Heat Recovery Steam Generator

Dalam dunia pembangkitan daya, salah satu peralatan yang cukup familiar adalah boiler. Boiler merupakan alat yang mengkonversikan energi panas bahan bakar menjadi energi panas yang diserap air dengan terbentuknya uap air (steam). Dari sini kemudian energi panas steam akan dimanfaatkan untuk berbagai hal, seperti untuk pemrosesan kelapa sawit, atau ke turbin-generator yang menghasilkan energi listrik.

Biasanya boiler menggunakan bahan bakar padat untuk memanaskan air di dalam tube-tube nya, seperti batu bara, cangkang kelapa sawit, bahan-bahan biomassa (sisa kayu, briket) dan sebagainya. Selain itu juga dapat menggunakan bahan bakar cair seperti MFO (Marine Fuel Oil) atau HSD (High Speed Diesel). Jenis-jenis bahan bakar yang digunakan menentukan peralatan bantu bolier tersebut dan tentu performa boilernya sendiri.

Selain itu, terdapat jenis boiler lain yang tidak menggunakan bahan bakar seperti sebelumnya disebutkan, tetapi menggunakan sisa gas panas buangan dari mesin pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) seperti turbin gas dan diesel engine. Dua mesin tsb memiliki sisa gas buang yang temperaturnya masih cukup tinggi. Pemanfaatan gas panas sisa buangan ini disebut dengan “co-generation” dalam istilah keenergian. Dan jenis boiler yang memanfaatkan gas panas ini lazim disebut dengan Heat Recovery Steam Generator (HRSG).

Biasanya HRSG ini ditemui di Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU). Pada umumnya HRSG tidak dilengkapi dengan pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar sehingga tidak terjadi perpindahan panas secara radiasi, walaupun tetap ada yang menggunakan burner tambahan tapi jarang ditemui. Perpindahan panasnya terjadi secara konduksi dan konveksi dari gas buang turbin gas ke air yang akan diproses menjadi uap melalui elemen-elemen pemanas yang ada di dalam ruang HRSG.

Ada dua (2) jenis HRSG berdasarkan arah gas buang mengalir, yaitu:

1. HRSG vertikal, yang arah aliran gas buangnya vertikal, dan susunan modul-modulnya adalah horizontal.
2. HRSG horizontal, yang arah aliran gas buangnya horizontal, dan susunan modul-modulnya adalah vertikal.

Pada dasarnya HRSG adalah alat penukar kalor yang menyerap panas dari satu fluida dan ditransfer ke fluida lain. Pada prinsipnya, proses perpindahan kalor yang sudah sama-sama kita ketahui ada 3, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi (dalam tulisan ini tidak akan dijelaskan pengertian ke tiga nya). Dan untuk HRSG ini perpindahan kalor yang terjadi adalah secara konduksi dan konveksi saja. Tidak ada proses radiasi di situ karena tidak ada pembakaran bahan bakar yang terjadi.

Heat Recovery Steam generator (HRSG) terdiri dari beberapa bagian elemen yaitu pemanas awal kondensat (condensate preheater), deaerator, ekonomizer, steam drum, evaporator, reheater dan superheater yang masing-masing memiliki fungsi yang berbeda. 

1. Pemanas awal kondensat (condensate preheater): memanaskan air yang berasal dari kondensat keluaran turbin uap yag ditampung di hotwell kondensor. Kemudian air yang sudah dipanaskan ini dialirkan dan dikumpulkan ke tangki air umpan (deaerator). Umumnya pemanas awal kondensat ini terletak paling atas dari sebuah HRSG.
2. Deaerator: tangki tempat air pengisi HRSG di treatment sebelum digunakan di HRSG. Treatment ini bertujuan untuk menghilangkan kadar oksigen yang terdapat di air pengisi dan untuk menstabilkan pH air. Treatment di deaerator ada dua jenis, yaitu secara mekanis menggunakan steam untuk memisahkan oksigen dari air dan secara kimiawi dengan menginjeksikan senyawa hidrazin (N2H4) dengan fungsi yang sama. Selain itu menginjeksikan senyawa ammonia (NH3) untuk menaikkan kadar pH air.
3. Ekonomiser: memanaskan air pengisi sebelum memasuki steam drum dengan menaikkan temperaturnya sehingga nantinya proses penguapan di steam drum dan evaporator lebih ringan, dan tentunya menaikkan efisiensi HRSG.
4. Steam drum: tempat terjadinya penguapan air pengisi dan memisahkan campuran air dan uap. Uap yang dihasilkan berupa uap jenuh (saturated steam) yang selanjutnya akan dialirkan ke superheater, sedangkan yang masih berupa air akan disirkulasikan ke evaporator secara siklus alami (memanfaatkan beda massa jenis uap dan air) atau siklus paksa (dengan bantuan pompa).
5. Evaporator: mengubah fasa air menjadi uap jenuh (saturated steam). Perpindahan panas yang terjadi di evaporator adalah film pool boiling, dimana air yang dipanaskan mendidih hingga mengalami perubahan fasa ke uap jenuh.
6. Superheater: menaikkan temperatur uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut (superheated steam). Uap panas lanjut ini yang kemudian akan digunakan untuk menggerakkan turbin uap, dan bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi di dalam turbin, uap tidak akan mengembun. Sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan oleh pukulan balik (back stroke) yang diakibatkan mengembunnya uap sebelum waktunya, yang mana akan timbul vakum di tempat yang tidak semestinya di daerah ekspansi.
7. Reheater: memanas-ulangkan uap keluaran turbin HP (High Pressure) dan uap dari IP superheater yang akan dipakai untuk turbin IP (Intermediate Pressure). Reheater digunakan untuk pembangkit uap dengan siklus regeneratif.

