pengaruh pemasangan reheater terhadap …ansn.bapeten.go.id/files/43203/3779.pdf · dalam makalah...
TRANSCRIPT
294 ISSN 0216 - 3128 Ulaja. dkk.
PENGARUH PEMASANGAN REHEATER TERHADAPEFISIENSI SISTEM KONVERSI ENERGI PLTN AP600
UtajaPusat Perangkat Nuk/ir dan Rekayasa (PRPN) - BATAN
B. BandriyanaPusat 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 efisiensidan 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 pemasanganreheater 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, danmenghasilkan kenaikan efisiensi dari 39,78 menjadi 40,99% don penurunanfraksi uap dari 0,3054 menjadi0,2090.
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 plantconversion energy system has been performed. Calculation of efficiency was performed by a local computercode 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'omthe de.~ign data of the AP600 nue/ear power plant. Efficiency of system was calculated by some variationdata of the inlet turbine steam pressure from 60 to 52 kglcm2 and the mriation of rehel/tinK temperatuI'e atthe 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 thesteam inlet pressure of turbine of60 kglcm2 with the reheatinK temperature on the reheat/!/" system of256 "Cwhich given the increasing of efficiency from 39,78 to 40,99% and the decreasing of water fraction from0,3054 to 0.2090.
Key words: reheater, efficiency. AP600 nue/ear power plant.
PENDAHULUAN
Salah satu besaran pokok dalam mengukur unjukkerja sistem konversi energi dalam Pusat ListrikTenaga Nuklir (PL TN) adalah besarnya efisiensisistem. Efisiensi sistem ini dipengaruhi oleh siklus .dan proses termodinamika yang digunakan sertabesaran dari uap yang dihasilkan. Oalam PLTN tipePWR (Pressurised Water Reactor) yang menggunakan siklus termodinamika Rankine unjuk kerjasistem dapat ditingkatkan dengan menambahkanproses peralatan sistem reheater. Pad a prinsipnyasistem reheater berfungsi untuk memanaskan kem-
bali uap dari turbin pada daerah tekanan tinggi, danmengalirkan kembali menuju daerah tekanan rendahpad a turbin. Pemanasan dilakukan pada suatuperalatan yang bekerja berdasarkan prosespemindahan panas. Spesifikasi dari sistem konversienergi dalam PLTN akan menentukan besaran danparameter pokok dalam desain sistem reheater.Besarnya tekanan uap saat masuk turbin, dan suhupemanasan optimal dari reheater merupakanparameter penting dalam desain reheater dan harusdiperhitungkan dengan teliti untuk memperolehpeningkatan efisiensi yang optimal. Oleh karena itustudi dan analisis untuk mengetahui pengaruh
Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - SATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
Utaja, tlkk. ISSN 0216 - 3128 295
penggunaan reheter pada sistem konversi energi iniperlu dilakukan.
Dalam makalah ini diuaraikan perhitungandan analisis untuk mengetahui pengaruh penambahan sistem reheater pada sistem konversi energisuatu PLTN tipe PWR khususnya pengaruh terhadap kenaikan etisiensi sistem. Hasil uraian danperhitungan diharapkan dapat memberi masukandalam analisis dan desain sistem konversi energipada PLTN. Analisis dan perhitungan dilakukandengan program komputer menggunakan bahasaVisual Basic berupa program untuk simulasi berbagai nilai parameter dengan menghasilkan tampilanberupa gambar dan gratik. Program perhitungandidasarkan pada perumusan proses termodinamikadari masing-masing tingkat sedangkan data per-
hitungan diambil dari data desain sistem PLTNAP600.
DASAR TEORI
Sistem Konversi Energi Da/am PLTN
Sistem konversi energi PLTN tipe PWRmenggunakan siklus Rankine dengan penambahansistem regenerasi dan reheater untuk meningkatkanetisiensi sistem. Diagram alir siklus konversi energiini ditunjukkan secara garis besar pada Gambar I,dan siklus termodinamika dari proses konversienergi ditunjukkan pad a diagram suhu dan entropi(diagram T-S) pada Gambar 2[1].
