(Steam Generator) atau

12
BAB III
TINJAUAN PUSTAKA
3.1
PENDAHULUAN
Kita dapat mendapatkan gambaran mengenai kegunaan dari Boiler (Steam Generator)
atau juga dapat kita sebut sebagai Mesin Uap. Manfaat mesin uap tentunya banyak
sekali dalma dunia industri, maka dari itu kita harus dapat memanfaatkan mesin
tersebut agar tepat guna dan sesuai dengan kebutuhan kita. Ketel uap dalam bahasa
inggris disebut dengan nama boiler berasal dari kata boil yang berarti mendidihkan
atau menguapkan,sehingga boiler dapat diartikan sebagai alat pembentukan uap yang
mampu mengkonversi energi kimia dari bahan bakar padat (padat cair dan gas ) yang
menjadi energi panas. Uap yang dihasilkan dari ketel uap merupakan gas yang timbul
akibat perubahan fase cairan menjadi uap atau gas melalui cara pendidihan yang
memerlukan sejumlah energi dalam pembentukannya. Zat cair yang dipanaskan akan
mengakibatkan pergerakan moleku-molekul menjadi cepat,sehingga melepas diri dari
lingkungannya dan berubah menjadi uap. Air yang berdekatan dengan bidang
pemanas akan memiliki temperature yang lebih tinggi (berat jenis yang lebih rendah)
dibandingkan dengan air yang bertemperatur rendah, sehingga air yang bertemperatur
tinggi akan naik kepermukaan dan air yang bertemperatur rendah akan turun.
Peristiwa ini akan terjadi secara terus menerus (sirkulasi) hingga berbentuk uap. Uap
yang dihasikan oleh ketel uap dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan antara
lain : Utilitas suatu daya pembangkit tenaga listrik dan industri.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
13
3.2
SEJARAH MESIN UAP ATAU BOILER (STEAM GENERATOR)
Mesin Uap, pertama kali dibuat oleh Hero dari Alexandria, yaitu sebuah
prototipe turbin uap primitif yang bekerja menggunakan prisip reaksi. di mana tubin
ini terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi dengan air dan pipa tegak yang
menyangga bola di mana pada bola terdapat dua nosel uap. Proses kerjanya adalah
sebagai berikut, sumber kalor akan memanasi air di dalam bejana sampai air menguap,
lalu uap tersebut mengalir melewati pipa tegak masuk ke bola. Uap tersebut terkumpul
di dalam bola, kemudian melalui nosel menyembur ke luar, karena semburan tersebut,
bola mejadi berputar.
Selanjutnya setelah penemuan Hero, beberapa abad kemudian dikembangkan
turbin uap oleh beberapa orang yang berusaha memanfaatkan uap sebagai sumber
energi untuk peralatan mereka. Thomas Savery (1650-1715) adalah orang Inggris yang
membuat mesin uap bolak-balik pertama, mesin ini tidak populer karena mesin sering
meledak dan sangat boros uap. Untuk memperbaiki kinerja dari mesin Savery, Denis
Papin (1647-1712) membuat katup-katup pengaman dan mengemukakan gagasan
untuk memisahkan uap air dan air dengan menggunakan torak.
Gagasan
Papin
direspons
oleh Thomas
Newcomen (1663-1729)
yang
merancang dan membangun mesin menggunakan torak. Prinsip kerja yaitu uap
tekanan rendah dimasukan ke silinder dan menekan torak sehingga bergerak ke atas.
Selanjutnya, silinder disemprot air sehingga terjadi kondensasi uap, tekanan menjadi
turun dan vakum. Karena tekanan atmosfer dari luar torak turun maka terjadi langkah
kerja.
Perkembangan mesin uap selanjutnya adalah mesin uap yang dikembangkan
oleh James Watt. Selama kurang lebih 20 tahun ia mengembangkan dan memperbaiki
kinerja dari mesin Newcomen. Gagasan James Watt yang paling penting adalah
mengkonversi gerak bolak-balik menjadi geraka putar (1781). Mesin tersebut
kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Corliss(1817-1888), yaitu dengan
mengembangkan katup masuk yang menutup cepat, untuk mencegah pencekikan
katup pada waktu menutup. Mesin Corliss menghemat penggunaan bahan bakar batu
bara separo dari batu bara yang digunakan mesin uap James Watt.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
14
Kemudian Stumpf (1863) mengembangkan mesin uniflow yang dirancang
untuk mengurangi susut kondensasi. Mesin uap yang dibuat paling besar pada abad 18
adalah menghasikan daya 5 MW, pada waktu itu dianggap raksasa, karena tidak adal
agi mesin yang lebih besar. Seiring dengan kebutuhan tenaga listrik yang besar,
kemudian banyak pengembangan untuk membuat mesin yang lebih efisien yang
berdaya besar.
