BA
10
PBME3153 06
BUKU I BAHAN AJAR
BOILER DAN TURBIN
Penyusunan Bahan Ajar Dalam Kurikulum Berbasis Kompetensi (Kurikulum 2007) ini dibiayai dari PHKI Politeknik Negeri Bandung Departemen Pendidikan Nasional Tahun Anggaran 2010
Disusun Oleh : Ir. Haryadi, MT NIP : 19640826 199003 1 002
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2010
HALAMAN PENGESAHAN
1.
Identitas Bahan Ajar a. Judul Bahan Ajar b. Mata Kuliah / Semester c. SKS (T-P) /Jam (T-P) d. Jurusan e. Program Studi e. Nomor Kode Mata Kuliah
2.
: : : : : :
Boiler dan Turbin Boiler dan Turbin/ V 2(1-1)/(2-2) Teknik Mesin Teknik Mesin PBME3153
: : : : : :
Ir. Haryadi, MT 19640826 199003 1 002 III/d Lektor Teknik Mesin Teknik Mesin Bandung, 12 Nopember 2010
Penulis a. Nama b. NIP c. Pangkat / Golongan d. Jabatan Fungsional e. Program Studi f. Jurusan
Mengetahui, Ketua KBK
Penulis,
Ir. Ali Mahmudi, MSc. NIP. 19580606 199003 1 001
Ir. Haryadi, MT NIP. 19640826 199003 1 002
Menyetujui, Ketua Jurusan / Program Studi
Dr. Carolus Bintoro, Dipl. Ing., MT. NIP. 19620602 199102 1 001
Boiler dan Turbin
i
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................................... i DAFTAR ISI..................................................................................................................... ii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................ v DAFTAR TABEL.......................................................................................................... viii DESKRIPSI MATA KULIAH ......................................................................................... 1 CARA PENGGUNAAN................................................................................................... 1 BAB I ................................................................................................................................ 2 BOILER ............................................................................................................................ 2 1.1 Klasifikasi Boiler ............................................................................................... 2 1.2 Konstruksi dan Bagian-bagian Boiler ................................................................ 3 1.3 Pembakaran dan Bahan Bakar .......................................................................... 4 1.3.1 Komposisi Bahan Bakar ............................................................................. 5 1.3.2 Nilai Kalor Bahan Bakar............................................................................. 5 1.3.3 Jenis-jenis Bahan Bakar .............................................................................. 6 1.3.4 Perbandingan Berbagai Jenis Bahan Bakar ................................................ 7 1.4 Boiler Berbahan-bakar Padat ............................................................................. 7 1.4.1 Boiler dengan Teknik Pembakaran Unggun Terfluidisasi .......................... 7 1.4.2 Boiler dengan Teknik Pembakaran Stoker ................................................. 8 1.4.3 Boiler dengan Teknik Pembakaran Pulverasi ........................................... 10 1.5 Neraca Kalor dan Efisiensi Boiler.................................................................... 11 1.5.1 Metode Langsung ..................................................................................... 11 1.5.2 Metode Tidak Langsung dalam Menentukan Efisiensi Boiler ................. 12 1.6 Peraturan perundangan dan keselamatan ......................................................... 14 1.7 Instrumentasi dan Kontrol pada Boiler ............................................................ 15 1.7.1 Drum Level Control. ................................................................................. 16 1.7.2 Combustion Control.................................................................................. 17 1.7.3 Master control ........................................................................................... 18 1.7.4 Fuel flow – air flow control ...................................................................... 19 1.7.5 Oxygen control ......................................................................................... 20 1.7.6 Atomizing Control .................................................................................... 22 1.7.7 Blowdown Control .................................................................................... 23 1.7.8 Steam Temperature Control ...................................................................... 24 1.8 Pengolahan Air Umpan .................................................................................... 25 1.8.1 Pengkerakan .............................................................................................. 25 Boiler dan Turbin
ii
1.8.2 Pembusaan dan priming ........................................................................... 26 1.8.3 Korosi........................................................................................................ 27 1.9 Perawatan ......................................................................................................... 27 1.10 Kesimpulan ...................................................................................................... 30 1.11 Soal-soal ........................................................................................................... 31 BAB II............................................................................................................................. 32 TURBIN UAP................................................................................................................. 32 2.1 Pengantar .......................................................................................................... 32 2.2 Termodinamika Pembangkit Daya Tenaga Uap .............................................. 33 2.3 Klasifikasi Turbin Uap ..................................................................................... 35 2.4 Konstruksi Turbin Uap ..................................................................................... 37 2.4.1 Sudu Gerak Turbin Uap ............................................................................ 38 2.4.2 Sudu Diam ................................................................................................ 38 2.4.3 Governor dan Sistem Kontrol ................................................................... 39 2.4.4 Labirin ....................................................................................................... 41 2.5 Perawatan dan Perbaikan ................................................................................. 43 2.6 Kesimpulan ...................................................................................................... 45 2.7 Soal-soal ........................................................................................................... 46 BAB III ........................................................................................................................... 47 TURBIN GAS................................................................................................................. 47 3.1 Pengantar .......................................................................................................... 47 3.2 Termodinamika Turbin Gas ............................................................................. 48 3.2.1 Siklus Ideal ............................................................................................... 48 3.2.2 Modifikasi Siklus Ideal ............................................................................. 50 3.3 Konstruksi ........................................................................................................ 51 3.3.1 Kompresor ................................................................................................ 53 3.3.2 Turbin........................................................................................................ 55 3.3.3 Ruang Bakar ............................................................................................. 56 3.4 Siklus Kombinasi ............................................................................................. 58 3.5 Perawatan ......................................................................................................... 60 3.6 Kesimpulan ...................................................................................................... 60 3.7 Soal-soal ........................................................................................................... 60 BAB IV ........................................................................................................................... 62 TURBIN AIR .................................................................................................................. 62 4.1 Pengantar .......................................................................................................... 62 4.2 Dasar Mekanika Fluida .................................................................................... 63 4.2.1 Analisis Dimensional ................................................................................ 64 4.2.2 Pemodelan ................................................................................................. 65 4.2.3 Kecepatan Spesifik Daya .......................................................................... 66 4.2.4 Daya pada Turbin...................................................................................... 68 Boiler dan Turbin
iii
4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9
Turbin Pelton .................................................................................................... 69 Turbin Francis .................................................................................................. 72 Turbin Kaplan .................................................................................................. 75 Kavitasi pada Turbin Air .................................................................................. 76 Perawatan Turbin Air ....................................................................................... 77 Kesimpulan ...................................................................................................... 78 Soal-soal ........................................................................................................... 78
REFERENSI ................................................................................................................... 80 GBPP (Garis-garis Besar Program Pengajaran) ............................................................. 81 SAP (Satuan Acara Perkuliahan) .................................................................................... 82
Boiler dan Turbin
iv
DAFTAR GAMBAR
Gambar I-1 Klasifikasi boiler ........................................................................................... 3 Gambar I-2 Spreader Stoker ............................................................................................. 9 Gambar I-3 Chain gerate stoker ........................................................................................ 9 Gambar I-4 Vibrating stoker ........................................................................................... 10 Gambar I-5 Pulverized combination coal burner ............................................................ 11 Gambar I-6 Single-element drum level control............................................................... 16 Gambar I-7 Two-element drum level control ................................................................ 17 Gambar I-8 Three-element drum level control .............................................................. 17 Gambar I-9 Combustion control ..................................................................................... 18 Gambar I-10 Pembagi beban boiler ................................................................................ 19 Gambar I-11 Fuel flow – air flow control ..................................................................... 19 Gambar I-12 Fuel flow – air flow control untuk bahan bakar gas .................................. 20 Gambar I-13 Oxygen control .......................................................................................... 21 Gambar I-14 Atomizing control ...................................................................................... 22 Gambar I-15 Blodown control ........................................................................................ 23 Gambar I-16 Continuous blowdown control .................................................................. 24 Gambar I-17 Steam termperatur control ........................................................................ 24 Gambar I-18 Kerak pada pipa air ................................................................................... 26 Gambar II-1 Skema siklus Renkine sederhana ............................................................... 33 Gambar II-2 Siklus Renkine ideal pada bidang T - s ...................................................... 33 Gambar II-3 Siklus Renkine dengan pemanasan ulang .................................................. 34 Gambar II-4 Karakteristik kombinasi turbin Curtis - Rateau ........................................ 35 Gambar II-5 Karakteristik kombinasi turbin Curtis - Parsons ........................................ 36 Gambar II-6 Turbin uap dengan kondensasi................................................................... 36 Gambar II-7 Turbin uap ekstraksi atau tanpa kondensasi.............................................. 37 Gambar II-8 Konstruksi turbin uap ................................................................................ 37 Gambar II-9 Konstruksi turbin sudu turbin impuls dan turbin reaksi ............................. 38 Gambar II-10 Konstruksi sudu tetap turbin uap ............................................................. 39 Gambar II-11 Skema cara kerja governor kecepatan putar ............................................ 40 Gambar II-12 Skema cara kerja governor tekanan keluar .............................................. 40 Boiler dan Turbin
v
Gambar II-13 Skema cara kerja governor kecepaatan putar dan ekstraksi otomatis ..... 41 Gambar II-14 Sil labirin cincin karbon ........................................................................... 41 Gambar II-15 Kombinasi sil sikat dan labirin ................................................................ 42 Gambar II-16 Pemasangan dengan dorongan ke dalam ................................................. 42 Gambar II-17 Jenis-jenis kerusakan pada bagian-bagian turbin uap .............................. 43 Gambar II-18 Rangkaian sebab akibat kegagalan pada turbin uap ................................ 44 Gambar II-19 Gejala dan penyebab kerusakan pada turbin uap ..................................... 44 Gambar III-1 Sikus Brayton ideal ................................................................................... 48 Gambar III-2 Representasi siklus Brayton ideal pada diagram P – V dan T – S.......... 49 Gambar III-3 Siklus Brayton dengan regenerator ........................................................... 50 Gambar III-4 Siklus Brayton dengan intercooler .......................................................... 51 Gambar III-5 Siklus Brayton dengan reheater ................................................................ 51 Gambar III-6 Turbin gas industri kelas menengah ......................................................... 52 Gambar III-7 Turbin aeroderivatif .................................................................................. 53 Gambar III-8 Skema kompresor sentrifugal ................................................................... 53 Gambar III-9 Skema kompresor aksial ........................................................................... 54 Gambar III-10 Sudu turbin radial ................................................................................... 55 Gambar III-11 Sudu turbin aksial dan cara pendinginannya .......................................... 56 Gambar III-12 Skema ruang bakar turbin gas aliran lurus dan zona pembakaran ......... 57 Gambar III-13 Skema siklus kombinasi ......................................................................... 59 Gambar III-14 Gambaran distribusi energi pada siklus kombinasi ................................ 59 Gambar IV-1 Instalasi suatu turbin air ........................................................................... 63 Gambar IV-2 Volume atur pada turbin air...................................................................... 64 Gambar IV-3 Karakteristik performasi turbin air ........................................................... 65 Gambar IV-4 Efisiensi turbin dan bentuk runner turbin air untuk berbagai kecepatan spesifik .................................................................................................... 67 Gambar IV-5 Berbagai bentuk runner turbin air dengan kecepatan spesifiknya ............ 67 Gambar IV-6 Kecepatan spesifik [rpm] dan bentuk turbin ............................................ 68 Gambar IV-7 Momentum sudut pada turbin air ............................................................. 69 Gambar IV-8 Pengaturan beban pada turbin Pelton ....................................................... 72 Gambar IV-9 Instalasi dan distribusi energi pada turbin Francis ................................... 73 Gambar IV-10 Bagian-bagian turbin Francis ................................................................. 73 Gambar IV-11 Segitiga kecepatan turbin Francis ........................................................... 74 Gambar IV-12 Bagian-bagian turbin Kaplan.................................................................. 75 Gambar IV-13 Segitiga kecepatan turbin Kaplan ........................................................... 76 Gambar IV-14 Koefisien kavitasi Thoma kritis untuk berbagai turbin reaksi ............... 77 Boiler dan Turbin
vi
Gambar IV-15 Runer turbin Francis yang rusak ............................................................ 78
Boiler dan Turbin
vii
DAFTAR TABEL
Tabel I-1 Perbandingan bahan bakar padat, cair dan gas ................................................. 7 Tabel I-2 Contoh EA optimal terhadap beban boiler ...................................................... 21 Tabel I-3 Contoh fuel/air ratio dari hasil test .................................................................. 22 Tabel I-4 Tabel konduktivitas termal baja dan kerak ..................................................... 26 Tabel I-5 Daftar periksa berkala boiler ........................................................................... 28 Tabel II-1 Metode Perawatan untuk Meningkatkan Umur Komponen Individual Turbin Uap .......................................................................................................... 45 Tabel III-1 Jenis-jenis ruang bakar, keuntungan dan kerugiannya ................................. 58 Tabel IV-1 Instalasi turbin Pelton pada suatu pembangkit daya listrik .......................... 70 Tabel IV-2 Bagian-bagian turbin Pelton ......................................................................... 70 Tabel IV-3 Segi tiga kecepatan pada sudu gerak turbin Pelton ...................................... 71
Boiler dan Turbin
viii
DESKRIPSI MATA KULIAH
Identitas Mata Kuliah Judul Mata Kuliah
: Boiler dan Turbin
Nomor Kode / SKS
: KBME 3153 / 2
Semester / Tingkat
: VI / 3
Prasyarat
: Dasar Mesin Kalor dan Fluida
Jumlah Jam/Minggu
: 4
Ringkasan Topik / Silabus Boiler merupakan peralatan mesin konversi energi yang banyak digunakan oleh industri proses dan pembangkit listrik, sedang turbin digunakan pada pembangkit. Turbin digunakan untuk mengubah energi fluida menjadi daya poros. Turbin uap bersama boiler digunakan pada PLTU. Selain turbin uap, ada turbin gas dan turbin air yang digunakan pada PLTG dan PLTA. Mata kuliah ini membahas boiler, turbin uap, turbin air secara lebih mendalam dari sebelumnya.. Kompetensi Yang Ditunjang 1. Menghitung efisiensi, mengoperasikan dan malakukan perawatan boiler. 2. Menghitung daya dan efisiensi, mengoperasikan dan malakukan perawatan turbin uap. 3. Menghitung daya dan efisiensi, mengoperasikan dan malakukan perawatan turbin gas. 4. Menghitung daya dan efisiensi, mengoperasikan dan malakukan perawatan turbin air.. Tujuan Pembelajaran Umum 1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasar-dasar perawatan, pada boiler, turbin uap, turbin gas dan turbin air. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasar-dasar perawatan boiler . 2. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasar-dasar perawatan turbin uap. 3. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasar-dasar perawatan turbin gas.
Boiler dan Turbin
1
4. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasar-dasar perawatan turbin air.
Boiler dan Turbin
2
CARA PENGGUNAAN
Pedoman Mahasiswa 1. Bacalah dan pelajarilah setiap uraian materi setiap bab dalam bahan ajar ini secara runtut, teliti, dan cermat. 2. Catat atau tandai hal-hal yang anda anggap penting. 3. Apabila ada yang kurang jelas, diskusikan dengan teman-teman anda atau carilah sumber lain yang sesuai atau tanyakan kepada penyusun bahan ajar ini. 4. Setelah anda memahami uraian materi dalam setiap bab, baca referensi untuk memperkuat pemahaman. Pedoman Pengajar 1. Bacalah dan pelajarilah setiap uraian materi setiap bab dalam bahan ajar ini secara runtut, teliti, dan cermat. 2. Catat atau tandai hal-hal yang anda anggap penting. 3. Apabila ada yang kurang jelas, diskusikan dengan pengajar yang lain atau carilah sumber lain yang sesuai atau tanyakan kepada penyusun bahan ajar ini. 4. Setelah anda memahami uraian materi dalam setiap bab, baca referensi untuk memperkuat pemahaman. 5. Catat ketidakterkaitan antar bab dalam bahan ajar ini. 6. Catat ketidaksinambungan dengan mata kuliah yang berperan (tergabung) sebagai satu modul dalam sistem pendidikan. Penggunaan Ilustrasi dalam Bahan Ajar 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Foto Gambar Sketsa Tabel Grafik Diagram Skema
Boiler dan Turbin
1
BAB I BOILER
Tujuan Pembelajaran Umum 1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasardasar perawatan pada boiler. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mahasiswa dapat menerangkan klasifikasi boiler. 2. Mahasiswa dapat menjelaskan konstruksi boiler. 3. Mahasiswa dapat membandingkan penggunaan berbagai bahan bakar boiler. 4. Mahasiswa dapat menjelaskan boiler berbahan-bakar padat. 5. Mahasiswa dapat menghitung efisiensi boiler secara langsung dan tak langsung. 6. Mahasiswa dapat menjelasakan peraturan perudangan boiler. 7. Mahasiswa dapat menelaskan sistem kontrol sederhana pada boiler. 8. Mahasiswa dapat menjelaskan air umpan boiler dan permasalahnnya. 9. Mahasiswa dapat menjelaskan teknik perawatan boiler.
