BAB 2 PEMODELAN PUTARAN TURBIN GENERATOR PLTN

Transkripsi

1 5 BAB PEMODELAN PUTARAN TURBIN GENERATOR PLTN Kebutuhan akan penabahan pebangkit listrik saat ini sangat diperlukan engingat Indonesia diprediksi dala keadaan krisis energi listrik diasa endatang. Saat ini peerintah Indonesia erencanakan pebangunan PLTN untuk engurangi krisis energi listrik tersebut. Oleh karena itu, pebelajaran engenai PLTN harus dilakukan oleh bangsa Indonesia. Metode siulasi erupakan salah satu etode pebelajaran yang efektif dan efisien. Dari pebelajaran siulasi dapat diwujudkan pebuatan siulator PLTN. Indonesia keungkinan akan enggunakan PLTN jenis PWR (Pressurized Water Reactor). Pebuatan laboratoriu siulator PLTN jenis PWR ini diharapkan dapat enjadi pebelajaran dala eahai sebuah tingkah laku siste PLTN yang akan diwujudkan di Indonesia dan dapat ebantu eecahkan perasalahan-perasalahan yang akan tibul pada sebuah PLTN sebenarnya. Gangguan siste tenaga listrik ungkin bisa terjadi dan enjadi perasalahan serta kendala penyapaian daya listrik ke beban. Contoh gangguannya adalah terjadinya fluktuasi frekuensi siste tenaga listrik yang disebabkan perubahan beban. Fluktuasi frekuensi seharusnya berada pada batas toleransi yang sudah ditetapkan, dan kebali kepada frekuensi noralnya dengan segera. Fluktuasi frekuensi yang berada diatas batas toleransi erupakan sebuah perasalahan yang kerap terjadi. Selain itu, waktu kebali fluktuasi frekuensi yang tidak segera ke kondisi noral akan engakibatkan kerusakan pada siste seperti patahnya poros turbin generator dan keungkinan terjadi pelepasan beban. Fluktuasi frekuensi ini erat kaitannya dengan perubahan kecepatan putar pada turbin dan generator dikarenakan perubahan perintaan daya beban. Putaran lebih yang elewati batas toleransi tertentu dapat engakibatkan kerusakan pada poros turbin dan generator serta kerusakan pada bagian-bagian lainnya. Peodelan putaran turbin dan generator disusun dala bentuk peodelan fungsi alih dituangkan dala perangkat lunak MATLAB. Peodelan diperoleh dari beberapa teori literatur dan disesuaikan dengan kondisi PLTN sebenarnya serta konstanta dari PLTN jenis PWR jenis AP 000 produksi Westinghouse. Proses pebentukan uap tidak dilakukan peodelan dan dianggap konstan. Peodelan generator pada PLTN tidak jauh berbeda dengan generator pada Pebangkit Listrik Konvensional (PLK) lainnya. Peodelan generator disini hanya ebahas pada persaaan torsi yang erat kaitannya dengan perubahan kecepatan dan Universitas Indonesia 5 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

2 6 frekuensi. Peodelan turbin enggunakan odel turbin yang uu dipakai pada sebuah pebangkit listrik tenaga nuklir yaitu, eiliki satu turbin High Pressure (HP) dan tiga buah turbin Low Pressure (LP). Peodelan katup uap terdiri dari control valve dan intercept valve. Konstanta dan nilai asing-asing koponen disesuaikan dengan data teknis PLTN AP000 dan asusi elalui perhitungan yang uu digunakan. Perubahan kecepatan dilakukan dengan engubah-ubah nilai perubahan beban, sebagai asukkan dari peodelan ini, sehingga akan terlihat perubahan nilai frekuensi. Pengendalian dilakukan dengan engubah-ubah nilai PID. Pengendalian frekuensi siste tenaga listrik ini bertujuan untuk enjaga perubahan frekuensi agar tetap dala batas toleransi yang diiginkan terhadap perubahan daya beban. Selain itu, engebalikan nilai frekuensi ke pada nilai frekuensi noralnya dengan segera. Dengan terwujudnya peodelan pengendalian frekuensi ini dala siulator PLTN, diharapkan dapat enjadi pebelajaran lebih lanjut engenai karakteristik dan perasalahan-perasalahan yang ungkin akan tibul dala sebuah PLTN... Prinsip Kerja PLTN jenis PWR PLTN beroperasi dengan prinsip yang saa seperti PLK (Pebangkit Listrik Konvensional), hanya panas yang digunakan untuk enghasilkan uap tidak dihasilkan dari pebakaran bahan fosil, tetapi dihasilkan dari reaksi pebelahan inti bahan fisil (uraniu) dala suatu reaktor nuklir. tenaga panas tersebut digunakan untuk ebangkitkan uap di dala stea generator ( siste pebangkit uap) dan selanjutnya saa seperti pada PLK, uap digunakan untuk enggerakkan turbin generator sebagai pebangkit tenaga listrik. Sebagai peindah panas biasa digunakan air yang disirkulasikan secara terus enerus selaa PLTN beroperasi Dala reaktor nuklir PLTN, reaksi fisi berantai dipertahankan kontinuitasnya dala bahan bakar sehingga bahan bakar enjadi panas. Panas ini keudian ditransfer ke pendingin reaktor yang keudian secara langsung atau tak langsung digunakan untuk ebangkitkan uap. Pebangkitan uap langsung dilakukan dengan ebuat pendingin reaktor (biasanya air biasa, HO) endidih dan enghasilkan uap. Pada pebangkitan uap tak langsung, pendingin reaktor (disebut pendingin prier) yang eneria panas dari bahan bakar disalurkan elalui pipa ke perangkat pebangkit uap. Pendingin prier ini keudian eberikan panas (enebus edia dinding pipa) ke pendingin sekunder (air biasa) yang berada di luar pipa perangkat pebangkit Universitas Indonesia 6 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

