas yang terjadi pada economizer adalah secara konveksi.
Artinya flue gas memberikan
panas pada pipa-pipa economizer sehingga temperatur air yang ada
di dalam
pipa- pipa naik
dari
180ᵒC
sampai 250ᵒC. Pipa-pipa economizer terbuat dari bahan baja yang
sanggup menahan panas dan tekanan tinggi.
Pada pipa-pipa economizer sering sekali terjadi
kerusakan. Beberapa penyebab
kerusakan yang sering terjadi pada pipa-pipa economizer
adalah acid attack, shorttherm overheat, mechanical fatique, slagging, scalling. Apabila temperatur
flue gas melalui economizer terlalu tinggi maka dapat terjadi
overheat pada pipa-pipa
economizer yang mengakibatkan pipa economizer pecah. Dan
apabila temperatur flue gas melalui economizer terlalu rendah maka dapat terjadi
slagging yang mengakibatkan pipa economizer bocor akibat diferensial temperatur. Kerusakan pipa economizer pada bagian dalam pipa (sisi air) dapat dihindarkan
dengan jalan melunakkan air pengisi terlebih dahulu, dan kerusakan pipa economizer pada bagian luar pipa (sisi gas asap)
diatasi dengan mempertahankan temperatur flue gas diatas titik embun gas sulfur dan melakukan soot blowing secara berkala.
Gambar
Economize
e. Boiler Drum
Boiler drum adalah bejana tempat menampung air yang datang dari economizer dan uap hasil penguapan dari
tube wall. Kira-kira setengah dari drum berisi
air dan setengahnya lagi berisi
uap. Boiler drum terbuat dari plat baja dilas dan dilengkapi diantaranya:
-
Man hole
- Saluran menuju superheater
- Saluran menuju
feedwater inlet
- Saluran menuju blowdown
- Saluran menuju
downcomer
- Saluran menuju safety valve
- Pipa injeksi
bahan kimia
- Pipa sample
taking
- Pipa
menuju alat ukur dan control.
Pengaturan level di dalam boiler drum dilakukan dengan mengatur besarnya pembukaan flow control valve.
Apabila level air didalam drum terlalu rendah atau tidak terkontrol akan menyebabkan terjadinya overheating pada pipa-pipa boiler, sedangkan bila level drum
terlalu tinggi, kemungkinan butir- butir air terbawa ke turbine dan mengakibatkan kerusakan
pada turbine. Untuk mengamankannya pada boiler drum dipasang alarm
untuk level high dan level low serta trip untuk level very low dan very high.
Uap yang dihasilkan dari dalam tube wall terkumpul
di dalam boiler drum. Uap akan mengalir ke arah puncak
boiler drum melewati
steam separator dan screen
dryer lalu keluar
dari dalam drum menuju superheater dan akhirnya ke turbine. Sedangkan
butir-butir air yang jatuh akan bersirkulasi kembali
bersama air yang baru masuk.
Gambar
Boiler rum
f.
Stack (cerobong)
Stack merupakan cerobong asap yang berfungsi sebagai laluan
flue gas terbuang ke atmosfer.
Temperatur flue gas sebelum terbuang ke atmosfer dijaga tidak melebihi 160ᵒC,
agar tidak terjadi
kerusakan lingkungan atau
merusak lapisan ozon.
Gambar
Stack
2.
Auxiliary equipment
a.
Forced Drought
Fan (FDF)
Berfungsi untuk mengambil
udara dari atmosfer
dengan suhu sekitar
30ᵒC dan
tekanan 1 atm.
Untuk kebutuhan
Fuel oil burner, setiap
FDF mampu melayani 60% dari keperluan beban. Di PLTU ini ada 2 (dua) FDF yang bekerja sekaligus
pada 1 unit boiler.
Gambar
Forced Drought Fan (FDF)
b.
Air Preheater ( Pemanas
Awal Udara)
Air Preheater merupakan alat pemanas awal
udara pembakaran. Dimana udara yang
dihisap oleh
FDF dengan temperatur
sekitar 30ᵒC mengalir melalui
air
preheater dan dihasilkan temperatur
udara sekitar
120ᵒC. Media yang digunakan untuk memanaskan udara
melalui air preheater adalah steam yang diperoleh
dari Auxilarry Steam Header dengan temperatur steam 180ᵒC.
