Prinsip Kerja Boiler Boiler atau ketel uap adalah suatu perangkat mesin 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.
Gambar water tube boiler
Pada unit pembangkit, boiler juga biasa disebut dengan steam generator (pembangkit uap) mengingat arti kata boiler hanya pendidih, sementara pada kenyataannya dari boiler dihasilkan uap superheat bertekanan tinggi. Ditinjau dari bahan bakar yang digunakan, maka PLTU dapat dibedakan menjadi :
PLTU Batubara
PLTU Minyak
PLTU gas
PLTU nuklir atau PLTN
Jenis PLTU batu bara masih dapat dibedakan berdasarkan proses pembakarannya, yaitu PLTU dengan pembakaran batu bara bubuk (Pulverized Coal / PC Boiler) dan PLTU dengan pembakaran batu bara curah (Circulating Fluidized Bed).
Perbedaan antara PLTU Batu bara dengan PLTU minyak atau gas adalah pada peralatan dan sistem penanganan dan pembakaran bahan bakar serta penanganan limbah abunya. PLTU batubara mempunyai peralatan bantu yang lebih banyak dan lebih kompleks dibanding PLTU minyak atau gas. PLTU gas merupakan PLTU yang paling sederhana peralatan bantunya.
Gambar Tata letak Pulverized Coal (PC) Boiler Batubara
Gambar Tata letak Circulating Fluidized Boiler (CFB)
Ditinjau dari tekanan ruang bakar boilernya, PLTU dapat dibedakan menjadi:
PLTU dengan PressurisedBoiler
PLTU dengan Balanced Draft Boiler
PLTU dengan Vacuum Boiler Sistem pengaturan tekanan ruang bakar (furnace pressure) biasa disebut draft
atau tekanan statik didalam ruang bakar dimana proses pembakaran bahan bakar berlangsung. PLTU dengan pressurised boiler (tekanan ruang bakar positif) digunakan untuk pembakaran bahan bakar minyak atau gas. Tekanan ruang bakar yang positif diakibatkan oleh hembusan udara dari kipas tekan paksa (Forced Draft Fan, FDF). Gas buang keluar dari ruang bakar ke atmosfer karena perbedaan tekanan.
Gambar Jenis-jenis Tekanan (Draft) Boiler
Gambar Skema Balanced Draft Boiler
PLTU dengan Balanced Draft Boiler (tekanan berimbang) biasa digunakan untuk pembakaran bahan bakar batubara. Tekanan ruang bakar dibuat sedikit dibawah tekanan atmosfir, biasanya sekitar –10 mmH2O. Tekanan ini dihasilkan dari pengaturan dua buah kipas, yaitu kipas hisap paksa (Induced Draft Fan, IDF) dan kipas tekan paksa (Forced Draft Fan, FDF). FDF berfungsi untuk menyuplai udara pembakaran menuju ruang bakar (furnace) di boiler, sedangkan IDF berfungsi untuk menghisap gas dari ruang bakar dan membuang ke atmosfir melalui cerobong. Sedangkan PLTU dengan vacum boiler tidak dikembangkan lagi, sehingga saat ini tidak ada lagi yang menerapkan PLTU dengan boiler bertekanan negatif.
Siklus Air di Boiler Siklus air merupakan suatu mata rantai rangkaian siklus fluida kerja. Boiler mendapat pasokan fluida kerja air dan menghasilkan uap untuk dialirkan ke turbin. Air sebagai fluida kerja diisikan ke boiler menggunakan pompa air pengisi dengan melalui economiser dan ditampung didalam steamdrum. Economiser adalah alat yang merupakan pemanas air terakhir sebelum masuk ke drum. Di dalam economiser air menyerap panas gas buang yang keluar dari superheater sebelum dibuang ke atmosfir melalui cerobong.
