PENGEMBANGAN TEKNIK PENANGGULANGAN GANGGUAN LISTRIK PADA OPERASI TUNGKU REDUKSI ME-ll. Achmad Suntoro Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir - BATAN

Transkripsi

1 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir PENGEMBANGAN TEKNIK PENANGGULANGAN GANGGUAN LISTRIK PADA OPERASI TUNGKU REDUKSI ME-ll Achmad Suntoro Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir - BATAN ABSTRAK Telah dibuat sebuah pengembangan rangkaian listrik untuk menanggulangi gangguan listrik padam dari PLN ketika operasi reduksi tungku ME-II dijalankan untuk mengakhiri operasi tungku secara aman. Ide dasar dari pengembangan ini adalah dengan memberi aliran listrik kepada komponen-komponen terkait yang diperlukan untuk sistem tungku agar dapat mengakhiri proses secara aman ketika gangguan aliran listrik PLN padam terjadi. Disain pengembangan ini dibuat dalam bentuk state-machine sehingga semua status selama proses tungku berjalan dapat terlihat dengan jelas. Makalah ini hanya membahas secara detail masalah supply listik akibat litrik PLN padam. Secara simulasi (terlepas dari sistem tungku) rangkaian listrik back-up ini telah dicoba dan bekerja sesuai dengan yang diharapkan. Proses konstruksi dan instalasi secara terpadu dan menyeluruh dalam sistem tungku ME-II sedang berjalan ketika makalah ini dibuat. Kata Kunci: Gangguan listrik PLN, proses reduksi, switching line-nol UPS. ABSTRACK A development of electrical circuits in a furnace system to overcome PLN electrical failure during a reduction process has been done to close-down the furnace operation safely. The basic idea of this development is to supply electrical energy to components that are responsible to end the reduction process in action safely if the PLN electrical failure happened. The design of this development is presented using a state-machine so that the flow and related protection due to the electrical failure will be clearly understood. This paper only discusses in detail the solving-poblem of electrical supply whenever PLN electrical failure happened. By simulation (tested in separated unit) the electrical system 13

2 Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir back-up works as required, while its construction and installation integratedly with other systems in the furncae system are being done at the time this paper writen. Keyword: PLN Electrical fault, Redusction process, Line-zero switching of UPS. 1. PENDAHULUAN Keselamatan kerja merupakan prioritas utama dalam segal a tindakan operasi, eksperimen, dan atau penelitian dalam lingkup kerja di instalasi nuklir. Penggunaan gas hidrogen pada proses reduksi, misalnya, memerlukan perhatian disain yang mendalam mengingat gas tersebut dapat menimbulkan ledakan pad a kondisi tertentu. Sistem keselamatan akibat gangguan listrik pada tungku reduksi ME-II di PTBN mengandalkan back-up sentral, yaitu gen-set cadangan yang akan segera aktif ketika gangguan listrik dari PLN terjadi (padam). Artinya sistem tungku ME-II ketika dibuat didisain untuk tidak boleh terjadi gangguan listrik ketika sistem tungku tersebut beroperasi. Dalam dunia instrumentasi nuklir, redundancy adalah metoda yang sering digunakan, bahkan ada yang diharuskan untuk menggunakannya dalam disain instrumentasi dalam rangka menanggulangi problematika keselamatan[l]. Sistem redundacy penanggulangan akibat gangguan sumber daya listrik dari PLN akan diterapkan pada sistem tungku ME 11 dengan memasang UPS (Uniterruptible Power Supply) hanya untuk komponen yang berhubungan langsung dengan proses penghentian operasi secara aman. State-machine sistem kelistrikan dari tungku ME-II menggunakan UPS akan diturunkan sehingga terlihat kerangka disain penanggulangan atas gangguan akibat aliran listrik yang mensuply ke sistem tungku tersebut. 2. BATASAN DISAIN PENGEMBANGAN (Design Requirements) Batasan umum (general requirement) disain kelistrikan sistem tungku ME-II adalah harus mampu memberi aliran listrik untuk menjalankan sistem tungku dalam operasi kalsinasi dan reduksi secara benar dan aman. Tiga prosedur kegiatan yang dikaitkan dengan gangguan listrik PLN padam merupakan batasan design yang akan dibahas dalam makalah ini. Bagan keterkaitan tiga prosedur terse but (A, B, dan C) serta 14

