BAB 4 ANALISA DAN PEMBAHASAN EFESIENSI CFB BOILER TERHADAP KEHILANGAN PANAS PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP
4.1
Analisis dan Pembahasan
Kinerja boiler mempunyai parameter seperti efisiensi dan rasio yang berkurang terhadap waktu. Hal tersebut disebabkan karena buruknya proses pembakaran. Buruknya kinerja boiler dipengaruhi oleh buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air. Neraca panas dapat membantu dalam mengidentifikasikan kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari.
4.2
Metode - metode Menentukan Efisiensi Boiler Untuk membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan diperlukan pengujian efisiensi boiler Effisiensi boiler merupakan nilai yang menunjukkan kemampuan boiler dalam mengubah air menjadi uap dengan menggunakan kalor hasil pembakaran.
A. Metode Langsung Dikenal juga sebagai ‘metode input-output’ karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan panas 40
masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus: …………..(1)
…………..(2)
Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode langsung adalah:
1. Jumlah (kapasitas) steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam. 2. Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam kg/jam. 3. Tekanan kerja (dalam bar) dan suhu lewat panas (OC), jika ada 4. Suhu air umpan (OC). 5. Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar atau Gross Calories Value (GCV) dalam kcal/kg bahan Bakar.
Dimana, hg –Entalpi steam jenuh dalam kcal/kg steam hf –Entalpi air umpan dalam kcal/kg air
41
Analisa Kasus Cari efisiensi boiler dengan metode langsung dengan data yang diberikan dibawah ini: a)
Jenis boiler
Berbahan bakar batubara
b)
Jumlah steam (kering) yang dihasilkan
10 TPJ
c)
Tekanan steam (gauge) / suhu
9.81 bar/180 OC
d)
Jumlah pemakaian batubara
2.25 TPJ
e)
Suhu air umpan
85 OC
f)
GCV batubara
17584.56 kilojoule (4200 kcal/kg)
g)
Entalpi steam
2784.222 kilojoule (665 kcal/kg)
h)
Entalpi air umpan
355.878 kilojoule (85 kcal/kg)
Keuntungan metode langsung : 1.
Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler
2.
Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan
3.
Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan
4.
Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark
42
Kerugian metode langsung 1.
Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistim yang lebih rendah.
2.
Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi.
B. Metode Tidak Langsung
Standar acuan untuk Uji Boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units.
Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut:
Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)
Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh: i. Gas cerobong yang kering. ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar. iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar. 43
iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran. v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash. vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash. vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung.
Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang disebabkan olehpembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan.
Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah:
i. Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu) ii. Persentase oksigen atau CO2 dalam gas buang iii. Suhu gas buang dalam OC (Tf) iv. Suhu ambien dalam OC (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering v. Gross Calories Value (GCV) bahan bakar dalam kcal/kg vi. Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat) vii. Gross Calories Value (GCV) abu dalam kcal/kg (untuk bahan bakar padat)
44
Prosedur rinci untuk perhitungan efisiensi boiler menggunakan metode tidak langsung diberikan dibawah. Biasanya, manager energi di industri lebih menyukai prosedur perhitungan yang lebih sederhana.
Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis = [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan bakar.
Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA)
Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/ kg bahan bakar (AAS) = {1 + EA/100} x udara teoritis
Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas i.
Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering
Dimana, m=
massa gas buang kering dalam kg/kg bahan bakar
45
m=
(massa hasil pembakaran kering / kg bahan bakar) + (massa
N2 dalam bahan bakar pada basis 1 kg) + (massa N2 dalam massa udara pasokan yang sebenarnya). Cp =
ii.
Panas jenis gas buang (0,23 kcal/kg ).
Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar
Dimana, H2 = persen H2 dalam 1 kg bahan bakar Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kcal/kg).
iii.
Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar
Dimana, M –persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kcal/kg). 46
iv.
Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara
Dimana, Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kcal/kg)
v.
Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash
vi.
Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash
vii.
Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Kehilangan radiasi dan konveksi aktual sulit dikaji sebab
daya
emisifitas
permukaan
yang
beraneka
ragam,
kemiringan, pola aliran udara, dll. Pada boiler yang relatif kecil, dengan kapasitas 10 MW, kehilangan radiasi dan yang tidak terhitung dapat mencapai 1 hingga 2 persen nilai kalor kotor bahan 47
bakar, sementara pada boiler 500 MW nilainya 0,2 hingga 1 persen. Kehilangan dapat diasumsikan secara tepat tergantung pada kondisi permukaan.
Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)
Rasio Penguapan :
Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ panas yang ditambahkan ke steam Rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kilogram bahan bakar yang digunakan.
Contohnya adalah: •
Boiler berbahan bakar batubara: 6 (yaitu 1 kg batubara dapat menghasilkan 6 kg steam).
•
Boiler berbahan bakar minyak: 13 (yaitu 1 kg batubara dapat menghasilkan 13 kg steam). Walau demikian, rasio penguapan akan tergantung pada jenis boiler, nilai kalor bahan bakar dan efisiensi.
48
4.3
Analisa Data dan Perhitungan
Analisa data dan perhitungan di dapatkan dari penelitian dan pengumpulan data dilapangan.
A. Lokasi penelitian Penelitian Analisa efesiensi CFB Boiler dilakukan pada peralatan boiler yang ada di PLTU, hasil analisa ditinjau pada kondisi komisioning dan kondisi operasi saat ini, dengan menggunakan perhitungan metode langsung dan metode tidak langsung.
B. Spesifikasi CFB Boiler Tipe Boiler
: Circulating Fluidazing Bed (CFB)
Manufaktur
: Foster Wheller
Bahan Bakar
: Batubara
Kapasitas Boiler
: 423 tons/jam
Steam Temperature
: 542OC
Steam Pressure
: 10.3 Mpa / 103 bar
C. Peralatan penelitian Menggunakan HMI (Human Machine Interface) terprogram pada monitor computer di ruang control PLTU.
49
D. Spesifikasi Batubara Range
Description
Minimum Maximum
Typical
Proximate Analysis (% as received) Total Moisture Inherent Moisture Ash Volatile Matter Fixed Carbon
25 13.8 3.3 27.9 23
40 25 6 40 41
35 18 5 35 25
Specific Energy (as received) Gross Caloric Value (kcal/kg)
3700
4700
4000
Ultimate Analysis (% as received) Carbon
65
80
68.2
Hydrogen
3
5.9
5.7
0.54 12 0.13
1.2 30 2.2
1.13 23.17 1.80
2 3 4.7 0.02 0.2 0.8 0.02 0.05 0.1 0.03 0.2
60 52 52.5 4.1 8.8 27.7 32.6 4.12 2.4 0.8 24.6
34 6 39 0.48 2 10 5 0.17 1.3 0.51 1
Ash Fusion Temperature (OC) I.D.T (Deformation) S.T (softening) H.T.(hemespherical) F.T.(fluid)
Reducing
Reducing
Reducing 1050 1100 1150 1200
Ash Fusion Temperature (OC) I.D.T (Deformation) S.T (softening) H.T.(hemespherical) F.T.(fluid)
Oxidazing Oxidazing
Oxidazing
Nitrogen Oxygen Sulphur Ash Analysis (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 Ti0O2 Mn3O4 CaO MgO Na2O K2O P2O5 SO3
Slagging and Fouling Index
Medium
Hardgrove Grindability Index (HGI)
40
Tabel 1. Data Spesifikasi Batubara 50
65
50
4.4
Pengolahan Data a. Metode Langsung Menentukan Efesiensi
NO. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
DATA PARAMETER CFB BOILER KOMISIONING ITEM UNIT 115 MW Steam Flow t/h 415.6 Steam Pressure kPa 9200 Feed Water Pressure kPa 13000 Coal Flow t/h 66.2 O Steam Temperature C 536.6 O Feed Water Temperature C 210.1 17584.56 GCV Coal kj/kg (4200 kcal)) Steam Entalphy kj/kg 3475.0352 Makeup Water Entalphy kj/kg 902.2738 Tabel 2. Data Parameter Metode Langsung
OPERASI 100 MW 335.8 8800 14300 67.4 538.6 200.8 16747.2 (4000 kcal) 3484.0929 861.3729
1. Analisa Kondisi Komisioning Boiler pada Beban (115 MW) Efisiensi Boiler (h)
Q x (hg – hf) x 1000 q x GCV x 1000
=
1069239638 1164097872
= =
91.85135233 92
x
100
x
100
% %
2. Analisa Kondisi Normal Operasional Boiler pada Beban (100 MW) Efisiensi Boiler (h)
=
= =
51
Q x (hg – hf) x 1000 q x GCV x 1000 880709376 1128761280 78.02441416 % 78 %
x
100
x
100
b. Metode tidak langsung menentukan efesiensi boiler
NO. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
DATA PARAMETER CFB BOILER KOMISIONING ITEM UNIT 115 MW Carbon wt % 68.2 Hydrogen wt % 5.7 Sulfur wt % 1.8 Oxygen wt % 23.17 17584.56 GCV Coal kj/kg (4200 kcal)) Oxygen precentage % 2 CO2 % 11 O Gas Exhaust C 138.7 Temperature O Ambien Temperature C 30 Air Humidity Kg/ 0.018 25794.04 LHV kj/kg (6160.8 kcal) 27961.96 HHV kj/kg (6678.6 kcal) Tabel 3. Data Parameter Metode Tidak Langsung
OPERASI 100 MW 68.88 5.69 0.33 24.76 16747.2 (4000 kcal) 2 11 143.4 30 0.018 25919.64 (6190.8 kcal) 27961.96 (6678.6 kcal)
3. Analisa Kondisi Komisioning Boiler pada Beban (115 MW) Tahap 1 : menghitung kebutuhan udara teoritis = [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 = 8.8 kg udara/kg bahan bakar.
