Boiler atau ketel uap adalah suatu perangkat mesin yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. Proses perubahan air menjadi uap terjadi dengan memanaskan air yang berada didalam pipa-pipa dengan memanfaatkan panas dari hasil pembakaran bahan bakar. Pembakaran dilakukan secara kontinyu didalam ruang bakar dengan mengalirkan bahan bakar dan udara dari luar.
Uap yang dihasilkan boiler adalah uap superheat dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap tergantung pada luas permukaan pemindah panas, laju aliran, dan panas pembakaran yang diberikan. Boiler yang konstruksinya terdiri dari pipa-pipa berisi air disebut dengan water tube boiler.
Gb 1 water tube boiler
Pada unit pembangkit, boiler juga biasa disebut dengan steam generator (pembangkit uap) mengingat arti kata boiler hanya pendidih, sementara pada kenyataannya dari boiler dihasilkan uap superheat bertekanan tinggi.
Ditinjau dari bahan bakar yang digunakan, maka PLTU dapat dibedakan menjadi :
- PLTU Batubara
- PLTU Minyak
- PLTU gas
- PLTU nuklir atau PLTN
Jenis PLTU batu bara masih dapat dibedakan berdasarkan proses pembakarannya, yaitu PLTU dengan pembakaran batu bara bubuk (Pulverized Coal / PC Boiler) dan PLTU dengan pembakaran batu bara curah (Circulating Fluidized Bed).
Perbedaan antara PLTU Batu bara dengan PLTU minyak atau gas adalah pada peralatan dan sistem penanganan dan pembakaran bahan bakar serta penanganan limbah abunya. PLTU batubara mempunyai peralatan bantu yang lebih banyak dan lebih kompleks dibanding PLTU minyak atau gas. PLTU gas merupakan PLTU yang paling sederhana peralatan bantunya.
Gb 2 Tata letak Pulverized Coal (PC) Boiler Batubara
Gb 3 Tata letak Circulating Fluidized Boiler (CFB)
Ditinjau dari tekanan ruang bakar boilernya, PLTU dapat dibedakan menjadi:
- PLTU dengan Pressurised Boiler
- PLTU dengan Balanced Draft Boiler
- PLTU dengan Vacuum Boiler
Sistem pengaturan tekanan ruang bakar (furnace pressure) biasa disebut draft atau tekanan statik didalam ruang bakar dimana proses pembakaran bahan bakar berlangsung. PLTU dengan pressurised boiler (tekanan ruang bakar positif) digunakan untuk pembakaran bahan bakar minyak atau gas. Tekanan ruang bakar yang positif diakibatkan oleh hembusan udara dari kipas tekan paksa (Forced Draft Fan, FDF). Gas buang keluar dari ruang bakar ke atmosfer karena perbedaan tekanan.
Gb 4 Jenis-jenis Tekanan (Draft) Boiler
Gb 5 Skema Balanced Draft Boiler
PLTU dengan Balanced Draft Boiler (tekanan berimbang) biasa digunakan untuk pembakaran bahan bakar batubara. Tekanan ruang bakar dibuat sedikit dibawah tekanan atmosfir, biasanya sekitar –10 mmH2O. Tekanan ini dihasilkan dari pengaturan dua buah kipas, yaitu kipas hisap paksa (Induced Draft Fan, IDF) dan kipas tekan paksa (Forced Draft Fan, FDF). FDF berfungsi untuk menyuplai udara pembakaran menuju ruang bakar (furnace) di boiler, sedangkan IDF berfungsi untuk menghisap gas dari ruang bakar dan membuang ke atmosfir melalui cerobong. Sedangkan PLTU dengan vacum boiler tidak dikembangkan lagi, sehingga saat ini tidak ada lagi yang menerapkan PLTU dengan boiler bertekanan negatif.
Siklus Air di Boiler
Siklus air merupakan suatu mata rantai rangkaian siklus fluida kerja. Boiler mendapat pasokan fluida kerja air dan menghasilkan uap untuk dialirkan ke turbin. Air sebagai fluida kerja diisikan ke boiler menggunakan pompa air pengisi dengan melalui economiser dan ditampung didalam steam drum.
Economiser adalah alat yang merupakan pemanas air terakhir sebelum masuk ke drum. Di dalam economiser air menyerap panas gas buang yang keluar dari superheater sebelum dibuang ke atmosfir melalui cerobong.