1.1 Klasifikasi Boiler Ketel uap atau boiler didefinisikan sebagai suatu alat yang dapat menghasilkan uap untuk digunakan di luar alat tersebut. Disamping boiler, terdapat alat yang dapat menghasilkan uap, akan tetapi uap tersebut digunakan untuk memanaskan produk di dalamnya. Alat ini disebut autoclave. Uap yang dihasilkan oleh ketel uap diperoleh dari memanaskan air, sampai mendidih, berubah menjadi uap yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Uap tersebut dimanfaatkan panas dan tekanannya untuk berbagai keperluan. Uap digunakan untuk pemanasan pada berbagai industri kimia, tekstil, makanan, hotel dll. Uap bertekanan tinggi digunakan untuk penggerak turbin, yang selanjutnya digunakan untuk pembangkit listrik, transportasi maupun penggerak mesin-mesin lainnya. Mengingat luasnya penggunaan ketel, jenisnya pun sangat banyak, sehingga tidak dapat diklasifikasikan secara sederhana. Boiler dirancang dan dibuat seseuai dengan kebutuhan dan kegunaannya. Dengan kemajuan teknik produksi, material, kontrol dan berbagai teknologi pendukung lainnya, desain boiler juga turut berkembang. Pada mata kuliah Dasar Mesin Kalor dan Fluida telah dijelaskan klasifikasi boiler. Pada kesempatan ini akan diulang secara singkat. Gambar I-1 di bawah ini menunjukkan klasifikasi boiler. Semakin tinggi temperatur boiler, semakin tinggi tekanannya, temperatur gas asapnya juga semakin tinggi, sehingga rugi-ruginya juga semakin tinggi. Akan Boiler dan Turbin
2
tetapi rugi-rugi juga bisa dikurangi dengan peningkatan kapasitas. Kapasitas ketel ditentukan oleh laju perpindahan panas dari nyala dan gas asap ke air atau uap. Sedangkan laju perpindahan panas pada bolier bergatung pada beda temperatur antara api/gas asap dan air/uap, luas permukaan perpindahan panas dan koefisien perpindahan panas keseluruhan.
Menurut tempat pemakaiannya
Ketel uap
1. Ketel darat 2. Ketel laut
Menurut mobolitas
1. Ketel stasioner 2. Ketel bergerak
Menurut keudukan
1. Ketel datar 2. Ketel tegak
Menurut konstruksi
1. Ketel pipa api 2. Ketel pipa air
Menurut temperatur kerja
Menurut kapasitas
Menurut tekanan kerja
1. Ketel dingin: <1200C 2. Ketel panas: >1200C 1. Ketel kecil: sd. 10 ton/jam 2. Ketel sedang: 10-100 ton/jam 3. Ketel besar: 100-500 ton/jam 4. Ketel ultra: lebih dari 500 ton/jam 1. Ketel tek. rendah : sd. 20 atm 2. Ketel tek. sedang: 20-50 atm 3. Ketel tek. tinggi : 50-218 atm 4. Ketel super kritis: > 218 atm
Gambar I-1 Klasifikasi boiler
Keuntungan penggunaan tekanan tinggi adalah mengurangi ukuran fisik ketel untuk kapasitas pengangkutan panas yang sama. Hal ini karena kenaikan densitas uap, akibat naiknya tekanan. Tekanan tinggi juga diperlukan bila uap digunakan untuk pembangkit. Diantara klasifikasi yang paling relevan untuk kondisi saat ini adalah berdasarkan konstruksi, karena cara ini relatif dapat mewakili jenis klasifikasi lainnya.
1.2 Konstruksi dan Bagian-bagian Boiler Boiler dapat dipandang terdiri dari dua sistem yang terpisah, dalam arti tidak ada pertukaran atau perpindahan massa di antara keduanya. Sistem yang pertama Boiler dan Turbin
3
adalah sistem air-uap, yang juga disebut sisi air ketel. Sedangkan sistem yang kedua adalah bahan bakar-udara-gas asap, yang juga disebut sisi api. Walaupun di antara keduanya tidak ada transfer massa, akan tetapi tentu saja ada perpindahan panas. Bagian-bagian utama boiler adalah sbb.: 1. Sistem air-uap: pompa, deaerator, penampung air, penampung uap, pemanas uap lanjut (superheater) dan penyalur uap. 2. Sistem bahan bakar-udara-gas asap: blower, pengumpan bahan bakar, pencampur dan pembakar, pembuang gas asap (cerobong, blower). 3. Permukaan perpindahan panas 4. Sistem perolehan panas kembali: pemanas mula udara, ekonomiser Disamping itu, pada ketel dilengkapi juga: 5. Alat-alat kontrol: pengontrol laju bahan bakar, pengontrol tekanan, pengontrol muka air 6. Alat-alat pengaman: safety valve, sight glass, pengisi-air tambahan, dsb. Rugi-rugi gas asap bisa dikurangi dengan menambahkan penukar panas terpisah pada ketel sederhana untuk memperoleh panas yang lebih banyak dan mendinginkan gas asap. Salah satu cara yang biasa dilakukan adalah dengan menambahkan pemanas udara bakar mula (combustion air preheater). Dengan cara ini penghematan bahan bakar yang bisa diperoleh adalah sekitar 1% untuk setiap 22°C kenaikan temperatur udara pembakar. Cara lain perolehan panas udara pembakar adalah dengan menambahkan ekonomiser. Gas asap yang keluar dari ketel, masuk ke dalam ekonomiser dan memanaskan air umpan ketel. Lebih-kurang, untuk setiap kenaikan temperatur air umpan sebesar 5,5°C, menghemat bahan bakar sebesar 1%.
1.3 Pembakaran dan Bahan Bakar Pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara oksigen dan bahan yang dapat terbakar, disertai timbulnya cahaya dan menghasilkan kalor. Pembakaran spontan adalah pembakaran dimana bahan mengalami oksidasi perlahan-lahan sehingga kalor yang dihasilkan tidak dilepaskan, akan tetapi dipakai untuk menaikkan suhu bahan secara pelan-pelan sampai mencapai suhu nyala. Pembakaran sempurna adalah pembakaran dimana semua konstituen yang dapat terbakar di dalam bahan bakar membentuk gas CO2, air (H2O), dan gas SO2, sehingga tak ada lagi bahan yang dapat terbakar tersisa. Ditinjau dari sudut teknis dan ekonomis, bahan bakar diartikan sebagai bahan yang apabila dibakar dapat meneruskan proses pembakaran tersebut dengan sendirinya, disertai dengan pengeluaran kalor. Bahan bakar dibakar dengan tujuan untuk memperoleh kalor tersebut, untuk digunakan baik secara langsung maupun tak langsung. Sebagai contoh penggunan kalor dari proses pembakaran secara langsung adalah: untuk memasak di dapur-dapur rumah tangga, untuk Boiler dan Turbin
4
instalasi pemanas. Sedang contoh penggunaan kalor secara tidak langsung adalah: kalor diubah menjadi energi mekanik, misalnya pada motor bakar. Beberapa macam bahan bakar yang dikenal adalah: 1. Bahan bakar fosil, seperti: batubara, minyak bumi, dan gas bumi. 2. Bahan bakar nuklir, seperti: uranium dan plutonium. Pada bahan bakar nuklir, kalor diperoleh dari hasil reaksi rantai penguraian atom-atom melalui peristiwa radioaktif. 3. Bahan bakar lain, seperti: sisa tumbuh-tumbuhan, minyak nabati, minyak hewani. Bahan bakar konvensional, ditinjau dari keadaannmya dan wujudnya dapat padat, cair atau gas, sedang ditinjau dari cara terjadinya dapat alamiah dan nonalamiah atau buatan atau “manufactured”. Termasuk bahan bakar padat alamiah ialah: antrasit, batubara bitumen, lignit, kayu api, sisa tumbuhan. Termasuk bahan bakar padat nonalamiah antara lain: kokas, semi-kokas, arang, briket, bris, serta bahan bakar nuklir. Bahan bakar cair non-alamiah antara lain: bensin atau gasolin, kerosin atau minyak tanah, minyak solar, minyak residu, dan juga bahan bakar padat yang diproses menjadi bahan bakar cair seperti minyak resin dan bahan bakar sintetis. Bahan bakar gas alamiah misalnya: gas alam dan gas petroleum, sedang bahan bakar gas non-alamiah misalnya gas rengkah (atau cracking gas) dan “producer gas”. 1.3.1 Komposisi Bahan Bakar Bahan bakar fosil dan bahan bakar organik lainnya umumnya tersusun dari unsur-unsur C (karbon), H (hidrogen), O (oksigen), N (nitrogen), S (belerang), P (fosfor) dan unsur-unsur lainnya dalam jumlah kecil, namun unsur-unsur kimia yang penting adalah C, H dan S, yaitu unsur-unsur yang jika terbakar menghasilkan kalor, dan disebut sebagai “bahan yang dapat terbakar” atau “combustible matter”, disingkat dengan BDT. Unsur-unsur lain yang terkandung dalam bahan bakar namun tidak dapat terbakar adalah O, N, bahan mineral atau abu dan air. Secara singkat komposisi bahan bakar padat dinyatakan menurut analisis pendekatan (proximate analysis) dan analisis tuntas (ultimate analysis). Analisis pendekatan (proximate analysis), yaitu kandungannya akan air, zat volatil (zat yang bisa menguap), karbon tetap (fixed char) dan abu. Sedangkan analisis tuntas (ultimate analysis), yaitu analisis komposisi bahan bakar sampai unsurunsurnya, seperti kandungan C, H, O, N, S, abu dan air. 1.3.2 Nilai Kalor Bahan Bakar Nilai kalor atau heating value atau calorific value atau kalor pembakaran adalah kalor yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna 1 kilogram atau satu satuan berat bahan bakar padat atau cair atau 1 meter kubik atau 1 satuan volume bahan bakar gas, pada keadaan baku. Nilai kalor atas atau gross heating value atau higher heating value (HHV) adalah kalor yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna satu satuan berat bahan bakar padat atau cair, (atau satu satuan volume bahan bakar gas, pada tekanan tetap, Boiler dan Turbin
5
suhu 250C) apabila semua air setelah pembakaran mengembun menjadi cair. (HHV atau GCV = gross calorific value). Nilai kalor bawah atau nett heating value atau lower heating value (LHV) adalah kalor yang besarnya sama dengan nilai kalor atas dikurangi kalor yang diperlukan oleh air yang terkandung dalam bahan bakar dan air yang terbentuk dari pembakaran untuk menguap. (LHV atau NCV = nett calorific value). 1.3.3 Jenis-jenis Bahan Bakar Bahan bakar padat yang biasa dipakai dalam industri dan transportasi adalah batubara. Batubara termasuk bahan bakar fosil karena terbentuk dari sisa tumbuh-tumbuhan yang mengalami proses geologis dalam jangka waktu jutaan tahun. Berdasarkan perbedaan umur geologis, berturut-turut dari yang paling tua, batubara dibagi sebagai: 1. 2. 3. 4. 5.
antrasit, semi-bitumen, bitumen, sub-bitumen, lignit.
Selain itu, bahan bakar padat juga dapat berupa 6. gambut, 7. biomassa, 8. sampa, dll. Bahan bakar cair terdiri dari seyawa hidrokarbon atau campuran beberapa macam senyawa hidrokarbon. Pada minyak bumi, kandungan hidrokarbon terdiri dari C5 sampai C16, meliputi seri parafin, napftena, olefin dan aromatik. Hidrokarbon-hidrokarbon tersebut kadang-kadang merupakan senyawa ikatan dengan belerang, oksigen dan nitrogen, yang jumlahnya beragam. Bahan bakar cair yang biasa dipakai dalam industri, transportasi maupun rumah tangga adalah fraksi minyak bumi. Minyak bumi adalah campuran berbagai hidrokarbon yang termasuk dalam kelompok senyawa: parafin, naphtena, olefin, dan aromatik. Kelompok senyawa ini berbeda dari yang lain dalam kandungan hidrogennya. Minyak mentah, jika disuling akan menghasilkan beberapa macam fraksi, seperti: bensin atau premium, kerosen atau minyak tanah, minyak solar, minyak bakar, dan lain-lain. Setiap minyak petroleum mentah mengandung keempat kelompok senyawa tersebut, tetapi perbandingannya berbeda. Bahan bakar gas terdiri dari campuran senyawa-senyawa C dan H yang mudah terbakar (CH4, C2H6, C2H4, C2H2, CO, H2 dan lain-lain), serta gas -gas yang tidak terbakar (N2, CO2, SO2). Senyawa C dan H tersebut tidak selalu senyawa hidrokarbon (CO, H2). Contoh bahan bakar gas adalah gas alam, yang merupakan campuran gas-gas parafin hidrokarbon jenuh seperti metana, etana, gas nitrogen, gas karbon dioksida, dan lain-lain. Kandungan air di dalam bahan bakar cair dan bahan bakar gas terbatas pada harga nisbi menurut kelarutan air di dalam cairan dan dalam gas tersebut. Boiler dan Turbin
6
Kandungan air, kandungan abu dan kandungan belerang dalam bahan bakar sangat menentukan mutu bahan bakar tersebut, karena bahan-bahan tersebut mempengaruhi besarnya nilai kalor dan sekaligus menentukan spesifikasinya. 1.3.4 Perbandingan Berbagai Jenis Bahan Bakar Perbandingan ketiga bentuk bahan bakar, yaitu: padat, cair dan gas, tersebut tercermin pada Tabel I-1 berikut ini. Tabel I-1 Perbandingan bahan bakar padat, cair dan gas
Parameter
Padat
Cair
Gas
Harga Nilai kalor Nilai kalor/volume Penanganan Pengangkutan Tingkat bahaya Kemudahan penggunaan
Murah Rendah Rendah Sedang Mudah Rendah Sulit
Mahal Tinggi Tinggi Mudah Mudah Sedang Mudah
Sedang Tinggi (>cair) Rendah Sulit Sulit Tinggi Sedang
Secara umum bahan bakar cair lebih unggul dibanding dengan bahan bakar padat dan gas, akan tetapi harganya paling mahal dan persediaannya terus berkurang. Boiler adalah mesin konversi energi yang dapat dengan mudah didisain untuk bahan bakar yang lebih murah. Dengan semakin mahalnya bahan bakar, maka boiler semakin banyak menggunakan bahan bakar padat.
1.4 Boiler Berbahan-bakar Padat Khusus untuk yang berbahan bakar padat, boiler dapat diklasifikasikan menurut teknik pembakarannya. Jenis-jenis boiler berbahan bakar padat, menurut teknik pembakarannya adalah: 1. Boiler dengan teknik pembakaran unggun terfluidisasi (Fluidized Bed Combustion atau FBC), yang bisa dibagi lagi menjadi: a. Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) b. Atmospheric Circulation Fluidized Bed Combustion (CFBC) c. Pressurizec Fluidized Bed Combustion (PFBC) 2. Boiler dengan teknik pembakaran stoker (Stoker Fired Boiler) a. Spreader Stokers b. Chain-grate atau Traveling-grate Stoker 3. Boiler dengan teknik pembakaran pulverasi (Pulverized Fuel Boiler) 1.4.1 Boiler dengan Teknik Pembakaran Unggun Terfluidisasi Fluidisasi adalah suatu operasi dengan unggun yang terdiri atas partikel padat yang diubah menjadi dalam keadaan seperti fluida dengan cara dialirkan padanya gas atau cairan. Metoda kontak dengan fluidisasi ini memiliki karakteristik yang khas. Bila pada suatu unggun partikel padat dilewatkan fluida dengan kecepatan rendah, fluida hanya melewati ruang-ruang kosong di antara partikel padatan Boiler dan Turbin
7
yang diam. Fenomena ini disebut unggun tetap. Dengan bertambahnya kecepatan fluida, partikel mulai bergerak terpisah satu sama lain dan terlihat bergetar dan bergerak pada daerah yang terbatas, disebut unggun terkembang. Pada kecepatan yang lebih tinggi, sampai pada kondisi dimana partikel-partikel tepat terlarut dalam aliran ke atas fluida, gaya gesek antara partikel dan fluida seimbang dengan berat partikel. Komponen vertikal gaya tekan diantara partikel yang berdekatan tidak ada lagi. Unggun tepat mulai terfluidisasi, yang disebut fluidisasi mula atau unggun pada fluidisasi minimum. Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan unggun yang rapat. Unggun partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida, yang disebut unggun fluidisasi gelembung (bubbling fluidized bed). Fenomena ini dimanfaatkan untuk pembakaran bahan bakar padat pada boiler jenis pembakaran unggun terfluidisasi (Fluidized Bed Combustion atau FCB). Seperti disebutkan di atas, ada tiga boiler FCB ini dibagi lagi menjadi: Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC), Atmospheric Circulation Fluidized Bed Combustion (CFBC), dan Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC). Hal ini telah dibahas pada buku ajar Dasar Mesin Kalor dan Fluida. Pada PLTU, boiler jenis ini digunakan pada pembangkit listrik ukuran 5 MW sampai 300 MW. Pembakaran dengan unggun terfluidisasi mampu membakar berbagai jenis bahan bakar seperti batubara maupun biomassa. 1.4.2 Boiler dengan Teknik Pembakaran Stoker Stoker (tungku) diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar, menurut jenis grate-nya. Grate biasanya berupa baja berlubang, dimana bahan bakar ditempatkan di atasnya dan dibakar. Grate bisa diam, maupun bergerak. Jenis stoker amatlah banyak. Namun, untuk memudahkan, stoker dapat diklasifikasikan menjadi: a. Spreader Stoker b. Chain-grate or Traveling-grate Stoker Spreader stokers memanfaatkan kombinasi pembakaran suspensi dan pembakaran grate. Bahan bakar diumpankan secara kontinyu ke tungku diatas unggun pembakaran. Bahan bakar yang halus dibakar dalam suspensi; partikel yang lebih besar akan jatuh ke grate, dimana bahan bakar ini akan dibakar dalam unggun bahan bakar yang tipis dan pembakaran cepat. Metode pembakaran ini memberikan fleksibilitas yang baik terhadap fluktuasi beban, dikarenakan penyalaan hampir terjadi secara cepat bila laju pembakaran meningkat. Karena hal ini, spreader stoker lebih disukai dibanding jenis stoker lainnya dalam berbagai penerapan di industri. Bahan bakar diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate bergerak sepanjang tungku, bahan bakar terbakar sebelum jatuh pada ujung sebagai abu. Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama bila menyetel grate, damper udara dan baffles, untuk menjamin pembakaran yang bersih serta menghasilkan seminimal mungkin jumlah bahan bakar (karbon) yang tidak terbakar dalam abu. Hopper umpan bahan bakar memanjang di sepanjang Boiler dan Turbin
8
seluruh ujung umpan bahan bakar pada tungku. Pengendalian kecepatan pembakaran bahan bakar yang diumpankan ke tungku dilakukan dengan mengendalikan ketebalan unggun bahan bakar. Ukuran bahan bakar harus seragam sebab bongkahan yang besar tidak akan terbakar sempurna pada waktu mencapai ujung grate. Biasanya digunakan pada pembangkit listrik ukuran 15 kW sampal 25 MW.
