Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Nuklir 2014 Pontianak, 19 Juni 2014
ISSN: 2355-7524
OPTIMASI KINERJA IHX UNTUK SISTEM KOGENERASI RGTT200K Ign. Djoko Irianto, Sri Sudadiyo, Sukmanto Dibyo Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15310 Telp/Fax: 021-7560912/0217560913, e-mail:
[email protected]
ABSTRAK OPTIMASI KINERJA IHX UNTUK SISTEM KOGENERASI RGTT200K. Sistem kogenerasi RGTT200K memiliki beberapa komponen utama antara lain Intermediate Heat Exchanger (IHX), turbin gas helium, kompresor, rekuperator dan precooler. IHX berfungsi untuk mentransfer energi termal dari sistem kogenerasi ke unit aplikasi energi termal, misalnya instalasi produksi gas hidrogen. Salah satu cara untuk peningkatan kinerja sistem kogenerasi RGTT200K siklus langsung adalah mengoptimalkan kinerja IHX. Dalam makalah ini dijelaskan hasil analisis untuk memperoleh kinerja IHX yang optimal dengan melakukan variasi laju alir massa pendingin sekunder IHX pada daya nominal reaktor yaitu 200 MWt. Analisis didasarkan pada hasil simulasi perhitungan menggunakan program komputer ChemCAD 6.1.4. Variasi laju alir massa pendingin sekunder IHX dimulai dari 10 kg/s hingga 500 kg/s. Hasil simulasi perhitungan menunjukkan bahwa kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX akan meningkatkan daya termal yang dapat ditransfer dari IHX ke instalasi produksi hidrogen. Peningkatan yang cukup signifikan daya termal yang ditransfer dari IHX terjadi pada laju alir massa pendingin sekunder IHX di bawah 100 kg/s yaitu dari daya termal 13,90 MWt pada laju alir massa 6 kg/s menjadi daya termal 101,42 MWt pada laju alir massa 100 kg/s. Untuk laju alir massa pendingin sekunder IHX 500 kg/s daya termal yang ditransfer dari IHX 115,75 MWt. Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa kinerja IHX cukup optimal pada laju alir massa sekunder IHX 100 kg/s. Kata kunci: kinerja IHX, sistem kogenerasi RGTT200K, laju alir massa, daya termal
ABSTRACT PERFORMANCE OPTIMIZATION FOR IHX OF RGTT200K COGENERATION SYSTEM. Cogeneration system of RGTT200K has several major components include Intermediate Heat Exchanger (IHX), helium gas turbines, compressors, recuperator and precooler. IHX is used to transfer thermal energy from cogeneration system to units of thermal energy applications, such as hydrogen production installations. One way of enhancing the performance of the cogeneration system of RGTT200K is to optimize the performance of IHX. In this paper are described the results of the analysis to obtain optimal performance of IHX with a variation on the mass flow rate of secondary cooling IHX at nominal reactor power of 200 MWt. The analysis is based on the simulation results of calculations using the computer program CHEMCAD 6.1.4. Variation of mass flow rate of the secondary cooling IHX started 10 kg/s up to 500 k/s. The results of simulation calculations show that an increase in the mass flow rate of the secondary cooling IHX will increase the thermal power that can be transferred from the IHX to the installation of hydrogen production. A significant increase in thermal energy is transferred from the IHX occur in the mass flow rate of secondary cooling IHX under 100 kg/s is the thermal power 13.90 MWt on the mass flow rate of 6 kg/s to 101.42 MWt on the mass flow rate of 100 kg/s. In IHX secondary mass flow rate of 500 kg/s thermal power transferred from IHX 115.75 MWt. It can be concluded that the optimal performance of IHX is enough happening on IHX secondary mass flow rate of 100 kg/s. Keywords: IHX performance, RGTT200K cogeneration system, mass flow rate, thermal power
683
Optimasi Kinerja IHX Untuk Sistem Kogenerasi RGTT200K... Ign. Djoko Irianto, dkk
1.