3 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir kemungkinan solusi teknik penanggulangan terhadap gangguan Iistrik digambarkan seperti pada Gambar 1. Ketiga parameter tersebut adalah sebagai berikut. KEMUNGKINAN GANGGUAN LlSTRIK-PADAM DARI PLN Gambar 1. Pengembangan teknik penanggulangan gangguan Iistrik. A. Prosedur persiapan operasi meliputi memberi masukan parameter operasi, kesiapan sistem untuk: udara tekan, gas nitrogen, gas hidrogen, gas elpiji, pendingin, dan proses vakum. Jika dalam status menjalankan prosedur persiapan terse but terjadi gangguan listrik-padam dalam waktu lama, maka prosedur persiapan tersebut harus diulang kembali dari awal. Tetapi jika padam nya hanya sebentar, tidak perlu diulang dari awal dan tergantung pada posisi prosedur awal yang sedang dijalankan saat gangguan terjadi. B. Prosedur saat operasi dimulai ketika operator mengaktitkan filamen tungku. Jika operasi tungku sedang berjalan dan terjadi gangguan listrik, maka sistem tungku harus diarahkan untuk dihentikan operasinya dengan mengikuti prosedur akhir operasi. Tetapi jika gangguan listrik tersebut hanya sebentar dan status persyaratan untuk tungku beroperasi tidak terganggu (ketika gangguan listrik telah berlalu) operasi tungku dapat dilanjutkan. c. Berakhirnya operasi sistem tungku ditandai dengan telah dilewatinya nilai parameter waktu operasi yang ditetapkan pada prosedur persiapan operasi, dan pada kondisi tersebut prosedur mengakhiri operasi harus dijalankan. Jika pad a kondisi tersebut 15

4 Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir terjadi gangguan Iistrik, maka prosedur mengakhiri operasi harns tetap dapat dijalankan. Ketiga prosedur tersebut harns diimplementasikan secara urut (skwensial), oleh karena itu rangkaian listrik untuk memfasilitasi ketiga prosedur tersebut harus dibuat dalam bentuk pengembangan terhadap rangkaian listrik yang telah ada pada sistem tungku. 3. PENGEMBANGAN Sistem kerja tungku reduksi ME-II didisain oleh pabrik pembuatnya untuk bekerja dengan kondisi tidak boleh terjadi gangguan listrik-padam. Sistem untuk mengatasi terjadinya gangguan listrik-padam akan dipasang pad a sistem tungku ME-II tersebut dengan menggunakan sebuah UPS (Uniterruptable Power Supply) hanya untuk komponen tungku sehingga sistem tungku dapat mengakhiri operasi tungku secara amanjika terjadi gangguan listrik padam dari PLN DISAIN KONSEP Untuk penyederhanaan penjelasan, maka didefinisikan status kondisi-awal tungku, yaitu kondisi sistem tungku ketika sedang tidak digunakan. Kondisi ini ditandai dengan putusnya semua hubungan kelistrikan, aliran gas, dan sistem pendingin ke tungku oleh alat pemutus yang tersedia pada sistem tungku tersebut. Kondisi-awal ini dimasuki jika sistem tungku harus beristirahat karena sedang tidak digunakan atau setelah selesai digunakan. Sehingga setiap prosedur awal operasi akan dimulai dari kondisi-awal ini. Ada dua jenis gangguan listrik yang akan ditanggulangi dalam disain pengembangan ini. Pertama, listrik padam dalam waktu singkat (kurang dari 3 menit) untuk kemudian hidup lagi. Kedua, listrik padam dalam waktu lama (lebih dari 3 menit). Angka 3 menit tersebut bersifat variabel yang merupakan perkiraan waktu yang diperlukan untuk mendorong gas hidrogen di dalam tungku keluar tungku dan dibakar. Potensi bahaya akibat gangguan listrik-padam yang harus menjadi perhatian terletak pada penggunaan gas hidrogen[2] dan elpiji[3]. Tetapi kedua katup gas tersebut telah 16

