Steam drumSteam drum adalah salah satu komponen pada boiler pipa air yang berfungsi sebagai reservoir campuran air dan uap air, dan juga berfungsi untuk memisahkan uap air, dengan air pada proses pembentukan uap superheater. Namun tidak semua boiler pipa air (water tube) yang menggunakan steam drum ini. Boiler supercritical beroperasi pada tekanan sangat tinggi di atas tekanan kritis, sehingga tidak dimungkinkan terbentuk gelembung gelembung uap air, karena itulah boiler supercritical tidak memerlukan steam drum untuk memisahkan air dengan uap air.

Gambar 1 Proses Pada Steam drum

Air umpan (feed water) yang di supply oleh boiler feed water pump, masuk boiler menuju economizer dan selanjutnya masuk ke steam drum. Dari Steam drum air dipompa oleh pompa sirkulasi boiler menuju raise tube / wall tube untuk dapat mencapai fase uap saturasi. Dari raiser tube air kembali masuk ke steam drum. Komponen di dalam steam drum memungkinkan terjadi pemisahan antara air dengan uap air, sehingga air dipompa kembali menuju raiser tube, sedangkan uap akan menuju ke pipa boiler sisi superheater. Uap Saturasi yang masuk ke pipa pipa superheater dipanaskan lebih lanjut sehingga dapat mencapai uap superheater dan memenuhi syarat untuk masuk turbin uap.

Proses Pemisahan air dan uap air pada Steam drumSteam drum memiliki beberapa saluran masuk dan dua saluran keluar. Air yang masuk ke dalam steam drum memiliki fase campuran antara uap air dan cair. Di dalam steam drum terdapat cyclone separator, bagian ini berfungsi untuk memisahkan antara uap air saturated dengan air. Uap air akan keluar melalui pipa sebelah atas steam drum dan menuju ke boiler untuk dipanaskan lebih lanjut menjadi uap kering. Sedangkan yang masih berfase cair akan menuju ke raiser tube untuk dipanaskan sehingga berubah fase menjadi uap. Proses pemisahan air dan uap air pada steam drum dapat dilihat pada Gambar 2.

brc

Gambar 2 Proses Pemisahan Air dan Uap Air Pada Steam drum

Cyclone Separator menjadi bagian paling utama di dalam steam drum. Di dalam cyclone separator terdapat semacam cakram miring yang dapat berputar terhadap porosnya. Campuran uap air dan air bertekanan terdorong masuk ke dalam sehingga menyebabkan cakram ini berputar. Efek putaran dan benturan antara fluida dengan cakram tersebut secara alami akan memisahkan air dengan uap saturated, sehingga air akan jatuh ke bawah sedangkan uap air akan naik ke atas. Di bagian atas keluaran steam drum, terdapat plat plat miring yang disebut eliminator / scrubber. Plat ini juga berfungsi untuk memisahkan ait dengan uap sehingga hanya uap saja yang dapat melewati scrubber tersebut. Prinsip kerja cyclone separator dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3 Prinsip Kerja Cyclone Separator

Sistem Pengaturan Level Steam drumPada boiler, air yang dipanaskan oleh boiler agar menjadi uap, akan selalu melewati steam drum. Air di dalam steam drum dipompa menuju wall tube yang letaknya berjajar secara rapat dan dirancang menjadi dinding furnace, yaitu tempat terjadinya proses pembakaran bahan bakar. Pada pipa pipa inilah air berubah fase menjadi uap dan kembali menuju steam drum. Selanjutnya air dan uap air akan dipisahkan oleh steam drum, yang masih berfase air akan dipompa kembali menuju wall tube, sedangkan yang sudah berfase uap akan menuju pipa pipa superheater dan menjadi supply untuk turbin uap.Air pada boiler juga berfungsi sebagai media pendingin pada pipa pipanya. Terutama pula di sisi wall tube yang secara langsung menjadi dinding furnace, tempat proses pembakaran. Untuk itulah level air pada steam drum menjadi parameter yang sangat dijaga untuk memastikan tetap ada media pendingin bagi pipa pipa boiler.Parameter lain yang berhubungan dengan level air pada steam drum yaitu debit aliran uap superheater (main steam) sebagai produk dari boiler. Dua parameter lain tersebut mempengaruhi kondisi level air pada steam drum, dan digunakanlah sebuah sistem pengaturan untuk menjaga level air steam drum. Ada tiga cara yang digunakan oleh sistem pengaturan tersebut yaitu single elemen control, two element control dan three element control, berkaitan dengan parameter parameter yang berhubungan dengan level air pada steam drum.

