APLIKASI P AKET PROGRAM EASHAP DAN ISCOR UNTUK PERHITUNGAN LAJU ALlRAN PENDINGINAN DI TERAS SBWR SEBAGAI FUNGSI KETINGGIAN AIR NORMAL Yohannes Sardjono*
ABSTRAK APLIKASI PAKET PROGRAM EASHAP DAN ISCOR UNTUK PERHITUNGAN LAJU ALIRAN PENDING IN DI TERAS SBWR SEBAGAI FUNGSI KETINGGIAN AIR NORMAL. Telah selesai dihitung laju aliran fluida pendingin di teras Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PL TN) sistem pasif SBWR tanpa pompa resirkulasi (natural circulation) sebagai fungsi ketinggian air normal (NWL) dengan paket program EASHAP dan ISCOR pada keadaan ajeg (steady state). Perhitungan I~ju aliran teras yang dimaksud adalah perhitungan yang meliputi parameter keseimbangan panas (heat balance) dan penurunan tekanan maksimum (maximum pressure drop) yang diijinkan melewati teras pada kondisi tanpa pompa resirkulasi (natural recirculation). Dengan menggunakan parameter masukan awal sebagai tebakan pad a program EASHAP yang antara lain adalah laju aliran teras (We), panas termal teras (Qc), tekanan pada sungkup bejana didih (dome), aliran uap pada bejana didih, enthalpy masuk teras (hci) dan enthalpy dasar bejana didih, dapat diperoleh parameter keluaran seperti laju aliran teras, fraksi uap (a) dan rugi-rugi gaya teras (core pressure drop) yang diijinkan. Parameter keluaran tersebut dipakai sebagai parameter masukan awal pada program ISCOR dan parameter keluaran ISCOR dipakai sebagai masukan program EASHAP. Perhitungan ini dilakukan secara terus menerus hingga dicapai batas konvergensi. Perhitungan dilakukan untuk ketinggian air normal yang berbeda yang diakibatkan oleh penambahan dan pengurangan tinggi cerobong. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa laju aliran teras berbanding lurus dengan ketinggian air normal yaitu untuk cerobong 46 ft dan 52,5 ft, laju aliran teras adalah 46,5 Mlb/jam.
PENDAHULUAN Ada dua batasan yang harus diperhatikan dalam pengoperasian suatu pusat Iistrik tenaga nuklir yaitu batasan neutronik dan termohidrolik dimana kedua batasan tersebut untuk PL TN SBWR ditunjukkan oleh parameter pembangkitan panas linear maksimum (MLHGR) dan perbandingan daya kritis minimum (MCPR) pada lokasi tertentu (fuel rod) jika pada lokasi tersebut terjadi gelembung uap (void). Untuk daya operasi yang tetap besarnya kedua parameter tersebut sangat erat hubungannya dengan laju aliran tluida pendingin dalam teras. Besarnya laju aliran pendingin dalam teras sangat ditentukan oleh besarnya penurunan tekanan di teras (core pressure drop), cerobong (chimney), pipa penyangga (stand pipe) dan alat pemisah air dan uap (separator). Untuk perhitungan laju aliran fluida pendingin di teras tersebut maka digunakanlah paket program EASHAP dan ISCOR. * Pusat Penelitian
Nuklir
Y ogyakarta
- SA TAN
681
Paket program EASHAP adalah suatu paket program yang sudah biasa digunakan untuk analisis keseimbangan panas (heat balance) dan penurunan tekanan maksimum di teras (core pressure drop) pada PLTN jenis air didih (BWR). Pada makalah ini akan dibahas secara khusus analisis perhitungan kedua parameter tersebut untuk PL TN jenis air didih SBWR yang tidak memiliki pompa resirkulasi. Untuk melakukan analisis terhadap kedua parameter tersebut paket program EASHAP harus digabung dengan paket program ISCOR yang berfungsi untuk mengevaluasi total aliran teras pada sistem PLTN SBWR. Paket program EASHAP dibagi dalam dua bagian utama yaitu HAPPY code dan EASYDPC code. HAPPY code berfungsi untuk menghitung aliran fluida dan panas pada teras seperti aliran tluida di beberapa tempat yaitu di teras, demineralizer, pipa penyangga, alat pemisah dan keluaran aliran uap utama (main steam) demikian juga enthalpy pada dasar bejana didih, teras masukan demineralizer. EASYDPC code berfungsi untuk menghitung penurunan tekanan teras yang diijinkan yang melalui teras pada kondisi tanpa pompa resirkulasi. Pada perhitungan penurunan tekanan teras selahi berkaitan dengan faktor penurunan tekanan teras yang terjadi di cerobong, keii~ggian dasar bejana didih, pipa penyangga, alat pemisah dan tekanan sungkup. Hasil tebakan awal dari EASHAP dijadikan sebagai masukan pad a paket program ISCOR yang selanjutnya akan diiterasi. lterasi pada ISCOR ini diperlukan untuk mensimulasikan pada sistem yang menyeluruh dan keluaran dari ISCOR dibandingkan dengan hasil tebakan dari keluaran EASHAP. Jika perbedaannya aliran tluida di teras 0,1 x 10-2 dan 0.5 x 10-2 untuk penurunan tekanan teras dan fraksi uap maka iterasi dihentikan.
