Dasar Generator Uap

Saturday, 24 April 2010

Generator uap dapat diartikan sebagai piranti yang mampu mengubah air menjadi uap air dengan memanfaatkan energy termal untuk berbagai keperluan baik dalam proses pembangkitan energy listrik (PLTU) maupun dalam proses indutri lainnya seperti industri pengolahan makanan, pulp, kertas, pengolah limbah-limbah padatan, industri minyak dan petrochemical.

Di dalam merancang sebuah generator uap (boiler), seorang insinyur harus mampu mengakomodasi berbagai parameter seperti ilmu pengetahuan dasar, karakteristik baha bakar yang akan digunakan, proteksi lingkungan, efisiensi termal, biaya investasi dan operasi, serta kondisi geografis dimana boiler tersebut akan ditempatkan termasuk dalam hal ini adalah kondisi cuaca atau iklim dari daerah tersebut. Harapannya adalah mampu terciptakan boiler yang sesuai kebutuhan baik ditinjau dari segi teknis, ekonomis, dan sosial kemasyarakatan. Secara teknis, boiler harus mampu menyuplai uap secara kontinyu dan sesuai dengan kebutuhan yang diinginkan. Kelebihan suplai uap akan mempengaruhi efisiensi ekonomis sedangkan kekurangan suplai uap akan mengganggu jalannya proses secara keseluruhan. Pemilihan material penyusun boiler juga perlu diperhatikan karena berkaitan langsung dengan keamanan kerja dan biaya investasi. Dari segi bahan bakar, diusahakan menggunakan bahan bakar yang sesuai dengan kondisi keuangan dengan tanpa mengabaikan kelestarian lingkungan.

Isu yang menyangkut kelestarian lingkungan turut berimbas pada perkembangan teknologi boiler. Hal ini telah memacu perancangan boiler yang ramah lingkungan ditandai dengan peningkatan sistem pembakaran yang akan mengurangi timbulnya gas NOx dan penigkatan efisiensi untuk mengurangi kadar emisi gas karbon dioksida (CO2). Oleh karena itu, dikenalkanlah teknologi pressurized fluidized-bed combustion dan integrated gasification combined cycle system.

Dasar Pembangkitan Uap

Pendidihan (boiling)

Didalam proses pembangkitan air menjadi uap, kalor diberikan secara kontinyu sehingga air akan mengalami peningkatan suhu sampai pada titik cair jenuhnya. Apabila pada kondisi ini kalor tetap diberikan ke fluida kerja (air), maka fluida kerja tidak akan mengalami peningkatan temperatur tetapi kualitas uap akan mengalami peningkatan. Dengan penambahan kalor secara terus-menerus, fluida kerja akan mencapai titik uap jenuh dimana seluruh massa H2O(l) dapat diubah menjadi H2O(g). Jika kalor masih diberikan, maka fluida kerja akan mencapai kondisi superheated. Peningkatan tekanan kerja akan meningkatkan titk cair jenuh dan titik uap jenuhnya. Demikian pula sebaliknya, jika tekanan kerja diturunkan, maka titik cair jenuh dan titik uap jenuh juga akan mengalami penurunan. Suplai air ke boiler harus dijaga dan diperhatikan sehingga terjadi kesetimbangan massa antara uap yang dipakai pada proses selanjutnya dan air yang memasuki boiler. Jika hal ini tidak tercapai, maka dapat dipastikan boiler akan mengalami kerusakan teknis dan proses secara keseluruhan akan mengalami masalah.

Sirkulasi

Sirkulasi merupakan proses mengalirnya fluida kerja melewati pipa-pipa. Ini dapat ditemukan pada teknologi pressurized fluidized-bed combustion dan integrated gasification combined cycle system. Sistem sirkulasi dapat dibagi menjadi dua, sistem alami dan sistem tekan.  Sistem alami memanfaatkan gaya gravitasi bumi untuk menyirkulasikan fluida kerja. Aliran dapat terbentuk karena perbedaan berat jenis anatara air sebelum disuplai kalor dan campuran uap-air yang sudah disuplai kalor. Sedangkan system tekan terdapat pompa untuk menciptakan tekanan sehingga air akan tersuplai ke zona penambahan kalor. Sistem tekan biasa digunakan pada boiler-boiler dengan kapasitas uap yang sangat besar.

