85

ANALISIS KINERJA ALAT SUPERHEATER PADA INSTALASI

PEMBANGKIT TENAGA UAP

Tris Sugiarto *, Chandrasa Soekardi **

Abstract

This paper presents the performance characteristic of a superheater of boiler power plant

evaluated by measuring the working parameters such as pressure, temperature, steam flowrate,

and gas temperatures flowing through the equipment as a function of time during 12 months of

operation with the aim of providing data on the influence of fouling on superheater performance.

These data were used to calculate the change of heat transfer rate with time as fouling

deposition progressed. The results showed that after 12 months of operation the heat transfer

rate declined by 28% below the initial condition. This condition is probably due to more severe

fouling in the equipment. The gas flow rate must be reduced below its design value in order to

maintain the design heat duty when the equipment is first placed in service. Thus the equipment

will have to be taken out for cleaning at an undesirable time. To avoid these conditions it seems

interesting to apply the rational design method providing available information of time

dependence of fouling thermal resistance.

Keywords : boiler, superheater, maintenance, cleaning interval, fouling, heat load, fouling

thermal resistance

PENDAHULUAN

Penelitian ini dilakukan berangkat dari

motivasi untuk mencari solusi atas sebuah

masalah yang dihadapi oleh alat superheater,

yang merupakan salah satu komponen boiler

instalasi pembangkit tenaga uap, yaitu

selama pengoperasiannya alat tersebut harus

mengalami maintenance untuk cleaning

lebih sering daripada seharusnya. Menurut

spesifikasi designnya alat tersebut

seharusnya mengalami maintenance untuk

cleaning satu kali per tahun. Namun pada

kenyataannya, cleaning rata-rata setelah alat

tersebut beroperasi selama 8 bulan sehingga

biaya maintenance menjadi tinggi sekali. * Prodi Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto

** Program Magister Teknik Mesin Universitas

Pancasila Jakarta

Seringnya maintenance

mengakibatkan instalasi mengalami

kehilangan produksi yang signifikan

sehingga kerugian yang dialami instalasi

pembangkit daya menjadi lebih besar. Untuk

mencari solusi atas permasalahan tersebut

maka diperlukan serangkaian pengujian agar

dampak atas masalah yang dihadapi oleh

alat tersebut serta kerugian yang lebih besar

dapat dikurangi atau dihindari.

Peranan alat superheater tersebut

sangat vital, karena apabila performancenya

mengalami gangguan sehingga kinerjanya

menurun, maka tingkat keadaan uap yang

dihasilkan menjadi lebih rendah sehingga

daya yang dihasilkan oleh turbin dapat

menjadi lebih rendah. Pada umumnya

86

penurunan kinerja alat tersebut, di luar

masalah gangguan pada sistem mekaniknya,

disebabkan oleh menurunnya efektifitas

perpindahan panas yang terjadi di dalam alat

tersebut akibat terjadinya pengotoran

permukaan baik oleh aliran fluida uap air di

dalam pipa-pipanya maupun oleh aliran

fluida gas panas yang berasal dari proses

pembakaran bahan bakar di dalam boiler [1],[2].

Pengotoran permukaan (Fouling)

terjadi, di satu sisi akibat pengotoran oleh

kandungan-kandungan senyawa garam yang

terangkut di dalam aliran uap air yang

mengalir di permukaan dalam pipa-pipanya,

dan pada sisi luar pipa oleh partikel debu

dan berbagai

senyawa kimia yang terangkut di dalam

aliran gas panas hasil pembakaran bahan

bakar. Tahanan termal akibat terjadinya

deposit di permukaan menyebabkan laju

pertukaran energi panas antara gas panas

dengan aliran uap air menjadi menurun

sehingga efektifitas perpindahan panasnya

lebih rendah dari seharusnya.