Gambar
Air Preheater ( Pemanas
Awal Udara)
c.
Air heater (Pemanas Udara)
Air heater merupakan salah satu alat yang meningkatkan
efisiensi ketel. Karena memanfaatkan kalor yang terkandung pada gas buang hasil pembakaran untuk memanaskan udara.
Udara yang telah
mengalami proses pemanasan di air preheater selanjutnya
dialirkan melewati air heater untuk dipanaskan
kembali. Proses transfer panas yang terjadi di air heater adalah secara
konveksi. Temperatur udara setelah dipanaskan di air heater diharapkan 230ᵒC agar memudahkan proses pembakaran. Temperatur
flue gas melewati air heater cukup tinggi sekitar 290ᵒC maka elemen-elemen
air heater harus tahan panas. Temperatur flue gas setelah
air heater dijaga diatas 135ᵒC, tujuannya adalah untuk
mencegah pengendapan sulfur pada sisi dingin air heater. Karena sulfur
dapat menyebabkan korosi pada elemen-
elemen air heater. Namun
temperatur flue gas keluar air heater juga dijaga dibawah 160ᵒC, tujuannya adalah agar tidak merusak lingkungan atau
dengan kata lain merusak lapisan ozon.
Gambar
Air heater (Pemanas
Udara)
1.1.8 Generator
Generator merupakan instrumen pembangkit tenaga
listrik yang mengubah
energi mekanis sebagai
masukan menjadi energi listrik sebagai keluaran dimana kecepatan putar dari rotornya
sama dengan kecepatan putar dari statornya. Generator terdiri dari bagian
yang berputar yang disebut rotor dan bagian yang diam yang disebut stator. Kumparan rotor merupakan rangkaian
tertutup dari suatu penghantar, bila diberi tegangan arus searah akan menimbulkan fluks magnet. Rotor tersebut diputar
dengan suatu penggerak
mula atau prime mover sehingga
fluks tersebut memotong
konduktor-konduktor yang ada di stator yang selanjutnya pada kumparan
stator akan terimbas tegangan.
1.1.9 Proses Pembakaran
Pengertian pembakaran secara umum yaitu
terjadinya oksidasi cepat dari bahan bakar disertai
dengan produksi panas dan cahaya.
Pembakaran sempurna bahan
bakar terjadi jika ada
pasokan oksigen yang cukup. Dalam setiap bahan bakar, unsur yang mudah terbakar adalah karbon, hidorgen, dan
sulfur.
Tujuan dari pembakaran yang sempurna adalah
melepaskan seluruh panas
yang terdapat dalam
bahan bakar. Hal ini
dilakukan dengan pengontrolan “Tiga T” yaitu :
1.
T-Temperatur
Temperatur yang digunakan dalam pembakaran yang baik harus cukup tinggi
sehingga dapat menyebabkan terjadinya reaksi kimia.
2.
T-Turbulensi
Turbulensi yang tinggi menyebabkan terjadinya pencampuran yang baik antara
bahan bakar dan pengoksidasi.
3.
T-Time (Waktu)
Waktu yang cukup agar input panas dapat terserap
oleh reaktan sehingga
berlangsung proses termokimia.
Pembakaran yang sempurna akan
menhasilkan tingkat konsumsi bahan bakar ekonomis
dan berkurangnya besar kepekatan asap hitam gas buang karena pada pembakaran sempurna campuran bahan bakar
dan udara dapat terbakar seluruhnya dalam
waktu dan kondisi yang tepat. Agar terjadi pembakaran yang sempurna maka perlu diperhatikan kualitas bahan bakar
sesuai dengan karakteristiknya sehingga homogenitas
campuran bahan bakar dengan udara dapat terjadi secara sempurna. Viskositas bahan bakar adalah salah satu
karakteristik bahan bakar yang sangat menentukan kesempurnaan proses pembakaran. Viskositas yang tinggi menyebabkan aliran solar terlalu lambar. Tingginya
viskositas menyebabkan beban pada pompa injeksi
menjadi lebih besar dan pengkabutan saat
injeksi kurang sempurna sehingga bahan bakar sulit terbakar.
