ANALISA PERFORMANSI KETEL PIPA AIR KAPASITAS 45 TON UAP/JAM, TEKANAN 30 kg/cm2 DENGAN TEMPERATUR 2700C DI PABRIK KELAPA SAWIT SEI MANGKEI LAPORAN TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma 3
PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI
Oleh NIKE TRIANA NIM : 1305052094
JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2016
1
KATA PENGANTAR Mengawali kata pengantar tugas akhir ini tiada yang lebih utama dari pada mengucapkan puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas semua hikmat dan rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan ini. Tugas akhir ini di susun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan. Adapun judul tugas akhir ini adalah: Analisa Performansi Ketel Uap Kapasitas 45 Ton Uap/Jam, Tekanan 30kg/Cm2 Temperatur 2700C Di Pabrik Kelapa Sawit PTPN III Sei Mangkei. Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis dapat banyak bantuan moril maupun material serta bimbingan sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini, maka dengan segala ketulusan dan kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak M. Syahruddin, S.T.,M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan; 2. Bapak Idham Kamil, S.T.,M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin; 3. Bapak Ir. Abdul Razak, M.T., selaku Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi; 4. Bapak Ir. Rufinus Nainggolan,M.T., selaku Dosen Pembimbing Penulis; 5. Bapak Ir. Isman Harianda,M.T., selaku Dosen Wali Kelas; 6. Seluruh Dosen dan Staff Program Studi Teknik Konversi Energi; 7. Kepada Seluruh Staff Pabrik Kelapa Sawit PTPN III Sei Mangkei;
8. Ibunda (Irayati. Nainggolan), Tulang (Rufinus. Nainggolan) tercinta yang telah mengasuh, membimbing dan memberi kasih sayangnya serta bantuan moril, material,doa, dan motivasinya
2i
sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini, serta Kakak dan Abang penulis (Marantina dan Marliansa Muika) yang selalu memberikan dukungan semangat, moril, dan doa. 9. Rekan-rekan mahasiswa Program Studi Teknik Konversi Energi angkatan 2013 terutama EN-6C dan terkhusus kepada Sri Lestari B Marbun, Maria Enjelina,Yesica Sagala,MarthaTobing,Lusiana Siregar yang telah menemani saat suka dan duka dikampus Politeknik Negeri Medan; 10. Terkhusus dan Teristimewa kepada Branco Butar-butar yang selalu mendoakan, mendampingi, memberi semangat serta nasihat dan dukungan buat penulis; 11. Rekan-rekan mahasiswa Universitas HKBP Nommensen angkatan 2014
terutama
Faperta
&
Ekonomi
Eko,SusiSitorus,Betha
Panjaitan,Ririn Girsang, Maya Butar-butar,Eva; Penulis menyadari bahwa masih terdapat kekurangan dalam pembuatan tugas akhir ini baik dari segi pembuatannya maupun dari segi bahasanya dan penyajiannya. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan tugas akhir ini. Akhirnya penulis mengucapkan terimakasih atas perhatian pembaca dan semoga bermanfaat bagi pembaca. Medan,
Juli 2016
Hormat Penulis
Nike Triana NIM.1305052094
3ii
DAFTAR ISI
SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ................................................................ i LEMBAR PERSETUJUAN ...................................................................... ii LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................ iii LEMBAR PERNYATAAN ........................................................................ iv INTISARI ................................................................................................... v ABSTRACT ............................................................................................... vi KATA PENGANTAR ................................................................................ vii DAFTAR ISI .............................................................................................. ix DAFTAR GAMBAR .................................................................................. xi DAFTAR TABEL ...................................................................................... xii DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................. xiii
BAB I PENDAHULUAN\ 1.1 Latar Belakang .................................................................................. 1 1.2 Rumusan Masalah ............................................................................. 2 1.3 Tujuan Tugas Akhir ........................................................................... 2 1.4 Manfaat Tugas Akhir ......................................................................... 3 1.5 Teknik Pengumpulan Data ................................................................. 3
