KE DAFTAR ISI ISSN 0216 - 3128
294
Ulaja. dkk.
PENGARUH PEMASANGAN REHEATER TERHADAP EFISIENSI SISTEM KONVERSI ENERGI PLTN AP600 Utaja Pusat Perangkat Nuk/ir dan Rekayasa (PRPN) - BATAN
B. Bandriyana Pusat Teknologi Bahan Industri Nuk/ir (PTBIN) -BATAN
ABSTRAK PENGARUH
PEMASANGAN
REHEATER
TERHADAP EFISIENSI
SISTEM KONVERSI ENERGI PUN.
Telah dilakukan ana/isis pengaruh pemasangan reheater terhadap efisiensi sistem konversi energi PLTN. Perhitungan efisiensi dilakukan dengan suatu program komputer lokal yang disusun dengan bahasa Visual Basic. Basis data dan program pembacaan data uap disusun berdasarkan data katalog uap dari Keenan, sedangkan data masukan dalam perhitungan diambil dari data desain PLTN-AP600. Perhitungan efisiensi dan fraksi uap dilakukan dengan variasi tekanan masuk turbin antara 60 sampai dengan 50 kglcm2, dan suhu pemanasan reheater pada 256 dan 260 "c. Hasil perhitungan menunjukkan akibat pemasangan reheater terjadi kenaikan efisiensi sistem dan penurunan fraksi uap. Kondisi optimal diperoleh untuk tekanan masuk turbin 60 kglcm2, dengan pemanasan uap dengan reheater sampai suhu 256 "c, dan uap dari 0,3054 menjadi menghasilkan kenaikan efisiensi dari 39,78 menjadi 40,99% don penurunanfraksi 0,2090. Kala kunci: reheater, efisiensi sik/us, PLTN AP600
ABSTRACT EFFECT
OF REHEATER
INSTALATION
TO THE EFFICIENCY
OF TilE NUCLEAR
POWER PL.-INT
CONVERSION ENERGY SYSTEM. Analysis of reheater installation to the efficiency of the power plant conversion energy system has been performed. Calculation of efficiency was performed by a local computer code program which arranged on the Visual Basic program. The data base and the reading of steam data was arranged based on the Keenan steam catalog data, while the input data for calculation was taken ji'om the de.~ign data of the A P600 nue/ear power plant. Efficiency of system was calculated by some variation data of the inlet turbine steam pressure from 60 to 52 kglcm2 and the mriation of rehel/tinK temperatuI'e at the temperature of256 and 260 "C. 71le calculation result showed that the installation ofreheater would cause the increasing of efficiency and decreasing of water fraction. Optimal condition was occurred on the steam inlet pressure of turbine of60 kglcm2 with the reheatinK temperature on the reheat/!/" system of256 "C which given the increasing of efficiency from 39,78 to 40,99% and the decreasing of water fraction from 0,3054 to 0.2090. Key words: reheater, efficiency. AP600 nue/ear power plant.
PENDAHULUAN Salah besaran pokok dalam mengukur unjuk kerja satu sistem konversi energi dalam Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PL TN) adalah besarnya efisiensi sistem. Efisiensi sistem ini dipengaruhi oleh siklus . dan proses termodinamika yang digunakan serta besaran dari uap yang dihasilkan. Oalam PLTN tipe PWR (Pressurised Water Reactor) yang menggunakan siklus termodinamika Rankine unjuk kerja sistem dapat ditingkatkan dengan menambahkan proses peralatan sistem reheater. Pad a prinsipnya sistem reheater berfungsi untuk memanaskan kem-
bali uap dari turbin pada daerah tekanan tinggi, dan mengalirkan kembali menuju daerah tekanan rendah pad a turbin. Pemanasan dilakukan pada suatu peralatan yang bekerja berdasarkan proses pemindahan panas. Spesifikasi dari sistem konversi energi dalam PLTN akan menentukan besaran dan parameter pokok dalam desain sistem reheater. Besarnya tekanan uap saat masuk turbin, dan suhu pemanasan optimal dari reheater merupakan parameter penting dalam desain reheater dan harus diperhitungkan dengan teliti untuk memperoleh peningkatan efisiensi yang optimal. Oleh karena itu studi dan analisis untuk mengetahui pengaruh
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - SATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216 - 3128
Utaja, tlkk.
