ANALISA KALORI YANG HILANG AKIBAT KENAIKAN PERBEDAAN TEKANAN PADA GAS AIR HEATER DI BOILER UNIT #6 PT. DIAN SWASTATIKA SENTOSA SERANG POWER PLANT

TUGAS AKHIR

ANALISA KALORI YANG HILANG AKIBAT KENAIKAN PERBEDAAN TEKANAN PADA “GAS AIR HEATER” DI BOILER UNIT #6 PT. DIAN SWASTATIKA SENTOSA SERANG POWER PLANT

Disusun Oleh : Nama

: Saptu Manonggor Pardede

NIM

: 41307110031

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCUBUANA JAKARTA 2009

Lembar Pengesahan Tugas Akhir dengan Judul :

ANALISA KALORI YANG HILANG AKIBAT KENAIKAN PERBEDAAN TEKANAN PADA GAS AIR HEATER DI BOILER UNIT #6 PT. DIAN SWASTATIKA SENTOSA SERANG POWER PLANT

Yang diajukan oleh : Nama

: Saptu Manonggor Pardede

NIM

: 41307110031

Jurusan : Teknik Mesin

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCUBUANA JAKARTA

Telah disetujui untuk dijadikan Tugas Akhir, Pada tanggal : -- / -- / --

Pembimbing Tugas Akhir

( Ir.Yuriadi Kusuma. MSc )

Ketua Jurusan Teknik Mesin

(Dr.Ir. Abdul Hamid M.Eng)

ABSTRAK

Air heater merupakan salah satu peralatan penting pada unit boiler, yang berfungsi untuk memanaskan udara pembakaran agar proses pembakaran pada furnace berlangsung sempurna sehingga efisiensi pada boiler akan meningkat. Effisiensi pada boiler sangat dipengaruhi oleh kondisi air heater, dimana apabila kinerja atau kemampuan heat transfer air heater menurun maka effisiensi pada boiler akan menurun. Menurunnya kemampuan heat transfer pada air heater dapat disebabkan oleh terjadinya pengotoran (fouling) pada elemen air heater dan pengotoran ini pada umunya disebabkan oleh pembakaran yang tidak sempurna ataupun kualitas dari bahan bakar yang kurang baik. Indikasi kinerja dari air heater dapat diketahui dari perbedaan tekanan yang terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar element air heater. Agar kinerja dan kemampuan heat transfer air heater tetap dalam kondisi baik, maka diperlukan penanganan, pengoperasian dan perawatan yang tepat pula. Pada tugas akhir ini akan dilakukan analisa kalori yang hilang akibat kenaikan perbedaan tekanan pada air heater dengan menggunakan rumus-rumus perhitungan perpindahan panas yang akhirnya dapat digunakan untuk mengetahui besarnya kerugian yang timbul oleh pengaruh kenaikan perbedaan tekanan tersebut.

Kata kunci : Air heater

viii

DAFTAR ISI

Halaman Lembar Pengesahan ……………………………………........................................i Kata Pengantar …………………………………………………………………...ii Lembar Daftar Isi ……………………………………………………………..…iii Abstrak …………………………………………………………………………viii BAB I. Pendahuluan ……………………………………………………………..1 1.1. Latar Belakang ……………………………………………………..1 1.2. Tujuan Penulisan …………………………………………………...2 1.3. Perumusan Masalah ………………………………………………..3 1.4. Batasan Masalah …………………………………………………...3 1.5. Metode Penulisan …………………………………………………..4 1.6. Sistematika Penulisan ………………………………………………5 BAB II. Landasan Teori ………………………………………………………….7 2.1. Pembangkit Listrik Tenaga Uap……………………………………7 2.1.1. Installasi Dan Komponen Utama Pembangkit Listrik Tenaga Uap ………………………………………………....8 2.1.2. Fungsi Dan Prinsip Kerja Komponen Utama PLTU ………11 2.1.3. Effisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Uap ………………..12 2.2. Boiler / Ketel Uap ………………………………………………..13 2.2.1. Proses Pemanfaatan Panas Pada Boiler …………………...18 2.3. Prinsip Perpindahan Panas ………………………………………19

iii

2.3.1. Konduksi …………………………………………………19 2.3.2. Konveksi ………………………………………………….21 2.3.3. Radiasi …………………………………………………….22 3. Air Heater ………………………………………………………..23 3.1. Prinsip Kerja Rotary Element Air Heater …………………..25 3.2. Ljungstrom Regenerative Air Heater ……………………….26 3.3. Perpindahan Panas Pada Ljungstrom Air Heater …………...30 3.4. Kesetimbangan Energi Pada Air Heater …………………….31 3.4.1. Laju Energi Panas Dilepas Gas Asap Panas ………….31 3.4.2. Laju Energi Panas Diterima Aliran Udara ……………32 3.4.3. Beda Temperatur Rata-Rata Menyeluruh (LMTD) …..32 3.4.4. Beban Perpindahan Panas Yang Terjadi Pada Air Heater ……………………………………………..33 3.4.5. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (U) ……….34 BAB III. Metode Pengolahan Data …………………………………………….35 3.1. Pengumpulan Dan Pengolahan Data …………………………….35 3.2. Spesifikasi Air heater ……………………………………………35 3.3. Sumber Pengambilan Data ………………………………………36 3.4. Spesifikasi Bahan Bakar yang Digunakan ………………………38 3.5. Data-Data Hasil Pengukuran …………………………………….39 3.6. Metode Analisa Kalori Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan ……………………………………………...40

iv

BAB IV. Analisa Kalori Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Pada Gas Air Heater ………………………………………41 4.1. Umum …………………………………………………………..41 4.2. Perhitungan Kesetimbangan Energi Pada Kondisi Standard Normal Operasi Dengan Perbedaan Tekanan DP.75 mmH2O ….42 4.2.1. Laju Energi Panas Diterima Aliran Udara ……………….42 4.2.2. Laju Energi Panas Dilepas Gas Asap Panas ……………..43 4.2.3. Beda Temperatur Rata-Rata Menyeluruh (LMTD)……….44 4.2.4. Beban Total Perpindahan Panas Pada Air Heater ………..44 4.3.Perhitungan Kesetimbangan Energi Pada Kondisi Standard Maksimal Operasi Dengan Perbedaan Tekanan DP. 112 mmH2O ………………………………………………..45 4.3.1. Laju Energi Panas Diterima Aliran Udara ……………….46 4.3.2. Laju Energi Panas Dilepas Gas Asap Panas ……………..46 4.3.3. Beda Temperatur Rata-Rata Menyeluruh (LMTD) ……...47 4.3.3. Beban Total Perpindahan Panas Pada Air Heater ………..48 4.4 Perhitungan Kesetimbangan Energi Pada Kondisi Diatas Standard Maksimal Operasi Dengan Perbedaan Tekanan DP. 128 mmH2O ………………………………………………..49 4.4.1. Laju Energi Panas Diterima Aliran Udara ……………….49 4.4.2. Laju Energi Panas Dilepas Gas Asap Panas ……………..50 4.4.3. Beda Temperatur Rata-Rata Menyeluruh (LMTD) ……...51 4.4.4. Beban Total Perpindahan Panas Pada Air Heater ………..51

v

4.5. Analisa Kalori Yang Hilang Dan Kerugian Bahan Bakar Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan (DP) Air Heater ………..53 4.5.1. Kalori Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Normal Operasi Ke Kondisi Maksimal Operasi ………………………………………53 4.5.2. Bahan Bakar Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Normal Operasi Ke Kondisi Maksimal Operasi ………………………………………54 4.5.3. Kalori Yang Hilang Akibat kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Normal Operasi Ke Kondisi Diatas Standard Maksimal ……………………………..54 4.5.4. Bahan Bakar Yang Hilang Akibat Perbedaan Tekanan dari Kondisi Normal ke Kondisi Maksimal Operasi ……………………………………………........55 4.5.5. Kalori Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan dari Kondisi maksimal Operasi Ke Kondisi Diatas Standard maksimal Operasi ( DP.112 mmH2O – DP.128 mmH2O ) ………………..55 4.5.6. Bahan Bakar Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Maksimal Operasi Ke Kondisi Diatas Standard Maksimal Operasi ( DP.112 mm H2O – DP.128 mmH2O ) ……………….56

vi

4.5.7. Analisa Hasil Perhitungan Kalori Dan Bahan Bakar Yang Hilang ……………………………………………56 BAB V. Kesimpulan Dan Saran ………………………………………………58 5.1. Kesimpulan ……………………………………………………..58 5.2. Saran – Saran ……………………………………………………59 Daftar Pustaka ………………………………………………………………......60 Lampiran ………………………………………………………………………..61

vii

DAFTAR LAMPIRAN

1. Tabel Sifat - Sifat Gas Pada Tekanan Atmosfer 2. Tabel Sifat - Sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer 3. Tabel Sifat - Sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer Lanjutan 4. Tabel Sifat - Sifat Karbon Dioksida Pada Tekanan Atmosfer 5. Grafik Faktor Koreksi Untuk Heat Exchanger 6. Grafik Faktor koreksi Untuk heat Exchanger Lanjutan 7. Tabel Sifat – Sifat Uap 8. Sertifikat Analisa Sample Batubara (Proximate ) 9. Sertifikat Analisa Sample Batubara (Ultimate)

Teknik Mesin - UMB

61

DAFTAR NOTASI

SIMBOL

KETERANGAN

SATUAN

ηth ηb ηg ηc ηt ηa

Efisiensi termal system pembangkit listrik tenaga uap Efisiensi boiler Efisiensi generator Efisiensi condenser Efisiensi turbine Efisiensi auxiliary/ alat Bantu lainnya.

Sf

Jumlah uap

(kg/jam)

Hs

Enthalpi uap

(kcal/kg)

Hw

Enthalpi air

(kcal/kg)

Ff

Jumlah bahan bakar

(kg/jam)

Ql

LHV bahan bakar

(kcal/kg)

Qh

HHV/High heating value bahan bakar

(kcal/kg)

H W qh mh

Jumlah kandungan Hydrogen dalam bahan bakar Jumlah kandungan Air (moisture) dalam bahan bakar Laju aliran panas yang dilepas gas asap panas Laju massa aliran gas asap panas

(kJ/s) (kg/s)

Cph

Panas jenis gas asap panas

(kJ/kg 0 C)

Thi

Temperatur gas asap panas masuk air heater

( 0 C)

Tho qc mc Cpc

Temperatur gas asap panas keluar air heater Laju aliran panas yang diterima oleh udara Laju massa aliran udara Panas jenis udara

( 0 C) (kJ/s) (kg/s) (kJ/s)

Tci

Temperatur udara masuk air heater

( 0 C)

Tco

Temperatur udara keluar air heater

( 0 C)

∆ Tm Q

Beda temperature rata-rata menyeluruh Jumlah perpindahan panas total

( C) (W/kalori)

A

Luas permukaan element pemanas

(M )

U Fc

Koefisien perpindahan panas menyeluruh Factor Koreksi

(W/M . C )

(%)

0

2

2

ix

0

Pendahuluan

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.

