Analisa Pemakaian Air Heater Terhadap Peningkatan Efisiensi Boiler Unit 3 PLTU PT. PLN (persero) Sektor Belawan

100401109

ANALISA PEMAKAIAN AIR HEATER TERHADAP

PENINGKATAN EFISIENSI BOILER

UNIT 3 PLTU PT. PLN (PERSERO)

SEKTOR BELAWAN

Skripsi

Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

OLEH :

RIAN DALION SINAGA

NIM. 100401109

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ABSTRAK

Energi listrik merupakan suatu faktor penunjang yang sangat penting bagi perkembangan secara menyeluruh suatu bangsa. Di Indonesia, dengan semakin meningkatnya kegiatan industri dan jumlah penduduknya, maka kebutuhan energi listrik juga mengalami peningkatan. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi ketersediaan listrik di Indonesia, antara lain ketersediaan energi primer, harga bahan bakar, teknologi, dan budaya masyarakat. Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi pada pesawat ketel uap (boiler) adalah dengan mengeksploitasi energi panas yang terkandung dalam gas buang (flue gas). Untuk mengeksploitasi energi ini dibutuhkan sumber daya manusia yang terampil dalam pemamfaatan energi ini supaya mendapatkan hasil yang optimal.

Salah satu cara yang dapat dilakukan dalam peningkatan efisiensi boiler ini adalah dengan menambahkan suatu alat Pemanas Udara (air heater) pada saluran pembuangan gas buang (flue gas) boiler. Pemanas udara (air heater) ini merupakan alat yang memanaskan udara sebelum masuk ke ruang bakar. Udara sebelum masuk ke ruang bakar temperaturnya adalah temperatur lingkungan. Seperti yang kita ketahui proses terjadinya pembakaran ada tiga hal penyebabnya, yaitu udara, temperatur, dan bahan bakar. Supaya proses pembakaran itu lebih cepat maka udara yang dibutuhkan itu terlebih dahulu dipanaskan di pemanas udara (air heater) sehingga bahan bakar yang dibutuhkan untuk pembakaran itu jadi berkurang.

Dengan adanya alat pemanas udara (air heater) ini pada boiler akan memberi penghematan pemakaian bahan bakar dan juga membantu kerja boiler dalam memanaskan air untuk menghasilkan uap. Dan hal ini juga diharapkan untuk mencapai proses pembakaran yang sempurna di ruang bakar.

Dari hasil analisa yang diperoleh dengan menggunakan air heater diperoleh kenaikan efisiensi boiler sebesar 2.73% pada awalnya efisiensinya 76.76% setelah menggunakan air heater menjadi 79.49%.

Kata Kunci : alat pemanas udara (air heater), Peningkatan efisiensi, Pemanfaatan gas buang (flue gas), Ketel uap

ABSTRACT

Electrical energy is a very important supporting factor for the overall development of a nation. In Indonesia, with the increasing industrial activity and population, the need for electric energy also increased. There are several factors that affect the availability of electricity in Indonesia, among others, the availability of primary energy, fuel price, technology, and culture. One way to improve the efficiency of boilers is to exploit the heat energy contained in the flue gas. To exploit this energy needed skilled human resources in the utilization of this energy in order to obtain optimal results.

One way to do this in boiler efficiency improvement is to add a device Air Heater in the flue gas exhaust duct boilers. Air heater is an appliance that heats the air before entering the combustion chamber. Air before entering the combustion chamber temperature is the ambient temperature. As we know the combustion process there are three things cause, namely air, temperature, and fuel. So that the combustion process faster then air needed it beforehand heated in air heaters so that the fuel required for the combustion to be reduced.

With the air heater is on the boiler will provide fuel savings and also help work in the boiler heats water to produce steam. And it is also expected to achieve a perfect combustion process in the combustion chamber.

From the analysis results obtained by using the water heater is obtained increase in boiler efficiency by 2.73% at 76.76% initial efficiency after using the water heater becomes 79.49%.

Keywords: air heater, increase in efficiency, utilization of flue gas (flue gas), boilers

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Penelitian Tugas Akhir di PT.PLN (persero) sektor Belawan.

Tugas akhir 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 Air Heater Terhadap Peningkatan Efisiensi Boiler Unit 3 PLTU PT. PLN (persero) Sektor Belawan”

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis selama pelaksanaan Penelitian Tugas Akhir maupun dalam penyusunan laporan. Untuk itu, melalui pengantar ini penulis menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D.E.A. selaku Dosen Pembimbing penulis di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara

2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 4. Amin Hasibuan yang telah mengajari dalam hal-hal kinerja turbin

5. Bapak Ulisaroha Simbolon selaku suvervisor boiler yang telah memberikan tempat untuk menlakukan penelitian

6. Orang Tua penulis, Holdi uli br. Simarmata yang tidak henti memberikan kasih yang begitu tulus melalui doa, keringat, dan restu yang menjadi motivasi sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

7. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2010, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah mentransfer energi tak terbatas dan memberikan masukan kepada penulis, SOLIDARITY FOREVER, MESIN JAYA!

8. Semua pihak yang telah memberikan bantuannya kepada penulis selama pelaksanaa penelitian dan penyusunan laporan ini.

9. Kakak tercinta Rusmiaty sinaga yang selalu memberi bantuan dana dan doa dalam proses pengerjaan laporan ini.

Penulis menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik segi teknik maupun segi materi. Oleh sebab itu, penulis juga mengharapkan kritik dan saran membangun demi terciptanya laporan yang lebih baik di masa yang akan datang. Akhir kata, penulis berharap laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya.

Medan, Maret 2015

Rian Dalion Sinaga Nim. 100401109

DAFTAR ISI

ABSTRAK... i

ABSTRACT... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR... vi

DAFTAR TABEL... viii

DAFTAR NOTASI... ix

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitaian ... 2

1.3 Manfaat Penelitian ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 2

1.5 Sistematika Penelitian ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Tinjauan Umum Boiler ... 4

2.2 Klasifikasi boiler... 4

2.2.1 Berdasarkan Fluida Yang Mengalir Dalam Pipa... 5

2.2.2 Berdasarkan Pemakaiannya ... 6

2.2.3 Bedasarkan Pada Poros Tutup Drum (shell) ... 7

2.2.4 Berdasarkan Bentuk dan Letak Pipa ... 8

2.2.5 Berdasarkan Tekanan Kerjanya ... 8

2.2.6 Berdasarkan Kapasitasnya ... 8

2.2.7 Berdasarkan Pada Sumber Panasnya ... 8

2.3 Komponen-komponen Boiler... 10

2.4 Perpindahan Panas Pada Boiler ... 21

2.5 Siklus Termodinamika... 26

2.6 Sejarah Perkembangan Alat Pemanas Udara (air heater).... 29

2.7 Jenis-jenis Pemanas Udara ... 30

2.8 Aliran Gas Buang dan Udara ... 31

2.10 Proses Perpindahan Panas Pada Air heater... 38

2.11 Sifat Fisik Bahan Bakar ... 40

2.12 Berat dan Volume Bahan Bakar ... 43

2.13 Efisiensi Boiler ... 45

2.14 Maintenance (Pemeliharaan) ... 48

BAB III METODOLOGI... 55

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian... 55

3.1.1 Tempat Penelitian ... 55

3.1.2 Waktu Penelitian ... 56

3.2 Alat dan Bahan ... 56

3.2.1 Alat... 56

3.2.2 Bahan... 58

3.3 Analisa Data... 59

3.4 Diagram Alir Penelitian... 59

3.5 Metodologi Yang Digunakan... 61

BAB IV ANALISA BAHAN BAKAR DAN PANAS YANG DIHASILKAN 4.1 Bahan Bakar... 62

4.1.1 Nilai Kalor Bahan Bakar... 64

4.1.2 Kebutuhan Bahan Bakar... 65

4.2 Kebutuhan Udara Pembakaran Pada Ruang Bakar... 66

4.3 Analisa Berat dan Volume Gas Buang (Flue Gas)... 68

4.4 Kesetimbangan Panas... 73

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 93

5.1 Kesimpulan... 93

5.2 Saran... 94

DAFTAR PUSTAKA 95 LAMPIRAN 96

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Ketel Uap 4

Gambar 2.2 Ketel Pipa Api 5

Gambar 2.3 Ketel Pipa Air 6

Gambar 2.4 Ketel Tegak 7

Gambar 2.5 Ketel Mendatar 7

Gambar 2.6 Ruang Bakar 10

Gambar 2.7 Burner 11

Gambar 2.8 Low Temperature Superheater 13 Gambar 2.9 High Temperature Superheater 14

Gambar 2.10 Economizer 15

Gambar 2.11 Boiler Drum 17

Gambar 2.12 Stack 17

Gambar 2.13 Forced Drought Fan (FDF) 18

Gambar 2.14 Air Preheater 18

Gambar 2.15 Air Heater 20

Gambar 2.16 Perpindahan Panas Secara Konduksi 21 Gambar 2.17 Pendinginan Sebuah Balok Panas Dengan