penggunaan reheter pada sistem konversi energi ini perlu dilakukan. Dalam makalah ini diuaraikan perhitungan dan analisis untuk mengetahui pengaruh penambahan sistem reheater pada sistem konversi energi suatu PLTN tipe PWR khususnya pengaruh terhadap kenaikan etisiensi sistem. Hasil uraian dan perhitungan diharapkan dapat memberi masukan dalam analisis dan desain sistem konversi energi pada PLTN. Analisis dan perhitungan dilakukan dengan program komputer menggunakan bahasa Visual Basic berupa program untuk simulasi berbagai nilai parameter dengan menghasilkan tampilan berupa gambar dan gratik. Program perhitungan didasarkan pada perumusan proses termodinamika dari masing-masing tingkat sedangkan data per-
3
3
295
hitungan AP600.
diambil dari data desain
sistem PLTN
DASAR TEORI Sistem Konversi Energi Da/am PLTN Sistem konversi energi PL TN tipe PWR menggunakan siklus Rankine dengan penambahan sistem regenerasi dan reheater untuk meningkatkan etisiensi sistem. Diagram alir siklus konversi energi ini ditunjukkan secara garis besar pada Gambar I, dan siklus termodinamika dari proses konversi energi ditunjukkan pad a diagram suhu dan entropi (diagram T-S) pada Gambar 2[1].
RH
2
Kerja Keluar
Panas masuk
SG
-
PC
KeIja. masuk
Panas keluar
Kerja masuk
Keterartgan : SG : pembangkit uap LP : twbin tekanan rendah
HP : twbin tekanan tinggi CD : kondensor
RG : sistem regenerasi
PC : sistem air primer
Gambar
RH : reheater P : potq)a
1. Siklus konversi energi sistem PL TN tipe PWR.
T (suhu)
S (Entropi ) Gambar 2. Diagram suhu sebagai fungsi entropi (Diagram
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
T-S).
ISSN 0216 - 3128
296
Proses pembentukan uap terjadi pada pembangkit uap mengikuti proses isotermis dari titik 2 -3 , kemudian uap kering dialirkan ke turbin. Uap mengalami ekspansi dalam turbin tekanan tinggi dari titik 3 - 4, dengan proses entropi konstan sehingga tekanan turun. Selanjutnya sistem reheater memanaskan uap sampai suhu naik dititik 5. Uap yang telah dipanaskan diekspansikan dalam turbin tekanan rendah menuju tekanan kondensor pada titik 6 dan selanjutnya dikondensasi dalam suhu konstan pada proses 6 - 7. Uap dan air hasH kondensasi selanjutnya dipompa dan diregenerasi mengikuti proses dari titik 7 - 8 -9. Setelah proses regenerasi, air pada titik 9 dipompakan kembali ke pembangkit uap menuju titik I untuk diproses menjadi uap mengikuti proses 1-2 - 3 membentuk siklus tertutup.
Perhitungan
Efisiensi
Besamya efisiensi sistem adalah perbandingan antara kerja yang dihasilkan dengan panas yang masuk dapat dihitung berdasarkan diagram proses termodinamik . Secara umum besamya efisiensi untuk siklus Rankine dengan menggunakan reheater dan sistem regenerasi dapat dirumuskan sebagai berikut[2.31:
'7
(I =----~~~~-(hit - hir)
m) - L(hip
(hit -hiJ(h"r
-h"p)(l-
m;)
(I)
-h;r) (I-m;)
Utaja, dkk.
