Analisa Efisiensi Ketel Uap Sebelum Dan Sesudah Menggunakan Ekonomiser Di PT. Multimas Nabati Asahan Chapter III IV
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
3.1.1 Tempat penelitian
Tempat penulis melakukan penelitian adalah di Departemen Energi PT.
Multimas Nabati Asahan.
3.1.2 Waktu penelitian
Penelitian dilakukan mulai 29 November – 25 Desember 2015
3.2 Alat dan Bahan
3.2.1 Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini untuk memperoleh data di PT.
Multimas Nabatai Asahan yaitu sebagai berikut:
•
Orificemeter, digunakan untuk mengukur jumlah aliran air atau yang uap
yang masuk ke komponen SPTU. Pembacaan data dilakukan di control room.
Gambar 3.1 Orificemeter
Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Orifice_meter
•
Termometer, digunakan untuk mengukur suhu air dan uap pada SPTU. Hasil
pengukuran kemudian akan disampaikan ke control room.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.2 Termometer
Sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/Termometer
•
Manometer, digunakan untuk mengukur tekanan uap di dalam ketel dan
turbin. Pembacaan data dilakukan di control room.
Gambar 3.3 Manometer
Sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/Manometer
Universitas Sumatera Utara
3.2.2. Bahan
Bahan yang digunakan adalah data yang diperoleh dari penelitian ketel uap
PT. Multimas Nabati Asahan. Tabel di bawah merupakan data yang diperoleh dari
PT. Multimas Nabati Asahan untuk menghitung energy panas yang diserap setiap
alat pemanas ketel uap.
Tabel 3.1 Data ketel uap sebelum menggunakan ekonomiser
Unit Sistem
Jenis data
Pengamatan
Satuan
(rata-rata)
Ketel uap
Kapasitas ketel uap
46,12
Ton/jam
Temperatur uap keluar high
391
℃
48
Bar (g)
365
℃
365
℃
334
℃
Temperatur air keluar waterwall
293,5
Temperatur air masuk waterwall
137
℃
temperature superheater
Tekanan uap keluar high
temperature superheater
Temperatur uap masuk high
temperature superheater
Temperatur uap keluar low
temperature superheater
Temperatur uap masuk low
temperature superheater
℃
Universitas Sumatera Utara
Tabel 3.2 Data ketel uap setelah penggunaan ekonomiser
Unit Sistem
Jenis data
Pengamatan
Satuan
(rata-rata)
Ketel uap
Kapasitas ketel uap
45,44
Ton/jam
Temperatur uap keluar high
407,7
℃
48
Bar (g)
368
℃
376,5
℃
355,5
℃
198
℃
153
℃
temperature superheater
Tekanan uap keluar high
temperature superheater
Temperatur uap masuk high
temperature superheater
Temperatur uap keluar low
temperature superheater
Temperatur uap masuk low
temperature superheater
Temperatur air keluar
ekonomiser
Temperatur air masuk
ekonomiser
Tabel 3.3 Sifat fisik bahan bakar
Nama Unsur
Fiber
Cangkang
Karbon (C)
49,50 %
51,60 %
Tandan yg
sudah dipress
42,50 %
Hidrogen (H₂)
7,17 %
7,79 %
7,81 %
Nitrogen (N₂)
1,21 %
0,381 %
0,274 %
Total Sulfur (S)
0,155 %
0,040 %
0,042 %
Chloride content (Cl)
0,222 %
0,035 %
0,116 %
Oksigen (O₂)
34,57 %
36,649 %
41,598 %
Ash
7,17 %
3,54 %
7,66 %
Jumlah
100 %
100 %
100 %
Universitas Sumatera Utara
3.3 Prosedur Penelitian
Dalam melakukan penelitian tugas akhir ini metode yang penulis gunakan
adalah metode survey. Penulis langsung melakukan survey ke PT. Multimas
Nabati Asahan untuk mengumpulkan data-data dalam menganalisa efisiensi
watertube ketel uap. Langkah-langkah yang penulis lakukan dalam penelitian ini
adalah:
1.
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. Dalam melakukan pengumpulan data dalam penelitian ini
penulis melakukan survey ke PT. Multimas Nabati Asahan untuk
mendapatkan data-data yang diperlukan dalam penulisan skripsi ini.
Dimana data-data yang penulis butuhkan adalah sebagai berikut :
•
Spesifikasi Ketel uap
•
Steam pressure superheater (bar)
•
Temperatur feed tank (°C)
•
Temperatur daerator (°C)
•
Temperatur out let steam (°C)
•
Steam flow (ton uap/jam)
•
Konsumsi bahan bakar (ton/jam)
•
Analisis bahan bakar
Pengambilan data berdasarkan kerja yang dilakukan siklus pada saat
kondisi beban yang sudah ditentukan.
b. Metode Interview
Suatu metode pengumpulan data melalui wawancara atau tanya jawab
secara langsung dengan pihak pekerja instansi/perusahaan untuk
memperoleh data-data yang diperlukan.
Universitas Sumatera Utara
c. Studi Literatur
Pengumpulan referensi dari berbagai tempat dan sumber-sumber yang ada
kaitannya dengan objek yang diteliti yang nantinya berguna untuk
mengembangkan hasil observasi dan interview.
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 kemudian dianalisa efisiensi
ketel uap.
