snJOI EFI$IEN$I TERMAL PLTN

JENIS PWR, BWR DAN CANDU

Suyamto

Pusat Penelitian NuklirYogyakarta

ABSTRAK

Telah dilakukan studi tentang cara menghitung e~isiensiPLTN jenis PWR, BWR dan CANDU. Efisiensi ini tidak bisalangsung dihitung sebab besar rugi-rugi seluruh plan suIitdiperkirakan. Dari heat rate pembangkit uapnya e~isiensitersebut lebih mudah dihitung.

ABSTRACT

Computation of thermal efficiency of PWR, BWR and CANDUNuclear Power Plant has been studied. The efficiency can notbe directly found out because there are some difficulties inpredicting the losses of the plant. From the Heat Rate CHR)of its steam generation plant the efficiency can be morelasily determined.

I. PENOAHULUAN

Pada akhir-akhir ini pembicaraan masalah energi di

dunia semakin penting dan serius. Hal ini sejalan dengan

pemakaian energi yang semakin meningkat dengan pesat, disam­

ping timbulnya kekhawatiran terhadap jumlahcadangan energi

tak terbarukan Cnon renewable) yang tersedia.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui

bagaimana cara menghitung efisiensi termal suatu pembangkit

atau suatu PLTN dan usaha-usaha apa yang bisa dilakukan

untuk mempertinggi efisiensi pembangkitan energi tersebut.

Banyak keuntungan yang bisa diambil apabila efisiensi

pembangkitan energi tersebut berharga besar antara lain:

- Menurunkan polusi Ctermis).

- Mempertinggi manfaat suatu pembangkit.

Menurunkan harga suatu pemakaian energi yang dikon­

sumsi.

Penelitian ini bersifat studi literatur sehingga tahap-

226

227

Tahap 1:- Studiawal

- Pengumpulan data dan literaturTahap

2:- Studilanjut

KonsultasiTahap

3:- Penulisan hasilstudi

-Pembualan laporan akhir(mak alah)

Sedikit masalah yang dihadapi pada penelitiao ini adalah :

- Terbatasnya literatur yang membahas secara khusus

lentang efisiensi.

- Berbagai pusat pembangkit CPLTN) yang ada mempuoyai

perangkat yang berbeda-beda bahkan sangat berlainan

terganlung pada keadaan, jeois maupun tiogkat energi

yang dibangkitkan oleh PLTN yaog bersangkutan.

I I. TEORT DASAR PEMBAJ'IGKI TAN ENERGI

Pusat Listrik Teoaga Nuklir sesungguhoya rnerupakao

salah satu jeois Pusat Listrik Tenaga Uap. Karena teoaga

mekanis yang dipakai untuk menggerakkan generator adalah uap

air yang dibangkitkan dari reaktor nuklir. Tenaga uap ini

diperoleh dari hasil reaksi nuklir di dalam reaktor.

Sebet.ulnya suatu PLTN bisa menghasilkan energi panas

yang besar, namun pertukaran kalor di dalam pembangkit uap

menjadi suatu "kendala sehi ngga bisa membatasi energi ter-

sebut. Diagram proses pembangkitan energi listrik suatu

PLTI~ adalah sebagai berikul

(1)· f-.!ReakLor I (2) '1 Turbifi." "2I i

Plant PLTN

Gambar 1 Blok diagram pembangkitan energi

listrik PLTN

228

1. Ener gikiOOa Cdidalam bahan bakar)

2.Energipotensi~ldan kinetisCdidal am uap)

3.Ener gimekanisCpada parastufbin)

4.EnergilistrikCkeluaran generator)

Mula-mula energi kimia yang tersimpan di dalam bahan bakar

Curanium) diubah menjadi tenaga panas uap dalam bentuk ener-

gi potensi a1 dan kinelis di dalam reak tor. Se1a.njutnya

energi ini melalui turbin diubah menjadi tenaga mekanis dan

selanjutnya dengan generator diubah menjadi tenaga 1.Lstr1k.

Sesuai pula deng~n pengertian umum tentang efisiensi ya1tu

keluaran dibagi

pembangkit adalah

dengan masukan maka efisiensi t.ermal suat.u

energi terbangkitkankalor bahan bakar

(1)

Terlihat bahwa untuk rnenghilung besar efisiensi harus

diketahui energi yang dibangkitkan. Oengan demikian harus

diketahui bagaimana proses pembangkitan energi mekanis dari

panas yang terkandung di dalam uap.

