ANALISA KINERJA WASTE HEAT BOILER

ANALISA KINERJA WASTE HEAT BOILER DENGAN METODE KESETIMBANGAN PANAS DAN MASSA DIPABRIK 1 (SATU) PT.PETROKIMIA GRESIK

( Nur Laila Hamidah, Ir.Sarwono,MM, Ir.Ronny Dwi Noriyati,M.Kes) Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya

Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp : +6231-5947188 Fax : +6231-5923626

e-mail : Yamapi_mymy@yahoo.com Abstrak

Telah dilakukan analisa kinerja waste heat boiler dengan metode kesetimbangan panas dan massa pabrik 1 PT.Petrokimia Gresik, metode kesetimbangan panas dan massa digunakan untuk menurunkan persamaan model matematis dari tiap-tiap komponen WHB, yang kemudian akan digunakan untuk mensimulasikan proses yang ada pada WHB guna mengetahui kinerja dari WHB tersebut. Dari analisa hasil simulasi yang telah dilakukan diketahui bahwa produk “steam” yang dihasilkan adalah 18.37 kg/s ,dimana kapasitas terpasang yang terdapat pada waste heat boiler pabrik 1 PT.Petrokimia Gresik adalah 25 kg/s, sehingga dapat diketahui efisiensi produk yang dihasilkan adalah 73.47 %. Penambahan bahan bakar pada WHB terlalu besar, sehingga terjadi banyak pembuangan kalor, yang mengakibatkan kinerja WHB tidak optimal. Untuk mencapai temperatur steam sesuai yang diharapkan yaitu sebesar 460 oC, Penambahan bahan bakar dapat dihemat sebesar 42 % dari 191.65 kJ/s menjadi 111. 87 kJ/s. Dengan penghematan bahan bakar yang dilakukan didapatkan nilai kalor yang dihasilkan burner sebesar 5.913. 106 kJ/s dan kalor yang dibuang ke main stack sebesar 7.625. 105 kJ/s sehingga efisiensi pemakaian kalor pada WHB adalah 87.01 % . Pada Real plant efisiensinya lebih besar yaitu 98.6 %. namun suhu yang dihasilkan jauh melebihi set point yaitu 696.6 oC. Diharapkan tidak ada kalor yang dibuang ke main stack sehingga pemakaian bahan bakar dapat dioptimalkan. Untuk optimalisasi pemakaian bahan bakar pada waste heat boiler dapat dirancang sistem monotoring mengenai berapa banyak bahan bakar dan berapa sisa yang telah digunakan serta dapat pula dirancang sistem kontrol bukaan valve bahan bakar dari hasil monitoring yang telah dibuat.

Kata kunci : analisa, kinerja, waste heat boiler I. PENDAHULUAN

Waste Heat Boiler merupakan bejana tertutup yang memanfaatkan limbah panas atau gas buang untuk pembakarannya, dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam yang akan digunakan untuk memutar sudu turbin.Waste Heat Boiler pabrik 1 (urea) PT.Petrokimia Gresik mempunyai umur yang sudah cukup lama yaitu mulai beroperasi tahun 1991, dari umur Waste Heat Boiler yang sudah cukup tua ini menyebabkan kinerjanya (efinsiensi) menurun. Waste Heat Boiler pabrik 1 (urea) PT.Petrokimia Gresik memanfaatkan gas buang dari Generator Turbin Gas (GTG) untuk pembakaran pada burnernya, namun kinerja dari WHB belum maksimum, yaitu dari kapasitas maksimum terpasang adalah 90 ton/jam sedangkan operasionalnya adalah 72 ton/jam. Pada WHB ini kondisinya masih belum maksimal kapasitas terpasang dikarenakan suplay gas buang dari Generator Turbin Gas masih belum memenuhi yaitu dari kapasitas terpasangnya 33 ton/jam operasionalnya hanya 28 ton/jam. Padahal kinerja (efisiensi) dari Waste Heat Boiler ini sangatlah dipengaruhi oleh gas buang dari Generator Turbin Gas tersebut.. Dari uraian ini dapat diketahui bahwa kinerja (efisiensi) dari Waste Heat Boiler pabrik 1 (urea) PT Petrokimia Gresik masih belum optimum.

Untuk mengetahui penyebab ketidak efisiensian tersebut perlu dipahami alur proses WHB itu sendiri. Komponen-komponen penyusunnya juga

harus dipahami agar dapat diketahui variable – variable input-output dari proses pada Waste Heat Boiler dengan penurunan model matematik tiap komponen menggunakan metode kesetimbangan panas dan massa. Dari analisa komponen-komponen yang ada pada Waste Heat Boiler pada pabrik 1 PT.Petrokimia Gresik tersebut akan dianalisa hubungan sebab-akibat yang ada antara komponen yang satu dengan komponen yang lain yang saling mempengaruhi melalui simulasi dengan menggunakan software Simulink Matlab. Sehingga diharapkan dari analisa hubungan sebab akibat dari komponen komponen pada Waste Heat Boiler dengan mempergunakan metode kestimbangan panas dan massa tersebut akan dapat dianalisa penyebab tidak tercapainya kapasitas terpasang dan dapat diketahui kinerja dari Waste Heat Boiler pada pabrik 1 (urea) PT.Petrokimia Gresik.Dari penyebab tidak tercapainya kapasitas terpasang bagi PT.Petrokimia Gresik akan digunakan sebagai acuan untuk meningkatkan kinerja dalam hal ini adalah efisiensi dari Waste Heat Boiler pabrik 1 PT.Petrokimia Gresik. Sehingga apabila kinerja Waste Heat Boiler meningkat maka produksi juga akan meningkat.

