TUGAS I MENGHITUNG KAPASITAS BOILER

Transkripsi

1 TUGAS I MENGHITUNG KAPASITAS BOILER Oleh : Mohammad Choirul Anam Jurusan Teknik Sistem Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2014

2 BOILER 1. Dasar Teori Instalasi tenaga uap dikenal dengan sebutan ketel uap yang berfungsi sebagai sarana untuk mengubah air menjadi uap bertekanan. Ketel uap dalam bahasa inggris disebut dengan nama boiler berasal dari kata boil yang berarti mendidihkan atau menguapkan,sehingga boiler dapat diartikan sebagai alat pembentukan uap yang mampu mengkonversikan energi kimia dari bahan bakar padat, bahan bakar cair, maupun bahan bakar gas yang menjadi energi panas. Energi kalor yang dibangkitkan dalam ketel uap (steam boiler) memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan uap yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem ketel uap mengenal keadaan tekanan temperatur rendah, dan tekanan-temperatur tinggi, dengan perbedaan itu pemanfaatan uap yang keluar dari ketel uap dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanaskan cairan dan menjalankan suatu mesin, atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik. Sistem ketel uap terdiri dari sistem air umpan, sistem uap, dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan uap. Berbagai kran (valve) disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem uap. Sistem uap mengumpulkan dan mengontrol produksi uap dalam ketel uap. Uap dialirkan melalui sistem perpipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan uap diatur menggunakan valve 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

3 diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem itu sendiri. Secara umum ketel uap dibagi kedalam dua jenis yaitu : a. Ketel pipa api Pada ketel, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. ketel pipa api biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan uap rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, ketel pipa api kompetitif untuk kecepatan uap sampai kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. ketel pipa api dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar ketel pipa api dikonstruksi sebagai paket boiler (dirakit oleh pabrik) b. Ketel pipa air Pada ketel pipa air proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudian uap yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuah tangki uap. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater sekunder dan superheater primer baru uap dilepaskan ke pipa utama distribusi. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut di dalam air tesebut. Hal ini merupakan faktor utama yang harus diperhatikan terhadap tipe ini. Berkaitan dengan tujuan perekayasaan ini, maka sistem ketel uap yang direncanakan adalah sistem ketel uap yang dapat memproduksi uap sebesar 612,43 kg/jam, temperatur 1320C dan tekanan 2,1 bar. Uap yang dihasilkan dari sistem ketel uap merupakan gas yang timbul akibat perubahan fase cairan menjadi uap atau gas melalui cara pendidihan yang memerlukan sejumlah energi dalam pembentukannya. Zat cair yang dipanaskan akan mengakibatkan

4 pergerakan moleku-molekul menjadi cepat, sehingga melepas diri dari lingkungannya dan berubah menjadi uap. Air yang berdekatan dengan bidang pemanas akan memiliki temperatur yang lebih tinggi (berat jenis yang lebih rendah) dibandingkan dengan air yang bertemperatur rendah, sehingga air yang bertemperatur tinggi akan naik kepermukaan dan air yang bertemperatur rendah akan turun. Peristiwa ini akan terjadi secara terus menerus (sirkulasi) hingga berbentuk uap. Uap yang dihasikan oleh ketel uap dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan antara lain sebagai utilitas suatu daya pembangkit tenaga listrik dan untuk keperluan industri. Dalam menentukan sizing sistem ketel uap sesuai dengan kapasitas uap yang direncanakan maka perhitungan dilakukan dengan perkiraan kapasitas air umpan, kebutuhan panas dan kebutuhan bahan bakar. 1.1 Kebutuhan Air Umpan Kapasitas air umpan yang diperlukan sebagai air pengisi boiler dihitung berdasarkan laju blowdown yang diperlukan dan air kondensat yang dikembalikan ke tangki air umpan serta air penambah atau makeup water. Ke tiga komponen air umpan pengisi boiler tersebut ditentukan dengan menghitung : a. Laju Blowdown Untuk menghindari masalah boiler, air harus dibuang secara berkala atau"blowdown" dari boiler untuk mengendalikan konsentrasi padatan terlarut/tds dan total padatan tersuspensi dalam boiler. Blowdown dapat ditentukan dengan menghitung prosentase berdasarkan data tabel 1 dan rumus empiris [4]: Blow Down (%) = Feedwater TDS x % MakeUp Water Feedwater TDS yang diizinkan Jadi laju blowdown yang diperlukan, QBD = kapasitas uap x % blowdown, (kg/jam).