Panas masuk
PC
3
2
SG
-KeIja. masuk
3 RH
Kerja Keluar
Panas keluar
Kerja masuk
Keterartgan :SG : pembangkit uapLP : twbin tekanan rendah
RG : sistem regenerasi
HP : twbin tekanan tinggiCD : kondensor
PC : sistem air primer
RH : reheater
P : potq)a
Gambar 1. Siklus konversi energi sistem PL TN tipe PWR.
T(suhu)
S (Entropi )Gambar 2. Diagram suhu sebagai fungsi entropi (Diagram T-S).
Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
296 ISSN 0216 - 3128 Utaja, dkk.
Proses pembentukan uap terjadi pada
pembangkit uap mengikuti proses isotermis dari titik2 -3 , kemudian uap kering dialirkan ke turbin. Uapmengalami ekspansi dalam turbin tekanan tinggi darititik 3 - 4, dengan proses entropi konstan sehinggatekanan turun. Selanjutnya sistem reheater memanaskan uap sampai suhu naik dititik 5. Uap yangtelah dipanaskan diekspansikan dalam turbintekanan rendah menuju tekanan kondensor pada titik6 dan selanjutnya dikondensasi dalam suhu konstanpada proses 6 - 7. Uap dan air hasH kondensasiselanjutnya dipompa dan diregenerasi mengikutiproses dari titik 7 - 8 -9. Setelah proses regenerasi,air pada titik 9 dipompakan kembali ke pembangkituap menuju titik I untuk diproses menjadi uapmengikuti proses 1-2 - 3 membentuk siklus tertutup.
Perhitungan Efisiensi
Besamya efisiensi sistem adalah perbandingan antara kerja yang dihasilkan dengan panasyang masuk dapat dihitung berdasarkan diagramproses termodinamik . Secara umum besamyaefisiensi untuk siklus Rankine dengan menggunakanreheater dan sistem regenerasi dapat dirumuskansebagai berikut[2.31:
(hit - hir) (I - m) - L(hip -h"p)(l- m;)'7 =----~~~~-- (I)
(hit -hiJ(h"r -h;r) (I-m;)
Berdasarkan rumus umum seperti ditunjukkan
dalam persamaan (2), dapat dikembangkan dihitungefi-siensi untuk berbagai data dalam siklus Rankine.Untuk proses Rankine tanpa regenerasi, harga m = 0,dengan air dari kondensor langsung dipompakan kepembangkit uap. Untuk proses yang tidak menggunakan reheater proses pemanasan kembali ditiadakan sehingga uap langsung berekspansi sampaitekanan kondensor. Dari diagram siklus termodinamika pada Gambar 2 dapat dilihat adanya kenaikansuhu akibat pemanasan kembali yang menyebabkanterjadinya kenaikan efisiensi. Selain meningkatkanefisiensi, dari diagram pada Gambar 2 dapat dilihatbahwa pemanasan kembali akan menurunkan fraksiair dalam uap sehingga mengurangi terjadinya korosidan pengikisan pad a turbin.
Berdasarkan rumusan termodinamika ini
dapat dilihat bahwa persoalan utama dalam menentukan efisiensi siklus adalah penentuan besarnyaentalpi dan entropi uap pad a setiap titik yangmerupakan satu proses tertutup. Untuk perhitunganini diperlukan teknik perhitungan interpolasi dalampembacaan data uap dengan dukungan basis datadari uap pad a setiap kondisi. Untuk analisis, evaluasidan desain proses serta desain komponen yang baikdan teliti diperlukan suatu program perhitungan(computer code) dari seluruh proses dalampembangkit energi.
dengan :
'7 = efisiensi siklus
m = masa uap ekstrasi, kg
I = tingkat regenerasi
hit = entalpi masuk turbin, kallkg
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, untuksistem konversi energi menggunakan reheater dansatu tingkat regenerasi seperti ditunjukkan dalamGambar I dan 2, besamya efisiensi (11) ditentukanoleh harga entalpi (h) dari masing-masing titik dalamproses, dan dirumuskan sebagai berikut :
(h3 - h4) + (hs - h6)(1 - ml)'7 = --------
h3 - hi + (hs - h4)(1 - ml)
-[(hs - h7)(1- nil) + (hi - h9)(nll)]
h) - hi + (h5 - h4) (I - ml)
(2)
METODE PERHITUNGAN DAN ANALISIS
Penyu.-iUnan program komputer
Untuk analisis dan evaluasi desain siklus
dalam pembangkit energi ini disusun suatu programkomputer menggunakan bahasa Visual Basicl41.
