Perhitungan Efisiensi Boiler PLTU Menurut ASME PTC 4.1 - Metode Indirect or Heat-Loss (2 of 2)

Metode INDIRECT atau HEAT-LOSS adalah metode selain direct/input-output dengan menyempurnakan kekurangan yang ada kemudian memberikan perhitungan detail tentang asal losses yang mungkin terjadi.

Berikut disampaikan detail metode heat-loss berdasarkan ASME PTC 4-1 :

Poin yang bisa disimpulkan adalah :

Efisiensi boiler heat loss method = 100% - (Σlosses)
Data yang digunakan sangat kompleks untuk menunjang per item losses yang terjadi dan memperhitungkan asal losses
Perhitungan yang ada di artikel ini lebih ditekankan di PLTU bahan bakar batubara dengan kapasitas <100 MW dimana CBD tidak full open, tidak ada reheater boiler
Rumusan heat loss masih belum dibagi gross caloric value (GCV) coal yang terbakar menurut perhitungan ASME PTC 4-1, namun supaya hasil sudah dalam %heat loss maka di artikel ini disampaikan rumus yang berbeda (sudah membagi dengan GCV coal)

Perhitungan awal metode heat loss :

1. Kebutuhan Udara Teoritis Pembakaran Sempurna (kg udara/kg coal)

Rumus, [(11.6 x C) + 34.8 (H₂- O₂/8) + (4.35 x S)] / 100

Keterangan :

Nilai analisa batubara C, H_2,O₂ diisikan dalam %v/v langsung

2. Kebutuhan CO₂ Teoritis (%)

Rumus,

%CO₂= [mol C] / [mol N₂ + Mol C]

Dimana,

Mol N₂ = [wt N₂ in theoritical air/mol wt N₂] + [wt N₂ in coal/mol wt N₂]

Mol C = (%C di coal/100)/12

3. Excess Air (%)

Rumus, 7900 x [(CO₂%)t-(CO₂%)a] / (CO₂%)a x [100 - (CO₂ %)t]

Keterangan

CO₂%)t : teoritis (berdasarkan perhitungan stoikiometri)

CO₂%)a : aktual (berdasarkan pengukuran di flue gas

4. Aktual Massa Udara (kg/kg coal)

Rumus, [1 + Excess Air/100] x udara teoritis

5. Aktual Massa Dry Flue Gas (kg/kg coal)

Rumus, mass of CO₂+ mass of N₂in coal + mass of N₂in the combustion + mass of O₂in flue gas

Beberapa macam losses yang terjadi :

1. Heat Loss Due to Unburned Carbon in Dry Ash (batubara/carbon yang tidak terbakar dan masih terdapat di sistem pembuangan)

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :

Dry ash menurut ASME PTC 4.1 adalah ash pit, boiler hopper, economizer hopper, air heater hopper, dust collector hopper
Dry ash di PLTU diambil yang dominan saja menurut artikel ini yaitu bottom ash dan fly ash
%Heat loss karena unburned carbon = [(massa dry ash/coal terbakar) x GCV dry ash]/[GCV coal]

Rumus, %L uc = [(m dry ash/m coal) x GCV dry ash]/[GCV coal]

Sehingga jika terdapat 2 ash maka masing-masing dihitung dengan pembeda adalah massa dry ash diganti massa fly ash or massa bottom ash dan GCV dry ash diganti GCV fly ash or GCV bottom ash sesuai hasil analisa laboratorium.

Jika tidak ada fasilitas laboratorium, bagaimana menentukannya ??

Dengan memakai perbandingan fly ash/bottom ash dan di ASME PTC ditentukan 10/90, kemudian efisiensi boiler diestimasi 70-80% (stocker) dan 80-85% (CFB) maka jika GCV coal diketahui dari COA supplier maka GCV total ash yang tidak digunakan adalah sisa efisiensi boiler. GCV total ash masih dimiliki oleh 2 ash yaitu fly ash dan bottom ash dengan melihat hasil ash content di proximate analysis coal maka bisa dihitung massa riil ash di coal yang terbakar. Nilai massa fly ash dan massa bottom ash didapatkan dari perkalian rasio ash dan massa riil ash dan dengan mengalikan GCV total ash akan didapatkan GCV masing-masing ash.