Universitas Sumatera Utara
3.5 Skema alur pengerjaan skripsi
Mulai
Studi
Literatur
Survey
Pengambilan
Data
Analisa data
Tidak
•
•
•
•
Menghitung efisiensi water tube
Membandingkan efisiensi baru dengan
sekarang
Menghitung variasi tekanan superheater
dengan efisiensi ketel uap
Variasi jumlah uap dengan efisiensi ketel
uap
Hasil
Ya apabila
Efisiensi
sesudah pemakaian
economizer lebih besar
dari sebelumnya
Kesimpulan
Gambar 3.4 Alur Pengerjaan Skripsi
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Perhitungan Bahan Bakar
Adapun bahan bakar yang digunakan di ketel uap PT. Multimas
Nabati Asahan adalah bahan bakar padat yang mana bahan bakarnya
adalah campuran bahan bahan bakar fiber, bahan bakar cangkang sawit,
dan bahan bakar tandan sawit yg sudah di-press dimana ketiga campuran
bahan bakar ini memiliki persentasi yang berbeda. Hal ini dapat dilihat
dari kebutuhan bahan bakar perbulan yang berbeda-beda. Adapun
persentasi ketiga bahan bakar ini adalah sebagai berikut:
Jumlah bahan bakar ketel uap yang digunakan perhari adalah
sebagai berikut:
a.
Bahan bakar fiber adalah 71,645 ton/hari
b.
Bahan bakar tandan sawit yang sudah dipress adalah 171,118 ton/hari
c.
Bahan bakar cangkang adalah 83,856 ton /hari.
Jadi jumlah bahan bakar total yang digunakan sekitar 326,619 ton perhari.
Mencari persentasi bahan bakar yang digunakan:
1
Persentase Bahan bakar fiber
=
,
x 100%
,
= 0,219 x100%
= 21,9%
2
Persentase bahan bakar cangkang =
,
,
x100%
= 0,258x100%
= 25,8%
3
Persentase bahan bakar tandan sawit yang sudah dipress =
,
.
x100%
= 0,523x100%
Universitas Sumatera Utara
= 52,3%
Komposisi bahan bakar
Berikut data yang diperoleh dari PT. Multimas Nabati Asahan mengenai
kandungan unsur-unsur yang terdapat pada fiber, cangkang sawit, dan kulit kayu
adalah sebagai berikut:
Tabel 4.1 Komposisi dari unsur-unsur kimia bahan bakar
Nama Unsur
Fiber
Cangkang
Tandan yg
sudah dipress
Karbon (C)
49,50 %
51,60 %
42,50 %
Hidrogen (H₂)
7,17 %
7,79 %
7,81 %
Nitrogen (N₂)
1,21 %
0,381 %
0,274 %
Total Sulfur (S)
0,155 %
0,040 %
0,042 %
Chloride content (Cl)
0,222 %
0,035 %
0,116 %
Oksigen (O₂)
34,57 %
36,649 %
41,598 %
Ash
7,17 %
3,54 %
7,66 %
Jumlah
100 %
100 %
100 %
Maka komposisi bahan bakar adalah sebagai berikut:
C =(
H =
,
N =
,
Cl =
,
S =(
,
,
O =(
Ash =
,
,
,
,
,
,
,
,
%) + (
,
% +
,
% +
%) + (
% +
=
,
,
,
,
,
,
% +
%) + (
,
% +
,
%) + (
%
,
,
,
,
,
% +
,
%) + (
% +
,
,
,
,
,
%
,
,
,
,
%) =
%
= ,
,
,
%) + (
% +
,
,
,
= ,
%
%) = ,
= ,
,
% = ,
%)
%
%
%
%
%
Universitas Sumatera Utara
4.2 Nilai Kalor Bahan Bakar
Nilai kalor (heating value) adalah banyaknya energi panas yang diperoleh
dari hasil pembakaran 1 kg bahan bakar. Nilai kalor ini dibagi menjadi dua :
a.
Nilai kalor Tertinggi atau High Heating Value (HHV)
Nilai kalor tertinggi atau High Heating Value (HHV) adalah banyaknya kalor
yang dihasilkan pada proses pembakaran 1 kg bahan bakar tanpa adanya
kandungan air pada bahan bakar. Untuk menghitung nilai kalor tertinggi (HHV)
digunakan persamaan (14)
HHV=(33950 X 0,4638) +144200(0,07663-
,
) +(9400 x
0,00065)
=15.746,01 +3.551,646 +6,11
=19.303,766 kJ/kg
b.
Nilai kalor terendah atau Low Heating Value (LHV)
Nilai kalor terendah atau low heating value (LHV) adalah banyaknya kalor yang
dihasilkan pada proses pembakaran 1 kg bahan bakar dan sebagian dimanfaatkan
untuk penguapan sehingga kandungan air pada bahan bakar akan habis. Untuk
menghitung nilai kalor terendah (LHV) digunakan persamaan (15)
LHV =19.303,766-2400(0 + 9 x 0,07663)
=19.303,766-1.655,208
=17.648,558 kJ/kg
4.3 Kebutuhan Bahan Bakar
Pada ketel uap PT. Multimas Nabati Asahan menghasilkan uap maksimal
55 ton/jam, namun jumlah uap yang dimasukkan dalam perhitungan adalah ratatata uap yang dihasilkan dalam periode 18 November-18 Desember 2016 yaitu
sebesar 45,44 ton/jam (dapat dilihat pada tabel penelitian ketel uap ). Untuk
menghasilkan uap ini dibutuhkan bahan bakar dengan jumlah tertentu. Jumlah
bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap sebesar itu dapat dicari
dengan persamaan (4)
Kebutuhan bahan bakar sebelum mengunakan ekonomiser
Universitas Sumatera Utara
Ws = 46.120 kg/jam
P = 4,8 Mpa
T = 391 ℃
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
350
3081,5
391
h
400
3205,7
−
−
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3183,346
Untuk tekanan 5 MPa
T
h
350
3069,3
391
h
400
3196,7
−
−
h=3173,77
Jadi untuk tekanan 4,8 MPa
P
h
4,5
3183,346
4,8
h
5,0
3173,77
, − ,
=
, − ,
,
−
,
h=3177,6
,
−ℎ
Dengan menggunakan tabel termodinamika, didapat nilai H sebesar
3177,6 kJ/kg.
