Efisiensi boiler adalah sebuah besaran yang menunjukkan hubungan antara supply energi masuk ke dalam boiler dengan energi keluaran yang dihasilkan oleh boiler. Namun demikian, efisiensi pada boiler dapat didefinisikan ke dalam tiga cara yaitu:

  1. Efisiensi Pembakaran
  2. Efisiensi Termal
  3. Efisiensi Bahan Bakar-Uap Air (Fuel-to-Steam)

Efisiensi Pembakaran Boiler secara umum menjelaskan kemampuan sebuah burner untuk membakar keseluruhan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar (furnace) boiler. Efisiensi tipe ini dihitung dari jumlah bahan bakar yang tidak terbakar bersamaan dengan jumlah udara sisa pembakaran (excess air). Pembakaran boiler dapat dikatakan efisien apabila tidak ada bahan bakar yang tersisa di ujung keluaran ruang bakar boiler, begitu pula dengan jumlah udara sisa.

boiler efficiency

Untuk mendapatkan efisiensi pembakaran yang tinggi, burner dan ruang bakar boiler harus didesain seoptimum mungkin. Di sisi lain perbedaan penggunaan jenis bahan bakar juga mempengaruhi efisiensi pembakaran. Diketahui bahwa bahan bakar cair dan gas (seperti LNG dan HSD) menghasilkan efisiensi pembakaran yang lebih tinggi jika dibandingkan bahan bakar padat seperti batubara.

Menghitung efisiensi pembakaran boiler tidaklah sulit, kita hanya perlu mengurangi jumlah total energi panas yang dilepas oleh pembakaran dengan energi panas yang lolos melewati stack (cerobong asap), dibagi dengan total energi panas.

\eta_{combustion}=\dfrac {Q_{in}-Q_{losses}}{Q_{in}}\times100\%
dimana,
\eta_{combustion} : Efisiensi pembakaran boiler (%)
Q_{in} : Energi panas total hasil pembakaran (kalori; Joule)
Q_{losses} : Energi panas lolos melewati cerobong asap (kalori; Joule)

Satu-satunya yang sulit dari efisiensi pembakaran adalah bagaimana mengejar angka yang paling optimal. Efisiensi pembakaran ditandai dengan terbakarnya keseluruhan bahan bakar di ruang bakar. Sedangkan parameter kontrol yang digunakan untuk memastikan keseluruhan bahan bakar terbakar, adalah jumlah udara sisa pembakaran (excess air) yang keluar melalui stack. Semakin banyak jumlah excess air yang keluar melewati cerobong asap, maka semakin kecil pula kemungkinan jumlah bahan bakar yang belum terbakar bisa melewati cerobong asap. Namun juga, semakin banyak jumlah excess air yang lolos melewati cerobong asap, jumlah energi panas yang lolos terbawa oleh udara sisa tersebut juga semakin banyak. Maka dari itu ada angka optimum dari besaran excess air, sehingga didapatkan efisiensi pembakaran boiler yang paling optimal.

Nampak pada ilustrasi grafik di atas bahwa semakin tinggi jumlah udara (oksigen) yang lolos melewati stack, maka akan semakin kecil jumlah bahan bakar termasuk karbon monoksida yang belum terbakar sempurna. Namun juga seperti yang telah kita bahas di atas, semakin tinggi jumlah excess air maka grafik efisiensi pembakaran kembali turun, tidak lain hal ini dikarenakan energi panas yang ikut lolos dengan udara sisa tersebut. Maka dapat dipastikan ada nilai paling optimum dari excess air sehingga didapatkan efisiensi pembakaran paling baik. Sebagai gambaran saja, nilai excess air optimum untuk pembakaran gas alam adalah 5 hingga 10%, bahan bakar cair di angka 5 hingga 20%, dan 15 hingga 60% untuk pembakaran batubara.