ISSN: 2355-7524
PENDAHULUAN
Peningkatan kebutuhan energi di berbagai sektor, tidak cukup dipenuhi hanya dengan mengandalkan satu sumber energi primer saja. Penganekaragaman pemanfaatan berbagai sumber energi baru dan terbarukan senantiasa perlu ditingkatkan. Salah satu sumber energi baru dan terbarukan yang diharapkan mampu berkontribusi untuk memenuhi kebutuhan energi nasional adalah energi nuklir. Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) sebagai lembaga litbang di bidang nuklir cukup tanggap terhadap perkembangan kebutuhan energi nasional. Melalui Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir (PTKRN), BATAN saat ini tengah melakukan pengembangan Sistem Energi Nuklir (SEN) berbasis Reaktor berpendingin Gas Temperatur Tinggi (RGTT). Tahap awal pengembangan SEN berbasis RGTT adalah penyusunan desain konseptual RGTT berdaya 200 MW termal dengan konsep kogenerasi yang dikenal dengan nama RGTT200K[1]. RGTT200K didesain berpendingin gas helium dengan temperatur outlet reaktor 950 oC dan bertekanan 5 MPa[1,2,3]. Sistem kogenerasi RGTT200K dipergunakan untuk pembangkit listrik, produksi gas hidrogen, dan untuk proses desalinasi air laut. Sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K menerapkan siklus langsung dengan komponen utama Intermediate Heat Exchanger (IHX), turbin gas helium, kompresor, rekuperator dan precooler. IHX digunakan untuk mentransfer energi termal dari sistem konversi energi ke instalasi produksi gas hidrogen atau instalasi pengguna energi termal dengan temperatur tinggi yang lain. Sedangkan precooler yang dipasang sebelum kompresor selain digunakan untuk menurunkan temperatur inlet kompresor juga berfungsi untuk mentransfer energi termal untuk instalasi desalinasi air laut. Sistem turbin dan kompresor dipasang satu poros dan dikopel dengan generator listrik untuk pembangkitan listrik. Rekuperator yang merupakan alat penukar panas dipasang pada inlet reaktor berfungsi untuk meningkatkan kinerja sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K. Pada penelitian dan pengembangan sebelumnya telah dilakukan analisis pengaruh laju alir massa pendingin terhadap kinerja sistem kogenerasi siklus langsung RGTT200K[2]. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa perubahan laju alir massa pendingin reaktor dan perubahan laju alir massa pendingin IHX pada sisi sekunder akan berpengaruh pada perubahan kinerja sistem kogenerasi RGTT200K. Kinerja sistem kogenerasi dinyatakan dengan nilai faktor pemanfaatan energi atau Energy Utilization Factor (EUF) yaitu besaran yang menunjukkan banyaknya energi termal yang dapat dimanfaatkan dibagi dengan energi termal yang dibangkitkan. Semakin tinggi nilai EUF berarti semakin banyak energi termal yang dapat dimanfaatkan atau semakin sedikit energi termal yang terbuang ke lingkungan. Penelitian ini dilakukan dalam rangka melengkapi desain konseptual sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K terutama yang terkait kinerja IHX. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk melakukan optimasi kinerja IHX pada sistem kogenerasi RGTT200K siklus langsung. Parameter kinerja IHX dinyatakan dengan besaran energi termal yang dapat ditransfer dari sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K ke instalasi pengguna energi termal misalnya instalasi produksi gas hidrogen. Perhitungan kinerja IHX dilakukan dengan cara simulasi perhitungan menggunakan paket program komputer ChemCAD 6.1.4. Simulasi perhitungan dilakukan dengan memvariasi besaran laju alir massa pendingin IHX pada sisi sekunder dengan mempertahankan daya termal reaktor sebesar 200 MWt dan temperatur outlet reaktor 950oC. Hasil simulasi perhitungan dianalisis untuk memperoleh kinerja IHX yang optimum.
2.
