Trending Topik

Prinsip Pembakaran Hydrocarbon untuk Mencapai Efisiensi Tinggi di PLTU

Diposting oleh On Sunday, July 12, 2020

Pembakaran di furnace boiler PLTU (combustion) menggunakan bahan bakar berbagai macam dan Indonesia sudah mulai pengurangan penggunaan hasil olahan minyak bumi untuk pembakaran. Pemerintah menghimbau untuk penggunaan batubara, geothermal, solar cell, tenaga angin, mikro-hidro dan lain-lain yang ramah lingkungan dengan istilah "energi baru-terbarukan". Penggunaan batubara (coal) yang notabene termasuk dalam energi yang tidak dapat diperbaharui masih belum bisa ditinggalkan karena beberapa alasan seperti: melimpahnya SDA ini di Indonesia, kemampuan dalam membangkitkan daya listrik yang besar, dan kemampuan fleksibilitasnya dalam digunakan untuk PLTU batubara dengan kualitas paling jelek sekalipun.
Berdasarkan "Handbook Steam Plant Operation (Woodruff et al, 2000)" berikut beberapa informasi yang didapatkan:
Gambar 1. Data %Excess Air untuk Berbagai Bahan Bakar
Gambar 2. Data Properties Unsur yang Terlibat dalam Pembakaran

BACA JUGA: Perhitungan Efisiensi Boiler Berdasarkan ASME PTC 4.1

Berdasarkan Basu (2015) berikut standarnya:
Proses pembakaran batubara di boiler PLTU mengikuti skema berikut: [Basu, 2015]
Berdasarkan grafik tersebut didapatkan informasi sebagai berikut:
  1. Pada temperatur 200 oC, batubara mengalami drying & heating
  2. Pada temperatur 300-800 oC, kandungan volatile batubara mulai terlepas
  3. Pada temperatur >800 oC, terjadi pembakaran sempurna batubara
Data excess air untuk setiap bahan bakar berbeda-beda dan hasil diatas berdasarkan best-practice experienced para engineer dengan trial-error system. Terdapat rumus yang bisa digunakan untuk menghitung %excess air seperti diatas yang didapatkan dari reaksi stoikiometri standar. Mengapa didalam pembakaran membutuhkan excess air?? karena proses pembakaran hydrocarbon(CxHy) pasti membutuhkan oksigen (O2) sedangkan produk samping hasil pembakaran ada 2 yaitu carbon dioksida (CO2) dan carbon monoksida (CO).  Detail stoikimoteri pembakaran bisa dibaca di artikel: Perhitungan Stoikiometri pada Pembakaran Batubara

C + O2 ---> CO2

C + ½ O2 ---> CO

Carbon dioksida inilah yang diinginkan karena menghasilkan energy (heat) yang besar dibandingkan jika menghasilkan CO (pembakaran tidak sempurna dan ada hydrocarbon tidak habis terbakar). Berdasarkan reaksi stoikiometri diatas diketahui bahwa untuk membakar 1 mol C maka kebutuhan udara untuk menghasilkan CO2 adalah 1 mol sedangkan CO adalah 1/2 mol. Alasan itulah yang dipakai mengapa harus ada excess air pada setiap pembakaran. Apakah tidak ada pengendali %excess air ?? mutlak ada, karena ketika udara terlalu excess maka akan terdapat dry flue gas dengan indikasi over oksigen pada gas buang (flue gas) padahal gas tersebut mengandung heat energy sehingga menyebabkan efisiensi turun.
Heating value diperlukan untuk mengukur energi yang bisa dihasilkan dari suatu bahan bakar. Dalam Certificate of Analysis (CoA) pengujian batubara terdapat 2 istilah yang dipakai yaitu: (i) proximate analysis untuk uji moisture content, fixed carbon, volatile matter dan ash content; (ii) ultimate analysis untuk uji C, H, O, N, S. Pengujian heating value bisa didapatkan dari pengujian menggunakan bomb calorimeter atau dengan pendekatan "Dulong Formula" seperti rumus diatas.

