Efisiensi Steam Boiler

Energi 

Sumber panas untuk boiler adalah pembakaran salah satu dari beberapa bahan bakar , seperti kayu , batu bara , minyak , atau gas alam . Ketel uap listrik menggunakan elemen pemanas tipe resistan atau perendaman . Fisi nuklir juga digunakan sebagai sumber panas untuk menghasilkan uap , baik secara langsung (BWR) atau, dalam banyak kasus, dalam penukar panas khusus yang disebut “generator uap” (PWR). Heat steam steam generator (HRSGs) menggunakan panas yang ditolak dari proses lain seperti turbin gas .

Efisiensi boiler

Ada dua metode untuk mengukur efisiensi boiler:

1. Metode langsung
2. Metode tidak langsung

Metode langsung : Metode langsung dari uji efisiensi boiler lebih dapat digunakan atau lebih umum.

Efisiensi boiler = daya mati / daya masuk = (Q * (Hg – Hf)) / (q * GCV) * 100%

Q = laju aliran uap dalam kg / jam 
Hg = entalpi uap jenuh dalam kkal / kg 
Hf = entalpi air umpan dalam kkal / kg 
q = laju penggunaan bahan bakar dalam kg / jam 
GCV = nilai kalor bruto dalam kkal / kg ( misal coke pet 8200 kkal / kg)

Metode tidak langsung : Untuk mengukur efisiensi boiler dalam metode tidak langsung, kita memerlukan parameter berikut seperti:

• Analisis ultima bahan bakar (H2, S2, S, C kelembaban, abu)
• Persentase O2 atau CO2 pada gas buang
• Buang suhu gas di outlet
• Temperatur sekitar dalam derajat c dan kelembaban udara dalam kg / kg
• GCV bahan bakar dalam kkal / kg
• Persentase abu dalam bahan bakar mudah terbakar
• GCV abu dalam kkal / kg

Konfigurasi 

Boiler dapat diklasifikasikan ke dalam konfigurasi berikut:

• Ketel ketel atau ketel uap / ketel tumpukan jerami : “ketel” primitif tempat api memanaskan wadah air yang terisi sebagian dari bawah. Boiler Haycock abad ke-18 umumnya menghasilkan dan menyimpan volume besar uap bertekanan sangat rendah, seringkali hampir di atas atmosfer. Ini bisa membakar kayu atau paling sering, batu bara. Efisiensi sangat rendah.
• Flued boiler dengan satu atau dua flues besar — ​​tipe awal atau cikal bakal boiler tabung api .
  Diagram boiler tabung api

  Boiler tabung api : Di sini, sebagian air mengisi tong boiler dengan volume kecil yang tersisa di atas untuk menampung uap ( ruang uap). Ini adalah jenis boiler yang digunakan di hampir semua lokomotif uap . Sumber panas berada di dalam tungku atau tungku api yang harus dijaga agar tetap dikelilingi oleh air untuk menjaga suhu permukaan pemanas di bawah titik didih. Tungku dapat ditempatkan di salah satu ujung tabung api yang memperpanjang jalur gas panas, sehingga menambah permukaan pemanas yang selanjutnya dapat ditingkatkan dengan membuat gas membalikkan arah melalui tabung paralel kedua atau bundel beberapa tabung ( dua pass atau return flue boiler); sebagai alternatif, gas dapat diambil sepanjang sisi dan kemudian di bawah boiler melalui cerobong (ketel 3-pass). Dalam hal ketel tipe lokomotif, tabung ketel memanjang dari tungku dan gas panas melewati seikat tabung api di dalam tong yang sangat meningkatkan permukaan pemanasan dibandingkan dengan tabung tunggal dan selanjutnya meningkatkan perpindahan panas. Boiler tabung api biasanya memiliki tingkat produksi uap yang relatif rendah, tetapi kapasitas penyimpanan uapnya tinggi. Boiler tabung api kebanyakan membakar bahan bakar padat, tetapi mudah beradaptasi dengan orang-orang dari berbagai cair atau gas. Boiler tabung api juga dapat disebut sebagai boiler tipe “scotch-marine” atau “marine”

  Diagram boiler tabung air.