3 7 uap untuk keudian panas tersebut endidihkan pendingin sekunder dan ebangkitkan uap. PLTN jenis PWR ( Pressurizer Water Reactor ) erupakan salah satu jenis PLTN dengan pebangkit uap tidak langsung PWR bekerja berdasarkan prinsip dua daur, diana pedingin pada asingasing daur terpisah satu saa lainnya. Daur prier berisi air yang bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. engabil panas yang dihasilkan oleh reaksi fisi didala teras reaktor. Panas digunakan untuk eanaskan air pada pendingin prier (lingkar pendingin prier ditunjukkan dala skea dengan garis putus-putus erah.). Air ini elalui pipa berbentuk U terbalik tetapi tidak tercapur dengan air upan ( fedwater ) pada daur sekunder. Aliran panas ini dipindahkan ke daur sekunder, diana air upan didihkan dan uap dihasilkan di dala siste pebangkit uap ( siste pebangkit uap turbin kondensor). Transfer panas ini dicapai tanpa encapurkan dua cairan, air dari daur prier dapat enjadi radioaktif. Air dari daur prier dipopa kebali kedala bejana reaktor oleh popa prier. Pada reaktor jenis PWR, aliran pendingin prier yang berada di teras reaktor bersuhu encapai 35 C sehingga perlu diberi tekanan tertentu (sekitar 55 at) oleh perangkat pressurizer sehingga air tidak dapat endidih. Uap yang dihasilkan oleh siste pebangkit uap dialirkan ke turbin dan eutar turbin tersebut keudian eutar generator. Hasil putaran generator ini enghasilkan listrik yang erupakan produk akhir PLTN. Uap selanjutnya berkondensasi dala kondenser, sedang air kondensat tersebut diupan kebali ke siste pebangkit uap. Listrik sebagai produk akhir dari sebuah pebangkit elayani beban elalui saluran transisi. Jika beban bertabah aka putaran turbin-generator akan engalai penurunan, untuk enaikkannya kebali produksi uap ditabah. Jika terjadi putus jaringan saluran transisi, aka akan terjadi pelepasan beban secara tibatiba. Hal ini akan enyebabkan putaran turbin-generator enjadi berlebih karena pasokan uap yang eutar turbin-generator asih terus berjalan. Oleh karena itu dala kondisi kehilangan beban seperti ini, Katup-katup uap akan enutup dengan cepat sehingga pasokan uap akan terhenti dan putaran turbin generator akan elabat dan akhirnya berhenti. Kondisi kehilangan beban erupakan kejadian yang harus dihindarkan. Universitas Indonesia 7 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

4 8 Gabar. Prinsip kerja PLTN jenis PWR. Kesetabilan Siste Tenaga Listrik [] Stabilitas siste tenaga telah enjadi perhatian utaa dala sebuah siste operasi. Perhatian itu uncul dari fakta bahwa pada kondisi keadaan antap ( steady state), kecepatan rata-rata untuk seua generator adalah saa. Kondisi tersebut diaharapkan pada operasi sinkron dari sebuah siste interkoneksi. Gangguan kecil atau besar pada siste tenaga berdapak pada operasi sinkron. Sebagai contoh penaikan dan penurunan beban atau akibat dari rugi-rugi pebangkit enjadi salah satu jenis gangguan yang berpengaruh sangat signifikan terhadap siste. Gangguan dapat dibagi enjadi dua kategori, yaitu gangguan kecil dan gangguan besar. Gangguan kecil erupakan satu dari eleen siste dinaik yang dapat dianalisis enggunakan persaaan linear ( analisis sinyal kecil ). Gangguan kecil yang terjadi berupa perubahan beban pada sisi beban atau pebangkit secara acak, pelan, dan bertingkat. Meskipun kestabilan sebuah siste dapat dilihat secara enyeluruh dan eluas, tetapi untuk tujuan analysis sebuah siste, Professor Padiyar [3] ebagi kestabilan enjadi dua kategori [] :.. Kestabilan Steady State Kestabilan steady state adalah keapuan siste tenaga listrik untuk encapai kondisi stabil pada kondisi operasi baru yang saa atau identik dengan kondisi Universitas Indonesia 8 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

