Cara Menghitung Efisiensi Boiler Thermodynamics by Onny Halaman 1 dari 212Next 212Next »
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) Fuel-to-Steam) Efisiensi Pembakaran Boiler secara umum menjelaskan kemampuan sebuah burner untuk untuk membakar keseluruhan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar furnace) (furnace) boiler. Efisiensi tipe ini dihitung dari jumlah bahan bakar yang tidak terbakar bersamaan dengan jumlah udara sisa pembakaran (excess (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.
Untuk mendapatkan efisiensi pembakaran yang tinggi, burner dan dan ruang bakar boiler harus didesain seoptimum mungkin. Di sisi lain perbedaan penggunaan jenis bahan bakar juga mempengaruhi efisiensi pembakaran. Diketahui bahwa bah an 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 melewati stack (cerobong asap), dibagi dengan total energi panas.
dimana, : Efisiensi pembakaran boiler (%) : Energi panas total hasil pembakaran (kalori; Joule) : 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 (excess air ) yang keluar melalui stack melalui stack . Semakin banyak jumlah excess air yang 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 ad a 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 F uel-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 inputoutput, 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:
dimana, : Efisiensi bahan bakar boiler (%) : Energi panas total yang diserap uap air (kalori; Joule) : Debit uap air keluar boiler (kg/jam) : Entalpi uap keluar boiler (kcal/kg) : Entalpi air masuk boiler (kcal/kg) : Energi panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar (kalori; Joule) : Debit kebutuhan bahan bakar (kg/jam) : 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 ad alah: 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. Kelebihan
Kekurangan
Metode Langsung
Parameter primer dari definisi efisiensi bahan bakar boiler (input-output) dihitung secara
Debit dan heating value bahan bakar, maupun debit dan properties uap air, harus dihitung
langsung.
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.
Dan jika:
Maka:
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:
Dimana, = Debit aliran bahan bakar masuk (kg/s) = 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:
The American Society of Mechanical Engineers (ASME PTC 4-2008) The Engineering Toolbox Automation Wiki: Boiler Efficiency Boiler Efficiency and Combustion
