DESIGN PHILOSOPHY OF STEAM GENERATOR

APLIKASI DI INDUSTRI ENERGIPEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP(Schematic Diagram)

APLIKASI DI INDUSTRI ENERGIUtility Boiler (Potongan Memanjang)

1. Input Requirements and Operating Pressure Dimulai dengan identifikasi kebutuhan aplikasi menyeluruh (tabel 1) Tabel 1. Use-Derived Specification Requirements for Boiler Design

ParameterKeteranganKebutuhan penggunaan uap Laju aliran, tekanan, temperatur,-untuk utility boilers; kesetimbangan panas siklus daya dan turbinTipe dan analisa bahan bakarKarakteristik pembakaran, karakterstik fouling dan slagging, analisa abu, dll. Suplai air pengisiSumber, analisa dan temperatur air masuk ekonomiserBatasan pressure dropSisi gasPeraturan PemerintahTermasuk keperluan kontrol emisi gasSite-specific factorsGeography, seasonal characteristicsSteam generator useCycling, base load, dllCustomer preferencePetunjuk desain spesifik; kondisi aliran, peralatan yang disukai, efisiensi pembangkiy uap

Diseleksi secara iteratif untuk menyeimbangkan: initial capital cost, operating cost (khusunya penyediaan bahan bakar), steam process needs, dan pengalaman operasi. (tekanan operasi merupakan kunci utama).Untuk Industrial Boiler, tekanan uap ditentukan oleh:a. kebutuhan temperatur dan tekanan,b. kebutuhan untuk menghindari kebocoran fluida proses ke sistem air-uap atau sebaliknya,c. temperatur metal max. yang diijinkan untuk menghindari erosi dan korosi sisi gas. Untuk Utility Boiler, tekanan dan temperatur ditentukan oleh: siklus daya dan efisiensi yang diinginkanUntuk menaikkan efisiensi: tekanan dan temperatur lebih tinggi, penambahan bagian pemanas ulang uap.Harus disetimbangkan dengan cost.

2. Siklus Daya Siklus Clausius-Rankine (gambar 1.1), garis penuhTekanan dan tempeeratur tinggi efisiensi lebih tinggiMenambah reheater (Utility boiler), menaikkan efisiensi Ekonomiser menaikkan sfisiensi Pengambilan panas relatif oleh Ekonomiser 30%, Evaporator 32%, Superheater 38%. Penambahan Reheater 20% Gambar 1. a. Diagram T-sGambar 1. b. Diagram T-h

3. Tipe Pembangkit UapUtilitySubcritical PressureRecirculation- Nature aor Thermal or Gravity Induced Circulation- Pumped or Forced or Controled Circulation- Pump-assisted circulationOnce ThroughtSupercritical PressureB.Industrial (steam supply and/or fuel-use dominant, no reheat)Thermohydraulic BasisRecirculating- Multiple drum boiler bank- Single drumOnce Throught (selected case)

Tipe Pembangkit Uap (lanjutan)C.Fuel- Oil- Wood-biomass- Waste heat- Coal- GasD.Firing Method- Oil-gas burner- Stoker (several type)- Pulvurized coal- Fluidized bed (several types)- Refuse- Byproducts gas- Petroleum coke- Liquor (chemical recovery)- Other

Utility Boiler (untuk pusat pembangkit listrik)Kriteria desain: optimasi efisienesi termodinamik total pada maximum availabilityIndustrial Boiler (mensuplain uap untuk proses atau fabrikasi)Kriteria desain: Process-controled pressure (biasanya tekanan rendah)high reliability dengan maintenance minimum bahan bakar yang tersedia di tempat (kalau mungkin sisa-sisa proses) capital costs yang rendah biaya operasi total yang rendah Faktor utama konfigurasi boiler (heat transfer surface), gambar 2:jumlah relatif enegi yang diperlukan untuk: penguapan (utama), pemanasan lanjut (jika perlu) Gambar 2. Relative boiler surface heat absorption

Perspectif termodinamik: Industrial boilers cenderung berbeda dgn Utility boilers modern dalam pertimbangan sbb:Utility boilers yang besar secara tipikal bekerja pada tekanan yang tinggi (>12,4 Mpa), Industrial boilers antara 1,7 - 12,4 MPa Industrial boilers sering mempunyai kumpulan pipa penguap terpisah, karena penguap di furnace luasnya tidak cukup (gambar 3) Industrial boilers biasanya tidak menggunakan reaheater dengan pertimbangan capital cost yang tinggi dan aspek ekonomis yang rendah Industrial boiler jarang menggunakan sirkulasi paksaGambar 3. Multifuel industrial boiler with Stoker (bark, oil, or gas)

4. System Approach Evaluasi boiler dapat didekati dari dua arah sebagai: a. water-steam heater (tipikal: 246C air menjadi 540C uap panas lanjut) informasi: - aju aliran uap yang diperlukan- kesetimbangan panas siklus daya - entalpi air-uap pada bagian utama - jumlah bahan bakar yang diperlukan b. flue gas cooler (tipikal: 1650C menjadi 330C sebelum PU) informasi: - bahan bakar yang digunakan - parameter sisi gas