  Ketel air-tabung : Dalam jenis ini, tabung yang diisi dengan air disusun di dalam tungku dalam sejumlah konfigurasi yang memungkinkan. Seringkali tabung air menghubungkan drum besar, yang lebih rendah mengandung air dan yang atas uap dan air; dalam kasus lain, seperti boiler mono-tube, air disirkulasikan oleh pompa melalui suksesi kumparan. Jenis ini umumnya memberikan tingkat produksi uap yang tinggi, tetapi kapasitas penyimpanan lebih sedikit daripada yang di atas. Boiler tabung air dapat dirancang untuk mengeksploitasi sumber panas apa pun dan umumnya lebih disukai dalam aplikasi bertekanan tinggi karena air / uap bertekanan tinggi terkandung dalam pipa berdiameter kecil yang dapat menahan tekanan dengan dinding yang lebih tipis. Boiler ini biasanya dibuat di tempat, bentuknya kira-kira berbentuk bujur sangkar, dan bisa setinggi beberapa lantai.

• • Flash boiler : Sebuah flash boiler adalah jenis khusus boiler air-tabung di mana tabung berdekatan dan air dipompa melalui mereka. Boiler flash berbeda dari jenis pembangkit uap mono-tube di mana tabung diisi air secara permanen. Dalam flash boiler, tabung disimpan sangat panas sehingga umpan air dengan cepat berubah menjadi uap dan sangat panas . Boiler flash telah digunakan di mobil pada abad ke-19 dan penggunaan ini berlanjut hingga awal abad ke-20.

• Ketel tabung api dengan tungku tabung Air. Kadang-kadang kedua jenis di atas telah digabungkan dengan cara berikut: tungku mengandung rakitan tabung air, yang disebut sifon termik . Gas-gas tersebut kemudian melewati boiler firetube konvensional. Kotak api air dipasang di banyak lokomotif Hongaria , Tetapi hanya sedikit berhasil di negara lain.
• Boiler bagian. Dalam boiler sectional besi cor, kadang-kadang disebut “boiler daging babi” air terkandung di dalam bagian besi cor.  Bagian-bagian ini dirakit di situs untuk membuat boiler selesai.

Keamanan  

Secara historis, boiler adalah sumber dari banyak cedera serius dan perusakan properti karena prinsip-prinsip teknik yang kurang dipahami. Cangkang logam yang tipis dan rapuh dapat pecah, sementara lapisan yang dilas atau terpaku dengan buruk dapat terbuka, yang menyebabkan letusan hebat uap bertekanan. Ketika air dikonversi menjadi uap, ia mengembang hingga lebih dari 1.000 kali volume aslinya dan bergerak turun pipa uap dengan kecepatan lebih dari 100 kilometer per jam. Karena itu, uap adalah cara yang hebat untuk memindahkan energi dan panas di sekitar lokasi dari rumah ketel pusat ke tempat yang dibutuhkan, tetapi tanpa pengolahan air umpan boiler yang tepat, pembangkit uap akan menderita akibat pembentukan kerak dan korosi. Paling-paling, ini meningkatkan biaya energi dan dapat menyebabkan kualitas uap yang buruk, efisiensi berkurang, umur instalasi lebih pendek dan operasi tidak dapat diandalkan. Paling buruk, itu dapat menyebabkan kegagalan bencana dan hilangnya nyawa. Tabung ketel yang runtuh atau copot juga bisa menyemprotkan uap panas yang panas dan asap keluar dari udara masuk dan saluran peluncuran, melukai petugas pemadam kebakaran yang memuat batubara ke dalam ruang api. Boiler yang sangat besar menyediakan ratusan tenaga kuda untuk mengoperasikan pabrik berpotensi menghancurkan seluruh bangunan.

Boiler yang memiliki kehilangan air umpan dan dibiarkan mendidih bisa sangat berbahaya. Jika air umpan kemudian dikirim ke boiler kosong, kaskade kecil air yang masuk langsung mendidih saat kontak dengan shell logam superheated dan mengarah ke ledakan hebat yang tidak dapat dikendalikan bahkan oleh katup uap keselamatan. Pengurasan boiler juga bisa terjadi jika kebocoran terjadi pada jalur pasokan uap yang lebih besar daripada pasokan air make-up yang bisa diganti. The Hartford loop diciptakan pada tahun 1919 oleh Hartford Steam Boiler Inspeksi dan Perusahaan Asuransi sebagai metode untuk membantu mencegah kondisi ini terjadi, dan dengan demikian mengurangi klaim asuransi mereka. 

