Boiler/Ketel Uap

2.1 Pengertian Boiler

Boiler / ketel uap merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam berupa energi kerja. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air panas atau steam pada tekanan dan suhu tertentu mempunyai nilai energi yang kemudian digunakan untuk mengalirkan panas dalam bentuk energi kalor ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam, maka volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga sistem boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.

Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan tekanan-temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi (high pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar dari sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan menjalankan suatu mesin (commercial and industrial boilers), atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik (power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan-temperatur tinggi untuk membangkitkan

energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri.

Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam, dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.

2.2 Klasifikasi Boiler

Boiler/ketel uap pada dasarnya terdiri dari bumbung (drum) yang tertutup pada ujung pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa air. Banyak orang mengklasifikasikan ketel uap tergantung kepada sudut pandang masing-masing.

Dalam laporan ini ketel uap diklasifikasikan dalam kelas yaitu:

1. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka ketel diklasifikasikan sebagai:

a. Ketel pipa api (fire tube boiler)

Pada ketel pipa api, fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala (hasil pembakaran), yang membawa energi panas (thermal energy), yang segera mentransfernya ke air ketel melalui bidang pemanas (heating

surface). Tujuan pipa-pipa api ini adalah untuk memudahkan distribusi panas (kalor) kepada air ketel.

Api/gas asap mengalir dalam pipa sedangkan air/uap diluar pipa Drum berfungsi untuk tempat air dan uap, disamping itu drum juga sebagai tempat bidang pemanas. Bidang pemanas terletak di dalam drum, sehingga luas bidang pemanas yang dapat dibuat terbatas.

Gambar 2.1 diagram sederhana fire tube boiler

b. Ketel pipa air (water tube boiler)

Pada ketel pipa air, fluida yang mengalir dalam pipa adalah air, energi panas ditransfer dari luar pipa (yaitu ruang dapur) ke air ketel.

Add caption

Gambar 2.2 water tube boiler

Cara kerja:

Proses pengapian terjadi diluar pipa. Panas yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan pipa yang berisi air. Air umpan itu sebelumnya dikondisikan terlebih dahulu melalui ecomonizer. Steam yang dihasilkan kemudian dikumpulkan terlebih dahulu didalam sebuah steam drum sampai sesuai. Setelah melalui tahap secondary superheater dan primary superheater, baru steam dilepaskan ke pipa utama distribusi.

Karakteristik:

- Tingkat efisiensi panas yang dihasilkan cukup tinggi.

- Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air. Sehingga air harus dikondisikan terhadap mineral dan kandungan lain yang larut dalam air.

- Boiler ini digunakan untuk kebutuhan tekanan steam yang sangat tinggi seperti pada pembangkit tenaga.

- Menggunakan bahan bakar minyak, dan gas untuk water tube boiler yang dirakit dari pabrik.

- Menggunakan bahan bakar padat untuk water tube boiler yang tidak dirakit di pabrik.

2. Berdasarkan pemakaiannya, ketel dapat diklasifikasikan sebagai:

a. Ketel stasioner (stationary boiler) atau ketel tetap.

b. Ketel mobil (mobile boiler), ketel pindah atau portabel boiler.

Yang termasuk stasioner adalah ketel-ketel yang didudukan diatas pondasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain-lain yang sepertinya.

Gambar 2.3 ketel stasioner (stationary boiler)

Yang termasuk ketel mobil, adalah ketel yang dipasang pada pondasi yang berpindah-pindah (mobile), seperti boiler lokomotif, loko mobil dan ketel panjang serta lain yang sepertinya termasuk ketel kapal (marine boiler).

Gambar 2.4 Ketel mobil (mobile boiler)

3. Berdasarkan letak dapur (furnace positition), ketel uap diklasifikasikan sebagai:

a. Ketel dengan pembakaran di dalam (internally fired steam boiler), dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian dalam ketel. Kebanyakan ketel pipa api memakai sistem ini.

Gambar 2.5 Ketel pembakaran di dalam

b. Ketel dengan pembakaran di luar (outernally fired steam boiler), dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian luar ketel, kebanyakan ketel pipa air memakai sistem ini.

Gambar 2.6 ketel pembakaran di luar

4. Berdasarkan jumlah lorong (boiler tube), ketel ini diklasifikasikan sebagai:

a. Ketel dengan lorong tunggal (single tube steam boiler).

b. Ketel dengan lorong ganda (multi tube steam boiler).

