123doku.com

13dimana : laju aliran massa uap sebelum tahap ketiga padasuperheater [kg/s]. entalphi spesific uap setelah tahap ketiga padasuperheater [kJ/kg]. entalphi spesific uap sebelum tahap ketiga padasuperheater [kJ/kg].EconomizerEconomizer merupakan salah satu unit operasi berupapemanas yang digunakan sebagai media pemanasan awal air yangdigunakan sebagai umpan baru sebelum masuk ke dalam ketel.Economizer terdiri dari pipa-pipa air yang ditempatkan padalintasan gas asap sebelum meninggalkan ketel (Wahlberg,2011).Gas asap yang akan melewati cerobong temperaturnya masihcukup tinggi sehingga akan menyebabkan nilai kerugian panasyang besar bila gas asap tersebut langsung dibuang melewaticerobong. Oleh karena itu, gas asap yang masih panas ini yangakan dimanfaatkan untuk memanaskan air untuk mengisi ketel.Adapun keuntungan menggunakan economizer antara lain adalahuntuk menghemat bahan bakar sehingga biaya operasional lebihmurah, karena air yang digunakan masuk ke dalam ketel sudahdalam keadaan panas serta dapat memperbesar efisiensi ketelkarena memperkecil kerugian panas yang dialami ketel uap.Unit operasi economizer memiliki dua macam nilaipendekatan model yang penting diterapkan, pendekatan pertamaadalah pertimbangan pemilihan area terhadap nilai koefisienperpindahan panas yang telah diberikan, dan pendekatan yangkedua adalah dimensi yang digunakan pada economizer tersebut(Teir, 2002). Pada pendekatan yang pertama diberikan denganpertimbangan luas dan koefisien perpindahan panas sebagai salahsatu parameter input yang tidak memperhitungkan nilai foulingrate yang menyebabkan kinerja dari economizer ini berkurang.Sedangkan pada pendekatan kedua, model economizer yangdigunakan akan menggunakan perhitungan produk dari nilaikoefisien perpindahan panas terhadap luas economizer yang telah

14diberikan. UA yang memenuhi syarat untuk parametereconomizer dapat ditentukan dengan persamaan dibawah ini :) (2.9)Pada dasarnya unit operasi economizer dirancang untukmemanaskan air, akan tetapi perancangan unit operasi ini jugadirancang sebagai tempat pendidihan air. Jika proses pendidihanterjadi pada economizer, maka laju aliran output yang dihasilkanakan berisi fraksi uap. Jika volume economizer mengandung uap,tingkat level yang akan didalam economizer akan berkurang danini akan mempengaruhi nilai perpindahan panas. Steam memilikinilai U lebih rendah dari air dan oleh karena itu panas yangditransfer dari gas buang uap akan lebih kecil dari dari gas buangke air. Perhatikan bahwa proses pendidihan pada unit operasieconomizer akan memberikan UA yang kurang akurat karenaketergantungan antara nilai U yang terdapat pada fasa liquid(Wahlberg,2011).Gambar 2.3 Desain economizer (Atabani, 2013)

15Selain faktor nilai UA, suatu respon yang optimum dapatdiperoleh dengan menggunakan perancangan berdasarkangeometri economizer (Incropera, 2005). Adapun faktor yangmempengaruhi kinerja economizer sebagai berikut:a. Diameter luar tubing, yaitu besarnya diameter tube yangdigunakan dalam menyusun economizer. Semakin besardiameter tube akan mengakibatkan efektifitas perpindahanpanas semakin berkurang.b. Transversal spacing, yaitu menyatakan jarak antar tubesejajar ke arah lebar economizer. Semakin lebar jarak antartube mengakibatkan proses induksi panas dalameconomizer semakin berkurang, sehingga efektifitasperpindahan panas menurun.c. Kerapatan fin, yaitu banyaknya fin tiap inci yang dapatdisusun untuk menggabungkan beberapa tube dalameconomizer. Semakin banyak fin yang tersusun akanmengakibatkan perpindahan panas tidak efektif karenajarak antar tube yang semakin jauh.2.2 Heat ExchangerHeat Exchanger merupakan alat perpindahan panas yangdigunakan sebagai media perpindahan panas yang terjadi karenaadanya perbedaan temperatur dari dua jenis fluida yang salingmengalir namun tidak tercampur (Smedsrud, 2007). Sebagianbesar dari industri – industri yang berkaitan dengan pemrosesanselalu menggunakan unit operasi ini, sehingga dalam aplikasinyaunit operasi ini mempunyai peran penting dalam suatu proses diindustri.Salah satu tipe dari unit operasi heat exchanger yang seringdigunakan di berbagai industri proses adalah heat exchanger tipeshell and tube. Hal ini dikarenakan, pada unit operasi ini terdiridari sebuah shell silindris di bagian luar dan sejumlah tube (tubebundle) di bagian dalam, dimana temperatur aliran fluida didalamtube bundle berbeda dengan aliran fluida di luar tube, sehinggadidapatkan terjadinya perpindahan panas antara aliran fluidadidalam tube dan diluar tube (García, 2010).