TEORI Perandaian yang diambil adalah : A. Campuran uap dan air pada sungkup (dome) adalahjenuh (saturated). B. Air yang masuk teras adalah satu fase. C. Rapat fluida kearah aksial pada cerobong adalah tetap. D. Gesekan lokal pad a cerobong penurunan tekanan dapat diabaikan terhadap tingginya penurunan tekanan. E. Kehilangan koefisien pada pipa penyangga adalah tetap. F. Pemanasan pada dasar bejana didih dianggap 0.05 Btu/lb. G. Faktor konversi tenaga (CI) adalah 3412142 Btu/MW-hr. H. Uap pada daerah antara ketinggian air normal (NWL) dan air umpan masukan sparger adalah uap jenuh. Formulasi matematik pada subroutine HAPPY adalah sebagai berikut [2]; Enthalpy pada sungkup bejana didih
682
(1) Keluaran aliran uap dari bejana didih
Aliran air pada air umpan masukan
w
fw
=w
pv
-W
(3)
rd
Aliran air dibawah cary
w cu = X cu *(w c - w pv )
(4)
Aliran masuk air umpan masukan
w•... ,WI =W
•.. 'v +W
C
I
(5)
Aliran fluida pada dasar bejana didih
(6) Enthalpy pada dasar bejana didih (We - WpJ *[(1hpv
Xeu)* hfd
=
+ Xeu * hqd]+
Wrw *hrw
-
WcJ *dhcJ
+ Wb *y
(7)
(We - Wcrd)
Enthalpy pada sistem pembersih dem;neralizer
(8) Enthalpy pada rnasukan air urn pan rnasukan
(9)
Enthalpy pad a rnasukan teras
683
(10)
Daya termal terhitung Wpv
Qt=
* (hdome
- hfw
)
+ WcI * D hcl + Werd * (hfw
-
herd)
~
+R.
(11)
J
Aliran uap di teras W
es
=W
pv
-W
eu
(12)
Persentase laju daya teras %Q = 100.0
* [(Qt / Qt (rated)]
(13)
Persentase laju aliran teras %We = 100.0 *[(Wc
We (rated)]
(14)
*[W ee / W c]
(15)
/
Kualitas uap keluaran dari teras
x qe = 100.0
Volume spesifik pendingin yang keluar dari teras pada sungkup tekanan uap (16) Penurunan tekanan irreversible pad a alat pemisah air dan uap
(17)
Dengan h W Q x V
684
catatan bahwa : adalah enthalpy adalah laju aliran air maupun uap adalah daya panas adalah kualitas uap adalah volume spesifik pendingin yang keluar dari teras.
Sedangkan ii1dcks yang lain seperti tercantum pada gambar 1, gambar 2 dan gambaI' 3. Formulasi-formulasi tersebut di atas dinyatakan dalam paket program EASHAP dan secara rinci dapat dilihat pada lampiran 1..
