APLIKASI PROGRAM CHEMCAD.6.1.4 UNTUK DESAIN PEMBANGKIT UAP PWR Sukmanto Dibyo ABSTRAK APLIKASI PROGRAM CHEMCAD.6.1.4 UNTUK DESAIN PEMBANGKIT UAP PWR. Pada komponen sistem pendingin PWR (Pressurized Water Reactor), terdapat sistem pembangkit uap yang sangat penting. Pembangkit-uap pada prinsipnya adalah penukar-panas yang mendidihkan air pada shell-side. Makalah ini bertujuan mengaplikasikan CHEMCAD.6.1.4 dalam mendesain pembangkit uap. Modul CC-THERM pada CHEMCAD.6.1.4 adalah perangkat lunak yang secara luas digunakan untuk desain dan evaluasi operasi unit penukar-panas. Dalam desain secara perhitungan termal, maka model reboiler dapat dimanfaatkan untuk desain termal pembangkit uap yang menyangkut luas transfer panas, ukuran/geometri tube, koefisien transfer panas dan penurunan tekanan. Hasil desain pembangkit uap dibandingkan dengan data desain pembangkit uap AP1000. Input yang dipakai adalah data parameter desain operasi. Hasil output berupa data desain / sizing. Terdapat perbedaan terbesar yaitu 28 % antara CHEMCAD.6.1.4 dengan data desain pembangkit-uap tersebut, hal ini dapat disebabkan oleh pengaruh penggunaan beberapa data asumsi pada input CHEMCAD.6.1.4. Meskipun demikian, perhitungan desain ini sangat bermanfaat untuk mendukung, melengkapi dan memberikan informasi cepat dan lengkap tentang spesifikasi desain pembangkit uap. Kata kunci: Desain, Pembangkit uap, Aplikasi CHEMCAD.6.1.4, Perhitungan termal, Luas transfer panas. ABSTRACT APPLICATION OF CHEMCAD.6.1.4 PROGRAMS FOR THE PWR STEAM GENERATOR DESIGN. Steam generator is the cooling system components that very important in PWR (Pressurized Water Reactor). The steam generator in principle is the heat exchanger to boil water on the shell-side. The purpose of this paper is to apply the CHEMCAD.6.1.4 software to calculate the steam generator design. CC-THERM module of CHEMCAD.6.1.4 software is widely used to design and evaluate the heat exchanger unit operation. In the thermal design calculations, reboiler model is used for thermal design of steam generator including a heat transfer area, tube size/geometry, heat transfer coefficient and pressure drops. The result of steam generator design is compared with the design data of AP1000 steam generator. Input data used are operating design parameters. The result of output are data of sizing design in which there is maximum difference i.e. 28 % between CHEMCAD.6.1.4 with the that design of steam generator. This may be caused by effect the use of some data assumptions in the input of CHEMCAD.6.1.4. Nonetheless, the design calculation is very useful to support, to complement and provide fast information and completely about steam generator design specifications. Keywords: Design, Steam generators, Application of CHEMCAD.6.1.4, Thermal calculation, Heat transfer area Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir BATAN Serpong, e-mail: sukdibyo@batan.go.id 101
Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (101-111) PENDAHULUAN Dalam rangka menguasai teknologi PLTN, sesuai dengan isi renstra PTRKN Batan, maka telah disiapkan sumber daya manusia yang mampu mengevaluasi desain reaktor jenis PWR (Pressurized Water Reactor). Pembangkit uap adalah salah satu peralatan pada PWR yang berfungsi menghasilkan uap yang berguna untuk menggerakkan turbin. Oleh karenanya kapabilitas sistem pembangkit uap ini penting untuk diperhatikan karena selain berfungsi menghasilkan uap juga berfungsi sebagai pemisah antara pendingin primer yang mengandung substansi aktif dengan pendingin sekunder. Informasi data desain pembangkit uap, dapat diperoleh dari berbagai sumber. Dengan menggunakan data tersebut, maka dapat dihitung kembali desain pembangkit uap tersebut berdasarkan data