4 BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 BOILER Salah satu peralatan yang sangat penting di dalam suatu pembangkit tenaga listrik adalah Boiler (Steam Generator) atau yang biasanya disebut ketel uap. Alat ini merupakan alat penukar kalor, dimana energi panas yang dihasilkan dari pembakaran diubah menjadi energi potensial yang berupa uap, Kurniawan (2015). Uap yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi inilah yang nantinya digunakan sebagai media penggerak utama Turbin Uap. Energi panas diperoleh dengan jalan pembakaran bahan bakar di ruang bakar. 2.2 KLASIFIKASI BOILER Berbagai bentuk boiler telah berkembang mengikuti kemajuan teknologi dan evaluasi dari produk-produk boiler sebelumnya yang dipengaruhi oleh gas buang boiler yang mempengaruhi lingkungan dan produk steam seperti apa yang akan dihasilkan. Berikut adalah beberapa macam klasifikasi Boiler : 2.2.1 Berdasarkan Fluida Yang Mengalir Dalam Pipa a. Ketel pipa api (fire tube boiler) Pada ketel pipa api seperti tampak pada Gambar 2.1, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan ketel ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Ketel pipa api biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan steam rendah dan sedang. Sebagai pedoman, ketel pipa api kompetitif untuk kecepatan steam sampai 14.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Ketel pipa api dapat menggunakan bahan bakar minyak, gas atau bahan bakar padat dalam operasi.
5 Untuk alasan ekonomis, sebagian besar ketel pipa api dikonstruksi sebagai paket boiler ( dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar. Gambar 2.1 Ketel Pipa Api (Murdani, 2014) b. Ketel pipa air (water tube boiler) Pada Ketel pipa air seperti tampak pada Gambar 2.2, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakaran membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Ketel ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus ketel untuk pembangkit tenaga listrik. Untuk ketel pipa air yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Karakteristik ketel pipa air sebagai berikut: Force, induce dan balance draft membantu untuk meningkatkan effisiensi. Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari pengolahan air. Memungkinkan untuk tingkat effisiensi panas yang lebih tinggi.
6 Gambar 2.2 Ketel Pipa Air (Murdani, 2014) 2.2.2 Berdasarkan Pemakainnya a. Ketel Stasioner (Stasionary boiler) atau ketel tetap Merupakan ketel-ketel yang didudukan di atas fundasi yang tetap, seperti ketel untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain-lain sebagainya. b. Ketel mobil ( mobile boiler), ketel pindah atau portable boiler Merupakan ketel yang dipasang fundasi yang berpindah-pindah (mobil), seperti boiler lokomotif, lokomobil, dan ketel panjang serta lain yang sebagainya termasuk ketel kapal (Marine Boiler). 2.3 SOOTBLOWER Soot Blower adalah alat pembersih tube pada boiler terutama pada bagian Heat Recovery Area (HRA) yaitu area superheater, economizer, reheater, serta pada air hea ter. Sootblower menyemprotkan uap panas (Superheated steam) yang membersihk an dinding luar tube dan elemen heat exchanger pada air heater.
7 2.3.1 Fungsi Sootblower Fungsi dari Sootblower adalah untuk membersihkan abu, debu atau jelaga yang menempel pada pipa-pipa ketel, Superheater, Economiser dan pada elemen air heater. Tujuan dari pembersihan tersebut adalah untuk menaikkan effisiensi dari Boiler dan menghindari kerusakan pipa-pipa pada boiler/superheater. Biasanya sootblower menggunakan uap untuk membersihkan pipa-pipa Boiler/Superheater. 2.3.2 Jenis dan Konstruksi Sootblower Jenis penempatan, ukuran dan tekanan serta frekuensi penggunaan sootblower sangat bervariasi sesuai dengan desain Boiler dan karakter deposit/endapannya. Oleh karena itu adalah tidak mungkin untuk menguraikan semua pemakainnya, tetapi secara umum, jenis-jenis utama dari sootblower yang digunakan adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 2.3, yaitu: a. Sootblower yang dapat ditarik (Retractable gun blowers) yang mempunyai nozzle jet tunggal untuk diarahkan pada susunan pipa boiler dan superheater. b. Sootblower yang dapat ditarik (Retractable gun blowers) dengan nozzle jet yang berlawanan untuk membersihkan pipa air di ruang bakar. c. Sootblower panjang yang dapat ditarik (Long retractable lance blowers) yang bergerak/bergeser diantara susunan pipa dengan nozzle berputar dan mempunyai jet yang berlawanan untuk mengimbangkan gaya dorong. Jenis inilah yang paling efektif mencapai sasaran yang lebar dengan merata/sebanding. d. Sootblower dengan nozzle jet banyak (Multi jet tube blowers) digunakan untuk zona temperatur yang lebih rendah seperti economiser dan air heater. Blower tersebut tidak dapat ditarik (non-retracting) tetapi dapat berputar atau bergeser.
