Desain dan Analisa Tegangan Pipa,Heat Losses & Heat Output Terhadap Perbandingan Pemakaian Steam Boiler dan Thermal Oil Boiler Untuk Kebutuhan Pemanas Pada Sistem Bahan Bakar Main Engine MV. AMAZON 14.150 DWT Bayu Rista, Ir.Hari Prastowo.M.Sc, Ir.Indrajaya Gerianto.M.Sc Department of Marine Engineering, Faculty of marine Technology, Sepuluh Nopember Institute of Technology
ABSTRAK Kapal container vessel 14.150 DWT milik perusahaan pelayaran nusantara PT.SPIL (Salam Pacific Indonesia Lines) dilengkapi dengan sistem pemanas untuk memanaskan HFO bunker, HFO settling, HFO daily tank dan lain sebagainya. Yang mana pada kapal container MV.AMAZON 14.150 DWT sistem pemanasnya telah didesain menggunakan steam boiler. Dalam tugas akhir ini melakukan desain dan analisa tegangan pipa ,heat losses dan heat output dari design awal menggunakan steam boiler diganti thermal oil boiler untuk dibandingkan. Data teknis digunakan sebagai data untuk menghitung jumlah kebutuhan thermal oil untuk operasional kapal kemudian dilakukan pemilihan thermal oil boiler. Setelah melakukan pemilihan thermal oil boiler maka dilakukan perhitungan dan desain yang juga meliputi analisa instalasi, tegangan pipa ,heat losses dan heat output untuk dibandingkan. Dari hasil perhitungan , desain dan analisa tegangan pipa ,heat losses & heat output terhadap perbandingan pemakaian steam boiler dan thermal oil boiler diperoleh hasil tegangan pipa (defleksibilitas pipa) untuk pemilihan dan penentuan letak pipe support ,sedangkan analisa heat losses dan heat output diperoleh hasil pemilihan desain dan tebal bahan isolasi panas. Kata Kunci : Sistem pemanas, Thermal oil boiler, Steam boiler,Tegangan Pipa, Pipe Support, Hea losses, Heat output, Heat insulation, Kapal Container MV.AMAZON 14.150 DWT I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pada umumnya setiap kapal membutuhkan pemanas (heater) untuk menjaga viscositas bahan bakar HFO. Dengan perkembangan teknologi pada saat ini heater ada berbagai macam tipe misalnya electric heater dan steam boiler atau thermal oil boiler, masing-masing memiliki karekteristik yang berbeda-beda seperti pada kapal container vessel 14150 DWT milik salah satu perusahaan pelayaran nasional PT.SPIL Kapal DCV 14.150 DWT yang mempunyai ukuran utama sebagai berikut: LPP : 145.2 m B : 22.56 m H : 11.2 m T : 8.2 m Vs : 17 knots Menggunakan steam boiler dengan merk DONKEY BOILER tipe V4-0-TFO- 008 dengan kapasitas steam 1800 ton/hours, untuk pemanas (heater) pada sistem bahan bakar main engine (HSD/MFO bunker,tangki-tangki settling & tangki-tangki service) MV. AMAZON memakai main engine SULZER type 5 RTA 58 yang mensupport bahan bakar baik HSD maupun MFO. Pada kondisi lepas pantai
menggunakan HSD setelah itu pada kondisi kontinu menggunakan MFO. Disini pentingnya perlu dilakukan analisa memperbandingkan analisa tegangan pipa (dari tekanan & temperatur) , rugi panas (heat losses) dan panas keluaran (heat output) dengan pemakaian steam boiler atau thermal oil boiler selama kapal beroperasi yang dapat mempengaruhi efisiensi boiler maupun sistem. Apabila tidak dilakukanya analisa ini diawal perancangan mengakibatkan sistem pemanas maupun sistem bahan bakar akan mengalami kegagalan. Sebagai contoh pada sisi temperature saat sistem beroperasi,bila kita tidak menganalisa terlebih dahulu dari efek temperature,maka pipa sewaktu sistem dioperasikan akan mengalami defleksi,hal itu akan berakibat fatal bagi keseluruhan sistem khususnya sistem steam yang dibutuhkan untuk pemanas pada sistem bahan bakar di main engine pada kapal ini. Begitu pula bila kita lihat pada sisi pressure,dapat mengakibatkan pecahnya pipa. Dan berbagai hal lainnya yang nanti akan dibahas pada bab selanjutnya. Tujuan dari penelitian ini adalah menghasilkan perbandingan alternatif pemakaian steam boiler dan thermal oil boiler terhadap tegangan pipa , heat losses & heat output yang dihasilkan dari sistem. Dengan mainset skenario permasalahan apabila penggantian sistem pemanas
1