II. TEORI DASAR 1. Deskripsi Boiler

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan

tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Boiler mendapatkan suplay panas dari burner.Boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar.. [7]

2. Waste Heat Boiler Tipe Waste heat boiler

• Boiler dengan proses pemanasan dari gas buang dari sumber lain ( GT )

• Non additional firing dan additional firing • Single steam drum, double steam drum ( LP -

HP ), triple steam drum ( LP - IP - HP ) 3. Komponen-komponen Boiler WHB

a. Deaerator

Deaerator merupakan suatu komponen dalam waste heat boiler yang berfungsi untuk mengurangi kandungan oksigen didalam air sebelum air dimasukkan kedalam proses waste heat boiler. b. LP Drum

LP Drum merupakan tempat penampungan air pada waste heat boiler, yang kemudian akan dialirkan ke feed water pump untuk dipompakan menuju economizer.Lp drum juga menerima suplay air dari flash vessel.Pada LP drum fasa masih dalam bentuk cair sehingga tidak terjadi perubahan fasa. Dinamakan LP (Low Pressure) drum karna masih dalam bentuk cair,sehingga tekanan didalam tangki masih rendah.

c. Feed Water Pump

Feed Water Pump boiler adalah tipe khusus dari pompa yang digunakan untuk memompa air hasil kondensasi menuju ke steam drum pada boiler. [7] d. Economizer

Economizer adalah alat pemindah panas berbentuk tubular yang digunakan untuk memanaskan air umpan boiler dari BFWP (Boiler Feed water pump) sebelum masuk ke steam drum. [7]

e. HP Drum

HP drum adalah tempat penampung siklus pemanasan air dalam boiler yang digunakan untuk memisahkan wujud fluida, antara yang berwujud air dengan yang berwujud uap (steam). Di dalam HP drum terdapat peralatan pemisah uap. Campuran feed water dan uap mengalir mengikuti bentuk separator sehingga uap air pada campuran akan jatuh dan masuk ke saluran primary superheater. Air yang jatuh akan dialirkan ke bagian bawah dari drum secara gravitasi dan mengalir ke dalam tempat penampungan kemudian keluar menuju Flash vessel. [7]

f. Flash Vessel

Flash vessel merupakan tempat penampungan atau tangki penampungan air dari HP drum yang masih mengandung uap atau steam untuk dipisahkan dengan steam. air yang sudah dipisahkan akan menuju ke LP drum.sedangkan uap hasil pemisahan tersebut akan menuju ke blowdown tank.Pemisahan pada flash vessel ini dilakukan secara gravitasi sehingga tidak ada panas yang mengalir, dan tidak terjadi perubahan temperatur

g. Evaporator

Evaporator berfungsi sebagai tube pemanasan pada waste heat boiler yang digunkan untuk membantu pemanasan air yang berada pada tangki LP drum (LP evaporator) dan HP drum (HP evaporator)

h. Superheater

Superheter :adalah tempat berupa jalur pipa-pipa sebagai proses lanjut dalam pengolahan steam yang memanfaatkan flue gas hasil pembakaran, sehingga di dapat steam untuk proses ke turbin yang sesuai dengan standard yang telah di tentukan. i. Burner

Burner Merupakan peralatan pembakar pada Waste Heat Boiler dimana bahan bakar utamanya adalah natural gas.

j. Cerobong (Stack)

Cerobong adalah alat untuk membuang gas hasil pembakaran ke udara bebas.

4. Hukum Kesetimbangan Panas dan Massa Hukum kstimbangan panas dan massa ( Heat and Mass Balance ) yaitu kalor dan massa yang masuk sama dengan kalor dan massa yang keluar ditambah dengan kalor dan massa yang tersimpan dalam sistem , untuk menghitung ksetimbangn panas dan massa dilakukan pendekatan control volume. Kontrol Volume Energi

Gambar 1. energi dalam Control volume.[1]

(1)

(2) [2] Kontrol Volume Massa

Gambar 2. massa dalam Control volume.[1]

, , , (3)[2] Total Mass Balance

akumulasi _{massa total} waktu

massa total_{!"#$% &}

waktu

massa total_{'$%#$% &} waktu

Atau

()*+,-(. /01 /0 (4) Dimana :

01 dan 0 laju aliran Fluida [volume per unit waktu(ft3/min atau m3/min)] untuk aliran input dan output. Asumsi bahwa densitas konstan (temperatur tidak berubah) sehingga persamaan 4 menjadi

2(,_(. 01 0 (5) Total Energy Balance

akumulasi _{energi total&} waktu

Energi total_{!"#$% &}

waktu

energi total_{'$%#$% &} waktu Energi total_{!"#$% &}

waktu

Ya Ya Ya Tidak Tidak Tidak 89 :;< Ya (6) Dimana Q adalah jumlah suplay panas per unit waktu.Asummsi =_>?@@ 0 , sehingga persammannya menjadi:

(7)[2] 5. Konveksi Paksa didalam Pipa dan saluran

q = m cv∆TD (8)

dimana:

q = laju perpindahan panas ke fluida (kJ/s) m = laju aliran massa (kg/s)

cv = Panas pada volume konstan (kJ/kg.K)

∆TD = Beda suhu antara penampang penampang yang bersangkutan (oK)[3]

Sedangkan Untuk menghitung Perpindahan panas persatuan panjang yang melewati suatu pipa, atau panas yang hilang atau diserap oleh fluida dalam suatu pipa adalah: [4]

Perp. panas persatuan panjang = q/L (9) 6. Efisiensi Thermal

(10) III. PEMODELAN DAN PERANCANGAN

SISTEM WASTE HEAT BOILER 1. Flowchart Alur Penelitian

Gambar 3. Alur penelitian.

2. Diagram Blok Sistem ”Waste Heat Boiler”

Gambar 4. Diagram sistem pada WHB 3. Penurunan Model Matematika

a. Deaerator

Deaerator merupakan suatu komponen dalam waste heat boiler yang berfungsi untuk mengurangi kandungan oksigen didalam air sebelum air dimasukkan kedalam proses waste heat boiler.

Gambar 5 Gambar sistem pada Deaerator Air dari condensor hanya dilewatkan saja pada tangki deaerator menuju LP drum,tidak terdapat akumulasi air dalam tangki sehingga tidak ada penurunan model matematis untuk tangki deaerator. b. LP Drum

Gambar 6. Sistem pada LP Drum Hukum kesetimbangan Massa pada LP drum

2/E(,_(. F FG FH I FJ F K (11) Dimana:

FG = Laju aliran massa dari Condensator (kg/s)

FH = Laju aliran massa ke flash vessel (kg/s)

FJ = Laju aliran massa ke feed water pump (kg/s)

FK Laju aliran massa ke LP Evaporator (kg/s)

FI Laju aliran massa) dari LP Evaporator (kg/s) A = Luas penampang dari LP drum(m2)

h = Level ketinggian fluida pada LP drum (m)

/E = Dnsitas cair (kg/m3)

Berdasarkan data teknis di lapangan maka diperoleh model dinamika dari persamaan 11 pada LP drum sbb:

mulai

Studi Literatur

Membuat Diagram Blok Sistem WHB dari PFD WHB Pengambilan Data

Penurunan model matematis setiap komponen WHB dengan hukum kesetimbangan panas dan massa

Penyusunan Laporan Tugas Akhir

Selesai

Simulasi dari model matematis masing-masing komponen

Penggabungan tiap-tiap komponen WHB menjadi satu sistem WHB dengan matlab Simulink

Pengujian dan analisa

1 . 13.31 .RSTU(>VW_R% F FG H F FI J F K c. LP Evaporator

Gambar 7. Sistem pada LP Evaporator Hukum kesetimbangan energi pada LP Evaporator

XTUYZ . /Z. [Z.R=_{R% F} \K ZG. =! F \I ZH. = F \] Z2. =

_TUYZ Dimana:

/Z = Densitas uap pada LP Evaporator (kg/m3)

XTUYZ= Volume LP Evaporator (m3)

Cv = Kalor spesifik pada LP Evaporator (kJ/kg.K)

FK =Laju massa dari LP drum (kg/s)

FI = Laju massa ke LP drum (kg/s)

F] = Laju massa) ke Blowdown Tank (kg/s)

=!" = Temperatur input LP Evaporator (K)

= = Temperatur output LP Evaporator (K)

_TUYZ= Kalor pembakaran pada LP Evaporator (kJ/s) Berdasarkan data teknis di lapangan maka diperoleh model dinamika dari pers 12 pada LP Evaporator sebagai berikut : 127.12192 . 0.606332. 1902.302.R=_{R% LPEv fm}K.1916. =!g fF . 1887.934909.=g f0.961818.I 1887.9349. =g _ jklm Dimana: _TU?Z _?no_Tpq_pq (13) Dan

r

_?n merupakan panjang penampang pipa economizer

d. Feed Water Pump

Gambar 8. Sistem pada feed water pump

Hukum kesetimbangan Massa pada feed water pump

F FJ Fs t

(14)

Dimana:

F J = Laju aliran massa dari LP drum (kg/s)

Fs = Laju aliran massa ke economizer (kg/s)

Ft = Laju aliran massa ke DSH (kg/s) e. Economizer

Hukum kesetimbangan energi pada Economizer

X?n . /Z. [Z.(u_(. F \s ZG. =! F \v ZH. = _?n (15)

Dimana:

/Z = densitas uap pada Economizer (kg/m3)

Xw,G = volume Economizer (m3)

Cv = kalor spesifik pada Economizer (kJ/kg.K)

Fs = laju massa dari Feed water Pump (kg/s)

Fv = laju massake HP Drum (kg/s)

=! = Temperatur input Economizer (K)

= = Temperatur output Economizer (K)

_Yn = Kalor pembakaran pada Economizer (kJ/s)

Gambar 9. Sistem pada Economizer

Berdasarkan data teknis di lapangan maka diperoleh model dinamika dari pers 15 pada Economizer

sebagai berikut :

59.7256. 0.581731536. 1908.614.R=_{R% ec fF}s . 1887.