Ha = entalpi air pengisi ketel uap T=137℃; P=4,8 MPa
T
h
135
567,75
137
H
140
589,16
−
−
=
h=576,317
,
,
−
,
−ℎ
Universitas Sumatera Utara
LHV = Nilai kalor rendah bahan bakar 17.648,558 kJ/kg
Ƞk
= Efisiensi termal ketel uap (0,70)
.
wf =
a
.
.
,
, −
= 9.711,127 kg/jam
x ,
,
kJ/kg
Kebetuhan bahan bakar setelah menggunakan ekonomiser
Ws : 45.440kg/jam
Hsat : Entalpi uap keluar superheater P=48 bar
P=4,8 Mpa
T=407,7℃
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
400
3205,7
407,7
h
450
3224,2
−
−
,
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3208,5
Untuk tekanan 5 MPa
T
h
400
3196,7
407,7
h
450
3317,2
−
−
,
h=3215,3
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
P
h
4,5
3208,5
4,8
h
5,0
3215,3
, − ,
=
, − ,
, −
,
, −ℎ
h=3212,6
Universitas Sumatera Utara
Dengan menggunakan tabel termodinamika ,didapat nilai h sebesar
3212,6 kj/kg.
Ha=Entalpi air pengisi ketel uap T=198 ℃; P=4,8MPa
T
h
195
829,78
198
h
200
852,26
−
−
=
h=843,27
,
,
−
,
−ℎ
LHV = Nilai kalor rendah bahan bakar 17.648,558 kJ/kg
Ƞk
wf
= Efisiensi termal ketel uap (0,70)
=
.
a
.
.
.
, −
= 8.714,784 kg/jam
x ,
,
kJ/kg
4.4 Kesetimbangan Panas
Kesetimbangan panas adalah perbandingan energi panas yang
dihasilkan pada proses pembakaran dengan energi yang digunakan:
Dimana:
Q
= W x LHV x ƞ f kJ/jam
Qin = Energi panas yang dihasilkan (kJ/jam)
Wf = Kapasitas bahan bakar (kg/jam)
LHV = Nilai kalor rendah (kJ/kg)
Ƞf
= Efisiensi dapur teori berkisar 90% −
% diasumsikan 90%
Maka: Qin sebelum menggunakn ekonomiser
Qin = 9.711,127kg/jam x 17.648,558 kJ/kg x 0,90
= 154.248.649,7 kJ/jam
Qin setelah menggunakan ekonomiser
Universitas Sumatera Utara
Qin = 8.714,784kg/jam x 17.648,558 kJ/kg x 0,90
= 138.423.033,8 kJ/jam
4.5 Efisiensi Ketel Uap Sebelum Menggunakan Ekonomiser
Energi keluar adalah energi yang diperlukan untuk pembentukan
uap saturasi pada ketel uap yaitu :
Dimana:
QSa = Ws x H sat − Ha
kJ
Jam
Qsat = Energi panas yang diperlukan untuk mengubah air
menjadiuap(kJ/jam)
Ws
= Kapasitas aliran uap (kg/jam)
Hsat = Entalpi uap saturasi pada T = 293,5℃
T
Interpolasi pada T =293,5 ℃
h
290
2766,7
293,5
h
295
2758,7
−
−
,
=
hsat = 2761,1
, −
,
, −ℎ
Ha= entalpi air pengisi ketel uap pada T = 137℃
T
h
135
567,75
137
h
140
589,16
−
−
=
,
,
h= 576,317
−
,
−ℎ
Universitas Sumatera Utara
Maka besar panas yang dbutuhkan adalah sebesar
Qsat=Ws( hsat –ha) kJ/kg
Q sat=46.120 kg/jam x (2761,1 – 576,317)
Qsat=100.762.192
a
J
4.5.1 Besar panas yang diserap high temperature superheater (HTS)
Besar panas yang diserap high temperature superheater (HTS)
dapat dihitung dengan persamaan (2)
Dari hasil Interpolasi sebelumnya pada P=4,8 Mpa; T=391℃
didapat
Hout = 3177,6
Hin = Entalpi masuk HTS Pada P=4,8 Mpa; T=356℃
Interpolasi Pada P=4,8 Mpa T=356℃
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
350
3081,5
365
h
400
3205,7
−
−
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3118,786
Untuk tekanan 5 MPa
T
H
350
3069,3
365
H
400
3196,7
−
−
h=3107,547
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
P
h
Universitas Sumatera Utara
4,5
3118,786
4,8
h
5,0
3107,547
,
, − ,
=
, − ,
,
−
h=3112,043
,
−ℎ
Maka :
QHTS = 46.120 Kg/jam x(3177,6-3112,043) kj/kg
= 3.234.488,84
kJ
jam
4.5.2 Besar panas yang diserap low temperature superheater (LTS)
Besar panas yang diserap Low Temperature Superheater (LTS) dapat
dihitung dengan persamaan (1)
Hout = Entalpi kaluar LTS pada P=4,8 Mpa; T=365
Dari hasil interpolasi sebelumnya didapat Hout =3112,043
Tout LTS=Tin HTS
Hin=entalpi masuk LTS P=4,8 MPa T=325,5℃
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
300
2944,2
334
h
350
3081,5
−
−
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3037,564
Untuk tekanan 5 MPa
T
h
300
2925,7
334
h
350
3069,3
−
−
h=3023,348
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
Universitas Sumatera Utara
P
h
4,5
3037,564
4,8
h
5,0
3023,348
,
, − ,
=
, − ,
,
−
h=3029,034
,
−ℎ
Maka:
QLTS =46120 Kg/jam ( 3112,043 kJ/kg-3029,034 kJ/kg)
QLTS =3.828.375,08 kJ/jam
Jadi panas yang digunakan adalah:
QTOT =QSAT + QHTS +QLTS kJ/jam
= 100.762.192 + 3.234.488,84 +3.828.375,08kJ/jam
=107.825.055,9 kJ/jam
Sehingga efeisiensi dari ketel uap adalah:
�
k=
k=
x 100%
��
107.825.055,9
.