5 9 sebelu terjadi gangguan setelah engalai gangguan kecil. Analisa kestabilan steady state enggunakan pendekatan odel linear. Kestabilan steady state pada siste tenaga disebut juga kestabilan sinyal kecil (sall signal stabillity). Pada referensi lain kestabilan steady state juga dinaakan kestabilan dinaik.. Kestabilan Transien Kestabilan transien adalah keapuan siste tenaga listrik untuk encapai kondisi operasi baru yang dapat diteria setelah siste engalai gangguan yang besar. Analisis kestabilan transien enggunakan pendekatan odel non linear.3 Generator Generator erupakan instruen pebangkit tenaga listrik yang engubah energi ekanis sebagai asukan enjadi energi listrik sebagai keluaran diana kecepatan putar dari rotornya saa dengan kecepatan putar dari statornya. Generator terdiri dari bagian yang berputar yang disebut rotor dan bagian yang dia yang disebut stator. Kuparan rotor erupakan rangkaian tertutup dari suatu penghantar, bila diberi tegangan arus searah akan enibulkan fluks agnet. Rotor tersebut diputar dengan suatu penggerak ula atau prie over sehingga fluks tersebut eotong konduktorkonduktor yang ada di stator yang selanjutnya pada kuparan stator akan teribas tegangan. [4] Sebuah generator digerakkan oleh penggerak ula ( turbin uap, turbin air dan lain sebagainya) enggabarkan perputaran dengan torsi berputar yang berbeda. T, torsi ekanik, berperan untuk enabah kecepatan ketika T e torsi elektrik, elakukan perlabatan. Ketika T dan T e epunyai nilai yang saa, kecepatan putaran ω, akan konstan. Pergerakan T disebabkan oleh penggerak ula, sedangkan T e disebabkan oleh perubahan beban. Ketika beban listrik bertabah aka T e > T seluruh siste yang berputar akan elabat. Jika dibiarkan elabat terlalu laa aka akan enibulkan beberapa kerusakan oleh karena itu, diperlukan suatu usaha untuk eningkatkan T sehingga tercapai kebali titik keseibangan antara T e dan T. Hal ini akan engebalikan putaran ke nilai yang dapat diteria. [5] Untuk analisa kestabilan pada studi ini, hanya akan digunakan sebuah generator atau yang lebih dikenal esin tunggal. Mesin tunggal adalah sebuah esin dala hal ini generator, yang ensuplai daya kesuatu beban tanpa dibantu oleh esin lain. Peodelan generator terdiri dari dua bagian, persaaan edan dan persaaan gerak atau persaaan torsi. Peodelan pada penelitian ini hanya peodelan yang berkaitan dengan persaaan torsi, dala hal ini Universitas Indonesia 9 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

6 0 persaaan ayun. Model generator yang akan digunakan adalah sebatas pada persaaan gerak yang engatur gerakan rotor pada generator tersebut. Prinsip dasar dala pergerakannya enyatakan bahwa torsi percepatan ( acclerating torque) erupakan hasil kali dari oen kelebaban ( oen of inertia) rotor dan percepatan sudutnya. Untuk esin serepak dala hal ini generator serepak, persaaan dapat dituliskan dala bentuk [6] : J d θ = T a = T T e (.) Dengan : J = Moen Kelebaban total dari assa rotor ( kg. ) θ = Sudut pergeseran ( angular displaceent ) dari rotor dala satu radian T a = Moen putar kecepatan ( newton.eter) T = Moen putar ekanis ( newton.eter) T e = Moen putar elektrik ( newton.eter) Jika generator serepak ebangkitkan torsi elektrik dala keadaan berputar pada kecepatan serepak (ω s ) aka: T = T e (.) Jika terjadi gangguan akan enghasilkan suatu percepatan (T > T e ) atau perlabatan (T < T e ) dengan: T = T T (.3) a e Pada persaaan (.), sudut pergeseran θ diukur pada subu yang dia, aka untuk engukur posisi sudut rotor terhadap subu yang berputar dengan kecepatan sinkron adalah seperti persaaan berikut : θ = ω +.(.4) st δ dengan δ adalah pergeseran sudut rotor dala satuan radian terhadap subu yang berputar dengan kecepatan serepak. Penurunan persaaaan (.4) terhadap waktu eberikan kecepatan putar seperti persaaan berikut: dθ dθ ωs. t dδ = +...(.5) dδ = ωs +...(.6) Universitas Indonesia 0 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

