Perhitungan Heat Loss Pada Pipa Transmisi Uap - HFI DIY

220
Cukup Mulyana/Perhitungan Heat Loss Pada Pipa Transmisi Uap di PLTU Cilacap
Perhitungan Heat Loss Pada Pipa Transmisi Uap di PLTU Cilacap
C. Mulyana, Aswad H. Saad, Nasrudin
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran
Jl. Raya Bandung-Sumedang Km. 21, Jatinangor, Sumedang
Email : [email protected]
Abstrak - Telah terjadi kehilangan panas pada pipa transmisi yang terisolasi untuk menyalurkan uap dari boiler ke
turbin. Dalam kondisi normal uap yang dibutuhkan 161,96 ton/jam, tekanan 836,969 psia dan temperatur 460 0C. Akibat
kerusakan insulasi, pada musim penghujan terjadi kondensasi, uap dalam jumlah yang besar yang mengakibatkan
pembangkit tidak berfungsi. Kalor yang hilang sebesar 62056,60 kJ/s atau 41,24% dari kapasitas normalnya.
Temperatur uap di dalam pipa berkurang dari 460°C menjadi 273,8°C sedangkan di permukaan insulasi naik dari 35°C
menjadi 80°C, tekanan menurun dari 836,969 psia menjadi 811 psia. Terjadi perubahan fasa uap dari superheat ke
kondisi saturasi dengan tingkat kebasahan 69,12%. Kalor yang hilang diakibatkan oleh efek konduksi, konveksi, radiasi
dan pengaruh angin, hambatan termal dalam kondisi insulasi rusak diperoleh sebesar R = 0,003042 K/W. Dari hasil
pengamatan dengan alat termografi terindikasi adanya CUI dengan temperatur lingkungan sebesar 104 0C dari hasil
pengelupasan insulasi ditemukan juga korosi homogen dan korosi sumuran.
Kata kunci : kehilangan panas, insulasi,kondensasi, hambatan termal, CUI.
Abstract - There has been heat loss on insulated pipelines for transmitting the steam from boiler to turbine. In normal
operation the steam debit needed is 161.96 ton/hours with pressure of 836.969 psia and temperature of 4600C. Due to
insulation breakdown, in the rainny season 50 ton/hours steam was condensated, resulting that power plants can not
operate. Heat loss calculated is 62056.60 kJ/s or 41.24% from normal capacity. Steam temperature decreases from
460°C to 273.8°C while on surface of insulation temperature increases from35°C to 80°C, and steam pressure decreases
from 836.969 psia to 811 psia. There has been phase transition from superheat to saturated condition with steam quality
is 69.12%. Heat loss is happened due to conduction, convection, and radiation accompanied by wind effect. Thermal
resistance in breakdown insulation is R = 0.003042 K/W. Thermograph inspection CUI indicated that surrounding
temperature is 104 0C . From stripped insulation there are shown homogen and pitting corrosion.
Keywords : heat loss, insulation, condensation, thermal resistance, CUI.
I. PENDAHULUAN
Telah terjadi kehilangan panas pada pipa yang
mentransmisikan fluida kerja berupa uap (superheat)
yang digunakan untuk memutar turbin. Dalam keadaan
normal uap disediakan oleh 5 buah boiler (2 boiler
berfungsi sebagai cadangan). Untuk mengalirkan uap
dari boiler keturbin digunakan pipa transmisi sepanjang
3204 meter. Kondisi insulasi di beberapa tempat
mengalami kerusakan sehingga di musim penghujan, 50
ton/jam uap terkondensasi, yang mengakibatkan terjadi
penurunan entalphi sehingga tidak dapat memutar turbin.
Untuk mengembalikan operasi turbin dalam keadaan
normal, 2 boiler cadangan difungsikan. Ini berarti
pemborosan energi dalam jumlah yang sangat besar.
Dampak negatif lainnya adalah rembesan air pada
insulasi akan mengakibatkan terjadinya corrosion under
insulation (CUI) yang mengakibatkan menurunnya
ketahanan mekanik pipa. Dalam kondisi operasi yang
normal untuk memutar turbin diperlukan debit uap
sebesar 161,96 ton/jam pada tekanan 836,969 psia
dengan temperatur 460 0C.
Permasalahan dalam kasus ini adalah bagaimana
mengetahui jumlah panas yang hilang akibat kerusakan
insulasi. Selain itu model kehilangan panas seperti apa
yang dapat menggambarkan kondisi tersebut, dan model
korosi seperti apa yang umum terjadi pada pipa akibat
CUI.
