Analisa Pemakaian Economizer Terhadap Peningkatan Efisiensi dan Penghematan Bahan Bakar Boiler 052 B101 Unit Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap
ANALISA PEMAKAIAN ECONOMIZER TERHADAP
PENINGKATAN EFISIENSI DAN PENGHEMATAN BAHAN BAKAR BOILER 052 B101 UNIT PEMBANGKIT TENAGA UAP
PT PERTAMINA (PERSERO) REFINERY UNIT IV CILACAP
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
OLEH :
SIGIT P .KURNIAWAN
100401010
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2015
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
ABSTRAK
Kehilangan panas merupakan salah satu faktor penting yang sangat perlu diperhatikan dalam pengoperasian boiler. Kehilangan panas yang terlalu besar yang terdapat pada gas buang sisa pembakaran dalam boiler adalah salah satunya. Temperatur gas buang yang masih terlalu besar akan mengurangi efisiensi boiler. Maka untuk mengatasi masalah tersebut digunakan economizer sebagai alat untuk mengurangi temperatur gas buang. Temperatur gas buang yang masih terlalu tinggi dapat dimanfaatkan kembali untuk menaikkan temperatur air umpan didalam economizer dengan cara melewatkan gas buang tersebut kemudian diukur temperatur gas buang dan temperatur air umpan. Setelah dilakukan perhitungan maka didapat efisiensi boiler dengan menggunakan economizer sebesar 86,97 % sedangkan efisiensi boiler tanpa menggunakan economizer sebesar 76,07 %. Dengan menggunakan economizer maka dapat menghemat bahan bakar sebesar 174,08 kg.
(8)
ABSTRACT
Heat loss is one very important factor to consider in the operation of the boiler. Heat loss is too large contained in the exhaust gas combustion in the boiler is one of them. Exhaust gas temperature is still too large will reduce the efficiency of the boiler. So to overcome these problems an economizer as a tool to reduce the exhaust gas temperature. Exhaust gas temperature is still too high can be used again to raise the temperature in the feed water economizer by passing the exhaust gas is then measured exhaust gas temperature and the temperature of the feed water. After calculation of the importance of the boiler efficiency using economizer by 86.97% while the boiler efficiency without using economizer by 76.07%. By using economizer, it can save fuel by 174.08 kg.
(9)
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT, yang selama ini telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “Analisa Pemakaian Economizer Terhadap Peningkatan Efisiensi dan Penghematan Bahan Bakar Boiler 052 B101 Unit Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap”
Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis selama pelaksanaan penelitian dan pembuatan skripsi ini. Untuk itu, melalui pengantar ini penulis menyampaikan terima kasih kepada :
1. Orang tua dan kedua abang tercinta yang selalu memberikan doa dan semangat kepada penulis
2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
3. Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT selaku Dosen Pembimbing penulis yang telah memberikan banyak saran untuk perbaikan selama proses penyusunan skripsi ini.
4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin
5. Pihak PT Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap yang telah memberikan kesempatan bagi penulis untuk melakukan penelitian guna mengerjakan skripsi ini.
6. Seluruh teman mahasiswa Teknik Mesin angkatan 2010 dan teman-teman yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu dan memberikan masukan kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik segi teknik maupun segi materi. Oleh sebab itu, penulis juga mengharapkan kritik dan saran
(10)
membangun demi terciptanya laporan yang lebih baik di masa yang akan datang. Akhir kata, penulis berharap laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya.
Medan, April 2015
(11)
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... x
DAFTAR NOTASI ... xi
BABI PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 2
1.3 Batasan Masalah... 2
1.4 Manfaat Penelitian ... 2
1.5 Metodologi Penulisan ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Dasar Teori Pembangkit Listrik ... 5
2.1.1Prinsip Kerja PLTU ... 6
2.1.2Siklus Rankine Sederhana ... 7
2.1.3Siklus Rankine Reheat Ideal ... 8
2.1.4Siklus Rankine Regeratif Ideal ... 9
2.2Pengertian Boiler ... 11
2.3 Prinsip Kerja Boiler... 12
2.4 Klasifikasi Boiler ... 13
2.5 Komponen Boiler ... 14
2.5.1Komponen Utama ... 15
(12)
2.5.2Komponen Pengaman Boiler ... 21
2.6 Economizer ... 24
2.7 Pembakaran ... 26
2.8 Proses Pembentukan Uap ... 28
2.9Nilai Kalor (Heating Value) ... 29
2.10Efisiensi Boiler ... 30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 35
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 35
3.1.1Tempat Penelitian... 35
3.1.2Waktu Penelitian ... 35
3.2 Alat dan Bahan ... 35
3.2.1Alat ... 35
3.2.2Bahan ... 37
3.3 Prosedur Peneliitian ... 37
3.4Analisa Data ... 38
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 40
4.1 Kondisi Boiler 052 B101 ... 40
4.1.1Kondisi Operasi ... 40
4.1.2Komposisi Fuel Oil ... 40
4.1.3Komposisi Fuel Gas ... 41
4.2Perhitungan Komposisi Pada Bahan Bakar... 42
4.2.1Komposisi C dan H pada Fuel Oil danFuel Gas ... 42
4.2.2Menentukan LHV Fuel Oil dan Fuel Gas ... 43
4.2.3Kompisis Flue Gas ... 44
4.3Perhitungan Efisiensi ... 45
(13)
4.3.2Tanpa Menggunakan Economizer... 49
4.4Perbandingan Heat Loss ... 52
4.5Panas Pembentukan Uap ... 54
4.6Penghematan Bahan Bakar ... 55
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 56
5.1Kesimpulan ... 56
5.2 Saran ... 56
DAFTAR PUSTAKA ... 57
(14)
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Gardu Listrik ... 5
Gambar 2.2 Skema PLTU ... 6
Gambar 2.3 Siklus Rankine Sederhana ... 8
Gambar 2.4 Siklus Rankine Reheat ideal ... 9
Gambar 2.5 Siklus Rankine Regeratif OFH ... 10
Gambar2.6 Siklus Rankine Regeratif CFH ... 11
Gambar2.7Boiler pipa api ... 13
Gambar2.8Boiler pipa air ... 14
Gambar2.9Bagian-bagian boiler ... 14
Gambar2.10Konfidurasi steam drum dan mud drum ... 16
Gambar2.11Takngki air umpan ... 17
Gambar2.12Pompa air umpan ... 18
Gambar2.13Sea Water Desalination ... 18
Gambar2.14Softener ... 19
Gambar2.15Deareator ... 20
Gambar2.16 Economizer... 20
Gambar2.17Force Draft Fan ... 21
Gambar2.18Katup Pengaman ... 22
Gambar2.19Gelas Penduga ... 23
Gambar2.20Manometer ... 23
Gambar2.21Mekanisme economizer... 25
Gambar2.22Penampang economizer... 26
Gambar2.23Diagram T-s tanpa economizer ... 28
Gambar2.24Diagram T-s dengan economizer ... 29
(15)
Gambar 3.1 Orifice meter ... 35
Gambar 3.2 Termometer ... 36
Gambar 3.3 Manometer ... 36
Gambar 3.4 Alur pengerjaan skripsi ... 39
Gambar 4.1 Grafik heat loss dengan economizer ... 48
Gambar 4.2 Grafik heat loss tanpa economizer ... 52
Gambar 4.3 Grafik perbandingan heat loss ... 53
(16)
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1Jenis bahan bakar ... 27
Tabel 3.1 Data operasi boiler ... 38
Tabel 4.1Komposisifuel oil ... 40
Tabel 4.2Komposisi fuel gas ... 41
Tabel 4.3Komposisi flue gas ... 44
(17)
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
η Efisiensi %
� Panas total kJ/kg
hf Entalpi air umpan kJ/kg
hg Entalpi uap jenuh kJ/kg
T Temperatur oC
�̇ Massa air umpan kg/jam
Cp Panas jenis gas buang btu/lb
Q Laju aliran m3/hour
(18)
ABSTRAK
Kehilangan panas merupakan salah satu faktor penting yang sangat perlu diperhatikan dalam pengoperasian boiler. Kehilangan panas yang terlalu besar yang terdapat pada gas buang sisa pembakaran dalam boiler adalah salah satunya. Temperatur gas buang yang masih terlalu besar akan mengurangi efisiensi boiler. Maka untuk mengatasi masalah tersebut digunakan economizer sebagai alat untuk mengurangi temperatur gas buang. Temperatur gas buang yang masih terlalu tinggi dapat dimanfaatkan kembali untuk menaikkan temperatur air umpan didalam economizer dengan cara melewatkan gas buang tersebut kemudian diukur temperatur gas buang dan temperatur air umpan. Setelah dilakukan perhitungan maka didapat efisiensi boiler dengan menggunakan economizer sebesar 86,97 % sedangkan efisiensi boiler tanpa menggunakan economizer sebesar 76,07 %. Dengan menggunakan economizer maka dapat menghemat bahan bakar sebesar 174,08 kg.
(19)
ABSTRACT
Heat loss is one very important factor to consider in the operation of the boiler. Heat loss is too large contained in the exhaust gas combustion in the boiler is one of them. Exhaust gas temperature is still too large will reduce the efficiency of the boiler. So to overcome these problems an economizer as a tool to reduce the exhaust gas temperature. Exhaust gas temperature is still too high can be used again to raise the temperature in the feed water economizer by passing the exhaust gas is then measured exhaust gas temperature and the temperature of the feed water. After calculation of the importance of the boiler efficiency using economizer by 86.97% while the boiler efficiency without using economizer by 76.07%. By using economizer, it can save fuel by 174.08 kg.
(20)
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Era globalisasi semakin membuat masyarakat dunia tertantang, karena pesatnya perkembangan dunia yang mengakibatkan antar negara bersaing. Hal ini berdampak pada pemenuhan kebutuhan akan energi atau bahan bakar juga akan semakin bertambah, yang mana dunia industri merupakan salah satu pengkonsumsi energi atau bahan bakar yang cukup besar. Dalam kasus tersebut, pihak pemerintah pun tidak mengimbangi akan pemenuhan kebutuhan energi atau bahan bakar yang bisa dikatakan langka atau sulit untuk didapatkan. Faktor tersebut banyak berpengaruh terhadap kecenderungan ekonomis, sehingga harga bahan bakar semakin meningkat. Semakin meningkatnya harga bahan bakar semakin menipis pula ketersediaan bahan bakar.
