STUDI SISTEM TURBIN-KOMPRESOR DALAM SIKLUS TAK LANGSUNG PADA RGTT200K

Transkripsi

1 STUDI SISTEM TURBIN-KOMPRESOR DALAM SIKLUS TAK LANGSUNG PADA RGTT200K Sri Sudadiyo PTRKN-BATAN, Kawasan PUSPIPTEK Gd. 80, Tangerang, ABSTRAK STUDI SISTEM TURBIN-KOMPRESOR DALAM SIKLUS TAK LANGSUNG PADA RGTT200K. Pemanfaatan tenologi nulir sangat diperluan dalam upaya memenuhi ebutuhan energi untu industri di Indonesia. Salah satu pengembangan tenologi nulir adalah dengan membuat desain reator gas temperatur tinggi untu ogenerasi yang dienal dengan RGTT200K. Reator ini didinginan oleh helium dengan mensirulasiannya melalui teras dan penuar alor perantara. Panas yang diserap helium dipindahan e arbon diosida sebagai pendingin seunder dalam silus ta langsung untu produsi hidrogen, pembangit listri, dan desalinasi. Silus ta langsung ini mempunyai sistem dinamis dengan omponen turbin dan ompresor. Tujuan dari studi adalah untu menganalisis unju erja sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung pada RGTT200K. Metode yang digunaan yaitu apliasi esetimbangan massa dan energi dan menggunaan perangat luna ChemCAD. Data masuan berupa daya termal teras reator 200 MW th, temperatur helium eluar teras 950 C, dan teanan helium masu teras 50 bar. Daya listri didesain 60 MW e. Hasil yang diperoleh yaitu laju aliran massa helium melalui teras reator 107 g/s, laju aliran massa arbon diosida melalui sistem turbin-ompresor 287g/s, daya turbin 166,01 MW, dan daya ompresor 98,96 MW. Operasi sistem turbin-ompresor mempunyai unju erja bai dengan efisiensi termal 34,5 %, coco untu RGTT200K. Kata unci: Turbin, ompresor, silus ta langsung ABSTRACT STUDY ON TURBINE-COMPRESSOR SYSTEM WITHIN INDIRECT CYCLE AT RGTT200K. The utilization of nuclear technology is very needed in support to meet energy demand for industries in Indonesia. The one development of nuclear technology was by maing design on high temperature gas reactor for cogeneration which be nown by RGTT200K. This reactor is cooled by helium by its circulating through the core and intermediate heat exchanger. The absorbed heat of helium was transferred to carbon dioxide as secondary coolant within indirect cycle for hydrogen production, electricity generation, and desalination. This indirect cycle had dynamic system with components of turbine and compressor. The purpose of this study is to analyze the performance of turbine-compressor system in indirect cycle at RGTT200K. Used methods are application for mass and energy balances and employing ChemCAD software. Input data were thermal power of reactor core 200 MW th, outlet helium temperature of core 950 C, and inlet helium pressure of core 50 bars. Power electricity was designed 60 MW e. Obtained results are mass flow rate of helium in reactor core 107 g/s, mass flow rate of carbon dioxide through turbine-compressor system 287 g/s, turbine power 166,01 MW, and compressor power 98,96 MW. Operation of turbine-compressor system had good performance with thermal efficiency of 34,5 %, it suitable for RGTT200K. Keywords: Turbine, compressor, indirect cycle 489