TEORI
IHX adalah penukar panas pada sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K siklus langsung yang berfungsi mentransfer energi termal dari sistem konversi energi kogenerasi ke instalasi produksi gas hidrogen ataupun instalasi pengguna energi termal temperatur 684
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Nuklir 2014 Pontianak, 19 Juni 2014
ISSN: 2355-7524
tinggi lainnya. Dalam desain sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K, IHX dipasang di antara reaktor dan turbin gas dengan maksud agar IHX memperoleh energi termal dengan temperatur tertinggi karena langsung dari outlet reaktor. Nilai laju perpindahan panas pada IHX sama dengan besarnya panas atau energi termal yang dipindahkan dari sisi panas ke sisi dingin IHX. Dengan mempertimbangkan konsep konservasi massa dan konservasi energi, besarnya laju perpindahan panas aktual pada IHX dapat dihitung dengan rumusan sbb.[4,5]:
q U A
Tout Tin T ln out Tin
..........................................................................(1)
U A TLMTD
dengan q = laju perpindahan panas pada IHX (Wth) U = koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall heat transfer coefficient) (Wth/m.K) A = luas permukaan perpindahan panas (m) TLMTD = LMTD Koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dipengaruhi oleh material pendingin (koefisien perpindahan panas konveksi helium), material pipa (konduktivitas termal pipa) dan geometri pipa. Sedangkan luas perpindahan panas (A) sangat dipengaruhi oleh geometri IHX. Sedangkan nilai LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference) adalah nilai yang berkaitan dengan perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin IHX. Dengan asumsi bahwa aliran pendingin mengalir dalam kondisi tunak (steady state), tidak ada kehilangan panas secara keseluruhan, tidak ada perubahan fase pendingin, maka nilai LMTD dapat dihitung menggunakan persamaan sbb.[4,5]:
LMTD
Th,in Tc,out Th,out Tc,in Th,in Tc,out ln T h,out Tc ,in
.......................................................................... (2)
dengan = temperatur inlet pada sisi panas Th,in
Th,out
= temperatur outlet pada sisi panas
Tc,in
= temperatur inlet pada sisi dingin
Tc,out
= temperatur outlet pada sisi dingin
Parameter kinerja penukar panas, dalam hal ini IHX, juga dapat dinyatakan dengan besaran energi yang dapat ditransfer ke instalasi pengguna. Untuk keperluan produksi gas hidrogen, energi termal ditransfer dari sistem konversi energi ke instalasi produksi gas hidrogen melalui IHX. Sedangkan untuk proses desalinasi, energi termal ditransfer dari sistem konversi energi ke instalasi desalinasi melalui precooler. Besarnya energi termal per satuan waktu atau daya termal yang ditransfer mengikuti persamaan sbb.[4]:
W m c p (T2 T1 ) .......................................................................... (3)
685
ISSN: 2355-7524 Optimasi Kinerja IHX Untuk Sistem Kogenerasi RGTT200K... Ign. Djoko Irianto, dkk dengan: W = daya termal yang ditransfer (kWth) m = laju alir massa pendingin (kg/s) cp = kapasitas panas spesifik tekanan tetap (kJ/kg.K) T1 = temperatur inlet komponen (K) T2 = temperatur outlet komponen (K) Mengacu pada persamaan (3) energi termal yang ditransfer merupakan fungsi dari laju alir massa pendingin, temperatur dan kapasitas panas spesifik. Dengan demikian, dalam sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K siklus langsung, energi termal yang ditransfer dari sistem konversi energi akan dipengaruhi oleh laju alir massa pendinginnya. Dengan kata lain optimalisasi pemanfaatan energi kogenerasi pada sistem konversi energi siklus langsung RGTT200K dapat dilakukan dengan mengatur laju alir massa pendinginnya. Salah satu keuntungan sistem RGTT adalah kemampuannya menghasilkan temperatur keluaran reaktor yang sangat tinggi hingga mencapai 950oC. Temperatur keluaran dari unit reaktor yang tinggi, sangat ideal untuk dikopel dengan sistem konversi energi untuk menghasilkan konfigurasi sistem kogenerasi. Dengan sistem kogenerasi, reaktor nuklir dapat digunakan sebagai pemasok energi termal untuk keperluan industri maupun untuk pembangkit daya listrik. Dengan demikian, efisiensi sistem tidak semata dihitung berdasarkan kemampuan pembangkitan daya listrik, tetapi juga kemampuan menyediakan energi termal untuk keperluan industri lainnya.
3.