16Pemilihan unit operasi heat exchanger yang tepat akanmenghemat biaya operasional yang dikeluarkan oleh industriproses. Dengan unit operasi yang baru pada unit operasi heatexchanger ini, maka permukaan logam dari pipa – pipa pemanasmasih dalam keadaan bersih. Namun demikian, apabila unitoperasi ini telah lama digunakan untuk beroperasi makadidapatkan lapisan kotoran atau kerak pada permukaan pipa.Tebal tipisnya lapisan kotoran tergantung dari jenis fluida yangdigunakan. Dengan adanya lapisan pengokor tersebut akanmengurangi koefisien perpindahan panas. Harga koefisienperpindahan panas untuk suatu alat penukar panas selalumengalami perubahan selama beroperasi.Gambar 2.4 Penampang heat exchanger jenis shell andtube (García, 2010)Dalam proses perancangan unit operasi heat exchanger jenisshell and tube bertujuan untuk menentukan dimensi dan geometrialat tersebut sesuai dengan spesifikasi bahan dan proses yangtelah ditentukan (Smedsrud, 2007). Prosesnya terdiri daribeberapa tahap, di mana yang pertama biasanya adalahpendefinisian aliran fluida kerja yang akan dilewatkan padabagian shell and tube. Pada tahap yang kedua dilakukanpemilihan dimensi dan geometri shell and tubenya, sepertidiameter shell minimum dan maksimum ukuran dan bahan pipaserta susunan dan tata letaknya, sesuai standar yang ada. Tahap

17selanjutnya adalah menetapkan harga maksimum yang diijinkanbagi bagi kerugian tekanan di sisi shell maupun di sisi pipa, sertamenetapkan type dan ukuran buffle. Setelah itu proses tersebutdilalui maka kita sampai kepada perhitungan perancangan yangakan memprediksi parameter performance seperti luas permukaanperpindahan panas dan kerugian tekanan baik di sisi shell maupundi sisi tube. Pada akhir perhitungan, apabila diperoleh harga yangtidak sesuai dengan yang telah ditetapkan sebelumnya makaprosesnya harus diulangi dengan cara memodifikasi variabeltertentu. Bagi sebuah alat penukar panas, kemampuan dalammempertukarkan energi dalam bentuk panasnya dapat dinyatakandengan persamaan :ΔTLM(2.10)Dimana :Q Laju pertukaran energi kalor atau beban termal yangditerapkan didalam penukar kalor.A Luas permukaan perpindahan panas total.ΔTLM Beda temperatur rata-rata logaritmik bagi kedua fluidakerja yang mengalir di dalam alat tersebut.Energi panas yang dilepaskan oleh aliran fluida panas yangmasuk kadalam bagian shell dapat ditulis dengan menggunakanpersamaan di bawah ini:(2.11)Sehingga(2.12)dimana :Qhot Laju energi panas yang dilepaskan oleh aliran fluidapanas (W).

