EVALUSI KINERJA SISTEM PENYEDIA AIR DINGIN (QKJ 01/02/03)

Transkripsi

1 EVALUSI KINERJA SISTEM PENYEDIA AIR DINGIN (QKJ 01/02/03) Mohamad Yahya, Dede Solehudin Fauzi Pusat Reaktor Serba Guna Batan Serpong Kawasan Puspiptek Gd. 31 Setu Tangerang Selatan Abstrak ANALISIS PENURUNAN KINERJA SISTEM PENYEDIA AIR DINGIN. Sistem penyedia air dingin berfungsi sebagai media pendingin pada sistem sirkulasi udara dari sistem ventilasi untuk daerah radiasi menengah gedung reaktor RSG-GAS. Akibat dari penuaan, maka kinerja kinerja sistem penyedia air dingin mengalami penurunan. Analisis ini bertujuan untuk mengetahui penyebab penurunan kinerja sistem penyedia air dingin, sehingga data tersebut dapat digunakan sebagai acuan pada program perawatan dan perbaikan system ventilasi. Analisis yang telah dilakukan adalah membahas hasil-hasil pengukuran parameter operasi pada sistem penyedia air dingin dan sistem sirkulasi udara. Disimpulkan bahwa penyebab penurunan kinerja sistem penyedia air dingin adalah evaporator atau kondensor yang tidak bisa beroperasi secara optimal. Kata kunci : Penyedia air dingin Abstract ANALYSIS OF CHILLED PERFORMANCE DEGRADATION OF CHILLED WATER SUPPLY SYSTEM. The chilled water supply system as media on the air circulation system of ventilation systems for middle radiation level in the area of the RSG-GAS reactor building. As a result of aging, the performance of shilled water supply system decreased. This analysis is to determine the cause of performance degradation in the chilled water system. This data can be used as a reference in repairs and maintenance programs in the ventilation system. The analysis has been done by discussing the results of operating parameters on the chilled supply system and air circulation systems. It can be concluded that the cause of performance degradation in the chilled water supply system is the evaporator and condenser which can not optimally. Keyword : Chilled water system PENDAHULUAN Sistem penyedia air dingin (chilled water system) adalah sistem yang berfungsi sebagai alat pendingin air, selanjutnya air dingin yang dihasilkan digunakan sebagai media pendingin pada sistem sirkulasi udara yang merupakan bagian dari sistem ventilasi untuk daerah radiasi menengah gedung RSG. Sistem ventilasi daerah radiasi menengah gedung reactor RSG meliputi balai operasi yang dilayani oleh unit sirkulasi udara (Air Handling Unit/AHU) KLA31, balai percobaan yang dilayani oleh AHU KLA32, ruang sistem bantu yang dilayani oleh AHU KLA33 dan ruang pompa primer yang dilayani oleh AHU KLA34. Sistem penyedia air dingin dirancang dengan kapasitas 3x100 % masing-masing adalah unit penyedia air dingin (Chilled Water Unit/CWU) QKJ01, QKJ02 dan QKJ03. Masing-masing CWU dilengkapi dengan 2 buah kompresor, 1 buah evaporator dan 1 buah pompa sirkulasi air. Karena faktor penuaan, kinerja CWU telah mengalami penurunan sehingga untuk melayani semua AHU yang ada diperlukan 2 CWU, hal ini M. Yahya, dkk 351 STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

