Venezuela Drum ketel

Drum merupakan peralatan paling penting dalam sistem ketel uap, sekaligus berperan sebagai titik penghubung tiga proses—pemanasan, penguapan, dan pemanasan lanjut—yang mengaitkan proses sebelumnya dengan proses berikutnya. Dalam ketel uap, air diubah menjadi uap super panas yang memenuhi spesifikasi, yang memerlukan pemanasan, penguapan, dan pemanasan lanjut. Proses pemanasan adalah saat air dipanaskan hingga mencapai keadaan air jenuh; proses penguapan adalah saat air jenuh berubah menjadi uap jenuh; sedangkan proses pemanasan lanjut adalah saat uap jenuh dipanaskan lebih lanjut hingga menjadi uap super panas. Ketiga proses tersebut masing-masing dilaksanakan oleh economizer, permukaan pemanas penguapan, dan superheater. Drum uap berkaitan erat dengan ketiga proses tersebut: drum menerima air dari economizer; sirkuit sirkulasi terbentuk bersama permukaan pemanas penguapan; dan uap jenuh didistribusikan ke superheater melalui drum. Dengan demikian, drum bukan hanya merupakan titik pertemuan antara pemanasan, penguapan, dan pemanasan lanjut, tetapi juga merupakan batas antara ketiga proses tersebut. Oleh karena itu, drum berperan sebagai pusat penghubung bagi proses pemanasan, penguapan, dan pemanasan lanjut dalam ketel uap.

1. Fungsi drum

1.1. Penyimpanan dan penyangga energi: uap dan air disimpan dalam drum, yang berfungsi sebagai penyimpanan energi. Ketika beban berubah, drum dapat menyangga ketidakseimbangan antara penguapan dan pasokan air serta perubahan tekanan uap yang terlalu cepat. Jika beban ditingkatkan, tekanan uap akan menurun. Pada saat itu, air berada dalam keadaan jenuh, sehingga sebagian uap dapat menguap secara alami, sehingga tekanan uap menurun secara perlahan.

1.2. Menjamin kualitas uap: perangkat pemisahan air dari uap, perangkat pembersihan uap, dan peralatan lainnya dipasang di dalam drum, yang secara efektif dapat melaksanakan pemisahan air dari uap, pembersihan uap, penambahan bahan kimia, pembuangan air buangan, dan sebagainya, guna menjamin kualitas uap dan kualitas ketel uap.

1.3. Menjamin operasi boiler yang aman: berbagai alat pengukur level air, pengukur tekanan, katup pembuangan air darurat, katup pengaman, dan peralatan bantu lainnya dipasang pada drum untuk memantau tekanan dan level air dalam drum serta melindungi operasi boiler yang aman.

2. Pengenalan drum

2.1. Drum uap dan penukar panas dihubungkan melalui pipa naik dan pipa turun untuk membentuk sirkulasi air dalam drum itu sendiri. Siklus air pada drum uap merupakan siklus perpindahan panas konveksi. Air panas (uap) yang dihasilkan oleh ketel uap masuk ke dalam drum melalui pipa naik. Selama proses ini, terjadi pertukaran panas saat air bertekanan rendah naik ke atas, sehingga sebagian air berubah menjadi fase gas; sementara itu, air dingin dari dalam drum disuplai kembali ke ketel melalui pipa turun akibat gaya gravitasi. Sirkulasi air dalam sistem sifon merupakan sirkulasi mandiri antara drum dan ketel. Kenaikan uap secara langsung berkaitan dengan penurunan level air. Apabila air ketel dipompa langsung ke dalam drum, maka level cairan dalam drum dapat dipertahankan; hal ini disebut sirkulasi paksa. Pada saat yang sama, drum menerima air umpan dari pompa sirkulasi air dan mengalirkan uap jenuh ke superheater atau langsung mengeluarkan uap. Oleh karena itu, drum berperan sebagai titik penghubung tiga proses, yaitu pemanasan media kerja, penguapan, dan pemanasan lanjutan, guna memastikan kelancaran sirkulasi air dalam ketel uap.

2.2. Perangkat pemisahan uap dan air serta perangkat pembuangan terus-menerus dipasang di dalam drum untuk memastikan kualitas uap boiler.

2.3. Alat ini memiliki kapasitas air tertentu dan kapasitas penyimpanan panas tertentu. Ketika kondisi operasi ketel berubah, alat ini dapat memperlambat laju perubahan tekanan uap dan berperan dalam menstabilkan tekanan uap.

2.4. Pengukur tekanan, pengukur level air, saluran pembuangan air darurat, katup pengaman, dan peralatan lainnya dipasang pada drum untuk memastikan operasi boiler yang aman.

2.5. Drum merupakan bejana penyeimbang yang menyediakan tekanan yang diperlukan untuk aliran campuran uap dan air pada dinding yang didinginkan dengan air.

3. Struktur drum

Drum uap terutama terdiri atas tiga bagian: perangkat pemisahan uap dan air, perangkat pembersihan uap, serta sistem pembuangan air buangan, dosing, pembuangan air akibat kecelakaan, dan perangkat lainnya.