Gambar Economiser tipe pipa bersirip (finned tubes)
Peralatan yang dilalui dalam siklus air adalah drum boiler, down comer, header bawah (bottom header), dan riser. Siklus air di steam drum adalah, air dari drum turun melalui pipa-pipa down comer ke header bawah (bottom header). Dari header bawah air didistribusikan ke pipa-pipa pemanas (riser) yang tersusun membentuk dinding ruang bakar boiler. Didalam riser air mengalami pemanasan dan naik ke drum kembali akibat perbedaan temperatur. Perpindahan panas dari api (flue gas) ke air di dalam pipa-pipa boiler terjadi secara radiasi, konveksi dan konduksi. Akibat pemanasan selain temperatur naik hingga mendidih juga terjadi sirkulasi air secara alami, yakni dari drum turun melalui down comer ke header bawah dan naik kembali ke drum melalui pipa-pipa riser. Adanya sirkulasi ini sangat diperlukan agar terjadi pendinginan terhadap pipa-pipa pemanas dan mempercepat proses perpindahan panas. Kecepatan sirkulasi akan berpengaruh terhadap produksi uap dan kenaikan tekanan serta temperaturnya. Selain sirkulasi alami, juga dikenal sirkulasi paksa (forced circulation). Untuk sirkulasi jenis ini digunakan sebuah pompa sirkulasi (circulation pump). Umumnya pompa sirkulasi mempunyai laju sirkulasi sekitar 1,7, artinya jumlah air yang
disirkulasikan 1,7 kali kapasitas penguapan. Beberapa keuntungan dari sistem sirkulasi paksa antara lain :
Waktu start (pemanasan) lebih cepat
Mempunyai respon yang lebih baik dalam mempertahankan aliran air ke pipapipa pemanas pada saat start maupun beban penuh.
Mencegah kemungkinan terjadinya stagnasi pada sisi penguapan
Gambar Siklus air
Dapur pembakar (furnance) Furnance adalah suatu ruangan dapur sebagai penerima bahan bakar untuk pembakaran, yang dilengkapi dengan fire grate pada bagian bawah diletakan rangka bakar sebagai alas bahan bakar, dan pada sekelilingnya adalah pipa-pipa air ketel yang menempel pada dinding tembok dapur yang mendapat atau menerima panas dari bahan bakar. Adapun pemindahan panas yang terjadi pada ketel uap ada 3 proses, yaitu: 1. Pemindahan panas dengan pancaran atau radiasi dari nyala api dan gas panas kepada dinding ketel dan pipa-pipa air.
2. Panas ini mengalir memalui hantaran atau konduksi dari sisi dinding yang menerima panas ke sisi dinding yang memberi panas. 3. Selanjutnya panas ini dengan cara singgungan atau konveksi diserahkan kepada air yang mengalir.
Ruang bakar terbagi 2 (dua) bagian, yaitu : 1. Ruang pertama berfungsi sebagai ruang pembakaran, sebagai pemanas yg dihasilkan dan diterima langsung oleh pipa-pipa air yg berada di dlm ruangan dapur tersebut (pipa-pipa air) dari drum ke header samping kanan/kiri. 2. Ruang kedua merupakan ruang gas panas yg diterima dari hasil pembakaran dalam ruang pertama. Di dalam ruang kedua ini sebagian besar panas dari gas diterima oleh pipa-pipa air drum atas ke drum bawah. Dalam ruang pembakaran pertama udara pembakaran ditiupkan oleh Blower Forced Draft Fan (FDF) melalui lubang-lubang kecil disekeliling dinding ruang pembakaran dan melalui kisi-kisi bagian bawah dapur (Fire grates). Jumlah udara yang diperlukan diatur melalui klep (Air Draft Controller) yang dikendalikan dari panel saklar ketel. Sedangkan dalam ruang kedua, gas panas dihisap Blower (Induced Draft Fan) sehingga terjadi aliran panas dari ruangan pertama ke ruang kedua dapur. Pembakaran Di dalam ruang kedua dipasang sekat-sekat sedemikian rupa yang dapat memperpanjang permukaan yang dilalui gas panas, supaya gas panas tersebut dapat memanasi seluruh pipa air, sebagian permukaan luar drum atas dan seluruh bagian luar drum bawah.
Bagian-Bagian Boiler 1. Steam drum Drum atas berfungsi sebagai tempat pembentukan uap yang dilengkapi dengan sekat-sekat penahan butir-butir air untuk memperkecil kemungkinan air terbawa uap. Steam drum terletak di bagian atas, adalah suatu tabung atau bejana yang berisi air dan sebagian uap dengan perbadingan 50%: 50%. Pada steam drum itulah pembuatan uap pada ketel terjadi. Disamping sebagai tempat pembuatan uap, juga digunakan sebagai tempat penerima air pengisi ketel. Karena perbedaan suhu pada air pengisisan dan air
yang berada di dalam steam drum dan air yang berada di dalam pipa-pipa, maka terjadilah sirkulasi air didalam ketel, sehingga air yang bersuhu rendah akan mengalir kebawah melalui pipa-pipa dan down corner. Demikian pula sebaliknya pada air yang bersuhu tinggi akan mengalir keatas melalui pipa-pipa disekeliling dapur, akhirnya menguap pada permukaan air dalam steam drum.