Gambar I-2 Spreader Stoker
Gambar I-3 Chain gerate stoker
Boiler dan Turbin
9
Gambar I-4 Vibrating stoker
1.4.3 Boiler dengan Teknik Pembakaran Pulverasi Bahan bakar padat yang bisa dipulverasi adalah batubara. Kebanyakan boiler stasiun pembangkit tenaga yang berbahan bakar batubara menggunakan batubara halus, dan banyak boiler pipa air di industri yang lebih besar juga menggunakan batubara yang halus. Teknologi ini berkembang dengan baik dan diseluruh dunia terdapat ribuan unit dan lebih dari 90 persen kapasitas pembakaran batubara merupakan jenis ini. Untuk batubara jenis bituminous,batubara digiling sampai menjadi bubuk halus, yang berukuran +300 micrometer (μm) kurang dari 2 persen dan yang berukuran dibawah 75 microns sebesar 70-75 persen. Harus diperhatikan bahwa bubuk yang terlalu halus akan memboroskan energi penggilingan. Sebaliknya, bubuk yang terlalu kasar tidak akan terbakar sempurna pada ruang pembakaran dan menyebabkan kerugian yang lebih besar karena bahan yang tidak terbakar. Batubara bubuk dihembuskan dengan sebagian udara pembakaran masuk menuju plant boiler melalui serangkaian nosel burner. Udara sekunder dan tersier dapat juga ditambahkan. Pembakaran berlangsung pada suhu dari 1300 - 1700 °C, tergantung pada kualitas batubara. Waktu tinggal partikel dalam boiler biasanya 2 hingga 5 detik, dan partikel harus cukup kecil untuk pembakaran yang sempurna. Sistim ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll. Salah satu sistim yang paling populer untuk pembakaran batubara halus adalah pembakaran tangensial dengan menggunakan empat buah burner dari keempat sudut untuk menciptakan bola api pada pusat tungku. Biasanya digunakan pada pembangkit listrik dengan kapasitas di atas 25 MW. Boiler dan Turbin
10
Gambar I-5 Pulverized combination coal burner
1.5 Neraca Kalor dan Efisiensi Boiler Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai “persen energi (panas) masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan.” Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler: 1. Metode Langsung: energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler. 2. Metode Tidak Langsung: efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energy yang masuk. 1.5.1 Metode Langsung Keuntungan metode langsung 1. Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler 2. Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan 3. Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan Kerugian metode langsung 1. Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistim yang lebih rendah 2. Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi.
Boiler dan Turbin
11
Metoda perhitungan efisiensi boiler dengan metoda langsung adalah sebagai barikut: ̇ ̇ Dimana: η
= efisiensi boiler ̇ = laju aliran massa uap
hg = entalpi uap keluar boiler hf = entalpi air masuk boiler ̇ = laju aliran massa bahan bakar = nilai kalor pembakaran atas bahan bakar 1.5.2 Metode Tidak Langsung dalam Menentukan Efisiensi Boiler Standar acuan untuk Uji Boiler di Tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC4-1 Power Test Code Steam Generating Units. Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 prosen sebagai berikut: Dimana: η = Efisiensi boiler A = Kerugian panas pada gas buang cerobong yang kering B = Kerugian panas akibat penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar C = Kerugian panas akibat Penguapan kadar air dalam bahan bakar D = Kerugian panas akibat Adanya kadar air dalam udara pembakaran E = Kerugian panas akibat Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash F = Kerugian panas akibat Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash G = Kerugian panas akibat Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan. Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah: 1. Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu) Boiler dan Turbin
12
2. 3. 4. 5. 6. 7.
Persentase oksigen (OFG) atau CO2 dalam gas buang Suhu gas buang dalam °C (Tf) Suhu ambien dalam °C (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering HHV bahan bakar dalam kkal/kg Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat) HHV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)
Prosedur rinci untuk perhitungan efisiensi boiler menggunakan metode tidak langsung diberikan dibawah. Biasanya, manager energi di industri lebih menyukai prosedur perhitungan yang lebih sederhana. Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis AS = [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan bakar Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA atau excess air)
Dimana: OFG = Kandungan oksigen pada gas buang asap Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok per kg bahan bakar Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas (A sampai dengan G) Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering per kg bahan bakar
Dimana: mfg = massa gas buang kering dalam kg/kg bahan bakar Cp = Panas jenis gas buang (0,23 kkal/kg ) Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar
Dimana: H2 = persen H2 dalam bahan bakar CpU = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg) Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar
Dimana: M = persen kadar air dalam bahan bakar Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara
Boiler dan Turbin
13
Dimana: Y = Kelembaban mutlak bahan bakar Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash
Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash
Dimana: mFA = massa abu terbang dalam kg/kg bahan bakar mBA = massa abu bawah dalam kg/kg bahan bakar HHVFA = Nilai kalor pembakaran abu terbang HHVBA = Nilai kalor pembakaran abu bawah Kehilangan radiasi dan konveksi aktual sulit dikaji sebab daya emisifitas permukaan yang beraneka ragam, kemiringan, pola aliran udara, dll. Pada boiler yang relatif kecil, dengan kapasitas 10 MW, kehilangan radiasi dan yang tidak terhitung dapat mencapai 1 hingga 2persen nilai kalor kotor bahan bakar, sementara pada boiler 500 MW nilainya 0,2 hingga 1 persen. Kehilangan dapat diasumsikan secara tepat tergantung pada kondisi permukaan.
1.6 Peraturan perundangan dan keselamatan Menurut undang-undang, boiler harus dilengkapi dengan berbagai alat keamanan, bersertifikat, serta dijalakan oleh operator bersertifikat. Peraturan Perudangan tentang boiler adalah: 1. Undang-undang no. 1 Tahun 1970 tentang Keselamatan Kerja 2. Undang-undang Uap Tahun 1930 (Stoom Ordonantie 1930) 3. Peraturan Uap Tahun 1930 (Stoom Verordening 1930) Menurut Undang-undang Uap, pesawat uap adalah ketel uap atau alat-alat lainnya yang dengan peraturan pemerintah ditetapkan langsung atau tidak langsung, besambung atau tidak disambungkan dengan suatu ketel uap dan diperuntukkan bekerja dengan tekanan yang lebih besar dari tekanan udara. Ketel uap adalah suatu pesawat yang dibuat guna menghasilkan uap untuk dipergunakan di luar pesawatnya. Sedangkan pesawat uap selain ketel uap adalah pesawat-pesawat yang tersambung langsung tau tidak langsung dengan ketel uap. Menurut Undang-undang Uap tahun 1930, pesawat uap dibagi menjadi 2 golongan, yaitu: 1. Ketel uap a. Ketel uap dengan tekanan kerja lebih dari 0,5 kg/cm². b. Ketel uap dengan tekanan kerja paling tinggi 0,5 kg/cm². 2. Pesawat uap selain ketel uap, yaitu: a. Pemanas air (water heater) b. Pengering uap (superhater) Boiler dan Turbin
14
c. Penguap (evaporator) d. Bejana uap (steam vessel) Tiap-tiap golongan pesawat uap tersebut memiliki ketentuan-ketentuan umum yang harus dipenuhi. Ketel uap dengan tekanan kerja melebihi 0,5 kg/cm², harus dilengkapi dengan: 1. Sekurang-kurangnya 2 buah tingkap pengaman (savety valve) yang baik pembuatannya dan berukuran cukup, dipasang pada ketel uapnya sendiri atau pada kamar uapnya. 2. Sekurang-kurangnya satu pengukur tekanan atau manometer (pressure gauge) 3. Sekurang-kurangnya 2 buah kran coba (steam trap dan water trap) atau dua gelas pedoman air semacam itu. 4. Sekurang-kurangnya 2 buah alat pengisi yang tidak tergantung satu sama lainnya, masing-masing dapat memberikan kebutuhan air pada ketel uapnya dengan leluasa, dimana sekurang-kurangnya satu dari alat-alat ini harus dapat bekerja sendiri (pompa uap otomatis, injektor, yang tidak bergantung pada mesin induknya). 5. Suatu .alat yang dapat bekerja sendiri, yang dapat memberitahukan kekurangan air di dalam ketel uapnya, lepas dari operatornya (otomatis). 6. Suatu batas air terendah yang diperbolehkan. 7. Suatu kran (tap) memakai flens coba, yang dapat dipasang padanya alat ukur tekanan untuk kalibrasi. 8. Suatu kran pembuang atau katup pembuang (blow off valve) yang dapat dipasangkan dengan baik pada ketel uapnya, baik langsung maupun dengan pipa penghubung, dan pipa tersebut tidak boleh kena tembokan. 9. Lubang lalu orang (man hole) dan lumpur seperlunya, 10. Suatu plat nama (name plate) yang dipasangkan memakai 4 baut terbenam yang mempunyai diameter sekurang-kurangnya 10 mm. Pada pelat nama harus tertera dengan jelas dan utuh: 11. Tekanan tertinggi yang diperbolehkan dalam kg/cm², dan 12. Tahun dan tempat pembuatan, serta nama pembuatnya.
1.7 Instrumentasi dan Kontrol pada Boiler Boiler merupakan salah satu peralatan proses yang berfungsi memproduksi steam/uap. Steam yang dihasilkan tersebut akan digunakan untuk berbagai macam keperluan, antara lain sebagai penggerak turbin dan sebagai media pemanas dalam unit proses. Air (feedwater) dimasukkan ke boiler dan dipanaskan, dalam hal ini oleh panas hasil pembakaran bahan bakar sehingga menghasilkan uap. Bahan bakar yang digunakan bisa bahan bakar gas, cair, atau padat, atau kombinasi. Secara umum, tujuan sistem kontrol pada boiler adalah: 1. Uap yang dihasilkan sesuai dengan spesifikasi yang dikehendaki 2. Boiler dapat beroperasi dengan efisien 3. Menjamin keamanan operasi, selama start up, sampai shutdown. Secara garis besar, sistem kontrol pada boiler ini terdiri dari: Boiler dan Turbin
15
1. 2. 3. 4. 5.
Drum level control; Combustion control; Atomizing control; Blowdown control; Steam temperature control.
1.7.1 Drum Level Control. Tujuan drum level control adalah menjaga agar level drum (tinggi permukaan air dalam drum) tetap pada setpoint-nya walaupun terjadi perubahan beban ataupun gangguan/disturbance lainnya. Level drum yang terlalu rendah bisa menyebabkan terjadinya panas berlebih (overheated) pada boiler tubes sehingga tubes bisa menjadi rusak/bengkok/bocor. Sebaliknya level drum yang terlalu tinggi akan menyebabkan pemisahan air dan steam dalam drum tidak sempurna sehingga kualitas steam yang dihasilkan kurang (banyak mengandung air/basah). Ada tiga alternative/jenis drum level control, yaitu: 1) Single element drum level control; 2) Two-element drum level control; 3) Three-element drum level control. Single-element drum level control. Ini merupakan konfigurasi drum level control yang paling sederhana, yaitu hanya menggunakan feedback level control. Disebut single-element karena hanya level drum saja yang dikontrol. Konfigurasi kontrol ini umumnya digunakan pada boiler berkapasitas rendah (kurang dari 150,000 lb/jam atau sekitar 70 ton/jam), tekanan rendah (kurang dari 250 psi atau sekitar 12 bar), dan dengan beban yang relatif tetap/stabil. Kekurangan konfigurasi kontrol ini adalah sulit mempertahankan level pada setpointnya jika terjadi perubahan beban secara terus menerus.
Gambar I-6 Single-element drum level control
Two-element drum level control. Konfigurasi ini digunakan untuk mengatasi kekurangan konfigurasi single-element dalam menangani fluktuasi beban, yaitu dengan jalan menambah steam flow control (yang mewakili beban boiler) sebagai feedforward control. Jadi, dalam konfigurasi ini, terdapat dua controller, yaitu level control sebagai feedback dan steam flow control sebagai feedforward control, sehingga disebut dengan two-element control. Konfigurasi ini cocok
Boiler dan Turbin
16
untuk single drum boiler dengan kondisi pressure/flow feedwater yang relatif konstan.
Gambar I-7 Two-element drum level control
Three-element drum level control. Ini merupakan konfigurasi yang paling lengkap, yang dibentuk dengan menambah feedwater flow control dalam konfigurasi cascade. Penambahan feedwater flow control ini dimaksudkan untuk mengantisipasi fluktuasi pada flow/pressure feedwater, yang umumnya terjadi pada feedwater line yang menggunakan beberapa pompa (multiple pump) untuk melayani beberapa boiler sekaligus (multiple boiler).
Gambar I-8 Three-element drum level control
1.7.2 Combustion Control Tujuan combustion control adalah untuk menjaga tekanan uap yang dihasilkan boiler agar selalu sesuai dengan yang dikehendaki (sesuai setpoint-nya). Oleh karena itu, dalam konfigurasi combustion control, tekanan uap (biasanya diambil dari steam header) digunakan sebagai master control, outputnya di-cascade dengan bahan bakar flow control dan combustion air flow control (kontrol aliran udara). Jika terjadi kenaikan beban (yang ditandai dengan turunnya tekanan uap dari setpoint-nya), maka bahan bakar flow control dan combustion air flow control akan bereaksi membuka control valve. Sebaliknya, apabila terjadi penurunan beban (yang ditandai dengan kenaikan pressure steam dari setpointnya), maka kedua control tersebut akan bereaksi menutup control valve. Boiler dan Turbin
17
Bahan bakar flow control dan combustion air flow control diinterkoneksikan untuk menjamin agar combustion air/udara selalu cukup tersedia untuk membakar habis bahan bakar pada kondisi berapapun perubahan flow bahan bakar. Hal ini untuk menjaga agar tidak terjadi akumulasi bahan bakar yang tidak terbakar di dalam ruang bakar karena sangat membahayakan (bisa menimbulkan ledakan). Interkoneksi fuel flow control dan combustion air flow control ini dilakukan melalui selector switch (high dan low), seperti pada gambar berikut.
Gambar I-9 Combustion control
Dalam konfigurasi ini, apabila terjadi kenaikan beban, maka yang terlebih dahulu bereaksi untuk membuka control valve adalah combustion air flow control baru kemudian fuel flow control. Sebaliknya, apabila terjadi penurunan beban, maka yang terlebih dahulu bereaksi untuk menutup control valve adalah fuel flow control baru kemudian combustion air flow control. 1.7.3 Master control Seperti yang dijelaskan di atas, yang menjadi master (utama) dalam combustion control adalah pressure steam. Apabila lebih dari satu boiler digunakan secara paralel, maka perlu ada pembagian beban (load) ke masing-masing boiler. Untuk keperluan pembagian beban ini, maka sinyal/informasi yang berasal dari master control akan dikirim ke loading station di masing-masing boiler, seperti pada gambar berikut. Dengan loading station, operator dapat memberikan bias ke master control. Output loading station akan dikirim ke steam flow control masing-masing boiler. Kadang kala, untuk pertimbangan efisiensi, suatu boiler diopresikan pada beban tetap, sedangkan beban boiler lainnya dibiarkan berubah-ubah secara otomatis untuk disesuaikan dengan perubahan total beban. Untuk keperluan ini, boiler berbeban tetap tersebut dioperasikan berbasiskan beban (based load), dimana sebagai master bukan steam pressure control, tetapi steam flow control.
Boiler dan Turbin
18
Gambar I-10 Pembagi beban boiler
1.7.4 Fuel flow – air flow control Seperti yang sudah dijelaskan di atas, bahwa salah satu hal yang paling penting dalam combustion control adalah menjaga agar perbandingan fuel flow/combustion air flow (fuel/air ratio) selalu terpenuhi untuk pembakaran yang sempurna. Data fuel/air ratio diperoleh dari operation test. Indikator terjadinya pembakaran yang sempurna adalah jika terdapat excess air (oksigen) secukupnya dalam gas sisa pembakaran. Excess air yang berlebih menyebabkan operasi boiler tidak efisien karena sebagian panas akan diserap oleh kelebihan udara tersebut. Excess air yang kurang juga mengurangi efisiensi karena sebagian fuel tidak terbakar. Yang lebih berbahaya adalah terakumulasinya bahan bakar yang tidak terbakar dalam ruang bakar karena dapat menyebabkan ledakan. Fuel/air ratio bisa berubah, antara lain disebabkan oleh perubahan kandungan panas (HHV) dari bahan bakar atau perubahan suhu udara. Untuk itu maka dalam combustion control perlu ada fasilitas untuk merubah nilai perbandingan ini, seperti diperlihatkan pada gambar berikut.
Gambar I-11 Fuel flow – air flow control
Boiler dan Turbin
19
Perubahan fuel/air ratio bisa dilihat dari perubahan excess air di gas buangan hasil pembakaran. Dari informasi mengenai perubahan excess air ini (melalui pengukuran dengan O2 analyzer), operator merubah ratio ini dengan cara memberikan bias seperti pada gambar diatas. Apabila bahan bakar yang digunakan adalah bahan bakar gas, maka sebaiknya dilengkapi dengan pressure compensation untuk mengatasi fluktuasi pressure pada supply bahan bakar gas. Jika menggunakan bahan bakar oil, maka diperlukan atomizing control agar pembakaran bahan bakar oil bisa lebih sempurna. Atomizing control akan dibahas pada topik tersendiri.