2 merupakan penurunan kapasitas CWU menjadi 3x50 %. Analisis penurunan kinerja sistem penyedia air dingin bertujuan untuk mengetahui penyebab penurunan kinerja sistem penyedia air dingin sehingga dapat digunakan sebagai acuan bagi program perawatan dan perbaikan. Analisis dilakukan dengan cara pembahasan terhadap hasil pengukuran parameter tekanan pada CWU dan parameter suhu air pada AHU dengan mengoperasikan 2 CWU untuk melayani semua AHU yang ada. DISKRIPSI Sistem penyedia air dingin Sistem penyedia air dingin (QKJ01/02/03) adalah sistem yang menggunakan mesin refrijerasi sebagai alat untuk memproses air dingin. Fluida pendingin yang digunakan pada mesin refrijerasi adalah refrijeran R22 (refrigerant, R22), kemudian refrijeran mendinginkan air, dan selanjutnya air dingin digunakan sebagai media pendingin pada sistem-sistem lain, yaitu pada sistem ventilasi daerah radiasi menengah (intermediate radiation zone, IRZ), sistem purifikasi dan pendingin air kolam penyimpanan bahan bakar bekas (FAK01) dan sistem udara tekan (SCA02). Jenis mesin refrijerasi yang digunakan adalah jenis pendingin udara (air cooled type) dengan jenis kompresor yang dapat dibongkar pasang tanpa merusak (semihermetic compressor type) dan penggerak/penghasil tekanan refrijerasi menggunakan torak (reciprocating type). Sistem penyedia air dingin QKJ01/02/03 ditinjau dari segi pengoperasiannya di klasifikasikan sebagai sistem penyedia air dingin yang tidak berhubungan dengan keselamatan (nonsafety related), hal ini didasarkan pada catu daya listriknya. Jika catu daya listrik dari PT.PLN padam maka sistem ini akan mati (off condition) dan tidak ada pasokan catu daya darurat dari generator. Fungsi utama sistem penyedia air dingin adalah memasok air dingin sesuai kebutuhan yaitu mendinginkan air dengan kondisi suhu air masuk (t M ) sebesar (12 ± 1) O C dan suhu air keluar (t K ) sebesar (6 ± 1) O C. Sistem terdiri dari 3 unit penyedia air dingin(qkj01/020/3, masing-masing unit memiliki 2 unit kompresor semi hermetik, 2 unit kondensor dan 1 unit evaporator. Untuk keperluan sirkulasi air dingin digunakan 1 unit pompa pada masingmasing CWU. Moda operasi CWU adalah 1 dari 3 atau dalam prosentasi pembebanan yang diterima adalah 3 x 100%, dengan jenis siklus aliran tertutup (close loop). Kapasitas beban pendingin CWU adalah 3 x 230 kw (3 x 66 ton of refrigerant, TOR) Fasilitas moda pengoperasian (switch selector) yang ada saat ini memungkinkan untuk dapat mengkombinasikan antara 1 unit kompresor semi hermetik (kompresor A) pada CWU QKJ01 dengan 1 unit kompresor semi hermetik (kompresor B) pada CWU lain (contoh QKJ03). Berikut ini diberikan tabel moda pengoperasian (switch selector position, lihat Tabel 1). Tabel 1. Moda pengoperasian (switch selector position) Chiller Water Unit (CWU) QKJ 01 QKJ 02 QKJ 03 A B A B A B Moda Opr O O O O O O O Ket. Off Pos. A A1 B B6 A / B A3 B4 Opr. B / A Keterangan Opr. Off Off Off Off Opr. Keterangan tabel: A Kompresor A: operasi; A/B Kompresor A/B: operasi, dimana kompresor A sebagai tumpuan beban. B Kompresor B: operasi; B/A Kompresor B/A: operasi. dimana kompresor B sebagai tumpuan beban Catatan: Kondisi sekarang, moda operasi dapat menjadi 2 dari 3 atau 2 x 50%. Hal ini dilakukan, bilamana: ada kerusakan pada 1 (satu) unit kompresor semi hermetik diantara 3 (unit) CWU, sehingga untuk memenuhi jumlah beban pendingin yang tetap dengan kemampuan CWU yang terbatas atau hanya 1 (satu) kompresor yang dapat di operasikan, maka dengan mengkombinasikan 1 (satu) kompresor semi hermetik pada 1 (satu) CWU dengan 1 (satu) kompresor semi hermitik pada CWU yang lain. Contoh: CWU dari QKJ01 Kompresor A (A 1 ) operasi di kombinasikan dengan CWU dari QKJ03 Kompressor B (B 6 ) dioperasikan. Artinya: 2 (dua) unit CWU (QKJ01 & QKJ03) hanya dapat mengoperasikan masing-masing 1 (satu) unit kompresor (kompresor A1 & B1), akan sama dengan mengoperasikan 1 (satu) unit CWU (QKJ02) dengan 2 (dua) unit kompresor, yaitu: A3 & B4. Dalam hal ini, pengertian sama dengan, adalah: kemampuan untuk menerima beban pendingin dengan satu satuan yang sama. STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA 352 M. Yahya, dkk