.
Ƞk=69, %
,
4.6 Efisiensi Ketel Uap Sesudah Menggunakan Ekonomiser
Energi keluar adalah energi yang diperlukan untuk pembentukan
uap saturasi pada ketel uap dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan (13)
Interpolasi pada T =312oC
T
h
310
2727,9
312
h
315
2715,0
−
−
=
, −
,
, −ℎ
h=2.722,77
Universitas Sumatera Utara
Ha = entalpi air pengisi ketel uap pada T = 198℃
Ha pada 198oC=843,27 kJ/kg
Maka besar panas yang dbutuhkan adalah sebesar
Qsat=Ws( hsat –ha) kJ/kg
Q sat=45440 kg/jam x (2.722,77 – 843,27)
Qsat=85.404.480
k�
jam
4.6.1 Besar panas yang diserap high temperature superheater (HTS)
Besar panas yang diserap high temperature superheater (HTS) dapat
dihitung dengan persamaan (2)
Dari hasil Interpolasi sebelumnya pada P=4,8 Mpa; T=407,7
diperoleh Hout=3212,6
Hin=entalpi masuk HTS Pada P=4,8 Mpa T=368oC
Interpolasi Pada P=4,8 Mpa T=368oC
Untuk tekanan 4,5
T
h
350
3069,3
368
H
400
3196,7
T
h
350
3069,3
368
h
400
3196,7
−
−
=
h=3126,212
, −
,
, −ℎ
Untuk tekanan 5 MPa
−
−
=
, −
,
, −ℎ
h=3115,164
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
P
h
Universitas Sumatera Utara
4,5
3126,212
4,8
h
5,0
3115,164
,
, − ,
=
, − ,
,
−
h=3119,583
,
−ℎ
Maka :
QHTS = 45.440 kg/jam x(3212,6-3119,583) kJ/kg
= 4.226.692,48
k�
jam
4.6.2 Besar panas yang diserap low temperature superheater (LTS)
Besar Panas Yang Diserap Low Temperature Superheater (LTS) dapat
dihitung dengan persamaan (2)
Dari hasil interpolasi sebelumnya didapat Hout =3141,033
Tout LTS=Tin HTS
Hin=entalpi masuk LTS P=4,8 Mpa; T=355,5oC
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
350
3081,5
355,5
h
400
3205,7
−
−
,
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3095,202
Untuk tekanan 5 MPa
T
h
350
3069,3
355,5
h
400
3196,7
−
−
,
h=3083,355
Universitas Sumatera Utara
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
P
h
4,5
3095,202
4,8
h
5,0
3083,355
,
, − ,
=
, − ,
,
−
h=3088,094
,
−ℎ
Interpolasi pada suhu T=355,5oC P=4,8 M Pa didapat hin=3088,094 kJ/kg
Maka:
QLTS =45440 Kg/jam (3141,033 kJ/kg-3088,094 kJ/kg)
QLTS =2.405.548 kJ/jam
4.6.3 Besar panas yang diserap ekonomiser
Besar Panas yangdiserap Ekonomiser dapat dihitung dengan
persamaan (3)
hasil interpolasi dari tabel pada Tf = 434.5 K)
Interpolasi panas jenis pada Tf=434.5K
T
Cp
430
2,369
434,5
Cp
440
2,46
−
−
=
,
,
− ,
, −
Cp=2,41
Tout : temperatur keluarekonomiser T = 198oC
Tin : temperatur masuk ekonomiser T = 153oC
Maka:
QECO =45440 kg/jam x 2,41 x (45)
QECO =45440 kg/jam x 2,41 x 45
QECO =4.927.968 kJ/jam
Jadi panas yang digunakan adalah:
QTOT =QSAT + QHTS +QLTS +QECO kJ/jam
= 85.404.480+4.226.692,48 +2.405.548 +4.927.968
kJ/jam
=96.964.688,48 kJ/jam
Universitas Sumatera Utara
Sehingga efeisiensi dari ketel uap adalah:
�
k=
k=
x 100%
��
.
.
k=70,04%
,48
,
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Universitas Sumatera Utara
5.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang didapat penulis dari penelitian ini adalah sebaai
berikut:
1
Efisiensi ketel uap sebelum menggunakan ekonomiser adalah 69,9%
2
Efisiensi ketel uap setelah menggunakan ekonomiser adalah 70,04%
3
Dari perhitungan efisiensi ketel uap di dapat data-data berikut:
➢ Sebelum penggunan ekonomiser
a.Energi panas yang diserap HTS
: 3.234.488,84 kJ/jam
b. Energi panas yang diserap LTS
: 3.828.375,08 kJ/jam
➢ Setelah penggunaan ekonomiser
a.Energi panas yang diserap HTS
: 4.226.692,48 kJ/jam
b. Energi panas yang diserap LTS
: 2.405.548 kJ/jam
c.Energi panas yang diserap ekonomiser
: 4.927.968 kJ/jam
5.2 Saran
Saran penulis dari penelitian ini adalah:
1
Untuk peneliti selanjutnya dapat dilanjutkan untuk penelitian teoritis
flue gas.
2
Lebih teliti dalam perhitungan entalpi serta dalam melihat tabel.