Pada awal pengoperasian, efektifitas

perpindahan panas di dalam alat economiser

masih maksimum sesuai dengan spesifikasi

designnya karena permukaannya masih

dalam keadaan bersih. Namun, setelah alat

tersebut dioperasikan dalam jangka waktu

tertentu efektifitasnya mulai menurun

sejalan dengan terjadinya pengotoran

permukaan. Fouling dapat tumbuh lebih

cepat apabila lapisan deposit yang terbentuk

di permukaan mempunyai sifat adhesif yang

cukup kuat. Selain itu, apabila laju aliran

fluida menurun dan terdapat kondisi gradien

temperatur yang cukup besar di daerah dekat

dengan permukaan maka kecepatan

pertumbuhan deposit juga akan lebih

meningkat [3],[4],[5].

Lapisan deposit yang semakin tebal

juga akan menyebabkan kerugian tekanan

(pressure drop) aliran fluida menjadi

semakin tinggi, sehingga daya pemompaan

yang diperlukan untuk mengalirkan fluida

menjadi lebih tinggi. Selain menyebabkan

kerugian energi kondisi operasi yang

demikian akan menyebabkan laju proses

produksi menjadi menurun. Apabila kondisi

tersebut terus berlanjut biasanya instalasi

proses produksi harus berhenti beroperasi

karena peralatan penukar kalornya harus

menjalani pemeliharaan (maintenance) dan

pembersihan (cleaning).

Berdasarkan uraian di atas maka dua

pertanyaan pokok yang akan dicari

jawabannya melalui penelitian ini adalah

faktor-faktor apa saja yang menyebabkan

alat superheater tersebut lebih sering harus

mengalami maintenance untuk cleaning

daripada seharusnya, dan solusi alternatif

seperti apa saja yang dapat diterapkan untuk

mengatasi permasalahan tersebut

PENGUJIAN ALAT SUPERHEATER

Pada tahap pertama dilakukan

pengukuran, selama jangka waktu 12 bulan

pengoperasian yaitu mulai dari bulan Januari

tahun 2010 sampai dengan bulan Desember

tahun 2010, tingkat keadaan aliran kedua

fluida kerja yang mengalir di dalam alat

superheater yaitu tekanan, temperatur dan

laju aliran massa uap air yang mengalir

masuk dan keluar alat tersebut, serta

temperatur aliran gas hasil pembakaran

masuk dan keluar alat superheater.

Data hasil pengukuran kemudian

dipergunakan untuk mengevaluasi kinerja

alat superheater setelah dioperasikan dalam

jangka waktu tertentu. Parameter-parameter

performance yang dievaluasi meliputi: laju

aliran energi panas yang dilepaskan oleh

aliran gas panas, laju aliran panas yang

diterima oleh aliran uap air, efektivitas

perpindahan panas, koefisien perpindahan

panas global, dan tahanan termal pengotoran

permukaan.

87

Spesifikasi teknis alat superheater yang

menjadi objek studi adalah sebagai berikut:

Tabel 1. Spesifikasi alat superheater

Spesifikasi Alat

Boiler Type Riley-Mitsui “ISR” Water Tube

Boiler

Evaporation MCR 636 T/hr

Steam Pressure Normal (at superheater outlet)

131.5 Kg/m2G

Steam Temperatur (at superheater outlet ) 540 0C

Heating surface Water Wall (Projected)

Economizer

Superheater Reheater

Air Heater

1023 m2

7997 m2

5083 m2 1167 m2

8860 m2

Burner Inlet Air temperatur 221 0C

Draff Loss 150 mmAq

Urnace PresureF 300 mmAq

Combustion Chamber

Dimensions:

Width Length

Height

12.63 m 8.998 m

18.288 m

Sebagian data hasil pengukuran disajikan

dalam tabel di bawah ini:

Tabel 2. Sample data Hasil engujian

No Waktu

(h)

Temp. gas masuk boiler

Thi (0C )

Temp.gas keluar boiler

Tho (0C )

Temp.air masuk boiler

Tci (0C )

Temp.uap keluar boiler

Tco (0C )

Laju aliran

air m(kg /s)

1 0 628 162 264 538 136.11

2 72 628 162 265 538 134.72

3 144 628 162 265 538 133.33

4 216 628 162 264 537 134.72

100 7128 627 162 257 534 127.78

101 7200 627 163 259 535 130.56

102 7272 627 163 258 535 127.78

103 7344 627 163 258 535 127.78

Apabila perubahan energi kinetik dan

energi potensial aliran fluida kerja

diabaikan, maka besarnya laju energi panas

yang diterima aliran uap dapat dihitung

menggunakan persamaan :

Qc = mc . ( ho - hi ) ( 1 )

Dimana , Qc Kalor yang diterima oleh aliran

uap, mc Laju aliran massa uap, Cpc Kalor

jenis fluida, ho Enthalpy uap, hi Enthalpy

uap jenuh .