2 1. PENDAHULUAN Kebutuhan energi yang semain besar seiring dengan pertumbuhan industri di Indonesia. Oleh arena itu, pemanfaatan tenologi nulir sangat diperluan untu mengatasi eterbatasan energi. Bahasan dalam maalah ini berupa pengembangan tenologi nulir dengan membuat onsep desain reator gas temperatur tinggi [1,2] untu ogenerasi. Teras reatornya diberi nama RGTT200K [3,4] yang didesain menggunaan bahan baar berbentu bola. RGTT200K beroperasi pada teanan 50 bar, temperatur eluar 950 C, daya termal yang dihasilan 200 MW th, dan mempunyai dua sistem pendingin yaitu primer dan seunder. Sistem pendingin primer merupaan silus langsung menggunaan helium yang dialiran melalui teras RGTT200K dan dilewatan alat penuar alor yang disebut Intermediate Heat Exchanger (IHX). Sistem pendingin seunder merupaan silus ta langsung menggunaan fluida erja arbon diosida yang disirulasian dengan sistem turbin-ompresor. Dalam IHX, energi panas yang dibawa oleh helium dari teras RGTT200K ditransferan e arbon diosida untu dimanfaatan menjadi listri dan panas. Pembangitan panas ini digunaan untu produsi hidrogen dan proses desalinasi untu penghasil air bersih. Dalam silus ta langsung, gas arbon diosida dipilih sebagai fluida erja arena beberapa alasan sebagai beriut : (a) arena arbon diosida mampu menurunan erja ompresi, (b) arbon diosida mempunyai berat moleul yang lebih besar dibandingan helium sehingga mampu untu mengurangi ebocoran zat-zat radioatif e lingungan. Energi listri dibangitan oleh generator yang diopel dengan sistem turbin-ompresor. Dalam studi ini dilauan analisis unju erja dari sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung pada instalasi RGTT200K. Penggunaan perangat luna ChemCAD [5] diperluan untu memodelan silus termodinamia dari instalasi RGTT200K beriut sistem turbin-ompresor agar diperoleh parameter yang sesuai dengan persyaratan desain. Metode yang dipaai yaitu dengan memberian data masuan seperti teanan, temperatur, dan daya untu diolah dengan program ChemCAD dan penyelesaian analiti memaai esetimbangan massa dan energi. 2. TEORI Gambar 1 memperlihatan tata leta onsep desain instalasi RGTT200K beriut sistem pendinginnya. Instalasi RGTT200K ini mempunyai sistem pendingin primer dengan fluida erja helium dan sistem pendingin seunder dengan fluida erja arbon diosida. Sistem pendingin primer merupaan silus langsung (direct cycle) dengan omponen utamanya berupa teras, IHX, dan sirulator. Sistem pendingin seunder yang merupaan silus ta langsung (indirect cycle) mempunyai omponen utama yaitu alat penuar alor, splitter, mixer, turbin, dan ompresor. Energi panas dari IHX diserap oleh gas arbon diosida dan dialiran e dalam splitter untu dibagi menjadi dua proses yani pembangitan listri dan pembangitan panas untu produsi hydrogen dan proses desalinasi air laut. Pada proses pembangitan listri, gas arbon diosida dengan temperatur tinggi (943,9 C) diespansian melalui turbin hingga mencapai teanan untu proses desalinasi. Selanjutnya, arbon diosida dengan temperatur terendah (40 C) diompresian melalui ompresor hingga mencapai teanan 50 bar (sama dengan teanan teras RGTT200K). Gas arbon diosida yang eluar dari ompresor dicampur dalam mixer dengan gas arbon diosida yang eluar dari proses produsi hidrogen untu dialiran embali e dalam IHX. Demiian seterusnya, proses pendinginan pada teras RGTT200K berlangsung secara ontinyu. Unju erja sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung ditunjuan dengan efisiensi termal. Nilai efisiensi ini