4
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem pembangkit tenaga kelapa sawit
Dalam pembangkit listrik tenaga uap, energi primer yang dikonversikan menjadi energi listrik adalah bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan dapatberupa batubara (padat), minyak (cair), dan gas.
Konversi energi tingkat yang pertama yang terjadi di pembangkit listrik tenaga uap adalah konversi energi primer menjadi energi panas (Kalor). Hal inidilakukan dalam ruang bakar dari ketel uap. Energi panas ini kemudian dipindahkan ke dalam air yang ada dalam steam drum. Uap dari steam drum dialirkan ke turbin uap. Dalam turbin uap, energi uap dikonversikan menjadi energi mekanis penggerak generator, dan akhirnya energi mekanik dari turbin uap dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator. Secara skematis proses pembangkit listrik tenaga uap dapat dilihat pada Gambar 2.1
Gambar 2.1.1 Skematik Pembangkit listrik Tenaga Uap (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)
5
Gambar 2.1.2 Siklus Rankine Sederhana (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)
Siklus Rankine adalah siklus teoritis yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi, oleh karena itu fluida kerja untuk siklus Rankine harus merupakan uap. Siklus Rankine ideal tidak melibatkan beberapa masalah irreversibilitas internal. Irreversibilitas internal dihasilkan dari gesekan fluida, throttling, dan pencampuran, yang paling penting adalah irreversibilitas dalam turbin dan pompa dan kerugian-kerugian tekanan dalam penukar-penukar panas, pipa-pipa, bengkokan-bengkokan, dan katup-katup.
Temperatur air sedikit meningkat selama proses kompresi isentropik karena ada penurunan kecil dari volume jenis air, air masuk boiler sebagai cairan kompresi pada kondisi 2 dan meninggalkan boiler sebagai uap kering pada kondisi 3. Boiler pada dasarnya penukar kalor yang besar dimana sumber panas dari pembakaran gas, reaktor nuklir atau sumber yang lain ditransfer secara esensial ke air pada tekanan konstan. Uap superheater pada kondisi ke 3 masuk ke turbin yang mana uap diexpansikan secara isentropik dan menghasilkan kerja oleh putaran poros yang dihubungkan pada generator lisrik. Temperatur dan tekanan uap jatuh selama proses ini mencapai titik 4,
6
dimana uap masuk ke kondensor dan pada kondisi ini uap biasanya merupakan campuran cairan-uap jenuh dengan kualitas tinggi.
Uap dikondensasikan pada tekanan konstan di dalam kondensor yang merupakan alat penukar kalor mengeluarkan panas ke medium pendingin (Pesulima Batubara, 2012).
2.2. Perpindahan Panas Pada boiler
Perpindahan kalor adalah bentuk kalor yang dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Sedangkan kalor ini merupakan suatu bentuk energi atau dapat juga didefinisikan sebagai jumlah panas yang ada dalam suatu benda.
2.2.1 Perpindahan panas secara pancaran (radiation)
Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas antara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui gelombang-gelombnag elektromagnetik tanpa tergantung kepada ada atau tidak adanya media diantara benda yang menerima pancaran panas tersebut. Molekul- molekul api yang merupakan hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan menyebabkan terjadinya gangguan keseimbangan elektromagnetis terhadap media yang disebut aether (materi bayangan tanpa bobot yang mengisi ruangan). Sebagian panas yang timbul dari hasil pembakaran tersebut diteruskan ke aether yang kemudian diteruskan kepada bidang yang akan dipanasi yaitu dinding atau pipa ketel.
2.2.2 Perpindahan panas secara aliran (convection)
Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair maupun gas).
Molekul-molekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang-layang kesana kemari membawa sejumlah panas masing-masing q joule. Pada saat molekul fluida tersebut menyentuh dinding atau pipa ketel maka panasnya dibagikan sebagian kepada dinding atau pipa ketel, sedangkan sebagian lagi dibawa molekul pergi. Gerakan-gerakan molekul yang
7
melayang-layang tersebut disebabkan karena perbedaan temperature didalam fluida itu sendiri. Dalam gerakannya, molekul-molekul api tersebut tidak perlu melalui lintasan yang lurus untuk mencapai dinding bidang yang dipanasi.
2.2.3 Perpindahan panas secara rambatan (conduction)
Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas dari suatu bagian benda padat kebagian lain dari benda padat yang sama atau dari benda padat yang satu kebenda padat yang lain karena terjadinya persinggungan fisik (kontak fisik atau menempel) tanpa terjadinya perpindahan panas molekul-molekul dari benda padat itu sendiri.
Didalam dinding ketel, panas akan dirambatkan oleh molekul-molekul dinding ketel sebelah dalam yang berbatasan dengan api, menuju ke molekul-molekul dinding ketel sebelah luar yang berbatasan dengan air.
Perambatan tersebut menempuh jarak terpendek (Djokosetyardjo, 1993).
Sumber : (J.P. Holman, hal: 252)
Gambar 2.2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi pada Dinding
(Sumber : J.P. Holman, hal :33) Gambar 2.2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi
8 2.3 Boiler
2.3.1 Pengertian boiler
Boiler merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam berupa energi kerja. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air panas atau steam pada tekanan dan suhu tertentu mempunyai nilai energi yang kemudian digunakan untuk mengalirkan panas dalam bentuk energi kalor ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam, maka volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga sistem boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan di jaga dengan sangat baik. Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan digunakan.
Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan tekanan-temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi (high pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar dari sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan menjalankan suatu mesin (commercial and industrial boiler), atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik (power boiler). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan temperatur tinggi untuk membangkitkan energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri. Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam, dan sistem bahan bakar.
Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan dari sistem air umpan, penanganan air umpan
9
diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steamdiatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.
2.3.2 Prinsip kerja boiler.
Uap panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali.
Sistem boiler terdiri dari : sistem air umpan, sistem uap dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai valve disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem uap mengumpulkan dan mengontrol produksi uap dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan uap diatur menggunakan valve 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 diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.
Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi uap disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: kondensat atau uap yang mengembun yang kembali dari proses dan make uap water (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi,
10
digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang. Bahan baku yang digunakan untuk membuat steam adalah air bersih. Air yangtelah diproses di alirkan menggunakan pompa ke daerator tank hingga pada level yang sudah ditentukan. Pemanasan dalam daerator adalah dengan menggunakan uap sisa yang berasal dari hasil pemutaran turbin. Dalam hal ini terdapat beberapa tahap sirkulasi steam untuk pemanasan awal daerator.
2.3.3 Dasar thermodinamika
Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari perpindahan energi ketika suatu sistem mengalami proses termodinamika dari suatu keadaan ke keadaan lain. Berbagai aplikasi teknik yang menunjukkan pentingnya prinsip-prinsip termodinamika teknik seperti pada sistem energi alternatif, pembangkit listrik, sistem pendingin, pompa kalor merupakan sistem – sistem yang menghasilkan suatu konversi energi (Sutini Pujiastuti Lestari, 2011).
1. Hukum Thermodinamika 1
Bunyi hukum Termodinamika I adalah “Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya dapat diubah bentuknya saja.”
Berdasarkan uraian tersebut terbukti bahwa kalor (Q) yang diserap sistem tidak hilang. Oleh sistem, kalor ini akan diubah menjadi usaha luar (W) dan atau penambahan energi dalam (U) (Sutini Pujiastuti Lestari, 2011).
2. Hukum Thermodinamika 2
Hukum kedua termodinamika dinyatakan dengan entropi. Pada hukum pertama, energi dalam digunakan untuk mengenali perubahan yang diperbolehkan sedangkan pada hukum kedua entropi digunakan mengenali perubahan spontan di antara perubahan–perubahan yang
11
diperbolehkan ini. Hukum kedua berbunyi entropi suatu sistem bertambah selama ada perubahan spontan
Stot0………(1) Proses irreversibel (seperti pendinginan hingga mencapai temperatur yang sama dengan lingkungan dan pemuaian bebas dari gas) adalah proses spontan, sehingga proses itu disertai dengan kenaikkan entropi.
Proses irreversibel menghasilkan entropi, sedangkan proses reversibel adalah perubahan yang sangat seimbang, dengan sistem dalam keseimbangan dengan lingkungannya pada setiap tahap. Proses reversibel tidak menghasilkan entropi, melainkan hanya memindahkan entropi dari suatu bagian sistem terisolasi ke bagian lainnya (Atkins, 1999).
Sifat atau keadaan perilaku partikel dinyatakan dalam besaran entropi, entropi didefinisikan sebagai bentuk ketidakteraturan perilaku partikel dalam sistem. Entropi didasarkan pada perubahan setiap keadaan yang dialami partikel dari keadaan awal hingga keadaan akhirnya.
Semakin tinggi entropi suatu sistem, semakin tidak teratur pula sistem tersebut, sistem menjadi lebih rumit, kompleks, dan sulit diprediksi.
Untuk mengetahui konsep keteraturan, mula-mula kita perlu membahas hukum kedua termodinamika yang dikenal sebagai ketidaksamaan Clausius dan dapat diterapkan pada setiap siklus tanpa memperhatikan dari benda mana siklus itu mendapatkan energi melalui perpindahan kalor. Ketidaksamaan Clausius mendasari dua hal yang digunakan untuk menganalisis sistem tertutup dan volume atur berdasarkan hukum kedua termodinamika yaitu sifat entropi dan neraca entropi.
Ketidaksamaan Clausius menyatakan bahwa:
dS=dQ/T………(2)
12
Dimana dQ mewakili perpindahan kalor pada batas sistem selama terjadinya siklus, T adalah temperatur absolut pada daerah batas tersebut. Sedangkan dS dapat mewakili tingkat ketidaksamaan atau nilai entropi. Pada saat hukum kedua termodinamika diterapkan, diagram entropi sangat membantu untuk menentukan lokasi dan menggambarkan proses pada diagram dimana koordinatnya adalah nilai entropi. Diagram dengan salah satu sumbu koordinat berupa entropi yang sering digunakan adalah diagram temperatur-entropi (T-s).
2.3.4 Klasifikasi boiler
Ketel uap pada dasarnya terdiri dari bumbung (drum) yang tertutup pada ujung pangkalnnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa – pipa api maupun pipa air. Berbagai – bagai orang mengklasifikasikan ketel uap tergantung pada sudut pandang masing – masing. Dalam buku ini ketel uap diklasifikasikan dalam kelas yaitu : a. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka ketel uap uap
diklasifikasikan sebagai :
1. Ketel Pipa Api (Fire tube boiler).
Pada ketel api, fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala (hasil pembakaran), yang membawa energi panas (thermal energi), yang segera menstransfer ke air ketel melalui bidang pemanas (heating surface). Tujuan pipa-pipa api ini adalah untuk memudahkan distribusi panas (kalori) kepada air ketel.
Api/gas asap mengalir dalam pipa sedangkan air/uap diluar pipa drum berfungsi untuk tempat air dan uap, disamping itu drum juga sebagai tempat bidang pemanas. Bidang pemanas terletak di dalam drum, sehingga luas bidang pemanas yang dapat dibuat terbatas.
