ANALISA EFISIENSI KETEL UAP PIPA AIR KAPASITAS 20 TON/JAM TEKANAN KERJA 20 BAR DI PABRIK KELAPA SAWIT LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI MEKANIK Oleh YOHANA ANJU MANURUNG 1205051054 JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2015
INTISARI Ketel uap adalah suatu alat yang dapat mengkonversikan energi kimia yang terdapat pada bahan bakar menjadi energi panas yang dapat mengubah air menjadi uap air karena energi panas yang dihasilkan. Uap yang dihasilkan dari ketel uap merupakan gas yang timbul akibat perubahan fase cair menjadi uap atau gas melalui cara pendidihan yang memerlukan sejumlah energi dalam pembentukannya. Uap tersebut akan digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik dan proses produksi. Ketel uap yang digunakan pada Pabrik Kelapa Sawit (PKS) Rambutan adalah ketel uap pipa air model Takuma N600 SA dengan bahan bakar cangkang dan serabut. Proses pembakaran terjadi pada ruang bakar, dengan bahan bakar yang dibutuhkan untuk memproduksi uap adalah 4.323,23091 kg/jam dan kalor pembakaran bahan bakar sebesar 63.967.629,54 kj/jam serta menghasilkan gas asap sebesar 43.913,62651 kg gas asap/jam. Dari proses pembakaran tersebut besar efisiensi adalah 79,99 %. Kata Kunci: Ketel Uap, Efisiensi Ketel Uap v
ABSTRACT Boiler is a device that can convert the chemical energy contained in the fuel into thermal energy that can transform water into water vapor because of the heat energy generated. The steam generated from the boiler is gas arising out changes in the liquid phase to a vapor or gas through boiling way that requires a certain amount of energy in its formation. The steam will be used for power generation and the production process. Boiler used on Palm Oil Mill (PKS) Rambutan is a water tube boiler Takuma N600 SA models with fuel and fiber shell. The combustion process occurs in the combustion chamber, the fuel required for steam production is 4323.23091 kg / hour and the heat of combustion of fuel amounted to 63,967,629.54 kj / Clocks and produce gas fumes of the smoke gas 43913.62651 kg / hour. From the efficiency of the combustion process is 79.99%. Keywords: Boiler, Boiler Efficiency vi
KATA PENGANTAR Mengawali kata pengantar tugas akhir ini tiada yang lebih utama dari pada mengucapkan puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas semua hikmat dan rahmat-nya, penulis dapat menyelesaikan laporan ini. Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan. Adapun judul tugas akhir ini adalah: Analisa Efisiensi Ketel Uap Pipa Air Kapasitas 20 Ton/Jam Tekanan 20 Bar di Pabrik Kelapa Sawit. Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis dapat banyak bantuan moril maupun material serta bimbingan sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini, maka dengan segala ketulusan dan kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. M. Syahruddin, S.T., M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan; 2. Idham Kamil, S.T.,M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin; 3. Ir. Abdul Razak, M.T., selaku Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik; 4. Ir. Suprapto, M.T., selaku Dosen pembimbing penulis; 5. Ir. Hairanus Tarigan, M.T., selaku Dosen wali kelas Teknik Konversi Energi Mekanik 6A; 6. Seluruh Dosen dan Staff Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik; 7. Kepada seluruh Staff Pabrik Kelapa Sawit PTPN III Kebun Rambutan; 8. Ayahanda (E. Manurung), Ibunda (L. Samosir) tercinta yang telah mengasuh, membimbing dan memberi kasih sayangnya serta bantuan moril, materil, doa, dan motivasinya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini serta Adik-adik penulis (Nikita Sonya Manurung dan Immanuel Christoper Manurung) yang selalu memberikan dukungan semangat, moril, dan doa; vii
9. Rekan-rekan mahasiswa Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik angkatan 2012 terutama EN 6A dan terkhusus kepada Christine Novani Samosir, Feby Anggita Sinaga, Intan Grace Clara Manurung, Septiana Sinurat, Sitta Camelia, dan Sulastri Pandiangan yang telah menemani saat suka dan duka di kampus Politeknik Negeri Medan; Penulis menyadari bahwa masih terdapat kekurangan dalam pembuatan tugas akhir ini baik dari segi pembuatannya maupun dari segi bahasa dan penyajiannya. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan tugas akhir ini. Akhirnya penulis mengucapkan terima kasih atas perhatian pembaca dan semoga bermanfaat bagi pembaca. Medan, Agustus 2015 Hormat Penulis, Yohana Anju Manurung NIM. 1205051054 viii
DAFTAR ISI LEMBARAN JUDUL... i SPESIFIKASI TUGAS AKHIR... ii LEMBAR PERSETUJUAN... iii LEMBAR PENGESAHAN... iv INTISARI... v ABSTRACT... vi KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR TABEL... xiv BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang... 1 B. Rumusan Masalah... 2 C. Tujuan Tugas Akhir... 3 D. Manfaat Tugas Akhir... 3 E. Teknik Pengumpulan Data... 3 BAB II LANDASAN TEORI A. Pengertian dan Fungsi Ketel Uap (Boiler)... 4 1. Pengertian Ketel Uap (Boiler)... 4 2. Fungsi Ketel Uap (Boiler)... 4 B. Bagian Bagian Ketel Uap... 5 ix
1. Ruang Bakar (Dapur)... 5 2. Pipa Water Wall... 6 3. Drum Ketel... 6 4. Pipa Superheater... 7 5. Feed Water Tank... 7 6. Pompa Air Pengisian Boiler... 7 7. Pipa Bangku Panas... 7 8. Ekonomiser... 7 9. Blower Hembus... 8 10. Cerobong Asap... 8 11. Manometer... 9 C. Klasifikasi Ketel Uap Menurut Isi Pipa atau Tabung... 11 1. Ketel Pipa Api... 11 2. Ketel Pipa Air... 12 D. Variabel Operasi Terhadap Kinerja Boiler... 14 1. Temperatur Gas Buang... 14 2. Temperatur Feedwater... 14 3. Excess Combustion Air... 14 4. Alat Pembakar (Burner)... 15 5. Tekanan Uap... 15 6. Jenis Bahan Bakar... 15 7. Tekanan Udara Pembakaran... 15 8. Kualitas Air Pengisi Boiler... 16 9. Persentasi Beban Boiler pada Beban Maksimum... 16 E. Perpindahan Panas pada Ketel Uap... 17 1. Perpindahan Panas Secara Pancaran atau Radiasi... 18 2. Perpindahan Panas Secara Aliran atau Konveksi... 20 3. Perpindahan Panas Secara Perambatan atau Konduksi... 21 F. Pembakaran (Combustion)... 22 1. Reaksi Pembakaran (Persamaan Reaksi Pembakaran)... 22 2. Syarat Syarat Pembakaran... 22 x
3. High Heating Value (HHV)... 23 4. Low Heating Value (LHV)... 23 5. Konsumsi Bahan Bakar... 23 G. Efisiensi Ketel Uap... 24 1. Metode Langsung... 24 2. Metode Tidak Langsung... 24 H. Siklus Rankine... 25 1. Siklus Rankine Saturasi... 25 2. Siklus Rankine dengan Superheater... 26 3. Siklus Rankine dengan Superheater dan Reheater... 27 BAB III DATA RISET LAPANGAN A. Spesifikasi Ketel Uap... 28 B. Komponen Komponen Takuma... 29 1. Draft Control... 29 2. Induced Draft Fan... 29 3. Dust Collector... 29 4. Forced Draft Fan... 29 5. Rotary Feeder... 30 6. Feed Water Pump... 30 7. Air Compressor... 30 C. Pengoperasian Ketel Uap... 30 BAB IV ANALISA DATA PERFORMANSI KETEL UAP A. Analisa Bahan Bakar Ketel Uap... 34 B. Nilai Kalor Bahan Bakar... 35 1. Nilai Kalor Atas (HHV)... 35 2. Nilai Kalor Bawah (LHV)... 36 xi
C. Konsumsi Bahan Bakar... 36 D. Kalor Pembakaran... 37 E. Kebutuhan Udara Pembakaran... 38 F. Komposisi Gas Asap... 40 G. Efisiensi Ketel Uap... 41 BAB V PENUTUP A. Simpulan... 42 B. Saran... 42 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Ruang Bakar... 6 Gambar 2.2. Ekonomiser... 8 Gambar 2.3. Blower Hembus... 8 Gambar 2.4. Cerobong Asap... 9 Gambar 2.5. Ketel Uap Pipa Air Superheat... 10 Gambar 2.6. Ketel Pipa Api... 11 Gambar 2.7. Ketel Pipa Air... 13 Gambar 2.8. Siklus Rankine... 25 Gambar 2.9. Diagram Alir dan Diagram T-s Siklus Rankine Saturasi... 25 Gambar 2.10. Diagram Alir dan Diagram T-s Siklus Rankine Superheat... 26 Gambar 2.11. Diagram Alir dan Diagram T-s Siklus Rankine dengan Superheater dan Reheater... 27 xiii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Harga-harga C z... 20 Tabel 4.1. Komposisi Bahan Bakar Serabut dan Cangkang... 34 Tabel 4.2. Komposisi Udara... 38 xiv