merupaan selisih antara daya yang dihasilan oleh turbin dan daya yang dibutuhan oleh ompresor dibagi dengan energi panas yang diberian e dalam turbin. Proses ideal termodinamia melalui turbin dan ompresor diasumsian berlangsung secara adiabatis yang berarti tida terjadi erugian panas selama proses operasi. Parameter termodinamia yang digunaan untu menganalisis daya turbin, daya ompresor, dan efisiensi termal sistem yaitu [6,7,8] : C C P (1) v R C P C v (2) P out RP (3) Pin 1 W 1 C RTin RP (4) 1 490

3 Gambar 1. Tata leta dari onsep desain instalasi RGTT200K dengan silus ta langsung W dimana : T RT 1 in 1 R 1 P (5) WT WC th x100% Q (6) in : Rasio apasitas panas jenis C P : Panas jenis pada teanan tetap, J/g/K C v : Panas jenis pada volume tetap, J/g/K R : Konstanta gas, J/g/K R P : Rasio teanan P in : Teanan masu turbin / ompresor, bar P out : Teanan eluar turbin / ompresor, bar T in : Temperatur masu turbin / ompresor, C W T : Daya per satuan massa yang dihasilan turbin, MW/g W C : Daya per satuan massa yang diperluan ompresor, MW/g Q in : Energi panas yang diberian e turbin, MW th : Efisiensi termal sistem turbinompresor, % 3. METODOLOGI Perangat luna ChemCAD merupaan paet program omputer yang digunaan untu memodelan sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung pada instalasi RGTT200K. Pemodelan ChemCAD ini dilauan dengan memilih ion omponen yang tersedia pada palette. Ion-ion tersebut dihubungan satu sama lain sesuai dengan silus yang dibutuhan. Data masuan (input data) yaitu teanan teras reator 50 bar, temperatur helium eluar teras 950 C, daya termal yang dihasilan reator 200 MW th, daya listri yang desain sebesar 60 MW e, dan putaran 3600 rpm. Laju aliran massa gas helium melalui sistem pendingin primer diberian 107 g/s [4]. Hasil perhitungan dari perangat luna ChemCAD diomparasi dengan penyelesaian analitis memaai Pers. (1-5). Efisiensi termal dari sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung atau silus seunder dihitung dengan Pers. (6). 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada proses atual, studi parameter termodinamia dilauan untu meneliti lebih lanjut erugian panas dan teanan dari sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung sebagai sistem pendingin seunder untu 491

4 RGTT200K. Dengan diperolehnya nilai erugian ini maa efisiensi ompresor, efisiensi turbin, rasio teanan, dan efisiensi termal dari sistem dapat dietahui. Gambar 2 memperlihatan hasil pemodelan silus termodinamia memaai perangat luna ChemCAD dari setiap omponen dalam instalasi RGTT200K. Titi pengamatan dari setiap aliran gas ditunjuan pada flowsheet pemodelan ChemCAD. Pemaaian alat IHX untu membedaan aliran antara pendingin primer dengan gas helium dan pendingin seunder dengan gas arbon diosida. Aliran arbon diosida yang eluar dari IHX dipisahan dalam splitter dengan rasio aliran gas arbon diosida antara yang menuju e sistem turbin-ompresor dan yang dialiran untu proses produsi hidrogen. Pada penelitian ini, nilai rasio aliran diberian 6,5 agar diperoleh daya listri yang sesuai dengan onsep desain RGTT200K sebesar 60 MW e pada putaran 3600 rpm. Data ondisi operasi yang diperoleh dari perangat luna ChemCAD ditulisan dalam Tabel 1, dimana T adalah temperatur, P adalah teanan, dan m adalah laju aliran massa. Nilai