3 Distribusi Air Dingin (QKJ04) Distribusi air dingin dari dan ke sistem CWU menggunakan pompa sentrifugal (etabloc; end suction volute type) dengan laju alir (Q N ) 80 m 3 /jam, head (H) 18 m daya (P N ), sebesar: 5,5 kw dan putaran (n N ) sebesar:1450 min -1 Isi air keseluruhan, adalah sebanyak: liter, untuk menjaga kualitas air maka pada air pendingin ditambahkan bahan kimia pengendali (inhibitor), yaitu: Nalco 121 dengan harga batas atas didasarkan kepada kandungan nitrit (NO -2 ) di dalam air, yaitu sebesar: 900 ppm (part per million) dengan harga ph sebesar: 6,5 < ph 8,5. Untuk mereratakan (menstabilkan) tekanan air di sepanjang pipa distribusi digunakan tangki ekspansi (expansion tank) dan dipasang sesudah pompa sirkulasi atau sisi tekan pompa sirkulasi. Kapasitas tangki adalah 800 liter air dengan tekanan operasi 7 bar (gauge) dan tekanan maksimum 10 bar (gauge), sedangkan tekanan minimum air adalah sebesar 4 bar (gauge) atau QKJ04 CP002>4 bar, di dalam tangki dipasang membran yang terbuat dari bahan karet, dilengkapi dengan pentil (katup searah). Pada membran karet di isi gas nitrogen (N 2 ), dengan tekanan sebesar 3 bar (gauge).distribusi air dingin dari CWU (lihat Gambar 1), adalah menggunakan siklus tertutup maka pengendalian di titik beratkan kepada tekanan (pressure gauge) air agar massa air yang didinginkan setara dengan kemampuan beban pendingin CWU, dampak yang ditimbulkan bila: a) Tekanan air turun maka sebagian massa air akan di isi oleh udara, akibatnya: massa air di dalam pipa akan berkurang, sehingga beban pendingin akan berkurang, jika kemampuan pendinginan oleh CWU adalah tetap dampaknya adalah frekuensi operasi per satuan waktu akan relatif tinggi. Artinya semua komponen dari unit akan mengalami beban berulang yang tinggi (cyclic and residual load), maka komponen dari unit akan cepat lelah (fatique damaged). b) Tekanan air tetap (massa air tetap) tetapi beban pendingin bertambah, sedangkan kemampuan pendinginan oleh CWU adalah tetap, maka frekuensi operasi per satuan waktu akan relatif rendah, tetapi CWU beroperasi diatas batas pembebanan nominal, akibatnya: semua komponen dari unit akan terkondisikan dalam pembebanan lebih. Artinya semua komponen dari unit akan relatif cepat mencapai batas tegangan mulur (ultimate stress by overload ) c) Tekanan air tetap (massa air tetap) tetapi beban pendingin tetap, sedangkan kemampuan pendinginan oleh CWU adalah tetap, maka frekuensi operasi per satuan waktu akan tetap, dan CWU beroperasi dalam batas pembebanan operasi normal, akibatnya semua komponen dari unit akan terkondisikan dalam pembebanan normal. Artinya semua komponen dari unit akan terkondisikan dalam pembebanan normal, maka prakiraan kegagalan/penggantian komponen dari unit dalam batasan anjuran (yang dapat ditolerir). Berikut disajikan dampak dari tekanan air, massa air, beban pendingin dan kemampuan pendinginan pada CWU (lihat Tabel 2) Gambar 1. Distribusi air dingin sistem penyedia air dingin ke unit pengguna M. Yahya, dkk 353 STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