Mesin
uap
bolak-balik
memiliki
banyak
keterbatasan,
antara
lain
mekanismenya terlalu rumit karena banyak penggunaan katup-katup dan juga
mekanisme pengubah gerak bolak-balik menjadi putaran. Maka untuk memenuhi
tuntutan kepraktisan mesin uap dengan efisiensi berdaya lebih besar, dikembangkan
mesin uap rotari. Mesin uap rotari komponen utamanya berupa poros yang bergerak
memutar. Model konversi energi potensial uap tidak menggunakan torak lagi, tetapi
menggunakan sudu-sudu turbin.
Gustav de Laval (1845-1913) dari Swedia dan Charles Parson (1854-1930) dari
Inggris adalah dua penemu awal dari dasar turbin uap modern. De laval pada mulanya
mengembangkan turbin rekasi kecil berkecepatan tinggi, namun menganggapnya tidak
praktis dan kemudian mengembangkan turbin impuls satu tahap yang andal, dan
namanya digunakan untuk nama turbin jenis impuls. Berbeda dengan De laval, Parson
mengembang turbin rekasi tingkat banyak, turbinnya dipakai pertama kali pada kapal
laut.
Disamping para penemu di atas, penemu-penemu lainnya saling melengkapi
dan memperbaiki kinerja dari turbin uap. Rateaudari Prancis mengembangkan turbin
impuls tingkat banyak, dan C.G. Curtis dari Amerika Serikat mengembangkan tubin
impuls gabungan kecepatan. Selanjutnya, penggunaan turbin uap meluas dan praktis
menggantikan mesin uap bolak-balik, dengan banyak keuntungan. Penggunaan uap
panas lanjut yang meningkatkan efisiensi sehingga turbin uap berdaya besar (1000
MW, 3600 rpm, 60 Hz) banyak dibangun.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
15
3.3
PROSES MANUFACTURE BOILER (STEAM GENERATOR)
Bejana bertekanan pada boiler umumnya menggunakan bahan baja dengan spesifikasi
tertentu yang telah ditentukan dalam standard ASME (The ASME Code Boilers),
terutama untuk penggunaan boiler pada industri-industri besar. Dalam sejarah tercatat
berbagai macam jenis material digunakan sebagai bahan pembuatan boiler seperti
tembaga, kuningan, dan besi cor. Namun bahan-bahan tersebut sudah lama
ditinggalkan karena alasan ekonomis dan juga ketahanan material yang sudah tidak
sesuai dengan kebutuhan industri.
Panas yang diberikan kepada fluida di dalam boiler berasal dari proses
pembakaran dengan berbagai macam jenis bahan bakar yang dapat digunakan, seperti
kayu, batubara, solar/minyak bumi, dan gas. Dengan adanya kemajuan teknologi,
energi nuklir pun juga digunakan sebagai sumber panas pada boiler.
3.4
KOMPONEN BOILER (STEAM GENERATOR)
Komponen sistem ketel uap terdiri dari komponen utama dan komponen bantu yang
masing-masing memiliki fungsi untuk menyokong prinsip kerja ketel uap.
Keterangan:
1.
Dearator
2.
Bagasse distribution conveyor
3.
Dapur (furnace)
4.
Superheated steam valve
5.
Air heather
6.
Induced Draft Fan (I.D.F)
7.
Cerobong asap (chimney)
8.
Secondary fan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
16
3.4.1
Ruang Pembakaran (Furnace)
Furnace adalah dapur sebagai penerima panas bahan bakar untuk pembakaran, yang
terdapat fire gate di bagian bawah sebagai alas bahan bakar dan yang sekelilingnya
adalah pipa-pipa air ketel yang menempel pada dinding tembok ruang pembakaran
yang menerima panas dari bahan bakar secara radiasi, konduksi, dan konveksi.
3.4.2
Drum Air dan Drum Uap
Drum air terletak pada bagian bawah yang berisi dari tangki kondensat yang
dipanaskan dalam daerator, disamping itu berfungsi sebagai tempat pengendapan
kotoran-kotoran dalam air yang dikeluarkan melalui proses blowdown. Drum uap
terletak pada bagian atas yang berisi uap yang kemudian disalurkan ke steam header.
3.4.3
Pemanas Lanjut (Super Heater)
Super heater adalah bagian-bagian ketel yang berfungsi sebagai pemanas uap,
dari saturated steam (±250°C) menjadi super heated steam (±360°C).
3.4.4
Air Heater
Air heater adalah alat pemanas udara penghembus bahan bakar.
