## CAKRAM
Jurnal Teknik Mesin:
ANALISA PENGARUH UDARA LEBIH (EXCESS AIR) PEMBAKARAN TERHADAP EFISIENSI TERMAL BOILER CFB KAPASITAS 270 TON PERJAM
Abdurahim Sidiq , Muhammad Suprapto , Leo Dwi Cahyo Santoso*
123 Teknik Mesin, Universitas Islam Kalimantan MAB Jalan Adhyaksa No.2 Kayutangi Banjarmasin
E-mail : rahimsidiqs7q@gmail.com, muhammadsuprapto13@gmail.com, leodwicahyosantoso22@gmail.com*
Masuk : 26 Agustus 2022 Direvisi :  05 september 2022 Disetujui : 18 September 2022
Abstrak :  Pembangkit  listrik  PLTU  di  Pulang  Pisau  menggunakan  bahan  bakar  batubara  low  rank,  peralatan yang  digunakan  untuk  membakarnya  ialah boiler tipe  CFB  (Circulating  Fluidizing  Bed). Steam  generator atau boiler adalah  alat  yang  digunakan  untuk  merubah  air  menjadi  uap  dalam  siklus  energi  termal.  Penelitian  ini dilakukan  dengan  menentukan  rasio  udara  pembakaran  berdasarkan  COA  (Coal  Of  Analisis),  serta  untuk mengetahui pengaruh udara lebih atau excess air terhadap efisiensi boiler dan efisiensi termal berdasarkan data  – data  operasional.  Data  yang  dikumpulkan  didapat  dari  PLTU  Pulang  Pisau.  Data  kemudian  digunakan  untuk menghitung  efisiensi boiler dan  efisiensi  termal.  Untuk  mentukan  rasio  udara  pembakaran  stoikiometri  digunakan persamaan  berdasarkan  ASME  PTC  4.  Perhitungan  efisiensi boiler menggunakan  metode  langsung.  Hasil perhitungan menunjukan semakin  kecil nilai excess  air maka efisiensi termal  semakin  bagus begitu juga efisiensi boiler. Direkomendasikan untuk boiler tipe CFB menggunakan excess air dikisaran 15% sampai dengan 20%.
Kata Kunci : excess air, boiler, efisiensi termal
Abstract: The PLTU Pulang Pisau power plant uses low rank coal as fuel, the equipment used to burn it is a CFB (Circulating Fluidizing Bed) type boiler. Steam generator or boiler is a device used to convert water into steam in the  thermal  energy  cycle.  This  research  was  conducted  by  determining  the  combustion  air  ratio  based  on  COA (Coal  Of  Analysis),  and  to  determine  the  effect  of  excess  air  on  boiler  efficiency  and  thermal  efficiency  based  on operational data. The data collected was obtained from the Pulang Pisau PLTU. The data is then used to calculate boiler efficiency and thermal efficiency. To determine the stoichiometric combustion air ratio, an equation based on ASME PTC 4. The calculation of boiler efficiency uses the direct method. The calculation results show the smaller the  excess  air  value,  the  better  the  thermal  efficiency  as  well  as  the  boiler  efficiency.  It  is  recommended  for  CFB type boilers using excess air in the range of 15% to 20%.
