Prinsip Kerja Boiler Supercritical

Prinsip Kerja Boiler Supercritical - Boiler supercritical sejatinya sudah populer sejak pertengahan abad 20 lalu. Sejak saat itu hingga sekarang, boiler ini sangat populer diaplikasikan pada pembangkit-pembangkit tenaga listrik, menggantikan boiler-boiler subcritical. Boiler supercritical memiliki beberapa keunggulan yang tidak dimiliki oleh boiler subcritical, yakni:

  1. Efisiensi boiler lebih tinggi karena untuk menghasilkan energi panas yang sama, dibutuhkan bahan bakar lebih sedikit daripada boiler subcritical.
  2. Emisi gas buang terutama karbon dioksida relatif lebih rendah daripada boiler subcritical.
  3. Ukuran boiler relatif lebih kecil daripada boiler subcritical dengan output yang sama.

Prinsip Kerja Boiler Supercritical
Prinsip Kerja Boiler Supercritical

Satu konsep dasar dari boiler supercritical adalah tekanan dan temperatur kerjanya yang berada di atas critical point air. Jika Anda sudah memahami apa itu critical point (baca artikel berikut), maka tentu Anda juga tahu bahwa air yang berada di atas titik kritis memiliki sifat yang sangat berbeda dengan fasa yang lain. Fasa yang dikenal dangan air supercritical ini memiliki karakteristik yang tidak bisa dibedakan apakah air berfasa cair, ataukah gas (Baca juga artikel berikut tentang uap supercritical). Air supercritical tidak lagi memiliki titik didih, tidak lagi memiliki fasa uap saturasi, sehingga air bertekanan di atas 221 MPa jika terus dipanaskan hingga di atas 374°C akan langsung berubah fasa menjadi uap kritis, tanpa melewati fasa campuran antara air dan uap seperti pada boiler subcritical. Konsep inilah yang nantinya akan membuat beberapa komponen boiler supercritical sedikit berbeda dengan boiler subcritical.

Dari konsep di atas saja, sudah ada satu perbedaan mendasar antara boiler subcritical dengan boiler supercritical. Pada boiler subcritical sebelum air sepenuhnya berubah fase menjadi uap superheat, air akan melewati fase saturasi. Oleh karena itulah pada boiler subcritical dibutuhkan komponen steam drum yang berfungsi sebagai pemisah antara air likuid dengan uap saturasi yang bisa dipanaskan lebih lanjut menjadi uap superheated. Sedangkan terbentuknya uap air pada boiler supercritical tidak melewati fase uap saturasi, maka dapat dipastikan boiler supercritical tidak membutuhkan steam drum. Hal ini juga menjadi salah satu kelebihan ekonomis dari boiler supercritical.

Diagram h-P Boiler Supercritical Sliding Pressure
Diagram h-P Boiler Supercritical Sliding Pressure

Namun demikian, boiler supercritical tidak benar-benar meniadakan sistem separasi air likuid dengan uap. Pada kondisi awal penyalaan boiler, boiler masih bekerja pada tekanan di bawah titik kritis. Pada kondisi ini pemanasan air tentu akan menyentuh fase uap saturasi, sehingga dibutuhkan komponen separator uap. Untuk memastikan aliran air terus ada di dalam evaporator boiler selama tekanan kerja masih dibawah titik kritis, maka ditambahkan pula pompa sirkulasi boiler (baca artikel berikut). Secara bertahap, tekanan kerja akan ditingkatkan (sliding pressure) hingga mencapai tekanan ideal di atas titik kritis. Jika tekanan kerja air sudah di atas titik kritis (umumnya didesain beban boiler sudah lebih dari 30%), separator akan secara otomatis mengalirkan fluida langsung ke low temperature superheater, dan tidak lagi disirkulasikan kembali ke evaporator. Kerja pompa sirkulasi juga otomatis berhenti. Pada kondisi ini, boiler supercritical sepenuhnya mengalami proses aliran tunggal (once-through boiler flow). Dengan demikian, jumlah aliran air yang masuk ke boiler via economizer sepenuhnya dikontrol oleh boiler feed water pump.