Gambar I-12 Fuel flow – air flow control untuk bahan bakar gas
Apabila menggunakan dua jenis fuel (fuel gas dan fuel oil), maka hasil pengukuran fuel gas flow dan fuel oil flow dijumlahkan dulu baru dikirim ke total fuel flow control sebagai measurement/process variable (PV) dan ke combustion air high selector switch, seperti diperlihatkan dalam gambar diatas. Selanjutnya, output total fuel flow control dikirim ke masing-masing flow control fuel oil dan fuel gas melalui pembagi (FY2) dan FY3). Besarnya porsi fuel oil dan fuel gas di-set oleh operator melalui hand control (HC). Penggunaan high selector (>) sebelum control valve dimaksud untuk mengantisipasi fluktuasi pressure pada line fuel. 1.7.5 Oxygen control Seperti yang sudah dijelaskan bahwa untuk mengatasi perubahan fuel/air ratio, operator memberi/mengubah bias secara manual dengan berpedoman pada excess air hasil pengukuran O2 analyzer. Jika kandungan panas (HHV) dalam bahan bakar berfluktuasi secara terus menerus, maka akan lebih baik jika Boiler dan Turbin
20
adjustment fuel/air ratio tersebut tidak dilakukan secara manual, melainkan secara otomatis. Hal ini dapat dilakukan dengan menambah/menggunakan O2 control, seperti gambar berikut.
Gambar I-13 Oxygen control
Nilai optimal excess air pada operasi boiler tidak tetap, tetapi bergantung pada beban boiler, pada beban rendah nilai optimal excess air tinggi, sebaliknya pada beban tinggi nilai optimal excess air rendah. Nilai optimal excess air pada suatu boiler diperoleh dari plant/operational test, salah satu contohnya seperti diperlihatkan pada tabel berikut. Tabel I-2 Contoh EA optimal terhadap beban boiler
Setpoint untuk O2 control (AC) akan mengikuti nilai pada tabel tersebut sesuai perubahan beban, seperti terlihat pada konfigurasi kontrol di atas (dijalankan di AY). Fuel/air ratio juga diperoleh dari plant/operational test. Tabel berikut adalah contoh fuel/air ratio dari hasil test tersebut.
Boiler dan Turbin
21
Tabel I-3 Contoh fuel/air ratio dari hasil test
Fungsi fuel/air ratio ini akan dijalankan/dieksekusi di FY1 (lihat gambar di atas). Automatic bias untuk fuel/air ratio dilakukan di FY2 dengan menggunakan formula berikut: Bias air flow = (air flow/(0.4 x output oxygen control + 80)) x 100. 1.7.6 Atomizing Control Pada boiler yang menggunakan bahan bakar cair, diperlukan proses atomizing untuk memecah-mecah molekul bahan bakar sehingga proses pembakaran berjalan dengan sempurna. Salah satu jenis proses atomizing ini adalah dengan menggunakan steam atomizing, yaitu dengan cara memberi tekanan (dengan menggunakan tekanan steam) pada nozzle penyemprot bahan bakar (cair). Agar proses atomizing ini selalu berjalan dengan sempurna pada berbagai kondisi tekanan/pressure fuel oil maupun steam atiomizing , maka digunakan sistem kontrol yang disebut atomizing control. Tujuan konfigurasi atomizing control adalah menjaga beda tekanan (pressure differential) antara atomizing steam dan fuel oil yang menuju burner agar tidak berubah, seperti diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
Gambar I-14 Atomizing control
Boiler dan Turbin
22
1.7.7 Blowdown Control Blowdown system dalam boiler berguna untuk mengontrol kandungan padatan dalam drum agar tidak berlebih. Kandungan solid dalam feedwater akan terikut ke uap yang diproduksi, sehingga apabila kandungan padatan dalam feedwater tinggi, maka kandungan padatan di steam juga akan tinggi, sehingga bisa menurunkan kualitas uap yang dihasilkan. Selain itu, kandungan padatan dalam feedwater yang berlebih juga akan menyebabkan terjadinya kerak/scale pada pipa/tube/drum sehingga selain peralatan tersebut cepat rusak, juga efisiensi boiler menurun karena kehadiran kerak tersebut akan mengurangi area perpindahan panas (heat transfer area). Ada dua jenis blowdown, yaitu intermittent blowdown dan continuous blowdown. Intermittent blowdown dioperasikan secara manual oleh operator, berdasarkan hasil pengukuran kualitas feedwater (pengukuran electrolytic conductivity dalam feedwater) atau hasil pengukuran steam purity dengan menggunakan sodium analyzer. Sedangkan continuous blowdown akan membuang air yang mengandung solid dalam drum secara terus menerus dengan besarnya aliran buangan dikontrol berdasarkan hasil pengukuran/perkiraan jumlah kandungan solid dalam feedwater di boiler drum. Ada dua jenis sistem kontrol yang digunakan pada continuous blowdown, yaitu conductivity control dan ratio control. Dalam konfigurasi conductivity control, electrolytic conductivity feedwater diukur menggunakan conductivity meter secara online, kemudian sinyal hasil pengukuran ini dikirim ke controller (AC) untuk menggerakan control valve, seperti pada gambar berikut. Semakin tinggi electrolytic conductivity hasil pengukuran conductivity meter, semakin besar bukaan control valve continuous blowdown (semakin banyak air yang dibuang/dikuras), begitu pula sebaliknya.
Gambar I-15 Blodown control
Continuous blowdown juga dapat dikontrol dengan menggunakan ratio control, yaitu ratio antara blowdown flow dan feedwater flow, seperti diperlihatkan pada gambar berikut. Setpoint untuk ratio control ini ditentukan/diberikan secara manual berdasarkan hasil pengukuran kualitas feedwater (electrolytic conductivity) atau kualitas uap (steam purity).
Boiler dan Turbin
23
Gambar I-16 Continuous blowdown control
1.7.8 Steam Temperature Control Untuk boiler yang menghasilkan steam dengan tekanan tinggi (HP steam), biasanya dilengkapi dengan Superheater – Desuperheater. Superheater berfungsi menaikan temperature steam yang dihasilkan boiler (saturated steam). Sedangkan Desuperheater digunakan untuk menstabilkan temperature steam yang keluar dari Superheater, dengan jalan menyemprotkan steam tersebut dengan water (feedwater). Untuk menjaga temperature steam selalu stabil pada berbagai beban, maka Desuperheater dilengkapi dengan temperature control, seperti gambar berikut.
Gambar I-17 Steam termperatur control
Temperature steam yang keluar dari Desuperheater diukur, hasil pengukuran digunakan oleh temperature control (TC) untuk menggerakan control valve pada feedwater line yang masuk ke Desuperheater. Bila temperature steam lebih tinggi dari setpoint, control valve membuka untuk menaikan aliran feedwater yang masuk ke Desuperheater, sebaliknya jika temperature steam lebih rendah dari setpoint-nya maka control valve akan menutup. Perlu diketahui bahwa, dalam prakteknya belum tentu semua jenis kontrol yang dibahas diatas digunakan, karena penggunaan jenis kontrol tersebut bergantung pada kebutuhan. Sehingga sering kita temukan suatu boiler memiliki sistem Boiler dan Turbin
24
kontrol yang lebih lengkap dibandingkan dengan boiler lainnya, seperti dua contoh berikut ini.
1.8 Pengolahan Air Umpan Pada umumnya, sumber-sumber air umpan boiler adalah: 1. Air permukaan: sungai, kolam danau, dsb, memiliki kelebihan dan kekurangan sbb.: Komposisi tidak stabil karena terpengaruh hujan, buangan dsb. Keruh Suhu berubah-ubah. Lebih murah 2. Air tanah : sumur dalam, sumur dangkal, memiliki kekurangan dan kelebihan sbb.: Jernih, tidak berwarna Komposisi stabil, tidak bau Bebas buangan Suhu tetap Lebih mahal 3. Air laut yang didesalinasi, yang memiliki sifat seperti air tanah, hanya saja bisa lebih mahal. Zat-zat pengotor yang terkandung dalam air umpan tersebut dapat digolongkan sbb.: 1. Gas: O2, CO2, H2S, NO3, NO2, NH3 2. Garam: Garam-garam bikarbonat: Ca, Mg, Na, K Chlorida, Sulfat, silikat 3. Bahan padat: Lumpur, pasir halus, dsb. dalam air kali Koloid besi, mangaan dalam air tanah Masalah pada ketel yang disebabkan oleh air umpan dapat dibagi menjadi 3 bagian: 1. Pengkerakan (scale) 2. Pembusaan dan priming 3. Korosi 1.8.1 Pengkerakan Kerak Boiler disebabkan oleh kotoran yang diendapkan dari air secara langsung pada permukaan perpindahan panas atau dengan padatan tersuspensi dalam air mengendap pada logam yang melekat dan menjadi keras. Penguapan di dalam boiler juga menyebabkan kotoran menjadi terkonsentrasi. Hal ini mengganggu transfer panas dan dapat menyebabkan pemanasan lokal (hot spot), selanjutnya menyebabkan pemanasan berlebih (overheating). Pengkerakan terjadi akibat Boiler dan Turbin
25
konstrasi zat mineral melebihi batas kelarutan dari karena suhu tinggi, dan selanjutnya padatan terkonsentrasi pada permukaan pipa. Semakin sedikit panas yang bisa di transfer, pemanasan lokal akan semakin berbahaya, karaena kekuatan pipa akan semakin berkurang akibat temperaturnya yang semakin tinggi. Kontaminan air umpan yang dapat membentuk endapan boiler adalah kalsium, magnesium, besi, aluminium, dan silika. Kerak dibentuk oleh garam yang memiliki kelarutan terbatas namun tidak sepenuhnya larut dalam air boiler. Garam-garam ini mencapai lokasi deposit dalam bentuk yang larut dan mengendap.
Gambar I-18 Kerak pada pipa air
Tabel I-4 Tabel konduktivitas termal baja dan kerak
Bahan Baja CaSO4 CaCO3 SiO2
Konduktivitas termal kcal/m2.h.°C 15 1-2 0.5-1 0.2-0.5
1.8.2 Pembusaan dan priming Carry-over air boiler adalah kontaminasi uap boiler dengan padatan yang terdapat pada air boiler . Gelembung atau buih tumbuh di atas permukaan air boiler dan terbawa bersama uap. Ini disebut pembusaan (foaming) dan hal itu disebabkan oleh konsentrasi tinggi dari setiap padatan dalam air boiler. Dipercaya bahwa zat tertentu seperti alkali, minyak, lemak, gemuk, beberapa jenis bahan organik dan padatan tersuspensi sangat memudahkan untuk terbentuk busa. Secara teori, padatan tersuspensi terkumpul pada lapisan permukaan sekitarnya gelembung uap dan membuatnya lebih tangguh.
Boiler dan Turbin
26
Gelembung uap itu tidak mudah pecah dan terbentuklah busa. Hal ini diyakini bahwa makin halus partikel makin mudah terkumpul di dalam gelembung. Priming adalah terbawanya sejumlah tetesan air dalam uap (busa dan kabut), yang menurunkan efisiensi energi uap dan mengarah ke deposit kristal garam pada superheater dan turbin. Priming mungkin disebabkan oleh konstruksi yang tidak tepat boiler, penggunaan yang melebihi kapasitas, atau fluktuasi tiba-tiba dalam permintaan uap. Priming kadang-kadang diperparah oleh kotoran dalam air boiler. Tindakan paling umum untuk mencegah busa dan priming adalah menjaga konsentrasi padatan dalam air boiler pada tingkat yang cukup rendah. Menghindari level air yang tinggi, pembeban boiler yang berlebihan, dan perubahan beban tiba-tiba. Sangat sering kondensat terkontaminasi kembali ke sistem boiler menjadi penyebab masalah carry-over. Dalam kasus ini kondensat harus dibuang sementara sampai sumber kontaminasi ditemukan dan dieliminasi. Penggunaan bahan kimia anti-busa dan agen anti-priming, campuran bahan aktif permukaan yang mengubah tegangan permukaan cairan, dapat menghilangkan busa dan mencegah carry-over partikel air halus, dan sangat efektif dalam mencegah carry-over akibat konsentrasi tinggi kotoran dalam air boiler. 1.8.3 Korosi Korosi adalah kembalinya suatu logam untuk menjadi bentuk kimiawi alaminya, yaitu bijih. Besi, misalnya, beralih menjadi besi oksida sebagai akibat dari korosi. Proses korosi merupakan reaksi elektro kimia yang kompleks kompleks. Korosi dapat menyerang permukaan logam yang luas atau mungkin mengakibatkan titik sempit penetrasi logam. Masalah korosi adalah selalu ada akibat air dalam boiler. Korosi dapat terjadi akibat oksigen terlarut, maupun langsung karena air. Walaupun korosi boiler terjadi terutama karena reaksi logam dengan oksigen, faktor-faktor lain seperti tegangan, kondisi asam, dan kandungan kimia tertentu mungkin memiliki pengaruh penting dan menghasilkan berbagai bentuk serangan. Hal ini diperlukan untuk memperhitungkan kuantitas berbagai zat berbahaya yang dapat diperbolehkan dalam air boiler tanpa risiko kerusakan boiler. Korosi dapat terjadi dalam sistem umpan-air sebagai akibat dari air pH rendah dan adanya oksigen terlarut dan karbon dioksida. Perlindungan besi-baja dalam sistem boiler tergantung pada suhu, pH, dan kadar oksigen. Umumnya, suhu yang lebih tinggi, pH tinggi atau rendah dan oksigen yang terkonsentrasi meningkatkan laju korosi baja.Faktor-faktor mekanis dan operasi seperti kecepatan, tegangan, dan tingkat kehati-hatian pengoperasian sangat dapat mempengaruhi laju korosi. Setiap sistem bervariasi dalam kecenderungan korosi dan harus dievaluasi secara individual.
1.9 Perawatan Boiler adalah pesawat yang bekerja pada tekanan tinggi, dan umumnya tidak tersedia dalam jumlah banyak dalam suatu lingkungan. Untuk itu perlu dilalukan perawatan, mengingat bahaya dan kerugian yang ditimbulkan bila terjadi kegagalan. Boiler dan Turbin
27
Tabel I-5 Daftar periksa berkala boiler Sistim Blowdown (BD) dan Pengolahan Air Sistim Air Umpan
Gas Buang
Harian Periksa klep BD tidak bocor. BD tidak berlebihan Periksa dan betulkan ketinggian air yang tidak tetap. Pastikan penyebab tidak tetapnya ketinggian air, kelebihan beban tidak tetapnya ketinggian air, kelebihan beban pencemar, kerusakan, dll. Periksa suhu pada dua titik yang berbeda
Mingguan -
Periksa pengontrol dengan menghentikan pompa air umpan dan membiarkan pengendali menghentikan bahan bakar.
Ukur suhu dan bandingkan komposisinya pada pembakaran yang berbagai dan setel klep yang telah direkomendasikan
Pasokan Udara Pembakaran
Burners
Tahunan
Sama dengan mingguan. Bandingkan dengan pembacaan sebelumnya.
Sama dengan mingguan, rekam
Penerima kondensat, pompa sistim deaerator
acuannya
Periksa kecukupan pembukaan pada
Periksa apakah beroperasi baik. Mungkin perlu pembersihan beberapa kali dalam sehari.
Bersihkan burners, pilot assemblies, periksa kondisi celah percikan elektroda pada burners
Karakteristik operasi boiler
Amati kegagalan nyala api dan karakteristiknya
Katup pengaman
Periksa dari kebocoran
Tekanan Steam
Bulanan Yakikan tidak terjadi penumpukan bahan padat Tidak ada
udara masuk. Bersihkan lintasan Sama dengan mingguan
Sama dengan mingguan, bersihkan dan rekondisikan
Ambil dan rekondisikan
Periksa beban berlebih yang dapat menyebabkan variasi berlebih pada tekanan
Sistim Bahan Bakar
Peiksa pompa, pengukur tekanan, alur perpindahan Bersihkan.
Belt untuk gland packing
Periksa kerusakan Periksa gland packing dari kebocoran dan
Bersihkan dan rekondisikan sistim
kompresi yang tepat
Boiler dan Turbin
28
Kebocoran udara pada permukaan sisi air dan sisi api
Bersihkan permukaan setiap tahun sebagaimana rekomendasi pabrik pembuatnya.
Kebocoran udara
Periksa kebocoran disekitar akses pembukaan dan nyala api
Refraktori pada sisi bahan bakar
Perbaiki
Sistim ke listrikan
Bersihkan panel luar
Klep hidrolik dan pneumatik
Periksa panel dibagian dalam
Bersihkan, perbaiki terminal dan kontak-kontak dll.