2. Ketel Pipa Air (water tube boiler).
13
Pada ketel pipa air, fluida yang mengalir dalam pipa adalah air, energy panas ditransfer dari luar pipa (yaitu ruang dapur) ke air ketel.
b. Berdasarkan pemakaiannya, ketel uap diklasifikasikan sebagai : 1. Stasioner (Stationary boiler) atau ketel tetap.
Yang termasuk stasioner adalah ketel - ketel yang didudukkan diatas fundasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk indutri dan lain – lain.
2. Modal (Mobile boiler) ketel pipa atau portable boiler.
Yang termasuk ketel mobil, adalah ketel yang dipasang pada fundasi yang berpindah - pindah (mobil), seperti boiler lokomotif, loko mobil dan ketel panjang serta lain yang sepertinya termasuk ketel kapal (marine boiler).
c. Berdasarkan letak dapur (Furnace positition), ketel uap diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Ketel dengan pembakaran didalam (internally fired steam boiler), dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian dalam ketel. Kebanyakan ketel pipa api memakai sistem ini.
2. Ketel dengan pembakaran diluar (ourtenally fired steam boiler), dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi dibagian luar ketel, kebanyakan ketel pipa air memakai sistem ini . Menurut jumlah lorong (boiler tube), ketel diklasifikasikan sebagai berikut:
1. Ketel dengan lorong tunggal (Single tube steam boiler).
Pada single tube steam boiler, hanya terdapat satu lorong saja, apakah itu lorong api atau saluran air saja. Cornis boiler adalah single fire tube boiler dan simple vertical boiler adalah single water tube boiler
2. Ketel dengan lorong ganda (Multi tubuler steam boiler).
14
Multi fire tube boiler misalnya ketel scotch dan Multi water tube boiler misalnya ketel B & W dan lain – lain.
d. Tergantung kepada poros tutup drum (shell), ketel diklasifikasikan sebagai:
1. Ketel tegak (Vertical steam boiler), seperti ketel cochran, ketel Clarkson dan lain – lain sepertinya.
2. Ketel mendatar (hoorizontal steam boiler), seperti ketel Cornish, Lancashire, Scotch dan lain – lain.
e. Menurut bentuk dan letak pipa, ketel uap diklasifikasikan sebagai berikut
1. Ketel dengan pipa lurus, bengkok dan belekak – lekuk (straight, bent and sinous tubuler heating surface).
2. Ketel dengan pipa miring – datar dan miring – tegak (horizontal, inclined or vertical tubuler heating surface).
f. Menurut sistem peredaran air ketel (water circulation), ketel uap diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Ketel dengan peredaran alam (natural circulation steam boiler).
Pada natural circulation boiler, peredaran air didalam ketel terjadi secara alami, yaitu air yang ringan naik sedang yang berat turun, sehingga terjadilah aliran konveksi alami. Umumnya ketel beroperasi secara aliran alami, seperti ketel lancarshire, Babcock
& Wilcox dan lain – lain.
2. Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler).
Pada ketel dengan aliran paksa (Forced circulation steam boiler), aliran paksa diperoleh dari sebuah pompa centrifugal yang digerakkan dengan electric motor. misalnya sistem aliran paksa dipakai pada ketel – ketel yang bertekanan tinggiseperti La – Mont boiler, Benson boiler, Loeffer boiler dan Velcan boiler.
g. Tergantung kepada sumber panasnya (heat source) untuk pembuatan uap, ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
15
1. Ketel uap dengan bahan bakar alami.
2. Ketel uap dengan bahan bakar buatan.
3. Ketel uap dengan dapur listrik.
Pada umumnya ketel uap yang dipakai sebagai tenaga penggerak mempunyai ruang api dan ruang berbentuk silinder. Jenis – jenis dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
1. Menurut penggunaanya
a. Stationary boiler (ketel uap tetap)
Jenis ini banyak dijumpai di pabrik – pabrik dan digunakan menetap disuatu tempat. Contohnya : steam power plant dan penghasil uap untuk proses pemanasan / pemisahan di pabrik kelapa sawit dan pabrik gula.
b. Mobile boiler
Ketel uap yang diletakkan dalam body yang dapat berpindah – pindah. Ketel seperti ini di jumpai di kapal – kapal lokomotif dan sebagainya yang sifatnyta bergerak.
2. Menurut tekanan kerjanya
a. Low Pressure tekanan 2 – 16 atm.
b. Medium pressure tekanan 17 – 30 atm.
c. High pressure tekanan 31 – 140 atm.
d. Super high pressure tekanan 141 – 225 atm.
3. Menurut kandungan pipanya
Yang dimaksud dengan kandungan pipa adalah bahan apa yang mengisis ruangan didalam pipa. Berdasarkan ini ketel uap dibedakan atas :
a. Fire Tube Boiler ( ketel pipa api )
Ketel jenis ini mempunyai pipa – pipa yang didalamnya di alliri oleh api atau gaas panas. Sedangkan bahagian luarnya dikelilingi oleh air didalam drum ketel.
b. Water tube Boiler ( ketel pipa air )
16
Ketel jenis ini memiliki pipa – pipa yang bagian dalamnya berisi air yang dipanaskan sedangkan luarnya dikelilingi oleh api atau gas panas.
c. Combi Boiler ( kombinasi ketel pipa api dan ketel pipa air)
Ketel jenis ini adalah kombinasi antara ketel pipa api dan pipa air, dimana bagian ruang dapur pipa – pipanya yang bagian dalamnya berisi air dan bagian badan ketel (boiler proper) pipa – pipanya dialiri oleh api atau gas panas (PT.Super Andalas Steel).