Gambar ilustrasi steam drum
2. Water drum Drum bawah berfungsi sebagai tempat pemanasan air ketel yang didalamnya di pasang plat-plat pengumpul endapan lumpur untuk memudahkan pembuangan keluar (Blow Down). Water drum terletak dibagian bawah, adalah suatu tabung atau bejana yang berisi air sebagai penguhubung pipa-pipa ketel dari pisteam drum. Disamping itu, Water drum juga berfungsi sebagai tempat pengendapan kotoran-kotoran air dalam ketel, yang tidak menempel pada dinding-dinding ketel, melainkan terlarut dan mengendap. Dengan jalan atau perlakuan Blow Down maka kotoran-kotoran tersebut akan dapat dibuang dan dikeluarkan dari dalam ketel. Kotoran-kotoran tersebut misalnya : SiO2 , Fe, dsb.
Gambar ilustrasi steam drum & Water drum
3. Pemanas Lanjut (Super Heater) Uap yang berasal dari penguapan di dalam drum atas belum dapat dipergunakan oleh turbin uap, oleh karenanya harus dilakukan pemanasan uap lanjut melalui pipa uap pemanas lanjut (Superheater Pipe), hingga uap benar-benar kering dengan temperatur 260 oC – 340 oC. Pipa-pipa pemanas uap lanjut dipasang di dalam ruang pembakaran kedua, hal ini mengakibatkan uap basah yang dialirkan melalui pipa tersebut akan mengalami pemanasan lebih lanjut.Perinsip Kerja pemanas lanjut (Super Heater)Prinsip kerja Super Heater yaitu pada saat pemanasan, api harus diatur sehingga suhu dari pipa Super Heater tidak melebihi batas keamanan yang diizinkan. Suhu dari logam pipa pada waktu pemanasan ketel biasanya dijaga supaya berada di bawah suhu pipa pada saat ketel berada pada kapasitas penuh. Hal ini dapat dilaksanakan dengan mengatur waktu dari saat pemanasan sampai saat tekanan kerja tercapai, dengan maksud untuk membatasi suhu gas masuk ke superheater pada ±5000C untuk superheater dengan pipa baja biasa.Superheater yang tdak dilengkapi dengan pembuangan atau drain akan selalu menympan air condensate apda saat pembakaran dihentikan. Makin banyak condensate yang terkulmpul disitu, makin banyak pula panas yang dibutuhkan untuk mendidihkan air dalam pipa superheater, supaya pipa superheater bebar dari air. Pada saat pemanasan pertama, biasanya membutuhkan waktu yang lama untuk membersihkan pipa superheater dari air, karena banyak air yang terjebak di pipa superheater sesudah
diadakan hydrostatis test.Cara termudah untuk membuang air tersebut adalah dengan menguapkannya. Cara ini mengkibatkan kontrol dari suhu gas selama penaikan tekana menjadi sangat penting, untuk mencegah panas berlebihan pada pipa yang tidak dilalui oleh uap karena terhambat oleh air. Hal tersebut juga mengharuskan pembukaan penuh katup pelepas (air vent) pada superheater sebelum pemanasan ketel dumulai, dan katub haruslah tatap terbuka sampai dicapai aliran uap dari ketel pada pipa utama ±10% dari kapasitas ketel.Yang menjadi catatan penting adalah bahwa ada uap mengalir memalui vent tidaklah berarti bahwa semua pipa superheater telah dilalui uap, beberapa kemungkinan masih mengandung air yang terjebak di dalamnya dan bila pemanasan berlangsung cepat, pada saat itu pipa dapat mengalami panas berlebihan (pada bagian permukaan air yang terjebak) karena tidak ada aliran uap didalamnya. Pada saat penghentian operasi dai ketel katub pelepas superheater harus dibuka sebelum menutup katub uap utama dan juga pada setiap saat dimana dimana uap yang melewati katub utama lebih kecil dari 10% dari kapasitas ketel, seperti yang sudah tersebut diatas. Kemungkinan pipa superheater mengalami panas berlebihan pada saat katub uap ditutub bila : 1. Ketel masih sangat panas, yaitu pada saat baru berhenti. 2.
