iSSN : 2089 -2527

RANCANGAN WATERWALL PADA ONCE THROAGH SUPERCRITICALBOILER UNTTJK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP KAPASITAS

1X660 MW

Jayu Suzie, Ika Yuliyani, MaridjoJurusan Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Bandung, Bandung Indonesia

Jl. Gegerkalong Hilir, Desa Ciwaruga, Bandung 40012Telp. (022) 20137 89, Fax (022) 2013889

E-mail : USUZI ail.coma

Abstrak

llqterv,all mentpahan tempat terjadinya proses perpirulahan panas koweksi dan radiqsi antara fluidokerja dengan gas hasil pembalaran pada funace. Ada 3 jenis watenoall, yaitu multi-pass waterwall, spiralwaterwall, dan Benson wqteruall. Pada leknologi supercriticql boiler, jenis vaterwall yang pqling banyakdigunakon yaitu jenis spiral waterwoll karena perpindohan ponos yang terjadi lebih boik dari jenis yang lainnyadan juga mengurangi jumloh pipa yang digunakan poda boiler tersebul. Temryratur dan tekanon fluida keria pado

suwrcitical boiler beroperasi di aras titik kitis, titik kritis tekanan fluida air adalah sebesor 22,1 MPa dan titikkritis temperdture3T4,l {C. Hssil rancangan n/aterleell adalah jenis spiral water'nall dengan volume furaacewatencqll sebesar 2952i,36 m3, tinggi lumace n'aterwall sebesar 65,66 m, leborfiirnace waterttall sebesar 21/2mkedalaman fumace wateruall sebesar 20,99 m dan diameter har water tubes spiral watenvall sebesor 76,2 mm (3

in) ;erta ketebalan pipa tersebut sebesar 1,27 nn (0,05). Jumlah energi kalor lnng diserap oleh waterutall adalah689.33 MW.

Kato kunci : spilal waterw(rll, supercritical boiler, supercritical fluid, furnace |9qten t.rll, water tubes.

I. PENDAHULUAN

Saat ini Pemerintah lndonesia sedangmelaksanakan program 35.000 MW untukmemenuhi kebutuhan listrik yang terusmeningkat setiap tahunnya- Berdasarkan RUPTL2015-2024, pertumbuhan ekonomi pada tahun2015 di Indoneisa mencapai 6,10lo dan bebanpuncak mencapai 36,787 MW sertapertumbuhan kebutuhan listrik mencapai 8,7olo

per tahun. Program tersebut tertuang di dalamPeraturan Menteri Energi dan Sumber DayaMineral Republik lndonesia nomor 2l tahun2013. Di dalam kebijakan tersebut disebutkanmengenai daftar proyek-proyek percepatanpembangunan pembangkit tenaga listrik yangmenggunakan energi terbarukan, batubara dangas serta transmisi terkait. salah satu proyeknyaadalah pembangunan Pembangkit Listrik TenagaUap yang menggunakan teknologi Supercriticalboiler-

Supercritical boiler merupakan once-through boiler yang tidak memetlnkan drumuntuk memisahkan uap dan air fl)- Supercrilicalboiler beroperasi pada tekanan tinggi yaitu

sebesar 22,12 Mpa atau lebih. Fluida kerjaberupa air hanya berubah dari fasa cair menjadifluida yang disebut sebagai "SupercriticalFlarrl'. Kelebihan dari penggunaan teknologi iniantara lain,

l. Meningkatkan efisiensi sistem PLTUmenjadi 37 - 42 Yo, karena mampuberoperasi pada tekanan dan temperaturtinggi.

2. Mengurangi emisi gas buang.3. Mengurangi biaya operasi pembangkit.

Waterwall merupakan komponen yang

sangat penting dalam proses perubahan fluidakerja dari fasa cair menjadi uap kering. Pada

Supercritical boiler, waleruall yang digunakanharus mampu beroperasi pada tekanan dan

temperatur yang sangat tinggi serta mampuuntuk mengoptimalkan proses perubahan fasa

dari cair menjadi supercritical fluid. Sa^t inlperkembangan teknologi supercritical boilersangatlah pesat dan banyak digunakan [2].