2. Heat Loss Due to Dry Flue Gas (panas yang terbuang sampai di flue gas)

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :

% Heat loss karena dry flue gas = [(massa dry gas/massa coal terbakar) x heat specific dry flue gas x (T flue gas - T ambient)]/(GCV coal]

Rumus, %L dg = [(m dg/ m coal) x Cp dg x (Tfg - Ta)]/[GCV coal]

Dry flue gas menghilangkan kandungan H₂O atau H₂di flue gas

Perhitungan massa dry gas (m dg) diawali dari analisa orsat (hasil flue gas analyzer) dimana hasil yang didapatkan dalam %v/v (volume) sehingga harus dibawa ke "mol" dahulu kemudian dibawa ke %w/w (berat) dengan melibatkan berat molekul masing-masing senyawa.

Cp dry flue gas, bisa dicari dari Tabel dibawah ini

Catatan : C/H adalah perbandingan di bahan bakar/coal, umumnya C/H bernilai 5-10 dan flue gas temperatur rata-rata 170-190 degC = 248.4- 284.4 F sehingga rata-rata Cp yang digunakan 0.23-0.25

3. Heat Loss Due to Moisture in Fuel (karena kelembaban/air di bahan bakar)

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :

Moisture adalah kandungan H₂O di COA batubara (proximate analysis)
m H₂O adalah total moisture dari proximate analysis atau perhitungan stoikiometri ultimate analysis
Cp adalah specific heat superheated steam

Rumus,

% heat loss due to moisture in coal = [m H₂O coal per kg coal x {584+Cp x (Tf-Ta)}]/GCV coal

4. Heat Loss Due to Moisture from H₂ in Coal (karena kandungan H₂ di bahan bakar)

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :

Moisture dari H₂ di coal berikatan dengan O₂ bisa membentuk H₂O sehingga bersifat merugikan kandungan tersebut di batubara karena menurunkan nilai kalor

Rumus,

% heat loss due to moisture from H₂in coal = [8.936 x H₂x{584+Cp x (Tf-Ta)}]/GCV coal

5. Heat Loss Due to Moisture in the Air (karena kandungan H₂O di udara pembakaran)

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :

Udara pembakaran yang mengandung H₂O berlebih akan menurunkan tigkat pembakaran sehingga kalori bahan bakar ikut turun
Humidity factor didapatkan dari pembacaan grafik wet dry bulb (seperti Tabel dibawah)

Rumus,

%heat loss due to moisture in air : [(aktual massa udara x humidity factor x Cp x (Tf-Ta)]/GCV coal

Keterangan : temperatur ambient normal adalah 30-31 degC sehingga di kordinan X dipilih kemudian mengikuti garis lengkung sampai keatas dan humidity factor sekitar 0.020-0.021

6. Heat Loss Due to Atomizing Steam

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :

Di PLTU batubara kapasitas kecil <100 MW umumnya tidak memakai heat loss ini karena tidak ada atomizing steam

7. Heat Loss Due to CO (pembentukan CO berarti pembakaran tidak sempurna)

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :
Rumus, %Heat loss due to CO : [(%CO x C)/(%CO + %CO₂)] x [5744/GCV coal]

8. Heat Loss Due to Unburned H₂

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :

Flue gas analyzer umumnya tidak menyertakan parameter H₂sehingga tidak masuk perhitungan untuk PLTU batubara

9. Heat Loss Due to Unburned Hydrocarbon

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :

Pada umumnya unburned hydrocarbon dan hydrogen sudah masuk di perhitungan dry ash (fly ash & bottom ash)

10. Heat Loss Due To Radiation and Convection

Poin-poin yang dapat disimpulkan adalah :

Selama pembakaran di boiler, terdapat heat yang hilang karena proses radiasi dan konveksi ke ambient

Rumus, {0.548 x [(Ts/55.55)^4 - (Ta/55.55)^4] + 1.957 x (Ts-Ta)^1.25 x sqrt of [(196.85 x Vm + 68.9)/68.9]} x 0.86 x surface boiler area / (GCV coal x m coal)