ANALISIS PERUBAHAN EFISIENSI BOILER PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP
TANJUNG JATI B UNIT 1 DAN 2, 2X660 MEGAWATT
M Denny Surindra
Jurusan Teknik Mesin/Prodi Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Semarang
Jalan Prof. Soedarto, SH, Tembalang, Semarang
email : dennysurindra@yahoo.com.sg
ABSTRAKPLTU Tanjung Jati B unit 1 dan 2 menggunakan boiler Babcock & Wilcox Carolina Radiant Boilers. yang menyerap panas pada saturated zone dengan proses perpindahan panas radiasi. Boiler ini beroperasi dengan bahan bakar batu bara dengan produksi listrik netto 2x660 Megawatt. Gambaran yang dapat menunjukan prestasi kerja boiler ialah efisiensi η yang didefinisikan sebagai angka perbandingan antara energi yang dipindahkan ke atau diserap oleh fluida kerja di dalam boiler dengan masukan energi kimia dari bahan bakar. Efisiensi boiler dihitung dengan metoda tak langsung yaitu dengan mencari total kerugian panas pada boiler dan semuanya dihitung dalam bentuk kerugian energy per satuan massa bahan bakar (kJ/kg) atau Btu/lbm). Efisiensi boiler PLTU Tanjung Jati B Unit 1-2 tertinggi sebesar 89,60% pada unit 1dan pada unit 2 89,62%, dimana keduanya pada saat COD. Efisiensi boiler yang terendah untuk unit 1 sebesar 89,03% pada tahun 2010 (2nd) dan unit 2 sebesar 89,21% pada tahun 2011(1st).
Kata kunci : efisiensi, boiler, Pembangkit Listrik Tenaga Uap
PENDAHULUAN
Boiler adalah suatu kombinasi antara sistem-sistem dan peralatan yang dipakai untuk perubahan energi kimia dari bahan bakar fossil menjadi energi termal dan pemindahan energy termal yang dihasilkan itu ke fluida kerja untuk dipakai pada proses-proses bertemperatur tinggi ataupun untuk perubahan parsial menjadi energi mekanis di dalam sebuah turbin.
Gambar 1. Boiler PLTU Tanjung Jati B Unit 1 & 2 PLTU Tanjung Jati B unit 1 dan 2 menggunakan boiler yang mempunyai natural sirkulasi, single drum,single reheat, dan didukung oleh Babcock & Wilcox Carolina Radiant Boilers. Nama radiant boiler berasal dari boiler itu sendiri yang menyerap panas pada saturated zone dengan proses perpindahan panas radiasi. Boiler ini beroperasi dengan bahan bakar batu bara berkapasitas terpasang 2x710 Megawatt dengan produksi listrik netto 2x660 Megawatt. Gambaran yang dapat menunjukan prestasi kerja boiler ialah efisiensi η. Besaran ini didefinisikan sebagai angka
perbandingan antara energy yang dipindahkan ke atau diserap oleh fluida kerja di dalam boiler dengan masukan energy kimia dari bahan bakar. Biasanya efisiensi boiler berkisar antara 70% hingga 90%. Ada dua cara menghitung untuk menghitung efisiensi boiler yaitu metoda langsung dan metoda tak langsung.
Pada metoda langsung perhitungan efisiensi boiler, penambahan panas total ke fluida kerja di dalam bagian ekonomiser, evaporator, panas lanjut dan pemanasan ulang dievaluasi dan besaran ini dibagi dengan energy masukan bahan bakar.
r s 2 1 4 3 f bahan bakar 1 2tambahan energi total ke fluida 100% energi masukan bahan bakar total
m h h m h h 100% m HHV Dimana: f m
adalah laju aliran masa bahan bakar r
m
adalah laju aliran masa uap dari pemanasan ulang
s m
adalah laju aliran masa uap dari pemanas lanjut 1
h adalah entalpi jenis air pengisi boiler yang masuk
2
h adalah entalpi uap meninggalkan pemanas lanjut
3
h adalah entalpi uap memasuki pemanas ulang 4
Oleh karena sangat sulit untuk mengukur laju aliran bahan bakar dan fluida kerja dengan ketelitian lebih dari sekitar 5%, metode langsung pengevaluasian efisiensi boiler ini tidak terlalu akurat dan tidak digunakan dalam praktek.
Kebanyakan perhitungan efisiensi boiler dibuat berdasarkan metode tak langsung. Pada system ini, dianggap bahwa energy masukan bahan bakar total dipindahkan ke fluida kerja ataupun hilang dengan berbagai cara, tetapi kerugian ini dapat diketahui. Secara total ada 6 macam kerugian panas pada boiler dan semuanya dihitung dalam bentuk kerugian energy per satuan massa bahan bakar (kJ/kg) atau Btu/lbm). Dengan menggunakan system ini, efisiensi boiler menjadi:
bahan bakar
nilai pembakaran bb ker ugian total
100 3
nilai pembakaran bb ker ugian total
1 100 4 HHV
Beberapa peneliti telah banyak melakukan research tentang performance dari boiler seperti Asmudi (2008) yang telah menganalisis unjuk kerja boiler pada PLTU PT Indonesia Power UBP Perak yang beroperasi sejak 1978. Boiler tersebut tergolong tua sehingga banyak mengalami penurunan unjuk kerja. Penurunan ini diakibatkan adanya pengotor pada bahan bakar dan air umpan dengan indikasi naiknya gas buang dari 11,25% menjadi 14,85%.
Denny (2013) melakukan penelitian tentang plant hate rate di PLTU Tanjung Jati B unit 1 dan unit 2 dengan metode heat loss yaitu mengamati perubahan energi yang dibutuhkan oleh pembangkit untuk menghasilkan 1 kWh. Hasil penelitiannya melaporkan bahwa telah terjadi perubahan heat rate terbesar mencapai 57,88 kkal/kg atau 2,53% untuk unit 1 sedangkan untuk unit 2 mencapai 42,43 kkal/kg atau 1,8%. Dengan demikian beroperasinya PLTU Tanjung Jati B unit 1 & 2 selama 8 tahun masih dalam kondisi yang baik.
Tim LITBANG PLN (2012) melakukan pengujian performance test telah melaporkan bahwa PLTU Tanjung Jati B Unit 2 memiliki nilai Net Plant Heat Rate yang paling rendah pada beban Net 660.90 MW (100 % ECR) yaitu 2371.81 kCal/kWh dan Net Plant Heat Rate yang tinggi pada beban Net 412 MW (60 % ECR) yaitu 2430.48 kCal/kWh. Sedangkan nilai Gross Plant Heat Rate yang paling rendah pada beban Net 660.90 MW (100 % ECR) yaitu 2200.69 kCal/kWh dan Gross Plant Heat Rate yang tinggi pada beban Net 512 MW (75 % ECR) yaitu 2227.29 kCal/kWh.
Tujuan dari penulisan paper ini adalah menganalisis efisiensi boiler PLTU Tanjung Jati B Unit 1-2 dengan mengamati data beberapa tahun terakhir. Studi ini dilakukan untuk mengevaluasi
kinerja dari boiler, dimana terdapat peralatan perpindahan panas yang mempunyai potensi terjadi pemborosan energi.
