1

BOILER KONTROL & EFISIENSI

Oleh: Ian O. Malana, M.Sc

2

Kontrol Boiler yang berpengaruh terhadap efisiensi

• Boiler seyogyanya didesain untuk dapat beroperasi secara efisien sekaligus aman untuk memberikan output yang terkadang variatif tergantung dari permintaan

• Dibutuhkan Burner Management System (BMS) yang handal

• BMS biasanya mencakup regulasi terhadap:– Excess Air– Menjaga kandungan Oxygen di Gas Buang– Burner modulation– Air/fuel Cross limiting dan total control terhadap panas

• Drum Level Control

3

Regulasi Excess Air

• Dengan menjaga kandungan Excess Air maka:– Menjaga temperatur gas

buang– Pemakaian bahan bakar

secara efisien– Memperbaiki tingkat heat

transfer

4

Kandungan O2 di Gas Buang

• Dengan menjaga kandungan O2 di Gas Buang maka:– Mengontrol buangan emisi: opacity dan CO– Mengontrol jumlah excess air– Sebagai indikasi sempurnanya pembakaran

5

Modulasi Burner

• Dengan mempunyai Burner yang dapat dimodulasi maka:– Memperbaiki boiler efisiensi– Dapat merendahkan temperatur gas buang– Mengatur secara terus menerus komposisi bahan

bakar / udara terhadap permintaan uap– Mengatur kandungan SOx dan NOx

6

Rasio Udara / Bahan Bakar

• Dicari batas rasio yang tidak boleh dilewati antara jumlah bahan bakar dan udara yang masuk ke dalam boiler sehingga boiler selalu dalam keadaan aman

• Pada saat menaikkan dan menurunkan beban, selalu berpedoman pada rasio tersebut

• Efektif untuk:– Optimasi pemakaian bahan bakar– Menghindari resiko meledak– Lebih cepat mengontrol variasi pemakaian bahan bakar dan

udara– Merespon kebutuhan uap dengan baik

7

• Dengan membuat setting rasio bahan bakar / udara yang baik, dapat menaikkan efisiensi karena mengurangi ‘heat loss’ yang biasanya terjadi pada transisi beban

Rasio Udara / Bahan Bakar

8

Drum Level

• Boiler Drum Level adalah indikasi yang kritikal karena:– Terlalu rendah, dapat membahayakan boiler tube yang

dapat kekurangan air sehingga menimbulkan ‘overheat’ yang dapat merusak

– Terlalu tinggi dapat mengganggu pemisahan embun di uap yang menurunkan efisiensi boiler dan membawa embun ke proses atau turbin

– Dipakai Drum Level Controller yang menjaga level air pada saat operasi

9

Drum Level

Single Element Drum Level Control• Metode paling simple namun paling

tidak efektif• Proporsional Signal dihasilkan dari

koreksi yang proporsional terhadap deviasi dari set poin di Drum.

• Output tersebut mengontrol FW valve.• Drum level tidak berkorelasi dengan

uap ata FW flow sehingga cocok untuk operasi dengan 1 pompa FW pada 1 boiler di kondisi beban stabil

10

Drum Level

Two-Element Drum Level Control• Cocok untuk Single Drum pada

kondisi FW di tekanan konstan• Tambahan Steam Flow element yang

memberi koreksi terhadap density pada sinyal di aliran masuk untuk mengontrol FW flow.

• Level kontrol menyeimbangkan aliran uap dan FW flow

• Memberikan kontrol yang kebih ketat terhadap perubahan beban baik karena blowdown, variasi tekanan FW, kebocoran uap, dll

11

Drum Level

Three-Element Drum Level Control• Digunakan untuk boiler dan pompa

lebih dari satu• Mengambil sinyal dari level, uap, dan

FW flow.• Sinyal pada level dan uap mengoreksi

perubahan karena blowdown, kebocoran uap, dll.

• Sinyal pada water flow yang bereaksi terhadap sinyal feed--forward dari elemen uap, tekanan FW atau fluktuasi aliran

• Aliran uap dan FW terkoreksi terhadap density

• Dapat berfungsi sebagai Two-element atau Single-element jika sistem aliran air bermasalah atau demand uap rendah

12

Unjuk Kerja Boiler

• Kapasitas

Adalah jumlah uap maksimum yang dapat dihasilkan pada kondisi tertentu

• Output

Jumlah energi yang dapat dihasilkan oleh fluida

• Efisiensi

Rasio dari energi keluaran terhadap energy masukan

13

Boiler Efficiency

• Definisi:

Ratio of the output to the total energy entering the steam generator envelope

• Tujuan:– Menentukan kondisi dari pembangkit uap beserta

peralatan pendukungnya– Digunakan pada evaluasi ekonomis (plant heat rate

adalah fungsi dari efisiensi boiler)

14

Steam Generator Envelope

15

Metode untuk Menghitung

Berdasarkan ASME PTC 4.1:

• Input-Output Method

• Heat Loss Method (Energy Balance)

16

Heat Balance

17

Metode Input – Output

• General formula

• Membutuhkan pengukuran yang langsung dan akurat terhadap seluruh data output dan input

• Pengukuran yang utama pada: flow rate, tekanan, temperatur dari seluruh aliran fluida yang bekerja yang masuk dan keluar batas pembangkit uap, higher heating value dari bahan bakar

%100)(

)(

%100

creditHeatfuelinHeat

fluidworkingbyabsorbedHeatEfficiency

Input

OutputEfficiency

18

Metode Heat Loss

• General formula

• Losses ditentukan berbasis “persentase”, bukan berbasis absolut.

