reaktor temperatur tinggi incogen pusat pengembangan
Post on 16-Oct-2021
6 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarta, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
"
r;)UNJUK KERJA HELIUM P ADA SISTEM KONVERSI ENE"RGI
REAKTOR TEMPERATUR TINGGI INCOGEN
S2-'L
B.BandriyanaPusat Pengembangan Sistem Reaktor Maju -Batan
UtajaPusat Pengembangan Perangkat Nuklir -Batan
ABSTRAKUNJUK KERJA HELIUM PADA SISTEM KONVERSI ENERGI
REAKTOR TEMPERATUR TINGGI TIPE INCOGEN. Reaktor TemperaturTinggi (RTT) lNCOGEN merupakan sistem pembangkit listrik yang menggunakanhelium clan turbin gas aksial untuk konversi energi. Analisis unjuk kerja helium untukkonversi energi dilakukan dengan menghitung efisiensi total clan kalor spesifik sebagaifungsi rasio tekanan (compression ratio) clan temperatur masuk turbin. Hasilperhitungan menggunakan helium dibandingkan dengan hasil untuk gas CO2. Hargaefisiensi clan kalor spesiflk dihitung berdasar proses termodinamika siklus Braytondengan menggunakan program komputer. Hasil perhitungan untuk helium menunjukkanefisiensi maksimum: 11m = 45 %, yang dicapai pada rasio tekanan: r = 2 dengan kalorspesifik: 'Y = 114,98 kalori/ kg. Untuk gas CO2 efisiensi maksimum dicapai pada rasiotekanan r = 3,2 dengan kalor spesifik y = 23,55 kalori/ kg. Pada rasio tekanan: 1,2 < r
< 2, 8 efisiensi helium lebih tinggi dari pada gas CO2, sedangkan kalor spesifik heliumlebih besar dari gas CO2 untuk seluruh harga rasio tekanan. Penurunan temperaturmasuk turbin mengakibatkan penurunan efisiensi clan kalor spesifik maksimum untukhelium clan gas CO2. Dari hasil analisis disimpulkan bahwa untuk konve~si energiRTT -lNCOGEN, unjuk kerja helium lebih baik dibandingkan dengan gas CO2.
ABSTRACTPERFORMANCE OF HELIUM IN ENERGY CONVERSION SYSTEM OF HIGHTEMPERATURE REACTOR INCOGEN INCOGEN is a power plant using heliumand axial turbine in its energy conversion system. Analysis of the helium performancewas performed by calculating its total efficiency and specific heat as a function ofcompression ratio and turbine inlet temperature. The result was compared with theresult of the calculation of efficiency and specific heat for carbon dioxide gas. Thecalculation was done based on the thermodynamic process of the Brayton cycle using acomputer program. The calculation result showed that the maximum efficiency ofhelium, 17m was 45 %, at compression ratio; r equals 2, and the spesific heat, r,114,98 calori/ kg. The CO2 maximum efficiency was reached at the compression ratio,3,2 and the spesific heat, r, 23,55 calori/ kg. In the compression ratio range: 1,2 < r <2,8 the helium efficiency was higher than CO2, and the specific heat was higher thanCO2 in all range of pressure ratio. Decreasing of the inlet turbine temperature willdecrease the efficiency and specific heat for helium and CO2. From the analysis, it canbe concluded that helium was better than CO2for use in the INCOGEN
103
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarta, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
PENDAHULUAN
Penggunaan helium sebagai fluida kerja pacta reaktor temperatur tinggi semakin
berkembang karena menghasilkan tingkat keselamatan reaktor yang cukup tinggi. Salah
satu tire reaktor dengan sistem ini adalah tire INCOGEN yang saat ini dikembangkan
di Belanda. Reaktor INCOGEN merupakan reaktor berpendingin helium, moderator
grafit, dengan bahan bakar tipe bola yang didasarkan dari desain reaktor HTR module
di Jerman. Reaktor digunakan untuk pembangkit tenaga listrik dengan koIlNersi energi
langsung ke turbin gas aksial mengikuti proses termodinamika siklus Braytofu
Sebagai media untuk konversi energi harus dipenuhi beberapa persyaratan agar
mampu beroperasi dengan efisiensi tinggi. Permasalahan yang perlu diperhatikan
dalam mesin konversi energi adalah tingkat efisiensi turbin gas yang berubah-ubah
bergantung pada temperatur fluida dan rasio tekanan pada kompresor. Proses ini diikuti
dengan besamya tenaga yang dibangkitkan sehubungan dengan massa helium yang
digunakan. Oleh karena itu untuk desain reaktor INCOGEN perlu dilakukan analisis
terhadap unjuk kerja helium sebagai fluida kerjanya. Dengan mengetahui unjuk kerja
clan karakteristik helium sebagai fluida kerja akan diperoleh kondisi optimal desain
dengan efisiensi yang maksimum.
