Sistem
Proteksi pada Steam Drum HRSG
(Heat Recovery Steam Generator)
Zalman
Fariz
Abstrak:
Pembangkit listrik tenaga gas uap (PLTGU) selalu memiliki
komponen HRSG (Heat Recovery Steam Generator). HRSG memiliki komponen yang
sangat penting yakni steam drum yang
memiliki parameter yang harus dikontrol yakni level dan tekanan. Oleh karena
itu, steam drum dilengkapi sistem
proteksi level dan tekanan. Paper ini membahas perancangan sistem kontrol level
dan tekanan pada steam drum HRSG dan
dilengkapi dengan gambar P&ID
Pendahuluan
HRSG (Heat Recovery Steam Generator)
Heat
Recovery Steam Generator (HRSG) adalah suatu sistem alat yang berfungsi sebagai
boiler atau pemanas yang memanfaatkan kembali produk lain atau sisa gas buang
dari proses utama turbin gas untuk memanaskan air dari feedwatertank dari 60⁰C
menjadi ±600⁰C yang dapat dirubah bentuk menjadi uap untuk dimanfaatkan kembali
menjadi bahan baku steam turbin.Aplikasi dari HRSG dibagi menjadi 2 yakni:
·
Coogeneration Plant à HRSG Plant menghasilkan uap yang selanjutnya
uap tersebut digunakan pada proses industri.
·
Combined Cycle Power Plant à HRSG Plant menghasilkan uap yang
selanjutnya uap tersebut digunakan sebagai bahan baku Turbin Uap untuk
membangkitkan listrik.
HRSG terdiri
dari komponen-komponen diantaranya Suply firing, High Pressure (HP)
Superheater, Evaporator HP, Eco HP, steam
drum.
Gambar1:Heat Recovery Steam Generator
Gambar1: Heat Recovery Steam Generator
Saat
proses didalam HRSG berfasa cair maka proses tersebut berlangsung pada HP Eco,
sedangkan proses didalam HRSG mulai berfasa vapor
namun masih mengandung air maka proses tersebut berlangsung pada HP
Evaporator, dan sedangkan proses didalam HRSG berfasa superheated maka proses
tersebut berlangsung pada HP Superheated.
Steam Drum
HRSG
3.1
Steam
Drum
Secara umum, ada
empat buah jenis pipa yang dihubungkan ke steam
drum yakni pipa suplai dari economizer,
pipa menuju downcomer (kumpulan pipa
yang menyalurkan air ke dalam evaporator
dengan menggunakan prinsip gravitasi), pipa riser
(pipa berfungsi menyalurkan steam dari
evaporator ke dalam steam drum, dan. Air yang mengalir dari pipa economizer
merupakan aliran input yang menuju ke steam
drum). Pipa dari economizer mengalirkan
air dari saluran economizer yang
hampir berada pada titik saturasi untuk dialirkan ke evaporator. Steam drum
difungsikan untuk menampung air yang nantinya digunakan sebagai cadangan agar
tidak terjadi kekosongan pada pipa evaporator.
Jika terjadi kekosongan air pada pipa evaporator
maka akan terjadi overheating pada
pipa evaporator sehingga menyebabkan
material pipa dapat terbakar dan terjadi kegagalan sistem.
Steam
drum
juga berfungsi sebagai pemisah air dengan uap yang dari evaporator sehingga diharapkan uap yang keluar dari steam drum merupakan uap murni yang
tidak mengandung air (tidak berfasa cair) sebelum menuju ke superheater section sedangkan air yang
belum berubah menjadi uap murni dikembalikan kembali menuju evaporator untuk dipanaskan kembali
melalui pipa downcomer. Untuk menjaga
steam drum agar selalu berada dalam
keadaan normal, dipasang 2 jenis kontrol yakni kontrol level dan kontrol
tekanan. Kontrol level berfungsi untuk mengatur laju aliran air. Jika level
didalam tangki lebih dari set-point
yang diberikan, maka control valve akan
mengurangi air yang masuk dengan mengatur bukaan katup hingga mencapai keadaan
yang diinginkan. Begitu juga jika level dalam tangki kurang dari batas normal
maka control valve memberikan input air yang lebih banyak. Pada steam drum juga terdapat pressure safety valve yang membuka
secara otomatis jika tekanan uap pada steam
drum mendekati batas ambang kemampuan steam
drum.
