Explain how the boiler work as figure below including function, part of boiler, materials used, heat transfer mode. Explain the maintenance need for boiler!
Boiler
Boiler adalah sebuah bejana tertutup yang digunakan untuk memisahkan fluida antara fase gas (uap) dan fase cair (air). Boiler secara umum terdiri dari beberapa sistem, diantaranya adalah sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar yang terintegrasi menjadi satu kesatuan. Sistem air umpan berfungsi sebagai penyedia air untuk boiler yang bekerja secara otomatis sesuai kebutuhan steam dan kemampuan dari boiler itu sendiri. Sedangkan sistem steam berfungsi sebagai penyedia uap air untuk proses pada plant yang lain. Pressure yang dihasilkan oleh boiler dipengaruhi oleh sistem bahan bakar dan kondisi level air yang terdapat di dalam boiler.
Cara Kerja Boiler
Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam, dan sistem bahan bakar. Pada gambar yang terdapat pada soal, sistem air umpan masuk melalui water inlet menuju ke water tubes. Di water tubes air mengalami pemanasan yang diberikan dari sumber panas di combustion chamber. Proses pembakaran yang terjadi di combustion chamber tentu menghasilkan exhaust gas yang akan keluar melalui flue. Dari water tubes, air mendidih dan uap air naik ke steam outlet yang merupakan sistem steam. Adapun yang merupakan sistem bahan bakar adalah air and fuel inlet.
Komponen Boiler
1. Air and fuel inlet
Komponen yang berfungsi menyemprot bahan bakar ke dalam combustion chamber sehingga pembakaran mudah terjadi.
2. Combustion chamber
Komponen ini merupakan tempat pembakaran bahan bakar. Combustion chamber atau ruang bakar digunakan untuk memanaskan air. Diameternya kurang dari 1 meter. Api yang dihasilkan adalah hasil pencampuran dari bahan bakar, udara dan bahan lain yaitu LPG serta dengan bantuan elektroda untuk penyalaan awal. Api yang dihasilkan tersebut dihembuskan ke seluruh combustion chamber oleh motor blower melewati water tubes sampai terjadi proses penguapan.
3. Water tubes
Komponen ini merupakan pipa dengan diameter 55 mm yang jumlahnya mencapai 1062 buah yang fungsinya untuk proses pemanasan air.
4. Steam Drum
Komponen ini merupakan tempat penampungan air panas dan steam. Steam masih bersifat jenuh (saturated steam). Tangki atau drum sering disebut juga badan ketel uap yaitu tempat beroperasinya ketel uap di dalamnya terdapat instrument-instrumen yang menjalankan proses pemindah panas seperti combustion chamber dan water tubes, dalam badan ketel inilah sejumlah air ditampung untuk dipanaskan.
5. Steam outlet
Komponen ini merupakan tempat keluarnya steam atau uap dan siap dikirim melalui main steam pipe dan siap untuk menggerakkan turbin uap atau menjalankan proses industri.
6. Water inlet
Komponen yang berfungsi untuk mengalirkan air ke water tubes untuk dipanaskan dan diubah menjadi uap.
7. Flue
Komponen yang berfungsi sebagai saluran untuk sisa gas pembakaran keluar.
Material Boiler
Material yang dapat digunakan untuk membuat komponen-komponen boiler, antara lain:
– Cast iron: material kualitas tingi yang bagus untuk sistem pemanasan air.
– Steel: mudah terkena korosi.
– Copper: transfer kalor baik, tetapi umur pakai rendah.
– Alloys (copper-nickel alloy): mulai banyak dikembangkan.
– Stainless steel: mulai banyak dikembangkan juga.
Mode Perpindahan Kalor
Mode perpindahan kalor pada boiler adalah dengan cara konveksi dan konduksi. Dimana combustion chamber menghasilkan panas dan di transfer secara konveksi ke water tube. Kemudian water tubes secara konduksi menghantarkan ke air.