• Pengukuran terutama pada: analisa kimia pada bahan bakar dan gas buang, temperatur dari udara dan gas buang yang masuk dan keluar dari batas pembangkit uap, higher heating value dari bahan bakar

100%100

%%100

creditsHeatfuelinHeat

lossesHeatEfficiency

LossesEfficiency

19

Keuntungan & Kerugian

Heat Loss Method

Keuntungan• Parameter utama (analisa kimia dan

temperatur gas buang) dapat ditentukan secara akurat

• Mengizinkan koreksi-koreksi terhadap hasil test pada kondisi garansi

• Efisiensi mempunyai ketidakpastian yang lebih rendah karena kondisi yang diukur (losses) hanya mewakili bagian kecil dari total energi

• Sumber dari kebocoran dapat diidentifikasi

Kerugian• Tidak secara otomatis memperlihatkan data

ouput dan kapasitas• Beberapa kebocoran (losses) tidak terukur dan

jumlahnya hanya bisa diperkirakan

Input-Output Method

Keuntungan• Parameter utama (output, input) diukur secara

langsung• Tidak memperhitungkan losses (kehilangan)

yang tidak terukur (Un-measurable)

Kerugian• Aliran bahan bakar, heating value, aliran uap

dan aliran air harus diukur secara akurat untuk meminimumkan ketidakpastian data

• Tidak membantu menentukan lokasi mana yang tidak efisien

20

Kondisi Variabel

• Kondisi dari bahan bakar pada saat pembakaran• Prosentase ‘excess air’• Bersih tidaknya permukaan yang mengalami

perpindahan panas• Tingkat pembakaran• Temperatur dan tingkat kelembaban udara

pembakar• Model operasi (intermittent, on-off, modulating)• Setup dari Burner• Unjuk kerja Sootblower

21

Heat Loss

Efficiency = 100%-(lG+lMf+lMa+lH+lZ+lUC+lR)

Dimana:lG : heat loss due to dry gas (%)lMf : heat loss due to moisture in fuel (%)lMa : heat loss due to moisture in air (%)lH : heat loss due to hydrogen in fuel (%)lZ : heat loss due to atomizing steam (%)lR : heat loss due to radiation (%)

22

Akibat Dry Gas

• Kebocoran energi terbesar terjadi pada boiler konvensional fossil-fuel boiler

• Dipengaruhi oleh:– ‘Excess air’– Kebocoran udara

• Strategi untuk meminimalkan kebocoran:– Optimasi ‘excess air’– Menjaga kebersihan permukaan terjadinya heat transfer– Menambah peralatan optimasi recovery gas buang– Meminimalkan terjadinya kebocoran udara

• Rumus

)( RAGGG ttcpWlG Where:lG : dry gas losswG : air heater inlet dry gas (lb/lb fuel as fired)tG : air heater exit gas temperaturetA8 : reference air temperatureCp : dry gas specific heat

23

Akibat Dry Gas

• Effect of Excess Air on Efficiency

24

Akibat Dry Gas

• Effect of Flue Gas Temperature on Efficiency

25

Akibat Kandungan Air di Bahan Bakar

• Sangat terpengaruh oleh kandungan air (moisture) di bahan bakar

• Strategi dasar untuk meminimalkan kebocoran:– Bahan bakar di simpan pada tempat yang tepat– Hindari kebocoran pada pemanas bahan bakan (minyak)

• Rumus

Where:lMf : heat loss due to moisture in fuelmf : moisture content in fuel (lb/lb fuel as fired)h : vapor enthalpy at partial pressure of air heater exit gas temperature hRW : enthalpy of saturated liquid at reference air temperature

)( RWhhmflMf

26

Akibat kandungan air di udara

• Sangat terpengaruh oleh temperatur ambien dan ‘relative humidity’

• Rumus

Where:lMa : heat loss due to moisture in airWMa : lb water vapor per lb dry airWA : dry air supplied per lb “as fired” fuelh : vapor enthalpy at partial pressure of air heater exit gas temperaturehRV : enthalpy of saturated vapor at reference air temperature

)( RVAMa hhWWlMa

27

• Effect of Relative Humidity on Efficiency

Akibat kandungan air di udara

28

Akibat Hydrogen

• Sangat dipengaruhi oleh kandungan hydrogen di Bahan Bakar

• Rumus)(936.8 RWhhHlH

Where:lH : heat loss due to moisture from burning of hydrogenH : hydrogen content in fuel (lb/lb fuel as fired)h : vapor enthalpy at partial pressure of air heater exit gas temperature hRW : enthalpy of saturated liquid at reference air temperature

29

Akibat Atomizing Steam

• Dipengaruhi oleh jumlah konsumsi uap untuk atomizing per berat bahan bakar

• Strategi untuk meminimalkan kebocoran::– Tergantung karakteristik oil gun– Optimasi pembakaran (tuning)

• Rumus

Where:lZ : heat loss due to atomizing steamWz : atomizing steam flow rateWf : dry air supplied per lb “as fired” fuelh : vapor enthalpy at partial pressure of air heater exit gas temperaturehRV : enthalpy of saturated vapor at reference air temperature

)( RVhhWf

WzlZ

30

Akibat Radiasi & Konveksi Permukaan

• Obtained from ABMA radiation loss chart

31

Data lain

Data lain yang dibutuhkan untuk menghitung efisiensi boiler menggunakan metode Heat Loss

• Analisa Laboratorium:– Analisa ‘ultimate’ dari bahan bakar dalam %wt– Terdiri dari C (%wt), H2 (%wt), S (%wt), N2 (%wt), H2O (%wt), O2

(%wt), Ash (%wt)

• Pengukuran Lapangan– Temperatur udara masuk di Air Heater – Temperatur gas buang keluar di Air Heater– Kandungan O2 di inlet Air Heater– Dry bulb temperatur dan relative humidity

32

Format Kalkulasi Standar

33

Format Kalkulasi Standar