Tidak dapat dipungkiri lagi, pada era modern ini kebutuhan listrik seakan-akan menjadi kebutuhan primer bagi berjalanya roda perokonomian, industri maupun kehidupan sehari-hari kita. Salah satu jenis pembangkit listrik yang cukup mendominasi supply kebutuhan listrik di dunia atau di Indonesia adalah pembangkit listrik tenaga uap. Pemanfaatan tenaga uap sudah dikenal cukup lama bahkan menjadi cikal bakal bermulanya revolusi industri. Cara kerja dari sistem ini pada dasarnya adalah bahan bakar berupa batu bara (coal), gas dan lain sebagainya dibakar untuk menghasilkan energi panas, kemudian energi panas tersebut digunakan untuk memanaskan air yang terjadi pada boiler, air yang panas tersebut kemudian berubah fasa menjadi uap bertekanan tinggi dan uap tersebut digunakan untuk memutar turbin. Terdengar sederhana, tapi pada kenyataanya cukup banyak komponen-komponen yang terdapat pada satu sistem ini. Karena kompleksitasnya, pada artikel ini kita hanya akan fokus membahas komponen boiler dengan bahan bakar batu bara.
Ilustrasi unit pembangkit listrik tenaga uap
Boiler untuk pembangkit listrik pada umumnya berbentuk kotak dengan ketinggian yang memanjang keatas, kemudian berbelok pada bagian atas dan kembali turun menghadap ke bawah, menyerupai huruf “n”. Struktur dasarnya secara umum adalah bagian bawah untuk mengakomodasi pembakaran, kemudian bagian atas dan belokan dipenuhi dengan pipa-pipa berisi air dan steam untuk “mengambil” panas dari pembakaran, dan pada daerah aliran turun terakhir gas buang (flue gas) dimanfaatkan kembali panasnya untuk memanaskan udara yang akan kembali masuk dan kemudian menuju proses penyaringan baik menggunakan scrubber maupun perangkap debu elektrostatis.
skema boiler secara umum
ONA RADIASI
Pada mulanya, pembakaran ini dipacu menggunakan bahan bakar diesel. Ketika pembakaran sudah cukup memadai, barulah kemudian batu bara disupply ke dalam ruang bakar (bagian bawah boiler). Masuknya (inlet) bahan bakar biasanya bersebelahan atau dikelilingi oleh inlet udara sebagai sumber oksigen pembakaran. Sebelum masuk ke ruang bakar, pertama-tama batu bara yang disupply oleh kapal angkut dimasukkan kedalam pulverizer atau penghancur batu bara agar menjadi bongkahan-bongkahan kecil sehingga proses pembakaran dapat terjadi dengan lebih efektif dan efisien. Pada zona pembakaran ini pula, dinding-dinding dari ruangan ini terdiri dari perpipaan yang berisi air dan uap, dinding ini disebut juga dengan waterwall. Karena suhu yang cukup tinggi, dan api pembakaran berapa pada bagian tengan ruang bakar, proses perpindahan kalor yang paling dominan terjadi pada zona ini adalah radiasi, sehingga pada daerah ini sering dikategorikan sebagai zona radiasi.
Terdapat pula berbagai macam pola pembakaran yang diterapkan dalam ruang bakar ini, misalkan tangential firing yang menyemburkan api dari sudut-sudut ruangan dan membentuk bola api, ada juga tipe penyemburan bahan bakar yang saling berhadapan, bahkan ada juga tipe pembakaran dengan pencampuran coal menggunakan pasir atau dikenal dengan istilah fluidized bed dan masih banyak lagi variasi lainya, mengingat teknologi ini sudah cukup matang dan digunakan cukup lama.
ZONA KONVEKSI
Setelah pembakaran terjadi pada zona radiasi, secara natural (dan beberapa dibantu oleh fan) udara panas akan bergerak keatas. Pada bagian atas zona radiasi, pipa-pipa yang sangat banyak jumlahnya sudah menghadang aliran gas panas tersebut. Pada pipa-pipa tersebut terdapat sebagian air dan sebagian uap air yang berubah fasa karena pemanasan dari gas panas tersebut (Pada tipe supercritical boiler, perubahan air menjadi uap terjadi secara spontan tanpa melalui percampuran air dan uap). Karena perpindahan panas yang dominan antara gas panas dan pipa, maupun pipa dan air atau uap didalam pipa adalah konveksi, maka zona ini sering disebut juga dengan istilah zona konveksi.
superheater
Dalam zona konveksi ini, tube-tube yang menghadang pertama kali gas panas dinamakan dengan superheater. Karena pada bagian ini air yang telah sempurna menjadi uap memiliki suhu yang sangat tinggi dan siap digunakan untuk memutar turbin. uap ini disebut juga dengan uap kering, dry steam atau superheated steam.
reheater
Reheater digunakan untuk memanfaatkan suhu flue gas yang masih cukup panas setelah melewati superheater. Uap hasil pemanasan reheater juga digunakan untuk memutar turbin pada secondary stage.
economizer
Proses tubing terakhir dari zona konveksi adalah economizer. Pada bagian ini, gas panas yang sudah diambil panasnya oleh superheater dan reheater masih memiliki sebagian kalor yang masih bisa dimanfaatkan. Oleh karena itu, untuk meningkatkan efisiensi secara keseluruhan, panas dari flue gas setelah reheater ini digunakan untuk memanaskan sistem feed water yang menurunkan kalor total yang dibutuhkan oleh sistem untuk merubah air menjadi uap.
Air-preheater
Belum sepenuhnya dingin, flue gas yang melewati economizer dimanfaatkan kembali panasnya untuk memanaskan udara yang akan dimasukkan kedalam sistem boiler untuk pembakaran. Pemanasan ini berfungsi untuk mengurangi jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk memanaskan udara masuk sampai suhu yang diinginkan setelah pembakaran yang pada akhirnya meningkatkan efisiensi total.
Karena kompleksitas dari pola aliran 3D pada boiler, interaksi thermo-kimia, serta interaksi dengan tubing-tubing yang ada, membuat boiler sulit untuk dianalisis secara komprehensif menggunakan metode analitis. Salah satu metode yang cukup berkembang pesat untuk desain, optimasi maupun analisis kegagalan dari unit boiler adalah menggunakan metode komputasi atau Computational Fluid Dynamics (CFD), yaitu metode permodelan menggunakan komputer untuk memperoleh parameter-parameter aliran seperti kecepatan, tekanan, temperatur dan lain sebagainya.