ANALISIS KINERJA ALAT SUPERHEATER PADA INSTALASI PEMBANGKIT TENAGA UAP Tris Sugiarto *, Chandrasa Soekardi **
Abstract This paper presents the performance characteristic of a superheater of boiler power plant evaluated by measuring the working parameters such as pressure, temperature, steam flowrate, and gas temperatures flowing through the equipment as a function of time during 12 months of operation with the aim of providing data on the influence of fouling on superheater performance. These data were used to calculate the change of heat transfer rate with time as fouling deposition progressed. The results showed that after 12 months of operation the heat transfer rate declined by 28% below the initial condition. This condition is probably due to more severe fouling in the equipment. The gas flow rate must be reduced below its design value in order to maintain the design heat duty when the equipment is first placed in service. Thus the equipment will have to be taken out for cleaning at an undesirable time. To avoid these conditions it seems interesting to apply the rational design method providing available information of time dependence of fouling thermal resistance. Keywords : boiler, superheater, maintenance, cleaning interval, fouling, heat load, fouling thermal resistance
PENDAHULUAN Penelitian ini dilakukan berangkat dari motivasi untuk mencari solusi atas sebuah masalah yang dihadapi oleh alat superheater, yang merupakan salah satu komponen boiler instalasi pembangkit tenaga uap, yaitu selama pengoperasiannya alat tersebut harus mengalami maintenance untuk cleaning lebih sering daripada seharusnya. Menurut spesifikasi designnya alat tersebut seharusnya mengalami maintenance untuk cleaning satu kali per tahun. Namun pada kenyataannya, cleaning rata-rata setelah alat tersebut beroperasi selama 8 bulan sehingga biaya maintenance menjadi tinggi sekali. * Prodi Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto ** Program Magister Teknik Mesin Universitas Pancasila Jakarta
Seringnya maintenance mengakibatkan instalasi mengalami kehilangan produksi yang signifikan sehingga kerugian yang dialami instalasi pembangkit daya menjadi lebih besar. Untuk mencari solusi atas permasalahan tersebut maka diperlukan serangkaian pengujian agar dampak atas masalah yang dihadapi oleh alat tersebut serta kerugian yang lebih besar dapat dikurangi atau dihindari. Peranan alat superheater tersebut sangat vital, karena apabila performancenya mengalami gangguan sehingga kinerjanya menurun, maka tingkat keadaan uap yang dihasilkan menjadi lebih rendah sehingga daya yang dihasilkan oleh turbin dapat menjadi lebih rendah. Pada umumnya 85
penurunan kinerja alat tersebut, di luar masalah gangguan pada sistem mekaniknya, disebabkan oleh menurunnya efektifitas perpindahan panas yang terjadi di dalam alat tersebut akibat terjadinya pengotoran permukaan baik oleh aliran fluida uap air di dalam pipa-pipanya maupun oleh aliran fluida gas panas yang berasal dari proses pembakaran bahan bakar di dalam boiler [1],[2]. Pengotoran permukaan (Fouling) terjadi, di satu sisi akibat pengotoran oleh kandungan-kandungan senyawa garam yang terangkut di dalam aliran uap air yang mengalir di permukaan dalam pipa-pipanya, dan pada sisi luar pipa oleh partikel debu dan berbagai senyawa kimia yang terangkut di dalam aliran gas panas hasil pembakaran bahan bakar. Tahanan termal akibat terjadinya deposit di permukaan menyebabkan laju pertukaran energi panas antara gas panas dengan aliran uap air menjadi menurun sehingga efektifitas perpindahan panasnya lebih rendah dari seharusnya. Pada awal pengoperasian, efektifitas perpindahan panas di dalam alat economiser masih maksimum sesuai dengan spesifikasi designnya karena permukaannya masih dalam keadaan bersih. Namun, setelah alat tersebut dioperasikan dalam jangka waktu tertentu efektifitasnya mulai menurun sejalan dengan terjadinya pengotoran permukaan. Fouling dapat tumbuh lebih cepat apabila lapisan deposit yang terbentuk di permukaan mempunyai sifat adhesif yang cukup kuat. Selain itu, apabila laju aliran fluida menurun dan terdapat kondisi gradien temperatur yang cukup besar di daerah dekat dengan permukaan maka kecepatan pertumbuhan deposit juga akan lebih meningkat [3],[4],[5]. Lapisan deposit yang semakin tebal juga akan menyebabkan kerugian tekanan (pressure drop) aliran fluida menjadi
