PRISMA FISIKA, Vol. V, No. 01 (2017), Hal. 09 – 12 ISSN : 2337-8204
9
Analisis Efisiensi Boiler Menggunakan Metode Langsung
Yolanda Pravitasaria, Mariana B. Malinoa*, Muhlasah Novitasari Marab
aJurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Tanjungpura, Jalan Prof. Dr. Hadari Nawawi, Pontianak, Indonesia
aJurusan Matematika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Tanjungpura, Jalan Prof. Dr. Hadari Nawawi, Pontianak, Indonesia
*Email : [email protected] Abstrak
Telah dilakukan penelitian untuk menganalisis efisiensi boiler menggunakan metode langsung. Data tekanan, temperatur dan uap per jam dari boiler diolah melalui proses interpolasi data untuk memperoleh nilai entalpi panas lanjut dan entalpi air umpan sehingga diperoleh kalor keluaran dari boiler. Nilai GCV rerata bahan bakar sebesar 12865,14 kJ/kg, berdasarkan hasil analisis uji ultimat diperoleh nilai efisiensi boiler sebesar 46%. Penurunan nilai efisiensi boiler dikarenakan kandungan karbon, hidrogen, belerang dalam bahan bakar yang tidak terbakar sempurna.
Kata Kunci :Boiler, Efisiensi, GCV, Entalpi, Batubara 1. Latar Belakang
Ketel uap (boiler) adalah sebuah alat untuk menghasilkan uap, yang terdiri atas dua bagian penting yaitu dapur pemanasan untuk menghasilkan panas yang didapat dari pembakaran bahan bakar dan boiler proper untuk mengubah air menjadi uap [1].Air dalam siklus kerja PLTU mengalami proses-proses pemanasan, penguapan, ekspansi, pendinginan, dan kompresi.
Siklus tersebut di kenal sebagai Siklus Rankine [2].
Pada PLTU terdapat ketel uap (boiler).
Efisiensi ketel uap dinyatakan sebagai perbandingan panas sebenarnya yang digunakan untuk memanaskan air dan pembentukan uap terhadap panas hasil pembakaran bahan bakar [3]. Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai efisiensi boiler antara lain mass flow, tekanan dan temperatur uap masuk boiler, serta tekanan dan temperatur uap keluar boiler [1].
Kayu dan batubara merupakan bahan bakar yang biasa digunakan pada PLTU. Komposisi bahan bakar tersebut menentukan nilai efisiensi boiler. Komposisi unsur kimia dalam kayu adalah karbon 50%, hidrogen 6%, nitrogen 0,04-0,10%, abu 0,20 – 0,50% dan oksigen 0 – 45%. Batubara adalah bahan bakar fosil dengan kualifikasi terpenting yaitu total embun, analisis proksimasi yang terdiri dari embun yang melekat, kadar abu, karbon, dan zat yang mudah menguap (volatile matter), nilai kalor GCV (Gross Calorific Value), total sulfur, analisis abu, dan indeks gerus (hardgrove index). Kandungan dalam bahan bakar
serbuk gergaji yang terpenting adalah karbon, hidrogen, nitrogen, abu dan oksigen seperti ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2 [4].
Pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara oksigen dan bahan yang dapat terbakar yang menghasilkan kalor [5]. Pembakaran yang sempurna akan dapat mengubah seluruh energi yang memungkinkan pada bahan bakar. Akan tetapi pada kenyataannya pembakaran sempurna dengan efisiensi 100% sangat sulit tercapai akibat kerugian (Loss) pada instrumen pendukung [6].
Penelitian yang dilakukan menganalisis efisiensi boiler metode langsung dengan sumber data diperoleh dari PLTU suatu perusahaan yang menggunakan bahan bakar kayu dan batubara.
Kelebihan metode langsung adalah relatif tidak memerlukan analisis laboratorium banyak untuk perhitungan.
2. Metodologi
Penelitian dilakukan selama 7 (tujuh) bulan dari Juli – Februari 2014. Sumber data yang digunakan dalam penelitian adalah data sekunder dari data log sheet Boiler Turbine Board (BTB) PLTU. Data yang digunakan adalah tekanan, temperatur masukan dan keluaran boiler serta jumlah uap per jam. Variabel data diukur setiap jam pada mana data dalam sehari berjumlah 24 data dihitung setiap jam dari jam 00.00 – 24.00 WIB. Data diambil dari hasil pencatatan selama 29 hari pada bulan Juli 2013 sehingga data keseluruhan untuk tiap variabel adalah 3480 data.