Single Element ControlPada sistem Single Element Control, digunakan sensor level air pada steam drum dan menjadi sinyal masukan untuk sistem pengaturan tersebut. Sebagai keluarannya, sistem pengaturan mengeluarkan perintah / sinyal kepada valve control supply feed water untuk berada pada posisi bukaan tertentu sehingga level air, di dalam steam drum tetap terjaga pada level set point nya. Sistem pengaturan dengan elemen tunggal dapat digambarkan pada Gambar 4.

Gambar 4 Single Element Control System

Pada boiler berskala besar yang digunakan oleh pembangkit listrik atau pada proses kimia, sistem pengaturan ini tidak cocok untuk digunakan karena boiler pada pembangkit dituntut untuk selalu menyesuaikan besar produksi uap airnya sesuai dengan beban listrik yang ada. Saat terjadi perubahan beban listrik maka konsumsi uap air akan naik, sehingga level steam drum tuun. Saat level turun itu perintah untuk valve control feed water agar membuka dikirim. Dapat dibayangkan bahwa proses control tersebut terlalu lambat untuk merespons terjadinya perubahan beban listrik.

Two Elements ControlPada sistem pengatutan ini digunakan pula sinyal masukan berupa debit aliran main steam / uap superheater, selain sinyal masukan dari level steam drum. Dua sinyal masukan tersebut dijumlahkan dan diproses oleh sistem pengaturan untuk mengatur besar bukaan valve control feed water. Sistem pengaturan dengan dua elemen masukan dapat digambarkan pada Gambar 5

Gambar 5 Two Elements Control System

Pada sistem pengaturan ini, besar bukaan valve control feed water diharapkan dapat mensupply debit feed water yang sesuai dengan kebutuhan untuk menjaga level steam drum. Namun jika supply feed water tidak sesuai maka level steam drum akan berada di luar set point. Setelah terjadi perubahan level steam drum tersebut, baru sistem control akan merespons dan bukaan valve supply feed water akan diatur lagi. Karena sistem pengaturan dengan two element ini memiliki kelemahan, maka muncullah aternatif three elements control.

Three Elements ControlSistem pengaturan ini menggunakan parameter level steam drum, debut aliran main steam, dan debit aliran feed water sebagai sinyal masukan untuk sistem pengaturan. Sehingga diharapkan level air pada steam drum dapat dijaga untuk tetap berada pada set point nya sekalipun terjadi permintaan perubahan beban yang signifikan. Sistem pengaturan dengan tiga elemen dapat digambarkan pada Gambar 6

Gambar 6 Three Elements Control System

Secara umum boiler pada pembangkit listrik menggunakan single element control dan two element control. Single element control digunakan pada saat unit pembangkit start up dan shut down saja. Sedangkan pada saat beroperasi normal menggunakan three element control karena produksi uap air yang fluktuatif tergantung oleh kebutuhan beban listrik konsumen.

Instrument pada Sistem Pengaturan Level Steam DrumInstrument pada sistem pengaturan merupakan semua perangkat yang terlibat di dalam proses pengolahan sinyal pengaturan untuk mengatur suatu variabel. Beberapa instrument yang terlibat adalah perangkat pengukuran (measurement elements) yang terdiri dari sensor/transducer dan transmitter, perangkat akhir pengaturan (final control element), dan juga perangkat pengatur (Controller). Pada sistem pengaturan level steam drum, besaran besaran yang terlibat adalah level,tekanan, dan aliran. Sehingga perangkat pengukuran yang digunakan adalah perangkat pengukur besaran besaran tersebut.