Proses
Boiling pada Evaporator
Proses
boiling atau pendidihan terjadi di evaporator. Setelah air memasuki steam drum, air yang akan mengalami boiling memasuki downcomer lalu memasuki tube
yang terpapar oleh gas panas secara terus-menerus. Tube yang memanas turut memanaskan air yang melaluinya hingga
pendidihan terjadi. Fenomena boiling
terjadi akibat air menerima kalor sehingga memanaskannya dan mengubah fasa air
dari cair menjadi gas. Kalor yang diterima air membuat suhu air mengalami
peningkatan hingga mencapai titik didihnya. Setelah suhu pada titik didih
tercapai, air masih menerima kalor, berupa kalor laten, sehingga air berubah
fasa dari fasa cair ke fasa gas yaitu berupa uap.
Uap
yang terjadi di dalam proses evaporasi sendiri terdiri atas dua jenis yaitu uap
basah dan uap kering. Uap kering adalah uap yang tidak mengandung kelembapan.
Dengan kata lain, uap kering merupakan air yang mengalami perubahan fasa
seluruhnya menjadi uap. Suhu dari uap kering sama dengan suhu air keadaan
saturasi pada tekanan steam drum.
Uap
basah merupakan uap yang masih memiliki kandungan air, baik itu dalam bentuk
butiran air, embun, maupun kabut. Uap basah adalah hasil dari penguapan yang
tidak sempurna atau hasil dari kondensasi sebagian yang terjadi pada proses
evaporasi. Pada tekanan yang sama jumlah kalor pada uap basah akan lebih rendah
daripada kalor pada uap kering meskipun memiliki suhu yang sama yakni suhu saturasi.
Hal itu karena pada uap kering terdapat sebagian fraksi liquid atau kualitas
uap pada campuran gas-cair sehingga entalpi yang dimiliki uap basah tidak
sepenuhnya merupakan entalpi air pada suhu saturasi, melainkan ada penambahan
entalpi penguapan.
Hasil
uap yang dihasilkan evaporator
diusahakan tidak dalam bentuk uap kering. Hal itu dikarenakan, uap kering dapat
membahayakan tube dari evaporator.Uap basahlah yang biasa
terbentuk di evaporator. Untuk
menghilangkan kadar air pada uap, unit separator dipasang pada steam drum. Separator itulah yang
memisahkan uap yang dialihkan menuju superheater
dan air dialirkan kembali ke downcomers
untuk diproses kembali di evaporator.
Kontrol Level pada Steam Drum HRSG
Pada proses HRSG
(Heat Recovery Steam Generator)
umumnya memiliki komponen steam drum yang
digunakan untuk memisahkan air dengan uap dari evaporator dengan prinsip
perbedaan massa jenis sehingga diharapkan uap yang keluar dari steam drum merupakan uap murni yang
tidak mengandung air sebelum menuju ke superheater
section untuk dipanaskan kembali (dipanaskan kembali untuk memastikan bahwa
uap yang keluar dari boiler benar-benar mengandung uap air kering. Uap air yang
keluar dari boiler diharuskan uap kering
agar uap tersebut tidak mengandung air yang dapat merusak sudu-sudu turbin.
Pada saat kontrol steam drum boiler biasanya
dibutuhkan data suplai air yang dibutuhkan agar
dapat mencegah terjadi kekurangan dan kelebihan level pada steam drum. Jika level pada steam
drum kurang dari set point maka
dapat menyebabkan overheating dan ledakan pada boiler sedangkan jika level pada steam drum melebihi set point maka dapat menyebabkan uap yang dihasilkan mengandung
banyak air dan pada akhirnya kandungan air tersebut dapat merusak sudu-sudu
turbin. Pada keadaan seperti ini, steam drum merupakan salah satu komponen.
boiler yang memiliki kondisi kritis untuk keselamatan dan ekonomi operasional
sehingga level pada steam drum perlu
dikontrol.