semakin tinggi, sehingga daya pemompaan yang diperlukan untuk mengalirkan fluida menjadi lebih tinggi. Selain menyebabkan kerugian energi kondisi operasi yang demikian akan menyebabkan laju proses produksi menjadi menurun. Apabila kondisi tersebut terus berlanjut biasanya instalasi proses produksi harus berhenti beroperasi karena peralatan penukar kalornya harus menjalani pemeliharaan (maintenance) dan pembersihan (cleaning). Berdasarkan uraian di atas maka dua pertanyaan pokok yang akan dicari jawabannya melalui penelitian ini adalah faktor-faktor apa saja yang menyebabkan alat superheater tersebut lebih sering harus mengalami maintenance untuk cleaning daripada seharusnya, dan solusi alternatif seperti apa saja yang dapat diterapkan untuk mengatasi permasalahan tersebut PENGUJIAN ALAT SUPERHEATER Pada tahap pertama dilakukan pengukuran, selama jangka waktu 12 bulan pengoperasian yaitu mulai dari bulan Januari tahun 2010 sampai dengan bulan Desember tahun 2010, tingkat keadaan aliran kedua fluida kerja yang mengalir di dalam alat superheater yaitu tekanan, temperatur dan laju aliran massa uap air yang mengalir masuk dan keluar alat tersebut, serta temperatur aliran gas hasil pembakaran masuk dan keluar alat superheater. Data hasil pengukuran kemudian dipergunakan untuk mengevaluasi kinerja alat superheater setelah dioperasikan dalam jangka waktu tertentu. Parameter-parameter performance yang dievaluasi meliputi: laju aliran energi panas yang dilepaskan oleh aliran gas panas, laju aliran panas yang diterima oleh aliran uap air, efektivitas perpindahan panas, koefisien perpindahan panas global, dan tahanan termal pengotoran permukaan. 86
Spesifikasi teknis alat superheater yang menjadi objek studi adalah sebagai berikut:
Tabel 1. Spesifikasi alat superheater Boiler Type Evaporation Steam Pressure
Spesifikasi Alat Riley-Mitsui “ISR” Water Tube Boiler MCR 636 T/hr Normal (at superheater outlet) 131.5 Kg/m2G (at superheater outlet ) 540 0C
Steam Temperatur Heating surface Water Wall (Projected) Economizer Superheater Reheater Air Heater Burner Inlet Air temperatur Draff Loss Urnace PresureF Combustion Chamber Dimensions: Width Length Height
1023 m2 7997 m2 5083 m2 1167 m2 8860 m2 221 0C 150 mmAq 300 mmAq
12.63 m 8.998 m 18.288 m
Tabel 2. Sample data Hasil engujian Temp. gas masuk boiler Thi (0C )
Temp.gas keluar boiler Tho (0C )
Temp.air Temp.uap Laju masuk keluar aliran boiler boiler air Tci (0C ) Tco (0C ) m(kg /s)
1
0
628
162
264
538
136.11
2
72
628
162
265
538
134.72
3
144
628
162
265
538
133.33
4
216
628
162
264
537
134.72
100
7128
627
162
257
534
127.78
101
7200
627
163
259
535
130.56
102
7272
627
163
258
535
127.78
103
7344
627
163
258
535
127.78
Apabila perubahan energi kinetik dan energi potensial aliran fluida kerja diabaikan, maka besarnya laju energi panas yang diterima aliran uap dapat dihitung menggunakan persamaan : Qc = mc . ( ho - hi )
Kemudian, apabila perpindahan panas antara aliran fluida kerja di dalam Alat Penukar Kalor dengan sekelilingnya dapat diabaikan maka qh = qc =q Sedangkan besar kalor yang dilepas aliran gas dapat dievaluasi dengan persamaan berikut: Qh = mh . Cph . (Thi - Tho)
Sebagian data hasil pengukuran disajikan dalam tabel di bawah ini:
Waktu No (h)
Dimana , Qc Kalor yang diterima oleh aliran uap, mc Laju aliran massa uap, Cpc Kalor jenis fluida, ho Enthalpy uap, hi Enthalpy uap jenuh .
