Boiler tingkat pemeriksaan: jenis, perlengkapan pengaman, gelas penduga, pengendali level dan tekanan, operasi harian, dan izin

Operator sebuah laundry memeriksa gelas penduga boiler setiap pagi. Gelas itu selalu terlihat penuh air, dan ia mencatat "level aman" di buku harian. Suatu siang boiler berbunyi tidak biasa, dan uap bercampur air menyembur dari pintu tungku. Pemeriksaan menemukan bahwa saluran bawah gelas penduga tersumbat lumpur, sehingga air di gelas tidak lagi mengikuti level di dalam boiler. Elektroda pemutus air rendah juga berkerak tebal dan tidak lagi mendeteksi bahwa air sudah turun. Pembakar terus menyala, pipa api yang tidak lagi terendam air menjadi terlalu panas, melengkung, dan bocor.

Tidak ada yang terluka, tetapi kejadian ini termasuk nyaris celaka yang serius. Boiler yang kehabisan air dan kemudian diisi air dingin dapat pecah dengan dahsyat. Dua perlengkapan pengaman gagal dengan cara yang sama: keduanya terlihat bekerja, tetapi tidak pernah diuji. Bab ini menjelaskan apa yang ada di dalam boiler, mengapa setiap perlengkapan pengaman ada, dan bagaimana teknisi memeriksa bahwa perlengkapan itu benar-benar bekerja.

Batas pembahasan

Bab ini membahas boiler uap kecil dan menengah di laundry, dapur, dan rumah sakit dari sisi teknisi pemeriksa dan pendamping operator: mengenali jenis dan bagian boiler, memahami fungsi perlengkapan pengaman, membaca catatan harian, dan menguji perlengkapan menurut prosedur. Bab ini tidak memberi wewenang untuk mengoperasikan boiler, menyetel katup pengaman, memperbaiki bejana bertekanan, atau mengubah pengendali pembakar; pekerjaan itu memerlukan operator dan teknisi yang bersertifikat menurut peraturan uap dan peraturan keselamatan kerja. Sifat uap ada di bab sifat uap, distribusi uap dan perangkap di bab distribusi uap, dan mutu air serta blowdown di bab pengolahan air boiler. Sumbernya adalah narasi Utilitas Industri, narasi Fluida dan Termal, materi pelatihan boiler laundry rumah sakit di Drive pemilik, tabel uap IAPWS-IF97, dan pengetahuan teknik umum yang ditandai di peta sumber. Tekanan kerja, tekanan uji, setelan katup pengaman, dan jadwal pemeriksaan berkala diambil dari pelat nama, petunjuk pabrik, akta izin, dan peraturan yang berlaku; angka di bab ini adalah angka latihan atau nilai literatur umum.

Mengapa boiler berbahaya

Materi pelatihan boiler laundry rumah sakit mendaftar bahaya boiler: risiko ledakan, uap bertekanan tinggi, gas mudah meledak, bahan kimia, gerakan mesin, permukaan panas, dan korosi serta pengapuran yang menyebabkan kebocoran dan penyumbatan pipa.

Bahaya terbesar tersimpan di air panasnya. Air di dalam boiler 8 bar bersuhu sekitar 175 °C, jauh di atas titik didih pada tekanan atmosfer. Selama tekanan terjaga, air itu tetap cair. Bila bejana robek, tekanan turun mendadak dan sebagian air langsung menguap menjadi uap kilat, seperti di bab sifat uap. Untuk boiler kecil berisi 2 m³ air, uap kilat itu bervolume ratusan meter kubik dan energinya ratusan megajoule (Contoh 1). Energi itulah yang membuat ledakan boiler merusak bangunan, bukan hanya tekanan uap di ruang atasnya.

Dua keadaan yang paling sering mendahului kegagalan boiler adalah kekurangan air, yang membuat logam pemanas kehilangan pendinginan dan menjadi terlalu panas, dan tekanan lebih, ketika pembakar terus menyala tanpa uap dipakai dan katup pengaman tidak bekerja. Hampir semua perlengkapan pengaman boiler ada untuk mencegah dua keadaan itu.