rasio apasitas panas jenis dari suatu gas sangat berpengaruh terhadap daya yang dihasilan oleh turbin dan daya yang diperluan oleh ompresor. Tabel 2 menunjuan hasil perhitungan parameter termodinamia (termasu nilai rasio apasitas panas jenis) dengan menggunaan program omputer ChemCAD. Terlihat dari Tabel 2 bahwa nilai rasio apasitas panas jenis untu helium lebih besar dibandingan dengan gas arbon diosida. Begitu juga dengan nilai onstanta gas helium dan nilai panas jenisnya (bai pada teanan tetap ataupun pada volume tetap). Untu gas arbon diosida, nilai onstanta gasnya dan nilai rasio apasitas panas jenisnya lebih ecil pada ondisi temperatur tinggi dibandingan dengan nilainya pada temperatur rendah. Oleh arena itu untu asus sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung pada RGTT200K ini, proses melalui ompresor didesain dengan rasio teanan seitar 33 agar dicapai teanan tertinggi (50 bar) dalam sistem turbin-ompresor. Tabel 1. Hasil perhitungan ondisi operasi setiap omponen untu RGTT200K No. T [C] P [bar] m [g/s] Fluida erja ,1 49,9 107 helium , helium helium ,9 49,9 331 CO ,9 49,9 44 CO ,9 49,9 287 CO ,1 1,5 287 CO ,4 287 CO , CO ,9 49,8 44 CO , CO2 RGTT200K 3 Proses produsi hidrogen T C P ba r Sirulator 2 T C P ba r IHX T C P 49.9 ba r 4 Splitter 5 6 T C P 49.9 bar Turbin Kompresor T C P ba r 10 9 Mixer T C T C 1 P ba r P 50.0 bar 11 T C P 49.9 bar T C P 50.0 bar T C P 1.5 bar 7 8 Proses desalinasi T C P 1.4 b ar Gambar 2. Pemodelan termodinamia dengan ChemCAD untu instalasi RGTT200K 492

5 Tabel 2. Hasil perhitungan parameter termodinamia dengan ChemCAD No. CP Cv R [J/g/K] J/g/K] [J/g/K] 1. 5,195 1,667 3,117 2, ,196 1,667 3,118 2, ,195 1,667 3,117 2, ,291 1,178 1,097 0, ,291 1,178 1,097 0, ,291 1,178 1,097 0, ,143 1,178 0,971 0, ,887 1,307 0,679 0, ,140 1,307 0,872 0, ,271 1,178 1,079 0, ,010 1,307 0,773 0,237 Gambar 3 memperlihatan diagram balo untu distribusi daya dalam sistem turbinompresor pada silus ta langsung dengan rasio teanan ompresor 33. Gambar 3 ini diperoleh dengan tida memperhitungan erugian panas yang terjadi dalam silus langsung aliran gas helium selama pendinginan teras RGTT200K. Dari hasil pemodelan dengan perangat luna ChemCAD dapat dietahui bahwa daya termal yang dihasilan oleh teras RGTT200K sebesar 200 MW th didistribusian e proses produsi hidrogen sebesar 5,64 MW th. Ini berarti efetivitas termal dari teras reator seitar 97,2 % yang diberian e sistem turbinompresor. Daya termal yang diterusan e sistem ta langsung sebesar 194,36 MW th, seperti terlihat pada Gambar 3. Nilai daya termal ini digunaan untu menghasilan daya listri sebesar 60 MW e. Daya yang diperluan untu memutar sudu rotor turbin 166,01 MW. Daya poros yang dibutuhan memutar ompresor 98,96 MW. Dari Gambar 3 dapat dietahui bahwa daya termal yang diperluan untu proses desalinasi sebesar 127,27 MW th. Kerugian panas yang terjadi dalam sistem turbin-ompresor pada silus ta langsung adalah seitar 0,7 MW th atau seitar 0,34 % dari daya termal gas arbon diosida yang dialiran e turbin. Gambar 4 menunjuan pengaruh temperatur masu ompresor (Compressor Inlet Temperature / CIT) terhadap daya turbin dan daya ompresor pada putaran 3600 rpm dengan mempertahanan rasio teanan. Simulasi model dengan perangat luna ChemCAD menggunaan gas arbon diosida dengan