Steam Generator

Generator uap atau boiler adalah komponen integral dari mesin uap ketika dianggap sebagai penggerak utama . Namun itu perlu diperlakukan secara terpisah, karena sampai taraf tertentu berbagai jenis generator dapat dikombinasikan dengan berbagai unit mesin. Boiler menggunakan kotak api atau tungku untuk membakar bahan bakar dan menghasilkan panas . Panas yang dihasilkan dipindahkan ke air untuk menghasilkan uap , proses pendidihan . Ini menghasilkan uap jenuhpada tingkat yang dapat bervariasi sesuai dengan tekanan di atas air mendidih. Semakin tinggi suhu tungku, semakin cepat produksi uap. Uap jenuh yang dihasilkan kemudian dapat digunakan segera untuk menghasilkan daya melalui turbin dan alternator , atau yang lain dapat dipanaskan lebih lanjut ke suhu yang lebih tinggi; ini terutama mengurangi kandungan air yang ditangguhkan sehingga volume uap tertentu menghasilkan lebih banyak pekerjaan dan menciptakan gradien suhu yang lebih besar, yang membantu mengurangi potensi untuk membentuk kondensasi . Setiap panas yang tersisa dalam gas pembakarankemudian dapat dievakuasi atau dibuat untuk melewati penghemat , yang perannya adalah untuk menghangatkan air umpansebelum mencapai boiler.

Haycock dan wagon top boiler 

Untuk mesin Newcomen pertama tahun 1712, ketel tidak lebih dari ketel pembuat bir besar yang dipasang di bawah silinder tenaga. Karena tenaga mesin berasal dari vakum yangdihasilkan oleh kondensasi uap, persyaratannya adalah untuk volume besar uap pada tekanan yang sangat rendah, hampir tidak lebih dari 1  psi (6,9  kPa ). Seluruh boiler diatur menjadi batu bata yang menahan panas. Api batu bara yang tebal menyala di atas perapian di bawah wajan yang agak dihidangkan yang memberi permukaan pemanas sangat kecil; karena itu ada banyak panas yang menghamburkan cerobong asap . Dalam model selanjutnya, terutama oleh John Smeaton, permukaan pemanas sangat meningkat dengan membuat gas memanaskan sisi boiler, melewati cerobong asap . Smeaton lebih lanjut memperpanjang jalur gas dengan menggunakan labirin spiral di bawah ketel. Boiler yang dipecat ini digunakan dalam berbagai bentuk sepanjang abad ke-18. Beberapa dari bagian bundar (jerami). Versi yang lebih panjang pada rencana persegi panjang dikembangkan sekitar 1775 oleh Boulton dan Watt (wagon top boiler). Inilah yang sekarang dikenal sebagai boiler tiga lintasan, api yang memanaskan bagian bawah, gas-gas tersebut kemudian melewati pipa tubular berpenampang persegi dan akhirnya di sekitar sisi boiler.