2.3.5 Komponen utama boiler pipa air 1. Furnace (Ruang bakar)
Furnace (ruang bakar) berfungsi sebagai tempat pembakaran bahan bakar. Bahan bakar dan udara dimasukkan ke dalam ruang bakar sehingga terjadipembakaran. Dari pembakaran bahan bakar dihasilkan sejumlah panas dan nyala api/gas asap. Dinding ruang bakar umumnya dilapisi dengan pipa-pipa. Semakin cepat laju peredaran air, pendinginan dinding pipa bertambah baik dan kapasitas steam yang dihasilkan bertambah besar.
Idealnya, furnace harus memanaskan bahan sebanyak mungkin sampai mencapai suhu yang seragam dengan bahan bakar. Kunci dari operasi furnace yang efisien yaitu terletak pada pembakaran bahan bakar yang sempurna denganudara berlebih yang minim.
Furnace beroperasi dengan efesiensi yang relatif rendah (paling rendah 7%) dibandingkan dengan peralatan pembakaran lainnya seperti boiler (dengan efisiensi lebih dari 90%). Hal ini disebabkan oleh suhu operasi yang tinggi dalam furnace.
2. Steam Drum
Steam drum merupakan tempat penampungan air panas dan pembangkitan steam. Steam masih bersifat jenuh (saturated).
17 3. Waterwall
Pada ruang bakar ketel uap komponenyang paling penting adalah pipa waterwall, dimana panas yang dihasilkan pada pembakaran bahan bakar diserap waterwall, sehingga air yang terdapat pada pipa waterwall mengalami penaikan temperatur sampai berubah menjadi uap.
4. Header air umpan
Merupakan bejana baja berbentuk silinder dipasang disekelilng dapur dan dibawah fire grade pada dinding depan boiler. Berfungsi untuk menampung air umpan dan selanjutnya didistribusikan ke pipa air (waterwall ). Pipa-pipa air berfungsi sebagai tempat pemanasan air ketel yang dibuat sebanyak mungkin hingga penyerapan panas lebih merata dengan effisiensi tinggi.
5. Superheater
Komponen ini merupakan tempat pengeringan steam dan siap dikirim melalui main steam pipe dan siap untuk menggerakkan turbin steam atau menjalankan proses industri.
6. Safety valve
Komponen ini merupakan saluran buang steam jika terjadi keadaan dimana tekanan steam melebihi kemampuan boiler menahan tekanan steam.
2.4 Maintenance
2.4.1 Defenisi maintenance
Pemeliharaan mesin merupakan hal yang sering dipermasalahkan antara bagian pemeliharaan dan bagian produksi. karena bagian pemeliharaan dianggap yang memboroskan biaya, sedang bagian produksi merasa yang merusakkan tetapi juga yang membuat uang (Soemarno, 2008).
Pada umumnya sebuah produk yang dihasilkan oleh manusia, tidak ada yang tidak mungkin rusak, tetapi usia penggunaannya dapat diperpanjang dengan melakukan perbaikan yang dikenal dengan
18
pemeliharaan. (Corder, Antony, K. Hadi, 1992). Oleh karena itu, sangat dibutuhkan kegiatan pemeliharaan yang meliputi kegiatan pemeliharaan dan perawatan mesin yang digunakan dalam proses produksi.
Kata pemeliharaan diambil dari bahasa yunani terein artinya merawat, menjaga dan memelihara. Pemeliharaan adalah suatu kobinasi dari berbagai tindakan yang dilakukan untuk menjaga suatu barang dalam, atau memperbaikinya sampai suatu kondisi yang bisa diterima. Untuk Pengertian Pemeliharaan lebih jelas adalah tindakan merawat mesin atau peralatan pabrik dengan memperbaharui umur masa pakai dan kegagalan/kerusakan mesin (Setiawan F.D, 2008). Menurut Jay Heizer dan Barry Render, (2001) dalam bukunya “operations Management”
pemeliharaan adalah : “all activities involved in keeping a system’s equipment in working order”. Artinya: pemeliharaan adalah segala kegiatan yang di dalamnya adalah untuk menjaga sistem peralatan agar bekerja dengan baik.
Menurut M.S Sehwarat dan J.S Narang, (2001) dalam bukunya
“Production Management” pemeliharaan (maintenance) adalah sebuah pekerjaan yang dilakukan secara berurutan untuk menjaga atau memperbaiki fasilitas yang ada sehingga sesuai dengan standar (sesuai dengan standar fungsional dan kualitas).
Menurut Sofyan Assauri (2004) pemeliharaan adalah kegiatan untuk memelihara atau menjaga fasilitas/peralatan pabrik dan mengadakan perbaikan atau penyesuaian/penggantian yang diperlukan agar supaya terdapat suatu keadaan operasi produksi yang memuaskan sesuai dengan apa yang direncanakan.
Dari beberapa pendapat di atas bahwa dapat disimpulkan bahwa kegiatan pemeliharaan dilakukan untuk merawat ataupun memperbaiki peralatan perusahaan agar dapat melaksanakan produksi dengan efektif
19
dan efisien sesuai dengan pesanan yang telah direncanakan dengan hasil produk yang berkualitas.
2.4.2 Tujuan Maintenance
Suatu kalimat yang perlu diketahui oleh orang pemeliharaan dan bagian lainnya bagi suatu pabrik adalah pemeliharaan (maintenance) murah sedangkan perbaikan (repair) mahal (Setiawan F.D, 2008).