5 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir didisain bersifat normally close, sehingga potensi bahaya akibat gangguan listrikpadam telah teratasi. Pada status persiapan operasi, katup gas hidrogen akan selalu tertutup karena belum saatnya untuk dibuka, dan status katup gas elpiji bisa pada posisi tertutup ataupun terbuka. Jika katup elpiji telah terbuka maka katup tersebut didisain untuk dapat tetap terbuka (oleh UPS) pada selang waktu tertentu meskipun terjadi gangguan listrik-padam. Diagram state-machine prosedur persiapan operasi dan ketika operasi dalam disain ini ditunjukkan pada Gambar 2. Prosedur persiapan operasi ~ Tindakan operator pindah status prosedur Status prosedur: A Memasukkan parameter operasi tungku B. Mengaktifkan sistem pendingin, udara tekan, dan supply gas nitrogen. C. Proses vakum D. Buka katup manual gas elpiji. E. Buka katup manual gas hidrogen. F. Mengatur tekanan dan aliran gas. G. Buka katup elpiji. H. Sistem tungku beke~a untuk proses reduksi I. Prosedur menghentikan sistem tungku secara normal. J. Prosedur menghentikan sistem tungku secara emergency. Perpidahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu lama Perpindahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu sebentar Prosedur ketika operasi Gambar 2. State-machine persiapan dan saat operasi. Ada dua kemungkinan untuk mengakhiri operasi reduksi yang sedang berjalan (I dan J pada Gambar 2), yaitu secara normal dan secara emergency. Penghentian secara normal terjadi apabila tidak ada muncul gangguan selama operasi tungku sampai pada status tungku untuk dihentikan beroperasinya, karena proses telah selesai. Namun demikian harus diantisipasi jika pada status penghentian secara normal terse but terjadi gangguan listrik padam. Sedangkan penghentian sistem tungku secara emergency terjadi jika gangguan listrik PLN padam ketika sistem tungku sedang 17

6 Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir beroperasi, atau karena suatu gangguan lain dan dengan sengaja operator hams menghentikan operasi sistem tungku. State-machine untuk mengakhiri proses operasi ditunjukkan dengan Gambar 3. nonnal tungku berisi gas nitrogen emergensi Status Drosedur: K. Putar OFF switch filamen tungku dan tutup katup gas hidrogen. L. Tutup katup manual gas LPG dan tekan switch reset. M. Menunggu suhu dalam tungku turun mencapai < 80 C. N. Mengosongkan dengan pompa vakum kemungkinan gas hidrogen yang tersisa dalam pipa-pipa sistem tungku. O. Tutup katup manual gas nitrogen dan udara tekan, putar OFF switch utama listrik dari PLN ke sistem tungku. P. Atur sistem tungku pada posisi kondisi awal, sistem tungku selesai beroperasi dalam status emergensi. Q. Dengan switch yang tersedia atur sehingga gas yang mengalir ke tungku adalah nitrogen untuk menggantikan gas hidrogen. putar OFF switch fila men tungku, dan tutup katup gas hidrogen. R. Menunggu hingga semua gas hidrogen dalam tungku telah keluar semua (3 menit). -+ Tindakan operator pindah status prosedur ~ Perpidahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu lama ~ Perpindahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu sebentar Gambar 3. State-machine mengakhiri operasi. Gangguan listrik pad am sebentar tidak mempengamhi proses untuk mengakhiri operasi sistem tungku sehingga operasi sistem tungku dapat diakhiri secara sempuma, sampai ke status selesai. Untuk gangguan Iistrik dalam waktu lama, operasi sistem tungku diarahkan berakhir dalam status selesai-emergensi, yaitu operator membah status tungku ke kondisi awal dan selesai secara emergensi. Status selesai-emergensi berarti j ika nanti listrik PLN telah normal hidup kembali, maka sebuah prosedur hams dilakukan agar sistem tungku benar-benar pada posisi status selesai. Status selesai-emergensi diciptakan karena untuk antisipasi keberadaan gas hidrogen sisa di dalam pipa-pipa sistem tungku disebabkan status N tidak dapat diselesaikan secara sempuma akibat gangguan Iistrik tersebut. Penghentian operasi tungku secara emergensi diawali dengan putusnya aliran listrik ke sistem tungku. Hal ini terjadi jika operator tungku menekan switch emergency atau rangkaian listrik yang didisain khusus untuk mengaktifkan switch emergensi terse but meskipun tidak ditekan oleh operator. Ada dua kondisi penting yang hams dibedakan dalam tindakan penghentian secara emergensi ini, status tungku berisi gas 18

