PEREKAYASAAN SISTEM TIMBANGAN MASSA BATUBARA PADA BELT CONVEYOR DENGAN TEKNIK SERAPAN RADIASI GAMMA Rony Djokorayono, Indarzah Masbatin Putra, dan Usep Setia Gunawan PRPN - BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310 ABSTRAK PEREKA YASAAN SISTEM TlMBANGAN MASSA BA TUBARA PADA BELT CONVEYOR DENGAN TEKNIK SERAPAN RADIASI GAMMA. Telah dikonstruksi sistem timbangan massa batubara pada belt conveyor dengan teknik serapan radiasi gamma dan bersifat non kontak dengan material yang diukur beratnya. Sistem timbangan ini digunakan untuk menimbang berat batubara yang dipindahkan dari kapal tongkang ke coal bunker PL TU Suralaya menggunakan belt conveyor. Ketelitian ukur timbangan yang dipersyaratkan adalah ± 0,5%, serapan radiasi gamma oleh batubara pada belt conveyor diukur oleh detektor sintilasi dengan aktif area 5 cm x panjang 1,5 meter. Sistem timbangan ini mempunyai koefisien korelasi linier 1 bila dibandingkan dengan sistem timbangan load cell. Kata kunci: timbangan massa batubara ABSTRACT THE ENGINEERING OF A COAL MASS MEASUREMENT SYSTEM ON A BEL T CONVEYOR USING GAMMA RADIA TlON ABSORPTION TECHNIQUE. The non contact measurement coal mass flow on the belt conveyor has been constructed by using gamma absorption technique. This system is measuring the weight of coal transported from tongkang ship to coal bunker of PL TU Suralaya using belt conveyor. The accuracy for the measurement of weight scale is ± 0,5%, the gamma radiation absorption will be measured by scintilation detector in 5 cm x 1,5 meters of active area. This system has tinier the correlation coefficient equal to 1compared by the load cell weighing. Keywords: coal mass flow 1. PENDAHULUAN Pad a awalnya timbangan massa batubara pada belt conveyor menggunakan load cell. Karena wilayah kerja peralatan timbangan massa batubara berada pad a daerah korosif dan berdebu, maka kerusakan komponen Instrument proses menjadi lebih cepat, terutama terhadap sensor- sensor yang memerlukan kontak mekanik seperti metoda load cell. Metoda yang sesuai dengan lingkungan yang korosive adalah menggunakan metoda pengukuran yang sederhana dan terlindung dari lingkungan sekitar pabrik atau menggunakan metoda pengukuran non contact terhadap material proses. Metoda yang - 405 -
sesuai dengan kondisi lingkungan yang korosif seperti di PLTU batubara adalah menggunakan metoda serapan radiasi gamma. Metoda ini sederhana, tidak perlu bersentuhan dengan material yang diukur beratnya atau densitynya, mudah dikemas sedemikian rupa sehingga tidak terpengaruh korosif. Untuk menimbang massa batubara yang terdapat diatas belt conveyor, cukup menempatkan pemancar radiasi gamma jenis 137Cs dengan aktivitas rendah sekitar 50 mci diatas belt conveyor dan sebuah detektor sintilasi dengan aktif area sepanjang 1,5 meter yang ditempatkan dibawah belt conveyor, kemudian keluaran detektor dihubungkan ke subsistem lokal display yang dilengkapi dengan signal transmitter dengan standar 4-20 ma. Untuk menentukan total berat dibutuhkan sensor kecepatan yang dipasang dibawah belt conveyor. Setelah digabung dengan keluaran detektor scintilasi maka total berat batubara yang dipindahkan dari kapal tongkang ke coal bunker dapat ditentukan dan ditampilkan pada layar monitor LCD atau LED. 2. TEORI Prinsip Kerja timbangan massa batubara pada belt conveyor berdasarkan serapan radiasi gamma oleh material batubara yang terdapat pad a belt conveyor dapat dijelaskan sebagai berikut. Perangkat timbangan massa yang menggunakan radiasi gamma, sebaran radiasinya diatur sedemikian rupa oleh kolimator sehingga penyebaran radiasi gamma tegak lurus dengan belt