Tujuan dari kajian ini adalah 1). Menghitung jumlah
panas yang hilang akibat kerusakan insulasi. 2). Membuat
model yang dapat menjelaskan kehilangan panas yang
terjadi pada insulasi. 3). Mendeteksi keberadaan CUI
pada pipa transmisi. 4). Memberikan rekomendasi pada
pengguna di industri pembangkit.
II. LANDASAN TEORI
Teori yang digunakan untuk penelitian ini meliputi :
1). Termodinamika tentang kubah uap air dan grafik
hubungan antara P-h untuk H2O yang digunakan sebagai
fluida kerja. Dari kedua grafik tersebut akan diperoleh
informasi tekanan, temperatur, entalphi dan kualitas uap
yang secara eksplisit dinyatakan dalam kubah uap pada
Gambar 1 dan grafik termodinamika P-h untuk H2O pada
Gambar 2 [1].
Gambar 1. Kubah uap menyatakan hubungan T-h[2]
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
Cukup Mulyana/Perhitungan Heat Loss Pada Pipa Transmisi Uap di PLTU Cilacap
221
• Kondensasi uap air pada permukaan pipa
• Pengaruh suhu (elevated, gradient, & cycling)
• Kondisi coating
• Kondisi insulasi/jacket
Jenis korosi ini umumnya berbentuk korosi sumuran,
korosi retak tegang dalam beberapa kasus yang jarang
berbentuk korosi homogen.[5,7]
III. METODE PENELITIAN
Gambar 2. Grafik thermodinamika P-h untuk H2O[3]
2). Teori tentang heat transfer konduksi, konveksi dan
radiasi pada pipa berbentuk silinder.
(a). Laju kehilangan panas untuk proses konduksi [4].
(1)
Dengan : k = koefisien konduktivitas termal material, L=
panjang pipa, r2= jari-jari pipa terhadap insulasi, r1= jarijari dalam pipa, T=temperatur.
(b). Laju kehilangan panas untuk proses konveksi
2 !" (2)
Dengan : h= koefisien transfer pada insulasi
(c). Laju kehilangan panas untuk proses radiasi
&
&
# $%
(3)
Dengan : σ = konstanta Stefen-Boltzman, ε= emisivitas
material.
(d). Laju kehilangan panas konveksi dengan pengaruh
angin.
+., -./.0, /.,
1.95) * (4)
Gambar 3. Bagan Alir Penelitian
Objek penelitian adalah kasus kehilangan panas pada
pipa transmisi uap di PLTU Cilacap. Kasus serupa dapat
terjadi diberbagai pembangkit lainnya, sehingga cukup
menarik untuk diangkat sebagai kajian untuk memberikan
solusi terhadap problem yang terjadi di pembangkit.
Yang diteliti mencakup tiga aspek yang saling terkait
yaitu perhitungan heat loss, rekontruksi model kerusakan
insulasi dan corrosion under insulation. Setelah dianalisa
ditarik kesimpulan dan rekomendasi untuk pengguna.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Desain dan Operasional Lapangan
Hasil pengumpulan data berupa parameter desain dan
operasi di lapangan, ditunjukan pada tabel 1 – tabel 5.
/.0,
Dengan : v= kecepatan angin.