Empat hal yang turut memengaruhi sirkulasi rataan total pada sistem sirkulasi alamiah :

1.       Tinggi lengan boiler : ini berpengaruh pada beda tekan yang implikasinya pada debit aliran.2.       Tekanan operasi: tekanan operasi yang tinggi akan berpengaruh pada densitas fluida kerja.3.       Kalor input 4.       Area aliran bebas komponennya.

Terkadang pada sisten sirkulasi tekan, drum uap tidak diperlukan lagi  karena generator uap sudah dirancang di atas titik tekan kritisnya. Oleh karena itu, akan terjadi penghematan investasi.

Penyusunan Sistem dan Komponen Kunci

Generator uap merupakan bagian yang penting dari sebuah sistem yang sangat luas dan memiliki banyak subsistem dan komponen. Subsistem-sunsistem tersebut diantaranya generator uap, dapur pembakaran, turbin, heat rejection, dan menara pendingin.

Tiap-tiap subsistem memilki peran yang berbeda-beda. Subsistem bahan bakar akan menyimpan suplai bahan bakar cadangan, mempersiapkan untuk proses pembakaran dan mengantarkannya ke generator uap. Subsistem udara akan menyediakan udara yang dibutuhkan untuk proses pembakaran dengan menggunakan kipas-kipas pemaksa. Subsistem generator uap (termasuk di dalamnya air heater) akan membakar campuran udara bahan bakar , recover kalor, dan membangkitkan dan mengontrol tekanan tinggi serta temperature yang tinggi pada uap.  Gas panas sisa pembakaran kemudian melewati subsistem scrubbing yang mana di sini terjadi pengumpulan polutan dan pemindahan abu atau sisa padatan lainnya. Kemudian gas panas sisa pembakaran dikeluarakan melalui cerobong asap dengan bantuan kipas induksi.

Selanjutnya boiler akan menyuplai uap bertekanan dan bertemperatur tinggi ke turbin uap. Ekspansi uap di dalam turbin akan menyebabkan perputaran pada poros turbin dan akan turut menggerakkan generator listrik. Terkadang  juga terdapat mekanisme reheater dimana uap yang berekspansi di turbin pada tekanan yang tertentu di ekstraksi dan dimasukkan ke boiler untuk mengalami pemanasan ulang dan masuk ke turbin tekanan rendah.  Pada akhirnya uap sisa dari turbin tekanan rendah dilewatkan ke penukar kalor dimana pada penukar kalor kadang juga dipasang feed water heater. Kalor diserap oleh kondenser dan dibuang ke atmosfer melalui menara pendingin.

Klasifikasi Generator Uap Berbahan bakar Fossil

Generator uap dapat diklasifikasikan berdasrkan penggunaannya, metode pengapiannya, tekanan operasinya, bahan bakar, dan metode sirkulasi.

Pengaruh dari Sumber Energi

Sebuah boiler memerlukan pasokan energy termal dalam pekerjaanya. Energi termal dapat diambil dari batubara, biomas, dan atau energy nuklir. Pemilihan bahan bakar primer amat penting tidak hanya ditinjau dari aspek  financial akan tetapi juga sangat berpengaruh terhadap desain boiler secara keseluruhan. Misalnya saja ketika kita memilih boiler berbahan bakar batubara tentunya akan memiliki perbedaan rancangan dengan boiler bertenaga nuklir. Secara kasat mata, boiler berbahan bakar batubara akan membutuhkan ruangan yang lebih luas dibandingkan dengan nuklir.

Untuk pembnagkit uap bertenaga nuklir, perkembanagn difokuskan pada keamanan dan pengamanan terhadap kemungkinan terjadinya kebocoran radiasi. Oleh karena itu dalam pemilihan material boiler perlu dipertimbangkan aspek radiokatifitas, konduktivitas termal, korosivitas, dan kekuatan mekanisnya.