Pada single tube steam boiler, hanya terdapat satu lorong saja, apakah itu lorong api atau saluran air saja. Cornish boiler adalah single fire tube boiler dan simple vertikal boiler adalah single water tube steam boiler.

Gambar 2.7 single tube steam boiler

Multi fire tube boiler misalnya ketel scotch dan multi water tube boiler

misalnya ketel B dan W dan lain-lain.

Gambar 2.8 Multi fire tube boiler

5. Tergantung kepada poros tutup drum (shell), ketel diklasifikasikan sebagai:

a. Ketel tegak (vertical steam boiler), seperti ketel cochran, ketel clarkson dan lain-lain sepertinya.

Gambar 2.9 Ketel tegak (vertical steam boiler)

b. Ketel mendatar (horizontal steam boiler), seperti ketel cornish, lancashire, scotch dan lain-lain.

Gambar 2.10 Ketel mendatar (horizontal steam boiler)

6. Menurut bentuk dan letak pipa, ketel uap diklasifikasikan sebagai:

a. Ketel dengan pipa lurus, bengkok, dan berlekak-lekuk (straight, bent and sinous tubuker heating surface).

Gambar 2.11 Ketel dengan pipa lurus, bengkok, dan berlekak-lekuk (straight, bent and sinous tubuker heating surface).

b. Ketel dengan pipa miring-datar dan miring-tegak (horizontal, inclined or vertical tubuler heating surface).

Gambar 2.12 Ketel dengan pipa miring-datar dan miring-tegak (horizontal, inclined or vertical tubuler heating surface).

7. Menurut sistem peredaran air ketel (water circulation), ketel uap diklasifikasikan sebagai:

a. Ketel dengan peredaran alam (natural circulation steam boiler).

b. Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler).

8. Tergantung kepada sumber panasnya (heat source) untuk pembuatan uap, ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai:

a. Ketel uap dengan bahan bakar alami.

b. Ketel uap dengan bahan bakar buatan.

c. Ketel uap dengan dapur listrik.

d. Ketel uap dengan energi nuklir.

2.3 Bagian-Bagian Boiler

Pada garis besarnya water tube boiler terdiri dari:

a) Ruang Bakar (Furnace)

Terdiri dari 2 ruangan, yaitu:

1. Ruang pertama, berfungsi sebagai ruang pembakaran, dimana panas yang dihasilkan diterima langsung oleh pipa-pipa air yang berada di dalam ruang dapur tersebut, yang terdiri dari pipa-pipa air dari drum ke header samping kanan kiri.

2. Ruang kedua, merupakan ruang gas panas yang diterima dari hasil pembakaran dalam ruang pertama. Dalam ruang ini sebagian besar panas dari gas diterima oleh pipa-pipa air drum atas ke drum bawah.

b) Forced Draft Fan (Fd Fan)

Dalam ruang pembakaran pertama, udara pembakaran ditiupkan oleh blower penghebus udara (forced draft fan) melalui kisi-kisi bagian bawah dapur (fire grates/under roaster).

c) Drum Atas (Steam Drum)

Drum atas berfungsi sebagai tempat pembentukan uap.

Gambar 2.14 Steam Drum

d) Pipa Uap Pemanas Lanjut (Superheater Pipe)

Uap hasil penguapan di dalam drum atas untuk sebagian turbin belum dapat dipergunakan, untuk itu harus dilakukan pemanasan uap lebih lanjut melalui pipa superheater sehingga uap benar-benar kering dengan suhu 260-280 ⁰C . Superheater pipe ini dipasang di dalam ruang bakar kedua.

e) Drum Bawah (Mud Drum)

Drum bawah berfungsi sebagai tempat pemanasan air yang didalamnya dipasang plat-plat pengumpul endapan untuk memudahkan pembuangan keluar (blow down).

Gambar 2.15 Mud Drum

f) Pipa-Pipa Air (Header)

Pipa-pipa air ini berfungsi sebagai tempat pemanasan air yang dibuat sebanyak mungkin, sehingga penyerapan panas lebih merata dengan efisiensi tinggi.

Pipa-pipa air ini terbagi dalam :

1. pipa air yang menghubungkan drum atas dengan header

muka/belakang

2. pipa air yang menghubungkan drum dengan header samping kanan/samping kiri

3. pipa air yang menghubungkan drum atas dengan drum bawah

4. pipa air yang menghubungkan drum bawah dengan header

belakang

g) Pembuangan Abu (Ash Hopper)

Abu yang terbawa gas panas dari ruang pembakaran pertama, terbuang/jatuh didalam pembuangan abu yang berbentuk kerucut.