(1)
(2)
Dimana , Qh Kalor yang dilepas oleh aliran gas, mh Laju aliran massa gas, Cph Kalor jenis fluida, Thi Temperatur gas yang masuk ke boiler, Tho Temperatur gas yang keluasr dari boiler. Pada proses perpindahan panas antara aliran fluida panas dan aliran fluida dingin yang dipisahkan oleh dinding pemisah yang berupa permukaan pipa dengan ketebalan tertentu berlangsung melalui beberapa mekanisme. Antara aliran fluida panas dengan permukaan dalam pipa mekanisme perpindahan panasnya adalah konveksi. Dari permukaan dalam pipa ke permukaan luarnya perpindahan panas konduksi. Kemudian dari permukaan luar pipa ke aliran fluida dingin mekanisme perpindahan panas konveksi. Laju perpindahan panas global atau keseluruhan antara aliran fluida panas di dalam pipa dengan aliran fluida dingin di luar pipa pada system tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan : Th Tc (3) Q ln( d o / d i ) 1 1 hi Ai 2 kL ho Ao atau persamaan berbentuk :
tersebut
dapat
pula 87
Q UA(Th Tc )
(4)
dimana, 1 UA
1 UAi (5)
1 UAo
1 hi Ai
ln( d o / d i ) 2 kL
1 ho Ao
qmax
di sini, U koefisien global perpindahan panas di dalam Alat Penukar Kalor, A luas permukaan reference, di diameter permukaan dalam tube, do diameter permukaan luar tube, k konduktifitas termal bahan pipa, L panjang pipa, h koefisien perpindahan panas. ΔTm adalah beda temperature rata-rata logaritmik yang diberikan oleh persamaan: Tm
T1 T2 ln( T1 / T2 )
T2 T1 ln( T2 / T1 )
Efektivitas proses perpindahan panas di dalam sebuah alat penukar kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara laju pertukaran energi panas yang sebenarnya terjadi terhadap laju pertukaran energi panas maximum yang dapat terjadi pada alat tersebut : (7)
Dimana , Qact Laju pertukaran kalor actual yang terjadi pada alat, Qmaks Laju pertukaran maksimum yang dapat terjadi pada alat. Qact
Cmin Th,i
Tc,i
(8)
dengan Cmin adalah laju kapasitas panas yang minimum di antara Cc dan Ch. Laju kapasitas panas aliran fluida pendingin, Cc
Cc
mc c p,c ( 9 )
sedangkan laju kapasitas panas aliran fluida panas, Ch
(6)
Bagi konfigurasi aliran yang lainnya, cross flow dan multi pass flow, persamaan tersebut di atas dapat dipergunakan tetapi dengan menerapkan factor koreksi.