Konfigurasi Sistem Kontrol Level
Pada
umumnya parameter-parameter steam drum
boiler yang digunakan untuk pembangkit listrik selalu memberikan input yang
dinamis sehingga diperlukan suatu konfigurasi sistem kontrol jenis three element control. Pada jenis three element control, terdapat 3 komponen
yang digunakan untuk mengontrol level pada steam
drum yakni laju aliran feed water, laju aliran outlet steam, dan ketinggian air pada steam drum.
Jenis konfigurasi level kontrol terbagi
menjadi 3 jenis berdasarkan jumlah komponen yang digunakan sebagai masukan
untuk mengontrol bukaan control valve.
Ketiga konfigurasi sistem kontrol yang digunakan untuk mengatur level
ketinggian air pada steam drum yakni single element control, two element control,
dan three element control. Pemilihan
salah satu konfigurasi sistem kontrol yang digunakan berdasarkan kebutuhan dan
kapasitas tangki yang digunakan. Terdapat empat
parameter yang mempengaruhi level pada permukaan steam drum, yakni kecepatan aliran massa feedwater, kecepatan aliran
massa outlet-steam, tekanan
dan suhu pada steam drum.
Konfigurasi
single element control pada
steam drum boiler merupakan konfiurasi sistem kontrol yang memerlukan satu
parameter yang dapat menentukan bukaan control
valve. Biasanya digunakan saat kondisi beban pada steam drum relatif stabil atau tidak fluktuatif. Sistem kontrol
ini memberikan respon lambat dalam
menjaga keadaan level jika terjadi perbedaan dengan setpoitn yang telah ditentukan karena sistem kontrol ini hanya
mengandalkan level transmitter sebagai
acuan untuk mengontrol bukaan valve.
Namun, biaya untuk instalasi murah karena sistem ini menggunakan perangkat
instrumen sedikit.
Gambar2: Single Element Control
Konfigurasi
two element control merupakan
konfigurasi sistem kontrol yang memerlukan dua parameter untuk menentukan
besaran bukaan control valve feedwater.
Kedua parameter tersebut adalah flow
control dan level control. Konfigurasi sistem kontrol ini sering disebut
sebagai feedforward –feedback karena
konfigurasi ini menggunakan gabungan prinsip feedforward yang mengatur kebutuhan aliran steam dan feedback control yang
mengirimkan sinyal keadaan level pada steam
drum. Berikut gambar konfigurasi two
element sistem kontrol.
Gambar 3: Two Element Control
Konfigurasi three element control merupakan
konfigurasi sistem kontrol yang memerlukan tiga parameter untuk menentukan
bukaan control valve feedwtarer. Tiga
parameter tersebut adalah laju aliran steam
flow, ketinggian air didalam steam drum,
dan laju aliran feedwater. Sistem
kontrol ini memberikan respon yang sangat cepat sehingga sistem kontrol ini
dapat digunakan untuk porses yang sering terjadi fluktuatif dan tidak dapat diprediksi.
 |
| Gambar 4: Three Element Control |
Dari
gambar diatas menunujukkan level transmitter dibandingkan dengan set-point dari steam drum dan dicari selisihnya. Perubahan dari selisih antara set-point dengan level yang diperoleh dibandingkan dengan selisih kecepatan aliran
massa uap yang keluar dengan air yang masuk. Kemudian perubahan dari selisih
tersebut yang nanti akan mengatur bukaan controlvalve
Pada umumnya steam drum merupakan salah satu komponen
boiler yang menentukan boiler bekerja secara aman dan baik atau tidak. Selain
itu, steam drum sangat mempengaruhi kinerja dari sistem boiler.
Oleh karena itu, level steam drum harus
dikendalikan sesuai dengan prosses pada boiler yang dinyatakan dengan set point
Jika level pada steam drum melebihi dari batas set point maka air akan terbawa bersama uap menuju turbin. Hal ini
menyebabkan kerusakan pada sudu-sudu turbin sedangkan jika level pada steam drum kurang dari set point maka terjadi overheating pada tubing-tubing dan
terjadi ledakan bahkann dapat mengakibatkan kematian.
 |
Gambar 5 : Diagram Alur Kontrol Level
|
Laju
aliran feedwater yang masuk ke dalam steam drum berlangsung secara dinamik
(tidak steady state). Jika tidak
dikontrol maka laju aliran tersebut dapat mengganggu variabel yang dikontrol
yaitu bukaan control valve. Karena
proses tersebut dipengaruhi oleh parameter (laju aliran feedwater) dengan keadaan seperti yang dijelaskan sebelumnya maka
dibutuhkan konfigurasi sistem kontrol yang sesuai dengan proses tersebut.