	$Description: E:\lonsum part2\114___02\IMG_5364.JPG$

Gambar 2.16 Pembuangan Abu (Ash Hopper)

h) Pembuangan Gas Bekas

Gas bekas setelah ruang pembakaran kedua dihisap oleh blower isap (induced draft fan) melalui saringan abu (dust collector) kemudian dibuang ke udara bebas melalui corong asap (chimney).

Pengaturan tekanan didalam dapur dilakukan pada corong keluar blower (exhaust) dengan klep yang diatur secara otomatis oleh alat hydrolis (furnace draft controller).

Gambar 2.17 Chimney

i) Pressure Furnace Draft Controller

Pressure Furnace Draft Controller berfungsi untuk pengatur tekanan permukaan.

Gambar 2.18 Pressure Furnace Draft Controller

j) Induced Draft Fan

Induced Draft Fan berfungsi sebagai penghisap abu dari gas bekas.


	$Description: E:\lonsum part2\114___02\IMG_5366.JPG$

Gambar 2.19 Induced Draft Fan

k) Dust Collector

Dust Collector berfungsi sebagai penyaring abu gas bekas.

Gambar 2.20 Dust Collector

l) Alat-Alat Pengaman

1. Katup Pengaman (Safety Valve)

Alat ini bekerja apabila tekanan kerja melebihi dari tekanan yang telah ditentukan sesuai dengan penyetelan klep pada alat ini.


	$Description: E:\lonsum part2\114___02\IMG_5309.JPG$

Gambar 2.21 Savety Valve

2. Gelas Penduga

Gelas penduga adalah alat untuk melihat tinggi air didalam drum atas guna memudahkan pengontrolan air dalam ketel selama operasi.


	$Description: E:\lonsum part2\114___01\IMG_5244.JPG$		$Description: E:\lonsum part2\114___01\IMG_5245.JPG$

Gambar 2.22 Gelas Penduga

3. Keran Blow down

Keran blow down (blow down valve) berfungsi untuk membuang endapan yang tidak terlarut (total dissolved solid) pada mud drum sehingga nilai tds air boiler yang diharapkan dapat terjaga.

Pola perlakuan blow down lebih baik dengan frekuensi yang tinggi dari pada dilakukan dengan periode yang lama untuk sekali blow down.

Gambar 2.23 Keran Blow down

4. Manometer

Manometer adalah alat pengukur tekanan uap didalam boiler yang dipasang satu buah untuk penunjuk tekanan uap basah (saturated) dan satu buah untuk tekanan uap kering (superheated).

Gambar 2.24 Manometer

5. Keran Uap Induk

Keran uap induk (main steam valve) berfungsi sebagai alat untuk membuka dan menutup aliran uap boiler yang terpasang pada pipa uap induk .

Gambar 2.25 Keran Uap Induk

6. Kontrol Air Umpan

Berfungsi sebagai pengontrol bukaan valve air umpan boiler ke dalam steam drum yang dapat dilakukan secara otomatis melalui water level controller.


			$Description: E:\lonsum part2\114___01\IMG_5237.JPG$

(a) (b)

Gambar 2.26 (a) Automatic Feed Regulator (b) Water Level Controller

7. Soot Blower

Berfungsi sebagi alat penghebus debu yang ada pada bagian luar pipa-pipa air boiler.

Gambar 2.27 Soot Blower

8. Panel Utama (Main Panel)

Panel Utama (Main Panel) berfungsi sebagai pengontrol atau alat pengaman semua alat-alat pada boiler.


	$Description: E:\lonsum part2\114___03\IMG_5501.JPG$

Gambar 2.28 Panel Utama (Main Panel)

m) Pipa Waterwall

Pada ruang bakar ketel uap komponen yang paling penting adalah pipa waterwall, dimana panas yang dihasilkan pada pembakaran bahan bakar diserap waterwall, sehingga air yang terdapat pada pipa waterwall mengalami penaikan temperatur sampai berubah menjadi uap. Tube Wall adalah merupakan pipa yang dirangkai membentuk dinding dan dipasang secara vertikal pada 4 (empat) sisi, sehingga membentuk ruangan persegi empat yang disebut ruang bakar. Fungsi tube wall adalah alat pemanas air dengan bidang yang luas sehingga mempercepat proses penguapan.

