BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Perkembangan teknologi yang begitu pesat dewasa ini sangat mempengaruhi
jumlah ketersediaan sumber-sumber energi yang tidak dapat diperbaharui yang ada di permukaan bumi. Hal ini disebabkan karena sumber energi tersebut sebagian besar dipergunakan sebagai bahan bakar yang mendukung hampir dalam setiap aktifitas manusia. Kebutuhan akan sumber energi yang begitu besar namun tidak diimbangi dengan jumlah ketersediaannya di alam menjadi faktor utama manusia untuk mulai menggunakan sumber energi yang ketersediaannya akan terus ada jika dikelola dengan baik. Hal yang tak kalah penting selain ketersediaan sumber-sumber energi tersebut adalah dampak terhadap lingkungan yang ditimbulkan dari proses pembakaran sumber energi tersebut sebagai bahan bakar. Pembakaran bahan bakar fosil yang mengandung hidrokarbon dapat menyebabkan masalah pencemaran lingkungan seperti pemanasan global yang akhir-akhir ini menjadi isu dunia terkait perubahan iklim. Bahan bakar gas merupakan jenis bahan bakar yang berbentuk gas dan umumnya bahan bakar gas ini digolongkan menjadi bahan bakar fosil seperti gas alam. Namun saat ini bahan bakar gas juga dapat dikelompokkan menjadi bahan bakar non fosil seperti biogas yang ketersediaannya dapat diperbaharui. Bahan bakar gas menghasilkan dampak yang lebih baik bagi lingkungan jika dibandingkan bahan bakar padat dan bahan bakar cair dengan nilai kalor yang baik. Boiler merupakan salah satu peralatan dalam proses pembangkitan tenaga listrik yang digunakan untuk menghasilkan uap pada tekanan dan temperatur tinggi
1
yang mana uap ini nantinya akan digunakan untuk memutar turbin dan menghasilkan listrik. Proses pembangkitan listrik tenaga uap pada boiler dengan gas sebagai bahan bakar dimulai dengan pembakaran bahan bakar gas yang banyak mengandung unsur metana yang mana proses pembakaran pada boiler terjadi di bagian ruang bakar (furnace). Energi panas yang dihasilkan dalam proses pembakaran bahan bakar digunakan untuk merubah air yang terdapat pada pipa-pipa air didalam boiler dari fase cair hingga menjadi fase uap. Di dalam ruang bakar ini terjadi mekanisme perpindahan kalor baik secara konduksi, konveksi, maupun radiasi yang terjadi secara simultan. Kompleksitas bentuk dan ukuran geometri ruang bakar serta konfigurasi pipa penyerap kalor di dalamnya akan menyebabkan keragaman karakteristik hasil proses pembakaran maupun proses transfer panas
yang terjadi di dalamnya.
Karakteristik keduanya dapat dipelajari dan dievaluasi melalui distribusi temperatur, kecepatan, tekanan, densitas maupun parameter fisik terkait lainnya yang terbentuk di dalamnya. Prediksi terhadap temperatur gas hasil pembakaran yang akurat sangat penting untuk dilakukan, karena hal tersebut berpengaruh terhadap kinerja dari sistem secara keseluruhan maupun peralatan-peralatan penyusun sistem pembangkit listrik itu sendiri. Disamping itu, kinerja tersebut juga ditentukan oleh distribusi temperatur yang tercipta di dalamnya akibat interaksi sumber panas dan penyerap panas yang faktor pengendalinya adalah beban boiler, udara lebih (excess air), tipe dan penyetelan burner, dan perubahan kondisi operasi. Berdasarkan penjelasan diatas, analisis proses pembakaran di dalam boiler terkait transfer panas penting untuk dilakukan sebagai bagian dari keperluan desain, modifikasi, maupun inspeksi terhadap performa kerja dari boiler tersebut, akan tetapi proses pembakaran di dalam boiler tidak dapat diamati secara langsung dan pemecahan solusi secara analitis tidak dapat dilakukan. Hasil yang menggambarkan kondisi aktual dengan pemecahan secara analitis sangat rumit untuk dilakukan dan kurang akurat dalam memperoleh hasil akhir. Teknik penyelesaian secara numerik 2
(metode numerik) dapat menjadi solusi untuk dapat menggambarkan proses pembakaran dan transfer panas yang terjadi didalam boiler dengan mendekati kondisi aktualnya, terlebih dengan semakin berkembangnya metode ini. Metode numerik menawarkan proses penyelesaian yang lebih cepat dan akurat dengan domain kompleksitas yang lebih luas. CFD (Computational Fluid Dynamic) merupakan salah satu cabang metode penyelesaian numerik yang paling banyak digunakan dan terbukti keberhasilannya dalam menyelesaikan persoalan perpindahan kalor, aliran fluida bahkan reaksi kimia. Metode ini dilakukan dengan menurunkan persamaan-persamaan atur (kontinuitas, momentum, energi, dan spesies kimia) pada suatu volume atur dan menyelesaikannya secara numeris. Beberapa paket software CFD yang populer di dunia engineering antara lain: CFX, Nastran, Fluent, Abaqus, dll. Dalam penelitian ini akan disimulasikan proses pembakaran bahan bakar gas dalam boiler berjenis stoker yang berkapasitas 2 x 10 MW. Dari hasil simulasi numerik ini diharapkan mendapat model aliran dari proses pembakaran serta transfer panas yang terjadi di dalam boiler.