Oi dalam proses ini uap sebagai fluida kerja melakukan

proses siklus lermodinamika tertutup yang saring disebut se-

bagai sik1us carnot atau siklus rankine. Jadi untuk menqe-

tahui energi mekanis yang dibangkitkan. uap harus ma1akukan

proses sik1us dasar pembangkitan energi mekanis, yaitu

siklus daya lermodinamika di dalam mesin kalor. 51 k'1 us i n1

sering juga disebut. sebagai sik1usdaya uap dimana fluida

kerja mengalami 2 fasa yaitu fasa calr dan fasa uap dengan

proses sebagai berikut lihat gambar (2) dan (3).

229

3

Qin~D1· 2 cO

Wp r

1

4

W in

Gambar 2. Pr oses pernbangk it an ener gi mek ani s

Q incair

T inUap

·A Qo

Gambar3.SiklusCdayauap)rankine

Di

mana

B

:Boileratau generatoruap

T

:Tur bi n

..,.

:Kondensorf',.

P

:Pompa

Q.

:Kalormas uk~T"1 Q

:Kalorkel uar(buang)0 W:Ker ja kel uarlurbin Cmekanik)

m W

:Kerjapompa masukp

230

Mula-mula air hasil kondensasi di dalam kondensor dipompakan

ke dalam pembangkit uap oleh boiler feed pump.

Oi dalam pembangkit uap. energi kimia yang terkandung

didalam bahan bakar diubah menjadi energi panas yang akan

mengubah air menjadi uap dengan suhu dan tekanan t.ertentu

(proses 2 - 3). Selanjutnya uap tersebut diekspansikan di

dalam turbin dan energinya dikonversi menjadi energi mekanis

untuk memutar generator proses ( 3 - 4 ). Setelah uap ber-

ekspansi kemudian dikondensasikan di dalam kondensor. ber­

ubah menjadi fasa cair dan kembali pada siklus semula.

111. EFI S1ENSI S1KLUS

A. Efisiensi Siklus Rankine Sederhana

:Seperti telah diketahui bahwa efisiensi adalah energi

yang dibangkitkan dibagi dengan kalo: yang dimasukkan.

Maka efisiensi ter~2l siklus rankine sederhana adalah :

kerja yang dihasilkankalor yang dimasukkan

L W

'1ft = ~ 1.n

8ila kesetimbangan terjadi

(2)

maka sesuai dengan hukum termo-

dinamika 1. pacta set-iap komponen terdapat hubungan

¢ Q = 1> w

~ q = D. h + D. w

q=perpindahan panas spesifik

~h =

perubahan entalpi

'.Iv =

kerja spesifik

(3)

,Terlihat bahwa di dalam boiler dan kondensor tidak ada kerja

~w = O. proses isobaris sehingga

~ q = lI. h

231

Maka perubahan kalor pada generalor uap adalah

Q ::fdh = h - h3 2(4)

Di dalam pompa dan lurbin lidak ada penambahan maupun

pembuangan panas ~q = 0, proses adiabalis sehingga :

maka kerja yang dilakukan

w = f -dh

= - [Ch

4- h ) + (h

3 2

=(h- h+ h- h )3

412

SehinggaW

h- h+ h- h3

412n- --- -- .-, h- h't '-! 12

h

- h= 1

31YJ t .

-h- h

32

h

- h= perubahan entalpididalam kondensor·i1

h- h= perubahan ental pididalam turbin3

2

B. Perbaikan efisiensi siklus

(5)

(6)

Kalau dilihal pengerlian lain dari efisiensi berdasar-

kan pada prinsip keselimbangan kalor sualu sistem.

Q. = Q + \IiIon out

W = Q. - QI. n out

maka

W

Q.1.1i

Qout

232

lenaga lislrik yang dibangkilkan

kalor dari bahan bakar

kalor yang dibuang ke sekeliling

'1','

'r; t= -Q.1.1i

Q.

- QI.n0= Q-1.1i

Q

10

or, t=-QI.n

Terlihal bahwa semakin keeil Q. yailu kaloro

(7)

yang dibuang

ke sekilar maka efisiensi lermal akan semakin besar. Pada

siklus besar Q inio dilunjukkan oleh luasan ( A-1-4-B-A ).

kalor masuk semakin besar.

Begilu juga efisiensi lerrnal akan semakin besar bila Q_1.1i

Besarnya kalor mas uk ini di-

lunjukkan oleh luasan ( A-1-2-3-4-B ).

Sehingga

'r; =luas ( 1-2-3-4-1 )

luas C A-1-2-3-4-B-A )

L"'engan dasar lersebut maka dilakukan berbagai maeam

usaha untuk memperlinggi efisiensi lerrnal suatu plan dengan

jalan memproses lanjut fluida kerjanya.

dilakukan adalah dengan proses-proses.