Sistem Pembangkit Tenaga Uap merupakan salah satu dari sistem pembangkit listrik yang umum digunakan pada industri-industri maupun pembangkit-pembangkit listrik, dimana sistem pembangkit ini memiliki keunggulan yaitu: dapat dioperasikan dengan menggunakan berbagai jenis bahan bakar, usia atau life time yang cukup lama. Secara umum sistem pembangkit tenaga uap terdiri dari beberapa komponen utama yaitu : pompa, turbin uap, boiler, generator dan kondenser.
Kehilangan panas (heat loss)pada boiler merupakan salah satu faktor penting yang sangat berpengaruh dalam mengidentikasi efisiensi pada boiler.Hal ini menyebabkan banyak kerugian yang ditimbulkan sehingga berdampak jugapada faktor ekonomis.Penggunaan economizer merupakan salah satu solusi yang dapat digunakan untuk memanfaatkan gas buang yang masih memiliki temperatur yang sangat tinggi untuk memanaskan air umpan sebelum masuk ke boiler, sehingga dapat mengurangi kerja boiler serta dapat menghemat pemakaian bahan bakar.
(21)
PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap merupakan salah satu unit kilang minyak PT. Pertamina (Persero) yang memiliki kapasitas terbesar dan terlengkap fasilitasnya ditanah air dengan kapasitas 348 ribu barrel/hari. Kilang ini memiliki unit pembangkit tenaga uap sebagain sumber energi utama untuk memenuhi kebutuhan energi listrik ditempat tersebut.
1.2.Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian yang diambil untuk dipelajari dalam tugas akhir ini adalah :
a. Menganalisa efisiensi boiler 052B101 dengan menggunakan economizerdi Unit Pembangkit Tenaga UapPT Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap.
b. Menganalisa efisiensi boiler 052B101 tanpa menggunakan economizer di Unit Pembangkit Tenaga UapPT Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap.
c. Menghitung penghematan bahan bakar boiler 052B101 di Unit Pembangkit Tenaga UapPT Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap
1.3.Batasan Masalah
Dari permasalahan yang harus diselesaikan di atas, maka perlu adanya batasan masalah serta ruang lingkupnya agar dalam melakukan analisa nantinya tidak melebar dan memudahkan dalam melakukan analisa. Batasan-batasan masalah tersebut yaitu :
a. Analisa perhitungan diambil pada saat beban tertinggi.
b. Analisa berdasarkan data-data operasi yang diperoleh dari control room.
1.4.Manfaat Penelitian
(22)
a. Bagi PT Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap dapat menjadi tambahan informasi sebagai salah satu langkah untuk meningkatkan efisiensi dan penghematan bahan bakar boiler 052 B101.
b. Bagi PT Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap menjadi pertimbangan pentingnya pemakaian economizer pada unit boiler.
c. Bagi peneliti dapat sebagai sarana untuk menerapkan ilmu teoritis yang didapat selama diperkuliahan ke permasalahan kerja secara langsung.
1.5.Metodologi Penulisan
Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut :
a. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait.
b. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan.
d. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data yang dibutuhkan untuk menganalisa pemakaian economizer terhadap penghematan bahan bakar boiler 052B101 di Unit Pembangkit Tenaga UapPT Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap .
c. Diskusi, berupa tanya jawab mengenai Tugas Akhir dengan dosen pembimbing sehingga dihasilkan Tugas Akhir yang baik.
1.6. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan pada tugas akhir ini adalah :
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah yang berisi antara lain : Latar belakang,tujuan penelitian, batasan masalah, , manfaat penelitian , dan sistematika penulisan.
(23)
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi metode penelitian serta langkah yang dilakukan untuk mengidentifikasi permasalahan, beserta variabel-variabel yang akan dianalisa.
BAB IV ANALISIS DATA
Bab ini berisi hasil dan pembahasan tentang hasil penelitian berdasarkan data-data yang didapatkan
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan dari analisa yang dilakukan terhadap permasalahan dan saran hasil penelitian untuk generasi berikutnya.
DAFTAR PUSTAKA
Bab ini berisi sumber sumber literatur yang digunakan untuk menyusun laporan tugas akhir ini
(24)
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.Pembangkit Listrik
Kebutuhan akan energi listrik pada setiap daerah akan terus meningkat seiring dengan perkembangan industri ataupun kebutuhan sehari-hari. Hal tersebut disebabkan karena semakin majunya teknologi dikehidupan.Dengan demikian segala bentuk pekerjaan manusia kini dapat dengan mudah dikerjakan oleh teknologi.Kemudahan-kemudahan tersebut dapat diatasi dengan aplikasi tenaga listrik untuk dalam kehidupan sehari-hari.
Gambar 2.1 Gardu Listrik (Sumber : energitoday.com)
Listrik dapat dihasilkan dengan menggunakan berbagai tenaga pembangkit diantaranya : air, gas, uap, panas bumi, ataupun nuklir. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) menggunakan energi potensial dari air unutk menggerakkan turbin kemudian menggerakkan generator yang dapat menghasilkan listrik. PLTA biasanya ditempatkan disungai dengan membangun bendungan untuk mengatur debit air yang akan digunakan pada instalasi PLTA tersebut. Pembangkit Listrik
(25)
Tenaga Uap (PLTU) cara kerjanya dengan memanfaatkan uap air bersuhu dan bertekanan tinggi untuk menggerakkan turbin dan generator yang akan menghasilkan listrik. Uap air tersebut dihasilkan dengan cara memanaskan air pada suatu alat yang disebut boiler. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) memanfaatkan gas hasil pembakaran bahan bakar untuk menggerakkan turbin kemudian generator yang akan menghasilkan listrik. Pembakaran tersebut dilakukan diruang bakar.Sedangkan Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU) merupakan gabungan dari PLTU dan PLTG.
2.1.1.Prinsip Kerja PLTU
Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) merupakan suatu siklus yang terdiri dari komponen – komponen peralatan utama yang dihubungkan untuk menghasilkan karateristik termodinamika yang optimum seperti temperatur, tekanan, dan kapasitas massa uap yang diintegrasikan untuk menghasilkan listrik yang dibutuhkan. Komponen sebuah PLTU biasa terdiri dari turbin, generator, boiler, kondenser, dan pompa air umpan.Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu :
a. Energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi didalam boiler.
b. Energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran dalam turbin
c. Energi mekanik diubah menjadi energi listrik pada generator.
Gambar 2.2 Skema PLTU (Sumber : energitoday.com) [16]
(26)
PLTU menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang. Urutan sirkulasinya secara singkat adalah sebagai berikut :
Pertama, air diisikan ke pemindah panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap.
Kedua, uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran.
Ketiga, generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan magnet dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik dari terminal output generator
Keempat, uap bekas keluar turbin masuk ke dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air yang disebut air kondensat. Air kondensat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler.
Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.
2.1.2.SiklusRankineSederhana
Pada instalasi pembangkit daya dengan memanfaatkan uap bertekanan tinggi untuk menggerakkan turbin uap digunakan suatu acuan siklus kerja yang menjadi dasar dari pengoperasian instalasi tersebut.Siklus kerja yang digunakan pada PLTU adalah siklus rankine, ciri utama silkus rankine adalah fluida kerja yang digunakan yaitu air.
Siklus Rankine merupakan siklus ideal untuk pembangkit daya uap. Pada siklus rankine ideal sederhana terdiri dari 4 proses yang dapat dilihat pada gambar diagram T-s dibawah ini: Pada proses 1-2 terjadi kompresi isentropik yang terjadi di dalam pompa, hal ini mengakibatkan tekanan fluida kerja menjadi naik. Pada proses 2-3 terjadi penambahan panas dengan tekanan konstan di dalam boiler. Pada proses 3-4 terjadi ekspansi isentropik di dalam turbin yang menyebabkan
(27)
tekanan menjadi turun. Pada proses 4-1 terjadi pembuangan panas ke lingkungan oleh kondensor pada tekanan konstan.
Gambar 2.3 Siklus RankineSederhana
(Sumber :Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994) [6]
2.1.3Siklus Rankine Reheat Ideal
Pada siklus Rankine reheat ideal terjadi 2 kali proses ekspansi. Pada ekspansi pertama (high-pressure turbine), uap diekspansikan secara isentropik ke tekanan medium dan dikirimkan kembali ke boiler untuk dipanaskan kembali dengan tekanan konstan. Lalu pada proses ekspansi ke kedua (low-pressure turbine) uap diekspansikan secara isentropik ke tekanan kondenser.
(28)
Gambar 2.4 Siklus Rankine Reheat Ideal (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)
Penggunaan dari pada reheat tunggal pada pembangkit listrik modern menaikkan efisiensi siklus menjadi 4 sampai 5 persen dengan cara meningkatkan suhu rata-rata uap yang ditransferkan kembali.
Siklus reheat diperkenalkan pada pertengahan tahun 1920, tapi kemudian ditinggalkan pada tahun1930an karena tingkat kesulitan yang tinggi dalam pengoperasiannya. Karena kenaikan tekanan boiler yang stabil seiring berkembangnya waktu maka siklus reheat tunggal kembali diperkenalkan pada tahun 1940 an dan reheat ganda pada awal tahun 1950an.
2.1.4Siklus Rankine Regeneratif Ideal
Salah satu cara untuk menaikkan efisiensi siklus adalah dengan meningkatkan suhu air (feedwater) sebelum masuk ke dalam boiler.Salah satu cara menaikkan suhu ini adalah dengan mengirimkan panas ke feedwater dari uap ekspansi turbin yang dialirkan kembali sebagian yang disebut dengan proses regenerasi.
Proses regenerasi pada pembangkit tenaga uap didapatkan dari ekstraksi uap dari turbin pada titik atau stages tertentu. Uap ini digunakan untuk memanaskan feedwater. Alat untuk memanaskan feedwater pada regenerasi disebut dengan
(29)
feedwater heater.Proses regenerasi tidak hanya berfungsi untuk menaikkan efisiensi siklus, tapi juga dapat melakukan proses deaerasi (membuang kandungan gas pada air) pada feedwater yang akan mencegah korosi pada boiler.