Berdasarkan rumus umum seperti ditunjukkan dalam persamaan (2), dapat dikembangkan dihitung efi-siensi untuk berbagai data dalam siklus Rankine. Untuk proses Rankine tanpa regenerasi, harga m = 0, dengan air dari kondensor langsung dipompakan ke pembangkit uap. Untuk proses yang tidak menggunakan reheater proses pemanasan kembali ditiadakan sehingga uap langsung berekspansi sampai tekanan kondensor. Dari diagram siklus termodinamika pada Gambar 2 dapat dilihat adanya kenaikan suhu akibat pemanasan kembali yang menyebabkan terjadinya kenaikan efisiensi. Selain meningkatkan efisiensi, dari diagram pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa pemanasan kembali akan menurunkan fraksi air dalam uap sehingga mengurangi terjadinya korosi dan pengikisan pad a turbin. Berdasarkan rumusan termodinamika ini dapat dilihat bahwa persoalan utama dalam menentukan efisiensi siklus adalah penentuan besarnya entalpi dan entropi uap pad a setiap titik yang merupakan satu proses tertutup. Untuk perhitungan ini diperlukan teknik perhitungan interpolasi dalam pembacaan data uap dengan dukungan basis data dari uap pad a setiap kondisi. Untuk analisis, evaluasi dan desain proses serta desain komponen yang baik dan teliti diperlukan suatu program perhitungan (computer code) dari seluruh proses dalam pembangkit energi.
dengan : '7
= efisiensi siklus
m
= masa uap ekstrasi, kg
METODE PERHITUNGAN DAN ANALISIS
I
= tingkat regenerasi
hit
= entalpi masuk turbin, kallkg
Penyu.-iUnan program komputer Untuk analisis
h", = entalpi keluar turbin, kallkg h,p
= ental pi masuk pompa pada regenerasi, kallkg
hilI'
= entalpi keluar pompa pada regenenlsi,kal/kg
h" = ental pi masuk reheater, kallkg hllr
= entalpi keluar reheater, kallkg
hi'
= entalpi masuk pembangkit uap, kal/kg
Dari rumusan umum untuk efisiensi, untuk sistem konversi energi menggunakan reheater dan satu tingkat regenerasi seperti ditunjukkan dalam Gambar I dan 2, besamya efisiensi (11) ditentukan oleh harga entalpi (h) dari masing-masing titik dalam proses, dan dirumuskan sebagai berikut : '7
(h3 -
h4)
= --------
h3 - hi -[(hs
+ (hs - h6)(1 - ml) + (hs - h4)(1 - ml)
- h7)(1-
nil) + (hi -
h) - hi + (h5
-
h4)
(I -
h9)(nll)] ml)
(2)
dan evaluasi
desain
siklus
dalam pembangkit energi ini disusun suatu program komputer menggunakan bahasa Visual Basicl41. Secara garis besar alur penyusunan program perhitungan seperti ditunjukkan dalam Gambar 3. Program disusun dengan sub program pembacaan data uap, perhitungan daya turbin, daya dan kerja pompa, efisiensi siklus dan penampilan masukan serta luaran dalam bentuk kurva dan gambar siklus termodinamika secara interaktif. Proses perhitungan dimulai dengan pembacaan data suhu atau tekanan dan entropi untuk uap dan air pada kondisi masuk turbin dan tekanan vakum kondensor. Selanjutnya dimasukkan data tekanan uap pada titik ekspansi dan pemanasan uap, dan banyaknya tingkat regenerasi. Data dan perhitungan untuk tekanan, suhu, entropi dan entalpi pada proses rcgencrasi pada masing-masing tingkat dihitullg bcrdasarkall (cori Salisbury. Oari harga clltropi dall entalpi ini dilakukan perhitungan besarnya panas masuk, panas kcluar, daya (urbill dall daya pompa
Pros/ding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
Utaja, dkk.
