Oleh :
M M. Indah Zaini
: 4207 100 604
ANALISA PERUBAHAN SISTEM PEMANAS BAHAN BAKAR KM. ANUGRAH MANDIRI DARI THERMAL OIL BOILER MENJADI ELECTRIC HEATER DAN DAMPAKNYA PADA SISTEM KELISTRIKAN
Bidang Studi: Marine, Automation and System (MEAS)
Ikhtisar Tugas Akhir
-.. Dampak perubahan penggunaan dari HFO menjadi HSD pada biaya operasional kapal -. Dampak perubahan oil thermal system menjadi elektic heater dan akibatnya y p pada sistem kelistrikan.
Latar belakang
-. Bahan bakar merupakan komponen biaya operasional yang signifikan dalam biaya operasional kapal kapal. -. Dampak perubahan penggunaan dari HFO menjadi HSD pada biaya operasional kapal -. Solusi alternatif untuk melakukan pengurangan biaya bahan bakar adalah penggunaan kembali HFO sebagai bahan bakar pada kapal -. Dampak perubahan oil thermal system menjadi elektic heater dan akibatnya pada sistem kelistrikan.
Perumusan Masalah: -. Analisa pergantian dan pemilihan dari perubahan oil thermal system menjadi electric heater. -. Perhitungan kebutuhan daya pemanas elektrik (electric heater) untuk kebutuhan operasional kapal. -. Analisa berdasarkan pertimbangan teknis dilapangan, akibat perubahan oil thermal system menjadi electric electric steam boiler pada sistem kelistrikan
Batasan Masalah:
Dalam Tugas Akhir ini objek yang dianalisa adalah KM. ANUGRAH MANDIRI Tidak menjelaskan tentang proses kerja detail dari komponenk j kib t perubahan b h oil il th t komponen penunjang akibat thermall system menjadi electric heater. Perhitungan ditekankan pada aspek teknis akibat perubahan oil th thermal l system t menjadi j di electric l t i heater h t dan d d dampaknya k pada d sistem kelistrikan.
Tujuan Penulisan:
Mengubah ,dari penggunan oil thermal system menjadi pemanas elektrik l kt ik (h (heater t electric) l t i ) Pemilihan heater electric akibat perubahan dari penggunan oil thermal system menjadi pemanas elektrik (heater electric). Mendapatkan d k analisa l aspek k teknis k pada d sistem k kelistrikan l k akibat dari perubahan oil thermal system menjadi electric heater.
Manfaat f Penulisan: l -. Sebagai pertimbangan dan masukan kepada operator kapal
agar g kembali menggunakan gg HFO sebagai g bahan bakar kapal. p Dan berdampak langsung pada biaya operasional kapal.
Dasar Teori:
Sistem Operasi Heavy Fuel Oil Perbedaan property dari MFO ada pada viskositas dan berat jenisnya yang lebih tinggi dibandingkan bahan bakar jenis lainya. Ol h karena Oleh k it itu di diperlukan l k sistem i t rekondisi k di i b bahan h b bakar k sebelum b l bahan bakar masuk kemesin. maka viskositas dari bahan bakar perlu diturunkan. Sehingga untuk tujuan tersebut perlu ditambahkan suatu sistem pemanas. p
Storage tank Min 3 buah untuk menghindari percampuran saat bunkering Design mengacu pada naval architectural dan peraturan badan klasifikasi Temperature minimum pada storage tank adalah 40-45°C bahan bakar ≥ 80 cSt/50 °C dan 10-39°C untuk viskositas ≤ 80 cSt/50 °C. untuk itu minimum temperature pourpoint. Batasan viskositas pompa yang dianjurkan adalah 1000cSt. Dilengkapi dengan alat pemanas.