8 Gambar 2.3 Jenis-jenis Sootblower (Erwin, 2014) 2.3.3 Bagian sootblower Bagian bagian standar yang ada pada sootblower dapat diuraikan sebagai berikut: a. Lance tube Lance tube adalah kompnen utama dari sootblower yang berfungsi untuk menyuplai uap tekanan tinggi guna membersihkan boiler. Dalam proses pembersihan, lance tube memanjang kedalam boiler dan menopang pada struktur boiler. b. Poppet valve Poppet valve pengoperasiannya dilakukan dengan proses mekanik. Poppet valve berada paling belakang dari soot blower. Poppet valve digunakan untuk menutup dan membuka aliran uap yang akan digunakan untuk proses blowing, dan pada valve ini mempunyai suatu pengendali kontrol tekanan yang dapat di setel. Proses membuka dan menutupnya sendiri dikontrol automatis dari pergerakan blower carriage. Ada suatu engkol yang dihubungkan secara mekanik dengan tuas ke poppet valve yang
9 merespon ke posisi buka dan tutup dari valve tersebut oleh bergeraknya maju atau mundurnya carriage. Pergerakan engkol dari poppet valve sendiri dilakukan oleh sebuah trip pin yang berada pada carriage. c. Nozzle Fungsi nozzle adalah untuk mengubah uap tekanan tinggi didalam lance tube menjadi uap berkecepatan tinggi. Nozzle yang ideal adalah yang dapat mengeluarkan uap tekanan tinggi dari steam ke luar hingga tekanan udara normal. d. Limit switch Limit switch adalah suatu peralatan elektromekanikal yang mengirim sinyal ke carriage ketika kaki mekanikal tertekan oleh lengan pengungkit. Ada dua lengan limit switch: satu di pasang pada saat posisi berhenti dan satu limit switch di pasang pada posisi mundur. Lengan pengungkit, memberikan respon kepada carriage dan bersamaan itu carriage bergerak sesuai dengan limit switch yang tersentuh. e. Wall Box Fungsi utama dari wall box untuk mencegah gas panas, debu dan menopang partikel pada saat sootblower beroperasi. Wall box ini juga dapat mencegah bocornya gas buang dari boiler dengan mendapat media udara perapat. f. Power Supply Power supply untuk motor listrik penggerak dari soot blower system diperoleh dari tegangan 230/460 volt yang disuplai dari kabel, dimana kabel tersebut ditempatkan. 2.3.4 Pengoperasian Sootblower Frekuensi sootblowing ditentukan oleh pengalaman masing-masing boiler, dan tidak boleh terlalu sering karena menurunkan Effisiensi dan mahalnya harga uap yang digunakan. Untuk pengoperasian sootblower digunakan SOP/IK dari pengoperasian sootblower dan berdasarkan karakteristik boiler it sendiri. Pada waktu mengoperasikan sootblower, harus dilaksanakan tindakan pengaman sebagai berikut: 1. Vakum boiler harus dinaikkan untuk melindungi operator dari hembusan keluar gas panas.