9349. =!g fF .1971.341808.=g _v Yn

Dimana:

_?n _zU?Zo_T{|p}{|p} (16) Dan

r

_zU?Z merupakan panjang penampang pipa HP evaporator

f. HP Drum

Gambar 10. Sistem pada Steam Drum Hukum kesetimbangan massa pada HP drum

2/Z(,_(. F Fv GK FG~ FGH FGJ (17) Dimana:

F t = Laju aliran massa dari Economizer (kg/s)

FG~ = Laju aliran massa ke flash vessel (kg/s)

FGH = Laju aliran massa ke Superheater 1(kg/s)

FGJ Laju aliran massa ke HP Evaporator (kg/s)

FGK Laju aliran massa ke HP Evaporator (kg/s) A = Luas penampang dari HP drum (m2) h = Level ketinggian fluida pada HP drum (m)

/E = Dnsitas uap (kg/m3)

Berdasarkan data teknis di lapangan maka diperoleh model dinamika dari pers 17 pada HP drum sebagai berikut :

g. Flash Vessel

Gambar 11. Sistem pada Flash Vessel Hukum kesetimbangan Massa pada Flash vessel

2/E(,_(. FG~ F FH GG (18) Dimana:

FG~ = Laju aliran massa dari HP drum (kg/s)

FH = Laju aliran massa ke LP drum (kg/s)

FGG = Laju aliran massa ke blowdown tank (kg/s) A = Luas penampang dari flash vessel (m2) h = Level ketinggian fluida pada flash vessel(m)

/E = Dnsitas cair (kg/m3)

Berdasarkan data teknis di lapangan maka diperoleh model dinamika dari pers 18 pada Flash Vessel sebagai berikut :

0.684399. 0.667. (,€‚ƒ „p‚‚p€

(. = FG~ - F 0.00837H h. HP Evaporator

Gambar 12. Sistem pada HP Evaporator Hukum kesetimbangan energi pada HP Evaporator

XzUYZ . /Z. [Z.(u_(. FGJ \ZG. =! FGK \ZH. =

FGI \ZH. = _zUYZ (19) Dimana:

/Z = densitas uap pada HP Evaporator (kg/m3)

XzUYZ = volume HP Evaporator (m3)

Cv = kalor spesifik pada HP Evaporator (kJ/kg.K)

FGJ = laju massa dari HP drum (kg/s)

FGK = laju massa ke HP drum (kg/s)

FGI = laju massa ke Blowdown Tank (kg/s)

=! = Temperatur input HP Evaporator (K)

= = Temperatur output HP Evaporator (K)

_zUYZ= Kalor pembakaran pada HP Evaporator (kJ/s) Berdasarkan data teknis di lapangan maka diperoleh model dinamika dari pers 19 pada HP Evaporator sebagai berikut : 158.9024 . 0.436185. 1949.526. (u (. HPEv = [FGJ . 1929. 292608. =!] – [F_GK . 1969.7603. =] – [0.504. 1969.76] +__zU?Z Dimana: _zU?Z _w,Go_T‚ƒ…_‚ƒ (20)

Dan r_w,G merupakan panjang penampang pipa superhaeater 1

i. Superheater 1

Gambar 13. Sistem pada Superheater 1 Hukum kesetimbangan energi pada superheater 1

Xw,G . /Z. [Z.(u_(. FGH \ZG. =! FG] \ZH. = + _w,G (21) Dimana:

/Z = densitas uap pada superheater 1 (kg/m3)

Xw,G = volume superheater1 (m3)

Cv = kalor spesifik pada suprheater 1 (kJ/kg.K)

FGH = laju massa ( mass flow rate) dari HP drum (kg/s)

FG] = laju massa ( mass flow rate) ke superheater 2 (kg/s)

=! = Temperatur input Superheater 1(K)

= = Temperatur output Superheater 1(K)

_w,G = Kalor pembakaran pada Superheater 1 (kJ/s) Berdasarkan data teknis di lapangan maka diperoleh model dinamika dari pers 21 pada superheater 1 sebagai berikut : 177.925 . 0.380426075. 1993.81. (u (. sh1 = [FGH . 1969.7603. =!] – [F_G] . 2017.85952. =] .+__w,G Dimana: _w,G _w,H__rw,H w,H )22-Dan r_w,H merupakan panjang penampang pipa superhaeater 2

j. Superheater 2

Hukum kesetimbangan pada superheater 2

Xw,H . /Z. [Z.(u_(. )F Ft G] -\ZG. =! FGs \ZH. = + __w,H (23)

Gambar 14. Sistem pada Superheater 2 Dimana:

/Z = densitas uap pada superheater 2 (kg/m3)

Xw,H = volume superheater2 (m3)

Fv = laju massa dari DSH (kg/s)

FGs = laju massa dari superheater1(kg/s)

FGt = laju massa) HP steam(kg/s)

=!" = Temperatur input Superheater 2(K)

= = Temperatur output Superheater 2(K)