Bersihkan peralatan, hindari tumpahan minyak dan kebocoran udara
Perbaiki seluruh kerusakan dan periksa operasi yang semestiya
Yang perlu dilakukan pada boiler: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Tiup jelaga secara teratur Bersihkan pengukur gelas blowdown sekali tiap satu sift Periksa klep keamanan seminggu sekali Blowdown pada setiap sift, sesuai keperluan Jaga seluruh pintu tungku tertutup Kendalikan sirkulasi tungku Bersihkan, hopper pembuangan abu setiap sift Jaga asap cerobong dan pengendali api Periksa pengendali otomatis pada bahan bakar dengan menghentikan sekali waktu air umpan untuk jangka waktu pendek 10. Perhatikan kebocoran secara berkala 11. Periksa seluruh klep, damper, dll untuk operasi yang benar seminggu sekali 12. Beri pelumas seluruh alat mekanik untuk berfungsi mulus 13. Jaga switchboards rapi dan bersih dan sistim penunjuk sesuai dengan perintah pekerjaan 14. Jaga kebersihan area, bebas debu 15. Jaga alat pemadam kebakaran selalu dalam keadaan siap. Lakukan latihan yang diselenggarakan sebulan sekali 16. Seluruh lembar data harian harus diisi secara sungguh-sungguh 17. Jalanan fan FD jika fan ID mati 18. Perekam CO2 atau O2 harus diperiksa /dikalibrasi tiga bulan sekali 19. Traps harus diperiksa dan diurus secaraberkala 20. Kualitas steam, air harus diperiksa sehari sekali, atau sekali tiap sift 21. Kualitas bahan bakar harus diperiksaseminggu sekali 22. Jaga saluran pembuangan sub pemanas terbuka selama start up 23. Jaga kran air terbuka selama start dan tutup Yang tidak boleh dilakukan pada boiler
Boiler dan Turbin
29
1. Jangan nyalakan pemantik api secara mendadak setelah api habis (pembersihan) 2. Jangan lakukan blowdown jika tidak perlu 3. Jangan biarkan pintu tungku terbuka jikatidak perlu 4. Jangan sering menghembus klep pengaman(kendali operasi) 5. Jangan memberikan aliran berlebih padahopper abu 6. Jangan menaikan laju pembakaran melebihi yang diperbolehkan 7. Jangan mengumpankan air baku 8. Jangan mengoperasikan boiler pada aliran tertutup 9. Jangan memberi beban berlebih pada boiler 10. Jangan membiarkan ketinggian air terlalutinggi atau terlalu rendah 11. Jangan mengoperasikan penghembus jelagapada beban tinggi 12. Jangan jalankan kipas ID manakala sedangdalam operasi 13. Jangan melihat langsung api dalam tungku,gunakan kacamata keamanan yang berwarna 14. Hindarkan bed bahan bakar yang tebal 15. Jangan biarkan boiler diserahkan ke operator/ teknisi yang tidak terlatih 16. Jangan mengabaikan pengamatan yang tidak biasa (perubahan suara, perubahan kinerja, kesulitan pengendalian), periksa 17. Jangan melewatkan pemeliharaan tahunan 18. jangan mencat boiler 19. Jangan biarkan terjadinya pembentukan steam pada economizer (jaga suhu.) 20. Jangan biarkan grate terbuka (sebarkan secara merata) 21. Jangan mengoperasikan boiler dengan pipaair yang bocor
1.10 Kesimpulan 1. Boiler telah digunakan secara luas untuk berbagai keparluan. Jenisnya bermacam-macam sesuai dengan kebutuhan, pilihan teknologi, lingkukan dan bahan bakar yang digunakan. 2. Konstruksi boiler terdiri atas: sistem air-uap, sistem bahan bakar-udara-gas asap, permukaan perpindahan panas, sistem perolehan panas kembali, alatalat kontrol: pengontrol laju bahan bakar, pengontrol tekanan, pengontrol muka air, dan alat-alat pengaman. Masing-masing mempunyai komponenkomponen. 3. Seiring dengan meningkatnya harga bahan bakar, boiler semakin banyak yang menggunakan bahan bakar padat. 4. Dua metode untuk menghitung efisiensi boiler: yaitu metode langsung dan metode tak langsung. 5. Menurut undang-undang, boiler harus dilengkapi dengan berbagai alat keamanan, bersertifikat, serta dijalakan oleh operator bersertifikat. 6. Secara umum, tujuan sistem kontrol pada boiler adalah: agar uap yang dihasilkan sesuai dengan spesifikasi yang dikehendaki, boiler dapat beroperasi dengan efisien, dan menjamin keamanan operasi. 7. Masalah pada ketel yang disebabkan oleh air umpan dapat dibagi menjadi 3 bagian: pengkerakan (scale), pembusaan dan priming, serta korosi. 8. Perawatan boiler harus dilakukan dengan baik.
Boiler dan Turbin
30
1.11 Soal-soal 1. Jelaskan beberapa difinisi boiler. 2. Jelaskan klasifikasi boiler. 3. Sebutkan jenis-jenis boiler berbahan bakar padat menurut teknik pembakarannya. 4. Apa yang disebut HHV dan LHV? 5. Apa keuntungan dan kerugian perhitungan efisiensi boiler secara langsung dan tak langsung. 6. Sebutkan alat-alat pengaman yang harus ada pada boiler menurut undangundang. 7. Apa tujuan pengontrolan? 8. Apa saja masalah yang bisa ditimbulkan oleh air umpan? Apa penyebabnya? 9. Sebutkan beberapa hal yang harus dilakukan untuk pemeriksaan rutin boiler. 10. Sebuah boiler menggunakan batubara. Dari analisis ultimate batubara kering diperoleh: C = 65%, H2 = 6%, O=25,5%, N =1%, Abu =3%, S=0,5%. Kandungan air = 26%. GCV = 4300 kkal/kg. Dari analisis gas asap (Cp = 0,23 kkal/kg) diperoleh data: O2 = 8%, CO2= 11%, suhu gas buang, Tf: 250ºC. Suhu ambien (Ta): 27ºC, kelembaban udara Y: 0,018 kg/kg udara kering. Hal-hal lain yang diperlukan boleh diasumsikan, menurut kewajaran. Hitung efisiensi boiler, menurut cara tak langsung. 11. Bandingkan harga-harga energi dibawah ini, urutkan mulai dari yang termurah. Bahan bakar Premium Minyak diesel Batubara Listrik LPG Gas alam
Harga Pasar 4,500 Rp/liter 4.600 Rp/liter 600 Rp/kg 700 Rp/kWh 4,300 Rp/kg 4.5 USD/MMBTU
Nilai kalor 44.500 kJ/kg 42.000 kJ/kg 4.500 kkal/kg 11000
Kkal/kg
Boiler dan Turbin
31
BAB II TURBIN UAP
Tujuan Pembelajaran Umum 1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasardasar perawatan turbin uap. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mahasiwa dapat menjelaskan kelebihan turbin uap. 2. Mahasiwa dapat menghitung kapasitas daya pembangkit daya uap secara termodinamik. 3. Mahasiwa dapat menjelaskan klasifikasi turbin uap. 4. Mahasiwa dapat menjelaskan konstruksi, dan carakerja turbin uap dan bagianbagianya. 5. Mahasiwa dapat menjelaskan dasar-dasar perawatan turbin uap
2.1 Pengantar Turbin uap dikenal sebagai pembangkit daya yang dapat diandalkan dan serba guna, bagi industri dan pembangkit listrik. Bersama dengan boiler, turbin uap dapat beroperasi dengan berbagai bahan bakar, mulai dari sampah, limbah pertanian, biomassa, batubara, sampai nuklir. Uap keluarannya bisa diambil pada berbagai temperatur dan tekanan, untuk dimanfaatkan. Dengan berkembangnya teknologi manufaktur, material, kontrol, dll.; kapasitas daya yang dihasilkan semakin tinggi, tekanan dan temperatur operasi semakin tinggi, jarak waktu antar overhaul semakin panjang, keandalan semakin tinggi. Banyak inovasi telah dilakukan oleh para pembuat turbin selama seperempat abad terakhir seperti: exhaust multi-aliran, rotor solid, bantalan putaran tinggi, diameter sudu gerak yang semakin besar, dan berbagai sistem kontrol yang canggih. Pembuat turbin uap besar yang dikenal saat ini tersebar di tiga benua; dari Eropa adalah: ALSTOM Power yang merupakan merger dari ABB Kraftwerke dan GEC Alsthom, Siemen Power Generation dan cabangnya Siemen Westinghouse Power Corporation; dari Jepang adalah: Hitachi, Mitsubishi Heavy Industries, dan Toshiba; dari AS adalah General Electric; dari Rusia adalah Leningrad Metallic Works; Turboatom (Kharkov Turbine Works) dari Ukraina; dari China adalah Shanghai and Dongfang Turbine Works; dari Korea adalah Doosan Heavy Industries and Construction. Sebagian besar para pembuat ini dapat menghasilkan turbin uap berkapasitas antara 800 – 1200 MW. Mitshubishi siap mengapalkan turbin uap tunggal berkapasitas 1.400 MW, dan ALSTOM bahkan sampai 1.800 MW.
Boiler dan Turbin
32
2.2 Termodinamika Pembangkit Daya Tenaga Uap Turbin adalah mesin yang mengubah energi fluida menjadi daya poros, dimana fluida mengalir secara kontinyu melalui sudu-sudu yang berputar. Turbin uap memanfaatkan energi fluida berupa entalpi uap yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi. uap pada umumnya digunakan bersama dengan boiler, pompa dan kondenser dalam bentuk siklus Rankine yang biasa digunakan pada PLTU. Berikut ini adalah siklus Renkine sederhana dengan tinjauan termodinamika. Representasi siklus tersebut pada diagram T-s dapat dilihat pada Gambar II.2.
Gambar II-1 Skema siklus Renkine sederhana
Gambar II-2 Siklus Renkine ideal pada bidang T - s
Proses 1-2: Proses kerja kompresi adiabatik reversibel (isentropik) cairan jenuh di pompa. Jika proses 1–2 adalah proses ideal, maka tidak ada perubahan entropi antara kondisi 1 dan kondisi 2.
Proses 2-3: Proses kalor masuk pada tekanan tetap di ketel (boiler) Proses 3-4: Proses kerja ekspansi adiabatik reversibel (isentropik) uap di turbin.
Boiler dan Turbin
33
Proses 4-1: Proses pelepasan kalor pada tekanan tetap dan reversibel di kondensor . Efisiensi termal siklus Rankine sederhana ideal dapat dinyatakan dengan persamaan :
Daya turbin yang dihasilkan, ̇ Berikut ini adalah istilah-istilah yang sering digunakan untuk menunjukkan performansi siklus daya uap atau gas: Backwork ratio (BWR) adalah perbandingan antara daya pompa dengan yang dihasilkan turbin. Steam rate: penggunaan uap dibagi energi mekanik yang dihasilkan (kg/hp.h). Heat rate: penggunaan kalor per satuan energi mekanik atau listrik yang dihasilkan siklus (kcal/kWh). Efisiensi isentropik: daya turbin sebenarnya dibagi dengan efisiensi turbin isentropik. Dalam prakteknya, siklus sederhana seperti di atas dimodifikasi untuk meningkatkan efisiensi maupun alasan lain. Gambar II.3 menunjukkan siklus Renkine yang dimodifikasi dengan pemanasan ulang (reheat).
Gambar II-3 Siklus Renkine dengan pemanasan ulang
Boiler dan Turbin
34
2.3 Klasifikasi Turbin Uap Secara garis besar, turbin uap dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 1. Turbin impuls: a. Turbin impuls satu tingkat (sederhana) b. Turbin impuls kecepatan bertingkat (turbin Curtis) c. Turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) 2. Turbin reaksi (turbin Pearson). Pada turbin impuls atau disebut juga
Gambar II-4 Karakteristik kombinasi turbin Curtis - Rateau
turbin aksi adalah ekspansi (penurunan tekanan) fluida kerjanya hanya terjadi didalam baris sudu diam (stator) saja. Sedangkan turbin reaksi adalah turbin dimana proses ekspansi fluida kerjanya terjadi baik didalam baris sudu diam (stator) maupun baris sudu geraknya (rotor). Untuk turbin uap dengan daya besar, pada umumnya dibuat dalam bentuk bertingkat, yang merupakan kombinasi dari ketiga jenis turbin ini. Gambar V.3 menunjukkan karakteristik kombinasi turbin Curtis dan Rateau, sedangkan gambar V.4 menunjukkan karakteristik kombinasi turbin Curtis dan Pearson. Berdasarkan uap exhaust-nya, turbin uap dapat dibagi menjadi: 1. Turbin uap dengan kondensasi (condensing turbine): yaitu yang uap keluarannya bertekanan rendah, langsung masuk kondenser untuk dikondensasi. 2. Turbin uap ekstraksi atau turbin uap tanpa kondensasi (extracting turbine atau noncondensing turbine): yaitu turbin uap yang uap keluarannya masih bertekanan tinggi, bisa digunakan untuk proses atau dipanaskan ulang (reheat). Selain itu, turbin uap juga bisa merupakan kombinasi dari turbin ekstraksi dan kondensasi. Boiler dan Turbin
35
Gambar II-5 Karakteristik kombinasi turbin Curtis - Parsons
Gambar II-6 Turbin uap dengan kondensasi
Boiler dan Turbin
36
Gambar II-7 Turbin uap ekstraksi atau tanpa kondensasi
2.4 Konstruksi Turbin Uap Suatu turbin uap haruslah handal, ekonomis, mudah dioperasikan, memiliki konstruksi dan rakitan yang sederhana, mudah dalam perbaikan dan perawatan. Pengalaman menunjukkan bahwa membuat turbin seperti ini tidaklah mudah. Untuk memperoleh efisiensi yang tinggi, selalu diperlukan desain yang kompleks, memerlukan material yang lebih banyak dan lebih baik, sehingga mengakibatkan biaya pembuatan, perakitan, perawatan dan perbaikan yang lebih mahal. Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah turbin uap dengan kapasitas 50 MW.
1. Rumah 2. Poros 3. Pipa keluar 4. Rumah katup 5. Katup regulator 6. Aktuator katup 7. Tingkat regulator (regulating stage) 8. Labirin tekanan tinggi 9. Labirin tekanan rendah
10. Rumah bantalan depan 11. Bantalan kombinasi (thust dan journal) depan 12. Bantalan belakang 13. Bantalan generator 14. Kopling 15. Shaft turning gear 15. Roda gigi cacing untuk generator
Gambar II-8 Konstruksi turbin uap
Boiler dan Turbin
37
Konstruksi turbin amatlah kompleks. Beberapa bagian penting dari konstruksi turbin uap akan diuraikan di sini. 2.4.1 Sudu Gerak Turbin Uap Seperti telah disebutkan di atas, turbin uap dapat dibagi menjadi turbin impuls dan turbin reaksi. Karena perbedaan prinsip kerja keduanya, maka desain sudu diam dan sudu gerak keduanya juga berbeda. Pada turbin reaksi, ekspansi uap terjadi pada sudu diam dan sudu gerak. Oleh karena itu, agar dapat beroperasi secara efisien, kebocoran antara sudu gerak dengan rumah turbin dan sudu diam haruslah sekecil mungkin. Turbin reaksi juga memerlukan balance piston seperti pada kompresor sentrifugal besar, karena adanya gaya dorong (thrust) aksial yang cukup besar. Pada turbin impuls tidak ada (atau kecil) penurunan tekanan pada sudu gerak, sehingga tidak ada reaksi, celah (clearance) internal cukup besar, dan tidak diperlukan balance piston. Aliran uap pada sudu gerak menyerupai aliran air pada turbin air Pelton. Hal ini membuat turbin impuls kuat dan tahan lama, dan dapat melayani beban berat.
Gambar II-9 Konstruksi turbin sudu turbin impuls dan turbin reaksi
2.4.2 Sudu Diam Untuk turbin satu tingkat, uap dapat disemprotkan melalui satu nosel atau lebih. Satu tingkat dari sebuah turbin multi tingkat terdiri dari sudu diam dan sudu gerak. Sudu diam bisa berupa cincin rangkaian nozzle (Gambar 2.10, atas) atau diafragma (Gambar 2.10, bawah). Keduanya berfungsi untuk mengarahkan uap sudu gerak, memutar rotor, dan menghasilkan kerja mekanik.
Boiler dan Turbin
38
Sebuah diafragma dari turbin impuls berupa partisi stasioner yang terletak di antara sudu gerak. Nozel yang terdapat dalam diafragma berbeda ukuran dan luas lubangnya dari tingkat ke tingkat agar dicapai efisiensi yang maksimal untuk seluruh turbin.
Gambar II-10 Konstruksi sudu tetap turbin uap
2.4.3 Governor dan Sistem Kontrol Gambar II-6 dan II-7 menunjukkan berbagai jenis turbin menurut distribusi uap keluarannya. Makin kompleks aliran uap pada sistem turbin, akan membutuhkan sistem kontrol yang lebih kompleks. Yang paling sederhana adalah turbin uap dengan aliran langsung tanpa kondensasi. Pemilihan jenis turbin dan sistem kontrolnya harus mempertimbangkan sifat beban turbin, daya, dan temperatur dan tekanan proses di bagian hilirnya. Satu set katup dapat mengendalikan hanya satu parameter pada suatu waktu: kecepatan / beban, inlet tekanan, tekanan ekstraksi, atau knalpot tekanan. Sistem kontrol putaran elektronik modern menggunakan dan sensor tekanan, digital pengolahan dan rangkaian logika, dan sistem hidrolik. Gambar-gambar di bawah ini menunjukkan alat governor mekanik untuk membantu visualisasi prinsip kerja, tetapi tidak untuk mewakili implementasi aktual. Kontrol kecepatan putar dimodelkan oleh seorang bola (flyball) governor. Peningkatkan Boiler dan Turbin
39
kecepatan putar akan menyebabkan bola untuk bergerak keluar, katup uap akan menutup. Kontrol tekanan dimodelkan oleh sebuah puputan (bellow) mekanis. Peningkatan tekanan terkontrol menyebabkan bellow untuk berkembang, menutup katup inlet atau membuka katup ekstraksi. Gambar II-11 merupakan unit dengan governor kecepatan sederhana. Tekanan keluar (exhaust) didesain tidak bergantung turbin, bisa ditentukan oleh kondensor atau sumber uap lain pada header. Pengaturan seperti ini juga diterapkan untuk turbin kondensasi . Katup kontrol kecepatan dan beban saja (torsi), atau bersama-sama turbin dapat beroperasi tersendiri atau disinkronkan secara paralel dengan generator.
Gambar II-11 Skema cara kerja governor kecepatan putar
Gambar II-12 menunjukkan sebuah unit kontrol mempertahankan tekanan keluar melalui aksi pengaturan katup masuk. (Sebuah governor kecepatan mengambil alih kendali ketika batas kecepatan yang terlewati. Dalam hal ini kontrol tekanan tidak berfungsi). Pengaturan seperti ini tidak dapat diterapkan untuk sebuah beban yang terisolasi membutuhkan regulasi kecepatan yang akurat. Ia bekerja dengan baik ketika turbin menggerakkan sebuah generator listrik yang beroperasi secara paralel dengan satu atau lebih generator lain, yang mempunyai sistem kontrol kecepatan. Dalam operasi normal satu katup mengatur satu parameter: tekanan keluar. Pengaturan ini bisa diterapkan pada turbin non kondensasi. Penurunan tekanan padakeluaran turbin menunjukkan peningkatan permintaan untuk uap buangan. Governor tekanan bertindak untuk meningkatkan aliran uap masuk agar sesuai dengan perubahan uap keluar turbin (exhaust). Output generator bervariasi terhadap penggunaan uap keluar (proses).