Konveksi Paksa 22

Gambar 2.18 Black Body Sebagai Pemancar Dengan Arah

Yang Bebas 24

Gambar 2.19 Distribusi Suhu Dalam Air Heater Jenis Aliran

Counter Flow 25

Gambar 2.20 Luas Perpindahan Panas 25 Gambar 2.21 Bagan Sederhana Siklus Rankine 27 Gambar 2.22 Diagram T-s Siklus Rankine 27 Gambar 2.23 Air Heater Rekuperatif 30 Gambar 2.24 Air Heater Regeneratif 31 Gambar 2.25 Skema Terjadinya Pembakaran 32 Gambar 2.26 Aliran Uap, Udara Dan Flue Gas 34

Gambar 2.27 Air Heater 36

Gambar 3.1 Wilayah Pembangkit Sektor Belawan 55 Gambar 3.2 Diagram Penyuplai Daya Untuk Daerah

SUMUT-NAD 56

Gambar 3.3 Manometer Logam 57

Gambar 3.4 Termometer 57

Gambar 3.5 Orifice Meter 57

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sifat Fisik Minyak Residu 40

Tabel 3.1 Data Pengamatan Boiler 58

Tabel 3.2 Sifat Fisik Minyak Residu 59 Tabel 4.1 Komposisi Minyak Residu 64 Tabel 4.2 Excess Air Required By Some Fuel Syste 67

DAFTAR NOTASI

Q : Energi Panas (kkal/jam) T : Temperatur ( oC)

Cp : Panas Jenis (kkal/kg oC LHV : Low Heating Value (kJ/kg) HHV : High Heating Value (kJ/kg) H : Entalpi (kJ/kg)

Ws : Kapasitas Uap (kg/jam)

Wf : Kapasitas Bahan Bakar (kg/jam) (Wa)th : Berat Udara Teoritis (kgudara/kgb.bakar)

(Va)th : Volume Udara Teoritis (m3/kg) (Wa)akt : Berat Udara Aktual (kg/jam) (Va)akt : Volume Udara Aktual (m3/kg)

Fa : Faktor Udara Berlebih (%)

Wg : Berat Gas Buang (kgg.buang/kgb.bakar)

Vg : Volume Gas Buang (m3/kg) Trb : Temperatur Ruang Bakar (oC)

ABSTRAK

Energi listrik merupakan suatu faktor penunjang yang sangat penting bagi perkembangan secara menyeluruh suatu bangsa. Di Indonesia, dengan semakin meningkatnya kegiatan industri dan jumlah penduduknya, maka kebutuhan energi listrik juga mengalami peningkatan. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi ketersediaan listrik di Indonesia, antara lain ketersediaan energi primer, harga bahan bakar, teknologi, dan budaya masyarakat. Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi pada pesawat ketel uap (boiler) adalah dengan mengeksploitasi energi panas yang terkandung dalam gas buang (flue gas). Untuk mengeksploitasi energi ini dibutuhkan sumber daya manusia yang terampil dalam pemamfaatan energi ini supaya mendapatkan hasil yang optimal.

Salah satu cara yang dapat dilakukan dalam peningkatan efisiensi boiler ini adalah dengan menambahkan suatu alat Pemanas Udara (air heater) pada saluran pembuangan gas buang (flue gas) boiler. Pemanas udara (air heater) ini merupakan alat yang memanaskan udara sebelum masuk ke ruang bakar. Udara sebelum masuk ke ruang bakar temperaturnya adalah temperatur lingkungan. Seperti yang kita ketahui proses terjadinya pembakaran ada tiga hal penyebabnya, yaitu udara, temperatur, dan bahan bakar. Supaya proses pembakaran itu lebih cepat maka udara yang dibutuhkan itu terlebih dahulu dipanaskan di pemanas udara (air heater) sehingga bahan bakar yang dibutuhkan untuk pembakaran itu jadi berkurang.

Dengan adanya alat pemanas udara (air heater) ini pada boiler akan memberi penghematan pemakaian bahan bakar dan juga membantu kerja boiler dalam memanaskan air untuk menghasilkan uap. Dan hal ini juga diharapkan untuk mencapai proses pembakaran yang sempurna di ruang bakar.

Dari hasil analisa yang diperoleh dengan menggunakan air heater diperoleh kenaikan efisiensi boiler sebesar 2.73% pada awalnya efisiensinya 76.76% setelah menggunakan air heater menjadi 79.49%.

Kata Kunci : alat pemanas udara (air heater), Peningkatan efisiensi, Pemanfaatan gas buang (flue gas), Ketel uap

ABSTRACT

Electrical energy is a very important supporting factor for the overall development of a nation. In Indonesia, with the increasing industrial activity and population, the need for electric energy also increased. There are several factors that affect the availability of electricity in Indonesia, among others, the availability of primary energy, fuel price, technology, and culture. One way to improve the efficiency of boilers is to exploit the heat energy contained in the flue gas. To exploit this energy needed skilled human resources in the utilization of this energy in order to obtain optimal results.

One way to do this in boiler efficiency improvement is to add a device Air Heater in the flue gas exhaust duct boilers. Air heater is an appliance that heats the air before entering the combustion chamber. Air before entering the combustion chamber temperature is the ambient temperature. As we know the combustion process there are three things cause, namely air, temperature, and fuel. So that the combustion process faster then air needed it beforehand heated in air heaters so that the fuel required for the combustion to be reduced.

With the air heater is on the boiler will provide fuel savings and also help work in the boiler heats water to produce steam. And it is also expected to achieve a perfect combustion process in the combustion chamber.

From the analysis results obtained by using the water heater is obtained increase in boiler efficiency by 2.73% at 76.76% initial efficiency after using the water heater becomes 79.49%.

Keywords: air heater, increase in efficiency, utilization of flue gas (flue gas), boilers

BAB I PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang

Energi listrik merupakan suatu faktor penunjang yang sangat penting bagi perkembangan secara menyeluruh suatu bangsa. Di Indonesia, dengan semakin meningkatnya kegiatan industri dan jumlah penduduknya, maka kebutuhan energi listrik juga mengalami peningkatan. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi ketersediaan listrik di Indonesia, antara lain ketersediaan energi primer, harga bahan bakar, teknologi, dan budaya masyarakat. Beberapa usaha yang dapat di tempuh Perusahaan Listrik Negara dalam mengatasi peningkatan kebutuhan listrik antara lain dengan pembangunan pembangkit baru, pembelian listrik swasta (independent power producer), dan sistem sewa pembangkit dengan pemda/ pengusaha. Sedangkan, usaha – usaha yang dapat dilakukan guna mendapatkan biaya operasi yang ekonomis adalah dengan pergantian pemakaian bahan bakar, pengoptimalan efisiensi dan pemeliharaan pembangkit yang sudah ada. Dari beberapa usaha tersebut meningkatkan efisiensi suatu pembangkit listrik merupakan alternatif yang dapat ditempuh untuk memenuhi kebutuhan akan listrik.

Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi pada pesawat ketel (boiler) adalah dengan mengeksploitasi energi panas yang terkandung dalam gas buang (flue gas). Untuk mengeksploitasi energi ini dibutuhkan sumber daya manusia yang terampil dalam pemamfaatan energi ini supaya mendapatkan hasil yang optimal.

Pesawat ketel (boiler) merupakan alat yang dapat mengubah fase air menjadi fase uap dengan memamfaatkan energi kimia yang terkandung pada bahan bakar yang kemudian dikonversikan menjadi energi panas. Sesuai dengan hukum Termodinamika Pertama yang menyatakan bahwa “ Energi tidak dapat dimusnahkan, akan tetapi dapat dirubah dari suatu bentuk menjadi bentuk yang lain.

Pemamafaatan energi panas yang terkandung pada gas buang (flue gas) yang dulunya kurang dioptimalkan ternyata mempunyai peran yang sangat penting dalam peningkatan efisiensi boiler. Pada abad ke 20 ini pemamfaatan

energi gas buang itu telah dikembangkan, khususnya para ahli bidang perekayasa energi. Salah satu cara yang dapat dilakukan dalam peningkatan efisiensi boiler ini adalah dengan menambahkan suatu alat Pemanas Udara (air heater) pada saluran pembuangan gas buang (flue gas) boiler. Pemanas udara (air heater) ini merupakan alat yang memanaskan udara sebelum masuk ke ruang bakar. Udara sebelum masuk ke ruang bakar temperaturnya adalah temperatur lingkungan. Seperti yang kita ketahui proses terjadinya pembakaran ada tiga hal penyebabnya, yaitu udara, temperatur, dan bahan bakar. Supaya proses pembakaran itu lebih cepat maka udara yang dibutuhkan itu terlebih dahulu dipanaskan di pemanas udara (air heater) sehingga bahan bakar yang dibutuhkan untuk pembakaran itu jadi berkurang.

Dengan adanya alat pemanas udara (air heater) ini pada boiler akan memberi penghematan pemakaian bahan baka dan juga membantu kerja boiler dalam memanaskan air untuk menghasilkan uap. Dan hal ini juga diharapkan untuk mencapai proses pembakaran yang sempurna di ruang bakar.