efisiensi turbin 92 % dan efisiensi ompresor 90 %. Dari hasil simulasi dapat dietahui bahwa temperatur masu turbin (Turbine Inlet Temperature / TIT) hampir onstan untu variasi CIT dari 40 C sampai dengan 200 C. Hal ini beraibat daya yang dihasilan turbin juga mendeati tetap, seperti terlihat pada Gambar 4. Pada ondisi CIT di bawah 40 C, dalam Gambar 4 juga dapat dilihat bahwa semain turun nilai CIT maa nilai daya turbin semain berurang. Daya yang diperluan oleh ompresor semain nai dengan semain meningatnya CIT. Oleh arena itu temperatur masu ompresor didesain serendah mungin dengan batasan rasio teanan yang diberian. Pada asus searang, nilai optimum CIT sama dengan 40 C untu memenuhi target ebutuhan daya listri 60 MW e dari onsep desain RGTT200K. Dari simulasi dengan ChemCAD dapat dietahui bahwa temperatur eluar ompresor 390,8 C, temperatur masu turbin 943,9 C, temperatur eluar turbin 472,1 C, dan laju aliran massa arbon diosida seitar 287 g/s. Gambar 4. Pengaruh daya terhadap variasi CIT Gambar 3. Diagram distribusi daya untu sistem turbin-ompresor pada putaran 3600 rpm Gambar 5 memperlihatan urva omparasi hasil simulasi ChemCAD antara proses atual dan proses ideal untu nilai rasio apasitas panas jenis () gas arbon diosida dalam proses melalui turbin terhadap nilai CIT yang divariasi dari 40 C hingga 80 C. Rasio teanan ompresor dan putaran poros turbin dipertahanan onstan yaitu 33 dan 3600 rpm. Temperatur gas arbon diosida masu turbin dipertahanan tetap seitar 943,9 C pada 493

6 teanan 49,9 bar. Pada Gambar 5, nilai untu proses atual terlihat seperti garis lurus dengan nilai onstan. Nilai pada proses ideal terlihat bergelombang dengan nilai rata-rata 1,171. Perbedaan nilai ini adalah seitar 0,53 % untu nilai temperatur masu turbin sama. Selanjutnya analisis dilauan dengan menggunaan penyelesaian analiti pada Pers. (1-2) untu menghitung nilai dan R. Nilai panas jenis pada teanan tetap (C P) diperoleh seitar 0,845 J/g/K [7]. Selisih nilai onstanta gas arbon diosida (R) antara simulasi ChemCAD dan penyelesaian analiti adalah 1,2 % untu ondisi masu ompresor dengan nilai temperatur sama. Kedua nilai dan R ini aan digunaan untu menghitung besaran daya turbin dan daya ompresor dengan memaai Pers. (4-5). daya turbin atau daya ompresor. Dari edua hasil ini dapat dietahui bahwa simulasi dengan menggunaan perangat luna ChemCAD memenuhi syarat untu dipaai dalam membuat onsep desain sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung pada RGTT200K dengan beda rata-rata 5,3 % dari hasil yang diperoleh dengan menggunaan penyelesaian analiti. Efisiensi termal dari sistem turbin-ompresor ini dihitung dengan menggunaan Pers. (6) dan diperoleh nilai seitar 34,5 %. Tabel 3. Komparasi daya turbin dan ompresor Gambar 5. Komparasi nilai apasitas panas jenis proses antara atual dan ideal Tabel 3 menunjuan hasil penyelesaian analiti dengan menggunaan Pers. (4-5) untu memperoleh daya turbin dan daya ompresor. Kisaran CIT ditentuan dari 40 C sampai dengan 80 C. Putaran poros turbin dan ompresor dipertahanan pada 3600 rpm. Unju erja untu edua ondisi antara simulasi dengan perangat luna ChemCAD dan penyelesaian analiti dibuat sama yaitu untu turbin 92 % dan untu ompresor 90 % dengan fluida erja gas arbon diosida. Perbedaan nilai rata-rata daya antara