ketel uap

BAB I

PENDAHULUAN

A.   Latar Belakang

Boiler (ketel uap) adalah suatu alat yang digunakan untuk dapat menghasilkan uap bertekanan tinggi, dimana alat ini berisi air.Air didalam boiler dipanaskan hingga mendidih sampai menghasilkan uap, dan uap yans dihasilkan akan berubah menjadi tegangan tinggi .Uap yang dihasilkan boiler akan mengerakkan turbin dan diteruskan kegenerator untuk mengbangkit tenaga listrik. Uap (uap air) yaitu gas yang timbul akibat perubahan fase air cair menjadi uap (gas) dengan cara pendidihan (boiling).Uap air tersebut dapat dimanfaatkan sebagai penggerak turbin,untuk membangkitkan tenaga listrik .

Uap air yang digunakan bukan sekedar uap air saja,tetapi uap air bertekanan tinggi yang dihasilkan dari boiler, dari hal tersebut penulis ingin membuat miniature boiler sederhana dengan memamfaatkan mikrokontroler sebagai pusat kendali, sensor suhu LM 35 untuk memamtau suhu pada boiler,LCD sebagai display,heater listrik sebagai pemanas air,turbin miniature dari baling-baling kecil dan dinamo DC kecil sebagai miniature dari generator.

Ketel uap pada dasarnya terdiri dari bumbung (drum) yang terttutup dari ujung pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa air.Jadi untuk menghadapi perkembangan turbin uap tentu perlu sarana pembangkit tenaga uap (baik dalam bentuk steam boiler maupur dalam bentuk lain). Bagian pemanas lanjut (superheater) ialah bidang pemanas (uap satu rasi) untuk menaikkan temperaturnya sehingga menaikkan energi potensial uap.Pemanas lanjut sangat penting untuk produksi uap panas lanjut bagi turbin uap,karena uap panas lanjut (adi panas)adalah uap kering,syarat yang diperlukan dalam operasi turbin.Biasanya pemanas lanjut lanjut ini diklasifikasikan sebagai pemanas lanjut konveksi,pemanas lanjut radiasi atau pemanas lanjut kombinasi,tergantung pada bagaimana cara transfer energy termal.Biasanya diperlukan pula bahwa temperatur akhir uap tetap konstan meskipun beban ketel berberda.

Uap air adalah sejenis fluida yang merupakan fase gas dari air, bila mengalami pemanasan sampai temperatur didih dibawah tekanan tertentu. Uap air tida berwarna, bahkan tidak terlihat bila dalam keadaan murni kering.

B.  Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah yang akan dibahas antara lain :

a.   Bagaimana sistem kerja boiler?

b.    Apa saja klasifikasi boiler?

c.   Parameter apa saja yang harus diperhatikan dalam pengoperasian boiler?

d.   Bagaimana aplikasi penggunaan boiler pada dunia industri, terutama industri    pembangkit listrik?

C.  Tujuan dan Manfaat

      Tujuan penulisan makalah ini antara lain :

a.    Menjelaskan sistem kerja boiler.

b.    Menjelaskan bagian-bagian utama penyusun boiler.

c.    Menjelaskan klasifilasi boiler.

d.   Menjelaskan parameter yang harus diperhatikan dalam pengoperasian boiler?

e.    Menjelaskan aplikasi penggunaan boiler dalam dunia industri, terutama industri pembangkit listrik.

f.     Dapat dijadikan sebagai referensi mata kuliah utilitas subbab boiler.

BAB II

TEORI DASAR

A. Sistem kerja boiler

Boiler berfungsi sebagai pesawat konversi energi yang mengkonversikan energi kimia (potensial) dari bahan bakar menjadi energi panas. Boiler terdiri dari dua komponen utama yaitu :

     1. Dapur (furnace), sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjad energi    panas.

 2. Alat penguap (eveporator) yang mengubah energi pembakaran (energi  panas) menjadi energi potensial uap.

      Kedua komponen tersebut di atas telah dapat untuk memungkinkan sebuah   boiler untuk berfungsi. Sedangkan komponen lainnya adalah :

1.Corong asap dengan sistem tarikan gas asapnya, memungkinkan dapur     berfungsi secara efektif.

2.Sistem perpipaan, seperti pipa api pada boiler pipa api, pipa air pad boiler    pipa air memungkinkan sistem penghantaran kalor yang efektif antara nyala api atau gas panas dengan air boiler.

3.Sistem pemanas uap lanjut, sistem pemanas udara pembakaran serta sistem  pemanas air pengisi boiler berfungsi sebagai alat untuk menaikan efisiensi boiler.