Ketel tabung api silinder 

Seorang pendukung awal dari bentuk silinder adalah insinyur Inggris John Blakey, yang mengusulkan desainnya pada tahun 1774. Pendukung awal lainnya adalah insinyur Amerika, Oliver Evans , yang dengan tepat mengakui bahwa bentuk silinder adalah yang terbaik dari sudut pandang resistensi mekanik dan menjelang akhir abad ke-18 mulai memasukkannya ke dalam proyek-proyeknya. Mungkin terinspirasi oleh tulisan-tulisan tentang skema mesin “tekanan tinggi” Leupold yang muncul dalam karya-karya ensiklopedia dari tahun 1725, Evans menyukai “uap yang kuat” yaitu mesin tanpa kondensasi di mana tekanan uap saja menggerakkan pistondan kemudian kelelahan. Keuntungan dari uap yang kuat seperti yang dilihatnya adalah bahwa lebih banyak pekerjaan dapat dilakukan dengan volume uap yang lebih kecil; ini memungkinkan semua komponen untuk dikurangi ukurannya dan mesin dapat disesuaikan dengan transportasi dan instalasi kecil. Untuk tujuan ini ia mengembangkan boiler horisontal besi tempa silinder panjang yang dimasukkan tabung api tunggal, di salah satu ujungnya ditempatkan perapian api. Aliran gas itu kemudian dibalik menjadi lorong atau cerobong asap di bawah tong boiler, kemudian dibagi untuk kembali melalui cerobong samping untuk bergabung lagi di cerobong asap (mesin boiler Kolombia). Evans memasukkan ketel silindernya ke beberapa mesin, baik yang diam maupun yang bergerak. Karena pertimbangan ruang dan berat, yang terakhir melelahkan langsung dari tabung api ke cerobong. Pendukung lain dari “uap kuat” pada waktu itu adalah Cornishman, Richard Trevithick . Boilernya bekerja pada 40-50 psi (276-345 kPa) dan awalnya berbentuk hemisfer kemudian berbentuk silinder. Dari tahun 1804 dan seterusnya, Trevithick memproduksi dua-pass atau boiler buang kecil untuk mesin semi-portabel dan lokomotif. The Cornish boiler dikembangkan sekitar tahun 1812 oleh Richard Trevithick lebih kuat dan lebih efisien daripada boiler sederhana yang mendahuluinya. Itu terdiri dari tangki air silinder sekitar 27 kaki (8,2 m) panjang dan 7 kaki (2,1 m) dengan diameter, dan memiliki perapian batu bara ditempatkan di salah satu ujung tabung silinder tunggal sekitar tiga kaki lebar yang melewati longitudinal di dalam tangki . Api itu cenderung dari satu ujung dan gas panas dari itu melakukan perjalanan di sepanjang tabung dan keluar dari ujung lainnya, untuk diedarkan kembali di sepanjang api yang mengalir di luar kemudian ketiga kalinya di bawah tong ketel sebelum dikeluarkan ke cerobong asap. Ini kemudian diperbaiki oleh boiler 3-pass lainnya, boiler Lancashire yang memiliki sepasang tungku dalam tabung terpisah berdampingan. Ini merupakan peningkatan penting karena masing-masing tungku dapat menyala pada waktu yang berbeda, memungkinkan satu untuk dibersihkan sementara yang lain beroperasi.

Boiler lokomotif kereta api biasanya dari tipe 1-pass, meskipun pada hari-hari awal, boiler “return flue” 2-pass adalah umum, terutama dengan lokomotif yang dibangun oleh Timothy Hackworth .

Boiler multi-tabung

Sebuah langkah maju yang signifikan datang di Prancis pada tahun 1828 ketika Marc Seguin menyusun boiler dua lintasan, di mana lintasan kedua dibentuk oleh satu bundel beberapa tabung. Desain serupa dengan induksi alami yang digunakan untuk keperluan kelautan adalah boiler laut Scotch yang populer .

Sebelum uji coba Rainhill pada 1829 Henry Booth , bendahara Liverpool dan Manchester Railway menyarankan kepada George Stephenson , sebuah skema untuk boiler horisontal satu arah multi-tabung multi-tabung yang terdiri dari dua unit: tungku pembakaran yang dikelilingi oleh ruang air dan tong boiler terdiri dari dua cincin teleskopik di dalam yang dipasang 25 tabung tembaga; bundel tabung menempati sebagian besar ruang air dalam tong dan sangat meningkatkan perpindahan panas . Old George segera mengomunikasikan skema itu kepada putranya Robert dan ini adalah ketel yang digunakan pada Rocket Stephenson, pemenang langsung persidangan. Desain membentuk dasar untuk semua lokomotif yang dibangun Stephensonia berikutnya, yang segera diambil oleh konstruktor lain; pola tabung api ini telah dibangun sejak itu.

Hambatan struktural 

Ketel 1712 dirakit dari pelat tembaga terpaku dengan bagian atas berkubah yang terbuat dari timah pada contoh pertama. Belakangan boiler terbuat dari lempengan besi tempa kecil yang dipaku bersama. Masalahnya adalah memproduksi pelat yang cukup besar, sehingga bahkan tekanan sekitar 50  psi (344,7  kPa ) tidak sepenuhnya aman, demikian juga boiler hemispherical besi cor yang awalnya digunakan oleh Richard Trevithick. Konstruksi dengan pelat kecil ini bertahan hingga tahun 1820-an, ketika plat yang lebih besar menjadi layak dan dapat digulung menjadi bentuk silinder dengan hanya satu jahitan bersendi butt yang diperkuat oleh gusset ; Sans Pareil 11 tahun 1849 dari Timothy Hackworth memiliki lapisan las yang memanjang. Konstruksi las untuk ketel lokomotif sangat lambat untuk bertahan.

Boiler tabung air monotubular sekali pakai seperti yang digunakan oleh Doble, Lamont dan Pritchard mampu menahan tekanan yang cukup besar dan melepaskannya tanpa bahaya ledakan.

Pembakaran

Sumber panas untuk boiler adalah pembakaran salah satu dari beberapa bahan bakar, seperti kayu , batu bara , minyak , atau gas alam . Fisi nuklir juga digunakan sebagai sumber panas untuk menghasilkan uap. Heat steam steam generator (HRSGs) menggunakan panas yang ditolak dari proses lain seperti turbin gas .