LATAR BELAKANG Sebagai sebuah perusahaan yang menyediakan kebutuhan listrik dan uap

panas untuk PT. Indah Kita Pulp and Paper, PT. Dian Swastatika Sentosa Serang Power Plant berusaha untuk beroperasi secara effisien. listrik dan uap panas

Untuk menghasilkan

PT. Dian Swastatika Sentosa Serang Power Plant

mempunyai 4 unit boiler yang digunakan untuk menggerakkan turbine uap sehingga menghasilkan daya listrik sesuai dengan yang diinginkan. Effisiensi di power plant sangat dipengaruhi oleh kinerja dari mesin-mesin pendukung-nya serta cara penanganan dan pengoperasian yang benar pada unit tersebut, effisiensi pada sistem installasi sangatlah penting untuk menghasilkan kerja yang maksimal, dimana semakin tinggi effisiensi maka kerja

yang

dihasilkan akan semakin besar dan sebaliknya. Demikian juga pada boiler/ketel uap effisiensi pada unit ini sangat tergantung pada maksimalnya pemanfaatan panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar.

.

Pemanfaatan panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar pada boiler sangat dipengaruhi oleh kinerja dari salah satu alat pendukung unit ini yang disebut dengan gas air heater, alat pendukung unit ini merupakan alat penukar kalor yang berfungsi untuk memaksimalkan pemanfaatan gas panas sisa pembakaran/flue gas.

Teknik Mesin - UMB

1

Pendahuluan

Pada pembangkit listrik yang menggunakan batubara sebagai bahan bakar boiler, effisien pada boiler sangat dipengaruhi juga oleh

pemakaian bahan bakar

batubara yang digunakan. Dengan kondisi ini maka perlu dilakukan kajian atau analisa yang komperhensif mengenai langkah-langkah effisiensi dalam pengoperasian boiler. Kajian untuk effiensi boiler dapat ditinjau dari beberapa aspek, seperti bagaimana kandungan kalori batubara, kandungan air dan kandungan abu di dalam batubara, bagaimana kita mengoperasikan furnace, bagaimana menangani gas air heater, bagaimana mengontrol perubahan perbedaan tekanan pada gas air heater, berapa suhu flue gas yang keluar dan sebagainya. Namun dalam penyusunan tugas akhir ini penyusun hanya akan membahas masalah bagaiman pengaruh kenaikan perbedaan tekanan pada gas air heater terhadap kehilangan kalori yang terbawa flue gas keluar dan berapa besar jumlah kerugian bahan bakar yang ditimbulkan serta jumlah perpindahan panas yang terjadi pada gas air heater tersebut.

1.2.

TUJUAN PENULISAN

Tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui seberapa besar perpindahan panas yang terjadi, seberapa besar kalori yang hilang dan seberapa besar jumlah kerugian bahan bakar akibat kenaikkan perbedaan tekanan pada gas air heater, sehingga kita dapat mengetahui kinerja dari gas air heater tersebut dan dapat mengambil langkah-langkah perbaikan yang harus dilakukan untuk

Teknik Mesin - UMB

2

Pendahuluan

mengoptimalkan kinerja gas air heater sehingga effisiensi boiler dapat ditingkatkan. 1.3.

PERUMUSAN MASALAH Berdasarkan latar belakang dan pengamatan yang dilakukan, ternyata

kinerja dari gas air heater sangat mempengaruhi effisiensi dan kemampuan produksi dari boiler, sehingga dalam penulisan Tugas Akhir ini permasalahan yang diajukan oleh penulis antara lain : •

Hubungan antara kenaikan perbedaan tekanan di gas air heater dengan suhu flue gas yang keluar.

•

Hubungan antara perubahan suhu flue gas yang keluar dengan kalori yang hilang akibat panas yang terbawa oleh flue gas akibat tidak optimalnya kinerja gas air heater.

•

1.4.

Hubungan kalori yang hilang dengan kerugian bahan bakar.

BATASAN MASALAH Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis memberikan batasan pada

beberapa pembahasan yaitu : •

Analisa ini hanya dilakukan pada gas air hetaer dan tidak menghitung effiensi boiler secara keseluruhan.

•

Hubungan suhu flue gas dan kalori yang hilang dihitung secara rumus matematika berdasarkan persamaan laju perpindahan panas yang terjadi.

•

Analisa ini juga mengabaikan kondisi batubara yang digunakan.

Teknik Mesin - UMB

3

Pendahuluan

1.5.

METODE PENULISAN Metode yang digunakan penulis dalam menyelesaikan skripsi ini adalah

sebagai berikut: •

Metode Kajian Pustaka Metode ini mencari landasan teori sebagai sumber bahan penulisan tugas akhir, berdasarkan data-data atau informasi dari buku-buku yang berhubungan dengan pokok bahasan, baik literatur, majalah, jurnal ilmiah maupun bahan-bahan kuliah dari staff pengajar selama penulis kuliah.

•

Metode Pengambilan Data Data diambil dari operasional harian boiler Unit #6

•

-

Perbedaan tekanan pada gas air heater

-

Temperature Flue gas yang masuk dan keluar gas air heater.

-

Temperature udara yang masuk dan keluar gas air heater.

-

Laju alir flue gas.

Metode Analisa : Dari data yang diperoleh maka dilakukan perhitungan : -

Jumlah kalori yang terbuang bersama flue gas.

-

Jumlah bahan bakar yang hilang karena kalori yang terbuang di flue gas.

-

Menghitung perpindahan panas pada gas air heater.

Teknik Mesin - UMB

4

Pendahuluan

1.6.

SISTEMATIKA PENULISAN Untuk mempermudah penulisan tugas akhir ini, maka sistematika

penulisannya dibagi menjadi beberapa bab yaitu : BAB I.

PENDAHULUAN Pada

bab

ini

menjelaskan

tentang

latar

belakang

masalah,

pembatasan masalah, tujuan penulisan, metode penulisan dan sistematika penulisan. BAB II.

LANDASAN TEORI Pada bab ini membahas dasar-dasar teori yang menunjang dalam penulisan tugas akhir ini. Secara umum mengenai prinsip kerja installasi pembangkit listrik tenaga uap, fungsi dan faktor-faktor yang mempengaruhi effisiensi boiler, fungsi dan prinsip kerja dari gas air heater, serta proses perpindahan panas pada gas air heater danrumusanrumusan perhitungan perpindahan panas.

BAB III. METODE PENGOLAHAN DATA Bab ini membahas mengenai hal-hal yang berhubungan dengan proses dan cara pengambilan dan pengolahan data-data yang diperlukan (jumlah aliran, temperatur, tekanan udara dan flue gas, serta data lainnya) untuk keperluan analisa tersebut. BAB IV. PERHITUNGAN DAN ANALISA Pada bab ini akan dilakukan perhitungan beban perpindahan panas dan analisa mengenai pengaruh perbedaan tekanan antara sisi masuk dan

Teknik Mesin - UMB

5

Pendahuluan

sisi keluar flue gas pada air prehaeter terhadap kalori yang hilang terbawa flue gas serta dampak kerugian yang ditimbulkan. BAB V.

KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini merupakan penutup dari penulisan Tugas Akhir ini yang berisi tentang

kesimpulan

dan

saran-saran

yang

bermanfaat

untuk

meningkatkan kinerja dari gas air heater pada boiler. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

Teknik Mesin - UMB

6

Landasan Teori

BAB II LANDASAN TEORI

2.1.

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) PLTU merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan panas untuk

mengubah air menjadi uap pada tekanan dan temperature yang cukup tinggi, uap ini dihasilkan oleh proses pemanasan yang terjadi di boiler. Uap yang dihasilkan oleh boiler akan berada pada fase superheated yang kemudian digunakan untuk memutar turbin uap dan energi mekanik yang dihasilkan oleh turbine uap akan diteruskan untuk memutar generator listrik sehingga menghasilkan tenaga listrik. Pada industri aplikasi dari PLTU selain untuk menghasilkan tenaga listrik dikombinasikan juga untuk menyuplai uap ke proses industri ( Cogeneration ). Siklus dari suatu pembangkit listrik tenaga uap adalah merupakan siklus Rankine yang digambarkan sebagai berikut ;

Wt

Qa

2 Qr

4

3 Wp

Gambar 2.1. Siklus Pembangkit Listrik Tenaga Uap Teknik Mesin - UMB

7

Landasan Teori

B’

B’

Gambar 2.2. Siklus Rankine Ideal Pada Diagram P – V & T – s Keterangan : •

1 – 2 = Expansi adiabatis uap didalam turbine.

•

2 – 3 = Kondensasi uap pada P dan T konstant didalam condenser.

•

3 – 4 = Penaikan tekanan adiabatis didalam pompa feed water.

•

4 – B = Pemanasan menuju titik didih pada P konstant didalam economizer.

•

B – B’ = Pendidihan / perubahan fase (saturated) pada P dan T constant.

•

B’ – 1 = Pemanasan uap lanjut pada P konstant didalam superheater.

2.1.1. Installasi dan Komponen Utama Pembangkit Listrik Tenaga Uap Untuk menghasilkan kapasitas keluaran tenaga listrik agar sesuai dengan yang diharapkan maka diperlukan pembangkit tenaga uap/boiler dan turbine generator serta komponen pendukung lainnya dengan kapasitas yang cukup. Teknik Mesin - UMB

8

Landasan Teori

Installasi dari suatu pembangkit listrik tenaga uap yang diaplikasikan sebagai Cogeneration terlihat pada gambar dibawah ini yang merupakan flow diagram pada PT.Dian Swastatika Sentosa Serang Power Plant, dengan total capasitas terpasang 175 Mw electricity. Cogeneration plant ini didukung oleh empat unit boiler dan empat unit turbine - generator yang installasinya secara parallel, dimana maksud daripada installasi secara parallel ini adalah bertujuan agar masing-masing unit boiler maupun turbine dapat saling mendukung ketika salah satu ada yang harus stop/shutdown sehingga tidak diperlukan satu unit boiler dan turbine harus stop/shutdown secara bersamaan. Installasi secara parallel ini meskipun dalam beberapa aspek sangat praktis dan effisien akan tetapi tetap tidak akan terlepas dari unsur kelemahan dan kekurangannya.