Energi panas yang dihasilkan dari suatu proses
pembakaran senyawa hidrokarbon merupakan kebutuhan energi yang paling dominan dalam refinery.
Oleh karena itu pengelolaan energi
yang tepat dan efisien merupakan langkah penting dalam upaya penghematan biaya produksi secara menyeluruh. Pembakaran merupakan reaksi kimia yang bersifat eksotermis dari
unsur-unsur yang ada di dalam bahan bakar dengan
oksigen serta menghasilkan panas. Proses pembakaran memerlukan udara, namun jumlah
udara yang dibutuhkan tidak
diberikan dalam jumlah yang tepat secara stoikiometri,
namun dilebihkan. Hal ini bertujuan
supaya pembakaran berlangsung sempurna. Kelebihan udara ini disebut Excess
air (udara yang berlebih).
Pembakaran yang sempurna akan
menghasilkan jumlah panas yang maksimum. Pembakaran dinyatakan secara kualitatif atau kuantitatif dengan
reaksi kimia. Jumlah
panas yang dihasilkan bahan bakar dinyatakan sebagai nilai kalori pembakaran (Calorific Value). Reaksi kimia terjadi melalui
suatu proses oksidasi
senyawa- senyawa karbon,
hidrogen dan sulfur yang ada dalam bahan bakar. Reaksi ini umumnya
menghasilkan nyala api. Terdapat dua istilah pembakaran yang berhubungan dengan udara excess, yaitu :
1.
Neutral combustion
Merupakan pembakaran tanpa excess atau
defisit udara dan tanpa bahan bakar yang
tidak terbakar.
2.
Oxidizing combustion
Merupakan pembakaran dengan excess udara. Udara yang berlebih bukan merupakan jaminan pembakaran yang sempurna.
1.1.10
Kebutuhan Udara
Pembakaran
Dalam
suatu proses pembakaran bahan bakar dengan oksigen, dibutuhkan oksigen murni untuk proses pembakaran didalam ruang bakar. Namun hal ini merupakan hal yang tidak efesien karena
harga oksigen murni yang sangat mahal, selain
itu dapat mengakibatkan suhu lokal yang sangat tinggi di dalam ruang bakar sehingga
dapat merusak pipa-pipa dan logam pembungkus boiler.
Namun hal ini dapat diatasi
dengan menggunakan oksigen yang cukup banyak tersedia yaitu udara. Jika mengabaikan kandungan kecil dari gas-gas
mulia yang ada di dalam
udara seperti neon, xenon, dan sebagainya, maka dapat menganggap udara kering sebagai
campuran dari gas nitrogen
dan oksigen.
Proporsi oksigen dan nitrogen
dapat diatur dalam udara, dalam satuan volume
maupun satuan berat. Dalam bentuk persentase, proporsinya adalah :
Berdasarkan berat : Oksigen
= 23,2 %
Nitrogen =
76,8 %
Berdasarkan volume
: Oksigen = 21
%
Nitrogen = 79 %.
1.1.11
Kebutuhan Udara Teoritis
Analisis pembakaran untuk menghitung kebutuhan udara
teoritis dapat dilakukan dengan dua cara :
1.
Berdasarkan pada satuan berat
2.
Berdasarkan pada satuan
volume
Pada suatu analisis pembakaran selalu diperlukan data-data
berat molekul dan berat
atom dari unsur-unsur yang terkandung
dalam bahan bakar.
1.
Analisis Pembakaran Berdasarkan Berat
Analisis ini digunakan
untuk menghitung kebutuhan
teoritis pada pembakaran sempurna sejumlah bahan bakar
tertentu. Sebagai contoh:
C +
|
O2
|
CO2
|
12
kg
|
32
kg
|
44
kg
|
Ini berarti bahwa setiap kg karbon memerlukan 32 kg oksigen
secara teoritis untuk membakar
sempurna karbon menjadi karbondioksida. Apabila oksigen yang dibutuhkan untuk membakar masing-masing unsur pokok dalam
bahan bakar dihitung lalu dijumlahkan, maka akan ditemukan
kebutuhan oksigen teoritis yang dibutuhkan untuk membakar
sempurna seluruh bahan bakar. Oleh karena
itu untuk memperoleh harga kebutuhan oksigen teoritis yang sebenarnya maka dibutuhkan oksigen yang telah
dihitung berdasarkan persamaan reaksi pembakaran
kemudian dikurangi dengan oksigen yang terkandung dalam bahan bakar.
