Proceeding Seminar Nasional Thermofluid VI Yogyakarta, 29 April 2014

Transkripsi

1 Simulasi CFD untuk Mengetahui Pengaruh Penambahan Batubara Jenis Medium Rank Coal pada Boiler Jenis Low Rank Coal di Power Plant PLTU Suralaya Unit 8 (CFD Simulation to Investigate the Effect of Medium Rank Coal Blending on Low Rank Coal type Boiler on Power Plant PLTU Suralaya Unit 8 ) Nur Ikwan, Giri Nugroho, Wawan Aries Widodo. Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya ikhwan@me.its.ac.id; nur.ikhwan007@gmail.com. Abstract PLTU Suralaya Unit 8 boiler is pulverised coal type and designed for Low Rank Coal with maximum capacity of 625 MW. For improving its heat rate, existing coal, Low Rank Coal (LRC) will be blended with Medium Rank Coal (MRC). However, coal blending can change combustion characteristic and fire ball pattern. Furthermore, it can cause overheating, especially on super heater zone. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation was performed using commercial software AnSys Fluent 14. Simulation was performed on coal consumption and other operating condition of full loading capacity (625 MW), and percentage of MRC as much as: 0,15, 30 and 50%. Percentage of 0% MRC is the existing operating condition and will be used as simulation validation stage. Pulverised coal is modeled as Discrete Phase Model (DPM), combustion is modeled as species transport reaction, tube wall is modeled as heat absorbed wall abd heat exchanger is modeled as porous medium. Simulation with 0% MRC gives similar result with existing condition, where localized overheating occurs on the lower side of super heater. In situ metallography test on the same location showed that tube suffers material (strength) degradation caused by local overheating. Simulation on 15% MRC gives smaller area of overheating. On higher MRC percentage ( 30 and 50%), the area of overheating became smaller and smaller, Since carbon content on MRC is higher than LRC, its burning time will take longer. This condition is advantageous because different burning time will distribute maximum temperature on wider area, where LRC will create high temperature on lowerside (before approaching super heater) and MRC on upper side (after passing super heater). Keywords: CFD, Low rank coal, Medium rank coal, Pulverised coal boiler, species transport combustion. 1. Pendahuluan Boiler pulverised coal dengan pembakaran secara tangensial banyak di gunakan sebagai boiler dalam power plant. Permasalahan yang sering terjadi di operational boiler adalah: adanya karbon yang tidak terbakar, penyebaran panas yang tidak merata dan temperatur lokal yang tinggi pada super heater atau reheater. Simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) mempunyai kemampuan yang baik untuk studi pembakaran dan analisa hasil pembakaran pada boiler skala besar [1-7]. Sejumlah penelitian telah di fokuskan mengetahui pola aliran gas panas dan distribusi suhu pada furnace atas dan penampang melintang pada boiler [8-10]. Temperatur lokal yang tinggi di yakini sebagai penyebab pecahnya tube pada boiler akibat lokal overheating [11,12]. Makalah ini membahas simulasi numerik pada boiler suralaya unit 8. Boiler ini merupakan boiler untuk tipe konsumsi batubara low rank coal dengan kapasitas 625 MW. Untuk menaikkan heat rate (efisiensi), bahan bakar yang standar (Low Rank Coal) akan dicampurkan dengan Medium Rank Coal yang memiliki nilai kalor lebih tinggi. Untuk memastikan bahwa bola api (fire ball) yang terbentuk dan perpindahan panas yang terjadi tidak akan membahayakan (terjadi overhating) pada komponen boiler, perlu dilakukan simulasi CFD guna memprediksi pembentukan bola api dan perpindahan panas yang akan terjadi. Perlu juga diperhatikan mengenai persentase pencampuran yang optimal sehingga tidak menghasilkan lokal overheating yang bisa menyebabkan pecahny tube pada superheater. 