Studi Kasus Hot Water Generator 2,23 MW untuk Pemanasan Proses Industri

Sebuah pabrik membutuhkan sistem air panas untuk mendukung proses produksi yang beroperasi secara berkelanjutan. Temperatur air harus dipertahankan mendekati 90°C, sedangkan perubahan beban terjadi sesuai dengan jumlah peralatan proses yang sedang digunakan.

Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, dipilih hot water generator berkapasitas 1.915.000 kcal/jam atau sekitar 2,23 MW dengan burner HSD stepless modulating.

Data Sistem Hot Water

Analisis Kapasitas Pompa Sirkulasi

Hubungan antara kapasitas panas, debit air, dan perbedaan temperatur dapat diperkirakan menggunakan rumus:

$$Q=1,163\times Flow\times \Delta T$$

Keterangan:

• $Q$ = kapasitas panas dalam kW
• $Flow$ = debit air dalam m³/jam
• $\Delta T$ = perbedaan temperatur supply dan return dalam °C

Dengan kapasitas panas 2.227 kW dan debit pompa 65 m³/jam:

ΔT=1,163×652.227​ ΔT≈29,5∘C

Dengan demikian, pada beban maksimum, sistem dapat dirancang dengan selisih temperatur supply dan return sekitar 30°C.

Jika temperatur supply ditetapkan pada 90°C, temperatur return pada beban penuh diperkirakan:

90−30=60∘C

Kondisi desain awalnya menjadi:

• Temperatur supply: ±90°C
• Temperatur return: ±60°C
• Perbedaan temperatur: ±30°C
• Debit sirkulasi: 65 m³/jam

Nilai aktual tetap bergantung pada beban proses, kondisi perpipaan, pressure drop, dan karakteristik heat exchanger.

Estimasi Waktu Pemanasan Awal

Total volume air sistem diperkirakan sebesar 15.000 liter. Jika temperatur awal air 30°C dan temperatur operasi yang dibutuhkan 90°C, kenaikan temperaturnya adalah 60°C.

Kebutuhan energi teoritis:

$$Q=15.000\times 1\times (90-30)$$ $$Q=900.000\text{kcal}$$

Dengan kapasitas panas 1.915.000 kcal/jam:

t=1.915.000900.000​ $$t\approx 0,47\text{jam}$$

Secara teoritis, waktu pemanasan adalah sekitar 28 menit. Namun, waktu aktual akan lebih panjang karena terdapat:

• Kehilangan panas pada perpipaan
• Massa logam boiler dan peralatan
• Penyerapan panas oleh heat exchanger
• Sirkulasi menuju peralatan proses
• Udara yang terperangkap dalam sistem
• Pembatasan firing rate saat start-up
• Kinerja pembakaran aktual

Dengan mempertimbangkan kondisi tersebut, estimasi waktu pemanasan awal yang lebih realistis dapat berada pada kisaran 35–60 menit, bergantung pada kondisi instalasi dan beban yang langsung terhubung.

Estimasi Konsumsi Bahan Bakar HSD

Perkiraan konsumsi HSD dapat dihitung menggunakan:

Fuel=Nilai kalor×EfisiensiKapasitas panas​

Dengan asumsi:

• Kapasitas output: 1.915.000 kcal/jam
• Nilai kalor HSD: ±8.500 kcal/liter
• Efisiensi sistem: ±85%

Maka:

Fuel=8.500×0,851.915.000​ $$Fuel\approx 265\text{liter/jam}$$

Konsumsi HSD pada beban maksimum diperkirakan sekitar 250–270 liter per jam. Ketika burner beroperasi secara modulating, konsumsi bahan bakar akan turun mengikuti kebutuhan panas aktual.

Angka ini merupakan estimasi. Konsumsi aktual harus diverifikasi menggunakan fuel flow meter dan combustion analysis.

Konfigurasi Sistem

Susunan dasar sistem adalah:

Hot Water Generator → Circulation Pump → Supply Header → Heat Exchanger/Peralatan Proses → Return Header → Hot Water Generator

Expansion cum make-up tank ditempatkan pada titik tertinggi sistem. Tangki terhubung ke jaringan untuk menampung pemuaian air sekaligus menyediakan make-up water.

Dua circulation pump dipasang secara paralel dengan konfigurasi duty–standby. Apabila pompa utama mengalami trip, operator dapat mengoperasikan pompa standby. Sistem juga dapat dirancang untuk melakukan pergantian pompa secara otomatis.