Sistem generator uap akan terasa sangat kompleks apabila bahan bakar yang digunakan merupakan bahan bakar dengan tingkat emisi padatan yang sangat tinggi seperti batubara. Minimalnya harus terdapat peralatan pembersih abu, air preheating, perlengkapan perlindungan lingkungan termasuk didalmnya penanganan limbah padatan. Selain itu, proses pembakaran juga sangat penting karena akan berkaitan secara langsung dengan kontrol emisi, korosi material, dan proses perpindahan kalornya. Debit bahan bakar harus dihitung secara cermat agar mampu membangkitkan uap sesuai dengan kebutuhan.

Sistem Bahan Bakar Fosil

Komponen Generator Uap Berbahan bakar Fosil

1.       Dapur, merupakan tempat terjadinya pembakaran dan pendingin gas buang sebelum memasuki saluran konveksi. Besarnya geometri dapur tergantung kapasitas dan tipe bahan bakarnya.

2.       Saluran konveksi, merupakan tempat yang menghubungkan boiler dengan pipa-pipa superheater, reheater, dan economizer.

3.       Steam superheater dan Steam reheater, merupakan piranti yang didesai secara khusus untuk meningkatkan temperature uap jenuh. Prinsip kerjanya mirip dengan penukar kalor dengan aliran uap berada di dalam pipa dan aliran uap panas mengalir secara tegak lurus di luar pipa-pipa tersebut. Materialnya biasanya berupa campuran baja tahan suhu tinggi. Yang membedakan antara  reheater dan superheater adalah tekanan kerjanya dimana superheater memiliki tekanan kerja yang lebih tinggi.

4.       Boiler atau steam generating bank, dibutuhkan ketika dapur kemungkinan tidak cukup untuk membangkitkan uap jenuh sesuasi kebutuhan.

5.       Economizer, merupakan penukar kalor aliran berlawanan untuk menutup kembali energy dari gas uap panas yang melewati superheater.

6.       Steam drum, merupakan bejana silindris yang sangat luas dimana didalmnya terjadi proses pemisahan uap jenuh dari campuran uap-air. Dibuat dari plat baja tebal yang digulung menjadi silindris dengan bagian kepalanya berbentuk bulat.

7.       Attemperator dan system pengatur temperature uap. Atemperator 8.       Air heater

Sistem Aliran  Uap-Air

Feed water heater memasuki pipa ekonomizer dengan arah aliran berkebalikan dengan arah gas uap panas dan berkumpul di outlet header yang berada di dalam aliran gas uap panas. Air kemudian mengalir melalui sejumlah pipa yang menghubungkan bagian outlet header dari ekonomizer dengan steam drum. Pipa pipa tersebut dipasang secara vertical melalui saluran konveksi yang berada di puncak boiler. Air ini kemudian diinjeksikan ke steam drum sehingga bercampur dengan air yang berasal dari separator yang mana akan dialirkan melalui down comer. Air ini kemudian akan mengalami penambahan kalor setelah dilewatkan di bagian dapur pembakaran. Setelah melewati dapur pembakaran air akan mengalami perubahan fase menjadi campuran uap-air. Campuran uap-air akan menuju separator dan terjadi proses pemisahan antara uap murni dan air di sini. Embun hasil dari proses separasi akan memasuki separator ke-2, dan uap kering akan dialirkan ke superheater melalui sejumlah drum outlet connections.

Aliran uap memiliki 2 fungsi : mendinginkan aliran konveksi dan membangkitkan kondisi uap superheated. Uap dari drum kemudian melewati koneksi berganda sampai ke header dan menyuplai roof tubes dan bagian yang lain akan menyuplai panel membrane di dalam aliran konveksi. Uap mengalir melalui panel membrane sampai ke outlet header. Uap dari sini dan dari roof tube outlet header akan mendinginkan aliran konveksi horizontal dan berkumpul di outlet header. Aliran uap muncul melalui superheater primer dan keluar melalui outlet header dan menghubungkan piping equipped  denagan atemperator spray.  Itu kemudian memasuki inlet header dari superheater yang ke-2, mengalir melalui bagian superheater.