Pengukuran tekanan Tekanan terjadi karena adanya gaya yang bekerja terhadap suatu bidang luasan .karena itu tekanan dinyatakan sebagai Gaya yang bekerja pada satuan luas. Dengan demikian satuan yang umum digunakan adalah kg/cm2 , psi , bar dll.

Tekanan yang biasa diukur pada umumnya masuk salah satu dari 4 jenis tekanan, yaitu :a) Tekanan Absolut (Absolute Pressure). Yaitu harga tekanan yang sebenarnya, dihitung relatif terhadap tekanan nol mutlak. b) Tekanan Gauge (Gauge Pressure). atau dikenal pula sebagai tekanan relatif , adalah tekanan yang diukur relatif terhadap tekanan atmosfer. jadi tekanan relatif adalah selisih antara tekanan absolut dengan tekanan atmosfer.c) Vacum atau tekanan hampa adalah dalam hal tekanan adalah lebih rendah dari tekanan atmosfer.d) Tekanan Deferensial (Differential Pressure) . adalah suatu tekanan yang diukur terhadap tekanan yang lain (beda tekanan).Pengukuran tekanan dapat dibedakan atas sifat dari tekanan , yaitu :a) Tekanan Statik, jika tekanan tidak berubah (relatif) pada sepanjang waktu pengamatan . Istilah tekanan relatif digunanakan secara luas dalam pengukuran tekanan, tinggi muka cairan , dan laju aliran. Sebagai contoh, jika muka fluida dalam proses dalam keadaan statik (tidak berfluktuasi), maka tekanan statik pada suatu titik didalam kolom fluida tsb merupakan tekanan gaya tekan) yang diberikan oleh kolom fluida diatas titik tersebut tersebut.b) Tekanan Dinamik, jika tekanan berubah dengan cepat (berfluktuasi) sepanjang waktu pengamatan, Pada kasus tekanan dinamik, pengukuran tekanan membutuhkan transducer tekanan dengan respons yang cepat. Dalam satuan Internasional Inggris ,Satuan tekanan absolut biasanya dinyatakan dengan Pound Per Square Inch Absolute (psia). Sedangkan satuan tekanan relatif biasanya dinyatakan dengan Pound Per Square Inch Gauge (psig).Dalam satuan Internasional (SI), atau metrik , satuan tekanan yang biasa digunakan Newton Per Square Mater (N/m2),atau Pascal.Tekanan juga biasa dinyatakan dengan satuan ketinggian kolom fluida pengukur, misalnya kolom fluida air raksa atau air pada temperatur 20 Degree C. Dengan cara ini, maka tekanan atmosfer pada permukaan air laut , jika rapat massa air raksa adalah 13,591 g/cm3 , adalah 760 mmHg ( sama dengan 1 atmosfer ).Berikut diberikan beberapa satuan tekanan yang biasa digunakan yaitu : 1 atm = 14,696 psia. 1 kg/cmg = 14,22 psig = 2116 lbf/ft2 = 0,98 bar. = 760 mm Hg. 1 N/m2 = 1 Pa Pengukuran tekanan dapat dilakukan antara lain dengan menggunakan :1. Manometer kolom cairan.2. Elemen bellows.3. Elemen Diafragma.4. Elemen Bourdon.5. Elemen Tahanan Listrik. (Strain gage ).6. Elemen Piezoelektrik.7. Meter kecepatan turbin8. meter aliran magnetik.9. meter aliran massa.

1. Manometer Kolom Cairan.Zat Cair Tabung U adalah contoh sederhana pengukuran tekanan yang menggunakan kolom zat cair seperti pada Gambar 7. Prinsip yang terjadi pada tabung U adalah bahwa tekanan pada manometer U, beda tekanan pada kedua kaki pipa (P1 P2) adalah

P1 P2 = Pada rumus diatas , P1 adalah tekanan yang diberikan oleh fluida yang bersankutan setinggi h , besar dari tekanan tersebut adalah :

P1 = Di mana : P1= tekanan media yang ingin diketahui.

