Analisis Perpindahan Panas Pada Ekonomiser DI Pltu Pulang Pisau

ROTARY ISSN: 2721-6225 (print) ISSN: - (online) Volume 2 No 1 2020 https://ppjp.ulm.ac.id/journals/index.php/rot page 1-14 ANALISIS PERPINDAHAN PANAS PADA EKONOMISER DI PLTU PULANG PISAU Syahrul Fajar Setiawan1), Aqli Mursadin2) 1,2 Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lambung Mangkurat Jl. Akhmad Yani Km.36 Banjarbaru, Kalimantan Selatan, 70714 E-mail: Syahrulsetiawan056@gmail.com Abstract Economizer is a tool used to heat feed water before entering boiler by utilizing heat from the combustion gas in the boiler. With the increasing temperature of boiler filler water, it is also expected to increase boiler efficiency. In this study, data collection was carried out in the control room and the data that was taken, Tc.i (the temperature of the incoming water economizer), Tc.o (the exit water temperature of the economizer), Th.i (flue gas temperature before entering economizer) and Th.o (flue gas temperature exit the economizer). High heat transfer coefficient 4260,492 Btu/h.ft2.°F and low heat transfer coefficient 4251,243 Btu/h.ft2.°F. Highest the efficiency 87,43 % and the lowest 80,76 %. Keywords: Economizer, Heat Transfer, Efficiency Abstrak Ekonomiser adalah alat yang digunakan untuk memanaskan air umpan sebelum memasuki boiler dengan memanfaatkan panas dari gas pembakaran di boiler. Dengan meningkatnya suhu air pengisi boiler, juga diharapkan meningkatkan efisiensi boiler. Dalam penelitian ini, pengumpulan data dilakukan di ruang kontrol dan data yang diambil, yaitu Tc.i (suhu economizer air yang masuk), Tc.o (suhu air keluar dari economizer), Th.i (suhu gas buang sebelum memasuki economizer) dan Th.o (suhu gas asap keluar dari economizer). Koefisien perpindahan panas tertinggi 4260.492 Btu / h.ft2. ° F dan koefisien perpindahan panas terendah 4251.243 Btu / h.ft2. ° F. Efisiensi tertinggi 87,43% dan terendah 80,76%. Kata kunci: Ekonomiser, Perpindahan Panas, Efisiensi PENDAHULUAN Energi yang paling dibutuhkan manusia untuk menunjang kehidupan salah satunya adalah energi listrik. Manusia membutuhkan energi listrik untuk kepentingan rumah tangga, industri serta untuk menunjang sarana prasarana yang lainnya. Kebutuhan hidup manusia semakin lama semakin meningkat, peningkatan kebutuhan manusia juga diikuti dengan kebutuhan energi yang juga semakin meningkat. Energi listrik yang besar serta penggunaannya yang terus menerus tidak dapat tersedia secara alami. Oleh sebab itu dibutuhkan pembangkit listrik yang handal (Supriyo 2015). Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) merupakan pembangkit listrik dengan bahan bakar batubara yang memanfaatkan fluida kerja berupa uap (steam) untuk menggerakkan turbin yang bertindak sebagai penggerak mula yang 1 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 kemudian turbin akan memutar rotor generator untuk menghasilkan listrik. Dalam proses produksi listrik, banyak terjadi proses konversi energi. Proses konversi energi sendiri merupakan proses perubahan energi berdasarkan perubahan bentuk dan sifatnya. Berawal dari energi kimia yang terdapat pada barubara yang dikonversi menjadi energi kalor dalam proses pembakaran. Kemudian dikonversi lagi menjadi energi kinetik berupa aliran uap (steam), selanjutnya dikonversi menjadi energi mekanik melalui putaran