MAKALAH

PLTU DAN ANALISA NERACA MASSA

DAN ENERGY BALANCE

Disusun Oleh :

Adam Satriansyah

Adi Wicaksono

Adik Bela Jannahti

Ardhi Handryan Nugroho

Ario Dwi Prabowo

PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI SEMARANG

2012

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat allah swt yang telah melimpahkan rahmat serta

hidayah nya sehingga kami dapat menyelesaikan penyusunan makalah yang berjudul pltu dan

analisa massa dan energi ini. makalah ini disusun dalam rangka memenuhi tugas mata kuliah

keseimbangan energi dan juga sebagai acuan dalam presentasi.

Kami mengucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah

membantu dalam penyusunan makalah ini.

Harapan kami, makalah ini dapat bermanfaat bagi para pembaca untuk lebih

memahami tentang salah satu alat pengukuran yaitu multimeter.

Kami menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan. Untuk itu kami sangat

mengharapkan kritik dan saran dari para pembaca agar kedepannya kami dapat menjadi lebih

baik.

Penyusun

PENDAHULUAN

Pembangkitan uap merupakan gabungan yang komplek dari ekonomiser, ketel uap,

pemanasan udara, pemanasan ulang dan pemanasan lanjut yang berfungsi mengubah air

jenuh menjadi uap panas lanjut dengan tekanan dan suhu yang tinggi. Ketel uap ( boiler )

adalah bagian utama dari pembangkit uap, dimana air ( pada cairan jenuh ) diubah menjadi

uap jenuh. Secara fisik ketel uap tidak mudah dibedakan dari ekonimiser, namun istilah ketel

uap kadang-kadang digunakan dalam leteratur untuk keseluruhan pembangkit uap. Secara

umum distribusi panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar sebagai berikut :

Gambar 1 diagram pembangkit uap pada boiler

PEMANAS AWALUDARA

PANAS LANJUT

EKONOMISER

KETEL UAP

DAPUR

UDARA DINGIN UDARA PANAS

BAHAN BAKAR

AIR DINGIN AIR PANAS

UAP JENUH

UAP PANAS LANJUT

GAS PANAS PEMBAKARAN

GAS BUANG KE CEROBONG

Dari kegunaanya pembangkit uap terdiri dari dua jenis yaitu :

1. pembangkit uap utilitas

– adalah pembangkit uap yang digunakan ubtuk instalasi pembangkit daya

listrik

– yang menghasilkan uap panas lanjut dengan tekanan diatas 130 bar dan suhu

540 °c

– bahan bakar yang digunakan adalah serbuk batu bara dan minyak maupun gas

– kapasitas terbesar 125 – 1250 kg/s

2. pembangkit uap nergyn

– adalah pembangkit uap yang digunakan untuk nergyn, nergy nergyn rokok,

tekstil, petrokimia, semen, dll

– uap yang dihasilkan adalah uap jenuh dengan tekanan sampai 105 bar

– bahan bakar : sampah, kayu, ampas tebu, minyak, batu bara, dan sebagainya

– kapasitas sampai 125 kg/s

Pada dasarnya pembentuk uap sendiri itu bermula pada ketel atau boiler. Berdasarkan

jenis laluannya boiler/ketel dibagi menjadi dua jenis antara lain :

1. Ketel pipa api

Adalah suatu ketel dimana gas gas panas hasil pembakaran dilalukan melalui pipa api

yang dibenamkan di dalam air, sehingga terbentuk uap di luar pipa. Gas – gas panas hasil

pembakaran bahan bakar di dalam dapur, meninggalkan dapur dan masuk di dalam pipa

pipa yang dibenamkan di dalam air, selanjutnya gas panas dibuang ke cerobong asap dan

air di luar pipa yang telah menerima panas berubah menjadi uap. Ketel pipa api ini

biasanya digunakan untuk mendapatkan kuantitas uap yang lebih banyak.

2. Ketel pipa air

Suatu ketel dimana gas-gas panas hasil pembakaran mengalir diluar pipa-pipa yang

berisi air agar terjadi sirkulasi alami. Dengan ketel pipa air ini akan menghasilkan uap

dengan kualitas yang lebih baik dibandingkan dengan ketel pipa api. Dua lemari air

( penaik dan penurun dihubungkan ke tangki (drum) oleh pipa pipa air ). Bila pipa-pipa

dipanasi, air yang di dalam pipa akan berubah menjadi uap, karena massa jenis uap lebih

kecil dari massa jenis air maka melalui lemari penaik, uap masuk kedalam tangki. Begitu

pula air dari drum melalui lemari penurun akan turun mengalir ke pipa air, demikian

seterusnya sehingga tebentuk uap.