2.
Analisis Pembakaran Berdasarkan Volume
Apabila dalam suatu analisis bahan bakar dinyatakan dalam
persentase berdasar volume, maka
suatu perhitungan yang serupa dengan perhitungan berdasarkan berat bisa digunakan
untuk menentukan volume dari udara teoritis yang dibutuhkan.
Untuk menentukan udara teoritis harus memahami hukum avogadro yaitu
“gas-gas dengan volume
yang sama pada suhu dan
tekanan standar (0°C dan tekanan sebesar 1bar) berisikan
molekul dalam jumlah yang sama” (Diklat PLN, 2006).
1.1.12
Udara Berlebih
(Excess Air)
Konsentrasi oksigen pada gas buang merupakan
parameter penting untuk menentukan
status proses pembakaran karena dapat menunjukkan kelebahn O2 yang digunakan. Secara kuantitatif udara
lebih dapat ditentukan dari :
1.
Komposisi gas buang yang meliputi N2, CO2, O2 dan CO
2.
Pengukuran secara
langsung udara yang disuplai
Efisiensi pembakaran akan meningkat
seiring dengan peningkatan jumlah excess air hingga pada nilai tertentu, yaitu
saat nilai kalor
yang terbuang pada gas buang
lebih besar daripada kalor
yang dapat disuplai oleh pembakaran yang optimal. Ilustrasi mengenai
efisiensi pembakaran terhadap nilai excess air.
Gambar Grafik Hubungan
Efisiensi Pembakaran dengan Udara Berlebih
Parameter yang diperluan untuk kualifikasi bahan bakar dan udara didalam
sebuah proses pembakaran adalah rasio udara atau bahan
bakar, yaitu jumlah
udara di dalam sebuah reaksi terhadap jumlah bahan
bakar = mol udara/mol bahan bakar atau massa
udara (kg)/massa bahan bakar (kg).
1.1.13
Emisi Gas Buang
Polusi
udara oleh gas buang merupakan
gangguan terhadap lingkungan. Komponen- komponen
gas buang yang membahayakan itu antara lain adalah asap hitam (angus), hidrokarbon yang tidak terbakar, karbon
monoksida (CO), oksida nitrogen(NO), dan NO2. NO dan NO2 biasa dinyatakan dengan NOx (Arismunandar, 2002:51).
Namun jika dibandingkan dengan bensin, solar lebih
banyak mengandung CO. Disamping itu kadar NO2 sangat rendah jika dibandingkan dengan NO. Jadi boleh dikatakan
bahwa komponen utama gas buang
dari bahan bakar solar yang membahayakan adalah NO dan asap hitam. Selain dari komponen tersebut diatas beberapa hal
berikut yang merupakan bahaya atau
gangguan meskipun bersifat sementara. Asap putih yang terdiri atas kabut bahan bakar atau minyak pelumas yang
terbentuk pada start dingin, asap biru terjadi
karena adanya bahan bakar yang tidak terbakar atau tidak terbakar
sempurna terutama periode pemanasan, serta bau yang kurang sedap
merupakan bahaya yang mengganggu lingkungan. Selanjutnya bahan bakar dengan kadar belerang
yang tinggi sebaiknya
tidak digunakan karena
akan menyebabkan adanya SO2
didalam gas buang.
Asap hitam membahayakan lingkungan
karena mengeruhkan udara sehingga mengganggu pandangan, tetapi juga karena adanya kemungkinan mengandung karsinogen. Proses pembakaran mengeluarkan asap hitam yang sekalipun
mengandung partikel karbon yang tidak terbakar
tetapi buka karbon monoksida (CO).
Jika angus terjadi terlalu banyak, gas buang yang keluar dari ruang
bakar akan berwarna hitam dan
mengotori udara.
Menurut
Nakoela Soenarta (1995:39)
faktor-faktor yang menyebabkan terbentuknya jelaga atau angus pada gas buang
ruang bakar adalah :
1.