Gambar 2.3. Flow Diagram Pembangkit Listrik Tenaga Uap Teknik Mesin - UMB

9

Landasan Teori

Komponen utama dari pembangkit listrik tenaga uap diatas terdiri dari : -

Raw Water System

-

Demineralization dan Feed Water System

-

Coal Yard dan Coal Conveyor System

-

Pulverized Coal Mill System -

Boiler / Ketel UapUnit

-

Steam Turbine dan Generator Unit

-

Condenser

-

Cooling Water System

-

Ash Handling system

-

Outgoing Transformer dan feeder System

-

Auxiliary Equipment

Installasi pembangkit listrik tenaga uap secara parallel seperti gambar berikut :

H1 TIE-IN TR 150 KV

220T/H PC BL# 1

H2 UTILITY #1 ; 5 MW

STG No.1 35 MW

H3 PM #3 ; 10 MW H4 PM #6 ; 10 MW H5 FINISHING ; 3 MW

220T/H

Feed Water, 220°C, 150 K

PC BL# 2

H6 UTILITY #2 ; 5 MW

STG No.2 35 MW

H7 PM #2 ; 16 MW H8 PM #1 ; 12 MW H9, 10, 11 SPARE H12 SP #1 ; 14 MW

220T/H PC BL# 3

20 KV

H13 SP #2 ; 14 MW

STG No.3 35 MW

H14 SP 3/6 ; 22 MW H15 CACO3 ; 6 MW H16 STAT’Y ; 8 MW

300T/H PC BL# 6

H17 AOCC ; 14 MW

STG No.6 70 MW

Steam Supply 8K, 220°C

Steam Supply 18 K, 240°C

PM #1 & 2

PM #3 & 6

Gambar 2.4. Installasi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Secara Parallel. Teknik Mesin - UMB

10

Landasan Teori

2.1.2. Fungsi dan Prinsip Kerja Komponen Utama PLTU Fungsi dan prinsip kerja sederhana dari komponen utama pembangkit listrik tenaga uap adalah : -

Raw Water adalah air sungai yang sudah mengalami pretreatment untuk menghilangkan kandungan suspended solid (Flokulasi, Sedimentasi, Filtrasi).

-

Demineralization dan Feed Water adalah Raw Water setelah mengalami proses pretreatment kemudian diproses kembali untuk menghilangkan. kandungan mineral dan dissolved solid (Cation and Anion Exchange, RO).

-

Feed Water System adalah Demine Water yang selanjutnya mengalami proses pemanasan,mekanikal dan

penambahan kimia (Oxygen Scavanger) untuk

menghilangkan kandungan Oxygen pada Deaerator system, selanjutnya air ini siap untuk disupply ke Boiler. -

Coal Yard dan Coal Conveyor system adalah tempat penerimaan dan pengaturan batubara yang kemudian akan disupply ke coal bunker dan siap untuk dihaluskan pada Pulverizer Coal Mill.

-

Pulverized Coal mill System adalah proses penghalusan batu bara/coal dan kemudian disupply ke Coal Burner dengan menggunakan Pulverizer fan dan selanjutnya didalam Furnace akan mengalami proses pembakaran.

-

Boiler, dimana feed water yang dilewatkan melalui Economizer, Steam Drum dan turun ke Water Wall akan mengalami pemanasan pada furnace wall dan uap yang terbentuk akan naik ke Riser dan setelah mengalami proses pemisahan pada Water separator selanjutnya steam dipanaskan kembali pada beberapa tingkat Superheater.

Teknik Mesin - UMB

11

Landasan Teori

-

Steam Turbine dan Generator, dimana superheated steam yang di supply melalui Main Steam header akan digunakan untuk menggerakkan Steam Turbine dan Generator.

-

Condenser akan menampung steam keluaran/exhaust dari Steam Turbine yang kemudian didinginkan pada Condenser dan condensate yang terbentuk akan di kirim kembali ke Deaerator menjadi Feed Water.

-

Cooling Water system adalah air pendingin yang digunakan untuk pendingin pada condenser dan Rotary machine lainnya dan secara sirkulasi air pendingin ini akan didinginkan kembali dengan menggunakan Cooling Tower.

-

Ash Handling System berfungsi sebagai penanganan abu batubara sisa pembakaran dengan menggunakan Electro Static Precipitator dan kemudian abu sisa pembakaran tersebut akan dikumpulkan pada Ash Silo.

-

Auxiliary Equipment merupakan peralatan pendukung lainnya yang berfungsi sebagai penopang operasi Main Equipment/komponen utama.

-

Outgoing Transformer dan Feeder System, berfungsi sebagai penampung keluaran listrik dari Generator yang kemudian tegangannya dinaikkan pada Outgoing transformer dan selanjutnya pada feeder system didistribusikan ke masing-masing pemakai sesuai dengan tegangan yang diinginkan.

2.1.3. Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Uap Hasil energi keluaran (output) dari pembangkit uap adalah berupa energi listrik sedangkan sebagai energi masukan (input) adalah energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar. Idealnya energi kimia yang diberikan dapat Teknik Mesin - UMB

12

Landasan Teori

diubah seluruhnya menjadi energi listrik dimana kenyataannya hal tersebut tidak mungkin terjadi karena adanya beberapa losses yang terjadi dihampir setiap komponen peralatan pembangkit uap. Akibat adanya losses tersebut, energi listrik yang dihasilkan pembangkit uap selalu lebih kecil dari energi kimia (kalori yang dihasilkan bahan bakar) yang masuk kedalam system pembangkit uap. Dengan mempelajari effisiensi dimaksudkan dapat mengetahui gambaran kemampuan kerja peralatan dalam suatu proses kerja, mengetahui terjadinya penurunan kerja dari peralatan dan cara mengatasinya sehingga peralatan pada system pembangkit uap dapat dioperasikan dengan effisiensi setinggi-tingginya. Pembangkit uap adalah unit pembangkit termal yang merupakan kombinasi dari beberapa system dan peralatan yang dipakai untuk perubahan energi kimia dari bahan bakar menjadi energi termal seperti pada boiler, turbine, generator dan alat bantu lainnya yang masing-masing mempunyai besaran effisiensi sendiri. Effisiensi seluruh sistem pembangkit uap dinyatakan dalam persamaan berikut :

ηth = ηb x ηg x ηc x ηt Dimana :

x ηa …….…………….……….( 2.1 )1

ηth = Efisiensi termal system pembangkit listrik tenaga uap. ηb = Efisiensi boiler. ηg = Efisiensi generator. ηc = Efisiensi condenser. ηt = Efisiensi turbine. ηa = Efisiensi auxiliary/ alat Bantu lainnya.

Teknik Mesin - UMB

13

Landasan Teori

Efisiensi termal pembangkit listrik tenaga uap sangat tergantung pada masingmasing komponen utama system pembangkit tersebut, sehingga diperlukan pengkajian secara menyeluruh efisiensi dari masing-masing komponen. Salah satu komponen utama yang sangat berpengaruh untuk menentukan tingkat efisiensi pada system pembangkit listrik tenaga uap adalah boiler. Unsur input dari boiler adalah energi termal yang dihasilkan oleh perubahan energi kimia yang terkandung pada bahan bakar, sehingga untuk mengetahui efisiensi dari suatu boiler dapat juga dilihat dari sisi banyaknya jumlah pemakaian bahan bakar yang digunakan unutk menghasilkan sejumlah tertentu uap/steam. Efisiensi boiler dinyatakan seperti persamaan berikut :

ηb =

S f × (H s − H w ) Ql × F f

x100

………………..……………( 2-2 )2

Dimana :

η b = Efisiensi boiler

(%)

S f = Jumlah uap

( kg/jam )

H s = Enthalpi uap

( kcal/kg )

H w = Enthalpi air

( kcal/kg )

F f = Jumlah bahan bakar ( kg/jam) Q l = LHV bahan bakar ( kcal/kg ) Nilai LHV (nilai baker terendah) dapat dihitung dengan rumus :

Q l = Q h - 5,7 ( 9H + W ) ………………………….……(2.3)3 Teknik Mesin - UMB

14

Landasan Teori

Dimana :

Q h = HHV/High heating value bahan bakar (Kcal/Kg) H = Jumlah kandungan Hydrogen dalam bahan bakar W = Jumlah kandungan Air (moisture) dalam bahan bakar

2.2.

Boiler / Ketel Uap. Sebagai alat penghasil uap air/steam, pada umumnya bahan bakar yang

digunakan oleh boiler dapat diklasifikasikan sebagai : -

Bahan bakar padat ( kulit kayu, cangkang kelapa, batubara, dll )

-

Bahan bakar cair ( solar,minyak bakar, jenis minyak bakar lainnya )

-

Bahan bakar gas ( gas alam, gas bumi, gas lainnya )

Akhir – akhir ini pembangkit tenaga listrik cenderung menggunakan bahan bakar padat sebagai bahan bakar utamanya karena dapat menghasilkan tenaga listrik dengan biaya yang relatif murah. Boiler dengan kapasitas yang cukup besar ( > 100 t/jam ) berdasarkan bahan bakar padat yang digunakan dikenal antara lain dengan type : -

Pulverized Coal Boiler ( PCB ), boiler ini didesign hanya untuk menggunakan batubara sebagai bahan baker utamanya.

-

Fluidized Bed Boiler ( CFB, BFB ), boiler ini disebut juga dengan multi fuel boiler karena design untuk dapat mengkombinasikan semua bahan bakar padat sebagai bahan bakar utamanya.

Teknik Mesin - UMB

15

Landasan Teori

Contoh type boiler ini ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 2.5. Pulverized Coal Fired Boiler

Teknik Mesin - UMB

16

Landasan Teori

Gambar 2.6. Circulating Fluidized Bed Boiler

Boiler dengan kedua type ini selain mempunyai kapasitas yang cukup besar umumnya digunakan pada pembangkit listrik karena memiliki efisiensi pembakaran yang cukup baik dibandingkan dengan type lainnya.