Prinsip Kerja Boiler Supercritical

Jika kita cermati lagi, boiler supercritical akan mengalami dua macam sistem sirkulasi, yaitu:

  1. Mode basah (Wet-Mode). Mode basah terjadi ketika beban boiler masih di bawah 30%, atau dengan kata lain tekanan air masih di bawah titik kritis. Pada kondisi ini karena air masih akan mengalami fase saturasi, maka akan terjadi proses sirkulasi di dalam boiler sehingga mirip dengan yang terjadi pada boiler subcritical dimana jumlah sirkulasi air yang melewati evaporator boiler akan lebih banyak daripada jumlah uap air superheated yang dihasilkan. Jika mengacu pada contoh ilustrasi boiler di atas, maka aliran air akan seperti skema di bawah ini.Sirkulasi Boiler Supercritical saat Mode Basah Load Rendah
  2. Mode kering (Dry-Mode). Mode kering terjadi ketika beban boiler sudah di atas 30%, dan tekanan fluida sudah di atas critical point. Pada kondisi ini boiler tidak lagi akan melewati fase saturasi, sehingga separator dan pompa sirkulasi boiler akan berhenti bekerja. Boiler supercritical akan mengalami aliran fluida tunggal dalam artian semua air yang masuk ke boiler hanya akan satu kali melewati pipa-pipa boiler tanpa adanya porses resirkulasi melewati evaporator kembali. Skema aliran boiler supercritical akan menjadi seperti di bawah ini.Sirkulasi Boiler Supercritical saat Mode Kering Load Tinggi

Free E-book:

  1. E-book 1
  2. E-book 2

Prinsip Kerja Superheater

Prinsip Kerja Superheater - Superheater adalah sebuah komponen boiler subcritical yang berfungsi untuk memanaskan kembali uap saturated, pada tekanan kerja konstan, sehingga menjadi uap superheated. Teknologi superheater sudah digunakan sejak awal penggunaan mesin uap di sekitar awal abad 20. Tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan energi panas yang terkandung di dalam uap, sehingga efisiensi termal mesin akan ikut meningkat. Hingga saat ini penggunaan superheater masih sangat populer, terutama pada boiler-boiler pipa-air besar pembangkit listrik tenaga uap.

Prinsip Kerja Superheater

Gambar di atas adalah gambar penyederhanaan sebuah boiler pipa-air subcritical. Secara sederhana boiler pipa api tersebut tersusun atas dua buah tanki air di sisi bawah dan atas. Kedua tanki tersebut terhubung dengan pipa-pipa air yang biasa kita kenal dengan raiser tube. Panas dari hasil pembakaran akan lebih dulu melewati raiser tube, dengan harapan air mencapai titik saturasinya dan berubah fase menjadi uap saturated.

Uap saturated masih bercampur dengan air liquid sehingga dibutuhkan sebuah mekanisme untuk memisahkan uap saturated dengan air. Hal inilah yang menjadi fungsi dari tanki sisi atas. Tanki ini biasa kita kenal dengan nama steam drum. Air liquid akan tetap tinggal di dalam steam drum dan akan tersirkulasi untuk dipanaskan kembali oleh raiser tube. Sedangkan uap saturated akan keluar dari steam drum dan menuju pipa-pipa superheater. Pipa-pipa yang kita kenal dengan superheater pendant ini akan menyerap panas secara konveksi dan radiasi dari gas buang pembakaran, hingga uap saturated dapat semakin mengering dan menjadi uap superheated. Uap superheated keluaran superheater akan memiliki kandungan energi panas yang lebih besar daripada uap saturated.

Gambar di atas adalah skema boiler subcritical yang jauh lebih kompleks dan modern. Boiler ini sangat populer digunakan pada pembangkit listrik tenaga uap. Secara konsep tidak banyak perbedaan dengan prinsip boiler subcritical sebelumnya. Hanya saja komponen superheater pada boiler subcritical modern dibuat menjadi beberapa tingkatan untuk menyesuaikan kebutuhan kualitas dan kuantitas produksi uap superheated. Pada diagram boiler tersebut superheater ditunjukkan dengan pipa-pipa berwarna merah.

Boiler subcritical memiliki desain yang sedemikian rupa sehingga proses pembakaran terjadi di ruang bakar utama. Ruang bakar ini tersusun atas pipa-pipa vertikal raiser tube yang akan menyirkulasikan air dari steam drum dan kembali ke steam drum lagi. Pada boiler subcritical modern, hanya digunakan satu tanki air yang sekaligus sebagai steam drum di sisi atas boiler.