Penembakan bahan bakar padat 

Untuk menciptakan karakteristik pembakaran optimal dari api , udara perlu disuplai baik melalui perapian, dan di atas api. Sebagian besar boiler sekarang bergantung pada peralatan konsep mekanis daripada konsep alami . Ini karena rancangan alami tunduk pada kondisi udara luar dan suhu gas buang yang meninggalkan tungku, serta ketinggian cerobong. Semua faktor ini membuat draf yang efektif sulit dicapai dan karenanya membuat peralatan draf mekanis jauh lebih ekonomis. Ada tiga jenis konsep mekanis:

1. Induced draft: Ini diperoleh salah satu dari tiga cara, yang pertama adalah “efek tumpukan” dari cerobong yang dipanaskan, di mana gas buang kurang padat daripada udara sekitar yang mengelilingi boiler. Kolom yang lebih padat dari udara ambien memaksa udara pembakaran masuk dan melalui boiler. Metode kedua adalah melalui penggunaan jet uap. Steam jet atau ejector 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 ketiga adalah dengan hanya menggunakan kipas rancangan terinduksi (ID fan) yang menghisap gas buang keluar dari tungku dan menumpuk. Hampir semua tungku induksi memiliki tekanan negatif.
2. Forced draft: draft diperoleh dengan memaksa udara masuk ke tungku melalui kipas (FD fan) dan duct-work. 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.
3. Draft seimbang: Draft seimbang diperoleh melalui penggunaan baik draft yang dipaksakan maupun 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.

4. Firetube boiler

   Artikel utama: Fire-tube boiler

   Tahap selanjutnya dalam proses ini adalah merebus air dan membuat uap. Tujuannya adalah membuat aliran panas selengkap mungkin dari sumber panas ke air. Air terkurung dalam ruang terbatas yang dipanaskan oleh api. Uap yang dihasilkan memiliki kerapatan yang lebih rendah daripada air dan karena itu akan terakumulasi pada tingkat tertinggi di kapal; suhunya akan tetap pada titik didih dan hanya akan meningkat jika tekanan meningkat. Uap dalam keadaan ini (dalam kesetimbangan dengan air cair yang sedang diuapkan di dalam ketel) dinamai ” uap jenuh”. Misalnya, uap jenuh pada tekanan atmosfer mendidih pada 100 ° C (212 ° F). Uap jenuh yang diambil dari ketel dapat mengandung tetesan air yang terperangkap, namun ketel yang dirancang dengan baik akan memasok uap jenuh yang” kering “secara virtual, dengan sangat sedikit air terperangkap.Pemanasan uap jenuh yang terus menerus akan membawa uap ke keadaan “super panas”, di mana uap dipanaskan hingga suhu di atas suhu jenuh, dan tidak ada air cair yang dapat hadir dalam kondisi ini. abad menggunakan uap jenuh, namun pembangkit listrik tenaga uap modern secara universal menggunakan uap super panas yang memungkinkan efisiensi siklus uap yanglebih tinggi .

Pemanas Super

LD Porta memberikan persamaan berikut yang menentukan efisiensi lokomotif uap , berlaku untuk semua jenis mesin uap : daya (kW) = Produksi uap (kg h ^-1 ) / Konsumsi uap spesifik (kg / kW h).

Kuantitas yang lebih besar dapat dihasilkan dari kuantitas air tertentu dengan memanaskannya secara berlebihan. Karena api membakar pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada uap jenuh yang dihasilkannya, jauh lebih banyak panas yang dapat ditransfer ke uap yang pernah terbentuk dengan memanaskannya dan mengubah tetesan air yang tersuspensi di dalamnya menjadi lebih banyak uap dan sangat mengurangi konsumsi air.

Superheater bekerja seperti gulungan pada unit pendingin udara , namun ke ujung yang berbeda. Perpipaan uap (dengan uap yang mengalir melewatinya) diarahkan melalui jalur gas buang di tungku boiler. Area ini biasanya antara 1.300–1.600  ° C (2.372–2.912  ° F ). Beberapa superheater adalah tipe radiasi (menyerap panas dengan radiasi panas ), lainnya adalah tipe konveksi (menyerap panas melalui fluida yaitu gas) dan beberapa kombinasi dari keduanya. Jadi apakah dengan konveksi atau radiasi panas ekstrem di jalur tungku / gas buang juga akan memanaskan pipa uap superheater dan uap di dalamnya. Sementara suhu uap di superheater dinaikkan, tekanan uap tidak: theturbin atau pistonbergerak menawarkan “ruang yang terus berkembang” dan tekanannya tetap sama dengan boiler. Proses steam superheating dirancang paling penting untuk menghilangkan semua tetesan yang masuk dalam steam untuk mencegah kerusakan pada turbin blading dan / atau perpipaan terkait. Superheating steam memperluas volume steam, yang memungkinkan jumlah tertentu (berdasarkan berat) steam untuk menghasilkan lebih banyak tenaga.