Settling tank Umumnya dipasang 2 tangki pengendap sesuai dengan konsumsi bahan bakar untuk 24 jam operasi untuk tiap tangkinya
Day tank Tangki harian adalah tangki MFO yang telah dipurifikasi Design Volume tangki min 4 jam operasi
Power yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu
Power yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu dapat dinyatakan dengan rumus dalam tangki: Panas yang diserap material: Dimana : Q : beban panas m : massa c : panas spesifik Δt : perbedaan temperature
Panas yang dibutuhkan untuk mengganti losses
Dimana: A : luas area permukaan Ql : haet loses pada temperatur akhir t : waktu kt (Caloritech,2002)
Kalor yang dibutuhkan dalam tangki mh cph thi
mc cpc tci
mh cph tho
mc cpc tho
Berdasarkan gambar diatas, maka dirumuskan : mh cph thi + mc cpc tci = mhcph tho+ mc cpc tco mh cphh (thi h - tho h ) = mc cpc (tco- tci) tho h + mc cpc tco panas yang diberikan = panas yang diterima muatan keterangan : mh = laju aliran massa fluida pemanas cph = panas spesifik fluida pemanas thi = temperatur fluida pemanas pada sisi masuk tho = temperatur fluida pemanas pada sisi keluar l d yang d k mc = llaju aliran massa fl fluida dipanaskan cpc = panas spesifik fluida yang dipanaskan tci = temperatur fluida yang dipanaskan tco= temperatur fluida yang dipanaskan pada kondisi akhir
Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam mendesain alat penukar panas antara lain:
1.Proses conditions 1 d ((misalnya l k komposisi aliran l fl d kecepatan fluida, k aliran, l suhu h dan tekanan) beberapa kondisi tersebut harus ditentukan terlebih dahulu. 2. Jangkauan batasan suhu dan tekanan fluida harus ditentukan. 3. Tipe penukar kalor yang digunakan 4. Estimasi awal ukuran (dimensi) penukar kalor menggunakan pendekatan koefisien perpindahan panas baik untuk fluida yang akan digunakan, perpindahan panasnya dan peralatan yang dgunakan. 5. Berdasarkan pada estimasi awal tersebut, maka dapat didapatkan pemilihan d desain awall yang akan k dilengkapi dl k d dengan d detail l perhitungan. h 6. Desain awal ini dipilih, kemudian dievaluasi mengenai kemampuan kerja atau kinerja terutama dari segi pressure drop dan perpindahan panasnya. 7. Hasil evaluasi desain awal ini didapatkan konfigurasi baru apabila db dibutuhkan hk dan d langkah l k h 6 kembali k b l dilakukan. dl k k Apabila b l desain d awall mencakupi untuk penukar kalor memenuhi batasan minimal untuk pressure drop panjan pembuluh(tube), diameter shell. Artinya pada desain ini biasanya membutuhkan konfigurasi multiple exchanger. 8 8. Desain akhir harus dapat memenuhi proses requirement(desain dengan nilai eror yang rasional) pada biaya terendah(terutama biaya operasional dan pemaliharaan).
SISTEM INSTALASI LISTRIK DI KAPAL PENGERTIAN GENERATOR
Generator merupakan G k pembangkit b ki listrik li ik yang utama di kapal. k l Di gunakan untuk mensuplai hampir seluruh peralatan listrik. Prinsip kerjanya mengubah energi kinetis menjadi energi listrik dengan memanfaatkan induksi elektro magnetik Paraller Generator
Menghubungkan dua buah generator kemudian di operasikan secara bersama dengan tujuan mendapatkan arus listrik yang lebih besar
Syarat-syarat paralel generator 1. Frekuensi tegangan pada masing-masing unit generator harus sama 2 Rangkaian masing 2. masing-masing masing terhubung pada fase yang sama 3. Tegangan pada masing-masing fase harus sama 4. Jumlah fase sama Keuntungan paralel generator 1.Efesiensi 2. Memperbesar daya 3. Untuk memudahkan penentuan kapasitas generator 4 Menjamin 4. M j i kontinuitas k i i
Elementary one line diagram
One line diagram yang akan diuraikan disini adalah one line diagram of electrical power system yaitu khusus untuk distribusi daya generator seperti : 1. Main swich board 2 Feder-feder 2. F d f d panell 3. Distributions panel box
Pemilihan l h kabel k b l
Untuk tujuan keamanan, undang-undang dan peraturan IEE menetapkan bahwa semua kabel harus cukup besar bagi arus yang melaluinya. Pemilihan yang tepat untuk setiap instalasi bergantung pada aspek aspek-aspek aspek dasar dari : Persyaratan lingkungan dan karakteristik proteksi Kapasitas pengaliran arus Penurunan tegangan Bila arus mengalir melalui sebuah penghantar tersebut menghasilkan kalor, maka pertambahan kalor sebanding dengan tahanan kabel yang pada gilirannya bergantung pada luas penampang kabel tersebut.