Universitas Sumatera Utara
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
3.1.1 Tempat penelitian
Tempat penulis melakukan penelitian adalah di Departemen Energi PT.
Multimas Nabati Asahan.
3.1.2 Waktu penelitian
Penelitian dilakukan mulai 29 November – 25 Desember 2015
3.2 Alat dan Bahan
3.2.1 Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini untuk memperoleh data di PT.
Multimas Nabatai Asahan yaitu sebagai berikut:
•
Orificemeter, digunakan untuk mengukur jumlah aliran air atau yang uap
yang masuk ke komponen SPTU. Pembacaan data dilakukan di control room.
Gambar 3.1 Orificemeter
Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Orifice_meter
•
Termometer, digunakan untuk mengukur suhu air dan uap pada SPTU. Hasil
pengukuran kemudian akan disampaikan ke control room.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.2 Termometer
Sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/Termometer
•
Manometer, digunakan untuk mengukur tekanan uap di dalam ketel dan
turbin. Pembacaan data dilakukan di control room.
Gambar 3.3 Manometer
Sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/Manometer
Universitas Sumatera Utara
3.2.2. Bahan
Bahan yang digunakan adalah data yang diperoleh dari penelitian ketel uap
PT. Multimas Nabati Asahan. Tabel di bawah merupakan data yang diperoleh dari
PT. Multimas Nabati Asahan untuk menghitung energy panas yang diserap setiap
alat pemanas ketel uap.
Tabel 3.1 Data ketel uap sebelum menggunakan ekonomiser
Unit Sistem
Jenis data
Pengamatan
Satuan
(rata-rata)
Ketel uap
Kapasitas ketel uap
46,12
Ton/jam
Temperatur uap keluar high
391
℃
48
Bar (g)
365
℃
365
℃
334
℃
Temperatur air keluar waterwall
293,5
Temperatur air masuk waterwall
137
℃
temperature superheater
Tekanan uap keluar high
temperature superheater
Temperatur uap masuk high
temperature superheater
Temperatur uap keluar low
temperature superheater
Temperatur uap masuk low
temperature superheater
℃
Universitas Sumatera Utara
Tabel 3.2 Data ketel uap setelah penggunaan ekonomiser
Unit Sistem
Jenis data
Pengamatan
Satuan
(rata-rata)
Ketel uap
Kapasitas ketel uap
45,44
Ton/jam
Temperatur uap keluar high
407,7
℃
48
Bar (g)
368
℃
376,5
℃
355,5
℃
198
℃
153
℃
temperature superheater
Tekanan uap keluar high
temperature superheater
Temperatur uap masuk high
temperature superheater
Temperatur uap keluar low
temperature superheater
Temperatur uap masuk low
temperature superheater
Temperatur air keluar
ekonomiser
Temperatur air masuk
ekonomiser
Tabel 3.3 Sifat fisik bahan bakar
Nama Unsur
Fiber
Cangkang
Karbon (C)
49,50 %
51,60 %
Tandan yg
sudah dipress
42,50 %
Hidrogen (H₂)
7,17 %
7,79 %
7,81 %
Nitrogen (N₂)
1,21 %
0,381 %
0,274 %
Total Sulfur (S)
0,155 %
0,040 %
0,042 %
Chloride content (Cl)
0,222 %
0,035 %
0,116 %
Oksigen (O₂)
34,57 %
36,649 %
41,598 %
Ash
7,17 %
3,54 %
7,66 %
Jumlah
100 %
100 %
100 %
Universitas Sumatera Utara
3.3 Prosedur Penelitian
Dalam melakukan penelitian tugas akhir ini metode yang penulis gunakan
adalah metode survey. Penulis langsung melakukan survey ke PT. Multimas
Nabati Asahan untuk mengumpulkan data-data dalam menganalisa efisiensi
watertube ketel uap. Langkah-langkah yang penulis lakukan dalam penelitian ini
adalah:
1.
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. Dalam melakukan pengumpulan data dalam penelitian ini
penulis melakukan survey ke PT. Multimas Nabati Asahan untuk
mendapatkan data-data yang diperlukan dalam penulisan skripsi ini.
Dimana data-data yang penulis butuhkan adalah sebagai berikut :
•
Spesifikasi Ketel uap
•
Steam pressure superheater (bar)
•
Temperatur feed tank (°C)
•
Temperatur daerator (°C)
•
Temperatur out let steam (°C)
•
Steam flow (ton uap/jam)
•
Konsumsi bahan bakar (ton/jam)
•
Analisis bahan bakar
Pengambilan data berdasarkan kerja yang dilakukan siklus pada saat
kondisi beban yang sudah ditentukan.
b. Metode Interview
Suatu metode pengumpulan data melalui wawancara atau tanya jawab
secara langsung dengan pihak pekerja instansi/perusahaan untuk
memperoleh data-data yang diperlukan.
Universitas Sumatera Utara
c. Studi Literatur
Pengumpulan referensi dari berbagai tempat dan sumber-sumber yang ada
kaitannya dengan objek yang diteliti yang nantinya berguna untuk
mengembangkan hasil observasi dan interview.
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 kemudian dianalisa efisiensi
ketel uap.