Jenis boiler di laundry dan dapur

Materi pelatihan membedakan dua jenis utama. Boiler pipa api, yang di lapangan sering disebut boiler tidur: gas panas pembakaran mengalir di dalam pipa, dan air di dalam tabung besar di sekelilingnya dipanaskan lalu menjadi uap. Boiler pipa air, yang sering disebut boiler berdiri: air mengalir di dalam pipa-pipa yang dipanaskan api dan bersirkulasi ke drum tempat uap terbentuk.

Buku istilah teknik mesin dalam narasi mencatat bahwa boiler yang melewati batas ukuran dan tekanan tertentu digolongkan sebagai boiler daya; penggolongan seperti itu menentukan persyaratan izin dan operatornya, dan batasnya diatur peraturan masing-masing negara.

Bagian dan fungsinya

Materi pelatihan mendaftar bagian boiler beserta fungsinya:

1. Pembakar: mengabutkan bahan bakar minyak atau gas dan mencampurnya dengan udara dari blower agar terbakar di ruang bakar.
2. Tungku atau ruang bakar: tempat pembakaran; panas diterima air melalui dinding dan pipa.
3. Drum uap: tempat air panas ditampung dan uap terbentuk, dengan sekat yang mengurangi air terbawa uap.
4. Pemanas udara: memanaskan udara pembakaran dengan panas gas buang pada boiler yang lebih besar.
5. Pengatur gas buang: blower isap, penangkap debu, damper, dan cerobong.
6. Katup pengaman: membuang uap bila tekanan melewati batas setelannya.
7. Gelas penduga: menunjukkan level air di dalam drum.
8. Pembuangan air ketel: katup blowdown untuk membuang air yang mengandung zat tidak larut dan busa.

Ditambah perlengkapan yang tidak selalu terlihat: pompa air umpan dengan katup searah, pengendali level, pemutus air rendah, saklar tekanan, manometer, katup uap utama, dan pengendali nyala api.

Pembakaran dan udara pembakaran

Pembakar memerlukan udara dengan perbandingan tertentu terhadap bahan bakar. Buku termodinamika dalam narasi mendefinisikan perbandingan udara dan bahan bakar sebagai perbandingan massa udara terhadap massa bahan bakar, dan contoh di buku lain memakai bahan bakar minyak yang dibakar dengan 50 persen udara lebih. Udara lebih sedikit diperlukan agar pembakaran sempurna; terlalu banyak udara lebih membuang panas lewat cerobong, dan terlalu sedikit menghasilkan karbon monoksida. Buku plumbing dan pemanas sentral dalam narasi mencatat bahwa karbon monoksida adalah hasil pembakaran tidak sempurna, dan buku plumbing praktis mencatat bahwa pemanas berbahan bakar memerlukan pasokan udara pembakaran. Ruang boiler dengan ventilasi yang ditutup demi "menjaga panas" adalah sumber karbon monoksida, seperti dijelaskan di Kimia 192.

Sebelum pembakar menyala, blower meniupkan udara melalui ruang bakar untuk membuang sisa gas yang mungkin terkumpul. Langkah pembilasan ini mencegah ledakan di dalam tungku ketika api pertama menyala, dan pengendali nyala api memutus bahan bakar bila api tidak terdeteksi dalam beberapa detik. Melompati pembilasan atau menjembatani detektor api adalah pelanggaran yang sangat berbahaya.

Materi pelatihan juga membandingkan gas pipa dan gas elpiji: gas pipa, yang sebagian besar metana, lebih ringan daripada udara dan mudah tercampur, sedangkan elpiji, yang terdiri dari propana dan butana, lebih berat daripada udara. Elpiji yang bocor mengalir ke bawah dan terkumpul di lantai, parit, dan lubang, sehingga detektor gas dan ventilasi untuk elpiji ditempatkan rendah, seperti dibahas di Kimia 192 dan Bab 17 · Bangunan & Fasilitas.

Perlengkapan pengaman dan cara mengujinya

Buku katup dan perpipaan dalam narasi menyebut katup pengaman sebagai perlengkapan boiler yang penting, dan menampilkan katup pengaman untuk uap jenuh dan uap superpanas. Materi pelatihan menjelaskan bahwa katup pengaman membuang uap bila tekanan melewati batas setelannya. Katup pengaman dan cara kerjanya dibahas lebih umum di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas.

Prinsip umumnya: perlengkapan pengaman yang tidak diuji tidak dapat dianggap bekerja. Katup pengaman yang macet karena kerak, pemutus air rendah yang elektrodanya berkerak, dan saklar tekanan yang dijembatani terlihat sama dengan yang bekerja sampai saat diperlukan. Katup pengaman tidak pernah diganjal, diikat, atau disetel lebih tinggi untuk mengatasi masalah lain, dan saluran buangnya tidak pernah disumbat atau diarahkan ke tempat orang.

Gelas penduga dan pemeriksaan level air

Materi pelatihan mencatat bahwa gelas penduga dipasang pada drum bagian atas untuk melihat level air, dan harus dicuci secara berkala agar tidak tersumbat sehingga level tidak dapat dibaca. Kasus pembuka menunjukkan akibatnya.

Pembilasan gelas penduga yang lazim dilakukan oleh operator menurut petunjuk pabrik, kurang lebih dengan urutan berikut:

1. Tutup katup sisi uap, buka katup pembuangan: air di gelas harus keluar dan saluran air terbilas.
2. Tutup katup sisi air, buka katup sisi uap: uap harus menyembur dari pembuangan dan saluran uap terbilas.
3. Tutup pembuangan, buka kedua katup: air harus naik cepat ke level semula.

Air yang naik lambat, tidak naik, atau naik ke level yang berbeda dari biasanya menunjukkan saluran tersumbat. Pelindung gelas harus terpasang, karena gelas yang pecah menyemburkan air panas dan uap. Pemeriksaan level kedua, seperti keran uji atau indikator lain, membantu memastikan bacaan gelas.

Pengendalian level dan tekanan

Level air dikendalikan oleh pengendali pelampung atau elektroda yang menyalakan dan mematikan pompa air umpan, atau mengatur katup air umpan secara bertahap. Di bawah level kerja ada pemutus air rendah yang memadamkan pembakar, dan pada banyak boiler ada pemutus kedua yang mengunci pembakar sampai disetel ulang oleh operator. Lumpur dan kerak di ruang pelampung atau pada elektroda adalah penyebab utama kegagalannya; karena itu ruang pelampung dibuang secara berkala menurut petunjuk pabrik, dan elektroda dibersihkan saat pemeriksaan.

Tekanan dikendalikan oleh saklar tekanan yang menyalakan dan mematikan pembakar, atau mengatur nyala tinggi dan rendah. Setelan kerja berada di bawah setelan saklar batas tinggi, dan saklar batas tinggi berada di bawah setelan katup pengaman. Urutan ini membuat katup pengaman menjadi pelindung terakhir, bukan pengendali harian. Boiler yang pembakarnya menyala dan padam sangat sering menunjukkan kapasitas yang terlalu besar untuk beban, beda setelan yang terlalu sempit, atau beban yang naik turun cepat; keadaan itu memboroskan bahan bakar dan mempercepat keausan pembakar.

Air umpan dan pompanya

Air umpan biasanya air lunak dari pelunak yang ditampung di tangki air umpan bersama kondensat yang kembali. Materi pelatihan menggambarkan alur air masuk, pelunak, pompa air lunak, dan boiler, dan mencatat pemeriksaan mutu air umpan untuk TDS, kesadahan, dan pH sebagai bagian perawatan. Mutu air dan blowdown dibahas di bab pengolahan air boiler.

Dua hal penting di sisi pompa. Katup searah di saluran air umpan mencegah air boiler mengalir balik ke pompa dan tangki ketika pompa berhenti. Air umpan yang panas, misalnya di atas sekitar 80 °C (nilai literatur umum), mudah menguap di sisi isap pompa, sehingga pompa berkavitasi dan gagal mengisi boiler; tangki air umpan dipasang cukup tinggi di atas pompa agar tekanan isapnya cukup, seperti prinsip NPSH di rak Bangunan. Pompa yang gagal mengisi berarti level air turun, dan perlindungannya kembali ke pemutus air rendah.

Operasi harian dan catatan

Materi pelatihan mendaftar perawatan boiler: membilas gelas penduga, memeriksa mutu air umpan, memeriksa katup blowdown, katup pengaman, pengatur gas, pompa air dan blower, serta pembakar. Catatan harian yang baik memuat sekurang-kurangnya:

1. Tekanan uap, level air, dan hasil pembilasan gelas penduga.
2. Hasil uji pemutus air rendah sesuai jadwal.
3. Suhu gas buang; kenaikan suhu gas buang pada beban yang sama menunjukkan jelaga di sisi api atau kerak di sisi air.
4. Hasil uji air boiler dan air umpan, serta blowdown yang dilakukan.
5. Jumlah jam nyala pembakar, pemakaian bahan bakar, dan meter air umpan bila ada.
6. Alarm, gangguan, dan tindakan yang diambil.

Catatan seperti ini membuat perubahan perlahan terlihat sebelum menjadi kegagalan. Pada kasus pembuka, catatan "level aman" tanpa catatan pembilasan dan uji pemutus air rendah memberi rasa aman yang palsu.

Kapasitas, efisiensi, dan bahan bakar

Panas yang diserap air di boiler dihitung dari laju uap dan beda entalpi uap dengan air umpan:

$\dot{Q}_{\text{uap}} = \dot{m}\,(h_g - h_{\text{umpan}})$

Efisiensi boiler adalah perbandingan panas yang diserap uap terhadap panas bahan bakar yang dibakar:

$\eta = \frac{\dot{Q}_{\text{uap}}}{\dot{m}_{\text{bb}} \times \text{nilai kalor}}$

Kapasitas pada pelat nama sering dinyatakan sebagai kapasitas "dari dan pada 100 °C", yaitu massa uap yang dapat dihasilkan dari air 100 °C menjadi uap 100 °C. Kapasitas nyata pada tekanan kerja dan air umpan yang lebih dingin lebih kecil (Contoh 4). Buku perancangan teknik kimia dalam narasi memberi latihan memperkirakan biaya uap per ton dari boiler paket, dan buku katup dan perpipaan mencatat bahwa pilihan bahan bakar sangat ditentukan oleh tarif setiap jenis bahan bakar. Biaya uap per ton adalah angka yang dipakai bab efisiensi energi untuk menilai kebocoran uap, perangkap yang bocor, dan kondensat yang dibuang.

Izin, pemeriksaan berkala, dan operator

Boiler dan bejana uap di Indonesia diatur oleh Undang-Undang Uap beserta peraturan uapnya dan oleh undang-undang keselamatan kerja serta peraturan pelaksananya. Materi pelatihan mencantumkan dasar hukum itu dan persyaratan permohonan izin boiler: gambar rencana yang disahkan, tekanan rancang, tekanan kerja, tebal pelat, ukuran bejana, nomor seri dan tahun pembuatan, isi bejana, sertifikat bahan, dan hasil pengujian tidak merusak dari lembaga yang ditunjuk. Rincian dan nomor peraturan yang berlaku diperiksa pada sumber resminya.

Untuk teknisi, akibat praktisnya:

1. Boiler hanya dipakai dengan izin pemakaian yang berlaku dan sesuai tekanan kerja yang diizinkan.
2. Pemeriksaan dan pengujian berkala dilakukan oleh pihak yang berwenang menurut jadwal pada akta izin.
3. Boiler dioperasikan oleh operator yang bersertifikat sesuai golongannya.
4. Perbaikan pada bagian bertekanan, termasuk pengelasan, mengikuti prosedur yang disetujui; teknisi umum tidak mengelas atau menambal bejana boiler.
5. Masuk ke dalam drum atau ruang bakar untuk pemeriksaan adalah masuk ruang terbatas dengan isolasi energi lengkap, seperti di bab ruang terbatas dan bab isolasi energi non-listrik.

Contoh kerja

Contoh 1. Energi di dalam air boiler. Boiler berisi 2 m³ air pada 8 bar (angka latihan). Massa jenis air jenuh pada tekanan itu sekitar 892 kg/m³, sehingga massanya sekitar 1.784 kg. Bila tekanan turun mendadak ke atmosfer, fraksi uap kilat 0,144 dari bab sifat uap menghasilkan sekitar 256 kg uap, bervolume sekitar $256 \times 1{,}673 = 428$ m³. Energi yang dilepaskan air sampai 100 °C sekitar $1.784 \times (743 - 419) = 578.000$ kJ, yaitu sekitar 578 MJ.

Contoh 2. Urutan setelan tekanan. Boiler dengan tekanan kerja diizinkan 10 bar (angka latihan) disetel menyala pada 7 bar dan padam pada 8 bar, saklar batas tinggi 9 bar, dan katup pengaman 10 bar. Bila saklar kerja gagal, saklar batas tinggi memadamkan pembakar pada 9 bar; bila keduanya gagal, katup pengaman membuang uap pada 10 bar.

Contoh 3. Panas yang diserap uap. Boiler menghasilkan 1.000 kg/jam uap jenuh 8 bar ($h_g = 2.773$ kJ/kg) dari air umpan 80 °C ($h \approx 335$ kJ/kg). Panas yang diserap $1.000 \times (2.773 - 335)/3.600 = 677$ kW.

Contoh 4. Kapasitas dari dan pada 100 °C. Panas untuk Contoh 3 sama dengan menguapkan $1.000 \times 2.438/2.257 = 1.080$ kg/jam air dari dan pada 100 °C. Sebaliknya, boiler berpelat nama 1.080 kg/jam dari dan pada 100 °C hanya menghasilkan sekitar 1.000 kg/jam uap 8 bar dari air umpan 80 °C, dan lebih sedikit lagi bila air umpan lebih dingin.

Contoh 5. Bahan bakar. Dengan efisiensi 85 persen, boiler Contoh 3 memerlukan $677/0{,}85 = 797$ kW panas bahan bakar. Dengan nilai kalor elpiji sekitar 46 MJ/kg (nilai literatur umum), pemakaiannya $797 \times 3.600/46.000 = 62$ kg/jam.

Contoh 6. Efisiensi dari pemakaian bahan bakar. Catatan menunjukkan boiler Contoh 3 memakai 70 kg/jam elpiji untuk 1.000 kg/jam uap. Efisiensinya $677 \times 3.600/(70 \times 46.000) = 0{,}76$, yaitu 76 persen. Penurunan dari 85 persen menjadi 76 persen layak diselidiki: suhu gas buang, udara lebih, jelaga, dan kerak.

Contoh 7. Air umpan lebih dingin. Bila kondensat tidak kembali dan air umpan 30 °C ($h \approx 126$ kJ/kg), panas per kilogram uap menjadi $2.773 - 126 = 2.647$ kJ/kg, sekitar 8,6 persen lebih besar daripada dengan air umpan 80 °C. Bahan bakar naik dalam perbandingan yang sama.

Contoh 8. Siklus pembakar. Pembakar menyala 2 menit dan padam 1 menit berulang-ulang (angka latihan), yaitu 20 kali per jam. Setiap penyalaan didahului pembilasan yang meniupkan udara dingin melalui tungku dan membuang panas. Melebarkan beda setelan menurut petunjuk pabrik, atau memakai nyala tinggi dan rendah, mengurangi jumlah siklus.

Contoh 9. Air yang hilang tanpa catatan. Meter air umpan mencatat 1.400 kg/jam ketika uap yang dipakai sekitar 1.000 kg/jam dan blowdown sekitar 50 kg/jam (angka latihan). Selisih sekitar 350 kg/jam menunjukkan kondensat yang tidak kembali, kebocoran uap, atau katup blowdown yang tidak menutup rapat; masing-masing diperiksa di bab distribusi uap dan bab pengolahan air boiler.

Kondisi berhenti

Hentikan pemakaian boiler, padamkan pembakar menurut prosedur, dan laporkan kepada operator berwenang bila:

1. Level air tidak terlihat di gelas penduga, atau air tidak kembali normal setelah pembilasan. Jangan mengisi air ke boiler yang mungkin sudah kehabisan air; biarkan pembakar padam dan boiler dingin, karena air dingin pada logam yang terlalu panas dapat memecahkan bejana.
2. Pemutus air rendah, saklar batas tinggi, atau pengendali nyala api gagal diuji.
3. Katup pengaman bocor terus, macet, diganjal, atau saluran buangnya tersumbat.
4. Tekanan naik melewati setelan kerja dan tidak turun ketika pembakar padam.
5. Terdengar bunyi pukulan, terlihat kebocoran dari bagian bertekanan, atau gelas penduga retak.
6. Tercium bau gas atau terlihat nyala kuning, jelaga, dan asap dari ruang bakar.
7. Izin pemakaian sudah habis atau operator bersertifikat tidak ada.
8. Pekerjaan memerlukan membuka bagian bertekanan atau masuk ke drum; ikuti Bab 1 · Keselamatan dan bab isolasi energi non-listrik.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Gelas penduga penuh berarti air cukup." Gelas yang tersumbat dapat terlihat penuh walaupun level di dalam boiler sudah turun.

"Katup pengaman tidak pernah membuang, berarti tidak ada masalah." Katup yang tidak pernah diuji dapat macet oleh kerak.

"Boiler kehabisan air cukup diisi lagi." Air dingin pada logam yang terlalu panas dapat memecahkan bejana.

"Udara lebih banyak membuat pembakaran lebih aman." Udara berlebihan membuang panas lewat cerobong; udara yang tepat diukur dengan analisis gas buang.

"Kapasitas pelat nama sama dengan uap yang tersedia." Kapasitas dari dan pada 100 °C lebih besar daripada uap nyata pada tekanan kerja.

"Operator berpengalaman tidak perlu sertifikat." Pengoperasian boiler memerlukan operator bersertifikat menurut peraturan yang berlaku.

Hubungan dengan bab lain

Bab sifat uap memberi tabel uap, bab distribusi uap dan bab pengolahan air boiler melanjutkan bab ini, Bab 16 · Laundry kebutuhan panas laundry, Bab 1 neraca utilitas, bab panas dan uap keselamatan uap, bab isolasi energi non-listrik, Bab 1 · Keselamatan dan Bab 2 · Keselamatan kondisi berhenti dan izin kerja, Kimia 192 karbon monoksida dan gas berat, Bab 17 · Bangunan & Fasilitas proteksi kebakaran, Bab 12 · Bangunan & Fasilitas katup pengaman, dan bab ruang terbatas untuk masuk drum.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Boiler menghasilkan 500 kg/jam uap 7 bar ($h_g = 2.768$ kJ/kg) dari air umpan 60 °C ($h \approx 251$ kJ/kg). Berapa panas yang diserap uap?
2. Dengan efisiensi 80 persen, berapa panas bahan bakar untuk boiler soal 1?
3. Mengapa saklar batas tinggi disetel di bawah katup pengaman?
4. Mengapa gelas penduga dibilas setiap hari?
5. Mengapa boiler yang mungkin kehabisan air tidak boleh langsung diisi?
6. Mengapa pembakar membilas ruang bakar dengan udara sebelum menyala?

Kunci jawaban beralasan

1. $500 \times (2.768 - 251)/3.600 = 350$ kW panas yang diserap air dan uap di boiler.
2. $350/0{,}80 = 437$ kW panas bahan bakar, karena 20 persen hilang lewat gas buang dan dinding.
3. Agar pembakar padam lebih dulu oleh saklar, sehingga katup pengaman menjadi pelindung terakhir, bukan pengendali harian.
4. Lumpur dapat menyumbat saluran gelas, sehingga gelas terlihat penuh walaupun level di boiler sudah turun.
5. Air dingin yang menyentuh logam yang terlalu panas menguap mendadak dan memberi tegangan termal yang dapat memecahkan bejana.
6. Sisa gas yang terkumpul di tungku dapat meledak ketika api pertama menyala; pembilasan membuangnya lebih dulu.

Referensi