_w,H = Kalor pembakaran pada Superheater 2 (kJ/s) Berdasarkan data teknis di lapangan maka diperoleh model dinamika dari pers 23 pada superheater 2 sebagai berikut : 89,0781248 . 0.431480056. 2045.892. (u (. sh2 = [)Ft FG] -. 2017.8595. =!] – [F_Gs . 2073,925. =] +__w,H Dimana : _w,H = __†V>‡?> (24) k. Duct Burner

Gambar 15. Sistem pada Duct Burner Model matematik Duckburner:

_†V>‡?> F@V?ˆ. ‰‰X F?Š,. [‹. ∆= (25) Dimana:

F@V?ˆ = Laju bahan bakar (kg/s)

HHV = High Heating value = 47.1373 MJ/Kg (Sesuai dengan data teknis)

mex = laju aliran massa exhaust gas = 122.5 Kg/s (Sesuai dengan data teknis)

Cv = kalor spesifik pada volume konstan = 1244,334 KJ/Kg.K

∆T = beda temperatur sebelum masuk burner(K)

_†V>‡?> = Kalor Pembakaran yang dihasilkan Burner (kJ/s)

Berdasarkan data teknis di lapangan maka diperoleh model matematik dari persamaan 25 pada Burner sebagai berikut :

_†V>‡?> F@V?ˆ. 47,1373 122,5 . 1244,334 . ∆= IV. ANALISIS DAN PEMBAHASAN

1. Pengujian dan Analisa Tiap-tiap Komponen Waste Heat Boiler.

Sebelum dilakukan pengujian secara menyeluruh, maka sebelumnya dilakukan pengujian input output untuk masing – masing komponen. Dari uji input output ini akan diperoleh respon untuk masing – masing komponen.

a. LP Drum

Pada pengujian LP drum kali ini, akan diberikan sinyal uji berupa laju massa dengan standar nilai inputan yaitu F_G sebesar 0 - 18.58 kg/s, F_H sebesar 0 - 0.2189 kg/s, F_J sebesar 0 - 17.0333338 kg/s, F_K sebesar 0 – 17.88 kg/s, dan F_I sebesar 0 - 17.2 kg/s. Pada pengujian ini, dimaksudkan agar mengetahui laju perubahan ketinggian fluida pada tangki LP drum (dh/dt). Dimana pada data teknis

dilapangan perubahan laju fluida max hingga 0,5 % [2] dari kapasitas maksimum tangki LP drum dengan volume 36 m3 dan ketinggian maksimum 6.6m.

Gambar 16. Grafik Sinyal output LP Drum (dh/dt) b. LP Evaporator

Pada uji LP evaporator ini akan diberikan sinyal uji berupa laju massa dengan standar nilai inputan yaitu F_K sebesar 0 – 17.88 kg/s, dan F_I sebesar 0 - 17.2 kg/s. Selain laju massa diberikan sinyal inputan yang direpresentasikan sebagai kalor (Q5) yang masuk pada LP evaporator. Kalor (Q5) ini yang digunakan untuk menaikkan suhu steam yang masuk melalui LP evaporator . Pada simulasi sendiri, temperatur inputan steam diasumsikan sebesar 600C. Pada pengujian ini, dimaksudkan agar mengetahui Temperatur output dari LP evaporator akibat dilewati kalor (Q5) berupa exhaust gas.

Gambar 17. Grafik Sinyal output LP Evaporator (T) d. Feed Water Pump

Pada pengujian feed water pump kali ini, akan diberikan sinyal uji berupa laju massa dengan standar nilai inputan yaitu F_J sebesar 0 - 17.0333338 kg/s, F_s sebesar 0 - 14.9444444 kg/s, Pada pengujian ini, dimaksudkan agar mengetahui laju laju massa output fluida pada feed water pump yaitu DSH (F_t-. Laju massa DSH ini digunakan sebagai tambahan inputan pada superheater 2. , namun pemodelan yang diturunkan pada feed water pump ini

FJ dan F_s adalah variabel yang dianggap kostan untuk menghasilkan nilai dari F_t. Sehingga berubahnya nilai F_J dan F_s akan berpengaruh terhadap perubahan F_t

Gambar 18. Grafik Sinyal output FWP (F_t) e. Economizer

Pada uji economizer ini akan diberikan sinyal uji berupa laju massa dengan standar nilai inputan yaitu F_s sebesar 0 - 14.9444444 kg/s, dan F_v sebesar 0 - 14.86 kg/s. Selain laju massa diberikan sinyal inputan yang direpresentasikan sebagai kalor (Q4) yang masuk pada economizer. Kalor (Q4) ini yang digunakan untuk menaikkan suhu steam yang masuk melalui economizer . Pada simulasi sendiri, temperatur inputan steam adalah hasil temperatur output dari Lp evaporator. Pada pengujian ini, dimaksudkan agar mengetahui Temperatur output economizer akibat dilewati kalor (Q4) berupa exhaust gas.

Gambar 19. Grafik Sinyal output Economizer (T) f. HP Drum.

Gambar 20. Grafik Sinyal output Hp Drum (dh/dt) Pada pengujian LP drum kali ini, akan diberikan sinyal uji berupa laju massa dengan standar

nilai inputan yaitu F_v sebesar 0 - 14.86 kg/s, F_G~ sebesar 0 - 0.518584652 kg/s, F_GH sebesar 0 - 14.436 kg/s, F_GJ sebesar 0 - 14.56 kg/s, dan F_GK sebesar 0 - 14.45 kg/s. Pada pengujian ini, dimaksudkan agar mengetahui laju perubahan level fluida pada tangki HP drum (dh/dt). Dimana pada data teknis dilapangan perubahan laju fluida maksimal hingga 0,5 % [2] dari kapaitas maksimum tangki HP drum dengan volume 12 m3 dan ketinggian 5.2 m.

g. Flash Vessel.