Ketel masih mengandung banyak bagasse atau abu panas diatas fire grate yang masih dapat terbakar.
Gambar Ilustrasi Super Heater
4. Pipa air (Header) Pipa-pipa air berfungsi sebagai tempat pemanasan air ketel yg dibuat sebanyak mungkin hingga penyerapan panas lebih merata dengan efisiensi tinggi, pipa-pipa ini terbagi dalam:
Pipa air yang menghubungkan drum atas dengan header muka atau belakang.
Pipa air yang menghubungkan drum dengan header samping kanan atau samping kiri.
Pipa air yang menghubungkan drum atas dengan drum bawah.
Pipa air yang menghubungkan drum bawah dengan header belakang.
5. Air heater Air heater adalah alat pemanas udara penghembus bahan bakar. Prinsip kerja Air heater yaitu memanaskan udara yang lewat disela-sela pipa dialirkan udara hembusan dari F.D.F yang lewat di sekitar pipa-pipa yang di dalamnya mengalir gas bekas dari pembakaran bahan bakar. Udara hembus sebelum melalui Air heater mempunyai suhu yang sama dengan udara luar yakni sekitar 380C, dan setelah melalui Air heater dapat mencapai suhu antara 2000C-2300C. Keuntungan penggunaan Air heater adalah : 1. Pemanfaatan kalor gas buang. 2. Pembuatan uap lebih cepat.
Gambar Ilustrasi Air heater
6. Dust collector Dust collector adalah alat pengumpul abu atau penangkap abu pada sepanjang aliran gas pembakaran bahan bakar sampai kepada gas buang. Keuntungan penggunaan dust colector adalah : 1. Gas buang akan menjadi bersih, sehingga tidak mengganggu pencemaran udara. 2. Tidak menjadikan kerusakan alat-alat bantu lainnya, misalnya : pipa-pipa Air heater, cashing I.D.F yang aus karena gesekan abu, pasir, dsb. 3.
Tidak mengganggu jalannya operasi.
7. Pembuangan gas bekas Gas bekas setelah ruang pembakaran kedua dihisap oleh Blower isap (Induced Draft Fan) melalui saringan abu (Dast Colector) kemudian dibuang ke udara bebas melalui cerobong asap (Chimney) Pengaturan tekanan didalam dapur dilakukan pada corong keluar Blower (Exhaust) dengan katup yang diatur secara otomatis oleh alat hidrolis (Furnace Draft Control).
8. Air seal damper Air seal damper adalah alat yang terdiri dari dua buah damper atas dan bawah yang bekerja membuka dan menutup secara bergantian yang berfungsi ganda, yaitu untuk mengeluarkan abu pada Dust collector, juga menjaga agar udara luar tidak masuk akibat tarikan I.D.F.
9. Ash rotary valve Ash rotary valve adalah alat bantu yang berfungsi sama dengan Air seal damper, yaitu untuk mengeluarkan abu pada Dust collector,juga menjaga agar udara luar tidak masuk akibat tarikan I.D.F yang membedakan yaitu Ash rotary valve bekerja berputar. Alat-alat pengaman boiler Mengingat bahwa tekanan kerja dan temperatur ketel yang sangat tinggi, maka ketel harus dilengkapi dengan alat-alat pengaman sebagai berikut : 1.
Katup Pengaman (Safety Valve) Alat ini bekerja membuang uap apabila tekanan melebihi dari tekanan yang telah ditentukan sesuai dengan penyetelan katup alat ini. Umumnya pada katup pengaman tekanan uap basah (Saturated Steam) diatur pada tekanan 21 kg/cm2, sedang pada katup pengaman uap kering tekanannya 20,5 kg/cm2. Penyetelan dilakukan bersama dengan petugas IPNKK setelah adanya pemeriksaan berkala.