Konsentrasi oksigen
sebagai gas pembakar
yang kurang
2.
Bahan bakar yang disemprotkan ke dalam ruang bakar terlalu banyak
3.
Suhu di dalam ruang
bakar terlalu tinggi.
4.
Penguapan dan pencampuran bahan bakar dan udara yang ada di dalam silinder
tidak berlangsung sempurna
5.
Karbon tidak mempunyai cukup waktu untuk berdifusi supaya
bergabung dengan oksigen.
Pemanasan untuk menaikkan suhu bahan bakar adalah salah satu cara untuk mengubah karakteristik suatu bahan bakar. Pemanasan pada solar mengakibatkan turunnya viskositas dan bertambahnya volume yang menyebabkan
butir-butir bahan bakar akan lebih mudah menguap dan mempengaruhi proses pengkabutan saat penyemprotan.
Butiran bahan bakar yang disemprotkan sangat berpengaruh terhadap proses pembakaran sehingga tekanan
penyemprotan divariasikan untuk mempercepat dan memperbaiki proses pencampuran bahan bakat dengan udara. Langkah
ini dilakukan dengan tujujan
untuk dapat diperoleh homogenesis campuran yang lebih sempurna sehingga pembakaran yang sempurna dapat tercapai.
Dengan langkah ini diharapkan besar
konsumsi bahan bakar dan kepekatan asap hitam gas buang dapat dikurangi.
1.1.14
Karakteristik Bahan Bakar
Syarat-syarat bahan bakar yang baik sebagai berikut :
a.
Mempunyai titik
nyala yang rendah,
sehingga mudah terbakar
b.
Mempunyai nilai
kalori yang tinggi
c.
Tidak menghasilkan gas buang yang beracun
dan membahayakan
d.
Asap yang dihasilkan sedikit,
tidak banyak membentuk
jelaga
e.
Ekonomis, mudah dalam penyimpanan dan pengangkutan
f.
Mempunyai efisiensi
yang tinggi.
Nilai kalori bahan bakar merupakan
karakteristik utama bahan bakar, nilai kalori
atau heating value bahan bakar padat, cair atau gas dapat dinyatakan sebagai jumlah panas yang dihasilkan dari pembakaran yang sempurna setiap
satuan massa bahan bakar. Nilai kalori
bahan bakar padat dan cair dinyatakan dalam satuan Kcal/kg atau Btu/lb bahan bakar. Nilai kalori bahan
bakar gas dinyatakan dalam Btu/Cuft atau Kcal/m3
pada temperatur dan tekanan tertentu. Terdapat dua istilah nilai kalori bahan bakar yaitu :
1.
Higher Heating
Value (HHV) atau Gross Heating
Value.
Higher Heating Value adalah jumlah panas yang diperoleh
dari pembakaran bahan bakar tiap satuan
massa bahan bakar jika hasil
pembakarannya
didinginkan sampai
suhu kamar (H2O hasil pembakaran mengembun).
2.
Lower Heating Value (LHV) atau Net Heating Value
Lower Heating Value adalah
jumlah panas yang diperoleh dari pembakaran tiap satuan massa bahan bakar dengan mengurangi jumlah panas
yang dibawa oleh uap air yang
terbentuk selama pembakaran. LHV dapat diperoleh dengan mengurangi jumlah panas hasil pembakaran dengan panas penguapan
air yang terbentuk selama
pembakaran.
1.1.15
Solar Sebagai
Bahan Bakar
Bahan bakar solar adalah bahan bakar
minyak hasil sulingan dari minyak bumi mentah,
bahan bakar ini umumnya berwarna cokelat yang jernih (Pertamina, 2005). Penggunaan solar umumnya adalah
untuk bahan bakar pada semua jenis mesin diesel dengan putaran tingga (diatas 1000 rpm),
yang juga dapat digunakan sebagai bahan bakar
dalam dapur-dapur kecil yang terutama diinginkan pembakaran yang bersih. Minyak solar ini biasa juga disebut Gas
Oil, Automotive Diesel Oil, High Speed Diesel (Pertamina, 2005). Bahan bakar
solar mempunyai sifat-sifat utama yaitu :
1.
Warna sedikit kekuningan dan berbau
2.