Dalam makalah ini dilakukan kajian unjuk kerja clan karakteristik helium untuk
RTT-INCOGEN. Dari analisis ini diharapkan diperoleh data untuk evaluasi atau
peningkatan desain sistem konversi energi langsung pada reaktor temperatur tinggi.
Metode yang dilakukan adalah memba.ndingkan basil hitung yang menunjukkan unjuk
kerja helium dengan unjuk kerja gas CO2 menggunakan data desain INCOGEN 40
MW/l/. Perhitungan didasarkan pada rumusan termodinamika siklus Brayton dengan
menggunakan program komputer yang ditulis dengan Visual Basic S.
Ruang lingkup pembahasan dalam makalah dilakukan pada sistem konversi
energi yang meliputi turbin gas, kompresor clan regenerator atau recuperator. Analisis
clan kajian untuk karakteristik helium sebagai pendingin clan fluid a kerja dalam reaktor
nuklir tidak dibahas dalam makalah. Kaj ian karakteristik dilakukan dengan perhitungan
efisiensi dan kalor spesifik sebagai fungsi dari temperatur dan rasio tekanan.
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
TEORI
1. Termodinamika siklus Brayton
Dalam teori temlod1namika, siklus Brayton atau siklus Joule adalah siklus
dengan proses tekanan konstan dan isentropik. Siklus ini banyak digunakan pada gas
~urbin aliran tunak dan sesuai untuk pembangkit tenaga listrik menggunakan reaktor
Efisiensi siklus dapat dinaikkan dengan menambah peralatangas temperatur tinggi.
regenerator atau recuperator clan intermediate cooler. Secara garis besar siklus Brayton
ditunjukkan dalam diagram proses clan diagram termodinamika pada Gambar 1, dengan
keterangan sebagai berikut./2/
Dalam kompresor, gas mengalami kompresi isentropis secara tidak ideal dari T I
menuju T 2. Karena proses berlangsung secara tidak ideal, maka temperatur akhir bukan
T2 tetapi T2'.
Entropi (8)
Gambar 1. Diagram proses clan termodinamika siklus Brayton
5 = PendinginKeterangan:1 = Kompresor
2=Turbin
3 = Regenerator
4 = Reaktor
T 1 = temperatur masuk kompresor T 3 = temperatur gas keluar reaktor
T 2 = temperatur keluar dari kompresor (ideal) T 4 = temperatur keluar turbin (ideal)
T2'= temperatur keluar kompresor
T 2" = temperatur keluar regeneratorT 4 '= temperatur keluar turbin
T4" = temperatur keluar regenerator
105
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarta, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
Selanjutnya gas dipanaskan oleh regenerator dari T2' menuju Ti' oleh gas balik dari
turbin. Selama melewati reaktor, gas dipanasi dari T 2" menuju T 3 clan selanjutnya
berekspansi pada turbin. Pada akhir ekspansi, temperatur gas sebesar T 4 hila ekspansi
berlangsung isentropik. Tetapi karena ekspansi berlangsung tidak ideal, temperatur gas
akan menuju T4'. Selanjutnya setelah gas dilewatkan regenerator, temperatur turun
menjadi T4" clan oleh pendingin gas dibawa menuju TI.
