Aplikasi Boiler di Pembangkit Listrik

Aplikasi Boiler di Pembangkit Listrik

Departemen Teknik Sistem Perkapalan

Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS Keputih, Sukolilo, Surabaya 60111

1. PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap)

1.1 Pengertian PLTU

Pembangkit Listrik Tenaga Uap adalah pembangkit yang mengandalikan energi  kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Uap merupakan sumber energi sekunder dalam sistem PLTU, sementara bahan bakar yang digunakan untuk memproduksi uap tersebut merupakan sumber energi primer. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah generator yang terhubung ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap panas / kering. Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam bahan bakar terutama batu-bara dan minyak bakar serta MFO untuk start awal.

Sistem kerja PLTU menggunakan bahan bakar minyak HSD (solar) dan gas alam. Kelebihan dari PLTU adalah daya yang dihasilkan sangat besar. Konsumsi energi pada peralatan PLTU bersumber dari putaran turbin uap. PLTU adalah suatu pembangkit yang menggunakan uap sebagai penggerak utama (prime mover). Untuk hasil uap, maka ada proses untuk memanaskan air. PLTU merupakan suatu sistem pembangkit tenaga listrik yang mengkonversikan energi kimia menjadi energi listrik dengan menggunakan uap air sebagai fluida kerja, yaitu dengan memanfaatkan energi kinetik uap untuk menggerakkan proses sudu-sudu turbin menggerakkan poros turbin, untuk selanjutnya poros turbin menggerakkan generator yang kemudian dibangkitkannya energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan akan menyuplai alat- alat yang disebut beban.

Dengan bahan bakar batubara jika dilihat dari bahan baku untuk memproduksinya maka pembangkit listrik tenaga uap bisa dikatakan pembangkit yang berbahan baku dasar air, karena untuk menghasilkan uap dalam jumlah tertentu. Dalam PLTU ada proses yang terus menerus berlangsung dan berulang-ulang. Prosesnya antara udara menjadi uap kemudian uap kembali menjadi udara dan seterusnya. Proses inilah yang disebut siklus uap pada sistem PLTU.

1.2 Prinsip Kerja PLTU

Prinsip kerja dari PLTU adalah dengan menggunakan siklus udara uap air yang merupakan suatu sistem tertutup air dari kondensat atau air dari hasil proses pengkondensasian di kondensor dan make up water (udara yang dimurnikan) dipompa oleh condensat pump ke pemanas tekanan rendah. Disini air dipanasi kemudian oleh oleh daerator untuk menghilangkan oksigen, maka air ini dipompa oleh boiler feed waetr pump masuk ke ekonomizer. Dari ekonomizer yang selanjutnya dialirkan ke pipa untuk dipanaskan pada tabung boiler.

Pada tabung, air dipanasi berbentuk uap air. Uap air ini dikumpulkan kembali pada steam drum, kemudian dipanaskan lebih lanjut pada superheater sudah berubah menjadi uap kering yang memiliki tekanan dan temperatur tinggi, dan selanjutnya uap ini digunakan untuk menggerakkan sudu turbin tekanan tinggi, untuk sudu turbin menggerakkan poros turbin. Hasil dari putaran poros turbin kemudian berputar poros generator yang dihubungkan dengan coupling, dari putaran ini dihasilkan. Energi listrik yang dihasilkan dari generator disalurkan dan di distribusikan lebih lanjut ke pelanggan. Bebas dari turbin selanjutnya di kondensasikan dari kondensor dan bersama air dari make up water pompa dipompa lagi oleh pompa kondensat masuk ke pemanas tekanan rendah, daerator, pompa air umpan boiler, pemanas tinggi, economizer, dan akhirnya menuju boiler untuk dipanaskan menjadi uap lagi. Proses ini akan terjadi berulang-ulang.