BAB II LANDASAN TEORI II.1 Pengertian Umum Ketel Uap ............................................................. 4 II.1.1 Pengertian Ketel Uap .......................................................... 4 II.1.2 Klasifikasi Ketel Uap .......................................................... 5 II.1.3 Bagian-Bagian Ketel Uap ................................................... 7
iii4
II.4 Perpindahan Panas Pada Ketel Uap ................................................... 16 II.4.1 Perpindahan Panas Secara Pancaran Atau Radiasi ............... 17 II.4.2 Perpindahan Panas Secara Aliran atau Konveksi ................. 19 II.4.3 Perpindahan Panas Secara Perambatan atau Konduksi ........ 20 II.4.4 Beda Temperatur Rata-Rata Logaritmik LMTD .................. 21 II.4.5 Pertukaran Temperatur Rata-Rata dengan Aliran Searah ..... 21 II.4.6 Pertukaran Panas Dengan Aliran Berlawanan Arah ............. 22 II.4.7 Pertukaran Panas Dengan Aliran Silang .............................. 23 II.4.8 Metode NTU-Efesiensi Untuk Menganalisa Perpindahan .... 23 II.4.9 Konduktivitas Thermal ....................................................... 24 II.4.10 Alat-Alat Untuk Peningkatan Efisiensi Ketel .................... 31 II.4.11 Siklus Rankine .................................................................. 32 II.5 Fluida Kerja dan Problem Pada Ketel ................................................ 34
BAB III KETEL UAP PKS SEI MANGKEI III.1 Spesifikasi Boiler ............................................................................. 39 III.2 Komponen-Komponen Advance/Tambahan ..................................... 40 III.3 Pengoperasian Ketel Uap ................................................................. 43
BAB IV ANALISA DATA PERFORMANSI KETEL UAP IV.1 Analisa Bahan Bakar Ketel Uap ...................................................... 47 IV.2 Nilai Kalor Bahan Bakar ................................................................. 48 IV.3 Konsumsi Bahan Bakar ................................................................... 49 IV.4 Kalor Pembakaran ........................................................................... 51 IV.5 Kebutuhan Udara Pembakaran ......................................................... 51 IV.6 Komposisi Gas Asap ....................................................................... 53 IV.7 Perhitungan ..................................................................................... 54
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ....................................................................................... 58 5.2 Saran ................................................................................................. 59
iv5
INTISARI Beberapa faktor yang mempengaruhi performansi dari ketel uap atau boiler yang telah diobservasi pada PKS Sei Mangkei maka kerja dan transformasi panas berupa beban termal pada masing-masing bagian boiler dapat diketahui. Ketel uap atau boiler yang digunakan di PKS Sei Mangkel adalah ketel uap pipa air dengan tipe merek ADVANCE dengan spesifikasi kapasitas 45 ton/jam, dengan tekanan 3 bar temperatur 270°C, yang menggunakan bahan bakar Cangkang dan serabut/fiber dengan laju sebesar 4.611,143496 kg/jam dan dapat menghasilkan kalor pembakaran sebesar 153.789.041,1 kj/jam. Kebutuhan udara pembakaran aktual sebesar 60.344,63081kg/jam dengan rasio udara bahan bakar sekitar 8 : 1 dengan kelebihan udara 50% dari stoikiometerik. Panas atau kalor pembakaran cangkang dan serabut ini adalah berupa api dan gas asap yang dipindahkan kepada fluida kerja air dan berdasarkan beban masing-masing bagian yang melakukan perpindahan panas dari ketel uap atau boiler diperoleh efisiensinya sebesar 70,82% dan tidak begitu jauh berbeda dari harga yang ditetapkan 73%. Kata kunci: Ketel uap, beban panas, performansi, uap
v6
ABSTRACT The factors that affected the boiler performance observed in the MCC Sei Mangkei so we can determine the principles and thermal load of every segmen in this analyzing for this PKS Sei Mangkei company used boiler type Advance is water tube boiler with specification to generate 45ton/hour and pressure 30 bar and superheated steam 270°C, by using shell and fiber fuel quantity 4,611.143kg/hour and heat combustion is 153,789,0412.1 kJ/hour. The actua quantity of air supply is 60,344.63081kg/hour, so air-fuel ratio is 8:1 with excess air 50% by stoichiometric. The heat produced by burning shell-fiber and air in the form flue smoke and gasses are transferred to working fluid is water and steam or air in the boiler segments and based on the thermal load of these each segment to transfer the heat in the boiler was determined boiler efficiency is 70,82%,and this value not far different by established 73%. Keywords: boiler, thermal load, performance,steam.