METODE PENELITIAN
PLTU Tanjung Jati B unit 1-2 mempunyai boiler dengan spesifikasi sebagai berikut ini:: a.Unit MCR (net) 660 MW per unit
b.Unit Min.Load without oil support 160 MW per unit
c.Heat Rated at 100 % rated output 2273 kcal/kWh (ECR)
d.Unit Continuous Auxiliary Power 56.6 MW (B-MCR)
e.Operating Pressure 175 bar a (B-MCR)
f.Main Steam Flow 2,313 T/H (B-MCR)
g.Main Steam Temp. 541°C h.Feed Water Temp. 291°C
i.Coal Mill/Feeders 5 operasi, 1 stand by j.Coal Rate 263.58 ton/h (B-MCR) k.Burner System 36 Low Nox Burners
l.Boiler Efficiency 88.81 % HHV (ECR)
Gambar 2. Boiler Unit 1-2
Air dipanaskan menjadi uap kemudian uap dialirkan ke tabung boiler untuk memisahkan uap dari air yang terbawa. Uap kering (superheated steam) yang telah tercipta dengan tekanan, temperatur dan aliran (flow rate) tertentu dari boiler akan disesuaikan dengan kondisi operasi turbin. Uap hasil pembakaran dari boiler melewati fase tekanan tinggi, sedang, dan rendah dalam turbin. Untuk uap tekanan tinggi, akan digunakan memutar high pressure turbine (HP Turbin). Uap tersebut mengalami penurunan temperature dan tekanan setelah menumbuk sudu high pressure turbine, untuk itu uap dialirkan ke reheater (pemanas ulang) agar temperatur uap kering dapat naik kembali.
Kemudian uap tersebut digunakan untuk memutar intermediate pressure turbine (IP Turbin), setelah itu uap kering langsung digunaan untuk memutar low pressure turbine (LP Turbin), yang mana semua turbin HP, IP, dan LP tersambung dalam satu kopel untuk memutar generator.
Efisiensi Boiler
Effisiensi boiler adalah ratio seberapa besar kemampuan boiler untuk merubah nilai energy kimia yang terkandung dalam bahan bakar menjadi energi panas. Pendekatan ini mendapatkan nilai effisiensi dengan mengukur jumlah potensial panas bahan bakar dan menguranginya dengan losses yang terdapat pada boiler, yang dapat dirumuskan dalam persamaan sebagai berikut:
boiler 1 losses x100%
(5)HLLgLhLmfLmA Luc LB Lun
(6)Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar dalam boiler tidak seluruhnya digunakan untuk membentuk uap, karena sebagian panas tersebut ada yang hilang. Panas yang hilang tersebut merupakan kerugian-kerugian energi panas yang disebut dengan losses pada boiler. Adapun losses pada boiler adalah sebagai berikut:
Kehilangan Panas Gas Buang (Heat Loss Dry Flue Gas) [Lg]
Kerugian ini terjadi karena temperatur gas buang yang masih cukup tinggi setelah melewati Air Heater (pemanas udara masuk boiler) dibandingkan dengan udara sekitar (ambient temperature). Temperatur tinggi ini membawa energi yang masih cukup tinggi, tetapi tidak bisa dipergunakan lagi bagi boiler.
Kehilangan Panas Moisture (Kadar Air) Bahan Bakar (Heat Loss Moisture In Fuel) [Lh]
Kerugian ini disebabkan karena adanya moisture (kandungan air) dalam bahan bakar. Kehilangan Panas Moisture Dari Pembentukan/ Pembakaran Hydrogen (Heat Loss Moisture
from Burning of Hydrogen) [Lmf]
Adalah kerugian kalor dari moisture (kadar air) akibat pembentukan/pembakaran hydrogen. Kerugian ini disebabkan karena kandungan unsur hidrogen (H) dalam bahan bakar, yang bila terbakar akan bereaksi dengan oksigen dari udara dan berbentuk uap air (H2O).
Kehilangan Panas Moisture Dari Udara Pembakaran (Heat Loss Moisture in Air) [LmA]
Adalah kerugian kalor untuk menguapkan air yang terdapat dalam udara pembakaran. Karena udara yang masuk ke dalam ruangan pembakaran tidak kering dan masih mengandung air, maka terdapat panas yang hilang untuk menguapkan air yang terkandung dalam udara tersebut.
Kehilangan Panas dari Pembakaran Karbon Tidak Sempurna (Heat Loss because of
Unburned Carbon in Total Dry Refuse) [Luc]
Kerugian kalor karena pembakaran yang tidak sempurna. Gas CO yang terdapat dalam gas asap menunjukkan bahwa sebagian bahan bakar ada yang terbakar tidak sempurna. Hal ini terjadi karena kekurangan udara atau distribusi udara yang kurang baik.