7 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Pcrangkat Nuklir hidrogen atau gas nitrogen. Status Q dan R pada Gambar 3 dilakukan agar gas hidrogen dalam tungku telah diddorong keluar dari tungku dan dibakar Prosedur Mengatasi Status Selesai-Emergensi Prosedur berikut ini harus dilakukan karena sistem tungku sebelumnya tidak dapat diakhiri secara normal karena terjadi gangguan listrik PLN dalam waktu yang lama. Kondisi tersebut diarahkan untuk tungku menjadi pada status selesai-emergensi. Hal ini ditandai dengan masih adanya gas hidrogen yang terkukungkung dalam ruang tungku dan atau dalam pipa-pipa sistem tungku yang belum bisa dikeluarkan karena gangguan listrik dari PLN tersebut. Dari status selesai-emergensi Status prosedur: S Putar ON switch saluran listrik ke sistem tungku dari PLN T. Buka katup manual gas nitrogen dan LPG. U. Tekan switch pengatur keluar gas LPG dan secara otomatis gas LPG terbakar. V. Tekan switch katup saluran keluar tungku. W. Menunggu semua gas hidrogen dalam tungku keluar (3 menit). X. Tutup katup manual gas LPG dan tekan switch reset. Y. Proses vakum. Z. Putar OFF switch saluran listrik ke sistem tungku dari PLN dan tutup katup manual gas nitrogen. --. Tindakan operator pindah status prosedur --.. Perpidahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu lama Perpindahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu sebentar Gambar 4. State-machine mengakhiri status selesai-emergensi. State-machine pada gambar 4 digunakan untuk tujuan mengakhiri status selesaiemergensi, yang pad a prinsipnya hanya membuang keluar gas hidrogen dan membakamya di ruang bakar dengan cara mendorongnya dengan gas nitrogen. 19

8 Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 3.2. DISAIN DASAR Hal utama yang harus diatasi dalam pengembangan teknik penanggulangan gangguan Iistrik ini adalah membuat cadangan (back up) sumber Iistrik untuk komponenkomponen dalam sistem tungku yang bertanggung jawab sesuai dengan statemachine yang digambarkan di atas. Dari skematik diagram sistem tungku ME-II [4] dapat di disain sistem aliran supply listrik untuk sistem pengembangan ini seperti pada Gambar 5. Sistem tungku memiliki sumber tegangan AC 220V dan II OV serta DC 12V dan 24V. LI AC/DC 24V 12V --I -L22 ll. z... DC2 D 1 GND LI h 220V I IIOV 2 Switch h: close untuk reduksi open untuk kalsinasi I.l Gambar 5. Rangkaian dasar supply kelistrikan penanggulangan gangguan Iistrik. Dari pelacakan skematik yang telah dilakukan, dapat diketahui bahwa supply listrik yang bertanggung jawab untuk implementasi state-machine dalam konsep disain diatas adalah tegangan listrik DC I, DC2 dan 27U seperti pad a Gambar 5. Oleh karena itu sistem UPS dipasang hanya untuk ketiga jenis tegangan tersebut. Line-27U digunakan untuk tetap mensupply katup LPG dan katup saluran keluar tungku, sehingga pembakaran gas yang keluar dari tungku tetap terjadi meskipun ada ganguan dari PLN. Tegangan DC digunakan untuk pengendalian penyalaan api LPG dan aliran gas DISAIN DETIL Implementasi dari basic disain Gambar 5 digunakan UPS umum yang mudah diperoleh di pasaran. Kesulitan yang dihadapi dalam penentuan jenis UPS yang disesuaikan dengan rangkaian Iistrik yang telah ada pada sistem tungku adalah 20