5 Tabel 1. TDS air boiler yang dizinkan [5] Boiler Operating Pressure (bar) Total Dissolved Solids(ppm) 0 50 psig atau 0 3,5 bar 2500 b. Air Kondensat dan Air Penambah Air Kondensat adalah air yang diembunkan oleh kondensor dan ditampung di dalam tangki kondensat yang selanjutnya disirkulasikan kembali ke boiler. Prosentase air kondensat ditentukan dengan kandungan silica dalam air umpan dan air penambah sebagai berikut: Dengan silica %Condensate Return, CR = 1- feedwater silica / Makeup silica[6] atau dengan conductivity : %Condensate Return, CR = 1- feedwater conductivity / Makeup conductivity [6] Jadi laju aliran kondensat, QCR = % x kapasitas uap masuk kondensor, (kg/jam). Tabel 2 menunjukkan data tentang kandungan silica dan coduktivitas makeup danfeedwater. Tabel 2. Kandungan Silica pada Makeup Water dan Feedwater Boiler Location Silica (ppm) Coductivity (micromhos) Boiler Makeup Boiler Feedwater Untuk air penambah dapat ditentukan sebagai berikut : QMU = QFW QCR (kg/jam) Maka kapasitas air umpan yang diperlukan sebagai air pengisi boiler adalah: QFW = QMU + dimana : QCR (kg/jam) [8]

6 QMU = kapasitas air penambah, kg/jam QCR = kapasitas air kondensat, kg/jam QFW =kapasitas air umpan, kg/jam 1.2 Kebutuhan Energi Panas dan Boiler Horse Power Panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap sebesar 612,43 kg/jam dapat dihitung dengan formula : Q1 = qu (hu ha) (kj/jam) *9+ Q2= m x Cp x.t (kj/jam) Untuk Boiler Horse Power dihitung dengan formula empiris : BHP = Kilowatt /9,809 [11] dimana : qu hu ha Cp T Q1 = m = kapasitas produksi uap dari boiler, kg/jam = enthalpy uap (kj/kg) pada suhu 132 0C, tekanan 2,1 bar = enthalpy air (kj/kg) pada suhu 1320C, tekanan 2,1 bar = panas spesifik air pada suhu 600C, tekanan 1 bar = selisih temperatur uap dan air umpan pengisi boiler, 0C = panas yang dibutuhkan untuk penguapan, kj/jam Q2 = panas yang dibutuhkan untuk pemanasan, kj/jam BHP = Boiler Horse Power 1.3 Kebutuhan Bahan Bakar Bahan bakar yang dibutuhkan untuk memanaskan air dalam ketel dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : FC = Sp (hs hw ) / BE.VHI (gallon/jam) [12] dimana : FC = kebutuhan bahan bakar (kg/jam) Hs = enthalpy air (Btu/lb) pada suhu 269,600F, tekanan 41.6 psig

7 hw = enthalpy air umpan (Btu/lb) pada suhu 1400F, tekanan 14,5 psig Sp = kapasitas produksi uap (kg/jam) BE = efisiensi boiler (%) biasanya antara % VHI = Nilai pembakaran bahan bakar minyak solar = btu/gallon [13] 1.4 Kebutuhan Energi Panas Superheater Superheater adalah komponen atau alat yang digunakan untuk menaikkan uap jenuh menjadi uap kering atau uap panas lanjut. Uap yang masuk ke superheater berasal dari pipa header. Dari header uap masuk superheater dan dari suoerheater uap digunakan untuk memanaskan fluida pada HE Selanjutnya uap darihe-0102 dialirkan ke kondensor untuk dikondensasikan menjadi air condensate.energi panas yang dibutuhkan untuk superheater dihitung dengan formula : Q = m. Cp. T (kj/jam) dimana : m = laju aliran uap superheated keluar superheater, kg/jam Cp = panas spesifik uap, kj/kg.k ρ = kerapatan uap, kg/m3 T = temperatur uap keluar superheater temperatur uap masuk superheater, 0 2. Contoh Perhitungan Perekayasaan ketel uap utilitas Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR1000 MWe dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut : Kapasitas air umpan dihitung berdasarkan prosentase laju blowdown dan air kondensat (return condensate), sebagai betrikut: a. Untuk prosentase blowdown : BD = TDS Feedawater x % Make Up Water / TDS Air Boiler yang diizinkan = 250 x 10%/2500 = 1 %, diambil 4% untuk faktor keamanan akibat losses, maka laju blowdown yang diperlukan adalah: QBD = kapasitas uap x % blowdown, (kg/jam) QBD = 612,43 x 4 % = 24,5 kg/jam.