Terdapat permasalahan pada pembakaran batubara yang menurunkan efisiensi yaitu adanya "Unburned Carbon" dan kehilangan energi karena carbon tidak terbakar dikenal dengan istilah "Unburned Carbol Loss", ini disebabkan karena beberapa hal seperti:
  • Unburned carbon loss terkumpul di bottom ash dan fly ash) karena tidak terbakar, bisa disebabkan karena udara pembakaran yang kurang, sistem sirkulasi pembakaran tidak merata atau mengandung moisture yang besar sehingga tidak tertembus panas dan lain-lain.
  • Kehadiran CO pada flue gas, ini mengindikasikan kurangnya udara pembakaran sehingga carbon tidak habis terbakar
Kutip Artikel ini sebagai Referensi (Citation):
Feriyanto, Y.E. (2020). Prinsip Pembakaran Hydrocarbon untuk Mencapai Efisiensi Tinggi di PLTU), Best Practice Experience in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

Referensi: 
[1] Woodruff, E.,Lammers, H., dan Lammers, T. (2000). Steam Plant Operation. Eighth Edition Handbook
[3] Feriyanto, Y. E. (2019). Perhitungan Efisiensi Boiler Metode Heat-Loss Menurut ASME PTC 4.1, Best Practice Experience in Power Plant. Surabaya

Ingin Konsultasi dengan Tim Expert Website, Silakan Hubungi KLIK

Cara Menurunkan Temperatur Superheated Steam (Desuperheater) di PLTU

Diposting oleh On Monday, June 22, 2020

Superheated Steam (uap kering) adalah saturated steam (uap basah) yang dipanaskan terus-menerus pada tekanan yang sama sehingga heat (Btu/lb atau kJ/kg) naik. Heat adalah energi panas yang bisa digunakan untuk menggerakkan turbine.
Di operasi PLTU, temperatur superheated steam dijaga pada kondisi tertentu untuk menjaga kualitas heat agar tidak terlalu boros atau kurang dan sesuai dengan kemampuan desain blade turbine. Jika temperatur terlalu tinggi, bisa menyebabkan efisiensi turun dan pemuaian di turbine melebihi ambang batas sehingga perlu dilakukan beberapa alternatif untuk menurunkan temperatur seperti: (Woodruff et al, 2000)

BACA JUGA: Steam & Condensate System PLTU
  • Attemperation/Desuperheater
Teknik ini ada 2 yaitu: (i) injeksi langsung dan kontak dengan superheated steam dengan spray, dikenal dengan "spray desuperheater". Spray ini menggunakan demineralized water sehingga kualitas air harus terjaga karena terdapat kontaminan sedikit saja berdampak sangat besar ke blade turbine; (ii) "drum type attemperator" umumnya pada boiler tipe pulverizer dan stocker (memiliki 2 drum yaitu steam drum bagian atas dan water drum bagian bawah). Sistem pendinginan memanfaatkan penggunaan tube yang berisi air dingin di drum bagian bawah (water drum) dengan sistem perendaman antara air dingin dengan tube superheated steam. 
Dikutip dari Handbook Babcock & Wilcox Company, berikut skematik direct contact spray:
Terdapat 3 tipe desuperheater direct contact sebagai berikut:
1. Single-Stage Attemperator
2. Tandem Attemperator, 
3. Multiple-Stage Attemperator
  • Flue Gas Bypass/Flue Gas Proportioning
Flue gas umumnya digunakan untuk membantu pemanasan di economizer, air heater dan superheater. Dengan pengurangan flue gas yang ke superheater dengan pengaturan damper maka temperatur superheater menjadi turun yang berakibat menurunnya temperatur superheated steam.

BACA JUGA: Pemurnian Steam (Uap) Panas Bumi
  • Flue Gas Recirculation
Melakukan adjust untuk mensirkulasikan berulang flue gas setelah digunakan sehingga flue gas akhir akan menyerap panas dari peralatan yang dilewati (furnace) sehingga temperaturnya turun dan temperatur flue gas naik kemudian dibuang ke stack.
Kutip Artikel ini sebagai Referensi (Citation):
Feriyanto, Y.E. (2020). Cara Menurunkan Temperatur Superheated Steam (Desuperheater) di PLTU, Best Practice Experience in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

Referensi: 
[1] Woodruff, E.,Lammers, H., dan Lammers, T. (2000). Steam Plant Operation, Eighth Edition Handbook
[2] The Babcock & Wicox Company. Boilers, Superheaters and Reheaters