ISSN 0216 - 3128
serta perhitungan efisiensi. Perhitungan efisiensi siklus Rankine, fraksi air dalam uap serta daya terbangkit untuk setiap masa 1 kilogram uap dilakukan dengan berdasarkan rum us dasar (I dan 2). Hasil perhitungan ditampilkan dalam bentuk grafik suhu sebagai fungsi entopi, daya turbin, fraksi uap dan air serta efisiensi untuk setiap data masukan dan siklus tertentu.
297
Data Masukan dan Metode Ana/isis Untuk analisis pengaruh penggunaan reheater dalam sistem konversi energi diambil data desain PLTN-AP600 seperti ditunjukkan dalam Tabel 1[5].
INPUT :
n IqQIIQlD1
Sub Ba.ca.me data.ua.p : p, T, h d.an S
P "'~'. PI'''''''.
Hiturtg, eif, (:tumUS 1.2) Hi~ fraksi a.ir
YA
I
SUB INFO: p, T, Da.ya. Tutbin Da.ya.P~a.
TIDAl< SUB KURVA gra.f'1k:sikJus proses, diagram blok :eff, d.a.ya,ftaksi
Gambar 3. Diagram alir pembuatan
Tabell.
program perhitungan.
Data masukan untuk perhitungan.
Tekanan masuk turbin,
60 Kg!cm2
Tekanan vakum kondensor
0,08 Kg!
Tingkat regenerasi
6 tingkat
Temperatur pemanasan
256°C
Daya turbin
600 MW
Kapasitas uap
30600 Toni jam
cm2
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
298
ISSN 0216-3128 Berdasarkan
data dari Tabel
I dilakukan
regenerasi 6 tingkat tanpa menggunakan ditunjukkan dalam Gambar 4.
perhitungan efisiensi pembangkit energi untuk kondisi siklus Rankine dengan regenerasi tanpa reheater maupun dengan menggunakan reheater. Untuk mengetahui karakteristik reheater dilakukan perhitungan efisiensi siklus dan besarnya tTaksi untuk beberapa harga tekanan masuk pada reheater. Berdasarkan hasil perhitungan dengan program yang telah disusun dan membandingkan hasil perhitungan dengan data teknik peralatan, dilakukan analisis dan evaluasi pengaruh penggunaan reheater dalam sistem konversi energi PL TN.
rehealer
Perhitungan dilakukan dengan data masukan tekanan uap masuk turbin sebesar 60 kg! em", tekanan vakum 0 kg!em2 dan kapasitas uap 30600 Ton/jam pada daya turbin 600 MW. Dari hasil perhitungan diperoleh besarnya efisiensi siklus sebesar 39,78% dan tTaksi air dalam uap pada turbin 0,3054. Untuk kondisi dan data yang sarna dengan menambahkan reheater pada sisi tekanan tinggi turbin dan memanaskan sampai suhu 256°C serta mengalirkan kembali pad a daerah tekanan rendah turbin, diperoleh hasil diagram T-S seperti ditunjukkan dalam Gambar 5, dengan efisiensi sebesar 40,99% dan tTaksi air sebesar 0,2090.
HASIL DAN PEMBAHASAN Program komputer yang disusun dapat digunakan dengan cepat dan cukup teliti dengan hasil verifikasi untuk data nominal PL TN AP600 cukup baik. Diagram suhu fungsi entropi (diagram T-S) hasil perhitungan untuk PLTN AP600 dengan
SUHU
Utllja, dkk.
Hasil perhitungan dengan program komputer untuk berbagai macam tekanan masuk dan suhu pemanasan reheater untuk PLTN AP600 ditunjukkan dalam Tabel 2.