1. Super healer

2. Reheater

3. Regeneratif

Cara-cara yang bisa

1. Super heater

Super healer alau pemanasan lanjut adalah sualu proses

dimana uap jenuh dari generalor uap sebelum diekspansikan

ke dalam lurbin dipanaskan lagi dengan healer.

siklus uap ini bisa dilihal pada gambar (4).

Proses dan

'T

2

! .i!II,ii.II

I

233

1

4

B

J~o

II

I

s

Gambar 4.Siklus rankine dengan superheater

234

Pada ke dua gambar terlihal bahwa kerja W yang dilun-

jukkan oleh luasan ( 1-2-3-4-5 ) semakin besar. Begitu juga

kalor masuk Q. (A-1-2-3-4-5-B-A) semakin besar, sehinggatnefisiensi lermal akan semakin besar yaitu

luas ( 1-2-3-4-1 )'I =, - ,. --458 )t. ~uas t M-~-G-3- - - -A

Kelemahan dari sislem ini adalah suhu uap yang dihasilkan

tinggl sehingga membatasi material dan peralatan yang lain-

nya. Disamping itu juga adanya peralatan lambahan untuk

super heater dan panas yang dibuang ke sekitar letap besar.

2. Reheater

Reheater atau pemanasan ulang adalah suatu proses di-

mana fluida kerja yang telah berekspansi di dalam turbin di­

panaskan lagi sebelum diekspansikan kembali ke turbin.

Pernana.san ulang ini ber 1angs ung di dal am gener alor uap.

L"1enganmelihat gambar (5) terlihat bahvo/a pada sistem

inl terdapal beberapa keuntungan anlara lain

a. 'Efisiensi termis lebih tinggi

b. Panas yang dibuang ke sekitar.lebih sedikit

c. Efisiensi generalor uap lebih tinggi

d. Uap yang keluar dari tingkal akhir lurbin lebih

kering

luas (1-2-3-4-5-6-1)'f) t = 1uas (A-1-2-3-4-5-6-B-A)

235

31 15

· · I T

4

~

§Js

02 rD 1

i

T

S

A B

Gambar 5.Siklus rankine dengan reheater

236

T

~ .

51 I ~.

[1]8

I0I

~C() 3 I I 2 cD~

5

T

S

B

Gambar 6 . Siklus rankine dengan regeneratif

237

3. R-=gef~erat if

Prinsip dari proses regeneratif adalah pemanasan fluida

kerja fasa cair yang akan masuk I<egenerator uap dengan me-

manfaatkan sebagian sisa uap panas yang keluar dari turbin.

Dengarl cara ir1i

ant3.ra l.alr~diharapkan diperoleh beberapa keuntungan

a. Kerja dari generator uap lebih ringan.

b. Panas yang dibuang ke lingkungan dapal dikurangi

L.'-engb.nmeliha.+. sik1'JS sistem regeneratif pad a gambar (6),

dapat dlbukti~an bahwa efisiensinya lebih besar yaitu

Iuas C 1-2-3-4-5-6-1 )Iit - 1..ua.s ( .':,--1 -2-::;-4-3-6-0-":' )

ideal Pe n.qe7nb ...~.!)q an!l 'lz-~- --ternyata tldak bisa dipakai unt.u~:rnenghit~ungefisiensi sis-

s,?cara 1a.ngsung. Hal in1 diseba.bkan karena

pacta siklus tersebut belum diperhitungkan adanya

Puai-ruai ter-sebul adalah- -

- ruql gesek fluida dengan material yang dilaluinya

rug1 panas pada dindlng material

- f' ugi bocor'

- rugi-rugi pompa. kondensor, turbin dan boiler

rugi-rugi pada peralatan unluk proses lanjut.

pembangkit di laparlgan ken.yataan-

nya tldaklah sederhana. tet.apl sanga t. komp1ek terganlung

pd.da keadaan dan peralatan-peralatan yan9 dipakai . Jadi

suatu pembangkil biasanya dilengkapi dengan peralalan untuk

pem.2.n3.s an u1ang, pemanasan lanjut dan regenerasi. Dengan

digabungkan

menjadi sa.tusehingga efisi~nsinya lebih sulit dihitung .