Siklus kerja PLTU yang merupakan siklus tertutup dapat terus dengan diagram T - s (Temperatur - entropi). Siklus ini adalah penerapan siklus rankine ideal Seperti urutan langkahnya adalah sebagai berikut :

a. Pertama-tama air demin berada dalam sebuah tempat bernama hotwell. Air demin (demineralisasi) adalah air yang memiliki konduktivitas (kemampuan untuk menghantarkan listrik) sebesar 0,2 kita (mikro siemen). Sebagai perbandingannya air mineral yang kita minum sehari-hari punya konduktivitas sekitar 100-200 us. Untuk mendapatkan air demin ini, setiap unit PLTU biasanya dilengkapi dengan desalination plant dan demineralization plant yang berfungsi untuk memproduksi air demin. Dari hotwell, air mengalir menuju condensate pump untuk kemudian dipompakan menuju LP heater (low pressure heater) yang berfungsi untuk menghangatkan air pada tahap pertama. Lokasi hotwell dan condensate pump berada dilantai paling dasar dari suatu pembangkit listrik atau biasa disebut dengan ground floor. Selanjutnya udara akan masuk ke daerator.

b. Di daerator air akan mengalami proses pelepasan ion-ion mineral yang masih tertinggal di air dan tidak diperlukan seperti oksigen dan lainnya, bisa pula dikatakan daerator memiliki fungsi untuk menghilangkan gelembung yang biasa ada dipermukaan air. Agar proses pelepasan ini berlangsung sempurna, suhu air harus memenuhi suhu yang disyaratkan. Oleh karena itu selama perjalanan menuju daerator air beberapa proses pemanasan oleh peralatan yang disebut dengan pemanas LP. Letak daerator berada di atas bukan yang paling atas sekitar 4 m dari bagian dasar kontruksi boiler.

c. Dari daerator, air turun kembali ke ground floor. Sesampainya di ground floor, air langsung dipompakan oleh boiler feed pump / BFP (Pompa Air Pengisi) menuju boiler. Air yang dipompakan adalah air yang bertekanan tinggi, karena itu syarat agar uap yang dihasilkan juga bertekanan tinggi Karena kebutuhan kontruksi PLTU daerator berada di lantai atas dan BFP berada di tingkat dasar. Karena dengan meluncurnya air dari ketinggian membuat air menjadi bertekanan tinggi.

d. Sebelum masuk ke boiler, air kembali mengalami beberapa proses pemanasan di HP heater (High Pressure Heater). Setelah itu air masuk ke boiler yang letaknya berada di lantai atas. Di dalam boiler ini terjadi proses memanaskan air untuk menghasilkan uap. Proses ini membutuhkan energi panas yang pada umumnya.

e. Bahan bakar PLTU bermacam macam. Ada yang menggunakan minyak, minyak dan gas

atau istilahnya dual firing dan batubara.

f. Udara untuk pembakaran bahan bakar dipasok oleh force draft fan (FD fan). FD fan mengambil udara luar untuk membantu proses tambahan di boiler. Dalam perjalanannya menuju ke boiler, udara tersebut dinaikkan suhunya oleh air heater (pemanas udara).

g. Kembali ke siklus air. Setelah terjadi, air mulai berubah wujud menjadi uap. Namun uap hasil pembakaran ini belum layak untuk memutar turbin, karena masih uap uap atau uap yang masih mengandung kadar air tinggi (uap basah). Kadar air ini berbahaya bagi turbin, karena dengan putaran hingga 3000 rpm, setitik air sanggup untuk membuat sudu sudu turbin terkikis.

h. Oleh karena itu uap basah dikeringkan kadar air nya jadi menjadi uap yang benar benar kering dan bisa digunakan untuk menggerakkan turbin dan kemudian memutar generator yang terhubung satu poros dengan turbin.