METODOLOGI
Untuk simulasi perhitungan parameter termodinamika pada sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K menggunakan perangkat lunak ChemCAD 6.1.4 dibuat model sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K seperti ditunjukkan pada Gambar 1. IHX, rekuperator dan precooler adalah penukar panas, dalam simulasi ini digunakan tipe shell and tube. Model turbin gas dan kompresor dipasang satu poros memakai tipe aksial dengan masing-masing memiliki efisiensi politropik sebesar 0.96. Fluida kerja untuk sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K dispesifikasikan sebagai gas inert, dalam hal ini gas helium. 8
Reaktor
T 50 0.00
1 2
IHX
P 5.15 W 120.00
T 667.67
T 950.00
9
P 5.00 W 93.90 3
T 735.75 P 4.97 W 93.90
T 39.98 6
3
T 541.48 P 2.77 W 93.90
6
W 93.90
Turbin
Compressor T 14 1.40 7
4
T 75.06 P 2.93 W 240.00
W 93.90
1
T 539.64 P 5.12 W 93.90
P 2.70
4
P 5.15
Recuperator
Produksi H2
P 5.08 W 120.00
2
11
Precooler
5
Desalinasi
5
T 143.10 P 2.73 W 93.90
10
T 25.00 P 3.00 W 240.00
Gambar 1. Model Sistem Konversi Energi Kogenerasi RGTT200K Menggunakan ChemCAD 6.1.4 IHX digunakan untuk mentransfer energi termal dari sistem konversi energi ke instalasi produksi gas hidrogen. Dalam desain konseptual RGTT200K ini, desain IHX yang
686
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Nuklir 2014 Pontianak, 19 Juni 2014
ISSN: 2355-7524
digunakan mengacu pada desain IHX reaktor GTHTR300C[6] yang bertipe shell and tube seperti pada Gambar 2. Parameter geometri pada desain IHX ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Parameter Geometri pada Desain IHX RGTT200K Parameter Tebal pipa Diameter luar pipa Panjang pipa Jumlah pipa dalam shell Luasan perpindahan panas (A) Koefisien perpindahan panas total (U) Diameter dalam shell Diameter nozel Pitch
Nilai 0,005 0,045 14 724 1448 279,395 1,947 0,152 0,065
Satuan M M M m2 W/m2.K M M M
Gambar 2. Desain Konseptual IHX RGTT200K yang Mengacu pada IHX GTHTR300C[6] Data awal perhitungan adalah data input semua parameter geometri komponen utama dan parameter operasi sistem konversi energi kogenerasi secara keseluruhan. Parameter geometri IHX ditunjukkan pada Tabel 1 dan parameter komponen lainnya ditunjukkan pada Tabel 2. Simulasi perhitungan dilakukan dengan memberikan input daya reaktor yang tetap sebesar 200 MWt, temperatur pendingin keluar dari teras reaktor 950 oC dan tekanan operasi pada keluaran reaktor 5 MPa. Temperatur pendingin keluar dari instalasi produksi gas hidrogen 500 oC dan temperatur udara atau temperatur masuk
687
ISSN: 2355-7524 Optimasi Kinerja IHX Untuk Sistem Kogenerasi RGTT200K... Ign. Djoko Irianto, dkk precooler 25 oC. Laju alir massa untuk pendingin sekunder precooler dipertahankan tetap sebesar 240 kg/s. Perhitungan dilakukan dengan memvariasi laju alir massa pendingin sekunder IHX dari 10 kg/s hingga 500 kg/s. Tabel 2. Parameter Komponen Sistem Konversi Energi RGTT200K Parameter Pressure drop pada reaktor
0,120 MPa
Pressure drop sisi shell IHX
0,030 MPa
Pressure drop sisi tube IHX
0,066 MPa
Luasan perpindahan panas (A) IHX Koefisien perpindahan panas total (U) IHX
1448 m2 279,395 W/m2.K
Efisiensi politropik turbin gas
0,930
Efisiensi politropik kompresor
0,930
Pressure drop sisi panas rekuperator
0,030 MPa
Pressure drop sisi dingin rekuperator
0,040 MPa
Luasan perpindahan panas (A) rekuperator Koefisien perpindahan panas total (U) rekuperator
9286 m2 11794 W/m2.K
Pressure drop sisi shell precooler
0,030 MPa
Pressure drop sisi tube precooler
0,066 MPa
Luasan perpindahan panas (A) precooler Koefisien perpindahan panas total (U) precooler
4.