Keywords: excess air, boiler, thermal efficiency

## PENDAHULUAN
Kebutuhan  energi  terutama  energi  listrik  di  indonesia  semakin  tidak  terpisahkan  untuk  memenuhi kebutuhan hidup sehari-hari seiring dengan perkembangan teknologi yang semakin pesat. Ketel uap atau yang  biasa  disebut boiler merupakan  alat  yang  digunakan  untuk  merubah  air  menjadi  uap  atau  dengan kata lain boiler adalah alat untuk menghasilkan uap. Pada boiler terdapat salah satu bagian yang disebut ruang pembakaran dimana itu adalah salah satu bagian terpenting pada sebuah boiler .[1]
Suatu  Pusat  Listrik  Tenaga  Uap  (PLTU)  dalam  proses  pembakaran  bahan  bakar  diperlukan  udara sebagai  proses  berlangsungnya  pembakaran  di  ruang  bakar  ( furnace ).  Pada  prinsipnya,  proses pembakaran  akan  berlangsung jika  3  (tiga)  syarat  terjadinya  proses  pembakaran  terpenuhi  yakni  adanya oksigen dari udara, bahan bakar, dan terdapat nyala api. Pada siklus kerja PLTU, batubara sebagai bahan bakar  utama  akan  dibakar  di  ruang  bakar  ( furnace )  dan  akan  menghasilkan  energi  panas,  energi  panas inilah  yang  digunakan  untuk  memanaskan  pipa-pipa  di  dalam boiler .  Di  dalam  pipa-pipa  terdapat  air umpan  ( feedwater )  yang  sebelumnya  telah  dialirkan  dan  dilewatkan  disepanjang  dinding-dinding boiler akan  menyerap  panas  dari  proses  pembakaran  tersebut  dan  akan  berubah  fasanya  dari  air  menjadi  uap yang selanjutnya uap yang dihasilkan tersebut akan digunakan untuk menggerakkan turbin dan memutar generator. [2]
Pada  PLTU  PULANG  PISAU  menggunakan boiler tipe  CFB  dengan  kapasitas  aliran  uap  270t/h. Kinerja dari sebuah boiler di PLTU sangat dipengaruhi dari berbagai macam aspek, salah satunya sangat ditentukan  oleh  efisiensi  termal  pada  proses combustion batubara  tersebut,  karena  selain  berpengaruh pada  efisiensi  pembangkitan,  juga  dapat  menurunkan  biaya  operasi  pembangkitan  itu  sendiri.  Volume atau  kebutuhan  udara  pembakaran  dapat  berpengaruh  terhadap  efisiensi  panas  karena  dengan  kita  dapat menentukan  udara  pembakaran  atau combustion yang  tepat  maka  dapat  menghasilkan  pembakaran batubara yang komplit. Dalam menentukan udara pembakaran ada yang dinamakan udara lebih atau biasa disebut dengan excess air. [3]
Identifikasi  masalah  dalam  penelitian  ialah  untuk  mengetahui  hubungan  atau  pengaruh  dari  udara bakar  lebih  atau  biasa  disebut  dengan  excess  air  terhadap  efisiensi boiler serta  dampaknya  terhadap NPHR ataupun efisiensi termal  jika rasio udara pembakaran tidak tepat. Adapun masalah yang ditemui peneliti ialah  cara  menentukan  udara  pembakaran  yang tepat  berdasarkan  unsur  yang  terkandung  dalam bahan  bakar  seperti  batubara,  seberapa  besar  pengaruh  udara  lebih  ( excess  air )  pembakaran  terhadap efisiensi boiler dan  efisiensi  termal  serta  Seberapa  besar  kebutuhan  udara  lebih  yang  tepat  untuk mendapatkan efisiensi termal yang baik pada boiler CFB di PLTU PULANG PISAU.
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  tujuan  dapat  menentukan  kebutuhan  udara  yang  tepat  berdasarkan kandungan  bahan  bakar  seperti  batubara,  untuk  mengetahui  seberapa  besar  pengaruh  dan  dampak  dari udara  lebih  pada  proses  pembakaran  terhadap  efisiensi  termal  serta  untuk  menentukan  kebutuhan  udara lebih  yang  tepat  untuk  menghasilkan  efisensi  termal  yang  baik  pada boiler tipe  CFB  dengan  kapasitas aliran uap 270t/h pada PLTU PULANG PISAU. Parameter dan variable yang digunakan dalam penelitian ini  yaitu  variabel  tetap  yakni  nilai  kalori  yang  terdapat  pada  batubara  dari  hasil  analisa ultimate yang digunakan di PLTU PULANG PISAU. Variable bebas pada penelitian ini ialah udara lebih (excess air), parameter  pada  penelitian  ini  ialah  pada  proses  combustion,  peforma boiler serta  efisiensi  termal.  Hasil dari  penelitan  ini  diharapkan  dapat  dijadikan  sebagai  referensi  atau  rujukan  untuk  menentukan  udara pembakaran  yang  tepat  dengan  udara  lebih  atau excess  air pada  proses  pembakaran  dalam  proses pengoperasian boiler tipe CFB di PLTU PULANG PISAU.