Universitas Sumatera Utara
3.5 Skema alur pengerjaan skripsi
Mulai
Studi
Literatur
Survey
Pengambilan
Data
Analisa data
Tidak
•
•
•
•
Menghitung efisiensi water tube
Membandingkan efisiensi baru dengan
sekarang
Menghitung variasi tekanan superheater
dengan efisiensi ketel uap
Variasi jumlah uap dengan efisiensi ketel
uap
Hasil
Ya apabila
Efisiensi
sesudah pemakaian
economizer lebih besar
dari sebelumnya
Kesimpulan
Gambar 3.4 Alur Pengerjaan Skripsi
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Perhitungan Bahan Bakar
Adapun bahan bakar yang digunakan di ketel uap PT. Multimas
Nabati Asahan adalah bahan bakar padat yang mana bahan bakarnya
adalah campuran bahan bahan bakar fiber, bahan bakar cangkang sawit,
dan bahan bakar tandan sawit yg sudah di-press dimana ketiga campuran
bahan bakar ini memiliki persentasi yang berbeda. Hal ini dapat dilihat
dari kebutuhan bahan bakar perbulan yang berbeda-beda. Adapun
persentasi ketiga bahan bakar ini adalah sebagai berikut:
Jumlah bahan bakar ketel uap yang digunakan perhari adalah
sebagai berikut:
a.
Bahan bakar fiber adalah 71,645 ton/hari
b.
Bahan bakar tandan sawit yang sudah dipress adalah 171,118 ton/hari
c.
Bahan bakar cangkang adalah 83,856 ton /hari.
Jadi jumlah bahan bakar total yang digunakan sekitar 326,619 ton perhari.
Mencari persentasi bahan bakar yang digunakan:
1
Persentase Bahan bakar fiber
=
,
x 100%
,
= 0,219 x100%
= 21,9%
2
Persentase bahan bakar cangkang =
,
,
x100%
= 0,258x100%
= 25,8%
3
Persentase bahan bakar tandan sawit yang sudah dipress =
,
.
x100%
= 0,523x100%
Universitas Sumatera Utara
= 52,3%
Komposisi bahan bakar
Berikut data yang diperoleh dari PT. Multimas Nabati Asahan mengenai
kandungan unsur-unsur yang terdapat pada fiber, cangkang sawit, dan kulit kayu
adalah sebagai berikut:
Tabel 4.1 Komposisi dari unsur-unsur kimia bahan bakar
Nama Unsur
Fiber
Cangkang
Tandan yg
sudah dipress
Karbon (C)
49,50 %
51,60 %
42,50 %
Hidrogen (H₂)
7,17 %
7,79 %
7,81 %
Nitrogen (N₂)
1,21 %
0,381 %
0,274 %
Total Sulfur (S)
0,155 %
0,040 %
0,042 %
Chloride content (Cl)
0,222 %
0,035 %
0,116 %
Oksigen (O₂)
34,57 %
36,649 %
41,598 %
Ash
7,17 %
3,54 %
7,66 %
Jumlah
100 %
100 %
100 %
Maka komposisi bahan bakar adalah sebagai berikut:
C =(
H =
,
N =
,
Cl =
,
S =(
,
,
O =(
Ash =
,
,
,
,
,
,
,
,
%) + (
,
% +
,
% +
%) + (
% +
=
,
,
,
,
,
,
% +
%) + (
,
% +
,
%) + (
%
,
,
,
,
,
% +
,
%) + (
% +
,
,
,
,
,
%
,
,
,
,
%) =
%
= ,
,
,
%) + (
% +
,
,
,
= ,
%
%) = ,
= ,
,
% = ,
%)
%
%
%
%
%
Universitas Sumatera Utara
4.2 Nilai Kalor Bahan Bakar
Nilai kalor (heating value) adalah banyaknya energi panas yang diperoleh
dari hasil pembakaran 1 kg bahan bakar. Nilai kalor ini dibagi menjadi dua :
a.
Nilai kalor Tertinggi atau High Heating Value (HHV)
Nilai kalor tertinggi atau High Heating Value (HHV) adalah banyaknya kalor
yang dihasilkan pada proses pembakaran 1 kg bahan bakar tanpa adanya
kandungan air pada bahan bakar. Untuk menghitung nilai kalor tertinggi (HHV)
digunakan persamaan (14)
HHV=(33950 X 0,4638) +144200(0,07663-
,
) +(9400 x
0,00065)
=15.746,01 +3.551,646 +6,11
=19.303,766 kJ/kg
b.
Nilai kalor terendah atau Low Heating Value (LHV)
Nilai kalor terendah atau low heating value (LHV) adalah banyaknya kalor yang
dihasilkan pada proses pembakaran 1 kg bahan bakar dan sebagian dimanfaatkan
untuk penguapan sehingga kandungan air pada bahan bakar akan habis. Untuk
menghitung nilai kalor terendah (LHV) digunakan persamaan (15)
LHV =19.303,766-2400(0 + 9 x 0,07663)
=19.303,766-1.655,208
=17.648,558 kJ/kg
4.3 Kebutuhan Bahan Bakar
Pada ketel uap PT. Multimas Nabati Asahan menghasilkan uap maksimal
55 ton/jam, namun jumlah uap yang dimasukkan dalam perhitungan adalah ratatata uap yang dihasilkan dalam periode 18 November-18 Desember 2016 yaitu
sebesar 45,44 ton/jam (dapat dilihat pada tabel penelitian ketel uap ). Untuk
menghasilkan uap ini dibutuhkan bahan bakar dengan jumlah tertentu. Jumlah
bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap sebesar itu dapat dicari
dengan persamaan (4)
Kebutuhan bahan bakar sebelum mengunakan ekonomiser
Universitas Sumatera Utara
Ws = 46.120 kg/jam
P = 4,8 Mpa
T = 391 ℃
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
350
3081,5
391
h
400
3205,7
−
−
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3183,346
Untuk tekanan 5 MPa
T
h
350
3069,3
391
h
400
3196,7
−
−
h=3173,77
Jadi untuk tekanan 4,8 MPa
P
h
4,5
3183,346
4,8
h
5,0
3173,77
, − ,
=
, − ,
,
−
,
h=3177,6
,
−ℎ
Dengan menggunakan tabel termodinamika, didapat nilai H sebesar
3177,6 kJ/kg.