2. Gelas Penduga (Sight Glass) Gelas penduga adalah alat untuk melihat tinggi air di dalam drum atas, untuk memudahkan pengontrolan air dalam ketel selama operasi. Agar tidak terjadi penyumbatan-penyumbatan pada kran-kran uap dan air pada alat ini, maka perlu diadakan penyepuan air dan uap secara periodik pada semua kran minimal setiap 3 (tiga) jam. Gelas penduga ini dilengkapi dengan alat pengontrolan air otomatis yang akan membunyikan bell dan menalakan lampu merah pada waktu kekurangan air. Pada waktu kelebihan air bell juga akan berbunyi dan lampu hijau yang akan menyala. 3. Kran Spei air (Blow Down Valve) Kran spei air ini dipasang 2 (dua) tingkat, satu buah kran buka cepat (Quick Action Valve) dan satu buah lagi kran ulir. Bahan dari kedua kran ini dibuat dari bahan yang tahan tekanan dan temperatur tinggi. 4. Pengukur Tekanan (Manometer) Manometer adalah alat pengukur tekanan uap di dalam ketel yang dipasang satu buah untuk tekanan uap panas lanjut dan satu buah untuk tekanan uap basah. Untuk menguji kebenaran penunjukan alat ini, pada setiap manometer dipasang kran cabang tiga yang digunakan untuk memasang manometer penara (Manometer Tera). 5. Kran Uap Induk Kran uap induk berfungsi sebagai alat untuk membuka dan menutup aliran uap ketel yang terpasang pada pipa uap induk terbuat dari bahan tahan panas dan tekanan tinggi.
6. Kran Pemasukan Air Kran pemasukan air 2 (dua) buah yaitu satu kran ulir dan lainnya kran satu arah (Non Return Valve). Kedua alat ini terbuat dari bahan yang tahan panas dan tekanan tinggi.
Peralatan Lain Perlengkapan lain yang diperlukan untuk ketel uap adalah : Alat penghembus debu pada pipa air ketel (Mechanical Soot Blower).
Pemasukan air ketel otomatis (Automatic Feed Regulator).
Panel-panel listrik komplit dengan alat-alat ukur.
Meter pencatat tekanan dan temperature (manometer & Temperatur Recorder).
Kran-kran buangan udara, air kondensat, dan header.
10. Soot Blower Soot Blower adalah alat yang berfungsi sebagai pembersih jelaga atau abu yang menempel pada pipa-pipa. Alat ini berada pada dinding-dinding samping kanan kiri ketel. Media pembersihnya adalah uap yang diambilkan dari steam drum yang bertekanan 11-13 kg/cm2 setelah melalui steam reducer.Soot Blower bekerja secara manual bekerja secara manual yang biasannya dilakukan pada setiap 4 jam sekali atau pada saat setelah dilakukan damping stocker (pembuangan abu dapur). Cara pelaksanaan Soot blowing adalah berurutan dimulai dari depan atau mengikuti jalannya gas asap. Hal tersebut dimaksudkan agar mendapatkan hasil penyemprotan yang bersih dan sempurna.
11. Burner Burner adalah alat yang berfungsi sebagai penyemprot bahan bakar cair misalnya solar, residu, dll. Pada pabrik gula penggunaan Burner sangat ditekan karena dengan penggunaan Burner berarti menggunakan bahan bakar yang beli, sedangkan pabrik gula adalah produsen bahan bakar padat yaitu bagasse. Oleh karena itu harus diupayakan agar mois atau kandungan air pada bagasse sekecil mungkin. Namun demikian peralatan Burner harus tetap dipasang, karena pada sebelum tersedia bahan bakar bagasse maka Burner harus digunakan. Selain itu mungkin terjadi gangguan pada pada peralatan bahan bakar bagasse pada saat operasi.
12. Blow Down continue Blow Down continue adalah pembuangan air ketel yang dilakukan secara terus menerus. Adapun air ketel yang dibuang tersebut diambilkan dari steam drum yaitu pada permukaan air. Hal tersebut dilakukan karena menyangkut beberapa hal : 1. Menghilangkan seandainya terjadi buih atau busa pada permukaan air ketel, karena hal tersebut dapat mengganggu pandangan pada gelas penduga yang memuliki peranan sangat penting pada ketel. 2. Menurunkan electric conductivity yang terkandung pada air ketel. Aturan seberapa bukaan valve Blow Down continue adalah bergantung pada bagaimana keadaan atau kondisi air ketel. Dalam kondisi normal, flow rate Blow Down continue adalah sekitar 3% - 5% dari kapasitas operasi ketel.