Tahapan umum dalam desain: spesifikasikan kebutuhan uap dan parameter yang lain (tabel 1)evaluasi heat balance dan penyerapan panas oleh jenis permukaaan lakukan perhitungan pembakaran konfigurasikan sistem pembakaran konfigurasikan furnace (zona pembakaran) dan laluan gas asap daerah konveksi (batas temperatur dan sifat-sifat material)spesifikasikan pemanas udara evaluasi sistem sirkulasi verivikasi performansi total dari unit

5. Bagian-bagian utama pembangkit uap Pembahasan: arrangement, ukuran, spacing, pertimbangan, termohidrolik, material 5.1. Enclosure surface furnace : boiling cukup besar untuk menjamin pembakaran bahan bakarmendinginkan hasil pembakaran sebelum masuk daerah konveksi; (menghindari fouling, slagging, temperatur metal melampaui batas)perpindahan panas terutama oleh radiasi didinginkan oleh air mendidih (subcritical), kecepatan aliran yang tinggi (supercritical) konstruksi: membrane, close-spaced tube, flat studded, dllconvection pass : steam cooled atau boiling terdiri dari aliran gas (horisontal/vertikal) dimana terdapat superheater, reheater dan ekonomiser didinginkan oleh air atau uapperpindahan panas terutama oleh konveksi konstruksi: membrane, close-space tube.

Dimensi tipikal pipa dinding (tabel 2); pertimbangan minimum costs Tabel 2. Typical Components dimension

5.2. Superheater dan Reheater Untuk menaikkan temperatur uap diatas temperatur jenuhnya: menaikkan efisiensi termodinamik siklus daya memenuhi kondisi proses yang diinginkan Kriteria dalam desain: batasan temperatur metal tube lebih rendah dari yang diijinkan untuk mencapai harga tegangan ijin dan batasan erosi dan korosi mengontrol temperatur uap keluar menjaga pressure drop sisi uap pada batas yang diijinkan Perbedaan utama antara superheater dan reheater: tekanan operasiContoh: Untuk boiler tipikal dengan resirkulasi dengan drum: tekanan keluar superheater 18 Mpa, tekanan masuk reheater hanya 4 Mpa Laju aliran volume reheater > superheater Laju aliran massa reheater < 10% - 15% dari superheater Mekanikal desain dan lokasi ditentukan oleh operation range, kebutuhan temperatur, karakteristik termal dari siklus, karakteristik fouling dan slagging bahan bakar, dan peralatan cleaning

Bila diperlukan temperatur tinggi: sebagian ditempatkan di daerah radiasi Empat general arrangement: pendant-platent, pendant, inverted, horizontal (lihat gambar 4) Gambar 4. Boiler heat transfer surface

Variabel utama yang bisa dioptimasikan untuk mencapai minimum cost: Material costs: luas permukaan, tebal tube, tubing costsPressure drop sisi uap: dibatasi oleh kondisi desain boiler, operating cost, dan efisiensi siklusPressure drop sisi gas: operating cost Kecepatan uap untuk meminimalkan temperatur metal tube Kontrol temperatur uap keluar Perhitungan perpindahan panas superheater dan reheater relatif biasa: aliran gas memanasi uap didalam bundel tube persamaan perpindahan panas, faktor-faktor dan asumsi Faktor kesulitan dalam perhitungan temperatur metal superheater: radiasi dari tungku pada jajaran pertama tube dan celah yang melihat apiketidak merataan pemanasan distribusi temperatur tube tidak merata (gambar 5) penambahan 40C untuk batas desain

Gambar 5. Superheater tube wall temperature profileDesain termohidrolik reheater identik dengan superheater, kecuali tekanan rugi tekanan total di reheater (termasuk pemipaan) dibatasi 10% dari tekanan masuk

5.3. Economizers Sebuah heat exchanger sederhana untuk: memanfaatkan energi panas gas buang (sesudah superheater dan reheater )menaikkan temperatur sesudah feed-water heater meminimisasi beda antara tempertur jenuh dan temperatur feed-water Aliran air biasanya berlawanan arah dengan aliran gasDiameter tube (lihat tabel 2)Celah tube diatur untuk mencapai kecepatan gas maksimum, tidak melebihi kecepatan erosi yang diijinkan.Dibeberapa tempat diberi celah untuk shoot-blower Extended surface tube digunakan, Material tipikal yang digunakan: Carbon steelMetoda perhitungan identik dengan superheater dan reheater Beberapa batasan: pada boiler tekanan tinggi, temperatur air keluar dibatasi < temperatur uap jenuh (35C - 50C)temperatur permukaan luar tube biasanya ditetapkan dengan batasan temperatur embun dari asam pada gas hasil pemabakaran