Ketika totalitas tetesan dihilangkan, uap dikatakan dalam keadaan super panas.

Dalam boiler lokomotif firetube Stephensonian, ini mensyaratkan rute uap jenuh melalui pipa berdiameter kecil yang digantung di dalam firetube berdiameter besar yang menempatkan mereka dalam kontak dengan gas panas yang keluar dari tungku; uap jenuh mengalir mundur dari tajuk basah ke arah tungku, lalu meneruskan lagi ke tajuk kering. Superheating baru mulai diadopsi secara umum untuk lokomotif sekitar tahun 1900 karena masalah overheating dan pelumasan komponen yang bergerak di dalam silinder dan kotak uap. Banyak tabung api memanaskan air sampai mendidih, dan kemudian uap tersebut digunakan pada suhu jenuh dengan kata lain suhu titik didih air pada tekanan tertentu (uap jenuh); ini masih mengandung sebagian besar air dalam suspensi. Uap jenuh dapat dan telah secara langsung digunakan oleh mesin, tetapi karena air yang ditangguhkan tidak dapat mengembang dan bekerja dan berimplikasi pada penurunan suhu, banyak dari fluida yang bekerja terbuang bersama dengan bahan bakar yang dikeluarkan untuk menghasilkannya.

Ketel tabung air

Cara lain untuk menghasilkan uap dengan cepat adalah dengan memberi makan air di bawah tekanan ke dalam tabung atau tabung yang dikelilingi oleh gas pembakaran. Contoh paling awal dari ini dikembangkan oleh Goldsworthy Gurney pada akhir tahun 1820-an untuk digunakan dalam gerbong kereta uap. Ketel ini sangat kompak dan ringan dan pengaturan ini telah menjadi norma untuk aplikasi kelautan dan stasioner. Tabung sering memiliki sejumlah besar tikungan dan terkadang sirip untuk memaksimalkan area permukaan. Jenis ketel ini umumnya lebih disukai dalam aplikasi tekanan tinggi karena air / uap bertekanan tinggi terkandung dalam pipa sempit yang dapat berisi tekanan dengan dinding yang lebih tipis. Namun itu dapat rentan terhadap kerusakan oleh getaran pada peralatan transportasi permukaan. Dalam besi tuang boiler sectional, kadang-kadang disebut “boiler daging babi” air terkandung di dalam bagian besi cor. Bagian-bagian ini secara mekanis dirakit di lokasi untuk membuat boiler yang telah selesai.

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 22,06  MPa ) sehingga pendidihan berhenti terjadi, boiler tidak memiliki pemisahan air – uap cair. Tidak ada generasi gelembung uap di dalam air, karena tekanan di atas tekanan kritis di mana gelembung uap dapat terbentuk. Melewati di bawah titik kritis karena bekerja di turbin tekanan tinggi dan memasuki kondensor generator . Ini menghasilkan penggunaan bahan bakar sedikit lebih sedikit dan karenanya lebih sedikitproduksi gas rumah kaca . Istilah “ketel” tidak boleh digunakan untuk pembangkit uap bertekanan superkritis, karena sebenarnya tidak ada “pendidihan” pada perangkat ini.

Pengolahan air 

Air umpan untuk boiler harus semurni mungkin dengan minimal padatan tersuspensi dan kotoran terlarut yang menyebabkan korosi , berbusa dan akumulasi air . Pilihan paling umum untuk demineralisasi air umpan boiler adalah reverse osmosis (RO) dan pertukaran ion

Keamanan Boiler

Ketika air dikonversikan menjadi uap, volumenya mengembang dalam volume 1.600 kali dan bergerak turun pipa uap pada kecepatan lebih dari 25 m / s. Karena itu, uap adalah cara yang baik 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, mengurangi efisiensi, umur instalasi lebih pendek dan operasi yang tidak dapat diandalkan. Paling buruk, itu dapat menyebabkan kegagalan bencana dan hilangnya nyawa. Sementara variasi dalam standar mungkin ada di berbagai negara, hukum ketat, pengujian, pelatihan dan sertifikasi diterapkan untuk mencoba meminimalkan atau mencegah kejadian tersebut. Mode kegagalan meliputi:

• tekanan berlebih pada boiler
• air yang tidak mencukupi dalam boiler menyebabkan panas berlebih dan kegagalan kapal
• kegagalan bejana tekan boiler karena konstruksi atau pemeliharaan yang tidak memadai.