          Agar sebuah boiler dapat beropersi dengan aman, maka perlu adanya sistem pengamanan yang disebut apendasi.

          Sistem boiler terdiri dari sistem umpan, sistem steam, dan sistem bahan bakar. Sisitem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang digunakan dalam sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan sistem.

            Air yang disuplai ke boiler untuk diubah menjadi steam disebut air umpan. Ada dua sumber air umpan: 1. Kondensat atau steam yang mengembun yang mengembun ke proses. 2. Air make up (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler ke plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.

            

B.     Klasifikasi Ketel Uap

Klasifikasi ketel uap ada beberapa macam, untuk memilih ketel uap harus mengetahui klasifikasinya terlebih dahulu, sehingga dapat memilih dengan benar dan sesuai dengan kegunaannya di industri. Karena jika salah dalam pemilihan ketel uap akan menyebabkan penggunaan tidak akan maksimal dan dapat menyebabkan masalah dikemudian harinya.

1.      Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa

a.       Ketel Pipa api ( Fire tube boiler )

Pada ketel pipa api, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan ketel ada di dalam shell untuk dirubah menjadi steam. Ketel pipa api biasanya digunakan untuk kapasitas steam sampai 14.000 kg/jam dengan tekanan 18 kg/cm2. Ketel pipa api dapat menggunakan bahan bakar  minyak bakar, gas atau bahan bkar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar ketel pipa api dikontruksi sebagai “paket” boiler ( dirakit pabrik )untuk semua bahan bakar.

b.      Ketel pipa air ( water tube boiler )

Pada ketel pipa air, air diumpankan boiler 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. Ketel yang modern dirancang  dengan kapasitas steam antar 4.500 – 12.000 ton/jam, dengan tekanan sangat tingi. Banyak ketel pipa air yang dikontruksikan secara paket jika digunankan bahan bakar minyak bakar dan gas. untuk ketel pipa air yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Karakteristik ketel pipa air sebagai berikut:

a.    Fored, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran.

b.    Kurang toleran terhadap kualitas air  yang dihasilkan dari plant pengolahan air.

c.    Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.

2.             Berdasarkan pemakaiannya

a.     Ketel stasioner ( stasionary boiler ) atau ketel tetap, yang termasuk stasioner adalah ketel-ketel yang didudukan pada suatu pondasi yang tetap, seperti ketel untuk pembangkitan tenaga, untuk industri dll

b.     ketel mobil ( mobile boiler ), ketel pndah / portable boiler
yang termasuk ketel mobil adalah ketel yang dipasang pada pondasi yang berpindah-pindah (mobil ), seperti boiler lokomotif, loko mobile dan ketel panjang serta lain yan sepertinya termasuk ketel kapal ( marine boiler )

3.      Berdasarkan letak dapur (furnace posisition )

a.    Ketel dengan pembakaran di dalam (internally fired steam boiler )
dalam hai ini dapur berada (pembakaran terjadi )di bagian dalam ketel . kebanyakan ketel pipa api memakai system ini

b.    Ketel dengan pembakaran di luar ( outernally fired steam boiler )

dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi )di bagian dalam ketel . kebanyakan ketel pipa air memakai system ini

4. Berdasarkan jumlah lorong (boiler tube )

a. Ketel dengan lorong tunggal (single tube steam boiler ).
pada single tube steam boiler, hanya terdapat 1 lorong saja, lorong api maupun lorong air. Cornish boiler adalah single fire tube boiler dan simple vertikal boiler adalah single water tube boiler.

c.    Ketel dengan lorong ganda ( multi tube steam boiler )
multi fire tube boiler misalnya ketel scotch dan multi water tube boiler misalnya ketel B dan W dll

5. Berdasarkan pada porosnya tutup drum (shell)

a. Ketel tegak ( vertikal steam boiler ), seperti ketel cocharn, ketel clarkson dll

b. Ketel mendatar ( horizontal steam boiler ), seperti ketel cornish, lancashire, scotch dll.

6. Berdasarkan bentuk dan letak pipa

a. ketel dengan pipa lurus, bengok dan berllekak-lekuk ( stright, bent and sinous tubeler heating surface )

b. ketel dengan pipa miring datar dan miring tegak ( horizontal, inclined or vertical tubeler heating surface )

7. Berdasarkan peredaran air ketel ( water circulation )

a. Ketel dengan peredaran alami ( natural circulation steam boiler )

Pada natural circulation boiler, peredaran air dalam ketel terjadi secara alami yaitu air yang ringan naik, sedangkan terjadilah aliran aliran conveksi alami. Umumnya ketel beroperasi secara aliran alami, seperti ketel lancashire, babcock & wilcox

b. Ketel dengan peredaran paksa ( forced circulation steam boiler )

Pada ketel dengan aliran paksa, aliran paksa diperoleh dari  sebuah pompa centrifugal yang digerakkan dengan elektric motor misalnya la-mont boiler, benson boiler, loeffer boiler dan velcan boiler.