10 2. Diperlukan drain yang cukup pada pipa-pipa supply uap dan biasanya dipasang katup-katup drain otomatis 3. Blower tidak boleh dibiarkan terus pada posisi kerja dengan uap didalamnya, karena menyebabkan erosi pada pipa setempat. 4. Bila blower tertinggal didalam ruang bakar tanpa uap ia akan rusak. Bila supply listrik terganggu atau blower macet, ia harus dikeluarkan dengan manual. 5. Boiler harus beroperasi dengan beban tinggi ketika sootblowing, agar pembakaran stabil. 6. Suhu logam air heater harus dijaga setinggi mungkin ketika sootblowing dengan membypass udara atau resirkulasi udara panas. 2.4 KEKUATAN MATERIAL Untuk menganalisa material lance tube digunakan persamaan berikut ini Shigley, J.E (1991): dimana : tmin allowance = P.D 2 ( SE+Py) (2.1) S = Stress valve for material (N/m 2 ) (ASME B 31.3 table A-1) E = Quality factor ( table A-1A / A-1B) P = Internal design pressure (N/cm 2 ) y = Coeficient from table 304.1.1 ASME B 31.3 t = Pipe thickness (mm) D = Outer diameter (mm) 2.4.1 Diagram Tegangan-Regangan Dalam perancangan komponen pemesinan, perlu diketahui struktur bahan, karakteristik bahan, dan sifat-sifat mekanis dari bahan/material tersebut. Sehingga material tersebut dapat diketahui kekuatan dan fungsi dari material tersebut. Pada umumnya sifat mekanis sering digunakan dalam praktek dan seringkali standard tersebut diketahui melalui uji tarik.
11 Proportional limit Elastic limit Yield stress Ultimate stress Break point o Gambar 2.4 Diagram Tegangan-Regangan (Ahmad Suudi,2010) Penjelasan dari diagram tegangan regangan: Batas proporsional (proportional limit) adalah dari titik asal O ke suatu titik yangdisebut batas proporsional masih merupakan garis lurus (lihat Gambar 2.2). Pada daerahini berlaku hukum Hooke, bahwa tegangan sebanding dengan regangan. Kesebandingan ini tidak berlaku di seluruh diagram. Kesebandingan ini berakhir pada batas proporsional. Batas elastis (elastic limit) batas elastis merupakan batas tegangan dimana bahan tidak kembali lagi ke bentuk semula apabila beban dilepas tetapi akan teraji deformasi tetap yang disebut permanen set.untuk beberapa material, nilai batas proporsional dan batas elastis bampir sama. Untuk membedakannya, batas elastis selalu hampir lebih besar daripada batas proporsional. Titik mulur (yield point/yield stress) titik mulur adalah titik di mana bahan memanjang mulur tanpa pertambahan beban. Gejala mulur khususnya terjadi pada baja struktur (medium-carbon structural steel), atau baja paduan lainnya.
12 Kekuatan maksimum (ultimate strength) titik ini merupakan ordinat tertinggipada kurva tegangan-regangan yang menunjukkan kekuatan tarik (tensile strength )bahan. Kekuatan patah (breaking strength) kekuatan patah terjadi akibat berlainannya beban mencapai beban patah sehingga beban meregang dengan sangat cepatdan secara simultan luas penampang bahan bertambah kecil. 2.4.2 Defleksi Material Pada kasus disini kami menggunakan asumsi lance tube sootblower menggunakan prinsip kantilever. Untuk mencari defleksi pada lance tube sootblower tersebut menggunakan rumus di bawah ini. 1. Analisis besar defleksi yang terjadi pada lance tube dengan menggunakan persamaan berikut: δ1 = w 1ɑ 4 8EI 1 x L ɑ (2.1) 1 w δ2 = x 2 (L ɑ) EI 2 8 x {L 3 +L 2 ɑ+lɑ 2 - ɑ3 3 } I1= π 64 (d014 - di1 4 ) dan I2= π 64 (d024 - di2 4 ) Dimana : I1 = momen inersia L= panjang lance tube di = diameter inner δ = defleksi d0 = diameter outer E = Modulus elastisitas ɑ = panjang pangkal lance tube w = berat lance tube 2. Pemeliharaan rutin system sootblower Ada terdapat beberapa jenis pemeliharaan pada system sootblower yaitu : a. Pemeliharaan mekanik b. Pemeliharaan listrik c. Pemeliharaan Instrumen dan control