Rancangan Waterwall Pada Once

Through Supercritical Boiler untuk PembangkitListrik Tenaga Uap Kapasitas I x660 MW dapat

439

Jurnal Tehnik Energi, Vol 6 No I Tahun 2016

,

Jurnal Telaik Energi, l/ol 6 No I Tahun 2016

dilakukan dengan menentukan tekanan dantemperatur kerja pada Supercritical boiler,kemudian menentukan material yang digunakanunluk waterwall.

METODOLOGI DAN TAHAPANRANCANGAII

Metodologi yang dilakukan dalampenelitian adalah studi lapangan, dan pembuatansimulasi untuk rancangan PLTU dan waterwall.

. Studi lapangan dilaksanakan untukmendapatkan data dan informasi yangberkaitan dengan pembangkit yangmenggunakan supercritalcek! boiler.

o Pembuatan simulasi pembangkit denganmenggunakan software Steampro -

. Membuat rancangan waterwall(bhsasing) menggunakan data{ata yangdiperoleh dari studi lapangan dansoftware steatnpro.

o Analisa desain waterwall.

Rancangan waterwall ini menggunakansistem pembangkit listrik tenaga uap dengankapasitas I x660 MW dan disimulasikan

ISSN : 2089 -2527

menggunakan perangkat lunak STEAMPROdari Thermoflow seperti Gambar I dan hasilsimulasi tersebut terdapat pada Tabel I di bawahini :

Tabel I Hasil dataTtmace boiler padaperanglztlunak STEAMPRO

I

Tf;

f,

I

No Jumlah SatuanI Mass flow air 6s0,5 kg/s2 Temperatur inlet

waterwall343,5

3 Temperatur outletwaterwall

410

4 Tekananwaterwall

inlet 27.74 MPa

5 Tekananw&terwall

outlet 26,22 MPa

6 LHV bahan bakar 205t7 kJikgMass flow bahanbakar

kds

8 Temperatwgas

flue 1102,2

9 Mass flow gas E60,9 keisGas mass flux 3.?34 kds m'Volumetricrelease

heqt 63,33 kWm'

Gambar l . Simulasi sistem szpercr itical pan er plant 1x660 MW

440

Data

7 91,13

t0II

It

Jurnal Teknik Energi, Vol6 No I Tahun 2016

Setelah simulasi selesai dan didapatkandata{ata yang dibutuhkar! maka langkahselanjutnya adalah melakukan perhitunganparameter rzrncangan watenyal l. Berikut adalahperhitungan parameter rancangan waterwall :

o Laju Kalor pada Furnace WaterwallPerpindahan panas yang terjadi pada

ruang bakar terjadi diantara partikel-partikel gasasap yang memancarkan kalor secara radiasi kepipa-pipa evaporator yang menempel padadinding ruang bakar. Perpindahan panas yangterjadi secara konveki dapat diabaikan karenamemiliki nilai yang kecil. Saat prosesperpindahan panas terjadi terdapat kerugiankalor yang diakibatkan dari pembakaran yangtidak sempuma. Kalor yang terbawa oleh abu,dan kalor yang hilang didistribmikankelingkungan. Kalor yang dapat diserap olehevaporator dapat dihitung dengan persamaanberikut [3] :

Qws = thwate, {h" - hi) (l)

Dimana:

Q** : kalor yang diserap waterwall (kW)h" : entalpi uap keluar waterwall (kJkg)hi : entalpi uap masuk waterwall (Hlkg)rn*o;r,: laju alir massa air (kgls)

Kalor yang dihasilkan oleh bahan bakar dapatdihitung dengan persamaan sebagai berikut :

Qw= rhm ' LHV (2)

Dimana:

Qoo : kalor yang dihasilkan bahan bakar(kw)LHV : nilai kalor bahan bakar (kllkg)rhm : laju alir massa bahan bakar (kg/s)

ISSN : 2089 -2527

Dimanasin x;, : derajat keminngan spiral watenvall

: konstanta berdasarkan diameler water

: minimum mass /ha, (kg/s.m'?): feed water flow, (kgls): diameter dalam u,ater tube, (m): lebar waterwall, (m)

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan dari parameter yang telahdisimulasi sebelurnnya, maka dipilihlah pipawalerwall yang digunakan untuk rancangan ini,yaitu ASME SA2l3 Tl2 dengan diameter luarsebesar 76,2 mm (3 in) dan tebal pipa tenebutsebesar 1,27 mm (0,05 in), dan jenis water tubesyang dipilih adalah smooth tubes. Berikut adalahspesifikasi pipa tersebut :