Ketel uap super panas

Ketika air direbus hasilnya adalah uap jenuh , juga disebut sebagai “steam basah.” Uap jenuh, sementara sebagian besar terdiri dari uap air, membawa beberapa air yang tidak diuapkan dalam bentuk tetesan. Steam jenuh berguna untuk banyak tujuan, seperti memasak , menghangatkan dan sanitasi , tetapi tidak diinginkan ketika uap diharapkan untuk membawa energi ke mesin, seperti sistem propulsi kapal atau “gerakan” dari lokomotif uap. Ini karena suhu dan / atau kehilangan tekanan yang tidak terhindarkan yang terjadi ketika uap mengalir dari boiler ke mesin akan menyebabkan beberapa kondensasi, mengakibatkan air cair dibawa ke dalam mesin. Air yang terperangkap dalam uap dapat merusak bilah turbin atau dalam kasus mesin uap bolak – balik , dapat menyebabkan kerusakan mekanis yang serius karena kunci hidrostatik .

Superheated steam boiler menguapkan air dan kemudian lebih lanjut panas uap di superheater , menyebabkan suhu uap habis secara substansial atas suhu didih pada tekanan operasi boiler. Karena ” uap kering ” yang dihasilkan jauh lebih panas daripada yang dibutuhkan untuk tetap berada dalam kondisi uap, uap tidak akan mengandung air yang tidak diuapkan secara signifikan. Juga, tekanan uap yang lebih tinggi akan dimungkinkan daripada dengan uap jenuh, memungkinkan uap untuk membawa lebih banyak energi. Meskipun superheating menambah lebih banyak energi ke uap dalam bentuk panas, tidak ada efek pada tekanan, yang ditentukan oleh laju di mana uap diambil dari boiler dan pengaturan tekanan dari katup pengaman .  Konsumsi bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap super panas lebih besar dari yang dibutuhkan untuk menghasilkan volume setara uap jenuh. Namun, efisiensi energi keseluruhan dari pembangkit uap (kombinasi boiler, superheater, perpipaan dan mesin) umumnya akan cukup ditingkatkan untuk lebih dari mengimbangi peningkatan konsumsi bahan bakar.

Operasi superheater mirip dengan kumparan pada unit pendingin udara , meskipun untuk tujuan yang berbeda. Perpipaan uap diarahkan melalui jalur gas buang di tungku boiler, area di mana suhunya biasanya antara 1.300 dan 1.600 derajat Celcius (2.372 dan 2.912 derajat Fahrenheit). Beberapa superheater adalah tipe radiasi, yang seperti namanya, mereka menyerap panas melalui radiasi. Lainnya adalah tipe konveksi, yang menyerap panas dari fluida. Beberapa kombinasi dari dua jenis. Melalui metode mana pun, panas ekstrem di jalur gas buang juga akan memanaskan pipa uap superheater dan uap di dalamnya.

Desain dari setiap pembangkit uap super panas menghadirkan beberapa tantangan teknik karena suhu dan tekanan kerja yang tinggi. Salah satu pertimbangan adalah pengenalan air umpan ke boiler. The pompa digunakan untuk mengisi boiler harus mampu mengatasi tekanan operasi boiler, air yang lain tidak akan mengalir. Karena boiler super panas biasanya dioperasikan pada tekanan tinggi, tekanan air umpan yang sesuai harus lebih tinggi, menuntut desain pompa yang lebih kuat.

Pertimbangan lainnya adalah keamanan. Tekanan tinggi, uap panas berlebih bisa sangat berbahaya jika tidak disengaja. Untuk memberikan pembaca beberapa perspektif, pembangkit uap yang digunakan di banyak kapal perusak Angkatan Laut AS yang dibangun selama Perang Dunia II beroperasi pada tekanan 600 pon per inci persegi (4.100 kilopascal ) dan tekanan superheat 850 derajat Fahrenheit (454 derajat Celsius). Jika terjadi kerusakan besar pada sistem, bahaya yang selalu ada dalam kapal perang selama pertempuran, pelepasan energi luar biasa dari keluarnya uap yang dipanaskan, meluas hingga lebih dari 1600 kali volumenya yang terbatas, akan setara dengan ledakan dahsyat, yang efeknya akan diperburuk oleh pelepasan uap yang terjadi di ruang terbatas, seperti ruang mesin kapal . Juga, kebocoran kecil yang tidak terlihat pada titik kebocoran bisa mematikan jika seseorang masuk ke jalur uap yang keluar. Oleh karena itu para desainer berusaha keras untuk memberikan komponen penanganan uap pada sistem sebanyak kekuatan untuk mempertahankan integritas. Metode khusus untuk menyambungkan pipa uap bersama-sama digunakan untuk mencegah kebocoran, dengan sistem tekanan sangat tinggi yang menggunakan sambungan las untuk menghindari masalah kebocoran dengan ulir atau gasket koneksi.

