100401109 ANALISA PEMAKAIAN AIR HEATER TERHADAP PENINGKATAN EFISIENSI BOILER UNIT 3 PLTU PT. PLN (PERSERO) SEKTOR BELAWAN Skripsi Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik OLEH : RIAN DALION SINAGA NIM. 100401109 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
ABSTRAK Energi listrik merupakan suatu faktor penunjang yang sangat penting bagi perkembangan secara menyeluruh suatu bangsa. Di Indonesia, dengan semakin meningkatnya kegiatan industri dan jumlah penduduknya, maka kebutuhan energi listrik juga mengalami peningkatan. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi ketersediaan listrik di Indonesia, antara lain ketersediaan energi primer, harga bahan bakar, teknologi, dan budaya masyarakat. Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi pada pesawat ketel uap (boiler) adalah dengan mengeksploitasi energi panas yang terkandung dalam gas buang (flue gas). Untuk mengeksploitasi energi ini dibutuhkan sumber daya manusia yang terampil dalam pemamfaatan energi ini supaya mendapatkan hasil yang optimal. Salah satu cara yang dapat dilakukan dalam peningkatan efisiensi boiler ini adalah dengan menambahkan suatu alat Pemanas Udara (air heater) pada saluran pembuangan gas buang (flue gas) boiler. Pemanas udara (air heater) ini merupakan alat yang memanaskan udara sebelum masuk ke ruang bakar. Udara sebelum masuk ke ruang bakar temperaturnya adalah temperatur lingkungan. Seperti yang kita ketahui proses terjadinya pembakaran ada tiga hal penyebabnya, yaitu udara, temperatur, dan bahan bakar. Supaya proses pembakaran itu lebih cepat maka udara yang dibutuhkan itu terlebih dahulu dipanaskan di pemanas udara (air heater) sehingga bahan bakar yang dibutuhkan untuk pembakaran itu jadi berkurang. Dengan adanya alat pemanas udara (air heater) ini pada boiler akan memberi penghematan pemakaian bahan bakar dan juga membantu kerja boiler dalam memanaskan air untuk menghasilkan uap. Dan hal ini juga diharapkan untuk mencapai proses pembakaran yang sempurna di ruang bakar. Dari hasil analisa yang diperoleh dengan menggunakan air heater diperoleh kenaikan efisiensi boiler sebesar 2.73% pada awalnya efisiensinya 76.76% setelah menggunakan air heater menjadi 79.49%. Kata Kunci : alat pemanas udara (air heater), Peningkatan efisiensi, Pemanfaatan gas buang (flue gas), Ketel uap
ABSTRACT Electrical energy is a very important supporting factor for the overall development of a nation. In Indonesia, with the increasing industrial activity and population, the need for electric energy also increased. There are several factors that affect the availability of electricity in Indonesia, among others, the availability of primary energy, fuel price, technology, and culture. One way to improve the efficiency of boilers is to exploit the heat energy contained in the flue gas. To exploit this energy needed skilled human resources in the utilization of this energy in order to obtain optimal results. One way to do this in boiler efficiency improvement is to add a device Air Heater in the flue gas exhaust duct boilers. Air heater is an appliance that heats the air before entering the combustion chamber. Air before entering the combustion chamber temperature is the ambient temperature. As we know the combustion process there are three things cause, namely air, temperature, and fuel. So that the combustion process faster then air needed it beforehand heated in air heaters so that the fuel required for the combustion to be reduced. With the air heater is on the boiler will provide fuel savings and also help work in the boiler heats water to produce steam. And it is also expected to achieve a perfect combustion process in the combustion chamber. From the analysis results obtained by using the water heater is obtained increase in boiler efficiency by 2.73% at 76.76% initial efficiency after using the water heater becomes 79.49%. Keywords: air heater, increase in efficiency, utilization of flue gas (flue gas), boilers
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Penelitian Tugas Akhir di PT.PLN (persero) sektor Belawan. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu Analisa Pemakaian Air Heater Terhadap Peningkatan Efisiensi Boiler Unit 3 PLTU PT. PLN (persero) Sektor Belawan Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis selama pelaksanaan Penelitian Tugas Akhir maupun dalam penyusunan laporan. Untuk itu, melalui pengantar ini penulis menyampaikan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D.E.A. selaku Dosen Pembimbing penulis di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara 2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara 3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 4. Amin Hasibuan yang telah mengajari dalam hal-hal kinerja turbin 5. Bapak Ulisaroha Simbolon selaku suvervisor boiler yang telah memberikan tempat untuk menlakukan penelitian 6. Orang Tua penulis, Holdi uli br. Simarmata yang tidak henti memberikan kasih yang begitu tulus melalui doa, keringat, dan restu yang menjadi motivasi sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 7. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2010, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah mentransfer energi tak terbatas dan memberikan masukan kepada penulis, SOLIDARITY FOREVER, MESIN JAYA! 8. Semua pihak yang telah memberikan bantuannya kepada penulis selama pelaksanaa penelitian dan penyusunan laporan ini. 9. Kakak tercinta Rusmiaty sinaga yang selalu memberi bantuan dana dan doa dalam proses pengerjaan laporan ini.