Pada pengujian flash vessel kali ini, akan diberikan sinyal uji berupa laju massa dengan standar nilai inputan yaitu F_G~ sebesar 0 - 0.518584652 kg/s,

FH sebesar 0 - 0.2189 kg/s. Pada pengujian ini, dimaksudkan agar mengetahui laju perubahan level fluida pada flash vessel (dh/dt). Dimana pada data teknis dilapangan perubahan laju fluida maksimal adalah 0,5 % [2]dari kapasitas maksimum flash vessel dengan volume 1.135 m3 dan ketinggianmaksimum 1.7 m. Pada flash vessel kurang lebih 50 % dari kapasitas maksimal dibuang ke blowdown tank, yang dibuang adalah fluida yang sudah tidak dapat disirkulasikan lagi dalam proses waste heat boiler atau disebut drainage.

Gambar 21.Grafik Sinyal output Flash Vessel (dh/dt). h. HP Evaporator

Gambar 22. Grafik Sinyal output HP Evaporator (T) Pada uji HP evaporator ini akan diberikan sinyal uji berupa laju massa dengan standar nilai inputan yaitu F_GJ sebesar 0 – 14.56 kg/s, dan F_GK sebesar 0 – 14.45 kg/s. Selain laju massa diberikan

sinyal inputan yang direpresentasikan sebagai kalor (Q3) yang masuk pada HP evaporator. Kalor (Q3) ini yang digunakan untuk menaikkan temperatur steam yang masuk melalui HP evaporator. Dimana kenaikan temperatur ini digunakan untuk memanaskan air yang berupa saturated vapor dari economizer pada HP drum sehingga nantinya dapat diproses pada superheater1. i. Superheater 1

Pada uji Superheater 1 ini akan diberikan sinyal uji berupa laju massa dengan standar nilai inputan yaitu F_GH sebesar 0 – 14.436 kg/s, dan F_G] sebesar 0 – 16.43 kg/s. Selain laju massa diberikan sinyal inputan yang direpresentasikan sebagai kalor (Q2) yang masuk pada Superheater 1. Kalor (Q2) ini yang digunakan untuk menaikkan suhu steam yang masuk melalui HP Superheater 1

Gambar 23. Grafik Sinyal output Superheater (T) j. Superheater 2

Pada uji Superheater 2 ini akan diberikan sinyal uji berupa laju massa dengan standar nilai inputan yaitu pertambahan dari outputan Superheater

FG] sebesar 0 – 16.43 kg/s dan dari DSH yaitu Ft sebesar 0 – 2.0888889 kg/s, dan F_Gs sebesar 0 – 18.527 kg/s. Selain laju massa diberikan sinyal inputan yang direpresentasikan sebagai kalor (Q1) yang masuk pada Superheater 2. Kalor (Q1) ini yang digunakan untuk menaikkan suhu steam yang masuk melalui Superheater 2 . Q yang didapatkan superheater 2 adalah Q keluaran dari burner. Dikarenakan antara burner dan superheater 2 tidak ada sekat, sehingga diasumsikan tidak ada energi panas yang hilang.

Untuk menaikkan suplay kalor, berarti harus menambahkan suplay bahan bakar pada burner agar didapatkan hasil pembakaran yang maksimal. Namun apabila kalor hasil pembakaran pada burner meningkat maka akan meningkatkan suhu output steam waste heat boiler.sehingga suhu steam bisa melebihi set point. Pemanasan steam pada superheater 2 ini mencapai set point yang diinginkan yaitu 460 oC. Dengan produk steam sebesar 18.527 kg/s. Pada kapasitas terpasang waste heat boiler pabrik 1 PT.petrokimia gresik produk maksimal yang mampu dihasilkan adalah 90 ton/hr atau 25 kg/s, namun pada operasionalnya produk yang dihasilkan sekitar 18-19

kg/s.jumlah produk steam yang bergantung pada input air pada LP drum yang mana mendapatkan input air dari condensor. Sehingga semua proses pada waste heat boiler ini saling mempengaruhi antara komponen satu dengan komponen yang lainya.

Gambar 24. Grafik Sinyal output Superheater 2 (T) k. Duct Burner

Gambar 25. Grafik Sinyal Output Burner (Q) Pada uji ductburner, sinyal inputan direpresentasikan sebagai laju bahan bakar yang keluar dari kontrol valve dan perubahan temperatur exhaust gas sebelum memasuki duct burner. Dimana

F@V?ˆ sebesar 116.5 kg/s dan perubahan temperatur exhaust gas sebelum masuk duct burner ∆= adalah 3.1 oC. Besar input yang diberikan ini agar temperatur produk steam mencapai set point yaitu 460 oC. Laju bahan bakar dan perubahan temperatur exhaust gas ini akan mempengaruhi besarnya kenaikan kalor yang dihasilkan oleh burner, semakin besar laju bahan bakar dan perubahan temperatur exhaust gas, maka semakin besar pula kalor yang dihasilkan burner

