DISAIN DAN ANALISIS UNJUK KERJA KATUP PENGATUR ALIRAN UAP PADA PLTN AP600

Transkripsi

1 B. Bandriyana, dkk. ISSN DISAIN DAN ANALISIS UNJUK KERJA KATUP PENGATUR ALIRAN UAP PADA PLTN AP600 B.Bandriyana PSRM-BATAN Utaja PPN-BATAN ABSTRAK DISAIN DAN ANALISIS UNJUK KERJA KATUP PENGATUR ALIRAN UAP PADA PLTN AP600. Disain dan analisis unjuk kerja katup pengatur dilakukan untuk memenuhi operasi pengaturan aliran uap akibat perubahan beban pada turbin. Disain katup didasarkan pada harga koefisien aliran katup (C v) yang dihitung menurut rumusan dari standard ISA (Instrument Society for America s) yang digunakan untuk acuan dalam disain katup PLTN AP600. Unjuk kerja katup dalam mengatur aliran uap dianalisis berdasarkan kurva yang menunjukkan hubungan antara masa aliran uap dan prosentase C v. Perhitungan C v dilakukan dengan iterasi menggunakan program yang disusun dalam bahasa Visual Basic. Hasil perhitungan dan analisis unjuk kerja menunjukkan bahwa katup tipe Globe kelas 900 dengan diameter bodi 1 inch (30,48 cm) dan kelas 1500 dengan diameter bodi 16 inch (40,64 cm) memenuhi persyaratan disain dan pengaturan operasi aliran uap ke turbin masing-masing untuk kondisi penurunan tekanan sebesar 00 dan 400 kpa. Dari kurva linearitas katup diperoleh daerah pengaturan yang baik untuk katup pengatur pada prosen C v antara 10 sampai 40% dengan masa aliran uap dari 1,5x10 5 sampai 7x 10 5 kg/jam. Kata Kunci: katup pengatur, koefisien aliran katup ABSTRACT DESIGN AND PERFORMANCE ANALYSIS OF STEAM FLOWRATE CONTROL VALVE FOR AP600 NUCLEAR POWER PLANT. Design and performance analysis of steam control valve was performed to comply with the control of steam flowrate operation which was caused by the change of turbine load. The design of valve type was based on the valve coefficient, C v which was calculated based on the standard and formulation of ISA (Instrument Society for America s). The valve performance on controlling the steam flowrate were analyzed based on the valve curve which showed the relation of the mass flowrate as a function of C v percentage. The calculation of C v was done by iteration using a Visual Basic program. Results of calculation and performance analysis yielded Globe Valve of 900 class with 1 inch of body diameter and 1500 class with 16 inch of body diameter that comply with the design requirements on the condition of pressure droped of 00 and 400 kpa each. Based on the valve linearity curve, the optimal control of valve obtained in the range of C v percentage of 10 to 40% with the steam mass flowrate of 1,5x 10 5 to 7x10 5 kg/hours. Key Words: control valve, valve flow coefficient. PENDAHULUAN K atup pengatur (control valve) merupakan komponen penting dalam PLTN yang berfungsi untuk mengatur aliran uap saat terjadi transien akibat perubahan beban pada turbin. Pada kondisi ini aliran uap ke turbin diatur dengan prosen membuka atau menutup katup pengatur. Masalah pokok dalam pengaturan aliran uap ini adalah pemilihan tipe dan dimensi katup yang memenuhi persyaratan aliran uap pada katup saat masuk turbin dan persyaratan kebisingan (noise) akibat perubahan aliran fluida dalam katup, di samping persyaratan disain dari segi kekuatan mekanik dalam sistem pemipaan. Berdasar fungsi dan kondisi yang khusus ini katup pengatur uap harus didisain dengan keselamatan tinggi. Di samping itu untuk menjamin keandalan dan keselamatan operasi, perlu dilakukan analisis unjuk kerjanyanya sehingga diperoleh hasil disain optimal dari segi proses pengaturan aliran uap.