## METODOLOGI
Penelitian  dilakukan  di  perusahaan  yang  bergerak  dibidang  pembangkitan  listrik  yang    terletak  di wilayah  kalimantan  tengah  yakni  PT.  PJB  UBJOM  PLTU  PULANG  PISAU  dengan boiler tipe  CFB dengan  kapasitas  270  ton  per  jam.  Pengambilan  data-data  yang  diperlukan  dilakukan  di  perusahaan terkait, Data sebagai dasar penulis untuk penelitian ini didapat dengan cara sebagai berikut :
• Studi lapangan / pengamatan secara langsung
• Studi literatur
• Wawancara
Supaya  pembahasan  penelitian  ini  tidak  meluas  maka  harus  dibatasi  dalam  proses  analisis  dan perhitungan, pembatasan penelitian ini adalah:
1. Boiler yang  digunakan  sebagai  objek  penelitian  adalah boiler tipe  CFB  dengan  kapasitas 270t/h di PLTU PULANG PISAU.
2. Proses  yang  dianalisis  adalah  pengaruh  udara  lebih  atau  (excess  air)  pada  proses combustion terhadap efisiensi termal boiler tipe CFB.
3. Mengabaikan faktor-faktor di luar kendali
4. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode langsung atau direct mode.
5. Coal flow kurang lebih 42 ton/jam dan load atau beban kurang lebih di 52MW.
Data  atau  parameter  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  meliputi  hasil  pengujian  laboratorium batubara,  data  atau  parameter  pada  tampilan  DCS (Distributed  Control  System) yang  berada  di  ruang pusat kendali atau CCR (Central Control Room) serta CoA batubara sebagai variable tetap. Data analisa batubara ditunjukan pada Tabel 1.
Tabel 1. Data CoA Batubara Data Analisa Sample Batubara Simbol Parameter deskripsi  satuan Ar HHVF Calorific Value GCV / HHV (CoA) kcal/kg 4067 Ultimate Analisis MpCF Carbon in Fuel (CoA) % 43.12 MpH2F Hydrogen in Fuel (CoA) % 2.91 MpO2F Oxygen in Fuel (CoA) % 13.25 MpSF Sulfur in Fuel (CoA) % 0.08 MpN2F Nitrogen in Fuel (CoA) % 0.67 MpAsF Ash in Fuel (CoA) % 3.02 MpWF Moisture in Fuel (CoA) % 36.95 total % 100 Proximate Analysis MFrWF Total Moisture Content (ar) (CoA) % 36.95 MFrFC Fixed Carbone Content (ar) (CoA) % 29.75 MFrVm Volatile Matter (ar) (CoA) % 30.28 MFrAsF  Ash Content (ar) (CoA) % 3.02 total % 100.00
Selanjutnya  menghitung  kebutuhan  udara  stoikiometri  udara  teoritis,  excess  air  serta  udara  ideal berdasarkan CoA dan menggunakan persamaan berdasarakan ASME PTC-4 [4]. Menghitung udara teoritis:
11,51. 4,31. 34,30. 2 4,32. 2 ( ) ( ) ( ) ( ) 100 100 100 100 MpCF MpSF MpH F MpO F MFrThACr = + + − ...…(1)
Keterangan:
MFrThACr : Nilai udara teoritis (Kg/Kg of coal) MpCF : Kandungan karbon pada batubara (%) MpH2F : Kandungan hidrogen pada batubara (%) MpO2F : Kandungan oksigen  pada batubara (%) MpSF : Kandungan sulfur pada batubara (%) Menghitung Excess air Dengan melihat parameter pada DCS diketahui pembacaan O2 di DCS adalah 11.5% 2 /100.(31,32 11,528 13, 443 2 10,331 ) .(2, 73 13, 068. 2 /100) O MpCF MpSF MpN F MFrThACr XpA MFrThACr O + + + = − …(2)[4]
Keterangan:
XpA : NilIai persentase axcess air (%) MFrThACr : Nilai udara teoritis (Kg/Kg coal) O2 : NilIai oksigen pada pembakaran (%) MpCF : Kandungan karbon pada batubara (%)
Nilai udara lebih atau excess air yang digunakan berdasarkan pembacaan O 2 pada DCS adalah 25%.