2. Boiler

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas dialirkan ke udara sampai terbentuk udara panas atau uap. Udara panas atau uap pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dengan baik. Air yang telah dimurnikan dipompa melalui pipa ke dalam boiler, kemudian diubah menjadi uap oleh panas yang dihasilkan dari pembakaran batubara. Pada temperatur hingga 1000 derajat fahrenheit dan dibawah tekanan sampai dengan 3500 pon per inci persegi, uap disalurkan ke turbin. Boiler berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. Uap bertekanan sangat tinggi yang dihasilkan boiler dipergunakan untuk memutar turbine. Uap yang dihasilkan boiler adalah uap superheat dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap tergantung pada luas permukaan pemindah panas, laju aliran, dan panas pembakaran yang diberikan. Boiler yang konstruksinya terdiri dari pipa-pipa berisi air disebut dengan water tube boiler.

2.1 Boiler house steel structure

Sesuai dengan namanya, boiler house steel structure adalah bangunan struktur rangka baja, di mana di dalamnya terpasang semua peralatan steam generator. Bangunan rangka baja ini tingginya antara 50 m (PLTU kapasitas 65 MW) hingga 100 m (PLTU kapasitas 600 MW).

2.2 Pressure parts

Pressure part system adalah bagian utama dari steam generator. Bagian inilah yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap bertekanan tinggi (superheated steam) dengan temperatur antara 500 – 600 derajat C.

2.3 Economizer

Economiser adalah alat yang merupakan pemanas air terakhir sebelum masuk ke drum. Di dalam economiser air menyerap panas gas buang yang keluar dari superheater sebelum dibuang ke atmosfir melalui cerobong. Air yang disuplai ke boiler, pertama kali masuk ke economizer inlet header, terus didistribusikan ke economizer elements, berkumpul kembali di eco outlet header lalu disalurkan ke steam drum. Economizer terletak di dalam backpass area (di bagian belakang boiler house), sementara steam drum ada di bagian depan roof area.

Dinamakan economizer karena bagian ini berfungsi untuk menaikkan temperatur air yang baru masuk boiler dengan cara memanfaatkan gas buang dari pembakaran batu bara di furnace area (combustion chamber). Dengan pemanasan awal di economizer ini effisiensi ketel uap dapat ditingkatkan.

Akibat pemanasan secara konveksi di daerah furnace dan karena gaya gravitasi, air di dalam steam drum air mengalami sirkulasi turun ke water wall lower header melalui pipa downcomers. Dari waterwall lower header air kembali mengalami sirkulasi karena panas, naik menuju water wall upper header melalui tube-tube water wall panel. Kemudian dari waterwall upper header air dikembalikan ke steam drum melalui riser pipes. Jadi akibat panas pembakaran batu bara air mengalami sirkulasi terus menerus. Sirkulasi ini menyebabkan air di water wall panel & steam drum sebagian berubah menjadi uap.

2.4 Boiler water circulating pump

Pada PLTU berkapasitas besar, sirkulasi tersebut dibantu oleh Boiler water Circulating Pump yang terpasang pada pipa downcomers bagian bawah. Sirkulasi yang lebih cepat akan menyebabkan kecepatan perubahan air menjadi uap juga lebih besar.

2.5 Steam drum

Di dalam steam drum terdapat separator yang berfungsi untuk memisahkan uap dari air. Uap yang sudah dipisahkan tersebut, dari steam drum disalurkan ke roof steam inlet header yang terhubung ke boiler roof panel. Boiler roof panel ini yang membawa uap ke belakang menuju backpass panel.

Steam Drum adalah bagian dari boiler yang berfungsi untuk :

1.     Menampung air yang akan dipanaskan pada pipa-pipa penguap (wall tube),dan menampung uap air dari pipa-pipa penguap sebelum dialirkan ke superheater.

2.     Memisahkan uap dan air yang telah dipisahkan di ruang bakar ( furnace ).

3.     Mengatur kualitas air boiler, dengan membuang kotoran-kotoran terlarut di dalam boiler melalui continuous blowdown.

4.     Mengatur permukaan air sehingga tidak terjadi kekurangan saat boiler beroperasi yang dapat menyebabkan overheating pada pipa boiler.