Gambar 2.29 Wall Tube Boiler

n) Superheater

Superheater adalah piranti penting pada unit pembangkit uap. Tujuannya adalah untuk meningkatkan temperatur uap jenuh tanpa menaikkan tekanannya. Biasanya piranti ini merupakan bagian integral dari ketel, dan ditempatkan dijalur gas asap panas dari

dapur. Pada dari gas asap ini digunakan untuk memberikan panas lanjut pada uap.

Gambar 2.30 Superheater.

2.4 Pengoperasian Boiler

Pada umumnya setiap mesin yang diproduksi oleh pabrik selalu dilengkapi dengan handbook/ buku petunjuk cara pemasangan, perawatan, dan pengoperasiannya. Begitu juga dengan ketel uap yang ada di PT. PP London Sumatera sektor Dolok Palm Oil Mill terdapat buku petunjuk tentang spesifikasi pengoperasian, perawatan, pemasangan, dan lain-lain.

Secara garis besar penulis akan menjelaskan pengoperasian boiler berdasarkan petunjuk yang ada dari buku petunjuk dan penjelasan dari operator, diantaranya:

Ketentuan Umum

Sebelum mengoperasikan boiler ada beberapa hal yang harus diperhatikan demi kelancaran dan keselamatan kerja, diantara:

- Tekanan ketel uap maksimum yang diijinkan

- Tekanan uap yang diperlukan

- Kapasitas produksi uap maksimum

- Pemeriksaan visual pada bagian luar dan dalam

- Tangki air umpan (feed water tank) dalam keadaan penuh

- Pompa air umpan (feed water pump) dalam kondisi baik

- Seluruh peralatan pengaman boiler dalam kondisi baik

- Tinggi permukaan air boiler di dalam drum sesuai dengan batas yang ditentukan

- Dapur dalam keadaan bersih

- Bahan bakar cukup tersedia Urutan menghidupkan boiler

1. Buka keran buangan udara (vent drain) pada drum superheater (bila menggunakan superheater

2. Drain air pada gelas penduga

3. Hidupkan pompa air umpan dan buka keran buangan air pada drum (blow down)

4. Kemudian keran tersebut ditutup dan ketinggian air diatur sampai batas yang ditentukan

5. Hidupkan fuel modulating dan fuel feeder fan

6. Hidupkan pendulum

7. Hidupkan conveyor bahan bakar

8. Isi bahan bakar dan hidupkan api

9. Setelah api cukup besar hidupkan induced draft fan dengan posisi damper tertutup dan setelah putaran idf normal buka damper dan atur ampere idf sekitar 125 amp

10. Hidupkan secondary fan

11. Hidupkan forced draft fan dan dijaga agar tekanan udara dalam ruang bakar (10 – 30 mm hg)

12. Tutup valve buang udara pada drum superheater

13. Pada tekanan 15 bar kerangan induk steam dapat dibuka secara perlahan-lahan

14. Naikkan tekanan boiler sampai tekanan kerja (20 bar)

15. Lakukan blowdown secara kontinyu (sesuai dengan kondisi tds)

16. Pertahankan tekanan steam normal dengan pengaturan bahan bakar melalui pressure f d controller

17. Lakukan soot blower setiap 3 jam sekali

18. Lakukan penarikan kerak setiap 4 jam sekali Urutan menghentikan boiler :

1. Turunkan tekanan dengan menutup sliding door bahan bakar

2. Matikan fd fan

3. Matikan secondary fan

4. Buka pintu ruang bakar dan tarik abu keluar

5. Pastikan turbin uap telah berhenti kemudian tutup kerangan induk steam

6. Matikan id fan

7. Turunkan tekanan dengan melakukan sirkulasi air

8. Tutup keran uap pada deaerator dan feed tank

9. Matikan deaerator pump dan feed water pump Dalam hal boiler kekurangan air akibat kerusakan pompa air :

1. Hentikan induced draft fan, forced draft fan dan secondary fan

2. Tutup keran induk

3. Tarik api

4. Tutup semua pintu setelah selesai tarik api agar udara dingin tidak masuk ke dalam dapur

5. Periksa penyebab kerusakan pompa.

2.5 Bahan Bakar Boiler

Agar kualitas uap yang dihasilkan dari ketel uap sesuai dengan yang diinginkan atau dibutuhkan maka dibutuhkan sejumlah panas untuk menguapkan air tersebut, dimana panas tersebut diperoleh dari pembakaran bahan bakar di ruang bakar ketel. Untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna di dalam ketel maka diperlukan beberapa syarat, yaitu:

1. Perbandingan pemakaian bahan bakar harus sesuai (cangkang dan fiber)

2. Udara yang dipakai harus mencukupi

3. Waktu yang diperlukan untuk proses pembakaran harus cukup.

4. Panas yang cukup untuk memulai pembakaran

5. Kerapatan yang cukup untuk merambatkan nyala api

6. Dalam hal ini bahan bakar yang digunakan adalah cangkang dan fiber.

Adapun alasan mengapa digunakan cangkang dan fiber sebagai bahan bakar adalah :

1. Bahan bakar cangkang dan fiber cukup tersedia dan mudah diperoleh dipabrik.

2. Cangkang dan fiber merupakan limbah dari pabrik kelapa sawit apabila tidak digunakan.

3. Nilai kalor bahan bakar memenuhi persyaratan untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan.

4. Sisa pembakaran bahan bakar dapat digunakan sebagai pupuk untuk tanaman kelapa sawit.

5. Harga lebih ekonomis.

Cangkang adalah sejenis bahan bakar padat yang berwarna hitam berbentuk seperti batok kelapa dan agak bulat, terdapat pada bagian dalam pada buah kelapa sawit yang diselubungi oleh serabut.

Pada bahan bakar cangkang ini terdapat berbagai unsur kimia antara lain : Carbon (C), Hidrogen (H₂), Nitrogen (N₂), Oksigen (O₂) dan Abu. Dimana unsur kimia yang terkandung pada cangkang mempunyai persentase (%) yang berbeda jumlahnya, bahan bakar cangkang ini setelah mengalami proses pembakaran akan berubah menjadi arang, kemudian arang tersebut dengan adanya udara pada dapur akan terbang sebagai ukuran partikel kecil yang dinamakan partikel pijar.

Apabila pemakaian cangkang ini terlalu banyak dari fiber akan menghambat proses pembakaran akibat penumpukan arang dan nyala api kurang sempurna, dan jika cangkang digunakan sedikit, panas yang dihasilkan akan rendah, karena cangkang apabila dibakar akan mengeluarkan panas yang besar.

Fiber adalah bahan bakar padat yang bebentuk seperti rambut, apabila telah mengalami proses pengolahan berwarna coklat muda, serabut ini terdapat dibagian kedua dari buah kelapa sawit setelah kulit buah kelapa sawit, didalam serabut dan daging buah sawitlah minyak CPO terkandung.

Panas yang dihasilkan fiber jumlahnya lebih kecil dari yang dihasilkan oleh cangkang, oleh karena itu perbandingan lebih besar fiber dari pada cangkang. Disamping fiber lebih cepat habis menjadi abu apabila dibakar, pemakaian fiber yang berlebihan akan berdampak buruk pada proses pembakaran karena dapat menghambat proses perambatan panas pada pipa water wall, akibat abu hasil pembakaran beterbangan dalam ruang dapur dan menutupi pipa water wall, disamping mempersulit pembuangan dari pintu ekspansion door (pintu keluar untuk abu dan arang) akibat terjadinya penumpukan yang berlebihan.

Gambar 2.31 Fiber kelapa sawit

Gambar 2.32 Cangkang sawit

Komposisi Bahan Bakar Cangkang dan Fiber

Pada Palm Oil Mill ini menggunakan ketel uap pipa air BOILERMECH berbahan bakar cangkang dan fiber. Penulis akan mencari nilai kalor dari cangkang dan fiber tersebut. Adapun data yang diperoleh dari Palm Oil Mill mengenai kandungan unsur-unsur yang terdapat pada cangkang dan fiber pada

perbandingan 1 : 3 dan komposisi 1 kg bahan bakar cangkang dan fiber adalah sebagai berikut:

Tabel 2.1 Komposisi dari unsur-unsur kimia bahan bakar

Nama Unsur	Cangkang	Fiber
Karbon (C)	61,34 %	40,00 %
Hidrogen (H₂)	3,25 %	4,25 %
Oksigen (O₂)	31,16 %	30,29 %
Nitrogen (N₂)	2,45 %	22,29 %
Abu	1,80 %	3,17 %

Sumber : Palm Oil Mill

Maka komposisi 1 kg bahan bakar adalah sebagai berikut :