turbin dan pada proses akhirnya energi mekanik tersebut dikonversikan menjadi energi listrik melalui generator (Supriyo 2015). PLTU Pulang Pisau memiliki kapasitas 2 × 60 MW, digunakan untuk mengalirkan listrik untuk wilayah Kalimantan Tengah. Ekonomiser merupakan suatu alatvpemindahwpanaswberbentukwtubular yang fungsinya untuknmemanaskannaireumpan boiler sebelum masuk kedalam steam drum. Istilahvekonomiser diambiledari fungsinya alat tersebut, yaituvuntuk menghematd(to economize) pemakaian bahan bakar denganvmemanfaatkan panas (recovery) gasvbuangvsebelumvdibuangvkenatmosfir (Akbar 2009). Gas buang yang temperaturnya cukup tinggi tidak dibuang begitu saja, tetapi digunakan untuk memanaskan air sebelum air tersebut dipanaskan didalam boiler. Dengan dipanaskannya air di ekonomiser menyebabkan temperatur air yang masuk kedalam boiler sudah cukup tinggi, sehingga dapat mengurangi pemakaian bahan bakar. Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dalam PLTU, energimprimermyang dikonversikanmmenjadi energimlistrik adalah bahanmbakar. Baban bakardyang digunakanwdapat berupawbatubara (padat),sminyak (cair), atausgas. Ada kalanyasPLTU menggunakanskombinasi beberapacmacam bahan bakar (Muslim 2008). Konversisenergi tingkat pertama yang berlangsung dalam PLTU adalah konversi energi primersmenjadi energi panas (kalor). Hal ini dilakukansdalam ruang bakarndari keteleuap PLTU. Energi panas ini kemudiansdipindahkan ke dalameair yang adaedalam pipa ketel untuk menghasilkan uap yang dikumpulkan dalamedrum dari ketel. Uap dari drumyketel dialirkan ke turbinsuap. Dalam turbin uap, energieuap dikonversikan menjadisenergi mekanis penggerakegenerator, dan akhirnyaeenergi mekanikedari turbin uap ini dikonversikanemenjadi energi listrik olehegenerator (Muslim 2008). Secara umum siklus PLTU dapat dilihat seperti Gambar 1. Gambar 1. Siklus PLTU 2 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 Pertama air denim yang berada pada hotwell menujuecondensate pump untukedipompakan menuju ke LP Heater (Low Pressure Heater), didalam LP Heater ini air dipanaskan tahap pertama dengan memanfaatkan uap dari ektraksi turbin. Setelah dari LP Heater air menuju Dearator, di dearator ini air akan melepaskan ion-ioan mineral kemungkinan masih terkandung dalam air yang tidakediperlukan sepertieoksigen dan lain-lain. Selanjutnya air menuju boiler feed pump untuk dipompakan menuju keboiler, air yang dipompakan melalui boiler fee pump tersebut menjadi bertekanan tinggi. Sebelum air menuju keboiler, air tersebut melewati HP Heater (High Pressure Heater) terlebih dahulu, didalalam HP Heater ini juga dilakukan pemanasan air. Setelah melewati HP Heater air tersebut juga melewati ekonomiser, di ekonomiser ini air juga dipanaskan dengan memanfaatkan gas buang sisa pembakaran didalam boiler. Didalam boiler air dipanaskan hingga menjadi uap. Tetapi uap dari pemanasan diboiler tersebut masih berupa uap jenuh, setelah welewati super heater barulah uap jenuh tersebut berubah menjadi uap kering. Uap kering inilah yang digunakan untuk memutar turbin. Uap yang telah selesai digunakan untuk memutar turbin kemudian didinginkan di kondensor, didalam kondensor ini uap mengalami proses kondensasi sehingga uap tersebut berubah menjadi air lagi dan masuk kedalam hotwell. Siklus Rankine Siklus yang dipakai pada PLTU merupakan siklus rankine, ciri-ciri