BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Di era modern, teknologi mengalami perkembangan yang sangat pesat. Hal ini akan mempengaruhi pada jumlah konsumsi bahan bakar. Permintaan konsumsi bahan bakar ini akan selalu meningkat per tahunnya. Diantara sekian banyak bahan bakar yang tersedia, batubara juga termasuk bahan bakar yang selalu konstan meningkat konsumsi per tahun. Konsumsi batubara diperkirakan akan bertambah sekitar 0,6% per tahun dari tahun 2012-2035 (IEA, 2014). Besar nilai konsumsi bahan bakar, dan besar perkiraan dari besar konsumsi bahan bakar di tahun-tahun yang akan mendatang dapat dilihat dari tabel 1.1 berikut. Tabel 1.1 Besaran dan peningkatan rata-rata konsumsi bahan bakar dunia (IEA, 2014) Salah satu pemanfaaatan dari bahan bakar batubara tersebut ialah sebagai bahan bakar pembangkit listrik tenaga uap, seperti contoh pada PLTU PT. PLN UB Kendari yang juga menggunakan batubara sebagai bahan bakar penghasil uap
di dalam proses boiler. Boiler yang terdapat pada PLTU PT. PLN UB Kendari merupakan boiler berjenis stoker. Adapun proses pembangkitan listrik tenaga uap pada PLTU PT. PLN UB Kendari yakni seperti pada pembangkit listrik tenaga uap berbahan bakar batubara pada umumnya yaitu dimulai dari proses pembakaran batubara yang terjadi di salah satu unit peralatan dalam sistem pembangkit listrik, yaitu boiler, utamanya di bagian ruang bakar (furnance). Dalam proses pembangkit listrik, boiler berperan sebagai penghasil uap pada tekanan dan temperatur tinggi yang akan digunakan untuk memutar turbin pembangkit listrik. Proses pembakaran bahan bakar yang terjadi dalam boiler berlangsung pada ruang bakar yang menghasilkan energi panas yang kemudian dimanfaatkan untuk merubah air dari fase cair menjadi uap. Pada proses pembakaran bahan bakar di ruang bakar berlangsung mekanisme perpindahan kalor berlangsung secara simultan baik konduksi, konveksi, dan radiasi. Perpidahan kalor secara konduksi terjadi pada deposit yang menempel pada pipa, sedangkan proses perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada gas buang pada dinding ruang bakar, dan proses perpindahan kalor secara radiasi terjadi antara panas hasil pembakaran pulverized coal dengan pipa penyerap kalor. Terlebih lagi dengan kompleksnya bentuk dan ukuran geometri boiler, berbagai variasi karakteristik pembakaran dan transfer akan terjadi. Hasil dari proses pembakaran bahan bakar dan juga proses perpindahan panas yang terjadi dalam ruang bakar menyebabkan distribusi temperature yang sangat bervariasi. Proses pembakaran dimulai dari masuknya batubara dan udara melalui burner ke dalam ruang bakar. Kemudian terjadi proses pembakaran yang menghasilkan panas. Panas tersebut kemudian akan diserap oleh pipa-pipa air (wall tubes) disekitar ruang bakar untuk mengubah air menjadi uap. Temperatur gas hasil pembakaran harus diprediksikan dengan sangat akurat karena hal ini memiliki pengaruh terhadap proses-proses selanjutnya. Distribusi temperatur yang terjadi dapat berubah-ubah, faktor-faktor pengendalinya adalah beban boiler, udara lebih (excess air), tipe masukan bahan bakar dan udara, dan perubahan kondisi operasi.