1.2Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian alat pemanas udara (air heater) ini adalah sebagai berikut :

a. Untuk menganalisa bahan bakar dan gas buang (flue gas) pada boiler.

b. Untuk mengetahui peningkatan efisiensi pada boiler dengan adanya alat pemanas udara (air heater) ini.

c. Untuk memperdalam pengetahuan tentang pemanas udara ( air heater) ini.

1.3Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini dilakukan penulis tentang alat pemanas udara (air heater) ini adalah untuk pengembangan pengetahuan tentang pemamfaatan energi yang selama ini kurang dioptimalkan. Dengan adanya alat pemanas udara ( air heater) ini akan menghemat pemakaian bahan bakar dan peningkatan pembakaran yg sempurna pada ruang bakar. Pemakaian alat ini sangat diharapkan pada semua instalasi-instalasi yang menggunakan boiler.

1.4Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : a. Penelitian dilakukan di sistem pembangkit tenaga uap (PLTU)

PT. PLN (persero) Belawan

b. Prinsip kerja pemanas udara (air heater)

c. Temperatur gas buang (flue gas) masuk dan keluar pemanas air dan pemanas udara (air heater)

d. Temperatur udara yang masuk dan keluar pemanas udara (air heater)

e. Menganalisa panas yang dihasilkan ruang bakar

f. Efisiensi boiler sebelum dan sesudah memakai alat pemanas udara

1.5Sistematika 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, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian , dan sistematika penulisan.

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 perancangan serta langkah yang dilakukan untuk mengidentifikasi permasalahan, beserta variabel-variabel yang akan diukur.

BAB IV ANALISIS DATA

Adalah hasil dan pembahasan yang berisi tentang hasil pengujian eksperimental

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan dari analisa yang dilakukan terhadap permasalahan dan saran hasil penelitian untuk generasi berikutnya.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Umum Boiler

Salah satu peralatan yang sangat penting di dalam suatu pembangkit tenaga listrik adalah Boiler (Steam Generator) atau yang biasanya disebut ketel uap. Alat ini merupakan alat penukar kalor, dimana energi panas yang dihasilkan dari pembakaran diubah menjadi energi potensial yang berupa uap. Uap yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi inilah yang nantinya digunakan sebagai media penggerak utama Turbin Uap. Energi panas diperoleh dengan jalan pembakaran bahan bakar di ruang bakar.

Gambar 2.1 Ketel Uap

2.2 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 :

2.2.1.Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa: a. Ketel pipa api (fire tube boiler)

Pada ketel pipa api seperti tampak pada Gambar 2.2, 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 relative 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.

Sumber Murni, Buku ajar ketel uap, 2012

b. Ketel pipa air (water tube boiler)

Pada Ketel pipa air seperti tampak pada Gambar 2.2, 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 effisiensi.

• Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari pengolahan air.

• Memungkinkan untuk tingkat effisiensi panas yang lebih tinggi.

Sumber Murni, Buku ajar ketel uap, 2012

2.2.2 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).

2.2.3 Bedasarkan pada poros tutup drum (shell)

a. Ketel Tegak

Ketel Tegak seperti tampak pada Gambar 2.3 (vertical steam boiler) adapun contoh ketel tegak adalah ketel Cocharn, Ketel Clarkson dan lain-lainnya.

Sumber Murni, Buku ajar ketel uap, 2012

Gambar 2.4 Ketel Tegak (UNEP)

b. Ketel mendatar (horizontal steam Boiler),

Adapun yang termasuk jenis ketel ini adalah ketel Cornish, Lancashire( tampak pada Gambar 2.4) , Scotch dan lain-lain.

‘Sumber Murni, Buku ajar ketel uap, 2012’

Gambar 2.5 Ketel Mendatar (Lancashire)

2.2.4 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).

2.2.5 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.

2.2.6 Berdasarkan kapasitasnya:

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

2.2.7 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 :

• 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.

• 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). • 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.

• 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 tidak

sesuai dan pada setiap laju pembebanan akan meningkatkan kebutuhan udara berlebih dan memboroskan pemakaian bahan bakar sehingga efisiensi boiler akan turun.

• 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.

2.3 Komponen-komponen Boiler

Boiler terdiri dari beberapa ruangan yang memilki fungsi yang berbeda-beda, yaitu :

 Main equipment 1. 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 daripada tekanan udara luar ( tekanan ruang bakar negatif ) atau bertekanan seimbang ( balance draft ).

Temperatur ruang bakar dapat mencapai 1300 0C, 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 2.6 Ruang Bakar

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan 2. Burner (alat pembakaran)

Burner adalah alat yang dipakai untuk menyemburkan bahan bakar ke dalam ruang bakar dan menghasilkan pengabutan yang memudahkan reaksi pembakaran. Pada PLTU pembangkitan sektor belawan, PLTU unit 1/2 jenis burner yang digunakan adalah jenis burner minyak, dan PLTU unit 3/4 telah dilengkapi nozzle gas sehingga dapat menggunakan bahan bakar minyak maupun natural gas. Dan 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 disebutLight Fuel Oil (LFO). Sebelum bahan bakar dibakar di dalam ruang bakar terlebih dahulu bahan bakar dipanaskan di Fuel Oil Heater ( FOH ) hingga temperature 120 0C agar memudahkan proses pengabutan bahan bakar. Selain daripada itu untuk menyempurnakan proses pengabutan bahan bakar digunakan steam atomizing dengan temperatur sekitar 220 0C dengan tekanan sekitar 10 Bar.

Gambar 2.7Burner

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan 3. 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:

1. 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 4260C. 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.

Besar energi panas yang diserap oleh low temperature superheater (LTS) untuk mengubah air

menjadi uap dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini :

QLTS = Ws x (Hout– Hin) kJ/jam ...2.1

Dimana :

QLTS : panas yang diserap oleh low temperature

superheater (kJ/jam)

Ws : kapasitas aliran uap (kg/jam) Hout : entalpi keluar LTS (kJ/kg)

Hin : entalpi masuk LTS (kJ/kg)

Gambar 2.8Low Temperature Superheater

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan 2. 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.

Besar panas yang diserap oleh High Temperature Superheater untuk mengahasilkan uap dengan temperatur 505oC dengan tekanan 85 bar yang akan dialirkan ke turbin dapat dihitung dengan persamaan berikut.

QHTS = Ws x (Hout– Hin) kJ/jam ...2.2

Dimana :

QHTS : panas yang diserap oleh high temperature

superheater (kJ/jam) Ws : kapasitas aliran uap (kg/jam) Hout : entalpi keluar HTS kJ/kg

Hin : entalpi masuk HTS kJ/kg

Gambar 2.9High Temperature Superheater

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan 4. 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 180 0C sampai 250 0C. 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, shortthermoverheat, 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.

Besar panas yang diserap oleh economizer ini dapat dihitung dengan persamaan berikut :

Qeco = Ws x Cpair (Tout– Tin) kJ/jam...2.3

Dimana :

Qeco : panas yang diserap oleh economizer (kJ/jam)

Ws : kapasitas aliran uap (kg/jam) Cpair : panas jenis air kJ/KgoC

Tout : temperatur keluareconomizer oC

Gambar 2.10Economizer

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan

5. BoilerDrum

Boiler drum adalah bejana tempat menampung air yang datang dari economizer dan uap hasil penguapan dari tubewall. Kira – kira setengah dari drum berisi air dan setengahnya lagi berisi uap. Boiler drum terbuat dari plat baja dilas dan dilengkapi diantaranya:

1. Man hole

2. Saluran menuju superheater 3. Saluran menuju feedwater inlet 4. Saluran menuju blowdown 5. Saluran menuju downcomer 6. Saluran menuju safety valve 7. Pipa injeksi bahan kimia 8. Pipa sample taking

9. 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 2.11 boiler drum

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan 6. 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 160 0C, agar tidak terjadi kerusakan lingkungan atau merusak lapisan ozon.

Gambar 2.12 Stack

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan



Auxiliary equipment

1. Forced Drought Fan (FDF)

Berfungsi untuk mengambil udara dari atmosfer dengan suhu sekitar 300C 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 2.13Forced Drought Fan (FDF)

2. Air Preheater ( Pemanas Awal Udara)

Air Preheater merupakan alat pemanas awal udara pembakaran. Dimana udara yang dihisap oleh FDF dengan temperatur sekitar 30 0C mengalir melalui air preheater dan dihasilkan temperatur udara sekitar 120 0C. Media yang digunakan untuk memanaskan udara melalui air preheater adalah steam yang diperoleh dari Auxilarry Steam Header dengan temperatur steam 180 0C.

Gambar 2. 14Air Preheater ( Pemanas Awal Udara)

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan 3. 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 230 0C agar memudahkan proses pembakaran.

Temperatur flue gas melewati air heater cukup tinggi sekitar 290 0C maka elemen – elemen air heater harus tahan panas. Temperatur flue gas setelah air heater dijaga diatas 135 0C, 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 160 0C, tujuannya adalah agar tidak merusak lingkungan atau dengan kata lain merusak lapisan ozon.

Besar panas yang diserap oleh Air heater ini dari flue gas untuk memanaskan udara pembakaran dapat dihitung dengan persamaan berikut.