Gb 6 Economiser tipe pipa bersirip (finned tubes)
Peralatan yang dilalui dalam siklus air adalah drum boiler, down comer, header bawah (bottom header), dan riser. Siklus air di steam drum adalah, air dari drum turun melalui pipa-pipa down comer ke header bawah (bottom header). Dari header bawah air didistribusikan ke pipa-pipa pemanas (riser) yang tersusun membentuk dinding ruang bakar boiler. Didalam riser air mengalami pemanasan dan naik ke drum kembali akibat perbedaan temperatur.
Perpindahan panas dari api (flue gas) ke air di dalam pipa-pipa boiler terjadi secara radiasi, konveksi dan konduksi. Akibat pemanasan selain temperatur naik hingga mendidih juga terjadi sirkulasi air secara alami, yakni dari drum turun melalui down comer ke header bawah dan naik kembali ke drum melalui pipa-pipa riser. Adanya sirkulasi ini sangat diperlukan agar terjadi pendinginan terhadap pipa-pipa pemanas dan mempercepat proses perpindahan panas. Kecepatan sirkulasi akan berpengaruh terhadap produksi uap dan kenaikan tekanan serta temperaturnya.
Selain sirkulasi alami, juga dikenal sirkulasi paksa (forced circulation). Untuk sirkulasi jenis ini digunakan sebuah pompa sirkulasi (circulation pump). Umumnya pompa sirkulasi mempunyai laju sirkulasi sekitar 1,7, artinya jumlah air yang disirkulasikan 1,7 kali kapasitas penguapan. Beberapa keuntungan dari sistem sirkulasi paksa antara lain :
- Waktu start (pemanasan) lebih cepat
- Mempunyai respon yang lebih baik dalam mempertahankan aliran air ke pipa-pipa pemanas pada saat start maupun beban penuh.
- Mencegah kemungkinan terjadinya stagnasi pada sisi penguapan
Gb 7 Siklus air
Mengenal Jenis-jenis Boiler
Setelah mengetahui apa itu boiler dan bagaimana cara kerjanya, penting juga untuk memahami berbagai jenisnya. Silakan simak uraian di bawah ini untuk mengetahui jenis-jenis boiler yang ada.
1. Fire Tube Boiler
Pada fire tube boiler, air umpan boiler terletak di dalam sel dan akan diubah menjadi stream. Gas panas akan melewati pipa-pipa. Umumnya, fire tube boiler digunakan untuk kapasitas steam kecil dan bertekanan rendah-sedang.
2. Water Tube Boiler
Air umpan untuk boiler akan dialirkan melalui pipa, kemudian masuk ke dalam drum. Steam akan terbentuk pada daerah uap di dalam drum. Steam ini dihasilkan dari pemanasan air oleh gas pembakar. Berbeda dengan fire tube boiler, water tube boiler lebih cocok untuk kebutuhan steam bertekanan tinggi.
3. Paket Boiler
Boiler ini sudah tersedia dalam sebuah paket lengkap, itulah alasan kenapa disebut paket. Ada beberapa ciri yang dimiliki oleh paket boiler, antara lain:
- Ruang pembakaran lebih kecil dan panas yang dilepas lebih tinggi sehingga penguapan terjadi lebih cepat
- Efisiensi pembakaran yang baik dihasilkan oleh induced draft
- Efisiensi thermis lebih tinggi
4. Boiler FBC
Fluidized Bed atau FBC boiler memiliki beberapa kelebihan seperti rancangan yang lebih compact, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran tinggi, serta menghasilkan emisi yang rendah. Umumnya menggunakan bahan bakar berupa batu bara.
5. Boiler AFBC
AFBC merupakan kepanjangan untuk atmospheric fluidized bed combustion. ALatnya hanya berupa shell boiler konvensional yang ditambah dengan fluidized bed combustor. Bahan bakarnya juga menggunakan batu bara.
6. Boiler PBFC
Boiler Pressurized Fluidized Bed Combustion atau PFBC memiliki kompresor untuk memasok udara dan pembakaran dilakukan pada sebuah tangki bertekanan. Efiensi pembakaran sangat tinggi steam dihasilkan di dalam dua pipa, yaitu di bed dan satu pipa lagi yang berada di bagian atasnya.
7. Boiler CFBC
CFBC merupakan kepanjangan untuk Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion. Penggunaan CFBC boiler lebih sering ditemukan di industri karena lebih hemat jika dibandingkan dengan DFBC.
Selain 7 jenis boiler yang telah disebutkan di atas, masih ada banyak lagi jenis boiler lain yang digunakan. Beberapa contohnya antara lain pulverized fuel boiler, stocker fired boiler, boiler limbah panas, dan lain-lain.
Artikel berkaitan: siklus kerja PLTU