Tahap 2 : menghitung kelebihan udara yang dipasok Excess air
=5%
Tahap 3 : menghitung massa udara/ kg bahan bakar (AAS) = {1 + EA/100} x udara teoritis = 9.3 kg udara/kg bahan bakar 52
Tahap 4 : Menghitung kehilangan panas akibat : i. Gas buang kering
= 6.0 % ii. Penguapan kadar air untuk pembakaran hydrogen
= 7.7 % iii. Kadar air dalam bahan bakar
= 0,19 % iv. Radiasi atau perpindahan panas Data dari pabrikan dengan nilai diperkirakan =2%
Tahap 5 : Menghitung efesiensi dan rasio penguapan Boiler Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv) = 84.11977 % = 84 %
Rasio penguapan Panas = GCV bahan bakar x efesiensi / (HHV-LHV) = 6.8 % 53
4. Analisa Kondisi Normal Operasional Boiler pada Beban (100 MW). Tahap 1 : menghitung kebutuhan udara teoritis = [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 = 8.8 kg udara/kg bahan bakar.
Tahap 2 : menghitung kelebihan udara yang dipasok Excess air
= 10.52632 %
Tahap 3 : menghitung massa udara/ kg bahan bakar (AAS) = {1 + EA/100} x udara teoritis = 9.7 kg udara/kg bahan bakar
Tahap 4 : Menghitung kehilangan panas akibat : i. Gas buang kering
= 6.9 % ii. Penguapan kadar air untuk pembakaran hydrogen
= 8.1 % iii. Kadar air dalam bahan bakar
= 0,22 % 54
iv. Radiasi atau perpindahan panas Data dari pabrikan dengan nilai diperkirakan =2%
Tahap 5 : Menghitung efesiensi dan rasio penguapan Boiler Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv) = 82.70502 % = 83 %
Rasio penguapan Panas = GCV bahan bakar x efesiensi / (HHV-LHV) = 6.8 %
4.5
Evaluasi Hasil Analisa dan Perhitungan Efesiensi a. Tabel LOAD TAHAPAN Tahap 1 Tahap 2 Tahap 3 Tahap 4 ‐ Loss 1 ‐ Loss 2 ‐ Loss 3
DESKRIPSI Kebutuhan udara teoritis Persentase kelebihan udara yang dipasok (Excess Air) Massa udara sebenarnya yang dipasok / kg bahan bakar (AAS) Memperkirakan seluruh kehilangan panas Persentase kehilangan panas karena gas kering cerobong Kehilangan panas karena penguapan kadar air karena adanya H2 dalam bahan bakar Kehilangan panas karena kadar air dalam udara 55
@
115 MW
100 MW
kg air/ kg fuel
8.8
8.8
%
5
5
kg air/ kg fuel
9.3
9.3
%
15.9
17.3
%
6.0
6.9
%
7.7
8.1
%
0.2
0.2
‐ Loss 4 Tahap 5 Rasio
Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Rasio Penguapan Panas
%
2
2
%
84
83
%
6.8
6.8
Tabel 4. Rekap Data Perhitungan Efesiensi dengan Metode tidak Langsung
b. Gafik
Grafik 4.1. Hasil Analisa Perhitungan Kehilangan Panas
Grafik 4.2. Hasil Analisa Perhitungan Total Kehilangan Panas 56
Grafik 4.2. Hasil Analisa Efesiensi CFB Boiler
57