2. Metode Boiler suralaya unit 8 dengan kapasitas 625 MW merupakan tipe boiler pembakaran secara tangensial pada ruang bakarnyanya. Susunan heat exchanger didalamnya bisa di lihat pada Gb. 1. Ruang bakar pada boiler ini dirancang untuk LRC, mempunyai 6 level nozzle pengapian dilengkapi dengan sepasang CCOFA (Close-Coupled Over Fire Air) dan sebuah SOFA (Separate Over-Fire Air). Kedua fitur tersebut digunakan untuk menambahkan udara kedalam ruang bakar untuk menyempurnakan pembakaran. Konfigurasi nozzle batubara dan nozzle udara pembakaran pada arah horizontal di desain Fakultas Teknik UGM

2 sedemikian rupa (Gb.2) pada ke empat sudut ruang bakarnya untuk menghasilkan efek udara pembakaran yang berputar (fire-ball). Sedangkan untuk sudut vertikalnya bisa diatur sebesar ±30. Sudut Nozzle arah horizontal dan vertikal dapat di atur secara terpisah dan tidak tergantung satu sama lain yang merupakan kelebihan dari desain boiler ini. Untuk keperluan simulasi, sudut diatur sesuai dengan spesifikasi dari manufaktur Boiler tersebut. Gambar 1 Konfigurasi raung Bakar dan Heat Exchanger Outlet (Pressure Outlet) Gambar 3 Meshing dan syarat batas simulasi Aliran masuk di sudut boiler adalah udara dan serbuk batubara diinjeksikan pada aliran masuk dengan properti sebagai berikut: - Jumlah Injeksi = 10 buah - Partikel Type = Combusting - Material = coal-mv - Diameter Distribution = Rosin-Ramler - Flow Rate = 3.98 kg/sec - Min Diameter = 0,00007 m - Max Diameter = 0,00025 m - Mean Diameter = 0, m - Spread Parameter = 4,52 Reaksi pembakaran dengan model species transport reaction terjadi dengan tahapan sebagai berikut: Gambar 2 Konfigurasi sudut nozzle pada ruang bakar tiap elevasi Simulasi CFD ini dilakukan menggunakan software komersial ANSYS Fluent 14. Pengaruh blending yang terjadi di analisa secara bertahap. Tahap pertama menggunakan analisa empiris. Analisa secara empiris ini meliputi data pengujian batubara, analisis kadar abu dan hasil performance test. Analisis ini dilakukan untuk mendapatakan gambaran umum pengaruh blending LRC dan MRC serta mengetahui sebarapa efisien pengaruh blending. Kondisi operasi standar, 100% LRC, digunakan sebagai validasi simulasi CFD. Model numerik ini menggunakan beberapa penyederhanaan seperti aliran gas panas bersifat steady dan turbulen, aliran serbuk batu bara menggunakan metode discrete phase model (DPM), pembakaran dalam boiler menggunkan metode surface reaction models, perpindahan panas di dalamnya meliputi konduksi, konveksi dan radiasi. Perpindahan panas dalam heat exchnanger menggunakan metode porous medium serta perpindahan panas dalam wall-tube menggunakan heat sink. Meshing domain dan syarat batas simulasi ditunjukkan oleh Gambar 3. mv_vol +1,706 O 2 CO2 + 1,543 H 2 O C(s) + 0.5O 2 CO C(s) + CO 2 2CO C(s) + H 2 O H 2 + CO H O 2 H 2 O CO + 0.5O 2 CO 2 3. Hasil dan Pembahasan Hasil simulasi untuk loading 100% dengan menggunakan bahan bakar full LRC menunjukkan adanya aliran yang tidak steady karena vortex yang ada selalu berubah-ubah. Penyebab dari kondisi ini adalah adanya perubahan arah pusaran aliran flue gas. Pada elevasi mm, pusaran yang terjadi melemah karena pusaran yang ada dilawan oleh aliran pada elevasi mm yang memiliki arah terbalik dengan arah pusaran (gambar 4). Kontur kecepatan di centerline yang sebelumnya memiliki nilai yang rendah karena adanya pusaran, ikut berubah pada level tersebut (gambar 5). Gambar 4 menunjukkan vektor kecepatan dari burner level mm memiliki arah yang berlawanan. Kondisi ini menaikkan olakan (turbulensi) yang dapat meningkatkan proses pencampuran (mixing) sehingga efisiensi pembakaran dapat meningkat. Fakultas Teknik UGM 29