13 2.5 TEORI PERPINDAHAN PANAS Perpindahan panas adalah ilmu yang memperkirakan terjadinya perpindahan energi yang disebabkan oleh adanya perbedaan suhu di antar benda atau material. Ilmu perpindaha kalor menjelaskan bagaimana energi berpindah dari suatu benda ke benda lain dengan memperkirakan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu (Holman,1986). Gambar 2.5 Konsep perpindahan panas (Taufiqurohman, 2014) Pada prinsipnya, energi dalam bentuk panas (atau biasa disebut juga kalor) akan berpindah dari suatu media bertemperatur tinggi ke media bertemperatur rendah melalui berbagai bentuk mekanisme. Perpindahan panas konduksi biasanya terjadi karena adanya hantaran oleh molekul-molekul di dalam suatu zat padat, atau bisa juga pada zat cair yang diam. Sedangkan perpindahan panas konveksi terjadi antara suatu aliran fluida dengan permukaan suatu padatan di mana aliran fluida tersebut berkontak. Sedangkan, perpindahan panas secara radiasi (pancaran energi panas) biasanya terjadi pada sistemsistem bertemperatur sangat tinggi. Dalam hal tersebut benda tertentu yang bertemperatur tinggi memancarkan energi panas ke sekelilingnya. Dalam menganalisa defleksi yang terjadi pada lance tube, terlebih dahulu dianalisis pertambahan panjang pipa yang dirumuskan: L = αlo. T (2.2)
14 Gambar 2.6 Thermal Expantion (Werner, 2008) Dimana L menyatakan pertambahan panjang akibat pemuaian ( m atau in), α merupakan koefisien ekspansi thermal (µm/m 0 C atau in/in 0 F, Lo menyatakan panjang awal ( m atau in ), dan T menyatakan perbedaan temperature pada komponen ( 0 C atau 0 F ). 2.5.1 Konduksi Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung (holman, 2010). Gambar 2.7 Proses Perpindahan Panas Konduksi (Taufiqurohman, 2014)
15 2.5.2 Konveksi Gambar 2.8 Proses Perpindahan Panas Konveksi (Taufiqurohman, 2014) Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses tansport energi dengan kerja gabungan dari konduksi kalor, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cair atau gas. Perpindahan kalor secara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya di atas suhu fluida disekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, kalor akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel- partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikelpartikel fluida tersebut. Kedua, partikel-partikel tersebut akan bergerak ke daerah suhu yang lebih rendah dimana partikel tersebut akan bercampur dengan partikel-partikel fluida lainnya. Perpindahan kalor secara konveksi dapat dikelompokkan menurut gerakan alirannya, yaitu konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Apabila gerakan fluida tersebut terjadi sebagai akibat dari perbedaan densitas (kerapatan) yang disebabkan oleh gradient suhu maka disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah (natural convection). Bila gerakan fluida tersebut disebabkan oleh penggunaan alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa.
16 2.6 PERHITUNGAN KINERJA PERPINDAHAN PANAS DI PIPA BOILER Untuk melakukan perhitungan perpindahan panas pada boiler akibat pertukaran panas yang terganggu dapat digunakan metode sebagai berikut: 2.6.1 Neraca Panas/Heat Transfer Perhitungan mengenai besarnya panas yang dilepas dan panas yang diterima adalah sama, disebut Necara Panas (heat balance). Untuk mengukur perpindahan panas yang terjadi pada boiler akibat sootblower yang mengalami gangguan dapat dihitung dengan persamaan neraca panas: H = q. Cp ( T1- T2 ) kcal / jam (2.4) Dimana : H = Heat transfer rate ( kcal / jam ) q = Berat masa gas bekas ( kg/jam) Cp = Specific Heat ( kj/kg K) T1 = Temperature Flue gas di Furnace ( C ) T2 = Temperature Flue Gas keluar Air Heater ( C )