Teknik Mesin - UMB

17

Landasan Teori

2.2.1. Proses Pemanfaatan Panas Pada Boiler Panas yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar dan udara yang berupa nyala api dan gas asap panas (flue gas) dipindahkan kepada air yang berada didalam boiler dan kemudian ke uap (steam) yang selanjutnya dipindahkan ke udara yang akan digunakan untuk proses pembakaran. Proses perpindahan panas ini berlangsung melalui beberapa bidang yang dipanaskan (heating surface) dengan cara : Radiasi, Konveksi maupun Konduksi. Bidang panas (heating surface) pada boiler terdiri dari : Water wall, Boiler Bank, Superheater, Economizer, Air Heater dan lainnya. Proses aliran gas asap panas dan udara untuk pembakaran pada boiler dapat dilihat seperti gambar berikut :

Gambar 2.7. Aliran Udara dan Gas Asap pada Boiler

Teknik Mesin - UMB

18

Landasan Teori

Oleh karena boiler terdiri dari beberapa bidang panas, maka dapatlah dipastikan bahwa efisiensi boiler sangat tergantung pada kinerja dari masingmasing bidang panas tersebut. Pada proses aliran gas asap panas terlihat bahwa sebelum gas asap panas dibuang ke udara luar, panas yang ada terlebih dahulu dimanfaatkan untuk memanaskan udara melalui sebuah alat yang disebut dengan “ Air Heater “. Kinerja dari air heater dapat diukur dari kemampuan menerima panas dari gas asap panas dan kemampuan untuk memberikan panas kepada udara yang akan digunakan untuk proses pembakaran, sehingga jumlah kalori maupun bahan bakar yang terbuang oleh karena tidak maksimalnya kerja dari air heater dapat diketahui.

2.3.

Prinsip Perpindahan Panas Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari

satu daerah kedaerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah-daerah tersebut. Dalam perpindahan panas pada umumnya dikenal tiga cara perpindahan panas, yaitu : .

2.3.1. Konduksi Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bertemperatur lebih tinggi kedaerah yang bertemperatur lebih rendah didalam suatu medium (padat,cair,gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Dalam aliran panas konduksi perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan

Teknik Mesin - UMB

19

Landasan Teori

molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar, menurut teori kinetic suhu elemen suatu zat sebanding dengan energi kinetic ratarata molekul-molekul yang membentuk element tersebut Energi yang dimiliki oleh suatu zat yang disebabkan kecepatan dan posisi relative molekul-molekul disebut dengan energi dalam. Jadi semakin cepat molekul-molekul bergerak, semakin tinggi suhu maupun energi dalam elemen zat, bila molekul-molekul disuatu daerah memperoleh energi kinetik rata-rata yang lebih besar dari pada yang dimiliki oleh molekul-molekul disatu daerah yang berdekatan, sebagaimana diwujudkan oleh adanya beda suhu, maka molekulmolekul yang memiliki energi yang lebih besar itu akan memindahkan sebagian energinya ke molekul-molekul didaerah yang bersuhu lebih rendah. Perpindahan energi tersebut dapat berlangsung dengan tumbukan elastik (elastic impact) seperti dalam fluida, atau dengan pembauran (diffusion) electron-electron yang bergerak secara lebih cepat dari daerah yang bersuhu lebih tinggi kedaerah yang bersuhu lebih rendah seperti dalam logam. Apapun mekanismenya yang pasti akibat dari konduksi panas yang dapat diamati adalah penyamaan suhu, tetapi jika beda suhu dipertahankan dengan penambahan suhu dan pembuangan panas diberbagai titik , maka akan berlangsung aliran panas kedaerah yang lebih dingin. Konduksi adalah satu-satunya mekanisme dimana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak tembus cahaya, didalam medium yang bukan padat mekanisme ini dapat juga tergabung dengan konveksi dan dalam beberapa hal juga dengan radiasi.

Teknik Mesin - UMB

20

Landasan Teori

2.3.2. Konveksi Konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan persinggungan. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat, cair atau gas. Perpindahan panas dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap, pertama panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan partikel-partikel fluida yang berbatasan, energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel-partikel ini, kemudian partikel-partikel fluida itu akan bergerak kedaerah yang bersuhu lebih rendah didalam fluida, dimana mereka akan saling bersinggungan, dengan memindahkan sebagian energinya kepada partikel-partikel fluidanya, dalam hal ini aliran fluida maupun energi. Energi sebenarnya disimpan didalam partikel-partikel fluida sebagai akibat gerakan massa partikel-partikel tersebut. Mekanisme ini didalam prosesnya tidak hanya tergantung pada beda suhu dan oleh karena itu tidak secara tepat memenuhi definisi perpindahan panas, tetapi hasil bersihnya adalah transportasi energi, karena terjadinya dalam arah gradient suhu maka dapat digolongkan sebagai suatu cara perpindahan panas dan disebut dengan aliran panas secara konveksi. Perpindahan panas konveksi dapat diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara pergerakan alirannya, bila gerakan persinggungan semata-mata sebagai akibat dari

Teknik Mesin - UMB

21

Landasan Teori

perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradient suhu, maka gerakan pencampuran disebabkan oleh bantuan dari suatu alat, seperti pompa atau kipas maka prosesnya disebut konveksi paksa. Keefektifan perpindahan panas dengan cara konveksi sebagian besar tergantung pada gerakan persinggungan fluida, akibatnya studi perpindahan panas konveksi didasarkan pada pengetahuan ciri-ciri fluida.

2.3.2. Radiasi Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi kebenda yang bersuhu lebih rendah bila benda-benda itu terpisah didalam ruangan, bahkan bila terdapat ruangan hampa diantara benda-benda tersebut. Istilah radiasi umumnya dipergunakan untuk segala jenis hal gelombang elektro magnetic, tetapi didalam ilmu perpindahan panas kita hanya perlu memperhatikan pada hal yang diakibatkan oleh suhu yang dapat mengangkut energi melalui medium yang tembus cahaya atau ruang, energi yang berpindah dengan cara ini disebut panas radiasi. Semua benda memancarkan radiasi secara terus-menerus, intensitas pancaran tergantung pada suhu dan sifat permukaan. Energi radiasi bergerak dengan kecepatan cahaya (3 x 108 m/s) dan gejalanya menyerupai radiasi cahaya, menurut teori elektro magnetik radiasi cahaya dan radiasi termal hanya berbeda dalam panjang gelombang masing-masing. Panas radiasi dipancarkan oleh suatu benda dalam bentuk(batch) atau kumpulan energi yang terbatas (quanta). Gerakan panas radiasi didalm ruang

Teknik Mesin - UMB

22

Landasan Teori

mirip dengan perambatan cahaya dan diuraikan dengan teori gelombang. Apabila gelombang radiasi menjumpai benda yang lain maka energinya diserap didekat permukaan tersebut, perpindahan panas dengan cara radiasi menjadi semakin penting dengan meningkatnya suhu suatu benda, dalam soal-soal tehnik yang menyangkut suhu yang mendekati suhu atmosfir pemanasan dengan cara radiasi sering kali dapat diabaikan.

3.

Air Heater Air heater (Pemanas Udara) adalah salah satu alat bantu yang sangat

penting didalam pemanfaatan panas pada boiler, dimana alat ini berfungsi untuk memanaskan udara pembakaran dengan memanfaatkan panas

dari gas asap

panas sisa pembakaran sebelum dibuang ke udara luar melalui cerobong asap (Chimney). Proses perpindahan panas yang terjadi pada air heater berlangsung secara Konveksi melalui media perantara, media perantara ini disebut dengan element air heater. Air Heater pada umumnya digunakan pada boiler yang berkapasitas cukup besar dan secara umum air heater ini dikenal dengan dua type yaitu ; Tubular Air Heater dan Rotary Element Air Heater, prinsip kerja dari kedua type ini tidak jauh berbeda dimana pada Tubular Air Heater konstruksinya tetap (diam) dan gas asap panas dialirkan melalui pipa-pipa pemanas sedangkan udara dialirkan melalui permukaan luar pipa dan pada Rotary Element Air Heater konstruksinya berputar dimana element pemanasnya saling bergantian dilalui oleh gas asap panas dan udara.

Teknik Mesin - UMB

23

Landasan Teori

Contoh kedua air heater ini dapat dilihat seperti pada gambar berikut.

.

Udara Gas Asap Gambar 2.8. Tubular Air Heater

Gambar 2.9. Rotary Element Air Heater

Teknik Mesin - UMB

24

Landasan Teori

3.1.

Prinsip Kerja Rotary Element Air Heater Prinsip kerja dari Rotary Element Air Heater adalah mengikuti azas

hukum perpindahan panas, dimana panas akan berpindah dari temperature yang lebih tinggi menuju temperature yang lebih rendah. Perpindahan panas ini berlangsung melalui material perantara yang disebut dengan element air heater. Gas asap panas sisa pembakaran yang berasal dari furnace boiler dengan temperature yang masih cukup tinggi sekitar 316 deg C disalurkan pada salah satu sisi element air heater yang menyebabkan sisi element ini menjadi panas (Hot Element) dan pada saat yang bersamaan element yang panas ini akan berpindah tempat (rotary). Sisi yang lainnya (Cold Element) disalurkan udara pembakaran yang berasal dari force draft fan (FDF) dengan temperature kisar 30 deg C, oleh karena temperature udara FDF ini lebih rendah dari temperature gas asap panas maka akan terjadi perpindahan panas dari element yang panas ke udara FDF sehingga temperature udara pembakaran menjadi naik sekitar 272 deg C sebaliknya temperature gas asap panas menjadi turun sekitar 131 deg C dan selanjutnya gas asap ini akan dibuang ke atmosfer melalui chimney. Parameter diatas merupakan performance data dari Air Heater pada unit Boiler di PT Dian Swastatika Sentosa Power Plant. Arah aliran udara dan gas pada air heater dapat dilihat seperti pada gambar berikut, dimana element akan selalu berpindah dari posisi dingin ke posisi panas sejalan dengan rotasi/perputaran pada air heater. Perputaran pada air heater sangat memungkinkan untuk terjadinya proses perpindahan panas yang sangat merata dan sebaik mungkin terhadap seluruh permukaan element air heater.

Teknik Mesin - UMB

25

Landasan Teori

Air Out Flue Gas In

Air In

Flue Gas Out

Gambar 2.10. Arah Aliran Rotary Air Heater

3.2.