Ha = entalpi air pengisi ketel uap T=137℃; P=4,8 MPa
T
h
135
567,75
137
H
140
589,16
−
−
=
h=576,317
,
,
−
,
−ℎ
Universitas Sumatera Utara
LHV = Nilai kalor rendah bahan bakar 17.648,558 kJ/kg
Ƞk
= Efisiensi termal ketel uap (0,70)
.
wf =
a
.
.
,
, −
= 9.711,127 kg/jam
x ,
,
kJ/kg
Kebetuhan bahan bakar setelah menggunakan ekonomiser
Ws : 45.440kg/jam
Hsat : Entalpi uap keluar superheater P=48 bar
P=4,8 Mpa
T=407,7℃
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
400
3205,7
407,7
h
450
3224,2
−
−
,
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3208,5
Untuk tekanan 5 MPa
T
h
400
3196,7
407,7
h
450
3317,2
−
−
,
h=3215,3
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
P
h
4,5
3208,5
4,8
h
5,0
3215,3
, − ,
=
, − ,
, −
,
, −ℎ
h=3212,6
Universitas Sumatera Utara
Dengan menggunakan tabel termodinamika ,didapat nilai h sebesar
3212,6 kj/kg.
Ha=Entalpi air pengisi ketel uap T=198 ℃; P=4,8MPa
T
h
195
829,78
198
h
200
852,26
−
−
=
h=843,27
,
,
−
,
−ℎ
LHV = Nilai kalor rendah bahan bakar 17.648,558 kJ/kg
Ƞk
wf
= Efisiensi termal ketel uap (0,70)
=
.
a
.
.
.
, −
= 8.714,784 kg/jam
x ,
,
kJ/kg
4.4 Kesetimbangan Panas
Kesetimbangan panas adalah perbandingan energi panas yang
dihasilkan pada proses pembakaran dengan energi yang digunakan:
Dimana:
Q
= W x LHV x ƞ f kJ/jam
Qin = Energi panas yang dihasilkan (kJ/jam)
Wf = Kapasitas bahan bakar (kg/jam)
LHV = Nilai kalor rendah (kJ/kg)
Ƞf
= Efisiensi dapur teori berkisar 90% −
% diasumsikan 90%
Maka: Qin sebelum menggunakn ekonomiser
Qin = 9.711,127kg/jam x 17.648,558 kJ/kg x 0,90
= 154.248.649,7 kJ/jam
Qin setelah menggunakan ekonomiser
Universitas Sumatera Utara
Qin = 8.714,784kg/jam x 17.648,558 kJ/kg x 0,90
= 138.423.033,8 kJ/jam
4.5 Efisiensi Ketel Uap Sebelum Menggunakan Ekonomiser
Energi keluar adalah energi yang diperlukan untuk pembentukan
uap saturasi pada ketel uap yaitu :
Dimana:
QSa = Ws x H sat − Ha
kJ
Jam
Qsat = Energi panas yang diperlukan untuk mengubah air
menjadiuap(kJ/jam)
Ws
= Kapasitas aliran uap (kg/jam)
Hsat = Entalpi uap saturasi pada T = 293,5℃
T
Interpolasi pada T =293,5 ℃
h
290
2766,7
293,5
h
295
2758,7
−
−
,
=
hsat = 2761,1
, −
,
, −ℎ
Ha= entalpi air pengisi ketel uap pada T = 137℃
T
h
135
567,75
137
h
140
589,16
−
−
=
,
,
h= 576,317
−
,
−ℎ
Universitas Sumatera Utara
Maka besar panas yang dbutuhkan adalah sebesar
Qsat=Ws( hsat –ha) kJ/kg
Q sat=46.120 kg/jam x (2761,1 – 576,317)
Qsat=100.762.192
a
J
4.5.1 Besar panas yang diserap high temperature superheater (HTS)
Besar panas yang diserap high temperature superheater (HTS)
dapat dihitung dengan persamaan (2)
Dari hasil Interpolasi sebelumnya pada P=4,8 Mpa; T=391℃
didapat
Hout = 3177,6
Hin = Entalpi masuk HTS Pada P=4,8 Mpa; T=356℃
Interpolasi Pada P=4,8 Mpa T=356℃
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
350
3081,5
365
h
400
3205,7
−
−
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3118,786
Untuk tekanan 5 MPa
T
H
350
3069,3
365
H
400
3196,7
−
−
h=3107,547
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
P
h
Universitas Sumatera Utara
4,5
3118,786
4,8
h
5,0
3107,547
,
, − ,
=
, − ,
,
−
h=3112,043
,
−ℎ
Maka :
QHTS = 46.120 Kg/jam x(3177,6-3112,043) kj/kg
= 3.234.488,84
kJ
jam
4.5.2 Besar panas yang diserap low temperature superheater (LTS)
Besar panas yang diserap Low Temperature Superheater (LTS) dapat
dihitung dengan persamaan (1)
Hout = Entalpi kaluar LTS pada P=4,8 Mpa; T=365
Dari hasil interpolasi sebelumnya didapat Hout =3112,043
Tout LTS=Tin HTS
Hin=entalpi masuk LTS P=4,8 MPa T=325,5℃
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
300
2944,2
334
h
350
3081,5
−
−
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3037,564
Untuk tekanan 5 MPa
T
h
300
2925,7
334
h
350
3069,3
−
−
h=3023,348
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
Universitas Sumatera Utara
P
h
4,5
3037,564
4,8
h
5,0
3023,348
,
, − ,
=
, − ,
,
−
h=3029,034
,
−ℎ
Maka:
QLTS =46120 Kg/jam ( 3112,043 kJ/kg-3029,034 kJ/kg)
QLTS =3.828.375,08 kJ/jam
Jadi panas yang digunakan adalah:
QTOT =QSAT + QHTS +QLTS kJ/jam
= 100.762.192 + 3.234.488,84 +3.828.375,08kJ/jam
=107.825.055,9 kJ/jam
Sehingga efeisiensi dari ketel uap adalah:
�
k=
k=
x 100%
��
107.825.055,9
.