Menurut Daryus A, (2008) dalam bukunya manajemen pemeliharaan mesin Tujuan maintenance yang utama dapat didefenisikan sebagai berikut:
1) Untuk memperpanjang kegunaan asset,
2) Untuk menjamin ketersediaan optimum peralatan yang dipasang untuk produksi dan mendapatkan laba investasi maksimum yang mungkin,
3) Untuk menjamin kesiapan operasional dari seluruh peralatan yang diperlukan dalam keadaan darurat setiap waktu,
4) Untuk menjamin keselamatan orang yang menggunakan sarana tersebut.
Sedangkan Menurut Sofyan Assauri, 2004, tujuan pemeliharaan yaitu : 1) Kemampuan produksi dapat memenuhi kebutuhan sesuai dengan
rencana produksi,
2) Menjaga kualitas pada tingkat yang tepat untuk memenuhi apa yang dibutuhkan oleh produk itu sendiri dan kegiatan produksi yang tidak terganggu,
3) Untuk membantu mengurangi pemakaian dan penyimpangan yang di luar batas dan menjaga modal yang di investasikan tersebut, 4) Untuk mencapai tingkat biaya pemeliharaan serendah mungkin,
dengan melaksanakan kegiatan pemeliharaan secara efektif dan efisien.
5) Menghindari kegiatan pemeliharaan yang dapat membahayakan keselamatan para pekerja.
20
6) Mengadakan suatu kerja sama yang erat dengan fungsi-fungsi utama lainnya dari suatu perusahaan dalam rangka untuk mencapai tujuan.
2.4.3 Fungsi maintenance
Menurut pendapat Agus Ahyari, (2002) fungsi pemeliharaan adalah agar dapat memperpanjang umur ekonomis dari mesin dan peralatan produksi yang ada serta mengusahakan agar mesin dan peralatan produksi tersebut selalu dalam keadaan optimal dan siap pakai untuk pelaksanaan proses produksi.
Keuntungan-keuntungan yang akan diperoleh dengan adanya pemeliharaan yang baik terhadap mesin, adalah sebagai berikut :
1) Mesin dan peralatan produksi yang ada dalam perusahaan yang bersangkutan akan dapat dipergunakan dalam jangka waktu panjang.
2) Pelaksanaan proses produksi dalam perusahaan yang bersangkutan berjalan dengan lancar.
3) Dapat menghindarkan diri atau dapat menekan sekecil mungkin terdapatnya kemungkinan kerusakan-kerusakan berat dari mesin dan peralatan produksi selama proses produksi berjalan.
4) Peralatan produksi yang digunakan dapat berjalan stabil dan baik, maka proses dan pengendalian kualitas proses harus dilaksanakan dengan baik pula,
5) Dapat dihindarkannya kerusakan-kerusakan total dari mesin dan peralatan produksi yang digunakan.
6) Apabila mesin dan peralatan produksi berjalan dengan baik, maka penyerapan bahan baku dapat berjalan normal.
7) Dengan adanya kelancaran penggunaan mesin dan peralatan produksi dalam perusahaan, maka pembebanan mesin dan peralatan produksi yang ada semakin baik.
2.4.4 Jenis-jenis Maintenance
Menurut Corder, Antony, K. Hadi, (1992) Pemeliharaan terencana dibagi menjadi dua aktivitas utama yaitu:
21
a. Pemeliharaan pencegahan (Preventive Maintenance)
Pemeliharaan pencegahan (preventive maintenance) adalah inspeksi periodik untuk mendeteksi kondisi yang mungkin menyebabkan produksi terhenti atau berkurangnya fungsi mesin dikombinasikan dengan pemeliharaan untuk menghilangkan, mengendalikan, kondisi tersebut dan mengembalikan mesin ke kondisi semula atau dengan kata lain deteksi dan penanganan diri kondisi abnormal mesin sebelum kondisi tersebut menyebabkan cacat atau kerugian.
Menurut Jay Heizer dan Barry Render, (2001) dalam bukunya
“Operations Management”preventive maintenance adalah : “A plan that involves routine inspections, servicing, and keeping facilities in good repair to prevent failure”. Artinya preventive maintenance adalah sebuah perencanaan yang memerlukan inspeksi rutin, pemeliharaan dan menjaga agar fasilitas dalam keadaan baik sehingga tidak terjadi kerusakan di masa yang akan datang. Ruang lingkup pekerjaan preventive termasuk : inspeksi, perbaikan kecil, pelumasan dan penyetelan, sehingga peralatan atau mesin-mesin selama beroperasi terhindar dari kerusakan.
Menurut Dhillon B.S, (2006) dalam bukunya “maintainability, maintenance, and reliability for engineers” ada 7 elemen dari pemeliharaan pencegahan (preventive maintenance) yaitu:
a. Inspeksi: memeriksa secara berkala (periodic) bagian-bagian tertentu untuk dapat dipakai dengan membandingkan fisiknya, mesin, listrik, dan karakteristik lain untuk standar yang pasti.
b. Kalibrasi: mendeteksi dan menyesuaikan setiap perbedaan dalam akurasi untuk material atau parameter perbandingan untuk standar yang pasti,
c. Pengujian: pengujian secara berkala (periodic) untuk dapat menentukan pemakaian dan mendeteksi kerusakan mesin dan listrik.
