Web viewanalisis heat transfer dan efisiensi efektif economizer pasca overhaul 2016 di pltu. pt....
Transcript of Web viewanalisis heat transfer dan efisiensi efektif economizer pasca overhaul 2016 di pltu. pt....
ANALISIS HEAT TRANSFER DAN EFISIENSI EFEKTIF ECONOMIZER PASCA OVERHAUL 2016 DI PLTU
PT. WIJAYA TRI UTAMA
TUGAS AKHIRBIDANG KONVERSI ENERGI
Untuk memenuhi persyaratan
memperoleh gelar Sarjana S-1
Oleh:
NAMA : AZIS MAULANANIM : H1F114217
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMBUNG MANGKURATBANJARBARU
2016
i
TERIMA KASIH KEPADA
ii
Rektor Universitas Lambung Mangkurat
Prof. Dr. H. Sutarto Hadi, M.Si., M.Sc
Wakil Rektor Bidang Perencanaan, Kerjasama dan Humas
Prof. Dr. Ir. H. Yudi Firmanul Arifin, M.Sc
Kepala Prodi Teknik Mesin
Achmad Kusairi S, ST,. MT., MM.
Mahasiswa
Azis Maulana
Wakil Rektor Bidang Akademik
Dr. Ahmad Alim Bachri, SE., M.Si
Wakil Rektor Bidang Kemahasiswaan dan Alumni
Dr. Ir. Abrani Sulaiman, M,Sc
Wakil Rektor Bidang Umum dan Keuangan
Dr. Hj Aslamiah, M.Pd., Ph.d
Dosen Pengampuh
Prof. Dr. Qomariyatus Sholihah Amd. Hyp, ST, M.Kes.
Dekan Fakultas Teknik
Dr. Ing. Yulian Firmana Arifin, ST., MT
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan
hidayah-nya sehingga proposal penelitian yang berjudul “Analisis Heat
Transfer Dan Efisiensi Efektif Economizer Overhoul 2016 Di PLTU
PT.Wijaya Tri Utama” dapat terselesaikan. Dalam penyusunan Proposal
Metode Penelitian ini tidak lepas dari bantuan dan kerja sama, serta
dukungan dari berbagai pihak. Ucapan terima kasih penulis haturkan
kepada :
1. Bapak Ach. Kusairi S, MM., MT. selaku Ketua Program Studi Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Lambung Mangkurat
2. Ibu Prof. Dr. Qomariyatus Sholihah, Amd.hyp., ST., M.Kes. selaku
Dosen Pengampu 1
3. Bapak dan Ibu saya yang selalu memberikan dukungan dan semangat
serta doanya yang selalu menyertai saya.
Proposal ini disusun untuk memenuhi persyaratan kelulusan mata kuliah
Metode Penelitian (HMKK 538). Penulis memahami sepenuhnya bahwa
proposal ini tidak luput dari kesalahan. Oleh karena itu, kritik dan saran
yang membangun sangat diharapkan demi perbaikan di masa mendatang.
Akhir kata dengan segala keikhlasan hati mengucapkan terima kasih.
Semoga proposal ini dapat memberikan inspirasi bagi pembaca dan
semoga proposal penelitian ini bermanfaat dalam rangka mencerdaskan
kehiupan bangsa.
Banjarbaru, Oktober 2016
Penulis
Azis Maulana
iii
DAFTAR ISI
UCAPAN TERIMA KASIH.................................................................................. ii
KATA PENGANTAR ......................................................................................... iii
DAFTAR ISI .........................................................................................................iv
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................v
DAFTAR TABEL....................................................................................vi
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang............................................................................. 1
1.2 Rumusan Masalah........................................................................ 2
1.3 Tujuan Penelitian.......................................................................... 2
1.4 Batasan Masalah.......................................................................... 2
1.5 Manfaat Penelitian........................................................................ 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kajian Pustaka.............................................................................. 4
2.2. Prinsip Kerja PLTU....................................................................... 6
2.3. Siklus Rankine.............................................................................. 7
2.4. Siklus Rankine Reheat Ideal........................................................ 9
2.5. Boiler............................................................................................. 11
2.6. Siklus Air dan Uap........................................................................ 12
2.7. Economizer................................................................................... 14
2.8. Mekanisme Pemanas Air Pengisian Ketel (Economizer)............. 16
2.9. Fouling Factor................................................................................. 18
2.10. Heat Transfer................................................................................ 20
iv
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian...................................................... 26
3.2 Alat dan Bahan Penelitian............................................................. 26
3.3 Diagram Alir Penelitian.................................................................. 27
3.5 Pengamatan Peubah (Variabel) Penelitian.................................... 28
DAFTAR PUSTAKA
v
DAFTAR GAMBAR
Halaman
2.1 Proses Konversi Energi............................................................................ 6
2.2 Siklus Rankine......................................................................................... 8
2.3 Siklus Rankine Reheat Ideal..................................................................... 10
2.4 Boiler Combustion System PLTU............................................................. 12
2.5 Model Sirip-sirip Economizer.................................................................... 15
2.6 Konstruksi Economizer............................................................................. 15
2.7 Pengotoran Tube Bagian Luar Economizer PLTU PT.WTU unit 2........... 19
2.8 Perpindahan Panas Konduksi pada Dinding Datar.................................. 20
2.9 Perpindahan Panas Konveksi................................................................... 23
2.10 Perpindahan Panas pada Sistem Radial Silinder..................................... 24
3.1 Diagram Alir Penelitian............................................................................. 27
vi
DAFTAR TABEL
Halaman
2.1 Konduktivitas Termal Berbagai Bahan pada 0℃.................................... 22
3.1 Jadwal Pelaksanaan Penelitian................................................................. 28
vii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) merupakan pembangkit listrik
tenaga termal yang banyak digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi
listrik di dunia, karena efisiensinya sangat baik sehingga menghasilkan
energi listrik yang ekonomis. PT. Wijaya Tri Utama Plywood Industri
(WTUPI) merupakan perusahaan yang bergerak pada bidang produksi dan
listrik. PLTU atau Power Plant PT. WTU memiliki total kapasitas pembangkit
45 MW.
PLTU Wijaya unit 1 didirikan tahun 1994 mulai beroperasi sejak
tahun 1995 dengan kapasitas 3 x 5 MW penyaluran tegangan listriknya
melalui transmisi 70 kV ke gardu induk trisakti. Kemudian pada tahun 2013
dibangun lagi PLTU Wijaya unit 2 dengan kapasitas 1 x 30 MW beroperasi
sejak oktober 2014. PLTU PT. Wijaya Tri Utama unit 2 adalah salah satu
pembangkit yang terhubung dalam sistem interkoneksi saluran udara
tegangan menengah (SUTM) 20 kV gardu induk mantuil.
Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam
industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau
pengeluaran kalor, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang
dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu mencapai
keadaan yang dibutuhkan untuk pengerjaan, terjadi umpamanya bila
pengerjaan harus berlangsung pada suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai
dengan jalan pemasukan atau pengeluaran kalor. Kondisi kedua yaitu
mempertahankan keadaan yang dibutuhkan untuk operasi proses, terdapat
pada pengerjaan eksoterm dan endoterm. Disamping perubahan secara
1
kimia, keadaan ini dapat juga merupakan pengerjaan secara alami. Dengan
demikian, Pada pengembunan dan penghabluran (kristalisasi) kalor harus
dikeluarkan. Pada penguapan dan pada umumnya juga pada pelarutan,
kalor harus dimasukkan. Hukum alam menyatakan bahwa kalor adalah suatu
bentuk energi
Pada penulisan ini penulis mengambil judul “Analisis Heat Transfer
dan Efisiensi Efektif pada Economizer di PLTU PT. Wijaya Tri Utama”.
Beberapa pertimbangan yang melatar belakangi hal di atas adalah PLTU
wijaya unit 2 telah beroperasi selama 1 tahun namun telah melakukan
overhaul sebanyak 2 kali, untuk itu perlu dilakukan suatu analisis untuk
mengetahui performa unit PLTU tersebut. Penulis mengkhususkan analisis
pada unit economizer karena pada economizer dilewati flue gas dari furnace
mengakibatkan permukaan tube economizer kotor sehingga menimbulkan
fouling yaitu debu flue gas banyak yang menempel pada permukaan tube
economizer sehingga dapat mempengaruhi performa economizer tersebut.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas maka permasalahan yang diambil dalam
penelitian ini adalah sebagai berikut :
a. Bagaimana nilai koefisien heat transfer pada economizer ?
b. Bagaimana pengaruh fouling factor terhadap overall heat transfer
koefisien?
c. Bagaimana efisiensi terbesar dari economizer pada kondisi sebelum
overhaul, sesudah overhaul ?
1.3 Tujuan Penelitian
2
Sesuai dengan permasalahan di atas maka tujuan dari penelitian ini
adalah membandingkan performa economizer sebelum dan sesudah
overhaul dalam hal :
a. Mengetahui koefisien heat transfer pada economizer.
b. Mengetahui pengaruh fouling factor terhadap overall heat transfer
koefisien.
c. Mengetahui efisiensi terbesar dari economizer pada kondisi sebelum
overhaul, sesudah overhaul dan bulan januari.
1.4 Batasan Masalah
Analisis heat transfer dan efisiensi efektif pada economizer serta
penyelesaian teoritisnya akan mempunyai cakupan yang sangat luas dan
komplek. Oleh karena itu dalam analisis ini diberikan batasan masalah
sebagai berikut :
a. Analisis berdasarkan data operasi PLTU PT. Wijaya Tri Utama unit 2.
b. Dimensi economizer diambil dari PLTU PT. Wijaya Tri Utama unit 2.
c. Tidak membahas siklus PLTU secara keseluruhan.
d. Fauling factor hanya pada bagian dalam tube.
1.5 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah
sebagai berikut :
1. Manfaat bagi peneliti :
a. Sebagai suatu penerapan teori bagi peneliti terhadap ilmu yang
diperoleh pada saat perkuliahan khususnya di bidang konversi
energi.
b. Mampu melakukan analisa lebih mendalam mengenai economizer.
3
2. Bagi Program Studi Teknik Mesin: Hasil penelitian ini dapat dijadikan
refensi tambahan bagi civitas akademik Program Studi Teknik Mesin
Universitas Lambung Mangkurat
3. Manfaat bagi Perusahaan
a. Memberikan masukan kepada PLTU PT. Wijaya Tri Utama unit 2
tentang performa economizer pada saat sebelum dan sesudah
overhaul.
b. Sebagai bahan acuan kepada perusahaan tentang analisis
economizer di perusahaan tersebut.
c. Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya yang dilakukan di
PLTU PT. WTU yang berhubungan dengan bidang konversi energi
mengenai heat transfer unit economizer.
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kajian Pustaka
Esti Ratnasari, Dr. Ridho Hantoro, ST., MT dan Nur Laila Hamidah, ST., M.Sc
(2014), telah melakukan penelitian tentang Desain Economizer untuk
Meningkatkan Efisiensi Boiler 52 B 1/2/3 pada Unit Utilities Complex di PT.