Nilai
1448 m2 992 W/m2.K
HASIL DAN PEMBAHASAN
Tujuan konsep kogenerasi pada sistem konversi energi adalah dibukanya peluang pemanfaatan energi termal untuk proses industri selain pemanfaatan energi termal untuk pembangkit listrik. Dalam desain konseptual sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K, energi termal dari reaktor dimanfaatkan untuk pembangkit listrik, pemanfaatan energi termal dengan temperatur tinggi misalnya untuk produksi gas hidrogen dan pemanfaatan energi termal dengan temperatur rendah misalnya untuk proses desalinasi air laut. Hasil simulasi perhitungan parameter termodinamika pada sistem konversi energi kogenerasi RGTT200K menggunakan paket program ChemCAD 6.1.4 ditunjukkan dengan grafik pada Gambar 3, Gambar 4, dan Gambar 5. Pada Gambar 3 terlihat bahwa dengan mempertahankan daya reaktor 200 MWt dan temperatur outlet reaktor 950 oC maka kenaikan laju alir massa pendingin IHX pada sisi sekunder menyebabkan penurunan temperatur baik pada sisi pendingin reaktor maupun pada sisi instalasi pengguna yaitu sisi sekunder IHX. Pada laju alir massa pendingin sekunder IHX 10 kg/s diperoleh temperatur pendingin sekunder IHX sebesar 947,7 oC, kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX menyebabkan penurunan temperatur pendingin sekunder IHX yang dimanfaatkan oleh instalasi pengguna (instalasi produksi gas hidrogen). Penurunan temperatur relatif tajam pada laju alir massa pendingin sekunder IHX di bawah 100 kg/s dan selanjutnya kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX hanya menyebabkan penurunan temperatur yang relatif landai atau relatif kecil. Pada laju alir massa pendingin sekunder IHX sebesar 500 kg/s temperatur IHX pada sisi sekunder sebesar 544,6 oC. Oleh karena itu, dalam desain operasi RGTT200K, penetapan laju alir massa pendingin sekunder IHX dibatasi oleh kebutuhan temperatur untuk instalasi pengguna. Jika instalasi pengguna adalah instalasi produksi gas hidrogen yang memerlukan temperatur minimal 800 oC, maka laju alir massa pendingin sekunder IHX maksimum 50 kg/s.
688
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Nuklir 2014 Pontianak, 19 Juni 2014
ISSN: 2355-7524
Terlihat juga pada Gambar 3 bahwa kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX juga mengakibatkan penurunan temperatur pada IHX sisi primer yang tersambung langsung ke turbin gas dan temperatur pendingin yang masuk teras reaktor. Pendingin IHX pada sisi primer adalah juga pendingin untuk teras reaktor. Penurunan temperatur pendingin masuk ke turbin gas akan mengakibatkan penurunan kinerja turbin sehingga energi termal yang dibangkitkan oleh ekspansi turbin untuk pembangkitan listrik juga menurun seperti yang terlihat pada Gambar 4. Sebagai akibat dari penurunan temperatur pendingin IHX sisi primer, maka temperatur pendingin primer reaktor secara keseluruhan menurun tak terkecuali pendingin yang masuk ke reaktor seperti terlihat pada Gambar 3. Karena temperatur pendingin keluar reaktor dipertahankan tetap 950 oC maka penurunan temperatur pendingin masuk reaktor mengakibatkan penurunan laju alir massa pendingin reaktor seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Hal ini sesuai dengan relasi yang ditunjukkan pada persamaan (3). 1000.0
Preaktor = 200 MWt Tout reaktor = 950 oC Tout IHX = 500 oC
Temperatur (oC)
900.0 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
Laju alir massa pendingin sekunder pada IHX (kg/s) Temperatur IHX sekunder
Temperatur inlet turbin
Temperatur inlet reaktor
Gambar 3. Grafik Temperatur Terhadap Laju Alir Massa Sekunder pada IHX Pengaruh laju alir massa pendingin sekunder IHX terhadap daya termal yang dihasilkan untuk masing-masing aplikasi pada sistem kogenerasi RGTT200K siklus langsung ditunjukkan pada Gambar 4. Hasil simulasi perhitungan yang ditunjukkan pada Gambar 4 dilakukan untuk kondisi daya reaktor yang dipertahankan tetap sebesar 200 MWt, temperatur outlet reaktor 950 oC dan laju alir massa pendingin sekunder pada IHX divariasi mulai dari 10 kg/s hingga 500 kg/s. Dari Gambar 4 terlihat bahwa kenaikan laju alir massa pendingin sekunder pada IHX menyebabkan peningkatan daya termal yang ditransfer melalui IHX ke instalasi produksi gas hidrogen. Peningkatan daya termal yang ditransfer melalui IHX cukup tajam pada laju alir massa pendingin sekunder IHX yang relatif kecil yaitu di bawah 100 kg/s. Sedangkan pada laju alir massa pendingin sekunder IHX yang besar (di atas 100 kg/s), kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX kurang berpengaruh pada peningkatan daya termal yang ditransfer melalui IHX, hal ini terlihat dari grafik pada Gambar 4 relatif landai. Pada laju alir massa pendingin sekunder IHX sebesar 10 kg/s daya termal yang dapat ditransfer melalui IHX 23,245 MW, pada saat laju alir massa pendingin sekunder IHX dinaikkan menjadi 100 kg/s, daya termal yang dapat ditransfer melalui IHX meningkat menjadi 101,420 MW. Selanjutnya, kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX dari 100 kg/s hingga 500 kg/s hanya mampu menaikkan daya termal yang dapat ditransfer melalui IHX sebesar 14,326 MW, yaitu dari 101,420 MW menjadi 115,746 MW.
