REAKTOR TEMPERATUR TINGGI INCOGEN Pusat Pengembangan ...

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


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


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


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


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


-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


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


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


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


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

REAKTOR TEMPERATUR TINGGI INCOGEN Pusat Pengembangan ...

Documents

Transcript of REAKTOR TEMPERATUR TINGGI INCOGEN Pusat Pengembangan ...