7 Dan percepatan rotornya adalah : d θ d δ = (.7) Substitusi persaaan (.) ke dala (.6) enghasilkan: J d δ = T T e Kalikan persaaan (.7) dengan kecepatan putaran rotor ω akan enghasilkan: Jω d δ = ω T ω T e (.8) (.9) Pada studi peodelan pengendalian frekuensi tenaga listrik hubungan antara ekanik dan elektrik lebih baik dala daya daripada dala bentuk torsi oleh karena itu, kecepatan putar ω dikali torsi T adalah saa dengan daya, aka persaaan diatas dapat ditulis dala bentuk persaaan daya sehingga hubungan antara daya ( P) dan torsi ( T) adalah sebagai berikut : P = ω.t (.0) Keudian di substitusikan dengan persaaan (.8) enjadi: J d. ω = P Pe (.) δ oentu sudut ( angular oentu ) rotor yang dinyatakan dala M dengan satuan kg. berikut: Atau radian/detik. Hubungan energi kinetik dengan asa berputar adalah sebagai W k = J. ω = M. ω (.).W M = k ω (.3) Bila kecepatan putaran rotor ω tidak berubah sebelu stabilitas hilang, aka oentu sudut M dievaluasi pada kecepatan serepak ω S, sehingga dapat dikatakan putaran rotor ω = putaran serepak rotor ω s sebagai berikut : Universitas Indonesia Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

8 .W M = k ω (.4) s Persaaan ayun dala hubungannya oentu sudut M adalah: M d δ = P P e (.5) Persaaaan (.3) lebih sesuai untuk enuliskan persaaan ayunan dengan paraeter sudut daya listrik δ. Jika p adalah julah kutub generator serepak aka sudut daya listrik δ dala hubungannya dengan sudut daya ekanik δ adalah : p δ = δ (.6) Juga kecepatan putar listrik ω adalah: p ω = ω (.7) Persaaan (.3) persaaan ayunan dala bentuk persaaan daya, dibentuk kedala sudut daya listrik. Dengan enggunakan persaaan (.4) aka didapat persaaan ayun dengan sudut daya listrik dala bentuk persaaan daya adalah : d δ M = P P e p. (.8) Jika harga oentu sudut M dari persaaan (.) disubstitusikan ke persaaan (.6) dan dibagi dengan daya dasar S B, enghasilkan d δ p W k ωss B P = S B P S e B (.9) Sekarang endefinisikan suatu besaran yang dikenal dengan konstanta H seperti persaaan berikut : rating esin energi kinetik pada kecepatan serepak W H = = rating esin S W K dengan satuan dala MJ, sedangkan S B dala MVA Substiusi persaaan (.8) ke persaaaan (.7). didapatkan: H p ω s d δ = P ( pu) P e( pu) k B (.0) (.) Universitas Indonesia Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

9 3 Dengan P (pu) dan P e(pu) adalah berturut-turut daya ekanik dan daya listrik dala satuan per unit. Putaran serepak rotor ω = putaran serepak ω s dan kecepatan putar listrik ω berhubungan dengan kecepatan putar ekanik ω seperti terlihat pada persaaan, sehingga persaaan (.9) enjadi : H ω d δ = P P ( pu) e( pu) (.) Kecepatan putar listrik ω diatas sering diekspresikan dala bentuk.π.f 0 dan subskrip per unit dihilangkan sehingga daya dinyatakan dala satuan per unit dari persaaan (.0) adalah: H πf 0 d δ = P P e (.3) dengan δ dala radian listrik. Dan f o adalah 50 Hz.Jika δ dinyatakan dala derajat listrik, akhirnya persaaan ayunan enjadi : H 80 f 0 d δ = P P e.(.4) Satuan pada konstanta poros berputar asih dala british unit. Untuk lebih eudahkan di konversikan kedala Satuan Internasional ( SI ). Untuk Moen Inersia :.356 J ( kg. ) = WR (.5) 3. Untuk encari Konstanta Inersia ( H ) H ( MWs / MVA) = π rp. J. 50 VA rating. (.6).3.. Pengaruh perubahan beban terhadap generator [] Ketika terjadi sebuah perubahan beban, aka akan terjadi perubahan torsi elektrik Te pada generator. Hal ini enyebabkan adanya perbedaan nilai antara torsi ekanik (T) dan torsi elektrik (Te) sehingga terjadi perubahan kecepatan seperti yang disebutkan dala persaaan gerak. Dari persaaan (.) dan juga berlaku persaaan (.5) aka kobinasi oen inersia J enjadi: Universitas Indonesia 3 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