Logika Operasi Burner

Burner beroperasi berdasarkan temperatur supply dan return.

Ketika Temperatur Return Rendah

Temperatur return yang rendah menunjukkan bahwa proses sedang menyerap panas dalam jumlah besar. Temperature controller memberikan perintah kepada burner untuk meningkatkan firing rate.

Ketika Temperatur Supply Mendekati Set Point

Ketika temperatur supply mendekati 90°C, burner secara bertahap menurunkan kapasitas pembakaran. Sistem stepless modulation membantu menjaga temperatur tanpa terlalu sering melakukan start dan stop.

Ketika Temperatur Supply Sangat Tinggi

Jika temperatur melampaui batas keselamatan, high-temperature switch akan:

1. Mengaktifkan alarm.
2. Menghentikan burner.
3. Mempertahankan pompa sirkulasi tetap beroperasi untuk membuang panas.
4. Membutuhkan pemeriksaan sebelum burner dijalankan kembali.

Permasalahan Saat Commissioning

Pada saat commissioning awal, burner beberapa kali mengalami trip meskipun temperatur supply belum mencapai set point.

Hasil pemeriksaan menemukan beberapa masalah:

• Flow switch tidak mendeteksi aliran secara stabil
• Udara terperangkap pada jalur supply
• Strainer mengalami penyumbatan oleh kotoran instalasi
• Beberapa valve belum terbuka penuh
• Arah putaran pompa tidak sesuai
• Setting differential pada flow switch terlalu sempit
• Sensor temperatur return belum terpasang pada posisi yang representatif

Kondisi tersebut menyebabkan sinyal low water flow aktif dan sistem kontrol menghentikan burner.

Tindakan Perbaikan

Tim commissioning melakukan tindakan berikut:

1. Memastikan arah putaran motor pompa.
2. Membuka seluruh valve yang diperlukan.
3. Membersihkan strainer pada jalur sirkulasi.
4. Mengeluarkan udara melalui air vent.
5. Memeriksa tekanan supply dan return.
6. Menyesuaikan setting flow switch.
7. Memindahkan sensor temperatur ke titik pengukuran yang sesuai.
8. Melakukan pengujian pompa working dan standby.
9. Melakukan tuning pembakaran burner.
10. Menguji seluruh alarm dan safety interlock.

Setelah perbaikan, flow switch dapat mendeteksi aliran secara stabil dan burner tidak lagi mengalami trip yang tidak diperlukan.

Pengujian Safety Interlock

Pengujian dilakukan terhadap beberapa kondisi keselamatan.

 

Evaluasi Expansion Tank

Expansion cum make-up tank memiliki kapasitas 1.000 liter untuk total volume sistem sekitar 15.000 liter. Kapasitas tersebut setara dengan sekitar:

15.0001.000​×100%=6,67%

Persentase tersebut dapat digunakan sebagai pemeriksaan awal, tetapi belum cukup untuk memastikan kecukupan kapasitas tangki.

Kapasitas akhir harus diverifikasi berdasarkan:

• Volume air aktual
• Temperatur pengisian
• Temperatur operasi maksimum
• Persentase ekspansi air
• Level operasi minimum dan maksimum
• Volume cadangan make-up water
• Ruang bebas untuk mencegah overflow

Karena tangki terbuka ke atmosfer, posisi tangki pada titik tertinggi sistem sangat penting untuk menjaga static head dan memberikan ruang pemuaian.

Hasil Setelah Commissioning

Setelah sistem disetel, hasil operasi yang dicapai adalah:

Burner mampu menurunkan kapasitas ketika temperatur mendekati set point. Hal ini mengurangi frekuensi burner start-stop dan membantu mempertahankan temperatur air secara lebih stabil.

Kesimpulan Studi Kasus

Hot water generator berkapasitas 1.915.000 kcal/jam atau 2,23 MW dapat digunakan untuk sistem industri dengan volume air sekitar 15.000 liter dan temperatur operasi hingga 90°C.

Kinerja sistem tidak hanya ditentukan oleh kapasitas burner. Keberhasilan operasi juga bergantung pada:

• Debit dan head circulation pump
• Perbedaan temperatur supply–return
• Volume expansion tank
• Sistem make-up water
• Diameter dan konfigurasi perpipaan
• Pengaturan burner modulating
• Flow switch
• Temperature controller
• Safety interlock
• Commissioning dan combustion tuning