Penulis menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik segi teknik maupun segi materi. Oleh sebab itu, penulis juga mengharapkan kritik dan saran membangun demi terciptanya laporan yang lebih baik di masa yang akan datang. Akhir kata, penulis berharap laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya. Medan, Maret 2015 Rian Dalion Sinaga Nim. 100401109
DAFTAR ISI ABSTRAK... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR TABEL... viii DAFTAR NOTASI... ix BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penelitaian... 2 1.3 Manfaat Penelitian... 2 1.4 Batasan Masalah... 2 1.5 Sistematika Penelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 4 2.1 Tinjauan Umum Boiler... 4 2.2 Klasifikasi boiler... 4 2.2.1 Berdasarkan Fluida Yang Mengalir Dalam Pipa... 5 2.2.2 Berdasarkan Pemakaiannya... 6 2.2.3 Bedasarkan Pada Poros Tutup Drum (shell)... 7 2.2.4 Berdasarkan Bentuk dan Letak Pipa... 8 2.2.5 Berdasarkan Tekanan Kerjanya... 8 2.2.6 Berdasarkan Kapasitasnya... 8 2.2.7 Berdasarkan Pada Sumber Panasnya... 8 2.3 Komponen-komponen Boiler... 10 2.4 Perpindahan Panas Pada Boiler... 21 2.5 Siklus Termodinamika... 26 2.6 Sejarah Perkembangan Alat Pemanas Udara (air heater)... 29 2.7 Jenis-jenis Pemanas Udara... 30 2.8 Aliran Gas Buang dan Udara... 31 2.9 Prinsip Kerja Pemanas Udara (air heater)... 36
2.10 Proses Perpindahan Panas Pada Air heater... 38 2.11 Sifat Fisik Bahan Bakar... 40 2.12 Berat dan Volume Bahan Bakar... 43 2.13 Efisiensi Boiler... 45 2.14 Maintenance (Pemeliharaan)... 48 BAB III METODOLOGI... 55 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian... 55 3.1.1 Tempat Penelitian... 55 3.1.2 Waktu Penelitian... 56 3.2 Alat dan Bahan... 56 3.2.1 Alat... 56 3.2.2 Bahan... 58 3.3 Analisa Data... 59 3.4 Diagram Alir Penelitian... 59 3.5 Metodologi Yang Digunakan... 61 BAB IV ANALISA BAHAN BAKAR DAN PANAS YANG DIHASILKAN 4.1 Bahan Bakar... 62 4.1.1 Nilai Kalor Bahan Bakar... 64 4.1.2 Kebutuhan Bahan Bakar... 65 4.2 Kebutuhan Udara Pembakaran Pada Ruang Bakar... 66 4.3 Analisa Berat dan Volume Gas Buang (Flue Gas)... 68 4.4 Kesetimbangan Panas... 73 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 93 5.1 Kesimpulan... 93 5.2 Saran... 94 DAFTAR PUSTAKA 95 LAMPIRAN 96
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Ketel Uap 4 Gambar 2.2 Ketel Pipa Api 5 Gambar 2.3 Ketel Pipa Air 6 Gambar 2.4 Ketel Tegak 7 Gambar 2.5 Ketel Mendatar 7 Gambar 2.6 Ruang Bakar 10 Gambar 2.7 Burner 11 Gambar 2.8 Low Temperature Superheater 13 Gambar 2.9 High Temperature Superheater 14 Gambar 2.10 Economizer 15 Gambar 2.11 Boiler Drum 17 Gambar 2.12 Stack 17 Gambar 2.13 Forced Drought Fan (FDF) 18 Gambar 2.14 Air Preheater 18 Gambar 2.15 Air Heater 20 Gambar 2.16 Perpindahan Panas Secara Konduksi 21 Gambar 2.17 Pendinginan Sebuah Balok Panas Dengan Konveksi Paksa 22 Gambar 2.18 Black Body Sebagai Pemancar Dengan Arah Yang Bebas 24 Gambar 2.19 Distribusi Suhu Dalam Air Heater Jenis Aliran Counter Flow 25 Gambar 2.20 Luas Perpindahan Panas 25 Gambar 2.21 Bagan Sederhana Siklus Rankine 27 Gambar 2.22 Diagram T-s Siklus Rankine 27 Gambar 2.23 Air Heater Rekuperatif 30 Gambar 2.24 Air Heater Regeneratif 31 Gambar 2.25 Skema Terjadinya Pembakaran 32 Gambar 2.26 Aliran Uap, Udara Dan Flue Gas 34 Gambar 2.27 Air Heater 36 Gambar 2.28 Diagram Neraca Energi 45
Gambar 3.1 Wilayah Pembangkit Sektor Belawan 55 Gambar 3.2 Diagram Penyuplai Daya Untuk Daerah SUMUT-NAD 56 Gambar 3.3 Manometer Logam 57 Gambar 3.4 Termometer 57 Gambar 3.5 Orifice Meter 57 Gambar 3.6 Diagram Alir Penelitian 60
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat Fisik Minyak Residu 40 Tabel 3.1 Data Pengamatan Boiler 58 Tabel 3.2 Sifat Fisik Minyak Residu 59 Tabel 4.1 Komposisi Minyak Residu 64 Tabel 4.2 Excess Air Required By Some Fuel Syste 67
DAFTAR NOTASI Q : Energi Panas (kkal/jam) T : Temperatur ( o C) Cp : Panas Jenis (kkal/kg o C LHV : Low Heating Value (kj/kg) HHV : High Heating Value (kj/kg) H : Entalpi (kj/kg) Ws : Kapasitas Uap (kg/jam) Wf : Kapasitas Bahan Bakar (kg/jam) (Wa)th : Berat Udara Teoritis (kg udara /kg b.bakar ) (Va)th : Volume Udara Teoritis (m 3 /kg) (Wa)akt : Berat Udara Aktual (kg/jam) (Va)akt : Volume Udara Aktual (m 3 /kg) Fa : Faktor Udara Berlebih (%) Wg : Berat Gas Buang (kg g.buang /kg b.bakar ) Vg : Volume Gas Buang (m 3 /kg) Trb : Temperatur Ruang Bakar ( o C)