Encer dan tidak mudah
menguap pada suhu normal
3.
Mempunyai titik nyala yang tinggi (40 °C sampai
100°C)
4.
Terbakar secara
spontan pada suhu 350°C
5.
Mempunyai berat jenis sekitar
0,82 – 0,86
6.
Mampu menimbulkan panas yang besar (10.500
kcal/kg)
7.
Mempunyai
kandungan sulfur yang lebih besar daripada bensin. Adapun spesifikasi bahan
bakar solar adalah
sebagai berikut :
Parameter
|
Limit
|
|
Minimal
|
Maksimal
|
Sulfur Content
(% wt)
|
-
|
0,5
|
Specific Gravity
at 60°F
|
0,82
|
0,87
|
Cetane Number
|
45
|
48
|
Viscocity Kinematic
|
1,6
|
5,8
|
Residu Carbon
% wt
|
-
|
0,1
|
Water Content % vol
|
-
|
0,05
|
Ash Content %wt
|
-
|
0,01
|
Flash Point °F
|
150
|
-
|
Calorific Value (kcal/kg)
|
10500
|
10667
|
1.1.16
Udara
Udara
pada Water boiler
tube digunakan untuk
proses pembakaran. Udara
proses dari kompressor yang
mengambil udara dari atmosfer dan kemudian disaring dengan filter udara untuk menghilangkan debu
atau kotoran lainnya. Dalam keadaan udara kering
komposisi unsur-unsur gas yang terdapat pada atmosfer terdiri atas unsur nitrogen (N2) 78%, oksigen (O2) 21%,
carbon dioksida (CO2) 0,3%, argon (Ar) 1%,
dan sisanya unsur gas lain seperti: ozon (O3), hidrogen (H), helium
(He), neon (Ne), xenon (Xe),
krypton (Kr), radon (Rn), metana, dan ditambah unsur uap air dalam jumlah
yang berbeda-beda sesuai dengan
ketinggian tempat.
Sifat
|
Nilai
|
Densitas
pada 0o C
|
1292,8 kg/m3
|
Temperatur
kritis
|
-140,7 0C
|
Tekanan
kritis
|
37,2 atm
|
Densitas
kritis
|
350 kg/m3
|
Panas jenis pada 10000C,281,650K dan 0,89876 bar
|
0,28 kal/gr 0C
|
Faktor kompresibilitas
|
1000
|
Berat molekul
|
28,964
|
Viskositas
|
1,76 E-5
poise
|
Koefisiensi perpindahan pana
|
1,76 E-5
W/m.K
|
Entalpi
pada 1200ᵒC
|
1278 kJ/kg
|
Sifat kimia
udara adalah sebagai
berikut :
a.
Mempunyai sifat yang tidak mudah terbakar, tetapi dapat membantu proses
pembakaran.
b.
Terdiri dari 79%
mol N2 dan 21% mol O2 dan larut dalam air.
1.1.17
Air Umpan
Pada proses di alat Water tube boiler,
air digunakan sebagai bahan baku utama untuk
menghasilkan uap. Uap tersebut akan digunakan untuk memutar turbin. Hasil perputaran turbin akan
menghidupkan generator sehingga
dihasilkan listrik.
Air umpan adalah air yang disuplai ke
boiler untuk diubah menjadi steam. Sedangkan
sistem air umpan adalah sistem penyediaan air secara otomatis untuk boiler sesuai dengan kebutuhan sistem. Secara umum air yang akan digunakan sebagai
umpan boiler adalah air yang tidak mengandung unsur yang
dapat menyebabkan terjadinya endapan
yang dapat membentuk
kerak pada boiler,
air yang tidak mengandung unsur yang dapat menyebabkan korosi terhadap boiler dan sistem
penunjangnya dan juga tidak mengandung unsur yang dapat menyebabkan terjadinya pembusaan terhadap air boiler. Oleh karena itu untuk dapat
digunakan sebagai air umpan maka air
baku dari sumber air harus dilakukan pengolahan terlebih dahulu, karena harus memenuhi persyaratan tertentu.