PRISMA FISIKA, Vol. V, No. 01 (2017), Hal. 09 – 12 ISSN : 2337-8204
10 Tahap awal proses penentuan efisiensi boiler adalah data tekanan, temperatur masukan dan keluaran boiler. Data tersebut diubah menjadi entalpi panas lanjut, hg, dalam kJ/kg dan entalpi air umpan, dalam kJ/kg untuk mendapatkan nilai energi keluar dan energi masuk pada persamaan (2) yang diperoleh pada tabel Superheated Steam dan Saturated steam.
Tahap kedua adalah jika data dari perusahaan tidak sama dengan nilai di tabel Superheated Steam dan Saturated steam, maka dilakukan interpolasi untuk mendapatkan nilai sebenarnya entalpi panas lanjut, dengan rumus berdasarkan persamaan (1),
Nilai M adalah nilai Entalpi panas lanjut, hg, sebenarnya (kJ/kg), M1,1 adalah nilai Entalpi panas lanjut, hg, pada Y1 dan X1 (kJ/kg), M1,2 adalah nilai Entalpi panas lanjut, hg, pada Y1dan X2(kJ/kg), M2,1 adalah nilai Entalpi panas lanjut, hg, pada Y2 dan X1 (kJ/kg), M2,2 adalah nilai Entalpi panas lanjut, hg, pada Y2 dan X2 (kJ/kg).
Pada persamaan (1), terdapat nilai X, dimana X adalah nilai temperatur uap masukan, T, dari data perusahaan (˚C), X1 adalah nilai temperatur awal, T1, dari tabel uap (˚C), X2 adalah nilai temperatur akhir, T2, dari tabel uap (˚C), Y adalah nilai tekanan main steam, P, dari data perusahaan (kPa), Y1 adalah nilai tekanan awal, P1, dari tabel uap (kPa) dan Y2 adalah nilai tekanan akhir, P2, dari tabel uap (kPa)
2 1 2
2 1 2 1 2 1
2 1 1
2 1 2 1 2 1
1,1 1, 2
2,1 2, 2
x x x x y y
M M M
x x x x y y
x x x x y y
M M
x x x x y y
Tahap ketiga, data yang telah diinterpolasikan dipakai untuk menentukan efisiensi boiler berdasarkan persamaan (2):
% 100%
g f 100%
Energi Keluar
Efisiensi Boiler x
Energi Masuk Q x h h
q x GCV x
(2)
dengan Q adalah nilai uap (kg/jam) dan GCV bahan bakar dan q adalah nilai bahan bakar yang digunakan sehingga diperoleh nilai efisiensi boiler dari data harian selama satu bulan pengambilan data.
3. Hasil dan Pembahasan
Analisis Efisiensi Boiler dimulai berdasarkan hasil uji ultimat untuk batubara sedangkan data untuk kayu dapat dilihat pada Tabel 1:
Tabel 1 Komposisi unsur kimia dalam kayu
No Unsur %
1 Karbon 50
2 Hidrogen 6
3 Nitrogen 0,04 – 0,10
4 Abu 0,20 – 0,50
5 Oksigen 0 – 45
Tabel 2 Data uji spesifikasi batubara Parameter Bagian Hasil
ADB
Total Lengas % -
Kadar Lengas % 13,78
Kandungan Abu % 5,64
Karbon % 37,13
Zat yang mudah
menguap % 43,45
Hidrogen % 2,04
Oksigen % 14,48
Total Belerang % 0,19 Nilai Kandungan
Kalori Kcal/K
g 5402
Berdasarkan Tabel 1 dan 2, dapat diperoleh hasil perkiraan teoritis komponen–komponen kimia dapat dilihat pada Tabel 3:
Tabel 3 Hasil perkiraan teoritis komponen – komponen kimia
No Nama Nilai
1 Teoritis keperluan
udara 12,29 kg/kg
bahan bakar
2 Teoritis CO2 17,70 %
3 Kelebihan suplai udara 77%
4 Massa sebenarnya dari
suplai udara 2175,33 kg/kg bahan bakar 5 Massa sebenarnya dari
gas buang kering 2029,31 kg/kg bahan bakar
Analisis kehilangan panas antara lain kehilangan panas dalam gas buang kering, kehilangan panas karena pembentukan air dari H2
dalam bahan bakar, kehilangan panas karena embun dalam bahan bakar, kehilangan panas karena embun di udara, kehilangan panas karena radiasi dan konveksi, kehilangan panas karena (1)
PRISMA FISIKA, Vol. V, No. 01 (2017), Hal. 09 – 12 ISSN : 2337-8204
11 abu terbang yang tidak terbakar, kehilangan panas karena abu bawah yang tidak terbakar.