Efisiensi Termal Boiler menunjukkan bagaimana performa boiler dalam hal fungsinya sebagai heat exchanger. Perhitungan efisiensi ini akan menunjukkan seefektif apa perpindahan energi panas dari proses pembakaran bahan bakar ke air. Namun perhitungan efisiensi ini tidak terlalu akurat, karena ia tidak memperhitungkan kerugian panas radiasi maupun konveksi yang tidak terserap oleh air. Selain itu, perhitungan efisiensi termal boiler tidak bisa digunakan untuk analisa ekonomis, sebab perhitungan ini tidak memperhatikan secara teliti jumlah bahan bakar yang dikonsumsi. Atas dasar inilah kita tidak akan membahas lebih dalam mengenai perhitungan efisiensi termal boiler.

Satu cara yang dianggap paling efektif untuk mengetahui performa boiler secara lebih presisi adalah dengan menghitung Efisiensi Fuel-to-Steam-nya (biasa pula disebut dengan efisiensi bahan bakar). Selain memperhatikan efektifitas boiler sebagai heat exchanger (efisiensi termal), perhitungan efisiensi bahan bakar boiler juga memperhatikan adanya losses (kerugian) akibat adanya perpindahan panas radiasi dan konveksi. Efisiensi bahan bakar boiler memperhatikan dengan sangat teliti jumlah konsumsi bahan bakar yang digunakan, sehingga sangat tepat digunakan sebagai bahan analisa ekonomis boiler.

Metode Langsung

Dikenal ada dua metode untuk menghitung efisiensi bahan bakar pada boiler, yaitu metode langsung dan metode tak langsung. Metode langsung, atau dikenal juga sebagai metode input-output, dilakukan dengan jalan membandingkan secara langsung energi panas yang diserap oleh air sehingga berubah fase menjadi uap air (energi output), dengan energi panas yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar di dalam ruang bakar boiler (energi input). Rumusan sederhana dari perhitungan metode langsung adalah sebagai berikut:

\eta_{fuel}=\dfrac {Q_{steam}}{Q_{fuel}}\times 100\%
=\dfrac {Q\times \left( h_{g}-h_{f}\right) }{q\times GCV}\times 100\%
dimana,
\eta_{fuel} : Efisiensi bahan bakar boiler (%)
Q_{steam} : Energi panas total yang diserap uap air (kalori; Joule)
Q : Debit uap air keluar boiler (kg/jam)
h_{g} : Entalpi uap keluar boiler (kcal/kg)
h_{g} : Entalpi air masuk boiler (kcal/kg)
Q_{fuel} : Energi panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar (kalori; Joule)
q : Debit kebutuhan bahan bakar (kg/jam)
GCV : Gross Calorific Value atau nilai kalor spesifik bahan bakar (kcal/kg)

Pada metode langsung, ada beberapa parameter yang harus diukur secara presisi agar didapatkan hasil perhitungan yang akurat. Parameter-parameter tersebut antara lain adalah:

  1. Debit air (feedwater) masuk ke boiler
  2. Debit air desuperheater
  3. Keseluruhan debit aliran sekunder seperti boiler blowdown, auxiliary steam, dan lain sebagainya.
  4. Tekanan dan temperatur keseluruhan aliran fluida kerja seperti air masuk, uap superheater keluar, uap reheater masuk dan keluar, auxiliary steam, dan lain-lain.
  5. Debit kebutuhan bahan bakar
  6. Nilai kalor (heating value) bahan bakar
  7. Energi masuk lainnya

Tabel berikut menunjukkan kelebihan dan kekurangan dari metode langsung dan tak-langsung perhitungan efisiensi bahan bakar boiler.

