J.Tek.Ling
Edisi Khusus
Hal. 51 - 57
Jakarta, Juli 2006
ISSN 1441 – 318X
PERBAIKAN JALUR DISTRIBUSI STEAM UNTUK PENGHEMATAN STEAM PADA INDUSTRI KERTAS Widiatmini Sih Winanti Peneliti di Pusat Teknologi Lingkungan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Abstract Steam is water in vapor condition with certain temperature and pressure that produced in boiler. Steam is widely used as an energy transfer media in many industries because steam has several advantage such as flexible and easy to control and can be produced efficiently and economically. Another advantage of using steam as energy sources is cheap and easy to distribute to user point and the energy is easy to be transfer to the industrial process. To reach the user points, steam need to distribute through distribution lines that consist of pipeline, flanges, steam traps, valves, joins, etc., including insulation system. Poor maintenance in steam distribution is one of the source of significant energy loses. Repairing of steam distribution system in a paper industry with replacing/ repairing more than 160 steam traps, pipelines, condensate leaking and pipelines insulation can reduce the consumption of steam about 5% of total steam consumption or about 30,517 tons per year and can give financial saving about Rp. 3,295,280,000, -. The natural gas consumption reduces about 45,887.64 tons per year and reducing greenhouse gas emission about 311,163 tons CO2. This activity need an initial investment about Rp. 1,800,000,000 and the payback period is 0.55 year. Key words: steam, distribution system, steam traps, energy saving 1.
PENDAHULUAN
Steam adalah air yang telah dipanaskan membentuk uap air dengan suhu dan tekanan tertentu yang di produksi di dalam boiler. Steam digunakan sebagai suatu cara pemindahan sejumlah energi yang terkendali dari suatu pusat, ruang boiler yang otomatis ke titik pengguna suatu industri. Steam yang bergerak mengelilingi pabrik merupakan suatu transportasi penyediaan energi. Steam banyak digunakan pada berbagai industri untuk pemanasan
pada proses produksi, pembangkitan daya maupun untuk pemanasan ruangan karena mempunyai beberapa keunggulan sebagai berikut: § Steam efisien dan ekonomis untuk dihasilkan § Steam dapat dengan mudah dan murah untuk didistribusikan ke titik penggunaan § Steam mudah dikendalikan § Energinya mudah ditransfer ke proses § Plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan § Steam bersifat fleksibel
Perbaikan Jalur ... J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi Khusus: 51-57
51
Steam diproduksi di dalam suatu boiler dengan tekanan yang sesuai dengan kebutuhan pada titik pengguna di dalam industri. Pada tekanan atmosfir, steam jenuh mempunyai suhu 100oC. Semakin tinggi tekanannya, suhu jenuh steam akan meningkat. Kurva hubungan antara tekanan dan suhu steam ditunjukkan oleh kurva yang disebut kurva steam jenuh yang terlihat pada gambar 1. di bawah ini.
(1)
Gambar 1: Kurva Steam Jenuh
Air dan steam dapat berada secara bersamaan pada berbagai tekanan pada kurva ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam pada kondisi diatas kurva jenuh dikenal dengan superheated steam/ steam lewat jenuh: § §
Suhu diatas suhu jenuh disebut derajat steam lewat jenuh Air pada kondisi dibawah kurva disebut air sub-jenuh.
Steam membawa energi panas yang disebut entalpi yang terdiri dari entalpi air/ entalpi cairan atau disebut juga panas sensible air (hf) dan entalpi penguapan atau panas laten (hfg ). Entalpi cairan atau panas sensible air adalah energi panas yang diperlukan untuk menaikan suhu air dari titik dasar 0°C ke suhu titik didihnya pada tekanan tertentu. Pada suhu 0°C, entalpi air 52
dianggap nol. Entalpi cairan atau panas sensibel merupakan panas yang ditambahkan ke air yang mengakibatkan perubahan suhu. Pada tekanan atmosfir (0 barg), air mendidih pada suhu 100°C, dan diperlukan energi sebesar 419 kJ untuk memanaskan 1 kg air dari 0°C ke suhu didihnya 100°C. Entalpi penguapan atau panas laten merupakan jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah air pada suhu didihnya menjadi steam. Perubahan ini tidak menyebabkan perubahan pada suhu campuran steam/air, dan seluruh energi digunakan untuk mengubah keadaan dari cairan (air) ke uap (steam jenuh). Entalpi steam jenuh atau disebut juga panas total steam jenuh (hg) merupakan energi total yang terkandung dalam steam jenuh yang besarnya merupakan jumlah dari kedua jenis entalpi seperti ditunjukkan pada persamaan (1) dibawah ini. hg = hf + h fg ………………………...(1) Dimana: hg = Entalpi total steam jenuh (Panas total) (kJ/kg) hf = Entalpi cairan (Panas sensibel) (kJ/kg) hfg = Entalpi penguapan (Panas laten) (kJ/kg) Entalpi (dan sifat -sifat lainnya) dari steam jenuh dapat dengan mudah dilihat dengan menggunakan sebuah table yang dikenal dengan nama tabel steam. Tabel steam memberi daftar sifat -sifat steam pada berbagai tekanan. Dalam penggunaannya, steam harus memenuhi ketentuan-ketentuan sebagai berikut:
Winanti, W.S, 2006
§
§ § §
§
2.