Persamaan Persentase kehilangan panas dalam gas buang kering, L1 diberikan oleh persamaan 3 :
1 m x Cp x Tf Ta 100%
L x
GCV Bahan Bakar
(3)
Nilai L1 adalah persentase kehilangan panas dalam gas buang kering, m adalah massa dari gas buang kg/kg bahan bakar, Cp adalah panas spesifik dari gas buang kJ/kg, Tf adalah temperatur dalam gas buang ˚C, Ta adalah temperatur luar gas buang ˚C. Analisis Persentase kehilangan panas karena pembentukan air dari H2 dalam bahan bakar, L2 diberikan oleh persamaan 4 :
2 2
9 584
f a 100%
x H x Cp T T
L x
GCV Bahan Bakar
(4)
Nilai H2 adalah kg dari hidrogen dalam 1 kg bahan bakar, Cp adalah panas spesifik dari superheated steam kcal/kg˚C, Tf adalah temperatur dalam gas buang ˚C, Ta adalah temperatur luar gas buang ˚C dan 584 adalah nilai panas Latent. Analisis persentase kehilangan panas karena embun dalam bahan bakar, L3 diberikan oleh persamaan 5 :
3
584
f a 100%
M x Cp T T
L x
GCV Bahan Bakar
(5)
Nilai M adalah kg dari embun dalam 1 kg bahan bakar, Cp adalah panas spesifik dari superheated steam kcal/kg˚C, Tf adalah temperatur dalam gas buang ˚C, Ta adalah temperatur luar gas buang ˚C dan 584 adalah nilai panas Latent. Analisis persentase kehilangan panas karena embun di udara, L4 diberikan oleh persamaan 6 :
2
4 ASS x H x Cp x Tf Ta 100%
L x
GCV Bahan Bakar
(6)
Nilai AAS adalah massa sebenarnya dari suplai udara per kg dari bahan bakar, H2 adalah hidrogen dalam 1 kg bahan bakar, Cp adalah panas spesifik dari superheated steam kcal/kg˚C, Tf adalah temperatur dalam gas buang ˚C, Ta adalah temperatur luar gas buang ˚C. Selanjutnya analisis persentase Kehilangan panas karena radiasi dan konveksi, L5 diberikan oleh persamaan 7 :
5
695827, 24 100x
L GCV x fuel firing rate (7) Analisis persentase kehilangan panas karena abu terbang yang tidak terbakar, L6 diberikan oleh persamaan 8 :
6 10, 72 100 / 5402
L x (8)
Analisis kehilangan panas karena abu bawah yang tidak terbakar, L7 diberikan oleh persamaan 9 :
7 40, 608 100 / 5402
L x (9)
Berdasarkan persamaan (9) dapat hasil dari perhitungan.
Tabel 4 Hasil perkiraan rugi – rugi daya semua yang hilang (losses)
No Nama Nilai
(%) 1 Kehilangan panas dalam gas
buang kering 12,69
2 Kehilangan panas karena pembentukan air dari H2
1,06 3 Kehilangan panas karena lengas
dalam bahan bakar 2,66
4 Kehilangan panas karena lengas
diudara 0,54
5 Kehilangan panas karena radiasi
dan konveksi 0,23
6 Kehilangan panas karena abu
terbang yang tidak terbakar 0,08 7 Kehilangan panas karena abu
dalam yang tidak terbakar 1,33 Faktor bahan bakar dinyatakan dalam bentuk kehilangan panas dalam gas buang kering, kehilangan panas karena pembentukan air dari kandungan hydrogen dan kehilangan panas karena abu terbang dan abu dasar yang tidak terbakar. Berdasarkan hasil perkiraan rugi – rugi daya semua yang hilang (losses), kehilangan panas terbesar terjadi dalam gas buang sebesar 12,69%
semakin tinggi massa gas buang dari hasil analisis 2029,31 kg maka kehilangan panas dalam gas buang dari hasil perhitungan sebesar 12,69 %.
yang menunjukkan bahwa semakin banyak komponen – kompenen kimia yang tidak terbakar sempurna.