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Kebutuhan manusia akan energi adalah hal yang tidak dapat kita pungkiri lagi. Energi merupakan komponen utama dalam seluruh kegiatan makhluk hidup di bumi. Kehidupan manusia tidak lepas dari kebutuhan terhadap energi dimana pertambahan jumlah penduduk yang disertai dengan meningkatnya kebutuhan energi terhadap aktivitas industri dan sarana transportasi. Dalam hal ini, energi listrik yang menjadi salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan oleh masyarakat dalam kehidupan, karena energi listrik dapat dengan mudah dan efisien diubah ke bentuk energi yang lainnya. Industri pertanian belakangan ini berkembang pesat khususnya dalam proses produksi kelapa sawit. Dimana dalam proses pengolahan kelapa sawit menjadi minyak mentah atau CPO (Crude Palm Oil) dan PKO (Palm Karnel Oil) diperlukan energi listrik. Oleh karena itu, pada Pabrik Kelapa Sawit (PKS) harus memiliki pembangkit sendiri untuk memenuhi kebutuhan energi listrik dalam proses pengolahan. Sebuah pembangkit tenaga listrik yang sesuai untuk PKS adalah sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), karena uap (steam) selain digunakan untuk sistem pembangkit juga digunakan dalam proses produksi CPO itu sendiri. Pada prosesnya PLTU menggunakan air sebagai bahan baku yang dibakar di dalam boiler dan menghasilkan uap (steam) untuk memutar turbin dan generator sehingga dapat menghasilkan listrik. Boiler atau Ketel Uap atau Steam Generator adalah suatu alat konversi energi yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi panas hasil pembakaran bahan bakar menjadi energi potensial uap yang dapat 1
digunakan untuk berbagai keperluan. Hal ini terjadi dikarenakan adanya perpindahan panas dari pembakaran bahan bakar dan air yang terjadi di dalam tabung yang tertutup rapat. Seiring dengan kebutuhan akan daya di Indonesia yang semakin meningkat, maka dipilihlah cara lain untuk memenuhi kebutuhan daya tersebut yaitu dengan mengkonversikan energi yang terkandung dalam bahan bakar konvensional menjadi daya yang dibutuhkan dalam pembangunan. Untuk konversi tenaga dengan skala besar dari bahan bakar konvensional menjadi daya yang dibutuhkan dalam pembangunan hanya dapat menggunakan kombinasi ketel uap dengan turbin uap. Banyak pabrik atau perusahaan yang sudah menerapkan penggunaan bahan bakar alternatif untuk bahan bakar ketelnya salah satunya Pabrik Kelapa Sawit Rambutan yang menggunakan bahan bakar fiber dan cangkang dan saat ini Pabrik Kelapa Sawit Rambutan mempunyai ketel uap merek Takuma N 600 SA tahun pembuatannya 1997 dengan kapasitas uap 20 ton/jam. Dari beberapa faktor yang berpengaruh terhadap efisiensi dari ketel uap maka ditelitilah cara sistem kerja ketel uap, efisiensi pada ketel uap, serta menganalisa data hasil penelitian. Berdasarkan uraian diatas, penulis tertarik untuk membahas mengenai Analisa Efisiensi Ketel Uap Pipa Air Kapasitas 20 ton/jam Tekanan Kerja 20 bar di Pabrik Kelapa Sawit sebagai judul tugas akhir. Di mana data-data yang digunakan penulis untuk penyusunan tugas akhir ini berasal dari PKS Rambutan dengan menggunakan bahan bakar padat berupa fiber dan cangkang sebagai pembangkit pada pabrik pengolahan kelapa sawit. B. Perumusan Masalah Adapun hal-hal yang menjadi perumusan masalah dalam penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Bagaimana cara kerja sistem ketel uap? 2
2. Bagaimana perhitungan efisiensi pada ketel uap pipa air kapasitas 20 ton/jam tekanan kerja 20 bar? 3. Bagaimana analisa data hasil penelitian yang dilakukan? C. Tujuan Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah: 1. Mengetahui sistem kerja ketel uap. 2. Mengetahui perhitungan efisiensi pada ketel uap pipa air kapasitas 20 ton/jam dengan tekanan kerja 20 bar. 3. Mengetahui hasil analisa data yang telah dilakukan. D. Manfaat Adapun manfaat dari Laporan Tugas Akhir ini adalah: 1. Menambah wawasan dan pengetahuan mahasiswa bagaimana cara kerja sistem ketel uap yang digunakan pada pabrik. 2. Menambah kepustakaan Politeknik Negeri Medan. E. Teknik Pengumpulan Data Teknik pengumpulan data yang dilakukan penulis adalah melalui buku-buku referensi yang berkaitan dengan tugas akhir dan melalui internet serta konsultasi dengan Dosen Pembimbing. 3