• Open Feedwater Heaters
Open Feedwater Heaters pada dasarnya adalah mixing chambers, dimana uap hasil ekstraksi dari turbin dicampur dengan feedwater. Skema dari pembangkit listrik tenaga uap dengan satu open feedwater heater dan diagram T-s ditunjukkan oleh gambar 2.5 berikut ini :
Gambar 2.5. Siklus Rankine Regeneratif dengan Open Feedwater Heater (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)
Pada siklus regeneratif Rankine ideal, uap masuk ke turbin pada tekanan boiler (kondisi 5) dan diekspansikan secara isentropik ke tekanan medium (kondisi 6). Beberapa uap akan diekstraksi dan dikirim kembali ke feedwater heater, sementara uap yang tersisa diekspansikan lanjut secara isentropik ke tekanan kondenser (kondisi 7). Air kondensasi yang juga disebut dengan feedwater dipompakan kembali ke feedwater heater, dimana disana akan dicampur dengan uap ekstraksi dari turbin. Fraksi dari uap ekstraksi meninggalkan heater sebagai uap saturasi pada tekanan heater (kondisi 3). Pompa kedua meningkatkan tekanan air hingga mencapai tekanan boiler (kondisi 4). Siklus berakhir dengan dipanaskan air pada boiler hingga kondisi masuk turbin (kondisi 5).
(30)
• Closed Feedwater Heaters
Tipe feedwater heater lainnya yang biasa digunakan adalahClosed Feedwater Heaters, dimana panas yang ditransfer dari uap ekstraksi ke feedwater tanpa dicampur terlebih dahulu. Kedua aliran dapat berada pada tekanan yang berbeda karena mereka tidak bercampur. Skema dari pembangkit listrik tenaga uap dengan satu closed feedwater heater dan diagram T-s dari siklus ditunjukkan oleh gambar 2.6 berikut ini:
Gambar 2.6. Siklus Rankine Regeneratif dengan Closed Feedwater Heater (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)
Pada Closed Feedwater Heater yang ideal, feedwater dipanaskan hingga suhu keluar dari uap ekstraksi, dimana idealnya meninggalkan heater sebagai cairan jenuh pada tekanan ekstraksi. Pada sistem pembangkit tenaga aktual, feedwater meninggalkan heater dibawah suhu keluar dari uap ekstraksi karena perbedaan suhu beberapa derajat diperlukan untuk efektifitas perpindahan panas.Uap kondensasi baik yang dipompakan ke aliran feedwater maupun dikembalikan lagi ke heater lainnya atau ke kondenser disebut dengan trap. Trap dapat membuat cairan dipompakan ke tekanan yang lebih rendah.
2.2. Pengertian Boiler
Menurut Djokosetyardjo (2003) [9], boileratau juga biasa disebut juga ketel uap adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai
(31)
terbentuk uap. Uap (steam) pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses.
2.3.Prinsip Kerja Boiler
Uap panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali.[3]
Sistem boiler terdiri dari : sistem air umpan, sistem uap dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai valve disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem uap mengumpulkan dan mengontrol produksi uap dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan uap diatur menggunakan valve dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan 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.
Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi uapdisebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: kondensat atau uap yang mengembun yang kembali dari proses dan make uap water (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang. Bahan baku yang digunakan untuk membuat steam adalah air bersih. Air yangtelah diproses di alirkan menggunakan pompa ke deaerator tank hingga pada level yang sudah ditentukan. Pemanasan dalam deaerator adalah dengan menggunakan uap sisa yang berasal dari hasil pemutaran turbin. Dalam hal ini terdapat beberapa tahap sirkulasi steam untuk pemanasan awal deaerator
(32)
2.4. 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 uapseperti apa yang akan dihasilkan.
Berdasarkan fluida yang mengalir didalamnya : • Boiler pipa api
Tipe boiler pipa api memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas dan tekananuap yang rendah.
Cara kerja : proses pengapian terjadi didalam pipa, kemudian panas yang dihasilkan dihantarkan langsung kedalam boiler yang berisi air. Besar dan konstruksi boiler mempengaruhi kapasitas dan tekanan yang dihasilkan boiler tersebut.
Gambar 2.7. Boiler pipa api
(Sumbe
• Boiler pipa air
Tipe boiler pipa air memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas dan tekanansteam yang tinggi.
Cara kerja : proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudian uap yang dihasilkan terlebih
(33)
dahulu dikumpulkan di dalam sebuah drum uap. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater dan primary superheater baru uap dilepaskan ke pipa utama distribusi. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut.
Gambar 2.8. Boiler pipa air
(Sumbe
2.5 Komponen Boiler
Komponen sistem boiler terdiri dari komponen utama dan komponen bantu yang masing-masing memiliki fungsi untuk menyokong prinsip kerja boiler.
(34)
Gambar 2.9. Bagian-bagian boiler (Sumber
2.5.1 Komponen Utama
Komponen utama boiler terdiri dari: a. Pembakar
Pembakar(burner) adalah alat yang digunakan untuk mencampur bahan bakar dan udara. Caranya adalah dengan menyemprotkan kedalam ruang dapur melalui mulut-mulut pembakar atau brander, sedangkan udara dimasukkan lewat sekeliling mulut pembakar tersebut.Ada beberapa macam sistem brander tergantung pada sistem pengabutannya yaitu sistem pengabut uap atau udara dan sistem pengabut tekan.Pada sistem pengabut uap atau udara caranya adalah uap/udara dipancarkan melalui mulut pembakar (brander) dan akibat dari pancaran ini minyak akan terisap.
b. Pipa Evaporator
Pipa evaporator merupakan pipa – pipa dimana air atau uap bersikulasi didalam boiler dan juga sebgai tempat pemanasan air
c. Ruang bakar
Ruang bakar(furnace)adalah dapur penerima panas bahan bakar untuk pembakaran, yang terdapat fire gate dibagian bawah sebagai alas bahan bakar dan yang sekelilingnya adalah pipa-pipa air boiler yang menempel pada dinding ruang pembakaran yang menerima panas dari bahan bakar secara radiasi, konveksi, radiasi.
d. Drum
Drum merupakan tempat menampung air dari economizer sekaligus sebagai pemisah uap dan air. Pada konstruksi sebuah boiler terdapat 2 buah drum yakni drum uap dan drum lumpur.Drum uap berfungsi untuk menampung uap hasil dari sirkulasi.Drum lumpur merupakan drum yang posisinya di bawah drum uap dan berfungsi sebagai pengumpul air panas yang akan didistribusikan ke dalam wall tube. Dalam drum ini terdapat pipa untuk pembuangan berkala.
(35)
Gambar 2.10 Konfigurasi steam drum dan mud drum (Sumber : PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap) [10]
e. Pemanas lanjut
Pemanas lanjut (super heater) adalah bagian-bagian boiler yang berfungsi sebagai pemanas uap, darisaturated steam(±250°C) menjadi super heated steam (±360°C)
f. Pemanas udara
Pemanas udara (air heater) adalah alat pemanas udara penghembus bahan bakar.Gas buang yang masih memiliki panas yang tinggi dapat digunakan untuk memanaskan udara pembakaran didalam air heater.
g. Dust collector
Dust collector adalah alat pengumpul abu atau penangkap abu padasepanjang aliran gas pembakaran bahan bakar sampai kepada gas buang.
h. Soot blower
Soot blower adalah alat yang berfungsi sebagai pembersih jelaga atau abu yang menempel pada pipa-pipa.
(36)
2.5.2 Komponen Pendukung
Sedangkan untuk komponen pendukung dalam sistem boiler uap antara lain yaitu :
a. Tangki air
Tangki air yang memiliki fungsi sebagai tempat penampungan airumpan yang telah diproses pada softener yang akan dikirim ke boiler052B 101 untuk diproses menjadi uap.
Gambar 2.11 Tangki air umpan
(Sumber : PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap)
b. Pompa air umpan
Pompa air umpan (feed water pump)berfungsi untuk mengalirkan air umpan dari tangkimenuju boiler. Biasanya pompa yang digunakan pompa jenis sentrifugal. Pompa air umpan ini terdapat dua tipe yakni pompa yang digerakkan oleh trubin dan pompa yang digerakkan oleh motor.
(37)
Gambar 2.12 Pompa air umpan
(Sumber : PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap)
c. Sea Water Desalination
Sea Water Desalination merupakan alat untuk memurnikan air, yaitu memisahkan air dengan kadar garam yang dikandungnya agar diperoleh air dengan kadar garamyang rendah (fresh water)
Gambar 2.13 Sea Water Desalination
(38)
d. Softener
Softener merupakan alat yang berfungsi untuk mengeliminasi unsur-unsur Mg dan Ca yang terdapat pada air umpan. Unsur-unsur-unsur tersebut harus diminimalkan memperlambat pembentukan kerak (scale) pada pipa-pipa evaporator yang akan meneruskan perpindahan panas.Prinsip kerjanya dengan cara pertukaran ion.
Gambar 2.14 Softener
(Sumber : PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap)
e. Deareator
Deareatormempunyai fungsi utama yaitu menghilangkan kandungan-kandungan oksigen dan gas-gas lainnya yang masih terkandung didalam air pengisi boiler.Karena oksigen dapat menyebabkan terjadinya korosi pada pipa-pipa dan dinding boiler.Cara kerja deareator yakni air disemprot dengan menggunakan low pressure steam sehingga kandungan oksiges dan gas lain hilang dan temperatur air meningkat.
(39)
Gambar 2.15 Deareator
(Sumber : PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap)
f. Economizer
Economizer merupakan alat yang berfungsi sebagai pemanas air umpan sebelum masuk ke drum boiler. Sisa panas gas hasil pembakaran yang akan dibuang ke atmosfer melalui stack terlebih dahulu dilawatkan ke economizer sehingga mengurangi panas gas buang sisa pembakaran dan menaikkan temperatur air umpan boiler.
Gambar 2.16 Economizer
(Sumber : PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap)
g. Force Draft Fan
Force Draft Fanadalah alat bantu boiler yang berfungsi sebagai penghembus udara, danforce draft fan ini boleh dijalankan apabila induced draft fan sudah
(40)
dijalankan terlebih dahulu. Udara yang dihembuskan force draft fan dilewatkan melalui air heater terlebih dahulu, supaya mendapatkan udara penghembus yang bersuhu tinggi.