3.1. Perangkat pemisahan uap dan air

3.1.1. Prinsip perangkat pemisahan uap dan air:

3.1.1.1. Pemisahan gravitasi dilakukan dengan memanfaatkan perbedaan densitas antara uap dan air;

3.1.1.2. Pemisahan inersia dilakukan dengan memanfaatkan gaya inersia ketika aliran uap berubah arah;

3.1.1.3. Gaya sentrifugal akibat rotasi aliran uap digunakan untuk memisahkan air dan membuat air menempel pada dinding logam, sehingga terbentuk pemisahan adsorpsi yang ditandai oleh lapisan air yang mengalir ke bawah.

Perangkat pemisahan uap–air terutama mencakup pemisah siklon, pemisah rana, dan perangkat lainnya. Pemisah siklon berupa silinder yang terbuat dari pelat baja setebal 2–3 mm. Campuran uap–air memasuki pemisah siklon secara tangensial melalui volute masuk; akibat gaya sentrifugal, tetesan air terlempar ke dinding sehingga terjadi pemisahan antara uap dan air, kemudian air tersebut jatuh di bawah pengaruh gravitasi dalam ruang siklon. Uap kemudian masuk ke ruang uap drum melalui tutup atas pelat gelombang, sementara air masuk ke ruang air dari bagian bawah untuk menyelesaikan pemisahan primer; selanjutnya, pemisahan sekunder oleh pemisah rana dapat mencapai tujuan pemisahan uap–air. Garis tengah pipa masuk pemisah siklon berada pada ketinggian yang lebih tinggi daripada level air maksimum dalam drum, sehingga level air dalam drum berada di bawah tepi pipa masuk pemisah. Bagian bawah drum pemisah tidak boleh menyentuh level air normal sejauh 200 mm, guna mencegah uap melewati bagian bawah drum. Untuk mencegah uap masuk ke downcomer pada saluran pembuangan bagian bawah, dipasang sebuah rak di dasar silinder. Di depan pipa keluar uap pada bagian atas drum dipasang sebuah pelat berpori, yang bertujuan memanfaatkan efek penyempitan aliran agar uap jenuh dalam ruang uap terdistribusi secara merata sepanjang dan lebar drum, sehingga meningkatkan efisiensi pemisahan. Pelat berpori tersebut terbuat dari pelat baja setebal 3–4 mm dengan diameter lubang 10 mm.

3.1.2. Proses pemisahan uap dan air

3.1.2.1. Campuran uap-air dari ketel uap masuk ke bagian dalam drum melalui pipa naik bagian atas drum, lalu mengalir ke bawah melalui saluran melingkar sempit yang terbentuk antara dinding bagian dalam drum dan pelat pelapis melengkung, sehingga campuran uap-air tersebut menerima perpindahan panas secara merata pada dinding bagian dalam drum dengan laju aliran yang tepat. Hal ini mengatasi kesulitan akibat perbedaan suhu yang terlalu besar antara dinding bagian atas dan dinding bagian bawah drum saat ketel uap mulai beroperasi maupun saat dimatikan, serta memungkinkan ketel untuk segera dihidupkan.

3.1.2.2. Campuran uap-air yang masuk ke drum uap masing-masing memasuki pemisah siklon uap-air, dan pemisahan berdasarkan inersia dilakukan dengan memanfaatkan gaya inersia saat terjadi perubahan arah aliran, yang merupakan tahap pemisahan pertama dari campuran uap-air tersebut.

3.1.2.3. Uap yang telah dipisahkan masih mengandung sejumlah besar air, dan masuk ke pemisah pelat gelombang dari bagian atas pemisah. Pemisah ini dipasang di bagian atas pemisah siklon. Uap yang masih mengandung beberapa tetes air mengalir melalui celah antara pelat-pelat gelombang, dan air tersebut menempel pada dinding logam sehingga membentuk lapisan air yang mengalir ke bawah.

3.1.2.4. Uap setelah pemisahan sekunder akhirnya dibersihkan dengan uap, dan pemisahan gravitasi dilakukan dengan memanfaatkan perbedaan densitas air, yang merupakan pemisahan ketiga.

3.1.2.5. Setelah tiga kali pemisahan, standar kualitas uap terpenuhi, kemudian pipa uap jenuh di bagian atas drum dialirkan ke superheater platen.

3.2. Perangkat pembersih uap

Prinsip dasar pembersihan dengan uap adalah dengan membiarkan air pembersih yang memiliki kandungan garam rendah bersentuhan dengan uap bertekanan tinggi yang mengandung garam dalam jumlah besar, sehingga garam terlarut dalam uap tersebut dipindahkan ke air umpan bersih, yang pada gilirannya menurunkan kelarutan garam dalam uap. Pada saat yang sama, proses ini juga mampu memindahkan kandungan garam dari uap yang membawa air ketel ke dalam pasokan air bersih, sehingga mengurangi kandungan garam yang dibawa oleh uap ke peralatan turbin dan meningkatkan kualitas uap. Kerugian akibat polusi uap: uap dengan kandungan garam melebihi batas standar akan menyebabkan pengendapan garam pada turbin uap, ketel, dan peralatan termal lainnya, serta menghambat pertukaran panas pada superheater, menimbulkan suhu dinding pipa yang terlalu tinggi, meningkatkan suhu gas buang, dan menurunkan efisiensi ketel; katup pada saluran pipa uap dapat gagal beroperasi dan bocor; penampang aliran uap di turbin akan berkurang, kekasaran nosel dan bilah turbin akan meningkat, bahkan bentuk nosel dan bilah turbin dapat berubah, sehingga hambatan pada turbin meningkat, dan daya keluar serta efisiensinya menurun; jika akumulasi garam tidak merata, hal ini dapat menimbulkan getaran pada sistem poros dan bahkan menyebabkan kecelakaan. Dapat disimpulkan bahwa kualitas uap sangat penting bagi keselamatan unit.