10 4 dω J = T Te (.7) dengan: J = Kobinasi oen inersia dari generator dan turbin ( kg. ) ω = Kecepatan putar ( rad/s) t = Waktu ( s ) jika konstanta inersia energi kinetik J di konversikan kedala satuan Watt.detik aka: H = VA (.8) J ω base Sehingga persaaan yang enggabarkan hubungan antara kecepatan rotor sebagai fungsi dari torsi elektrik ( Te ) dan torsi ekanik (T). d ω = ( T Te ).(.9) H T + Ta ω Σ Hs - T e Gabar. Fungsi alih antara kecepatan dan torsi [] Pada gabar. ini sesungguhnya erupakan persaaan ayun dari sebuah generator sinkron. Koponen d/ digantikan oleh fungsi s dala transforasi laplace Pada studi peodelan putaran turbin-generator, hubungan antara ekanik dan elektrik lebih baik dala daya daripada dala bentuk torsi oleh karena itu, hubungan antara daya ( P) dan torsi ( T) P = ω.t (.30) Fungsi alih juga dapat digabarkan sebagai berikut Universitas Indonesia 4 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

11 5 P + Σ - Ms M=.H ω P L Gabar..3 Fungsi alih antara kecepatan dan daya [] ω = ω ω (.3) ref.3.. Pengaruh Peredaan terhadap perubahan frekuensi [] Konstanta Peredaan enggabarkan persentase perubahan beban dala satu persen perubahan frekuensi. Biasanya nilai D antara sapai. Nilai D = berarti % perubahan frekuensi dapat enyebabkan % perubahan beban. Karena adanya pengaruh konstanta peredaan D aka gabar.3 enjadi gabar.4 P + Σ + - P L Ms D ω M=.H Gabar.4 Diagra blok antara kecepatan dan pengaruh konstanta peredaan [] Diagra blok disederhanakan enjadi: P + Σ - Ms + D M=.H ω P e Gabar.5 Fungsi alih antara kecepatan dan perubahan daya beban [] Universitas Indonesia 5 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

12 6 Delta P erupakan daya ekanis yang dihasilkan oleh perputaran turbin. Delta Pe adalah daya elektris yaitu perubahan beban, dala hal ini adalah perubahan beban yang tidak epengaruhi frekuensi. Sedangkan D adalah perubahan beban yang epengaruhi frekuensi. M adalah oentu sudut. Nilai nya diperoleh dari perhitungan dua kali kobinasi penjulahan konstanta inersia turbin dan generator ( M = H). Nilai konstanta inersia H dan penjulahannya dapat dilihat pada sub bab.6..4 Penggerak Mula Suber utaa energi listrik disuplai oleh energi kinetik air atau uap yang erupakan hasil pebakaran bahan bakar fosil atau nuklir [,5]. Penggerak ula engkonversikan suber energi ini enjadi energi ekanik yang keudian diubah enjadi energi listrik oleh generator sinkron. Penggerak ula dala hal ini adalah turbin. Turbin adalah esin atau otor yang roda penggeraknya berporos dengan sudu (baling-baling) yang digerakkan oleh aliran air, uap, atau udara. Turbin uap adalah turbin yang engubah energi kinetis enjadi energi ekanis. Turbin eiliki asukan berupa tenaga ekanik dari dorongan fluida dan eiliki output tenaga ( torka ) ekanik yang digunakan untuk eutar generator. Turbin juga eiliki peralatan pendaping sebagai pengatur putaran yang disebut governor. Sebuah turbin uap engubah enegi uap yang bertekanan dan berteperatur tinggi ke energi putar, lalu selanjutnya diubah enjadi energi listrik elalui generator. Suber panas untuk boiler eproduksi uap bisa saja dari pebakaran bahan bakar fosil ( batubara, inyak gas) atau dari reaktor nuklir. Bentuk turbin beraca-aca tergantung pada ukuran dan kondisi uapnya. Turbin biasanya terdiri dari dua atau lebih bagian turbin yang dihubungkan terkopel secara seri ( High Pressure (HP) turbin, Interediate Pressure ( IP ), Low Pressure ( LP ) turbin). Pada Inlet turbin terdapat pipa dan nozzle yang ebuat kecepatan laju uap eningkat tinggi. Energi kinetik dari uap kecepatan tinggi ini, dikonversikan pada poros enjadi torsi. Sebuah turbin dengan beberapa bagian biasanya epunyai jenis tandecopound atau cross copound. Turbin cross copound terdiri dua poros yang asing-asingnya terhubung ke generator dan digerakan oleh satu atau lebih bagian Universitas Indonesia 6 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