22
d. Penyesuaian: membuat penyesuaian secara periodik untuk unsur variabel tertentu untuk mencapai kinerja yang optimal,
e. Servicing: pelumasan secara periodik, pengisian, pembersihan, dan seterusnya, bahan atau barang untuk mencegah terjadinya dari kegagalan baru jadi.
f. Instalasi: mengganti secara berkala batas pemakaian barang atau siklus waktu pemakaian atau memakai untuk mempertahankan tingkat toleransi yang ditentukan,
g. Alignment: membuat perubahan salah satu barang yang ditentukan elemen variabel untuk mencapai kinerja yang optimal.
b. Pemeliharaan korektif (Corrective Maintenance)
Pemeliharaan secara korektif (corrective maintenance) adalah pemeliharaan yang dilakukan secara berulang atau pemeliharaan yang dilakukan untuk memperbaiki suatu bagian (termasuk penyetelan dan reparasi) yang telah terhenti untuk memenuhi suatu kondisi yang bisa diterima. (Corder, Antony, K. Hadi, 1992).
Pemeliharaan ini meliputi reparasi minor, terutama untuk rencana jangka pendek, yang mungkin timbul diantara pemeriksaan, juga overhaul terencana.
Menurut Jay Heizer dan Barry Reder, 2001 pemeliharaan korektif (Corrective Maintenance) adalah : “Remedial maintenance that occurs when equipment fails and must be repaired on an emergency or priority basis”. Pemeliharaan ulang yangterjadi akibat peralatan yang rusak dan harus segera diperbaiki karena keadaan darurat atau karena merupakan sebuah prioritas utama.
Menurut Dhillon B.S, (2006) Biasanya, pemeliharaan korektif (Corrective Maintenance) adalah pemeliharaan yang tidak direncanakan, tindakan yang memerlukan perhatian lebih yang harus ditambahkan, terintegrasi, atau menggantikan pekerjaan telah dijadwalkan sebelumnya.
23
Dengan demikian, dalam pemeliharaan terencana yang harus diperhatikan adalah jadwal operasi pabrik, perencanaan pemeliharaan, sasaran perencanaan pemeliharaan, faktor-faktor yang diperhatikan dalam perencanaan pekerjaan pemeliharaan, sistem organisasi untuk perencanaan yang efektif, dan estimasi pekerjaan. ( Daryus A, 2007). Jadi, pemeliharaan terencana merupakan pemakaian yang paling tepat mengurangi keadaan darurat dan waktu nganggur mesin. Adapun keuntungan lainya yaitu:
• Pengurangan pemeliharaan darurat,
• Pengurangan waktu nganggur,
• Menaikkan ketersediaan (availability) untuk produksi,
• Meningkatkan penggunaan tenaga kerja untuk pemeliharaan dan produksi,
• Memperpanjang waktu antara overhaul
• Pengurangan penggantian suku cadang, membantu pengendalian sediaan,
• Meningkatkan efisiensi mesin.
• Memberikan pengendalian anggaran dan biaya yang bisa diandalkan,
• Memberikan informasi untuk pertimbangan penggantian mesin.
Menurut Daryus A, (2007) dalam bukunya Manajemen Pemeliharaan Mesin membagi pemeliharaan menjadi:
1. Pemeliharaan pencegahan (Preventive Maintenance)
Pemeliharaan pencegahan adalah pemeliharaan yang dibertujuan untuk mencegah terjadinya kerusakan, atau cara pemeliharaan yang direncanakan untuk pencegahan.
2. Pemeliharaan korektif (Corrective Maintenance)
Pemeliharaan korektif adalah pekerjaan pemeliharaan yang dilakukan untuk memperbaiki dan meningkatkan kondisi fasilitas/peralatan sehingga mencapai standar yang dapat di terima. Dalam perbaikan dapat dilakukan peningkatan-
24
peningkatan sedemikian rupa, seperti melakukan perubahan atau modifikasi rancangan agar peralatan menjadi lebih baik.
3. Pemeliharaan berjalan (Running Maintenance)
Pemeliharaan berjalan dilakukan ketika fasilitas atau peralatan dalam keadaan bekerja. Pemeliharan berjalan diterapkan pada peralatan-peralatan yang harus beroperasi terus dalam melayani proses produksi.
4. Pemeliharaan prediktif (Predictive Maintenance)
Pemeliharaan prediktif ini dilakukan untuk mengetahui terjadinya perubahan atau kelainan dalam kondisi fisik maupun fungsi dari system peralatan. Biasanya pemeliharaan prediktif dilakukan dengan bantuan panca indra atau alat-alat monitor yang canggih.
5. Pemeliharaan setelah terjadi kerusakan (Breakdown Maintenance) Pekerjaan pemeliharaan ini dilakukan ketika terjadinya kerusakan pada peralatan, dan untuk memperbaikinya harus disiapkan suku cadang, alat-alat dan tenaga kerjanya.
6. Pemeliharaan Darurat (Emergency Maintenance)
Pemeliharan darurat adalah pekerjaan pemeliharaan yang harus segera dilakukan karena terjadi kemacetan atau kerusakan yang tidak terduga.
7. Pemeliharaan berhenti (shutdown maintenance)
Pemeliharaan berhenti adalah pemeliharaan yang hanya dilakukan selama mesin tersebut berhenti beroperasi.
8. Pemeliharaan rutin (routine maintenance)
Pemeliharaan rutin adalah pemeliharaan yang dilaksanakan secara rutin atau terus-menerus.
9. Design out maintenance adalah merancang ulang peralatan untuk menghilangkan sumber penyebab kegagalan dan menghasilkan model kegagalan yang tidak lagi atau lebih sedikit membutuhkan maintenance.
25 2.5 Gejala dan penyebab kegagalan boiler
Kegagalan pada komponen boiler merupakan salah satu penyebab menurunnya produktivitas dalam industri proses. Penyebab kegagalan yang sering terjadi pada komponen boiler adalah mengalami kegagalan akibat 5 hal berikut, yaitu: 1). overheating/creep 2). fatik 3). korosi 4). erosi dan 5).
kurangnya kontrol kualitas, seperti tampak pada gambar 4.1
Gambar 2.5.1 Penyebab Kegagalan Komponen Boiler (Sumber: Hamdani, 2012)
2.5.1 Analisa kegagalan
Kegagalan suatu komponen dan struktur sering kita jumpai dalam industri, biasanya tanpa peringatan. Beberapa kegagalan mungkin
26
dianggap sepele, sedangkan yang lainnya memiliki konsekuensi serius.