Udara teoritis yang diperlukan dan persentase udara berlebih yang diperoleh 77% juga mempengaruhi massa dari gas buang, artinya semakin banyak kandungan akhir unsur gas buang 2029,31 kg dibandingkan dengan jumlah udara yang diperlukan 12,29 kg udara/kg bahan
PRISMA FISIKA, Vol. V, No. 01 (2017), Hal. 09 – 12 ISSN : 2337-8204
12 bakar, setiap kandungan unsur kimia bahan bakar berdasarkan reaksi kimia maka semakin tinggi panas yang dikeluarkan dari boiler yang disebabkan oleh nilai GCV batubara pada penelitian lebih besar dari GCV kayu sehingga terjadi pemborosan panas yang berdampak pada penurunan efisiensi dari boiler tersebut.
Kehilangan panas karena pembentukan air dari hidrogen dalam bahan bakar dan kehilangan panas karena abu terbang dan abu dasar yang tidak terbakar dikarenakan faktor lingkungan.
Jumlah bahan bakar yang digunakan saat penelitian sebanyak 12117,82 kg/jam dengan udara yang dibutuhkan 1229 kg, Oksigen yang sudah ada didalam sampel spesifikasi batubara sebanyak 14,48 kg artinya oksigen tambahan yang diperlukan 282,67 kg. Udara mengandung 23%
berat oksigen itu artinya jumlah udara yang diperlukan untuk 12117,82 kg/jam bahan bakar adalah 1229 kg udara. Untuk udara teoritis 12,29 kg udara/kg bahan bakar sehingga untuk pembakaran sempurna udara yang diperlukan seharusnya 985,99 kg, artinya terjadi kelebihan udara sebanyak 243,01kg. Hal tersebut menyebabkan ada sisa karbon, belerang dan hidrogen yang tidak terbakar sempurna.
Kehilangan panas karena abu terbang dan abu dasar (bottom ash) bersumber dari alami sumber batubara, semakin tinggi kandungan abu, zat yang mudah menguap dan lengas makin banyak abu terbang dan abu dasar yang dihasilkan.
4. Kesimpulan
Analisis terhadap efisiensi boiler hasil perhitungan yakni sebesar 46 %. Penurunan nilai efisiensi boiler dikarenakan kandungan karbon, hidrogen, belerang dalam bahan bakar yang tidak terbakar sempurna. Faktor lingkungan juga mengakibatkan penurunan efisiensi boiler yang dikarenakan abu terbang dan abu dalam tidak terbakar sempurna.
Daftar Pustaka
[1
]
Sutikno, D., Soenoko, R., Pratikto, P., PT, F. P., &Nur Cahyo, P. M. (2011). Study On Pressure Distribution In The Blade Passage Of The Francis Turbine. Rekayasa Mesin Vol. 2 No.2, 154-158.
[2] Asmudi. (2010). Analisa Unjuk Kerja Boiler Terhadap Penurunan Daya Pada PLTU PT.
Indonesia Power UBP Perak. Jurusan Teknik Perkapalan. Fakultas Teknologi Kelautan. ITS Surabaya. Hal 1-15 diakses di
digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate- 9765-Paper.pdf pada tanggal 22 November 2016.
[3] Basuki, C. A., Nugroho, I., & Winardi, I. (2008).
Analisis Konsumsi Bahan Bakar Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dengan Menggunakan Metode Least Square. Makalah Tugas Akhir. Fakultas Teknik. Universitas Dipenogoro diakses di
eprints.undip.ac.id/25596/1/ML2F004464.pdf pada tanggal 22 November 2016.
[4] Yohana, E., & Askhabulyamin. (2012).
Perhitungan Efisiensi Dan Konversi dari Bahan Solar Ke Gas Pada Boiler Eraba HKL 1800 KA.
ROTASI. Vol. 14. No. 2, 7-10.
[5] Winanti, w. S., & Prayudi, T. (2006).
Perhitungan Efisiensi Boiler Pada Industri Industri Tepung Terigu. Jurnal Teknik Lingkungan. Edisi Khusus, 58-65.
[6] Ristyanto, A. N., Windarto, J., & Handoko, S.
(2013). Simulator Perhitungan Efisiensi Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Rembang. Jurusan Teknik Elektro UNDIP Semarang diakses di ejournal-
s1.undip.ac.id/index.php/transient/article/vie w/3006 pada tanggal 22 November 2016.