13 7 turbin Pada turbin tande-coupound, seua bagian di satukan pada satu poros dan terhubung pada sebuah generator. [] Turbin Pebangkit Listrik Tenaga Nuklir biasanya enggunakan jenis tandecopound dan epunyai kecepatan 500 r/in. Konfigurasi turbin dapat dilihat dari gabar.6 [] gabar.6 Konfigurasi turbin untuk PLTN [] Pada gabar.6 terlihat, turbin terdiri dari satu bagian HP dan tiga bagian LP. Uap keluaran dari HP enuju Moisture Separator Reheater ( MSR ) sebelu asuk ke bagian LP. MSR berfungsi untuk engurangi kelebaban uap pada saat easuki LP sehingga akan engurangi rugi-rugi akibat kelebaban dan erosi. Pada turbin untuk pebangkit listrik tenaga nuklir tidak ada turbin IP. Ini dikarenakan pada konfigurasi pada turbin IP, setelah uap keluar elalui turbin HP, asuk ke reheater lalu uap tersebut asuk anuju turbin IP. Pada kondisi ini, uap yang dihasilkan adalah jenis uap superheated, sedangkan karakteristik pada turbin PLTN adalah jenis uap saturated yang ana tekanan dan panas uap tersebut telah dikondisikan pada suhu dan tekanan tertentu sesuai dengan batasan aterial dari turbin PLTN. Turbin untuk PLTN, dilengkapi dengan 4 set katup. Main inlet Stop Valve( MSV), dan Control Valve ( CV ), Reheater Stop Valve ( RSV) dan Intercept Valve (IV). Katup-katup ini bekerja secara paralel dan ataupun seri. MSV berfungsi sebagai stop valve darurat dan tidak engatur putaran dan beban. Pada kondisi noral pengendalian katup utaa diatur oleh governor. Sedangkan CV dan IV berfungsi sebagai katup pengendali terhadap putaran lebih yang engakibatkan kehilangan Universitas Indonesia 7 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

14 8 beban. []. Dari gabar.6 dibuat sebuah blok diagra peodelannya yang dituangkan pada peograan MATLAB. Pada gabar.7 adalah gabar diagra blok turbin PLTN. 0.8 Governor 0.3s+ Stea chest FHP 0.3s reheater 0.4 FLP 0.4 FLP Generator 0.4 FLP3 Gabar.7. Diagra blok turbin PLTN.5 Governor [6] Siste tenaga listrik harus apu enyediakan tenaga listrik bagi para pelanggan dengan frekuensi yang praktis dan konstan. Penyipangan frekuensi dari nilai noinal harus selalu dala batas toleransi yang diperbolehkan. Daya aktif epunyai hubungan erat dengan frekuensi siste tenaga listrik., sedangkan beban siste yang berupa daya aktif dan daya reaktif selalu berubah-ubah sepanjang waktu. Oleh karena itu, untuk epertahankan frekuensi dala batas toleransi yang diperbolehkan, pebangkitan daya aktif dala siste harus disesuaikan dengan kebutuhan pelanggan atas daya aktif, harus selalu disesuaikan dengan beban daya aktif. Perubahan beban engakibatkan terjadi perubahan kecepatan putar turbin-generator perubahan kecepatan ini berhubungan dengan perubahan frekuensi. Penyesuaian daya aktif ini dilakukan dengan engatur besarnya kopel penggerak generator. Penabahan kopel peutar generator eerlukan penabahan bahan bakar pada pebangkit teris dala hal ini, adalah produksi uap. Pengaturan peberian pasokan uap ini di atur oleh siste governor. Pada saat beban listrik bertabah, perintaan daya listrik (Pe) bertabah. Pe einta daya ekanis (P ) untuk enabah putarannya. Penabahan putaran daya ekanis adalah dengan engatur katup asukan uap ke Universitas Indonesia 8 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