I~)
37U 331.4
2G3.9
'127,2
190. 15H
80.2
S.l .0243
.2364
..•.•85
.6G05
.8726
1.(J841 1.2'968
[HfROP'( (J:Ml~G.~J
Gambar
4. Diagram T-S sistem pembangkit
1.5089
U209
1.933
..•..••> energi PL TN AP600 tanpa reheater.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
2.1451
ISSN 0216-3128
Utaj(l, dkk. ir--30117 19(H
])7 ~
II
.3.~
9:07 ZG19 G7 111>9 22t2 lS:.ti
[
299
374.2
1.1m7
Gambar
5. Diagram T-S sistem pembangkit
172m
19J)
21451
~nergi PLTN AP600 dengan reheater.
Tabel 2. Efisiensi dan fraksi air untuk perubahan tekanan turbin dan suhu reheater, reheater reheater 39,7865 39,7356 39,6831 39,6156 0,2023 0,2043 0,2125 = 40,7769 0,2100 0,2070 40,5601 40,5034 0,2991 40,9817 =reheater, 250 250°c°cTT TT Efisiensi, = 256°C %Fraksi air dalam uap 0,2066 0,2090 0,2018 40,9970 0,2075 0,2046 40,4976 40,667 40,669 0,2945 0,3054 0,3033 0,3012 40,0616 reheater, reheater, reheater, Dengan Dengan Dengan Tanpa Dengan Tekanan 39,4430 Tanpa
T.
kg/cm2
Berdasarkan data hasil perhitungan dan diagram T-S pada Gambar 4 dan 5 serta Tabel 3 dapat diamati bahwa penggunaan reheater akan meningkatkan efisiensi siklus untuk berbagai macam harga tekanan masuk turbin dari 60 sampai dengan
50 kglcm2• Makin kecil tekanan masuk turbin penambahan efisiensi juga semakin kecil meskipun dalam rentang yang sarna sekitar 40%. Dengan memahami bahwa rentang tekanan ini menunjukkan besamya perubahan daya turbin sekitar 0,2% dapat
---------------------------------------------Prosiding PPI • PCIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
..--
300
ISSN 0216 - 3128
dikatakan bahwa reheater dengan pernanasan suhu 256 dan 250°C memberikan hasil yang baik dengan tingkat efisiensi untuk kondisi operasi turbin relatif konstan. Ditinjau dari suhu pemanasan dalam reheater, penurunan suhu dari 256 menjadi 250°C menghasilkan penurunan efisiensi. Peningkatan suhu pemanasan dalam reheater akan menaikkan efisiensi sistem, tetapi suhu pemanasan ini tidak bisa melebihi suhu uap masuk dalam turbin. Disamping itu suhu pemanasan yang tinggi harus dipenuhi dengan sistem reheater yang semakin besar yang memerlukan ongkos semakin tinggi. Hasil perhitungan untuk suhu diatas 260°C memberikan kenaikan efisiensi yang kecil (dibawah 0,0 I%) sehingga kenaikan suhu pemanas tidak memberikan manfaat dalam kenaikan efisiensi. Perubahan fraksi air yang dihasilkan akibat pemasangan reheater semakin kecil dan dipengaruhi pula oleh tekanan uap yang masuk turbin dan suhu pemanasan reheater. Penurunan fraksi air ini memberikan keuntungan karena akan memperbaiki kualitas uap dan memperlambat proses korosi sehingga umur pakai komponen turbin meningkat. Semakin kecil fraksi air kualitas uap semakin baik, tetapi untuk tekanan dari 60 sampai 50 kg! cm2 dengan suhu pemanasan 250 dan 260°C penurunan fraksi ini juga diikuti dengan penurunan efisiensi meskipun dalam nilai yang cukup kecil. Hasil optimal yang ingin dicapai dalam pemanasan adalah diperoleh efisiensi sebesar mungkin dan fraksi air sekecil mungkin. Harga ini sulit dicapai mengingat kenaikan efisiensi akan diikuti dengan penurunan fraksi yang kecil sehingga untuk menentukan harga optimalnya diambil nilai efisiensi