Pembangkit uap superkritis 

Generator uap superkritis sering digunakan untuk produksi tenaga listrik . Mereka beroperasi pada tekanan superkritis . Berbeda dengan “boiler subkritis”, generator uap superkritis beroperasi pada tekanan tinggi (lebih dari 3.200 psi atau 22 MPa) sehingga turbulensi fisik yang menjadi ciri mendidih berhenti terjadi; fluida bukanlah cairan atau gas tetapi fluida yang sangat kritis. Tidak ada generasi gelembung uap di dalam air, karena tekanan di atas tekanan kritistitik di mana gelembung uap dapat terbentuk. Ketika fluida mengembang melalui tahap turbin, keadaan termodinamiknya turun di bawah titik kritis karena ia bekerja memutar turbin yang mengubah generator listrik dari mana daya akhirnya diambil. Cairan pada titik itu bisa berupa campuran tetesan uap dan cairan saat masuk ke kondensor . Ini menghasilkan penggunaan bahan bakar yang sedikit lebih sedikit dan karenanya lebih sedikit produksi gas rumah kaca . Istilah “ketel” tidak boleh digunakan untuk pembangkit uap bertekanan superkritis, karena tidak ada “pendidihan” terjadi pada perangkat ini.

Aksesori 

Perlengkapan dan aksesori boiler

• Pressuretrols untuk mengontrol tekanan uap di boiler. Boiler umumnya memiliki 2 atau 3 pressuretrols: pressuretrol reset-manual, yang berfungsi sebagai pengaman dengan mengatur batas atas tekanan uap, pressuretrol operasi, yang mengontrol kapan boiler menyala untuk mempertahankan tekanan, dan untuk boiler yang dilengkapi dengan modulator burner , sebuah pressuretrol modulasi yang mengontrol jumlah api.
• Katup pengaman : Digunakan untuk menghilangkan tekanan dan mencegah kemungkinan ledakan boiler .
• Indikator ketinggian air: Indikator ini menunjukkan tingkat cairan di boiler, juga dikenal sebagai kaca penglihatan , pengukur air atau kolom air.
• Katup blowdown bawah : Katup menyediakan sarana untuk menghilangkan partikel padat yang mengembun dan terletak di bagian bawah boiler. Sesuai namanya, katup ini biasanya terletak langsung di bagian bawah ketel, dan kadang-kadang dibuka untuk menggunakan tekanan di ketel untuk mendorong partikel-partikel ini keluar.
• Continuous blowdown valve: Ini memungkinkan sejumlah kecil air keluar secara terus menerus. Tujuannya adalah untuk mencegah air di dalam ketel menjadi jenuh dengan garam terlarut. Kejenuhan akan menyebabkan buih dan menyebabkan tetesan air terbawa dengan uap – suatu kondisi yang dikenal sebagai priming . Blowdown juga sering digunakan untuk memantau kimia air boiler.
• Trycock: sejenis katup yang sering digunakan untuk memeriksa level cairan dalam tangki secara manual. Paling sering ditemukan di ketel air.
• Tangki flash: Blowdown tekanan tinggi memasuki kapal ini di mana uap dapat ‘menyala’ dengan aman dan digunakan dalam sistem tekanan rendah atau dibuang ke atmosfer sementara blowdown tekanan ambien mengalir ke saluran pembuangan.
• Automatic blowdown / sistem pemulihan panas berkelanjutan: Sistem ini memungkinkan boiler untuk blowdown hanya ketika air makeup mengalir ke boiler, dengan demikian mentransfer jumlah maksimum panas yang mungkin dari blowdown ke air makeup. Tidak diperlukan tangki flash karena blowdown yang dikeluarkan mendekati suhu air make-up.
• Lubang tangan: Itu adalah pelat baja yang dipasang di bukaan di “header” untuk memungkinkan inspeksi & pemasangan tabung dan inspeksi permukaan internal.
• Steam drum internal, serangkaian layar, scrubber & kaleng (pemisah siklon).
• Cutoff air rendah: Ini adalah alat mekanis (biasanya sakelar pelampung) atau elektroda dengan sakelar pengaman yang digunakan untuk mematikan kompor atau mematikan bahan bakar ke boiler untuk mencegahnya mengalir begitu air mengalir di bawah tertentu titik. Jika boiler “berbahan bakar kering” (dibakar tanpa air di dalamnya) dapat menyebabkan kerusakan atau kegagalan besar.
• Permukaan blowdown line: Ini menyediakan sarana untuk menghilangkan busa atau zat ringan lain yang cenderung tidak bisa mengapung di atas air di dalam boiler.
• Pompa sirkulasi : Pompa ini dirancang untuk mengalirkan air kembali ke boiler setelah mengeluarkan sebagian panasnya.
• Air umpan katup atau valve klak: A non-return valve berhenti di air umpan line. Ini dapat dipasang ke sisi ketel, tepat di bawah permukaan air, atau ke atas ketel. 
• Pakan top: Dalam desain ini untuk injeksi air umpan, air diumpankan ke bagian atas boiler. Ini dapat mengurangi kelelahan boiler yang disebabkan oleh tekanan termal. Dengan menyemprotkan air umpan ke atas serangkaian nampan, air cepat dipanaskan dan ini dapat mengurangi limescale .
• Tabung atau bundel desuperheater: Serangkaian tabung atau bundel tabung dalam drum air atau drum uap yang dirancang untuk mendinginkan uap yang sangat panas, untuk memasok peralatan bantu yang tidak perlu, atau mungkin rusak oleh, uap kering.
• Jalur injeksi kimia: Koneksi untuk menambahkan bahan kimia untuk mengontrol pH air umpan .