PARAMETER
MASUKAN
DAN KELUARAN
Dengan memasukkan parameter masukan seperti di bawah : SBWR 1000 94.70e+06 3131. 397.6 112. 3131 SBWR 1000 0.630 6.263 0.6
MWE HEAT BALANCE DATA FOR REV B 46230. 1132 337 134000. 1040. 94. 70e+06 1. 0.091E-06 3.22 0.0025 1.1 87.6 MWE RECIRCULA TION DATA 0.5315 110.597 2.81 1 0.609 0.146 90.0E-06 3.904 34.744 -8.579 24.77
1.76
Dengan catatan bahwa dari suku pertama dan seterusnya menyatakan : total aliran teras, aliran pada batang kendali, jumlah bahan bakar, jumlah aliran pad a alat pemisah, aliran pad a demineralizer, tekanan pada sungkup, laju pembangkitan panas teras, laju aliran teras, enthalpy pada feedwater, uap keluaran dari bejana didih, kehilangan koefisien di alat pemisah, hilangnya tekanan setinggi alat pemisah uap dan air, fraksi uap pada carryunder, kehilangan enthalpy pada sistem pemurni air, kehilangan panas termal reaktor, enthalpy pada aliran penggerak batang kendali, daya termal, judul perhitungan, fraksi uap pada keluaran teras, diameter pipa penyangga, panjang pipa penyangga, panjang pipa penyangga yang digunakan sesuai kehilangan koefisien pada alat pemisah dan kehilangan ketinggian alat pemisah, pilih bilangan 1 atau 0 (1 untuk ISCOR dan 0 untuk lainnya), penurunan tekanan uap, kehilangan tekanan dasar bejana didih pad a bagian terbawah, kehilangan tekanan dasar bejana didih yang teratas, aliran yang digunakan untuk mengevaluasi kehilangan tekanan dasar bejana didih, panjang alat pemisah terbasahi, tingginya kehilangan tekanan teras, slip ratio pada dasar bejana didih, total panjang cerobong dan teras, jarak antara batas atas cerobong dan pusat pipa feedwater length dan parameter terakhir adalah panjang cerobong. Dengan catatan bahwa sistem satuan dinyatakan dalam satuan British (British unit). Parameter keluaran dari program EASHAP berupa penurunan tekanan teras dan enthalpy teras yang selanjutnya digunakan sebagai paramater masukan program ISCOR dengan memilih parameter IDPORW = 0 (penurunan tekanan pada teras
685
menuju konvergen) dan parameter INLETH = 0 yang berarti masukan enthalpy pada keluaran EASHAP sebagai masukan pada ISCOR. Selanjutnya parameter keluaran laju aliran teras dan persen uap (void fraction) dari ISCOR digunakan sebagai masukan pada EASHAP. Perhitungan tersebut dilakukan berulang-ulang sehingga dicapai syarat konvergen yaitu jika :
(18)
(19)
(20)
(21)
Dengan catatan bahwa : W c : laju aliran tluida pada teras ae : fraksi uap DP : penurunan tekanan hci : enthalpy masukan teras n : tahap iterasi berikutnya n-I : tahap iterasi pertama Dengan aliran perhitungan seperti pada gambar 4. Parameter keluaran dari perhitungan tersebut adalah berupa laju aliran teras seperti yang dinyatakan pada gambar 5. Hasil tersebut menyatakan hubungan laju aliran teras dengan ketinggian air nonnal (NWL) atau ketinggian cerobong.
HASIL DAN PEMBAHASAN Laju aliran teras adalah fungsi dari penurunan tekanan pada cerobong, pipa penyangga dan alat pemisah. Untuk tinggi cerobong yang berbeda maka laju aliran
686
teras juga berbeda dan hubungan tersebllt adalah linear seperti yang dinyatakan pad a gambar 5 (hasil perhitungan) yaitll lIntuk pengurangan tinggi 1 meter laju aliran pendingin teras adalah 86, Mlb/jam dan jika dilakukan penambahan tinggi 1 meter dari tinggi normalnya adalah 92,3 Mlb/jam. Hal ini disebabkan tidak hanya pressure drop yang terjadi di cerobong akan tetapi adalah semakin tinggi cerobong maka perbedaan rapat massa uap dan air antara permukaan teras atas dan permukaan atas cerobong semakin besar sehingga laju aliran alam (natural convection) akan semakin tinggi walaupun hal ini akan berakibat pad a masalah meningkatnya biaya bejana tekan dan cerobong itu sendiri. Disamping itu laju aliran fluida di teras selain fungsi dari ketinggian cerobong adalah juga fungsi dari kehilangan koefisien dari alat pem isah yang mana kehilangan koefisien dari alat pemisah juga dipengaruhi oleh laju aliran teras. Untuk itu kehilangan koefisien dari alat pemisah diasumsikan terlebih dulu untuk laju aliran teras tertentu dan akhirnya diperoleh hubungan antara
I
kehilangan koefisien pada alat pemisah (Ksep) sebagai fungsi laju aliran teras (We) seperti yang terlihat pada gambar 6. Kehilangan koefisien pada alat pemisah diambil dari data atau eksperimen pada BWR, sedangkan pada SBWR berbeda yaitu dari segi jumlahnya dan untuk itu diambil pendekatan melalui linearilisasi dari jumlah alat pemisah yang terpasang pad a BWR dan SBWR. Untuk itll hasil perhitungan laju aliran teras pada SBWR sebagai fungsi dari ketinggian cerobong juga hasil pendekatan (mengingat Ksep pada SBWR masih dalam taraf rancangan). Oleh karena itu paket program EASHAP dan ISCOR sangat membantu dalam optimasi laju aliran pendingin teras terhadap ketinggian cerobong dan sistem lain seperti pipa penyangga dan alat pemisah uap dan air (separator).