QAH = (Wa)akt x Cpudara (Tout– Tin) kJ/jam ...2.4

Dimana :

QAH : panas yang diserap oleh air heater (kJ/jam)

(Wa)akt : berat udara sebenarnya (kg/jam) Cpair : panas jenis udara kJ/KgoC

Tout : temperatur udara keluarair heater oC

Hin : temperatur udara masuk air heater oC

Gambar 2.15 Air heater (Pemanas Udara)

2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas 1. Konduksi

Sebuah batang silinder dengan material tertentu diisolasi pada sisi terluarnya dan pada kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni T1>T2 . Perbedaan temperatur tersebut menyebabkan perpindahan

panas secara konduksi pada arah x positif. Dapat diukur laju perpindahan panas qx, dan kita dapat menentukan qx bergantung pada variabel-variabel

berikut : ΔT, yakni perbedaan temperatur ; Δx, yakni panjang batang ; dan A, yakni luas penampang tegak lurus bidang.

Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan A. Dengan cara yang sama,

jika ΔT dan A adalah konstan, kita dapat melihat bahwa qx berbanding terbalik

dengan Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka kita dapat melihat bahwa qx

berbanding lurus dengan ΔT. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa qx ∞ A

Δ�

Δx (2.5)

Berikut ini adalah gambar perpindahan panas secara konduksi melalui sebuah percobaan.

Gambar 2.16 : Perpindahan Panas secara Konduksi

Sumber : Incropera Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, kita akan menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga menemukan bahwa untuk nilai A,Δx,dan ΔTyang sama, akan menghasilkan nilai qx yang lebih kecil untuk plastik daripada bermaterial logam. Sehingga

kesebandingan diatas dapat ditulis dalam bentuk persamaan dengan memasukkan koefisien yang dipengaruhi oleh material. Sehingga diperoleh,

qx = kA Δ�

Δx (2.6)

k, adalah konduktivitas termal (W/m.K), yang adalah merupakan sifat material yang penting. Dengan menggunakan limit Δx 0 kita mendapatkan persamaan untuk laju perpindahan panas,

qx = kA ��

dx (2.7)

atau persamaan flux panas menjadi,

��"= q

x A = - k

��

dx

(2.8)

2. Konveksi

Mekanisme perpindahan panas dapat berupa konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi dan konveksi adalah membutuhkan media perantara dalam proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, pada konveksi membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas.

Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung pada sifat-sifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas termal k, massa jenis ρ, dan spesifik panas Cp, dan dipengaruhi oleh

kecepatan fluida Ѵ. Konveksi juga bergantung pada bentuk dan kekasaran permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa perpindahan panas secara konveksi adalah kompleks karena bergantung pada banyak variabel. Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang paling kompleks.

Gambar 2.17 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa Sumber : Cengel

Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lururs dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan.

qkonveksi= hAs (Ts - T∞) (2.9)

h merupakan koefisien perpindahan panas konduksi, As merupakan area

permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda,

T∞ merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.

3. Radiasi

Radiasi berbeda dengan mekanisme perpindahan panas secara konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas secara radiasi tidak membutuhkan kehadiran suatu material sebagai media perpindahan panas. Faktanya, energi yang ditransfer dengan radiasi adalah yang tercepat (secepat kecepatan cahaya) dan dapat terjadi pada ruangan vakum. Perpindahan panas secara konduksi dan konveksi terjadi dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Pada radiasi, perpindahan panas dapat terjadi pada 2 benda yang memiliki temperatur yang tinggi dan dipisahkan oleh benda yang memiliki temperatur yang lebih rendah.

Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisifitas ε, dan

kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody.Blackbody dapat didefenisikan sebagai pemancar dan penyerap radiasi yang sempurna. Pada temperatur dan panjang gelombang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak daripada blackbody.Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya. Blackbody juga memancarkan energi radiasi yang merata dalam segala arah dalam setiap unit area searah dengan arah emisi,yang disebut sebagai pemancar diffuse. Diffuse dapat diartikan sebagai arah yang bebas untuk berdiri sendiri. Hal ini dapat kita lihat pada gambar berikut

Gambar 2.18 : Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas Sumber : Cengel Energi radisi yang dipancarkan oleh sebuah blackbody tiap satuan waktu dan tiap satuan luasan area ditetapkan secara eksperimental oleh Joseph Stefan pada tahun 1879 dan dapat dituliskan

Eb (T) = σT 4 (w/m2) (2.10)

σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4 adalah konstanta Stefan-Boltzmann dan T adalah temperatur absolut dari suatu permukaan (K). Persamaan ini diverifikasi secara teori pada tahun 1884 oleh Ludwig Boltzman. Eb merupakan kekuatan

emisifitas blackbody.

2.4.1 Log Mean Temperature Difference (LMTD)

Nilai LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference) adalah nilai yang berkaitan dengan perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin penukar panas. Dengan asumsi bahwa aliran pendingin mengalir dalam kondisi tunak (steady state), tidak ada kehilangan panas secara keseluruhan, tidak ada perubahan fase pendingin. Gambar 2.19 menggambarkan perubahan suhu yang dapat terjadi pada salah satu atau kedua fluida dalam penukar panas pada aliran counterflow.

Gambar 2.19 Distribusi Suhu Dalam air heater untuk jenis aliran counterflow Sumber : Incroperara, F. P. and D. P. Dewitt, 1981

keterangan : Th ,i = temperatur inlet pada sisi panas, K Th ,o = temperatur outlet pada sisi panas , K Tc ,i = temperatur inlet pada sisi dingin , K Tc ,o = temperatur outlet pada sisi dingin, K Maka nilai LMTD dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

LMTD = ∆T1−∆T2 ��∆_∆T1_T2 =

∆T2−∆T₁

��∆_∆T2_T1 ...2.11 Dimana :

∆T1 = Th ,i - Tc ,o

∆T2 = Th ,o - Tc ,i

Gambar 2.20 luas perpindahan panas udara

Untuk mencari perpindahan panas pada air heater ini dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :

Q = U A LMTD Joule ...2.12 Dimana :

A= luas perpindahan panas (m2)

U= koefisien perpindahan panas menyeluruh

U= ₁ 1

h .udara + 1 h .g .buang

J/m2K

2.5 Siklus Termodinamika

Siklus Rankine adalah menjadi menggunaka seluruh energi mengenang ilmuwa

Siklus Rankine adalah model operasi ditemukan di adal

Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagai terutama dalam menghitung menggunakan fluida yang bertekanan, buka biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa

temperatur 565oC (batas ketahana

sekitar 30oC. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada 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 karakteristi terdapat dalam jumlah besar, dan murah.

Gambar 2.21bagan sederhana siklus rankine

Sumber : Cengel

gambar 2.22 diagram T-s siklus rankine

Sumber : Cengel 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 iniakan 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.

Penyimpangan Siklus Rankine

Penyimpangan dalam siklus Rankine yang terjadi karena:

1. Adanya friksi fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di boiler

dan kondensor sehingga tekanan steam saat keluar boiler sangat rendah sehingga kerja yang dihasilkan turbin (Wout) menurun dan

efisiensinya menurun. Hal ini dapat diatasi dengan meningkatkan tekanan fluida yang masuk.

2. Adanya kalor yang hilang ke lingkungan sehingga kalor yang

diperlukan (Qin) dalam proses bertambah sehingga efisiensi termalnya

Penyimpangan ini terjadi karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada pompa dan turbin sehingga pompa membutuhkan kerja (Win) yang lebih besar dan

turbin menghasilkan kerja

2.6 Sejarah Perkembangan Alat Pemanas Udara (air heater)

Alat pemanas udara merupakan alat heat exchanger yang mengeksploitasi energi panas yang terkandung pada gas buang (flue gas) untuk memanaskan udara pembakaran. Manfaat alat pemanas udara ini ( air heater) sangat mendukung dalam peningkatan efisiensi pada boiler. Alat pemanas udara (air heater) ini sebagian besar digunakan oleh instalasi pabrik dan kapal.

Sejarah perkembangan alat pemanas udara ( air heater) pada mulanya dikembangkan di Eropa. Unit komersil yang pertama diproduksi berasal dari Amerika Serikat yaitu alat pemanas udara ( air heater) jenis plat rata. Dimana plat yang berdampingan berbentuk jalur-jalur aliran udara dan aliran gas buang (flue gas) yang bersilang-silang.

Alat pemanas udara (air heater) termasuk pada jenis sekunder. Meskipun temperatur gas buang (flue gas) yang akan dibuang ke atmosfer mempunyai temperatur minimum yaitu 80oC. Apabila pembuangan gas buang (flue gas) dibawa temperatur minimum ini, akan mengakibatkan terjadinya pengembunan pada gas buang (flue gas). Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya proses kondensasi pada permukaan saluran cerobong. Proses kondensasi ini menyebabkan terjadinya kadar asam dan sulfur dioksida. Sedikit saja timbul sulfur dioksida pada gas buang (flue gas) akan mempercepat kenaikan temperatur titik embun gas buang (flue gas) tersebut.