Rumus perhitungan parameter
Temperatur pada akhir setiap proses: T2', T2", T4' clan T4" seperti ditunjukkan
dalam Gambar 1 dapat dicari berdasar teori kompresi clan ekspansi isentropik denganb . b .ku 131 /4/rumusan se agal en t: .
1 +(rW-l)/llcT2' = Tl (1)
T2" = T2' + llR (T4'-T2')(2)
T4' = T3 { I-lle(I -Iff W)}
T4" = T4' -llR(T4' -T2')(4)
dimanaw = (X;-1)/X; x; = rasio panas jenis, cp/Cvlle = efisiensi ekspansi isentropik llc = efisiensi kompresi isentropikllR= efektivitas regenerator r = rasio tekanan
Sedangkan daya neto yang dibangkitkan, panas masuk yang diberikan reaktqr, efisiensi
siklus Brayton clan kalor spesifik dapat dihitung dengan rumus-rumus berikut.:/3/,/4/
w,=MCp T/{(T/eTj/T/-rw/T/d (l-l/rW)}Ws = M Cp [T3 {1-llR(1-lle [1-1/rW])} -T1 (1 -llR){1+ (rW-1) 11le}
...(6)
t1 = Wt I Ws
y= Wt 1M...(7)
..(8)
dimana
M_= laju aliran gas, kg! detik
Wt = daya neto sistem, Watt
Cp = panas jenis gas, kalori/ kg °C
Ws = daya total sistem, Watt
11 = efisiensi termal sistem y = kalor / daya spesifik, kalori/ kg
106
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarta, 22 Nopember 2000 ISSN : 0854 -8803
Dari persamaan (1) sampai dengan (8), harga efisiensi clan kalor spesifik merupakan
fungsi dari banyak variabel. Dari persamaan ini dapat diketahui bahwa efisiensi total
bergantung pada rasio tekanan kompresor, temperatur masuk turbin, temperatur keluar
kompresor clan kalor spesifik gas. Temperatur masuk turbin bergantung pada
karakteristik reaktor yang digunakan, rasio tekanan ditentukan oleh desain tilrbin clan
kompresor sedangkan kalor spesifik tergantung dari gas yang digunakan. Berdasarkan
rumusan dalam teori ini dapat dilakukan kajian clan analisis karakteristik gas helium
sebagai fluida kerja pada reaktor temperatur tinggi INCOGEN.
METODE DAN 1'ATA KERJA
Metode perhitungan
Perhitungan untuk evaluasi unjuk kerja dilakukan dengan menghitung efisiensi
clan kalor spesifik pada proses RTT -INCOGEN berdasar rumus termodinamika seperti
ditunjukkan dalam teori. Proses perhitungan dilakukan dengan program komputer yang
ditulis dalam bahasa BASIC clan dikompilasi dengan Visual Basic 5.0. Penyusunan
program dengan Visual Basic 5.0 ini telah divalidasi dengan hasil perhitungan desain
INCOGEN dengan tingkat kesalahan dibawah 2%.
Perhitungan clan analisis unjuk kerja dilakukan dengan menghitung efisiensi clan
kalor spesifik helium clan gas CO2. Efisiensi clan kalor spesifik dihitung sebagai fungsi
dari rasio tekanan dengan masukan dari datadesain RTT-INCOGEN. Data desain
pokok yang diambir meliputi data temperatur masuk turbin, temperatur keluar
kompresor, tekanan clan efisiensi komponen. Adapun data desain yang menunjukkan
proses dalam RTT-INCOGEN ini ditunjukkan pada sistem konversi energi RTT-
INCOGEN. Untuk mengetahui perubahan efisiensi clan kalor spesifik terhadap
temperatur masuk turbin, dilakukan perhitungan untuk temperatur masuk turbin sebesar
50 °C lebih rendah dari data desain, yaitu temperatur masuk turbin = 750 °c.