Tabel 2 isi kimia ASME SA2I3 TI2

Tabel 3 kasi mekanik ASME SA2I3 TI2

kptubeW"WdiI

c, o/o P, o/o s,% si,o/o

Cr Mo,

0,0s-0,15

0,30-0,61

0,025matx

0,02smax

0,50max

0,80-1,25

0,44-0,65

Hardness.HB

TensileStrength,

MPa

YieldStrength

MPa

Elongation,o/o

220 min 30 min 163 max

. k.dtwmm wk"sln o(r = ----- = ----...!

" a/iJ!'a w trtd'(3)

439

. Derajat Kemiringan Spiral WaterwallDerajat kemiringan spiral waterwall

yang akan dirancangan dapat dikethui denganpersamaan berikut :

Dimersi waterwal/ dapat ditentukan denganmengetahui volunte heat release rate danmelakukan asumsi nntuk lebar waterwall yangdirancang Berikut adalah penamzurnnya :

a. Volumetpiralwaterwallv - 9D!u*- =;; (4)

b- Kedalar,nut watert'all

-9 = o'98

(5)c. Ketinggian spiral waterwall

h--w_ (6)w'D

Diman4V** : volwne spiral watero,all (m3)Vr : vohmre heat release rate(kWlm3)w : v,idth (lebar yang diasumsikan) (m)D : depth (kedalaman waterwall) (m)

Mn,o/o

415 min

Jurnal Teknik Energi, Vol 6 No I Talrun 2016 ISSN : 2089 -2527

l2

c3r3.5

f---nd--l-r7.1a

27,71

o.mr 527

0 @524r 530

?ao2

1573

2516 5,G9

Gambar 3 Dagram T-s untuk fluida kerja pad^waterwall

1

Dari data simulasi diketahui bahwatemp€ratur inlet waterwall sebesar 343,5"C dantemperatur ovtlet wateneall sebesar 410 "C padatekanan konstan ftondisi ideal), yaitu sebesa,27,74 MPa Dengan menggunakan perangkatlunakcomputer-aided thermodynamic table 3,maka didapatkan hasil seperti Gambar 3.

pada daerah di atas titik kritis dari fluida airsehingga cocok untuk teknologi supercriticalboiler pada PUIU dengan kapasitas 1x660 MW.

2. Temperatur terhodap Massa Jenis FluidaKerja

Massa jenis fluida kerja didapatkan dariperangkat lunak Chemicalogic SteamTabCompanion dengan memasukfi data input bempatemperatur dan tekanan kerja fluida air pada spiralwaterwall yang dirancang. Dari grafik tersebutterlihat bahwa semakin besar temperahr makasemakin kecil densitas fluida air tersebut- Terjadipenumnan densitas yang cukup signifikan padatemperatur 385'C karena fluida tersebut berada diatas titik kritis dari fluida air. Penun:nan densitasfluida air tersebut mempengaruhi kondisi fluidatersebut sehingga menjadi supercritical fluid didalam spiral waterwall yang dirancang.

3. Temperatur terhadap Heat Capacity padaTekanan Konstan

Heat capacity pada tekanan konstan didapa&andari perangkat lunak Chemicalogic SteamTabCompanion dengan memasukan data input berupatemperatur dan tekanan kerja fluida air pada spiralwaterwall yang dirancang. Dari grafik tersebut

TermodinamikaItoremtall

fluida kerja pada

Lq.r*r f.ri.daO fa-r. ,..5

-I:all

,@

c@

!6ro

slatoo

olilo w tn a:o

Gambar 3 Grafik temperatur terhadap massajenis fluidakerja

Dari hasil perangkat lunalfirsebut didapatkanbahwa spiral waterwall yang dirancang bekerja

439

---'1;,

\

.htrnal Teknik Energi, Yol 6 No I Talrun 2016

terlihat bahwa semakin besar temperatur makasemakin besar pula heat capacity fluidz airtersebut.

ISSN : 2089 -2527

sehingga perlu material dan ketebalan pipa yangtepat agar perpindahan pan,ls yang terjadi lebihmaksimal.