= masa jenis cairan g= percepatan grafitasi h= beda tinggi cairan pada kedua kaki pipa U

Gambar 7 Manometer Tabung U Dengan Kolom Zat Cair

Keuntungan dari jenis manometer zat cair adalah :a) Sederhana dan murah.b) Perawatannya mudah.c) Ketelitiannya cukup bagus.d) Cocok diterapkan pada tekanan rendah. Adapun kelemahan dari manometer zat cair adalah :a) Kebanyakan terbuat dari kaca, maka mudah pecah.b) Dalam operasinya memerlukan pengaturan posisi ( leveling ).c) Hanya cocok untuk fluida tertentu.d) Tidak dapat dipakai untuk tekanan dinamik. 2. Elemen BellowsPengukuran tekanan dengan bellows sangat populer digunakan di industri karena dianggap lebih andal dan mudah ditangani. Elemen Bellows merupakan elemen elastic pada arah aksial .Biasanya terbuat dari kuningan , fosfor, berrillium- tembaga ,monel , stainless steel, inconel . Dengan elemen ini dapat diperoleh hubungan yang linier antara tekanan dan simpangan (perubahan volume).. Pada gambar dibawah ini ditunjukkan prinsip pemakaian bellows untuk tekanan absolute , tekanan relative dan tekanan deferential.

Gambar 8 Prinsip pengukuran tekanan Tekanan Absolut (A),Tekanan Relatif (B),Tekanan Diffrensisal (C)

Pada umumnya sebagian besar bellows digunakan untuk pengukuran tekanan pada daerah yang rendah, ( absolute atau differential ) ,Pemakaian yang banyak adalah sebagai elemen pengukuran, recorder , dan elemen pengendalian ( controller ) dengan jenis pneumatic. Keunggulan Elemen Bellows antara lain adalah :a) Kontruksinya kuat dan sederhana, dan harganya agak murah.b) Baik untuk tekanan rendah dan menengah.c) Dapat digunakan untuk tekanan mutlak, relatif,dan differrential.Adapun kelemahannya adalah :a) Memerlukan kompensasi temperature.b) Tidak dapat digunakan untuk mengukur tekanan tinggi.c) Tidak cocok untuk mengukur tekanan dinamik.d) Mempunyai histerisis dan drift yang besar.

3. Pengukuran dengan Elemen Diafragma. Diafragma sebagai elemen pengukur terdiri atas dua jenis yaitu :1. Diafragma Metal, yang umumnya terbuat dari bahan fosfor perunggu, berrilum tembaga, stainless steel, dsb.2. Diafragma Non Metal, yang dalam kontrusinya biasanya dilengkapi pegas kumparan .Untuk pengukuran tekanan absolut, tekanan yang diukur dimasukkan pada kapsul,sedangkan sistem dimasukkan kedalam ruang hampa. dengan demikian kapsul ada pada ruang hampa.Untuk pengukuran relatif, sistem dimasukkan dalam atmosfir.

Cara pengukuran pada Diafragma :

1. Bilamana ada perubahan tekanan pada diafragma sebesar P1, maka diaphragma akan mengembang sebanding dengan besar tekanan P1.

2. Perubahan ini akan menggerakkan link dan memutar gigi, sehingga jarum penunjuk akan bergerak sesuai dengan perubahan tekanan pada diafragma sebesar P1.

Gambar 9 Ilustrasi Diafragma Metal

Gambar-II.1.3 Ilustrasi Diafragma Metal

Jenis dari elemen diafragma adalah :A. Convex typeB. Nested typeC. Multi capsule type.Adapun beberapa kelebihan dari elemen diafragma adalah ;a) Karakteristik overange tinggi.b) Mempunyai linieritas yang baikc) Baik untuk pengukuran mutlak maupun differential.d) Tersedia dalam berbagai bahan antara lain sangat tahan terhadap korosi.e) Dimensi dapat kecil sekali.harganya tidak terlalu mahal. Adapun kelemahannya antara lain :a) Sangat peka terhadap getaran dan kejutan.b) Jika rusak sangat sukar untuk diperbaiki.