Pertamina RU IV Cilacap. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa nilai
perpindahan panas tertinggi diperoleh dari variasi diameter luar fin 50 mm, jarak
transversal 60 mm dan jarak longitudinal 30 mm bernilai 2,4.106 W. Apabila
economizer ini dipasang akan dapat menghemat penggunaan bahan bakar
sebesar 7,8.1010 kkal/tahun.
Teguh Wendar L.P (2013), telah melakukan penelitian tentang Analisis Heat
Transfer pada Economizer PT. Indocement Tunggal Prakasa, Tbk P-12. Hasil
penelitian tersebut menunjukkan bahwa pada pembebanan tinggi 45 mW dengan
koefisien perpindahan panas menyeluruh 762,21 Btu/h.ft2.oF dan pembebanan
rendah 35 mW dengan koefisien perpindahan panas menyeluruh 557,22
Btu/h.ft2.oF. Pada pembebanan tinggi fauling factor sebesar 0,00199 h.ft2.oF/Btu
dengan koefisien perpindahan panas menyeluruh 762,21 Btu/h.ft2.oF dan
pembebanan rendah 0,00227 h.ft2.oF/Btu dengan koefisien perpindahan panas
menyeluruh 557,22 Btu/h.ft2.oF. Efisiensi pada pembebanan tinggi adalah 44%
dan pembebanan rendah adalah 39%.
Yopi Handoyo (2014), telah melakukan penelitian tentang Analisis Alat Penukar
Kalor pada Ketel Uap. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa dengan
kenaikan temperatur air umpan pada alat penukar kalor sebesar 133oC sampai
dengan 139oC dan jumlah bahan bakar yang digunakan sebesar 50% sampai
dengan 100% maka dapat menghemat bahan bakar sebesar 6,23 %. Tetapi
5
berbeda jika pada mesin tersebut tidak menggunakan alat penukar kalor, maka
boiler tersebut akan menghasilkan uap panas yang tidak pakai / terbuang sia-sia.
Oleh karena itu, uap panas tersebut dimanfaatkan untuk pemanasan air pada
alat penukar kalor sebesar 103oC sementara uap panas yang terdapat di boiler
sebesar 249oC.
6
2.2 Prinsip Kerja PLTU
Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah pembangkit yang mengandalkan
energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Bentuk utama dari
pembangkit listrik jenis ini adalah generator yang dihubungkan ke turbin yang
digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap kering. Pembangkit listrik tenaga uap
menggunakan berbagai macam bahan bakar terutama batu bara dan minyak
bakar untuk start up awal. Salah satu PLTU adalah PLTU PT Wijaya Tri Utama.
Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu :
1. Pertama, energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas
dalam bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi.
2. Kedua, energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam
bentuk putaran.
3. Ketiga, energi mekanik diubah menjadi energi listrik.
Gambar 2.1 Proses Konversi Energi
(Sumber : Session 2, Steam Power Plant : 06)
PLTU menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup. Siklus
tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang. Urutan
sirkulasinya secara singkat adalah sebagai berikut :
7
Pertama, air diisikan ke boiler hingga mengisi penuh seluruh luas
permukaan pemindah panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan
gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga
berubah menjadi uap.
Kedua, uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur
tertentu diarahkan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya
mekanik berupa putaran.
Ketiga, generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar
menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan magnet
dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik
dari terminal output generator.
Keempat, uap bekas keluar turbin masuk ke kondensor untuk
didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air
yang disebut air kondensat. Air kondensat hasil kondensasi uap
kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler. Demikian siklus ini
berlangsung terus menerus dan berulang-ulang.
2.3 Siklus Rankine
Siklus kerja yang digunakan pada PLTU adalah siklus rankine, ciri utama siklus
rankine adalah fluida kerja yang digunakan yaitu air. Siklus rankine merupakan
siklus ideal untuk pembangkit daya uap.
Pada siklus rankine ideal sederhana terdiri dari 4 proses yang dapat dilihat pada
gambar diagram T–s berikut ini :
8
Gambar 2.2 Siklus Rankine
(Sumber : Sunyoto, dkk, 2008 : 384)
Adapun urutan siklus dari gambar 2.2 adalah :
1 – 2 Fluida kerja/air dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi dan pada
proses ini fluida kerja masih berfase cair sehingga tidak memerlukan input
tenaga yang terlalu besar. Proses ini dinamakan proses kompresi isentropik
karena pada saat dipompa, secara ideal tidak ada perubahan entropi yang
terjadi.
2 – 3 Air bertekanan tinggi tersebut masuk ke boiler untuk mengalami proses
selanjutnya, yaitu dipanaskan secara isobarik (tekanan konstan). Sumber panas
didapat dari proses pembakaran. Di boiler air mengalami perubahan fase cair
dan uap serta 100% uap kering.
9
3 – 4 Proses ini terjadi pada turbin uap. Uap kering dari boiler masuk ke turbin
dan mengalami proses secara isentropik. Energi yang tersimpan di dalam uap air
di konversi menjadi energi gerak pada turbin.
4 – 1 Uap air yang keluar dari turbin uap masuk ke kondensor dan mengalami
kondensasi secara isobarik. Uap air diubah fasenya menjadi cair kembali
sehingga dapat digunakan kembali pada proses siklus.
2.4 Siklus Rankine Reheat Ideal
Pada siklus Rankine reheat ideal terjadi 2 kali proses ekspansi. Pada ekspansi
pertama (high pressure turbine), uap diekspansikan secara isentropik ke tekanan
medium dan dikirimkan kembali ke boiler untuk dipanaskan kembali dengan
tekanan konstan. Lalu pada proses ekspansi ke kedua (low pressure turbine) uap
diekspansikan secara isentropik ke tekanan kondensor.