Bagian-bagian dari steam drum terdiri dari : feed pipe, chemical feed pipe, sampling pipe, baffle pipe, sparator, scrubber, dryer, dan dry box. Level air dari drum harus selalu dijaga agar selalu tetap setengah dari tinggi drum. Sehingga banyaknya air pengisi yang masuk ke steam drum harus sebanding dengan banyaknya uap yang meninggalkan drum, supaya level air tetap konstan. Batas maksimum dan minimum level air dalam steam drum adalah -250 mm s/d 250 mm dari titik 0 ( setengah tinggi drum ). Pengaturan level air dilakukan dengan mengatur Flow Control Valve. Jika level air di dalam drum terlalu rendah, akan menyebabkan terjadinya overheating pada pipa boiler, sedangkan bila level air dalam drum terlalu tinggi, kemungkinan butir-butir air terbawa ke turbine dan akan mengakibatkan kerusakan pada turbine.

2.6 Low temperature superheater

Dari backpass panel, uap disalurkan ke Low Temperature Superheater (LTS) yang ada di dalam backpass area, di atas economizer elements. dari LTS uap disalurkan ke Intermediate Temperature Superheaters (ITS). Selanjutnya melalui pipa superheater-desuperheater, uap dibawa ke High Temperature Superheater (HTS) elements untuk menjalani proses pemanasan terakhir menjadi superheated steam. ITS dan HTS elements lokasinya berada di dalam furnace (ruang pembakaran batu bara) bagian atas. Beberapa boiler manufacturers memberikan nama yang berbeda kepada LT, IT dan HT superheater.

Dari High Temperature Superheater outlet header, superheated steam dengan temperature 500-600 derajat C dan tekanan sangat tinggi disalurkan ke steam turbine melalui pipa main steam.

2.7 Reheat

Reheater berfungsi untuk memanaskan kembali uap yang keluar dari HP Turbine dengan memanfaatkan gas hasil pembakaran yang temperaturnya relatif masih tinggi. Pemanasan ini bertujuan untuk menaikkan efisiensi sistem secara keseluruhan . Perpindahan panas yang paling dominan pada reheater adalah perpindahan panas konveksi. Perpindahan panas radiasi pada reheater memberikan efek yang sangat kecil sehingga proses ini biasanya diabaikan.Temperatur uap masuk reheater adalah 335oC dengan tekanan sebesar 42,8 kg/cm2, sedangkan temperatur keluarnya adalah 541oC dengan tekanan 39 kg/cm2. Uap ini kemudian digunakan untuk menggerakkan IP Turbine, dan setelah uap keluar dari IP Turbine, langsung digunakan untuk memutar LP Turbine tanpa mengalami pemanasan ulang.

Pada PLTU berkapasitas kecil, uap tersebut masuk ke High Pressure Turbine, terus ke Low Pressure Turbine dan keluar menuju condenser. Sedangkan pada PLTU berkapasitas besar, setelah memutar HP turbine uap tersebut dibawa kembali ke boiler melalui pipa cold reheat. Di dalam boiler uap tersebut mengalami pemanasan kembali di dalam Reheater elements. Reheater elements ini biasanya terletak di antara furnace area dan backpass area. Setelah mengalami pemanasan kembali, reheated steam disalurkan ke Intermediate Pressure Turbine melalui pipa Hot Reheat. Setelah memutar Intermediate dan Low Pressure Turbine, baru uap keluar ke condenser.

2.8 Water tube boiler

Water Tube Boiler atau Boiler Pipa Air. Water tube boiler memiliki karakteristik yang hampir sama dengan Fire tube boiler, jika pada Fire tube boiler itu hanya mampu menyimpan tekanan steam rendah sedangkan pada Water tube boiler mampu menghasilkan kapasitas dan tekanan steam yang tinggi. Bukan hanya itu saja karakteristik dari Water tube boiler diantaranya kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air. Water tube boiler  dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi.