4 No SEMINAR NASIONAL VI Tabel 2. Dampak Massa Air, Beban Pendingin dengan Kemampuan Pendinginan pada CWU. Batasan Parameter Operasi (yang di ukur) Tekanan þ [bar] Batasan Parameter Yang Di Ijinkan Chiller Water Unit (CWU) Beban Massa Air Pendingin m [kg/det] q [kw] Kemampuan Pendinginan Q [kw] 1 Tekanan, fpw Kurang Kurang Kurang Tetap p [bar] Tinggi 2 Massa Air, fpw Tetap Tetap Bertambah Tetap m [kg/det] Rendah 3 Beban Pendingin, q [kw] Tetap Tetap Tetap Tetap Ditolerir (*) fpw : frekuensi operasi per satuan waktu. Ket. Prinsip Kerja Sistem Penyedia Air Dingin (lihat Gambar 2.) Beban pendingin dari air handling unit (AHU, KLA31/32/33/34) dan cooler (FAK01 & SCA02) diangkut/dipindahkan melalui air yang di sirkulasikan dari dan ke CWU melalui pompa sirkulasi air dingin dan diukur oleh sensor suhu. Jika suhu air lebih besar dari 12 C maka CWU akan beroperasi. Bila suhu air lebih kecil atau sama dengan 6 C maka CWU akan berhenti beroperasi, tetapi pompa sirkulasi masih tetap beroperasi. Dalam kondisi CWU beroperasi maka seluruh parameter harus terkendali sampai batas aman operasi. Lingkup pengendalian meliputi : 1) Pengendalian tekanan isap (low pressure control, LPC ) mesin refrijerasi harus berada diantara: 3,5 4,5 bar ( kgf/cm²). Jika tekanan isap lebih kecil dari tiga setengah bar maka kemampuan pendingin berkurang sehingga terjadi bunga es di sekitar sisi isap kompresor semi hermetik, dan jika tekanan isap melebihi empat setengah bar maka kemampuan pendingin akan berkurang, dimana air membutuhkan waktu yang lama untuk menurunkan suhu air hingga batas yang telah di setting oleh BT 2; 2) Pengendalian tekanan keluaran (high pressure control, HPC) mesin refrijerasi harus berada diantara: 12 ~ 25 bar ( kgf/cm²). Jika tekanan keluaran lebih kecil dari dua belas bar (PI HIGH <12bar) maka kemampuan pendingin berkurang, karena kompresi yang dihasilkan tidak memadai sehingga freon akan mengembun sebagian sebelum memasuki unit evaporator, dan jika keluaran melebihi dua puluh lima bar (PI HIGH >25bar) maka kemampuan pendingin akan berkurang karena freon tidak mengembun sempurna di unit evaporator dan, memungkinkan kompresor akan mati (berhenti karena ada gangguan fault) untuk mencegah terjadinya panas berlebih di unit kondensor; 3) Pengendalian tekanan minyak pelumas (oil pressure control, OPC) mesin refrijerasi harus berada diantara: 1,5 5 bar ( kgf/cm 2 ) diatas tekanan isap. Jika tekanan minyak pelumas lebih kecil dari batas bawah maka pendinginan kompresor akan berkurang karena distribusi minyak pelumas tidak merata atau saringan minyak pelumas kotor atau pompa minyak pelumas rusak, dan jika tekanan minyak pelumas melebihi batas atas maka kemungkinan saringan minyak pelumas rusak; Pengendalian suhu pembekuan (freeze protection thermostat, BT1) berfungsi untuk mencegah agar air tidak membeku dan alat ini di setting diantara: (4 5) C. Pengendalian laju alir air (dry running protection, CF) berfungsi untuk mencegah pompa sirkulasi beroperasi tanpa ada aliran air yang minimum atau lebih kecll dari empat puluh persen dari penampang pipa normal; Pengendalian rangkaian pengaman kompresor (safety circuit) berfungsi untuk mencegah rangkaian pengaman selalu dapat beroperasi dengan normal dan terpantau. Prinsip Kerja Unit sirkulasi udara AHU Unit sirkulasi udara AHU adalah suatu alat yang berfungsi untuk mendinginkan/memanaskan dan meresirkulasi udara pada suatu balai/ruang. Penggunaan AHU adalah untuk kapasitas beban pendingin yang menengah dan besar. AHU dilengkapi beberapa alat/unit, antara lain adalah unit blower, alat pendingin (cooler) yang terdiri dari pipa-pipa kecil (tubes) dan dirangkum pada lembaran-lembaran plat tipis (fins), serta saringan udara (air filter) dan pada konstruksi AHU terpasang saluran udara (ducting) sisi masuk/ keluar STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA 354 M. Yahya, dkk

