TUGAS MATA KULIAH

REKAYASA ENERGI DI INDUSTRI

SANKEY DIAGRAM BOILER PADA PLTU UNIT II PAITON

Disusun oleh:

Riska Ayu (2412100012)

JURUSAN TEKNIK FISIKAFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA

2015

DASAR TEORI

A. PLTUListrik merupakan bagian penting bagi kehidupan kita. Sebagian besar sumber energi

dalam keseharian manusia disokong oleh energi listrik. Sumber dalam melakukan konversi energi untuk menghasilkan energi listrik sangat beragam, mulai dari air, diesel, gas, ataupun uap. PLTU merupakan pembangkit listrik dengan melakukan konversi energi dari energi panas menjadi mekanik, kemudian energi mekanik menjadi energi listrik. Proses ini berlangsung dalam suatu sistem yang berkesimnambungan. Gambar 1 dibawah ini menjelaskannya secara singkat mengenai proses pada PLTU.

Boiler merupakan salah satu komponen penting dalam pembangkitan listrik dengan tenaga uap ini. Sumber energi pada PLTU adalah panas yang dihasilkan dalam suatu pembakaran. Pada boiler inilah pembakaran tersebut berlangsung. Dalam laporan ini akan dijelaskan mengenai metode perhitungan energi (efisiensi) boiler pada PLTU. Terdapat dua metode untuk melakukan perhitungan efisiensi boiler, yaitu metode langsung dan metode tak langsung.

a. Metode langsungEnergi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler.

b. Metode tak langsungEfisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energi yang masuk. [1]

Berikut ini adalah proses yang terjadi pada pembangkit listrik tenaga uap. Gambar berikut akan menjelaskan secara singkat proses yang terjadi.

Gambar 1 Proses pada PLTU

Sistem Pembakaran pada Boiler di PLTU1. Pertama air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh luas permukaan pemindah

panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap.

2. Kedua, uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran.

3. Ketiga, generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar menghasilkan energi listrik  sebagai hasil dari perputaran medan magnet dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik dari terminal output generator

4. Keempat, Uap bekas keluar turbin masuk ke kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air yang disebut air kondensat. Air kondensat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler.

5. Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.

B. PLTU PAITON Unit 2

Gambar 2 PLTU Paiton Unit 2

Gambar diatas merupakan skema sistem pembangkitan di PLTU Paiton Unit 2. Dalam laporan ini akan disusun metode untuk menghitung besar energi yang hilang pada boiler dan energi yang dapat digunakan pada turbin yang merupakan hasil dari proses pembakaran. Pada PLTU Unit 2 Paiton digunakan boiler jenis Fluidized bed Combustion dimana bahan bakar yang digunakan adalah batu bara dengan kapasitas boiler mencapai lebih dari 100T/jam.

Pada boiler jenis ini bahan bakar akan dihancurkan menjadi bagian yang lebih kecil dan dialirkan dengan diberi udara dari bawah boiler. Udara ini dihasilkan oleh Fan yang membuat partikel padat yang terdapat pada boiler tersuspensi dalam aliran udara tersebut. Kemudian diberikan kenaikan kecepatan udara yang menyebabkan pembentukan gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat, dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat sepeti fluida. Partikel dalam keadaan

terfluidisasikan dipanaskan hingga suhu nyala batubara, dan diinjeksikan batu bara, batubara akan terbakar. [1]

C. Perhitungan Efisiensi BoilerBerdasarkan Pedoman Efisiensi Energi untuk industri di Asia

(www.energyefficiencyasia.org) untuk menghitung panas yang terbuang, dapat dilakukan perhitungan dengan langkah-langkah berikut.

Tabel 1 Perhitungan Effisiensi Boiler

Bedasarkan metode tersebut dilakukan perhitungan untuk memdesain diagram Sankey dari proses pembakaran pada Boiler pada PLTU Paiton Unit 2. Dalam melakukan perhitungan dibutuhkan tabel berikut ini untuk melakukan perhitungan analisa. Data yang diambil pada perhitungan ini adalah berdasarkan Tugas Akhir Mahasiswa Teknik Mesin ITS atas nama Aan Zainal yang didapatkan pada Februari-April 2009.

ANALISA DATA

Metode tidak langsung yang digunakan pada laporan ini dilakukan dengan menghitung rugi panas yang dihasilkan boiler. Sebelum perhitungan rugi panas dilakukan, dibutuhkan beberapa data perhitungan. Berikut ini adalah data-data yang dibutuhkan dapat perhitungan heat loss.

A. Analisa Ultimate dan Analisa Proximate

Tabel 2 Analisis Proximate

Analisis Batubara Nilai

Moisture 0,234 kg/kg

Karbon 0,703 kg/kg

Hidrogen 0,053 kg/kg

Nitrogen 0,008 kg/kg

Sulfur 0,003 kg/kg

HHV 5149,11 kcal/kg

Tabel 3 Hubungan analisa ultimate dan analisa proximate

%C = 0,97C+0,7(VM-0,1A)-M(0,6-0,1M)

%H = 0,03C+0,086(VM-0,1A)-0,0035M2

%N = 2,1-0,02M

Dimana

C %fixed carbon

A %abu

VM %volatile matter

M %moiture

Pada persamaan yang menjelaskan tentang hubungan antara analisa ultimate dengan analisa proximate diketahui bahwa nilai volatile matter dapat diperoleh apabila mengetahui nilai nitrogen yang terkandung pada batubara. [%N = 2,1-0,02 VM]. Sehingga, dengan nilai nitrogen diatas diketahui bahwa prosentasi volatile matter adalah 65%.