1

C = ( x 61,34 %) +

4 ( x 40,00%) 4

= 45,335 % = 0,45335 kg

H₂ =

( x 3,25 % ) +

4

( x 4,25%)

4

= 4 % = 0,04 kg

O₂ =

N₂ =

Abu =

( x 31,16 %) 4

( x 2,45 % ) 4

( x 1,80 %) 4

+ ( x

4

+ ( x

4

+ ( x

4

30,29 %)

22,29 %)

3,17 %)

= 30,5075 % = 0,305075 kg

= 17,330 % = 0,17330 kg

= 2,8275 % = 0,028275 kg

= 100 % = 1,00 kg

2.6 Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah siklus teoritis yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi, oleh karena itu fluida kerja untuk siklus Rankine harus merupakan uap. Siklus Rankine ideal tidak melibatkan beberapa masalah irreversibilitas internal. Irreversibilitas internal dihasilkan dari gesekan fluida, throttling, dan pencampuran, yang paling penting adalah irreversibilitas dalam turbin dan pompa dan kerugian-kerugian tekanan dalam penukar-penukar panas, pipa-pipa, bengkokan-bengkokan, dan katup-katup.

Temperatur air sedikit meningkat selama proses kompresi isentropik karena ada penurunan kecil dari volume jenis air, air masuk boiler sebagai cairan kompresi pada kondisi 2 dan meninggalkan boiler sebagai uap kering pada kondisi 3. Boiler pada dasarnya penukar kalor yang besar dimana sumber panas dari pembakaran gas, reaktor nuklir atau sumber yang lain ditransfer secara esensial ke air pada tekanan konstan. Uap superheater pada kondisi ke 3 masuk ke turbin yang mana uap diexpansikan secara isentropik dan menghasilkan kerja oleh putaran poros yang dihubungkan pada generator lisrik. Temperatur dan tekanan uap jatuh selama proses ini mencapai titik 4, dimana uap masuk ke kondensor dan pada kondisi ini uap biasanya merupakan campuran cairan-uap jenuh dengan kualitas tinggi.

Uap dikondensasikan pada tekanan konstan di dalam kondensor yang merupakan alat penukar kalor mengeluarkan panas ke medium pendingin.

Gambar 2.33 Diagram alir siklus Rankine sederhana

Gambar 2.34 Diagram T-s siklus Rankine sederhana

Salah satu modifikasi dari siklus Rankine dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 2.35 Diagram alir siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi Uap panas lanjut dari ketel memasuki turbin, setelah melalui beberapa

tingkatan sudu turbin, sebagian uap diekstraksikan ke deaerator, sedangkan sisanya masuk ke kondensor dan dikondensasikan didalam kondensor. Selanjutnya air dari kondensor dipompakan ke deaerator juga. Di dalam deaerator, uap yang berasal dari turbin yang berupa uap basah bercampur dengan air yang berasal dari kondensor. Kemudian dari deaerator dipompakan kembali ke ketel, dari ketel ini air yang sudah menjadi uap kering dialirkan kembali lewat turbin.

Tujuan uap diekstraksikan ke deaerator adalah untuk membuang gas-gas yang tidak terkondensasi sehingga pemanasan pada ketel dapat berlangsung efektif, mencegah korosi pada ketel, dan meningkatkan efisiensi siklus.

Untuk mempermudah penganalisaan siklus termodinamika ini, proses- proses tersebut di atas disederhanakan dalam bentuk diagram berikut :

Gambar 2.36 Diagram T-s siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi

Siklus Rankine terbuka pada boiler yang ada di Palm Oil Mill:

Gambar 2.37 Diagram alir siklus Rankine terbuka

Gambar 2.38 Diagram T-s siklus Rankine terbuka

2.7 Proses Pembentukan Uap

Sebagai fliuda kerja di ketel uap, umumnya digunakan air (H₂O) karena bersifat ekonomis, mudah di peroleh, tersedia dalam jumlah yang banyak, serta mempuyai kandungan entalpi yang cukup tinggi bila dibandingkan dengan fluida kerja yang lain.

Penguapan adalah proses terjadinya perubahan fasa dari cairan menjadi uap. Apabila panas diberikan pada air, maka suhu air akan naik. Naiknya suhu air akan meningkatkan kecepatan gerak molekul air. Jika panas terus bertambah secara perlahan-lahan, maka kecepatan gerak air akan semakin meningkat pula, hingga sampai pada suatu titik dimana molekul-molekul air akan mampu melepaskan diri dari lingkungannya (100^o) pada tekanan 1[kg/cm²], maka air secara berangsur-angsur akan berubah fasa menjadi uap dan hal inilah yang disebut sebagai penguapan.