2 198 ISSN B. Bandriyana, dkk. Makalah ini memuat teknik perhitungan dalam menentukan tipe dan ukuran katup pengatur pada PLTN AP600 dan analisis unjuk kerja operasinya dalam memenuhi keselamatan proses dan disain. Metode yang digunakan didasarkan pada rumus dari standarad ISA (Instrument Society for America s) yang digunakan untuk disain katup PLTN AP600. Rumus yang digunakan merupakan penjabaran dari rumus dasar aliran gas dalam katup dan pengalaman eksperimen pengujian katup. Untuk membahas unjuk kerja katup dilakukan perhitungan tingkat linearitas katup dalam mengontrol aliran pada setiap kondisi beda tekanan akibat perubahan beban turbin. Kurva linearitas merupakan kurva yang menunjukkan hubungan antara besarnya masa aliran dengan prosen pembukaan katup. Perhitungan dan pembuatan kurva linearitas dilakukan dengan iterasi menggunakan program komputer yang ditulis dengan program Visual Basic. Selanjutnya dari hasil perhitungan dan analisis dapat ditentukan tipe dan ukuran katup yang digunakan dengan mengacu pada data katalog katup. Teknik perhitungan dan analisis unjuk kerja katup diharapkan dapat memberikan data masukan dalam analisis keselamatan pada disain proses PLTN. DASAR TEORI Katup Pengatur Dalam PLTN Katup pengatur aliran uap pada PLTN- AP600 terletak pada pipa utama di antara pembangkit uap dan turbin seperti disajikan pada Gambar 1. Aliran uap yang melewati katup diatur sesuai dengan perubahan beban yang terjadi pada turbin. Aliran pada katup dianggap berlangsung secara adiabatik, aliran pada turbin dapat didekati dengan termodinamika aliran pada nosel untuk daerah sub sonik dengan proses isentropik. [1] Besaran-besaran pokok yang berpengaruh dalam disain katup adalah: kondisi masuk dan luaran katup, sifat uap dan nosel turbin. Rumusan Disain Katup Pengatur Disain dan pemilihan katup dalam PLTN AP600 sesuai standard ISA dan didasarkan pada rumus aliran uap pada katup sebagai berikut: [] w N F C Y x (1) 1 p v p 1 Harga F p dan Y merupakan fungsi koefisien aliran katup (C v ) dan fungsi geometri katup pada kondisi terkoreksi faktor bentuk dan dapat dihitung dengan rumus berikut: K N Cv 0,5 Fp ( 1 ) () N 3 4 d Gambar 1. Skema posisi katup pengatur dalam sistem PLTN AP600.

3 B. Bandriyana, dkk. ISSN dengan w x F Y (1 3 F k p x T xt K C ) ( N 1 v 4 3 d = aliran massa / uap (kg/ jam) = masa jenis uap (kg/m 3 ) C v d p 1 x = koefisien aliran katup = diameter bukaan katup (m) 1) 1 (3) = tekanan uap total pada sisi masuk katup (kpa) = rasio beda tekanan terhadap tekanan statik pada sisi masuk (p/p 1 ) F p = faktor koreksi geometri Y = faktor ekspansi fluida oleh pengaruh kompresi K = jumlah rugi tenaga (head) akibat kecepatan dan geometri sistem pemipaan x T = konstanta tipe katup = koefisien politropik = 1,6 F k = / 1,4 N, N 1, N dan N 3, konstanta numerik untuk kesesuaian satuan dalam perhitungan Disain yang aman dari aliran kritis yang menyebabkan terjadinya kondisi tercekik (choked) dapat dipenuhi dengan besarnya penurunan [, 3] tekanan dibawah maksimum (p/p 1 ) < (F k x TP ). Tipe dan ukuran dari katup didasarkan pada harga koefisien katup maksimum (C v ) yang diperoleh dari hasil penyelesaian persamaan (1), () dan (3) dan persyaratan aman dari kondisi choked. Dari persamaan yang saling berhubungan dengan fungsi koefisien aliran, penyelesaian persamaan untuk menghitung harga C v dapat dilakukan dengan metode coba-coba (trial and error). Masa uap yang lewat katup pengatur harus sama dengan uap yang masuk nosel turbin. Masa uap yang lewat nosel ditentukan dengan rumusan [4, 5] sebagai berikut: 0,5 ( 1) ( ( AP ) i P P w 0,5 ) (4) ( RT ) ( 1 Pi P i i dengan A = luas lubang tersempit saat keluar nosel, (m ) P = tekanan uap nosel (Pa) P i = tekanan uap saat masuk nosel (Pa) R T i = konstanta uap = suhu masuk nosel ( o K). Berdasarkan rumus (4) dan (1) dapat disusun kurva linearitas katup pada setiap harga penurunan tekanan untuk setiap harga C v yang memenuhi persyaratan. METODE DAN TATA KERJA Disain Katup Pengatur Disain katup pengatur yang dilakukan dengan menghitung harga C v berdasarkan rumus (1), (), dan (3), mengikuti alur logika seperti ditunjukkan dalam diagram alir Gambar.