2. Pengujian dan Analisa Sistem Waste Heat Boiler.

Setelah dilakukan pengujian setiap komponen dari waste heat boiler, dimana untuk menganalisa kinerja dari tiap-tiap komponen itu sendiri.Kemudian akan dilakukan uji input-output dari semua sistem waste heat boiler . Untuk mengetahui kinerja dari sistem waste heat boiler secara keseluruhan. Pada tabel 1 dapat diketahui nilai

input sistem waste heat boiler berupa ∆= exhaust gas, laju masa bahan bakar ( F_@V?ˆ ) dan F_G yang merupakan nilai input air dari condensor F_G ( ditandai dengan warna biru ). Input air ini diproses melalaui komponen komponen pada waste heat boiler yang nantinya akan dihasilkan steam berupa F_Gs (ditandai dengan warna merah) dengan suhu yang sesuai dengan set point T5 (ditandai dengan warna merah). Untuk mengubah air menjadi steam dengan nilai laju massa dan suhu output sesuai yang diinginkan diperlukan kalor (Q) (ditandai dengan warna biru). Kalor yang digunakan untuk pemanasan pada proses waste heat boiler berasal dari pembakaran pada burner. Besar kalor yang dihasilkan tergantung dari nilai ∆= exhaust gas dan F_@V?ˆ . Sisa kalor yang telah digunakan akan dibuang melewati cerobong main stack sebesar Q main stack (ditandai dengan warna merah). Dari sisa kalor ini maka akan diketahui efisiensi penggunaan kalor pada proses Waste heat boiler. Pengujian sistem secara keseluruhan dilakukan sebanyak 10 kali dengan mengambil data real plant selama 10 jam. Dari besarnya laju massa input dari condensor yang masuk pada waste heat boiler sebesar 18.796 kg/s dihasilkan produk steam yang dihasilkan oleh superheater 2 sebesar 18.37 kg/s. Dari data kapasitas terpasang maksimum pada waste heat boiler sebesar 25 kg/s.sehingga efisiensi dari produk steam adalah:

Œ!Ž!"Ž! _FF>‘(V’ w.?“W ”z†

’““w1.“w .?>“w“‡• – 100 %

)26-Œ!Ž!"Ž! 18.37 kg/s _{25 k/s – 100 % 73.47%}

Efisiensi yang tidak maksimal ini dikarenakan dikarenakan untuk memutar sudu turbin pada proses pabrik 1 petrokimia gresik dibutuhkan kurang lebih steam 18-19 kg/s. Sehingga efisiensi memang ditujukan pada nilai itu yaitu sekitar 72-74 %

Daridata pada tabel 1 mengenai nilai2 input output setiap komponen pada waste heat boiler, dapat diketahui bahwa kinerja dari setiap komponen waste heat boiler sudah baik, namun pada LP evaporator kenaikan temperaturnya belum mencapai maksimum, hanya mencapai 48.6 0C dimana maksimumnya adalah 60-70 oC begitu pula pada Economizer hanya mampu menaikkan 73 oC dimana seharusnya yang mampu Tabel 1 Hasil Input Output Sistem Waste Heat boiler

dicapai adalah 94 oC. Hal ini yang mengakibatkan temperatur output pada economizer, HP evaporator dan superheater 1 kurang maksimal. Sehingga pada superheater 2 membutuhkan kalor yang besar untuk mencapai temperatur output dari produk steam sesuai yang diinginkan. . Pada simulasi ini besar bahan bakar F_@V?ˆ yang digunakan untuk memanaskan steam hingga 460 oC adalah 111.87 kg/s sedangkan pada real plant besar F_@V?ˆ sebesar 191.65 kg/s Sehingga dari simulasi pada penelitian ini dapat diketahui bahwa pemakaian bahan bakar dapat dihemat sebesar 42 %. Dan besarnya kalor yang dibuang ke main stack tidak terlalu besar.

Dari penggunaan kalor pada tube tube pemanas pada waste heat boiler dapat diketahui sisa kalor yang akan dibuang ke main stack yaitu sebesar 7.625. 105 kJ/s dimana kalor yang dihasilkan oleh burner sebesar 5.913. 106 kJ/s. sehingga efisiensi dari WHB:

Œ!Ž!"Ž! _™$š"š – _ Ž%œ\_{_ ™$š"š} – 100% )27-Œ!Ž!"Ž! 5.913 X 10_{5.913 X 10}] kJ/s – 7.625. 10_{] kJ/s} I Kj/s – 100% Œ!Ž!"Ž! 87.01%

Sehingga dapat diketahui efisiensi pemakaian kalor sebesar 87.01 %.Sedangkan pada real plant dengan pemakaian bahan bakar 191.65 kg/s kalor yang dihasilkan adalah 9.506 106 kJ/s dimana kalor yang dibuang ke main stack sebesar 1.316. 106 kJ/s. Efisiensinya adalah :

Œ!Ž!"Ž! 9.506 X 10_{9.506 X 10}] kJ/s – 1.266. 10_{] kJ/s} I Kj/s – 100% Œ!Ž!"Ž! 98.6%

Dengan bahan bakar yang digunakan pada real plant ini suhu yang steam yang dihasilkan mencapai 696.6 o_{C, hal ini jauh melebihi kondisi suhu steam yang} diinginkan yaitu 460 oC. Apabila suhu steam melebihi set point hal ini akan mengakibatkan sistem pada waste heat boiler trip. Jika dibandingkan dengan kondisi real plant pada simulasi efisiensinya lebih kecil, namun bahan bakar yang digunakan lebih kecil dan kalor yang dibuang kestack juga lebih kecil. sehingga pemakaian bahan bakar dapat dihemat hingga 42 % dan suhu steam yang dihasilkan sesuai dengan set point.Untuk meningkatkan efisiensi waste heat boiler diperlukan pengoptimalan pemakaian bahan bakar, sehingga hampir tidak ada kalor yang dibuang ke main stack.

