DESKRIPSI

Compressed Air System

Sistem Udara Bertekanan

Sistem udara terkompresi (compressed air) adalah sistem pembantu dalam bagian

utama pusat listrik. Udara terkompresi ini dimanfaatkan setidaknya untuk beberapa fungsi,

antara lain : untuk menghidupkan mesin (starting engine), untuk keperluan penggerak

instrumen (instrument air), dan untuk keperluan servis (service/working air). Untuk

mengurangi jam operasi dari unit compressor, digunakan bantuan tabung udara

terkompresi (air bottle) untuk menampung udara bertekanan dalam jumlah dan tekanan

tertentu. Khusus untuk udara penggerak instrumen (instrument air), udara terkompresi

perlu diberi perlakuan tambahan, yaitu dengan penambahan pengering udara (air drier).

Harapannya, udara yang digunakan untuk penggerak instrument, semisal katup kontrol

(control valve), sudah cukup kering dan terbebas dari uap air, yang dapat merusak

peralatan kontrol, semisal pengarah bukaan katup (valve positioner).

1. Kompresor (compressor)

Bagian kompresor ini mencakup:

a) motor penggerak kompresor (prime mover)

b) kompresor (compressor)

c) saringan udara masuk (inlet air filter)

Motor penggerak kompresor berfungsi untuk menggerakkan/memutar

kompresor sehingga kompresor dapat bekerja. Motor penggerak yang digunakan

adalah motor listrik, motor bakar (diesel atau bensin) atau turbin. Motor penggerak

yang paling banyak digunakan pembangkit tenaga listrik adalah motor listrik arus

bolak balik AC tiga fasa jenis asinkron sangkar tupai, karena jenis motor ini

sederhana dan mudah perawatannya. Motor listrik arus searah DC atau pun motor

bakar digunakan hanya sebagai penggerak darurat.

1.1 Kompresor dan Fungsinya

Kompresor berfungsi untuk mengalirkan udara dan memberi tekanan pada

udara tersebut, sebagai udara kempa. Jenis kompresor yang paling banyak

digunakan adalah:

Kompresor bolak-balik (Reciprocating)

Kompresor sentrifugal (centrifugal)

Kompresor berputar: rotary screw dan rotary vane

1.1.1 Kompresor bolak-balik (Reciprocating compressor)

Kompresor bolak-balik bekerja seperti pompa sepeda. Suatu torak

(piston) digerakkan oleh potor listrik, melalui poros engkol dan batang

penghubung (connecting rod), mengecilkan voluma udara di dalam tabung

(cylinder), mendorong/menekan (mengkompres) udara ke tekanan yang

lebih tinggi. Kompresor aksi tunggal mempunyai langkah tekan hanya pada

satu arah, sedangkan kompresor aksi ganda melakukan langkah tekan setiap

torak piston bergerak maju maupun mundur.

Kompresor bolak-balik biasanya berjenis kompresor bertingkat

banyak yang terdiri dari beberapa tingkat (multi-stage compressors).

Kompresor bertingkat banyak menekan (mengkompres) udara di tingkat

awal, kemudian udara itu didinginkan, selanjutnya dikompres lagi di tingkat

yang kedua, dan mungkin lagi di tingkat ketiga dan/atau keempat tergantung

pada tekanan akhir yang diperlukan. Kompresor aksi ganda bertingkat

banyak (multi-stage double-acting compressors) adalah kompresor kapasitas

besar yang paling efisien; tetapi lebih bising dan lebih mahal.

Udara keluaran kompresor bolak-balik dikontrol dengan katup curah

(unloader), dimana piston bekerja terhadap tahanan udara bertekanan sangat

rendah, sehingga sangat kecil enerji yang terbuang. Itulah sebabnya

kompresor bolak-balik jenis ini cukup efisien pada operasi beban tidak tetap

(load – unload). Kompresor yang paling banyak digunakan pada sistem

udara kempa pada pembangkit tenaga listrik adalah jenis Kompresor bolak-

balik (Reciprocating compressor).

Ada dua jenis kompresor, yaitu tabung (cylinder) tanpa

pelumastabung (cylinder) berpelumas. Selain jenis torak (piston) biasa,ada

juga yang menggunakan plunyer rata (plain plunger). Kompresor jenis ini

mengisap dan menekan udara pada saat torak bergerak maju atau pun

mundur.