L'o

I

{0

t0

20

IO

0

l{0 350 380 400

Temperatur (oC)

Gambar 4. Crafik temperatur terhadap heat capacitypada tekanan konstan

Terjadi kenaikan heat capacity yNtgsignifikan pada temperatur 385'C hingga mencapaipuncaknya pada temperatur 395'C. Hal tersebutterjadi karena fluida tersebut berada di atas titikkritis dari fluida air sehingga air tersebut berubahmenjadi supercritical Jluid- Pentbahan heatc apac ity tersebtl akan mempengaruhi perpindahanpanas yang terjadi pada spiral waterwall yutgdirancang sehingga perlu material dan ketebalanpipa yang tepat agar perpindahan panas yangterjadi lebih maksimal.

4. Temperatur terhadap ThermalConductivity

Konduktivitas termal fluida kerjadidapatkan dari perangkat lunakChemicalogicSteamTab Companion dengan memasukan datainput berupa temp€ratur dan tekanan kerja fluidaair pada spiral waterwall yang dirancang. Darigrafik tersebut terlihat bahwa semakin besartemperatur maka semakin kecil konduktivitastermal fluida air tersebut.

Terjadi penunman konduktivitis termalyang signifikan di mutai dari temperatur 395t.Hal tersebut dikarenakan kondisi fluida air beradadi atas titik kritisnya sehingga air tersebut berubahmenjadi supercritical lluid. Perubahan viskositastersebut akan mempengaruhi perpindahan panasyang terjadi pada spiral waterual/ yang dirancang

Gambar 5. Grafik temperatur terhadap konduktivitastermal fluida kerja

4. STMPULAN

l. Parameter hasil rancangan yang diperolehadalah sebagai berikut :

Parameter Nilai S.tuatr1 Energi Kalor

Waterwall689,33 MW

2 Energi Kalor Bahanbakar

1869,71 MW

3 Persentase penyerapankalor oleh waterwall

36,87 o/.

Kalor Radiasi 801,52 kw5 Temperatur fluegas

meninggalkan1078,303

6 Heat Flux 24868,67 W/m27 Minimum gas free

flow area230,557 m

8 Gas film temperatur 716,8439 CBilangan Reynolds 6883,2

l0 Koefisien perpindahanpanas konveksi

35,E7527 WlmzC

ll Koefisien perpindahanpanas radiasi

12,99278 w/mzC

t2 Cabungan koefisienperpindahan panas

48,86804 Wm2C

l3 Waterwall surface 51240,25 m

Iurp.r&rrt rt d.p fonduhhdt .llflD.aot

9q5g*9qr

I*lorIo

l/ro :!lo Ito ao a:o

440

Temperatur terhadap Heat Capacitypada Tekanan Kontan

No

4"c

9

2. Dimensi spiral walerwall menggunakan pipaASME SA2l3 T l2 dengan diameter luar pipaspiral woterwall tersebw adalah 76,2 mm (3

,120

Dcri*rloE

3

Jurnal Te*tik Energi, Vol 6 No I Tahun 2016

Berdasarkan analisis termodinamika fluidakerja pada rancangan spiral waterwall inididapatkan bahwa temp€ratur dan tekananfluida kerja beroperasi di atas titik kritisnya"yaitu sebgai berikut :

Dari grafik temlleratur terhadap massa jenisfluida kerja pada spiral watervall terlihatbahwa semakin besar temperatur makasemakin kecil densitas fluida air tersebulTerjadi penurunan densitas yang cukupsignifikan pada temperatur 385"C karenafluida tersebut berada di atas titik kitis darifluida air.

Dari grafik temperatur terhad ap heat cspacilyfluida kerja pada tekanan konstan terlihatbahwa semakin b€sar temp€ratur makasemakin besar pula heat capacity flvid^ airtersebul Terjadi kenaikan heat capacity yangsignifikan pada temperatur 385"C hinggamencapai puncaknya pada temperatur 395.C.Hal temebut terjadi karena fluida tersebtrtberada di atas titik kritis dari fluida airsehingga air tersebul berubah menjadisupercritical Jluid.