Gambar 2.17Force Draft Fan
(Sumber : PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap)
h. Induced Draft Fan
Induced Draft Fanyaknialat bantu boiler yang berfungsi sebagai penghisap gas asap sisa pembakaran bahan bakaryang keluar dari boiler.
2.5.3 Komponen Pengaman Boiler
Menurut undang - undang keselamatan kerja yaitu UU No. 1 tahun 1970, setiap steam boiler diwajibkan menggunakan alat - alat pengaman atau keamanan otomatis, karena adanya tekanan dari boileritu sendiri. Alat-alat tersebut diperlukan untuk menjamin agar steam boiler dapat bekerja dengan aman dan secara terus menerus sehingga tidak membahayakan operator maupun benda benda yang berada di sekelilingnya. Alat pengaman pada Boiler 052 B 101 yaitu:
a. Katup Pengaman
(41)
membuang uap keluar, jika tekanan uap dalam boiler melebihi tekanan yang diijinkan. Untuk sebuah boiler minimum harus mempunyai 2 buah katup pengaman
Jadi fungsi dari katup pengaman adalah :
1) Membatasi tekanan uap yang ada di dalam boiler.
2)Mengeluarkan uap bila terjadi tekanan uap yang melebihitekanan yang diijinkan.
Gambar 2.18Katup pengaman
(Sumber : PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap)
Sistem kerja katu pengaman adalah jika teknan uap dalam drum uapmelebihi tekanan uap yan diijinkan, kemungkinan yang terjadi adalah akan meledak dan akan menimbulkan kerusakan yang lebih besar apabila tekanannya tidak dikurangi. Dalam keadaan yang demikian maka katup pengaman akan membuka dan uap akan keluar lewat saluran valve sehingga tekanan uapdalam drum akan berkurang. Setelah tekanan uap pada tekanan normal, katup pengaman akan menutup kembali. Pada Boiler 052 B 101 terdapat 3 buah katup pengaman.
b. Gelas Penduga
Gelas penduga adalah suatu pengaman yang berfungsi unutuk mengetahui tinggi rendahnya permukaan air di dalam drum boiler. Di bagian bawah gelas penduga terdapat katup peluru yang berfungsi menutup
(42)
pancuran air. Apabila gelas penduga pecah, tidak akan membahayakan operator. Pada boiler 052 B 101 terdapat 2 buah gelas penduga.
Gambar 2.19Gelas penduga
(Sumber : PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap)
c. Manometer
Alat ini berfungsi untuk menunjukkan besarnya steam pressure yang terbentuk di dalam boiler,sehingga dengan terpasangnya manometer ini tekanan kerja steam boiler dapat diketahui besarnya dalam satuan kg/cm² atau psi dan itu tergantung dari satuan satuan yang tertera didalamnya..
Gambar 2.20 Manometer
(43)
d. Keran penutup uap induk
Alat ini berfungsi untuk membuka dan menutup saluran steam serta mengatur jumlah steam yang mengalir keluar dari boiler. Keran steam ini berada pada saluran keluar boiler . Konstruksi batang katup dibuat ulir segi empat dengan maksud untuk mengurangi adanya gesekan.
e. Keran pengisi air boiler
Fungsi keran ini adalah untuk mengatur pemasukkan air ke dalam steam boiler dan di sini juga dilengkapi dengan katup yang dapat membuka dan menutup sendiri, yang berfungsi agar air umpan boilertidak balik. Jika keran steam dibuka maksimum, maka kapasitas aliran akan besar tetapi apabila bukaan keran diperkecil, maka kapasitas aliran air akan mengecil pula.
f. Keran pembilasan
Keran pembilasan (blowdown)berfungsi mengeluarkan endapan-endapanair secara sebagian - sebagian maupun keseluruhan dari uap boiler.Keran ini dipasang pada bagian permukaan yang paling bawah dari boiler,di daerah yang banyak kemungkinan terjadinya lumpur. Dengan demikian apabila air dikeluarkan dari dalam boiler, maka lumpur dan endapan - endapan di sekitar blowdown akan ikut keluar.
2.6Economizer
Economizer adalah alat pemindah panas berbentuk tubular yang digunakan untuk memanaskan air umpan boiler sebelum masuk ke boiler [4]. Istilah economizer diambil dari kegunaan alat tersebut, yaitu untuk menghemat (to economize) penggunaan bahan bakar dengan mengambil panas (recovery) gas buang sebelum dibuang ke atmosfir.
(44)
Gambar 2.21. Mekanisme economizer (Sumber : http://artikel-teknologi.com)
Konstruksi economizer adalah berdasarkan tipenya, ada tipe economizer yang tidak menyatu dengan boiler, dan ada juga economizer yang menyatu dengan boiler. Perbedaan kedua nya hanyalah pada peletakkan tempat pada penyusunan komponen dalam suatu pabrik. Pada economizer yang dihubungkan langsung dengan boiler, dan terpasang langsung saat dikeluarkan dari pabrikan nya. Dalam hal ini, spesifikasi alatnya bukan lah dari type economizer melainkan type dari boiler itu sendiri yaitu boiler recovery atau bisa juga disebut boiler economizer. [8]
Kinerja economizer ditentukan oleh fluida yang mempunyai koefisien perpindahan panas yang rendah yaitu gas. Kecepatan perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan cara meningkatkan koefisien perpindahan panas total dengan cara mengatur susunan tubing/properti fin dan meningkatkan luas kontak perpindahan panas. Respon yang dihasilkan oleh economizer adalah efektifitas perpindahan panas dan biaya operasi. Efektifitas perpindahan panas adalah besarnya energi yang dapat terambil dari total jumlah energi yang dapat diserap. Semakin besar efisiensi perpindahan panas pada economizer, maka panas gas sisa
(45)
yang terambil akan semakin banyak. Semakin besar efektivitas perpindahan panas yang terjadi, maka alat tersebut semakin efisien.
Gambar 2.22. Penampang economizer (Sumbe
2.7.Pembakaran
Reaksi kimia yang umum digunakan untuk menghasilkan energi adalah pembakaran, yaitu suatu reaksi cepat antara bahan bakar denga oksigen yang disertai terjadinya api. Bahan bakar utama dewasa ini adalah bahan bakar fosil, yaitu gas alam, minyak bumi, dan batu bara. Bahan bakar fosil itu berasal dari pelapukan sisa organisme, baik tumbuhan atau hewan. Pembentukan bahan bakar fosil ini memerlukan waktu ribuan sampai jutaan tahun.
Bahan bakar fosil terutama terdiri atas senyawa hidrokarbon, yaitu senyawa yang hanya terdiri atas karbon dan hidrogen. Gas alam terdiri atas alkana suku rendah terutama metana dan sedikit etana, propana, dan butana. Seluruh senyawa itu merupakan gas yang tidak berbau. Oleh karena itu, kedalam gas alam ditambahkan suatu zat yang berbau tidak sedap, yaitu merkaptan, sehingga dapat diketahui jika ada kebocoran. Gas alam dari beberapa sumber mengandung H2S, suatu kontaminan yang harus disingkirkan sebelum gas digunakan sebagai bahan
(46)
bakar karena dapat mencemari udara. Beberapa sumur gas juga mengandung helium.
Minyak bumi adalah cairan yang mengandung ratusan macam senyawa, terutama alkana, dari metana hingga yang memiliki atom karbon mencapai lima puluhan. Dari minyak bumi diperoleh bahan bakar LPG (Liquified Petroleum Gas), bensin, minyak tanah, kerosin, solar dan lain-lain. Pemisahan komponen minyak bumi itu dillakukan dengan destilasi bertingkat. Adapun batu bara adalah bahan bakar padat, yang terutama, terdiri atas hidrokarbon suku tinggi. Batu bara dan minyak bumi juga mengandung senyawa dari oksigen, nitrogen, dan belerang.
Apabila energi yang digunakan untuk menguraikan air tersebut berasal dari bahan bakar fosil, maka hidrogen bukanlah bahan bakar yang konversial. Tetapi saat ini sedang dikembangkan penggunaan energi nuklir atau energi surya. Jika proyek itu berhasil, maka dunia tidak perlu khawatir akan kekurangan energi. Matahari sesungguhnya adalah sumber energi terbesar di bumi, tetapi tekonologi penggunaan energi surya belumlah komersial. Salah satu kemungkinan penggunaan energi surya adalah menggunakan tanaman yang dapat tumbuh cepat. Energinya kemudian diperoleh dengan membakar tumbuhan itu. Nilai kalor dari berbagai jenis bahan bakar diberikan pada tabel berikut.
Tabel 2.1. Jenis bahan bakar
Jenis Bahan Bakar Komposisi Nilai kalor
C H O (kJ/gram)
Gas alam 70 23 0 49
Batu bara (antrasit) 82 1 2 31
Batu bara (bituminos) 77 5 7 32
Minyak mentah 85 12 0 45
Bensin 85 15 0 48
Arang 100 0 0 34
Kayu 50 6 44 18
(47)
2.8. Proses Pembentukan Uap
Sebagai fliuda kerja di boiler, umumnya digunakan air (H2O) karena bersifat ekonomis, mudah di peroleh, tersedia dalam jumlah yang banyak, serta mempuyai kandungan entalpi yang cukup tinggi bila dibandingkan dengan fluida kerja yang lain. Penguapan adalah proses terjadinya perubahan fasa dari cairan menjadi uap. Apabila panas diberikan pada air, maka suhu air akan naik. Naiknya suhu air akan meningkatkan kecepatan gerak molekul air. Jika panas terus bertambah secara perlahan-lahan, maka kecepatan gerak air akan semakin meningkat pula, hingga sampai pada suatu titik dimana molekul-molekul air akan mampu melepaskan diri dari lingkungannya (100oC) pada tekanan 1 atm, maka air secara berangsur-angsur akan berubah fasa menjadi uap dan hal inilah yang disebut sebagai penguapan.