Alat pemanas udara (air heater) mernyerap panas dari gas buang (flue gas) yang mana bertujuan untuk memanaskan udara pembakaran. Dalam hal ini alat pemanas udara terbagi menjadi dua jenis, yaitu : rekuperatif dan regeneratif.

Alat pemanas udara rekuperatif adalah alat pengalih panas dengan jenis plat yang bekerja sebagai unit. Arusnya berlawanan arah atau aliran silang. Sedangkan alat pemanas udara regeneratif memakai sebuah susunan rotor besar yang hampir setengah elemennya dipasang pada saluran gas buang (flue gas) dan setengahnya lagi pada saluaran suplai udara.

2.7Jenis-jenis Pemanas Udara

Pada dasarnya pemanas udara ada dua tipe yaitu : 1. Pemanas udara tipe rekuperatif

Pada alat pemanas udara tipe rekuperatif, kalor bepindah secara langsung dari panas gas buang (flue gas) ke udara yang melintas pada permukaan penukar kalor ini, biasanya berbentuk tabung, walaupun ada yang berbentuk plat.

Unit model tabung biasanya berupa penukar kalor selongsong dan tabung aliran berlawanan arah, dimana gas mengalir di dalam tabung-tabung lurus vertikal dan horizontal.

Pemanas udara jenis tabung terdiri atas beberapa macam rancangan yang disesuaikan dengan ruang dan denah pembangkit uap. Pemanas udara ini ada yang mempunyai satu lintasan vertikal dan horizontal dan aliaran searah dan berlawanan arah, alat pemanas udara ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.23 air heater rekuperatif

Sumber

2. Pemanas udara tipe regeneratif

Pemanas udara jenis ini mempunyai sistem atau bekerja berdasarkan regenerasi. Unit ini terdiri dari rotor yang diputar oleh motor listrik melalui roda gigi reduksi sehingga berputar dengan kecepatan rendah 1-3 rpm. Rotor ini dibagi oleh ruji-ruji dari plat dan

dibagi beberapa sektor, dan setor-sektor tersebut diisis oleh plat-plat tipis dan bergelombang sehingga terjadi suatu saluran yang sangat sempit yang menjadi laluan udara dan asap.

Panas udara ini dapat dipakai untuk instalasi-instalasi darat maupun laut. Dengan susunan yang dibuat sedemikian rupa sehingga satu fan menekan udara pembakaran ke dapur api melalui rotor, sedangkan sebagian fan lain menghisap gas asap dari saluran gas asap ke cerobong yang terletak di sebelah ruang pemisah (berbentuk sektor-sektor). Gas-gas asap ini akan memanaskan lempengan-lempengan yang berombak seiring udara pembakaran akan masuk ke ruang pemisah, sedangkan disisi lain akan mengalami pemanasn dari lempengan-lempengan pemanas sehingga temperaturnya akan naik sesuai yang direncanakan.

Rotor akan menggerakkan pemanas udara secara perlahan-lahan, hal ini berfungsi untuk mengambil panas dari gas buang secara optimal dan sisi lainnya pemanas udara akan mengarahkan panas ke udara pembakar.

Gambar 2.24 air heater regeneratif

Sumber :

2.8 Aliran Gas Buang dan Udara

Ketel uap (boiler) merupakan alat yang dapat mengubah fase air menjadi fase uap, dengan memanfaatkan energi panas yang dihasilkan di dalam ruang bakar. Dimana untuk menghasilkan energi panas tersebut dibutuhkan tiga unsur yaitu : bahan bakar, udara , dan panas (temperatur).

Gambar 2.25 skema terjadinya pembakaran

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan

Dari proses pembakaran tersebut akan dihasilkan panas yang berdampak pada temperatur, sedangkan sisa pembakaran adalah gas buang (flue gas). Gas buang dari ruang bakar digunakan untuk memanaskan air, uap, dan udara pembakaran, karena gas buang dari ruang bakar mempunyai temperatur dan tekanan yang tinggi sehingga dimanfaatkan untuk peningkatan efisiensi boiler.

Aliran gas buang yang masih mengandung energi panas pertama dimamfaatkan oleh “ superheater” untuk memanaskan uap jenuh menjadi panas lanjut. Temperatur gas buang (flue gas) ini yang masuk ke superheater sekitar 950oC- 1000oC. Setelah itu gas buang yang keluar dari superheater ini dengan temperatur sekitar 480oC- 600oC dimamfaatkan untuk memanaskan air di ekonomiser sebelum air dipompakan ke boiler drum. Kemudian gas buang dari ekonomiser tersebut akan diteruskan lagi ke alat pemanas udara (air heater) dengan temperatur sekitar 350oC-390oC akan digunakan untuk memanaskan udara pembakaran. Udara pembakaran ini berasal dari lingkungan yang dihisap oleh fan dengan temperatur sekitar 30oC dan tekanan 1 atm. Gas buang keluar alat pemanas udara (air heater) akan dibuang melalui cerobong asap, dimana temperaturnya sekitar 140oC-200oC.

Udara yang dihisap oleh fan sebelum masuk ke alat pemanas udara (air heater) terlebih dahulu dipanaskan di alat pemanas awal udara (air preheater)

Heat

Heat transfer

Mass transfer

Air Fuel

dengan fluida pemanas adalah uap yang dialirkan dari ash sehingga temperatur udara akan naik sekitar 80oC dan tekanan akan turun sekitar 0.95 atm. Kemudian udara akan dipanaskan di alat pemanas udara (air heater). Temperatur udara yang keluar dari alat ini sekitas 250oC-300oC dan tekanan sekitar 0.90 atm, kemudian udara pembakaran ini akan dialirkan ke ruang bakar (burner). Berikut gambar aliran gas buang (flue gas) dan udara.

Gambar 2.26 Aliran Uap, Air, Udara, dan Flue Gas

burner

Air heater

Cerobong

FDF turbin

HTS

LTS

Economizer

Boiler Drum

uap air udara Flue gas

HP. Heater

85oC 365oC

247oC

177oC 480oC

785oC

1200oC

980oC

Air dari feed water tank dipanaskan di HP. Heater menggunakan panas hasil ekstraksi pada turbin. Kemudian air yang dipanaskan akan dipompakan masuk economizer dengan suhu sekitar 160oC. Dan pada economizer air juga akan dipanaskan dengan menggunakan flue gas dengan suhu sekitar 480oC dan suhu air pada economizer sekitar 206oC. Setelah air dipanaskan, air akan masuk boiler drum dan akan dipisahkan antara air dan uap. Uap akan masuk ke low temperature superheater (primary superheater) untuk dipanaskan lanjut dengan flue gas dengan termperatur sekitar 785oC dan temperatur uap yang dihasilkan pada low temperature superheater ini sekitar 426oC selajutnya uap akan masuk ke high temperature superheater ( secondary superheater) untuk dipanaskan lanjut sebelum uap masuk ke turbin. Pada uap juga dipanaskan dengan flue gas dari ruang bakar dengan temperatur sekitar 980oC dan temperatur uap yang dihasilkan adalah sekitar 505oC pada tekanan 85 bar dan akan di alirkan ke turbin yang akan menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.

Flue gas yang dipakai untuk memanaskan high temperature superheater, low temperature superheater, dan economizer tersebut sebelum dialirkan ke cerobong terlebih dahulu digunakan untuk memanaskan udara pembakaran. Udara yang dihisap oleh forced drought fan (FDF) akan dipanaskan terlebih dahulu di air heater. Setelah dipanaskan udara tersebut akan dialirkan ke burner sedangkan flue gas tersebut akan dialirkan kecerobong dan akan dilepaskan ke atmosfer.

2.9 Prinsip Kerja Pemanas Udara (air heater)

Alat pemanas udara (air heater) yang digunakan di PT. PLN sektor Belawan khususnya PLTU unit 3-4 menggunakan alat pemanas udara tipe regeneratif yang memakai susunan rotor yang hampir setengah elemennya dipasang pada saluran gas buang (flue gas) dan setengah lagi dipasang pada saluran suplai udara pembakaran seperti gambar berikut.

Gambar 2.27 air heater

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan

Alat pemanas udara (air heater) khususnya di PLTU unit 3-4 mempunyai dua sisi aliran yang berbeda yaitu sisi panas (hot) dan sisi dingin(cool). Sisi panas merupakan sisi aliran gas buang dan sisi dingin merupakan sisi aliran udara yang akan dipanaskan. Diantara sisi panas dan dingin terdapat eleman dari plat-plat yang mampu menyerap panas dan melepas panas. Ukuran penampang dari sisi panas lebih besar bila dibandingkan dengan sisi dingin, hal ini diharapkan supaya elemen dari alat pemanas udara ini mampu menyerap energi panas yang terkandung pada gas buang sebanyak mungkin.

Alat pemanas udara ini mempunyai kecepatan putaran sekitar 1.4-1.6 rpm. Hal ini mempunyai tujuan agar gas buang yang melewati sisi panas dapat bertahan lebih lama sehingga elemen ini mampu menyerap panas yang terkandung

pada gas buang sebanyak mungkin dan pada elemen sisi dingin diharapkan udara yang lewat mampu menyerap panas dari elemen yang dipanaskan oleh gas buang.