conveyor. Material batubara mengalir diantara sumber radiasi gamma dan detektor sintilasi. Radiasi gamma yang diterima detektor sintilasi, proporsional terbalik dengan berat material persatuan luas dari irisan beam radiasi gamma pada material batubara. Hasil sera pan radiasi gamma pada material batubara yang terdapat pada belt conveyor diukur oleh detektor sintilasi. Intensitas radiasi gamma yang diterima detektor bersatuan berat material per satuan luas atau biasa disebut Basis Weight. Basis Weight dikalikan dengan lebar belt dan dikalikan lagi dengan kecepatan belt conveyor sehingga akan menghasilkan kecepatan massa aliran dan jika diintegrasikan dengan waktu akan menghasilkan total berat Flow material batubara. Prinsip kerja sistem timbangan massa batubara pada belt conveyor dengan teknik serapan radiasi gamma sesuai referensi [3] dapat dilihat pada Gambar 1. - 406 -
Prosiding Pertemuan I/miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - BA TAN. 14 November 2013 PEMANCAR GAMMA 137Cs DETEKTOR DENGAN PAN./ANG 1.5 M BA TV BARA PADA BELT CONVEYOR LOADING KAPASITAS INTEGRATED A.... J LOADING MASS _f- ~_. Kym2 IrEJf@Ji-@] LEBAR BELT (M) KECEPATAN M/HOURS WAKTU HOURS Gambar 1. Prinsip kerja sistem timbangan massa batubara pada belt conveyor dengan teknik serapan radiasi gamma Sedangkan Blok Sensor sistem timbangan massa batubara pada belt conveyor dengan teknik sera pan radiasi gamma pada Gambar 2. PEMANCAR GAMMA 137 r< 'i0 mri MATERIAL BATUBARA If BELT CONVEYOR DETEKTOR SCINTILASI SENSITIF RADIASI GAMMA Gambar 2. Blok sensor sistem timbangan massa batubara pad a belt conveyor dengan teknik sera pan radiasi gamma - 407 -
PRPN- BATAN, 14 November 2013 Prinsip pengukuran sistem timbangan massa batubara pad a belt conveyor dengan teknik sera pan radiasi gamma berdasarkan rumus referensi [1] dan [2] sebagai berikut : dimana I = loe-j.lpx(1) (1) 10 = intensitas radiasi sebelum melalui material batubara = intensitas radiasi setelah diserap material batubara dan material belt conveyor ).l = koefisien absorpsi massa p = densitas material batubara yang dilalui sinar gamma x = teballapisan material batubara (x1) dan material belt conveyor (x2) Karena tebal belt conveyor dianggap tetap, maka intensitas radiasi yang diterima detektor ( I ) hanya akan bergantung dari serapan material batubara. Koefisien absorpsi massa merupakan konstanta sehingga secara integrasi elektronik nilai intensitas radiasi yang diterima detektor (I) mempunyai satuan kg/m2, bila diplot dalam bentuk grafik semi logaritmik menjadi Gambar 3. 800 600 400 200 o 4 I 8 10 n12 x ( tebal material) batubara pada belt conveyor Gambar 3. Hubungan linier antara intensitas gamma dengan tebal material batubara Oari grafik pada Gambar 3 dapat dijelaskan bahwa semakin banyak tumpukan batubara diatas belt conveyor maka semakin keeil intensitas radiasi gamma yang diterima oleh detektor sintilasi. Agar nilai tampilan di lokal display sesuai dengan besarnya tumpukan batubara pada belt conveyor maka diperlukan proses inversi yaitu dengan eara menetapkan suatu bilangan konstannta dikurangi dengan hasil pengukuran. - 408 -