4. Elemen BourdonPada prinsipnya elemen Bourdon adalah suatu tabung yang pipih, Perbedaan antara sisi luar dan sisi dalam ( tekanan tinggi ) menyebabkan tabung cenderung untuk berubah bentuk menjadi lingkaran . Hal ini akan menyebabkan terjadinya distorsi bentuk sistem berupa translasi lengkung ujung bebas dari tabung Bourdon tipe C, Spiral, dan Heliks.

Cara pengukuran pada bourdon tipe spiral :

1. Bila ada perubahan tekanan yang masuk ke bourdon, maka bourdon akan mengembang sesuai dengan sifat elastisnya.

2. Perubahan ini akan memutar poros gigi untuk menggerakkan jarum penunjuk sebesar perubahan tekanan yang masuk ke dalam bourdon .

Beberapa kelebihan dari pengukuran jenis ini adalah :a) Konnstruksinya sederhana dan murah.b) Dapat digunakan untuk mengukur tekanan yang berbeda.c) Mempunyai banyak daerah ukur yang berbeda.d) Dapat dikalibrasi dengan mudah.e) Kepekaannya dapat diubah dengan mengubah dimensi.f) Mempunyai karakteristik yang bagus pada seluruh daerah kerjanya.Adapun kelemahannya antara lain :a) Responnya lambat.b) Mudah dipengaruhi olek getaran dan kejutan.c) Mempunyai sifat histerisis

GambarII.1.4 BourdonTypeC Gambar II.1.3 ( C ).Bourdon Type Helical

II.1.5 Elemen Pengukuran dengan Strain Gage. Strain Gage adalah elemen tranducer yang dapat merubah perubahan dimensi linier ( panjang perpindahan , pegerakan ) menjadi perubahan tahanan listrik . Strain gage dapat dilekatkan pada batang atau kolom metal, elemen diafragma metal, elemen tabung bourdon dsb.Beberapa kelebihan alat ini antara lain :a) Ukurannya kecil dan mudah dipasang.b) Ketelitiannya sangat tinggi.c) Daerah pengukurannya sangat lebar.d) Kestabilannya sangat tinggi.e) Sinyal keluarannya dapat dikondisikan denganmudah.f) Tidak ada bagian bagian yang bergerakg) Tidak peka terhadap getaran dan kejutan.h) Kecepatan responnya tinggi, sehingga dapat digunakan untuk pengukuran tekanan dinamik. Sedangkan kelemahannya :a) Sensitif terhadap temperatur.b) Harganya mahal.c) Memerlukan sumber tegangan listrik yang stabil

Gambar II.1.5 Strain gageII.1.6 Transduser Piezoelectric. Prinsip kerja dari elmen ini adalah dibangkitkannya tegangan listrik diantara kedua permukaan kristal oleh karena adanya deforsi. Jika deforsi tsb disebabkan oleh gaya / tekanan yang bekerja pada kristal, maka bisa diperoleh hubunga antara tekanan dan sinyal listrik. Contoh yang banayak dijumpai adalah micropun. Untuk mengukur tekanan udara, bahan yang banyak digunakan adalah garam rochele, quartz, barium titanat, lithium sulfat dsb.

