Macam-macam Superheater pada Boiler

Macam-macam Superheater pada Boiler - Superheater adalah komponen boiler subcritical yang berfungsi untuk memanaskan kembali uap saturated, pada tekanan kerja konstan, sehingga menjadi uap superheated (panas lanjut). Pada pengembangannya sejak di awal abad ke-20, bersamaan dengan berbagai perlombaan desain boiler, beberapa ahli rekayasa mematenkan desain superheater yang berbeda-beda. Berikut adalah macam-macam superheater pada boiler, sesuai dengan paten-paten tersebut:

1. Radiant Superheater

Radiant superheater adalah superheater yang diposisikan di area ruang bakar boiler, sehingga pipa-pipa superheater langsung menyerap panas radiasi dari pembakaran di dalam furnace. Pada boiler pipa air modern, pipa-pipa radiant superheater ini ditempatkan menggantung di bagian atas furnace boiler. Pipa-pipa ini akan menyerap energi panas paling besar kedua, setelah pipa-pipa wall tube (raiser/evaporator tube).

Macam-macam Superheater pada Boiler
Radiant Superheater

Karakter dari superheater radian adalah semakin banyak uap air yang mengalir di dalam pipa-pipa superheater radian, maka akan semakin rendah temperatur uap di keluaran superheater ini.

2. Convection Superheater

Sesuai dengan namanya, convection superheater adalah pipa-pipa superheater boiler yang ditempatkan di aliran gas buang hasil pembakaran furnace yang masih mengandung panas. Pipa-pipa superheater konveksi ini akan menyerap panas dari gas buang hasil pembakaran secara konveksi. Konsep ini bertujuan utama untuk memaksimalkan penyerapan panas dari pembakaran.

Berkebalikan dengan superheater radian, karakteristik dari superheater konveksi adalah semakin banyak uap air yang mengalir di dalam pipa-pipa superheater konveksi, maka akan semakin tinggi temperatur uap keluaran superheater konveksi.

3. Separately Fired Superheater

Separately fired superheater adalah superheater yang ditempatkan terpisah dengan boiler utama, dengan memiliki sistem pembakaran sendiri terpisah dengan boiler utama. Desain superheater ini tidak seperti tipe radian maupun konveksi yang masih menggunakan panas hasil pembakaran di dalam furnace, namun justru menempatkan burner tambahan di area pipa-pipa superheater. Superheater tipe ini tidak populer digunakan, bahkan cenderung sudah punah karena alasan efisiensi rasio pembakaran dengan kualitas uap yang tidak lebih baik dari tipe superheater yang lain.

Separately Fired Superheater
Salah satu desain paten Separately Fired Superheater

4. Kombinasi Radiant dan Convection Superheater

Tipe superheater yang terakhir berikut adalah yang paling populer, dan masih diaplikasikan hingga saat ini. Superheater ini sekaligus mengkombinasikan dua karakteristik yang bertolak belakang antara superheater radian dengan konveksi, sehingga didapatkan uap superheated yang lebih homogen di debit aliran uap yang bervariasi. Grafik di bawah ini akan menjelaskan karakteristik tersebut.

Macam-macam Superheater Pada Boiler
Variasi Debit Uap vs Temperatur Akhir Uap Superheated

Pada boiler-boiler subcritical modern, komponen superheater radian masih dibagi lagi menjadi beberapa tahapan. Seperti pada diagram boiler subcritical di bawah ini misalnya, setelah melewati Primary Superheater yang merupakan superheater konveksi, uap dialirkan secara berurutan menuju ke Platent Secondary Superheater, Intermediate Secondary Superheater, lalu yang terakhir adalah Final Secondary Superheater. Desain ini bertujuan utama untuk memaksimalkan penyerapan panas radiasi dari pembakaran di dalam furnace.

Subcritical Boiler

Pengertian Reheater pada Boiler

Pengertian Reheater Pada Boiler - Reheater adalah salah satu bagian boiler yang berfungsi untuk memanaskan kembali uap air keluaran turbin uap tingkat pertama, sehingga kembali menjadi uap superheat. Uap reheat akan kembali menyimpan energi panas untuk digunakan pada turbin uap tingkat selanjutnya. Reheater menjadi salah satu cara untuk meningkatkan nilai efisiensi termal Siklus Rankine. Kunjungi artikel berikut untuk mengetahui cara-cara lain meningkatkan efisiensi termal Siklus Rankine.

Mari kita perhatikan diagram T-s Siklus Rankine berikut.

Siklus Rankine

Diagram T-s di atas adalah diagram Siklus Rankine ideal, standard, tanpa digunakannya konsep reheater. Uap superheat keluaran boiler hanya sekali aliran saja melewati sudu-sudu turbin, dan berakhir dengan proses kondensasi di kondensor. Selanjutnya mari kita bandingkan dengan Siklus Rankine dengan reheater.

Pengertian Reheater Pada Boiler

Siklus Rankine yang dilengkapi dengan reheater, akan memiliki minimal dua tingkatan turbin uap: turbin tekanan tinggi dan turbin tekanan rendah. Uap keluaran turbin tekanan tinggi, yang biasa dikenal dengan istilah uap cold reheat, memiliki tekanan dan temperatur yang lebih rendah daripada uap utama (main steam) sebelum masuk turbin. Sekalipun tekanan uap cold reheat cukup mengalami penurunan yang besar, namun masih belum mencapai titik saturasinya. Sehingga jika uap ini dipanaskan kembali, ia akan kembali menjadi uap superheated. Oleh karena itulah uap cold reheat yang keluar dari turbin tekanan tinggi selanjutnya dikembalikan ke boiler, untuk dipanaskan kembali.

Boiler modern yang dilengkapi dengan pipa-pipa reheater, didesain khusus sehingga uap reheater akan menyerap panas sama seperti uap main steam. Uap reheater, atau biasa disebut juga dengan uap hot reheat, akan mencapai temperatur yang sama dengan uap main steam. Untuk mencapai hal ini, pipa-pipa reheater akan ditempatkan tidak jauh dari pipa-pipa final superheater. Lebih jelasnya, mari kita simak diagram boiler supercritical berikut.

Boiler Supercritical

Nampak pada diagram boiler di atas, pipa-pipa superheater terbagi menjadi dua tahapan pemanasan. Pertama uap cold reheat akan melewati pipa-pipa Low Temperature Reheater, yang ditandai dengan nama "LTRH". Selanjutnya, uap keluaran LTRH menuju pipa-pipa bernama Final Reheater. Uap yang dihasilkan oleh Final Reheater inilah yang kemudian disebut dengan Hot Reheat. Hot Reheat selanjutnya menuju ke turbin uap tekanan rendah, sehingga energi panas yang terkandung di dalamnya dikonversikan menjadi energi mekanis putaran poros turbin.

Secara teoritis, penambahan penggunaan satu tahap reheater akan meningkatkan efisiensi termal siklus rankine sebesar 3-4%, penambahan dua tahap reheater menaikkan efisiensi sebesar 1,5-2%, penambahan tiga tahap reheater menaikkan efisiensi sebesar 0,75-1%, dan begitu seterusnya. Akan tetapi umumnya hanya dipergunakan satu atau maksimal dua tahap reheater saja.

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