Sabtu, 07 Juni 2008

BOILER

I. PENDAHULUAN

Uap air yaitu gas yang timbul akibat perubahan fase air menjadi uap dengan cara pendidihan (boiling). Untuk melakukan proses pendidihan diperlukan energi panas yang diperoleh dari sumber panas, mislnya dari pembakaran bahan bakar (padat, cair, gas), tenaga listrik dan gas panas sebagai sisa proses kimia serta tenaga nuklir.

Sudah beribu-ribu tahun tahun manusia melakukan proses perebusan (boiling) air menjadi uap air, tetapi baru dua abad ini mereka baru menemui bagaimana untuk mempergunakan uap untuk kepentingan mereka yaitu dengan diciptakannya boiler. Boiler menghasilkan uap dan uap yang dihasilkan ini dapat dugunakan untuk membangkitkn listrik, menggerkkan turbin dan sebagianya.

II. KLASIFIKASI BOILER

Boiler pada dasarnya terdiri dari lumbung (drum) yan tertutup pada ujung pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa air. Banyak orang mengklsifikasikan boiler tergantung pada sudut pandang masing-masing. Pada makalah ini boiler diklasifikasikan dalam kelas yaitu :

1. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka boiler dikalsifikasikan sebagai :

a. Boiler pipa api (fire tube boiler)

b. Boiler pipa air (water tube boiler)

Pada boiler pipa api, fluida yang mengalir dalam adalah gas nyala (hasil pembakaran) yang membawa energi panas, yang segera mentransfernya ke air ketel melalui bidang pemanas. Tujuan pipa-pipa api ini adalah untuk memudahkan distribusi panas kepada air ketel. Sedang untuk boiler pipa air fluida yang mengalir dalam pipa adalah air, energi panas yang ditransfer dari luar pipa (yaitu berasal dari ruang dapur/furnace) ke air ketel.

2. Berdasarkan pemakaiannya boiler dapat diklasifikasikan sebagai :

a. Ketel stasioner (stationer boiler) atau boiler tetap.

b. Boiler mobile atau disebut juga boiler portable.

Yang termasuk stasioner ialah boiler-boiler yang didudukan pada pondasi tetap seperti boiler untuk pembankit tenaga listrik, untuk industri dan sebagainya.

Yang termasuk boiler mobile ialah boiler yang dipasang pada pondasi yang dapat berpindah-pindah, seperti boiler lokomotif, boiler panjang dan sebagainya termasuk juga boiler pada kapal.

3. Berdasarkan letak dapur (furnace position), boiler diklasifikasikan sebagai :

a. Boiler dengan pembakaran di dalam (internal fired steam bolier) dalam hal ini dapur barada (pembakaran terjadi) di bagian dalam boiler. Kebanyakan boiler pipa api memakai sistem ini.

b. Boiler dengan pembakaran di luar (outernallyfired steam boiler), dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian luar boiler, kebanyakan boiler pipa air memakai sistem ini.

4. Menurut jumlah lorong (boiler tube), boiler diklasifikasikan sebagai :

a. Boiler dengan lorong tunggal (single tube steam boiler).

b. Boiler dengan loron ganda (multi tubuler steam boiler).

Pada single tube steam boiler, hanya terdapat satu lorong saja, apakah itu lorong api atau saluran air saja. Cornish boiler adalah single fire tube boiler dan simple vertical boiler adalah single water tube boiler.

Multi fire tube boiler misalnya boiler scotch dan multi water tube boiler misalnya boiler B dan W dan lain-lain.

5. Berdasarkan pada poros tutup drum (shell), boiler diklasifikasikan sebagi :

a. Boiler tegak (vertikal steam boiler), seperti boiler Cochran, boiler Clarkson dan sebagainya.

b. Boiler mendatar (horizontal steam boiler), seperti boiler Cornish, Lancashire, Scotch dan sebagainya.

6. Menurut bentuk dan letak pipa, boiler diklasifikasikan sebagai :

a. Boiler dengan pipa lurus, bengkok dan berlekak-lekuk (straight, bent and sinous tubuler heating surface)

b. Boiler dengan pipa miring-datar dan miring tegak.

7. Menurut sistem peredaran air boiler diklasifikasikan sebagai berikut :

a. Boiler dengan peredaran secara natural.

b. Boiler dengan peredaran paksa.