vi7
BAB I PENDAHULUAN
I.1 LATAR BELAKANG Boiler atau ketel Uap atau Steam Generator adalah suatu alat konversi energi yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi panas hasil pembakaran bahan bakar menjadi energi potensial uap yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan. Hal ini terjadi dikarenakan adanya perpindahan panas dari pembakaran bahan bakar pada dapur pembakaran (furnace) dan energi panas ini dialirkan dan digunakan untuk memanaskan
air hingga
berubah fase menjadi uap air (steam), yang terjadi didalam tabung yang tertutup rapat dan terbuat dari material logam yang sangat kuat. Pada umumnya pesawat-pesawat pembangkitan uap ini
adalah
digunakan sebagai pembangkitan uap untuk keperluan industri dan perusahaan-perusahaan dan terdiri atas berbagai jenis pesawat penghasil uap yang disebut sebagai ketel uap atau boiler atau steam generator. Ketel uap dapat dikelompokkan ke dalam dua kelompok besar: 1. Kelompok ketel pipa api dan 2. Kelompok ketel pipa air. Dalam kelompok termasuk unit pipa air yang umumnya menggunakan bahan-bahan serbuk batu bara dari bongkahan (coal pulverizing), minyak, atau gas bumi dan kadangkadang gabungannya. Oleh karena kebutuhan akan daya di Indonesia yang semakin meningkat maka suatu cara yang lain untuk memenuhi kebutuhan daya tersebut adalah dengan mengkonversikan energi yang terkandung dalam suatu bahan bakar konvensional menjadi daya. Daya ini sangat dibutuhkan dalam pembangunan, dan untuk konversi tenaga dengan skala besar dari bahan bakar konvensional menjadi daya yang dibutuhkan dalam pembangunan, maka dapat menggunakan kombinasi ketel uap dengan turbin uap. Di samping itu, banyak pabrik atau perusahaan yang sudah menerapkan penggunaan bahan bakar alternatif untuk bahan bakar ketelnya,
1
salah satunya adalah Pabrik Kelapa Sawit Sei Mangkei yang menggunakan bahan bakar fiber dan cangkang dan saat ini Pabrik Kelapa Sawit Sei Mangkei ini mempunyai sebuah ketel uap jenis kelompok ketel pipa air merek Atmindo dengan kapasitas uap 45 ton/jam. Dari beberapa faktor yang berpengaruh terhadap kerja dari ketel uap maka ditelitilah cara sistem kerja dari ketel uap maka diobservasi cara sistem kerja ketel uap, perpindahan panas yang terjadi pada ketel uap, serta menganalisa data hasil pengamatan di lapangan.. Berdasarkan uraian diatas, penulis membahas dalam tugas akhir ini Analisa Performansi Ketel Pipa Air Kapasitas 45 ton uap/jam, Tekanan 30 kg/cm2 Temperatur 2700C di PKS SEI MANGKEI. Dimana data-data yang digunakan penulis untuk penyusunan tugas akhir ini berasal dari PKS SEI MANGKEI tersebut dengan menggunakan bahan bakar padat berupa fiber dan cangkang sebagai sumber energi panas terhadap proses pembangkitan uap atau evaporasi pada ketel uap untuk keperluan pabrik pengolahan kelapa sawit.
I.2 RUMUSAN MASALAH Adapun hal-hal yang menjadi rumusan masalah dalam penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Bagaimana cara kerja sistem ketel uap ? 2. Bagaimana perhitungan performansi pada ketel uap kapasitas 45 ton uap/jam, tekanan 30 kg/cm2 dengan temperatur 2700C ? 3. Bagaimana analisa data hasil observasi yang dilakukan ?
I.3 TUJUAN TUGAS AKHIR Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Mengetahui dan memahami sistem kerja ketel uap. 2. Melakukan perhitungan performansi pada ketel uap kapasitas 45 ton uap/jam, tekanan 30 kg/cm2 dengan temperatur 2700C. 3. Memahami hasil analisa data performansi ketel uap termasuk hasil observasi yang telah dilakukan.
2
I.4 MANFAAT TUGAS AKHIR Manfaat dari penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Memiliki dan
menambah wawasan dan pengetahuan
mahasiswa
bagaimana cara kerja sistem ketel uap yang digunakan pada pabrik. 2. Dapat melihat perbandingan perhitungan hasil data secara teoritis dengan data yang ada dilapangan kerja. 3. Membantu mahasiswa yang sedang mempelajari materi yang sama untuk mengetahui dan memahami prinsip evaporasi dan cara menentukan besarnya kemampuan kerja atau performansi suatu ketel uap.
I.5 TEKNIK PENGUMPULAN DATA Teknik pengumpulan data yang dilakukan penulis: 1. Melalui buku-buku referensi terbaru dan yang berkaitan dengan termodinamika, perpindahan panas, konversi energi, khususnya pesawat penghasil uap. 2. Konsultasi dan diskusi dengan karyawan-karyawan PTPN 3 SEI MANGKEI, khususnya operator boiler dan pengawasnya 3. Konsultasi dan diskusi dengan Dosen Pembimbing. 4. Bahan-bahan kuliah selama mengikuti pendidikan pada Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan.
3