8 b. Untuk prosentase air kondensat dihitung berdasarkan kandungan silica atau koduktivitas air kondensat sebagai berikut: Dengan Silica : CR = 1-20/40 x 100 % = 50 % Dengan Coductivity : CR = 1-525/265 x 100 % = 49,524 = 50 % Jadi flow rate condensate QCR = % x kapasitas uap keluar dari HE-0101 = 411,56 kg/jam dan HE-0102 = 147,94 kg/jam QCR = 50 % x (411, ,94) = 279,75 = 280 kg/jam Maka kapasitas air umpan (feedwater) maksimum yang tersedia dalam tangkifeedwater adalah : QFW = 612, ,5 = 638 kg/jam Kapasitas air penambah (make up water ) : QMU = = 357,43 kg/jam = 358 kg/jam Menghitung energi panas yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi uap Energi panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap sebesar 612,43 kg/jam dihitung sebagai berikut : Q1 Q2 = qu (hs hw) (kj/jam) = 612,43 (2722, ,932) kj/jam = ,47 kj/jam = m x Cp x T (kj/jam) = 612,43 x 4,182 (132 60) = ,12 kj/jam Jadi panas yang dibutuhkan, Q = , ,12 = ,59 kj/jam Maka untuk boiler horse power = ,59 kj/jam x =418,85 KW / 9,809 =42,7 c. Menghitung kebutuhan bahan bakar Bahan bakar yang dibutuhkan untuk memanaskan air dalam ketel adalah : FC = Sp (hs - hw )/BE.VHI (gallon/jam) =1350,177 ( 1170, ) 0,80 x =12,8 gallon/jam

9 d. 3.5 Menghitung panas yang diperlukan pada superheater Kapasitas uap superheated, m Temperatur uap superheated, Tu Panas spesifik uap, Cp Density, ρ : 411, 56 kg/jam : 3040C = 577 0K : 2,027 kj/kg.k : 0,7923 kg/m3 Q = m. Cp. T (kj/jam) =411,56 x 2,027 x ( ) kj/jam = ,924 kj/jam x 0, = 39.7 KW = 40 KW Pada tabel 3 ditunjukkan spesifikasi boiler yang dipilih dari produksi Hurst Boiler & Welding Company. Inc. series 200, 2 pass, Fire Tube Boiler. Tabel 3. Spesifikasi Teknis Boiler [13] Boiler Horse Power 40 Heating surface Fireside (Sisi api) ft2 (m2) 200 (18,6) Steam output - Lbs/jam (kg/jam) 1380 (627) Firing rate oil # 2 140,000 BTU GPH (L/min) 12 (45) Steam outlet size psi In (m) 4 1,5 (0,1 0,04) Water supply size 30 psi In (m) 4 (0.1) Ukuran air kembali 30 psi In (m) 3 (0,076) Feedwater connection - In (m) 1 (0,025) Blowdown connection Bottom In (m) 1 ¼ (0,032) Stack outlet size O.D. - In (m) 12 (0,305)

10 Furnace O.D - In (m) 20 (0,508) Shell ID - In (m) 48 (1,219) With without trim - In (m) 56 (1,422) With width trim - In (m) 61 (1,549) Length, front to rear - In (m) 99 (2,514) Length overall - In (m) 134 (3,403) Skid length - In (m) 102 (2,591) Skid width - In (m) 40 (1,016) Steam supply location - In (m) 40 (1,016) Water supply location - In (m) 30 (0,762) Water return location - In (m) 68 (1,727) Blowdown location 15 psi an up In (m) 23 (0,584) Surface blow off connection - In (m) 25 13/16 (0,6556) Stack outlet location - In (m) 25 (0,635) Supply height - In (m) 63 (1,6) Stack height - In (m) (1,692) Shell to floor height - In (m) 12 (0,305) Burner projection - In (m) 32 (0,813) Door swing - In (m) 28 (0,711) Skid to front plate - In (m) (0,590)

11 Tube removal Rear In (m) 64 (1,625) Tube removal Front In (m) 71 (1,803)