Sistem Pembakaran

Kebanyakan di dalam system pembangkit uap memiliki poranti tambahan terutama dalam hal persiapan bahan bakar dan system pembakarannya, seperti :

1.       Persiapan bahan bakar : feeder dan pulverizers2.       Sistem pembakaran : burner, flame scanners, lighters, pengendali, windbox3.       Penanganan gas dan udara : kipas, peredam, sistem pengukuran dan kendali, silencers, dan

berbagai peralatan tambahan lain semacam sootblowers, ash collection, monitoring equipment,dll.Sistem pengalir Udara-Gas

Udara disuplai oleh kipas forced draft ke pemanas udara untuk menutup kembali energi yang hilang dan meningkatkan pembakaran. Udara yang ke-2(panas, 70%) melewati windbox secara langsung dimana itu didistribusikan ke burner. Udara primer(30%) menuju kipas booster dan kemudian sampai ke coal pulverizers. Udara panas ini akan menarik serbuk batubara ke burners dan bercampur dengan udara ke-2 sehingga akan terjadi proses pembakaran. Gas panas hasil

pembakaran akan mengalir ke atas dan akan mengalami pendinginan karena proses radiasi sampai keluar dari dapur. Gas panas kemudian memasuki superheater ke-2, reheater, superheater pertama dan ekonomizer sebelum meninggalkan generator uap. Gas melewati air heater dan kemudian melalui peralatan pengendali polusi dan kipas induksi sebelum dilepas ke atmosfer.

Kontrol Emisi

Proteksi lingkungan merupakan hal yang amat p0enting bagi perancangan suatu generator uap. Batasan-batasan kandungan polutan seperti SOx dan NOx telah diatur oleh pemerinth melalui regulasi. Oleh karena itu, kejelian dalam memilih bahan bakar amat dibutuhkan termasuk dalam pemilihan teknik-teknik pembakaran serta peralatan yang akan digunakan. SO2 an NOx dapat dikurangi dengan pemilihan bahan bakar rendah sulfur dan fuidized-bed combusters. Sementara itu, keluaran air dapat dikurangi dengan memakai recirculating cooling system. 

Boiler Furnace dan Rancangan Fireside

Friday, 3 September 2010

FURNACE DESIGN          Boiler furnace adalah sebuah ruang dimana reaksi pembakaran dapat diisolasi dan dibatasi

sehingga reaksi tadi dapat dikendalikan.

Furnace mengkonversi / mengubah energi kimia laten menjadi bentuk dinamik yaitu panas.

Furnace design berpengaruh besar terhadap keberhasilan performa dari boiler tersebut. Adanya

kerusakan pada furnace dapat menyebabkan proses maintenance atau system pengopersian

menjadi terganggu. Akibatnya, dapat membuat efisiensi dan availability boiler menjadi rendah.

Design dari furnace harus sesuai dengan permintaan boiler, pembakaran bhn bakar, burner equipment, jenis bahan bakar, karakteristik abu dan sistem baffle (penyangga).  KLASIFIKASI FURNACE

1.  Berdasarkan konstruksi dinding,yaitu :a)      Solid refractoryb)      Air cooled refractoryc)      Water wall (water cooled)

2.  Berdasarkan tekanan boiler, yaitu :a)      balanced draftb)      pressurizedc)      supercharger

3.  Berdasarkan jenis bahan bakar, yaitu :a)      batubarab)      minyakc)      gasd)     sisa bahan bakar yang tidak terbakar dalam furnace.

4.  Berdasarkan metode pembakaran, yaitu :a)      hand firedb)      stoker firedc)      pulverized coal firedd)     dutch oven

 

BOILER FURNACE WALL     A. Refractory Wall 

Refractory Wall Boiler ( http://ptmtico.indonetwork.co.id/)         Biasanya digunakan dengan hand-firing dan stoker-firing. Refractory bila diterjemahkan secara bebas adalah Material Tahan Panas. Karena panas sering dihubungkan dengan api, maka dapat disebut juga Material Tahan Api.

Bahan utama penyusun Refractory adalah mirip dengan keramik yaitu unsur-unsur tanah yang dimurnikan. Unsur utama refractory biasanya adalah Alumina atau Al2O3 dan silika atau SiO2. Unsur penunjang tambahan antara lain MgO , Zircon ZrO2 dan Fe2O3.

