TINJAUAN PUSTAKA
2.3. Package Boiler
Boiler merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mengkonversi air menjadi uap untuk berbagai keperluan. Sedangkan package boiler, seperti tampak pada gambar 2.1 merupakan tipe boiler yang sudah tersedia sebagai paket lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik hanya memerlukan pipa uap, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi [6].
Kelebihan package boiler antara lain adalah:
1. Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat.
2. Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki tingkat efesiensi termisnya yang lebih baik.
2.3.1. Skema package boiler
Gambar 2.2 menjelaskan skema package boiler dalam mengkonversi air menjadi uap yang siap digunakan. Adapun langkah-langkahnya adalah sebagai berikut:
1. Boiler feed water memompa fluida cair (temperatur 110°C dan tekanan 6,5 MPa) ke economizer. Disini terjadi pemanasan akibat flue gas sisa pembakaran hingga temperatur 182°C.
2. Kemudian fluida (temperatur 182°C, tekanan 5,2 MPa) masuk ke steam drum, diteruskan ke seluruh tube evaporator untuk diubah fasanya menjadi uap jenuh dan kembali lagi ke steam drum hingga temperatur 268°C.
Gambar 2.2. Skema package boiler pada pembentukan uap (Data survey di PT PIM)
3. Uap jenuh dari steam drum (temperatur 268°C, tekanan 5 MPa) masuk ke primary upper header. Disini uap panas lanjut bersirkulasi dari primary upper header ke primary lower header melalui tube superheater, dan dipanaskan hinga temperatur 390°C.
4. Dari primary lower header, uap panas lanjut (temperatur 390°C, tekanan 5 MPa) diteruskan ke desuperheater, yang berfungsi menjaga temperatur keluaran tetap dalam batas kontrol (395°C - 400°C).
5. Desuperheater menyemprotkan uap panas lanjut (temperatur 395°C, tekanan 5 MPa) ke secondary upper header (final). Disini uap panas lanjut bersirkulasi dari secondary upper header ke secondary lower header melalui tubesuperheater, dan dipanaskan hinga temperatur 400°C.
6. Secondary lower header merupakan pengumpul uap final (main steam) yang siap digunakan untuk menggerakkan turbin dan keperluan proses (temperatur 400°C dan tekanan 5 MPa).
Jika langkah-langkah pembentukan uap tesebut di atas kita analisa dengan siklus Rankine, seperti tampak pada gambar 2.3, maka langkah nomor 1 s.d. 2 proses pembentukan uap berada pada titik 1-2 pada siklus Rankine, kemudian langkah nomor 2 s.d. 3 berada pada titik 2-3, dan langkah nomor 3 s.d. 6 pada titik 3-3’.
Karena siklus Rankine merupakan siklus tertutup, maka pada titik 3’-4; uap panas lanjut menuju turbin, hal ini menyebabkan turunnya temperatur dan tekanan
uap. Pada titik 4-1; uap sisa memasuki kondenser, kemudian diembunkan pada tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.
Gambar 2.3. Siklus Rankine pada pembentukan uap (Google Image)
2.3.2. Superheater
Superheater merupakan komponen boiler yang berfungsi untuk menaikkan temperatur uap jenuh hingga temperatur tertentu menjadi uap final, seperti ditunjukkan pada gambar 2.4.
Gambar 2.4. Penempatan superheater pada package boiler & flue gas (Data survey di PT PIM)
Sumber panas (flue gas) dari furnace mengenai water tube, kemudian lintasan flue gas membelok hingga 180° mengenai seluruh tube dalam boiler.
Superheater dibagi menjadi dua tingkat, primary dan secondary. Primary superheater berfungsi mengalirkan uap ke desuperheater, kemudian uap yang telah dikabutkan disemprot kembali ke secondary superheater. Banyaknya air yang akan disemprotkan dikontrol oleh valve sesuai dengan temperatur kontrol. Pada package boiler,superheater terdiri dari tube, header, piping, support dan spacer. Superheater terdiri dari tiga model yaitu, horizontal, vertikal dan inverted loop. Model yang sering digunakan adalah model inverted loop, seperti tampak pada gambar 2.5. Hal ini didasarkan pada lintasan tube yang dapat menghasilkan efisiensi perpindahan panas yang baik dan juga tidak membutuhkan ruangan yang luas [20].
2.3.3. Header dan tubing
Header, seperti tampak pada gambar 2.6 adalah pipa tempat pengelasan tube membentuk baris dan kolom baik secara aksial dan melingkar. Header merupakan komponen utama superheater yang digunakan untuk mengoleksi dan mendustribusikan steam ke tubing dan piping. Header biasanya didesain menurut ASME Boiler and Pressure Code, Section VIII [5].
Beberapa pertimbangan khusus pada desain header adalah sebagai berikut: 1. Semua header harus terbuat dari pipa seamless.
2. Semua tee pada header harus menggunakan desain forging.
3. Ligament spacing pada arah circumferential minimum 12,7 mm diukur pada diameter dalam header.
4. Hindari penetrasi tube stub joint pada pengelasan circumferential pada daerah transisi antara header dan tee.
5. Semua pengelasan plat header harus diinspeksi dengan ultrasonic testing.
Kerusakan yang paling sering terjadi pada header adalah pada header temperatur tinggi (secondary superheater header), yang merupakan pengumpul uap final. Temperatur yang bervariasi pada header, seperti tampak pada gambar 2.7, akan berakibat kegagalan jika terdapat kelemahan desain dan fabrikasi, faktor operasional, dan pemilihan material yang tidak sesuai. Adapun bentuk kerusakannya yang paling sering terjadi adalah creep/overheating, thermal fatigue, dan thermal stress [10].
Gbr 2.7. Variasi temperatur padaheader
Semua komponen yang melekat pada header, baik support, tubing, steam separator(diaphragm), dan komponen lain yang melekat padanya difabrikasi dengan cara dilas, sepert tampak pada gambar 2.8. Oleh karena itu kerusakan pengelasan merupakan penyebab yang dominan pada kerusakan header atau bagiannya [11].
Gambar 2.8.Bentuk pengelasanpada header
Suatu komponen yang beroperasi pada temperatur tinggi akan dihadapkan pada dua masalah utama yang cenderung memperlemah komponen itu sendiri. Pertama, kekuatan yang cenderung menurun seiring dengan naiknya temperatur. Kedua, terjadinya thermal stress akibat ekspansi yang dihalangi, baik oleh bentuk geometri, kerena dikonstrain, atau karena adanya gradien temperatur [5].
Pemilihan material yang tepat merupakan salah satu syarat utama untuk konstruksi komponen boiler. Komposisi unsur chrome, moly, dan nickel akan meningkatkan ketahanan terhadap temperatur tinggi, tidak korosif. Material yang sering digunakan untuk tube boiler seperti ditunjukkan pada tabel 2.1.