Jumlahnya tepat untuk menjamin bahwa aliran panas yang memadai tersedia untuk perpindahan panas pada titik pengguna Pada suhu dan tekanan yang benar, atau akan mempengaruhi kinerja Bebas dari udara dan gas yang dapat mengembun yang dapat menghambat perpindahan panas Bersih dari kerak (misal karat atau endapan karbonat) atau kotoran dapat meningkatkan laju erosi pada lengkungan pipa dan orifice kecil dari steam traps dan kran Kering, bebas dari adanya tetesan air dalam steam yang dapat menurunkan entalpi penguapan aktual, dan juga akan mengakibatkan pembentukan kerak pada dinding pipa dan permukaan perpindahan panas. SISTEM DISTRIBUSI STEAM (2)
Steam dihasilkan dari pembangkit steam yang dapat berupa boiler atau sistem pembangkit daya listrik kogenarasi (sistem pembangkit listrik dan steam bersama-sama). Terdapat berbagai macam metoda untuk membawa steam dari sisitim pembangkit steam atau yang disebut juga pusat sumber ke titik penggunaan. Apapun sumbernya, sistem distribusi steam yang efisien adalah penting untuk pemasokan steam dengan kualitas dan tekanan yang benar ke peralatan yang menggunakan steam. Pemasangan dan perawatan sistem steam merupakan hal penting dan harus sudah dipertimbangkan mulai dari tahap perancangan. Steam yang dihasilkan pada boiler harus dibawa melalui pipa kerja ke titik dimana energi panasnya diperlukan. Pada awalnya hanya terdapat satu atau lebih pipa utama, atau ‘saluran pipa steam’, yang membawa steam dari boiler kearah plant yang menggunakan steam.,
kemudian pipa-pipa cabang yang lebih kecil akan membawa steam ke masingmasing peralatan. Proses pemanasan menggunakan steam jenuh memanfaatkan panas laten (entalpi penguapan) yang terkandung didalam steam sehingga steam mencair membentuk kondensat (air panas pada titik didih steam) yang masih mengandung panas sensibel (entalpi cairan) seperti terlihat pada Gambar 2.
Panas
Steam Total
Panas laten untuk peman asan proses
Panas Sensibel Konden sat
Gambar 2. Penggunaan Panas Steam (1)
Sistem ini disebut sistem ‘loop kondensat dan steam’ dalam sirkuit steam yang ditunjukkan pada Gambar 3.
(2)
Gambar 3. Sistem sirkuit steam kondensat
Sistem sirkuit steam kondesat yang ideal dalah sistem tertutup seperti terlihat pada Gambar 3, dimana semua kondensat yang terbentuk semaksimal mungkin dikembalikan sebagai umpan boiler, sehingga panas snesibel yang terdapat di dalam kondensat dapat dimanfaatkan semaksimal mungkin. Suhu umpan boiler tinggi karena kondensat
Perbaikan Jalur ... J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi Khusus: 51-57
53
panas yang diumpankan kembali akan dapat menurunkan konsumsi bahan bakar unruk pemanasan boiler. Jadi, pada prinsipnya sistem distribusi steam membutuhkan sitim pemipaan untuk mengalirkan steam dari sistem pembangkit steam ke titik pengguna, kemudian mengalirkan kondensat kembali ke sistem pembangkit steam. Sistem pemipaan ini dilengkapi dengan berbagai peralatan untuk menjamin kualitas dan kuantitas yang sesuai. Komponen-komponen penting dalam sistem pemipaan adalah pipa-pipa yang terdiri dari pipa jalur utama dan pipa jalur cabang, jalur cabang, saringan/ strainer, saringan/ filter, separator, steam trap, ventilasi udara dan isolasi sistem distribusi steam. Pemipaan steam, baik jalur utama maupun jalur cabang harus dipasang makin menurun kearah aliran steam. Standar eropa EN45510 bagian 4.12 menyatakan bahwa saluran pipa sebaiknya dipasang menurun dengan gradien penurunan tidak kurang dari 1:100 (turun 1 m setiap 100 m) kearah aliran steam untuk menjamin aliran steam dan kondensat yang baik dengan bantuan gaya gravitasi. Sepanjang perjalanannya melalui pipa-pipa, steam mengalami gesekan/ friksi sepanjang pipa yang menyebabkan penurunan tekanan dan kondensasi/ pengembunan steam karena adanya panas yang dipindahkan ke lingkungan, sehingga biasanya setiap 50 m panjang pipa dipasang steam trap untuk mengeluarkan kondensat steam. Steam trap yang dipasang untuk tempat pengeluaran kondensat sepanjang pipa harus dipasang dengan benar untuk menjamin steam sekering mungkin mencapai titik pengguna didalam proses.