Kemudian, apabila perpindahan panas antara

aliran fluida kerja di dalam Alat Penukar

Kalor dengan sekelilingnya dapat diabaikan

maka qh = qc =q

Sedangkan besar kalor yang dilepas

aliran gas dapat dievaluasi dengan

persamaan berikut:

Qh = mh . Cph . (Thi - Tho) ( 2 )

Dimana , Qh Kalor yang dilepas oleh

aliran gas, mh Laju aliran massa gas, Cph

Kalor jenis fluida, Thi Temperatur gas yang

masuk ke boiler, Tho Temperatur gas yang

keluasr dari boiler.

Pada proses perpindahan panas antara

aliran fluida panas dan aliran fluida dingin

yang dipisahkan oleh dinding pemisah yang

berupa permukaan pipa dengan ketebalan

tertentu berlangsung melalui beberapa

mekanisme. Antara aliran fluida panas

dengan permukaan dalam pipa mekanisme

perpindahan panasnya adalah konveksi. Dari

permukaan dalam pipa ke permukaan

luarnya perpindahan panas konduksi.

Kemudian dari permukaan luar pipa ke

aliran fluida dingin mekanisme perpindahan

panas konveksi.

Laju perpindahan panas global atau

keseluruhan antara aliran fluida panas di

dalam pipa dengan aliran fluida dingin di

luar pipa pada system tersebut dapat

dinyatakan dengan persamaan :

oo

io

ii

ch

AhkL

dd

Ah

TTQ

1

2

)/ln(1 ( 3 )

atau persamaan tersebut dapat pula

berbentuk :

88

)( ch TTUAQ ( 4 )

dimana,

oo

io

iioi AhkL

dd

AhUAUAUA

1

2

)/ln(1111

( 5 )

di sini, U koefisien global perpindahan

panas di dalam Alat Penukar Kalor, A luas

permukaan reference, di diameter

permukaan dalam tube, do diameter

permukaan luar tube, k konduktifitas termal

bahan pipa, L panjang pipa, h koefisien

perpindahan panas.

ΔTm adalah beda temperature rata-rata

logaritmik yang diberikan oleh persamaan:

)/ln()/ln( 12

12

21

21

TT

TT

TT

TTTm ( 6 )

Bagi konfigurasi aliran yang lainnya,

cross flow dan multi pass flow, persamaan

tersebut di atas dapat dipergunakan tetapi

dengan menerapkan factor koreksi.

Efektivitas proses perpindahan panas

di dalam sebuah alat penukar kalor

didefinisikan sebagai perbandingan antara

laju pertukaran energi panas yang

sebenarnya terjadi terhadap laju pertukaran

energi panas maximum yang dapat terjadi

pada alat tersebut :

€ = ( 7 )

Dimana , Qact Laju pertukaran kalor actual

yang terjadi pada alat, Qmaks Laju

pertukaran maksimum yang dapat terjadi

pada alat.

Qact = Qh

Laju pertukaran energi panas maksimal

yang mungkin dapat diperoleh secara prinsip

dapat dicapai pada sebuah APK jenis aliran

berlawanan (counter flow) dan besarnya

dapat diestimasi dengan menggunakan

persamaan berikut :

icih TTCq ,,minmax ( 8 )

dengan Cmin adalah laju kapasitas panas

yang minimum di antara Cc dan Ch.

Laju kapasitas panas aliran fluida pendingin,

Cc

cpcc cmC , ( 9 )

sedangkan laju kapasitas panas aliran fluida

panas, Ch

hphh cmC , ( 10 )

Tahanan thermal fouling terjadi karena

adanya deposit lapisan pengotoran pada

permukaan bidang pertukaran kalor.