Menghitung total udara ideal
1 100 XpA MFrDA MFrThACr + =  (ASME, 2008) …………………………………………. (3)[4] Keterangan: MFrDA : Nilai udara ideal (Kg/Kg of coal) XpA : nilai excess air (%) MFrThACr : Nilai udara teoritis (Kg/Kg of coal)
Nilai  total  udara  pembakaran  atau  rasio  total  udara  pembakaran  kering  untuk  1Kg  batubara  adalah 6,7194Kg/Kgcoal.
Setelah itu melakukan variasi terhadap excess air pada pola pengoperasian seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2 sebagai berikut:
Tabel 2. Air Fuel Ratio Excess air Udara teoritis Total udara Satuan 25% 5.3923 6.7194 Kg/Kg coal 30% 5.3923 7.01 Kg/Kg coal 35% 5.3923 7.2796 Kg/Kg coal 20% 5.3923 6.4707 Kg/Kg coal 15% 5.3923 6.2011 Kg/Kg coal
Mencatat  parameter  yang  terbaca  di  DCS  pada  masing-masing  variasi  excess  air  kemudian melakukan  proses  perhitungan  enthalpi  menggunakan software wind  steam yaitu  dengan  kita memasukkan nilai pressure dan nilai temperaturenya maka akan didapatkan hasil nilai enthalpinya, untuk tampilan softwarenya sebagai berikut:
Gambar 1. Tampilan software win steam
Pengolahan  data  pada  penelitian  ini  akan  menggunakan  persamaan  –  persamaan  berdasarkan ASME PTC-4 Steam Generator. Melakukan perhitungan efisiensi boiler dengan persamaan berikut:
( ) 100% QrO Bf HHV QrF
 =  …………………………………………………………… ..(4)[4]
Keterangan:
ηBf : Efisiensi bahan bakar atau efisiensi boiler (%) QrO : total energi output dari uap (Kj/s)
QrF : energi input bahan bakar (Kj/s) Persamaan enertgi input
( ) ( ) Kg Kcal QrF MrF HHVF h Kg =  ……………….……………… …………………….(5)[4]
Keterangan:
QrF : energi input bahan bakar (Kj/s) MrF : coal flow atau laju alir bahan bakar (Kg/h)
HHVF : nilai kalori yang terkandung dalam batubara (Kcal/kg)
Persamaan energi output {[ ]*[ ]} {[ lim]*[ lim]} {[ ]*[ ]} QrO HvP Wvp Haa Waa Hss Wss = − − ……………..……(6)[4] Keterangan: QrO : total energi output (Kj/h) Hvp : nilai enthalpy main steam (Kj/kg) Wvp : flow main steam (Kg/h) Haalim : nilai enthalpy eco inlet water (Kj/kg) Waalim : flow eco inlet water (Kg/h)
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2022 Abdurahim Sidiq dkk, Analisa Pengaruh Udara Lebih ( Excess Air ) Pembakaran Terhadap Efisiensi Termal Boiler CFB Kapasitas 270 ton Perjam
Hss : nilai enthalpy pada spray water (Kj/kg) Wss : flow spray water (Kg/h) Persamaan NPHR (Nett Plan Heat Rate)
( / ) MrF HHVF NPHR Kcal Kwh Pnetto  = ………………………….…………….………….(7)[4]
Keterangan:
MrF : coal flow atau laju alir bahan bakar (Kg/h) HHVF  : nilai kalori yang terkandung dalam batubara (Kcal/Kg)
Pnetto Pgross Paux = − ……………………………………………….…………….……(8)[4] Persamaan efisiensi termal ………………………………………………………………….……………..( 9)[4]