Secara garis besar alur penyusunan program perhitungan seperti ditunjukkan dalam Gambar 3.
Program disusun dengan sub programpembacaan data uap, perhitungan daya turbin, dayadan kerja pompa, efisiensi siklus dan penampilanmasukan serta luaran dalam bentuk kurva dan
gambar siklus termodinamika secara interaktif.Proses perhitungan dimulai dengan pembacaan datasuhu atau tekanan dan entropi untuk uap dan airpada kondisi masuk turbin dan tekanan vakumkondensor. Selanjutnya dimasukkan data tekananuap pada titik ekspansi dan pemanasan uap, danbanyaknya tingkat regenerasi. Data dan perhitunganuntuk tekanan, suhu, entropi dan entalpi pada prosesrcgencrasi pada masing-masing tingkat dihitullgbcrdasarkall (cori Salisbury. Oari harga clltropi dallentalpi ini dilakukan perhitungan besarnya panasmasuk, panas kcluar, daya (urbill dall daya pompa
Pros/ding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
Utaja, dkk. ISSN 0216 - 3128 297
serta perhitungan efisiensi. Perhitungan efisiensisiklus Rankine, fraksi air dalam uap serta dayaterbangkit untuk setiap masa 1 kilogram uapdilakukan dengan berdasarkan rum us dasar (I dan2). Hasil perhitungan ditampilkan dalam bentukgrafik suhu sebagai fungsi entopi, daya turbin, fraksiuap dan air serta efisiensi untuk setiap data masukandan siklus tertentu.
Sub Ba.ca.me data.ua.p :p, T, h d.an S
Data Masukan dan Metode Ana/isis
Untuk analisis pengaruh penggunaan reheaterdalam sistem konversi energi diambil data desainPLTN-AP600 seperti ditunjukkan dalam Tabel 1[5].
INPUT :
n IqQIIQlD1
P "'~'.
PI'''''''.
Hiturtg, eif, (:tumUS 1.2)Hi~ fraksi a.ir
Y A I SUB INFO:
p, T, Da.ya. TutbinDa.ya.P~a.
TIDAl<
SUB KURVAgra.f'1k:sikJus proses,
diagram blok :eff, d.a.ya,ftaksi
Gambar 3. Diagram alir pembuatan program perhitungan.
Tabell. Data masukan untuk perhitungan.
Tekanan masuk turbin,
Tekanan vakum kondensor
Tingkat regenerasi
Temperatur pemanasan
Daya turbin
Kapasitas uap
60 Kg!cm2
0,08 Kg! cm2
6 tingkat
256°C
600 MW
30600 Toni jam
Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
298 ISSN 0216-3128 Utllja, dkk.
Berdasarkan data dari Tabel I dilakukan
perhitungan efisiensi pembangkit energi untukkondisi siklus Rankine dengan regenerasi tanpareheater maupun dengan menggunakan reheater.Untuk mengetahui karakteristik reheater dilakukanperhitungan efisiensi siklus dan besarnya tTaksiuntuk beberapa harga tekanan masuk pada reheater.Berdasarkan hasil perhitungan dengan program yangtelah disusun dan membandingkan hasil perhitungandengan data teknik peralatan, dilakukan analisis danevaluasi pengaruh penggunaan reheater dalam sistemkonversi energi PLTN.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Program komputer yang disusun dapatdigunakan dengan cepat dan cukup teliti denganhasil verifikasi untuk data nominal PLTN AP600
cukup baik. Diagram suhu fungsi entropi (diagramT-S) hasil perhitungan untuk PLTN AP600 dengan
SUHU I~)
37U
331.4
2G3.9
'127,2
190.