Gambar 1.1 Kompresor bolak-balik (Reciprocating) tanpa pelumas (oil free) dan bagian bagiannya

Gambar 1.2 Double Reciprocating Compressor

Gambar 1.3 Single Reciprocating Compressor

Distance Piece

Piston Rod

O I L

Cylinder

Discharge

Suction

Piston

Rod Packing Case

(Side View, Cut in Half)

2. Saringan Udara (AirFilters)

Semua kompresor sensitif terhadap debu dan uap (asap) yang ada pada

udara, yang dapat berupa campuran yang bersifat perekat (adheshive), penggosok

(abrasive) dan pengkarat (corrosive) didalam tabung silinder. Pencemaran ini

(contaminants) terbentuk pada bagian-bagian yang berputar dan dapat

menyebabkan keausan dan ketidak seimbangan mekanis, mengakibatkan kerusakan

kompresor. Saringan udara pada sistem udara kempa berfungsi untuk menangkap

partikel-partikel dari udara dan memisahkan kondensasi air atau minyak dari udara

Suatu filter yang paling penting pada sistem udara kempa adalah saringan

udara masuk kompresor. Saringan ini menangkap abu, debu dan partikel lainnya

dari udara yang masuk ke kompresor. Kompresor adalah peralatan yang

toleransinya ketat (kecil) dan sedikit partikel kecil pun dapat masuk ke dalam rotor

atau silinder dan mengakibatkan keausan dan kerusakan dini. Saringan udara masuk

harus disesuaikan penggunaan diharapkan dan ada banyak saringan yang berbeda-

beda jenis, rancangan dan ukurannya. Pada umumnya saringan udara dibentuk

sesuai dengan prinsip-prinsip dasar sebagai berikut:

Pusaran (Cyclones), yang melemparkan debu keluar karena gaya

sentrifugal

Saringan udara basah (Wet air filters), yang mengikat debu dengan

menggunakan cairan

Saringan udara kering (Dry filters), yang menangkap debu dengan

menggunakan efek saringan

Efisiensi saringan, dicirikan dengan tingkat pembersihan debu, yang

menunjukkan berapa persen debu yang dikandungi udara yang sebenarnya

tertangkap, dan mengacu pada uji komposisi debu AFI (American Filtration

Institution). Saringan partikel juga harus dipasang sesudah pengering udara jenis

desikan (desiccant dryer) untuk menangkap partikel-partikel desikan (desiccant

particles). Saringan penggabungan (Coalescing filters) digunakan dikeseluruhan

sistem udara kempa untuk menangkap kondensasi air atau minyak dari udara

kempa. Saringan penggabungan harus mempunyai kurasan kondensat otomatis

(automatic condensate drains).

Saringan penggabungan (Coalescing filters) mungkin merupakan penyaring

udara terbaik pada sistem udara kempa, karena juga dirancang untuk menangkap

bintik-bintik (butiran-butiran) air dan minyak menggunakan tehnik penyaringan

mekanikal. Saringan penggabungan (Coalescing filters) uga menangkap partikel-

partikel padat hingga ukuran sangat kecil (0.01 micron). Adalah penting memantau

penurunan tekanan (pressure drop Δp) pada saringan untuk mengetahui apakah

elemen saringan sudah perlu diganti. Umumnya, bila Δp telah mencapai 6 ÷10 psi,

saringan sudah perlu diganti. Agar lebih efektif, saringan udara sebaiknya dipasang

berpasangan, yaitu saringan rangkap (dual filters). Kedua saringan ini berfungsi

serupa, saringan yang pertama adalah saringan awal (general-purpose filter) untuk

melindungi saringan kedua yang lebih halus (a high-efficiency filter) dari butiran

partikel besar. Penggunaan saringan rangkap (dual filters) ini akan menjamin udara

kempa bermutu baik denga biaya operasi dan pemeliharaan yang rendah.

2.1 Pendingin Udara Kempa (inter-cooler and after-cooler)

Sesuai dengan sifat termodinamika bahwa udara yang dikompres

(ditekan), maka suhu (temperatur)nya akan mengalami kenaikan. Suhu

udara yang tinggi ini dapat mengakibatkan kerusakan peralatan berikutnya

yang akan dilalui ataupun yang akan menggunakan udara bertekanan dan

bersuhu tersebut. Pada sistem udara kempa yang menggunakan kompresor

bertingkat (multi-stage compressor), udara keluaran kompresor tingkat

pertama harus didinginkan terlebih dahulu sebelum dialirkan sebagai udara

Test Dust Composition Grain Sizes Share

Street Dust

0 - 5 µm 28%

5 -10 µm 13%

10 -20 µm 11%

20 - 40 µm 13%

40 - 80 µm 7%

Rust 0,08 µm 25%

Cotton Linters   3%

masukan ke kompresor tingkat kedua. Demikian seterusnya, udara keluaran

suatu tingkat harus didinginkan sebelum dialirkan ke kompresor tingkat

berikutnya. Pendingin udara antar tingkat kompresor ini disebut “inter-

cooler”.