Jadi ringkasnya, urutan yang dilalui fluida di HRSG berawal dari condensate preheater, lalu ke deaerator, lalu ke ekonomiser, kemudian ke drum, lalu melewati evaporator dan kembali ke drum, setelahnya ke superheater dan pada akhirnya akan dikirim ke turbin. Tapi ini bukan satu-satunya sistem yang ada, masih ada desain yang lain terutama bila menggunakan siklus regenerasi.

Ini merupakan bentuk tube-tube HRSG/ boiler pada umumnya, yang dilapisi kisi-kisi dengan tujuan untuk mengoptimalkan perpindahan panas antara gas panas dan fluida lain (air atau steam).

Setelah mengetahui masing-masing fungsi modul-modul tube HRSG, selanjutnya penulis akan menjelaskan tentang performa HRSG ini. Sebagaimana mesin-mesin konversi energi, perhitungan terhadap performa mesin mutlak dilakukan untuk mengevaluasi kinerjanya, apakah konstan, lebih baik atau malah menurun. Hal ini butuh dilakukan khususnya dalam hal efisiensi yang menjadi indikator baik tidaknya pengelolaan asset tsb.

Perhitungan performa HRSG didasarkan pada standar ASME PTC 4.4 untuk Gas Turbine Heat Recovery Steam Generators. Tapi sebelum itu, penulis akan menjelaskan metode yang dapat digunakan dalam menghitung performa HRSG. Terdapat dua (2) cara yang dapat dilakukan, yaitu:

1. Metode langsung atau disebut juga metode input-output, yang mana metode ini hanya membandingkan energi yang diserap fluida kerja (air dan uap) dengan energi panas yang terkandung dalam gas buangan turbin gas. Metode langsung relatif lebih mudah pelaksanaannya dan lebih sedikit parameter yang dianalisis. Tetapi metode ini tidak menghitung kerugian-kerugian panas yang mempengaruhi efisiensi HRSG.
2. Metode tidak langsung atau disebut juga metode kerugian panas, yang menghitung kerugian panas dari sejumlah panas yang masuk. Metode tidak langsung dapat mengetahui penyebab kehilangan panas pada HRSG. Tetapi pelaksanaannya lebih rumit karena butuh waktu yang lebih lama dan dibutuhkan fasilitas laboratorium untuk analisis.

Pada kesempatan ini penulis hanya akan menjelaskan perhitungan pada metode langsung. Ada beberapa parameter yang diukur dan dihitung, di antaranya:

1. Energi panas gas buang yang masuk HRSG, yang meliputi flow gas buang dan temperatur gas buang. Dua parameter ini untuk mencari kandungan panas gas buang.
2. Energi panas yang diserap oleh fluida (air dan uap), meliputi flow air/ uap, tekanan dan temperatur air/ uap. Data tekanan dan temperatur air/ uap untuk mencari entalpi spesifik air/ uap tsb. Dan kemudian dengan mengalikannya dengan flow nya akan diketahui energi panas (entalpi) yang diserap oleh air/ uap tsb.
3. Setelah energi panas gas buang yang masuk HRSG dan energi panas yang diserap oleh fluida telah ditemukan, maka efisiensi HRSG dapat dihitung dengan membagi energi yang diserap air/ uap dengan energi panas buang masuk HRSG tsb.

Untuk lebih detail perhitungan efisiensi HRSG akan dibahas pada tulisan berikutnya.

daftar pustaka:

1. www.energyefficiencyasia.org/boiler_dan_pemanas_fluida_termis
2. Project assignment penulis 2017