Proses perubahan fasa air menjadi uap dapat digambarkan pada diagram T- s seperti gambar dibawah:
Gambar 2.23. Diagram T-s tanpa economizer (Sumber :Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)
Dapat dilihat dari diagram diatas proses pembentukan air hingga menjadi uap. Proses 1-2 yakni proses pompa ke boiler. Proses 2-3 yakni pemanasan air
(48)
hingga menjadi uap dan dilanjutkan ke superheater. Sedangkan 3-4 proses dari boiler ke turbin. Maka untuk menghitung Qin pada boiler dapat dihiutng dengan persamaan :
Qin= �̇ (h3 – h2 ) (2.1)
Gambar 2.24. Diagram T-s menggunakan economizer (Sumber :Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)
Sedangkan pada diagram T-s dengan menggunakan economizer, pada proses 2-3 terjadi peningkatan temperatur air umpan pada economizer sehingga mengurangi kerja boiler untuk mengbah air menjadi uap. Dan untuk menghitung Qinpaa boiler dapat dihitung dengan persamaan :
Qin= �̇ (h4– h3 ) (2.2)
2.9. Nilai Kalor (Heating Value)
Nilai kalor merupakan energi kalor yang dilepaskan bahan bakar pada waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut. Bahan bakar adalah zat kimia yang apabila direaksikan dengan oksigen (O2) akan
menghasilkan sejumlah kalor. Bahan bakar dapat berwujud gas, cair, maupun padat. Selain itu, bahan bakar merupakan suatu senyawa yang tersusun atas
(49)
beberapa unsur seperti karbon (C), hidrogen (H), belerang (S), dan nitrogen (N). Kualitas bahan bakar ditentukan oleh kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi. Kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi ini sangat ditentukan oleh nilai bahan bakar yang didefinisikan sebagai jumlah energi yang dihasilkan pada proses pembakaran per satuan massa atau persatuan volume bahan bakar.
Nilai pembakaran ditentukan oleh komposisi kandungan unsur di dalam bahanbakar. Dikenal dua jenis pembakaran, yaitu:
1. Nilai Kalor Pembakaran Tinggi
Nilai kalor pembakaran tinggi atau juga dikenal dengan istilah High Heating Value (HHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan air dari proses pembakaran ikut diperhitungkan sebagai panas dari proses pembakaran.
Dirumuskan dengan:
HHV = 33950 C + 144200 (H2 - O2/8) + 9400 S kj/kg (2.3)
2. Nilai Kalor Pembakaran Rendah
Nilai kalor pembakaran rendah atau juga dikenal dengan istilah Low Heating Value (LHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan uap air dari hasil pembakaran tidak ikut dihitung sebagai panas dari proses pembakaran. Dirumuskan dengan:
LHV = HHV - 2411 (9H2) kj/kg (2.4)
2.10. Efisiensi Boiler
Metode untuk perhitungan efisiensi boiler menurut standar ASME secara umum ada 2 macam :
1. Metode Heat Loss
(50)
2. Metode Input Output
η=�����������������������������������ℎ��������������� �100 % (2.6)
Efisiensi boiler merupakan nilai yang menunjukkan kemampuan boiler dalam mengubah air menjadi uap dengan menggunakan kalor hasil pembakaran.Menghitung efisiensi boiler dengan Metode Heat Losses berdasarkanASME Power Test Codes4.1.64 [1] dirumuskan sebagai berikut :
η= 100 % - % Total Heat Loss
η= 100 % - ( L1 + L2 + L3 + L4 + L5 +) (2.7)
Menghitung kebutuhan udara teoritis (TA) [7]
TA =
[( 11.43 x C ) + { 34.5 x (H2 – O2/8 )} + ( 4.32 x S )]100 kg /kg bahan bakar (2.8)
Menghitung persen kelebihan udara uang dipasok (EA)
EA =
%02 �10021−%02 (2.9)
Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok per kg bahan bakar (AAS)
AAS = { 1 + EA
100
} x TA
(2.10)Total heatinputtergantung dari LHV (Lower Heating Value) atau nilai kalor bawah yaitu nilai kalor bahan bakar setelah dikurangi oleh penyerapan air yang terbentuk akibat reaksi fuel oil yang mengandung hidrogen dengan udara yang mengandung oksigen. Jika penyerapan panas oleh air tidak diperhitungkan,
(51)
maka didapat nilai kalor atas atau HHV = High Heating Value.
Ada dua macam LHV yang digunakan pada perhitungan efisiensi boiler tergantung dari jenis bahan bakarnya, yaitu :
a. LHV F.O : LHV untuk bahan bakar fuel oil b. LHV F.G : LHV untuk bahan bakar fuel gas
c. LHVfuel :LHV untuk bahan bakar double firing
Gambar 2.25Heat Loss Pada Boiler
(ASME Power Test Codes 13.2, Test Code for Steam Generating Unit)
Dari penjelasan skema diatas dapat dijabarkan kehilangan panas (heat loss) adalah sebagai berikut :
1. Kehilangan panas karena gas buang kering
Gas asap hasil pembakaran yang keluar dari boiler masih memiliki kalor yang tinggi. Kalor yang berasal dari gas buang tersebut dimanfaatkan kembali dengan menggunakan economizer.Gas yang keluar dari economizer masih memiliki kalor yang cukup tinggi namun tidak dapat dimanfaatkan.Ini lah yang disebut kehilangan panas karena gas buang kering.
(52)
dry gas per lb as fired fuel = 11.CO 2+8.O2+7(N2+CO )
3(CO 2+CO )
x
%C 100
+
3 8
x S
% Heat Loss Due to Dry Gas = Ldg
LHV x 100 % (2.11)
2. Kehilangan panas karena kandungan air dalam bahan bakar
Air dalam bahan bakar tidak akan bereaksi dalam proses pembakaran dan akan menyerap sebagian kalor dari hasil pembakaran. Akibatnya akan mengurangi kalor yang digunakan menguapkan air. Ini yang disebut kehilangan panas karena kandungan air dalam bahan bakar.
Lmoist = %wtH 2O
100 x (hstack – hudara)
% Heat Loss to due in fuel= Lmoist
LHV x 100 % (2.12)
3. Kehilangan panas karena kadar air untuk pembakaran hidrogen dalam bahan bakar
Unsur hidrogen yang ada didalam bahan bakar menyebabkan terjadinya uap air pada proses pembakaran. Akibatnya kalor yang timbul akibat pembakaran bahan bakar diboiler sebagian diserap oleh uap air ini sehingga mengurangi kalor yang akan digunakan untuk meguapkan air umpan.
LH2 = 9
100 x totalWtHidrogen(hstack−hudara) % Heat Loss Due to Hydrogen in fuel = LH2
LHV x 100 % (2.13)
4. Kehilangan panas karena kandungan air didalam udara pembakaran. Udara pembakaran yang diambil dari udara bebas selalu mengandung uap air. Uap air tidak bereaksi selama proses pembakaran tetapi hanya akan bercampur dengan gas – gas asap hasil pembakaran. Uap air akan menyerap sebagian kalor yang dihasilkan oleh pembakaran boiler, sehingga mengurangi kalor yang akan digunakan untuk menguapkan air. % Heat Loss Due to Moisture in Air = 0,46 x Moisture Air x ( Tstack – Tudara) (2.18)
(53)
Radiasi panas yang keluar dari dinding-dinding boiler ikut mengurangi kalor yang kan digunakan untuk menguapkan air umpan. Ini yang disebut kehilangan panas karena perpindahan panas atau radiasi.
Ldr = Look from radiation loss chart in ABMA = 0,35 %
6 Unmeasured Losses
Loss ini berdasarkan prediksi dari desain pada data sheet sebesar 0.5 %
(54)
METODE PENELITIAN
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian
3.1.1.Tempat Penelitian
Tempat penulis melakukan penelitian adalah di Unit Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap
3.1.2.Waktu Penelitian
Penelitian dilakukan mulai 17 November – 17 Desember 2014
3.2. Alat dan Bahan
3.2.1. Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini untuk memperoleh data di Unit Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap yaitu sebagai berikut :
• Orifice meter, digunakan untuk mengukur jumlah aliran air atau yang uap yang masuk ke komponen SPTU. Pembacaan data dilakukan di control room.
Gambar 3.1 Orificemeter [11]
(55)
• Termometer, digunakan untuk mengukur suhu air dan uap pada SPTU.Hasil pengukuran kemudian akan disampaikan ke control room. Gambar 3.2 menunjukkan contoh gambar termometer.
Gambar 3.2 Termometer [12]
(Sumber
• Manometer, Digunakan untuk mengukur tekanan uap didalam boiler dan turbin. Pembacaan data dilakukan di control room. Gambar 3.3 menunjukkan contoh gambar dari manometer.
Gambar 3.3 Manometer
(56)
3.2.2. Bahan
Bahan yang digunakan adalah data yang diperoleh dari unit Utilities Complex dan unit Energy Conservation and Loss Control PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap, serta data-data dari pustaka yang dibutuhkan untuk mendukung penelitian.Data yang digunakan dalam penelitian ini terbagi dua, yaitu
a. Data primer, merupakan data yang diperoleh dari SPTU PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap, seperti: spesifikasi boiler, dan data operasional harian boiler.
b. Data sekunder, merupakan data yang bersumber dari pustaka-pustaka yang mendukung penelitian, seperti tabel sifat.
3.3. Prosedur Penelitian
Dalam melakukan penelitian tugas akhir ini metode yang penulis gunakan adalah metode survey. Dimana didalam hal ini penulis langsung melakukan survey keUnit Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit Cilacap IV untuk mengumpulkan data-data dalam menganalisa pemakaian economizer terhadap penghematan bahan bakar pada boiler 052 B101. Langkah-langkah yang penulis lakukan dalam penelitian ini adalah :
1. Studi Literatur
Studi literatur yang penulis lakukan adalah mencari data-data yang berkaitan dengan boiler 052 B101 mulai dari data design pada data sheet boiler di perpustakaan PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap.
2. Metode Pengumpulan Data
Metode pengumpulan data yang digunakan penulis dalam penelitian tugas akhir ini melalui beberapa metode, yaitu :
a. Metode Observasi
Melakukan pengamatan dan pencatatan dengan meninjau secara langsung ke lapangan serta melihat objek yang diteliti secara langsung, sehingga akan diperoleh data yang sistematis dan sesuai dengan tujuan yang diharapkan.