15 9 turbin untuk enyesuaikan putaran perintaan beban serta engebalikan frekuensi pada nilai noinal. Siste governor eiliki tiga dasar prinsip kerja, yaitu pengendalian kecepatan/beban, pengendalian kecepatan lebih, dan pebukaan darurat karena kecepatan putar lebih. [] Pengendalian kecepatan/beban pada dasarnya erupakan pengendalian katup CV, seperti terlihat pada gabar.8 pengendalian kecepatan pada governor disetting pada 4-5 % speed droop. Tujuannya adalah untuk engatur posisi CV untuk eberikan pebukaan katup uap yang sesuai. Pengendalian kecepatan lebih, kinerja sebuah turbin bergantung pada keapuan turbin dala ebatasi kecepatan putar yang akan engakibatkan pelepasan beban dan engebalikan kecepatan turbin pada keadaan tunak. Tujuan utaa dari pengendalian kecepatan lebih adalah untuk enghindari peutusan darurat yang disebabkan oleh putaran lebih yang akan engakibatkan pelepasan beban. Biasanya pebukaan darurat disetting pada 0%-5% dari kecepatan noral, aka pengendalian kecepatan lebih harus disetting sebesar 0.5%-% dibawah kecepatan pebukaan darurat. Pada turbin uap terdapat dua siste katup terpisah yang dapat engendalikan pasokan uap, yaitu siste katup CV dan siste katup IV. Dikarenakan uap juga terdapat pada peanas ulang aka peran katup IV pada kondisi ini sangat penting untuk engendalikan uap ke turbin LP. Bersaa dengan CV ebangkitkan sekitar 60%-80% total daya ekanis turbin. Pebukaan darurat adalah proteksi terakhir yang dilakukan dikarenakan kesalahan kegagalan pada kecepatan noral dan putaran lebih. Pebukaan darurat ini di rancang terpisah dari pengendalian putaran lebih. Pebukaan darurat dilakukan oleh katup pebuka secara cepat oleh Main and reheat Stop Valve (MSV), tujuannya adalah enghentikan uap dari siste pebangkit uap. [] Peran governor pada sebuah pebangkit listrik tenaga teral dapat digabarkan sebagai berikut: P reff Governor Turbin T P Generator P e T e Gabar.8. Peran governor pada pebangkit Universitas Indonesia 9 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

16 0 T = Torsi Mekanik Te = Torsi Elektrik P = Daya Mekanik Pe = Daya elektrik P L = Daya beban Integritas suatu turbin uap tergantung kepada keapuan turbin dala engendalikan kecepatan rotor. Kecepatan rotor berhubungan erat dengan pasokan uap. Ada siste katup yang berbeda untuk engendalikan pasokan energi uap. Siste katup Control Valve ( CV) dan Siste katup Intercept Valve (IV).5.. Siste Katup CV [] Aliran uap dari siste pebangkit uap asuk ke dala turbin HP elalui Control Valve dan Main Stop Valve. Konstruksi dari Control Valve sering disebut sebagai Stea Chest. Uap ini asuk kedala Stea Chest dan jalur peipaan enuju turbin HP Seua katup yang bersifat Stop valve dianggap konstan/linier, sehingga tidak perlu diodelkan. Control Valve (CV) berperan sebagai governor. Seperti sudah diketahui sebelunya bahwa control valve enggabungkan aliran uap yang enuju turbin dan perubahan frekuensi/beban selaa operasi noral. Respon dari aliran uap terhadap sebuah perubahan pada control valve ditandai dengan konstanta waktu yaitu konstanta waktu dari stea chest dan peipaan yang enuju ke turbin HP. Besarnya konstanta waktu control valve atau governor adalah T gov = 0.03 s.5.. Siste katup IV Keluaran dari turbin HP elewati Moisture Separator Reheater (MSR) untuk peanasan ulang sebelu asuk ke turbin LP. Sebelu asuk ke turbin LP uap elewati katup IV Intercept Valve biasanya digunakan untuk pengendalian daya ekanik turbin sehubungan dengan kejadian kecepatan putaran berlebih. Pada tesis ini peodelan katup IV dianggap konstan dan tidak diodelkan.6. Data Teknis Pebangkit Dari penelusuran referensi yang didapat dari Pusat Pengebangan Energi Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasioal ( PPEN-BATAN), diabil contoh data teknis pebangkit dari sebuah PLTN jenis PWR jenis AP 000 produksi Westinghouse. Data tersebut adalah sebagai berikut: Universitas Indonesia 0 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

17 Tabel.. Konstanta pada poros berputar [3] No Massa Rotor Moen Inersia (WR²) (lb.ft²) Letak poros Kelenturan (K) ( lb.ft/rad) Generator.4.38 Gen-LP LP LP3-LP LP LP-LP LP LP-HP HP 5.40 Tabel.. Data turbin dan generator PLTN jenis AP000 [] Paraeter Ukuran Satuan Kapasitas 375 MVA Kecepatan putar 500 Rp Tegangan 4 kv Julah kutub 4 Jenis Turbin Turbin HP Turbin LP 3 Unit Unit Konstanta Fraksi HP ( FHP ) 0.8 Pu Konstanta Fraksi LP ( FLP) 0.4 Pu Konstanta waktu governor 0.03 S ( Tgovernor) Konstanta Waktu Peanasan 0.3 S Ulang ( Trh) Dibawah ini tabel nilai konstanta hubungan antar torsi pada asing-asing bagian putar turbin dan generator..7. Perhitungan Konstanta Besarnya nilai konstanta diabil dari data-data referensi. Baik dari literatur aupun dari hasil penelitian. Selain itu nilai-nilai konstanta ini juga diabil berdasarkan asusi-asusi dengan pertibangan data-data teknis yang sebenarnya. Universitas Indonesia Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