Gambar II-12 Skema cara kerja governor tekanan keluar
Boiler dan Turbin
40
Gambar II-13 merupakan unit ekstraksi tunggal otomatis. Governor kecepatan merespon kecepatan / perubahan beban. Governor tekanan mengatur tekanan ekstraksi akibat perubahan tekanan uap keluar yang dibutuhkan. Cukup mengubah posisi katup ekstraksi pada posisi katup inlet konstan juga akan mengubah kecepatan / beban juga. Oleh karena itu, dua sistem berinteraksi untuk mempertahankan beban konstan. Sebagai contoh, penurunan kebutuhan uap keluar mengarah pada pengurangan ekstraksi dan kenaikan tekanan ekstraksi. Governor membuka katup tekanan ekstraksi, meningkatkan sisi tekanan rendah. Pada saat yang sama, ia bertindak secara proporsional menutup katup inlet untuk mengurangi aliran inlet, mempertahankan kecepatan/torsi agar konstan.
Gambar II-13 Skema cara kerja governor kecepaatan putar dan ekstraksi otomatis
2.4.4 Labirin Tekanan dan temperatur uap di dalam rumah turbin sangat tinggi. Uap harus dicegah agar tidak bocor, terutama pada celah antara poros yang berputar dengan rumah turbin. Metode sil yang banyak digunakan untuk pompa dan kompresor tidak dapat digunakan pada turbin uap. Sampai saat ini, metode yang paling umum digunakan labirin dan clearance sempit bushing karbon. Pada kenyataannya, labirin tidak berfungsi sebagai sil, tetapi hanya bertindak sebagai alat throttling untuk meminimalkan kebocoran dengan membuat diameter berganti-ganti dan perangkap. Sil labirin cincin karbon seperti ini diilustrasikan pada Gambar II-14.
Gambar II-14 Sil labirin cincin karbon
Boiler dan Turbin
41
Kebocoran melalui seal labirin dapat dikurangi hingga 80 persen dengan mengintegrasikan segel sikat dengan segel biasa labirin stasioner, seperti ditunjukkan pada Gambar II-15. Jenis kombinasi ini mengurangi kesenjangan, sehingga mengurangi kebocoran antar tingkat tanpa gesekan rotor. Jika pemilihan sil tidak tepat, dapat menyebabkan getaran rotor.
Gambar II-15 Kombinasi sil sikat dan labirin
Gigi labirin bisa rusak oleh gesekan, terutama selama start-up atau coast-down saat melewati turbin rotor melalui putaran kritis lateral. Kebocoran juga dapat terjadi sebagai akibat dari gesekan. Gesekan juga dapat terjadi saat start-up karena tingkat yang berbeda ekspansi termal antara labirin dan rotor. gesekan ini membuka clearance, mengakibatkan kebocoran, dan mengurangi efisiensi. Pemasangan dengan dorongan ke dalam (retractable) seperti yang diilustrasikan pada Gambar II-16 adalah mungkin solusinya. Cincin Labirin ini dibagi menjadi segmen yang diberi pegas, terpisah satu sama lain, dengan clearance yang cukup. Setelah turbin start up dan uap terkumpul di luar sil, uap akan melawan tekanan pegas dan menutup sil.
Gambar II-16 Pemasangan dengan dorongan ke dalam
Boiler dan Turbin
42
2.5 Perawatan dan Perbaikan Gambar di bawah ini menunjukkan kemungkinan kerusakan yang terjadi pada turbin uap. Sedangkan gambar berikutnya menunjukkan alur sebab akibat, sehingga sampai pada failure (kegagalan).
Gambar II-17 Jenis-jenis kerusakan pada bagian-bagian turbin uap
Statistik menunjukkan bahwa, ketika pembangkit mencapai umur pakainya, jumlah penghentian operasi yang tidak direncanakan akan semakin besar, keandalan dan availabilitasnya jatuh. Secara bersamaan efisiensi akan turun, meskipun dilakukan overhaul. Beberapa faktor yang menentukan dalam keausan, yang disebabkan oleh lamanya pemakaian dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Boiler dan Turbin
43
Gambar II-18 Rangkaian sebab akibat kegagalan pada turbin uap
Gambar II-19 Gejala dan penyebab kerusakan pada turbin uap
Boiler dan Turbin
44
Tabel II-1 Metode Perawatan untuk Meningkatkan Umur Komponen Individual Turbin Uap
Komponen Turbin
Posisi
Penyebab Berakhirnya Pemakaian Alur dan filet Lelah luar
Ketentuan Batas Waktu
Pengelupasan (Skin peeling)
Peeling tidak dapat dilakukan lagi Overboring tidak dapat dilakukan lagi
Lelah, Overboring perambatan retakan, dan patah getas Penyangga perambatan Inspeksi dan alur (groove) retakan investigasi sudu detail Rotor tekanan Center bore/ Lelah, Inspeksi dan rendah sumbu rotasi perambatan investigasi retakan, dan detail patah getas RumahPermukaan Lelah dan Pengelasan dalam dalam mulur tekanan Ulir dalam Mulur Oversize tinggi Kotak Nosel Akar sudu Lelah dan Inspeksi dan mulur investigasi detail Rotor tekanan tinggi dan menengah
Center bore
Tindakan Pertolongan
Sudu tekanan Ekor merpati Mulur tinggi dan dan akar menengah. Ruang uap Body Lelah katup uatama
Ulir dalam Baut tekanan Ulir tinggi
Mulur Lelah mulur
Permulaan retakan diketahui Perambatan retakan diketahui
Perbaikan tidak realistik klagi Oversize tidak dapat dilakukan Retakan tidak dapat diperbaiki atau deformasi sangat besar diketahui Inspeksi dan Terjadi retak dan investigasi abnormal detail Pengelasan Perbaikan dengan pengelasan tidak mungkin, deteriorasi besar Oversize Oversize tidak mungkin lagi dan Penggantian Retak dapat diantisipasi
2.6 Kesimpulan 1. Turbin uap memiliki kelebihan-kelebihan: andal, dapat beroperasi dengan berbagai jenis bahan bakar, serba guna: uap keluarannya bisa diambil pada berbagai temperatur dan tekanan, untuk dimanfaatkan.
Boiler dan Turbin
45
2. Secara termodinamik: efisiensi pembangkit daya uap dapat ditingkatkan dengan meningkatkan temperatur dan tekanan opersi, serta melakukan modifikasi siklus. 3. Istilah-istilah yang sering digunakan untuk menunjukkan performansi siklus daya uap atau gas adalah: Backwork ratio (BWR), Steam rate, Heat rate dan efisiensi isentropik. 4. Berdasarkan cara kerjanya turbin uap dapat dibagai menjadi: Turbin impuls: a. Turbin impuls satu tingkat (sederhana) b. Turbin impuls kecepatan bertingkat (turbin Curtis) c. Turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Turbin reaksi (turbin Pearson). 5. Berdasarkan uap exhaust-nya, turbin uap dapat dibagi menjadi: Turbin uap dengan kondensasi dant urbin uap ekstraksi atau turbin uap tanpa kondensasi (extracting turbine atau noncondensing turbine). 6. Konstruksi turbin uap, sangat kompleks. Suatu turbin uap haruslah handal, ekonomis, mudah dioperasikan, memiliki konstruksi dan rakitan yang sederhana, mudah dalam perbaikan dan perawatan. 7. Tindakan perawatan dan perbaikan yang tepat, dapat meningkatan keandalan, availabilitas dan umur turbin.
2.7 Soal-soal 1. Jelaskan kelebihan dan kekurangan turbin uap. 2. Bagaimana cara meningkatkan efisiensi turbin uap secara termodinamik? 3. Jelaskan klasifikasi turbin uap. 4. Jelaskan cara kerja labirin. 5. Sebuah turbin uap dilengkapi dengan pemanas ulang. Air masuk pompa pada kondisi cair jenuh pada temperatur 40°C. Tekanan keluar pompa 120 bar. Air dipanaskan oleh boiler hingga mencapai temperatur 650°C. Diekspasikan sampai tekanan 50 bar, kemudian dipanaskan ulang sampai 650°C. Laju aliran uap adalah 60 ton per jam. Hitunglah daya turbin, efisiensi termal, dan heat rate dari siklus tersebut. Ulangi perhitungan tersebut bila tanpa pemanasan ulang. Bandingkan hasilnya. 6. Apa perbedaan sudu gerak dan sudu diam turbin impuls dan turbin reaksi? 7. Sebutkan kerusakan mungkin terjadi pada komponen utama turbin uap, dan cara perbaikannya. 8. Jelaskan cara kerja governor kecepaatan putar dan ekstraksi otomatis.
Boiler dan Turbin
46
BAB III TURBIN GAS
Tujuan Pembelajaran Umum 1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasardasar perawatan turbin gas. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mahasiswa dapat menjelaskan definisi, keuntungan dan kerugian turbin gas. 2. Mahasiswa dapat menghitung daya dari siklus Brayton ideal sederhana dan modifikasinya, secara termodinamik. 3. Mahasiswa dapat menjelaskan konstruksi, cara kerja dan klasifikasi dari kompresor, turbin gas dan ruang bakar. 4. Mahasiswa dapat menjelaskan siklus kombinasi dan kelebihan-kelebihannya. 5. Mahasiswa dapat menjelaskan perawatan turbin gas.
3.1 Pengantar Turbin gas adalah mesin konversi energi yang mengubah energi fluida gas panas, yang berupa tekanan dan temperatur tinggi, menjadi energi mekanik poros, dimana fluida mengalir secara kontinyu melalui sudu-sudu yang berputar. Turbin gas pada umumnya digunakan bersama kompresor dan ruang bakar (combustor atau combustion chamber) pada siklus pembangit daya, yang dikenal dengan siklus Brayton atau siklus Joule. Sering kali, rangkaian ketiga alat ini berserta alat-alat tambahannya (accessories) disebut sebagai turbin gas, karena biasanya sudah dibuat dalam bentuk paket yang kompak. Sebagai pembangkit daya, turbin gas memiliki keunggulan penting dibanding dengan pembangkit daya lainnya, yaitu tingginya daya yang dibangkitkan untuk berat mesin yang sama. Hal ini membuat turbin gas bisa dikatakan satu-satunya pilihan pembangkit daya yang digunakan pada pesawat udara, kecuali roket yang memang digunakan dalam keantariksaan. Disamping bisa dianggap bebas getaran, turbin gas juga dapat beroperasi dengan berbagai bahan bakar, seperti: gas alam, minyak diesel, nafta, metana, minyak mentah, gas dengan nilai kalor rendah, minyak bakar yang divoporisasi, bahkan gas biomassa. Hal ini membuat turbin gas menjadi pilihan untuk pembangkit daya pada anjungan lepas pantai. Dengan teknologi material yang semakin maju, turbin gas dapat beroperasi pada temperatur yang lebih tinggi. Kekurangan turbin gas adalah tidak dapat menggunakan bahan bakar padat, serta efisiensinya yang rendah terutama pada daya rendah, tidak dapat digunakan untuk daya rendah. Namun saat ini efisiensi turbin uap dapat mencapai 45% dengan menggunakan gas alam. Bila dikombinasikan dengan pembangkit daya uap menggunakan HRSG (Heat Recovery Steam Generator) atau WHRB (Waste Boiler dan Turbin
47
Heat Recovery Boiler), efisiensinya dapat mencapai 55%. Hal ini dimungkinkan karena kemampuan turbin gas untuk bekerja pada tekanan dan temperatur tinggi. Turbin gas mempunyai performansi yang baik, terutama pada bahan bakar dengan nilai kalor tinggi. Pemilihan turbin gas sebagai pembangkit daya bergantung pada: daya yang diperukan, jenis, ketersediaan dan harga bahan bakar, efisiensi, biaya instalasi dan perawatan, ukuran dan berat.
3.2 Termodinamika Turbin Gas 3.2.1 Siklus Ideal Siklus Brayton ideal ditunjukkan oleh Gambar III.1. Udara masuk ke dalam kompresor, dinaikkan tekanannya, kemudian diteruskan ke dalam ruang bakar. Udara bertekanan tersebut digunakan untuk membakar bahan bakar yang dimasukkan ke dalam ruang bakar. Selanjutnya sisa udara bersama dengan gasgas hasil bertekanan dan bertemperatur tinggi berekspansi pada turbin dan menghasilkan daya poros, dan dibuang ke atmosfir. Siklus ini disebut siklus terbuka. Pada siklus tertutup, digunakan gas khusus sebagai fluida kerja. Bahan bakar tidak dicampurkan, akan tetapi dibakar pada ruang terpisah, kemudian panas yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan fluida kerja. Fluida kerja yang keluar dari turbin didinginkan dan dimasukkan kembali kedalam kompresor, sebagaimana ditunjukkan garis putus-putus. Siklus Brayton tertutup tidak banyak digunakan dalam praktek.
Gambar III-1 Sikus Brayton ideal
Reprsentasi siklus Brayton ideal pada diagram P – V dan T – S, ditunjukkan oleh gambar III.2. Proses yang terlibat dalam siklus Braton ideal adalah sbb.: 1. Proses 1 – 2 : kompresi isentropik (entropi konstan adiabatik reversibel) 2. Proses 2 – 3 : kenaikan temperatur isobarik (tekanan konastan) 3. Proses 3 – 4 : ekspansi isentropik (entropi konstan adiabatik reversibel) Untuk memudahkan analisis, fluida kerja dianggap udara standar, tanpa ada perubahan massa dan komposisi kimiawi. Boiler dan Turbin
48
Reprsentasi siklus Brayton ideal pada diagram P – V dan T – S, ditunjukkan oleh gambar III.2. Proses yang terlibat dalam siklus Braton ideal adalah sbb.: 1. Proses 1 – 2 : kompresi isentropik (entropi konstan adiabatik reversibel) 2. Proses 2 – 3 : kenaikan temperatur isobarik (tekanan konastan) 3. Proses 3 – 4 : ekspansi isentropik (entropi konstan adiabatik reversibel) Untuk memudahkan analisis, fluida kerja dianggap udara standar, tanpa ada perubahan massa dan komposisi kimiawi.
Gambar III-2 Representasi siklus Brayton ideal pada diagram P – V dan T – S
atau ̇
Dimana:
̇ = laju aliran massa bahan bakar dan
LHV = nilai kalor bahan bakar Efisiensi termal siklus Brayton sederhana ideal dapat dinyatakan dengan persamaan :
Daya turbin yang dihasilkan, ̇ Bila fluida kerja dianggap sebagai gas ideal maka:
Dan untuk kerja politropik dari kondisi 1 ke kondisi 2 adalah ⁄
[( )
]
untuk Boiler dan Turbin
49
Untuk proses isentropik maka
.
Efisiensi isentropik siklus Brayton ideal dengan fluida kerja gas ideal adalah:
3.2.2 Modifikasi Siklus Ideal Berbagai modifikasi dilakukan terhadap siklus ideal. Tujuannya adalah untuk meningkatkan efisiensi proses. Gambar III.3 menunjukkan penggunaan regenerator untuk meningkatkan efisiensi proses. Regenerator berfungsi untuk memanaskan udara masuk ruang bakar dengan gas buang (exhaust gas).
Gambar III-3 Siklus Brayton dengan regenerator
Boiler dan Turbin
50
Gambar III-4 Siklus Brayton dengan intercooler
Gambar III-5 Siklus Brayton dengan reheater
3.3 Konstruksi Dari segi konstruksi, turbin gas siklus sederhana dapat digolongkan sbb.: 1. Turbin gas tipe frame heavy-duty:
Mempunyai daya besar, 3 – 480 MW, dengan efisiensi 30 – 46%.
Merupakan pengembangan dari turbin uap, dipasarkan awal tahun 1950an.
Berat dan volume tidak menjadi batasan yang penting, karena digunakan di darat.
Perbandingan tekanan antara 5:1 sampai 35:1
Yang paling mutakhir berdaya 480 MW, menggunakan pendingin uap pada siklus kombinasi dapat mecapai efisiensi 60%, dengan temperatur pengapian mencapai 1427°C,
2. Turbin gas aeroderivatif:
Berasal dari penggerak pesawat udara, bila digunakan sebagai pembangkit, fan bypass yang ada dibuang, dan diganti dengan turbin daya pada bagian exhaust.
Daya turbin antara 2,5 – 50 MW, dengan efisiensi 35 – 45%. Boiler dan Turbin
51
Kelebihannya adalah: biaya instalasi rendah, cocok digunakan untuk pemakaian terpencil karena menggunakan pendingin udara, alat bantunya sederhana, daya untuk start rendah, perawatan mudah.
3. Turbin gas tipe industri:
daya antara 2,5 – 15 MW, banyak digunakan pada industri petrokimia untuk menggerakkan kompresor, efisiensi sekitar 30%.
Sering kali menggunakan regenerator atau recuperator untuk meningkatkan efisiensi. Dengan recuperator bisa dicapai efisiensi 38%.
4. Turbin gas kecil:
antara 0,5 – 2,5 MW, banyak menggunakan kompresor setrifugal dan turbin radaial (radial inflow turbine),
efisiensi antara 15 – 25%.
5. Turbin mikro:
daya antara 20 kW – 350 kW, mulai banyak digunakan pada akhir 1990an.
Menggunakan bahan bakar gas alam atau minyak diesel
Gambar III-6 Turbin gas industri kelas menengah
Boiler dan Turbin
52
Gambar III-7 Turbin aeroderivatif
3.3.1 Kompresor Kompresor berfungsi mengalirkan dan menaikkan tekanan udara. Dua jenis kompresor yang digunakan pada turbin gas, yaitu: kompresor aksial dan kompresor sentrifugal. Kebanyakan kompresor yang telah dibuat dengan baik, sarat dengan seni dan liku-liku, yang diperoleh dengan perhitungan dan pengalaman. Hal ini merupakan rahasia dan merupakan bagian dari daya saing pabrik pembuatnya.
Gambar III-8 Skema kompresor sentrifugal
Kompresor sentrifugal mempunyai karakteristik berikut ini:
Bagian-bagiannya dapat dilihat pada Gambar III-8. Mata impeler, inducer dan impeler merupakan satu kesatuan. Inducer (lubang masuk) berfungsi seperti bagian kompresor aksial.