18 Laju aliran massa fluida panas (kg/s). Konstanta panas fluida panas pada tekanan konstan(J/kg.K). Temperatur aliran fluida panas masuk pada alat penukarkalor (K). Temperatur aliran fluida panas keluar pada alat penukarkalor (K).Setelah mendapatkan nilai Qhot maka nilai Qcold atau energipanas yang diterima oleh aliran fluida dingin yang masukkadalam bagian tube dapat dihitung.Dalam pembahasan sistem kontrol pada Heat Exchanger,terdapat dua hal yang perlu diperhatikan yaitu variabel yang akandikontrol dan variabel yang akan diubah-ubah dalam rangkamenjaga agar variabel yang dikontrol sesuai dengan masukan.Berdasarkan prinsip kerja Heat Exchanger yang paling efektifadalah mengambil fluksi panas (jumlah panas yang berpindahantara dua fluida) sebagai variabel yang dikontrol, akan tetapi initidak mungkin dilakukan mengingat dalam praktiknya fluksipanas tersebut sulit diukur. Oleh karena itu yang paling mungkinadalah dengan mengontrol temperatur salah satu fluida yangkeluar dari heat hxchanger. Sedangkan untuk variabel manipulasiterdapat beberapa pilihan diantaranya yaitu aliran fluida panasyang masuk, aliran fluida dingin yang masuk, aliran fluida panasyang keluar ataupun aliran fluida dingin yang keluar(Ekasari, 2014).Untuk energy balance pada heat exchanger dapat dituliskan: – ()(2.13)dimanaadalah laju perubahan terhadap waktu dari energididalam sistem,adalah energi flow yang masuk,adalah energi flow yang keluar pada sistem dan Q(t)adalah heat transfer dari sistem. Sedangkan persamaan energydapat dituliskan pada persamaan 2.14 dan 2.15

19 ( ()( ) (2.14))(2.15)Dimana,adalah flow yang masuk ke dalam Heat Exchanger,adalah temperatur input fluida,( ) adalah temperaturfluida output, danadalah temperatur referensi. Daripenurunan rumus diatas, didapatkan rumus perpindahan panaspada tube and shell sebagai berikut:Shell , , (2.16)Tube tt t, tt t, –(2.17)2.3 TurbinTurbin merupakan sebuah alat yang menghasilkan energilistrik dengan cara memutarkan sudu – sudunya. Sudu pada turbindapat berputar akibat adanya uap super heated yang dihasilkanoleh boiler. Turbin memiliki dua bagian operasional penting yangdigunakan untuk menghasilkan energi listrik, yakni rotor danstator (Chaibakhsh, 2008). Pada bagian pertama adalah bagianturbin yang berputar dinamai rotor atau roda turbin, sedangkanpada bagian kedua adalah bagian yang tidak berputar dinamaistator atau rumah turbin.Pada dasarnya, jenis turbin yang digunakan dalam sistempembangkit merupakan jenis turbin dengan rangkaian yangkompleks. Oleh karena itu, nilai perilaku turbin berdasarkanfungsinya dapat dimodelkan kedalam beberapa jenis subsistemdengan menggunakan nilai perhitungan kesetimbangan massa dankesetimbangan energi yang merupakan bagian daritermodinamika (Chaibakhsh, 2008). Pada sistem dinamis diwakilioleh sejumlah model yang sama untuk setiap sub bagian turbin.Ada banyak model dinamis untuk masing-masing komponen,yaitu hubungan empiris sederhana yang memiliki nilai efisiensiyang tinggi akan menghasilkan energi listrik yang lebih optimal

20dibanding dengan penggunaan turbin dengan efisiensi yangrendah. Sedangkan pemilihan akan jumlah sudu jugamempengaruhi banyaknya energi listrik yang dihasilkan.Gambar 2.5Konfigurasi steam turbin pada sistempembangkit (Doosan Heavy Industries andConstrantion)Proses validasi antara variabel sistem yang dihasilkanterhadap sejumlah parameter dapat menggunakan pendekatan realrespone yang dihasilkan. Selain itu, nilai pendekatan optimasidiperlukan untuk mengetahui model turbin yang dapatmenghasilkan respon yang optimal. Salah satu cara untukmelakukan pendekatan optimasi ini didasarkan pada metode yangdilakukan untuk mengestimasi parameter yang tidak diketahuidari model dengan struktur yang lebih kompleks berdasarkan dataeksperimen.Jenis turbin yang biasanya digunakan dalam sistempembangkit yakni jenis turbin high pressure. Hal ini dikarenakanpada sistem pembangkit tekanan yang digunakan untuk memutarsudu – sudu turbin yakni tekanan tinggi. Proses yang ada didalamturbin high pressure ini adalah tekanan tinggi pada uap akanmasuk turbin melalui bagian nozzle yang dirancang untuk