3). Model thermal resistance pada perhitungan
kehilangan panas
Untuk pipa berbentuk silinder, thermal resistance untuk
proses konduksi dinyatakan oleh
1 (5)
Sedangkan thermal resistance untuk proses konveksi
dinyatakan oleh
+
1 # (6)
Laju kehilangan panas dinyatakan oleh persamaan :
∆3
4
Hambatan termal untuk seri
R = R1 +R2
Hambatan termal untuk pararel
+
+
+
5
4
4
4
(7)
(8)
Tabel 1. Tekanan dan temperatur operasi turbin [8]
tekanan temperatur
temperatur
tekanan
(psia)
(°C)
(°F)
(kg/cm2)
Hp
58,9
836,97
460
860
Mp
19,12
271,68
360
680
Lp
3,45
49,03
230
446
Tabel 2. Kapasitas boiler[8]
FlowRate
Boiler
Ton/h
B1
53,4
6 +
B2
54,43
6
B3
54,13
60
B4
6&
B5
43
6,
kg/s
14,83
15,12
15,04
11,94
Lbm/s
32,71
33,34
33,15
26,34
% Cap
89,07
90,72
90,22
71,6
(9)
4). Corrosion Under Insulation (CUI)
CUI merupakan fenomena korosi yang terjadi akibat
terjebaknya air di dalam insulasi sehingga menyebabkan
proses korosi berlangsung. Material yang rentan terhadap
CUI antara lain Carbon steel, low alloy steels, 300 Series
SS and duplex stainless steels.CUI ini dipengaruhi dan
dipercepat oleh beberapa faktor antara lain [5,6] :
• Masuknya/merembesnya air melalui insulasi dan
terjebak di dalam insulasi
Tabel 3. Geometri pipa[8]
Material Pipa
Baja Karbon
Diameter Pipa
D₁
0,225
m
Jari-jari Pipa
r₁
0,113
m
Panjang Pipa
L
31
m
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
222
Cukup Mulyana/Perhitungan Heat Loss Pada Pipa Transmisi Uap di PLTU Cilacap
Tabel 4. Data insulasi[8]
Kalsium
Silikat
Ketebalan
rc
0,065
m
Jari-jari
r2
0,113
m
Konduktivitas
k
0,074
W/(m.K)
ε
0,900
Material
Emisivitas Permukaan
Tabel 5. Besaran fisis yang relevan[8]
v
0,2
m/s
hs
4237,83
W/m².K
Rs
0
m².K/W
Ri
0,028
m².K/W
h
35,301
W/m².K
hc
14,722
W/m².K
σ
5,67 x 10-8
Dengan v = Kecepatan angin, hs= koefisien perpindahan
panas di udara, Rs= hambatan termal permukaan, Ri=
hambatan termal insulasi, h= koefisien perpindahan panas
pada insulasi, hc= koefisien perpindahan panas tanpa
insulasi, σ = konstanta Stefan-Boltzmann.
4.2 Hasil Perhitungan
4.2.1
Heat LossPada Kondisi Normal
Dalam keadaan normal debit uap 6 = 99,2005 lbm/s,
tekanan uap = 836,96 psia dan temperatur 460 0C fasa
uap dalam keadaan superheat. Dengan menggunakan
grafik pada gambar 2 diperoleh enthalpi spesifik uap h =
1438 Btu/lbm sedangkan entalphi total 8 6 9 " 142650,319 Btu/s = 150490,895 kJ/s.
Panas yang hilang disebabkan karena efek konduksi,
konveksi dan radiasi serta pengaruh angin, dan dihitung
dengan persamaan dibawah ini :
+ 5 5 0 5 &
(10)
Dengan + =1392,64 kJ/s panas yang hilang karena efek
konduksi pada insulasi, =392,44 kJ/s panas yang
hilang karena efek konveksi pada insulasi, 0 = 26,74
kJ/spanas yang hilang karena efek radiasi pada cladding
ke udara luar, & =13,16 kJ/s panas yang hilang karena
efek konveksi disertai pengaruh angin ke udara. Dengan
mensubstitusikan persamaan (1)-(4) ke persamaan (10),
diperoleh panas yang hilang total= 1824,98 kJ/s. Daya
efektif yang digunakan untuk memutar turbin
ABC 150490,89 DE/F dengan panas yang hilang relatif
kecil sekitar 1,2 % sehingga dapat diabaikan.
4.2.2
Heat Loss Dalam Keadaan Insulasi Rusak
Pada musim penghujan jumlah panas yang hilang
meningkat, 50 ton/jam uap terkondensasi menjadi air
akibat kerusakan insulasi. Untuk menghitung panas yang
hilang pertama dihitung tingkat kebasahan uap yang
dirumuskan :
H IHJKLMNLOPOQ
G
(11)
H
Dimana 6 adalah penjumlahan debit massa yang
dihasilkan oleh boiler 1-3 pada kondisi operasi dengan
kapasitas 90%. Dari persamaan (11), diperoleh x =
69,12%. Dengan menggunakan grafik pada gambar 2
serta asumsi tekanan P konstan = 836,96 psia diperoleh
temperatur uapT = 273,8 0C dengan enthalpi spesifik huap
= 995 Btu/lbm =2314,17 kJ/kg (uap dalam keadaan
saturasi). Sedangkan dalam keadaan tersebut hair=509,20
Btu/lbm sehingga diperoleh entalphi total uap 68232,62
Btu/s dan entalphi total air 15594,25 Btu/s sehingga
entalphi total pada saat kerusakan insulasi 83826,87
Btu/s. Laju panas yang hilang dapat dihitung dari selisih
entalphi total pada saat normal dikurang entalphi total
pada saat keadaan rusak, diperoleh 58823,45 Btu/s
dalam satuan SI 62056,60 kJ/s atau 41,24%. Dalam
kenyataannya terjadi perubahan tekanan fluida di dalam
pipa dari tabel H2O saturasi diperoleh tekanan 811 psia.