KESIMPULAN Untuk pengurangan tinggi cerobong 1 meter laju aliran fluida pada teras SBWR adalah 86,6 Mlb/jam, jika tinggi cerobong di tambah 1 meter laju aliran fluida pad a teras SBWR adalah 92.3 Mlb/hr, dan untuk rancangan saat ini telah ditetapkan laju aliran teras SBWR adalah 89,6 Mlb/hr. Kehilangan koefisien (Ksep) (lost coeffisient) pada alat pemisah uap dan air merupakan fungsi dari laju aliran fluida pendingin teras. Pada Ksep. 0,13 E-6 laju aliran pendingin teras sebesar 88,9 Mlb/jam dan pada Ksep. 0,09 E-6 laju aliran pendingin teras sebesar 97,8 Mlb/jam. Dari hasil perhitungan tersebut, ketinggian cerobong dapat dievaluasi ulang agar dicapai laju aliran teras yang optimum.
687
DAFTAR PUSTAKA 1.
GE, "Passive plant natural circulation BWR studies. EPRI Project RP2660-57", Interim progress report. June 1990
2.
SERELL And AL.: "HAPPY-OJ Program Description. NEDE-2360J class I1 May J977" PATTERSON: User guide for 1967 ASME steam/water propierty routines. NEDE-11381 class II. June 1976
3.
4.
I.E. IDELCHICK, "Handbook of hydraulic resistance and offriction" - AECTR6630
5.
E. BOTTA TO L. FENNERN, R. HUANG, R. CHALLENBERG: drop evaluation in the downcomer region", Letter: April 1990
688
resistance,
coefficient
of local
"Pressure
'X-X
••
(TURBINE INLE1)
MAIN FEED FLOW
CLEAN UP DEMINERALIZER SYSTEM
Werd herd
I
.6.
he e
PURGE FLOW ~CRD
Gambar 1. Giagram alir fluida pada sistem SBWR
689
(APref
+ Sr) k
(APre1
+ Sr) IJ.
'X- X
~ (fURBINE INLEl)
MAIN FEED FLOW
APch IJ.
Pch
(A Pdome)
0:.2
(A Pdome)o:.
A Pdome Pre1
Pdome ( Pdome)2
CLEAN UP DEMINERALIZER SYSTEM
...
PURGE FLOW
tCRD
Gambar 2. Keseimbangan tekanan keluaran pada SBWR
690
'X- X
~ (TURBINE
INLE1)
MAIN FEED FLOW
CLEAN UP DEMINERAUZER SYSTEM
. Wcrd
....
PURGE FLOW ~CRD
Gambar 3. Keseimbangan panas keluaran pada SBWR
691
We
Guess {
ae
FOR EASHAP
n-1
Thermal Power Steam Flow CRD Flow Core Flow Core Inlet Enthalphy
Core Chimney Separator Downcomer
ISCOR Run for the options: hi = input L\Poore eonversenee
OUTPUT:
We for L\Poore Input
ae
n
We = [(We)N+(We)N_1]/2 ae = [a(e)N+(ae)N_1]/2
Gambar
692
4. Diagram
alir perhitungan
55 54
:::- 53
---
:?
52
~~
51
.~
~REDUCTION ___ CURRENT 1M 1M CH. ~~~CH.ADITION IU
OJ
50
~
49
1iJ
48
E
z_ C
~ c ~
47 46
45 44
42
i
41 43
40
85
86
88
87 ----.
89
90
91
92
94
93
95
Laju Aliran Fluida di Teras (Mlb~am)
Gambar 5. Laju aliran teras sebagai fungsi ketinggian chimney w ""
CD
86 87 .15
I .1 .09 ~a. 85.08 I1J
.12 .06 .13 .14 .05 .07 .11
-
88 ----.
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
Laju Aliran Fluida di Teras (Mlb/jam)
Gambar 6. Loss koefisien sebagai fungsi laju aliran teras
693
100
DISKUSI
TJIPT A SUHAEMI I. Apakah program EASHAP dan ISCOR dapat digunakan untuk perhitungan laju aliran teras PL TN jenis lain ? Apakah dapat diaplikasikan di BAT ANdengan menggunakan komputer VAX-8550? 2. Dari hasil perhitungan terdapat 2 harga, apakah sudah dapat diambil kesimpulan bahwa laju aliran teras berbanding lurus dengan ketinggian air normal? 3. Bagaimana cara menentukan / memilih parameter masukan awal pada SBWR ?
YOHANNESSARDJONO I. Dapat, yaitu untuk BWR aktif dan balikan akan dicoba untuk skala laboratorium untuk membuktikan apakah SBWR mampu mengatasi problem gaysering yang disebabkan oleh Core Pressure Drop. 2. Hasil perhitungan ada 3 macam, yaitu dua perhitungan terdapat dalam abstrak dan satu lagi pada tinggi cerobong 24.77 kaki dengan laju aliran 89.60 ml/jam 3. Dengan cara manual.
694