Ljungstrom Regenerative Air Heater Pemanas udara yang digunakan pada Boiler di PT Dian Swastatika

Sentosa merupakan Ljungstrom Regenerative Air Heater, pada air heater ini terdapat element-element logam sebagai perantara untuk memindahkan energi panas, dimana element tersebut merupakan plat tipis yang terbuat dari baja carbon rendah yang tahan terhadap korosi dan mempunyai sifat mudah menyerap panas. Element logam ini akan selalu berputar, dimana pada sementara waktu akan dilalui oleh gas asap panas (element menjadi panas) dan sesaat kemudian element panas tersebut akan perpindah dan dialiri udara sehingga panas akan

Teknik Mesin - UMB

26

Landasan Teori

berpindah ke udara pembakaran dan selanjutnya element yang mengalami pendinginan tersebut akan kembali dialiri gas asap panas dan selanjutnya akan selalu ber-regenerasi. Plat element pemanas merupakan susunan dari ratusan lempeng element yang telah dibentuk dan kemudian disusun dalam satu kesatuan dengan basketnya sehingga element ini terdiri dari ratusan basket/keranjang untuk satu unit Air heater. Plat elemen pemanas ini dibentuk bergelombang yang bertujuan untuk memaksimalkan proses pemanfaatan panas dengan pressure drop yang sekecil mungkin. Plat element pemanas ini terdiri dari dua bentuk gelombang, yaitu : 1. Flat Notched Cross (FNC), profil element ini digunakan untuk sisi element panas (hot element) dengan material terbuat dari mild steel, luas bidang pemanas adalah 3/2 bagian dari total bidang panas pada air heater. 2. Double Undulated (DU), profil element ini digunakan untuk sisi element dingin (cold element),material terbuat dari corrosion resistance low alloy steel (CRLS), luas bidang pemanas adalah 1/3 bagian dari total bidang panas.

Teknik Mesin - UMB

27

Landasan Teori

Gambar 2.11. Profil Element Pemana

Gambar 2.12. Hot dan Cold Element Basket

Teknik Mesin - UMB

28

Landasan Teori

Gambar 2.13. Konstruksi dan bagian-bagian Ljungstrom Regenerative Air Heater

Teknik Mesin - UMB

29

Landasan Teori

3.3.

Perpindahan Panas Pada Ljungstrom Air Heater Perpindahan panas yang terjadi pada Ljungstrom Air Heater berlangsung

secara aliran Konveksi dimana sejumlah molekul-molekul yang membawa panas sebesar q joule akan mengalir bersama flue gas melalui element-element pemanas dan pada saat aliran tersebut menyetuh permukaan element pemanas maka molekul-molekul panas akan memberikan panasnya sebesar q 1 joule ke permukaan element pemanas dan selebihnya panas akan terbawa keluar oleh flue gas sebesar q 2 joule.

q2 q1

q Plat Element

Oleh karena arah aliran antara udara yang masuk dengan flue gas yang keluar pada air heater terjadi secara berlawanan arah, maka prinsip perpindahan panas yang terjadi disebut dengan perpindahan panas secara konveksi berlawanan arah (Counter Flow Convection).

Teknik Mesin - UMB

30

Landasan Teori

Thi

&h m

Thi

Tho

∆T1 Tco

&h m

q

&c m

Tco

Tho Tci

&c m

∆T2

Tci

Gambar.2.14. Laju Aliran Perpindahan Panas Berlawanan Arah

3.4.

Kesetimbangan Energi Pada Air Heater ( Balance Energi ) Untuk mengetahui kesetimbangan energi yang terjadi pada proses

perpindahan panas didalam air heater, baik energi panas yang dilepas gas asap panas maupun panas yang diserap udara pembakaran dapat dihitung melalui beberapa persamaan berikut.

qc = qh mc.Cpc.( Tci – Tco ) = mh.Cph.( Thi – Tho ) ……………..…….(2.4)4

3.4.1. Laju Energi Panas Dilepas Gas Asap Panas Untuk mengetahui besarnya laju aliran panas yang dilepaskan oleh aliran gas asap panas terhadap element air heater digunakan persamaan :

qh = mh.Cph.( Thi – Tho ) …………………………...............(2.5)4

Teknik Mesin - UMB

31

Landasan Teori

Dimana :

qh

= Laju aliran panas yang dilepas gas asap panas ( kJ/s )

mh = Laju massa aliran gas asap panas ( kg/S ) Cph = Panas jenis gas asap panas ( kJ/kg. 0 C ) Thi = Temperatur gas asap panas masuk air heater ( 0 C ) Tho = Temperatur gas asap panas keluar air heater ( 0 C )

3.4.2. Laju Energi Panas Diterima Aliran Udara Untuk mengetahui besarnya laju aliran panas yang diterima oleh aliran udara pembakaran digunakan persamaan :

qc = mc.Cpc.( Tci – Tco ) ……………………………………(2.6)4 Dimana :

qc = Laju aliran panas yang diterima oleh udara ( kJ/s ) mc = Laju massa aliran udara ( kg/s ) Cpc = Panas jenis udara ( kJ/s ) Tci = Temperatur udara masuk air heater ( 0 C ) Tco = Temperatur udara keluar air heater ( 0 C )

3.4.3. Beda Temperatur Rata-Rata Menyeluruh ( LMTD atau ∆ Tm ) Untuk mengetahui nilai beda temperatur rata-rata menyeluruh antara gas asap panas dan udara pembakaran pada air heater dapat dilakukan dengan perhitungan ∆ Tm atau LMTD ( Log Mean Temperature Difference ) :

Teknik Mesin - UMB

32

Landasan Teori

∆ Tm =

=

(∆T1 − ∆T2 ) ln(∆T1 / ∆T2 ) {(Thi − Tco) − (Tho − Tci ) ..………………………(2.7)4 ln{(Thi − Tco) /(Tho − Tci )}

Dimana :

∆ Tm = Beda temperature rata-rata menyeluruh ( 0 C ) 0

Thi = Temperatur gas asap panas masuk air heater ( C ) 0

Tho = Temperatur gas asap panas keluar air heater ( C ) 0

Tci = Temperatur udara masuk air heater ( C ) 0

Tco = Temperatur udara keluar air heater ( C )

3.4.4. Beban Perpindahan Panas Yang Terjadi Pada Air Heater Untuk mengetahui besarnya total perpindahan panas yang terjadi pada air heater dapat dilakukan dengan perhitungan :

Q = A.U. ∆ Tm.Fc …………………………………………………(2.8)4 Dimana :

Q = Jumlah perpindahan panas total ( W ) atau ( kalori ) 2

A = Luas permukaan element pemanas ( M ) 2

0

U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh ( W/M . C )

∆ Tm = Beda temperature rata-rata menyeluruh ( 0 C ) Fc = Factor Koreksi

Teknik Mesin - UMB

33

Landasan Teori

3.4.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) Koefisien perpindahan panas ( U ) untuk alat penukar kalor ( heat exchanger ) dengan berbagai type dan jenis fluidanya dapat ditentukan dari table berikut.

Type of heat exchanger

U ( W / M2.oC )

Water to water

850 – 1700

Water to oil

100 – 350

Water to gasoline or kerosene

300 – 1000

Feed water heaters

1000 – 8500

Steam to light fuel oil

200 – 400

Steam to heavy fuel oil

50 – 200

Steam condenser

1000 – 6000

Freon condensers (water cooled)

300 – 1000

Ammonia condensers (water cooled)

800 – 1400

Alcohol condensers (water cooled)

250 – 700

Gas to gas

10 – 50

Water to air in finned tubes (water in

30 – 60

tubes)

400 – 850

Steam to air in finned tubes

30 – 300

(steam in tubes)

400 – 4000

Table.2.1. Nilai koefisien perpindahan kalor menyeluruh “ U “

Teknik Mesin - UMB

34

Metode Pengolahan Data

BAB III METODE PENGOLAHAN DATA

3.1.

Pengumpulan dan pengolahan data Data-data yang diperoleh adalah data-data yang terdapat pada specifikasi

air heater di PT Dian Swastatika Sentosa, dimana data ini merupakan data design dan juga data yang diperoleh dari lapangan yang merupakan data aktual kondisi operasi air heater (data harian operasional). Data aktual kondisi lapangan akan diambil pada beberapa kondisi yang berbeda, dimana data tersebut merupakan data rata-rata yang dianggap dapat mewakili setiap kondisi operasi air heater. Pengumpulan atau sumber data-data aktual operasional akan diambil berdasarkan tag number alat instrumentasi yang ada dilapangan seperti : alat ukur temperature (TE) untuk udara masuk dan udara keluar, alat ukur temperature (TE) flue gas masuk dan flue gas keluar, alat ukur perbedaan tekanan (DP) untuk udara dan flue gas, alat ukur aliran massa udara (FT) dan yang lainnya. Data-data yang diperoleh akan diolah dengan menggunakan perhitunganperhitungan perpindahan panas sehingga didapat pengaruh kondisi-kondisi tersebut terhadap kinerja air heater.

3.2.

Spesifikasi Air Heater Spesifikasi air heater yang terdapat pada PT.Dian Swastatika Sentosa

adalah sebagai berikut :

Teknik Mesin - UMB

35


Type

: Ljungstrom Regenerative Air Heater

Model

: 24.5-VI-1375

Kecepatan

: 1,54 ( rpm )

Luas Total Elemen

: 37,380 ( m 2 )

Kapasitas Udara Masuk

: 317.160 ( kg/h )

Kapasitas Flue Gas keluar

: 389.500 ( kg/h )

Temperatur Udara masuk AH

: 30 ( 0 C )

Temperatur Udara Keluar AH

: 272 ( 0 C )

Temperatur Flue Gas Masuk AH

: 316 ( 0 C )

Temperatur Flue Gas Keluar AH

: 132 ( 0 C )

Perbedaan Tekanan Udara (DP)

: max. 70 mmH2O

Perbedaan Tekanan Flue Gas (DP)

: max. 110 mmH2O (normal : 75 mm H2O)

Element Panas (Hot Element)

: Mild Steel (SPCC) 0,6 mm

Element Dingin (Cold Element)

: Corrosion Resistance Alloy Steel, 1.0 mm

3.3

Sumber Pengambilan Data Data-data pengukuran diperoleh dari indicator-indikator pengukuran yang

ada dilapangan maupun diruang kontrol sesuai dengan fungsi dan

nomor

instrumentasi (Tag Number) dari masing-masing indikator tersebut seperti : TE (oC)

: Indikator pengukuran panas pada aliran udara dan flue gas

PT (mmH2O)

: Indikator pengukuran tekanan udara dan flue gas

FT (T/h)

: Indikator pengukuran laju massa aliran udara

DP air(mmH2O)

: Indikator differential pressure pada aliran udara

Teknik Mesin - UMB

36


DP flue gas (mmH2O) : Indikator differential pressure pada aliran flue gas Nomor masing-masing instrumentasi untuk pengukuran tersebut ditunjukkan seperti pada gambar berikut :

Air Outlet

Flue Gas Inlet

TE-421 (Thi)

TE-418 (Tco)

PT-413

PT-409

Hot Element DP Flue Gas

DP Air

Cold Element

PT-414

PT-408 TE-417(Tci)

TE-422 (Tho)

FT-408

Air Inlet

Flue Gas Outlet

Gambar.2.15. Indikator Pengukuran pada Air heater Note : TE-418

(Tco = Temperatur udara keluar air heater)

TE-417

(Tci = Temperatur udara masuk air heater)

DP Air

(PT-408 – PT-407 = Beda tekanan udara pada air heater)

Teknik Mesin - UMB

37


FT-408

= Laju aliran massa udara masuk air heater

TE-422

(Tho = Temperatur flue gas keluar air heater)

TE-421

(Thi = Temperatur flue gas masuk air heater)

DP- Flue gas (PT-414 – PT-413 = Beda tekanan flue gas pada air heater)

3.4.