DAPUR

MUKA AIR

UAP

CEROBONG

DAPUR

UAPAIR

CEROBONG

LEMARI PENURUNPIPA AIR

LEMARI PENAIK

TANGKI

DINDING

DINDING

GAMBAR KETEL UAP AIR

Selain pada ketel ada perangkat penghasil uap yang lainnya yaitu ekonomiser.

Ekonomiser atau ekonomisator adalah penukar kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu

air dari air umpan yang akan dimasukkan ke dalam drum ketel uap dengan memanfaatkan gas

yang keluar dari pemanas lanjut / pemanas ulang. Istilah ekonomisator digunakan pada masa

lalu karena gas yang dibuang ke cerobong masih memiliki suhu yang tinggi akan

menimbulkan kerugian besar dalam ketersedian maupun efisiensi

Air Preheater

Air preheater adalah penukar kalor yang digunakan untuk memanaskan udara pembakaran

yang akan dimasukkan ke dalam dapur, dengan memanfaatkan gas yang keluar dari

ekonomiser yang akan dibuang ke cerobong

Superheater

Super heater dapat juga diartikan sebagai pemanas lanjut. Pemanas lanjut dan pemanas ulang

berfungsi mengubah uap basah ( uap jenuh ) yang keluar dari turbin uap menjadi uap kering.

Uap basah di alirkan melalui pipa pipa uap yang dibenamkan ke dalam api. Pemanas lanjut

dan pemanas ulang terbuat dari pipa pipa dengan diameter luar 1 : 3 inch. Pipa pipa ini tidak

diberi sirip karena sirip menyebabkan tegangan thermalnya meningkat dan pembersihannya

menjadi sulit.

Uap dan Pembentukannya

Untuk mengubah energi panas kedalam usaha mekanis diperlukan zat kerja yaitu bahan yang

dapat diisi panas yang dilepas oleh bahan bakar. Zat kerja tersebut untuk sementara

menyimpan energi panas kemudian digunakan untuk menggerakan sebuah mesin untuk

menghasilkan usaha mekanis. Uap adalah zat kerja yang baik sebab memiliki sifat:

1. dapat menyimpan sejumlah besar nergy

2. dapat diprodusi dari air yang murah dan mudah diperoleh

3. dapat dipergunakan untuk tujuan pemanas setelah tugasnya sebagai zat kerja selesai.

4. pembuatan uap dilakukan pada tekanan konstan

Pembakaran unsur-unsur bahan bakar

Pembakaran ialah reaksi kimia (persenyawaan) antar unsur-unsur bahan bakar dengan

oksigen disertai pelepasan panas dengan temperatur tinggi. Pembakaran sempurna terjadi bila

semua unsur-unsur bahan bakar terbakar dan semua dilepaskan. Hal ini hanya dapat

terlaksanan secara teoritis. Dua hal yang dapat mendorong apa sebab pembakaran harus

sempurna :

• bahan bakar mahal, sehingga pembakaran yang tidak sempurna (efisien) berarti

pemborosan

• pembakaran tak sempurna menimbulkan polusi udara

Keperluan udara teoritis per kg bahan bakar

• udara di dalam pembakaran pada hakekatnya adalah oksigen yang diperlukan dalam

pembakaran

• di udara kandungan oksigen 21%, nitrogen 79% (berdasarkan perbandingan volume)

sedangakan berdasarkan perbandingan masa oksigen 23%, nitrogen 77%

• keperluan udara teoritis per 1kg bahan bakar dapat dirumuskan :

ath = 11.56 C + 34.5 (H – O/8) + 4.32 S

keterangan

ath : udara teoritis yang diperlukan dalam pembakaran

C : kandungan karbon di dalam bahan bakar

H : kandungan nergyn di dalam bahan bakar

O : kandungan oksigen di dalam bahan bakar

S : kandungan sulfur di dalam bahan bakar

Keperluan udara nergy dalam setiap kg bahan bakar

Untuk menghasilkan pembakaran yang sempurna diperlukan udara lebih dalam pembakaran

yang dikenal dengan exses air ( α ) Keperluan udara aktual / kg bahan bakar :

Massa udara yang dibutuhkan dalam pembakaran actual

Didefinisikan sebagai perkalian keperluan udara aktual dalam setiap kg bahan bakar dengan

laju aliran massa bahan bakar yang digunakan dirumuskan :

❑❑❑❑ nergynergy

Neraca kalor pembangkit uap

Dalam satu reaksi pembakaran bahan bakar akan menghasilkan panas hasil pembakaran

tersebut, untuk suatu bahan bakar dengan nilai kalor bahan bakar Nk dan laju aliran massa

bahan bakar ṁbb, didapatkan nilai panas yang dihasilkan sebagai :

❑❑❑❑

Dan energy panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar tersebut akan didistribusikan

atas :

1. Energi yang dugunakan untuk menguapkan air ( ekonomiser, ketel, super heater )

a. Panas ke ekonomiser.