Pada siklus rankine reheat ideal dapat dilihat pada gambar diagram T–s dibawah
ini :
10
Gambar 2.3 Siklus Rankine Reheat Ideal
(Sumber : Yunus A. Cengel and Michael A. Boles, 1994)
Adapun urutan siklus dari gambar 2.3 adalah :
1 – 1’ Penaikan tekanan pada air menggunakan condensate extraction pump.
1’ – 2 Pemanasan air pada low pressure heater.
2 – 2’ Penaikan tekanan air menggunakan boiler feed pump.
2’ – 3 Pemanasan air pada high pressure heater dan pada economizer.
3 – 4 Pemanasan air menjadi uap air pada wall tube dan downcomer di dalam
boiler.
4 – 5 Pemanasan uap air menjadi uap panas lanjut (superheated steam) pada
superheater.
5 – 6 Ekspansi uap di dalam high pressure turbine.
6 – 7 Pemanasan kembali uap yang keluar dari high pressure turbine yang
terjadi dalam reheater.
7 – 7’ Ekspansi uap yang keluar dari reheater di dalam intermediate pressure
turbine.
7’ – 8 Ekspansi uap di dalam low pressure turbine tanpa mengalami pemanasan
ulang.
8 – 1 Pendinginan uap menjadi air di dalam kondensor.
2.5 Boiler
11
Boiler adalah bejana tertutup yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap.
Proses perubahan air menjadi uap terjadi dengan memanaskan air yang berada
didalam pipa-pipa dengan memanfaatkan panas dari hasil pembakaran bahan
bakar. Pembakaran dilakukan secara kontinyu didalam ruang bakar dengan
mengalirkan bahan bakar dan udara dari luar.
Uap yang dihasilkan boiler adalah uap superheat dengan tekanan dan
temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap tergantung pada luas permukaan
pemindah panas, laju aliran dan panas pembakaran yang diberikan. Boiler yang
konstruksinya terdiri dari pipa-pipa berisi air disebut dengan water tube boiler.
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. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam
dalam boiler. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk
menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan.
12
Gambar 2.4 Boiler Combustion System PLTU
(Sumber : Session 2, Steam Power Plant : 08)
2.6 Siklus Air dan Uap
Siklus air merupakan suatu rantai rangkaian siklus fluida kerja. Boiler mendapat
pasokan fluida kerja air dan menghasilkan uap untuk dialirkan ke turbin. Air
diambil dari sungai melalui water intake didalam water intake air dilewatkan steel
gate (normaly open) kemudian bar screen / trash machine dan terakhir travelling
screen sebagai filter terhadap ikan maupun sampah dengan diameter tertentu.
Kemudian dipompakan ke cooling water pipe melalui circulating water pump dari
cooling water pipe air sungai yang mengalir terbagi menjadi 2 sebagai supply air
di demineralized water dan condensor. Dari demineralized water air dipompakan
13
melewati economizer ke boiler melalui boiler feed pump (BFP) dan langsung
dialirkan ke steam drum melalui down corner dan masuk ke waterwall.
Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar diserap oleh pipa-pipa
penguap / waterwall menjadi uap jenuh kemudian masuk ke steam drum, di
dalam steam drum air dan uap dipisahkan. Air kembali masuk ke down corner
sementara uap langsung dialirkan ke panel superheater kemudian ke low
temperature superheater kemudian ke middle temperature superheater, high
temperature superheater. Keluaran dari superheater ini akan langsung masuk ke
turbin. Sementara itu, uap bekas dikembalikan menjadi air di condensor. Di
dalam kondensor, uap mengalami heat exchanger dengan air sungai yang
dipasok oleh circulating water pump. Inilah yang membuat uap menjadi air dan
kenaikan temperatur air sungai keluaran discharge canal.
Air kondensasi akan digunakan kembali di boiler. Air dipompakan dari condensor
dengan menggunakan condensate extraction pump, dipanaskan lagi oleh low
pressure heater (LPH) dinaikkan ke deaerator. Didalam daerator tank,
gelembung-gelembung oksigen yang membahayakan pipa-pipa boiler seperti
korosi diserap. Keluar dari daerator, air kemudian dipompa oleh boiler feed pump
melalui high pressure heater (HPH). Dari sinilah air yang sudah dinaikkan
tekanannya masuk ke economizer untuk diberi pemanasan air terakhir sebelum
masuk ke drum. Didalam economizer air menyerap panas gas buang yang keluar
dari superheater sebelum dibuang ke atmosfir melalui cerobong. Perpindahan
panas dari api (flue gas) ke air di dalam pipa-pipa boiler terjadi secara radiasi,
konveksi dan konduksi.
2.7 Economizer
Economizer adalah alat penukar kalor berbentuk tubular yang memanfaatkan
gas asap panas hasil dari pembakaran pada boiler untuk memanaskan air
umpan boiler sebelum masuk ke steam drum. Istilah economizer diambil dari
14
kegunaan alat tersebut, yaitu untuk menghemat (to economize) penggunaan
bahan bakar dengan mengambil panas (recovery) gas buang sebelum dibuang
ke atmosfir.
Biro Efisiensi Energi (2004) menyatakan bahwa sebuah economizer dapat
dipakai untuk memanfaatkan panas gas buang untuk pemanasan awal air umpan
boiler. Setiap penurunan 220 oC suhu gas buang melalui economizer atau
pemanas awal terdapat 1% penghematan bahan bakar dalam boiler. Setiap
kenaikan 600 oC suhu air umpan melalui economizer atau kenaikan 200 oC suhu
udara pembakaran melalui pemanas awal udara, terdapat 1% penghematan
bahan bakar dalam boiler.