1.2
Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan sebelumnya, rumusan masalah pada penelitian ini sebagai berikut : 1. Bagaimana distribusi temperatur yang terjadi di dalam boiler? 2. Bagaimana pola aliran yang terjadi didalam boiler? 3. Bagaimana perbandingan terkait distribusi temperatur pada kondisi operasional boiler pada PLTU PT. PLN UB Kendari dengan hasil simulasi? 4. Apakah bahan bakar gas dapat digunakan pada boiler yang terdapat di PLTU PT. PLN UB Kendari?
3
1.3
Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini dibatasi pada hal-hal berikut : 1. Boiler yang disimulasikan adalah boiler dengan kapasitas 10 MW yang beroperasi pada PLTU PT. PLN UB Kendari. 2. Pembuatan/pengembangan model 3D boiler agar simulasi proses pembakaran dan transfer panas dapat berlangsung. Geometri yang dimodelkan dimulai dari ruang bakar hingga sesi sebelum economizer. Pembuatan/pengembangan model tersebut dibuat dengan menggunakan software Gambit 2.3.16. 3. Segala fenomena yang terjadi selama proses pembakaran bahan bakar gas disesuaikan dengan menggunakan model-model yang tersedia dalam software Fluent 6.3.26. 4. Penyederhanaan dan/atau pengasumsian dilakukan seperlunya untuk mendukung jalannya proses komputasi. 5. Boiler beroperasi pada kondisi steady. 6. Kriteria konvergensi pada penelitian ini didasarkan pada tingkat kesetimbangan massa dan energi. 7. Hasil simulasi ditampilkan dalam gambar-gambar distribusi temperatur dan pola aliran dari bahan bakar gas dan udara yang terjadi di dalam boiler.
1.4
Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Memperoleh kontur temperatur pembakaran bahan bakar gas yang terbentuk di dalam boiler dari simulasi yang dilakukan. 2. Dari simulasi yang dilakukan diketahui bahwa bahan bakar gas dapat digunakan sebagai alternatif bahan bakar dan dampak apa saja yang dapat
4
ditimbulkan dari pergantian bahan bakar pada boiler di PLTU PT. PLN UB Kendari. 3. Mengetahui langkah apa saja yang harus dilakukan oleh PLTU PT. PLN UB Kendari jika dilakukan pergantian bahan bakar.
1.5
Manfaat Penelitian Beberapa manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Simulasi numerik yang dilakukan diharapkan dapat memberikan pengetahuan mengenai proses pembakaran bahan bakar gas yang terjadi di dalam boiler. 2. Peneliti mendapatkan tambahan ilmu mengenai proses pembakaran bahan bakar gas dan juga contoh aplikasinya di dalam boiler. 3. Peneliti dapat belajar bagaimana melakukan suatu penelitian yang menggunakan metode CFD, beserta penggunaan metode-metode simulasi yang digunakan.
1.6
Sistematika Penulisan Tugas akhir ini disusun dalam enam bab sebagai berikut: 1.
Bab I – Pendahuluan Pada bab ini membahas mengenai latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.
2.
Bab II – Tinjauan Pustaka Pada bab ini membahas mengenai penelitian-penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya mengenai boiler, khususnya penelitian yang dilakukan secara numerik.
5
3.
Bab III – Landasan Teori Pada bab ini akan dijelaskan teori singkat mengenai boiler serta jenisjenisnya, komposisi bahan bakar gas yang dipakai dalam proses pembakaran, serta parameter-parameter yang menentukan unjuk kerja boiler.
4.
Bab IV – Metodologi Penelitian Pada bab ini diberikan alur serta tahapan-tahapan yang dilakukan selama penelitian ini berlangsung hingga verifikasi numerik boiler.
5.
Bab V – Hasil dan Pembahasan Pada Bab ini berisi mengenai pembahasan hasil simulasi yang didapat dan melakukan perbandingan dengan kondisi lapangan operasional boiler.
6.
Bab VI – Penutup Pada bab ini berisi mengenai kesimpulan dari penelitian dan saran untuk penelitian selanjutnya.
6