METODOLOGI Start
Studi Literatur Pengumpulan data dan Referensi
Perhit electric steam b il boiler
Pemilihan Electric steam boiler
Analisa Teknis
Perhitungan Kebutuhan Daya listrik
Analisa kebutuhan daya listrik untuk operasional kapal
A li Teknis Analisa Tk i
Sesuaii S dengan Klasifikasi YES Kesimpulan dan Saran End
NO
HASIL DAN PEMBAHASAN DATA A A KAPAL A A
Name of Ship : KM .ANUGRAH MANDIRI Purphose p of ship p : Container Ship p Principal dimension : LOA Lpp Breadth Depth Draft Complement
: 106. 68 Meter : 99.10 Meter : 20.60 Meter : 5.80 Meter : 4.50 Meter : 15 Person
Merk Service Cont Rating
: YANMAR 6EY26 : 12 knot :1920 Kw
Container Main Engine
: 368 TEU :
Generator :
Merk Cont Rating Output Voltage Frekuensi
: : : :
Henan Diesel ENG 4 unit 250 Kw 400 v 50 Hz
Dalam analisa ini dilakukan perhitungan untuk menunjang perubahan ssistem ste pe pemanas a as ba bahan a ba bakar a ya yaitu: tu: 1. Perhitungan pemanasan pada tangki storage -.beban operasi (Q operasi) .loses pada tangki storage (Q loses) -.loses -.safety factor (Q safety) -.total panas (Q total) 22. P hit d ttangki ki settling ttli Perhitungan pemanasan pada -.beban operasi (Q operasi) -.loses pada tangki settling (Q loses) -.safety f t ffactor t (Q safety) f t ) -.total panas (Q total)
33.Perhitungan Perhitungan pemanasan pada preheater separator -.beban operasi (Q operasi) -.beban untuk memanasi pipa (Q pipa) -.safety factor (Q safety) -.total panas (Q total) 4.Perhitungan . e tu ga pemanasan pe a asa pada tangki ta g daily da y -.loses pada tangki daily(Q loses) -.safety factor (Q safety) -.totall panas (Q total) l) 5.Perhitungan pemanasan pada final preheater (Q operasi) -.beban operasi p p ) -.beban untuk memanasi pipa (Q pipa) -.loses pada pipa dari tangki daily ke engine (Q loses) -.safety f t ffactor t (Q safety) f t ) -. total panas (Q total)
Sehingga untuk desain pemanas KM. Anugrah Mandiri perhitungan dilakukan berdasarkan kepastian equipment yang telah terpasang dikapal.
Daya mesin induk Berat jenis MFO Berat jjenis HSD Konduktivitas plat
Panas spesifik plat
Berat jenis plat Panas spesifik MFO Jenis isolasi Tebal isolasi Konduktivias d k isolasi l Ambient temperature
: : : : : : : : : : : : :
1920 kW
0,99 ton/m3 0,84 , ton/m / 3 54 w/m°c 374.4 Btu/ft²h ° F 0 0,465 465 kj/kg kj/kg°c c 0,111Btu/lb ° F 7833 kg/m3 0 41 Btu/16° 0,41 Btu/16 F
32°c
1. Beban Pemanasan Pada tangki Storage Volume tangki storage : 246 m3 -. Panjang : 8800 mm = 8.8 m -. Lebar : 7400 mm = 7.4 m -. Tinggi Ti i : 3800 mm = 3.8 38m -. Tebal plat : 8 mm = 0,008 m -. Temperature awal: 32 oC = 89.6oF p akhir: 40oC = 104oF -. Temperature A. Beban operasi Berat HFO yang digunakan untuk perhitungan adalah berat HFO yang akan dipindahkan dari storage tang ke settling tank sebesar =35 m³ Berat MFO = volume (m3) x berat jenis(ton/m3) Berat MFO = 34,65on = 69300 lb Q = m x C x Δt Dimana : Q: beban pemanasan (Btu) m: berat (lb) C : panas spesifik (Btu/lb oF) Δt : penambahan temperature (oF) Qoperasi = 409147,2 Btu = 119,9 kWh
Waktu yang direncanakan untuk mencapai suhu yang diinginkan direncanakan 4 jam. Maka beban pemanasan tiap jamnya : Qoperasi = 29,97 kW
B Losses pada tangki storage B.
Q = α A Δt Dimana : Q : heat eat losses osses (Btu/h) ( tu/ ) A : luas plat (ft2) A : (2 x p x l) + (2 x p x t) + (2 x l x t) A = 253.36 m2 = 2727.14 ft2 Dimana : Δt : perbedaaan temperatur dalam tangki dan ambient(°F) α: heat transfer rate (Btu/ft2h°F) Expossed tank, 50°F, uninsulated 1 4 Btu/ft2h°F =1.4 hF Q loss: 54979.23 Btu/h =16.1 kW
c. Safety factor
diambil nilai 20% Qsafety = 20% x (Qoperasi+ Qloss) = 9,21 kW Total panas yang dibutuhkan untuk tangki storage : Qst = Qoperasi+ Q1oses+ Qsafety = 55,3 kW Total panas yang dibutuhkan untuk 2 tangki storage adalah: Qstorage = 110,6 kW Pada kapal KM. ANUGERAH MANDIRI terdiri dari: 2 tangki storage= 246 m³ =110,6 kW 1tangki settling = 32 m³ = 67,02 kW 2 tangki day( service) = 26 m³ = 26,41 kW Total beban pemanasan pada tangki-tangki bahan bakar KM. ANUGERAH MANDIRI sebesar = 204,03 kW
2.Beban pemanasan preheater separator Kapasitas Diameter dalam pipa Diameter luar pipa Tebal pipa Berat jenis pipa Konduktivitas pipa Panas spesifik pipa Temperature awal Temperature akhir
A. Beban operasi
: : : : : : : : :
2 m3/h 25 mm = 0,025 m 33,7 mm = 0,0337 m 3,25 mm = 0,0032 m 2,46 kg/m (nom.32 DIN 2440) 36 W/m°C = 249,6 Btu/ft 2h°F 0,486 kJ/kg°C = 0,116 Btu/lb°F 80°C = 176°F 98°C 98 C = 208,4 208,4°F F
Berat MFO = volume (m3) x berat jenis(ton/m3) Berat MFO = 1.98 ton = 3960 lb/h Q = m x C x Δt Dimana : Q : beban pemanasan (Btu) m : berat (lb) C : panas spesifik (Btu/lb oF) Δt : penambahan temperature (oF) Qoperasi = 52604.64 Btu = 15.41 kWh
B. Beban untuk memanasi pipa
Q = m x C x Δt Dimana : Di Q : beban pemanasan (kWh) m : laju berat (kg/h) C : panas spesifik (kJ/kg°C) (kJ/kg C) Δt : penambahan temperature (°C) Qpipa = 0.0172 kW/m Panjang pipa : 22 m Qpipa = 0.38 kW
C. Loses pada pipa
1. H 1 Heat llosses pipa i d darii settling li tank kk ke separator Dimana : α : αc + αr , /De0.2) αr : 4 15 (V0,8 4,15 αc : 1,051 x a x e(0,005 x tcw)
α : transfer coeffeicient between external survace of pipe and ambient area of pipe work (W/m2h) A: external area of pipe work Q: heat losses (W) ΔTm: different temperature fluid and ambient temperature (°C) αc : convection αc : radiation V : wind velocity = 4 m/s De : external diameter (m) Tcw : tube external wall temperature a : rough surface = 4.6 αr : 4,15 (V0,8/De0.2) : 24.843 W/m2 oC αc : 1,051 x a x e(0,005 x tcw) : 7.891 W/m2 oC α : αc + αr : 32.735 W/m2 oC
A : External area of pipework = 0.2618 x OD : 0.00882 m2 = 32.73 32 73 x 0 0.0088 0088 x (98 (98-32) 32) = 19.061 W = 0.019 kW Panjang pipa dari setting tank ke separator = 11 m Qlpsettling : 0.019 x 11 Qlpsettling : 0.209 kW 2 . Heat losses pipa dari separator ke service tank Dimana : α : αc + αr 0 8/De 0 2) αr : 4,15 4 15 (V0,8 /D 0.2 αc : 1,051 x a x e(0,005 x tcw) α : transfer coeffeicient between external survace of pipe and ambient area of pipe p pe work o (W/m ( / 2h)) A: external area of pipe work Q: heat losses (W) ΔTm: different temperature fluid and ambient temperature (°C) αc : convection αc : radiation