DAFTAR NOTASI

A-101-JL1Air Filter for A-101-J A-101-JCA First Stage Intercooler for A-101-J A-101-JCBSecond Stage Intercooler for A-101-JA-101-JCCThird Stage Intercooler for A-101-JA-106-DA,DBDesulfurizerA-144-FFeed Gas Knock Out DrumA-106-DHydrotreaterA-102-DMercury Guard ChamberA-133-CKick Back CoolerA-SP-151Air Compressor VentA-101-B1Reformer StackA-101-BPrimary ReformerA-101-FSteam DrumA-172-C2Start Up CoolerA-107-DPrimary Reformer Effluent TransferA-101-CSecondary Reformer WHBA-103-DSecondary ReformerA-102-CHigh Pressure Steam HeaterA-104-D1High TS ConverterA-104-D2Low TS ConverterA-103-C1,C2HTS Effluent Steam GeneratorA-101-JTSteam Turbine for A-101-JA-101-BJ1Forced Draft FanA-101-BJ2Induced Draft FanA-102-JTSteam Turbine for A-101-JA-102-JFeed Gas CompressorA-114-FaMDEA Storage TankA-115-DaMDEA FilterA-115-FaMDEA PumpA-131-CLTS effluent/BFW ExchangerA-105-ECO2 StripperA-106-CLTS Effluent/LP BFW ExchangerA-102-ECO2 StripperA-SP-156Starter up VentA-112-CLean/semi-Lean ExchangerA-110-CLean Solution CoolerA-111-CCO2 ReboilerA-109-CLean Solution/BFW ExchangerA-104-LaMDEA Solution FilterA-101-ECO2 AbsorberA-102-F2CO2 Absorber Overhead Knock Out DrumA-102-F1Raw Gas SeparatorA-115-JaMDEA Sump PumpA-111-JaMDEA Transfer PumpA-108-J,JASemi-Lean Solution PumpA-107-JA,JB,JCLean Solution PumpA-107-JAHTHydraulic Turbine for A-107-JAA-121-J,JAProcess Condensate PumpA-103-ELP Ammonia ScrubberA-104-EHP Ammonia ScrubberA-105-EAmmonia StripperA-141-C1,C2Ammonia Stripper Feed/Effluent ExchangerA-142-CAmmonia Stripper Effluent CoolerA-140-CAmmonia Stripper ReboilerA-103-LHydrogen Recovery UnitA-150-EProcess Condensate TreatmentA-188-C1,C2,C3Condensate Stripper Feed/Effluent ExchangerA-174-CStripped Condensate CoolerA-140-J,JALP Ammonia Scrubber PumpA-141-J,JAHP Ammonia Scrubber PumpA-106-DMethanatorA-172-C1Methanator PreheaterA-114-CMethanator Feed/Effluent ExchangerA-105-DAmmonia Synthesis ConverterA-122-CAmmonia Converter InterchangerA-115-C1,C2Methanator Effluent CoolerA-123,C1,C2Ammonia Converter Effluent Steam GeneratorA-104-FSynGas Compressor Suction DrumA-102-BStart up HeaterA-105-FSynGas Compressor First Interstage SeparatorA-121-CAmmonia Converter Feed/Effluent ExchangerA-129-CSynGas Compressor Interstage ChillerA-118-CSynGas Compressor IntercoolerA-09-DA,DBMolecular Sieve DryerA-134-CSynGas Compressor Kick Back CoolerA-111-DMolecular Sieve Regeneration Gas DryerA-173-CMolecular Sieve Regeneration HeaterA-109-FRefrigerant RecieverA-124-CAmmonia Converte Effluent CoolerA-127-CRefrigerant CondenserA-128-CRefrigerant Compressor Third Stage IntercoolerA-120-CAmmonia Unitized ChillerA-167-CRefrigerant Compressor Second Stage IntercoolerA-120-CF1First Stage Refrigerant Flash DrumA-120-CF2Second Stage Refrigerant Flash DrumA-120-CF3Third Stage Refrigerant Flash DrumA-120-CF4Fourth Stage Refrigerant Flash DrumA-107-FAmmonia Letdown DrumA-106-FAmmonia SeparatorA-103-JTSteam Turbine for A-103-JA-103-JSynGas CompressorA-120-JAmmonia Rejection PumpA-113-J,JAWarm Ammonia Product PumpA-105-JTSteam Turbine for A-105A-105-JAmmonia Refrigerant CompressorA-124-J,JACold Ammonia Product PumpUni AxialBiarsialTriaxialBeban/Gaya3-4.2 Tipe Strain Gage