Data desain sistem konversi energi RTT-INCOGEN
Konsep desain dalam RTT-INCOGEN adalah mengoptimalkan produk listrik
dari turbin gas dengan menurunkan temperatur masuk kompresor menggunakan
107
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla, 22 Nopember 2000
ISSN.. 0854 -8803
pendingin clan menaikkan temperatur masuk ke reaktor dengan regenerator ataurecuperator. /5/ Turbin yang digunakan turbin aksial dengan kompresor yang dikopel
langsung dengan generator. Sistem konversi energi mengikuti siklus Brayton
menggunakan gas helium. Data desain dari RTT-INCOGEN ditunjukkan pada Tabell,
tekanan ditunjukkan dalam diagram prosesBerdasar data RTT -INCOGEN ini dilakukan
perhitungan efisiensi total clan kalor/ clara spesifik untuk helium clan CO2 dengan
variabel rasio tekanan.
Entropi (kal/ kg DC)
1 = Kompresor
4 = Reaktor
2 = Turbin 3 = Regenerator
5 = Pendingin
Gambar 2. Diagram proses clan termodinamika siklus Brayton
untuk RTT -INCOGEN
108
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarta, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
Parameter desain RTT-INCOGEN/lTabel
Nilai -DesainBesaran Satuan
40
2,3494 / 800
25
Reaktor.Daya termal
.Tekanan operasi
.Temperatur masuk / keluar
.Kapasitas aliran helium
Turbin
MFa°c
%90.Efisiensi
.Temperatur masuk / keluar 800 / 522
2,32/ 1,02 r-viPa
MW
.Tekanan masuk / keluar
.Total clara 36
%86,3
32/175 °C
1,00/2,35
2,3519
MPa
'Kompresor.Efisiensi
.Temperatur masuk / keluar
.Tekanan masuk / keluar
.Tingkat kompresi
.Daya
91,~
42
%
Regenerator (recu~erator)
.Efektivitas
.Pemindahan panas
Pendingin (Precooler).Temperatur masuk / keluar helium
.Temperatur masuk / keluar air
.Pemindahan panas
°C204/32
22,5/160
23
°C
MW
Kogenerasi.T emperatur masuk / keluar helium
.Pemindahan panas
40/ 150
18
Generator
.Daya elektrik
.Efisiensi elektrik18
41 %
109
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil perhitungan efisiensi clan daya/ kalor spesifik pada temperatur 800 °c
untuk helium clan gas CO2 sebagai fungsi dari rasio tekanan dengan data desain RTT-
INCOGEN disajikan dalam Tabel 2, Gambar 3 clan Gambar 4. Dalam perhitungan ini
diambil harga rasia tekanan dari 1,2 sampai dengan 12 clan efisiensi alat mengikuti data
dalamRTT INCOGEN.