Pemeliharaan Boiler
Cara terbaik dalam pemeliharaan boiler, antara lain:
– Menjaga boiler tetap bersih dari residu, seperti jelaga atau kerak.
– Menjaga kandungan dalam air yang digunakan dengan water chemical treatment plan.
– Minimize Boiler Blowdown.
– Melakukan inspeksi dan melakukan perbaikan pada sistem insulasi.
– Sample Maintenance Logs & Boiler Checklists.
Jelaskan tentang bagaimana kerjanya turbin, sifat material apa yang diperlukan untuk turbin blade. Bagaimana proses pengujian dan pemeliharaan yang diperlukan?
Turbin gas
Turbin gas adalah suatu penggerak yang memanfaatkan gas sebagai fluida yang bekerja. Di dalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran yang menggerakkan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin. Turbin gas dapat digunakan pada berbagai bidang industri, diantaranya pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi.
Cara Kerja Turbin
Udara masuk ke dalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor ini berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, akibatnya temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara yang telah dikompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudut-sudut turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut:
1) Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan.
2) Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.
3) Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle)
4) Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.
Gambar 1. Rangkaian komponen-komponen turbin
Sifat Material Turbin Blade
Pada aplikasinya, material yang dapat digunakan sebagai turbin blade harus memiliki sifat-sifat yang unggul, khususnya pada suhu tinggi. Adapun sifat-sifat yang harus dimiliki tersebut, antara lain:
- Ketahan korosi (khususnya pada tingkat tekanan rendah).
- Kekuatan tarik yang tinggi (untuk menahan tegangan centrifugal dan bending).
- Ulet (untuk mengakomodasi puncak tegangan dan konsentrasi tegangan).
- Kekuatan impak (untuk menahan hantaman air).
- Material damping (untuk mengurangi tegangan vibrasi).
- Ketahanan creep yang tinggi.
Proses Pengujian dan Pemeliharaan
Proses pengujian yang perlu dilakukan terhadap material turbin, antara lain:
1) Uji korosi (pada temperatur tinggi)
2) Uji tarik
3) Uji impak
4) Uji fatik
5) Uji creep
6) Ultrasonic Testing (ASTM A 418 Test Method for Ultrasonic Examination of Turbine and Generator Steel Rotor Forgings dan ASTM A 531 Practice for Ultrasonic Examination of Turbine-Generator Steel Retaining Rings)
7) Radiografi (ASTM E 2104 Practice for Radiographic Examination of Advanced Aero and Turbine Materials and Components)
8) Uji kestabilan terhadap panas (ASTM A 472 Test Method for Heat Stability of Steam Turbine Shafts and Rotor Forgings)
Mengenai proses pemeliharaannya, komponen-komponen turbin tentu harus dilakukakn inspeksi secara berkala pada setiap komponen. Pelumasan juga perlu dilakukan dengan baik dan benar untuk mnjaga agar komponen turbin dapat digunakan untuk waktu yang lama. Adapun standar mengenai pelumasan, yaitu:
- ASTM D 4241 Practice for Design of Gas Turbine Generator Lubricating Oil Systems
- ASTM D 4293 Specification for Phosphate Ester Based Fluids for Turbine Lubrication
- ASTM D 4304 Specification for Mineral Lubricating Oil Used in Steam or Gas Turbines
- ASTM D 6439 Guide for Cleaning, Flushing, and Purification of Steam, Gas, and Hydroelectric Turbine Lubrication Systems
Jelaskan tentang Heat Exchanger dan tentukan sifat fisik dan mekanika (bila perlu gunakan standar-standar yang ada) yang diperlukan dari material untuk peralatan ini dan berikan contoh materialnya!
Heat Exchanger
Heat exchanger adalah alat penukar kalor/panas yang memanfaatkan panas suatu aliran fluida (medium penukar kalor) yang lain. Pada saat heat exchanger bekerja, terjadi dua proses sekaligus, yaitu pemanasan fluida dan proses pendinginan fluida yang panas. Suhu fluida yang masuk dan keluar diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar 2 diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida yang berada di dalam tube adalah air, sedangkan fluida yang mengalir di luar tube adalah kerosene, yang semuanya berada di dalam shell.