Kehilangan Panas karena Radiasi dan Konveksi Perpindahan Panas (Heat Loss Surface Radiation
and Convection) [LB]
Kerugian kalor karena perpindahan panas secara radiasi dan konveksi pada permukaannya. Kehilangan Panas yang Tiadak Terukur
(Unmeasured Losses) [Lun]
Kerugian kalor yang tidak bisa dihitung. Kerugian tersebut meliputi kerugian yang tidak terukur, terlalu kecil, atau tidak bisa terukur, meliputi :
1. Moisture dari udara bakar 2. Panas yang terdapat pada abu 3. Hidrokarbon pada gas bahan bakar 4. Pembakaran karbon tidak sempurna DATA DAN PEMBAHASAN
Data parameter diambil dari data performance test oleh PT PLN (Persero) PUSLITBANG saat load 660 MW (100%).
Hasil analisis batubara didapatkan sebagai berikut ini:
Tabel 1. Analisis Proksimasi Batubara
Parameters Test Tesult
Ad Ar db Units Total Moisture - 18.9 - % Inherent Moisture 8.1 - - % Ash 5.93 5.23 6.45 % Volatile Matter 41.92 36.99 45.61 % Fixed Carbon 44.05 38.87 47.93 % Total Sulphur 1.24 1.09 1.35 %
Gross Calorific Value 6404 5651 6968 kcal/kg
Higer Heating Value 5769 kcal/kg
HGI 52 Index
points
Tabel 2. Analisis Ultimasi Batubara
Parameters Test Result Ad Ar db Units Carbon ( C ) 67.21 73.13 59.31 Weight % Hydrogen (H) 4.42 4.81 3.9 Weight % Nitrogen (N) 1.43 1.56 1.26 Weight % Oxygen (O2) 11.67 12.7 10.3 Weight %
Tabel 4 Trace Element Batubara
Parameter Result Units
Boron 99.87 weight %
Selenium 0.0657 weight %
Mercury 0.0095 weight %
Chlorine 67.75 weight %
Flourine 86.69 weight %
Tabel 5 Ash Analysis Batubara
Parameter Result Units
Silicon Dioxide , SiO2 47.23 weight % Alumunium Oxide, Al2O3 23.52 weight % Ferric Oxide, Fe2O3 15.24 weight % Calcium Oxide, CaO 4.58 weight % Magnesium Oxide, MgO 3.13 weight % Sodium Oxide, Na2O 0.66 weight % Potassium Oxide, K2O 1.98 weight % Titanium Oxide, TiO2 0.8 weight % Phosphorus Pentaoxide,
P2O5
0.69 weight % Maganese, Mn3O4 0.07 weight % Sulfur Trioxide, SO3 2.1 weight % Konsumsi Batubara = 276553 kg/h
Kalori Batubara = 5769 kkal/kg
Dari data parameter yang ada di lapangan didapatkan data sebagai berikut:
Tabel 6. Heat Loss pada boiler
Parameter Simbol Enthalphy
(J/kg) %
Dry Flue Lg 1.078 4,364
Moisture In Fuel Lh 473,2 1,916
Moisture from Burning of
Hydrogen Lmf 986,7 3,994
Moisture in Air LmA 32,7 0,133
Unburned Carbon in Total Dry
Refuse LuC 31,3 0,127
Surface Radiation and
Convection LB 42 0,17
Unmeasured Losses Lun 37,1 0,15
Total Heat Loss
∑ HL = Lg + Lh + Lmf + LmA + Luc + LB + Lun
=(4,364+1,916+3,994+0,133+ 0,127+0,17+0,15) % = 10,854 % = 0,10854 Efisiensi Boiler Ƞ Boiler = [ 1 - ∑ Losses] x 100% = [ 1 – 0,10854] x 100% = 0,89146x 100% = 89,146 %
Dari perhitungan data parameter yang ada di lapangan pada pembangkit PLTU Tanjung Jati B saat load 660 MW, data konsumsi batubara adalah sebesar 276.553 kg/h, dengan kalori batubara 5.769 kkal/kg.