Parameter
|
Satuan
|
Pengendalian Batas
|
Ph
|
|
10,5 – 11,5
|
Konduktivitas
|
µmhos/cm
|
5000, max
|
TDS
|
Ppm
|
3500, max
|
Alkalinitas
|
Ppm
|
800, max
|
Silica
|
Ppm
|
150, max
|
Besi
|
Ppm
|
2, max
|
Residu Fosfat
|
Ppm
|
20 – 50
|
Residu Sulfur
|
Ppm
|
20 –
50
|
pH Kondensat
|
|
8,0
– 9,0
|
1.1.18
Kualitas Uap
Untuk
menjamin keandalan peralatan dan efisiensi dalam pengoperasian kualitas
air dan uap harus tersedia pada titik penggunaan:
1.
Dalam
jumlah yang benar untuk menjamin bahwa aliran panas yang memadai tersedia untuk perpindahan panas
2.
Pada suhu dan tekanan
yang benar, atau akan mempengaruhi kinerja
3.
Bebas dari udara dan
gas yang dapat mengembun yang dapat menghambat perpindahan panas
4.
Bersih,
karena kerak (misal karat atau endapan karbonat) atau kotoran dapat meningkatkan
laju erosi pada lengkungan pipa dan orifice kecil dari steam traps dan katup
5.
Kering, dengan adanya tetesan
air dalam steam akan menurunkan entalpi penguapan aktual,
dan juga akan mengakibatkan pembentukan kerak pada dinding
pipa dan permukaan perpindahan panas.
1.1.19
Diagram Fasa
Sifat cairan-uap digambarkan dalam
diagram fasa, pada dasarnya diagram fasa menunjukkan
hubungan perubahan tekanan, volume dan temperatur dalam suatu sistem
terhadap fasa-fasa utama (padat,
cair, gas).
Gambar Diagram fase
Dalam membaca diagram
fasa ada beberapa
istilah yang perlu diketahui yaitu:
1.
Cairan
subdingin (subcooled liquid), yaitu kondisi cairan pada temperatur di bawah titik
didihnya (T<Tsat) pada tekanan tertentu.
2.
Cairan jenuh (saturated liquid),
yaitu kondisi cairan tepat di temperatur didihnya pada tekanan tertentu.
3.
Campuran
jenuh (saturated mixture), yaitu kondisi campuran
cairan jenuh dan uap jenuh
dalam kondisi kesetimbangan pada temperatur di temperatur didihnya
pada tekanan tertentu.
Tekanan pada saat ini disebut
tekanan penguapan (vapor
pressure).
4.
Uap jenuh
(saturated vapor), yaitu kondisi uap tepat di temperatur didihnya pada tekanan tertentu, dimana uap itu akan mulai terkondensasi.
5.
Uap superpanas (superheated vapor), yaitu
kondisi uap pada temperatur di atas titik
didihnya (T<Tsat) pada tekanan tertentu.
6.
Kurva cairan jenuh, yaitu kurva dimana
hanya terdapat cairan jenuh saja
7.
Kurva uap jenuh, yaitu kurva dimana
hanya terdapat uap jenuh saja
8.
Titik kritis, yaitu titik pertemuan antara
kurva cairan jenuh dan uap
jenuh
9.
Kualitas x,
dalam suatu campuran uap jenuh dan cairan jenuh, kualitas
yang dimasud disini adalah fraksi massa fasa uapnya. Besaran ini sangat penting untuk diketahui karena perbedaan
yang sangat besar antara sifat termodinamika
cairan dan uap.
1.1.20
Perhitungan Efisiensi Siklus PLTU
PLTU
adalah Unit Pembangkit Termal yang merupakan suatu sistem yang terdiri dari berbagai komponen-komponen seperti:
Boiler, Turbin, Generator dan alat-alat bantu
lainnya.
η STG= Panas yang keluar generator
x 100%
Panas
Input
Dimana :
ηSTG = Efisiensi Steam Power Generation (%)
Efisiensi siklus PLTU tidak lepas dari peran Boiler yang
merupakan komponen utama yang terdapat dalam PLTU sehingga
tingkat untuk kerja Boiler, turbin,
generator, kondenser dan pompa harus selalu dipantau sehingga memperoleh
untuk kerja yang maksimal untuk meningkatkan efisiensi siklus PLTU sendiri.