Gambar 2. Konstruksi Heat Exchanger
Jenis-jenis Heat Exchanger
Berdasarkan standar mekanik dari Tubular Exchanger Manufactures Association (TEMA), terdapat dua macam kelas heat exchanger, yaitu:
1) Kelas R, yaitu untuk peralatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya untuk industri minyak dan kimia.
2) Kelas C, yaitu yang dibuat dengan berdasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri.
Jenis-jenis heat exchanger yang terdapat pada industri perminyakan dapat dibedakan atas:
1) Jenis Shell and Tube
Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana di dalamnya terdapat suatu bundle (berkas) pipa dengan diameter yang relatif kecil. Satu jenis fluida mengalir di dalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir di bagian luar pipa, tetapi masih di dalam shell. Jenis ini seperti pada gambar 2.
2) Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)
Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri-sendiri. Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, heat exchanger ini dibentuk menjadi U. Pada keperluan khusus, untuk meningkatkan kemampuan memindahkan panas, bagian di luar pipa diberi sirip. Bentuk siripnya ada yang memanjang, melingkar dan sebagainya. Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang tinggi, dan resiko tercampurnya kedua fluida sangat kecil. Kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan panasnya yang sangat kecil.
Gambar 3. Alat penukar kalor jenis double pipe.
3) Koil Pipa
Heat exchanger ini mempunyai pipa berbentuk koil yang dibenamkan di dalam sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau yang disemprotkan untuk mendinginkan fluida panas yang mengalir di dalam pipa. Jenis ini disebut juga sebagai box cooler. Jenis ini biasanya digunakan untuk pemindahan kalor yang relatif kecil dan fluida yang di dalam shell yang akan diproses lanjut.
Gambar 4. Pipe Coil Heat Exchanger
4) Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section)
Pada heat exchanger ini pipa-pipa tidak ditempatkan lagi di dalam shell, tetapi dibiarkan di udara. Pendinginan dilakukan dengan mengalirkan air atau udara pada bagian pipa. Berkas pipa itu biasanya cukup panjang. Untuk pendinginan dengan udara biasanya bagian luar pipa diberi sirip-sirip untuk memperluas permukaan perpindahan panas. Seperti halnya jenis koil pipa, perpindahan panas yang terjadi cukup lamban dengan kapasitas yang lebih kecil dari jenis shell and tube.
Gambar 5. Alat penukar kalor jenis open tube section
Sifat Material yang Dibutuhkan
Komponen-komponen utama pada heat exchanger, seperti shell dan tube secara umum harus memiliki sifat yang tahan terhadap suhu tinggi, tahan terhadap korosi, memiliki konduktifitas thermal yang tinggi, densitas rendah, memiliki kekuatan yang tinggi pada suhu tinggi dan mudah dibentuk. Mengeni detail sifat fisik dan mekanik berdasarkan ASME Section II 2004 Boiler and Pressure Vessel Code – Part A (Ferrous Material Specifications) dan Part B (Nonferrous Material Specification), kisaran nilai-nilai sifat fisik dan mekaniknya adalah sebagai berikut:
|
Properties |
Nilai |
|
Tensile strength, ksi [MPa] |
± 70 [485] |
|
Yield strength, ksi [MPa] |
± 36 [250] |
|
Elongation pada 2 in. or 50 mm, % |
± 35 |
Contoh Material
Material yang dapat digunakan untuk membuat komponen-komponen pada heat exchanger, antara lain:
– Cast iron
– Steel
– Nickel dan Nickel alloy
– Copper dan copper alloy
– Aluminum dan aluminum alloy
– Titanium dan titanium alloy
Jelaskan secara menyeluruh/comprehensive apa yang dimaksud dengan tungku/furnace (lihat gambar di bawah)? Dan apa itu bahan refraktori serta apa persyaratan-persyaratan bahan ini?