4.2.3 Rekontruksi Model Kehilangan Panas Ketika
Terjadi Kerusakan Insulasi
Gambar 5 adalah model kerusakan insulasi yang
ditunjukan oleh adanya permukaan insulasi yang
terkelupas dibeberapa bagian. Di tempat tersebut lebih
banyak kalor yang keluar dibandingkan dibagian yang
tidak mengalami kerusakan.
Gambar 5. Model kehilangan panas pada keadaan
insulasi rusak
Total panas yang hilang pada keadaan insulasi rusak
adalah 62056,60 kJ/s uap di dalam pipa berada dalam
keadaan saturasi. Dengan menggunakan model resistansi
termal, kehilangan panas digambarkan dalam bentuk
hubungan seri dan paralel yang berjenjang.
Model
hambatan
termal
digunakan
untuk
mereprentasikan keadaan insulasi yang rusak, seperti
pada gambar berikut :
Gambar 4. Model kehilangan panas pada keadaan
normal
Gambar 4 adalah model kehilangan panas pada
keadaan insulasi normal. Temperatur uap di dalam pipa
berkurang dari 460°C menjadi 454,4°C akibat adanya
kalor yang hilang.
Gambar 6. Model hambatan termal
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
Cukup Mulyana/Perhitungan Heat Loss Pada Pipa Transmisi Uap di PLTU Cilacap
223
Dalam keadaan rusak, temperatur permukaan pipa
hasil pemeriksaan termografi terbagi menjadi 3 bagian, di
daerah yang insulasinya masih baik < 60°C, di daerah
yang insulasinya rusak > 100°C, sedangkan di daerah
CUI antara 60°C - 100°C seperti terlihat pada gambar 6.
Selain itu dibeberapa bagian ada bagian yang tidak
terinsulasi temperaturnya >100°C. Panjang pipa
berdasarkan kategori kerusakannya terlihat pada tabel 6.
Tabel 6. Kategori kerusakan pipa[9]
No.
Kategori
Panjang Pipa (m)
1
Indikasi CUI
8
2
Kerusakan Insulasi
1871
3
Pipa Tanpa Insulasi
33
4
Kondisi Baik
992
Total Panjang Pipa
3204
Dengan prinsip proporsional antara panjang pipa dan
temperatur di permukaannya, temperatur di luar pipa
ditetapkan 80°C.
Model hambatan termal pada insulasi terlihat pada
gambar 7 terdiri atas tiga jalur paralel, yang tersusun dari
satu jalur panas yang keluar dibagian yang insulasinya
masih baik dinyatakan oleh hubungan seri antara
hambaran termal Rk dan Rh. disamping itu dua jalur
hambatan termal dibagian yang insulasi rusak
digabungkan dengan CUI, dinyatakan dengan Rk’ yang
akan dihitung nilainya. Jalur terakhir adalah bagian pipa
yang insulasinya tidak terpasang, dinyatakan dengan Rh’
Gambar 8. Hasil pemeriksaan termografi di daerah pipa
tanpa insulasi
4.2.4 Corrosion Under Insulation (CUI)
Efek samping dari kebocoran insulasi adalah
kemungkinan terjadinya korosi dibawah insulasi. Hal ini
disebabkan karena sejumlah air masuk kedalam pipateru
tama pada musim penghujan terperangkap di permukaan
pipa dibawah temperature dibawah 175°C yang
kemudian mengaktivasi terjadinya korosi. Hasil
pemeriksaan termografi di daerah CUI ditunjukan oleh
gambar 9. Citra yang terbentuk disekitar pipa
mengindikasikan adanya CUI. Temperatur didaerah
tersebut sekitar 104°C, sehingga berpotensi untuk
terjadinya CUI. Untuk memastikan selanjutnya
insulasinya dibuka dan terlihat produk korosi
dipermukaan pipa. Umumnya jenis korosi yang terjadi
penggabungan antara korosi homogeny dan korosi
sumuran. Karena tekanan fluida yang tinggi dari dalam
pipa, korosi sumuran akan menginduksi terjadinya korosi
retak tegang (stress corrosion cracking, SCC) yang sering
kali tidak terdeteksi dari awal. Panjang keretakan pipa
akibat terjadinya SCC, pada batas waktu tertentu akan
menyebabkan pecahnya pipa dengan mendadak, sehingga
sangat merugikan baik dilihat darisisi produksi maupun
finansial.