Udara kempa keluaran dari kompresor tingkat terakhir juga harus

didinginkan terlebih dahulu sebelum dialirkan ke peralatan sistem udara

kempa yang berikutnya, seperti pemisah (separator) atau tangki udara.

Pendingin udara akhir (udara keluaran kompresor tingkat terakhir) ini

disebut “after-cooler”. Media pendingin yang umum dipakai untuk

mendinginkan udara kempa ini adalah air (cooling water); bisa juga

menggunakan udara sebagai media pendingin (cooled by air). Akibat

pendinginan, uap air yang dikandung udara keluaran pendingin akan

berubah (berkondensasi) menjadi bintik-bintik air, yang harus dipisahkan

dari udara oleh dan didalam separator. Kemudian air kondensat ini

diperangkap dan dikuras (dibuang) keluar. Pendingin (cooler) yang umum

dipakai adalah berjenis tabung beraliran langsung (once through) dengan

pipa-pipa pendingin (cooling tubes) didalamnya. Tabung pendingin ini

disambungkan langsung ke pipa penyaluran udara; biasanya dengan

sambungan cakram (flanges) pada sisi masuk maupun keluar pendingin.

DETAIL DESIGN

Compressed Air System Untuk PLTU 2 X 300 MW Gunung Megang, Muara Enim

Sistem udara bertekanan ini dirancang untuk mengontrol pneumatic valves dari

distribusi fly ash dengan electrofilter.

Distribusi compressed air system

Didistribusikan dengan pipa seamless berbahan steel galvanized. Didistribusikan ke

semua pneumatic drive valve yang lokasinya dibawah electrofilter (didesign 2 unit) dan

pompa-pompa (didesign 2 unit).

Penerapan compressed air system

Lokasi yang dialiri udara bertekanan ini adalah didtribusi fly ash, pipa udara

armatures of ash pipa distribusi ash dan pneumatic valve in bager station. Diditribusikan

dari regulasi kompresor ke katup-katup dan diprogram dengan PLC. Kompresornya

dioperasikan dengan sumber udara yang tekanannya antara 6,3 – 7,5bar. Ketika terjadi

tekanan drop di sumber dibawah 7,7 bar maka tekanan minimum yang harus dipenuhi

sebesar Pmin = 6,3bar dan secara otomatis satu kompresor akan aktif sampai nilai tekanan

maksimal yang tidak dipenuhinya.

Berdasarkan data dari coal handling unit

Tabel 1. The quantity of ash produced by one unit

Input Data Value

Total Ash, Bottom And Fly Ash 175 – 240 t/h

Fly Ash 162,5 – 232,2 t/h

Ash From Boiler Hoppers And Air Preheater Hopper 13,0 – 17,9 t/h

Tabel 2. Design data

Input Data Value

Bulk Density Of Fly Ash 0,7 t/m3

Specific Mass Density 2,1 g/cm3

Average Solid Particle Size, D50 100 Microns

Tabel 3. Capacity data of the system

Input Data Value

Long Distance Fly Ash Pneumatic Conveying 258 t/h per unit(including15% reverse)

Slurry Flow Range 326 - 355 m3/h

Maximum Possible Slurry Flow 390 m3/h

Pemilihan kompresor untuk sistem udara tekanan pada elektrofilter (2 unit)

1. air consumption by consumer for transmition in block 1 : Q1 = 53m3/h

2. air consumption by consumer for transmition in block 2 : Q2 = 53m3/h

3. air consumption by consumer for transmition in pump station 1 and 2 like

consumers on air preheaters and under channel of flue gases : Q3 = 15m3/h

4. total air consumption increased for 20% : Q = 1,2 x (Q1 + Q2 + Q3) = 1,2 x (53 +