Tungku/furnace
Tungku/furnace adalah alat yang digunakan untuk melelehkan logam untuk proses pengecoran (casting) atau untuk memanaskan bahan serta mengubah bentuknya (misalnya rolling, tempa) atau merubah sifat-sifatnya (perlakuan panas). Tungku/furnace memiliki komponen-komponen seperti pada gambar yang ditunjukkan pada soal, seperti:
– Furnace chamber: dibangun dari bahan isolasi untuk menahan panas pada suhu operasi yang tinggi.
– Heart: perapian untuk menyangga atau membawa baja, yang terdiri dari bahan refraktori yang didukung oleh sebuah bangunan baja, sebagian darinya didinginkan oleh air.
– Burner: komponen yang mencampur bahan bakar dan oksigen. Bahan bakar yang digunakan bias berbentuk cair atau gas yang berfungsi untuk menaikan dan menjaga suhu dalam ruangan. Batubara atau listrik dapat digunakan dalam pemanasan ulang/reheating tungku/furnace.
– Chimney: berfungsi untuk membuang gas buang pembakaran dari ruangan.
– Charge door dan discharge door: digunakan untuk melakukan pengisian dan pengeluaran muatan. Peralatan bongkar muat termasuk roller tables, conveyor, mesin pemuat dan pendorong tungku/furnace.
Bahan Refraktori
Bahan refraktori atau batu tahan api adalah suatu material inorganik baik natural (langsung dari alam), umumnya senyawa oksida, maupun sintetis, yang mampu mempertahankan sifat mekanis dan kimianya terhadap beban temperatur diatas 15000C tanpa terjadi perubahan bentuk atau melebur. Karena digunakan pada temperatur tinggi serta berbagai lingkungan, beberapa sifat penting yang diperlukan oleh material refraktori antara lain:
- Tahan terhadap suhu tinggi.
- Memiliki sifat refractoriness (tidak berubah bentuk akibat tingginya temperatur) yang sangat baik.
- Tahan terhadap suhu yang mendadak (thermal shock).
- Tahan terhadap reaksi kimia dengan berbagai zat lain selama kontak dalam penggunaan.
- Mampu untuk menahan beban dibawah kondisi suhu tinggi selama operasi.
- Tahan abrasi karena perubahan aliran akibat nyala api, partikel halus, dan gas.
- Harus memiliki perubahan volume yang rendah baik permanen atau reversible pada temperatur pemakaian.
- Tahan terhadap beban pada kondisi perbaikan.
- Dapat bersifat isolator artinya mampu menghemat panas.
- Memiliki koefisien ekspansi yang sangat rendah.
- Tidak boleh mencemari bahan yang bersinggungan.
REFERENSI
- ASME Section II 2004 Boiler and Pressure Vessel Code – Part A (Ferrous Material Specifications) & Part B (Nonferrous Material Specification)
- ASTM International 2004.
- http://ebookbrowse.com/mech7350-06-steam-turbines-pdf-d133782170
- http://rahmanta13.files.wordpress.com/2011/05/turbine-gas.pdf
- http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/16319/3/Chapter%20II.pdf
- http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/18379/4/Chapter%20II.pdf
- http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/33077/3/Chapter%20II.pdf
- http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/Chapter%20-%20Furnaces%20and%20Refractories%20(Bahasa%20Indonesia).pdf
- http://www.recampus.com/documents/book12_c01.pdf
- Mu’ammar, Awal, Hendra Cordova dan Fitri Adi. “Perancangan Sistem Control Level dan Pressure pada Boiler di Workshop Instrumentasi Berbasis DCS Centum CS3000 Yokogawa”. Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya.
- Munir, Badrul. Bahan Kuliah Teknologi Keramik “Refraktori”. Departemen Metalurgi dan Material FTUI 2010.
Material Lounge 