21meningkatkan kecepatannya. Penurunan tekanan yang dihasilkanoleh nozzle inlet turbin akan membatasi aliran massa melaluiturbin. Hubungan antara aliran massa dan penurunan tekananpada turbin HP dikembangkan oleh Stodola pada tahun 1927(Chaibakhsh, 2008). Hubungan ini kemudian dimodifikasi untukmenyertakan pengaruh suhu inlet sebagai berikut:(2.18)dimana K adalah konstanta yang diperoleh berdasarkan data yangdiambil dari respon turbin. Oleh karena itu, k didefinisikansebagai berikut:λ (2.19)Untuk mengembangkan model dinamis turbin HP maka setiapparameter dari setiap bagian misalkan, tekanan, laju aliran massadan suhu uap pada input dan output harus dipertimbangkan.Hubungan input dan output untuk tekanan uap dan laju aliran uapdidefinisikan dalam pembahasan diatas. Suhu uap yang terdapatpada output turbin dapat diasumsikan dalam hal tekanan uapmasuk dan suhu. Dengan asumsi bahwa ekspansi uap di HPturbin adalah proses adiabatis dan isentropik. Untukmemperkirakan suhu uap pada debit turbin HP denganmenggunakan yang ideal hubungan suhu tekanan gas sebagaiberikut :(2.20)Dimana nilai k adalah polytropic expansion factor.(2.21)

222.4 Steam DrumSteam drum merupakan unit operasi yang berfungsi sebagaimedia penampung air dalam kapasitas yang besar. Selain itu,steam drum juga mampu memisahkan fluida antara fase gas danfase cair setelah pemanasan yang terjadi di dalam boiler (Verma,2013). Kualitas uap yang akan digunakan untuk memutarkanturbin sangat dipengaruhi oleh produk yang dihasilkan oleh unitoperasi ini. Sehingga dalam praktiknya unit operasi steam drumini harus dikendalikan untuk menjaga nilai set point yang akandiinginkan. Pada pengendalian ketinggian air pada steam drumboiler ini, ketinggian air dipertahankan pada ketinggian NWL(Normal Water Level) atau setpoint. Dan temperatur uap jugadipertahankan pada nilai setting yang diinginkan. Apabila terjadisuatu gangguan pada salah satu variabel tersebut maka prosesakan terganggu. Model matematika dari steam drum boilerdibentuk oleh dua variabel yaitu ketinggian air dan temperaturuap.Model matematis yang digunakan dalam desain unit operasisteam drum ini menggunakan persamaan kesetimbangan massa(hukum kontinuitas), yang semua parameter ini menggunakanpertimbangan massa input dan massa output dari bagian steamdrum (Stephanopoulos, 1984). Adapun model matematis yangdigunakan dapat dilihat pada persamaan dibawah ini(2.22)dimana : Laju perubahan massa liquid didalam steam drum Laju perubahan massa vapor didalam steam drum

23 Laju perubahan massa blowdown didalam steamdrum Laju massa water input Laju massa vapor output Laju massa blowdown outputPersamaan matematis 2.2 digunakan untuk mengetahui nilaikesetimbangan massa yang ada didalam unit operasi steam drum.Pada dasarnya nilai kesetimbangan massa didalam unit operasi iniakan tercipta apabila variabel input yang digunakan harus samadengan variabel output yang dihasilkan. Didalam unit operasisteam drum, variabel output yang dihasilkan yakni nilai steamyang digunakan sebagai pemutar turbin dan nilai blowdown yangakan digunakan sebagai masukan dari evaporator. Kedua variabeloutput tersebut saling mempengaruhi satu sama lainnya, kenaikanlevel akan berpengaruh terhadap tekanan steam yang dihasilkan.Oleh karena itu, kedua variabel output tersebut harusdikendalikan agar tercipta nilai kesetimbangan massa didalamsteam drum.Jenis sistem pengendalian utama yang digunakan pada steamdrum, yakni teknik pengendalian level. Hal ini dikarenakan leveldidalam steam drum harus dijaga dalam kondisi tertentu. Apabilalevel didalam steam drum tidak dikendalikan pada level tertentu,maka akan terjadi trip, yakni menurunnya kualitas uap yangdigunakan sebagai pemutar turbin. Oleh karena itu, sistempengendalian yang tepat digunakan untuk mengendalikan steamdrum yakni harus mempertimbangkan nilai kesetimbangan massadan kesetimbangan yang ditunjukkan dalam persamaan dibawahini :(2.23)(2.24)dimana : Kalor yang memasuki steam drum