Aksesoris uap

• Katup penghenti uap utama:
• Steam traps :
• Katup berhenti / periksa uap utama: Digunakan pada beberapa instalasi boiler.

Aksesori pembakaran 

• Sistem bahan bakar minyak: pemanas bahan bakar minyak
• Sistem gas:
• Sistem batubara:
• Jelaga blower

Barang-barang penting lainnya

• Pengukur tekanan :
• Pompa pakan :
• Pasang fusible :
• Isolasi dan lagging;
• Lampiran pengukur tekanan pengukur tes:
• Papan nama:
• Plat registrasi:

Konsep

Sebuah bahan bakar boiler -heated harus menyediakan udara untuk mengoksidasi bahan bakar. Awal boiler disediakan aliran ini udara, atau rancangan , melalui aksi alami dari konveksi dalam cerobong asap yang terhubung ke knalpot dari ruang pembakaran. Karena gas buang yang dipanaskan kurang padat dari udara sekitar yang mengelilingi boiler, gas buang naik di cerobong, menarik udara segar yang lebih padat ke dalam ruang bakar.

Sebagian besar boiler modern bergantung pada konsep mekanis daripada konsep alami. Ini karena rancangan alami tunduk pada kondisi udara luar dan suhu gas buang yang meninggalkan tungku, serta ketinggian cerobong asap. Semua faktor ini membuat draft yang tepat sulit untuk dicapai dan oleh karena itu membuat peralatan draft mekanis jauh lebih dapat diandalkan dan ekonomis.

Jenis draft juga dapat dibagi menjadi draft yang diinduksi , di mana gas buang dikeluarkan dari boiler; draft paksa , di mana udara segar didorong ke boiler; dan draft yang seimbang, di mana kedua efek digunakan. Draft alami melalui penggunaan cerobong adalah jenis dorong yang diinduksi; rancangan mekanik dapat diinduksi, dipaksa atau seimbang.

Ada dua jenis rancangan yang disebabkan mekanis. Yang pertama adalah melalui penggunaan jet uap. Jet uap yang berorientasi ke arah aliran gas buang menginduksi gas cerobong ke dalam cerobong dan memungkinkan kecepatan gas cerobong yang lebih besar meningkatkan keseluruhan draft dalam tungku. Metode ini umum pada lokomotif uap yang tidak memiliki cerobong asap tinggi. Metode kedua adalah dengan hanya menggunakan kipas rancangan terinduksi (ID fan) yang menghilangkan gas buang dari tungku dan memaksa gas buang ke atas tumpukan. Hampir semua tanur listrik terinduksi beroperasi dengan tekanan yang sedikit negatif.

Dorong paksa mekanis disediakan melalui kipas yang memaksa udara masuk ke ruang bakar. Udara sering melewati pemanas udara; yang, seperti namanya, memanaskan udara yang masuk ke tungku untuk meningkatkan efisiensi boiler secara keseluruhan. Damper digunakan untuk mengontrol jumlah udara yang masuk ke tungku. Tungku rancangan paksa biasanya memiliki tekanan positif.

Draft yang seimbang diperoleh melalui penggunaan draf yang diinduksi dan yang dipaksakan. Ini lebih umum terjadi pada boiler yang lebih besar di mana gas buang harus menempuh jarak yang jauh melalui banyak celah boiler. Kipas angin induksi bekerja bersama dengan kipas angin paksa yang memungkinkan tekanan tungku dipertahankan sedikit di bawah atmosfer.