Kegagalan dapat menyebabkan:
1. Kematian
2. Cederanya karyawan 3. Kerusakan properti 4. Shutdown pabrik 5. Rugi produksi
6. Timbulnya masalah ekologi seperti bocornya bahan berbahaya 7. Kerugian jangka panjang akibat hilangnya legitimasi dan kredibilitas
perusahaan dan keandalan produknya.
Semua kejadian kegagalan suatu komponen dan struktur ditunjukkan dengan gejala-gejala awal, misalnya performansi yang menurun, tidak nyaman saat digunakan, tidak mau start, dan lain-lain. Analisa kegagalan merupakan masalah yang kompleks, meliputi aspek mekanik, termal, fisik, metalurgi, kimia, korosi, proses manufaktur, analisa tegangan termasuk simulasi numerik dengan software finite element method (FEM)
2.5.2 Distribusi Temperature
Silinder seperti tampak pada gambar 4.2 dalam aplikasinya menerima pemanasan dari luar dan dalam sehingga memiliki gradien temperatur pada dindingnya sebagai akibat perpindahan panas (Hamdani, 2013).
Gambar 2.5.2 Distribusi temperatur pada silinder (Sumber: Hamdani, 2012)
Jika temperatur dalam, temperatur luar, temperatur rata-rata, radius dalam, radius luar, dan radius rata-rata, berturut-turut adalah Ti, To, ΔT,
27
ri, ro, dan r, maka distribusi temperatur pada dinding dapat ditulis dengan persamaan berikut:
𝑇 𝑟 = ∆𝑇
𝐼𝑛 𝑇0 𝑇1
𝐼𝑛 𝑇𝑟0 +
𝑇0………...(3)
2.5.3 Heat flux
Fluk panas (W⁄m^2 ) adalah nilai perpindahan panas yang searah dengan sumbu x per satuan luas sepanjang garis lurus arah perpindahan dan sesuai dengan gradien termperatur dT⁄dx. Tetapan k adalah konduktifitas thermal (W⁄mk) yang merupakan karakteristik material.
Tanda minus (-) menyatakan bahwa perpindahan panas selalu mengarah pada suhu yang lebih rendah (Holman, 1986)
2.5.4 Thermal Stress.
Perubahan temperatur pada benda apapun di dunia ini (naik atau turun), tentu saja akan menyebabkan pemuaian atau penyusu tanpa pada struktur material benda. Akibatnya, akan terjadi pertambahan atau pengurangan (deformasi) pada ukuran benda. Jika proses ini dibiarkan bebas berlangsung, tentunya tidak akan berdampak apa-apa terhadap benda. Tetapi, jika proses terdapat dihalangi, jelas sekali akan menyebabkan timbulnya tegangan di dalam struktur material benda.
Adapun jenis tegangan, tergantung dari deformasi yang terjadi (Dadang, 2010).
………...(4)
Keterangan:
F = Besar gaya tekan/tarik (N) A = Luas penampang (m2) 𝜎 = Tegangan (Pa)
2.5.5 Tegangan Equivalen (von-Mises)
28
Tegangan equivalen atau von-Mises (σe ), seperti tampak pada gambar 2.7 adalah tegangan prinsipal yang bekerja pada suatu bidang tanpa tegangan geser.
Gambar 2.5.5 Tegangan Equivalen (von-Mises) (Sumber: Hamdani, 2011)
Jika tegangan tangensial, radial, dan aksial berturut-turut adalah (σH ), (σR), dan (σZ ), maka tegangan equivalen (σe ) dapat ditulis:
σ =
1
2[(σH - σR)² + (σH - σR)² + (σH - σR)²] ………..(5)
2.6 Review Literatur
Pada penelitian ini, program Ansys Workbench digunakan untuk menganalisa thermal stress pada pipa header air umpan boiler. Oleh karena itu, untuk mempelajari kegagalan komponen boiler, dan khususnya thermal stress pada pipa header air umpan, beberapa literatur yang berkenaan telah dipelajari, antara lain adalah:
Hamdani, mempelajari thermal stress dan mekanisme kegagalan tube superheater dengan metode eksperimental dan analisa numerik.. Kajian pertama menggunakan prosedur analisa kegagalan untuk menentukan akar penyebab, kemudian tube yang gagal dievaluasi dengan pengujian tak merusak. Untuk analisa numerik, kajian pertama adalah tegangan elastis akibat tekanan internal. Berikutnya efek gradien temperatur dan kombinasi
29
temperatur dengan tekanan internal. Kemudian beban tekanan pada titik mulur dinaikkan untuk menimbulkan perilaku plastis dengan pengerasan regangan material isotropic hardening. Akhirnya tube superheater dievaluasi dengan teori kegagalan von-Mises. Kombinasi temperatur dan tekanan internal menunjukkan temperatur dan fluks panas maksimum terjadi di bagian dalam tube, sedangkan thermal stress meningkat tajam dan mencapai batas elastis. Pengaruh strain hardening pada permukaan mulur tidak mampu menghambat kegagalan akibat deformasi plastis.