V : wind velocity = 4 m/s De : external diameter (m) T Tcw : tube b externall wall ll temperature a : rough surface = 4.6 αr : 4,15 (V0,8/De0.2) : 24 24.843 843 W/m2 oC αc : 1,051 x a x e(0,005 x tcw) : 7.891 W/m2 oC α : αc + αr : 32.735 W/m2 oC A : External area of pipework = 0.2618 x OD : 0.00882 m2 = 32.73 32 73 x 0 0.0088 0088 x (98 (98-32) 32) = 19.061 W = 0.019 kW Panjang pipa dari setting tank ke separator = 11 m Qlpseparator : 0.019 x 11 Qlpseparator : 0.209 kW
C. Safety factor
diambil nilai 10% Qsafety = 10% x (Qoperasi+ Qpipa + Qlpsettling + Qlpseparator) = 1,621 kW Total T t l panas yang dibutuhkan dib t hk : Qps= Qoperasi+ Qpipa + Qlpsettling + Qlpseparator + Qsafety = 17,83 kW beban pemanasan untuk 2 preheater separator = 35,66 kW Pada KM. ANUGERAH MANDIRI terdiri dari : 2 preheater separator = 35,66 kW 2 final preheater = 53, 8 kW Jadi Beban pemanas total: Qt t ttli Q service i + Q ps + Qf Qtott = Q storage + Q settling +Q Qfp = 110,6 + 67,02 + 26,41 +35,66 + 53,8 = 293,49 kW
. Maka didapat kan lah spesifikasi dari merk SSangma Industri Electric Steam Boiler seperti berikut ini: Product name : SSangma Industri Electric Steam Boiler Type : SM-0300 Steam capacity : 420 kg/h Working Pressure: 5 5-7(0.5-0.7) 7(0 5 0 7) kg/cm2(MPa) Input power : 300 Kw Voltage : 400 Volt
Kondisi berlayar Dengan 2 buah generator yang bekerja, factor beban generator berdasarkan perhitungan adalah 44,04%. 44 04%
Kondisi Bongkar Muat Dengan 3 buah generator yang bekerja bekerja, factor beban generator berdasarkan perhitungan adalah 63,21%.
Kondisi Arrived dan Departure Dengan 4 buah generator yang bekerja, factor beban generator berdasarkan perhitungan adalah 42,04%.
Perhitungan Generator Setelah Perubahan Sistem Pemanas Bahan Bakar HFO Peralatan l yang d ditambahkan b hk setelah l h penggunaan pemanas electric l (electric heater) adalah : 1 Vertical Electric Steam Boiler 2 Circulating pump 2 Supply pump 2 Heat exchanger preheater separator 2 heat exchanger final preheater
Designation Intermitten load Faktor Diversitas Continious load Jumlah beban G Genset yang ddi perlukan Kapasitas Faktor Beban
16.32 9.79 466.96 476.76
Arrival and Departure 16.92 10.15 666.01 676.16
(2 x 420) 840 57%
(2 x 420) 840 81%
Normal at sea
Cargo Handling 4.16 2.50 469.71 472.21 (2 x 420) 840 56.5%
Dari factor beban generator setelah menggunakkan electric heater (electric steam boiler) maka harus dilakukan pergantian generator dengan daya yang lebih besar serta adanya space yang terbatas pada kamar mesin dan agar mendapatkan efektifitas kerja. Sehingga dipilih alternatif dengan pengurangan jumlah generator dari, sekarang terpasang 4 buah generator dengan daya 249 kW dan akan dikurangi menjadi 3 buah generator dengan daya 420 kW kW. Maka didapatkan factor beban generator terbesar pada kondisi Arrival & departure masih 81%.