utama siklus rankine yaitu fluida yang digunakan berupa air. Siklus rankine merupakannsiklus ideal untuknpembangkit tenaga uap. Pada siklus rankine sederhana terdapat 4 proses, dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3. Gambar 2. Siklus Rankine Gambar 3. Siklus Rankine 3 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 1-2 2-3 3-4 4-1 Fluida dalam bentuk air dipompa dari tekanan rendah hingga menjadi tekanan tinggi. Fluida air tekanan tinggi masuk ke dalam boiler, kemudian air dipanaskan hingga menjadi uap. Uap dari boiler digunakan untuk memutar turbin. Setelah uap keluar dari turbin, uap tersebut masuk kedalam kondensor dan berubah menjadi cair kembali. Siklus Rankine Reheat Ideal Dalam siklus rankine reheat ideal melakukakan 2 proses ekspansi, ekspansi yang pertama pada HPH (High Pressure Turbin) kemudian ekspansi kedua pada LPH (Low Pressure Turbin). Proses siklus rankine reheat ideal dapat dilihat pada Gambar 4 dan Gambar 5. Gambar 4. Siklus Rankine Reheat Ideal Gambar 5. Siklus Rankine Reheat Ideal 1 –v1’ Terjadi kenaikanntekanan pada air, menggunakan condensate extraction pump. 1’ –v2 Terdapat proses pemanasancair pada low pressure heater. 2 –v2’ Air dipompa dengan boiler feed pump sehingga tekanan naik. 2’ –v3 Proses pemanasanair pada high pressure heater dan ekonomiser. 3 –v4 Terjadi prosesypemanasan air didalamyboiler hinggaymenjadi uap. 4 –v5 Pemanasanyuap sehingga akanymenjadi uap keringypada superheater. 5 –v6 Ekspansi uapvpada high pressure turbine. 4 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 6 –v7 Uap keluaran dari high pressure turbine dipanaskan kembali didalam reheater. 7 –v7’ Ekspansi uapvyang keluarydari reheater di dalam intermediate pressure turbine. 7’ –v8 Ekspansyuap di dalam low pressure turbine. 8 –v1 Uap didinginkan didalam kondensor sehingga berubah kembali menjadi air. Boiler Boiler adalah bejanantertutup dimananpanas pembakaranndialirkan ke air sampainterbentuk air panasnatau steam. Air panasnatau steam padantekanan tertentunkemudian digunakannuntuk mengalirkannpanas ke suatunproses. Air adalah medianyang berguna dannmurah untuk mengalirkannpanas ke suatu proses. Jika air dididihkannsampai menjadinsteam, volumnya akannmeningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkanntenaga yang menyerupainbubuk mesiueyang mudahemeledak (UNEP, 2006). Boiler terdiri atas beberapa sistem: sistemcairnumpan, sistemcsteamndan sistem bahannbakar. Sistemcair umpancmenyediakan aircuntuk boilercsecara otomatiscsesuai denganckebutuhancsteam.wBerbagai kranndisediakanwuntuk keperluan perawatanwdan perbaikan.wSistem steam untukwmengumpulkanvdan mengontrol produksinsteam didalamvboiler. Steamcdialirkancmelaluiwsistem pemipaanvketitikepengguna. Sistemvbahancbakar merupakan semuacperalatan yangedigunakancuntuk menyediakanvbahanvbakarwuntukvmenghasilkanvpanas yangwdibutuhkan (UNEP, 2006). Gambar 6. Boiler Ekonomiser Ekonomiser merupakan alat yang digunakan sebagai pemanas air umpan (feed water) sebelum air tersebut menuju boiler, yang memanfaatkan panas dari gas buang sisa pembakaran pada boiler.vDengan meningkatnyavtemperatur air keluarvdari ekonomiser makavtemperaturvair padavsteam drumvjuga akanttinggi. 