B. Menghitung Udara Teoritis yang Diperlukan

TAR=

11C+[34,5(H 2−O28 )]+4,32 S

100kg/kg

Berdasarkan data pada tabel 3 diatas diperoleh nilai udara teoritis yang diperlukan untuk sistem pembakaran tersebut adalah 9,06 kg/kg batubara

C. Menghitung Massa Aktual Udara yang akan dipasok

Pada tabel 1 mengenai parameter effisiensi boiler, untuk mengetahui massa actual udara dibutuhkan nilai excess air dan massa CO2 secara teoritis. Berikut adalah metodologi perhitungannya.

CO2 Teoritis

Mol N 2=berat N 2 batubarateoritis ×77Mr N 2

+ berat N 2 batubaraMr N 2

Mol C=berat CMr C

CO2 (teoritis )= Mol CMol N 2+Mol C

=0,1829

Untuk nilai N2 teoritis dihitung berdasarkan persamaan pada tabel 2 dan N2 aktual berdasarkan data pada tebel 1

Excess Air yang di-supply

Nilai CO2a yang diperoleh berdasarkan data pada 18 Februari 2009 adalah 17,25%. Sehingga nilai excess air yang di-supply adalah

7900×(%CO2t−%CO2a)%CO2a×(100−%CO2t )

=5,857 %

Massa Aktual Udara yang dipasokBerdasarkan perhitungan excess air dan udara teoritis diperoleh nilai massa udara yang sehasusnya dipasok, yaitu:

AAS=(1+EA )×TAR=9,59 kg /kgbatubara

Kemudian dilakukan perhitungan heat loss berdasarkan data-data dasar yang telah dihitung diatas. Berikut adalah perhitungan yang dilakukan

1. Menghitung Heat Loss pada Flue Gas Kering

Massa flue gas dapat dihitung melalui persamaan Massa flue gas = massa CO2 + massa N2 di batu bara + massa N2 di pembakaran dengan

udara yang disupply+massa oksigen di flue gas

Sehingga diperoleh massa flue gas yaitu 10.092 kg/kg batubara dan heat losses pada flue gas kering yaitu 5.5%

2. Menghitung Heat Loss karena pembentukan air dari H2

L=9 H 2[584+c p (Tf −Ta )]

HHV batu bara×100=5,92%

3. Menghitung Heat Loss Karena Moisture di Batu bara

L=M [584+c p (Tf −Ta ) ]

HHV batu bara×100=2,90 %

4. Menghitung Heat Loss karena moisture di UdaraKarena temperature dry bulb merupakan temperature ambient yang bernilai 330C. Dan dengan asumsi kelembaban pada plant saat musim hujan yaitu 90% dan musim kemarau 70% sehingga disimpulkan bahwa kelembaban relative rata-rata yaitu 80%. Maka rasio kelembabannya adalah 0,26. Maka untuk menghitung heat loss karena moisture di batubara yaitu

L=AASrasio kelembaban [c p (Tf −Ta) ]

HHV batubara×100=2,68 %

5. Menghitung Heat Loss Karena Pembakaran yang Tidak Sempurna

L=mC p(Tf −Ta)HHV batubara

100

Berdasarkan hasil laboratorium tentang gas buang, didapatkan hasil untuk kadar CO di flue gas sebesar 5mg/m3 dan 24mg/m3 sehingga kadar CO rata-rata bernilai 14,5 mg/m3. Sedangkan untuk debsity dari flue gas sebesar 1,293 kg/m3 sehingga volume spesifik untuk flue gas bernilai 0,77339m3/kg.

Untuk mengetahui kadar CO dalam flue gas dapat dihitung dengan persamaan berikut:

%CO= CO × v̂= 14,5 × 0,7739= 0,0011214%

Sehingga untuk perhitungan lossesnya adalah

L= %CO× C ×5744(%CO+%CO2a) HHV batubara

×100=5,1× 10−5

6. Menghitung Heat Loss yang tidak terhitungUntuk boiler pada pembangkit listrik, nilai dari heat loss yang tidak terhitung antara 0,4% hingga 1%, sehingga diasumsikan menggunakan rata-rata yaitu 0,7%.

7. Menghitung Heat Loss karena Karbon yang tidak terbakarBerdasarkan perhitungan diperoleh bahwa nilai karbon yang terbakar selama proses pembakaran sebesar 0,699kg/kg batubara, maka karbon yang tidak terbakar berkisar 0,301 kgA.kg batubara. Heat loss ini terbagi menjadi dua bentuk yaitu dalam bentuk bottom ash dan fly ash. Perbandingan bottom ash dan fly ash adalah 90:10. Sehinggga dalam bentuk bottom ash bernilai 4,2088% dan dalam bentuk fly ash yaitu 0,0891%. Sehingga titalnya yaitu 4,3%

Total Heat Loss = 5,5% + 5,92% + 2,9% +2,68%+ 0 + 0,7%+4,3% = 22%

Sankey Diagram

Diteruskan ke turbin