Pembentukan deposit faktor pengotoran

selama pengoperasian boiler pipa air dapat

di evaluasi dengan persamaan sebagai

berikut :

+ Σ Rf ( 11 )

atau

ΣRf −

Dimana, ΣRf Faktor pengotoran, Uc

Perpindahan Panas menyeluruh pada kondisi

bersih saat t = 0, Uf Perpindahan panas

menyeluruh setelah terjadi deposit lapisan

pengotoran.

89

HASIL DAN PEMBAHASAN

Beban termal di dalam alat superheater

Beban termal fungsi waktu

pengoperasian yang bekerja di dalam alat

superheater, atau laju aliran energi panas

yang dilepaskan oleh aliran gas panas dan

kemudian diterima oleh aliran uap air,

setelah dilakukan perhitungan menggunakan

persamaan-persamaan balas energi bagi

kedua fluida kerja yang mengalir ke dalam

alat superheater diperlihatkan pada gambar

di bawah ini.

Gambar 1. Karakteristik beban termal di dalam

superheater

Dari hasil pengujian, terlihat bahwa

pada awal pengoperasian, beban termal yang

bekerja pada alat superheater dapat

dikatakan berada pada kisaran 50.500 kW.

Kemudian setelah waktu 4500 jam

pengoperasian harganya menurun dan

berada pada kisaran 36.700 kW, atau telah

mengalami penuruan sebesar 28 %.

Penurunan kinerja alat tersebut besar

kemungkinan disebabkan oleh terjadinya

penumpukan deposit di permukaan yang

tebalnya telah relatif konstan yang mana

mengakibatkan turunnya laju pertukaran

energi panas.

Efektifitas Perpindahan Panas

Harga efektifitas perpindahan panas

di dalam economizer, ε adalah

perbandingan antara laju pertukaran energi

panas aktual yang terjadi di dalam alat

economiser dengan laju pertukaran energi

panas maksimum yang mungkin terjadi di

dalam alat tersebut. Besarnya efektivitas

perpindahan panas di dalam alat superheater

diberikan pada gambar 2 di bawah ini.

Gambar 2. Karakteristik efektifitas

perpindahan panas di dalam superheater

Tahanan Termal Pengotoran Permukaan

Harga tahanan termal pengotoran

atau faktor fouling dapat dihitung

menggunakan data koefisien perpindahan

panas global yang terjadi di dalam

superheater. Hasil perhitungannya disajikan

pada gambar

3.

Gambar 3. Karakteristik faktor pengotoran di

superheater

Dari gambar tersebut di atas terlihat bahwa

pada periode awal pengoperasiannya terjadi

peningkatan secara signifikan harga tahanan

termal lapisan pengotoran. Hal itu berarti

pada kondisi tersebut terjadi percepatan

90

pertumbuhan lapisan pengotoran di

permukaan yang disebabkan oleh kedua

aliran fluida kerjanya.

Percepatan pertumbuhan deposit di

permukaan dapat terjadi apabila terdapat

kondisi aliran fluida di mana kecepatan rata-

ratanya lebih rendah daripada seharusnya

dan/atau terjadi gradien temperatur yang

lebih tinggi. Kondisi seperti itu biasa terjadi

pada alat penukar kalor yang dirancang

dengan menggunakan faktor fouling yang

konstan yang diperoleh dari standar TEMA

(Tubular Exchanger Manufacturers

Association) [6]. Alat superheater yang

menjadi objek studi di sini, melihat data

spesifikasi designnya, besar kemungkinan

telah dirancang dengan metoda perancangan

seperti itu sehingga terjadilah kondisi aliran

yang tidak dapat dioperasikan sesuai dengan

harga design pointnya pada saat alat tersebut

mulai dioperasikan.

Selanjutnya, apabila hasil pengujian

tersebut di atas didekati dengan profil

tahanan termal asymptotik :

( 12 )

dengan Tahanan termal asymptot, t

waktu pengoperasian superheater, dan tc

konstanta waktu, maka diperoleh: =

0,000352 m2K/kW dan tc= 5.350 jam atau

sekitar 7,4 bulan pengoperasian. Faktor

inilah yang menjadi penyebab utama

mengapa alat superheater yang

dipergunakan pada instalasi pembangkit

tenaga uap tersebut di atas harus mengalami

maintenance untuk cleaning satu kali setiap

8 bulan pengoperasian.

Dari hasil-hasil pengujian tersebut di

atas adalah sangat menarik untuk dilakukan

sebuah studi yang mempelajari seberapa

jauh pengaruh penggunaan data tahanan

termal lapisan pengotoran fungsi waktu dan

data cleaning interval terhadap hasil design

alat economiser yang sama dengan kondisi

batas aliran fluida kerja yang sama pula.

KESIMPULAN DAN SARAN

Serangkaian pengujian kinerja alat

superheater yang terpasang pada sistem

boiler penghasil uap bertekanan pada

instalasi pembangkit tenaga uap telah

dilakukan. Pengujian dilakukan dengan

mengukur temperatur kedua aliran fluida

kerja yang masuk dan keluar alat tersebut,

serta laju aliran massanya secara kontinyu

selama kurun waktu dua belas bulan

pengoperasian. Hasil pengujian

dipergunakan untuk mempelajari faktor-

faktor apa saja yang menjadi penyebab

terjadinya intensitas cleaning yang lebih

tinggi.

Hasil evaluasi parameter-parameter

kinerja alat tersebut menunjukkan bahwa

laju pertukaran energi panas di dalam alat

superheater atau efektifitas perpindahan

panasnya menurun 28 % setelah

dioperasikan selama 12 bulan.

Intensitas cleaning yang lebih tinggi

disebabkan oleh faktor percepatan

pertumbuhan lapisan pengotoran oleh kedua

fluida kerja yang mengalir di dalamnya. Hal

tersebut kemungkinan besar diakibatkan

oleh dampak negatif dari penggunaan

metode perancangan yang menggunakan

data faktor fouling yang konstan yang

diperoleh dari standard yang biasa

dipergunakan oleh kalangan industri.

Solusi yang diusulkan adalah

diterapkannya metode perancangan yang

lebih rasional yaitu menggunakan data

faktor fouling aktual yang berlaku bagi alat

tersebut yang diperoleh dari hasil pengujian.

91

DAFTAR PUSTAKA

1. Kakac, S.,”Boilers, Evaporators, and Condensers”, chapter 4, John Wiley & Sons, New

York, 1987.

2. El-Wakil, M. M, Power Plant Technology, Singapore, McGraw-Hill Book Co. 1985.

3. Epstein N., " Particulate Fouling of Heat Transfer Surfaces : Mechanisms and Models, L .F

Melo et al. Fouling Science and Technology, Kluwer, 1988.

4. Garrett-Price, et al., “Fouling of Heat Exchanger: Characteristics, Costs, Prevention, Control,

and Removal”, Noyes, Park Ridge, New York, 1985.

5. Marner W.J., "Progress in Gas Side Fouling of heat Transfer Surfaces", Appl. Mech. Rev,

Vol. 43, 1990.

6. Tubular Exchanger Manufacturers Association, “Standards of the Tubular Exchanger

Manufacturers Association, TEMA”, 7th

Ed., New York, NY, 1988.

7. P.k. Nag, Power Plant Enginering, Second Edition, International edition, Mc Graw Hill,

Singapore, 2002

8. Cengel A. Yunus & Boles.A. Michael, Thermodynamics, An Engineering Approach Sixth

Edition (SI Unit s ), Mc Graw Hill, Singapore, 2007

9. Kreith Frank & Black. Z. William, Basic Heat Transfer, Harper & Row, Publisher, New

York, 2003

10. Wilcox & Babcox, Steam /its generation and use, 161 east42 nd street, New York

11. Sadik Kakac & Hongtan Liu. Heat Exchangers, selection, rating and termal design, second

edition, 2002

12. Soekardi Chandrassa, Prediksi Karakteristik Termal Sebuah Penukar Jalor Dampak

Pemilihan Faktro Pengotoran Yang Konstan, Jakarta, Volume 4 Nomor 2, April 2001.