Setelah diinvers (dikonversi) oleh sistem elektronik mieroprosessor (komputer) maka grafik akan menjadi 800 600 400 200 -I '-t1----.1----,1c----11~1~1~i-i-i-i o 4 8 10 12 X (tebal material) batubara pada belteonvevor Gambar 4. Invers hubungan linier antara intensitas gamma dengan tebal material batubara Dari grafik pad a Gambar 4 dapat dijelaskan bahwa semakin banyak tumpukan batubara diatas belt conveyor maka makin besar nilai basis weight yang ditampilkan pad a lokal display sensor basis weight. 3. METODA Cara dalam melakukan pereobaan untuk membuat prototip sistem timbangan massa batubara pada belt conveyor dengan teknik serapan radiasi gamma diantaranya, dengan menyiapkan sebuah prototipe O-frame selebar 2 meter dan tinggi 120 em, diatasnya diberi pemanear gamma 50 mci dan dibawahnya diletakkan sebuah detektor sintilasi panjang 150 em dengan diameter 5 em. Jarak antara pemanear gamma dan detektor 85 em. Prototip O-frame dipasang pada belt conveyor batubara di unit coal handling BC-03 PLTU Suralaya Merak Banten. Untuk mengukur kecepatan belt conveyor dipasang sebuah rotary encoder yang dihubungkan dengan roda penggerak yang ditempelkan pad a belt conveyor. Signal keluaran detektor sintilasi dan sensor kecepatan belt conveyor, masing masing dimasukan ke lokal display LED 7 Segmen dan oleh mikrokomputer yang terdapat di lokal display kedua signal diolah menjadi bentuk signal standar 4-20 ma yang selanjutnya signal keluaran arus detektor sintilasi dan kecepatan belt conveyor - 409 -
dihubungkan ke elektronik data logger serta komputer total weight. Siok sistem diatas dapat dilihat pada gambar 5. Setelah sistem timbangan massa batubara dipasang pada belt conveyor, proses selanjutnya adalah proses kalibrasi, menggunakan referensi load cell terkalibrasi yang telah disediakan oleh pihak PLTU Suralaya. Realisasi proses kalibrasi dilakukan dengan mengambil rentang waktu cuplikan, ketika belt conveyor berisi material batubara dan digerakan dengan kecepatan tetap sekitar 4,04 meter per detik. Sebagai contoh saat jam menunjukan 14.00 dicatat nilai total weight pada kalibrator load cell, bersamaan waktunya juga dicatat nilai pengukuran prototip sistem timbangan massa batubara pada dengan teknik serapan radiasi. Kemudian pad a jam 16:00 dicatat lagi nilai total weight pada kalibrator load cell, bersamaan waktunya juga dicatat nilai pengukuran prototip sistem timbangan massa batubara pada dengan teknik serapan radiasi. Pencatatan pengukuran tersebut dilakukan untuk beberapa sampel. Oari hasil pencatatan kedua data total weight hasil pengukuran dibuatkan regresi liniernya, nilai parameter hasil persamaan regresi linier dimasukan kedalam pemrograman. Sehingga nilai pengukuran yang ditunjukan oleh load cell kalibrator dengan nilai pengukuran yang ditunjukan oleh perangkat prototip sistem timbangan massa batubara dengan teknik serapan radiasi, akan sama nila total beratnya. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Siok sistem timbangan batubara pad a belt conveyor dengan teknik sera pan radiasi gamma Siok sistem timbangan massa batubara pad a belt conveyor dengan teknik serapan radiasi gamma secara garis besarnya tersusun dari mekanik O-frame, sebuah sistem deteksi radiasi gamma berupa detektor sintilasi diameter 5 cm dan panjang 1,5 meter, sebuah sumber pemancar gamma jenis 137Cs aktivitas 50 mci, elektronik data logger yang terdapat didalam komputer total weight dan hardware software komputer. Siok sistemnya dapat dilihat pad a Gambar 5. -410-
SENSOR KECEPATAN PEMANCAR GAMMA IJ7Cs SENSOR GAMMA (BASIS WEIGHT) EEEfJ LOKAL DISPLAY SENSOR BASIS WEIGHT OUTPUT 4-20 ma EEEfJ KOMPUTER TOTAL WEIGHT LOKAL DISPLA Y SENSOR SPEED OUTPUT 4-20 ma Gambar 5. Siok sistem timbangan massa batubara pada belt conveyor dengan teknik serapan radiasi gamma Prinsip kerjanya, pemancar gamma 137Cs yang terdapat di atas belt conveyor memancarkan radiasi gamma ke arah detektor menembus tumpukan batubara yang terdapat di atas belt conveyor. Sedangkan radiasinya sebagian terserap oleh material batubara, intensitas radiasi setelah diabsorpsi oleh material batubara kemudian diterima oleh detektor