4 00 ISSN B. Bandriyana, dkk. Perhitungan dimulai dengan mengambil data masukan meliputi: data operasi, data uap, dan data sistem pemipaan seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Data operasi diambil dari data disain PLTN AP600. Data uap diambil dari standar untuk uap jenuh selama melewati katup, sedangkan data pemipaan diambil dari disain sistem pemipaan untuk aliran uap. Untuk awal perhitungan iterasi ditentukan harga C v katup yang diambil dengan perkiraan berdasar data operasi dan rumus pendekatan menurut standar ISA dengan tidak memperhatikan kondisi pemipaan. Tabel 1. Data masukan untuk perhitungan C v katup pengatur PLTN AP600. [1] Masa uap (w) Tekanan uap masuk katup (p 1) Beda tekanan (p) Gambar. Alur perhitungan penentuan harga C v kg/ jam 5800 kpa 00 dan 400 kpa Koefisien politropik () 1, Diameter pipa sebelum katup (D 1) Diameter pipa sesudah katup (D ) Kecepatan aliran (v) 0,5 m 0,5 m 50 m/ detik rumus (1), (), dan (3) dengan menyamakan besarnya masa aliran uap. Hasil akhir dari iterasi menghasilkan harga koefisien aliran katup maksimum (C vmax ) yang memenuhi persyaratan disain untuk proses aliran uap pada katup. Perhitungan iterasi untuk men-dapatkan harga C v dilakukan dengan menggunakan program yang disusun menggunakan bahasa Visual Basic. [6] Perhitungan disain dilakukan untuk tipe katup globe dan angle yang banyak digunakan untuk pengaturan aliran. [7] Perhitungan menggunakan data masukan dari Tabel 1 untuk kondisi beda tekanan 00 dan 400 kpa, masing masing dengan harga konstanta katup x T = 0,6 dan 0,75. Analisis Unjuk Kerja Untuk menentukan unjuk kerja katup dilakukan dengan memilih penurunan tekanan (p/p 1 ) untuk persamaan (1) dan (4) dengan masa uap yang sama. Perhitungan dilakukan dengan program KATUP mengacu pada data unjuk kerja turbin dalam penentuan titik kerja pembangkit uap dengan beban turbin pada PWR. [8] Dari hasil perhitungan dapat disusun kurva linearitas katup yang menunjukkan hubungan antara aliran masa uap terhadap prosen C v untuk berbagai tipe katup. Dari kurva ini dapat dilakukan analisis unjuk kerja katup sebagai kontrol aliran uap ke turbin. Selanjutnya penentuan harga C v maksimum yang terkoreksi setelah dipasang pada sistem pemipaan dapat dilakukan pada beberapa tipe katup dengan harga konstanta katup (x T ) yang diambil dari data katalog katup. Perhitungan dilakukan dengan iterasi untuk penyelesaian simultan dari HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan didasarkan alur perhitungan seperti ditunjukkan pada Gambar, dengan data masukan dari Tabel 1 dan data dari

5 B. Bandriyana, dkk. ISSN katalog katup. Hasil yang diperoleh adalah: harga Cv untuk tipe globe sebesar 4990 dan 3000 masing-masing pada penurunan tekanan 00 dan 400 kpa. Harga C v tersebut digunakan sebagai dasar dalam perhitungan dan penentuan unjuk kerja katup yang ditunjukkan pada kurva linearitas katup. Kurva linearitas katup untuk tipe globe yang menunjukkan hubungan masa sebagai fungsi prosen C v ditunjukkan pada Gambar 4. Tabel. Spesifikasi katup pengatur tipe globe untuk p =00 dan 400 kpa. [9] Geometri dan besaran katup p =00 kpa p =400 kpa Koefisien aliran,c v Karakteristik aliran linear linear Kelas Kode Disain ELD EHD Diameter bodi 16 inch 1 inch Tipe trim ported plug ported plug Diameter port 14 inch 10 inch Total travel 6 inch 4 inch Berdasar analisis dari kurva linearitas dengan mengacu pada katalog katup ditentukan spesifikasi teknik untuk katup tipe globe yang memenuhi persyaratan disain seperti ditunjukkan pada Tabel. [9] Bentuk dan geometri katup tipe globe ditunjukkan pada gambar sketsa katup pada Gambar 3. [10] Gambar 3. Sketsa katup tipe globe. [10]