5 udara, dan untuk sisi masuk udara terdapat cabang ducting yang berfungsi sebagai saluran masuk udara segar, sehinggga terjadi proses pencampuran antara udara yang si isap dari ruang/balai kemudian bercampur dengan udara segar yang berasal dari lingkungan (mixture air processing). Gambar 2.a. Prinsip kerja Chiller Water Unit (CWU) Gambar 2.b. Prinsip Kerja Air Handling Unit M. Yahya, dkk 355 STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

6 Pada saat AHU beroperasi, terjadi aliran udara masuk dan keluar dimana proses sirkulasi udara berlangsung. Saat udara masuk memiliki suhu dan kelembaban nisbi yang relatif tinggi setelah melewati water cooler maka suhu udara dan kelembaban nisbi akan turun. Batasan suhu udara keluar dari AHU akan terukur oleh kendali suhu udara (control temperature, CT), jika batasan suhu udara sudah tercapai maka kendali suhu udara memberikan perintah tutup ke katup aktuator air dingin, sedangkan AHU masih tetap beroperasi untuk sirkulasi udara ke ruang/balai yang akan dikondisikan suhu dan kelembaban nisbi, tetapi dengan tertutup katup aktuator air dingin ke AHU maka beban pendingin CWU akan berkurang. Jika keseluruhan AHU telah tercapai suhu udara sesuai dengan harga batas yang diinginkan, maka beban pendingin CWU relatif tidak ada, kondisi ini terpantau oleh kendali suhu air pada chiller water system (CT-S) sehingga memerintahkan membuka katup aktuator aliran pintas (by pass line pipe), maka aliran air dingin akan bersirkulasi dari dan ke CWU melalui aliran pintas. Keberlangsungan aliran air dingin yang bersirkulasi akan terpantau oleh kendali suhu air (CT) yang terpasang pada masing-masing CWU, jika harga batas suhu air dingin telah tercapai [setting: BT2 = (6 ± 1) O C, maka akan memerintahkan stop kompresor semi hermetik, tetapi pompa sirkulasi masih tetap beroperasi terus hingga suhu air dingin telah mencapai batasan operasi (12 O C BT2 > 6 O C) dan semua unit/sistem kembali operasi seperti semula. METODE A. Urutan pengukuran parameter tekanan QKJ01/02/03 1) Operasikan QKJ01 kompresor A 2) Ukur tekanan inlet QKJ01 kompresor A 3) Ukur tekanan oulet QKJ01 kompresor A 4) Ukur tekanan outlet pompa QKJ01 5) Matikan QKJ01 6) Operasikan QKJ02 kompresor A 7) Ukur tekanan inlet QKJ02 kompresor A 8) Ukur tekanan oulet QKJ02 kompresor A 9) Ukur tekanan outlet pompa QKJ02 10) Matikan QKJ02 11) Operasikan QKJ03 kompresor A 12) Ukur tekanan inlet QKJ03 kompresor A 13) Ukur tekanan oulet QKJ03 kompresor A 14) Ukur tekanan outlet pompa QKJ03 15) Matikan QKJ03 16) Pengukuran selesai B. Urutan pengukuran parameter suhu air dan udara AHU 1) Kombinasi operasi QKJ01/02 2) Operasikan QKJ01 dan QKJ02 3) Operasikan KLA31, KLA32, KLA33 dan KLA34 4) Ukur suhu air masuk dan keluar KLA31, KLA32, KLA33 dan KLA34 5) Ukur suhu ruangan KLA31, KLA32, KLA33 dan KLA34 6) Kombinasi operasi QKJ01/03 7) Matikan QKJ02 dan operasikan QKJ03 8) Ukur suhu air masuk dan keluar KLA31, KLA32, KLA33 dan KLA34 