5.4. Steam Temperatur Control Tujuan: menjaga temperatur uap keluar superheater dan reheater pada range yang diijinkan karena perubahan beban atau fluktuasi normal karena banyaknya variabel operasiPenurunan temperatur 20C dapat menurunkan efisiensi siklus 1% (untuk power boiler tekanan tinggi, > 12 Mpa). Fluktuasi yang diijinkan dalam operasi praktis: 5C atau 6C Beberapa faktor yang yang menyebabkan perlunya kontrol: perubahan beban, fouling/slagging, perubahan feed-water, burners out of service Tabel 3, beberapa metoda pengontrolan tempereatur uapPada Utility Boiler yang besar, attemperator dengan injeksi langsung air/uap banyak digunakan karena respon yang cepatPada kebanyakan unit digunakan kombinasi beberapa metoda Untuk meminimisasi beban attemperator, dengan superposisi superheater konveksi dan radiasi (gambar 6)

Gambar 6. Temperature characteristic of Superheater

5.5. Steam Drum Digunakan pada subcritical recirculating boiler untuk memisahkan uap jenuh yang datang dari evaporator dari campuran airDimensi: diameter dari 1m s/ beberapa meter, panjang mencapai 30m Dibuat dari pelat tebal, diroll menjadi silinder, dengan tutup bola Kegunaan lain: mencampur feed water dengan air jenuh hasil pemisahan uap mencampur penambahan zat kimia untuk mengontrol korosi memurnikan uap dengan membersihkan kotoran dan kelembaban sebelum dikirim ke superheatermembuang sebagian air ketel untuk mengontrol kebersihan air ketel (blowdown) persediaan air untuk mengakomodasi perubahan beba Bagian dalam drum ditunjukkan pada gambar 7Pipa-pipa feed-water dipasang sepanjang drum untuk mendapatkan campuran yang merata dengan air dari separator sebelum dikirim ke downcomer pipeVariasi panjang drum untuk mengakomodasi perbedaan ukuran boiler

Gambar 7. Typical Steam drum internals

6.2. Furnace wall circuits evaluation Sirkuit di furnace wall enclosure adalah daerah yang paling kritis: heat flux tinggi dan konstan perlu pendinginan tube wall tanpa hentipendinginan yang tak cukup overheating yang cepat, kerusakan akibat tegangan termal, kerusakan material karena beda muai dari tube Elemen dasar yang dievaluasi untuk pendinginan yang baik: a. Parameter yang dievaluasi: distribusi flux termal yang terjadi perhitungan sirkulasi dan pressure drop penyeimbang b. Kriteria batas yang dipilih: -instabilities aliran dua fasa pada sirkuit paralel-batasan kecepatan yang umum-laju perpindahan panas dan flux termal kritis (CHF)-pemisahan uap-air dan kapasitas drum Prosedure evaluasi: proses iteratif dalam pemilihan komponen yang distandarkan (membrane wall, drum, header, dll), untuk mendapatkan batas performansi yang diinginkan pada cost yang rendah Kesetimbangan penting yang ingin dicapai: distribusi flux panas dan distribusi flux massa yang bersirkulasi

6.3. Furnace heat flux evaluation Sekali parameter sistem uap, jenis bahan bakar, laju aliran bahan bakar ditentukan proses evaluasi dimulai dengan: penentuan geometri furnace penelitian distribusi flux termal yang terjadi Desain dan evaluasi termal di furnace adalah proses sangat komplek belum ada solusi eksak dari metoda teoritisfabrikator menggunakan kombinasi data lapangan, pengalaman operasi, interpolasi dan extrapolasi, dllmodelisasi numerik untuk optimasi geomrti yang ada dan geometri yang baru Furnace harus dikonfigurasikan: -untuk mencapai Furnace Exit Gas Temperatur (FEGT) yang diinginkansebelum gas melalui bagian konveksi- distribusi termal harus tertentu supaya evaluasi sirkuit di tube wall dapat dilakukan

Beberapa konfigurasi telah dikembangkan untuk utility boiler (gambar 8) Gambar 8. Sample utility boiler furncae configuration

Basic furnace configuration approach: Geometri dan volume furnace ditentukan oleh: -karakteristik setiap pembuat peralatan pembakaran fuel input karakteristik fouling dan slagging pembuat komponen yang distandarkan Basic approach meliputi a. furnace depth (jarak dari dinding burner ke dinding burner) -distandarkan oleh pembuat burner - biasanya tergantung pada karakteristik pembakaran b. tergantung pada karakteristik slagging (rendah, tinggi, dll), - harga spesifik input panas per penampang furnaceuntuk menentukan lebar furnace, untuk menghindari akumulasi slag yang berlebihan c. yang diinginkan, ditentukan oleh karakteristik abu untuk mengurangi slagging pada permukaan konveksi

d. Tinggi furnace ditentukan untuk mendapatkan temperatur keluar yang diinginkan. Tergantung pada kebutuhan untuk superheater dan reheater, platen surface, furnace division walls dan wing walls mungkin ditambahkan untuk menyerap sebagian energi untuk mengurangi FEGT pada level yang diinginkan Gambar 9 geometri berdasarkan karakteristik abu bahan bakar Gambar 9. Furnace size comparisons (H,W, D, A, based dimension on (b)