6 0 ISSN B. Bandriyana, dkk. Gambar 4. Kurva linearitas katup tipe globe dengan p= 00 dan 400 kpa. Dari hasil perhitungan untuk katup tipe angle dengan parameter tipe katup, x T = 0,75 menghasilkan unjuk kerja yang hampir sama dengan unjuk kerja katup tipe globe dengan x T = 0,6. Pada beda tekanan, p= 00 kpa, tipe angle dan globe mempunyai linearitas yang dapat dikatakan berimpit, tetapi untuk beda tekanan 400 kpa terjadi sedikit perbedaan unjuk kerja seperti dinayatakan pada Gambar 5. Gambar 5. Kurva linearitas katup pengatur tipe globe dan angle, p= 4 00 kpa. Dari data teknis dan spesifikasi katup pada Tabel, untuk tipe globe dengan penurunan tekanan 00 kpa digunakan katup dengan ukuran diameter bodi 16 inch (40,64 cm), sedang untuk penurunan tekanan 400 kpa menggunakan katup dengan ukuran diameter 1 inch (30,48 cm). Batas penurunan tekanan ini dipengaruhi oleh nosel turbin dan berkisar antara 00 sampai dengan 400

7 B. Bandriyana, dkk. ISSN kpa. Dari segi ukuran katup, semakin kecil penurunan tekanan akan memerlukan ukuran diameter yang semakin besar sehingga harga menjadi semakin mahal. Masalah penting yang perlu diperhatikan dalam penentuan katup pengatur aliran uap adalah linearitas yang terjadi pada katup yang dapat diamati dengan kurva linearitas seperti ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5. Dari Gambar 4 diketahui tingkat linearitas untuk katup tipe globe juga dipengaruhi oleh besarnya penurunan tekanan. Untuk penurunan tekanan 00 kpa, daerah linear terjadi pada prosen pembukaan katup atau prosen C v dari 10 sampai 30% dengan masa dari,75 x 10 5 sampai 14,30 x 10 5 lb/ jam (1,5x 10 5 sampai 6,5x10 5 kg/ jam). Untuk penurunan tekanan 400 kpa, daerah linear terjadi pada prosen pembukaan katup atau prosen C v dari 15 sampai 40% dengan masa dari,75 x 10 5 sampai 15,4 x 10 5 lb/ jam (1,5 x 10 5 sampai 7x10 5 kg/ jam). Daerah linear pada kurva ini memberikan kenaikan masa yang kontinu dan sebanding dengan prosen pembukaan katup. Daerah linear yang kontinu dengan rentang 10 sampai dengan 40% pembukaan katup ini cukup baik untuk perencanaan instrumen dan kontrol aliran uap. Dibandingkan pada penurunan tekanan 400 kpa, pada penurunan tekanan 00 kpa, respon pertambahan masa makin besar tetapi rentang daerah linear semakin sempit. Pada penurunan tekanan 00 kpa ini harga C v maksimum atau ukuran katup yang diperlukan lebih besar. Jadi untuk tipe katup yang sama, dengan ukuran katup yang lebih besar dapat dihasilkan penurunan tekanan yang kecil dengan perubahan laju masa lebih besar, tetapi diperlukan biaya lebih besar dan daerah linear yang semakin sempit. Dibandingkan dengan jenis dan tipe katup yang lain, tipe globe dan tipe angle lebih baik dari segi ukuran maupun unjuk kerjanya. Dari kurva pada Gambar 5 untuk suatu prosen pembukaan katup yang sama tipe angle memberikan kenaikan masa yang lebih besar dibanding globe sehingga lebih cepat dalam memberi respon terhadap perubahan beban. Tetapi dari segi harga, tipe angle secara umum lebih mahal dibandingkan dengan tipe globe terlebih untuk ukuran diameter lebih besar 6 inch. Pilihan lain yang lebih murah untuk katup dengan diameter besar adalah tipe butterfly. Tipe butterfly akan memberi respon aliran lebih besar tetapi cenderung menunjukkan karakteristik aliran quick flow sehingga lebih susah dalam instrumen kontrolnya