Peralatan tambahan yang sangat penting pada pembangkit listrik tenaga uap
adalah economizer. Economizer dirancang mempunyai banyak sirip seperti pada
gambar 2.6 dari material logam untuk memperluas permukaan singgung
perpindahan panas dari gas buang yang bertemperatur tinggi ke fluida air
bertemperatur lebih rendah karena hal tersebut fluida air pada economizer akan
mudah menyerap panas dari flue gas dari proses pembakaran. Temperatur air
yang ke luar dari economizer lebih tinggi dari temperatur lingkungan sehingga
setelah masuk boiler tidak dibutuhkan energi panas yang besar. Energi kalor
yang dibutuhkan hanya untuk menaikkan temperatur dari economizer menjadi
temperatur didih boiler. Jadi dengan pemasangan economizer akan menaikkan
efisiensi sistem. Karena economizer disinggungkan dengan gas buang yang
banyak mengandung zat- zat polusi yang dapat menimbulkan korosi, maka
pemilihan material dari economizer bergantung dari jenis bahan bakar yang
digunakan pada stoker atau burner. (Sunyoto, dkk, 2008 : 395-396)
15
Gambar 2.5 Model Sirip-sirip Economizer
(Sumber : Sunyoto, dkk (2008) : 395)
Gambar 2.6 Konstruksi Economizer
(Sumber : Sunyoto, dkk, 2008 : 396)
Berikut ini adalah keuntungan-keuntungan menggunakan economizer :
16
1. Meningkatkan kapasitas menghasilkan uap karena memperpendek
waktu yang diperlukan untuk merubah air menjadi uap.
2. Mencegah pembentukan kerak di dalam pipa air ketel, sebab kerak
sekarang mengendap di pipa economizer yang bisa dengan mudah
dibersihkan.
3. Karena air umpan memasuki boiler panas, sehingga regangan karena
ekspansi yang tidak sama bisa diminimasi.
2.8 Mekanisme Pemanas Air Pengisian Ketel (Economizer)
Economizer merupakan suatu alat perlengkapan ketel yang digunakan untuk
memanaskan air pengisian sebelum dimasukkan kedalam steam drum. Tujuan
dari penggunaan efisiensi dari ketel disamping untuk mencegah agar suhu air
dalam boiler tidak mendadak naiknya atau dengan kata lain economizer adalah
suatu alat peningkatan efisiensi boiler dengan jalan mengabsorbsi kembali panas
flue gas. Semakin rendah suhu gas asap keluar corong asap, makin kecil pula
kerugian corong asap dan semakin berkurang pula kebutuhan bahan bakar untuk
membentuk uap pada kondisi tertentu. Jadi dapat dikatakan bahwa economizer
itu menghemat pemakaian bahan bakar.
Selain dapat menghemat bahan bakar alat ini juga mempunyai keuntungan lain,
yaitu air pengisian (feed water) dimasukkan kedalam ketel dengan suhu yang
lebih tinggi, sehingga air ketel tidak banyak mengalami pendinginan ketika
memasukkan air pengisian yang baru, dengan demikian pembuatan uap tidak
banyak terganggu. Adapun cara yang dilakukan untuk memanaskan air yang
berada didalam economizer dilakukan dengan jalan mengontakkan air yang
masuk kedalam tube-tube economizer dengan gas hasil pembakaran yang
berada diluar tube. Kontak antara gas asap dengan air umpan alirannya teratur
secara berlawanan arah. Sedangkan gas asap yang masuk kedalam economizer
17
diatur dan dikontrol oleh pengaturan aliran gas. Selanjutnya air umpan yang telah
dipanaskan dikirim ke steam drum melalui pipa-pipa penghubungnya. Didalam
drum uap air umpan tersebut terus mengalami pemanasan sehingga air umpan
tersebut sebagian berubah fasa menjadi uap basah untuk selanjutnya dikirim ke
superheater untuk dipanaskan lebih lanjut hingga berubah menjadi uap kering.
Keuntungan-keuntungan dari pemanas awal yang dilakukan terhadap air umpan
pada saat masuk ke steam drum, antara lain :
a. Dinding ketel tidak mengalami pengerutan sehingga drum ketel dapat
lebih awet, dengan demikian biaya perawatannya menjadi lebih kecil. Lain
halnya jika air yang masuk dalam keadaan dingin, dinding drum akan
mengerut dan mudah pecah atau bocor.
b. Dengan memanfaatkan gas asap yang masih mempunyai temperatur
yang cukup tinggi untuk memanasi air sebelum masuk ke drum ketel,
berarti akan memperbesar efisiensi boiler karena dapat memperkecil
kerugian panas pada ketel.
c. Keuntungan berikutnya adalah dengan air yang dalam keadaan panas
masuk kedalam drum ketel untuk menguapkannya hanya dibutuhkan
sedikit panas, sehingga dengan demikian untuk menguapkan air didalam
tungku hanya dibutuhkan sedikit bahan bakar.
d. Bila air telah dalam keadaan panas memasuki drum ketel maka untuk
menguapkannya hanya dibutuhkan panas sedikit sehingga luas bidang
yang dipanaskan dari penguap menjadi lebih sedikit, akibat sedikitnya
ukuran-ukuran tungku menjadi lebih kecil dan harga tungku menjadi lebih
murah atau secara keseluruhan harga investasi tungku menjadi lebih
kecil.