Proses perubahan fasa air menjadi uap dapat digambarkan pada diagram T- S seperti gambar dibawah:

Gambar 2.39 Diagram T-S

Keterangan:

1-2 : Pipa-pipa evaporator pipa penguat 2-3 : Pipa-pipa superheater

1-3 : Ketel uap

2.8 Metode Pengkajian Efisiensi Boiler

Metode yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan pada skripsi ini adalah metode langsung. Secara umum skripsi ini akan membahas analisa nilai kalor bahan bakar dan perhitungan efisiensi boiler.

Efisiensi adalah suatu tingkatan kemampuan kerja dari suatu alat. Sedangkan efisiensi pada boiler atau ketel uap yang didapatkan dari perbandingan antara energi yang dipindahkan atau diserap oleh fluida kerja didalam ketel dengan masukan energi kimia dari bahan bakar.

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.

Metodologi Dikenal juga sebagai „metode input-output’ karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus:

Efisiensi Boiler (η) =

Efisiensi Boiler (η) =

Keterangan: W_s = kapasitas produksi uap ( kg uap/jam )

W_f = konsumsi bahan bakar ( kg/jam ) h₃ = entalpi uap ( kJ/kg )

h₁ = entalpi air umpan/pengisi ketel ( kJ/kg ) LHV = nilai kalor pembakaran rendah (kJ/kg)

Keuntungan metode langsung

- Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler

- Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan

- Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan

- Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark

Kerugian metode langsung

- Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistem yang lebih rendah

- Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi

2) Metode Tidak Langsung

Efisiensi merupakan perbedaan antar kehilangan dan energi masuk. Metodologi Standar acuan untuk Uji Boiler di tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 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 sebagai berikut:

Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)

Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh:

i. Gas cerobong yang kering

ii. Penguapan air yang terbentuk karena H₂ dalam bahan bakar

iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar

iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran

v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash

vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash

vii. 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:

- Analisis ultimate bahan bakar (H₂, O₂, S, C, kadar air, kadar abu)

- Persentase oksigen atau CO₂ dalam gas buang

- Suhu gas buang dalam ^oC (T_f)

- Suhu awal dalam ^oC (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering

- LHV bahan bakar dalam kkal/kg

- Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat)

- LHV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)

Keuntungan metode tidak langsung

Dapat diketahui neraca bahan dan energi yang lengkap untuk setiap aliran, yang dapat memudahkan dalam mengidentifikasi opsi-opsi untuk meningkatkan efisiensi boiler.

Kerugian metode tidak langsung

- Perlu waktu lama

- Memerlukan fasilitas laboratorium untuk analisis.

Untuk penyusunan skripsi ini penulis menganalisa dengan metode langsung, dimana penulis mengambil data secara langsung dilapangan meliputi :

- Steam pressure superheater (bar)

- Temperatur feed tank (^oC)

- Temperatur daerator (^oC)

- Temperatur out let steam (^oC)

- Steam flow (ton uap/jam)

2.9 Neraca Panas

Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masing-masing.

$Description: D:\PROPOSAL\SKRIPSI\Untitled.jpg$

Gambar 2.40 Diagram neraca energi boiler

Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.

$Description: D:\PROPOSAL\SKRIPSI\Untitled 2.jpg$

Gambar 2.41 Kehilangan pada Boiler yang Berbahan Bakar Batubara

Kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak atau dapat dihindarkan. Tujuan dari Produksi Bersih dan/atau pengkajian energi harus mengurangi kehilangan yang dapat dihindari, dengan meningkatkan efisiensi energi. Kehilangan berikut dapat dihindari atau dikurangi:

Kehilangan gas cerobong:

- Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan).

- Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan), beban; burner yang lebih baik dan teknologi boiler).

Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang lebih baik),

Kehilangan dari blowdown (pengolahan air umpan segar, daur ulang kondensat),

Kehilangan kondensat (manfaatkan sebanyak mungkin kondensat) Kehilangan konveksi dan radiasi (dikurangi dengan isolasi boiler yang lebih baik).

2.10 Nilai kalor (Heating Value)

Nilai kalor merupakan energi kalor yang dilepaskan bahan bakar pada waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut.