dan peralatan secara keseluruhan yang semula dari sistem steam boiler ke sistem thermal oil boiler,maupun apabila sistem pemanas yang direncanakan(sistem thermal oil boiler) diterapkan pada instalasi dan peralatan yang sudah ada / existing system ,hanya mengganti jenis boilernya dan beberapa peralatan saja / tidak secara keseluruhan dari sistem yang sudah ada (sistem steam boiler pada MV.AMAZON). Kemudian dari hasil perbandingan tersebut kita dapat mengetahui beberapa keuntungan dan kerugian untuk pertimbangan-pertimbangan pada masing-masing penggunaan, Misalnya dari segi efisiensi, flowrate (debit), heat transfer (perpindahan panas) / daya panas yang dihasilkan ke bahan bakar. 1.2. Perumusan Masalah Dengan uraian di atas maka permasalahan utama yang akan dibahas adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana desain sistem perpipaan untuk kebutuhan pemanas (heater) dari sistem bahan bakar yang dalam hal ini semula menggunakan steam boiler menjadi thermal oil boiler ,dengan merubah seluruh sistem pemanas dan peralatan yang sudah ada sehingga cocok untuk diaplikasikan pada MV. AMAZON? 2. Bagaimana desain sistem perpipaan untuk kebutuhan pemanas (heater) dari sistem bahan bakar yang dalam hal ini semula menggunakan steam boiler menjadi thermal oil boiler ,dengan tidak merubah seluruh sistem pemanas dan peralatan yang sudah ada sehingga cocok untuk diaplikasikan pada MV. AMAZON? 3. Analisa besar Heat Losses dan Heat Output serta analisa Tegangan Pipa yang dihasilkan oleh sistem terhadap perbandingan pemakaian steam boiler dengan thermal oil boiler ,dalam hal ini dengan merubah seluruh sistem pemanas dan peralatan yang sudah ada yang diakibatkan oleh temperature, pressure, pipe fittings, pipe accessories? 4. Analisa besar Heat Losses dan Heat Output serta analisa Tegangan Pipa yang dihasilkan oleh sistem terhadap pemakaian thermal oil boiler, dalam hal ini dengan tidak merubah seluruh sistem pemanas dan peralatan yang sudah ada yang diakibatkan oleh temperature, pressure, pipe fittings, pipe accessories? 5. Bagaimana isolasi panas sistem perpipaan kebutuhan pemanas (heater) dari sistem bahan bakar untuk masing-masing penggunaan steam boiler dan thermal oil boiler dengan berbagai kondisi,baik secara seluruh mengubah seluruh sistem dan peralatan yang ada maupun hanya beberapa sistem dan peralatan yang diubah?
1.3. Tujuan Secara umum tujuan penulisan skripsi adalah : 1. Mendapatkan perancangan model sistem perpipaan untuk kebutuhan pemanas (heater) dari sistem bahan bakar yang dalam hal ini semula menggunakan steam boiler menjadi thermal oil boiler yang cocok untuk diaplikasikan pada MV. AMAZON,dalam hal ini dengan kondisi baik merubah secara seluruh sistem pemanas dan peralatan yang sudah ada maupun hanya beberapa sistem dan peralatan yang diubah . 2. Mengetahui besarnya Heat Losses dan Heat Output serta analisa Tegangan Pipa yang dihasilkan oleh sistem terhadap pemakaian steam boiler dan thermal oil boiler untuk kebutuhan pemanas pada sistem bahan bakar, dalam hal ini dengan kondisi baik merubah secara seluruh sistem pemanas dan peralatan yang sudah ada maupun hanya beberapa sistem dan peralatan yang diubah. 3. Mendapatkan nilai ketebalan pipa dan disesuaikan dengan spesifikasi material pipa terhadap pemakaian steam boiler dan thermal oil boiler untuk kebutuhan pemanas pada sistem bahan bakar, dalam hal ini dengan kondisi baik merubah secara seluruh sistem pemanas dan peralatan yang sudah ada maupun hanya beberapa sistem dan peralatan yang diubah. 4. Mendapatkan letak dari fleksible joint 5. Mengetahui jarak antar pipe support 6. Mendapatkan pertimbangan dalam menetapkan jenis pemanas (heater) untuk bahan bakar yang akan digunakan 7. Mendapatkan pemilihan & perancangan model bahan isolasi panas 1.4. Target Luaran Beberapa luaran yang terkait dengan tujuan awal pelaksanaan program dan diharapkan dapat tercapai setelah melakukan program ini adalah nilai heat losses, heat output dan mendapatkan suatu data tegangan pipa berdasarkan material yang digunakan untuk mengetahui wall thickness pipa yang disesuaikan dengan vendor pipa, letak flexible joints, isolasi panas pipa serta jarak antara pipe support satu dengan yang lainnya terhadap pemakaian steam boiler dan thermal oil boiler untuk kebutuhan pemanas pada sistem bahan bakar main engine MV. AMAZON, dalam hal ini dengan kondisi baik merubah secara seluruh sistem pemanas dan peralatan yang sudah ada maupun hanya beberapa sistem dan peralatan yang diubah.