Spesifikasi Bahan Bakar yang Digunakan Dampak yang timbul akibat dari adanya perubahan kinerja air heater

berdasarkan hasil perhitungan beban perpindahan panas yang diperoleh akan mengindikasikan besarnya kalori atau jumlah panas yang terbuang ke udara luar, dimana kalori tersebut akan di asumsikan sebagai pemborosan sejumlah bahan bakar (batu bara) sehingga dalam hal ini perlu ditentukan spesifikasi rata-rata batu bara yang digunakan. Spesifikasi Batu Bara (asal Kalimantan) : A.Proximate Analysis 1. Total Moisture (%)

: 22,72

2. Ash Content (%)

: 9,20

3. Volatile Matter (%)

: 29,89

4. Fixed Carbon (%)

: 38,18

5. Total Sulphur (%)

: 0,67

6. Gross Calorific Value/ HHV (Kcal/Kg) : 5244 B. Ultimate Analysis 1. Carbon (%)

: 52,99

2. Hydrogen (%)

: 3,42

Teknik Mesin - UMB

38


3. Nitrogen (%)

: 1,45

4. Sulphur (%)

: 0,67

5. Oxygen (%)

: 9,55

6. Hard Grove Index

: 54

7. * Size ≥ 50 mm (%)

: 23,45

* Size ≤ 2 mm (%)

: 10,19

3.5.

Data-Data Hasil Pengukuran Data-data berikut merupakan data hasil pengukuran dari lapangan selama

unit air heater masih beroperasi, dimana data-data tersebut diambil dari data operasi air heater setelah sepuluh bulan (7200 jam) beroperasi sejak dari perawatan terrencana tahunan terakhir. Data masing-masing parameter operasi tersebut merupakan data rata-rata yang dapat mewakili setiap kondisi kenaikan perbedaan tekanan pada sisi aliran Flue Gas. Untuk memperlihatkan perubahan kenaikan perbedaan tekanan yang terjadi, maka data akan diklasifikasikan menjadi tiga kondisi : 1. Kondisi standard normal operasi pada perbedaan tekanan 75 mm H2O 2. Kondisi standard maksimal operasi pada perbedaan tekanan 112 mm H2O 3. Kondisi diatas standard maksimal operasi pada perbedaan tekanan 128 mm H2O

Teknik Mesin - UMB

39


Data - Data Parameter Operasi Air Heater Periode : Mei 2008 - Februari 2009 Air / Udara Pembakaran

No

Flue Gas / Gas Asap Panas

Air Flow

Air In

Air Out

Diff Press

Gas In

Gas Out

Diff Press

FT-408

TE-417

TE-418

DP Air

TE-421

TE-422

DP Gas

(T/h)

Tci (°C)

Tco(°C)

(mmH2O)

Thi(°C)

Tho(°C)

(mmH2O)

Bulan

1

Mei '08

320

33

268

35

318

126

75

2

Juli '08

318

31

252

40

316

130

86

3

Sep '08

315

32

257

46

320

135

98

4

Nov '08

320

33

240

53

318

142

112

5

Jan '09

316

32

235

58

320

148

120

6

Feb '09

322

32

228

66

320

152

128

3.6.

Metode Analisa Kalori Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Metode perhitungan analisa kalori yang hilang akibat kenaikan perbedaan

tekanan pada gas air heater akan dilakukan dengan tiga tahap, dimana yang pertama akan dilakukan perhitungan pada kondisi standart normal operasi, yang kedua perhitungan pada kondisi maksimal standard limit operasi, dan yang ketiga adalah pada kondisi diatas maksimal standart operasi. Dari hasil perhitunganperhitungan pada ketiga kondisi tersebut akan didapat perbedaan kalori yang hilang serta pengaruh terhadap pemakaian bahan bakar / kerugian bahan bakar.

Teknik Mesin - UMB

40

Analisa Kalori Yang Hilang

BAB IV ANALISA KALORI YANG HILANG AKIBAT KENAIKAN PERBEDAAN TEKANAN PADA GAS AIR HATER

4.1.

Umum Gas asap panas yang keluar dari boiler setelah memanasi ekonomiser

masih mempunyai panas atau nilai kalori yang cukup tinggi sehingga panas tersebut dapat dimanfaatkan kembali untuk memanaskan udara pembakaran pada air heater. Memanaskan udara pembakaran atau memanfaatkan panas dari gas asap panas berarti mengurangi jumlah pemakaian bahan bakar dan akan meningkatkan effisiensi boiler. Kinerja dari air heater sangat dipengaruhi oleh perbedaan tekanan yang terjadi pada element air heater, sedangkan perbedaan tekanan ini sangat mempengaruhi laju aliran serta laju perpindahan panas pada air heater sehingga perlu adanya kajian untuk mengetahui besarnya kalori yang hilang akibat perubahan perbedaan tekanan yang terjadi pada air heater. Berikut ini adalah perhitungan-perhitungan yang membandingkan beberapa kondisi pada kenaikan perbedaan tekanan (DP), antara lain perbedaan tekanan pada kondisi standard normal operasi (DP :75 mmH2O) terhadap perbedaan tekanan pada kondisi standard maksimal operasi (DP: 112 mmH2O) maupun terhadap perbedaan tekanan

pada kondisi diatas maksimal operasi

(DP : 128 mmH2O).

Teknik Mesin - UMB

41


4.2.

Perhitungan Kesetimbangan Energi Pada Kondisi Standard Normal Operasi Dengan Perbedaan Tekanan ( DP = 75 mm H2O )

Data data yang diperoleh : mc

= Laju aliran massa udara : 320 T/h = 88,88 kg/s

Tci

= Temperatur udara masuk : 33 oC

Tco

= Temperatur udara keluar air heater : 268 oC

Dp Gas

= Perbedaan tekanan pada aliran gas asap : 75 mm H2O

Thi

= Temperatur gas asap panas masuk : 318 oC

Tho

= Temperatur gas asap panas keluar : 126 oC

4.2.1. Laju Energi Panas Diterima Aliran Udara qc

= mc.Cpc. ( Tco – Tci )

Cpc

= panas jenis udara (kJ/kg.oC )

Panas jenis udara didapat dari table sifat-sifat udara (lampiran. 3) pada temperatur udara rata-rata : Tc =

Tco + Tci 268 + 33 = 150,5 oC ( 423,5 oK). = 2 2

T (oK )

Cp ( kJ/kg.oC)

400

1,0140

450

1,0207

Dengan menggunakan interpolasi maka pada T = 423,5

o

K, didapat

Cpc = 1,017 kJ/kg oC, maka laju energi panas yang diterima aliran udara adalah : qc = 88,88 kg/s . 1,0171 kJ/kg.oC. ( 268 oC - 33 oC ) qc = 21.243,96 kJ/s = 21.243,96 . 0,2388 = 5.073 kCal/s. Teknik Mesin - UMB

42


4.2.2. Laju Energi Panas Dilepas Gas Asap Panas qh

= mh.Cph. ( Thi – Tho )

Cph = panas jenis gas asap panas (kJ/kg.oC ) Panas jenis gas asap panas didapat dari table sifat-sifat gas (lampiran. 1) pada temperatur gas asap rata-rata: Th =

Thi + Tho 318 0 C + 126 0 C = = 222oC(495 oK) 2 2

Dengan

menggunakan

T (oK )

Cp ( kJ/kg.oC)

450

0,980

500

1,013

interpolasi

maka

pada

T

=

495

o

K,

didapat

Cph = 1,0097 kJ/kg.oC, maka laju aliran massa gas asap panas mh, dapat dihitung

dengan persamaan: qc = qh qc = mh.Cph.( Thi – Tho ) mh =

=

qc Cph.(Thi − Tho)

21.243,96kJ / s 1.0097kJ / kg.0 C.(318.0 C − 126.0 C )

mh = 109,58 kg/s qh = 109,58 kg/s.1,0097 kJ/kg.oC.( 318oC – 126oC ) qh = 21.243,44 kJ/s . 0,2388 = 5.072,9 kCal/s.

Teknik Mesin - UMB

43

Analisa Kalori Yang Hilang 4.2.3. Beda Temperatur Rata-Rata menyeluruh ( LMTD atau ∆ TM )

∆ Tm =

∆T2 − ∆T1 ln(∆T2 / ∆T1 )

318 oC

=

{(Tho − Tci ) − (Thi − Tco )} ln{(Tho − Tci ) / (Thi − Tco )}

=

{(126 C − 33 C ) − (318 C − 268 C )} ln{(126 C − 33 C ) / (318 C − 268 C )} 0

0

0

0

0

0

50 oC ∆T1 268 oC

&h m 126 oC

0

0

&c m

∆T2 93 oC 33 oC

430 C 43 0 C = = ln .1,86 0,62

∆ Tm = 69,35 0C

4.2.4. Beban Total Perpindahan Panas Pada Air Heater (Q) Q

= A.U.∆Tm.Fc

Q

= Jumlah perpindahan panas total (W) atau (kW)

A

= Luas total element air heater = 37.380 M2

∆Tm =Beda temperatur rata-rata menyeluruh = 69,35 0C U

= Nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh = 50 W/M2 0C,

diperoleh dari table koefisien heat exchanger (table 2.1) dengan media panas gas dan media dingin gas.