Cara Kerja Water Tube Boiler, proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudian steam yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuah steam-drum. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater dan  primary superheater baru steam dilepaskan ke pipa utama distribusi. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut didalam air tesebut. Hal ini merupakan faktor utama yang harus diperhatikan terhadap tipe ini.

2.9 Wall tube

Dinding boiler terdiri dari tubes / pipa-pipa yang disatukan oleh membran, oleh karena itu disebut dengan wall tube. Di dalam wall tube tersebut mengalir air yang akan dididihkan. Dinding pipa boiler adalah pipa yang memiliki ulir dalam (ribbbed tube), dengan tujuan agar aliran air di dalam wall tube berpusar (turbulen), sehingga penyerapan panas menjadi lebih banyak dan merata, serta untuk mencegah terjadinya overheating karena penguapan awal air pada dinding pipa yang menerima panas radiasi langsung dari ruang pembakaran.

Wall tube mempunyai dua header pada bagian bawahnya yang berfungsi untuk menyalurkan air dari downcomers. Downcomer merupakan pipa yang menghubungkan steam drum dengan bagian bawah low header. Untuk mencegah penyebaran panas dari dalam furnace ke luar melalui wall tube, maka disisi luar dari wall tube dipasang dinding isolasi yang terbuat dari mineral fiber.

2.10 Superheater

Superheater berfungsi untuk menaikkan temperatur uap jenuh menjadi uap panas lanjut dengan memanfaatkan gas panas hasil pembakaran. Uap yang masuk ke Superheater berasal dari steam drum. Superheater terbagi dua yaitu Primary Superheater dan Secondary Superheater.

a.Primary Superheater

Primary Superheater berfungsi untuk menaikkan temperatur uap jenuh yang berasal dari steam drum menjadi uap panas lanjut dengan memanfaatkan gas panas hasil pembakaran. Temperatur masuk primary superheater adalah 304oC dan temparatur keluarnya 414oC.

b.Secondary Superheater

Secondary Superheater terletak pada bagian laluan gas yang sangat panas yaitu diatas ruang bakar dan menerima panas radiasi langsung dari ruang bakar . Temperatur uap masuk secondary superheater adalah 414o C dan temperatur keluar sebesar 541oC, dan tekanan 169 kg / cm2. Uap yang keluar dari secondary superheater kemudian digunakan untuk memutar HP Turbine.

3. Siklus Air di Boiler

Siklus air merupakan suatu mata rantai rangkaian siklus fluida kerja. Boiler mendapat pasokan fluida kerja air dan menghasilkan uap untuk dialirkan ke turbin. Air sebagai fluida kerja diisikan ke boiler menggunakan pompa air pengisi dengan melalui economiser dan ditampung didalam steam drum.

Peralatan yang dilalui dalam siklus air adalah drum boiler, down comer, header bawah (bottom header), dan riser. Siklus air di steam drum adalah, air dari drum turun melalui pipa-pipa down comer ke header bawah (bottom header). Dari header bawah air didistribusikan ke pipa-pipa pemanas (riser) yang tersusun membentuk dinding ruang bakar boiler. Didalam riser air mengalami pemanasan dan naik ke drum kembali akibat perbedaan temperatur.

Perpindahan panas dari api (flue gas) ke air di dalam pipa-pipa boiler terjadi secara radiasi, konveksi dan konduksi. Akibat pemanasan selain temperatur naik hingga mendidih juga terjadi sirkulasi air secara alami, yakni dari drum turun melalui down comer ke headerbawah dan naik kembali ke drum melalui pipa-pipa riser. Adanya sirkulasi ini sangat diperlukan agar terjadi pendinginan terhadap pipa-pipa pemanas dan mempercepat proses perpindahan panas. Kecepatan sirkulasi akan berpengaruh terhadap produksi uap dan kenaikan tekanan serta temperaturnya. Selain sirkulasi alami, juga dikenal sirkulasi paksa (forced circulation). Untuk sirkulasi jenis ini digunakan sebuah pompa sirkulasi (circulation pump). Umumnya pompa sirkulasi mempunyai laju sirkulasi sekitar 1,7, artinya jumlah air yang disirkulasikan 1,7 kali kapasitas penguapan.

4. Prinsip Kerja Boiler pada PLTU

Pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), boiler memegang peranan penting sebagai tempat mengubah air dari fase cair ke fase uap yang bertekanan lebih tinggi dari 1 atm dengan cara memanfaatkan panas. Salah satu jenis boiler adalah Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers(CFBC). Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) memiliki beberapa keunggulan : rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx (UNEP,2006). Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized bedmemiliki kisaran kapasitas antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam. Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan ke atas melalui bed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel tidak akan terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam aliran udara – bed tersebut disebut “fluidized”.

Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida – “bed gelembung fluida/ bubbling fluidized bed”.

Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke temperatur nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan cepat dan bed mencapai temperatur yang seragam. Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada temperatur sekitar 840^oC hingga 950^oC. Karena temperatur ini jauh berada dibawah temperatur fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan yang terkait didalamnya dapat dihindari. Temperatur pembakaran yang lebih rendah tercapai disebabkan tingginya koefisien perpindahan panas sebagai akibat pencampuran cepat dalam fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai diantara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini menjamin operasi bed yang stabil dan menghindari terbawanya partikel dalam jalur gas. Gambar 2.1 menunjukkan skema boiler jenis Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers dengan menggunakan bahan bakar dari batu bara.

Sisitem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam,dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem perpipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan.peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.

5. Evaluasi Kinerja Boiler

Parameter kinerja boiler, seperti jumlah steam yang dihasilkan, jumlah bahan bakar yang dibutuhkan, jumlah udara yang diperlukan dan entalpi steam yang dihasilkan. Meskipun untuk boiler yang baru, alasan seperti buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat membantu dalam mengindetifikasi kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dan efisiensi terbaik dan terget area permasalahan untuk tindakan perbaikan. Pengujian boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dan efisiensi terbaik. Di dalam pengujian boiler, hal yang harus diperhatikan yaitu :

6. Turbin

Turbin uap merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, lansung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang akan digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digunakan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang seperti pada bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi. Pada proses perubahan energi potensial menjadi energi mekanisnya yaitu dalam bentuk putaran poros dilakukan dengan berbagai cara.

Dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda/poros turbin. Pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi, melainkan gerakan rotasi. Bagian turbin yang berputar biasa disebut dengan istilah rotor/roda/poros turbin, sedangkan bagian turbin yang tidak berputar dinamai dengan istilah stator. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang digerakkannya atau memutar bebannya yaitu generator. Di dalam turbin, fluida kerja mengalami ekspansi yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinu. Penamaan turbin didasarkan pada jenis fluida yang mengalir di dalamnya, apabila fluida kerjanya berupa uap maka turbin tersebut disebut dengan turbin uap. Pada dasarnya turbin uap terdiri dari dua bagian utama, yaitu stator dan rotor yang merupakan komponen utama pada turbin kemudian di tambah komponen lainnya yang meliputi pendukunnya seperti bantalan, kopling dan sistem bantu lainnya agar kerja turbin dapat lebih baik. Sebuah turbin uap memanfaatkan energi kinetik dari fluida kerjanya yang bertambah akibat penambahan energi termal.

Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin langsung atau dengan bantuan elemen lain, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung dari jenis mekanisme yang digerakkan turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, seperti untuk pembangkit listrik. Turbin uap digunakan sebagai penggerak mula PLTU, seperti untuk menggerakkan pompa, compressor dan lain-lain. Jika di bandingkan dengan penggerak generator listrik yang lain, turbin uap mempunyai kelebihan lain antara lain:

- Penggunaan panas yang lebih baik.

- Pengontrolan putaran yang lebih mudah

- Tidak menghasilkan loncatan bunga api listrik

- Uap bekasnya dapat digunakan kembali untuk proses.

Siklus yang terjadi pada turbin uap adalah siklus Rankine, yaitu berupa siklus tertutup, dimana uap bekas dari turbin di manfaatkan lagi dengan cara mendinginkanya kembali di kondensor, kemudian dialirkan lagi di pompa dan seterusnya sehingga merupakan siklus tertutup. Secara umum turbin uap dapat digolongkan menjadi tiga macam yaitu turbin impuls, reaksi dan gabungan. Penggolongan ini berdasarkan cara mendapatkan perubahan energi potensial menjadi energi kinetik dari semburan uapnya. Adapun turbin impuls mengubah energi potensial uapnya menjadi energi kinetik didalam nosel (yang dibentuk oleh sudu-sudu diam yang berdekatan). Nosel diarahkan kepada sudu gerak. Didalam sudu-sudu gerak, energi kinetik diubah menjadi energi mekanis. Energi potensial uap berupa ekspansi uap, yang diperoleh dari perubahan tekanan awal hingga tekanan akhirnya di dalam sebuah nosel atau dalam satu grup nosel yang ditempatkan didepan sudu-sudu cakram yang berputar. Penurunan tekanan uap didalam nosel diikuti dengan penurunan kandungan kalornya yang terjadi didalam nosel. Hal ini menyebabkan naiknya kecepatan uap yang keluar dari nosel (energi kinetik). Kemudian energi kecepatan semburan uap yang keluar dari nosel yang diarahkan kepada sudu gerak (sudu-sudu cakram yang berputar) memberikan gaya impuls pada-pada sudu gerak sehingga menyebabkan sudu-sudu gerak berputar (melakukan kerja mekanis).

Atau bisa dapahami secara sederhana pronsip kerja dari turbin impuls yaitu turbin yang proses ekspansi lengkap uapnya hanya terjadi pada kanal diam (nosel) saja, dan energi kecepatan diubah menjadi kerja mekanis pada sudu-sudu turbin. Kecepatan uap yang keluar dari turbin jenis ini bisa mencapai 1200/detik. Turbin jenis ini pertama kali dibuat oleh de Laval, yang mana turbin ini mampu beroperasi pada putaran 30.000rpm. Pada aplikasinya turbin impuls ini dilengkapi dengan roda gigi reduksi untuk memindahkan momen putar ke mekanisme yang akan digerakkan seperti generator listrik.

Turbin reaksi yaitu turbin yang ekspansi uapnya tidak hanya terjadi pada laluan-laluan sudu pengarah (nosel) yang tetap saja tetapi juga terjadi pada laluan sudu gerak (sudu-sudu cakram yang berputar), sehingga terjadi penurunan keseluruhan kandungan kalor pada semua tingkat sehingga terdistribusi secara seragam. Turbin yang jenis ini umumnyan digunakan untuk kepentingan industri. Kecepatan uap yang mengalir pada turbin (yang biasanyan nekatingkat) lebih rendah yaitu sekitar 100 – 200 m/detik.

7. Generator

Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesin uap, air yang jatuh melakui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber energi mekanik yang lain.

Konversi energi elektromagnetik yaitu perubahan energi dari bentuk mekanik ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik. Generator sinkron (alternator) merupakan jenis mesin listrik yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan bolak-balik dengan cara mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang digerakkan oleh penggerak mula (prime mover), sedangkan energi listrik diperoleh dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan stator dan rotornya. Generator sinkron dengan definisi sinkronnya, mempunyai makna bahwa frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis generator tersebut. Rotor generator sinkron yang diputar dengan penggerak mula (prime mover) yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan menghasilkan medan magnet putar dengan kecepatan dan arah putar yang sama dengan putaran rotor tersebut. Generator sinkron sering kita jumpai pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik (dengan kapasitas yang relatif besar). Misalnya, pada PLTA, PLTU, PLTD dan lain-lain. Selain generator dengan kapasitas besar, kita mengenal juga generator dengan kapasitas yang relatif kecil, misalnya generator yang digunakan untuk penerangan darurat yang sering disebut Generator Set atau generator cadangan.

8. Siklus Termodinamika

8.1 Siklus rankine

Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas yang disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida bergerak. Pada steam boiler, ini akan menjadi reversible tekanan konstan pada proses pemanasan air untuk menjadi uap air, lalu pada turbin proses ideal akan menjadi reversible. ekspansi adiabatik dari uap, pada kondenser akan menjadi reversible tekanan konstan dari panas uap kondensasi yang masih saturated liquid dan pada proses ideal dari pompa akan terjadi reversible kompresi adiabatik pada cairan akhir dengan mengetahui tekanannya. Ini adalah siklus reversible, yaitu keempat proses tersebut terjadi secara ideal yang biasa disebut Siklus Rankine. 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.

Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.

8.2 Siklus rankine ideal

Siklus ideal yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap adalah siklus rankine. Siklus rankine berbeda dengan siklus – siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi. Perbedaan lainnya secara termodinamika siklus uap dibandingkan dengan siklus gas adalah bahwa perpindahan kalor pada siklus uap dapat terjadi secara isothermal. Proses perpindahan kalor yang sama dengan proses perpindahan kalor pada siklus carnot dapat dicapai pada daerah uap basah, perubahan entalpi fluida kerja akan menhasilkan penguapan atau kondensasi, tetapi tidak pada perubahan temperature. Temperature hanya diatur oleh tekanan uap fluida. Kerja pompa pada siklus rankine untuk menaikkan tekanan fluida kerja dalam fase cair akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan pemampatan untuk campuran uap dalam tekanan yang sama pada siklus carnot.

Siklus rankine ideal terdiri dari 4 tahapan proses:

1-2 kompresi isentropic dengan pompa.

2-3 penambahan panas dalam boiler secara isobar

3-4 ekspansi isentropic pada turbin

4-1 pelepasan panas pada condenser secara isobar dan isothermal

Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh (saturated liquid) dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperature air akan meningkat selama kompresi isentropic karena menurunnya volume spesifik air. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi (compressed liquid) pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boiler ke ar pada tekanan yang tetap. Boiler dan seluruh bagian yang dihasilkan steam ini disebut sebagai steam generator. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memauki turbin untuk diekspansi secara isentropic dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dapat dihasilkan listrik. Tekanan dan temperatur dari steam akan turun selama proses ini menuju keadan 4 steam akan masuk kondensor dan biasnya sudah berupa uap jenuh. Stem ini akan dicairkan pada tekanan konstan didalam condenser dan akan meninggalkan kondensor sebagai cair jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini.

9. Neraca Panas

Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukkan jumlah energi yang terkandung dalam aliran masing-masing.

9.1 Metode langsung dengan menghitung input (bahan bakar) dan output (steam)

Dikenal juga sebagai metode input-output karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaan/output steam dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi.

Parameter yang digunakan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode langsung adalah :

- Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Kg/jam)

- Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam dalam (Kg/jam)

- Tekanan kerja (Kg/cm²) dan suhu panas (^oC)

- Suhu air umpan (^oC)

- Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (Kkal/Kg)

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

9.2 Metode tidak langsung dengan menggunaan efisiensi boiler

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 :

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

- Gas cerobong yang kering

- Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar

- Penguapan kadar air dalam bahan bakar

- Adanya kadar air dalam udara pembakaran

- Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/fly ash

- Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash

- 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

1. Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, s, c, kadar air, kadar abu)

2. Persentase oksigen dan CO2 dalam gas buang

3. Suhu gas buang dalam 0C (Tf)

4. Suhu ambien dalam 0C (Ta) dan kelembaban udara dalam Kg/Kg udara kering

5. GCV bahan bakar dalam Kkal/Kg

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

7. GCV abu dalam Kkal/Kg (untuk bahan bakar padat)