5 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 Penggunaan ekonomiser pada boiler ini diharapkan dapat menaikan efisiensi pada boiler. Menurut pelitian yang dilakukan oleh Murni (2011), yang berjudul “Menaikkan Efisiensi Boiler Dengan Memanfaatkan Gas Buang Untuk Pemanas Ekonomiser”. Boiler dengan menggunakan ekonomiser sebagai pemanas air dapat menaikan efisiensi boiler tersebut. Efisiensi pada boiler ini naik sekitar 1,7 %. Bila efisiensi ini dikalikan dengan pemakaian bahan bakar rata-rata dan harga bahan bakar batu bara, dapat menghemat pemakaian bahan bakar selama satu bulan. Gambar 7. Ekonomiser Model Pipa Ekonomiser Pada pipa ekonomiser terdapat beberapa model yang dapat dilihat pada Gambar 8. Gambar 8. Model pipa pada ekonomiser 6 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 Kontruksi Ekonomiser Dapat dilihat pada Gambar 9 merupakan kontruksi pada ekonomiser. Gambar 9. Kontruksi ekonomiser Perpindahan Panas (Heat Transfer) Heat transfer atau perpindahanvpanas merupakanvilmu yangfmempelajari tentang caraemenghasilkan panas,vmenggunakan panasvdan mengubahvpanas padaesuatuesistem. Menurut (Buchori, 2004) perpindahan panas terjadi menurut 3 mekanisme yaitu: 1. Perpindahan panas konduksi Perpindahan panas konduksi merupakan proses perpindahan panas yang temperaturnya mengalir dari tempat yang temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah, tetapi media untuk perpindahan panasnya tetap. Gambar 10. Perpindahan Panas Konduksi Pada Bahan Dengan Panjang Yang Berbeda 7 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 2. Perpindahan panas konveksi Perpindahanfpanas konveksifadalah perpindahanfpanas di mana cair atau gas yang mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur yang rendah. Perpindahan panas konveksi ini terjadi antara permukaan padat dengan fluida yang mengalir disekitarnya. Perpindahan panas secara konveksi terjadi melalui 2 cara, yaitu. a. Konveksi bebas Perpindahan panas secara konveksi bebas disebabkan oleh beda suhu dan beda rapat saja dan tidak ada tenaga dari luar yang mendorongnya. b. Konveksi paksa Perpindahan panas secara konveksi paksa yaitu ketika perpindahanfpanas yangfaliran gasfataufcairannya disebabnkan adanyaftenaga darifluar. Gambar 11. Ruangan dengan Sumber Panas pada Salah Satu Sudutnya 3. Perpindahan panas radiasi Perpindahanvpanas radiasiwmerupakan perpindahanvpanas yangvterjadi karenavpancaran sinar radiasiwgelombangwelektromagnetik. Jadi perpindahan panasvradiasi tidakvmemerlukan media,vsehingga perpindahanvpanas bisavsaja berlangsungedalam ruanganehampa udara. Analisis Perpindahan Panas Menentukan bilangan Reynold Bilangan reynold dapat dicari dengan menggunakan rumus dibawah ini. Menentukan bilangan prandtl Bilangan prandtl dapat dicari menggunakan aplikasi steam tab atau dengan rumuserumusesepertiedibawaheini. 8 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 Di mana: = viskositas kinematik (m2/s) Cp= kalor spesifik fluida (kJ/kg.°K) K = konduktivitas termal (W/m.