24 Kalor uap yang dihasilkan dari steam drumKalor blowdown yang dihasilkan dari steam drumMassa yang memasuki steam drumMassa uap yang dihasilkan dari steam drumMassa blowdown yang dihasilkan dari steam drumKalor jenisPerubahan suhuPersamaan 2.23 dan persamaan 2.24 dapat dijelaskan padagambar 2.6 dibawah ini :Gambar 2.6 Kesetimbangan massa dan kesetimbangan energididalam steam drumBerdasarkan persamaan 2.23 dan persamaan 2.24 diketahuibahwa laju kesetimbangan massa dan kesetimbangan energididalam unit operasi steam drum harus dijaga. Kalor yangmemasuki steam drum harus sama dengan jumlah kalor yangmeninggalkan steam drum. Begitu pula dengan massa yangmemasuki steam drum harus sama dengan jumlah massa yangmeninggalkan unit operasi ini pula. Nilai kesetimbangan massadan kesetimbangan energi ini jika tidak tercapai, maka kualitas

25steam yang dihasilkan akan menurun. Oleh karena itu, leveldidalam unit operasi steam drum harus dijaga pada nilai 50%.Jika level didalam unit operasi ini melebihi angka 50% makakualitas uap yang akan dihasilkan masih mengandung sejumlahair, dan hal ini akan menyebabkan kerusakan pada turbin. Namunsebaliknya, jika level didalam steam drum kurang dari 50% makalevel didalam steam drum semakin lama semakin berkurang.Kondisi ini sesuai dengan persamaan 2.24 yang mengatakanbahwa jikayang diberikan selalu tetap, maka seharusnyajumlah daridanharuslah sama dengan jumlahyang telah diberikan. Pada kondisi tertentu jumlahyangdihasilkan lebih besar dariyang dihasilkan, hal inidikarenakan kondisi fraksi stream yang digunakan banyakmengandung uap air, sehingga pemisahan yang terjadi didalamunit operasi steam drum banyak yang menghasilkan uap daripadaair (blowdown). Oleh karena itu akan mengakibatkan jumlah leveldidalam steam drum semakin lama semakin menurun.Terdapat tiga tipe level control system pada steam drum,yaitu single-element, two-element dan three-element levelcontrols (Rajkumar, 2013). Single element control digunakanuntuk mengendalikan level air pada steam drum. Sedangkan twoelement control digunakan untuk mengendalikan level dantekanan pada steam drum. Pada dasarkan sigle element maupuntwo element control sulit mempertahankan nilai heat and massbalanced pada steam drum, sehingga pada penelitian ini yangakan dibahas adalah three-element level control, yang sesuaiuntuk aplikasi power system dimana perubahan bebannya tinggi,terus-menerus dan tidak dapat diprediksi. Three controll elementmerupakan jenis strategy control yang tepat untuk diterapkanpada unit operasi steam drum, hal ini dikarenakan denganpemasangan starategy control ini mampu mempertahankan nilaikesetimbangan massa dan kesetimbangan energi pada unit operasisteam drum. Pada Gambar 2.7 dibawah ini menunjukkanarsitektur pemasangan strategy control three control element padasistem pengendalian di steam drum.

26Gambar 2.7Three control element Pada Steam DrumProses yang ada didalam unit operasi steam drum adalahpada saat pendidihan air dalam steam drum, steam menghasilkanproduk berupa steam bubbles yang terbentuk diantarapenghubung steam/water level. Steam bubbles tersebut memilikivolume dan karenanya dapat memunculkan kekeliruan mengenaiwater level yang sebenarnya di dalam drum. Pengaruh lainnyayang terjadi adalah perubahan pressure dalam drum. Karenasteam bubbles ditekan oleh pressure (jika perubahan pressureakibat dari steam demands), pada kondisi masing-masing steambubbles akan mengembang atau menyusut terhadap perubahanpressure tersebut. Steam demand yang tinggi akan mengakibatkanpressure di dalam steam drum menurun, akibatnya steam bubblesakan mengembang untuk menampilkan water level tinggi padahalsebenarnya tidak (low). Fiksi dari tingginya water level inimeyebabkan feedwater input untuk shut down, padahal pada saattersebut suplai air justru sangat dibutuhkan. Peningkatan waterlevel hasil dari penurunan pressure disebut ‘swell’, dan sebaliknyapenurunan water level yang disebabkan oleh peningkatanpressure disebut ‘shrink’ (Lawrence, 2013).Oleh karena itu,penggunaan three-element control pada steam drum s

proses yang ada didalam unit operasi superheater ini adalah steam saturated dari steam drum dimasukkan ke inlet header superheater dengan sambungan, kemudian ke superheater temperatur yang lebih rendah, selanjutnya ke desuperheater