15H
80.2
S.l
regenerasi 6 tingkat tanpa menggunakan rehealerditunjukkan dalam Gambar 4.
Perhitungan dilakukan dengan data masukantekanan uap masuk turbin sebesar 60 kg! em",tekanan vakum 0 kg!em2 dan kapasitas uap 30600Ton/jam pada daya turbin 600 MW. Dari hasilperhitungan diperoleh besarnya efisiensi siklussebesar 39,78% dan tTaksi air dalam uap pada turbin0,3054. Untuk kondisi dan data yang sarna denganmenambahkan reheater pada sisi tekanan tinggiturbin dan memanaskan sampai suhu 256°C sertamengalirkan kembali pad a daerah tekanan rendahturbin, diperoleh hasil diagram T-S seperti ditunjukkan dalam Gambar 5, dengan efisiensi sebesar40,99% dan tTaksi air sebesar 0,2090.
Hasil perhitungan dengan program komputeruntuk berbagai macam tekanan masuk dan suhupemanasan reheater untuk PLTN AP600 ditunjukkan dalam Tabel 2.
.0243 .2364 ..•.•85 .6G05 .8726 1.(J841 1.2'968 1.5089 U209 1.933 2.1451
[HfROP'( (J:Ml~G.~J ..•..••>
Gambar 4. Diagram T-S sistem pembangkit energi PL TN AP600 tanpa reheater.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006
Utaj(l, dkk.
374.2[])7 ~
iI30117
ZG1922t2
r---
I19(H
lS:.ti111>99:07.3.~G7
ISSN 0216-3128
1.1m7 172m 19J) 21451
299
Gambar 5. Diagram T-S sistem pembangkit ~nergi PLTN AP600 dengan reheater.
Tabel 2. Efisiensi dan fraksi air untuk perubahan tekanan turbin dan suhu reheater, T.
Tekanan Efisiensi, %Fraksi air dalam uapmasuk Tanpa
DenganDenganTanpaDenganDengantu rbin,kg/cm2
reheaterreheater, Treheater, Treheaterreheater, Treheater, T= 256°C
= 250 °c = 256°C= 250 °c
60
39,786540,997040,98170,30540,20900,2125
58
39,735640,776940,06160,30330,20660,210056
39,683140,66740,56010,30120,20430,207554
39,615640,66740,50340,29910,20230,207050
39,443040,66940,49760,29450,20180,2046
Berdasarkan data hasil perhitungan dandiagram T-S pada Gambar 4 dan 5 serta Tabel 3dapat diamati bahwa penggunaan reheater akanmeningkatkan efisiensi siklus untuk berbagai macamharga tekanan masuk turbin dari 60 sampai dengan
50 kglcm2• Makin kecil tekanan masuk turbin
penambahan efisiensi juga semakin kecil meskipundalam rentang yang sarna sekitar 40%. Denganmemahami bahwa rentang tekanan ini menunjukkanbesamya perubahan daya turbin sekitar 0,2% dapat
---------------------------------------------- ..--Prosiding PPI • PCIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATANYogyakarta, 10 Juli 2006
300 ISSN 0216 - 3128 Uttlja, dkk.
dikatakan bahwa reheater dengan pernanasan suhu256 dan 250°C memberikan hasil yang baik dengantingkat efisiensi untuk kondisi operasi turbin relatifkonstan. Ditinjau dari suhu pemanasan dalamreheater, penurunan suhu dari 256 menjadi 250°Cmenghasilkan penurunan efisiensi. Peningkatan suhupemanasan dalam reheater akan menaikkan efisiensisistem, tetapi suhu pemanasan ini tidak bisa melebihisuhu uap masuk dalam turbin. Disamping itu suhupemanasan yang tinggi harus dipenuhi dengan sistemreheater yang semakin besar yang memerlukanongkos semakin tinggi. Hasil perhitungan untuk suhudiatas 260°C memberikan kenaikan efisiensi yangkecil (dibawah 0,0 I%) sehingga kenaikan suhupemanas tidak memberikan manfaat dalam kenaikanefisiensi.