.L\dacara lain yang lebih mudah untuk menghitung efi-siensi yalt~ dengan menghitun.g ["ale" Heat~ ra.te

238

adalah besaran kalor alau panas (kcal) yang dibuluhkan untuk

menghasilkan 1 kWH lenaga lislrik. Heat rate sualu plan

pembangkit dapat berupa heat rate turbin-generator maupun

heat rate plan. Dari Heat Rate CHR) ini kemudian bisa di-

hitung efisiensinya dengan rumus-rumus berikul.

( HR )T

_ kcal- kWH

= kcal/HkW

= Flow ( kg/jam) x Entalpi ( kcal/kg )kW

= Energi dalam bahan bakarEnergl yang dibangkltkan

(8)

~H~) = (HR) x r enAralor~,~ P T -9-generator out put

out put - auxiliary power) x n- B

(9)

1)p

= efislensi

= 859,9CHR)

p

boi 1er

Cl0)

Contoh perhilungan lihat gambar (7).

HRT

C H - H - H ~ H + H )= t b r, s m

outputkcal/jam

k"¥l

H = energit panas yang akan masuk ke turbin atau energi

panas yang dihasilkan boiler.

-----., H = + 500 Bt.u/lb

Flov.l

T= 191. 86() kg/jam= 510 F

Ht

Entalpi = 815,6 kcal/kg

= 191.860 x 815,6

= 156,48 x 106 kcal/jam = 1564,8 x 105

Hb = energi panas yang lelah dipakai dan kembali lagike boiler.

Flow = 190.58 kg/jam

r.:::G\D :

: BD \To:

G :

?:

'!' :

P~SD?'::DT,..::;LPY

'l?!?~

1<;;:-1

Kg/Qn2

JCa..l/!<qa;:

S'1EI>,M 'IUP.srn

<So...•

1"';_'<:: t:?

1.92OG ;30T

o•..

21<':'

218.IIH

Ent.alpi

Hb

240

= 218.8 kcal/kg

= 190.58 x 218.85

= 41.7 x 10 kcal/jam

H = energi panas yang hilang karena pengat.uran suhu uap9masuk ke t.urbin

FloW' = 3.200kg/jam

Enlalpi

= 152kcal/kg

H

= 3200 x 152m = 0.4864 X 106 kcal/jam

= 4;864 x 105

H = energi panas yang dipakai unt.uk make up wat.erm

( perbaikan air )

Flow = 1920 kg/jam

Ent.alpi = 30 kcal/kg

Hm = 1920 x 30

= 57.6

Out. put = 50 k W. mak3. :

HR

Se-hingga

HRT

41.7.105- 12.81.105- 4.864.105+ 57.6.103)50.000

= 113.072 . 10650 . 10::1

859.9H,-,.!".

= 859,92,2614 . 103

= 0, 38 ( 38 Yo)

D::mgan cara yang sarna kemudian dapat. dihitung e!'isiensi

t.ermal PLTN PWR. BWR dan Candu. Berikut. ini adalah dat.a

efisiensi dari berbagai jenis PLTN yang t.elah beroperasi.

241

No.Jenis Buat.an T1

GE,

AEG - Kwu1.

PWR 30 %Hi t.achi

- Toshiba

West.ing house,

Kwu

2.BWRSiemens,Fransat.ome34 %

Mi t.subishiAECL

3.PHWRIt.ali 28 %

C

CANDU )Argent.ina

1. PWR

2. BWR

3. PHWR

Pickering Canada (1971), daya 500 MWCe)

Tl = 29,4 %p

Indian Power, daya 255 MWCe)

= 32 % bersih

Dresden AS. daya 180 MWCe)

..,...,= 28 7 %'Il '

V. KESI MPULAN

Penelit.ian ini bersifat. t.eorit.is dan belum t.unt.as.

Sebab unt.uk menghit.ung efisiensi suat.u.plant. PLTN PWR, BWR

dan CANDU harus diket.ahui secara det.ail

- perangkat. dan peralat.an yang dipakai

- suhu, t.ekanan dan debit. fluida kerja pada set.iap

peralat.an.

Lampir-an 1. Diaqr-c.ffi alir- powt:t--plant PL TN .IrJdian Point,

jenis PWR, I) =, 32 7.

Pressurizer

Electric•••~ heaters

Oil- fired

superheaters 2.200.000 Ibm/hr

370 psig1000° F

Turbine

Reactor vessel

1500 psig

Total flow

50x106 Ibm/hr

steamdrum

Deacrators

!\:I~N

...

...... 1,5inHg.c.