hasil ChemCAD dan hasil penyelesaian analiti adalah seitar 5,09 MW untu turbin dan 7,85 MW untu ompresor. Nilai perbedaan daya ini diperoleh arena nilai onstanta panas pada teanan tetap yang diberian tida dihitung berdasaran perubahan temperatur pada ondisi yang diamati. Pada Gambar 6 diperlihatan rasio dari selisih daya turbin atau daya ompresor antara hasil yang diperoleh dengan simulasi ChemCAD dan dengan penyelesaian analiti. Nilai rasio ini merupaan besarnya selisih daya dari turbin atau ompresor terhadap nilai terecil dari selisih Gambar 6. Rasio dari selisih daya antara ChemCAD dan penyelesaian analiti 5. KESIMPULAN Dalam studi ini, onsep RGTT200K didesain dengan pendingin primer (silus langsung) dan pendingin seunder (silus ta langsung). Fluida erja yang digunaan dalam silus langsung adalah gas helium dan silus ta langsung memaai gas arbon diosida. Turbin dan ompresor beroperasi dengan laju aliran massa arbon diosida 287 g/s, TIT 943,9 C, CIT 40 C, dan teanan eluar ompresor 50 bar. Turbin mempunyai efisiensi erja 92 % dan ompresor 90 %. Efisiensi termal dari sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung dihitung seitar 34,5 %. Sistem turbinompresor coco digunaan untu instalasi RGTT200K. 494

7 6. UCAPAN TERIMAKASIH Kegiatan Penelitian ini merupaan bagian erja di Bidang Pengembangan Reator (BPR), Pusat Tenologi Reator dan Keselamatan Nulir (PTRKN) yang didanai DIPA DAFTAR PUSTAKA 1. IAEA, Design and Development of Gas Cooled Reactors With Closed Cycle Gas Turbines (IAEA-TECDOC-899), IAEA, Vienna (1995). 2. ABRAMS, B., A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems (U.S. DOE), USA (2002). 3. PURWADI, MD., Reator Nulir Kogenerasi Berbasis RGTT Yang Kemunginan Aan Diembangan di Indonesia (Laporan Worshop Analisis Sistem Reator Kogenerasi Berbasis RGTT, Serpong 1-5 Maret 2010), PTRKN, BATAN, (2010). 4. SUDADIYO, S., Pertimbangan Termodinamia Terhadap Penggunaan Reuperator Untu Kelayaan Silus Turbin Helium Pada RGTT200K (Prosiding SENPEN V), PPEN, BATAN, (2012). 5. ANONYMOUS, ChemCAD Software, Chemstations Inc., (2009). 6. BATHE, WW., Fundamentals of Gas Turbines, Edisi e 2, John Wiley and Sons, New Yor, (1996). 7. REYNOLD, WC. and PERKINS, HC., Engineering Thermodynamics, 2 nd Edition, McGraw Hill, (1977). 8. BOYCE, MP., Gas Turbine Engineering Handboo, Edisi etiga, Butterworth- Heinemann, (2002). DISKUSI Jupiter: Terdapat perbedaan sistem pemanfaatan panas dari presentasi terdahulu (pa Joo). Sebenarnya yang bagaimana desain yang aan dirancang tersebut? Usulan ami sebainya setiap penelitian diaitan dengan spesifiasi onsep desain RGTT200K. Sri Sudadiyo: Presentasi terdahulu menggunaan sistem turbin-ompresor dalam silus langsung untu RGTT200K. Presentasi searang menggunaan sistem turbin-ompresor dalam silus ta langsung sebagai silus pendingin seunder pada instalasi RGTT200K. Silus pendingin pada RGTT200K dapat menggunaan turbin-ompresor dalam silus langsung ataupun silus ta langsung. Kedua silus ini masih dalam tahap penelitian untu mendapatan euntungan dan erugiannya. Desain sistem turbin-ompresor RGTT200K dirancang dengan nilai euntungan yang lebih besar dibanding nilai erugiannya. Spesifiasi onsep desain sistem turbin-ompresor RGTT200K sudah dibuat dan dilaporan setiap tahun berupa Laporan Tenis penelitian. 495