3 Gambar 4 Vektor kecepatan pada tiap level burner Gambar 6 Kontur kecepatan flue gas sebelum melewati daerah superheater burner Gambar 5 Kontur kecepatan pada tiap level Akan tetapi olakan yang terlalu besar dapat menyebabkan kecepatan aliran tidak lagi membentuk pola bola api (fire ball) dan berpotensi menyebabkan terjadi kenaikan perpindahan panas secara konveksi pada lokasi tertentu. Gambar 6 menunjukkan bahwa kecepatan tertinggi (sekitar 36 m/s) flue gas sebelum melewati area superheater terjadi pada Platen superheater. Hal ini dapat menyebabkan potensi overheating pada lokasi tersebut. Kenaikan kecepatan tersebut disebabkan oleh turbulensi aliran yang dibangkitkan oleh pembalikan arah pusaran di burner E dan F terlalu tinggi. Gambar 7 menunjukkan nilai turbulensi (turbulen kinetik energi) pada penampang boiler mencapai 420 m2/s2. Nilai ini tergolong sangat tinggi untuk aliran di dalam boiler dan menyebabkan aliran bersifat transien (olakan yang terjadi dapat berpindah pindah). Ketika melalui superheater, aliran yang memiliki turbulen kinetik energi tinggi ini akan diredam oleh superheater dan menghasilkan perpindahan panas yang tinggi. Tetapi aliran ini juga memiliki kemampuan untuk menerobos celah aliran yang terletak pada belokan bawah boiler. Akibatnya, aliran pada daerah tersebut lebih tinggi jika dibandingkan dengan aliran yang melalui heat exchanger. Tingginya kecepatan di celah juga menyebabkan perpindahan panas yang lebih tinggi. Gambar 7 Turbulensi kinetik energi aliran pada penampang vertikal boiler Gambar 8 menunjukkan distribusi temperatur dan kecepatan pada tube wall di area platen superheater. Potensi terjadinya overheating terjadi sisi bawah platen super heater dan tube wall (gambar 9) pada area tersebut dengan suhu maksimum sebesar C. Karena itu pola pengaturan arah aliran udara di level 37000, dan perlu dievaluasi secara lebih detail. Asotani et. Al. (Ref. 3) telah membuktikan bahwa pengaturan arah secondary air dapat mengoptimalkan pembakaran. Akibat dari kondisi aliran tersebut adalah terjadinya overheating pada daerah dekat dinding sekitar platen superheater (gambar 8). Kondisi ini dapat memicu terjadinya kerusakan tube karena mekanisme overheating. Hal ini sesuai dengan hasil pengujian metalografi pada lokasi tersebut dimana tube mengalami degradasi kekuatan yang lebih cepat daripada tube di lokasi yang lain. Untuk membandingkan tingkat overheating pada lokasi tersebut, kontur gas panas sebelum melalui platen superheater ditunjukkan oleh gambar 10, dimana gas panas dengan suhu C terjadi pada area yang luas dan pada lokasi tepi boiler. Fakultas Teknik UGM 30