18
2.9 Fouling Factor
Dalam ilmu perpindahan panas fouling adalah pembentukan lapisan deposit
pada permukaan perpindahan panas dari bahan atau senyawa yang tidak
diinginkan. Bahan atau senyawa itu berupa kristal, sedimen, senyawa biologi,
produk reaksi kimia ataupun korosi. Pembentukan lapisan deposit ini akan terus
berkembang selama alat penukar kalor dioperasikan. Akumulasi deposit pada
permukaan alat penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop dan
menurunkan efisiensi perpindahan panas. Untuk menghindari penurunan
performa alat penukar kalor yang terus berlanjut dan terjadinya unpredictable
cleaning, maka diperlukan suatu informasi yang jelas tentang tingkat pengotoran
untuk menentukan jadwal pembersihan (cleaning schedule).
Lapisan fouling dapat berasal dari partikel-partikel atau senyawa lainnya yang
terangkut oleh aliran fluida. Pertumbuhan lapisan tersebut dapat meningkat
apabila permukaan deposit yang mempunyai sifat adhesif yang cukup kuat.
Gradien temperatur yang cukup besar antara aliran dengan permukaan dapat
juga meningkatkan kecepatan pertumbuhan deposit. Pada umumnya proses
pembentukan lapisan fouling merupakan fenomena yang sangat kompleks
sehingga sukar sekali dianalisa secara analitik. Mekanisme pembentukannya
sangat beragam dan metode-metode pendekatannya juga berbeda-beda.
19
Gambar 2.9 Pengotoran Tube bagian luar Economizer PLTU Wijaya unit 2
(Sumber : Dokumentasi PLTU PT. Wijaya Tri Utama unit 2)
Berdasarkan proses terbentuknya endapan atau kotoran, faktor pengotoran
dibagi 5 jenis, yaitu :
1. Pengotoran akibat pengendapan zat padat dalam larutan (precipitation
fouling). Pengotoran ini biasanya terjadi pada fluida yang mengandung
garam-garam yang terendapkan pada suhu tinggi, seperti garam kalsium
sulfat, dll.
2. Pengotoran akibat pengendapan partikel padat dalam fluida (particulate
fouling). Pengotoran ini terjadi akibat pengumpulan partikel-partikel padat
yang terbawa oleh fluida di atas permukaan perpindahan panas, seperti
debu, pasir, dll.
3. Pengotoran akibat reaksi kimia (chemical reaction fouling). Pengotoran
terjadi akibat reaksi kimia di dalam fluida, di atas permukaan perpindahan
panas, dimana material bahan permukaan perpindahan panas tidak ikut
bereaksi, seperti adanya reaksi polimerisasi, dll.
4. Pengotoran akibat korosi (corrosion fouling). Pengotoran terjadi akibat
reaksi kimia antara fluida kerja dengan material bahan permukaan
perpindahan panas.
5. Pengotoran akibat aktivitas biologi (biological fouling). Pengotoran ini
berhubungan dengan aktivitas organisme biologi yang terdapat atau
terbawa dalam aliran fluida seperti lumut, jamur, dll.
2.10 Heat Transfer
Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya
energi dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan suhu pada
daerah tersebut.
20
Perpindahan panas dari sumber panas ke penerima dibedakan atas tiga cara,
yaitu :
1. Konduksi (Conduction ; hantaran).
2. Konveksi (Convection ; ilian).
3. Radiasi (Radiation ; pancaran).
1). Perpindahan Panas secara Konduksi
Perpindahan panas secara konduksi adalah proses perpindahan panas dimana
panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah
dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang
berlainan yang bersinggungan secara langsung dimana molekul-molekul dari zat
perantara tidak ikut berpindah tempat tetapi molekul-molekul tersebut hanya
menghantarkan panas.
Gambar 2.10 Perpindahan Panas Konduksi pada Dinding Datar
(Sumber : J.P. Holman, 1997 : 33)
Laju perpindahan panas yang terjadi pada perpindahan panas konduksi adalah
berbanding dengan gradien suhu normal sesuai dengan persamaan berikut.
Persamaan Dasar Konduksi : (J.P. Holman, 1997 : 2)
qk = – k A dTdx ..........................................................................................(2.1)
Keterangan :
qk = Laju perpindahan panas konduksi, Watt atau kJ /s (Btu/h)
21
k = Konduktivitas termal bahan, W /m .℃ (Btu/h . ft .℉)
A = Luas Penampang, m2 (ft2)
dT = Perbedaan Temperatur, ℃ (℉)
ΔT= Perubahan Suhu, ℃ (℉)
dx = Perbedaan Jarak, m
dT /d x = gradien temperatur ke arah perpindahan kalor. Konstanta positif k
disebut konduktivitas atau kehantaran termal (thermal conductivity) benda itu,
sedangkan tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika,
yaitu bahwa kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu. (J.P.
Holman, 1997 : 2)
Hubungan dasar aliran panas melalui konduksi adalah perbandingan antara laju
aliran panas yang melintas permukaan isotermal dan gradien yang terdapat pada
permukaan tersebut berlaku pada setiap titik dalam suatu benda pada setiap
waktu yang dikenal dengan hukum Fourier. Dalam penerapan hukum fourier
(persamaan 2.1) pada suatu dinding datar, jika persamaan tersebut
diintegrasikan maka akan didapatkan : (J.P. Holman, 1997 : 26)
qk = – k AΔ x (T2 – T1) ................................................................................ (2.2)
Keterangan :
Δx = Tebal dinding, m
T1, T2 = Suhu muka dinding, ℃ (℉)
Tetapan kesebandingan k adalah sifat fisik bahan atau material yang disebut
konduktivitas termal. Persamaan 2.1 merupakan persamaan dasar tentang
konduktivitas termal. Berdasarkan rumusan itu maka dapatlah dilaksanakan
pengukuran dalam percobaan untuk menentukan konduktivitas termal berbagai
bahan. Pada umumnya konduktivitas termal itu sangat tergantung pada suhu.