Boiler dan Turbin
53
Udara masuk ke dalam kompresor melalui mata impeler (impeler eye) dalam arah sejajar dengan sumbu putar rotor, dan keluar dalam arah tegak lurus sumbu rotor.
Difuser berfungsi mengubah kecepatan menjadi mengarahkan udaran masuk kedalam ruang bakar.
Perbandingan kompresi per tingkat antara 3:1 sampai 13:1 pada model eksperimental. Untuk turbin kecil, perbandingan kompresi sampai 7:1. Pada perbandingan kompresi di atas 5:1, udara mesuk ke difuser mencapai kecepatan supersonik, sehingga diperlukan desin khusus.
Memerlukan diameter atau penampang frontal besar, sehingga tidak susuai untuk pesawat terbang besar.
Dapat dibuat lubang isap tunggal atau ganda.
tekanan,
dan
Kompresor aksial mempunyai karakteristik berikut ini:
Bagian-bagiannya dapat dilihat pada Gambar III-9.
Udara masuk ke dalam kompresor melalui sudu pengarah masuk yang dapat diatur, dan mengalir sepanjang kompresor dalam arah yang sama dengan sumbu putar rotor.
Perbandingan tekanan setiap tingkat antara 1,1:1 sampai 1,4:1. Jumlah tingkat dapat mencapai 30, perbandingan kompresi total dapat mencapai 40:1.
Laju aliran massa udara tinggi dengan luas bidang frontal yang kecil, sesuai untuk pesawat terbang.
Efisiensi lebih tinggi dari kompresor setrifugal, akan tetapi daerah kerjanya untuk efisiensi tinggi lebih sempit.
Gambar III-9 Skema kompresor aksial
Boiler dan Turbin
54
3.3.2 Turbin Seperti pada kompresor, turbin yang digunakan pada turbin gas ada dua jenis, yaitu: turbin aksial dan turbin radial (radial inflow turbine). Lebih dari 95% turbin gas menggunakan turbin aksial. Karena proses aliran gas di dalam turbin adalah ekspansi, maka sudu turbin dapat dibuat dengan sudut belok yang lebih besar daripada sudu kompresor. Hal ini memungkinkan konversi energi per tingkat yang lebig besar pula. Satu tingkat turbin dapat menghasilkan daya untuk menggerakan 12 tingkat kompresor dengan efisiensi yang cukup tinggi. Akan tetapi pada unit daya tinggi, turbin dibuat dengan beberapa tingkat untuk meningkatkan efisiensi. Satu tingkat turbin, terdiri dari satu baris sudu tetap atau nosel dan satu baris sudu gerak. Apabila ekspansi hanya terjadi pada sudu tetap, maka tingkat tersebut dinamai tingkat impuls. Sedangkan apabila ekspansi terjadi baik pada sudu diam maupun sudu gerak, maka tingkat tersebut dinamakan tingkat reaksi Secara termodinamik, kedua jenis tingkat turbin dinyatakan menurut derajat reaksinya. Derajat reaksi dinyatakan oleh persamaan berikut ini:
Dimana Δhg dan Δhd masing-masing adalah penurunan entalpi gas pada sudu gerak dan pada sudu diam. Jadi turbin impuls mempunyai derajat reaksi RR = 0. Tingkat yang paling depan selalu tingkat impuls. Kebanyakan turbin dibuat dengan RR = 0,50 yang biasa disebut tingkat simetrik. Perbaikan dalam metalurgi memungkinkan pembuatan sudu yang dapat beroperasi pada temperatur tinggi. Penggunaan keramik, pengecoran kristal tunggal dan pendinginan sudu dapat menaikkan temperatur gas masuk yang diijinkan mencapai 1750 K, bahkan lebih. Sudu-sudu turbin dapat didinginkan dengan menggunakan 3 – 10% udara kompresor, atau 1,5 – 2,5% udara kompresor per satu baris sudu. Lubang-lubang kecil untuk pendinginan dapat dibuat dengan erosi loncatan listrik (spark erosion). Ada 4 macam pendingian yang biasa digunakan pada turbin gas, yaitu: 1. Pendinginan konveksi 2. Pendinginan pancaran 3. Pendinginan lapisan 4. Pendinginan transpirasi
Gambar III-10 Sudu turbin radial
Boiler dan Turbin
55
Gambar III-11 Sudu turbin aksial dan cara pendinginannya
3.3.3 Ruang Bakar Ruang bakar adalah tempat terjadinya pembakaran. Proses pembakaran mencakup peristiwa fisika dan kimia yang kompleks. Api berwarna biru menunjukkan pembakaran dari campuran yang sempurna antara bahan bakar dan udara, sedangkan warna putih dan kuning menunjukkan pembentukan karbon, warna hijau menunjukkan kaya setempat (lokal) disertai dengan pembentukan radikal-radikal. Pembakaran sempurna harus diusahakan untuk mencapai temperatur pembakaran yang tinggi dan menekan emisi gas buang. Perbandingan bahan bakar – udara pada turbin gas relatif kecil (f ≈ 1/50 – 1/200) dibandingkan dengan motor otto (f ≈ 1/15) atau motor diesel (f ≈ 1/20). Batas nyala untuk bahan bakar hidrokarbon adalah antara f ≈ 1/30 – 1/5. Kecepatan perambatan nyala adalah 5 – 7 m/s, sedangkan kecepatan udara keluar dari kompresor antara 150 – 450 m/s. Untuk itu diperlukan langkahlangkah tertentu agar reaksi pembakaran di dalam ruang bakar dapat berlangsung dengan baik. Langkah-langkah tersebut adalah yang akan diuraikan berikut ini: 1. Kecepatan udara diturunkan dengan difuser. Dengan cara ini kecepatan udara turun menjadi 25 m/s. 2. Selanjutnya udara dibagi menjadi dua, yaitu udara primer dan sekunder. Boiler dan Turbin
56
3. Pada udara primer udara disemprotkan bahan bakar sehingga campuran udara dan bahan bakar mendekati stokhiometrik, untuk bahan bakar hidrokarbon sekitar f = 1/15. Sedangkan kecepatan udara diusahakan rendah (mis. 1 – 5 m/s) pada pada sumbu, dan boleh lebih besar pada daerah yang jauh dari sumbu. Hal ini terjadi pada zone I. 4. Selanjutnya campuran gas bahan bakar ini masuk ke zone II, dimana udara skunder dimasukkan secukupnya melalui lubang-lubang pada dinding tabung dalam. Pemasukan udara skunder harus diatur supaya tidak menghentikan pembakaran karena pendinginan, akan tetapi menyempurnakannya. 5. Pada zone III, dimasukkan lagi 20 – 40% jumlah udara total, yang bertujuan menurunkan dan menyeragamkan temperatur.
Gambar III-12 Skema ruang bakar turbin gas aliran lurus dan zona pembakaran
Jenis-jenis ruang bakar pada turbin gas: 1. Tabular atau kan (can): berukuran relatif kecil, terdiri atas beberapa buah (unit) yang melingkari sumbu atau poros motor, pada setiap unit terdapat penyemprot bahan bakar, tetapi penyala (igniter) tidak dipasang pada setiap unit, pipa api menghubungkan zona I (primer) dari setiap unit. Jenis ini banyak digunakan pada awal perkembangan turbin gas. 2. Anular: tabung luar dan tabung dalam melingkari sumbu motor, dilengkapi dengan beberapa penyemprot bahan bakar dalam zone primer yang juga melingkari poros, dilengkapi dengan satu atau lebih penyala. 3. Turbo-anular atau kanular: merupakan perpaduan antara anular dengan kan, dinding luar serupa dengan ruang bakar anular, tetapi dinding dalam berupa beberapa buah berbentuk silinder dipasang di dalam ruang anular melingkari sumbu ruang bakar, pada setiap tabung terdapat penyemprot bahan bakar. Untuk jenis pertama dan kedua masing bisa dibagi lagi menjadi aliran balik dan aliran lurus. Boiler dan Turbin
57
Tabel
III-1
Jenis-jenis ruang kerugiannya
bakar,
keuntungan
dan
3.4 Siklus Kombinasi Seiring dengan peningkatan harga bahan bakar, perlu dilakukan usaha-usaha untuk meningkatkan efisiensi pembangkit daya. Kombinasi antara siklus Brayton yang menggunakan turbin gas dan siklus Rankine yang menggunakan turbin uap adalah solusi yang sudah banyak diterapkan, terutama untuk pembangit daya yang menggunakan bahan bakar gas. Turbin gas dimanfaatkan kelebihannya untuk mengekstraksi daya dari gas pembakaran yang bertemperatur dan tekanan tinggi, sedangkan turbin uap digunakan untuk Boiler dan Turbin
58
mengekstraksi energi yang tersisa dari gas buang, yang masih bertekanan dan bertemperatur mencukupi. Gambar III-13 menunjukkan skema dari siklus kombinasi (combined cycle). Tingkat keadaan1a, 2a, 3a dan 4a menunjukkan siklus udara (gas hasil pembakaran), sedangkan 1s, 2s, 3s dan 4s menunjukkan siklus uap.
Gambar III-13 Skema siklus kombinasi
Gambar III-14 menunjukkan gambaran distribusi energi pada siklus kombinasi. Mulai dari energi bahan bakar, menjadi energi yang berguna dan energi yang terbuang.
Gambar III-14 Gambaran distribusi energi pada siklus kombinasi
Boiler dan Turbin
59
3.5 Perawatan Pembatas umur turbin gas terutama akibat batasan umur ruang bakar, nosel tingkat pertama, dan sudu gerak tingkat pertama. Setelah itu baru sistem kontrol dan bantalan. Seperti pembangkit daya lainnya, turbin gas memerlukan inspeksi terprogram terhadap penggantian komponen yang rusak. Pelaksanaan program inspeksi dan perawatan preventif yang tepat akan sangat meningkatkan availabilitas turbin gas dan mengurangi perawatan tak terjadwal. Pada umumnya inspeksi dan perawatan preventif bisa sangat mahal, tetapi tidak akan semahal mati tiba-tiba (forced shutdown). Hampir semua pembuat turbin menjelaskan prosedur perawatan preventif mesin yang dihasilkan. Berikut ini adalah inspeksi yang umum dilakukan pada turbin gas: 1. Level minyak pelumas 2. Kebocoran pelumas 3. Mur-baut, fitting pipa, sambungan listrik kendor 4. Filter udara masuk 5. Sistem gas buang 6. Lampu indikator sistem monitor dan kontrol
3.6 Kesimpulan 1. Pembangkit daya turbin gas mempunyai kelebihan utama, yaitu tingginya daya yang dibangkitkan untuk berat mesin yang sama. Turbin gas juga bisa dianggap bebas getaran, dapat beroperasi dengan berbagai bahan bakar, seperti: gas alam, minyak diesel, nafta, metana, minyak mentah, gas dengan nilai kalor rendah, minyak bakar yang divoporisasi, bahkan gas biomassa. 2. Secara termodinamik, peningkatan efisiensi pembangkit daya turbin gas, dapat dilakukan dengan: meningkatkan perbandingan kompresi, meningkatkan temperatur ruang bakar, serta modifikasi dari siklus sederhana, berupa reheat, dan pemasangan intercooler. 3. Kompresor aksial dan turbin aksial lebih banyak digunakan karena efisiensinya yang lebih baik. Sudu gerak perlu didinginkan, pendinginan dilakukan dengan mengalirkan sebagian udara dari kompresor. 4. Tiga jenis ruang bakar yang digunakan pada turbin gas, yaitu: tabular atau kan, anular dan turbo anular atau kanular. 5. Siklus kombinasi dapat mengingkatkan efisiensi menjadi sangat tinggi, karena memanfaatkan kemampuan turbin gas untuk mengekstraksi daya pada temperatur tinggi, dan kemampuan turbin uap untuk memanfaatkan sisa energi pada gas buang yang bertemperatur rendah.
3.7 Soal-soal 1. Apa yang dimaksud turbin gas? 2. Sebutkan kekurangan dan kelebihan turbin gas. Boiler dan Turbin
60
3. Secara termodinamik, bagaimana meningkatkan efisiensi turbin gas. 4. Jelaskan jenis-jenis komprsor dan turbin menurut cara kerjanya. 5. Gambarkan skema pembangkit daya siklus kombinasi. 6. Bagian mana dari turbin gas yang paling banyak mengalami kerusakan. 7. Jelaskan jenis-jenis pendinginan pada sudu turbin gas. 8. Jelaskan jenis-jenis ruang bakar, keuntungan dan kerugiannya masingmasing. 9. Sebuah turbin gas bekerja dengan pemanasan ulang. Temperatur udara masuk kompresor 25°C, pada tekanan 1 bar, kemudian dikompresi hingga mencapai 8 bar. Pemanasan dilakukan hingga temperatur 1100°C. Turbin tingkat pertama mengekspansikan gas asap sampai pada tekanan 4 bar, kemudian dilakukan pemanasan ulang hingga mencapai 1100°C lagi kemudian diekspansikan pada turbin tingkat kedua. Laju aliran massa udara siklus adalah 30 kg/s. Hitunglah daya, BWR dan Heat rate turbin gas tersebut, bila: a. Dengan reheater b. Tanpa reheater, menggunakan satu turbin saja.
Boiler dan Turbin
61
BAB IV TURBIN AIR
Tujuan Pembelajaran Umum 1. Mahasiswa memahami klasifikasi, prinsip kerja, perhitungan daya, serta dasardasar perawatan turbin air. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mahasiswa bisa menjelaskan definisi, kelebihan dan kekurangan pembangkit daya air. 2. Mahasiswa bisa menjelaskan dasar-dasar mekanika fluida yang berhubungan dengan turbin air, serta klasifikasinya 3. Mahasiswa bisa menjelaskan konstruksi, bagian-bagian, dan perhitungan daya turbin Pelton. 4. Mahasiswa bisa menjelaskan konstruksi, bagian-bagian, dan perhitungan daya turbin Francis. 5. Mahasiswa bisa menjelaskan konstruksi, bagian-bagian, dan perhitungan daya turbin Kaplan. 6. Mahasiswa bisa menjelaskan peristiwa kavitasi pada turbin air dan cara menanggulanginya. 7. Mahasiswa bisa menjelaskan dasar-dasar perawatan turbin air.
4.1 Pengantar Turbin adalah mesin yang mengubah, atau mengekstraksi energi fluida yang mengalir kontinyu menjadi daya poros. Turbin air mengubah energi air berupa energi potensial maupun kinetik air menjadi daya poros. Turbin air umumnya digunakan pada pembangkit daya tenaga air dalam bentuk Pembangkit Listrik Tenaga Air. PLTA memiliki kelebihan-kelebihan dibanding dengan PLTU maupun pembangkit listrik lainnya sebagai berikut: 1. Mempunyai efisiensi tinggi 2. Fleksibel dalam pengoperasian: tidak memerlukan waktu lama dalam start up, serta dengan mudah dapat menyesuaikan terhadap perubahan beban, bahkan bisa dioperasikan sebagai pompa sehingga berfungsi seperti baterai. 3. Keausan relatif rendah 4. Bahan energi masukannya terbarukan, dan tidak akan habis selama bisa dijaga kelestariannya. 5. Tidak menghasilkan polusi atmosfir.
Boiler dan Turbin
62
6. Reservoirnya bisa digunakan sebagai cadangan air baku, pariwisata, perikanan maupun irigasi. Meskipun begitu PLTA juga memiliki kekurangan-kekurangan diantaranya adalah: 1. Biaya investasi yang lebih besar. 2. Memerlukan lahan yang cukup luas untuk reservoir air, sehingga sangat berpotensi untuk menimbulkan masalah sosial dan lingkungan. Hal ini terutama jika tidak terdapat danau alam, dan harus dibuat waduk atau danau buatan. 3. Walaupun suplai sumber energi PLTA berupa adanya air pada ketinggian selalu ada, namun pada prakteknya umur waduk terbatas, terutama akibat adanya sedimentasi dan berbagai aktifitas manusia lainnya. Seperti pada turbin uap dan tubin gas, pada turbin air juga dikenal turbin impuls dan turbin reaksi.
4.2 Dasar Mekanika Fluida Gambar IV-1 menunjukkan instalasi suatu tubin air.
Gambar IV-1 Instalasi suatu turbin air
Daya hidrolik yang diberikan oleh air terhadap turbin adalah: Sedangkan daya poros yang dikeluarkan oleh turbin adalah:
0
Ps gQH
Efisiensi hidrolik (hydraulic eff.)
H
Ps Pm gQH
Dimana: = rugi-rugi mekanik = daya poros Boiler dan Turbin
63
= efisiensi keseluruhan (overall) = efisiensi hidrolik (overall)
4.2.1 Analisis Dimensional Fenomena yang terjadi pada suatu mesin fluida yang bekerja, amatlah kompleks. Terjadi berbagai bentuk aliran, dan pertukaran energi antar fluida, antara fluida dengan sudu dan sebaliknya. Terdapat banyak variabel yang saling mempengaruhi. Seringkali, walaupun keterkaitan antara suatu variabel dengan yang lain amat jelas, tetapi sulit dinyatakan dalam persamaan analitis. Analisis dimensional merupakan usaha untuk memprediksi keterkaitan antar variabel tersebut berdasarkan dimensinya (satuannya). Analisis dimensional berfungsi: menyederhanakan hubungan antar variabel dalam bentuk hubungan antar group variabel yang tak berdimensi, memprediksi perilaku prototipe berdasarkan perilaku model, dan menentukan jenis turbin yang sesuai (mempunyai efisiensi paling tinggi) jika head, debit dan kecepatan putarnya diketahui.