3.3. Pembuangan air dari drum

Blowdown terus-menerus dan teratur digunakan untuk blowdown drum uap.

3.3.1. Pembuangan terus-menerus terutama digunakan untuk membuang air yang terkonsentrasi di bagian atas drum, terutama untuk mencegah kandungan garam dan kandungan belerang dalam air ketel menjadi terlalu tinggi. Bagian pembuangan ini sebagian besar ditempatkan pada lokasi dengan konsentrasi air yang paling jelas di dalam drum, yaitu 200–300 mm di bawah permukaan air drum. Pembuangan terus-menerus biasanya disesuaikan berdasarkan indikator analisis kualitas air dalam drum.

3.3.2. Pembuangan berkala juga disebut pembuangan intermiten, yaitu pengeluaran teratur dari kerak air, kotoran, dan endapan yang terkumpul di dasar ketel pada interval tertentu; umumnya dilakukan setiap 8–24 jam sekali, dengan laju pembuangan tidak kurang dari 1% selama masing-masing 0,5–1 menit. Pembuangan intermiten ini efektif bila dilakukan secara sering dan dalam jangka waktu singkat, sehingga dapat memastikan konsentrasi air dalam paket uap menjadi seragam, yang pada gilirannya mendukung peningkatan kualitas uap.

3.4. Mengapa drum uap diisi dengan bahan kimia

Meskipun air umpan boiler telah diolah secara ketat, tetap tidak mungkin untuk sepenuhnya menghilangkan kotoran, sehingga sebagian kotoran tetap akan masuk ke dalam boiler bersama air umpan. Seiring dengan penguapan dan pengkonsentrasian air yang terus-menerus, konsentrasi garam dalam air tersebut secara bertahap meningkat, yang dapat menimbulkan penumpukan kerak di bagian dalam boiler. Untuk mencegah terjadinya penumpukan kerak, zat kimia perawatan harus ditambahkan secara terus-menerus ke dalam air boiler selama operasi. Akibat interaksi kimia dan fisika antara zat perawatan tersebut dengan garam kalsium dan magnesium dalam air, akan terbentuk endapan slag air yang tidak menggumpal dan bersifat longgar, yang kemudian mengendap di bagian bawah boiler. Endapan ini harus secara berkala dibuang keluar dari boiler. Zat perawatan yang biasanya ditambahkan ke dalam air boiler adalah Na3PO4 (natrium fosfat), yang dicairkan terlebih dahulu lalu dipompa ke dalam air boiler di drum boiler menggunakan pompa dosis. Penambahan natrium fosfat ke dalam air boiler tidak hanya dapat memicu pembentukan slag air yang tidak menggumpal dan bersifat longgar dari garam kalsium dan magnesium dalam air, tetapi juga mampu menyesuaikan alkalinitas air, sehingga nilai pH air dalam boiler dapat dipertahankan dalam batas yang ditetapkan dalam peraturan.

3.5. Pelepasan air akibat kecelakaan

Tidak mungkin bagi pipa pembuangan darurat untuk mengalirkan air dari drum. Fungsi pipa pembuangan darurat adalah untuk segera membuang air ketel dan dengan cepat mengembalikan level air ketika terjadi kecelakaan akibat kelebihan air atau terbentuknya gelembung busa yang bercampur dengan air. Ujung atas pipa pembuangan darurat berada di dalam drum, dan lubang bagian atasnya sejajar dengan level air normal drum. Apabila kondisi tersebut terjadi, segera buka katup pembuangan air darurat untuk membuang kelebihan air dan mengembalikan level air ke kondisi normal. Karena pada lubang pembuangan air darurat air ketel cenderung naik, level air dapat ditetapkan sedikit lebih rendah daripada level air normal, namun air dalam ketel tidak akan sepenuhnya terbuang. Meskipun air dalam drum tidak akan terbuang, level air tetap harus dipantau secara ketat setelah katup pembuangan air darurat dibuka. Begitu level air normal kembali terlihat, katup pembuangan air darurat harus segera ditutup. Jika tidak, sejumlah besar uap jenuh akan keluar melalui pipa pembuangan air darurat, yang tidak hanya menyebabkan pemborosan media kerja dan kehilangan panas yang tidak perlu, tetapi juga mengurangi jumlah uap yang masuk ke superheater, sehingga menimbulkan ancaman terhadap keamanan superheater.