Tabel 2. Efisiensi clan kalor spesifik RTT -INCOGEN untuk helium dan gas CO2
110
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
-O-Helium
-0- CO2
Rasio tekanan
Gambar 3 Efisiensi sistem konversi energi RTT -INCOGENuntuk helium clan CO2, temperatur masuk turbin 800 °c
Tabel 1 clan grafik efisiensi pada Gambar 3 menunjukkan bahwa harga efisiensi
maksimum (11m) sistem konversi energi RTT -INCOGEN untuk helium clan gas CO2
dicapai pacta nilai rasio tekanan yang berbeda. Untuk helium 11m = 45 %, yang dicapai
pacta rasio tekanan: r = 2,3. Pacta kondisi efisiensi maksimum ini menurut data daTi
grafik pada Gambar-4, kalorspesifik helium: y = 142 kilo kalori/ kg. Dari kalor spesifik
ini berdasar rumus dasar proses, untuk daya 40 MW RTT-INCOGEN memerlukan
aliran masa helium sebesar 24,5 kg / detik. Untuk gas CO2 efisiensi maksimum 11m = 45
%, dicapai pada rasio tekanan: r = 3,2 dengan kalor spesifik CO2: 'Y = 23,5 kilo kaloril
kg. Pada kondisi ini untuk RTT-INCOGEN daya 40 MW, aliran masa CO2 yang
diperlukan sebesar 140,2 kg / detik
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
200
~
~l~~.~
t)"".,...0
~
~ ""150 """ -Helium
-o-CO2100 ~50
~~.o.Q-O-~oQ-QoQ-( I-/j0
0 4 8 106
Rasio tekanan
Gambar 4. Grafik kalor spesifik helium clan CO2 untuk
RTT -INCOGEN, temperatur masuk turbin 800 °C
Dari perhitungan ini tampak bahwa efisiensi maksimum yang diperoleh dengan
menggunakan helium bisa sarna dengan gas CO2 tetapi dengan rasio tekanan yang
berbeda. Semakin tinggi rasio tekanan memerlukan ukuran peralatan. untuk kompresor
clan turbin yang lebih besar sehingga menambah biaya desain. Hasil perhitungan
menunjukkan bahwa helium menunjukkan efisiensi lebih baik pada daerah rasio teka.nan
1,2 < r < 2,8. Disamping itu kalor spesifik dari helium lebih besar dari kalor spesifik
CO2 untuk daerah rasio tekanan 1,2 sampai dengan 10. Dari hasil ini dapat dikatakan
bahwa unjuk kerja helium lebih baik dibanding CO2, yaitu untuk daya yang sarna,
memerlukan aliran masa helium lebih kecil dari CO2. Disamping itu dengan
menggunakan helium dapat dikembangkan sistem kontrol daya dengan tangki
penampung helium yang dapat mengontrol clan mengatur perubahan daya pada turbin. /6/
Untuk mengetahui pengaruh yang ditimbulkan oleh temperatur masuk turbin,
dilakukan perhitungan untuk temperatur masuk 750 °c. Pada temperatur yang lebih
rendah 50 °c dari data desain, dengan data clan parameter lain yang sarna dengan
kondisi desain, diperoleh efisiensi clan kalor spesifik seperti ditunjukkan pada Gambar 5
clan Gambar 6. Grafik pada Gambar 5 menunjukkan efisiensi maksimum untuk helium:
11m = 34,5 %, yang dicapai pada rasio tekanan: r = 2,8. Pada kondisi efisiensi
maksimum ini menurut data dari grafik pada Gambar 6, kalor spesifik helium: y =
112
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
163,14 kilo kalori/ kg dengan aliran masa helium sebesar 71,10 kg / detik untuk RTT-
INCOGEN 40 MW.
200
0
0 2 4 14
.===I~= : s:6 8 10 12
Rasio tekanan
Gambar 5. Efisiensi helium clan gas CO2 RTT-INCOGEN
clengan temperatur mask turbin = 750 °C
40
35
30
25
2015
10
5
0
.~(/)
~I:I:1
0 2 4 6 8 10 12 14
Rasio tekanan
Gambar 6. Kalor spesifik helium dan gas CO2 RTT -INCOGEN
dengan temperatur masuk turbin = 750 °c.
113
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor T emperatur TinggiYogyakarta, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
Untuk gas CO2 efisiensi maksimum 11m = 34,5 %, dicapai pada rasio tekanan: r =
5,6 dengan kalor spesifik CO2: y = 25,95 kilo kalori/ kg. Pada kondisi ini untuk RTT-
INCOGEN daya 40 MW, aliran masa CO2 yang diperlukan sebesar 66,3 kg! detik.