€=
Laju pertukaran energi panas maksimal yang mungkin dapat diperoleh secara prinsip dapat dicapai pada sebuah APK jenis aliran berlawanan (counter flow) dan besarnya dapat diestimasi dengan menggunakan persamaan berikut :
Ch
mh c p,h ( 10 )
Tahanan thermal fouling terjadi karena adanya deposit lapisan pengotoran pada permukaan bidang pertukaran kalor. Pembentukan deposit faktor pengotoran selama pengoperasian boiler pipa air dapat di evaluasi dengan persamaan sebagai berikut : + Σ Rf
( 11 )
atau ΣRf
−
Dimana, ΣRf Faktor pengotoran, Uc Perpindahan Panas menyeluruh pada kondisi bersih saat t = 0, Uf Perpindahan panas menyeluruh setelah terjadi deposit lapisan pengotoran.
= Qh
88
HASIL DAN PEMBAHASAN Beban termal di dalam alat superheater Beban termal fungsi waktu pengoperasian yang bekerja di dalam alat superheater, atau laju aliran energi panas yang dilepaskan oleh aliran gas panas dan kemudian diterima oleh aliran uap air, setelah dilakukan perhitungan menggunakan persamaan-persamaan balas energi bagi kedua fluida kerja yang mengalir ke dalam alat superheater diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
economiser dengan laju pertukaran energi panas maksimum yang mungkin terjadi di dalam alat tersebut. Besarnya efektivitas perpindahan panas di dalam alat superheater diberikan pada gambar 2 di bawah ini.
Gambar 2. Karakteristik efektifitas perpindahan panas di dalam superheater
Gambar 1. Karakteristik beban termal di dalam superheater
Dari hasil pengujian, terlihat bahwa pada awal pengoperasian, beban termal yang bekerja pada alat superheater dapat dikatakan berada pada kisaran 50.500 kW. Kemudian setelah waktu 4500 jam pengoperasian harganya menurun dan berada pada kisaran 36.700 kW, atau telah mengalami penuruan sebesar 28 %. Penurunan kinerja alat tersebut besar kemungkinan disebabkan oleh terjadinya penumpukan deposit di permukaan yang tebalnya telah relatif konstan yang mana mengakibatkan turunnya laju pertukaran energi panas. Efektifitas Perpindahan Panas Harga efektifitas perpindahan panas di dalam economizer, ε adalah perbandingan antara laju pertukaran energi panas aktual yang terjadi di dalam alat
Tahanan Termal Pengotoran Permukaan Harga tahanan termal pengotoran atau faktor fouling dapat dihitung menggunakan data koefisien perpindahan panas global yang terjadi di dalam superheater. Hasil perhitungannya disajikan pada gambar 3.
Gambar 3. Karakteristik faktor pengotoran di superheater
Dari gambar tersebut di atas terlihat bahwa pada periode awal pengoperasiannya terjadi peningkatan secara signifikan harga tahanan termal lapisan pengotoran. Hal itu berarti pada kondisi tersebut terjadi percepatan 89
pertumbuhan lapisan pengotoran di permukaan yang disebabkan oleh kedua aliran fluida kerjanya. Percepatan pertumbuhan deposit di permukaan dapat terjadi apabila terdapat kondisi aliran fluida di mana kecepatan rataratanya lebih rendah daripada seharusnya dan/atau terjadi gradien temperatur yang lebih tinggi. Kondisi seperti itu biasa terjadi pada alat penukar kalor yang dirancang dengan menggunakan faktor fouling yang konstan yang diperoleh dari standar TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) [6]. Alat superheater yang menjadi objek studi di sini, melihat data spesifikasi designnya, besar kemungkinan telah dirancang dengan metoda perancangan seperti itu sehingga terjadilah kondisi aliran yang tidak dapat dioperasikan sesuai dengan harga design pointnya pada saat alat tersebut mulai dioperasikan. Selanjutnya, apabila hasil pengujian tersebut di atas didekati