KelebihanKekurangan
Metode Langsung
Parameter primer dari definisi efisiensi bahan bakar boiler (input-output) dihitung secara langsung.Debit dan heating value bahan bakar, maupun debit dan properties uap air, harus dihitung seakurat mungkin untuk meminimalisir ketidaktepatan.
Hanya membutuhkan sedikit perhitungan.Tidak mampu menunjukkan potensi penyebab inefisiensi.
Tidak memerlukan asumsi nilai untuk kerugian tak terukur.Harus menggunakan metode tak-langsung untuk menilai tingkat keakuratan perhitungan.
Metode Tak-Langsung
Perhitungan primer seperti analisa gas buang dan temperatur gas buang dapat dilakukan dengan sangat akurat.Membutuhkan perhitungan lebih banyak daripada metode langsung.
Dapat dilakukan perbaikan perhitungan untuk mengejar standard yang ada ataupun untuk pemenuhan garansi.Tidak otomatis memberikan data kapasitas dan output.
Memiliki tingkat ketidaktentuan yang rendah, sebab perhitungan kerugian hanya mencerminkan sebagian kecil saja dari total konversi energi yang ada.Beberapa titik kerugian tidak dapat diukur sehingga nilainya harus diasumsikan.
Dapat diketahui sumber kerugian terbesar.
Tingkat eror perhitungan relatif rendah.

Metode Tak-Langsung

Yang dimaksud dengan perhitungan efisiensi boiler tak-langsung adalah perhitungan yang tidak langsung melibatkan komponen utama rumusan efisiensi boiler yakni energi output dan input, melainkan dengan jalan menghitung kerugian-kerugian (losses) yang ada. Mari kita perhatikan rumusan berikut.

\eta_{fuel}=\dfrac {output}{input}\times 100\%

Dan jika:

input + credits = output + losses

Maka:

\eta_{fuel}=\left[ \dfrac {input-losses+credit}{input}\right] \times 100\%
=\left[ 1-\dfrac {\left( losses-credit\right) }{input}\right] \times 100\%

Dimana pengertian input, credit, output, serta losses adalah sesuai dengan ilustrasi berikut yang kami kutip dari buku standard ASME.

Sesuai dengan rumusan di atas, perhitungan efisiensi tak-langsung dilakukan dengan cara terbalik yakni fokus ke parameter-parameter losses serta energy credit (kredit energi). Yang dimaksud dengan kredit energi adalah energi-energi sekunder yang masuk ke boiler selain energi primer dari bahan bakar. Sedangkan losses adalah parameter-parameter energi terbuang yang tidak terkonversikan menjadi energi panas di dalam uap air. Petunjuk perhitungan dan pengukuran dari parameter-parameter tersebut sangat datail dijabarkan melalui standardisasi yang dikeluarkan oleh The American Society of Mechanical Engineers (ASME).

Metode tak-langsung dilakukan dengan sangat detail pada setiap parameter yang diukur, sehingga tingkat keakuratannya dianggap jauh lebih baik dibandingkan dengan metode langsung. Namun tentu metode tak-langsung ini membutuhkan biaya yang lebih besar karena membutuhkan peralatan-peralatan khusus di dalamnya. Atas dasar itulah banyak yang menganggap metode tak-langsung ini lebih cocok digunakan pada boiler-boiler skala besar, dan tentu tidak terlalu cocok digunakan untuk menghitung efisiensi boiler kecil.

Satu parameter yang sama-sama diperhitungkan di metode langsung maupun tak-langsung adalah energi input dari bahan bakar. Pada metode tak-langsung energi input yang disimbolkan oleh QrF memiliki rumusan sebagai berikut:

QrF = MrF \times HVF

Dimana,

MrF = Debit aliran bahan bakar masuk (kg/s)
HVF = Nilai heating value bahan bakar (J/kg)

Nampak rumusan di atas identik dengan rumusan energi input pada perhitungan efisiensi metode langsung. Satu komponen penting yang masuk ke rumusan di atas yakni nilai heating value dari bahan bakar. Seperti yang telah kita bahas pada artikel lain mengenai heating value, bahwa ada dua jenis heating value yakni higher heating value (HHV) dan lower heating value (LHV). Keduanya memang sama-sama mencerminkan nilai kalor yang terkandung di dalam bahan bakar, namun keduanya memiliki selisih nilai yang berbeda. Pada sebagian besar bahan bakar nilai HHV cenderung lebih besar dibandingkan dengan LHV. Sehingga jika dikaitkan dengan perhitungan efisiensi boiler, maka nilai efisiensi boiler yang menggunakan HHV sebagai acuannya akan relatif lebih kecil dibandingkan dengan perhitungan efisiensi boiler yang menggunakan LHV sebagai acuan.