dibanding tipe globe dan angle yang karakteristik alirannya mendekati linear. Masalah lain yang perlu diperhatikan dalam penentuan tipe dan geometri katup adalah besarnya noise yang ditimbulkan. Berdasar perhitungan noise dengan rumus dan teknik dari standar ISA dengan katup tipe globe ini, untuk diameter pipa sebelum dan sesudah katup sebesar diatas 8 inch (0,3) cm dengan skedul pipa 40 menghasilkan noise sekitar 80 dba. [4] Untuk menurunkan noise dapat digunakan pipa dengan skedul 80 yang menghasilkan noise sekitar 76 dba. Mengingat batas persyaratan noise maksimum yang diperbolehkan sampai dengan 85 dba, maka tipe katup globe dengan data teknis seperti pada Tabel memenuhi persyaratan disain untuk pengaturan [, 4] aliran uap ke turbin. Dari hasil disain dan analisis unjuk kerja dapat dikatakan bahwa tipe katup globe memberi banyak kelebihan dan dapat dipilih sebagai katup pengatur aliran uap ke turbin PLTN AP600. Tipe katup ini sesuai dengan tipe katup yang digunakan pada disain dasar katup pengaturan aliran uap PLTN AP600 seperti ditunjukkan pada gambar PID (Process Instrumentation Diagram). KESIMPULAN Disain untuk menentukan tipe dan ukuran katup pengatur aliran uap telah dilakukan dengan menghitung harga koefisien aliran uap, C v. Unjuk kerja katup telah dianalisis berdasarkan kurva linearitas untuk berbagai macam tipe dan ukuran katup pada berbagai macam besaran operasi katup. Untuk data operasi dan data disain PLTN AP600, tipe katup globe dengan harga C v = 3310 sampai dengan 5450 merupakan pilihan yang baik yang memenuhi persyaratan disain dan operasi untuk katup pengatur aliran uap ke turbin. Karakteristik aliran pada penurunan tekanan 00 sampai kpa, bersifat linear dengan daerah prosentase pembukaan katup 10 sampai 40% sehingga dapat dilakukan kontrol aliran dengan baik. DAFTAR ACUAN 1. ANONIM, AP600 Plant Design Criteria, GW- G1-001 Revision 4-Westinghouse Energy Center, ANONIM, Flow Equation for Sizing Control Valve, Instrument Society of America (Standard ISA-S ), North Carolina USA, ANONIM, ISA Handbook of Control Valves, Instrument Society of America, PA, 1976.

8 04 ISSN B. Bandriyana, dkk. 4. ANONIM, Guidelines for the Selection and Application of Power Plant Control Valves, Electric Power Research Institute-EPRI, California, ANONIM, Control Valve Capacity Test Procedure, ANSI/ISA S75.0, Instrument Society of America, NC, ANONIM, Power Basic Reference Guide, Power Basic Inc, Brentwood USA, WAYNE ULANSKI, Valve and Actuator Technology, McGraw-Hill, Inc. NY, UTAJA, Perhitungan Penentuan titik kerja pembangkit uap dengan beban turbin pada PWR, Seminar Nasional ke-10 Teknologi dan Keselamatan PLTN serta Fasilitas Nuklir, Jakarta, ANONIM, Fisher Valve Catalog, Fisher Control International Inc, USA, ANONIM, AP600 Valve Envelope Information, AP600 Document No. GW-PVR-001, Westinghouse Energy Center, TANYA JAWAB Sigit A. Santa Bagaimana proses disain katup pengatur itu dilakukan, apakah diawali dengan batasan load following maneuver beban turbin ditetapkan dahulu yang sesuai dengan nilai koefisien aliran katub Cv, baru ditentukan atau dicari produk katub yang sesuai? B. Bandriyana Perubahan beban diambil sebagai awal untuk disain yang dipakai sebagai dasar perhitungan Cv dan selanjutnya untuk menentukan tipe dan kelas yang telah ditetapkan berdasar produk/ manufaktur yang ada.