9 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir sebagai berikut. Tegangan AC yang harus disediakan untuk rangkaian listrik penanggulangan ini bertegangan 110 Volt sedangkan sistem UPS yang ada dipasaran pada umumnya bekerja untuk tegangan 220 Volt dan mempunyai line-no I antara input dan output UPS terhubung. Penggunaan transformator step-down 220V ke 110V bisa dilakukan, tetapi transformator step-down yang tersedia di pasaran juga mempunyai line-nol antara kumparan primer dan sekundemya terhubung (karena menggunakan sistem autotravo). Untuk itu rangkaian listrik tambahan menggunakan sistem relay digunakan untuk mengatasi kesulitan tersebut. Detail rangkaian ditunjukkan pada Gambar 6 menggunakan relay RI dan R2 untuk mengatasi masalah line-nol UPS dan autotravo yang ada di pasaran. Tidak semua detail rangkaian untuk implementasi state-machine dari konsep disain akan dimuat dan dibahas dalam makalah ini, hanya yang berkaitan dengan implementasi Gambar 5 saja. Implementasi untuk pemasalahan penyalaan dan pembakaran gas LPG dan hidrogen telah dibahas di [5]. LI ~. h L RI 220 Volt 110 Volt LI 27U redu1:.si: close +24V DCl 3 Amp 2 L2 2 L2 Gambar 6. Detail rangkaian supply kelistrikan penanggulangan gangguan listrik. 21

10 Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir UPS tidak bekerja secara kontinyu dan hanya dipakai sebagai backup, kondisi ini dijalankan menggunakan relay R I-<D. Line-nol UPS akan terhubung dengan L2 yang berarti UPS di-isi oleh listrik PLN dan line-phase UPS terputus dari 27U jika listrik PLN aktif (tidak padam). Jika V3 ditekan maka R2 aktif dan UPS telah siap menjadi backup. Rangkaian sistem kendali yang berkaitan dengan state-machine dalam konsep disain ini menjadi aktif, yaitu dipicu oleh relay CS. (Detail rangkaian akibat aktifnya relay CS dapat dilihat di [6]) Relay R2 digunakan untuk menampung jika operator menekan switch emergensi yang menghendaki sistem tungku harus berhenti operasi, dan R2 yang menyebabkan UPS tidak aktif mensupply listrik jika switch emergensi ditekan. (Relay CE diaktifkan oleh switch emergensi). Saklar g dan h berkaitan dengan switch Oksidasi-Reduksi, akan tertutup jika operasi reduksi. Untuk operasi reduksi relay PW aktif dan digunakan untuk keperluan proses vakum dan lampu indikator UPS. Relay PW dipakai sebagai proteksi bahwa proses vakum hanya bisa dijalankan untuk proses reduksi. (Detail rangkaian listrik sistem vakum dapat dilihat di [6]). Relay ZV akan aktif hanya jika relay PC aktif. Relay PC akan aktif jika proses vakum telah mencapai tekanan yang diinginkan. Jika proses vakum belum dijalankan, maka relay R2 dan CS tidak akan pernah aktif sehingga proses reduksi tidak bisa dilaksanakan. Kondisi ini dibuat sebagai proses skwensial interlock untuk keselamatan operasi. Jika listrik PLN padam RI akan OFF sehingga 27 disupply dari UPS menjadi 27U, line-nol UPS putus dari L2 tersambung ke 2 yang merupakan line-nol tegangan IIOV, dan indikator UPS nyala indikator listrik PLN padam. Kondisi ini juga mengaktifkan komponen delay DL #1 (lihat [6]) yang diatur 3 menit untuk memberi kesempatan gas yang ada dalam tungku didorong keluar oleh gas nitrogen dan dibakar di luar tungku, sebelum sistem tungku dihentikan bekerja akibat padamnya PLN tersebut. Jika listrik PLN ada maka Rl akan ON sehingga 27 di supply dari PLN kembali dan indikator UPS padam dan indikator listrik PLN nyaja. 22