54
Gambar 4. menunjukkan contoh instalasi pemipaan yang dilengkapi dengan steam trap.
Gambar 4. Instalasi Pemipaan Steam (3) Jalur cabang adalah titik cabang dimana terdapat pengambilan steam dari jalur utama untuk dialirkan ke proses. Pipa cabang diharapkan tidak lebih dari 10 meter untuk menjaga aliran steam tetap pada kecepatan 25 sampai 40 m/detik. Pencabangan harus dilakukan dari pipa bagian atas untuk menjaga terbawanya kondensat kedalam aliran cabang. Stariner adalah sejenis saringan yang dipasang untuk menyaring kotoran padat yang terbawa dalam steam sehingga menjamin steam yang bersih sampai ke titik pengguna. Separator adalah sistem penyaringan steam, tetapi penggunaannya untuk memisahkan kandungan air yang masih terkandung didalam steam sebelum digunakan, karena steam basah yang mengandung air dapat merusak peralatan-peralatan pabrik. Sistem ventilasi udara digunakan untuk memisahkan udara yang terbawa dalam aliran steam, karena adanya kantong udara dapat menghalangi perpindahan panas dari steam ke bagian proses yang mebutuhkan. Adanya udara juga dapat berpengaruh buruk yang dapat menurunkan hasil produksi pada peralatan yang dipanaskan oleh steam, adanya gelembung udara pada kondensat dan dapat menyebabkan korosi.
Winanti, W.S, 2006
Sistem isolasi pemipaan steam dipasang untuk mengurangi kehilangan panas di sepanjang jalur ke lingkungan sekitarnya sehingga kondensasi steam di dalam pipa dapat diminimalkan dan menjamin steam sampai ke tujuan pada suhu, tekanan dan jumlah yang sudah ditentukan.
Sedangkan jumlah kehilangan energi dan biaya yang disebabkan karena kerusakan isolasi dapat dihitung menggunakan persamaan 5 dan 6 sebagai berikut:
3.
Hs x jam operasi setiap tahun Hf = --------------------------------------- ........(5) GCV x ?b
METODA PENGKAJIAN PADA SISTEM DISTRIBUSI STEAM
Pengkajian sistem distribusi steam dilakukan dengan memeriksa kebocoran pada pipa, kebocoran sambungan pipa/ flens, kran, kebocoran dan kerusakan steam trap dan kondisi isolasi sistem pemipaan. Steam trap diuji untuk melihat apakah masih bekerja dengan baik dengan menggunakan beberapa cara yaitu uji visual, untuk melihat adanya kebocoran pada steam trap, uji suara menggunakan alat deteksi ultrasonik untuk melihat kualitas steam trap, uji suhu dan uji teritegrasi. Sistem isolasi diuji dengan melihat secara visual terhadap kerusakan isolasi dan pengukuran suhu permukaan isolasi. Kehilangan pana pada sistem isolasi dapat dihitung menggunakan persamaan 2, sebagai berikut:
Kehilangan bahan bakar ekuivalen (Hf) (kg/thn)
Biaya tahunan kehilangan panas (Rp) = Hf x Harga bahan bakar (Rp/kg) ….(6) Dimana: GCV = Nilai Kalor Kotor bahan bakar kKal/kg ?b = Efisiensi boiler dalam persen Kebocoran steam pada pipa diperiksa sepanjang jalur pemipaan dan diperkirakan kehilangan panasnya dengan memperkirakan panjang lidah steam yang kemudian dihitung menggunakan pendekatan kurva pada gambar 5.
Total kehilangan panas (Hs dalam kKal/jam) = S x A .............................(2) S
=[10+(Ts-Ta)/20](Ts-Ta) ..............(3) 2
A (m ) = 3,14 x diameter (m) x panjang (m) (4)
Dimana: S = Kehilangan panas pada permuka an dalam kKal/jam m2 A = Luas permukaan dalam m2 Ts = Suhu permukaan panas dalam oC Ta = Suhu ambien dalam oC
Gambar 5: Kehilangan Steam VS Panjang Lidah Asap Steam(2)
4.