Elemen yang berputar terdiri dari lapisan yang bergelombang dan secara bergantian dipanaskan gas buang dan sebaliknya didinginkan oleh udara. Elemen bergelombang tersebut terdiri dari dua sigmen yaitu : sigmen atas dan sigmen bawah. Dengan di putar oleh rotor posisi sisi panas dan dingin akan bergantian secara periodik.

2.9.1 Komponen air heater

1. Elemen Pemanas (Heating Surface)

Elemen pemanas yang berupa lempengan-lempengan plat metal yang terbagi menjadi 2 bagian secara vertikal yaitu sisi atas Hot End

layerdan sisi bawah Cold End layer. Plat itu terpasang pada suatu poros

yang di susun pada kompartemen silindris yang terbagi secara radial yang semua bagiannya di sebut sebagai rotor. Rotor ini berputar dalam ruangan yang memiliki sambungan duct di kedua sisinya satu sisi di aliri gas buang, sisi lain berisi udara baik primer maupun sekunder. Saat rotor diputar, setengah bagiannya memasuki saluran gas buang dan menyerap energi panas yang terkandung di dalamnya sedangkan setengah bagian yang lain mentransfer panas dari elemen ke udara pada sisi saluran udara sehingga menghasilkan udara panas yang selanjutnya akan dipasok ke furnace.

2. Penggerak Rotor

Rotor di gerakan oleh motor listrik yang diletakan di luar elemen pemanas. Penggerak rotor dihubungkan pada central, dan terdapat dua motor penggerak yang mempunyai kecepatan 1455 rpm. Dua motor tersebut dihubungkan dengan central melalui gearbox dengan rasio tranmisi 9.110/1 yang dihubungkan oleh kopling feksibel pada gearbox kedua. Gearbox kedua menggunakan roda gigi cacing (worm gear) dengan dua langkah, yang pertama dengan rasio 43/4 dan yang kedua 59/4. Setelah kecepatan berkurang dengan dua gearbox, rasionya menjadi 1444.5/1, keluaran main motor menjadi 1,07 rpm dan auxilliarymenjadi 0,5 rpm.

3. Seal Rotor

Seal (perapat) berfungsi sebagai pencegah kebocoran fluida baik udara maupun gas buang yang melewati elemen panas pada saat operasi.Pada kondisi normal aliran udara memilki level tekanan yang lebih tinggi dari aliran gas hal inilah yang rawan akan kebocoran. Seal rotor dalam APH terdiri dari :

a. Radial Seal

Seal radial terpasang sesuai dengan posisi rotor yang posisinya terhadap plate rotor dapat di setting dan mempunyai standar sesuai dengan desain manufaktur. Dalam mensetting juga memperhatikan expansi rotor akibat temperature tinggi. Radial seal berfungsi untuk mereduksi kebocoran langsung dari area udara ke gas buang.

b. Axial Seal

Axial seal dipasang pada sisi luar dari rotor memanjang dari sisi hot endsampai dengan cold end. Seal bekerja sama dengan radial seal untuk meminimalkan gap antara rotor dengan seal.

c. Circumferential seal

Letaknya disekeliling dan pusat rotor. Fungsi utama adalah mencegah kebocoran udara atau gas buang saat berputarnya rotor, dalam melakukan fungsi ini di bantu axial seal.

4. Bearing

Pada sisi bagian atas dan bawah rotor inner drum, terdapat roller guide bearing (SKF C3172M/C4 dan auto-centered roller thrust bearing

(SKF 29480EM) yang dipasang untuk menahan beban rotor arah

horizontal dan beban axial vertical.

2.10 Proses Perpindahan Panas Pada Air heater

Menurut Hukum Termodinamika Kedua “ Bahwa tidak mungkin menukar tenaga kalor keseluruhan menjadi tenaga bersih”. Akan tetapi menurut persamaanenergi “ Bahwa panas yang diserap sama dengan panas yang dilepas”, yaitu :

Dimana pada alat pemanas udara fluida yang menyerap panas adalah udara, sedangkan fluida yang melepas panas adalah gas buang. Dalam hal ini besar panas yang diserap udara dan besar panas yang dilepas gas buang dapat dihitung dengan persamaan berikut.

Menurut Holman J.P (1993), sifat fluida dingin dievaluasi pada temperatur rata-rata adalah :

Tc =

���+���

2 ...2.13 Dimana :

Tci : temperatur udara masuk (oC)

Tco : temperatur udara keluar (oC)

Sedangkan untuk sifat fluida panas :

Th=

�ℎ�+�ℎ�

2 ...2.14 Dimana :

Thi : temperatur gas buang masuk (oC)

Tho : temperatur gas buang keluar (oC)

Menurut William J.S (1988) besar panas yang diserap fluida dingin (udara) adalah sebagai berikut :

Q = m x cp x ∆T

Qserap = mudara x cp udara x ( Tu.out – Tu.in) ...2.15

Dimana :

Qserap : besar panas yang diserap udara (kJ∕jam)

mudara : laju aliran massa udara (kg∕jam)

cp udara : panas jenis udara (kJ∕kg oC)

Tu.out : temperatur udara keluar (oC)

Tu.in : temperatur udara masuk (oC)

Sedangkan panas yang dilepas gas buang adalah :

Qlepas = mg.buang x cp g.buang x ( Tg.b.in – Tg.b.out) ...2.16

Dimana :

Mg.buang : laju aliran gas buang (kg∕jam)

cp g.buang : panas jenis gas buang (kJ∕kg oC)

Tg.b.in : temperatur gas buang masuk (oC)

Tg.b.out : temperatur gas buang keluar (oC)

2.11 Sifat Fisik Bahan Bakar

Tabel 2.1 Sifat Fisik Minyak Residu

Sumber : PT. PLN (Persero) Belawan

Pour Point (Titik Tuang)

Pour Point adalah suhu terendah dimana suatu fraksi dapat mengalir atau dituangkan, Penentuan pour point ini berfungsi dalam menentukan cocok tidaknya jenis pompa untuk memindahkan fraksi dari suatu tempat ke tempat lain pada suhu tertentu. Dengan mengetahui titik tuang fraksi tersebut maka dapat diketahui pada suhu berapakah fraksi itu dapat dialirkan dengan pompa baik itu dari dalam sumur maupun saat proses transportasi.

Flash Point (Titik Nyala)

Flash point adalah temperatur dimana fraksi akan menguap dan menimbulkan api bila terkena percikan api dan kemudian mati dengan sendirinya dengan rentan waktu yang cepat. Hal ini disebabkan karena pada kondisi tersebut

No analisa satuan Method ASTM

batasan Hasil 06-03-15

Hasil 13-03-13

Hasil 21-03-15 1 Pour point oC D 97-85 < 26.7 10 12 11 2 Flsh point oC D 93-85 > 65.6 95 83 81 3 Water

content

%V KF 870 < 0.75 0.1713 0.2040 0.4525 4 Sulphur

content

%W D 129-64 < 3.5 0.5704 0.8783 0.3097 5 API gravity

at 60oF

... D 1250 >11.43 16.00 17.53 16.05 6 Sp. Gravity at

60/60oF

... D 1298-85

< 0.99 0.9593 0.9495 0.9590 7 Viscositas

T 100oF

cSt D 445-86 98.8-380.07 262.68 271.19 267.50 Redwood 400-1500 1063.85 1098.32 1083.37 8 Heating value kJ/kg D 240-85 >41868.38 42475 43729 43453

Btu/lb >18000 18264 18803 18685 Kcal/kg >10006.57 10166 10466 10400 9 Ash content % W D 482-80 <0.15 0.0049 0.0069 0.0020

belum mampu untuk membuat bahan bakar bereaksi dan menghaslikan api yang kontiniu. Flash point dapat ditentukan dengan melakukan pemanasan yang tetap terhadap suatu fraksi bahan bakar, setelah mencapai titik suhu tertentu maka fraksi tersebut akan mengalami penguapan. Uap tersebut akan menyala jika sumber api di arahkan pada uap tersebut sehingga akan menimbulkan percikan api dan akan padam dengan sendirinya akibat adanya tekanan uap dari bawahnya. jadi dengan kata lain, semakin tinggi flash point suatu fraksi maka akan sulit untuk terbakar begitupun jika fraksi memiliki flash point rendah berarti akan mudah terjadi pembakaran.

Viskositas (Kekentalan)

Viskositas ialah nilai yang diukur dari daya hambatan aliran yang dialami suatu fluida pada suatu tekanan tertentu, biasanya sering disebut kekentalan atau penolakan terhadap penuangan. Contoh sederhananya yaitu membandingkan air dengan oli, tentu air akan lebih cepat mengalir jika dibandingakan dengan oli, dikarenakan kekentalan yang dimiliki oli lebih tinggi dari air. Sehingga dapat kita simpulkan bahwa semakin tinggi vikositas suatu cairan maka semakin susah cairan tersebut untuk bergerak mengalir begitupun sebaliknya.