.c..c."-

"-" 5,9%moistureE

EE.a

.a~

0

0000 0000 00~t'I"I

..-r--00- ..-00~

Pri marypumps

---NUCLEAR STEAM GENERATOR

213° F

Feedwaterheater

Boiler teedpumps TURB INE PLANT

243

,­IIII

At •• - - - - - - •• --- - - - - - .,

~~ .: ,~15 '-------------"~ !~: 'lj ~~.! ----, J -~aJ C

0« - I ,o ~ "I I I~2 I I J

t I f II II I I 1I I I I,- -- I I I

.I!I.I!! I 1}I 'f er .L1 I I_I ~ J 1 I 4_g I ~ I ••'; ,I I~.f\01 ~- - t•....•.....I •• i I01 '" , .•.• ! I.. - -

.•. _ I - -------,., • T~, ~. rG I II, ,_J I... I. I IVt', ' I :;,- - - - - - -:!) .•.•.- - - .,

., & I ~I -tr\L<7"~I C I .1! I I c ~ I~I .1 'j ~ ~~ ,'~I-.-- a. L--;/ I ~, c~ 1'''---' f I 2 ~ ~~ f I

I ----------,'''. § <x" I"". g . I~I .'''~ g I.n nOh J,OO" - - I•••I , .""I ; "'1"1;000'HZ'~~1 :

I ~~ I IL_ ~ ~ I I~~ I Io ~ I IE •• I '

c l\,'-~ -"I II ~

- I 1I~ITI II ~-

toHc:illiJU1

iJJ

I..o

ZI­..JQ..

c:;-...

:1j

..CT!

OJ

c:(",~

.'!j .aE,~+J ~;lJ u1!11

..~,.,...

~

3(!j111 I...

InQ1

,~

iti

,...

.~ Qi

0'''"I

________ J

d~

. IJa'------ .....-----1;;1 ~ I~ la - --.. .• J~. L- \....

244

•..

F ~- ~

I.~T-~0"

~ .~~

cr' c ~ ~...•E ~ iL

(-J ~,.,:,I\ nr::I:lI

r. ~ ~~., • t:t

t"' \ ..Ju\JUI,... !! ~iQ..

Z ~, •...•..:;,:.,

: ~~ :-tE

I- "··~~I\ 0"'8

~u~ £-e...J

a ~x xitl,

rr==e;-=-:J-"

Q..I - "'0

II ;; ~- - '" 0WO'II 0"18

.:. c .:C " Ec::C ~ t ,

.1]

,~ S i8 '8 ;cu ::Ii ~ .9.::.:: o B 0;:;'U.' ,

C

-'"

11] .c IL 'u" ~ :;0., " .'

!lI•..

~U1

~ ~. ~....• a-"

u (I l,cr )~C

I<D

.'0

II§ :

V;..,

..

I> ~:- ~~-

- tJL.

? u:....• --1. "

11]l!: <:';

:~I

E0_

[,I]

II~r, ~il~jI...

1/1

crd

11]

':~,...

III iQ

..., onI -l <>.

I ..,

'2~. ~..)

C,1]'L...•QE11]...J

/

penterjemah Ir. Darwin

Konversi Energi. 1985.

245

ACUAN

1. Archi W. Culp, Ir. PhD. editor

Sitompul M. Eng. Prinsip-prinsip

penerbit Erlangga.

2. M. m. El-Wakil, Nuclear Energy Conversion. Copy right

1971. By International Textbook Company.

3. Hudi Hastowo, Sistem pembangkit uap Nuklir. Diklat Peren­

canaan Energi. 1988, Batan Pusat Jakarta.

4. Ir. Subaryadi. Ir. G. M. Tarigan. PLTU Minyak dan Gas.

Diklat Perencanaan Energi. 1988, Satan Pusat Jakarta.

5. Media Teknik, Edisi No. 2 tahun IX April - Juli 1987.

No. ISSN 0216 - 3012.

6. Energy Technology Handbook, Sec. 5 Nuclear Energy Techno­

logy. Magraw-Hill Book Copany.

TANYA JAWAB

1. Utaja :

Jawaban

Jika yane diLihat hanya efisiensinya C~) saja maka efisi­

ensi PLTU Lebih besar dari pada efisiensi PLTN.

~ PLTU batubara sekitar 40 %~ PLTU minyak & eas bisa 43-45 %~ PLTN sekitar 30-35 %

2. SULaiman :

Baeaimana kaLau efisiensi termaL dijadikan daLaffi bent~

biaya CmodaL) daLaffikWT/Rupiah ?

Jawaban

Bisa saja tetapi sULit karena harus ada asumsi-asumsi

yane banyak misaLnya harea bahan bakar setempat, biaya

s1..U'vey,pembebasan tanah, inves tas i baet mas t ne-mas ine

PLT yane saneat berLainan dsb.