Fc

= Factor koreksi,didapat dari diagram factor koreksi (lampiran. 5 )

dengan menghitung nilai R&P. Mencari nilai

R=

T1 − T2 Thi − Tho = t1 − t 2 Tco − Tci

P=

t 2 − t1 Tco − Tci = T1 − t1 Thi − Tci

Teknik Mesin - UMB

44


Dimana :

Thi = 318 oC Tho = 126 oC Tci = 33 oC Tco = 268 oC

`

R=

318 0 C − 126 0 C = 0,81 268 0 C − 33 0 C

P =

268 0 C − 33 0 C = 0,82 318 0 C − 33 0 C

R = 0,81 dan P = 0,82 dari diagram (lampiran.5) didapat Fc = 0,52

Maka beban total perpindahan panas pada air heater :

Q = A. U.∆Tm.Fc Q = 37.380 M2. 50 W/M2 oC. 69,35 oC. 0,52 Q = 67.399.878 W = 67.399,9 kW.

4.3.

Perhitungan

Kesetimbangan

Energi

Pada

Kondisi

Standard

Maksimal Operasi Dengan Perbedaan Tekanan ( DP = 112 mm H2O ) Data - data yang diperoleh :

mc

= Laju aliran massa udara : 320 t/h = 88,88 kg/s

Tci

= Temperatur udara masuk : 33 oC

Tco

= Temperatur udara keluar air heater : 240 oC

Dp Gas = Perbedaan tekanan pada aliran gas asap : 112 mm H2O Thi

= Temperatur gas asap panas masuk : 318 oC

Tho

= Temperatur gas asap panas keluar : 142 oC

Teknik Mesin - UMB

45


4.3.1. Laju Energi Panas Diterima Aliran Udara qc = mc.Cpc. ( Tco – Tci ) Cpc = panas jenis udara (kJ/kg.oC ) Panas jenis udara didapat dari table sifat-sifat udara (lampiran. 3) pada temperatur udara rata-rata : Tc =

Tco + Tci 240 0 C + 330 C = = 136,5 0 C ( 409,5 oK). 2 2 T (oK )

Cp ( kJ/kg.oC)

400

1,0140

450

1,0207

Dengan menggunakan interpolasi maka pada T = 409,5

o

K, didapat

Cpc = 1,0152 kJ/kg oC, maka laju energi panas yang diterima aliran udara adalah: qc = 88,88 kg/s. 1,0152 kJ/kg.oC. ( 240 oC - 33 oC ) qc = 18.677,81 kJ/s . 0,2388 = 4.460,3 kCal/s.

4.3.2. Laju Energi Panas Dilepas Gas Asap Panas qh = mh.Cph. ( Thi – Tho ) Cph = panas jenis gas asap panas (kJ/kg.oC )

Panas jenis gas asap panas didapat dari table sifat-sifat gas (lampiran. 1) pada temperatur gas asap rata-rata : Th =

Thi + Tho 318 0 C + 142 0 C = = 230 0 C (503 oK) 2 2

Teknik Mesin - UMB

46


Dengan

T (oK )

Cp ( kJ/kg.oC)

500

1,013

550

1,047

menggunakan

interpolasi

maka

pada

T

=

503

o

K,

didapat

Cph = 1,015 kJ/kg.oC, maka laju aliran massa gas asap panas mh, dapat dihitung

dengan persamaan: qc = qh qc = mh.Cph.( Thi – Tho ) mh =

qc = Cph.(Thi − Tho)

18.677,81kJ / s 1,015kJ / kg.0 C.(318 0 C − 142 0 C )

mh = 104,55kg/s qh = 104,55kg/s.1,015 kJ/kg.oC.( 318oC – 142oC ) qh = 18.676,81 kJ/s . 0,2388 = 4.460 kCal/s.

4.3.3. Beda Temperatur Rata-Rata menyeluruh ( LMTD atau ∆ TM )

∆T2 − ∆T1 ln(∆T2 / ∆T1 )

318 oC

=


78 oC ∆T1 240 oC

=

{(142 C − 33 C ) − (318 C − 240 C )} ln{(142 C − 33 C ) / (318 C − 240 C )}

∆ Tm =

0

0

0

310 C = ln .1,39

0

0

0

&h m 142 oC

0

0

&c m

∆T2 109 oC 33 oC

∆ Tm = 92,6 0C Teknik Mesin - UMB

47


4.3.4. Beban Total Perpindahan Panas Pada Air Heater Q

= A.U.∆Tm.Fc

Q


A


∆Tm =Beda temperatur rata-rata menyeluruh = 92,6 0C U

= Nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh = 50 W/M2 0C, diperoleh

dari table koefisient heat exchanger (table.2.1) dengan media panas gas dan media dingin gas. Fc

= Factor koreksi,didapat dari diagram factor koreksi (lampiran. 5 ) dengan

menghitung nilai R&P. Mencari nilai

Dimana :

R=


P=


Thi = 318 oC Tho = 142 oC Tci = 33 oC Tco = 240 oC 318 0 C − 142 0 C R= = 0,85 240 0 C − 330 C 240 0 C − 330 C P = = 0,72 318 0 C − 330 C

dengan nilai R = 0,85 dan P = 0,72 dari diagram (lampiran. 5) didapat Fc = 0,6

Teknik Mesin - UMB

48


Maka beban total perpindahan panas pada air heater : Q = A. U.∆Tm.Fc Q = 37.380 M2. 50 W/M2 oC. 92,6 oC. 0,6 Q = 103.841.640 W = 103.841,6 kW.

4.4. Perhitungan Kesetimbangan Energi Pada Kondisi Standard Diatas Maksimal Operasi Dengan Perbedaan Tekanan ( DP = 128 mm H2O )

Data - data yang diperoleh : mc = Laju aliran massa udara : 322 t/h = 89,44kg/s Tci = Temperatur udara masuk : 32oC Tco = Temperatur udara keluar air heater : 228 oC Dp Gas = Perbedaan tekanan pada aliran gas asap : 128 mm H2O Thi = Temperatur gas asap panas masuk : 320oC Tho = Temperatur gas asap panas keluar : 152 oC

4.4.1. Laju Energi Panas Diterima Aliran Udara qc = mc.Cpc. ( Tco – Tci ) Cpc = panas jenis udara (kJ/kg.oC )

Panas jenis udara didapat dari table sifat-sifat udara (lampiran 3) pada temperatur udara rata-rata : Tc =

Tco + Tci 228 0 C + 32 0 C = = 130 0 C ( 403 oK). 2 2

Teknik Mesin - UMB

49


Dengan

menggunakan

T (oK )

Cp ( kJ/kg.oC)

400

1,0140

450

1,0207

interpolasi

maka

pada

T

=

403

o

K,

didapat

Cpc = 1,0144 kJ/kg oC, maka laju energi panas yang diterima aliran udara adalah: qc = 89,44 kg/s. 1,0144 kJ/kg.oC. ( 228 oC - 32 oC ) qc = 17.782,67 kJ/s . 0,2388 = 4.246,5 kCal/s.

4.4.2. Laju Energi Panas Dilepas Gas Asap Panas qh = mh.Cph. ( Thi – Tho ) Cph = panas jenis gas asap panas (kJ/kg.oC )

Panas jenis gas asap panas didapat dari table sifat-sifat gas (lampiran. 1) pada temperatur gas asap rata-rata : Th =

Thi + Tho 320 0 C + 152 0 C = = 236 0 C ( 509 oK) 2 2 T (oK )

Cp ( kJ/kg.oC)

500

1,013

550

1,047

Dengan menggunakan interpolasi maka pada T = 509 oK, didapat Cph = 1,019 kJ/kg.oC, maka laju aliran massa gas asap panas mh, dapat dihitung

dengan persamaan: qc = qh qc = mh.Cph.( Thi – Tho ) Teknik Mesin - UMB

50


mh

=

qc Cph.(Thi − Tho)

=

17.782,67kJ / s 1,019kJ / kg.0 C.(320 0 C − 152 0 C )

mh = 103,87 kg/s qh = 103,87 kg/s.1,019 kJ/kg.oC.( 320 oC – 152 oC ) qh = 17.781,71 kJ/s . 0,2388 = 4.246,3 kCal/s.

4.4.3. Beda Temperatur Rata-Rata menyeluruh ( LMTD atau ∆ TM ) ∆T2 − ∆T1 ln(∆T2 / ∆T1 )

320 oC

=


92 oC ∆T1 228 oC

=

{(152 C − 32 C ) − (320 C − 228 C )} ln{(152 C − 32 C ) / (320 C − 228 C )}

=

28 0 C ln .1,30

∆ Tm =

0

0

0

0

0

0

&h m 152 oC

0

0

&c m

∆T2 120 oC 32 oC

∆ Tm = 106,7 0C

4.4.4. Beban Total Perpindahan Panas Pada Air Heater Q

= A.U.∆Tm.Fc

Q


A


∆Tm =Beda temperatur rata-rata menyeluruh = 106,7 0C

Teknik Mesin - UMB

51


U

= Nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh = 50 W/M2 0C,

diperoleh dari table koefisient heat exchanger (table 2.1) dengan media panas gas dan media dingin gas. Fc

= Factor koreksi,didapat dari diagram factor koreksi (lampiran.5)

dengan menghitung nilai R&P. Mencari nilai

Dimana :

R=


P=


Thi = 320 oC Tho = 152 oC Tci = 32 oC Tco = 228 oC R=

320 0 C − 152 0 C = 0,85 228 0 C − 32 0 C

P =

228 0 C − 32 0 C = 0,68 320 0 C − 32 0 C

dengan nilai R = 0,85 dan P = 0,68 dari diagram (lampiran. 5) didapat Fc = 0,68 Maka beban total perpindahan panas pada air heater : Q = A. U.∆Tm.Fc Q = 37.380 M2. 50 W/M2 oC. 106,7 oC. 0,68 Q = 135.607.164 W = 135.607,2 kW.

Teknik Mesin - UMB

52


4.5. Analisa Kalori Yang Hilang Dan Kerugian Bahan Bakar Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan/DP Pada Air Heater.