Air-air di dalam raiser tube akan menyerap langsung panas dari proses pembakaran. Air dari raiser tube selanjutnya kembali ke steam drum. Di dalam steam drum, akan dipisah antara fase uap saturated dengan air liquid. Air yang masih liquid akan kembali disirkulasikan menuju raiser tube, sedangkan uap saturated akan keluar menuju pipa superheater pertama yang berada di area yang ditunjukkan dengan nama primary superheater. Primary superheater ini juga biasa dikenal dengan nama Low Temperature Superheater (LTSH). Pipa-pipa LTSH menyerap panas secara konveksi dari gas buang hasil pembakaran.

Dari LTSH, uap air akan melewati secara berturut-turut Platent Secondary Superheater, lalu Intermediate Secondary Superheater, dan terakhir Final Secondary Superheater. Air yang melewati pipa-pipa superheater ini menyerap panas dominan secara radiasi, bercampur dengan sedikit panas konveksi. Uap air keluaran Final Secondary Superheater inilah yang dinamakan uap superheated atau uap kering. Salah satu fase air yang benar-benar berfase gas. Tidak mengandung kelembaban sama sekali, dan menyimpan energi panas sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari uap saturated.

Diagram T-s Boiler Superheater

Di atas adalah diagram temperatur-entropi, yang menunjukkan bagaimana boiler superheater bekerja. Fungsi dari economiser boiler ditunjukkan dengan garis sebelah kiri, dimana air hanya mengalami kenaikan temperatur tanpa terjadi perubahan fase. Untuk pipa-pipa evaporator ditunjukkan dengan garis horisontal, menandai bahwa di sinilah proses terbentuknya uap-uap air terjadi. Sedangkan pipa-pipa superheater ditunjukkan oleh garis sebelah kanan kurva.

Pengertian Supercritical Steam

Pengertian Supercritical Steam -- Supercritical steam adalah salah satu bentuk fase air yang memiliki tekanan di atas 22,1 MPa dan temperatur lebih dari 374°C (tekanan dan temperatur di atas titik kritis), dimana antara fase cair dengan uap tidak dapat dibedakan. Uap superkritis mampu menembus sela-sela benda padat seperti gas, tapi juga mampu melarutkan material seperti sifat cairan. Pada kondisi superkritis, perubahan sedikit saja pada tekanan atau temperatur, akan menghasilkan sifat-sifat uap yang jauh berbeda. Hal ini menjadikan uap superkritis memiliki variasi sifat-sifat yang luas, yang dapat diaplikasikan ke banyak kebutuhan.

Pengertian Supercritical Steam

Mengacu pada diagram fase air, nampak bahwa fase air liquid dengan supercritical tidak memiliki fase transisi selayaknya uap saturasi yang menjadi fase transisi antara air liquid dengan superheated steam. Pada air superkritis, semua perbedaan antara liquid dan uap seakan tersamarkan. Pada fase ini, uap tidak akan bisa dikondensasi hanya dengan meningkatkan tekanan lingkungan.

Sifat khas lain dari supercritical steam yakni menjadi pelarut yang buruk bagi elektrolit. Fase superkritis sulit untuk membentuk ion. Namun supercritical steam justru menjadi pelarut yang baik bagi molekul non-polar, karena sifat permisifitas relatif yang rendah serta semakin lemahnya ikatan atom hidrogen.

Supercritical steam memiliki sifat yang sangat berbeda dengan air liquid. Uap superkritis menjadi pelarut yang buruk bagi elektrolit, sifat yang berbeda dengan air cair. Tapi justru sebaliknya, uap superkritis justru menjadi pelarut yang baik bagi molekul-molekul organik non-polar. Hal ini dapat terjadi karena uap superkritis memiliki permitivitas relatif yang rendah, serta ikatan hidrogen yang lemah. Viskositas dan dielektrik menurun, dan yang pasti adalah, air tidak memiliki nilI panas laten.

Ikatan hidrogen semakin melemah seiring peningkatan tekanan dan temperatur supercritical steam. Para ilmuwan menyimpulkan ikatan hidrogen tinggal sedikit saja setelah air mencapai tekanan 134 MPa dan suhu 600°C. Namun sekalipun ikatan hidrogen itu ada, secara substansial ia terdistorsi. Sedangkan mengenai apakah uap superkritis bersifat homogen atau heterogen, masih menjadi perdebatan banyak pihak. Sejauh ini, konsensus umum masih menyimpulkan bahwa uap superkritis bersifat heterogen.