Coal-fired boiler, atau boiler pada pembangkit listrik tenaga batu bara cukup banyak digunakan di Indonesia, hal ini menuntut para engineer yang ada di industri pembangkit daya harus paham cara mendesain atau mengoptimasi operasional dari boiler tersebut, baik dengan cara melakukan adjustment aliran seperti tekanan atau flow rate, atau bisa juga dengan memodifikasi dengan co-firing seperti hidrogen untuk meminimalisir emisi karbon.
Namun perlu diketahui bahwa analisis ini tidak dapat dilakukan dengan perhitungan analitis sederhana, karena melibatkan cukup banyak fenomena fisik seperti pencampuran bahan bakar dengan oksigen dengan turbulensi, reaksi kimia, hingga perpindahan panas pada flue gas dan juga tubing.
Oleh karena itu, metode yang biasa digunakan untuk analisis performa boiler adalah menggunakan software Computational Fluid Dynamics (CFD). Software CFD yang digunakan juga harus memiliki kapabilitas yang cukup mumpuni untuk memodelkan reaksi kimia dan lain-lain, namun di saat yang bersamaan harus tetap praktis digunakan oleh para engineer yang bekerja di lapangan. Salah satu software yang merupakan standar industri pada desain boiler adalah Cradle CFD. Pada artikel ini, dibahas detail-detail pembuatan simulasi boiler menggunakan Cradle CFD.
Persiapan geometri
Geometri dapat dibuat langsung di dalam software Cradle CFD, namun untuk geometri-geometri yang detail lebih disarankan menggunakan software yang memang dikhususkan untuk CAD. Cradle CFD sangat kompatibel dengan format-format yang umum seperti parasolid (.x.t), sldprt, iges, step, dan banyak lagi. Sebelum dilakukan meshing, Cradle CFD akan memastikan bahwa geometrinya “sehat” yaitu terbebas dari potensi-potensi cacat mesh; setelah proses pengecekan, dapat dilakukan juga perbaikan secara manual atau otomatis di dalam user interface nya.
Meshing/diskritisasi
Meshing atau griding adalah proses mengubah domain kontinyu menjadi diskrit agar dapat diselesaikan oleh solver numerik CFD. Pada software Cradle CFD ini, digunakan skema hybrid yaitu kombinasi antara mesh hexahedron pada daerah yang luas, dan polyhedron pada daerah yang detail; kombinasi ini menjadi skema mesh yang ideal untuk analisis semacam boiler, karena daerah pada lubang-lubang inlet dapat dimodelkan dengan detail, namun tidak mengorbankan efisiensi penggunaan mesh secara global.
Meshing boiler secara global
Meshing boiler pada sekitar inlet (polyhedral) dan jauh dari dinding (hexahedron)
Permodelan komponen heat exchanger dengan porous zone
Untuk mempertimbangkan efek dari perpindahan kalor masing-masing zona, perlu dipertimbangkan kehadiran dari masing-masing proses perpindahan kalor; namun, permodelan dengan mesh tubing yang detail akan memakan sangat banyak resource komputasi, sehingga permodelan menggunakan porous zone menjadi metode yang umum dilakukan.
Pada Cradle CFD, permodelan porous zone dapat dilakukan dengan sangat intuitif, dengan input berupa parameter geometri tubing, dan persamaan yang sederhana dijelaskan pada masing-masing model. Kontak antar-zona juga didefinisikan dengan effortless dan automatis, tanpa khawatir error meski dengan perubahan geometri.
Pembagian zona heat transfer pada boiler dengan porous zone
Input setingan porous zone yang intuitif dan mudah
Permodelan reaksi kimia
Reaksi kimia pembakaran pada proses pembakaran boiler merupakan proses yang sangat krusial, dan bahkan kadang menjadi tinjauan utama ketika kita akan menganisis komposisi gas buang, atau variasi pencampuran bahan bakar tertentu.
Pada Cradle CFD, terdapat banyak metode permodelan reaksi kimia pembakaran, seperti premixed dan non premixed combustion, serta persamaan kinetika Arhenius, sehingga dapat dengan leluasa didefinisikan sesuai dengan detail dari persamaan kimianya tanpa ada batasan template.
Dengan keleluasaan ini, anda dapat menyesuaikan persamaan pembakaran yang menyesuaikan detail fenomena fisika-kimia pada coal, yang hingga saat ini sangat banyak tersedia model-modelnya karena kompleksitas interaksi antara pembakaran partikel menjadi gas dan lain sebagainya; yang sangat sulit dimodelkan dengan software reaksi kimia berbasis template reaksi yang sudah ada.
Input secara detail dan customized spesies-spesies yang terdapat pada reaksi kimia, tanpa batasan template
Definisi secara detail komposisi kimia pada masing-masing inlet, sehingga anda dapat menguji banyak sekali skenario
Pengambilan data (post-processing)
Dengan Cradle CFD, ada banyak sekali data yang dapat diambil, mulai dari distribusi kecepatan, tekanan, heat flux pada masing-masing zona, hingga temperature dan persebaran komposisi flue gas, sehingga dapat dilihat efektivitas dari pembakaran dan memastikan tidak ada emisi seperti NOx dan SOx pada taraf tertentu.
Konsentrasi Oxigen untuk melihat apakah pembakaran terjadi dengan sempurna atau kemungkinan fuel-ratio yang terlalu kecil
Konsentrasi bahan bakar untuk melihat apakah masih ada sisa bahan bakar pada flue gas
Pada contoh di atas, bahan bakar dimodelkan dengan mixing gas. Pada software Cradle CFD, terdapat juga permodelan partikel seperti lagrangian ataupun Discrete Element Method (DEM) untuk partikel-partikel besar, sehingga jika fokus analisis anda adalah permodelan pembakaran partikel secara detail, anda dapat menggunakan metode tersebut.
PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering serta distributor resmi software dari Hexagon di Indonesia. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!