sintilasi. Dari hasil pengukuran oleh detektor memberikan keluaran signal analog arus antara 4-20 ma sesuai dengan intensitas radiasi gamaa yang diterima oleh detektor. Kemudian signal analog diumpankan ke elektronik data logger serta ditampilkan ke LED 7 segmen. Elektronik data logger juga menerima signal analog dari sensor kecepatan, yang bervariasi antara 4-20 ma sesuai dengan kecepatan belt conveyor. Kemudian oleh elektronik data logger yang terdapat di komputer total weight, signalsignal analog terse but dikonversi menjadi data digital dengan kecepatan konversi masing masing signal sebesar 30 I-lsec. Setelah terkumpul data digital ditransmisikan ke komputer Total Weight melalui komunikasi serial RS-232 dengan kecepatan 9600 bps dan data digital hasil pengukuran kecepatan belt conveyor serta pengukuran intensitas radiasi gamma (Basis Weight) oleh komputer total weight di kalkulasi menjadi nilai mass flow rate serta total weight. -411 -
Hasil kegiatan perekayasaan sistem timbangan batubara pada belt conveyor dengan teknik serapan radiasi gamma Hasil kegiatan perekayasaan sistem timbangan massa batubara pada belt conveyor dengan teknik sera pan radiasi gamma telah dipasang dan diujicoba di Belt conveyor BC-03 unit Coal Handling PLTU Suralaya atas pembiayaan mitra kerja, yang tersusun dari O-frame mekanik, sebuah sumber radiasi gamma 137Cs, sebuah detektor sintilasi aktif area 1,5 meter, sebuah lokal display pengukur intensitas gamma (Basis Weight), sebuah lokal display pengukur kecepatan belt conveyor, elektronik data logger dan Software & Hardware komputer total weight. Hasil kegiatannya dapat ditunjukan dalam Gambar 6 sampai Gambar 9. Packaging local display, persiapan pengiriman ke PLTU Suralava Packaging sensor timbangan metoda serapan gamma, persiapan pengiriman ke PLTU Suralaya Gambar 6. Packaging lokal display dan sensor timbangan dengan metoda serapan gamma untuk dipasang di PLTU Batubara Suralaya Instalasi awal terminal lokal display sensor timbangan metoda Gambar 7. Instalasi awal lokal display untuk sensor timbangan dengan metoda serapan gamma sebelum di pasang di PLTU Batubara Suralaya -412-
Prosiding Pet1emuan IImiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN- BATAN, 14 November 2013 Instalasi O-frame mekanik, pemancar gamma & detektor timbangan metoda serapan gamma. Gambar 8. Saat melaksanakan instalasi O-frame mekanik, pemancar gamma, dan detektor timbangan metoda serapan gamma di belt conveyor BC-03 coal handling PLTU Suralaya, Merak, Banten Belt Conveyor batubara Pemancar gamma 131Cs Lokal display timbangan serapan gamma metoda Detektor timbangan batubara pada belt conveyor dengan metoda serapan gamma Gambar 9. Hasil konstruksi O-frame mekanik, pemancar gamma, dan detektor timbangan metoda serapan gamma terpasang di belt conveyor BC-03 coal handling PLTU Suralaya Merak Banten -413-
Data pengukuran Pengukuran massa batubara diatas belt conveyor dilakukan di unit coal handling PLTU Suralaya, Belt conveyor (BC-03) pada hari jumat tanggal 15 pebruari 2013. Hasil pengukuran dibandingkan dengan load cell yang telah dikalibrasi dan disegel oleh Direktorat Metrologi Departemen Perdagangan. Data hasil pengukuran ditabelkan pada tabel 1 sebagai berikut : Tabel 1. Pengukuran massa batubara yang berada di atas belt conveyor dengan teknik serapan radiasi gamma dibandingkan dengan kalibrator Load Cell yang telah dikalibrasi TON Hasil Pengukuran 1837.8 282.7 196,9 160.6 1859.4 288.1 1439.8 199.0 161.1 TON Hasil Timbangan 1455.6 Pengukuran Timbangan metoda Load Cell Waktu dengan TON TON metoda serapan amaan, seharusnya dilakukan serentak kadang waktu