°K) Menentukan bilangan nusselt Bilangan nusselt dapat dicari dengan menggunakan rumus dibawah ini. Menentukan koefisien perpindahan panas Koefisien perpindahan panas dapat dicari dengan menggunakan rumus dibawah ini. Menentukan Log Mean Temperture Difference (LMTD) Log Mean Temperature Difference dapat dicari dengan menggunakan rumus dibawah ini. Faktor koreksi untuk LMTD Dari grafik faktor koreksi antara hubungan R dan P akan didapatkan nilai Fr. 9 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 Δt = LMTD × Fr Gambar 12. Grafik faktor koreksi untuk LMTD Menentukan Efisiensi pada Ekonomiser Efisiensi pada ekonomiser dapat dicari dengan menggunakan rumus dibawah ini. METODE PENELITIAN 1. Metodologi Pengumpulan Data Pengumpulan data data didapatkan di komputer kontrol PLTU yang tempatnya di CCR dan data yang diperoleh yaitu, Tc.i = temperatur air masuk ekonomiser, Tc.o = temperatur air keluar ekonomiser, Th.i = temperatur gas buang masuk ekonomiser dan Th.o = temperatur gas buang keluar ekonomiser. 2. Metodologi Pengolahan Data Metode pengolahan data dalam penelitian ini yaitu, data yang didapat kemudian dihitung secara manual dengan mengunakan rumus-rumus. 10 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 3. Digram Alir Penelitian Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 13. Gambar 13. Diagram Alir Penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan perhitungan yang dilakukan sesuai dengan metodologi penelitian, maka didapatkan hasil sebagai berikut: 11 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 Temperatur Ekonomiser Tabel 1. Data temperatur air dan gas buang Koefisien Perpindahan Panas Ekonomiser 4262 4260 Koefisien perpindahan panas Btu/h.ft2.°F 4258 4256 4254 4252 4250 4248 4246 waktu Gambar 14. Grafik Koefisien Perpindahan Panas Pada Ekonomiser Dapat dilihat pada Gambar 14, perpindahan panas tertinggi yaitu 4260,492 Btu/h.ft2.°F. Sedangkan nilai perpindahan panas terendah yaitu 4251,243 12 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 Btu/h.ft2.°F. Faktor yang mempengaruhi tinggi dan rendahnya koefisien perpindahan panas pada ekonomiser adalah fluidanya itu sendiri. Semakin besar nilai temperatur rata-rata fluida maka koefisien perpindahan panasnya akan semakin besar. Sedangkan jika temperatur rata-rata fulidanya rendah maka nilai koefisiean perpindahan panasnya juga akan rendah. Efisiensi Ekonomiser 88 Efisiensi % 86 84 82 80 78 76 waktu Gambar 15. Grafik Efisiensi Ekonomiser Dapat dilihat pada Gambar 15, efisiensi tertinggi ekonomiser yaitu 87,43% dan efisiensi terendah pada ekonomiser yaitu 80,76%. Faktor yang mempengaruhi tinggi dan rendahnya efisiensi pada ekonomiser adalah selisih temperatur flue gas masuk (Th.i) dan temperatur feed water masuk (Tc.i). Jika selisih nilainya besar efisiensinya akan kecil dan jika selisih nilainya kecil efisiensinya besar. KESIMPULAN Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada perhitungan koefisien perpindahan panas pada ekonomiser, nilai koefisien perpindahan panas tertinggi yaitu 4260,492 Btu/h.ft2.°F. Sedangkan nilai perpindahan panas terendah yaitu 4251,243 Btu/h.ft2.°F. 2. Hasil perhitungan pada efisiensi ekonomiser, efisiensi tertinggi yaitu 87,43% dan efisiensi terendah yaitu 80,76%. 13 Setiawan, S.F & Mursadin, A /Rotary 2 (1) 2020, 1-14 REFERENSI Akbar,Sjahid.M, Suryadi,Fredi dan Prastyo,dwi.D. 2009. Kinerja Economizer Pada Boiler. Murni. 2011. Menaikkan Efisiensi Boiler Dengan Memanfaatkan Gas Buang Untuk Pemanas Ekonomiser. Luqman Buchori. 2004. Buku Ajar Perpindahan Panas 1. Semarang. Sunarwo dan Supriyo. 2015. Analisa Heat Rate Pada Turbin Uap Berdasarkan Performance Test Pltu Tanjung Jati B Unit 3. Supari Muslim, Joko dan Puput Wanarti R. 2008. Teknik Pembangkit Tenaga Listrik. UNEP. 2006. Energy Efficiency Guide For Industry In Asia. 14