Referensi:


11 Comments

Triwidi Pranahadi · January 7, 2020 at 5:25 am

Biasanya perhitungan neraca energynya yang berbeda.
Panas gas buang tidak digunakan untuk memanaskan feed masuk. Sehingga neraca energy hanya dari panas pembakaran dsn enthalpy kondisi feed masuk.

Itu yang saya ketahui.
Salam.

Atong Suryadi · October 9, 2019 at 10:46 pm

Ketel uap pipa air dapat memproduksi uap sebesar 3kg/kWh, pada tekanan uap 40 bar dengan suhu uap panas sebesar 400 derajat celcius. Dengan suhu ketel sebesar 85%,Nilai opak dari bahan bakar nya 40.200kJ/kg BB, menggunakan turbin uap dari 3400kw.Pemakain udara tiap kilogram bahan bakar=18 kg, panas jenis udara sebesar 1,05 kJ/kg derajat celcius, sedang suhu udara Masuk Dapur 100 derajat celcius dan suhu air masuk sebesar 100 derajat celcius. A) Berapa pemakaian BB tiap detik? B) Jika suhu air masuk di nsikkan menjadi 120 derajat celcius dan rendemen ketel ya menjadi 89%,berapa penghematan Bahan Bakar nya bila produksi uap nya tetap?

    Triwidi Pranahadi · January 7, 2020 at 5:38 am

    Dengan excek mudsh dihitung, berdasarkan Stokiometri dan Thermidinamika. NnBapak bisa membuat varian setiap parameter, kemudian dibuat grafiknya.

    Dsri grafik ini, digunakan setidaknya untuk menemukan area eff maksimum.

    Itu yang saya ketahui.
    Salam

HOT WATER BOILER · April 27, 2019 at 2:45 am

apakah setiap pemilihan pemakaian merk burner weishoupt dan Riello burner ada per bedaan perhitungan efisiensi untuk boiler tersebut?
tanks RATMAN #IDMBOILER

Thermal Oil Heater · April 27, 2019 at 2:42 am

Terimakasih artikel perhiyungan steam boiler semoga bermanfaat bagi para pembaca dan pengemar fabrikasi steam boiler
salam sukses selalu buat anda

Ratman · October 5, 2017 at 2:10 am

Salam kenal Berapa % boler mengunakan economizer? Apa ada rumus yang mudah untuk menghitung efisiensi nya

    Suhardi · July 26, 2019 at 7:30 pm

    Bismillah, bagaimana perhitungan efisiensi. Boiler kalau tdk memakai economizer???

      Triwidi Pranahadi · January 7, 2020 at 5:25 am

      Biasanya perhitungan neraca energynya yang berbeda.
      Panas gas buang tidak digunakan untuk memanaskan feed masuk. Sehingga neraca energy hanya dari panas pembakaran dsn enthalpy kondisi feed masuk.

      Itu yang saya ketahui.
      Salam.

    Triwidi Pranahadi · January 7, 2020 at 5:31 am

    Biasanya terpaut dari type dan profile ekonomizernya pak., yaitu heat exchanger -HE- yang di pilih.
    Kemudian, eff dihitung berdasarkan HE, luasan permukaan transfer panas, LMTD, dan isolasi luar yang bertujuan mengecilkan panas hilang dari radiasi.

    Salam.

Yusuf S · December 12, 2016 at 9:06 am

Artikel ini baik untuk pelajaran teori mengenai boiler. Tetapi dalam aplikasinya diinginkan efisiensi aktual dengan analisis BTU Method. Apa bisa disajikan untuk ketel ultra. Trim

    Triwidi Pranahadi · January 7, 2020 at 5:33 am

    Secara teotiris bisa pak.
    Parameter, tergantung seberapa akurat dsri pembacaan datanya.
    Namun, semua ini adalah nilai pendekatan. Dalam komisioning nilai optimum parameter bisa kita dapatkan.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *