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 3 tentang sifat uap dan tabel uap, distribusi uap dan perangkap di Bab 5 tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat, dan mutu air serta blowdown di Bab 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown. 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 disusun untuk latihan atau berupa nilai pendekatan dari literatur.

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 (flash steam), seperti di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel 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 (fire-tube boiler), yang di lapangan sering disebut boiler tidur, adalah boiler yang gas panas pembakarannya mengalir di dalam pipa, sedangkan air di dalam tabung besar di sekelilingnya dipanaskan lalu menjadi uap. Boiler pipa air (water-tube boiler), yang sering disebut boiler berdiri, adalah boiler yang airnya mengalir di dalam pipa-pipa yang dipanaskan api dan bersirkulasi ke drum tempat uap terbentuk.

Dalam istilah teknik mesin, 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. Perbandingan udara dan bahan bakar (air-fuel ratio) adalah perbandingan massa udara terhadap massa bahan bakar; sebagai contoh hitungan, bahan bakar minyak 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. Karbon monoksida adalah hasil pembakaran tidak sempurna, dan pemanas berbahan bakar memerlukan pasokan udara pembakaran. Ruang boiler dengan ventilasi yang ditutup demi "menjaga panas" adalah sumber karbon monoksida, seperti dijelaskan di Bab 11 · Kimia tentang stoikiometri gas dan gas berbahaya.

Sebelum pembakar menyala, blower meniupkan udara melalui ruang bakar untuk membuang sisa gas yang mungkin terkumpul. Langkah pembilasan (purge) 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 prinsip gas berat yang dibahas di Bab 11 · Kimia tentang stoikiometri gas dan gas berbahaya.

Perlengkapan pengaman dan cara mengujinya

Katup pengaman (safety valve) adalah perlengkapan boiler yang penting, yang membuang uap bila tekanan melewati batas setelannya. Katup pengaman dibuat untuk uap jenuh dan untuk uap superpanas. Katup pengaman dan cara kerjanya dibahas lebih umum di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas tentang katup dan pengendalian air.

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

Gelas penduga (gauge glass) adalah gelas yang dipasang pada drum bagian atas untuk melihat level air. Materi pelatihan mencatat bahwa gelas itu 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. Pemutus air rendah (low-water cutoff) adalah alat di bawah level kerja yang memadamkan pembakar ketika air turun, 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 (feedwater) adalah air yang dipompa ke boiler untuk menggantikan air yang menjadi uap; 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 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown.

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, 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 Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang tekanan dan pompa air gedung. 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:

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

dengan $\dot{Q}_{\text{uap}}$ panas yang diserap (kW), $\dot{m}$ laju uap (kg/s), $h_g$ entalpi uap jenuh pada tekanan kerja (kJ/kg), dan $h_{\text{umpan}}$ entalpi air umpan (kJ/kg); laju dalam kg/jam dibagi 3.600 lebih dulu. Efisiensi boiler (boiler efficiency) adalah perbandingan panas yang diserap uap terhadap panas bahan bakar yang dibakar:

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

dengan $\dot{m}_{\text{bb}}$ laju bahan bakar (kg/s) dan nilai kalor dalam kJ/kg, sehingga $\eta$ tidak bersatuan.

Kapasitas pada pelat nama sering dinyatakan sebagai kapasitas dari dan pada 100 °C (from and at 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 3). Biaya uap per ton dari boiler paket dapat diperkirakan, dan pilihan bahan bakar sangat ditentukan oleh tarif setiap jenis bahan bakar. Biaya uap per ton adalah angka yang dipakai Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry 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 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas dan Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Entalpi, massa jenis, dan volume jenis air dan uap adalah nilai tabel uap.

Contoh 1: energi di dalam air boiler. Boiler berisi 2 m³ air pada 8 bar. 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 3 tentang sifat uap dan tabel 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: 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 3: kapasitas dari dan pada 100 °C. Panas untuk Contoh 2 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 4: bahan bakar dan efisiensi dari pemakaian bahan bakar. Dengan efisiensi 85 persen, boiler Contoh 2 memerlukan $677/0{,}85 = 797$ kW panas bahan bakar. Dengan nilai kalor elpiji sekitar 46 MJ/kg (sifat bahan), pemakaiannya $797 \times 3.600/46.000 = 62$ kg/jam. Kemudian catatan menunjukkan boiler yang sama 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 5: siklus pembakar. Pembakar menyala 2 menit dan padam 1 menit berulang-ulang, 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 6: 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. Selisih sekitar 350 kg/jam menunjukkan kondensat yang tidak kembali, kebocoran uap, atau katup blowdown yang tidak menutup rapat; masing-masing diperiksa di Bab 5 tentang distribusi uap dan Bab 6 tentang 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 tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti dan Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik.
9. Pembilasan ruang bakar dilompati, atau detektor api atau saklar tekanan dijembatani.
10. Ventilasi ruang boiler ditutup, misalnya demi menjaga panas.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap memberi tabel uap, dan Bab 5 tentang distribusi uap dan Bab 6 tentang pengolahan air boiler melanjutkan bab ini. Kebutuhan panas laundry ada di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry, neraca utilitas di Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas, dan keselamatan uap di Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas.

Untuk pekerjaan pada boiler, Bab 4 · Keselamatan membahas isolasi energi non-listrik, Bab 1 · Keselamatan dan Bab 2 · Keselamatan membahas kondisi berhenti dan izin kerja, dan Bab 11 · Keselamatan membahas ruang terbatas untuk masuk drum. Karbon monoksida dan gas berat ada di Bab 11 · Kimia tentang stoikiometri gas dan gas berbahaya, proteksi kebakaran di Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran tingkat pemeriksaan, dan katup pengaman di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas tentang katup dan pengendalian air.

Latihan dan pembahasan

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