Gambar 7. Model hambatan termal
Dari persamaan (5) dan (6), didapatkan hasil Rk=0,00031
K/W dan Rh=2,17x10-5 K/W. Sedangkan Rh’ dihitung
dengan persamaan (12), diperolehRh’=1,89x10-5 K/W.
(12)
Hambatan total dihitung dengan memparalelkan (Rk+
Rh)// Rk’// Rh’. Sebelumnya terlebih dahulu dihitung
hambatan total R dengan persamaan (7), diperoleh R =
0,003042 K/W. Selanjutnya dihitung nilai Rk’ dengan
persamaan (13), diperolehRk’=1,88x10-5 K/W.
(13)
Dari model rekontruksi yang dibuat sebagian besar
kebocoran kalor diakibatkan karena rusaknya insulasi.
Dilihat dari nilai hambatan termal yang sangat kecil di
bagian pipa yang tidak terinsulasi keluar kalor yang besar,
diindikasikan oleh temperatur yang tinggi diperoleh dari
hasil pemeriksaan termografi seperti terlihat pada gambar
8. Tetapi hanya terjadi pada wilayah yang sempit
sehingga total kalor yang dikeluarkan relatif kecil.
Gambar 9. Hasil pemeriksaan termografi pada pipa yang
mengalami CUI.
V. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini disimpulkan bahwa :
1). Jumlah kalor yang hilang pada pipa transmisi uap
akibat kerusakan insulasi dimusim penghujan
sebesar
kJ/s atau 41,24% dari kapasitas
normalnya. Temperatur uap di dalam pipa berkurang
dari 460°C menjadi 273,8°C sedangkan di
permukaan insulasi naik dari 35°C menjadi 80°C,
tekanan menurun dari 836,8 psia menjadi 811 psia.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
224
Cukup Mulyana/Perhitungan Heat Loss Pada Pipa Transmisi Uap di PLTU Cilacap
Terjadi perubahan fasa uap dari superheat ke kondisi
saturasi dengan tingkat kebasahan 69,12%.
2). Kehilangan panas pada insulasi yang rusak
dijelaskan dengan tiga jalur hambatan termal yang
disusun paralel. Pertama akibat konduksi dan
konveksi yang diserikan dengan masing-masing
hambatan termal Rk=0,00031 K/W dan Rh=2,17x10-5
K/Wdi bagian insulasi yang masih utuh, kedua akibat
efek konduksi di bagian insulasi yang rusak dengan
hambatan termal Rk’=1,88x10-5 K/W dan yang
terakhir akibat efek konveksi di bagian pipa tanpa
insulasi dengan hambatan termal Rh’=1,89x10-5 K/W.
3). Dengan menggunakan termografi terdeteksi adanya
fenomena CUI disebagian kecil dari pipa dengan
temperatur disekitanya sebesar 104°C. Dari hasil
pengelupasan insulasi terlihat adanya jejak korosi
yang homogen disertai dengan korosi sumuran.
4). Rekomendasi a). Mengganti insulasi dengan jenis
yang lebih baik, b). Menutup pipa yang terbuka
dengan insulator flexible aerogel ASTM C 1728
termasuk segmen steam trap, valves, bagian flanges,
dan nozzle.
PUSTAKA
[1] Kreith, Frank. The CRC Handbook of Thermal
Engineering. 2000.
[2] www.roymech.co.uk, diakses 13 Oktober 2014
[3] www.steamtablesonline.com diakses 13 Oktober 2014
[4] J. Moran, Howard N. Shapiro. Fundamental of
Engineering Thermodynamics 5th Edition. 2006.
[5] Winnik, S. Corrosion Under Insulation (CUI) Guidelines.
2008.
[6] API. Piping Inspection Code API 570 3rd Edition. Energy
API. 2009
[7] API. Fitness for Service Example Problem Manual API
579-2/ASME FFS-2. Energy API. 2009
[8] Parameter Fisis Desain Operasi pada PLTU Cilacap. 2013
[9] Pemeriksaan/Mapping Kondisi Isolasi dan CUI di Line
Service Steam Dengan Metode Scanning Infrared
Thermovision di Area UTL 50, OM 40 & FOC I. 2013
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih kami tujukan kepada direktur
PT. AT Solusi yang telah memberikan kesempatan
kepada kami untuk mendapatkan data sehingga penelitian
ini dapat dilaksanakan.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823