9) Ukur suhu ruangan KLA31, KLA32, KLA33 dan KLA34 10) Kombinasi operasi QKJ02/03 11) Matikan QKJ01 dan operasikan QKJ02 12) Ukur suhu air masuk dan keluar KLA31, KLA32, KLA33 dan KLA34 13) Ukur suhu ruangan KLA31, KLA32, KLA33 dan KLA34 14) Pengukuran selesai HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran besaran tekanan QKJ01, QKJ02 dan QKJ03 ditunjukkan pada Tabel 3, sedangkan hasil pengukuran besaran suhu air dan udara KLA31, KLA32, KLA33 dan KLA34 ditunjukkan Tabel 4. Tabel 3. Hasil pengukuran parameter QKJ01/02/03 CHILLER KOMPONEN HASIL PENGUKURAN TEKANAN (bar) INLET OUTLET Kompresor A 3,8 19 QKJ01 Kompresor B 4,0 19 Pompa - 4 Kompresor A 3,9 20 QKJ02 Kompresor B 4,0 20 Pompa - 4 Kompresor A 4,2 20 QKJ03 Kompresor B 4,1 20 Pompa 4 Tabel 4. Hasil pengukuran suhu air dan udara AHU AHU KLA31 (Balai operasi) KLA32 Su mber pendinginan : 2 dari QKJ01/02/03 SUHU AIR MASUK SUHU AIR KELUAR SUHU RUANGAN HASIL PENGU- KURAN DATA NILAI DESAIN HASIL PENGU- KURAN DATA NILAI DESAIN HASIL PENGU- KURAN 8 0 C 6 0 C 13 0 C 12 0 C 24 0 C DATA NILAI DESAIN C STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA 356 M. Yahya, dkk

7 (Balai percobaan) KLA33 (Ruang sist. bantu) KLA34 (Ruang Primer) 8 0 C 6 0 C 13 0 C 12 0 C 26 0 C C 8 0 C 6 0 C 13 0 C 12 0 C 26 0 C 30 0 C C C 30 0 C 40 0 C Tabel 3 menunjukkan bahwa secara individu masing-masing kompresor yang terpasang pada chiller QKJ01, QKJ02 dan QKJ03 memiliki nilai besaran (tekanan) yang tdak menyimpang dari nilai desainnya. Hal ini dapat diartikan bahwa satu unit chiller yang dioperasikan dengan 2 buah kompresor mampu mendinginkan air untuk keperluan operasional AHU yang ada pada tiap gedung RSG yaitu KLA31, KLA32, KLA33 dan KLA34 sehingga suhu desain ruangan-ruangan tersebut dicapai. Tetapi pada kenyataannya (lihat Tabel 4) suhu desain ruangan-ruangan gedung RSG hanya bisa dicapai dengan 2 buah chiller yaitu QKJ01 dan QKJ02 atau QKJ01 dan QKJ03 atau QKJ02 dan QKJ03. Hal ini menunjukkan bahwa kinerja sistem pendingin secara keseluruhan telah mengalami penurunan. Penurunan kinerja sistem bisa terjadi akibat beban panas yang mengalami peningkatan atau sistemnya yang mengalami penurunan kemapuan. Dalam hal beban panas ruangan-ruangan gedung RSG diyakini tidak mengalami perubahan yang berarti sehingga faktor kemampuan sistem sebagai penyebab penurunan kinerja. Dari hasil pengukuran (lihat Tabel 3 dan 4) jelas terlihat bahwa komponen sistem yang menurun kemampuannya adalah QKJ01, QKJ02 dan QKJ03. Perlu diketahui bahwa chiller-chiller tersebut tersusun oleh beberapa komponen utama yaitu 2 buah kompresor, 1 buah evaporator, 1 buah pompa dan 2 buah kondensor. Semua kompresor dan pompa pada QKJ01/02/03 sudah jelas kemampuannya memenuhi kemampuan desain seperti ditunjukkan pada Tabel 3. Sehingga dapat disimpulkan bahwa penyebab penurunan kinerja chiller-chiller tersebut terdapat pada evaporator atau kondensor yang tidak beroperasi secara optimal. KESIMPULAN Penyebab penurunan kinerja sistem penyedia air dingin QKJ01/02/03 adalah evaporator dan/atau kondensor yang tidak bisa beroperasi secara optimal DAFTAR PUSTAKA ANONIM, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Multipurpose Reactor G.A. iwabessy, Safety Analysis Report, Volume 3 Rev. 8 Copy No. 8, March 1999 M. Yahya, dkk 357 STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

8 STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA 358 M. Yahya, dkk