Analisa Perubahan Perubahan MSB untuk mengetahui berapa besar pengaman dan penampang kabel yang digunakan dapat dilakukan perhitungan dibawah ini : Pengaman Electric heater : U Untuk k menghitung hi pangaman Electric El i h heater menggunakan k d daya generator yang dipakai pada saat operasi. Daya Electric heater: 420 kW Arus nominal = = = 631.47 631 47 A Dari table Ukuran penampang kabel dan pengaman didapat nilai sebagai berikut : Arus pengaman : 700Ampere Penampang Kabel : 625 mm
MAIN ELECTRICAL SWICTHBOARD
Kesimpulan Dan Saran Dari pengkajian yang telah dilakukan berdasarkan pembahasan dan analisa data, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1 B 1. Berdasarkan d k perhitungan hit k kapasitas it pemanasan pada d h heater t sistem i t b bahan h bakar yang meliputi: beban pemanas 2 tangki storage = 110.6 kW, beban pemanas 1 tangki settling = 67.02 kW, beban pemanas 2 tangki service = 26.41 kW, beban pemanas 2 preheater separator = @ 17.83 kW, Beban pemanas 2 fi finall preheater h t = @26.9 @26 9 kW kW. JJadi di B Beban b ttotal t l untuk t k sistem i t pemanas bahan bakar sebesar 293,49 kW 2. Berdasarkan hasil p perhitungan g untuk memenuhi kebutuhan pemanasan p bahan bakar sebesar 293,49 kW. Dan didapatkan spesifikasi electric steam boiler dipasaran dengan daya sebesar 300 kW. 3. Berdasarkan penentuan load factor generator maka didapatkan beberapa nilai load factor dari generator seperti terlihat dibawah ini: Kondisi KM. ANUGERAH MANDIRI menggunakkan thermal oil boiler :
Normal at sea Arrival & departure Cargo handling
: 44% : 42% : 63%
Kondisi KM. ANUGERAH MANDIRI menggunakkan electric heater (electric steam boiler) :
Normal at sea Arrival & departure Cargo handling
: 57% : 81% : 56.5%
Darii ffactor b D beban b generator setelah l h menggunakkan kk electric l i h heater ((electric l i steam boiler) maka harus dilakukan pergantian generator dengan daya yang lebih besar serta adanya space yang terbatas pada kamar mesin dan agar mendapatkan efektifitas kerja. Sehingga dipilih alternatif dengan pengurangan jumlah j l h generator d dari, i sekarang k terpasang 4 b buah h generator dengan daya 249 kW dan akan dikurangi menjadi 3 buah generator dengan daya 420 kW. Maka didapatkan factor beban generator terbesar pada kondisi Arrival & departure masih 81%. Saran Perlunya perhitungan kembali pada komponen-komponen pendukung sistem pemanas bahan bakar seperti dearator, exspansion tank, circulating pump, dan ecomizer. Akibat perubahan sistem pemanas bahan bakar. p p
DAFTAR PUSTAKA 1 Bi 1. Biro Klasifikasi Kl ifik i Indonesia I d i ; [2004]; [2004] “R “Rules l F For Th The Cl Clasification ifi ti and d Construction of seagoing Steel ships” ; Volume III; BKI Jakarta. 2. Biro Klasifikasi Indonesia ; [2004]; “Rules For Electrical Instalation” ; Volume IV; BKI Jakarta. Jakarta 3. Firmansyah, Y A, 2008, Studi Teknis Pemakaian Thermal Oil Sebagai Pemanas Sistem Bahan Bakar MFO Pada KM. Dorolonda, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. 4. Harrington, Roy ; [1977]; “Marine Engineering” ; SNAME ; New York. 5. Novarianto, S, 2010, Analisa Karakteristik KebutuhanDaya Listrik P d K Pada Kapall C Cargo D Dalam l R Rangka k Ef Efesiensi i iE Energii , Tugas T Akhi Akhir, Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. 6 6. Prasetyo Prasetyo, Edy hidayat ; [2002]; “Diktat Diktat Kuliah distribusi daya listrik” listrik ; Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya; Surabaya. 7. Sarwito, S. 1999, Diktat Perancangan Instalasi Listrik, JTSP – FTK ITS.