NB: Notasi angka romawi merupakan lanjutan tabel 1 V. KESIMPULAN DAN SARAN

1. Kesimpulan

a. Dari hasil tugas akhir ini telah dianalisa kinerja dari waste heat boiler pabrik 1 PT petrokimia gresik dengan menggunakan metode kesetimbangan panas dan massa.

b. Dengan dilakukan simulasi pada simulink, Waste heat boiler yang sudah beroperasi cukup lama masih bekerja dengan baik. Namun pada LP evaporator kenaikan temperaturnya belum mencapai maksimum, hanya mencapai 48.6 0C dimana maksimumnya adalah 60-70 oC begitu pula pada Economizer hanya mampu menaikkan 73 oC dimana seharusnya yang mampu dicapai adalah 94 o_{C. Hal ini yang mengakibatkan temperatur output} pada economizer, HP evaporator dan superheater 1 kurang maksimal. Sehingga pada superheater 2 membutuhkan kalor yang besar untuk mencapai temperatur output dari produk steam sesuai yang diinginkan.

c. Dari besarnya laju massa input r sebesar 18.796 kg/s dihasilkan produk steam sebesar 18.37 kg/s. Dari data kapasitas terpasang maksimum sebesar 25 kg/s dapat diketahui nilai efisiensi produk steam yaitu sebesar 73.47 % .

d. Pada simulasi ini besar bahan bakar F_@V?ˆ yang digunakan untuk memanaskan steam hingga 460 o_{C adalah 111.87 kg/s sedangkan pada real plant} besar F_@V?ˆ sebesar 191.65 kg/s,Sehingga dari simulasi pada penelitian ini dapat diketahui bahwa pemakaian bahan bakar dapat dihemat sebesar 42%.

e. Dari simulasi efiseiensi pemakaian kalor adalah 87.01 %.Sedangkan pada realplant dan efisiensi pemakaian kalornya adalah 98.6 %. Pada Real plant efisiensinya lebih besar namun suhu yang dihasilkan jauh melebihi set point yaitu 696.6 oC.Untuk meningkatkan efisiensi waste heat boiler diperlukan pengoptimalan pemakaian bahan bakar, sehingga hampir tidak ada kalor yang dibuang kemain main stack.

2. Saran

a. Dapat dirancang sistem monitoring mengenai berapa banyak bahan bakar dan berapa sisa yang

telah digunakan. Sehingga dapat dilakukan optimalisasi waste heat boiler

b. Dapat pula dirancang sistem kontrol bukaan valve bahan bakar dari hasil monitoring yang telah dibuat sehingga penggunaan bahan bakar pada waste heat boiler dapat optimal.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Incropera , Frank P., DeWitt, David P. “Fundamental of Heat and mass transfer’’ , Fourth Edition, John Wiley and Sons, inc., Canada,1996

[2] Stephanopolous, George “ Chemical Process Control” an introduction to Theory and practice, Prentice/Hall international,Inc,1984

[3] Kuehn, Thomas H. , Ramsey, James W. & Threlkeld, James L. “THERMAL ENVIRONMENTAL ENGINEERING “, third edition, prentice-hall, inc., 1998

[4] Holman, J.P., Jasfi, E.” PERPINDAHAN KALOR” edisi ke 6, Erlangga, 1997

[5] Kreith, F., Prijono, A., “ Prinsip-Prinsip Perpindahan Kalor”, edisi ketiga, erlangga, 1997 [6] (ebook) MatLab - Simulink v 7.0 - Dynamic

System Simulation For Matlab, januari, 1999 [7] <URL:http://www.energyefficiencyasia.org/fue

l_and_gas_Combutsion>, November ,2009 [8] <URL:http://www.energyefficiencyasia.org/Efis

iensi_thermal>, Mei ,2010

[9] Prasetyo ,Youdhiyan “POWER PLANT IN-HOUSE TRAINING “ Boiler Basic,2009 [10] “Proses Flow Diagram & Piping & Instrumen

Diagram Waste Heat Boiler “, PT.Inka Karya Persada Teknik, 1992

BIODATA PENULIS Nama : Nur Laila Hamidah

TTL : Jombang, 10 Juni 1988

Alamat :JL. KH.Ahmad Dahlan No.6

60111 Surabaya Email :yamapi_mymy@yahoo.com Riwayat Pendidikan : MI As-Sulaimaniyah (1994 - 2000) SLTPN I Mojoagung (2000 - 2003) SMAN 2 Jombang (2003 - 2006)