KAJIAN LAPANGAN
Dari pemantauan lapangan, diperkirakan sekitar 25% dari 500 steam
Perbaikan Jalur ... J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi Khusus: 51-57
55
trap yang bocor atau rusak, kebocoran pipa steam dan kerusakan isolasi. Konsumsi setam dan tingkat kehilangan steam diukur meggunakan flow meter yang terdapat di pabrik pada titik pengeluaran steam di area pembangkitan steam, konsumsi steam
total untuk seluruh area pabrik dan konsumsi steam aktual pada masingmasing plant pada pabrik tersebut (plant 8, 9, 10, 11, NCR, Plant Boks kardus, Bengkel Palet dll.). Dari data pengukuran terlihat adanya kehilangan steam pada area pembangkitan dar area proses seperti terlihat pada tabel 1.
Tabel 1. Data kehilangan steam sebelum perbaikan Bulan
Kehilangan Steam di ruang pembangkit tenaga (ton), a
Kehilangan steam pada bagian proses (ton), (b)
Total kehilangan steam (ton) a + b (c)
% Total kehilanganstea m,
Rata-rata kehilangan steam (ton),
Rata2 2003 Jan-04
5.324 5.113
4.855 5.022
10.179 10.133
9,68 9,73
10.783,30
Feb-04
6.263
4.622
10.856
10,26
Mar-04
6.948
5.017
11.965
8,81
5.
HASIL PERBAIKAN DISTRI BUSI STEAM
SISTEM
Setelah dilakukan perbaikan pada lebih dari 160 buah steam trap, perbaikan dan penggantian kebocoran pipa dan isolasi
di area pembangkitan steam, seluruh area proses dan didalam mesin pengering kertas, dilakukan pengukuran kembali menggunakan flow meter, kemudian dilakukan perhitunganperhitungan yang hasilnya terlihat pada table 2.
Tabel 2. Hasil penghematan steam setelah perbaikan sistem distribusi steam Bulan
Kehilangan Kehilangan Total % Total Steam di steam di kehilangan kehilangan ruang PindoII (ton), steam (ton) steam, pembangkit (b) a + b (c) tenaga (ton), a Rata-rata kehilangan steam per bualan, ton (d)
Penghema % tan steam Penghema yang tan steam dicapai yang (Ton), dicapai, d – c (e) e/d *100% 10.783,30
Apr-04
5.055
3.720
8.775
8,78
2.008
18,62
Mei-04
4.221
4.308
8.528
7,59
2.255
20,91
Jun-04
4.178
4.147
8.326
7,78
2.458
22,79
Jul-04
3.476
4.593
8.069
7,16
2.714
25,17
Ags-04
2.951
5.056
8.054
7,15
2.730
25,31
Sep-04
3.202
4.649
7.894
7,25
2.889
26,79
Okt-04
3.152
4.894
8.088
7,01
2.695
24,99
Nov-04
3.276
4.847
8.165
7,10
2.616
24,26
Rata-rata penghematan steam per bulan (ton), Apr – Nov. 04 (j)
2.546
Penghematan steam tahunn (ton), j x 12 bulan
56
Winanti, W.S, 2006
23,61 30.552
6.
(=105.199 ton gas alam x 2,93 ton CO2/ ton gas alam)
PERHITUNGAN KELAYAKAN FINAN SIAL DAN LINGKUNGAN
Hasil perhitungan analisis kelayakan finansial, lingkungan dan lainnya adalah sebagai berikut: 1) Keuntungan Finansial § Investasi (untuk pemantauan dan peralatan steam trap, bahan isolasi, dll) = Rp.1.800.000.000. § Biaya operasi tidak ada, karena merupakan biaya perawatan reguler. § Penghematan biaya tiap tahun = Rp.3.299.616.000.(Penghematan steam tiap tahun 30.552 ton, harga steam/ton Rp.108.000,- ) § Waktu pengembalian modal (payback period) = 0,55 tahun 2) Penghematan bahan bakar Pengurangan gas alam tiap tahun karena penghematan steam = 106.199 ton per tahun. 3) Keuntungan bagi Lingkungan Pengurangan emisi Gas Rumah Kaca tiap tahun = 311.163 ton CO2
7.
KESIMPULAN
1. Perawatan yang kurang baik pada sistem distribusi steam dapat menyebabkan kerugian kehilangan steam dan energi panas yang sangat besar. 2. Perbaikan sistem distribusi steam pada suatu industri kertas dapat memberikan penghematan yang besar yang memberikan keuntungan secara finansial dan lingkungan. DAFTAR PUSTAKA 1. Steam Distribution, www.spiraxsarco. com/learn/modules/10_1+01.asp 2. UNEP Energy Efficiency Guide for Industry in Asia, Steam Distribution and Utilization, www.energyefficiency asia.org/energyequipment. 3. Winant i, W.S, 2006, Distribusi Steam dan Penggunaan & Isolasi, Pelatihan Produksi Bersih untuk Effisiensi Energi.
Perbaikan Jalur ... J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi Khusus: 51-57
57