(57)
b. Riset Pustaka
Pengumpulan data-data yang diperoleh dari buku-buku referensi diberbagai tempat dan sumber-sumber yang ada kaitannya dengan objek yang diteliti yang nantinya berguna untuk mengembangkan hasil interview dan observasi.
c. Metode Interview
Suatumetode pengumpulan data melalui wawancara atau tanya jawab secara langsung dengan pihak pekerja instansi/perusahaan untuk memperoleh data-data yang diperlukan.
3.4. Analisa Data
Setelah mendapatkan data-data yang dibutuhkan barulah kemudian melakukan analisa dari data yang didapat sesuai dengan studi literatur yang sudah dibuat sebelumnya. Dari data – data yang didapatkan dari Energy Conservation and Loss Controldan juga Control Room kemudian dianalisa efisiensi dan dihitung penghematan bahan bakar pada boiler.
Tabel 3.1 Data operasional boiler
Data Nilai Satuan
Temperatur air masuk economizer 148 oC
Temperatur air keluar economizer 165 oC
Tekanan air masuk economizer 65.53 kg/cm2
Tekanan air keluar economizer 63.45 kg/cm2
Laju aliran air masuk economizer 85.68 m3/h Laju aliran air keluar economizer 85.50 m3/h
Laju aliran uap 83.94 m3/h
Temperatur uap 461.88 oC
Tekanan uap 59.57 kg/cm2
(Sumber:Control Room PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap)
(58)
Skema alur pengerjaan skripsi :
Gambar 3.4 Alur pengerjaan skripsi Mulai
Survey
Analisa data • Perhitungan boiler dengan
economizer
• Perhitungan boiler tanpa ecnomizer • Menghitung penghematan bahan
bakar
Hasil
Kesimpulan
Selesai Ya Tidak
Study Literatur
Pengambilan Data
(59)
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Kondisi Operasi Boiler 052 B101
4.1.1 Kondisi Operasi
Product steam : 83.94 ton/hour Temperatur : 461.88oC
Tekanan : 59.57 kg/cm2
Temperatur Stack : 174oC Temperatur Udara : 31oC
4.1.2 Komposisi Fuel Oil
SG : 0.9249
LHV : 17.926 btu/lb Tabel 4.1 Komposisi Fuel Oil
Komposisi Nilai Satuan
Caloric Value Gross 19.021 btu/lb
Pour Point Actual 45 oF
Ash Content 0.009 % wt
Water Content 0.1 % vol
Sulphur Content 0.28 & wt
Nitrogen Content 0 ppm
Komposisi C dan H pada fuel oil
Berdasarkan API Technical Data Book [2]sebagai berikut : o
API = 141 ,5
SG – 131,5
= 141 ,5
0,9249– 131,5
(60)
Dari tabel API Technical Data Book Nilai ratio C/H = 7,6 Maka C = 7,6 x H
C + H = 100 % - ( %S + %Ash + %Water Content ) = 100 % - ( 0,28 + 0,009 + 0,1 )
= 99,61 % 7,6 C + H = 99,61 % H (7,6 + 1) = 99,61 %
H = 99,61
8,6
= 11.58 % C + H = 99,61
C = 99,61 % – 11.58 % C = 88.03 %
4.1.3. Komposisi Fuel Gas Tabel 4.2 Komposisi Fuel Gas
Komponen BM Fraksi mol (%)
Mol Wt Berat C (kg) Berat H (kg)
H2 2,02 61,5 1,24 0,00 1,21
H2S By Tutwiler
34,08 1,1 0,37 0,00 0,02
CO2 43,81 0,4 0,17 0,04 0,01
Nitrogen 14,07 0,5 0,07 0,00 0,00
C1 16,04 3,6 0,57 0,43 0,12
C2= 28,05 0,0 0 0,00 0,00
C2 30,07 6,1 1,83 1,46 0,33
C3= 42,08 0 0 0,00 0,00
C3 44,10 9,4 4,14 3,38 0,71
iC4 58,12 6,1 3,54 2,93 0,57
nC4 58,12 9,1 5,28 4,37 0,88
iC4= +But -1,3
56,11 0,1 0,05 0,04 0,01
iC5 72,15 1,1 0,79 0,66 0,12
nC5 72,15 0,4 0,28 0,24 0,03
C6 86,18 0,6 0,51 0,43 0,08
(61)
4.2 Perhitungan Komposisi Pada Bahan Bakar
Kadar dari masing-masing unsur dalam bahan bakar gas (fuel gas) adalah sebagai berikut :
% dari Wt unsur pada fuel gas = total unsur
total unsur gasx 100%
% dari Wt C pada fuel gas = 13,98
18,84 x 100% = 74,21 %
% dari Wt H pada fuel gas = 4,09
18,84 x 100% = 21,71%
4.2.1 Komposisi C dan H pada fuel oil dan fuel gas Total kadar C pada fuel oil dan fuel gas
= X1 . CFO + X2 . CFG
dimana X1 = Fraksi CFO
=
CFO CFO +C FG
X1 =
88,03 88,03+74,21
X1 = 0,54
Dan X2 Fraksi CFG
X2 = 1 – X1
X2 = 1 – 0,54 = 0,46
Maka total C pada fuel oil dan fuel gas
= (0,54 x 88,03.) + (0,46 x 74,21.) = 81,53 %
(62)
Total kadar H pada fuel oil dan fuel gas
= Y1 . HFO + Y2 . HFG
dimana Y1 = Fraksi HFO
=
HFO HFO +H FG
Y1 =
11,58 11,58+21,71
Y1 = 0,34 Dan Y2 Fraksi HFG
Y2 = 1 – Y1 = 1 – 0,34 = 0,66 Maka total H pada fuel oildan fuel gas
= (0,34 x 11,58) + (0,66 x 21,71) = 18,47 %
4.2.2 Menentukan LHV Fuel Oildan Fuel Gas
LHVtotal = X1 . LHVFO + X2 . LHVFG • LHV fuel oil
= 17926 btu/lb • LHV fuel gas
= 20267 btu/lb
Total LHV bahan bakar :
Fraksi LHV fuel oil x LHVfuel oil + Fraksi LHV fuel gas x LHV fuel gas = X1 .LHVFO + X2 . LHVFG
dimana X1 Fraksi LHV Fuel Oil
X1 = LHVFO
LHVFO +LHV FG
= 17926
17926 +20267
(63)
dan X2 Fraksi LHV Fuel Gas
X2 = 1 – 0,47
= 0,53
Maka LHVtotal = X1 . LHVFO + X2 . LHVFG = (0,47 x 17926) + (0,53 x 20267) =19166,7 btu/lb
Sehingga diperoleh data dari komposisi bahan bakar dual fuel (oil dan gas) :
Komposisi Karbon ( C ) = 81,53 % Komposisi Hidrogen ( H ) = 18,47%
LHVtotal = 19166,7 btu/lb
4.2.3 Komposisi Flue Gas Tabel 4.3 Komposisi Flue Gas
Komponen Nilai Satuan
O2 3,02 %
CO 0,01 ppm
NOx 163 ppm
SO2 0 ppm
T Stack 174 oC
CO2 11,37 %
Untuk mengetahui N2 pada flue gas maka dapat diketahui dari selisih dari kompoisis utama flue gas :
100 % = O2 + CO + CO2 + N2
N2 = 100 % - ( 3,02 + 0,01 + 11,37 ) N2 = 100 % - 14,4 %
(64)
4.3 Perhitungan Efisiensi
Menghitung kebutuhan udara teoritis (TA
TA =[( 11.43 x C ) + { 34.5 x (H – O2/8 )} + ( 4.32 x S )] 100 kg/kg bahan bakar
TA =[( 11.43 x 81,53 ) + { 34.5 x (18,47 – 3,02/8 )} + ( 4.32 x 0,28 )] 100 kg/kg bahan bakar
= 15,57 kg udara/kg bahan bakar
Menghitung persen kelebihan udara uang dipasok (EA)
EA =O2 x 100 21−O2
EA =3,02 x 100 21−3,02
= 16,79 %
Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok per kg bahan bakar (AAS)
AAS = { 1 + EA
100
} x TA
AAS = { 1 + 16,79
100
} x 15,57
(65)
4.3.1. Dengan menggunakan Economizer
1. Kehilangan panas akibat gas buang
Kehilangan panas karena gas buang kering(heat loss due to dry gas) yaitu gas asap hasil pembakaran yang keluar dari boiler masih memiliki kalor yang tinggi. Dari persamaan (2.11) didapat rumus untuk menghitung heat loss due to dry gasyaitu :
Heat Loss to Dry Gas dry gas/kg as fire fuel :
=11.CO 2+8.O2+7(N2+CO )
3(CO 2+CO )
x
%C 100+
3
8
x
%S
=
11(11,37)+8(3,02)+7(85,63+0,01)3(11,37+0,01)
x
81,53 100
+
3
8
x
0,28
dry gas = 22,80 lb
% Heat to dry gas :
L1 = Ldg x Cp x (Tstack - Tudara) = 22,80 x 0,24 x (345,2– 87,8) = 1289,8 btu/lb
= 1289 ,8
19166 .7 x 100
= 6,73 % dimana :
Tstack = temperatur outlet flue gas 174oC = 345,2oF Tudara = temperature udara normal 31oC = 87,8oF
2. Kehilangan panas karena kandungan air dalam bahan bakar
Kehilangan panas karena kandungan air dalam bahan bakar(heat loss due to moisture in fuel).Dari persamaan (2.12) didapat rumus untuk menghitung heat loss due to moisture in fuelyaitu :
Heat Loss Due to Moisture in Fuel L2 = %wtH 2O
100 x (hstack – hudara) = 0
100 x (448,76– 93,3) = 0 btu/lb
(66)
% Heat Loss to due in Fuel L2 = 0
19166,7 x 100 = 0 %
dimana :
hstack = entalpi oulet flue gas 174 oC = 345,2 oF = 448,76 btu/lb hudara = entalpi udara pembakaran F.D.F 34 oC = 93.2 oF = 93,3 btu/lb
3. Kehilangan panas akibat unsur hydrogen dalam bahan bakar
Unsur hidrogen yang ada didalam bahan bakar(heat loss due to hydogen in fuel)menyebabkan terjadinya uap air pada proses pembakaran. Dari persamaan (2.13) didapat rumus untuk menghitung heat loss due to hydrogen in fuelyaitu :
L3 = 9
100 x totalWtHidrogen(hstack−hudara) = 9
100 x 18,47(448,76 – 93,3 ) = 590,88 btu/lb
L3 = 590,88
19166 .7 x 100 = 3,09 % dimana :
hstack = entalpi oulet flue gas 174 oC = 345,2 oF = 448,76 btu/lb hudara = entalpi udara pembakaran F.D.F 34 oC = 93.2 oF = 93,3 btu/lb
4. Kehilangan panas akibat udar yang mengadung uap air
Kehilangan panas akibat udara yang mengadung uap air(heat loss due to moisture in air)karena udara pembakaran yang diambil dari udara bebas selalu mengandung uap air. Dari persamaan (2.14) didapat rumus untuk menghitung heat loss due to moisture in airyaitu :
L4 = 0,46 x moisture airx ( Tstack – Tudara) = 0,46 x 0,02 x ( 345.2 – 87.8 )
(67)
6,73 0 3,09 2,36 0,35 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8
L1 L2 L3 L4 L5 L6
Dengan Economizer
dimana :Tstack = temperatur outlet flue gas 174oC = 345.2oF Tudara = temperature udara normal 31oC = 87.8oF
5. Kehilangan panas akibat raidasi
Kehilangan panas akibat raidasi(heat loss due to radiation)yaitu radiasi panas yang keluar dari dinding-dinding boiler.