689
ISSN: 2355-7524 Optimasi Kinerja IHX Untuk Sistem Kogenerasi RGTT200K... Ign. Djoko Irianto, dkk Sebaliknya, kenaikan laju alir massa pendingin sekunder pada IHX justru menyebabkan penurunan daya termal yang ditransfer melalui precooler maupun energi termal yang digunakan untuk pembangkitan listrik seperti yang terlihat pada Gambar 4. Pada laju alir massa pendingin sekunder 10 kg/s daya termal yang digunakan untuk pembangkitan listrik sebesar 88,429 MW, pada saat laju alir massa pendingin sekunder IHX dinaikkan menjadi 100 kg/s daya termal yang dibangkitkan oleh turbin yang digunakan untuk pembangkitan listrik menurun menjadi 47,17 MW. Hal ini dapat dipahami karena kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX akan mengakibatkan penurunan temperatur pendingin yang masuk ke turbin gas seperti pada Gambar 3. Penurunan temperatur pendingin yang masuk ke turbin gas inilah yang menyebabkan menurunnya kinerja turbin gas sehingga daya termal yang dihasilkan oleh ekspansi turbin gas juga menurun. 130.0
Daya termal (MWt)
110.0 90.0 70.0 50.0 30.0 10.0 0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
Laju alir massa pendingin sekunder pada IHX (kg/s) Daya termal ditransfer melalui IHX Daya termal untuk pembangkitan listrik Daya termal ditransfer melalui precooler
Laju alir massa pendingin primer (kg/s)
Gambar 4. Grafik Daya Termal sebagai Fungsi Laju Alir Massa Pendingin Sekunder pada IHX untuk Masing-Masing Aplikasi Sistem Kogenerasi RGTT200K.
150
Preaktor = 200 MWt Toutlet = 950 oC
130
110
90
70
50 0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
Laju alir massa pendingin IHX pada sisi sekunder (kg/s)
Gambar 5. Grafik Laju Alir Massa Pendingin Primer sebagai Fungsi Laju Alir Massa Pendingin Sekunder IHX
690
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Nuklir 2014 Pontianak, 19 Juni 2014
ISSN: 2355-7524
Gambar 5 menunjukkan grafik laju alir massa pendingin primer reaktor akibat perubahan laju alir massa pendingin sekunder IHX. Kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX menyebabkan penurunan laju alir massa primer reaktor. Hal ini dapat dijelaskan menggunakan persamaan (3) dimana energi termal yang ditransfer sebanding laju alir massa dikalikan dengan kapasitas panas spesifik tekanan tetap dikalikan dengan beda temperatur. Seperti terlihat pada grafik Gambar 3 bahwa kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX mengakibatkan penurunan temperatur pendingin masuk reaktor. Karena temperatur pendingin keluar reaktor dipertahankan tetap 950 oC dan daya termal reaktor tetap 200 MW maka sesuai persamaan (3) penurunan temperatur pendingin reaktor menyebabkan penurunan laju alir massa pendingin.
5.