Dari hasil perhitungan-perhitungan diatas untuk masing-masing kenaikan perbedaan tekanan yang terjadi pada air heater diperoleh data-data berikut : * Laju aliran udara relatif sama : 320 – 322 T/H. N0

Item

1

Laju

aliran

Perbedaan Tekanan/DP 75 mmH2O Panas 21.243,96 kJ/s

diterima Udara (qc) 2

Laju dilepas

Aliran Gas

5.073 kCal/s

Perbedaan Tekanan/DP 112 mmH2O 18.677,81 kJ/s

Perbedaan Tekanan/DP 128 mmH2O 17.782,67 kJ/s

4.460,3 kCal/s

4.246,5 kCal/s

Panas 21.243.44 kJ/s 18.676,81 kJ/s 17.781,71 kJ/s Asap 5.072,9 kCal/s

4.460 kCal/s

4.246,3 Kcal/s

96,6 oC

106,7 oC

103.841,6 kW

135.607,2 kW

(qh) 3

Temperatur 69,35 oC

Beda

Rata-rata ( ∆Tm ) 4

Beban

Perpindahan 67.399,9 kW

Panas (Q)

4.5.1. Kalori Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Normal Operasi ke Kondisi Maksimal Operasi. ( DP 75 mm H2O - DP 112 mm H2O). ∆qh

= qh (DP 75 mmH2O) – qh (DP 112 mmH2O)

= 5.072,9 kCal/s – 4.460 kCal/s = 612,9kCal/s = 2.206.440 kCal/h

Teknik Mesin - UMB

53


4.5.2. Bahan Bakar Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Normal Operasi ke Kondisi Maksimal Operasi. ( DP 75 mm H2O - DP 112 mm H2O). BB =

∆qh.(kCal / H ) Ql (kCal / kg )

Ql = HHV − 5,7.(9 H + W ) HHV bahan bakar batubara yang digunakan = 5244 kCal/kg.

H, kandungan Hydrogen pada batubara = 3.42 % W, kandungan Total Moisture batubara = 22,72 % Ql = 5244 kCal/kg − 5,7.(9 × 3,42 + 22,72) = 4.939 kCal/kg. BB =

2.206.440.kCal / H 4.939.kCal / kg

= 446,7 kg/H, batubara.

4.5.3. Kalori Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Normal Operasi ke Kondisi Diatas Standard Maksimal Operasi. ( DP 75 mm H2O - DP 128 mm H2O). ∆qh = qh (DP 75 mmH2O) – qh (DP 128 mmH2O)

= 5.072,9 kCal/s – 4.246,3 kCal/s = 826,6 kCal/s = 2.975.760 kCal/h

Teknik Mesin - UMB

54


4.5.4. Bahan Bakar Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Normal Operasi ke Kondisi Maksimal Operasi. ( DP 75 mm H2O - DP 128 mm H2O). BB =




2.975.760.kCal / H 4.939.kCal / kg

BB = 602,5 kg/H, batubara.

4.5.5. Kalori Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Maksimal Operasi ke Kondisi Diatas Standard Maksimal Operasi. ( DP 112 mm H2O - DP 128 mm H2O).

∆qh = qh (DP 112 mmH2O) – qh (DP 128 mmH2O)

= 4.460 kCal/s – 4.246,3 kCal/s = 213,7 kCal/s = 769.320 kCal/h

Teknik Mesin - UMB

55


4.5.6. Bahan Bakar Yang Hilang Akibat Kenaikan Perbedaan Tekanan Dari Kondisi Maksimal Operasi ke Kondisi Diatas Standard Maksimal Operasi. ( DP 112 mm H2O - DP 128 mm H2O) BB =




769.320.kCal / H 4.939.kCal / kg

BB = 155,7 kg/H, batubara.

4.5.7. Analisa Hasil Perhitungan Kalori Dan Bahan Bakar Yang Hilang. Item No

1

Calori yang

DP.75-DP.112 (mmH2O)

DP.75–DP.128 (mmH2O)

DP112-DP128 (mmH2O)

2.206.440

2.975.760

769.320

446,7 kg/h

602,5 kg/h

155,7 kg/h

Rp.512.125/h

Rp.132.345/h

Rp.368,73jt/M

Rp.95,28jt/M

Hilang (kCal/h) 2

Setara Batubara Yang Hilang .

3

Kerugian B.Bakar Rp.379.695/h Rp.850/kg.

Rp.273,38jt/M

batubara Teknik Mesin - UMB

56


•

Dari hasil perhitungan diatas untuk setiap kondisi kenaikan perbedaan tekanan yang terjadi pada air heater, menunjukkan terjadinya kehilangan kalori yang semakin besar. Hal ini dapat dilihat pada bulan Mei 08 kondisi perbedaan tekanan masih dalam kondisi normal operasi (DP:75 mmH2O) dengan temperatur gas asap panas : 318 oC dapat memanaskan udara hingga temperatur: 268 oC, sedangkan pada bulan November 08 dengan terjadinya kenaikan perbedaan tekanan (DP:112 mm H2O), dengan temperatur gas asap panas; 318 oC hanya mampu untuk memanaskan udara hingga temperatur: 240 oC. Penurunan temperatur udara sebesar: 28 oC menunjukkan terjadinya

ketidak mampuan air heater untuk menyerap panas/kalori sebesar : 2.206.440 kCal/hour dan kondisi ini menyebabkan terjadinya pemborosan

bahan bakar batubara sebesar : 446,7 kg/hour. •

Demikian juga yang terjadi pada bulan Februari 09 dengan terjadinya kenaikan perbedaan tekanan hingga diatas standard maksimal (DP:128 mmH2O) dengan temperatur gas asap panas: 320 oC hanya mampu untuk memanaskan udara hingga temperatur: 228

o

C, penurunan temperatur

sebesar: 40 oC dari kondisi normal ini menunjukkan terjadinya ketidak mampuan

air

heater

untuk

menyerap

panas/kalori

sebesar

:

2.975.760 kCal/hour dan menyebabkan terjadinya kerugian bahan bakar

batubara sebesar: 602,5 kg/hour. •

Kerugian kalori yang terbuang atau semakin bertambahnya jumlah pemakaian bahan bakar diatas menunjukkan bahwa kinerja air heater tidak maksimal sehingga menyebabkan turunnya effisiensi pada boiler.

Teknik Mesin - UMB

57

Kesimpulan & Saran

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1

Kesimpulan. Dari hasil pengamatan, perhitungan dan analisa yang dilakukan oleh

penulis pada Air Heater diatas, maka dapat disimpulkan beberapa hal berikut : 1. Semakin besar kenaikan perbedaan tekanan

pada air heater maka akan

semakin besar pula jumlah panas yang hilang. 2. Semakin besar jumlah panas yang hilang akan semakin besar pula kerugian bahan bakar yang terjadi dan akan menyebabkan naiknya biaya produksi. 3. Naiknya perbedaan tekanan (DP) pada air heater umumnya disebabkan oleh terjadinya pengotoran (fouling) pada element air heater, pengotoran ini berupa penumpukan

debu

sisa

pembakaran

batubara

yang

menyebabkan

terganggunya proses perpindahan panas pada air heater (kinerja turun). 4. Proses fouling atau pengotoran pada element air heater dapat di sebabkan oleh beberapa factor seperti : pembakaran tidak sempurna, pembakaran berlebihan (melting), temperature steam soot blower terlalu rendah maupun kualitas batubara yang rendah. 5. Sejalan dengan lamanya jam operasi air heater (running hours) umumnya perbedaan tekanan pada air heater akan semakin bertambah pula/naik meskipun sudah dilakukan langkah pencegahan dengan menggunakan steam soot blower, sehingga mengoperasikan air heater pada kondisi perbedaan

Teknik Mesin - UMB

58

Kesimpulan & Saran

tekanan yang cukup tinggi sangat tergantung pada kebijaksanan maintenance management dan target produksi mill.

5.2.

Saran - Saran . Oleh karena pengotoran (fouling) adalah sumber permasalahan terbesar

yang menyebabkan menurunnya kinerja air heater yang berakibat turunnya efisiensi pada boiler, maka perlu dilakukan beberapa hal berikut : 1. Mengoptimalkan pembakaran batubara pada furnace dengan memperhatikan jumlah kebutuhan udara yang diperlukan sesuai dengan design air demand per load (maksimum excess air 20 % ). 2. Kontrol kadar oksigen pada gas asap panas sebesar 4% (oxygen % in gas). 3. Kontrol temperature pada furnace boiler agar tidak melebihi temperature mencair abu batubara (ash melting point). 4. Menjaga kualitas steam soot blower (meminimalkan kandungan condensate) dan melakukan steam soot blowing pada air heater minimal setiap 8 jam. 5. Menjaga temperature gas asap panas keluar (flue gas outlet) agar selalu diatas temperature pengembunan sulfur batubara (sulphur dew point temperature). 6. Apabila air heater sudah beroperasi melebihi 8000 jam, maka perlu dilakukan pencucian element air heater (water washing) disesuaikan dengan jadwal maintenance atau jika beban mill memungkinkan untuk diturunkan. 7. Mengoptimalkan

kualitas

batubara

yang

akan

digunakan

dengan

mempertimbangkan unsur-unsur kandungan : total ash, total moisture, sulfur dan deformasi temperature abu batubara (ash deformation temperature).

Teknik Mesin - UMB

59

DAFTAR PUSTAKA

1. Michael J.Moran, Howard.N.Shapiro. “ Termodinamika Teknik” Penerbit Erlangga Jakarta. 2. MJ.Djokosetyarjo. “ Ketel Uap “ Penerbit PT.Pradnya Paramita. 3. Joseph G.Singer.P.E. “ Combustion Fossil Power ” Rand Mc.Nally USA. 4. Chandrasa Soekardi. Diktat “ Perpindahan Panas Lanjut “ 5. Frank Kreith, Arko Prijono. “ Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas “ Penerbit Erlangga Jakarta 1997. 6. Arthur P. Fraas, M.Necati Ozisik“ Heat Exchanger Design “ Jhon Wiley & Sons. Inc.New York. 7. Kam.W.Li, A.Paul Priddy “ Power Plant System Design “ Jhon Wiley & Sons.Inc.Canada 1985. 8. Robert H.Perry Don Green “ Perry’s Chemical Engineers’Hand Book Mc.Graw-Hill International Edition.

Teknik Mesin - UMB

60

ANALISA KALORI YANG HILANG AKIBAT KENAIKAN PERBEDAAN TEKANAN PADA GAS AIR HEATER DI BOILER UNIT #6 PT. DIAN SWASTATIKA SENTOSA SERANG POWER PLANT

Recommend Documents