Perubahan fraksi air yang dihasilkan akibatpemasangan reheater semakin kecil dan dipengaruhipula oleh tekanan uap yang masuk turbin dan suhupemanasan reheater. Penurunan fraksi air inimemberikan keuntungan karena akan memperbaikikualitas uap dan memperlambat proses korosisehingga 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 penurunanfraksi ini juga diikuti dengan penurunan efisiensimeskipun dalam nilai yang cukup kecil.
Hasil optimal yang ingin dicapai dalampemanasan adalah diperoleh efisiensi sebesarmungkin dan fraksi air sekecil mungkin. Harga inisulit dicapai mengingat kenaikan efisiensi akandiikuti dengan penurunan fraksi yang kecil sehinggauntuk menentukan harga optimalnya diambil nilaiefisiensi optimal. Dari hasil analisis dalam Tabel 2,harga efisiensi paling tinggi terjadi pad a padatekanan uap masuk turbin 60 kg! cm2 dengan suhupemanasan 256°C. Fraksi air paling kecil terjadipada tekanan uap masuk turbin 60 kg!cm2 dengansuhu pemanasan 250°C. Mengingat perbedaan fraksi yang kecil pada suhu pemanasan antara 256 dan250°C, dapat diambil harga optimal untuk pemanasan reheater dengan suhu 256°C, dan tekanan masukturbin 60 kg! cm2 • Pada kondisi ini diperoleh hasilseperti ditunjukkan pad a Gambar 3 dengan efisiensi40,99%, fraksi air 0,2090 dan daya turbin 600 MW.Hasil perhitungan ini sesuai dengan data desain dariPLTN AP 600 yang memberikan spesifikasi teknikuntuk reheater dengan pemanasan sampai 256°C danmenggunakan tekanan masuk turbin 60 kg!cm2PI
Suhu pemanasan ini juga dipenearuhi olehtingkat regenerasi uap serta tekanan vakumkondensor. Hasil optimalisasi desain sistem reheaterakan lebih teliti dengan melakukan kombinasibeberapa sistem regenarasi yang dalam perhitungan
ini belurn dilakukan. perhitungan ini hanya rneninjauparameter reheater dengan tingkat regenerasi dantekanan vakum yang sarna yang diambil dari dataPLTN AP600.
KESIMPULAN
Pemasangan reheater pad a sistem konversienergi PLTN akan memberikan keuntungan berupakenaikan efisiensi dari sistem, dan penurunan fraksiuap yang dapat mengurangi laju korosi pad a turbin.Efisiensi dan fraksi yang dihasilkan akibatpemasangan reheater dipengaruhi oleh tekananmasuk turbin dan suhu pemanasan uap dalamreheater. Untuk PLTN AP600 dengan tekanan uapmasuk turbin 60 kg! cm2, penambahan reheaterdengan suhu pemanasan 256°C memberikan hasilbaik 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, TheAmerican 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 danPanas, UI-PRESS, 1989.
4. EVANGELOS PETROUTSOS, MasteringVisual Basic 5, Sybec, San Francisco, USA,1997.
5. ANONIM, AP 600 Plant Design Criteria, GW-G] -00 1 Revision 4- Westinghouse EnergyCenter, 1994.
TANYAJAWAB
Tegas Sutondo
- Dari mana uap untuk memanaskan reheater?Atau sumber panas.
Utaja
- Sumber pemanasan reheater adalah uap daripembangkit uap sendiri. Ini berakibat suhureheater tidak dapat tinggi.
Proslding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Jull 2006
Utaja. dkk. ISSN 0216-3128 301
Rilllsaris
- Alasan pemasangan reheater, apa?
- Apa dengan pemasangan komponen ini,merupakan permintaan dari user? Apakah adaunsur inovasinya?
- Apakah improve terhadap ini pada bagianhardware atau software?
Utaja
- Bagaimana Re-healer berlujuan meningkalkanefisiensi dan menurunkan fraksi air yang masukke turbin.
Ana/isis ini merupakan kajian tekn%gi daripemasangan a/atlkomponen da/am suatu sistem.
Improvemen ini menyangkut perhitungan dengansoftware yang da/am hat ini dikembangkansendiri.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2006