Ingin Konsultasi dengan Tim Expert Website, Silakan Hubungi KLIK

Subcritical-Supercritical dan Steam Drum Boiler di PLTU

Diposting oleh On Friday, October 23, 2015

Dilihat dari phase-nya, boiler terbagi menjadi 3 yaitu:
  • Subcritical Boiler
Subcritical artinya adalah phase yang terbentuk di boiler tidak homogen (masih bisa dibedakan antara cair dan uap) sehingga tipe boiler ini membutuhkan steam drum/boiler drum untuk memisahkan kedua phase untuk lanjut dipanaskan kembali menjadi superheated steam yang digunakan untuk memutar sudu turbine. Operasi subcritical boiler adalah pada < 22,1 MPa (1 bar = 0,98 kgf / cm2 = 0,1 MPa) = 220 bar (Zhou and Turnbull, 2002). Contoh operasi boiler P = 170 bar dan T = 540 oC mempunyai efisiensi dengan kisaran 32 - 38 %.
Berdasarkan Handbook Kurita (1999), pressure boiler/tekanan boiler dibedakan menjadi 3 sebagai berikut:
"Subcritical is not homogeneous produced phase in Boiler (still can be distinguished between liquid and vapor) so that this types Boiler requires a Steam Drum to separate 2 phases before it is used to rotate Turbine Blade. Subcritical Boiler operation 22,1 MPa (1 bar = 0,98 kgf / cm2 = 0,1 MPa). Examples Boiler operation are P = 170 bar dan T = 540 oC has the efficiency of 32 - 38 %."

  • Supercritical Boiler
Supercritical artinya keadaan substansi dimana tidak bisa dibedakan antara phase cair dan uap (kedua phase homogen) dan tipe boiler ini tidak membutuhkan steam drum sehingga sering disebut once through boiler (boiler satu kali lewatan dimana air masuk langsung menjadi steam dan langsung digunakan untuk memutar sudu turbine). Air mencapai keadaan critical pada tekanan 22,1 MPa, jadi operasi supercritical boiler > 22,1 MPa. Contoh operasi boiler ini adalah P = 250 bar dan T = 615 oC mempunyai efisiensi kisaran pada 37 - 42 %. Terdapat pengendalian superketat terhadap parameter kualitas air pada boiler tipe ini salah satunya adalah pengendalian dissolved oxygen hanya menggunakan all-volatile treatment (AVT) seperti ammonia dan hydrazine. Baca detail di: Siklus All-Volatile Treatment (AVT) Uap-Air di PLTU. Batasan parameter DO sudah terkendali adalah 25-50 ppb.

"Supercritical is substance condition which it can not be distinguished between liquid and vapor phases (2 phases is homogeneous) and this types a Boiler no requires Steam Drum so that called One Through Boiler (one through direct to be used to rotate Turbine Blade). Water reach Critical Point at pressure 22,1 MPa, so operating of Supercritical Boiler must > 22,1 MPa. Examples Boiler operating are P = 250 bar dan T = 615 oC has the efficiency of 37 - 42 %."

  • Ultra Supercritical Boiler
Boiler supercritical & ultra supercritical didesain dengan konstruksi metalurgi yang sangat baik (high grade quality) karena tidak adanya steam drum, sehingga konstruksi boiler dan turbine dijaga jangan sampai terdapat reaksi kerak dan korosi. Contoh operasi ultra supercritical boiler adalah pada P = 300 bar dan T = 630 oC mempunyai efisiensi kisaran pada 43 - 45 %.
Penambahan tingkat efisiensi boiler berdampak menurunnya biaya operasional dan mengurangi emisi CO2

"Supercritical Boiler designed with the best metallurgical construction (high grade quality) because it is no Steam Drum, so that construction Boiler and Turbine are guarded from reaction of scale and corrosion. Examples Ultra Supercritical Boiler operating are P = 300 bar and T = 630 oC has the efficiency of 43 - 45 %.
The addition degree of Boiler efficiency has effect decreasing operational cost and reduce CO2 emissions."
Berdasarkan literatur dari Basu (2019) seperti berikut:

Rankine Cycle with Superheater
Keterangan : 
1 - 2 : Siklus awal yaitu air dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi (menggunakan pompa BFP) yang kemudian dilewatkan ke pre-boiler (economizer) untuk dipanaskan awal, sehingga temperatur pelan-pelan naik
2 - 3 : Proses pemanasan di boiler pada tekanan tetap, sehingga air berubah menjadi saturated steam dan entropi naik (energi per satuan temperatur yang tidak bisa digunakan untuk melakukan kerja)
3 - 3' : saturated steam yang terbentuk harus dipanaskan lagi sehingga temperaturnya naik yang berimbas juga pada tekanan naik dan berubah menjadi superheated steam. Kenaikan pressure inilah yang digunakan untuk memutar sudu turbine
3' - 4' : superheated steam telah digunakan untuk memutar sudu turbine tekanan tinggi sehingga temperatur dan tekanan pelan-pelan turun
4' - 4 : entropi terus turun karena mengikuti penurunan temperatur namun energi yang ada pada steam masih bisa dinaikkan lagi temperaturnya (reheater) pada siklus 4 - 3 sehingga bisa digunakan untuk memutar sudu turbine tekanan rendah
4 - 1 : Setelah tekanan menjadi rendah, low pressure steam diubah menjadi air lagi di condenser
Siklus terjadi terus menerus dalam keadaan tertutup (close cycle) dan proses inilah yang terjadi di PLTU.

"Description :
1 - 2 : the first cycle is water pumped from low pressure to high pressure (BFP) then to Pre Boiler (Economizer) to be heated so that rising temperature
2 - 3 : heating process in Boiler at constant pressure, so that water converted into Saturated Steam
3 - 3' : Saturated Steam that produced must be heated again so that rising temperature at constant pressure and changed to Superheated Steam
3' - 4' : Superheated Steam used to rotate Turbine Blade so that decreasing of temperature and pressure
4 - 1 : after pressure become low. Low Pressure steam converted into water in Condenser
The cycles occur continuously in close cycle and this is occuring process in PLTU"

Steam Drum
Diambil dari handbook (Babcock & Wicox) didapat informasi bahwa fungsi steam drum sebagai berikut:
  • Mencampur feedwater dengan saturated water sisa pemisahan uap dan air
  • Mencampur injeksi kimia agar merata ke semua sistem
  • Memurnikan steam dari kontaminan dan kandungan moisture
  • Sebagai sarana blowdown untuk membuang solid content yang tertangkap
  • Sebagai water storage emergency ketika boiler terjadi perubahan beban
  • Mencegah water droplet carry-over ke superheater yang memungkinkan thermal damage bisa terjadi
  • Mengurangi steam carry-under yang bisa menyebabkan penurunan hydraulic pumping head
  • Mencegah carry-over solid yang ter-disoolved yang bisa menyebabkan kerusakan pada turbine
Berikut penampang steam/water drum di PLTU:

Referensi:
[1] Feriyanto, Y.E. (2015). Best-Practice Experience in Steam Power Plant, Surabaya
[2] The Babcock & Wilcox Company. Boiling Heat Transfer, Two-Phases Flow and Circulation
[3] http://www.answers.com/Q/What_is_difference_between_subcritical_supercritical_boiler
[4] http://www.scribd.com/doc/87622501/Super-Critical-Boilers-vs-Sub-Critical-Boilers
[5] http://www.nationalboiler.com/blog/boiler-repair/the-benefits-of-supercritical-boilers
[6] http://www.slideshare.net/SHIVAJICHOUDHURY/super-critical-boiler 
[7] http://www.erc.uct.ac.za/jesa/volume19/19-1jesa-kapooria-etal.pdf
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_cycle
[9] Zhou, S., and Turnbull, A. (2002). Steam Turbine Operating Condictions, Chemistry of Condensate, and Environment Assisted Cracking - A Critical Review. UK
[10] Kurita. (1999). Handbook of Water Treatment, Second Edition. Japan
[11] Basu, P. (2019). Power Plant Instrumentation and Control Handbook. Chapter 2. Main Equipment
Kutip Artikel Ini Sebagai Referensi (Citation):
Feriyanto, Y.E. (2015). Subcritical-Supercritical dan Steam Drum Boiler di PLTU, Best Practice Experience in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

ARTIKEL TERKAIT: 
1. Macam - Macam Boiler 
2. Macam Cycle Proses 
3. Boiler & Permasalahannya