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil dari penelitian di PLTU PULANG PISAU mendapatkan data-data lapangan. Penelitian dilakukan pada tanggal 01 juli 2022 di PLTU PULANG PISAU. Setelah dilakukan variasi untuk udara lebih pembakaran dari 15%, 20%, 25%, 30, dan 35% didapatkan data dari parameter di DCS ditunjukkan pada tabel berikut:
Tabel 3. Air fuel ratio dengan excess air 25% pada coal flow 41,51t/h
Coal Flow (t/h) udara teoritis (t/h) Total Udara ideal (t/h) 1 5392 6719 5 26961 33596,9 10 53923 67193,8 15 80884 100790,7 20 107846 134387,6 25 134807 167984,5 30 161769 201581,4 35 188730 235178,3 40 215692 268775,1 41,51 223834 278921,4 45 242653 302372,1 50 269615 335969 860 termal NPHR
 =
Tabel 4. Data parameter DCS Parameter Simbol  Satuan Excess Air 25% 30% 35% 20% 15% Load gross Pg MW 51.8 51.8 51.8 51.8 51.8 Aux power atau ps Ps MW 6.464 6.622 6.648 6.4 6.2 Main stm prs Pvp MPa 8.3 8.275 8.18 8.4 8.41 Main stm temp Tvp °C 520.8 520.749 520.46 521.1 521.3 Main steam flow Wvp t/h 219.524 218.54 219.316 220.647 220.927 Entalpi main steam Hvp kj/kg 3447.3 3447.5 3447.8 3446.9 3447.3 Eco inlet water flow Waalim t/h 218.63 218.497 221.967 217.48 215.65 Entalpi eco inlet water Haalim kj/kg 920,46 922,65 930,74 916,22 918,25 Eco inlet water temp Paalim °C 214.4 214.895 216.67 213.463 213.913 Eco inlet water press Taalim MPa 9.927 9.9 10 10 9.98 Spray water flow Wss t/h 0 0 0 0 0 Entalpi spray water Hss kj/kg 920,46 922,65 930,74 916,22 918,25 Spray water temp Tss °C 214.4 214.895 216.67 213.463 215.913 Spray water press Pss MPa 9.927 9.9 10 10 9.98 Total air Arf m3/h 256701.5  264015.6  277620.1  242771.1  236055.7 Total coal flow Mrf t/h 41.51 41.51 41.51 41.51 41.51 Kalori bb HHVF kcal/kg 4067 4067 4067 4067 4067
Pengaruh excess air terhadap efisiensi termal pada excess air 25% menggunakan persamaan berikut:

## Mengitung Efisiensi termal
860
860 100 3723, 78 23, 09% termal NPHR  =
= 
=
Untuk lebih lengkapnya ditunjukan pada Tabel 5. sebagai berikut:
Tabel 5. Pengaruh excess air terhadap efisiensi termal
Excess Air Efisiensi Termal 15% 23.23% 20% 23.13% 25% 23.09%
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2022 Abdurahim Sidiq dkk, Analisa Pengaruh Udara Lebih ( Excess Air ) Pembakaran Terhadap Efisiensi Termal Boiler CFB Kapasitas 270 ton Perjam
Excess Air Efisiensi Termal 30% 23.01% 35% 23.00%
Gambar 2. Excess air VS Efisiensi Termal
Berdasarkan  hasil  pengujian  di  atas  didapatkan  hasil  ketika excess  air kita  tambah  atau  kita  kurangi  maka effisiensi  termal  akan  turun  atau  naik  kurang  lebih  sebesar  0,05%,  maka  didapatkan  hasil  ketika  menggunakan excess air 15% maka didapatkan main steam temperature sebesar 521,3°C, efisiensi boiler sebesar 80,52%, NPHR sebesar  3702Kcal/Kwh  serta  didapatkan  efisiensi  termal  sebesar  23,23%.  