. Gambar IV-2 Volume atur pada turbin air
Gambar IV-2 adalah skema yang menunjukkan hubungan berbagai variabel pada suatu turbin air. Daya dari turbin merupakan fungsi dari berbagai variabel, yang dinyatakan dengan persamaan berikut ini:
P f , N , , D, Q, gH Asumsikan daya merupakan hasil kali konstanta dan semua variabel yang terlibat dengan pangkat masing-masing:
P const a N b c Dd Qe gH
f
Jika setiap variaebel dinyatakan dengan dimensi dasar, maka kita peroleh: Boiler dan Turbin
64
3 ML2 M 1 M d L const 3 L T3 L T LT T a
b
c
e
L2 2 T
f
Dengan menyamakan pangkat ruas kanan dengan ruas kiri, maka diperoleh:
P const 1c N 3ce2 f c D52c3e2 f Qe gH c
f
Q gH P const N D 2 3 2 2 ND ND N D Persamaan dicatas dapat ditulis:
3
5
e
f
P f Re, , Dimana:
Koefisien Kapasitas : Koefisien Head : Koefisien Daya :
Q N .D 3 g.H N 2 .D 2 P P .N 3 .D 5
Koefisien Bilangan Reynolds :
.N .D
2
1 Re
Hubungan antara koefisien daya dengan koefisian kapasitas dan koefisien head dinyatakan oleh Gambar VI-3.
Gambar IV-3 Karakteristik performasi turbin air
4.2.2 Pemodelan Banyak turbin air dibuat dengan diameter sangat besar, dan hanya dibuat satu buah. Untuk mengetahui karaktristik turbin tersebut secara riil, tidaklah mungkin dengan menguji turbin tersebut di laboratorium. Untuk itu, dibuatlah model dengan ukuran yang lebih kecil dan sesuai dengan prototipe yang ada, untuk diuji di laboratorium. Antara model dan prototipe harus memenuhi persyaratan: Boiler dan Turbin
65
keserupaan geometrik, keserupaan kinemetik dan keserupaan dinamaik. Keserupaan dinamik mengimplikasikan kerserupaan geometrik dan kinematik. Keserupaan dinamik bearti gaya-gaya yang bersesuaian, yang bekerja pada model dan prototipe, mempunyai perbandingan yang sama. Ini bearati bilanganbilangan tak berdimenasi: koefisien daya, head, kapasitas, dan bilangan Reynold antara model dan prototipe haruslah sama. Dengan demikian maka: bila diameter model (1) sama dengan prototipe (2) maka:
a.
Q1 N1 Q2 N 2
H1 N1 b. H 2 N 2 P N c. 1 1 P2 N 2
2
3
Sedangkan bila putaran model (1) sama dengan prototipe (2) maka:
a.
Q1 D1 Q2 D2
H1 D1 b. H 2 D2 P D c. 1 1 P2 D2
2
3
4.2.3 Kecepatan Spesifik Daya Telah diketahui bersama bahwa hubungan karakteristik fungsional, seperti terlihat pada Gambar VI-2 berlaku untuk turbin yang serupa, mempunyai desain yang sama, atau dalam satu keluarga yang sama. Dengan demikian, dapat dirumuskan suatu parameter yang mewakili bentuk turbin, yang bebas dari diameter. Dengan asumsi bahwa head dan daya lebih signifikan dalam turbin, dibanding dengan debit, maka dirumuskanlah suatu parameter yang disebut kecepatan spesifik daya (power specific speed), dengan mengeleminasi diameter, sebagai berikut:
N sp
P
1/ 2
5/ 4
Sehingga diperoleh:
N sp
N P/ ( gH ) 5 / 4
Rumusan di atas adalah kecepatan spsifik dalam satuan SI. Nsp mempunyai satuan radial.
Boiler dan Turbin
66
Gambar VI-4 menunjukkan perkiraan efisiensi berdasarkan bentuk runner (bagian yang berputar) turbin untuk berbagai kecepatan spesifik. GambarVI-5 menunjukkan berbagai runner dengan kecepatan spesifiknya.
Gambar IV-4 Efisiensi turbin dan bentuk runner turbin air untuk berbagai kecepatan spesifik
Gambar IV-5 Berbagai bentuk runner turbin air dengan kecepatan spesifiknya
Boiler dan Turbin
67
Para praktisi sering menyatakan kecepatan spesifik dalam satuan-satuan yang umum dipakai. Tambahan lagi faktor g (grafitasi) dan ρ dihilangkan karena konstan. Koefisien debit diutamakan atas koefisien daya, selanjutnya diperoleh rumusan di bawah ini ⁄ ⁄
Kecepatan putar dalam rpm, debit dinyatakan dalam m3/s, dan H dalam m, diperoleh Gambar di bawah ini.
Gambar IV-6 Kecepatan spesifik [rpm] dan bentuk turbin
4.2.4 Daya pada Turbin Jika suatu benda menumbuk benda lain, maka benda yang tertumbuk akan mengalami perubahan momentum sebesar :
M mV2 V1 Gaya adalah laju perubahan momentum, sehingga gaya yang dialami oleh benda adalah:
M mV2 V1 t t
Boiler dan Turbin
68
Gambar IV-7 Momentum sudut pada turbin air
Laju perubahan momentum sudut:
T m r C 2
x2
r1Cx1
Jika mesin berputar:
T m r C 2
x2
r1Cx1
Maka daya mesin :
T m U C
x2
U1Cx1
x1
U 2Cx 2
2
Untuk turbin :
T m U C 1
> 0 atau
U1Cx1 U 2Cx 2 Pm Dimana: C = kecepatan fluida U = kecepatan linier sudu = r Persamaan terakhir di atas disebut persamaan Euler untuk turbin, yang selanjutnya ditulis sbb.:
daya turbin per laju aliran berat air
4.3 Turbin Pelton Turbin Pelton termasuk turbin air yang murni impuls, dimana semprotan jet air dari nosel menumbuk sudu gerak (bucket) berbentuk sepasang mangkuk, yang dipasang berderet sepanjang periperal roda turbin. Tekanan air yang keluar dari nosel, sampai reservoir bawah atau tail race bertekanan konstan. Skema turbin Pelton pada suatu instalasi pembangkit daya air dapat dilihat pada Gambar IV-1. Pressure tunnel (pipa tekan) dengan kemiringan rendah, yang bisa sangat panjang dibanding dengan penstock. Pipa tekan akan mengalami
Boiler dan Turbin
69
fluktuasi tekanan yang sangat besar akibat pengontrolan beban oleh katup masuk turbin. Segitiga kecepatan dapat dilihat pada gambar IV-3.
Tabel IV-1 Instalasi turbin Pelton pada suatu pembangkit daya listrik
Tabel IV-2 Bagian-bagian turbin Pelton
Boiler dan Turbin
70
Tabel IV-3 Segi tiga kecepatan pada sudu gerak turbin Pelton
Indeks 1 menunjukkan kondisi air masuk, sedangkan indeks 2 menunjukkan kondisi keluar. Daya persatuan berat air yang dibangkitkan oleh turbin Pelton dapat dicari dari persamaan Euler.
Dari segi tiga kecepatan diperoleh:
Dengan mengasumsikan tidak ada rugi-rugi aliran sepanjang sudu gerak, maka . Sehinga diperoleh:
Dengan memasukan faktor koreksi kecepatan relatif k, diperoleh:
E
U C1 U 1 k cos g ̇
Efisiensi pembakitan
E Ein
Boiler dan Turbin
71
Ein
C12 2g
Dimana: P = daya turbin = kecepatan liner sudu gerak Kecepatan semburan jet air masuk kecepatan relatif air terhadap sudu gerak faktor koreksi kecepatan relatif ̇ = laju aliran massa air Daya maksimum akan terjadi bila:
Pengaturan beban dilakukan dengan katup tombak (spear valve). Untuk mengantisipasi perubahan beban tiba-tiba dilakukan dengan membelokkkan arah aliran jet menggunakan deflektor.
Gambar IV-8 Pengaturan beban pada turbin Pelton
4.4 Turbin Francis Turbin Francis disebut juga turbin radial karena air mengalir dari arah radial atau tegak lurus sumbu putar. Turbin Francis merupakan turbin reaksi. Untuk mencapai kondisi reaksi maka rotor harus dilingkupi oleh rumah guna mencegah
Boiler dan Turbin
72
perubahan arah aliran air, sehingga sampai ke ujung sudu. Head total turbin Francis antara 30 – 500 m, sedangkan kecepatan spesifiknya antara 0,3 – 2,5 rad.
Gambar IV-9 Instalasi dan distribusi energi pada turbin Francis
Mula-mula air masuk kedalam volut atau rumah spiral. Kemudian air melalui sederetan sudu pengarah tetap, lalu melewati sudu pengarah tak tetap (bisa diatur), kemudian ke rotor. Luas penampang di antara sudu pengarah tak tetap dapat diatur sesuai dengan beban turbin.
Gambar IV-10 Bagian-bagian turbin Francis
Boiler dan Turbin
73
Gambar IV-11 Segitiga kecepatan turbin Francis
Segi tiga kecepatan turbin Francis dapat dilihat pada gambar IV-10. Dari persamaan Euler diperoleh:
̇ E akan maksimum bila Cx2 = 0. Pada turbin Francis, air masuk turbin dari arah radial. Dengan demikian debit air yang masuk kedalam turbin adalah: tebal sudu gerak Head total masuk turbin (0) =
p0 V02 Z0 g 2 g
Head total keluar turbin (3) =
p3 V32 Z3 g 2 g
p0 p3 V02 V32 Head total melintas turbin (0 -3) H= Z 0 Z3 g 2g Z3=0, p3= 1 atm (abs) Agar V3 kecil, maka penampang 3 (tail race) harus besar. Akan tetapi penampang tail race dibatasi oleh slope konus dan panjang pipa. Sudut divergensi dibatasi 8° untuk mencegah separasi.
Boiler dan Turbin
74
4.5 Turbin Kaplan Distribusi energi pada turbin Kaplan atau turbin aksial sama seperti pada turbin Francis pada Gambar IV-8. Sudu pengarah inlet dibuat tetap, ditempatkan pada bidang yang lebih tinggi dari dari runner (bagian yang berputar, sudu gerak bersama poros), sedemikian sehingga air harus berbelok 90° sebelum masuk runner, dan mengalir searah sumbu putar. Perubahan beban diperoleh dengan pengaturan sudut bilah sudu runer. Karena turbin Kaplan ini digunakan pada head rendah, maka sudu gerak haruslah panjang dan tebal, sehingga dapat meneruskan torsi yang tinggi
Gambar IV-12 Bagian-bagian turbin Kaplan
Gambar IV-12 menunjukkan segi tiga kecepatan turbin Kaplan, yang biasanya diambil pada bagian tengah dari radius rata-rata. Segi tiga kecepatan tentu saja berubah dari hub ke ujung radius. Pada sudu turbin Kaplan berlaku:
Dengan demikian persamaan Euler menjadi:
̇ Jika diasumsikan, pada begian uap keluar (exit) tidak ada whirl, maka
Dari segitiga kecepatan diperoleh: Boiler dan Turbin
75
Agar E konstan sepanjang radius sudu, harus meningkat dari hub ke ujung, artinya sudu harus dipuntir, karena U meningkat dari hub ke ujung dan C konstan.
Gambar IV-13 Segitiga kecepatan turbin Kaplan
4.6 Kavitasi pada Turbin Air Kavitasi adalah fenomena terjadinya gelembung-gelembung uap air akibat terjadinya tekanan rendah lokal yang lebih redah dari tekanan uap pada temperatur yang bersangkutan. Peristiwa kavitasi terjadi pada turbin maupun pompa air. Tekanan rendah lokal bisa terjadi akibat turbulensi. Gelembunggelembung ini akan runtuh (kolaps) bila bergerak dan mencapai daerah yang bertekanan cukup tinggi. Hal ini mengakibatkan benturan air, yang menghasilkan tekanan tinggi. Biasanya hal ini berulang terus-menerus pada tempat yang sama, dan bila mengenai bagian turbin akan mengakibatkan luka (pitting). Kavitasi sejauh mungkin dihindari dengan menaikkan tekanan di dalam turbin melaui penempatan turbin pada tempat serendah mungkin. Koefisien kavitasi Thoma didevinisikan sebagai: (
)
Elevasi maksimum turbin air agar terhindar dari kavitasi :
Z 2
patm pvap cH g
Koefisien kavitasi Thoma kritis untuk turbin Francis dan Kaplan dapat dilihat pada gambar IV-16. Boiler dan Turbin
76
Gambar IV-14 Koefisien kavitasi Thoma kritis untuk berbagai turbin reaksi
Atau (bila NPSHR diketahui):
Z 2
patm pvap NPSHR g
4.7 Perawatan Turbin Air Runer turbin air setelah dipakai cukup lama menunjukkan adanya luka (pitting) akibat kavitasi, retak lelah (fatigue cracking) dan kegagalan. Perbaikan runner menggunakan batang las yang sesuai dengan bahan induknya. Turbin dirancang untuk dijalankan selama puluhan tahun dengan sedikit mungkin perawatan pada bagian utama; overhaul dilakukan dalam selang beberapa tahun. Pemeliharaan runer dan bagian terkena air meliputi pembuangan, inspeksi, dan perbaikan bagian aus. Keausan normal disebabkan oleh: pitting karena kavitasi, retak lelah, dan abrasi oleh padatan tersuspensi dalam air. Bagian yang terbuat dari baja yang diperbaiki dengan pengelasan, biasanya dengan batang stainless steel. Daerah yang rusak dipotong atau digerinda, kemudian dilas kembali seperti semula atau profilnya diperbaiki. Runer turbin lama, bila sudah diperbaiki dengan cara ini dalam jumlah tertentu, munkin tidak dapat diperbaiki lagi dan harus diganti. Prosedur pengelasan yang tepat memungkinkan perbaikan dengan kualitas tertinggi. Elemen lainnya yang membutuhkan pemeriksaan dan perbaikan selama overhaul adalah bantalan, packing box dan shaft sleeves, servomotor, sistem pendingin untuk bantalan dan kumparan generator, cincin sil, elemen wicketgate linkage dan semua permukaan.
Boiler dan Turbin
77
Gambar IV-15 Runer turbin Francis yang rusak
4.8 Kesimpulan 1. Dengan berbagai kelemahan dan kerugiannya, pembangkit daya air telah digunakan di banyak negara. Dengan mengetahui kelemahan-kelemahannya, desaian dan pembuatannya dapat dilakukan dengan lebih baik. 2. Secara umum: turbin Pelton digunakan untuk head tinggi – debit rendah, turbin Francis digunakan untuk head – debit menengah, turbin Pelton digunakan untuk head rendah – debit tinggi. 3. Daya keluaran turbin dapat dihitung dengan melalui sigitga kecepatan. 4. Turbin air harus ditempatkan cukup rendah, untuk mengurangi kemungkinan kavitasi. 5. Runer turbin air setelah dipakai cukup lama menunjukkan adanya luka (pitting) akibat kavitasi, retak lelah (fatigue cracking) dan kegagalan. Perbaikan runner menggunakan batang las yang sesuai dengan bahan induknya.
4.9 Soal-soal 1. Terangkan kelebihan dan kekurangan pembangkit daya air dibanding dengan pembangkit daya lainnya. 2. Sebuah turbin air akan digunakan pada head 91,5 m dan debit 0,04 m³/s, dengan putaran 720 rpm. Jika efisiensinya diperkirakan 80%, Hitunglah daya keluaran turbin. Hitunglah kecepatan spesifik turbin, dan tentukan jenis tubin air yang sesuai. 3. Sebuah pembangkit listrik menggunakan turbin Francis dengan putaran 1260 rpm. Head nettonya sebesar 124 m, dengan debit sebesar 0,5 m³/s. Radius rurner 0,6 m, lebar sudu runer inlet 0,03 m, sudut sudu pengarah diset 72° dari arah radial. Dengan mengsumsikan kecepatan air absolut murni radial, Hitunglah torsi, daya, dan efisiensi hidrolik turbin. 4. Sebuah turbin air didesain pada 300 rpm dengan head netto 50 m, daya 2 MW. Kec. Keluar runner 10,4 m/s,Tinggi runner 6 m dari permukaan air.Tekanan uap air 4 kPa. Apakah terjadi kavitasi? Boiler dan Turbin
78
Berapa ketinggian outlet runner maksimum agar tidak terjadi kavitasi? Head loss atara outlet runner dan tailrace ketika kavitasi hampir terjadi. Paremeter kavitasi kritis untuk turbin tersebut adalah sbb: Ns (rev)
0
0,049
0,096
0,144
0,192
0,24
σc (-)
0
0,04
0,1
0,18
0,28
0,41
Boiler dan Turbin
79
REFERENSI
1. Bloch, Heinz P., Singh, Murari P., Steam Turbines Design, Applications, and Rerating, McGraw-Hill Book Company, New York, 2009 2. Boyce, Meherwan P., Gas Turbine Engineering Handbook, Gulf Publishing Company, 2nd Edition, Houston,Texas, 2002 3. Dukelov, Samuel G., The Control of Boilers, Instrument Society of America, 1991 4. http://asro.wordpress.com/2009/01/30/process-equipment-control-4-boilercontrol 5. Kanwil Depnaker Propinsi Jawa Barat, Mater Pelajaran Operator Pesawat Uap Kelas II, 1998 6. Leyzerovich, Alexander S., Steam Turbines for Modern Fossil Fuel Power Plants, Fairmont Press, Inc., Lilburn, 2008 7. Praswasti PDK Wulan, Teknik Pembakaran, Universitas Indonesia, 2004 8. Sayers, A. T., Hydraulic and Compresible Flow Turbomachines, McGrawHill Book Company, London, 1990 9. Shlyakhin, P. Steam Turbines, Theory and Design, Forign Languages Publishing House, Moskow 10. William C. Reynolds, Henry C. Perkins, Termodinamika Teknik, Edisi kedua, Penerbit Erlangga, 1991 11. Wiranto Arismunandar, Pengantar Turbin Gas dan Sistem Propulsi, Penerbit ITB, Bandung, 2002 12. www.energyefficiencyasia.org, Boiler 13. http://en.wikipedia.org 14. http://www.lenntech.com 15. http://www3.toshiba.co.jp/power/english/thermal/service/support/gene7/rbm. htm
Boiler dan Turbin
80
GBPP (Garis-garis Besar Program Pengajaran)
Boiler dan Turbin
81
SAP (Satuan Acara Perkuliahan)
Boiler dan Turbin
82