KESIMPULAN
Kinerja IHX telah dapat dioptimasi dengan memvariasi laju alir massa pendingin sekunder IHX dari 10 kg/s hingga 500 kg/s. Hasil perhitungan menggunakan paket program komputer ChemCAD 6.1.4 menunjukkan bahwa pada kondisi operasi daya termal reaktor 200 MW, temperatur pendingin keluar reaktor 950 oC kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX akan meningkatkan daya termal yang ditransfer melalui IHX ke instalasi produksi gas hidrogen. Peningkatan yang cukup signifikan daya termal yang ditransfer dari IHX terjadi pada laju alir massa pendingin sekunder IHX di bawah 100 kg/s yaitu daya termal 13,90 MWt pada laju alir massa 6 kg/s menjadi 101,42 MWt pada laju alir massa 100 kg/s. Pada laju alir massa pendingin sekunder diatas 100 kg/s, perubahan laju alir massa pendingin sekunder pada IHX hanya sedikit berpengaruh pada perubahan daya termal yang dapat ditransfer melalui IHX. Pada laju alir massa sekunder IHX 500 kg/s daya termal yang ditransfer dari IHX sebesar 115,75 MWt. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa kinerja IHX cukup optimal pada laju alir massa sekunder IHX 100 kg/s.
UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada Ir. Tagor Malem Sembiring selaku Kepala Bidang Fisika dan Teknologi Reaktor dan teman-teman peneliti di Bidang Fisika dan Teknologi Reaktor, Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir – BATAN atas kesediaannya meluangkan waktu untuk berdiskusi dalam penyelesaian penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA [1]. M. DHANDHANG PURWADI, “Desain Konseptual Sistem Reaktor Daya Maju Kogenerasi Berbasis RGTT”, Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Surabaya, 28 Juli 2010. [2]. IGN. DJOKO IRIANTO, “Pengaruh Laju Alir Masa Pendingin Terhadap Kinerja Sistem Kogenerasi Siklus Langsung RGTT200K”, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013, PTAPB – BATAN, Yogyakarta, 26 Juni 2013. [3]. IGN. DJOKO IRIANTO, “Analisis Kinerja IHX untuk Desain Konseptual Unit Konversi Daya RGTT200K”, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir (PPI-PDIPTN), Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Yogyakarta, 19 Juli 2011. [4]. DANIEL R. LEWIN, “Lecture Seven: Heat Exchanger Design”, Department of Chemical Engineering Technion, Haifa, Israel, 2004.
691
ISSN: 2355-7524 Optimasi Kinerja IHX Untuk Sistem Kogenerasi RGTT200K... Ign. Djoko Irianto, dkk [5]. E. A. HARVEGO, “Evaluation Of Next Generation Nuclear Power Plant (NGNP) Intermediate Heat Exchanger (IHX) Operating Conditions”, Idaho National Laboratory, Idaho Falls, April 2006. [6]. KAZUHIKO KUNITOMI, et al., (2007), “JAEA’S VHTR For Hydrogen And Electricity Cogeneration : GTHTR300C”, Nuclear Engineering and Technology, Vol.39 No.1., February 2007
DISKUSI/TANYA JAWAB: 1. PERTANYAAN: Djati Husein Salimy (PKSEN-BATAN) Perubahan laju alir massa pendingin sekunder pada IHX ternyata tidak hanya berpengaruh pada daya termal yang ditransfer melalui IHX saja. Berapa laju alir massa pendingin sekunder pada IHX agar kinerja sistem konversi energi optimal? JAWABAN: Ign. Djoko Irianto (PTKRN-BATAN) Kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX menyebabkan penurunan laju alir massa primer reaktor. Hal ini dapat dijelaskan menggunakan persamaan (3) seperti yang tertulis dalam makalah, dimana energi termal yang ditransfer sebanding laju alir massa dikalikan dengan kapasitas panas spesifik tekanan tetap dikalikan dengan beda temperatur. Seperti terlihat pada grafik Gambar 3 bahwa kenaikan laju alir massa pendingin sekunder IHX mengakibatkan penurunan temperatur pendingin masuk reaktor. Karena temperatur pendingin keluar reaktor dipertahankan tetap 950 oC dan daya termal reaktor tetap 200 MW, maka sesuai persamaan (3) penurunan temperatur pendingin reaktor menyebabkan penurunan laju alir massa pendingin reaktor. Perubahan laju alir massa pendingin reaktor berpengaruh pada distribusi daya termal pada komponen utama sistem konversi energi. Dengan laju alir massa pendingin sekunder IHX kurang lebih 40 kg/s akan diperoleh distribusi daya termal yang optimal.
692