53 + 15) = 1,2 x 121 = 145,2 m3/h

berdasarkan perhitungan kebutuhan total konsumsi udara yang didapat yaitu sebesar 145,2

m3/h didapatkan kompresor dari Atlas Copco

Gambar 1. Kompresor Atlas Copco

Tabel 4. Spesifikasi Kompresor

Type GA15+

Capacity 160 m3/h

Operation Pressure 7.7 bara

Power Of Electromotor 15 kW

Noise Level 64 dB

Dimension 1400 x 1225 x 650 [1]

Absorption Dryers Type CD 44 (2 piece)

Air Volume 2 m3

Pressure Outlet 8.5 bara

Pipeline calculatuon at the outlet of the compressor

1. Air density by pressure and ambient temperature

Dapat dihitung berdasarkan :

Dimana, p1 merupakan tekanan ambient udara yaitu 1 bar, t1 merupakan

temperature ambient udara di daerah Muara Enim yaitu 23 ºC dan R adalah

ketetapan gas konstan 8,314 J/molK, maka :

(1)

2. Air density at outlet of the compressor

Mengitung air density di pipa berdasarkan persamaan (1) :

Dimana, p2 merupakan tekanan outlet kompresor 1 + 7.5 = 8.5 bar x105 Pa, t2

merupakan temperature outlet kompresor 25 ºC dan R adalah ketetapan gas konstan

8,314 J/molK, maka :

3. Quantity of compressed air

Dapat dihitung berdasarkan :

Dimana Q merupakan kapasitas kompresor 160 m3/h, laju aliran udara

M1 = , maka

(2)

4. Pipeline dimensioning

Dapat dihitung berdasarkan :

(3)

Dimana, asumsi air velocity for pipeline flow v = 5 m/s, maka

Maka, nominal diameter pipa DN 32 (Ø42,4 x 2,6) dapat digunakan.

5. Calculation of compressed air pressure drop for section 1-1

Pressure drop pada pipa dapat diketahui dari :

(4)

Dimana, λ merupakan koefisien fraksi udara, L adalah panjang pipa, D adalah

diameter dalam pipa, dan v adalah air velocity in pipeline, adalah densitas udara

dan ls adalah local losses dari kompresor.

a. Pipeline characteristics section 1-1

Table karakteristik dari pipeline section 1-1:

Input Data Value

Pipeline Length (m) 300 m

Air Velocity In Pipeline (m/s ) 5 m/s

Internal Pipe Harshness (K) (mm) 0,05 mm

Internal Pipe Diameter (mm) 36.5 mm (DN32, Ø42,4 x 2,6)

b. Air density with operation parameters

Densitas udara pada pipeline outlet kompresor dapat dicari dengan

menggunakan rumus (1) :

Dimana, p2 merupakan tekanan outlet kompresor 1 + 7.5 = 8.5 bar x105 Pa, t2

merupakan temperature outlet kompresor 25 ºC dan R adalah ketetapan gas

konstan 8,314 J/molK,

c. Determination of air circuit in pipeline

Dapat dicari bilangan Reynolds :

(5)

Re > 2300 – turbulent circuit

d. Determination of air viscosity and friction coefficient

Dynamic viscosity of air on temperature T2 dapat ditentukan dengan persamaan

(5)

Dimana t2 merupakan temperature outlet kompresor 25 ºC = 298K, Tb =273K

adalah temperature udara pada keadaan normal dan η0 = 17.3 x 10-6 Pa. Maka,

e. Friction coefficient of air and pipeline

Diasumsikan internal harshness of pipe is K = 0,05 mm dan diameter dalam

pipa D = 36.5 mm (DN32, Ø42,4 x 2,6) dan relative pipe harshness dapat

ditentukan

Dimana λ adalah friction coefficient dari undara dalam pipeline dan dapat dicari

dengan :

f. Friction coefficient of air in pipeline

Tabel Friction coefficient of air dalam pipeline

Resistance coefficient for bend 90º Lsk1 = 0.3 10 pcs

Resistance coefficient for bend 45º Lsk2 = 0.3 4 pcs

Resistance coefficient for T-piece LsT = 0.6 14 pcs

Total of local losses in pipeline: Σ ls = (0,3X10)+(0,3X4)+(0,6X14) = 12,6

Menggunakan persamaan (4), perhitungan calculated pressure drop on line

untuk udara bertekanan di section 1-1:

Dimana L merupakan Pipeline Length 300 m, D merupakan Internal Pipe

Diameter (mm) 36.5 mm, v merupakan Air Velocity In Pipeline (m/s ) 5 m/s,

merupakan Air density with operation parameters dan ls merupakan

Total of local losses in pipeline 12,6. Maka,