4 Gambar 8 Distribusi temperatur dan kecepatan flue gas pada sisi tengah boiler Gambar 11 Kontur temperatur untuk komposisi MRC=15% Gambar 9 Kontur temperatur pada tube wall boiler Gambar 12 Kontur temperatur untuk komposisi MRC=30% Gambar 10 Kontur temperatur permukaan bawah Superheater untuk komposisi MRC=0% Untuk persentase MRC=15%, area dengan suhu maksimum terjadi pada daerah yang lebih sempit dan di tengah boiler (gambar 11). Hal ini terjadi karena MRC membutuhkan waktu pembakaran yang lebih lama sehingga suhu maksimum akan lebih menyebar ke arah downstream. Untuk persentase MRC = 30% area suhu maksimum terjadi pada luasan yang hampir sama, tetapi lokasi suhu tinggi lebih terpusat di tengah boiler. Hal ini menandakan adanya penurunan turbulensi aliran karena suhu maksimum berada pada kondisi yang lebih merata. Pada persentase MRC=50%, area dengan suhu maksimum berada pada daerah yang lebih sempit dan distribusi suhu lebih merata daripada kondisi dengan persentase yang lain. Indikasi terjadinya penurunan intensitas turbulensi dapat meratakan distribusi temperatur semakin jelas pada kondisi ini. Gambar 13 Kontur temperatur untuk komposisi MRC=50% 4. Kesimpulan Berdasarkan hasil analisa diatas dapat diambil beberapa kesimpulan: Pemakaian batubara LRC 100% memiliki resiko terjadi overheating pada lokasi platen superheater Penambahan MRC yang memiliki waktu pembakaran yang lebih lama dari pada LRC, dapat mengurangi luasan overheating dengan suhu maksimum terjadi pada raerah yang lebih merata Fakultas Teknik UGM 31

5 Penambahan MRC juga dapat meratakan distribusi suhu maksimum karena bersifat mengurangi intensitas turbulensi aliran. 5. Ucapan terima kasih Ucapan terima kasih diberikan kepada PT. PLN LITBANG yang telah memberikan dukungan dana dan lisensi software CFD untuk mendukung penelitian ini. Tangentially Fired Boilers, Journal of Applied Thermal Engineering, Vol. 29, [11] C. Yin, L. Rosendahl, T.J. Condra, 2003, Further Study of the Gas Temperature Deviation in Large-Scale Tangentially Coal-Fired Boilers, Journal of Fuel, Vol. 82, [12] L. Xu, J.A. Khan, Z. Chen, 2000, Thermal Load Deviation Model for Superheater and Reheater of a Utility Boiler, Journal of Applied Thermal Engineering, Vol. 20, Daftar Pustaka : [1] R.I Bakreedy, J.M Jones, L. Ma, et al, 2005, Prediction on Unburn Carbon and NOx in a Tangentially Fired Power Station Using Coals and Blends, Journal of Fuel, Vol. 84, [2] T. Le Bris, F Cadavid, S. Pietrzyk, et al, 2007, Coal Combustion Modelling of large Power Plant, for Nox abatement, Journal of Fuel, Vol. 86, [3] Z. Ma, F. Iman, P. Lu, et l, 2007, A Comprehensive Slagging and Fouling Prediction Tool for Coal-Fred Boilers and Its Validation/Application, Journal of Fuel Process Technology, Vol. 88, [4] L. Diez, C. Cortes, J. Pallares, et al, 2008, Numerical Investigation of NOx Emissions from a Tangentially-Fired Utility Boiler under Conventional and Overfire Air Operation, Journal of Fuel, Vol. 87, [5] N. Spitz, R. Saveliev, M. Parelman,, et al, 2008, Firing of Sub-Bituminus Coal a Pulverised Coal Boilers Configured for Bituminus Coals, Journal of Fuel, Vol. 87, [6] C.R. Choi, C.N. Kim, 2009, Numerical Investigation on the flow, Combustion and NOx Emissions Charateristic in a 500 MWe tangentially fired pulverized-coal Boiler, Journal of Fuel, Vol. 88, [7] H.Y. Park, M. Faulner, M.D. Turrel, et al., 2010, Coupled Fluids Dynamics and Whole Plant Simulation of Coal Combustion in a Tangentially-Fired Boiler, Journal of Fuel, Vol. 89, [8] M. Xu, J. Yuan, S. Ding, et al., 1998, Simulation of the Gas Temperature Deviation in Large-Scale tangential Coal Fired Utility Boilers, Journal of Comp. Methods Applied Mechaninal Engineering, Vol. 155, [9] C. Yin, L. S. Caillat, J-L. Harion, et al., 2002, Investigation of the Flow, Combustion, Heat Transfer and Emissions from a 609 MW Utility Tangentially Fired Pulverized-Coal Boiler, Journal of Fuel, Vol. 81, [10] Y. Zhou, T. Xu, S. Hui, M. Zhang, 2009, Experimentaland Numerical Study on the Flow Fields in Upper Furnacefor Large Scale Fakultas Teknik UGM 32