Syaiful wijayanto, Tjoek soeprajitno, dan Aguk zuhdi M.F, mempelajari analisa thermal stress pada body cylinder dan cylinder head dari linear engine dua tak otto 30,55 CC dengan variasi jumlah kecepatan rata-rata piston engine 1.02 m/s, 4,58 m/s beban penuh. Pada penelitian ini menggunakan software yang berbasis fenite element untuk menganalisa distribusi panas dan thermal stress analisis. Luaran dari penelitian ini berupa gambar pesebaran thermal expansion, gambar dari pesebaran thermal stress analysis, dan grafik perbandingan antar distribusi panas yang terjadi ketika engine berada pada kecepatan rata-rata piston engine 1,02 m/s, 4,58 m/s.
Agib ritaldi siregar, melakukan penelitian untuk mendapatkan model alat penukar kalor yang paling baik dalam pemanfaatan gas buang boiler sebagai pengganti uap di kernel dryer dengan pendekatan simulasi software engineering komputer. Kajian ini dilakukan dengan tiga tahap.
Tahap pengukuran lapangan, pemodelan dan simulasi. Variabel yang disimulasi diambil berdasarkan pengukuran di lapangan. Tahap modeling dengan menggunakan software engineering dengan luas penampang yang sama sebanyak tiga bentuk model. Tahap simulasi yaitu flow simulation dan transient thermal. Berdasarkan hasil simulasi dapat disimpulkan dengan nilai kalor yang paling tinggi pada model bentuk ke tiga pada kondisi simulasi flow simulation model x3 14,1905 𝑊 𝑚2 dan kondisi simulasi transient thermal selama 20 detik model x3 36,3246 𝑊 𝑚2.
30 2.6.1 Metode Numerik
Berbagai fenomena dalam dunia science dan engineering dapat dideskripsikan dengan formulasi persamaan diferensial menggunakan model kontinum mekanik. Penyelesaian persamaan diferensial dengan kondisi yang bervariasi seperti kondisi batas atau kondisi inisial dapat membantu memahami fenomena dan dapat mengestimasi fenomena pada masa yang akan datang. Untuk persamaan diferensial, umumnya sulit diperoleh solusi analitisnya, ini disebabkan oleh kompleksitas sifat material, kondisi batas, dan juga bentuk struktur itu sendiri. Solusi yang mungkin untuk permasalahan yang demikian adalah dengan menggunakan analisa numerik menggunakan metode elemen hingga. Metode elemen hingga menerjemahkan pemasalahan persamaan diferensial parsial menjadi persamaan aljabar linier dengan mengadopsi metode numerik untuk mendapatkan solusi pendekatan.
2.6.2 Simulasi termal
Analisa termal memperhitungkan distribusi temperatur dan besaran termal lainnya pada suatu komponen atau sistem. Simulasi termal memainkan peran yang penting dalam aplikasi engineering, seperti pada heat exchanger, piping systems, combustion engine, turbin, dan komponen elektronik. Pada kasus tertentu, analisis termal dimasukkan untuk memperhitungkan thermal stress
2.6.3 Simulasi thermal stress
Simulasi thermal stress memungkinkan solusi dari analisa termal dimasukkan ke analisa struktur. Fitur ini berguna untuk menentukan efek distribusi temperatur terhadap respon struktur.
User dapat memberikan beban termal secara terpisah atau dihubungkan dengan beban mekanik dalam satu seri dengan mengimpor beban termal Analisa termal dilakukan terlebih dahulu.
Dari analisa ini didapat hasil seperti distribusi temperatur sesuai
31
dengan kondisi batas yang diberikan. Temperatur dari solusi termal kemudian digunakan sebagai beban (load) dengan preprocessing dan solusi untuk analisa struktur.
2.6.4 Ansys Workbench 14.5
Ansys Workbench 14.5 adalah salah satu perangkat lunak berbasiskan metode elemen hingga yang dipakai untuk menganalisa masalah-masalah rekyasa (engineering). Ansys Workbench 14.5menyediakan fasilitas untuk berinteraksi antara solvers famili ansys. Ansys Workbench 14.5 juga dapat berintegrasi dengan perangkat lunak cad (computer aided Design) sehingga memudahkan pengguna dalam membangun model geometri dengan berbagai perangkat lunak Cad. Beberapa perangkat lunak tersebut adalah Catia, Solidwork.
Ansys Workbench 14.5 Berisi beberapa fasilitas, diantaranya : a. Mechanical, untuk analisa struktur (statik) dan thermal
(perpindahan panas).
b. Fluid Flow, yang terdiri dari ansys cfx dan fluent, untuk analisa CFD (Computational Fluid Dynamics).
c. Engineering Data, sebagai database material lengkap dengan propertisnya.
d. Design Modeler, digunakan untuk membangun geometri model yang akan dianalisa. Juga dapat digunakan untuk memodifikasi hasil gambar dari perangkat lunak CAD.
e. Meshing Application, fasilitas untuk “meshing” baik pada CFD maupun Explicit Dynamics.
f. Blade Gen, untuk membangun geometri blade, seperti fan, sudu turbin dan lain-lain.
g. Dan lain-lain.
Secara umun, analisa elemen hingga dalam Ansys terdiri dari beberapa tahap, yaitu :
32 a. Preliminary Decision
1) Tipe analisis Steady-state, Transient Thermal, dinamics, dll.
2) Tipe Model Bagian atau assembling (part atau assembly).
3) Element surface atau solid bodies.
b. Processing
1) Memasang model geometri.
2) Mendefenisikan material propertis pada bagian objek.
3) Membuat meshing.
4) Membuat beban atau tumpuan (load or support).
5) Hasil yang diinginkan.
c. Solve (menghitung).
Gambar 2.6.4 Interface Program Ansys Workbench (Sumber: Hamdani, 2013