L5 = Look from radiation loss chart in ABMA = 0,35 % 6. Unmeasured Losses
Loss ini berdasarkan prediksi dari desain pada data sheet sebesar 0.5 % Maka total heat loss :
= L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6 = 6,73 + 0 + 3,09 + 2,36 + 0,35 + 0.5
= 13,03%
Maka efisiensi boiler : 100 % - 13,03 % = 86,97 %
Gambar 4.1 Grafik heat loss dengan economizer
Pada grafik diatas, maka didapat heat lossatau kehilangan panasyang terjadi pada boiler dengan kondisi menggunakan economizer. Kehilangan
(68)
panas akibat gas buang (L1) 6,73 %. Hal ini dikarenakan temperatur gas buang yang tidak lagi terlalu tinggi karena telah terlebih dahulu dilewatkan melalui economizer.Kehilangan panas akibat kandungan air dalam bahan bakar (L2) 0% karena didalam bahan bakar cair tidak terdapat kelembaban (moisture).Kehilangan panas akibat unsur hidrogen dalam bahan bakar (L3) 3,09 %. Kehilangan panas akibat udara yang mengadung uap air (L4) sebesar 2,36 %. Kehilangan panas akibat radiasi (L5) 0,35 %. Ini berdasarkan radiation loss chart in ABMA. Kehilangan panas berdasarkan prediksi desain sebesar 0,5 % yang didapat dari data sheet boiler
4.3.2 Tanpa menggunakan Economizer 1. Kehilangan panas akibat gas buang
Hehilangan panas karena gas buang kering (heat loss due to dry gas) yaitu gas asap hasil pembakaran yang keluar dari boiler masih memiliki kalor yang tinggi. Dari persamaan (2.11) didapat rumus untuk menghitung heat loss due to dry gas yaitu :
Heat Loss to Dry Gas dry gas/kg as fire fuel :
=11.CO 2+8.O2+7(N2+CO )
3(CO 2+CO )
x
%C 100+
3
8
x
%S
=
11(11,37)+8(3,02)+7(85,63+0,01)3(11,37+0,01)
x
81,53 100
+
3
8
x 0,28
dry gas = 20,88 lb % Heat to dry gas :
L1 = Ldg x Cp x (Tstack - Tudara)
= 20,88 x 0,24 x (579,2 – 87.8) = 2462,5 btu/lb
= 2462 ,5
19166 ,7x 100
(69)
dimana :
Tstack = temperatur outlet flue gas 304oC = 579,2oF Tudara = temperatur udara normal 31oC = 87,8oF
2. Kehilangan panas karena kandungan air dalam bahan bakar
Kehilangan panas karena kandungan air dalam bahan bakar(heat loss due to moisture in fuel).Dari persamaan (2.12) didapat rumus untuk menghitung heat loss due to misture in fuelyaitu :
Heat loss due to moisture in fuel L2 = %wtH 2O
100
x (
hstack – hudara)= 0
100
x (
752,96– 93,9)= 0 btu/lb
% Heat Loss to due in fuel L2 = 0
19166,7 x 100 = 0 %
dimana :
hstack = entalpi oulet flue gas 304 oC = 579,2 oF = 752,96 btu/lb hudara = entalpi udara pembakaran F.D.F 34 oC = 93.2 oF = 93,3 btu/lb
3. Kehilangan panas akibat unsur hidrogen dalam bahan bakar
Unsur hidrogen yang ada didalam bahan bakar(heat loss due to hydogen in fuel)menyebabkan terjadinya uap air pada proses pembakaran. Dari persamaan (2.13) didapat rumus untuk menghitung heat loss due to hydoregn in fuelyaitu :
L3 = 9
100 x totalWtHidrogen(hstack−hudara) = 9
100 x 18,47(752,96 – 93,3) = 1096,5 btu/lb
L3 = 1096,5
19166 .7 x100 = 5,72 %
(70)
dimana :
hstack = entalpi oulet flue gas 304 oC = 579,2 oF=752,96 btu/lb
hudara = entalpi udara pembakaran F.D.F 34 oC = 93.2 oF = 93,3 btu/lb
4. Kehilangan panas akibat udara yang mengadung uap air
Kehilangan panas akibat udar yang mengadung uap air(heat loss due to moisture in air)karena udara pembakaran yang diambil dari udara bebas selalu mengandung uap air. Dari persamaan (2.14) didapat rumus untuk menghitung heat loss due to moisture in airyaitu :
L4 = 0,46 x moisture airx ( Tstack – Tudara) = 0,46 x 0,02 x ( 579.2oF – 87.8 oF ) = 4,52 %
dimana :
Tstack = temperatur outlet flue gas 304oC = 579.2oF Tudara = temperatur udara normal 31oC = 87.8oF
5. Kehilangan panas akibat raidasi
Kehilangan panas akibat raidasi(heat loss due to radiation)yaitu radiasi panas yang keluar dari dinding-dinding boiler.
L5 = Look from radiation loss chart in ABMA = 0,35 % 6. Unmeasured Losses
Loss ini berdasarkan prediksi dari desain pada data sheet sebesar 0.5 %
Maka total heat loss :
= L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6
= 12,84 + 0 + 5,72 + 4,52 + 0,35 + 0,5 = 23,93 %
(71)
Gambar 4.2 Grafik heat loss tanpa economizer
Pada grafik diatas, maka didapat heat lossatau kehilangan panasyang terjadi pada boiler dengan kondisi menggunakan economizer. Kehilangan panas akibat gas buang (L1) 12,84 %. Hal ini dikarenakan temperatur gas buang yang masih terlalu tinggi karena tidak dilewatkan ke economizer dan langsung di buang ke atmosfer.Kehilangan panas akibat kandungan air dalam bahan bakar (L2) 0% karena didalam bahan bakar cair tidak terdapat kelembaban (moisture).Kehilangan panas akibat unsur hidrogen dalam bahan bakar (L3) 5,72 %. Kehilangan panas akibat udara yang mengadung uap air (L4) sebesar 4,52 %. Kehilangan panas akibat radiasi (L5) 0,35 %. Ini berdasarkan radiation loss chart in ABMA. Kehilangan panas berdasarkan prediksi desain sebesar 0,5% yang didapat dari data sheet boiler
4.4. Perbandingan Heat Loss
Dari perhitungan heat loss diatas maka didapatkan heat loss yang terjai pada kedua kondisi yakni kondisi operasi boiler dengan menggunakan economizer dan kondisi operasi dengan menggunakan economizer.Terlihat perbedaan pada setiap heat loss yang terjadi.Heat loss pada boiler dengan menggunakan economizer lebih sedikit dibandingkan dengan heat loss tanpa menggunakan economizer.Gas buang yang masih mempunyai nilai panas yang besar menyebabkan heat loss yang terjadi pada boiler dengan kondisi tanpa menggunakan economizer juga besar.
12,84 0 5,72 4,52 0,35 0,5 0 2 4 6 8 10 12 14
L1 L2 L3 L4 L5 L6
Tanpa Economizer
12,84 8 10 12 141 2 3 4 5 6
(72)
Gambar 4.3 Grafik perbandingan heat loss
Gambar 4.4 Grafik perbandingan efisiensi boiler
Desain awal dari boiler ini adalah dapat menghasilkan uap dengan kapasitas maksimum sebanyak 110 ton/hour.Namun saat ini boiler hanya dapat menghasilkan uap +86 ton/hour.Ini dikarenakan performa boiler tidak lagi bagus mengingat pemakaian yang sudah cukup lama.Selain itu factor-faktor kehilangan panas juga mempengaruhi performa boiler.
4.5. Panas Pembentukan Uap
86,97
76,07
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Efisiensi Boiler
Dengan Economizer Tanpa Economizer
(73)
Tabel 4.4Product steam boiler
Data Nilai Satuan
Temperatur air masuk economizer 148 oC Temperatur air keluar economizer 165 oC
Tekanan air masuk economizer 65.53 kg/cm2
Tekanan air keluar economizer 63.45 kg/cm2 Laju aliran air masuk economizer 85.68 m3/h Laju aliran air keluar economizer 85.50 m3/h Laju aliran uap keluar boiler 83.94 m3/h Temperatur uap keluar boiler 461.88 oC
Tekanan uap keluar boiler 59.57 kg/cm2
Bahan bakar yang digunakan 6150 kg/hour
Untuk menghitung panas yang dibutuhkan dalam proses pembentukan uap dapat dicari dengan rumus :
� = ṁ x (hg – hf)
Dimana :� = panas yang dibutuhkan (kJ/kg) ṁ = massa air umpan (kg/jam)
hf = entalpi air umpan (kJ/kg) hg = entalpi uap jenuh (kJ/kg)
Dengan menggunakan economizer
ṁ = 85680 kg/jam
hf = 165oC = 697,23 kJ/kg hg = 461oC = 3331,81 kJ/kg
Maka : � = 85680 x ( 3331.81 – 697.23 ) = 225.730.814,4 kJ/hour
(74)
ṁ = 85680 kg/jam
hf = 148oC = 623,55 kJ/kg hg = 461oC = 3331,81 kJ/kg
Maka : � = 85680 x ( 3331.81 – 623,55 ) = 232.043.716,8 kJ/hour
Maka dengan menggunakan economizer dapat mengurangi panas pembentukan uap sebesar 6.312.902,4 kJ/hour
4.6 Penghematan Bahan Bakar
Pemakaian economizer dapat mengurangi panas pembentukan uap sebesar 6.312.902,4 kJ/hour. LHV bahan bakar = 41695,875 kJ/kg. Efisiensi boiler sebesar 86,97 %. Maka untuk menghitung penghematan bahan bakar dengan menggunakan economizer dapat dihiutng dengan menggunakan persamaan :
ṁ = � ��� � ���
ṁ = 6.312.902,4
41695 ,875 � 0,8697
= 174,08 kg
Maka dengan pemakaian economizer dapat menghemat bahan bakar sebesar 174,08 kg.