Dari grafik temperatur terhadap konduktivitastermal terlihat bahwa semakin besar

ISSN : 2089 -2527

temperatur maka semakin kecil konduktivitastermal fluida air tersebut. Terjadi penurunan

konduktivitas termal yang signifikan di mulaidari temperatur 395'C karena sprialwaterttall beroperasi di atas titik kritis fluidakerja tersebut-

5. NOTASI

A : luas permukaan perpindahan kalor [m2]As '. minimum gas free ;flow rate, {m2)cp : spesific heat gas IkJ/kg'Cldi : diameter dalam ra ater lube, lmlD : depth (ked^hrnan waterwall), lmlFa : arrangement factorFd : heat transfer depth factorFe : faktor efektivitas heat flw = O,3

Fr, : physical properties factorF, : faktor efektivitas perpindahan panas

radiasiGe : gas mass flux, [kg/s.m'z]he : entalpi trap keluar waterwall, $)kg;lhi : entalpi uap masuk waterwall, lkJkgfhL a basic conveclion crossflow geometry and

velrcity factor, IWmhC]t + ; bosic radiation heat transfer coeficient,

lwm'?"clh.e : koefisien perpindahan kalor secara

radiasi pada sisi gas [kJls m"C]tL" : koefisien perpindahan kalor secara

konveksi pada sisi gas [kJls m'?t]kp : konstanta berdasarkan diameter wder

tubeK : faktor bahan bakarKn" '- gas properties factor, 1s-m'?/kg]I : lebar waterwall,lm'lI : panjang radiasi rata-rat4 [m]LHV : nilai kalor bahan bakar [kJ/kg]LMTD : log mean temperatur diferent, f"C'lrizm : laju alir massa bahan bakar [kgls]ths : laju alir gas, ftg/slrir*or", : laju alir massa air, [kg/s]4tn : efisiensi thermal, [%]Pr : partial pressuresin o(r : derajat kemiingan spiral waterwallTr : temperatur gas m asuk waterwall, f"C)Tz : Iemrrralln gas keluar waterwall, f'Clf; : temperatur saturasi air boiler, ["C]AT" : selisih temperatur gas masuk dan keluar,

rcl

4

5

6

No Parameter Nilai SatuatrI Derajat Kemiringan

spiral waterwal I

24 derajat

2 Volumewaterwall

fumace 29s23,36 m

3 fumace 20,9916 m

Tinggiwaterwall

fumace 65.65998 m

No Parameter Nilai SatuasI Temperatur inlet water

wall343,5

2 Temp€ratur outlet waterwall

410

3 Tekanan inlet waterwall

27,74 MPa

4 Tekanan outlet waterwall

26,22 MPa

441

in) dan ketebalannya sehsar 1,27 mm (0,05in), berikut dimensi rancangan spiralwaterwall :

Kedalamanwaterwall

4

q

aQo

a.aoa

Jurnal Teknik Energi, Vol6 No I Talrun 2016

oc

: heat Jttu, IW lm?]: energi kalor, [kJ/s]: kalor yang dihasilkan bahan bakar, [kW]: energi kalor radiasi, [kW]: kalor yang diserap waterwall, fkW): faktor kerugian akibat kalor yang terbawa

abu: faktor kerugian akibat pembakaran tidak

sempuma: faktor kerugian akibat kalor yang ketuar

dari dinding ruang bakar:konstanta Stefan-Boltznann : 5,6703 x

103 twn'? I(J: gabungan koefisien perpindahan kalor,

[kJls m"C]: volume spiral waterwall, lm3): volune heat release rate, (kwm): width (lebar yar:,E diasumsikan), [m]: feed water flow,lkglsl: minimun mass Jlur, [kg/s-m'z]

O4

U:h"

WW"

ISSN : 2089 -2527

DAFTARPUSTAKA

I I ] S.K. Patel, dan A.C. Tiwari " Performanceanalysis of super crit ical bo iler", IntemationalJoumal Of Mechanical EngineeringAndtechnologr (IJMET) Volume 3, Issue 2,May-August (2012), pp. 422430

[2] Joachim Franl<e dan Rudolf Kral,"Supercritical boiler technologt for futuremarket conditions", Siemens PowerGeneratior! hesented at Parsons Conference2003

[3] MorarL Shapiro, Boettner, Bailey:"Fundamentals of EngineeringThermodynamics", 7th Edition, Dec 2010, O2011, Wiley.

b

b

o

M2