8. Berdasarkan tekanan kerjanya

a. tekanan kerja rendah          : ≤5 atm

b. tekanan kerja sedang          : 5-40 atm

c. tekanan kerja tinggi            : 40-80 atm

d. tekanan kerja sangat tinggi : >80 atm

9. Berdasarkan kapasitasnya

a.kapasitas rendah                  : ≤2500 kg/jam

b.kapasitas sedang                  : 2500-50000 kg/jam

c.kapasitas tinggi                    : >50000 kg/jam

10. Berdasarkan pada sumber panasnya (heat source )

a.ketel uap dengan bahan bakar alami

b.ketel uap dengan bahan bakar buatan

c.ketel uap dengan dapur listrik

d.ketel uap dengan energi nuklir

D. Parameter yang harus diperhatikan dalam pengoperasian ketel uap

1. Kualitas air

Air sebagai bahan pengisi ketel uap untuk di panasi menjadi uap, maka harus diperhatikan kandungan – kandungan yang terlarut di dalam air untuk mencegah terjadinya pengrusakan terhadap ketel uap, misalnya pengerakkan, pengaratan, yang bisa menyebabkan kejadian fatal seperti ledakan. Air untuk mengisi ketel uap dapat berasal dari :

a. Air yang dihasilkan dari dalam pabrik, berupa air embun yang keluar dari pemanasan.

b.  Air yang berasal dari alam, seperti air sungai

Keburukan karena kualitas air akan menyebabkan :

a. Pengerakkan

b. Logam – logam menjadi aus karena korosi

c. Terbawanya air dalam uap

1.      Aliran uap ( Steam Flow )

Yaitu banyaknya uap yang harus dihasilkan boiler pada tingkat pengoperasian tertentu. Pengoperasian pada MCR (Maximum Continous Rating) merupakan pengoperasian boiler pada tingkat aliran uap maksimum yang bisa dijalankan secara berkelanjutan.Jika melebihi tingkat ini bisa merusak peralatan ataupun meningkatkan biaya perawatan.

Control Load untuk beban penuh aliran uap sekitar 48% dan sekitar 47 % untuk aliran uap pada tingkat MCR. Control load merupakan titik dimana suhu uap utama maupun uap pemanasan ulang telah mencapai titik desain kerjanya ( kondisi stabil )

2.       Tekanan Boiler

Untuk mendapatkan energi yang sesuai dengan kebutuhan turbin agar dapt menggerakkan generator,maka tekanan uap panas kering yang dihasilkan pun harus sesuai dengan kebutuhan beban.Dalam hal ini ,tekanan uap dapat diatur melalui reheater dan superheater.

3.       Temperatur Uap

Dalam proses konversi wujud dari cair menjadi uap,air perlu dipanaskan dalam furnace.Panas yang dihasilkan dari proses pembakaran dalam furnace tersebut juga harus diperhatikan agar suhu uap yang dihasilkan memenuhi standar yang ditentukan.Karena jika suhu uap kurang maka efisiensi akan turun tapi jika terlalu tinggi akan berpengaruh pada gas buangnya.

4.      Efisiensi Boiler

Untuk melihat apakah desain suatu boiler telah tepat ditentukan oleh beberapa faktor yang mempengaruhi,diantaranya kegunaan unit boiler itu sendiri yaitu apakah uap yang harus dihasilkan konstan atau bervariasi sesuai kebutuhan generator pembangkit listrik. Selanjutnya yang menentukan juga adalah jenis dan kualitas bahan bakar yang akan dibakar : apakah padat,cair atau gas.Seberapa banyak uap harus dihasilkan tiap jamnya apakah ratusan atau bahkan jutaan pon tiap jamnya juga perlu dipertimbangkan dalam desain.

Pembentukan uap yang dipengaruhi penyerapan panas harus memenuhi setidaknya komponen berikut ini :

1.      Tekanan kerja tiap bagian dari boiler,hal ini penting untuk distribusi dan     pemenuhan kebutuhan sistem dalam proses pengubahan air menjadi uap.