Seiring dengan berjalannya waktu pengoperasian boiler yang terdapat pada PLTU PT. PLN UB Kendari ditemukan bahwa terjadi penurunan pada nilai efisiensi boiler tersebut. Hal ini disebabkan oleh proses pembakaran batubara dalam boiler bertipe stoker yang tidak efisien dan juga disebabkan oleh pemilihan kualitas bahan bakar yang digunakan. Boiler yang terdapat pada PLTU PT. PLN UB Kendari menggunakan bahan bakar batubara berjenis low rank. Dengan maksud untuk menaikkan efisiensi kerja dari boiler tersebut maka pihak dari PLTU PT. PLN UB Kendari bermaksud untuk mengganti jenis bahan bakar yang digunakan untuk pembakaran. Berdasarkan rencana dari pihak PLTU PT. PLN UB Kendari tersebut maka dilakukan penelitian mengenai pergantian bahan bakar yang digunakan dalam boiler yang terdapat pada PLTU PT. PLN UB Kendari. Pada penelitian ini dipilih bahan bakar pulverized coal yang akan digunakan sebagai bahan bakar di dalam boiler. Pemecahan solusi secara analitis tidak akan mencukupi untuk menjawab proses pembakaran secara analisis pada performa kerja boiler untuk keperluan baik desain modifikasi maupun inspeksi. Penyelesaian dengan metode analisis ini cenderung rumit dan akan memakan banyak waktu serta dapat keakuratan pada hasil akhir kurang menggambarkan kondisi aktual karena melalui berbagai proses simplifikasi. Perkembangan teknik penyelesaian secara numerik belakangan ini berkembang sangat pesat dan dapat diandalkan. Teknik penyelesaian ini bisa dijadikan cara untuk menunjang proses desain, modifikasi, maupun penelitian. Metode analisis numerik yang sering digunakan untuk menyelesaikan masalah perpindahan kalor, dan aliran fluida adalah metode CFD (Computational Fluid Dynamic). Metode ini dilakukan dengan menurunkan persamaan-persamaan atur (kontinuitas, momentum, energi, dan spesies kimia) pada suatu volume atur dan menyelesaikannya secara numeris. Beberapa paket software CFD yang populer di dunia engineering antara lain: CFX, Nastran, Fluent, Abaqus, dan lainlain. Seperti yang sudah dijelaskan pada paragraf sebelumnya bahwa pada dalam penelitian ini yang akan di simulasikan adalah boiler yang terdapat pada PLTU PT. PLN UB Kendari. Boiler yang terdapat pada PLTU PT. PLN UB Kendari memiliki kapasitas 10 MW. Diharapkan hasil dari dilakukan penelitian dari
simulasi numerik ini akan mendapatkan gambaran kontur temperatur dari proses pembakaran yang terjadi serta pola aliran yang terjadi dalam boiler. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan sebelumnya, rumusan masalah pada penelitian ini sebagai berikut: 1. Bagaimana distribusi temperatur yang terjadi di dalam boiler? 2. Bagaimana pola aliran yang terjadi di dalam boiler? 3. Bagaimana perbandingan terkait distribusi temperatur pada kondisi operasional boiler pada PLTU PT. PLN UB Kendari dengan hasil simulasi? 4. Apakah pemakaian bahan bakar pulverized coal dapat digunakan pada boiler yang terdapat di PLTU PT. PLN UB Kendari? 1.3 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini dibatasi pada hal-hal berikut: 1. Boiler yang akan disimulasikan adalah boiler berkapasitas 10 MW yang beroperasi pada PLTU PT. PLN UB Kendari. 2. Geometri boiler yang dimodelkan dimulai dari ruang bakar hingga sesi sebelum economizer. Pembuatan/pengembangan model tersebut dibuat dengan menggunakan perangkat lunak Gambit 2.3.16. 3. Segala fenomena yang terjadi selama proses pembakaran pulverized coal disesuaikan dengan menggunakan model-model yang tersedia dalam perangkat lunak Fluent 6.3. 4. Boiler beroperasi pada kondisi steady. 5. Penyederhanaan dan/atau pengasumsian dilakukan untuk mendukung proses komputasi. 6. Kriteria konvergensi pada penelitian ini didasarkan pada tingkat kesetimbangan massa dan energi. 7. Hasil simulasi ditampilkan dalam gambar-gambar distribusi temperatur dan pola aliran dari batubara dan udara yang terjadi di dalam boiler.
1.4 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mendapatkan kontur distribusi temperatur yang terbentuk di dalam boiler. 2. Mengetahui perbandingan antara hasil simulasi yang didapat dengan kondisi operasional boiler PLTU PT. PLN UB Kendari. 3. Mengetahui bahwa bahan bakar pulverized coal dapat digunakan pada boiler yang terdapat di PLTU PT. PLN UB Kendari. 1.5 Manfaat Penelitian Beberapa manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Simulasi numerik yang dilakukan diharapkan dapat memberikan pengetahuan mengenai proses pembakaran pulverized coal yang terjadi di dalam boiler. 2. Peneliti mendapatkan tambahan ilmu mengenai pembakaran pulverized coal dan juga contoh penerapan dalam boiler. 3. Peneliti dapat belajar bagaimana melakukan suatu penelitian yang menggunakan metode CFD, beserta penggunaan metode-metode simulasi yang digunakan. 1.6 Sistematika Penulisan Tugas akhir ini disusun dalam enam bab sebagai berikut: 1. Bab I Pendahuluan Pada bab ini membahas mengenai latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.
2. Bab II Tinjauan Pustaka Pada bab ini membahas mengenai penelitian-penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya mengenai boiler, khususnya penelitian yang dilakukan secara numerik. 3. Bab III Landasan Teori Pada bab ini akan dijelaskan teori singkat mengenai boiler serta jenisjenisnya, bahan bakar yang dipakai dalam proses pembakaran yakni batubara, parameter-parameter yang menentukan unjuk kerja boiler. 4. Bab IV Metodologi Penelitian Pada bab ini diberikan alur serta tahapan-tahapan yang dilakukan selama penelitian ini berlangsung hingga verifikasi numerik boiler. 5. Bab V Hasil dan Pembahasan Pada Bab ini berisi mengenai pembahasan hasil simulasi yang didapat dan melakukan perbandingan dengan kondisi lapangan operasional boiler. 6. Bab VI Penutup Pada bab ini berisi mengenai kesimpulan dari penelitian dan saran untuk penelitian selanjutnya.