Aplikasi refractory banyak dipakai atau dibutuhkan di industri yang menggunakan Furnace, Kiln atau dapur peleburan seperti industri Gelas, Kaca, Steel, Aluminium dan pembakaran seperti Industri Keramik, sebagai bahan penyekat antara produk yang bersuhu tinggi dengan udara luar,

atau sebagai wadah tempat produk mengalami proses peleburan. Material penyusun berbeda untuk setiap aplikasi, misalkan untuk Gelas banyak menggunakan Alumina, Silika, Zircon ; sedang untuk Steel mengandung banyak Magnesium. Pembuatannya ada beberapa cara, yaitu seperti proses pembuatan batu bata. Adukan material dimasukkan ke cetakan, atau seperti membuat puding, cairan dituang ke cetakan lalu dibiarkan dingin, lalu dibakar pada suhu sekitar 1250 Deg Celcius hingga mengeras. Untuk refractory yang berupa cement, biasanya dipakai untuk menambal atau menambah ketebalan refractory tersebut, material langsung dipakai di bagian yang ingin disekat.

Refractory selalu digunakan dengan pengapian manual dan kadang dengan pengapian “stoker”(juru api) Air cooled wall mempunyai spasi antara garis refractory dan rangkaian luar malalui uadara yang bersirkulasi. Meskipun merupakan metode yang ekonomis dari preheating pembakaran udara. Air cool furnace bukan merupakan konstruksi yang bagus krena sukar mencegahkotoran masuk dalam furnace dan tidak cukup udara sebagi pendingiin pada laju pembakaran yang cukup tinggi.

Clinker chills (batu bara yang dingin) peleburan batu bara dapat melekat pada refractory wall. Oleh karena itu penerapan water cooled surfaces dipakai untuk melindungi refractory wall.Water back untuk mengurangi bhn bakar yg tdk terbakar dan dimasukkan kembali dalam ash pit, melindungi panghubung dinding dan mencegah sisa batu bara agar tidak menempel dinding. Air kembali menuju tempat perappian batu bara (grate). Water back berfungsi untuk.

     B. Water Cooled Wall

water-cooled wall boiler (ke-kaercher.com)           Merupakan ruang furnace dengan air yang mengalir secara menyeluruh atau hanya sebagian yang dikelilling oleh tubes pembawa air. Dengan menyerap panas  maka tubes dapat mencegah kerusakan furnace pada suhu tinggi.

Lebih mahal daripada Refractory Walls akan tetapi dapat Water-cooled Walls bisa dalam kondisi pengoperasian yang lebih baik.

Skema Water-cooled wall (tsktpe.com.tw)  Furnace water walls termasuk bagian dasar dan atap dari furnace didesain sebagai bareplat bare tube, dan extended surface tube.

     Bare-plate Wallsemua boiler baik portable atau integral mempunyai bare plat wall. bareplate wall kuat terhadap gas dan tidak diletakkkan pada refractory.     Plain-tube wallterletak didepan refractory wall, sepert dinding bayangan, untuk mengurangi jumlah hubungan dari ujung masing-masing tube ketika tube dibersihkan     Extended Surface walluntuk memberikan penyerapan pans lebih banyak ke dalam tubes, terdapat pada pada tube dan dilas pada fin pada tip2 tube.     Protected tube wall             melindungi tube dari api dengan menutupi tube menggunakan metal block atau refractory block,             untuk mengurangi erosi dan korosi yang disebabkan oleh hasil pembakaran atao waste heat,              dan slag (terak)