Perubahan efisiensi per tahun pada Unit 1-2 Setiap tahun PLTU Tanjung Jati B melakukan 2 kali pengujian performance test, untuk mengetahui heat rate pada tiap-tiap unit. Berikut adalah nilai efisiensi boiler pada di PLTU Tanjung Jati B Unit 1-2 dari tahun 2006 hingga tahun 2012: Tabel 7. Efisiensi Boiler Unit 1-2
Tahun Unit Boiler Efficiency 2006 1 89.60 Commissioning 2 89.62 2007 (1st) 1 89.34 2 89.43 2007 (2nd) 1 89.22 2 89.29 2008 (1st) 1 89.28 2 89.28 2008 (2nd) 1 89.22 2 89.22 2009(1st) 1 89.32 2 89.36 2009(2nd) 1 89.37 2 89.34 2010(1st) 1 89.39 2 89.40 2010(2nd) 1 89.03 2 89.28 2011(1st) 1 89.12 2 89.21 2011(2nd) 1 89.38 2 89.34 2012(1st) 1 89.37 2 89.34
Dari Tabel 7 dapat digambarkan dengan grafik sebagai berikut ini:
Parameters Reducing Atm Oxiding Atm Units Initial Deformation Temperature 1110 1210 0C Softening Temperature 1150 1250 0C Hemispherical Temperature 1230 1340 0C Fluid Temperature 1290 1390 0C
Gambar 3. Grafik Efisiensi Boiler Unit 1 (garis biru) – 2 (garis merah)
Pada unit 1 mencapai nilai efisiensi boiler yang tertinggi pada tahun 2006 yaitu sebesar 89,60% dan pada unit 2 mencapai nilai efisiensi boiler yang tertinggi pada tahun 2006 yaitu sebesar 89,62%. Efisiensi tertinggi yang terjadi pada tahun 2006 dimana pada tahun tersebut PLTU Tanjung Jati B unit 1-2 beroperasi komersial pertama kali dengan ditandai COD (Commercial Operation Date), dengan demikian nilai efisiensi boiler mencapai hamper 90% adalah wajar dan sesuai harapan karena kondisinya masih baru, semua peralatan dapat singkron beroperasi menghasilkan listrik.
Untuk nilai efisiensi boiler yang terendah pada unit 1 terjadi pada tahun 2010 (2nd) yaitu sebesar 89,03% dan unit 2 terjadi pada tahun 2011 (1st) yaitu sebesar 89,21%. Posisi efisiensi terendah masih sekeitar 89% yang mendekati angka 90% hanya kurang 1%, hal ini menunjukan bahwa efisiensi boiler masih stabil dan kondisinya masih seperti saat beroperasi pertamakali. Hal ini akan semakin jelas dengan melihat Tabel 8 yang menunjukan angka perubahan efisiensi boiler Tabel 8. Perubahan Plant Heat Rate Unit 1-2
TAHUN UNIT 1 UNIT 2
% % 2006 0 0 2007 (1st) 0.26 0.19 2007 (2nd) 0.38 0.34 2008 (1st) 0.32 0.34 2008 (2nd) 0.38 0.40 2009(1st) 0.28 0.26 2009(2nd) 0.23 0.28 2010(1st) 0.21 0.22 2010(2nd) 0.57 0.34 2011(1st) 0.48 0.41 2011(2nd) 0.28 0.26 2012(1st) 0.23 0.28
Dari Tabel 8 dapat digambarkan dengan grafik sebagai berikut ini:
Gambar 4. Grafik Perubahan Efisiensi Boiler Unit 1(garis biru) – 2 (garis merah)
Pada Gambar 4 menunjukan perubahan besarnya efisiensi boilerdimana untuk unit 1 pada tahun 2010 (2nd) terjadi perubahan terbesar yang mencapai 0,57% sedangkan untuk unit 2 pada tahun 2011 (1st) mencapai 0,41%. Untuk perubahan efisiensi boiler ini sangat kecil sekali dan dapat dikatakan stabil hal menunjukan bahwa boiler PLTU Tanjung Jati B Unit 1 dan 2 dari awal beroperasi COD sampai 8 tahunan operasi masih sangat bagus kondisinya.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil trend efisiensi boiler PLTU Tanjung Jati B Unit 1-2 dapat disimpulkan sebagai berikut:
a. Nilai efisiensi boiler yang tertinggi sebesar 89,60% pada unit 1dan pada unit 2 89,62%, dimana keduanya pada saat COD.