dengan profil tahanan termal asymptotik : ( 12 ) dengan Tahanan termal asymptot, t waktu pengoperasian superheater, dan tc konstanta waktu, maka diperoleh: = 2 0,000352 m K/kW dan tc= 5.350 jam atau sekitar 7,4 bulan pengoperasian. Faktor inilah yang menjadi penyebab utama mengapa alat superheater yang dipergunakan pada instalasi pembangkit tenaga uap tersebut di atas harus mengalami maintenance untuk cleaning satu kali setiap 8 bulan pengoperasian. Dari hasil-hasil pengujian tersebut di atas adalah sangat menarik untuk dilakukan sebuah studi yang mempelajari seberapa jauh pengaruh penggunaan data tahanan
termal lapisan pengotoran fungsi waktu dan data cleaning interval terhadap hasil design alat economiser yang sama dengan kondisi batas aliran fluida kerja yang sama pula. KESIMPULAN DAN SARAN Serangkaian pengujian kinerja alat superheater yang terpasang pada sistem boiler penghasil uap bertekanan pada instalasi pembangkit tenaga uap telah dilakukan. Pengujian dilakukan dengan mengukur temperatur kedua aliran fluida kerja yang masuk dan keluar alat tersebut, serta laju aliran massanya secara kontinyu selama kurun waktu dua belas bulan pengoperasian. Hasil pengujian dipergunakan untuk mempelajari faktorfaktor apa saja yang menjadi penyebab terjadinya intensitas cleaning yang lebih tinggi. Hasil evaluasi parameter-parameter kinerja alat tersebut menunjukkan bahwa laju pertukaran energi panas di dalam alat superheater atau efektifitas perpindahan panasnya menurun 28 % setelah dioperasikan selama 12 bulan. Intensitas cleaning yang lebih tinggi disebabkan oleh faktor percepatan pertumbuhan lapisan pengotoran oleh kedua fluida kerja yang mengalir di dalamnya. Hal tersebut kemungkinan besar diakibatkan oleh dampak negatif dari penggunaan metode perancangan yang menggunakan data faktor fouling yang konstan yang diperoleh dari standard yang biasa dipergunakan oleh kalangan industri. Solusi yang diusulkan adalah diterapkannya metode perancangan yang lebih rasional yaitu menggunakan data faktor fouling aktual yang berlaku bagi alat tersebut yang diperoleh dari hasil pengujian.
90
DAFTAR PUSTAKA 1. Kakac, S.,”Boilers, Evaporators, and Condensers”, chapter 4, John Wiley & Sons, New York, 1987. 2. El-Wakil, M. M, Power Plant Technology, Singapore, McGraw-Hill Book Co. 1985. 3. Epstein N., " Particulate Fouling of Heat Transfer Surfaces : Mechanisms and Models, L .F Melo et al. Fouling Science and Technology, Kluwer, 1988. 4. Garrett-Price, et al., “Fouling of Heat Exchanger: Characteristics, Costs, Prevention, Control, and Removal”, Noyes, Park Ridge, New York, 1985. 5. Marner W.J., "Progress in Gas Side Fouling of heat Transfer Surfaces", Appl. Mech. Rev, Vol. 43, 1990. 6. Tubular Exchanger Manufacturers Association, “Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association, TEMA”, 7th Ed., New York, NY, 1988. 7. P.k. Nag, Power Plant Enginering, Second Edition, International edition, Mc Graw Hill, Singapore, 2002 8. Cengel A. Yunus & Boles.A. Michael, Thermodynamics, An Engineering Approach Sixth Edition (SI Unit s ), Mc Graw Hill, Singapore, 2007 9. Kreith Frank & Black. Z. William, Basic Heat Transfer, Harper & Row, Publisher, New York, 2003 10. Wilcox & Babcox, Steam /its generation and use, 161 east42 nd street, New York 11. Sadik Kakac & Hongtan Liu. Heat Exchangers, selection, rating and termal design, second edition, 2002 12. Soekardi Chandrassa, Prediksi Karakteristik Termal Sebuah Penukar Jalor Dampak Pemilihan Faktro Pengotoran Yang Konstan, Jakarta, Volume 4 Nomor 2, April 2001.
91