3.4.5
Dust Collector
Dust collector adalah alat pengumpul abu atau penangkap abu pada sepanjang aliran
gas pembakaran bahan bakar sampai kepada gas buang.
3.4.6
Blower
Soot blower adalah alat yang berfungsi sebagai pembersih jelaga atau abu yang
menempel pada pipa-pipa.
Sedangkan untuk komponen bantu dalam sistem ketel uap antara lain:
3.4.7
Air pengisi ketel (boiler feed water)
Air pengisi ketel didapatkan dari 2 sumber yaitu: air condensate, didapatkan dari hasil
pengembunan
uap
bekas
yang
telah
digunakan
sebagai
pemanas
pada
evaporator, juice heaterdan vacuum pan. Air condensateini ditampung dan kemudian
http://digilib.mercubuana.ac.id/
17
dialirkan ke station boiler sebagai air umpan pengisi ketel dengan persyaratan Ph: 8,5,
Iron (ppm) : 0,002, Oxygen (ppm) : 0,02
3.4.8
Dearator
Merupakan pemanas air sebelum dipompa kedalam ketel sebagai air pengisian. Media
pemanas adalah exhaust steam pada tekanan ± 1 kg/cm2 dengan suhu ± 150°C,
sehingga didapatkan air pengisian ketel yang bersuhu antara 100°C-105°C. Fungsi
utamanya adalah menghilangkan oksigen (O2) dan untuk menghindari terjadinya karat
pada dinding ketel.
3.4.9
High pressure feed water pump
Berfungsi untuk melayani kebutuhan air pengisi ketel yang dijadikan uap, sampai
dengan kapasitas ketel yang maksimum, sehingga ketel uap akan dapat bekerja dengan
aman. Kapasitas pompa harus lebih tinggi dari kapasitas ketel, minimum 1,25 kali,
tekanan pompa juga harus lebih tinggi dari tekanan kerja ketel, agar dapat mensupply
air kedalam ketel.
3.4.10 Secondary Fan
Merupakan alat bantu ketel yang berfungsi sebagai alat penghembus pembakaran
bahan bakar yang kedua sebagai pembantu F.D.F. untuk mendapatkan pembakaran
yang lebih sempurna lagi.
3.4.11 Induced Draft Fan (I.D.F)
Alat bantu ketel yang berfungsi sebagai penghisap gas asap sisa pembakaran bahan
bakar, yang keluar dari ketel.
3.4.12 Force Draft Fan (F.D.F)
Merupakan alat bantu ketel yang berfungsi sebagai penghembus bahan bakar.
3.4.13 Cerobong asap(Chimney)
Berfungsi untuk membuang udara sisa pembakaran. Diameter cerobong berkisar
berukuran 3 m dan tinggi cerobong 40 m, ini berbeda setiap industri.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
18
3.4.14 Ash Conveyor
Merupakan alat pembawa atau pengangkut abu dari sisa-sisa pembakaran bahan
bakar, baik yang dari rangka bakar (fire grate) ataupun juga dari alat-alat pengumpul
abu (dust collector), untuk dibuang dan diteruskan ke kolam penampungan dan ini
biasanya digunakan sebagai kompos diperkebunan tebu.
3.5
SISTEM KERJA BOILER (STEAM GENERATOR)
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.
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.
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 steam drum.
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.
Peralatan yang dilalui dalam siklus air adalah drum boiler, down comer,
header bawah (bottom header), dan riser. Siklus air di steam drum adalah, air
http://digilib.mercubuana.ac.id/
19
dari drum turun melalui pipa-pipadown 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 pipapipa 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 :
a. Waktu start (pemanasan) lebih cepat.
b. Mempunyai respon yang lebih baik dalam mempertahankan aliran air kepipa-pipa
pemanas pada saat start maupun beban penuh.
c. Mencegah kemungkinan terjadinya stagnasi pada sisi penguapan.
Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai tekanan,
temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan
digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan tekanantemperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi (high
pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatansteam yang keluar dari sistem boiler
dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan menjalankan suatu
mesin (commercial and industrial boilers), atau membangkitkan energi listrik dengan
merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga
menghasilkan energi listrik (power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan
kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan-temperatur tinggi untuk
membangkitkan energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
20
tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri dengan
bantuan heat recovery boiler.
Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam, dan sistem bahan
bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan
kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan
dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan
untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. Sistem steammengumpulkan dan
mengontrol produksi steam dalam boiler. Steamdialirkan melalui sistem pemipaan ke
titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan
dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan
yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang
dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis
bahan bakar yang digunakan pada sistem.
http://digilib.mercubuana.ac.id/