b. Nilai efisiensi boiler yang terendah untuk unit 1 sebesar 89,03% pada tahun 2010 (2nd) dan unit 2 sebesar 89,21% pada tahun 2011(1st).
c. Efisiensi boiler stabil dari COD sampai 8 tahunan beroperasi.
Perubahan efisiensi boiler yang sangat kecil ini menunjukan bahwa kinerja boiler saat beroperasi sangat baik. Untuk itu harus selalu mempertahankan kondisi ini dengan melakukan perawatan dan penggantian sparepart yang standar agar pada saat penyerahan pada pemerintah Indonesia, PLTU Tanjung Jati B tersebut masih layak untuk dioperasikan.
DAFTAR PUSTAKA
M Denny Surindra, (2013): Analisis Nilai Plant Hate Rate Pembangkit Listrik Tenaga Uap Tanjung Jati Unit 1 Dan 2 Dengan Metode Heat Loss, Prosiding Seminar Nasional Mesin dan Teknologi Kejuruan 2013 (SNMTK 2013) Universitas Negeri Jakarta. PUSLITBANG-PLN (2012): Report Performance
Test 2012, PT Tanjung Jati B Unit 1 dan 2. Asmudi, (2008): Analisa Unjuk Kerja Boiler
Terhadap Penurunan Daya Pada PLTU PT.
88,6 89,1 89,6 2006 2007 (1s t) 2007 (2n d ) 2008 (1s t) 2008 (2n d ) 2009 (1s t) 2009 (2nd ) 2010 (1s t) 2010 (2nd ) 2011 (1s t) E fi si ensi B oi ler (%) Tahun 0 0,2 0,4 0,6 0,8 2006 2007 (1s t) 2007 (2n d ) 2008 (1s t) 2008 (2n d ) 2009 (1s t) 2009 (2nd ) 2010 (1s t) 2010 (2nd ) ( %) Tahun
Indonesia Power UBP Perak, Makalah Tugas Akhir Fakultas Teknologi Kelautan ITS Surabaya.
Klein, Joel B., (1998): The use of Heat Rates in Production Cost Modelling And Market Modelling, Electricity Analysis Office, California Energy.
Santoso, Dyos & Basri, Hasan, (2011): Analisis Eksergi Siklus Kombinasi Turbin Gas-Uap Unit PLTGU Inderalaya, Prosiding Seminar Nasional AVoER ke-3, Palembang, Oktober 26-27, 2011, pp. 389-400.
Djunaedi, Imam, (2006): Sistem Pembangkit Energi Biomassa/Batubara: Rancang Bangun Turbin Uap Untuk Pembangkit Listrik 9.5 KW, Laporan Akhir Kumulatif Program
Penelitian Dan Pengembangan IPTEK Riset Kompetitif LIPI Tahun Anggaran 2006. Tim Pusat Audit Technologi-BPPT, Audit
Teknologi Kehandalan dan Kinerja Pembangkit Tenaga Listrik Tenaga Uap Berbahan Bakar Batubar.
Archie W. Culp, (1991): Prinsip-prinsip Konversi Energi, Penerbit Erlangga, Jakarta.
Muin, Syamsir. (1988): Pesawat – Pesawat Konversi Energi I (Ketel Uap), Rajawali Pers, Jakarta.
Djokosetyoarjo, M.J. (1987): Ketel Uap, Penerbit: Pradnya Paramita,Jakarta.
Djokosetyoarjo, M.J (1987): Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Pradnya Paramita,Jakarta.