2
II. DASAR TEORI 2.1. Jenis Boiler 2.1.1. Fire tube boiler Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai “ paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar. 2.1.2. Water tube boiler Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan s team dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. 2.2. Sistem Steam Boiler Sistem steam boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran yang disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan (misal. blowdown). Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ketitik penggunaan. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah kesteam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah : (1) kondensat atau steam yang mengembun kembali dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpan dari luar ruang boiler dari plant sistem. Untuk mendapatkan efesiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.
Gambar1 . Contoh diagram steam boiler 2.3. Sistem Thermal Oil Boiler Thermal oil boiler bisa digunakan pada semua type kapal dari berbagai ukuran. Saat ini , pemanas thermal oil boiler telah digunakan secara luas dalam berbagai penerapan untuk pemanasan, pemanas tersebut memberikan suhu yang konstan. Thermal oil boiler ada dua type yaitu vertikal dan horizontal, dengan burner untuk membakar bahan bakar dengan viscositas sekitar 700 mm2/s pada temperature 50 °C. Selain itu panas dari exhaust gas motor penggerak dan auxiliary engine melewati exhaust heat exchanger bisa digunakan untuk memanasi thermal oil. Sirkulasi thermal oil disirkulasikan oleh circulating pump dengan putaran mekanis (rotating mechanical) den juga dengan pelumasan otomatis. Temperatur kerja pompa hingga 3500C. Desain pompa akan dibuat sebaik mungkin untuk menanggulangi kerugian akibat gesekan (friction loss), pompa yang digunakan ada dua yang mana satu diantaranya digunakan untuk standby dengan switch otomatis ketika terjadi kerusakan.
Gambar 2. perbedaan tekanan dan temperatur kerja steam dan thermal oil
3
Gambar 3. diagram thermal oil boiler AALBORG Keterangan gambar 6 1. Biru Maksudnya yaitu fluida panas yang berasal dari proses melewati daerator untuk memisahkan uap dengan fluida tersebut,uap tersebut menuju expansion tank ,dimana uap air akan dikumpulkan dan akan dibuang melalui drain tank. Setelah fluida panas melewati daerator,fluidanya menuju circulating pumps untuk dipompa menuju economizer. 2. Kuning Fungsi economizer yaitu untuk meningkatkan efisiensi thermal oil boiler, dimana fluida yang akan masuk ke thermal oil boiler dipanaskan terlebih dahulu. Sampai pada temperature tertentu 3. Merah. Setelah sampai di thermal oil boiler, fluida menuju ke proses untuk melakukan pemanasan terhadap bahan bakar.
Aliran MFO yang masuk ke main engine berawal dari bunker yang dipanaskan dengan dengan temperature 32’C sampai dengan 40’C ,dipompa dengan transfer pump menuju settling tank,yang mana fungsinya sebagai pengendapan dari kotoran MFO ,pada settling tank MFO depanasi dengan temperature 40 ‘C sampai dengan 80 ‘C. dari settling tank dipompa dengan feed pump menuju daily tank dan dari daily,MFO dipanasi dengan temperature 80 ‘C sampai denganb 98 ‘C dipompa menuju injector pada main engine dengan supply pump yang selanjutnya akan digunakan sebagai pembakaran dengan udara bertekanan. 2.5. Sistem Tracing Pada Sistem Bahan Bakar Sistem tracing merupakan sistem pemindahan panas dari fluida yang bersuhu tinggi menuju fluida yang bersuhu rendah. Dibawah ini ditunjukkan gambar penampang melintang pipa bahan baakr dan pipa tracer dab analog tahanan thermalnya serta grafik distribusi temperatur dari dua pipa yang dipasang sejajar dengan aliran fluida yang searah.
