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