Sistem Distribusi Uap

Sistim distribusi steam4 merupakan hubungan penting antara pembangkit steam dan pengguna steam. Terdapat berbagai macam metoda untuk membawa steam dari pusat sumber ke titik penggunaan. Pusat sumber mungkin berupa ruang boiler atau pengeluaran dari plant kogenerasi. Boiler dapat menggunakan bahan bakar primer, atau boiler limbah panas yang menggunakan gas buang dari proses bersuhu tinggi, mesin- mesin atau bahkan insinerator. Apapun sumbernya, sistim distribusi steam yang efisien adalah penting untuk pemasokan steam dengan kualitas dan tekanan yang benar ke peralatan yang menggunakan steam. Pemasangan dan perawatan sistim steam merupakan hal penting dan harus sudah dipertimbangkan mulai tahap perancangan.Steam yang dihasilkan pada boiler harus dibawa melalui pipa kerja ke titik dimana energi panasnya diperlukan. Pada awalnya hanya terdapat satu atau lebih pipa utama, atau saluran pipa steam’, yang membawa steam dari boiler kearah plant yang menggunakan steam. Pipa-pipa cabang yang lebih kecil membawa steam ke masing- masing peralatan. Ketika kran isolasi boiler utama (kadangkala disebut kran ‘mahkota’) dibuka, steam dengan segera melintas dari boiler menuju dan sepanjang saluran pipa steam ke titik pada tekanan rendah. Pipa kerja pada mulanya lebih dingin daripada steam, sesampai panas dipindahkan dari steam ke pipa. Udara disekitar pipa-pipa juga sebelumnya lebih dingin dari steam, kemudian pipa kerja akan mulai memindahkan panas steam ke udara. Steam yang berkontak dengan pipa yang lebih dingin akan mulai mengembun dengan segera.Pada saat start-up, laju kondensasi akan berada pada nilai maksimumnya, hal ini merupakan waktu dimana terjadi perbedaan suhu yang maksimum antara steam dan pipa kerja. Laju kondensasi ini biasanya disebut ‘beban permulaan’. Begitu pipa kerja telah dihangatkan, perbedaan suhu antara steam dan pipa kerja menjadi minimal, namun kondensasi akan terjadi karena pipa kerja masih terus memindahkan panas ke udara sekitar. Laju kondensasi ini disebut ‘beban berjalan’.Hasil dari kondensasi (kondensat/embun) jatuh ke bagian bawah pipa dan dibawa oleh aliran steam yang dibantu oleh gaya gravitasi, karena sudut kemiringan pada saluran pipa steam dibuat diatur turun pada arah aliran steam. Kondensat kemudian harus dikeluarkan dari berbagai titik strategis pada saluran pipa steam. Ketika kran pada pipa steam yang melayani bagian plant yang menggunakan steam dibuka, steam mengalir dari sistim distribusi masuk ke plant dan terjadi lagi kontak dengan permukaan yang lebih dingin.Steam kemudian memindahkan energinya dan menghangatkan peralatan dan produk beban permulaan), dan, bila telah mencapai suhunya, pemindahan panas berlanjut ke proses (beban berjalan). Sekarang terdapat pasokan steam yang sinambung dari boiler untuk mencukupi beban terhubung dan untuk menjaga pasokan ini, harus dihasilkan steam yang lebih banyak lagi. Untuk memenuhi kebutuhan ini, dibutuhkan air yang lebih banyak (dan bahan bakar untuk memanaskan air ini) untuk dipasok ke boiler sebagai air make up yang sebelumnya sudah diuapkan menjadi steam. Kondensat yang terbentuk dalam pipa distribusi steam dan dalam peralatan proses dapat dipakai sebagai pasokan sebagai air umpan panas boiler. Kondensat harus dikeluarkan dari ruang steam, namun kondensat ini juga merupakan komoditi yang sangat berharga yang tidak boleh dibiarkan ntuk menjadi limbah. Mengembalikan seluruh kondensat ke tangki umpan boiler akan menutup loop energi steam, dan harus dilakukan bila memungkinkan.Distribusi tekanan steam dipengaruhi oleh sejumlah faktor, dan dibatasi oleh:§ Tekanan kerja maksimum yang aman bagi boiler

§ Tekanan minimum yang diperlukan pada plantKetika steam melewati pipa distribusi, maka steam tidak dapat menghindari kehilangan tekanannya karena :§ Tahanan gesekan/ friksi didalam pipa.§ Kondensasi/ pengembunan yang terjadi didalam pipa ketika panas dipindahkan kelingkungan.Oleh karena itu pada saat menentukan tekanan distribusi awal, harus ada kelonggaran untuk kehilangan tekanan ini.