2.4. Sistem Bahan Bakar Pada kapal MV AMAZON 14.150 DWT menggunakan main engine SULZER type 5 RTA 58 ,bahan bakarnya menggunakan HSD waktu lepas pantai dan Marine Fuel Oil waktu kontinu dengan spesfikasi tangki sebagai berikut :
Gambar 4. Penampang melintang pipa ganda antara pipa bahan bakar dan pipa tracer yang disusun sejajar denfan aliran fluida yang searah. Bentuk Analogi tahanan termalnya adalah :
Gambar,5 Analogi tahanan sistem trace 4
2.7 Filosofi Tegangan Pipa Berdasarkan code, terdapat dua macam stress yaitu primary stress dan Secondary Stress. Primary stress merupakan stress yang berhubungan dengan pressure design. Sedangkan untuk secondary stress, biasa ditemukan pada flexibility atau fatigue analisys. Primary stress berasal dari beban yang bekerja di dalam pipa, misalnya seperti internal pressure pada pipa, external pressure, berat, angin, dan beban getaran (gempa bumi / bencana alam). Secondary stress, biasa berasal dari beban yang diberikan oleh thermal expansion antara 2 anchor point. Mechanical Properties Mechanical properties dari material pipa terdiri dari Strength, hardness, toughness, dan fatigue strength. Strength Yield Stress, ultimate strength, dan elongation merupakan dasar dasar pokok dari mechanical properties pada material pipa ataupun pada fittings. Ketiganya memiliki kemampuan untuk menahan gaya yang berkerja pada pipa. Nilai minimum dari mechanical strength pada pipa dapat dilihat dari standard material specification.
Tabel 2. Minimum Ultimate Strength (ksi) sebagai fungsi
Tabel 3Hubungan kandungan karbon terhadap mechanical properties baja Toughness Toughness merupakan kemampuan dari sebuah material untuk menyerap impact energy yang dapat mengakibatkan pecahnya pipa. Toughness juga merupakan fungsi sebuah material terhadap temperatur dan ketebalan pipa (thickness)
Tabel 4.. Young modulus E (106 psi) untuk bermacam-macam jenis metal pada temperatur tertent Untuk Coefficient of Thermal Expansion merupakan sebuah faktor yang dinotasikan sebagai α , hal itu berhubungan dengan thermal expansion ∆L sebuah material dari panjang semula (L), dan mengalami perubahan panas sebesar ∆T
Tabel 5. Coefficient Of Thermal Expansion of Some Metals (106 1/0F) Batasan Dari Pipe Stress Calculation Akibat Sustained Loadsdan Displacement Strains Internal Pressure Stresses Tegangan(Stresses) yang diakibatkan oleh internal pressure haruslah diperhitungkan keamanannya ketika wallthicknessdari komponen-komponen pipa (Elbow, branch connection, etc) External Pressure Stresses Tegangan (Stresses) yang diakibatkan oleh external pressure haruslah diperhitungkan keamanannya ketika wallthicknessdari komponen-komponen pipa (Elbow, branch connection, etc) dan serta bagian penguat pipa (Pipe Support) Longitudinal Stresses (SL) Total Longitudinal stresses pada berbagai komponen di dalam sistem perpipaan, baik itu stresses yang diakibatkan oleh tekanan (pressure), berat (weight), dan berbagai macam jenis beban lainnya, tidak boleh lebih dari Sh Allowable Displacement Stress Range SA Untuk perhitungan displacement stress range SE pada sistem perpipaan tidak boleh melebihi dari allowable displacement stress range SA
Physical Properties Physical properties mencangkup density atau specific grafity, young modulus dan coefficient of thermal expansion. Pengertian Specific gravity merupakan perbandingan massa material per satuan volume. Sedangkan young modulus merupakan sebuah ukuran dari keelastisitisan material
5