Pada
kasus pengontrolan level HRSG Sengkang dibutuhkan konfigurasi gabungan single dan three element control. Konfigurasi single elemen control digunakan saat laju aliran kurang dari set point atau biasanya pada saat HRSG
sedang melakukan start up. Sedangkan
konfigurasi three element control digunakan
saat proses berjalan normal. Berikut diagram blok pengendalian level steam drum.
Diagram blok di atas menjelaskan tentang alur pengendalian
ketinggian air pada steam drum dengan
mengendalikan besarnya bukaan control valve.
Sistem kontrol di atas merupakan sistem yang bersifat feed-back atau umpan-balik. Sistem umpan-balik memerlukan data,
yang digunakan sebagai perbandingan terhadap set-point yang diinginkan dari keluaran sistem, yakni level steam
drum dengan menggunakan level transmitter.
Hasil kalkulasi yang diperoleh pada sistem level
transmitter dikurangi dengan set-point
untuk dicari selisihnya.
Jumlah
elemen kontrol tergantung pada jumlah aliran massa uap yang keluar dihasilkan
HRSG. Ada persyaratan bahwa agar menjalankan kontrol tiga element, diperlukan
kecepatan aliran massa uap yang keluar minimal telah mencapai batas atau lebih
dari setpoint yang diberikan.
Kontrol
Tekanan pada steam drum HRSG
Selain sistem proteksi
ketinggian muka air pada steam drum evaporator, terdapat sistem
proteksi lain pada steam drum yaitu sistem proteksi tekanan.
Tekanan drum perlu mendapat perhatian karena drum memiliki sifat material yang
terbatas. Artinya material steam drum
memiliki batas tekanan yang dapat diterima.
Berdasarkan
proses yang telah dianalisis, Tekanan pada drum
dengan operasi normal adalah 62 barg. Tekanan pada steam drum dapat berubah sebagai dampak dari berbagai faktor
seperti pompa dan suhu gas buang yang masuk ke dalam HRSG. Hal ini menyebabkan
tekanan dapat sewaktu-waktu meningkat. Walaupun steam drum dilengkapi dengan PSV (pressure safety valve) yang akan melepaskan tekanan pada steam drum jika tekanan meningkat.
Namun, hal ini sangat tidak disarankan menggunnakan PSV karena menyebabkan uap
air yang dihasilkan terbuang percuma dan menyebabkan kerugian yang lebih besar
sehingga dibutuhkan sistem proteksi tekanan lain pada steam drum. Berikut diagram respon sistem proteksi pada steam drum.
Gambar 6: Diagram Alur Kontrol Tekanan
Piping
& Instrumentasi Diagram Steam Drum HRSG
 |
| Gambar7: P&ID |
Kesimpulan:
1. Parameter
yang harus dikontrol pada steam drum adalah
tekanan dan level oleh karena itu, pada steam
drum dilengkapi dengan sistem proteksi tekanan dan sistem proteksi level
2. Pada
sistem proteksi tekanan diusahakan PSV (pressure
safety valve) tidak beroperasi karena dapat menimbulkan kerugian lebih
besar
Refrensi:
1.
Rajkumar,T.2013.Boiler Drum Level Control by Using Wide Open Control with Three Element
Control System.www.international.abhinavjournal.com,
diakses 11 Oktober 2013
2.
Reliance, Clark. 1996.A Guide to Boiler Drum Level Equipment and Control Concepts.www.clarkreliance.com/site/applications/.../BoilerLevelGuideBook01, diakses 11
Oktober 2013
3.
Farthing, C. David.2001.Boiler Drum Level Measurement and Control.Oklohama
4.
Standar ASME
5. Vandagriff,
Ralph L. 2001. Practical Guide to
Industrial Boiler Systems. New York: Marcel Dekker, Inc.