Konduktivitas termal pada berbagai bahan dapat dilihat pada tabel 2.1 berikut.
22
Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Berbagai Bahan pada 0 oC
(Sumber : J.P. Holman, 1997 : 7)
23
2). Perpindahan Panas secara Konveksi
Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari
satu tempat ke tempat lain dengan gerakan partikel secara fisis. Perpindahan
panas secara konveksi ini juga diakibatkan oleh molekul-molekul zat perantara
ikut bergerak mengalir dalam perambatan panas atau proses perpindahan panas
dari satu titik ke titik lain dalam fluida antara campuran fluida dengan bagian lain.
Ada dua macam perpindahan panas secara konveksi, yaitu :
a. Konveksi Bebas (Natural Convection)
Merupakan proses perpindahan panas yang berlangsung secara alamiah,
dimana perpindahan panas dalam molekul-molekul dalam zat yang dipanaskan
terjadi akibat dari perbedaan densitas (kerapatan) yang disebabkan gradien
suhu.
b. Konveksi Paksa (Forced Convection)
Merupakan proses perpindahan panas yang terjadi bila gerakan fluida tersebut
disebabkan karena adanya penggunaan alat dari luar, misalnya pompa atau
kipas. Maka perpindahan panas terjadi secara konveksi dipaksa karena laju
panas yang dipindahkan naik dengan adanya bantuan dari luar.
Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konveksi
(Sumber : J.P. Holman, 1997 : 252)
24
Proses pemanasan atau pendinginan fluida yang mengalir di dalam saluran
tertutup seperti pada gambar merupakan contoh proses perpindahan panas. Laju
perpindahan panas pada beda suhu tertentu dapat dihitung dengan persamaan.
(Schaum’s, 2011 : 1)
qc = hc A (Ts – T∞)............................................................................................(2.3)
qc
A= hc (Ts – T∞)...............................................................................................(2.4)
Keterangan :
qc = Laju perpindahan panas konveksi, Watt atau kJ /s (Btu/h)
qc
A = Laju perpindahan panas per satuan luas (heat flux), W /m2(Btu/h . ft2)
hc = Koefisien perpindahan panas konveksi, W /m2 .℃ (Btu /h . ft2 .℉ )
A = Luas bidang permukaan, m2 (ft2)
Ts = Temperatur permukaan dari benda padat, ℃ (℉)
T∞= Temperatur fluida, ℃ (℉)
Perpindahan panas pada sistem radial silinder dapat dilihat
pada gambar 2.11 dibawah ini.
Gambar 2.12 Perpindahan Panas pada Sistem Radial Silinder
(Sumber : J.P. Holman, 1997 : 30)
25
3). Perpindahan Panas secara Radiasi
Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi
karena perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik secara
pancaran / sinaran dengan panjang gelombang pada interval tertentu. Jadi
perpindahan panas radiasi tidak memerlukan media, sehingga perpindahan
panas dapat berlangsung dalam ruangan hampa udara.
Benda yang dapat memancarkan panas dengan sempurna disebut radiator yang
sempurna dan dikenal sebagai benda hitam. Sedangkan benda yang tidak dapat
memancarkan panas dengan sempurna disebut dengan benda abu-abu.
Persamaan dasar dari konsep perpindahan panas radiasi adalah hukum Stefan-
Boltzman, dinyatakan dengan :
qr = ε σ A T4......................................................................................................(2.5)
Keterangan :
qr = Laju perpindahan panas radiasi, Watt (Btu/h)
ε = Emisivitas benda
σ = Konstanta Stefan-boltzman, 5,669 x 10–8 W/m2.K4 (0,1713 x 10–8
(Btu/h . ft2 .° R4)
A = Luas permukaan, m2(ft 2)
T = Suhu absolut benda, ° K (° R)
eratur outlet pada sisi dingin, ℉
26
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Tempat penelitian dilakukan di PLTU PT. Wijaya Tri Utama Unit 2.
Data yang diperoleh merupakan data economizer hasil penjurnalan operator
PLTU Wijaya unit 2.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini untuk memperoleh data di
PLTU Wijaya unit 2 adalah sebagai berikut :
a. Economizer PLTU PT. Wijaya Tri Utama unit 2.
b. Computer Control Room PLTU PT. Wijaya Tri Utama unit 2 sebagai
parameter yang diamati.
Sedangkan bahan yang digunakan adalah :
a. Feed water yang dialirkan melalui boiler feed water pump (BFP).
b. Flue gas yang berasal dari furnace.
3.3 Metode Penelitian
Adapun metodologi penelitian yang digunakan adalah sebagai berikut :
1. Studi Literatur
Pada tahap ini, teori-teori serta konsep-konsep penelitian yang
telah dikembangkan sebelumnya dan ada hubungannya dengan masalah
yang dihadapi dikemukakan sebagi dasar menuju tahapan selanjutnya,
studi pustaka dilakukan dengan mempelajari teori-teori yang akan
digunakan untuk mencapai tujuan penelitian yang hendak dicapai. Studi
pustaka yang dilakukan mengenai economizer ini diperoleh dari sumber
beberapa buku, yang ada di PLTU maupun e-book dan jurnal internet.