Api Gravity dan Specific Gravity (SG)

Berat jenis adalah salah satu sifat fisika hidrokarbon yang dalam Teknik Perminyakan umumnya dinyatakan dalam Specific Gravity (SG) atau dengan ºAPI. Specific Gravity (SG) didefinisikan sebagai perbandingan antara densitas minyak dengan densitas air yang diukur pada tekanan dan temperature standart (60 ºF dan 14,7 psia).

Hubungan antara ºAPI dengan Spesific Gravity (SG) adalah

Sedangkan penulisan SG adalah

Penentuan berat jenis minyak ( crude oil ) dilakukan dengan alat hydrometer, dimana penunjuk specific gravity dapat dibaca langsung pada alat.

Untuk temperatur yang lebih dari 60 ºF, perlu dilakukan koreksi dengan menggunakan chart yang ada. Kualitas dari minyak (minyak berat maupun minyak ringan) ditentukan salah satunya oleh specific gravity. Temperatur minyak mentah juga dapat mempengaruhi viskositas atau kekentalan minyak tersebut. Hal ini yang dijadikan dasar perlunya diadakan koreksi terhadap temperatur standart 60 ºF.

Sedangkan untuk menentukan Spesific Gravity gas, alat yang digunakan adalah effusiometer, dengan memasukkan gas kedalam alat tersebut dan menghitung waktunya saat menekan air keluar dalam alat tersebut setelah sampai batas yang ditentukan, gas dihentikan sedangkan perhitungan waktunya juga dilakukan untuk kembalinya air didalam alat tersebut.

Kemudian melihat temperatur yang tertera di termometer. Untuk waktu yang tercatat T1 dan T2 dimasukkan rumus T1 / T2 = T ( true ) dan temperatur ºAPI.

Kemudian mengkoreksi hingga menemukan SG-nya. Penentuan SG gas sangat diperlukan mengingat gas yang terkandung dalam minyak berbeda-beda.

Gas yang terkandung dalam minyak tersebut dapat mempengaruhi harga minyak tersebut.

Harga 0 API untuk berat jenis minyak mentah (crude oil) antara lain : - Minyak berat = 10 – 20 0API

- Minyak sedang = 20 – 30 0 API

- Minyak ringan = > 30 0API

Specific Gravity dari minyak bumi adalah perbandingan antara berat yang diberikan oleh minyak bumi tersebut pada volume tertentu dengan berat air suling pada volume tertentu, dengan berat air suling pada volume yang sama dan diukur pada temperatur 60 0F. Sedangkan 0API (Amercan Petroleoum Institute) gravity minyak bumi menunjukkan kualitas minyak bumi tersebut berdasarkan standar dari Amerika. Makin kecil berat jenis (SG) atau makin besar 0API-nya akan sedikit mengandung lilin atau residu aspal, atau paraffin. Namun dewasa ini minyak berat dapat dibuat fraksi bensin lebih banyak dengan menggunakan metode Cracking dalam penyulingan, namun proses ini memerlukan banyak biaya.

2.12Berat dan Volume Bahan Bakar

Gas buang (flue gas) terbentuk dari hasil pembakaran di dalam ruang bakar. Pada proses pembakaran sempurna gas buang terdiri dari komponen-komponen karbon dioksida, sulfur dioksida, air (uap) dan sisa pembakaran seperti unsur oksigen. Proses pembakran yang sempurna akan memiliki komponen-komponen gas asap seperti : CO2, H2O, SO2, N2, dan O2.

Berdasarkan reaksi kimia pembakkaran, dapat ditentukan besar dan volume gas buang hasil pembakaran , sebagai berikut :

Berat dan volume hasil pembakaran 0.851 karbon (C) adalah : Untuk berat

(CO2)w = 11

3 �� kg CO2/ kg b. bakar...2.17 Untuk volume

(CO2)v = 5.6

3 �� m 3

CO2 / kg b.bakar...2.18

Berat dan volume hasil pembakaran 0.108 Hidrogen (H2) adalah :

Untuk berat

(H2O)w = 9 x H2 kg H2O/ kg b.bakar ...2.19

Untuk volume

(H2O)v = 11.2 x H2 m3H2O/ kg b.bakar ...2.20

Berat dan volume hasil pembakaran 0.033 kg Sulfur (S) adalah : Untuk berat

(SO2)w = 2 x S kg S / kg b.bakar...2.21

Untuk volume (SO2)v =

5.6 8 �� m

3

S /kg b.bakar ...2.22

Berat dan volume dari Excess air 0.004 Oksigen(O2)

Untuk berat

(O2)w Excess = fa x 23.2% x (Wa)th kg O2 / kg b.bakar...2.23

Untuk volume

(O2)v Excess = fa (1.865 x C) + 0.6986 ...2.24

Berat dan volume hasil pembakaran 0.0002 Nitrogen (N2) adalah :

Untuk berat

Untuk volume (N2)v =

79

21�3(O2)v Excess m 3

N2 /kg b.bakar ...2.26

Berat dan volume gas karbon monoksida dari hasil pembakaran adalah : Untuk berat

(CO)w = 3

7x C ...2.27 Untuk volume

(CO)w = 5.6

3 x (Wkarbon – (CO2)v...2.28 Maka berat gas buang adalah :

Wg = 1 + (Wa)th x (R – Ash) kg g.buang / kg b.bakar...2.29

Untuk R adalah angka kelipatan udara R = (��)���

(��)�ℎ...2.30 Untuk berat gas buang basah adalah :

(Wg)basah = 1 + [(Wa)akt – A] kg g.buang / kg b.bakar...2.31

Jadi berat gas buang (flua gas) perjamnya adalah :

(Wg)tot = Wf x Wg kg g.buang / jam ...2.32

Analisa gas buang sebagai berikut : (CO2)w =

3.12

15.528 x 100% = 20.09% ...2.33 (H2O)w =

0.972

15.528 x 100% = 6.25% ...2.34 (SO2)w =

0.066

15.528 x 100% =0.42%...2.35 (O2)w =

0.2205

15.528 x 100% = 1.42% ...2.36 (N2)w =

11.15

15.528 x 100% = 71.8% ...2.37 Berat gas buang kering adalah sebagai berikut :

(Wg)kering = (Wg)basah – (H2O)w kg g.buang / kg b.bakar...2.38

Jadi berat gas asap perjam adalah :

(Wg)tot = Wf x Wg kg g.buang / kg b.bakar...2.39

Analisa berat gas buang kering (CO2)w =

3.12

14.556 x 100% = 21.43% ...2.40 (SO2)w =

0.066

(O2)w = 0.2205

14.556 x 100% = 1.51% ...2.42 (N2)w =

11.15

14.556 x 100% = 76.6% ...2.43 Volume gas buang asap adalah ;

(V)g = (1.865 ��)+ (0.7 ��)

0.11 + 1.24 [(9x H2) – M]m 3

/kg b.bakar ...2.44

Jadi volume gas buang perjam adalah sebagai berikut :

(Vg)tot = Wf x Vg m3/kg b.bakar ...2.45

Dimana H2O terdapat pada gas buang basah yaitu :

(H2O)v = 1.24 x (9 x H2 + M)m3H2O / kg b.bakar ...2.46

Untuk volume gas buang kering adalah :

(V)g = (CO2)v + (SO2)v + (O2)v + (N2)vm3 / kg b.bakar...2.47

Maka volume gas buang perjam adalah :

(Vg)tot = Wf x Vg m3 / kg b.bakar ...2.48

2.13Efisiensi Boiler

Efisiensi termis boiler adalah energipanas masuk yang digunakan secaraefektif untuk menghasilkansteam.

Gambar 2.28 Diagram neraca energi

Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikutmemberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitansteam.

Metode yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan pada skripsi ini adalah metode langsung. Secara umum skripsi ini akan membahas analisa nilai kalor bahan bakar dan perhitungan efisiensi boiler.

Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler : 1. Metode Langsung

Energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler. Metodologi Dikenal juga sebagai „metode input-output’ karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus:

Efisiensi boiler

ƞ

th =

�������

������ x 100% ...2.49 Keuntungan metode langsung

• Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler • Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan

• Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan

• Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark

Kerugian metode langsung

• Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistem yang lebih rendah

• Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi

2. Metode Tidak Langsung

Efisiensi merupakan perbedaan antar kehilangan dan energi masuk. Metodologi Standar acuan untuk Uji Boiler di tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units.

Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut:

Efisiensi boiler,

ƞ

th= 100% - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)% ...2.50

Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh:

i. Gas cerobong yang kering

ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar

iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran

v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung.

Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan.

Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah:

Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu)

• Persentase oksigen atau CO2 dalam gas buang

• Suhu gas buang dalam oC (Tf)

• Suhu awal dalam oC (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering

• LHV bahan bakar dalam kkal/kg

• Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat)

• LHV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)

Keuntungan metode tidaklangsung

Dapat diketahui neraca bahan dan energi yang lengkap untuk setiap aliran, yang dapat memudahkan dalam mengidentifikasi opsi-opsi untuk meningkatkan efisiensi boiler.