18 .7.. Konstanta Inersia Contoh perhitungan dilakukan hanya pada satu noor assa saja, sedangkan noor assa yang lain dihitung terpisah dan tidak dijabarkan. Contoh perhitungan engabil data noor assa 5 pada tabel.. yaitu, WR = 5.40 lb.ft, dengan enggunakan persaaan (.3) didapat oen inersia J 5:,356 J 5 = (5.40) (.3) 3, = 9485,3 kg. Dengan enggunakan persaaan (.4) dihitung besarnya konstanta Inersia (H) π 500 H 5 = 9485,3 (.33) H 5 = 0,08509 MWs/MVA Dengan cara yang saa aka didapat H 4 = 0, MWs/MVA H 3 = 0,698 MWs/MVA H = 0,6975 MWs/MVA H = 0,40634 MWs/MVA Keudian dijulahkan enjadi H = MWs/MVA.8. Hubungan Antar Koponen Pebangkit Dari uraian diatas, blok-blok diagra saling dihubungkan sehingga ebuat sebuah diagra blok pebangkit listrik tenaga nuklir. Seperi terlihat pada diagra blok pada gabar.9 P reff τ GOVERNOR τ TURBIN τ GENERATOR ω Gabar.9 Diagra blok pebangkit listrik tenaga nuklir Dari diagra blok diatas dibentuk sebuah penyederhanaan blok dengan persaaan ateatis. Universitas Indonesia Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

19 3 A. Mencari τ governor. τ GOVERNOR = (.34) + T governor dari subbab.5. diperoleh T governor = 0.03 s. Sehingga: τ GOVERNOR = (.35) s B. Mencari τ TURBIN Dari gabar.6 dibuat penjabaran persaaan sebagai berikut: = ( s) s + 0.3s 3 T turbin (.36) T ( s) = + turbin 0.3s s (.37) (0.8) (0.3s) + (0.7).(0.3s + ) T turbin ( s) = (.38) (0.3s + )(0.3s) s +.4 ( s) = 0.3s + s (.39) T turbin C. τ Generator Pada gabar.5 telah dibentuk sebuah persaaan Nilai H erupakan penjulahan dari perhitungan pada subbab.7.. τ GENERATOR, diana M =.H. Dengan H = MWs/MVA dan D diasusikan epunyai nilai. Maka bentuk τ GENERATOR adalah : τ GENERATOR = M. s + D τ GENERATOR = (.40) s + Dari persaaan-persaaan diatas digabungkan untuk ebentuk sebuah persaaan lingkar terbuka dari sebuah pebangkit. Dengan berpedoan pada gabar.9 aka persaaan lingkar terbuka enjadi Universitas Indonesia 3 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

20 4 ω P reff = [ τ ) ( τ ) ( τ )] ( gov turbin generator (.4) ω P reff ω P reff = s ( = 0.03 s 3 s +.4 ) 0.3s + s s + s s s + (.4) Dari persaaan lingkar tertutup akan dicari upan balik speed droop D. Mencari konstanta speed droop. Persaaan lingkar tertutup dibentuk dari gabar.9 dan persaaan (.4) diberikan upan balik konstanta speed droop. Terlebih dahulu dicari nilai konstanta speed droop. Dari persaaan (.4) dibentuk dala persaaan : KG. H = ( s) ( s) ( + τ. s) ( + τ. s) ( Ms + D) gov K turbin (.43) ( ). K KG H ( ) = (.44) s s s s s + Dengan K = R K + KG( s ). H ( s) = + (.45) s s s + Dengan enggunakan etode Routh Hurwitz dari persaaan (.45) s s s + + K Berikut adalah tabel kriteria Routh Hurwitz s s s s K K K 0 (.46) Dari baris s nilai K harus K < dan K > - Universitas Indonesia 4 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.

21 5 Selaa K = aka konstanta droop adalah R R. atau R > Dengan deikian besarnya droop harus lebih besar dari Dari uraian diatas dibuat diagra blok pebangkit dengan asukan gangguan perubahan daya beban dan keluaran perubahan frekuensi. Pada gabar.0 dipilih nilai speed droop sebesar 0.5 delta P PL.5789s+ Generator delta w Scope P 0.03s+ governoor s s +s turbin Droop 0.5 Gabar.0 Diagra blok pebangkit beserta asukan gangguan P L Universitas Indonesia 5 Peodelan pengendalian..., Donny Nurayady, FT UI, 00.