2.      Struktur power plant yang tepat untuk tipe proses pembakaran yang dipilih.

3.      Ukuran yang tepat dan pengaturan permukaan perpindahan panas untuk  penyerapan panas saat proses pembakaran.

4.      Perlengkapan yang dibutuhkan selama proses .Alat untuk memasukkan     udara, bahan bakar dan mengalirkan air.Piranti untuk memindahkan hasil pembakaran dan sistem pengendalian proses.

Permukaan penyerapam panas boiler dirancang untuk efisiensi dan biaya     yang optimum agar empat tujuan dasar boiler tercapai yaitu :

1. Uap kering yang dihasilkan memilki tingkat kemurnian yang tinggi   dalam keadaan apapun.

2. Pemanasan super terhadap uap kering sementara menjaga suhu tidak  melebihi dari kondisi operasional boiler.

3. Pemanasan ulang terhadap uap yang tekanannya turun untuk digunakan kembali oleh turbin sementara menjaga suhu tidak melebihi dari kondisi operasional boiler.

4.Mengurangi suhu gas buang untuk meminimalkan rugi-rugi panas , mengendalikan korosi dan menghasilkan emisi yang tidak melebihi ketentuan.

Efisiensi termal adalah indikator seberapa baik kemampuan input panas boiler untuk menghasilkan uap pada suhu dan tekanan yang diminta. Adanya prinsip ekonomi dan biaya bahan bakar membuat powerplant harus beroperasi seefisien mungkin. Unit 5 dan 6 didesain dengan efisiensi 92,5 – 93,5 % tergantung kondisi operasional boiler ,pada MCR, normal full load atau pada control load conditions. Untuk membandingkan performance boiler pada kondisi sekarang dengan kondisi desain awal nya ada tiga parameter yang bisa diperiksa.

5.      Fuel analysis

Analisa ini dilakukan untuk mengatuhi kandungan oksigen ,hidrogen dan karbon yang terdapat dalam bahan bakar yang digunakan.Karena kualitas bahan bakar dulu dengan sekarang bisa sangat berbeda.Perbedaan ini berpengaruh terhadap kebutuhan udara dan panas yang dilepaskan di ruang bakar ,begitu juga dengan massa aliran gas buang yang meninggalkan ruang bakar.

6.      Feedwater temperature

Perubahan suhu air yang masuk ke boiler menentukan tingkat pembakaran yang diperlukan di furnace ,lebih lanjut akan mempengaruhi panas yang dihasilkan dan banyaknya massa aliran.

7.      Excess Air

Banyaknya udara yang masuk ruang bakar berpengaruh terhadap jumlah panas yang dibawa dari furnace ( dry gas loss ) , banyaknya udara yang keluar merupakan faktor penting untuk menghitung efisiensi boiler.

E. Jenis bahan bakar untuk ketel uap

Ada tiga jenis bahan bakar yang biasanya digunakan untuk ketel uap, yaitu :

a. Bentuk padat

Bentuk padat ini ada yang bisa langsung dipakai seperti batu bara.  Ada juga yang diolah terlebih dahulu, seperti kokas dan arang kayu

b.  Bentuk Cair

Minyak bumi, bensin, residu, dll

c.  Bentuk gas

Gas bumi, LPG, gas biomass, dll

Dalam industri tekstil, biasanya menggunakan ketel uap yang berbahan bakar minyak.

F. Aplikasi ketel uap pada industri

   1. Aplikasi Boiler pada Imdustri Pembangkit Listrik

Setelah kita mengetahui jenis dan tipe boiler serta fungsi boiler dan komponennya dari uraian di atas, maka akan menjadi lebih jelas lagi bagaimana cara kerja boiler dalam suatu sistem pembangkit listrik. Dalam makalah ini sistem yang kita ambil sebagai aplikasi contoh adalah sistem pada PLTU Paiton khususnya pada PT. YTL Jawa Timur

   2. Proses Dasar Produksi Listrik

Di dalam PLTU batubara atau coal fired power plant , energi panas batubara dikonversikan ke dalam energi listrik dengan bantuan boiler , turbin dan generator. Batubara dari tempat penyimpanannya di bawa ke tempat penampungan batubara di area boiler setelah terlebih dahulu dihancurkan di ruangan penghancur batubara. Batubara tersebut kemudian disalurkan ke pengumpan batubara ( coal feeder ) yang dilengkapi alat pengatur aliran untuk dihaluskan pada mesin penghalus ( pulveriser atau coal mill ) sehingga dihasilkan tepung batubara yang halus. Batubara halus di dorong dengan udara panas yang dihasilkan dariPrimary Air Fan dan dibawa ke pembakar batubara dengan cara di injeksikan ke ruang bakar boiler ( furnace ). Di sini tepung batubara yang keluar dari corner (sudut – sudut boiler) dibakar bersama- sama dengan udara panas dan api yang di injeksikan ke ruang bakar secara bersamaan. Udara panas yang masuk kefurnace dihasilkan dari fan yang disebut Forced Draft Fan , sedangkan api di hasilkan dari pemantik api atau ignitor.