(75)
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1Kesimpulan
Adapun kesimpulan yang diperoleh setelah melakukan penelitian yaitu: a. Pengoperasian boiler dengan menggunakan economizer pada boiler
051 B101 maka didapat :
• Efisiensi boiler sebesar 86,97 %
• Panas yang dibutuhkan untuk proses pembentukan air menjadi uap sebesar 225.730.814,4 kJ
b. Pengoperasian boiler tanpa menggunakan economizer pada boiler 051 B101 maka didapat :
• Efisiensi boiler sebesar 76,07 %
• Panas yang dibutuhkan untuk proses pembentukan air menjadi uap sebesar 232.043.716,8 kJ
c. Dengan menggunakan economizer dapat menghemat bahan bakar sebanyak 174,08 kg.
5.2Saran
a. Agar menghindari penurunan efisiensi, disarankan untuk meminimalisir kehilangan panas(heat loss) pada boiler.
b. Untuk lebih meningkatkan efisiensi boiler, disarankan menambahkan pemakaian air heateruntuk memanaskan udara pembakaran.
(76)
DAFTAR PUSTAKA
[1] ASME Power Test Codes 4.1.64, Test Code for Steam Generating Unit.
[2] API Technical Data Book, Measurement of the ThermalEfficiency of Fired Process Heaters.
[3] Allan, S. Founst, cs. 1955 ” Principle of Unit Operation ” John Willey & Son Co, New York.
[4] Ir. Syamsir A. Muin. 1988 Pesawat – Pesawat Konversi Energi I ( Ketel Uap), Rajawali, Jakarta
[5] Woodrff and Lammers. 1984. Steam-Plant Operation. Fifth Edition
[6] Yunus A. Cengel. Heat Transfer. Second Edition
[7]Babcock and Wilcock. 2007. Team, Its Generation and Use
[8] Gaffert A. Gustaf. 1952. Steam Power Stations. Fourth Edition
[9] Djokosetyardjo. 1999. Ketel Uap. Jakarta. Pradjya Paramita
[10] PT Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap
[11] Wikipedia Bahasa Inggris
[12] Wikipedia Bahasa Inggris
[13] Wikipedia Bahasa Inggris
[14] Wikipedia Bahasa Inggris
[15] Wikipedia Bahasa Inggri
[16] http://energitoday.com
(1)
Gambar 4.2 Grafik heat loss tanpa economizer
Pada grafik diatas, maka didapat heat lossatau kehilangan panasyang terjadi pada boiler dengan kondisi menggunakan economizer. Kehilangan panas akibat gas buang (L1) 12,84 %. Hal ini dikarenakan temperatur gas buang yang masih terlalu tinggi karena tidak dilewatkan ke economizer dan langsung di buang ke atmosfer.Kehilangan panas akibat kandungan air dalam bahan bakar (L2) 0% karena didalam bahan bakar cair tidak terdapat kelembaban (moisture).Kehilangan panas akibat unsur hidrogen dalam bahan bakar (L3) 5,72 %. Kehilangan panas akibat udara yang mengadung uap air (L4) sebesar 4,52 %. Kehilangan panas akibat radiasi (L5) 0,35 %. Ini berdasarkan radiation loss chart in ABMA. Kehilangan panas berdasarkan prediksi desain sebesar 0,5% yang didapat dari data sheet boiler
4.4. Perbandingan Heat Loss
Dari perhitungan heat loss diatas maka didapatkan heat loss yang terjai pada kedua kondisi yakni kondisi operasi boiler dengan menggunakan economizer dan kondisi operasi dengan menggunakan economizer.Terlihat perbedaan pada setiap heat loss yang terjadi.Heat loss pada boiler dengan menggunakan economizer lebih sedikit dibandingkan dengan heat loss tanpa menggunakan economizer.Gas buang yang masih mempunyai nilai panas yang besar menyebabkan heat loss yang terjadi pada boiler dengan kondisi tanpa menggunakan economizer juga besar.
12,84 0 5,72 4,52 0,35 0,5 0 2 4 6 8 10 12 14
L1 L2 L3 L4 L5 L6
Tanpa Economizer
12,84 8 10 12 141 2 3 4 5 6
(2)
Gambar 4.3 Grafik perbandingan heat loss
Gambar 4.4 Grafik perbandingan efisiensi boiler
Desain awal dari boiler ini adalah dapat menghasilkan uap dengan kapasitas maksimum sebanyak 110 ton/hour.Namun saat ini boiler hanya dapat menghasilkan uap +86 ton/hour.Ini dikarenakan performa boiler tidak lagi bagus mengingat pemakaian yang sudah cukup lama.Selain itu factor-faktor kehilangan panas juga mempengaruhi performa boiler.
4.5. Panas Pembentukan Uap 86,97
76,07
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Efisiensi Boiler
Dengan Economizer Tanpa Economizer
(3)
Tabel 4.4Product steam boiler
Data Nilai Satuan
Temperatur air masuk economizer 148 oC Temperatur air keluar economizer 165 oC Tekanan air masuk economizer 65.53 kg/cm2 Tekanan air keluar economizer 63.45 kg/cm2 Laju aliran air masuk economizer 85.68 m3/h Laju aliran air keluar economizer 85.50 m3/h Laju aliran uap keluar boiler 83.94 m3/h Temperatur uap keluar boiler 461.88 oC Tekanan uap keluar boiler 59.57 kg/cm2 Bahan bakar yang digunakan 6150 kg/hour
Untuk menghitung panas yang dibutuhkan dalam proses pembentukan uap dapat dicari dengan rumus :
� = ṁ x (hg – hf)
Dimana :� = panas yang dibutuhkan (kJ/kg)
ṁ = massa air umpan (kg/jam)
hf = entalpi air umpan (kJ/kg) hg = entalpi uap jenuh (kJ/kg)
Dengan menggunakan economizer ṁ = 85680 kg/jam
hf = 165oC = 697,23 kJ/kg hg = 461oC = 3331,81 kJ/kg
Maka : � = 85680 x ( 3331.81 – 697.23 ) = 225.730.814,4 kJ/hour
(4)
ṁ = 85680 kg/jam
hf = 148oC = 623,55 kJ/kg hg = 461oC = 3331,81 kJ/kg
Maka : � = 85680 x ( 3331.81 – 623,55 ) = 232.043.716,8 kJ/hour
Maka dengan menggunakan economizer dapat mengurangi panas pembentukan uap sebesar 6.312.902,4 kJ/hour
4.6 Penghematan Bahan Bakar
Pemakaian economizer dapat mengurangi panas pembentukan uap sebesar 6.312.902,4 kJ/hour. LHV bahan bakar = 41695,875 kJ/kg. Efisiensi boiler sebesar 86,97 %. Maka untuk menghitung penghematan bahan bakar dengan menggunakan economizer dapat dihiutng dengan menggunakan persamaan :
ṁ = �
��� � ���
ṁ = 6.312.902,4
41695 ,875 � 0,8697
= 174,08 kg
Maka dengan pemakaian economizer dapat menghemat bahan bakar sebesar 174,08 kg.
(5)
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1Kesimpulan
Adapun kesimpulan yang diperoleh setelah melakukan penelitian yaitu: a. Pengoperasian boiler dengan menggunakan economizer pada boiler
051 B101 maka didapat :
• Efisiensi boiler sebesar 86,97 %
• Panas yang dibutuhkan untuk proses pembentukan air menjadi uap sebesar 225.730.814,4 kJ
b. Pengoperasian boiler tanpa menggunakan economizer pada boiler 051 B101 maka didapat :
• Efisiensi boiler sebesar 76,07 %
• Panas yang dibutuhkan untuk proses pembentukan air menjadi uap sebesar 232.043.716,8 kJ
c. Dengan menggunakan economizer dapat menghemat bahan bakar sebanyak 174,08 kg.
5.2Saran
a. Agar menghindari penurunan efisiensi, disarankan untuk meminimalisir kehilangan panas(heat loss) pada boiler.
b. Untuk lebih meningkatkan efisiensi boiler, disarankan menambahkan pemakaian air heateruntuk memanaskan udara pembakaran.
(6)
DAFTAR PUSTAKA
[1] ASME Power Test Codes 4.1.64, Test Code for Steam Generating Unit.
[2] API Technical Data Book, Measurement of the ThermalEfficiency of Fired Process Heaters.
[3] Allan, S. Founst, cs. 1955 ” Principle of Unit Operation ” John Willey & Son Co, New York.
[4] Ir. Syamsir A. Muin. 1988 Pesawat – Pesawat Konversi Energi I ( Ketel Uap), Rajawali, Jakarta
[5] Woodrff and Lammers. 1984. Steam-Plant Operation. Fifth Edition [6] Yunus A. Cengel. Heat Transfer. Second Edition
[7]Babcock and Wilcock. 2007. Team, Its Generation and Use
[8] Gaffert A. Gustaf. 1952. Steam Power Stations. Fourth Edition
[9] Djokosetyardjo. 1999. Ketel Uap. Jakarta. Pradjya Paramita
[10] PT Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap
[11] Wikipedia Bahasa Inggris
[12] Wikipedia Bahasa Inggris
[13] Wikipedia Bahasa Inggris
[14] Wikipedia Bahasa Inggris
[15] Wikipedia Bahasa Inggri
[16] http://energitoday.com