gamma secara membaca tampilan timbangan load cell (kalibrator) n yang dilakukan secara manual, kadang dan timbangan Dari data yang terdapat pad a tabel 1, agar nilai pengukuran timbangan dengan metoda serapan radiasi gamma, nilai tampilannya sesuai dengan kalibrator metoda load cell memerlukan persamaan linier Y = 0,997 X - 0,119 yang harus dimasukan ke dalam proses pemrograman, dimana Y adalah hasil pengukuran timbangan load cell (kalibrator) dan X adalah hasil pengukuran timbangan dengan metoda serapan radiasi gamma dimana nilai X minimal 2.0. Sedangkan koefisien korelasi yang didapat dari data pada tabel1 adalah r = 1,00. -414-
PRPN- SATAN, 14 November 2013 5. KESIMPULAN Telah dirancang dan dikonstruksi sistem timbangan massa batubara pad a belt conveyor dengan teknik sera pan radiasi gamma, serta diujicoba di Belt conveyor BC-03 unit Coal Handling PLTU Suralaya.. Dari hasil pengukuran dan pengujian sistem timbangan massa batubara pad a belt conveyor dengan teknik serapan radiasi gamma memerlukan koreksi dengan persamaan linier Y = 0,997 X - 0,119. 6. UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih kami ucapkan kepada managemen PRPN Batan yang telah memberi ijin untuk pengujian lapangan perangkat timbangan batubara pada belt conveyor dengan serapan radiasi gamma serta managemen PLTU Suralaya terutama bapak Trisno yang telah memberi kesempatan untuk penempatan alat di unit coal handling, juga kepada managemen PT.Gammatech selaku mitra dari PT. Indonesia Power yang telah memfasilitasi dengan pihah teknis unit coal handling. 7. DAFTAR PUSTAKA 1. IAEA (International Atomic Energy Agency) 1965, Radioisotope Instruments in Industry and Geophysic, Viena. 2. B.D. Sowery, On-line Nuclear Techniques in the Coal Industry, Division of Mineral and Process Engineering, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, NSW 2234, Australia, 27 February 1991. 3. Berthold Radiation Measuring Instruments for Industry, Gmbh & Co.KG, 0-7547 Bad Wildbad. 4. Coal Quality Manager (CQM), Analyzer Manual, Thermo Electron Corporate, 10010 Mesa Rim Rd San Diego, CA 92121 United States, 2007. TANYA JAWAB Pertanyaan: 1. Jika terjadi ketidaksesuaian dengan monitor apakah kemudian ada tindakan yang harus dilakukan? (Tri Harjanto) -415-
2. Perkembangan apa yang terdapat pada kegiatan perekayasaan system timbangan massa batubara pad a belt konvegen dengan Teknik sera pan sinar gamma pada tahun 2013 ini? (Widodo) Jawaban: 1. Kembali ke acuan draf survey dengan memperkirakan tenggelamnya kapal tongkang pengangkut batubara. 2. Belum ada perkembangan baru. Desain ini mau dicoba di petro gresik akhir November 2013. 8. LAM PI RAN PHOTO DOKUMENTASI HASIL KEGIATAN Kapal pengangkut dengan beberapa batubara palka Proses pemindahan batubara dari kapal ke hopper melalui belt conveyor di PLTU Suralaya Hopper -416-
PRPN- BATAN, 14 November 2013 Belt conveyor penghubung dari kapal pengangkut batubara ke hopper di PLTU Suralaya, kemudian dari hopper di alirkan ke belt conveyor BC-03 Instalasi lokal panel display transmitter, unit detektor timbangan metoda serapan radiasi gamma (Basis Weight) -417-
PRPN - SA TAN, 14 November 2013 Hasil instalasi berupa Sensor gamma weight scale, lokal display basis weight, sensor kecepatan, lokal display kecepatan belt conveyor Sensor kecepatan belt conveyor Instalasi software di panel elektronik data logger dan komputer total weight. -' -418-
PRPN-BATAN, 14 November 2013 Sensor gamma, tampilan lokal display gamma weight scale dan tampilan lokal kecepatan belt conveyor Profil tampilan tumpukan material batubara di atas belt conveyor pad a komputer total weight -419-