Dai-i ha~il yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa penurunan temperatur masuk turbin
akan menurunkan tingkat efisiensi maksimum dari sistem baik dengan helium ataupun
CO2
KESIMPULAN
Unjuk kerja helium untuk RTT-INCOGEN pada rasio tekanan turbin antara 1,2
sampai 2,8 lebih baik dibandingkan gas CO2. Efisiensi maksimum untuk helium = 45
% untuk rasio tekanan = 2 kalor spesifik yang dihasilkan 114,98 kilo kalori/ kg clan
membutuhkan aliran massa helium 24,5 kg! detik. Penurunan temperatur masuk turbin
akan menurunkan efisiensi sistem, untuk temperatur masuk turbin = 750 °C (50 °C lebih
kecil dari desain) efisiensi maksimum yang dicapai sebesar 34 %.
DAFTARPUSTAKA
1. ANONIM, "INCOGEN Pre-Feasibility Study -Nuclear Cogeneration based on
HTR Technology" , ECN, September 1997.
2. FRANCIS. F HUANG, "Engineering Thermodynamic ", Mc Millan Publishing. Co
Inc, New York, 1963
3. M:ML- W AKIL, ((Nuclear Energy Conversion ", Intext Education Publishing, New
York, USA, 1971.
4. E.C. CINCENT, ((The theory and design of Gas Turbine and Jet Engine", Mc Graw
Hill Book Company Inc, New York, USA, 1950
5. SIGIT ASMARA SANTA, ((Unit Konversi Energi Reaktor Temperatur Tinggi",
Laporan Penelitian Desain Reaktor Temperatur Tinggi, Badan Tenaga Atom
Nasional, Pusat Reaktor Serba Guna, Jakarta 1999.
BANDRIY ANA. B, ttKajian terhadap Konsep Desain Sistem Bantu Reaktor6.
ke-4 Reaktor Temperatur TinggiTemperatur Tinggi tipe INCOGEN", Seminar
clan Teknologi Nuklir, Jakarta 15-16 Pebruari 1999.
114
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
I. PERTANYAAN: (Dr. Asmedi Suripto -P2TBDU)
.
Dalam membahs efisiensi, apakah sudah dihitung efisiensi penggunaan helium
sebagai sumber panas saja, bukan penggerak turbin, clan gas lain (mis. CO2 atau
lainnya) sebagi turbin mover?
JAWABAN:
(B. Bandriyana)
.
Penggunaan helium sebagai pemindah panas/sumber energi thermal dapat
mencapai efisiensi sangat tinggi diatas 90 % mt:l1gingat proses yang terjadi
adalah adiabatik.
ll. PERTANYAAN: (Dr.Jr. As Natio Lasman -P2SRM)
.
Bagaimana efisiensi yang ditunjukan oleh reactor Incogen apabila medium
pendinginnya adalah CO2 clan reactor dioperasikan pada temperatur sekitar 400-
5000 C.
JAWABAN: (E. Bandriyana)
Efisiensi mabimal yang bisa dicapai adalah 30 % pada kondisi rasio tekanan =+
2,4.
ill. PERTANYAAN: (Dr. AnharR. A. -P2TKN)
.
Dari presentasi bapak, dikatakan efisiensi maksimum dengan gas He untuk
temperatur 750°C adalah sekitar 43 %, bagaimana dengan compression rationya
? (11 maks pada compression ratio berapa ?)
Berapa clara spesifik untuk kondisi diatas ?
.
JAWABAN: (E. Bandriyana)
Untuk temperatur reaktor 7500C; gas He.
.
Efisiensi maksimum pada rasio tekanan 3,2
Daya spesifik = 90,57 Kilo kalori/kg.
. 15
Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarta, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803
IV. PERTANYAAN: (Dr. Anhar R. A. -P2TKN)
Program dibuat sendiri atau paket ?
.
.. Kalau dibuat sendiri, karena perhitungan-perhitungan matematis bertujuan
untuk mendapatkan 4asil yang mendekati kenyataan, apakah dalam perhitungan
ini masih menggunakan rumus-rumus gas ideal atau sudah menggunakan factor
kompresibilitas?
JA W AB~: (E. Bandriyana)
Program dibuat sendiri.
.Faktor
kompresihilitas gas helium diperhitungkan, akan di coho untuk~
pengembangan program.
116
top related