Bahan bakar adalah zat kimia yang apabila direaksikan dengan oksigen (O2) akan menghasilkan sejumlah kalor. Bahan bakar dapat berwujud gas, cair, maupun padat. Selain itu, bahan bakar merupakan suatu senyawa yang tersusun atas beberapa unsur seperti karbon (C), hidrogen (H), belerang (S), dan nitrogen (N).

Kualitas bahan bakar ditentukan oleh kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi. Kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi ini

sangat ditentukan oleh nilai bahan bakar yang didefinisikan sebagai jumlah energi yang dihasilkan pada proses pembakaran per satuan massa atau persatuan volume bahan bakar.

Nilai pembakaran ditentukan oleh komposisi kandungan unsur di dalam bahan bakar. Dikenal dua jenis pembakaran (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat- pesawat Konversi Energi 1 (Ketel Uap) 1988:160), yaitu:

1. Nilai Kalor Pembakaran Tinggi

Nilai kalor pembakaran tinggi atau juga dikenal dengan istilah High Heating Value (HHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan air dari proses pembakaran ikut diperhitungkan sebagai panas dari proses pembakaran.

Dirumuskan dengan:

HHV = 33950 C + 144200 (H₂ – O₂/8) + 9400 S kj/kg

2. Nilai Kalor Pembakaran Rendah

Nilai kalor pembakaran rendah atau juga dikenal dengan istilah Low Heating Value (LHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan uap air dari hasil pembakaran tidak ikut dihitung sebagai panas dari proses pembakaran.

Dirumuskan dengan:

LHV = HHV – 2411 (9H₂) kj/kg

2.11 Kebutuhan Udara Pembakaran

Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar secara sempurna yang meliputi :

a. Kebutuhan udara teoritis (Ut) :

Ut = 11,5 C + 34,5 (H-O/8) + 4,32 S kg/kgBB

b. Kebutuhan udara pembakaran sebenarnya/aktual (Us) : Us = Ut (1+α) kg/kgBB

2.12 Gas Asap

Reaksi pembakaran akan menghasilkan gas baru, udara lebih dari sejumlah energi. Senyawa-senyawa yang merupakan hasil dari reaksi pembakaran disebut gas asap.

a. Berat gas asap teoritis (Gt) Gt = Ut + (1-A) kg/kgBB

Dimana A = kandungan abu dalam bahan bakar (ash) Gas asap yang terjadi terdiri dari:

- Hasil reaksi atas pembakaran unsur-unsur bahan akar dengan O₂ dari udara seperti CO₂, H₂O, SO₂

- Unsur N₂ dari udara yang tidak ikut bereaksi

- Sisa kelebihan udara

Dari reaksi pembakaran sebelumnya diketahui: 1 kg C menghasilkan 3,66 kg CO₂

1 kg S menghasilkan 1,996 kg SO₂

1 kg H menghasilkan 8,9836 kg H₂O

Maka untuk menghitung berat gas asap pembakran perlu dihitung dulu masing-masing komponen gas asap tersebut (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:196):

Berat CO₂	=	3,66 C kg/kg
Berat SO₂	=	2 S kg/kg
Berat H₂O	=	9 H2 kg/kg

Berat N₂	=	77% Us kg/kg
Berat O₂	=	23% 20% Ut

Dari perhitungan di atas maka akan didapatkan jumlah gas asap: Berat gas asap (Gs) = W CO₂ + W SO₂ + W H₂O + W N₂ + W O₂ Atau

b. Berat gas asap sebenarnya (Gs) Gs = Us + (1-A) kg/kgBB

Untuk menetukan komposisi dari gas asap didapatkan: Kadar gas = (W gas tersebut / W total gas) x 100%

2.13 Volume Gas Asap

Jumlah oksigen adalah 21% jumlah udara pembakaran. Jadi:

V(o₂) = 21% (V_a)_act ; belum termaksud oksigen yang dikandung dalam bahan bakar. Oksigen yang terdapat dalam bahan bakar tergantung persentasenya.

Dengan demikian maka volume gas asap basah adalah :

Vg = 1,24 (9 H₂) m³/kgBB

Dimana :

Vg = Volume gas asap (m³/kgBB) C = Nilai carbon bahan bakar

S = Nilai Sulfur bahan bakar H₂ = Nilai Hidrogen bahan bakar

2.14 Perhitungan Efisiensi Boiler

Daya guna (efisiensi) boiler adalah perbandingan antara konsumsi panas dengan suplai panas (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:223).