Panas yang di hasilkan dari proses pembakaran ini melalui proses perpindahan panas secara konveksi akan mengubah air yang mengalir dalam pipa – pipa yang ada di dalam boiler menjadi uap jenuh ( saturated steam ) . Uap panas ini kemudian di panaskan lebih lanjut oleh super heater sampai menjadi uap panas kering ( dry super heated steam ) sehingga efisiensi boiler makin tinggi. Uap panas kering kemudian disalurkan ke turbin bertekanan tinggi dengan bantuan pipa – pipa tebal bertekanan tinggi dimana steam itu dikeluarkan lewat nozzle – nozzle mengenai baling –baling turbin. Saat mengenai baling – baling, energi kalor yang dimiliki steam akan berubah menjadi energi kinetik dan menggerakkan baling – baling turbin dan shaft turbin yang disambungkan dengan generator ikut berputar.

Shaft yang disambungkan dengan generator berupa silinder elektromagnetik besar sehingga ketika turbin berputar generator ikut berputar ,yaitu bagian rotor.Rotor generator tergabung dengan stator.Stator adalah bagian generator yang tidak ikut berputar , berupa gulungan yang menggunakan batang tembaga sebagai pendingin internal.Listrik dihasilkan dalam batang – batang tembaga stator dengan elektostatik di dalam rotor melalui putaran magnet. Listrik yang dihasilkan bertegangan 21 kV dan dengan trafo step up dinaikkan menjadi 500 kV , sesuai tegangan yang diminta PLN . Lihat gambar sistem pada lampiran .

3. Boiler Master System

Coal fired power plant atau pembangkit listrik tenaga uap merupakan pembangkit listrik dengan menggunakan uap sebagaitenaga pembangkitnya.Untuk fungsi ini powerplant ini dapat dibagi menjadi dua bagian penting yaitu boiler master dan turbine master .Uap yang digunakan untuk pembangkit listrik ini dihasilkan dari proses perubahan wujud dari air ke uap yang dilakukan oleh boiler yang merupakan bagian dari boiler master .Sehingga boiler merupakan suatu komponen dalam power plant yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap melalui serangkaian proses yang kompleks dimana didalamnya terjadi perpindahan panas dan konversi energi dari kimia ke panas.

Jenis boiler yang digunakan pada unit 5 dan 6 adalah tipe menggantung dengan pengontrol sirkulasi (controlled circulation)yaitu sirkulasi air dan uap pada boiler tidak terjadi secara naturaltapi dipaksa dengan pompa BWCP ( Boiler water Circulating Pump) , hal ini memudahkan dalam pengoperasian boiler untuk menyesuaikan dengan kebutuhan air dan uap agar sesuai dengan beban yang diinginkan.Boiler ini didesain dengan satu kali proses pemanasan kembali (reheat) Boiler merupakan .suatu komponen besar yang terdiri dari komponen-komponen utama dan komponen pembantu agar dalam proses kerjanya mencapai efisiensi optimum.

BAB III

PENUTUP

A.    Kesimpulan

Dari pembahasan sebelumnya, dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Boiler merupakan peralatan yang dipergunakan untuk memproduksi air panas dengan temperatur tinggi sehingga menghasilkan uap atau steam, yang dipergunakan untuk proses produksi, penggerak, dan lain-lain.

2.  Sistem kerja boiler terdiri dari sistem umpan, sistem steam, dan sistem bahan bakar.

3.   Boiler terdiri dari berbagai jenis yang dapat diklasifikasikan berdasarkan fluida yang mengalir, pemakaian, letak dapur, jumlah boiler tube,poros tutup drum, bentuk dan letak pipa, sistem peredaran air, dan sumber panas.

4. Bagian utama penyusun boiler terditi dari economizer, superheater, reheater,   main steam drum, down comer, furnace, dan blow down.

5.  Dalam industri pembangkit listrik, Coal fired power plant atau pembangkit listrik tenaga uap merupakan pembangkit listrik dengan menggunakan uap dari boiler sebagai tenaga pembangkitnya

B.  Saran

Dalam proses pembuatan makalah ini masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu dengan tangan terbuka tim penulis menerima saran maupun kritik dari pembaca. Trima kasih.