Doble boiler

The Doble mobil uap menggunakan jenis sekali-melalui kontra-arus Generator, yang terdiri dari sebuah tabung terus menerus. Api di sini ada di atas koil, bukan di bawahnya. Air dipompa ke tabung di bagian bawah dan uap diambil dari bagian atas. Ini berarti bahwa setiap partikel air dan uap tentu harus melewati setiap bagian generator yang menyebabkan sirkulasi yang kuat yang mencegah terbentuknya endapan atau skala di bagian dalam tabung. Air memasuki bagian bawah tabung ini pada laju aliran 600 kaki (183 m) per detik dengan kurang dari dua liter air dalam tabung pada satu waktu.

Ketika gas panas turun di antara kumparan, mereka perlahan-lahan menjadi dingin, karena panas diserap oleh air. Bagian terakhir dari generator dengan mana gas bersentuhan tetap menjadi air dingin yang masuk. Api dipadamkan secara positif ketika tekanan mencapai titik yang ditentukan sebelumnya, biasanya diatur pada 750 psi (5,2 MPa), tekanan air dingin; sebuah katup pengaman ditetapkan pada 1.200 lb (544 kg) menyediakan perlindungan tambahan. Api secara otomatis terputus oleh suhu dan tekanan, jadi jika boiler benar-benar kering, mustahil untuk merusak koil karena api akan otomatis terputus oleh suhu. 

Generator sirkulasi paksa yang serupa , seperti boiler Pritchard dan Lamont dan Velox menghadirkan keuntungan yang sama.

Perlengkapan ketel uap esensial 

• Katup pengaman
• Pengukuran tekanan
• Katup blowdown
• Katup penghenti uap utama
• Katup periksa umpan
• Pasang fusible
• Pengukur air
• Alarm rendah air
• Cut-out bahan bakar air rendah
• Lampiran pengukur tekanan uji inspektur
• Papan nama
• Plat registrasi
• Pompa air umpan boiler

Alat kelengkapan boiler 

• Katup pengaman : digunakan untuk menghilangkan tekanan dan mencegah kemungkinan ledakan boiler. Seperti yang awalnya dirancang oleh Denis Papin itu adalah beban mati di ujung lengan yang terangkat oleh tekanan uap berlebih. Jenis katup ini digunakan sepanjang abad ke-19 untuk mesin uap stasioner , namun getaran mesin lokomotif menyebabkan katup melambung dan “membuang-buang” uap buang. Karena itu mereka digantikan oleh berbagai perangkat pegas .
• Kolom air: untuk menunjukkan kepada operator tingkat cairan di dalam ketel, disediakan indikator air atau kolom air
• Katup blowdown bawah
• Garis blowdown permukaan
• Pompa pakan
• Pompa sirkulasi
• Periksa katup atau klak klep: katup non-balik yang digunakan air memasuki boiler.

Aksesoris uap 

• Katup penghenti uap utama
• Perangkap uap
• Steam stop / Check valve utama digunakan pada beberapa instalasi boiler

Aksesori pembakaran 

• Sistem bahan bakar minyak
• Sistem gas
• Sistem batubara
• Sistem pembakaran otomatis

Aplikasi steam boiler 

Ketel uap digunakan di mana uap dan uap panas dibutuhkan. Oleh karena itu, ketel uap digunakan sebagai generator untuk menghasilkan listrik dalam bisnis energi. Selain banyak bidang aplikasi yang berbeda dalam industri misalnya dalam sistem pemanas atau untuk produksi semen , ketel uap juga digunakan di pertanian untuk pengukusan tanah . 

Menguji generator uap 

Kode utama untuk menguji pembangkit uap berbahan bakar uap di AS adalah kode uji kinerja American Society of Mechanical Engineers (ASME), PTC 4. Komponen terkait adalah pemanas udara regeneratif. Revisi utama pada kode uji kinerja untuk pemanas udara akan diterbitkan pada 2013. Salinan draf tersedia untuk ditinjau.  Standar Eropa untuk uji penerimaan ketel uap adalah EN 12952-15dan EN 12953-11. Standar Inggris BS 845-1 dan BS 845-2 tetap juga digunakan di Inggris.