2. Pengumpulan Data
27
Pengumpulan data merupakan prosedur yang sistematis dan
standar untuk memperoleh data yang diperlukan. Metode pengumpulan
data yang digunakan penulis dalam penelitian skripsi ini melalui beberapa
metode, yaitu :
a. Metode Observasi
Melakukan pengamatan dan pencatatan dengan meninjau secara
langsung ke lapangan serta melihat objek yang diteliti secara
langsung, sehingga akan diperoleh data yang sistematis dan sesuai
dengan tujuan yang diharapkan.
b. Metode Interview
Suatu metode pengumpulan data melalui wawancara atau tanya jawab
secara langsung dengan pihak pekerja instansi/perusahaan untuk
memperoleh data-data yang diperlukan.
c. Riset Pustaka
Pengumpulan data-data yang diperoleh dari buku-buku referensi
diberbagai tempat dan sumber-sumber yang ada kaitannya dengan
objek yang diteliti yang nantinya berguna untuk mengembangkan hasil
observasi dan interview.
Data yang diperlukan dalam penelitian ini terbagi dua, yaitu
sebagai berikut :
a. Data primer merupakan data yang diperoleh dari PLTU Wijaya Unit 2.
Seperti ; spesifikasi economizer, temperatur masuk dan keluar feed
water pada economizer, temperatur masuk dan keluar flue gas pada
economizer, data spesifikasi dan konstruksi economizer.
b. Data sekunder merupakan data yang bersumber dari pustaka-pustaka
yang mendukung penelitian.
28
Seperti ; tabel sifat, LMTD correction factor for pass tube, the caloric
temperature factor (FC), heat exchanger and condensor tube data, tube
side water heat transfer curve, tabel pengotoran dari berbagai macam
fluida, dan lain-lain.
3. Pengolahan dan Analisis Data
Data yang sudah dikumpulkan kemudian diolah dan dianalisa
dengan mengacu pada dasar teori dan tujuan penelitian.
4. Pengambilan Kesimpulan
Dari hasil analisa data yang didapat selanjutnya dapat di ambil
kesimpulan mengenai heat transfer dan efisiensi efektif yang terjadi pada
Economizer di PLTU PT. Wijaya Tri Utama pasca overhaul dilakukan.
b.
29
3.4 Diagram Alir Penelitian
30
MULAI
STUDI LITERATUR
OBSERVASI
PENGUMPULAN DATA(t1, t2, T1, T2)
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
3.5 Jadwal Pelaksanaan
Pelaksanaan penelitian ini memiliki jadwal yang dilakukan agar mendapat
data-data yang diperlukan dalam menyelesaikan penelitian, jadwal; tersebut
dapat diliat pada tabel 3.1 sebagai berikut
Tabel 3.1 Jadwal Pelaksanaan Penelitian
No Kegiatan September Oktober
16-18 20-24 25-30 1-6 7-12 13-19 20-28
1 Tahap Persiapan Penelitian
a. Penyusunan Judul
31
PENGOLAHAN DATA
Reynolds Number Nusselt Number Heat Transfer Koefisien Neraca Panas Log Mean Temperature
Difference (LMTD) The Caloric Temperature Overall Heat Transfer Koefisien Fouling factor Efisiensi Efektif
ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
KESIMPULAN
SELESAI
b. Penyusunan kerangka
2 Tahap Pelaksanaan
a. Pengumpulan data
b. pengolahan data
3 penyusunan Proposal
DAFTAR PUSTAKA
_____. 2009. Boiler Erection Manual. Jinan Boiler Group Co., Ltd
_____. 2013. Drawing List for Clients. Jinan Boiler Group Co., Ltd
_____. 2013. Product General List Special for Shandong Huatai
Electromechanical Equipment Co., Ltd. Jinan Boiler Group Co., Ltd
_____. 2013. Resistance Data Sheet of Gas and Air. Jinan Boiler Group Co., Ltd
_____. 2013. Summary of Heating Calculation. Jinan Boiler Group Co., Ltd
32
Biro Efisiensi Energi. 2004. Pemanfaatan Kembali Limbah Panas. Retrieved from
http://www.energyefficiecyasia.org, on 30th November 2015.
Buchori, Luqman. 2004. Buku Ajar Perpindahan Panas Bagian I. Semarang :
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Diponegoro
Budiman, Ahmad., Akhmad Syarief., Hajar Isworo. 2014. Analisis Perpindahan
Panas dan Efisiensi Efektik High Pressure Heater (HPH) di PLTU Asam-
Asam (Jurnal). Banjarbaru : PSTM UNLAM
Donald Pitts dan Leighton Sissom. 2011. Scaum’s Outlines Perpindahan Kalor
Edisi Kedua. Jakarta : Erlangga
Handoyo, Yopi. 2014. Analisis Alat Penukar Kalor pada Ketel Uap. Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas 45 Bekasi
Holman, J.P., Jasjfi. E. 1997. Perpindahan Kalor Edisi Keenam. Jakarta :
Erlangga
L.P, Teguh Wendar. 2013. Analisis Heat Transfer pada Ekonomiser PT.
Indocement Tunggal Prakasa, Tbk P-12 (Skripsi). Banjarbaru : PSTM
UNLAM
Ratnasari, Esti., Dr. Ridho Hantoro, ST., MT dan Nur Laila Hamidah, ST., M.Sc.
2014. Desain Economizer untuk Meningkatkan Efisiensi Boiler 52 B 1/2/3
pada Unit Utilities Complex di PT. Pertamina RU IV Cilacap (Jurnal).
Sunyoto, Karnowo, S. M. Bondan Respati. 2008. Teknik Mesin Industri Jilid 3.
Jakarta : Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan
33