Pada excess  air 20%  maka  didapatkan main  steam  temperature sebesar  521,1°C,  efisiensi boiler sebesar  80,20%,  NPHR  sebesar  3718Kcal/Kwh  serta didapatkan efisiensi termal sebesar 23,13%. Pada excess air 25% maka didapatkan main steam temperature sebesar 520,8°C,  efisiensi boiler sebesar  79,40%,  NPHR  sebesar  3723Kcal/Kwh  serta  didapatkan  efisiensi  termal  sebesar 23,09%. Pada excess air 30% maka didapatkan main steam temperature sebesar 520,7°C,  efisiensi boiler sebesar 78,88%, NPHR sebesar 3736Kcal/Kwh serta didapatkan efisiensi termal sebesar 23,01%. Pada excess air 35% maka didapatkan main  steam  temperature sebesar  520,5°C,  efisiensi boiler sebesar  78,59%,  NPHR  sebesar 3738Kcal/Kwh serta didapatkan efisiensi termal sebesar 23% seperti pada grafik berikut:
Gambar 3. Grafik Hasil Penelitian
Pembakaran dinyatakan bagus dapat dilihat dari oksigen sisa pembakaran pada parameter operasi dan penggunaan excess air antara 15% sd 20%.[5]

## KESIMPULAN
Berdasarkan dari hasil analisa maka dapat disimpulkan bahwa untuk menentukan udara pembakaran stoikiometri  yang  pertama  perlu  diketahui  adalah  unsur  yang  terkandung  dalam  bahan  bakar.  Selain  itu dampak  dari  excess  air  secara  cost  dengan  harga  batubara  sebesar  Rp  696.72,00  dan  nilai  kalori  4067 dengan  hasil  produksi  51800KW  maka  NPHR  ketika  menggunakan  excess  air  25%  ke  15%  NPHR mengali  penurunan  sebesar  21Kcal/KWH  jika  di  rupiahkan  maka  mengalami  keuntungan  atau penghematan  sebesar  Rp  4,4jt  perhari.  Ketika  NPHR  dari  excess  air  25%  ke  35%  NPHR  mengalami kenaikan sebesar 15Kcal/KWH jika di rupiahkan maka mengalami kerugian atau pemborosan sebesar Rp 3,1jt perhari.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Kurniawan, H. Y., Gunawan, H., & Maluegha, B. (2015). Kajian Efisiensi Termal Dari Boiler Di Pembangkit Listrik Tenaga Uap Amurang Unit 1. Jurnal Online Poros Teknik Mesin , 4 , 97.
[2[ Syarief, A., Setiambodo, Y. B., Ramadhan, M. N., & Sabitah, A. (2020). Analisis Kebutuhan Udara Pembakaran Untuk Mengoptimalkan Proses Pembakaran Boiler Pt. Pln (Persero) Sektor Pembangkitan Asam Asam Unit 3 & Unit 4. Info-Teknik , 21 (1), 85. https://doi.org/10.20527/infotek.v21i1.8966
[3] Muholad, W., Hasbi, M., & Endriatno, N. (2021). Analisa Pengaruh Excess Air Terhadap Efisiensi Pembakaran Boiler Jenis Pulverizer Coal 230 T/H. Enthalpy : Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin , 6 (3), 114. https://doi.org/10.55679/enthalpy.v6i3.20979
[4] ASME. (2008). ASME, PTC 4 STEAM GENERATOR (Vol. 4).
[5] Basu, 2015, P. (n.d.). Circulating fluidized bed boilers abroad. In Thermal Engineering (Vol. 54, Issue 6). https://doi.org/10.1134/S004060150706016X