optimal. Dari hasil analisis dalam Tabel 2, harga efisiensi paling tinggi terjadi pad a pada tekanan uap masuk turbin 60 kg! cm2 dengan suhu pemanasan 256°C. Fraksi air paling kecil terjadi pada tekanan uap masuk turbin 60 kg!cm2 dengan suhu pemanasan 250°C. Mengingat perbedaan fraksi yang kecil pada suhu pemanasan antara 256 dan 250°C, dapat diambil harga optimal untuk pemanasan reheater dengan suhu 256°C, dan tekanan masuk turbin 60 kg! cm2 • Pada kondisi ini diperoleh hasil seperti ditunjukkan pad a Gambar 3 dengan efisiensi 40,99%, fraksi air 0,2090 dan daya turbin 600 MW. Hasil perhitungan ini sesuai dengan data desain dari PL TN AP 600 yang memberikan spesifikasi teknik untuk reheater dengan pemanasan sampai 256°C dan menggunakan tekanan masuk turbin 60 kg!cm2PI Suhu pemanasan ini juga dipenearuhi oleh tingkat regenerasi uap serta tekanan vakum kondensor. Hasil optimalisasi desain sistem reheater akan lebih teliti dengan melakukan kombinasi beberapa sistem regenarasi yang dalam perhitungan
ini belurn dilakukan.
Uttlja, dkk. perhitungan
ini hanya rneninjau
parameter reheater dengan tingkat regenerasi dan tekanan vakum yang sarna yang diambil dari data PL TN AP600.
KESIMPULAN Pemasangan reheater pad a sistem konversi energi PLTN akan memberikan keuntungan berupa kenaikan efisiensi dari sistem, dan penurunan fraksi uap yang dapat mengurangi laju korosi pad a turbin. Efisiensi dan fraksi yang dihasilkan akibat pemasangan reheater dipengaruhi oleh tekanan masuk turbin dan suhu pemanasan uap dalam reheater. Untuk PLTN AP600 dengan tekanan uap masuk turbin 60 kg! cm2, penambahan reheater dengan suhu pemanasan 256°C memberikan hasil baik dengan kenaikan efisiensi mencapai 40,99% dan penurunan fraksi uap mencapai 0,2090.
DAFT AR PUST AKA I. M.MEL.\VAKIL, Nue/ear Heat Transport, The American Nuclear Society, IIIion is, USA, 1978. 2. MJ. MOORE, C.H. SIEVERDING, Two Phase Steam of Flow in Turbine and Separator, Hemisphere Publishing Corporation, Washington, 1976. 3. S.K. KULSHERESTHA, BUDIARDJO, dkk., Termodinamika Terpakai, Teknik Uap dan Panas, UI-PRESS, 1989. 4. EV ANGELOS PETROUTSOS, Mastering Visual Basic 5, Sybec, San Francisco, USA, 1997. 5. ANONIM, AP 600 Plant Design Criteria, GWG] -00 1 Revision 4- Westinghouse Energy Center, 1994.
TANYAJAWAB Tegas Sutondo - Dari mana uap untuk Atau sumber panas.
memanaskan
reheater?
Utaja - Sumber pemanasan reheater adalah uap dari pembangkit uap sendiri. Ini berakibat suhu reheater tidak dapat tinggi.
Proslding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Jull 2006
ISSN 0216-3128
Utaja. dkk.
301
Rilllsaris
Utaja
- Alasan pemasangan reheater, apa?
- Bagaimana Re-healer berlujuan meningkalkan efisiensi dan menurunkan fraksi air yang masuk ke turbin.
- Apa dengan pemasangan komponen ini, merupakan permintaan dari user? Apakah ada unsur inovasinya? - Apakah improve terhadap hardware atau software?
ini
pada
bagian
Ana/isis ini merupakan kajian tekn%gi dari pemasangan a/atlkomponen da/am suatu sistem. Improvemen ini menyangkut perhitungan dengan software yang da/am hat ini dikembangkan sendiri.
KE DAFTAR ISI
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