11 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Jika Push-OFF RST ditekan maka berakibat akan menghentikan aliran listrik DC selama ditekan. Kondisi ini akan membuat relay R2 dan CS pada posisi OFF, sehingga hal ini identik dengan ketika untuk pertama kali switch power utama dari PLN di aktifkan ANALISIS Sebagai akibat UPS digunakan tidak secara kontinyu dan hanya dipakai sebagai cadangan, maka akan berakibat terjadi gap kehilangan tegangan listrik secara singkat selama waktu yang diperlukan kontak relay R I berpindah posisi. Dari segi keperluan akan daya listrik untuk menjaga agar katup aliran gas keluar dan gas LPG tetap terbuka, terjadinya gap tersebut tidak menjadi masalah. Menutup dan membuka kembali katup secara singkat tidak menjadi masalah bagi rangkaian pemantik dan pembakar gas LPG karena telah didisain untuk dapat mengtasinya, sehingga kondisi gap terse but boleh terjadi. Keuntungan dibalik terjadinya gap aliran listrik tersebut adalah bahwa sistem UPS hanya bertindak sebagai cadangan, sehingga dalam operasi reduksi tetap bertumpu pad a Iistrik PLN. Sehingga jika sistem UPS terjadi kerusakan dalam operasi reduksi tersebut, hal ini tidak akan mempengaruhi operasi tersebut karena sistem UPS hanya digunakan jika listrik PLN padam. Pertimbangan keuntungan inilah yang dijadikan acuan dipilihnya UPS bekerja tidak kontinyu dan digunakan hanya sebagai cadangan. 23

12 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Pcra IgJ.:atNuklir Serpong, 20 Nopembcr KESIMPULAN Dengan menggunakan teknik pengembangan dalam mengatasi gangguan listrik padam dari PLN seperti yang dirancang dalam makalah ini, maka sistem redundansi atas operasi reduksi sistem tungku ME-II terhadap gangguan listrik padam PLN tersedia untuk mengakhiri operasi tungku secara aman. Makalah ini hanya membahas detail disain rangkaian listrik yang berkenaan dengan penyediaan supply listrik yang telah melibatkan penggunaan sistim cadangan UPS dengan mengatasi masalah linenol pada UPS dan autotravo. Proses simulasi diluar sistem tungku secara menyeluruh telah dilakukan dan dapat berjalan sesuai dengan yang diinginkan. Ketika makalah ini ditulis, proses konstruksi dan pemasangan sistem pengembangan ini secara menyeluruh sedang berjalan. 5. REFERENSI 1. laea, Nuclear Power Plant Instrumentation and Control - A Guidebook., Technical Reports Series No. 239., Interational Atomic Energy Agency, Vienna, ES & H Manual, Volume II, Part 18, Document 18.4 Hydrogen, Revision 3, January 12, LPG FOR YOU, 4. Alamari., Operation Directions for the Furnace Type RM/20., SATAN RSG-LP Quality Lifetime Document., , Suntoro A, Pemantik 6. Suntoro A, Dokumen Tekis Operasi dan Hasil Modifikasi, Modifikasi Kendali Logik (Switching) Tungku ME-II, revisi 0,