Pengertian Boiler Superheater dan Supercritical

Boiler Superheater

Boiler superheater memproduksi uap air superheated atau kering. Uap air ini menyimpan lebih banyak energi panas daripada uap air saturated (uap air basah), ditandai dengan nilai entalpi yang lebih tinggi. Uap air ysng diproduksi oleh boiler konvensional umumnya hanya mencapai fase saturated, dan pada boiler superheater uap air saturated ini akan dipanaskan lebih lanjut mencapai fase superheated. Selain menyimpan energi panas yang lebih besar, uap air superheater juga menghilangkan sifat basah dari uap saturated sehingga tidak akan terjadi kondensasi yang terlalu cepat di dalam mesin yang menggunakan uap air tersebut.

Keuntungan utama menggunakan boiler superheater dapat mengurangi konsumsi bahan bakar dan air, namun di sisi lain ada biaya tambahan yang diperlukan untuk perawatan yang lebih besar. Tanpa adanya perawatan yang baik pada boiler superheater, resiko keselamatan sangat mungkin terjadi. Karena boiler superheater bekerja pada tekanan dan temperatur yang tinggi, sangat berbahaya bila terjadi kerusakan pipa pada boiler tersebut.

Skema Boiler Superheater

20110820-122843.jpg

Boiler superheater pada awal kemunculannya digunakan pada kereta api uap. Dan selanjutnya banyak dipergunakan untuk kebutuhan pembangkit listrik tenaga uap. Ukurannya pun bergantung pada kebutuhan konsumsi uap air, PLTU dengan desain 640 megawatt misalnya menggunakan boiler superheater dengan produksi uap sekitar 500 kg/detik atau 1800 ton/jam.

Boiler Supercritical

Boiler supercritical banyak digunakan di pembangkit listrik tenaga uap. Boiler ini dinamakan supercritical karena beroperasi pada temperatur kritis, yaitu di atas 3.200 psi atau 220,6 bar. Berbeda dengan boiler superheater yang membutuhkan suatu alat untuk memisahkan antara uap air dengan campuran uap dan air (biasa disebut steam drum), boiler supercritical tidak memerlukannya. Selama proses pembentukan uap air tidak akan terbentuk gelembung-gelembung uap (bubbles), karena tekanan air berada di atas tekanan kritisnya yang masih mungkin terbentuk gelembung uap. Hal ini menyebabkan penggunaan bahan bakar yang jauh lebih sedikit dan efisien, dan selanjutnya mengakibatkan produksi gas buang CO2 menjadi berkurang. Sebenarnya istilah boiler tidak tepat digunakan pada boiler supercritical, karena pada proses pembentukan uap air yang tidak terjadi proses boiling/mendidih di dalamnya. Sehingga boiler supercritical lebih dikenal dengan sebutan supercritical steam generator.

Pengertian Boiler (Ketel Uap)

Boiler atau ketel uap adalah suatu bejana tertutup yang di dalamnya berisi air untuk dipanaskan. Energi panas dari uap air keluaran boiler tersebut selanjutnya digunakan untuk berbagai macam keperluan, seperti untuk turbin uap, pemanas ruangan, mesin uap, dan lain sebagainya. Secara proses konversi energi, boiler memiliki fungsi untuk mengkonversi energi kimia yang tersimpan di dalam bahan bakar menjadi energi panas yang tertransfer ke fluida kerja.

Bejana bertekanan pada boiler umumnya menggunakan bahan baja dengan spesifikasi tertentu yang telah ditentukan dalam standard ASME (The ASME Code Boilers), terutama untuk penggunaan boiler pada industri-industri besar. Dalam sejarah tercatat berbagai macam jenis material digunakan sebagai bahan pembuatan boiler seperti tembaga, kuningan, dan besi cor. Namun bahan-bahan tersebut sudah lama ditinggalkan karena alasan ekonomis dan juga ketahanan material yang sudah tidak sesuai dengan kebutuhan industri.

Panas yang diberikan kepada fluida di dalam boiler berasal dari proses pembakaran dengan berbagai macam jenis bahan bakar yang dapat digunakan, seperti kayu, batubara, solar/minyak bumi, dan gas. Dengan adanya kemajuan teknologi, energi nuklir pun juga digunakan sebagai sumber panas pada boiler.

Berikut adalah beberapa contoh jenis boiler:
1. "Pot Boiler" atau "Haycock Boiler"
Merupakan boiler dengan desain paling sederhana dalam sejarah. Mulai diperkenalkan pada abad ke 18, dengan menggunakan volume air besar tapi hanya bisa memproduksi pada tekanan rendah. Boiler ini menggunakan bahan bakar kayu dan batubara. Boiler jenis ini tidak bertahan lama penggunaannya karena efisiensinya yang sangat rendah.

2. Fire-Tube Boiler (Boiler Pipa-Api)
Pada perkembangan selanjutnya muncul desain bari boiler yakni boiler pipa-api. Boiler ini terdapat 2 bagian di dalamnya, yaitu sisi tube/pipa dan sisi barrel/tong. Pada sisi barrel berisi fluida/air, sedangkan sisi pipa merupakan tempat terjadinya pembakaran.

Boiler Pipa Api

20110819-120524.jpg

Boiler pipa-api biasanya memiliki kecepatan produksi uap air yang rendah, tetapi memiliki cadangan uap air yang lebih besar.