❑❑❑❑ (❑❑❑❑ )

Atau

❑❑❑❑❑❑ (❑❑❑❑)

b. Panas ke superheater.

❑❑❑❑ (❑❑❑❑ )

2. Panas yang hilang bersama gas buang.

❑❑❑❑❑❑ (❑❑❑❑)

❑❑❑❑❑❑

3. Distribusi panas yang lain.

❑❑❑❑❑❑❑❑❑❑

Panas yang terdistribusi ke uap :

❑❑❑❑❑❑

❑❑

❑❑

Diagram Sankey

Contoh Pengambilan Data Neraca Massa dan Energy Balance

Pada contoh pengambilan data suatu PLTU berbahan bakar batu bara dengan nilai kalor

bahan bakar , Nk = 5580 kJ/kg didapatkan data sebagai berikut :

data temperature :

- Temperatur sekitar = 30 oC

- Temperatur ruang bakar = 35 oC

- Temperatur udara keluar ketel = 374 oC

Data bahan bakar (batu bara) :

Unsur kimia dalam batu bara sesuai analisa ultimate

C = 53,62 %

H2 = 3,33 %

O2 = 14,18 %

S = 0,6 %

Data analisa gas bekas :

Cp = 3.111 kJ/kgK

Tgb = 85 oC

Pembakaran dengan excess air 10 %. Coal flow pada 307 ton/jam, dan pressure steam drum

pada 179 bar, dan uap dialirkan ke superheater sehingga keluar berupa uap superheater

dengan temperature 200 oC. Air untuk feed water masuk dengan temperature 30 oC yang

dialirkan melewati ekonomiser sehingga keluar sudah bertemperatur 80 oC, dengan Cp air

tersebut 2.34 kJ/kgK. Tentukan :

a. Energy balance unit tersebut.

b. Efisiensi boiler.

c. Diagram sankey.

Penyelesaian :

❑❑❑❑

❑❑ = 307 ton/jam = 85.3 kg/s

❑❑ = 85.3 x 5880 = 501564 kJ/kg

ath = 11.56 C + 34.5 (H – O/8) + 4.32 S

ath = 11.56 (0.5362) + 34.5 (0.0333 – 0.1418/8) + 4.32 (0.006)

ath = 6.762

excess air 10 % , α = 1.1

aak = 1.1 x 6.762 = 7.438

❑❑❑❑

❑❑ = 7.438 x 85.3 = 634.49 kg/s

❑❑❑❑❑❑

❑❑ = 85.3 + 634.49 = 719.79 kg/s

❑❑❑❑❑❑ (❑❑❑❑)

❑❑ = 634.49 x 2.43 x (80 – 30) = 78184.04 kJ/kg

❑❑❑❑ (❑❑❑❑ )

❑❑ adalah hg pada tekanan steam drum 179 bar = 2517.85 kJ/kg

❑❑ adalah h uap superheater, P 179 bar, T 200 oC = 2829 kJ/kg

❑❑ = 634.49 x (2829 – 2517.85) = 197960.88 kJ/kg

❑❑❑❑❑❑ (❑❑❑❑)

❑❑ = 719.79 x 3.111 x (85 – 30) = 118681.13 kJ/kg

❑❑❑❑ [❑❑❑❑❑❑]

❑❑ = 501564 – [78184.04 + 197960.88 + 118681.13] = 106737.95 kJ/kg

a. Energi balance :

Input (kJ/kg) % Output (kJ/kg) %

Q bahan bakar =

501564100

Qeko = 78184.04 15.59

Qsup = 197960.88 39.47

Qgb = 118681.13 23.66

Qr = 106737.95 21.28

Total = 100

b. Efisiensi = [ Qu/Qbb ] x 100 %

❑❑

❑❑

❑❑

c. Diagram sankey

ANALISA DAN KESIMPULAN

1. Analisa

Dari contoh permasalahan yang dibahas dan perhitungan yang dilakukan didapatkan

panas hasil pembakaran bahan bakar yang dapat didistribusikan pada uap memiliki

prosentase 55.06 % dari jumlah panas yang dihasilkan. Masih banyak panas yang

terbuah melalui gas buang, yaitu sekitar 23.66 %, yang hilang oleh rugi – rugi

konveksi pada saluran penampang distribusi panas juga masih tinggi, 21.28 %.

2. Kesimpulan.

Berdasarkan perhitungan yang dilakukan beserta analisanya dapat disimpulkan bahwa

masih banyak energy panas yang bisa dimanfaatkan pada gas buang sebelum gas itu

dipastikan harus dibuang. Karena disini belum menggunakan suatu reheater, mungkin

dengan penambahan reheat akan dapat memaksimalkan pemanfaatan panas hasil

pembakaran bahan bakar tersebut.