.
Ƞk=69, %
,
4.6 Efisiensi Ketel Uap Sesudah Menggunakan Ekonomiser
Energi keluar adalah energi yang diperlukan untuk pembentukan
uap saturasi pada ketel uap dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan (13)
Interpolasi pada T =312oC
T
h
310
2727,9
312
h
315
2715,0
−
−
=
, −
,
, −ℎ
h=2.722,77
Universitas Sumatera Utara
Ha = entalpi air pengisi ketel uap pada T = 198℃
Ha pada 198oC=843,27 kJ/kg
Maka besar panas yang dbutuhkan adalah sebesar
Qsat=Ws( hsat –ha) kJ/kg
Q sat=45440 kg/jam x (2.722,77 – 843,27)
Qsat=85.404.480
k�
jam
4.6.1 Besar panas yang diserap high temperature superheater (HTS)
Besar panas yang diserap high temperature superheater (HTS) dapat
dihitung dengan persamaan (2)
Dari hasil Interpolasi sebelumnya pada P=4,8 Mpa; T=407,7
diperoleh Hout=3212,6
Hin=entalpi masuk HTS Pada P=4,8 Mpa T=368oC
Interpolasi Pada P=4,8 Mpa T=368oC
Untuk tekanan 4,5
T
h
350
3069,3
368
H
400
3196,7
T
h
350
3069,3
368
h
400
3196,7
−
−
=
h=3126,212
, −
,
, −ℎ
Untuk tekanan 5 MPa
−
−
=
, −
,
, −ℎ
h=3115,164
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
P
h
Universitas Sumatera Utara
4,5
3126,212
4,8
h
5,0
3115,164
,
, − ,
=
, − ,
,
−
h=3119,583
,
−ℎ
Maka :
QHTS = 45.440 kg/jam x(3212,6-3119,583) kJ/kg
= 4.226.692,48
k�
jam
4.6.2 Besar panas yang diserap low temperature superheater (LTS)
Besar Panas Yang Diserap Low Temperature Superheater (LTS) dapat
dihitung dengan persamaan (2)
Dari hasil interpolasi sebelumnya didapat Hout =3141,033
Tout LTS=Tin HTS
Hin=entalpi masuk LTS P=4,8 Mpa; T=355,5oC
Untuk tekanan 4,5 MPa
T
h
350
3081,5
355,5
h
400
3205,7
−
−
,
=
, −
,
, −ℎ
=
, −
,
, −ℎ
h=3095,202
Untuk tekanan 5 MPa
T
h
350
3069,3
355,5
h
400
3196,7
−
−
,
h=3083,355
Universitas Sumatera Utara
Jadi untuk tekanan 4,8 Mpa
P
h
4,5
3095,202
4,8
h
5,0
3083,355
,
, − ,
=
, − ,
,
−
h=3088,094
,
−ℎ
Interpolasi pada suhu T=355,5oC P=4,8 M Pa didapat hin=3088,094 kJ/kg
Maka:
QLTS =45440 Kg/jam (3141,033 kJ/kg-3088,094 kJ/kg)
QLTS =2.405.548 kJ/jam
4.6.3 Besar panas yang diserap ekonomiser
Besar Panas yangdiserap Ekonomiser dapat dihitung dengan
persamaan (3)
hasil interpolasi dari tabel pada Tf = 434.5 K)
Interpolasi panas jenis pada Tf=434.5K
T
Cp
430
2,369
434,5
Cp
440
2,46
−
−
=
,
,
− ,
, −
Cp=2,41
Tout : temperatur keluarekonomiser T = 198oC
Tin : temperatur masuk ekonomiser T = 153oC
Maka:
QECO =45440 kg/jam x 2,41 x (45)
QECO =45440 kg/jam x 2,41 x 45
QECO =4.927.968 kJ/jam
Jadi panas yang digunakan adalah:
QTOT =QSAT + QHTS +QLTS +QECO kJ/jam
= 85.404.480+4.226.692,48 +2.405.548 +4.927.968
kJ/jam
=96.964.688,48 kJ/jam
Universitas Sumatera Utara
Sehingga efeisiensi dari ketel uap adalah:
�
k=
k=
x 100%
��
.
.
k=70,04%
,48
,
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Universitas Sumatera Utara
5.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang didapat penulis dari penelitian ini adalah sebaai
berikut:
1
Efisiensi ketel uap sebelum menggunakan ekonomiser adalah 69,9%
2
Efisiensi ketel uap setelah menggunakan ekonomiser adalah 70,04%
3
Dari perhitungan efisiensi ketel uap di dapat data-data berikut:
➢ Sebelum penggunan ekonomiser
a.Energi panas yang diserap HTS
: 3.234.488,84 kJ/jam
b. Energi panas yang diserap LTS
: 3.828.375,08 kJ/jam
➢ Setelah penggunaan ekonomiser
a.Energi panas yang diserap HTS
: 4.226.692,48 kJ/jam
b. Energi panas yang diserap LTS
: 2.405.548 kJ/jam
c.Energi panas yang diserap ekonomiser
: 4.927.968 kJ/jam
5.2 Saran
Saran penulis dari penelitian ini adalah:
1
Untuk peneliti selanjutnya dapat dilanjutkan untuk penelitian teoritis
flue gas.
2
Lebih teliti dalam perhitungan entalpi serta dalam melihat tabel.
Universitas Sumatera Utara