3. Water-Tube Boiler (Boiler Pipa-Air)
Sama seperti boiler pipa-api, boiler pipa-air juga terdiri atas bagian pipa dan barrel. Tetapi sisi pipa diisi oleh air sedangkan sisi barrel menjadi tempat terjadinya proses pembakaran. Boiler jenis ini memiliki kecepatan yang tinggi dalam memproduksi uap air, tetapi tidak banyak memiliki cadangan uap air di dalamnya.

Boiler Pipa-Air

20110819-121349.jpg

4. Kombinasi Boiler Pipa-Api dengan Pipa-Air Firebox
Boiler jenis ini merupakan kombinasi antara boiler pipa-api dengan pipa-air. Sebuah firebox didalamnya terdapat pipa-pipa berisi air, uap air yang dihasilkan mengalir ke dalan barrel dengan pipa-api didalamnya. Boiler jenis ini diaplikasikan pada beberapa kereta uap, namun tidak terlalu populer dipergunakan.

Pembahasan lebih lengkap mengenai macam-macam boiler silahkan Anda kunjungi artikel berikut.

Komponen-komponen Turbin Uap

Berikut ini akan saya jelaskan lebih rinci beberapa komponen penting dari turbin uap. Sebagai contoh langsung, saya mengambil contoh turbin uap yang digunakan pada PLTU.

1. Stop Valve
Stop valve pada turbin uap berfungsi untuk mengisolasi turbin dari aliran uap air dan juga untuk menghentikan secara cepat supply uap air ke turbin pada kondisi-kondisi tertentu. Semisal pada suatu PLTU terjadi kehilangan beban listrik dari PLN (load rejection), secara cepat stop valve akan menutup dalam hitungan sepersekian detik. Hal ini berguna untuk menghindari overspeed pada turbin akibat adanya uap air yang masuk ke turbin tetapi tidak ada beban listrik pada generator. Stop valve membuka akibat kerja dari aktuator hidrolik dan menutup secara cepat oleh pegas.

2. Control Valve
Control Valve berfungsi untuk mengontrol aliran uap air yang masuk ke dalam turbin uap sesuai dengan beban yang ada. Pada PLTU control valve pada turbin uap bukaannya tergantung oleh besar beban listrik yang ada di generator.

3. Aktuator Elektrohidrolik pada Stop dan Control Valve
Aktuator untuk stop dan control valve pada turbin uap PLTU menggunakan prinsip "fail-safe". Artinya, valve-valve tersebut membuka oleh aktuator hidrolik dan menutup oleh tenaga dari pegas. Perbedaan aktuator antara stop valve dan control valve yaitu pada stop valve tidak perlu menggunakan sensor posisi valve seperti pada control valve. Pada stop valve hanya menggunakan semacam sensor limit switch.

Prinsip Kerja Aktuator Hidrolik dengan Pegas

20110812-110748.jpg

4. Jalur Extraction Steam dan Check Valve-nya
Extraction Steam adalah uap air yang diambil dari stage-stage tertentu pada turbin uap yang digunakan untuk berbagai hal, seperti preheating air (feedwater sebelum masuk boiler, sistem sealing turbin, sistem sootblower, dan lain sebagainya.

Pada jalur pipa extraction steam wajib dipasang check valve untuk mencegah aliran balik dari uap air dan air. Semisal pada kasus load rejection di atas, aliran balik air yang masuk ke dalam turbin, terutama pada sisi turbin superheater akan menyebabkan diferensial temperatur yang terlalu besar sehingga resiko terjadinya patah (crack) sangat mungkin terjadi.

Swing Check Valve dan Power Assisted Swing Check Valve

20110812-111858.jpg

20110812-111906.jpg

Check valve yang digunakan yaitu jenis Swing Check Valve dan Power Assisted Swing Check Valve. Swing Check Valve membuka akibat perbedaan besar tekanan uap air. Dan pada saat terjadi perubahan aliran uap air (seperti saat terjadi load rejection) check valve ini akan menutup akibat dari berat valve itu sendiri. Sedangkan Power Assisted Swing Check Valve menggunakan aktuator tambahan pada saat valve menuju posisi menutup, untuk terbuka valve ini tidak perlu menggunakan aktuator, tetapi terbuka karena perbedaan tekanan dari uap air di pipa tersebut.

5. Bearing
Turbin uap dilengkapi oleh bearing sebagai bagian untuk mengurangi gesekan antara poros (bagian yang berputar) dengan casing/stator (bagian yang diam). Bearing dilengkapi dengan fluida pelumas / oli yang bersirkulasi dan bertekanan. Untuk mengkompensasi gaya berat dari turbin digunakanlah journal bearing, sedangkan untuk mengkompensasi gaya aksial yang timbul akibat aliran uap air di dalam turbin, digunakanlah thrust bearing. Bearing-bearing ini digunakan untuk mengunci gerakan rotor pada arah aksial dan radial.

6. Hydraulic Turning Gear
Adalah suatu mekanisme untuk memutar rotor dari turbin pada saat start awal atau pada saat setelah shut down untuk mencegah terjadinya distorsi/bending akibat dari proses pemanasan atau pendinginan yang tidak seragam pada rotor. Sistem ini menggunakan sebuah motor hydromatic yang tenaga putarnya berasal dari sistem hidrolik bertekanan tinggi.

7. Balance Piston
Balance Piston pada turbin uap berfungsi untuk mengkompensasi timbulnya gaya aksial akibat aliran dari uap air. Komponen ini banyak meringankan kerja dari thrust bearing.