Pada boiler dengan perdaran secara natural air dalam boiler beredar/bersirkulasi secara alami, yaitu air yang ringan naik sedang air yang berat turun, sehingga terjadilah aliran konveksi alami. Umumnya Boiler beroperasi secara alami seperti boiler Lancarshire, Babcock & Wilcox dan lain-lain.

Pada boiler dengan sirkulasi paksa, aliran paksa diperoleh dari sebuah pompa centrifugal yang digerakkan dengan elektrik motor. Sistem aliran paksa biasanya dipakai pada boiler bertekanan tinggi.

  1. Berdasarkan pada sumber panasnya untuk pembuatan uap, boiler diklasifikasikan
    1. Boiler dengan bahn bakar alami
    2. Boiler dengan bahan bakar buatan
    3. Boiler dengan dapur listrik
    4. Boiler dengan energi nuklir.

III. FUNGSI BOILER

Boiler berfungsi sebagai pesawat konversi energi yang mengkonversikan energi kimia (potensial) dari bahan bakar menjadi energi panas. Boiler terdiri dari dua komponen utama yaitu :

1. Dapur (furnace), sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjad energi panas.

2. Alat penguap (eveporator) yang mengubah energi pembakaran (energi panas) menjadi energi potensial uap.

Kedua komponen tersebut di atas telah dapat untuk memungkinkan sebuah boiler untuk berfungsi. Sedangkan komponen lainnya adalah :

  1. Corong asap dengan sistem tarikan gas asapnya, memungkinkan dapur berfungsi secara efektif.
  2. Sistem perpipaan, seperti pipa api pada boiler pipa api, pipa air pad boiler pipa air memungkinkan sistem penghantaran kalor yang efektif antara nyala api atau gas panas dengan air boiler.
  3. Sistem pemanas uap lanjut, sistem pemanas udara pembakaran serta sistem pemanas air pengisi boiler berfungsi sebagai alat untuk menaikan efisiensi boiler.

Agar sebuah boiler dapat beropersi dengan aman, maka perlu adanya sistem pengamanan yang disebut apendasi.

IV. APLIKASI BOILER PADA INDUSTRI PEMBANGKIT LISTRIK

Setelah kita mengetahui jenis dan tipe boiler serta fungsi boiler dan komponennya dari uraian di atas, maka akan menjadi lebih jelas lagi bagaimana cara kerja boiler dalam suatu sistem pembangkit listrik. Dalam makalah ini sistem yang kita ambil sebagai aplikasi contoh adalah sistem pada PLTU Paiton khususnya pada PT. YTL Jawa Timur

PROSES DASAR PRODUKSI LISTRIK

Di dalam PLTU batubara atau coal fired power plant , energi panas batubara dikonversikan ke dalam energi listrik dengan bantuan boiler , turbin dan generator. Batubara dari tempat penyimpanannya di bawa ke tempat penampungan batubara di area boiler setelah terlebih dahulu dihancurkan di ruangan penghancur batubara. Batubara tersebut kemudian disalurkan ke pengumpan batubara ( coal feeder ) yang dilengkapi alat pengatur aliran untuk dihaluskan pada mesin penghalus ( pulveriser atau coal mill ) sehingga dihasilkan tepung batubara yang halus. Batubara halus di dorong dengan udara panas yang dihasilkan dari Primary Air Fan dan dibawa ke pembakar batubara dengan cara di injeksikan ke ruang bakar boiler ( furnace ). Di sini tepung batubara yang keluar dari corner ( sudut – sudut boiler ) dibakar bersama- sama dengan udara panas dan api yang di injeksikan ke ruang bakar secara bersamaan. Udara panas yang masuk ke furnace dihasilkan dari fan yang disebut Forced Draft Fan , sedangkan api di hasilkan dari pemantik api atau ignitor.

Panas yang di hasilkan dari proses pembakaran ini melalui proses perpindahan panas secara konveksi akan mengubah air yang mengalir dalam pipa – pipa yang ada di dalam boiler menjadi uap jenuh ( saturated steam ) . Uap panas ini kemudian di panaskan lebih lanjut oleh super heater sampai menjadi uap panas kering ( dry super heated steam ) sehingga efisiensi boiler makin tinggi. Uap panas kering kemudian disalurkan ke turbin bertekanan tinggi dengan bantuan pipa – pipa tebal bertekanan tinggi dimana steam itu dikeluarkan lewat nozzle – nozzle mengenai baling –baling turbin. Saat mengenai baling – baling, energi kalor yang dimiliki steam akan berubah menjadi energi kinetik dan menggerakkan baling – baling turbin dan shaft turbin yang disambungkan dengan generator ikut berputar.

Shaft yang disambungkan dengan generator berupa silinder elektromagnetik besar sehingga ketika turbin berputar generator ikut berputar ,yaitu bagian rotor.Rotor generator tergabung dengan stator.Stator adalah bagian generator yang tidak ikut berputar , berupa gulungan yang menggunakan batang tembaga sebagai pendingin internal.Listrik dihasilkan dalam batang – batang tembaga stator dengan elektostatik di dalam rotor melalui putaran magnet. Listrik yang dihasilkan bertegangan 21 kV dan dengan trafo step up dinaikkan menjadi 500 kV , sesuai tegangan yang diminta PLN . Lihat gambar sistem pada lampiran .

BOILER MASTER SYSTEM

Coal fired power plant atau pembangkit listrik tenaga uap merupakan pembangkit listrik dengan menggunakan uap sebagai tenaga pembangkitnya.Untuk fungsi ini powerplant ini dapat dibagi menjadi dua bagian penting yaitu boiler master dan turbine master .Uap yang digunakan untuk pembangkit listrik ini dihasilkan dari proses perubahan wujud dari air ke uap yang dilakukan oleh boiler yang merupakan bagian dari boiler master .Sehingga boiler merupakan suatu komponen dalam power plant yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap melalui serangkaian proses yang kompleks dimana didalamnya terjadi perpindahan panas dan konversi energi dari kimia ke panas

Jenis boiler yang digunakan pada unit 5 dan 6 adalah tipe menggantung dengan pengontrol sirkulasi (controlled circulation) yaitu sirkulasi air dan uap pada boiler tidak terjadi secara natural tapi dipaksa dengan pompa BWCP ( Boiler water Circulating Pump) , hal ini memudahkan dalam pengoperasian boiler untuk menyesuaikan dengan kebutuhan air dan uap agar sesuai dengan beban yang diinginkan.Boiler ini didesain dengan satu kali proses pemanasan kembali (reheat) Boiler merupakan .suatu komponen besar yang terdiri dari komponen-komponen utama dan komponen pembantu agar dalam proses kerjanya mencapai efisiensi optimum.

Dalam pengoperasian boiler,ada beberapa parameter yang harus diperhatikan yaitu :

Aliran uap (Steam Flow )

Yaitu banyaknya uap yang harus dihasilkan boiler pada tingkat pengoperasian tertentu .Pengoperasian pada MCR (Maximum Continous Rating) merupakan pengoperasian boiler pada tingkat aliran uap maksimum yang bisa dijalankan secara berkelanjutan.Jika melebihi tingkat ini bisa merusak peralatan ataupun meningkatkan biaya perawatan.

Control Load untuk beban penuh aliran uap sekitar 48% dan sekitar 47 % untuk aliran uap pada tingkat MCR. Control load merupakan titik dimana suhu uap utama maupun uap pemanasan ulang telah mencapai titik desain kerjanya ( kondisi stabil )

Tekanan Boiler

Untuk mendapatkan energi yang sesuai dengan kebutuhan turbin agar dapt menggerakkan generator,maka tekanan uap panas kering yang dihasilkan pun harus sesuai dengan kebutuhan beban.Dalam hal ini ,tekanan uap dapat diatur melalui reheater dan superheater.

Temperatur Uap

Dalam proses konversi wujud dari cair menjadi uap,air perlu dipanaskan dalam furnace.Panas yang dihasilkan dari proses pembakaran dalam furnace tersebut juga harus diperhatikan agar suhu uap yang dihasilkan memenuhi standar yang ditentukan.Karena jika suhu uap kurang maka efisiensi akan turun tapi jika terlalu tinggi akan berpengaruh pada gas buangnya.

Efisiensi Boiler

Untuk melihat apakah desain suatu boiler telah tepat ditentukan oleh beberapa faktor yang mempengaruhi,diantaranya kegunaan unit boiler itu sendiri yaitu apakah uap yang harus dihasilkan konstan atau bervariasi sesuai kebutuhan generator pembangkit listrik. Selanjutnya yang menentukan juga adalah jenis dan kualitas bahan bakar yang akan dibakar : apakah padat,cair atau gas.Seberapa banyak uap harus dihasilkan tiap jamnya apakah ratusan atau bahkan jutaan pon tiap jamnya juga perlu dipertimbangkan dalam desain.

Pembentukan uap yang dipengaruhi penyerapan panas harus memenuhi setidaknya komponen berikut ini :

· Tekanan kerja tiap bagian dari boiler,hal ini penting untuk distribusi dan pemenuhan kebutuhan sistem dalam proses pengubahan air menjadi uap.

· Struktur power plant yang tepat untuk tipe proses pembakaran yang dipilih.

· Ukuran yang tepat dan pengaturan permukaan perpindahan panas untuk penyerapan panas saat proses pembakaran.

· Perlengkapan yang dibutuhkan selama proses .Alat untuk memasukkan udara, bahan bakar dan mengalirkan air.Piranti untuk memindahkan hasil pembakaran dan sistem pengendalian proses.

Permukaan penyerapam panas boiler dirancang untuk efisiensi dan biaya yang optimum agar empat tujuan dasar boiler tercapai yaitu :

1. Uap kering yang dihasilkan memilki tingkat kemurnian yang tinggi dalam keadaan apapun.

2. Pemanasan super terhadap uap kering sementara menjaga suhu tidak melebihi dari kondisi operasional boiler.

3. Pemanasan ulang terhadap uap yang tekanannya turun untuk digunakan kembali oleh turbin sementara menjaga suhu tidak melebihi dari kondisi operasional boiler.

4. Mengurangi suhu gas buang untuk meminimalkan rugi-rugi panas , mengendalikan korosi dan menghasilkan emisi yang tidak melebihi ketentuan.

Efisiensi termal adalah indikator seberapa baik kemampuan input panas boiler untuk menghasilkan uap pada suhu dan tekanan yang diminta. Adanya prinsip ekonomi dan biaya bahan bakar membuat powerplant harus beroperasi seefisien mungkin. Unit 5 dan 6 didesain dengan efisiensi 92,5 – 93,5 % tergantung kondisi operasional boiler ,pada MCR ,normal full load atau pada control load conditions.Untuk membandingkan performance boiler pada kondisi sekarang dengan kondisi desain awal nya ada tiga parameter yang bisa diperiksa.

® Fuel analysis

Analisa ini dilakukan untuk mengatuhi kandungan oksigen ,hidrogen dan karbon yang terdapat dalam bahan bakar yang digunakan.Karena kualitas bahan bakar dulu dengan sekarang bisa sangat berbeda.Perbedaan ini berpengaruh terhadap kebutuhan udara dan panas yang dilepaskan di ruang bakar ,begitu juga dengan massa aliran gas buang yang meninggalkan ruang bakar.

® Feedwater temperature

Perubahan suhu air yang masuk ke boiler menentukan tingkat pembakaran yang diperlukan di furnace ,lebih lanjut akan mempengaruhi panas yang dihasilkan dan banyaknya massa aliran.

® Excess Air

Banyaknya udara yang masuk ruang bakar berpengaruh terhadap jumlah panas yang dibawa dari furnace ( dry gas loss ) , banyaknya udara yang keluar merupakan faktor penting untuk menghitung efisiensi boiler.

Komponen Utama Boiler

Boiler dapat dikategorikan menjadi 2 macam berdasarkan segi konstruksinya, yakni boiler pipa api dan boiler pipa air.Jenis boiler yang digunakan di unit 5 dan 6 PLTU Paiton adalah boiler pipa air dimana fluida airnya berada dalam pipa sedangkan api atau gas hasil pembakaran berada di luar pipa.Tinggi bolier ini mencapai lebih kurang 60 meter yang dibagi menjadi tiga elevasi,dengan masing – masing corner pada tiap elevasinya terdapat 2 mill , 4 oil gun , 4 windbox dan ignitor.

Bahan bakar utama yang digunakan boiler adalah batubara, sedangkan solar hanya digunakan untuk pembakaran awal ketika start up dan apabila telah memenuhi temperatur yang dikehendaki maka diganti dengan batubara.Udara pembakaran diberikan oleh FD Fan setelah sebelumnya dipanaskan di Air Heater.Sedangkan ID Fan digunakan untuk menghisap dan mensirkulasikan gas buang dari furnace hingga ke stack sehingga tekanan dalam boiler adalah nol.

Pipa – pipa penguap air dalam boiler dipasang sedemikan rupa sehingga tersusun seperti dinding furnace.Pipa – pipa ini merupakan pipa panjang dengan ketebalan bervariasi pada sepanjang pipa.Pipa – pipa tersebut menerima panas secara radiasi.

Boiler ini dilengkapi dengan Steam Drum yang ditempatkan di luar furnace.Air pengisi pipa – pipa dalam furnace diperoleh dengan cara dipompa oleh Feed Water Pump (BWCP) dimana sebelumnya telah dipanaskan oleh High pressure heater dan Economizer . Kemudian Boiler Water Circulating Pump (BWCP) memompa air dari Steam Drum menuju Evaporator sehingga menjadi uap dan masuk ke dalam Steam Drum kembali.Dalam Steam Drum air dipisahkan dari uapnya, air yang telah dipisahkan akan disalurkan melalui Lowering Header yang ada di bawah tungku yang akan membagi air masuk ke pipa – pipa penguap (riser) yang tersusun di sekeliling dinding furnace.Pipa – pipa penguap yang ada pada dinding di bawah drum akan langsung bermuara pada Steam Drum, sementara yang ada pada dinding lainnya akan bermuara pada Steam Header (Tabung Pengumpulan Uap).

Dari Steam Header ini, uap basah yang terbentuk akan masuk ke Superheater, sedangkan yang masih berupa air akan disalurkan kembali melalui Down Comer dengan bantuan pipa.Uap yang dihasilkan setelah Superheater adalah uap kering yang disebut juga dengan Main Steam. Main Steam inilah merupakan uap yang siap digunakan untuk menggerakkan HP Turbine(High Pressure Turbine).Karena pada turbin ini mengalami ekspansi, maka temperatur dan tekanannya menurun sehingga pada keluaran HP Turbine terbentuk uap jenuh yang disebut Cold Steam.Uap jenuh ini tidak langsung disalurkan ke IP Turbine(Intermediate Pressure Turbine)., melainkan dipanaskan kembali di Reheater baru kemudian digunakan untuk menggerakkan IP Turbine.Uap keluaran dari IP Turbine dialirkan ke LP Turbine (Low Pressure Turbine)1 dan 2.Lebih jelas tentang siklus yang dijelaskan diatas pada gambar 1 water steam cycle lampiran .

Dalam kejadian dilapangan beban operasional boiler tidak selalu konstan tapi bervariasi sesuai permintaan konsumen.Untuk mengatasi hal ini maka saat boiler mengalami perubahan beban, ada beberapa komponen yang harus disesuaikan agar uap yang dihasilkan seimbang.

Saat ada perintah untuk mengubah beban,maka secara otomatis perintah penyesuaian itu disampaikan ke boiler master agar komponen yang termasuk didalamnya bisa menyesuaikan sehingga rasio udara dan bahan bakar stabil . Diantaranya jika beban boiler berubah maka kapasitas bahan bakar berubah yaitu dengan mematikan atau menghidupkan mill pada elevasi tertinggi secara bertahap. Selain itu,perubahan juga diikuti oleh serangkaian alat pendukungnya ,misalnya pengaturan udara pembakaran oleh FD fan,pengaturan posisi naik turun windbox untuk mendapat bola api yang diinginkan dan lain sebagainya.

Adapun bagian utama yang menyusun Boiler adalah sebagai berikut :

1. Economizer

Berfungsi untuk memanaskan air setelah melewati High Pressure Heater.Pemanasan dilakukan dengan memanfaatkan panas dari flue gas yang merupakan sisa dari pembakaran dalam furnace.

Temperatur air yang keluar dari Economizer harus dibawah temperatur jenuhnya untuk mencegah terjadinya boiling dalam Economizer.Karena perpindahan panas yang terjadi dalam Economizer merupakan konveksi, maka menaikkan luas permukaan akan mempermudah perpindahan panas ke air.Inilah sebabnya mengapa desain pipa Economizer dibuat bertingkat .

Keuntungan:

· Meningkatkan efisiensi unit karena dengan memanfaatkan kalor flue gas untuk memanaskan air, dapat mengurangi kebutuhan kalor yang besar untuk pemanasan air sampai terbentuk uap kering pada Superheater.

· Biaya Operasi lebih ekonomis karena jumlah bahan bakar untuk pemanasan pada Superheater menjadi lebih sedikit.

· Maintenance Cost dapat dihemat karena dengan adanya Economizer, thermal shock pada pipa boiler dapat dihindari.

Kerugian :

· Desain pipa yang bertingkat akan menimbulkan masalah abu, terutama bila batubara yang digunakan kadar abunya tinggi.

2. Superheater

Berfungsi untuk memanaskan uap dari Steam Drum menjadi uap panas lanjut (main steam).Main steam digunakan untuk melakukan kerja dengan ekspansi dalam turbin.

Superheater memiliki lima bagian utama, yaitu :

1. Superheater (SH) Vertical Platens

2. SH Division Panel

3. Low Temperature SH Pendant

4. Low Temperature SH Horizontal

5. Back Pass and Roof

3. Reheater

Berfungsi untuk memanaskan kembali uap yang telah mengalami ekspansi dalam turbin.Uap keluaran turbin berupa cold steam sehingga perlu dipanaskan kembali dan dimasukkan kembali ke dalam Boiler . Reheater kemudian memasuki Front Reheater dan keluar melalui Reheater Vertical Spaced Front Outlet Header menuju IP Turbine.

4. Main Steam Drum

Fungsi utamanya adalah untuk memisahkan uap dari campuran air dan uap yang masuk ke steam drum .Selain itu juga berfungsi untuk mendistribusikan feedwater,membuang kontaminan dari air boiler , menambahkan bahan kimia, dan mengeringkan uap setelah dipisahkan dari air. Uap berada pada bagian atas bejana dan air berada pada bagian bawah.Air dari Steam Drum disalurkan ke Evaporator dengan cara dipompa oleh BWCP.

Uap dan air dalam steam drum dipisahkan dengan tiga tahap,primary , secondary dan drying . Tahap primary dan secondary dilakukan oleh turbo separator dan plat yang berombak – ombak melakukan tahap drying.Fungsi utama dari alat pemisah ini adalah untuk memindahkan uap dari air boiler dan untuk mengurangi campuran yang terdapat dalam uap sebelum meninggalkan steam drum.

5. Down Comer

Merupakan saluran air dari Steam Drum ke Header (Pengaman) yang berada di bawah ruang bakar dimana dari header butir – butir air panas akan dipanaskan melalui pipa – pipa yang tersusun di dinding furnace.Pada Down Comer bagian bawah terdapat suatu pompa yang disebut dengan Boiler Water Circulating Pump (BWCP) yang digunakan untuk mengatur sirkulasi air yang akan dipanaskan atau diuapkan.Ada enam downcomer dengan O.D.16” ( 406.4 mm).

6. Furnace

Merupakan ruang bakar yang pada dindingnya tersusun pipa – pipa.

7. Blow Down

Untuk mengontrol kualitas air serta mengurangi kandungan zat padat (Silika) dalam air sehingga tidak terbentuk kerak hangus pada furnace. Alat ini akan bekerja secara otomatis saat sensor menunjukkan kandungan silika dalam air melebihi standar.Ia akan membuang sebagian kecil air dari drum ( 1 % sampai 2 % dari tingkat penguapannya)

3 komentar:

puqis mengatakan...

wah mas nuchan....sangat membantu...klo buat package boiler itu prinsipnya sama saja yah?....bahan bakar natural gas

Betsy mengatakan...

mas nuchan yang baik, tolong bantu saya untuk membuat TA power plant, apakah ada software aplikasi khusus untuk mendesain output power plant khususnya pltu, tks

Samsat mengatakan...

Mas nuchan terima kasih sharingnya tentang boiler ya.. Sangat bermanfaat sekali buat saya untuk referensi TA. Sukses ya mas