Kerugian metode tidak langsung • Perlu waktu lama

• Memerlukan fasilitas laboratorium untuk analisis.

2.14Maintenance (Pemeliharaan) 2.14.1 Tujuan Pemeliharaan

1. Untuk menentukan secara terperinci keadaan suatu unit pembangkit dan alat-alat bantunya agar tidak merugikan secara finansial, keamanan dan membantu menaikan efisiensi unit secarakeseluruhan,sehingga unit pembangkit tersebut beroperasi secara optimum,normal, baik dan aman, serta dapat mencapai umur yang direncanakan. Dengan demikian diharapkan kerusakan fatal dapat dicegah.

2. Dengan menggunakan cara atau metode yang sesuai dan mempertimbangkan faktor-faktor ekonomis sehingga akan dicapai: a. Keadaan yang tinggi

b. Kemampuan yang tinggi

c. Usia pakai (masa guna) yang lama (panjang)

d. Terhindar dari pemborosan biaya,suku cadang,material,alat kerja dan tenaga kerja

e. Mempercepat pengembalian modal dan memberikan keuntungan

f. Aman terhadap petugas dan lingkungannya, terutama saat menggunakan critical unit

g. Efisiensi yang optimal

i. Unjukkerja (performance) yang optimal

j. Teratur rapi danmemberikan suasanayang menyenangkan k. Berproduksi sesuai dengan rencana produksinya

l. Kualitas barang yang diproduksi sesuai dengan yang direncanakan

m. Mengurangi penyimpangan atas penggunaan alat n. Terbentuknya kerjasama dengan unit-unit lain

2.14.2 Jenis – Jenis Pemeliharaan

1. Preventive Maintenance

Preventive maintenance atau pemeliharaan preventif adalah pemeliharaan untuk mencegah terjadinya kerusakan yang tiba-tiba (tidak terduga sebelumnya) dan mempertahankan unjuk kerja sesuai/mendekati dengan yang digaransikan atau life time. Sifat pemeliharaan preventif adalah terencana yaitu pemeliharaan yang dilakukan pada selang waktu, untuk mengurangi kemungkinan peralatan mengalami perubahan kondisi. Dimana dilakukan pemeriksaan pada peralatan unit secara periodik sesuai buku petunjuk masing - masing. Melakukan pemeliharaan berencana meliputi :

1. pemeriksaan dan pembersihan secara teratur (termasuk daerah sekitarnya)

2. service berkala : mengencangkan baut dan mur yang kendor, tambah/ganti pelumas.

3. Penyetelan berkala: bongkar/pasang dan pembersihan serta setting (misalnya pemeliharaan pompa).

4. Perbaikan kerusakan - kerusakan ringan (misalnya penggantian ring piston pada compressor).

5. Overhaul/inspection: mengganti/memperbaikibagian-bagian yang sudah mencapai batas umur/rusak (misalnya penggantian bearing pompa atau bearing FDF).

6. Memodifikasi/menyempurnakan dan peremajaan karena disain kurang sempurna (misalnya modifikasi line soot blowing).

Pemeliharaan preventif akan menjaga peralatan tetap bersih dari kotoran cair, padat dan udara sekitarnya.

Contoh pemeliharaan preventif :

1. membersihkan/mengganti saringan udara udara, pelumas, dsb. 2. Mengganti/menambah minyak pelumas pada pompa.

3. Pengaturan/penggantian gland packing pada valve.

Pemeliharaan preventif berupa usaha pencegahan yang dilakukan oleh regu pemeliharaan agar peralatan dapat dioperasikan dengan baik dan aman, serta usia panjang

Alasan dilakukan preventive maintenance:

1. Karena kerusakan dapat membahayakan keselamatankerja 2. Karenakerusakan dapat mengurangikualitas produksi.

2. Corrective Maintenance

Corrective maintenance adalah suatu pemeliharaan yang dilakukan ketika komponen peralatan mengalami kerusakan dan mengganggu sistem. Adapun komponen dari suatu peralatan yang sering mengalami kerusakan misalnya bearing dan impeler pompa, ring piston compressor, dan lain sebagainya.

3. Prediktive maintenance

Prediktive maintenance merupakan salah satu bagian terpenting. Karena kegiatan ini akan sangat menunjang terlaksananya preventive maintenance. Sehingga kegagalan yang datang secara tiba – tiba dalam suatu operasi unit PLTU di sektor belawan akan terhindar. Karena kegiatan ini salah satu bentuk memprediksi umur suatu komponen peralatan, salah satu contohnya bearing pompa, atau FDF.

Pada dasarnya life time suatu bearing sudah ditentukan oleh fabrikan bearing tersebut sesuai dengan jenis batasan pembebanan bearing, namun pada kenyataannya dilapangan sering tidak sesuai dengan standart life timebearing yang telah ditentukan karena kondisi pembebanan yang dialami bearing selalu berubah – rubah begitupun jenis pembebanannya.

Oleh karena itu diperlukan prediktive maintenance terhadap kondisi seperti yang dipaparkan di atas, tentunya hal tersebut didukung oleh pengetahuan dan pengalaman teknisi har boiler. Kegiatan prediktive maintenance yang sering dilakukan pada peralatan boiler adalah pada FDF PLTU unit 3/4. Dan tindakan yang sering dilakukan adalah pengecekan vibrasi dari FDF PLTU unit 3/4.

4. Pemeliharaan Boiler

Salah satu bentuk pemeliharaan boiler di PLTU belawan disusun jadwal pemeliharaannya. Adapun jenis dari pemeliharaan yang telah disusun berdasarkan jadwal tersebut adalah :

a. Pemeliharaan Harian

Pemeliharaan harian oleh har boiler meliputi pengecekan dan penambahan pelumas seperti pada pompa, compressor dan lain sebagainya.

b. Pemeliharaan Mingguan

Pemeliharaan mingguan oleh har boiler meliputi pengecekan dan penambahan pelumas pompa dan compressor dan pengencangan baut – baut pada sejumlah peralatan.

c. Pemeliharaan Bulanan

Pemeliharaan bulanan oleh har boiler meliputi grease pada bearing air heater PLTU unit 3/4 dan grease peralatan – peralatan soot blower dan pengecekan valve. d. Pemeliharaan 3 Bulanan

Pemeliharaan 3 bulanan oleh boiler meliputi pengecekan dan penggantian komponen – komponen peralatan seperti penggantian gland packing pada valve maupun pada soot blower, packing seal teflon dan V- belt pada compressor, bearing dan pelumas pada pompa atau compressor , dan coolant dan pembersihan kisi – kisi radiator pada compressor PLTU unit 2 dan lain sebagainya.

e. Pemeliharaan 6 Bulanan

Pemeliharaan 6 bulanan oleh har boiler meliputi pengecekan dan penggantian komponen – komponen yang telah memasuki life time atau bilamana ditemukan kerusakan atau ausnya suatu peralatan meskipun masih jauh dari life time dari komponen peralatan tersebut. Pada umumnya inspeksi tersebut hampir meliputi seluruh peralatan – peralatan yang ada di boiler.

5. Pelaksanaan Pemeliharaan Peralatan Boiler dan Alat Bantu

1. Pemeliharaan Force Draft Fan ( FD fan ) PLTU unit 3/4 Pemeliharaan FD fan yang dilakukan bertujuan untuk mengembalikan unjuk kerja FD fan pada kondisi semula. Mengingat bahwa FD fan adalah suatu peralatan yang menyuplai udara pembakaran maka alat ini sangat vital dan harus segera diperbaiki bilamana terjadi

gangguan. Adapun perbaikan yang dilakukan terhadap FD fan ini adalah penggantian bearing dan poros mesin.

2. Pemeliharaan Compressor PLTU unit 3/4

Pemeliharaan yang terjadi pada compressor PLTU unit 3/4 adalah dikarenakan karena compress compressor kurang dan suara kasar maka untuk mengatasi masalah tersebut dilakukan perbaikan terhadap compressor dengan melakukan penggantian piston ring, packing valve udara sisi suction dan discharge yang berbahan teflon.

3. Pelumasan Bearing Air Heater PLTU unit 3/4

Pelumasan bearing air heater dilakukan untuk menjaga unjuk kerja air heater tetap pada kondisi yang handal. Mengingat peralatan ini bertemperatur tinggi dan sangat vital keberadaannya, karena apabila mengalami gangguan dapat menyebabkan unit trip atau stop maka diperlukan pemeliharaan berkala berupa penggantian pelumas berdasarkan yang dijadwalkan untuk menjaga bearing hingga pada life time nya.

4. PemeliharaanCheck valve, Isolating valve dan Safety Valve Valve merupakan alat untuk mengisolasi aliran fluida dan juga sebagai pengaman suatu peralatan ( header pipa ). Kerusakan yang sering terjadi pada valve adalah bocor flow, bocor dari gland packing, bocor dari packing sealbody valve, dan korosi pada body valve. Maka untuk mengatasi masalah tersebut dilakukan tindakan perbaikan berupa skur terhadap disk valve untuk valve jenis isolating valve atau check valve, skur serta adjust terhadap stem dan diskvalve untuk valve jenis control valve atau safety valve,