parameter operasi seperti temperatur, rugi tekanan aliran, laju aliran dan koefisien transfer panas. Untuk itu, perangkat lunak CHEMCAD.6.1.4 yang dimiliki Batan dapat dimanfaatkan untuk menghitung kembali desain teknis pembangkit uap pada PLTN jenis PWR AP1000. Hal ini sesuai dengan misi PTRKN yaitu mengkaji desain teknis sistem PLTN tipe PWR. Hasil desain ini dimaksudkan untuk mendukung dan melengkapi evaluasi desain sistem komponen pendingin PWR. CHEMCAD.6.1.4 adalah perangkat lunak yang paling lengkap dibidang sistem operasi unit suatu instalasi proses. Program ini dapat digunakan untuk melakukan perhitungan desain baru (sizing) atau mengevaluasi dan mengoptimisasi suatu peralatan pabrik/plant yang sudah ada (rating) secara cepat [1,2]. Beberapa industri proses telah sukses menggunakan CHEMCAD.6.1.4 yang memberikan hasil perbandingan dengan realitas secara exellent [3, 4]. Analisis desain termal pembangkit uap pada AP1000 telah berhasil dilakukan dengan menguji parameter operasinya menggunakan paket RELAP5 [5]. Akan tetapi dengan mengaplikasikan program CHEMCAD.6.1.4 ini, parameter desain operasi yang ada, diinputkan untuk menghasilkan data desain sizing. Sehingga hal ini diharapkan dapat melengkapi hasil evaluasi desain pembangkit uap secara komprehensif, baik data desain operasi (temperatur, penurunan tekanan, laju aliran, sifat fisis fluida) maupun data desain sizing yang menyangkut spesifikasi alat (ukuran dan geometri). Berdasarkan uraian pada bab pendahuluan ini maka tujuan makalah ini adalah memanfaatkan perangkat lunak CHEMCAD.6.1.4 untuk diaplikasikan dalam melakukan desain sizing dengan menggunakan data desain operasi pembangkit uap pada AP1000. 102
Aplikasi Program CHEMCAD.6.1.4 untuk Desain Pembangkit Uap PWR (Sukmanto Dibyo) TEORI Program CHEMCAD.6.1.4 CHEMCAD.6.1.4 adalah perangkat lunak berbahasa Visual C++ yang secara ekstensif digunakan untuk desain operasi, evaluasi pada industri process equipment manufacturing. Program ini paling lengkap dapat menganalisis sistem operasi unit (unit operation) suatu instalasi proses termasuk untuk melakukan desain baru (equipment sizing) atau mengevaluasi suatu peralatan pabrik/plant yang sudah ada (rating). Perangkat lunak ini bersifat interaktif karena langsung menginformasikan input yang kurang atau apabila ada kesalahan yang terjadi (error) pada saat digunakan. Dengan demikian CHEMCAD.6.1.4 ini dapat dikatakan sebagai user friendly. Akan tetapi dalam hal ini bagaimanapun pengguna perangkat lunak ini harus memiliki pemahaman tentang prinsip-prinsip proses operasi unit. Kebutuhan untuk transfer panas (heat transfer requirement) dalam desain alat penukar panas merupakan prinsip dasar desain perhitungan termal termasuk termodinamika kesetimbangan kondisi dua fasa. Perhitungan entalpi pada CHEMCAD.6.1.4, menggunakan persamaan keadaan (equation of state) termodinamika seperti SRK (Soave-Redlich-Kwong) atau Peng-Robinson. Berikut ini persamaan panas laten untuk penguapan yang digunakan pada CHEMCAD.6.1.4, H = H f H ov Tb o ( 25 C) + Cp. dt + H ( Tb) + Cpv. dt (1) 25 ov Ts Tb Untuk Cairan, H = H f H ) + Ts CP. dt (2) ( ov Keterangan, H = Entalpi aliran Hov = Panas penguapan Ts = Temperatur sistem Tb = Temperatur boiling Cp = Panas Spesifik (Specific heat) 25 Untuk komponen tunggal, maka panas laten adalah entalpi uap jenuh cairan jenuh. Apabila hanya air yang digunakan dalam perhitungan, maka entalpi ditetapkan dengan menggunakan SRK atau Peng-Robinson. CHEMCAD.6.1.4 menggunakan tabel-uap untuk menghitung entalpi. Berikut ini diskripsi fitur-fitur modul yang terdapat pada CHEMCAD.6.1.4 yang penting diantaranya, 103
Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (101-111) 1. CC-Steady State Adalah simulasi proses kimia yang database pustakanya mencakup komponen kimia, metode termodinamika, dan unit operasi pada kondisi tunak berkesinambungan dari skala laboratorium ke skala penuh (full scale). Hal ini sesuai untuk keperluan desain proses, atau mengoptimasi proses yang ada dalam kondisi tunak. 2. CC-Dynamics Modul ini digunakan untuk simulasi yang terintegrasi antara kondisi tunak dan dinamis. Simulasi proses dapat dilengkapi dengan sistem kendali yang kompleks dan perhitungan tekanan proses. 3. CC-BATCH Simulasi ini untuk optimasi pada sistem kolom batch yang sangat fleksibel dan dilengkapi dengan skedul antarmuka langkah operasi (operation step). 4. CC-THERM Modul ini khusus digunakan untuk mendesain alat penukar panas maupun melakukan rating kondisi operasi dan melakukan perhitungan pada saat situasi hipotetis. Fitur yang tersedia mencakup semua tipe penukar panas shell-tube, plateframe, air-cooled dan double-pipe. Desain dapat terintegrasi dengan modul yang ada pada CHEMCAD. 5. CC-SAFETY NET Produk ini memiliki kapabilitas untuk mendesain jaringan pipa dan sistem alat keselamatan (safety relief devices and systems) pada kondisi tunak dan dinamis. Disamping itu juga mensimulasi kesetimbangan aliran dan tekanan secara simultaneous, dan bahkan situasi aliran balik atau aliran multi fasa (multi-phase flow). 6. CC-FLASH Modul CC-FLASH memuat sifat fisis, fasa kesetimbangan (Vapor-Liquid Equilibrium, Liquid-Liquid Equilibrium, Vapor-Vapor Equilibrium) termasuk prediksi regresi sifat fisis zat murni ataupun zat campuran. Pada prinsipnya CHEMCAD.6.1.4 mudah digunakan karena basis Windows. Meskipun CHEMCAD.6.1.4 memiliki berbagai tipe modul sesuai obyek khusus yang dihitung, namum langkah umum dalam menjalankan CHEMCAD.6.1.4 dapat diuraikan dalam beberapa tahap utama diantaranya [1,6], Memilih opsi engineering unit Menyusun flowsheet dengan operasi unit dan aliran yang sesuai (status on pada fasilitas pallete) Memilih komponen kimia / fluida yang digunakan. Mendefinisikan aliran umpan (feed stream). Memilih model Termodinamika, equation state. Memasukkan parameter operasi (isotermal, adiabatik, parameter ouput dll). Running 104
Aplikasi Program CHEMCAD.6.1.4 untuk Desain Pembangkit Uap PWR (Sukmanto Dibyo) Pembangkit Uap Pembangkit uap adalah penukar panas (heat exchanger) yang mendidihkan fluida air pada sisi shell. Fungsi pembangkit uap adalah untuk memindahkan energi panas dari untai primer ke untai sekunder PLTN jenis PWR. Pembangkit uap yang digunakan dalam desain PWR umumnya jenis U-Tube steam generator. Pada jalur pendingin primer, air panas mengalir melalui sisi tube sedangkan air pendingin sekunder mengisi ruang pada sisi shell. Pendingin primer masuk dari bagian bawah pembangkit uap sebagai hot leg, kemudian mengalir melalui bundel tube kemudian melewati U-bend, dan keluar pada nosel outlet pendingin primer. Pada sistem pendingin sekunder, air umpan berupa kondensat masuk melalui lintasan anulus ke arah bawah, kemudian mengalir di antara U-tube dan bergerak ke bagian atas bundel tube. Dalam desain PLTN AP1000, terdapat 2 pembangkit uap tipe Delta-125 yang terpisah. Gambar penampang desain Pembangkit uap pada AP1000 ditampilkan pada Gambar 1 dan data desainnya ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2. Gambar 1. Penampang Desain Pembangkit Uap Pada AP1000 [6] 105
Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (101-111) Tabel 1. Data Desain Operasi [6] Parameter Operasi keterangan Daya Pembangkit Uap (Mwatt/unit) 1 6,1452x10 6 MJ/jam Desain Tekanan shell side (MPa) 8,274 Temp. pada sisi tube in/out ( o C) 321,0/279,4 Temp. pada sisi shell in/out ( o C) 226,6/271,0 Aliran Pend.Primer (sisi tube) (kg/jam) /unit 25740000 7150 kg/s Tekanan Uap keluar (MPa) 5,74 Aliran Uap /unit (kg/jam) 3348000 930 (kg/s) Faktor Fouling, m 2.K/W 1,937 10-5 Tabel 2. Data Desain Spesifikasi Parameter Geometri Parameter Geometri Tipe Vertikal U-tube Jumlah tube 10025 Tube pitch, (mm) Triangular 24,9 Diameter ID/OD tube (mm) 15,4/17,5 Panjang tube (m) 14,97 Diameter shell, lower (m) 4,19 Permukaan transfer panas (m 2 ) /unit 11477,2 TATA KERJA Dalam melakukan desain peralatan penukar panas, maka fasilitas fitur untuk desain reboiler shell tube pada modul CC-THERM CHEMCAD.6.1.4 dapat dimanfaatkan untuk melakukan desain pembangkit uap. Setelah menjalankan Run Sizing Calculations, maka data spesifikasi desain (ukuran/geometri) dapat diperoleh dengan cepat. Running yang sukses akan diperoleh bilamana tidak terjadi error ketika data input dimasukkan. Dengan menekan double klik pada obyek yang dituju (baik data stream maupun data component unit) maka data inputnya harus diisikan sesuai dengan parameter yang diperlukan. Desain termal pembangkit uap dimulai dari mengidentifikasi data operasi yang digunakan untuk input, kemudian mempersiapkan preparasi data untuk running [7]. Metoda yang dilakukan untuk melakukan desain (termal) pembangkit uap ditunjukkan pada skema gambar 2 berikut, 106
Aplikasi Program CHEMCAD.6.1.4 untuk Desain Pembangkit Uap PWR (Sukmanto Dibyo) Preparasi dan opsi input data Data Parameter operasi desain Pembangkit Uap Run Sizing Calculations Output: Parameter Desain (sizing) Pembangkit Uap Data Parameter Desain Pembangkit Uap Pembahasan Gambar 2. Diagram Tata Kerja Proses Desain PEMBAHASAN Gambar 3 menunjukkan diagram aliran masuk dan keluar pada pembangkit uap, diagram ini dibuat dengan menggunakan menu pada fitur palette. Fitur ini menyediakan menu-menu simbol baku komponen unit sehingga dapat disusun diagram proses alirnya. Aliran 1 dan 2 adalah aliran air panas masuk dan keluar pada sisi tube sedangkan aliran 3 dan 4 merupakan aliran air kondensat yang masuk dan produk uap yang keluar dari komponen unit operasi nomor 1. Dalam aplikasi CHEMCAD.6.1.4, waktu running untuk proses desain ini tercatat hanya 18 detik. Gambar 3. Diagram Aliran Pada Pembangkit Uap 107
Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (101-111) Tabel 3 adalah perbandingan antara data desain dari referensi dengan data desain geometri hasil running CHEMCAD.6.1.4. Data desain hasil running CHEMCAD.6.1.4 ini dikutip dari halaman output dalam format specification sheet standar TEMA (Tubular Exchanger Manufacturing Association). Hasil menunjukkan bahwa desain dari CHEMCAD.6.1.4 terdapat perbedaan angka, maksimum terjadi perbedaan sebesar 28 % pada parameter luas transfer panas. Akan tetapi parameter desain yang lain cukup memberikan informasi yang bermanfaat sebagai pembanding dalam mengevaluasi data desain teknis pembangkit uap pada PWR AP1000. Perbedaan hasil desain dapat disebabkan oleh penggunaan opsi data input (sebagai asumsi pendekatan) dan model input default yang tersedia pada CHEMCAD.6.1.4. Input yang menggunakan data pendekatan diantaranya adalah area untube, konfigurasi tube pitch, model perhitungan 2 fasa dan model fraksi void. Tabel 3 juga menyajikan data desain parameter operasi yang mencakup panas laten, fraksi void dan penurunan tekanan. Tabel 3. Perbandingan Hasil Desain CHEMCAD.6.1.4 dan Desain Referensi Data Dimensi / Sizing Desain Referensi Desain CHEMCAD.6.1.4 Perbedaan Diameter shell, (m) 4,19 4,57 8,3 % Jumlah tube 10025 11957 19,27 % Permukaan transfer panas (m 2 ) /unit 11477,2 14738,0 28,40 % Diameter nosel sisi tube in/out (m) - 2,330/2,663 Diameter nosel sisi shell in/out (m) - 0,794/1,048 Koefisien Transfer Panas overall, - 3249,0 W/m 2.K Faktor Fouling, m 2.K/W - 1,937 10-5 LMTD, o C - 28,43 Koreksi MTD - 0,8694 Panas Laten sisi shell, kj/kg - 1585,1 Penurunan Tekanan sisi tube, bar - 0,378 Batas < 0,68 Aliran Uap /unit (kg/jam) 3348000 3452000 3,1 % Daya Beban (duty) MJ/jam 6145300 6036000-1,77 % Fraksi void (-) - 0,9128 Sebagai catatan bahwa meskipun desain struktur teknis reboiler berbeda dengan pembangkit uap, akan tetapi desain secara perhitungan termal adalah sama. Bagaimanapun juga program CHEMCAD.6.1.4 dapat bermanfaat dalam memberikan informasi cepat dan lengkap tentang evaluasi desain spesifikasi penukar panas pembangkit uap berdasarkan data desain operasi dari referensi [6]. Dalam aplikasi desain ini hanya difokuskan pada pembangkit uap yang dapat mendukung data dokumen evaluasi desain sistem komponen pembangkit uap PWR AP1000. 108
Aplikasi Program CHEMCAD.6.1.4 untuk Desain Pembangkit Uap PWR (Sukmanto Dibyo) Gambar 4 menunjukkan kurva pola temperatur terhadap transfer panas pada mode adiabatik yang terjadi pada pembangkit uap. Kurva pendingin pada sisi tube tampak pola kenaikan panas sensibel begitu pula sisi shell terlihat terjadi panas sensibel dan panas laten, hal ini telah sesuai dengan kondisi operasi sistem pendidihan. Gambar 4. Kurva Temperatur vs Entalpi KESIMPULAN Spesifikasi desain pembangkit uap untuk PWR AP1000 telah berhasil diaplikasikan pada CHEMCAD.6.1.4, hasil perhitungan desain pembangkit uap telah dibandingkan dengan data desain. Perbedaan hasil desain yaitu maksimum sampai 28,40 % pada parameter luas transfer panas, hal ini dapat disebabkan oleh penggunaan opsi data input (sebagai pendekatan) dan model input default. Meskipun demikian CHEMCAD.6.1.4 sangat bermanfaat untuk mendukung, melengkapi dan memberikan informasi cepat dan lengkap tentang spesifikasi desain pembangkit uap. DAFTAR PUSTAKA 1. CHEMTATION-TEAM, CHEMCAD Version 6-User Guide. 2. CHEMCAD, CHEMCAD Process Simulation for Equipment Manufacturers, http://www.norpar.com/brochures/chemcad/chemcad_equipment.pdf 3. CHEMTATIONS, Focused on process simulation, http://www.chemcad.co.uk/ publication.htm 109
Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir, 10 Oktober 2012 (101-111) 4. PEA-LLC, Liquid RadWaste Storage System Design Support, Applied Chemical Engineering Services for the Process Industries, http://www.processengr.com/ case_summaries/nuclear_radwaste_storage.html 5. SUKMANTO D, Analisis Desain kinerja termal pembangkit-uap Delta-75 / Delta-125, Prosiding Senpen-V, PPEN, Jakarta-2012. 6. WESTINGHOUSE, Reactor Coolant System and Connected Systems, Chapter 5. AP1000 European Design Control Document, 2009. 7. AHMAD DANIYAL, Belajar Cepat-Chamcad, Kuliah Umum llmu Komputer.Com Copyright 2003. DISKUSI FAJAR HIDAYAT BUDI SANTOSA 1. Tolong dijelaskan perbedaan antara pendingin primer dan pendingin sekunder. 2. Pada limbah radioaktif yang dihasilkan, apakah ada proses pendaur ulangan atau penimbunan atau sejenisnya. 3. Pernahkah hasil simulasi bapak dibandingkan dengan data eksperimen, jika ya bagaimanakah hasilnya? SUKMANTO DIBYO 1. Pendingin primer hanya disirkulasi di dalam Containmen Reaktor saja. 2. Limbah radioaktif tidak dalam pembahasan dalam paper ini. 3. Hasil simulasi hanya dibandingkan dengan data referensi saja HARDOYO HARDJO 1. Sampai seberapa jauh efektifitas ChemCAD dalam perancangan sistem boiler berbasis nuklir 2. Dapatkah kita memprediksi secara presisi dari simulasi ChemCad ini SUKMANTO DIBYO 1. ChemCad dalam hal ini hanya menghitung surface area heat transfer yang diperlukan untuk desain pembangkit uap. 2. Presisi masih belum bisa dikatakan memuaskan karena modul ini menggunakan modul model Boiler, namun hasil desain sudah dapat mengarah pada spesifikasi desain (size) yang lebih fokus. 110
Aplikasi Program CHEMCAD.6.1.4 untuk Desain Pembangkit Uap PWR (Sukmanto Dibyo) DAFTAR RIWAYAT HIDUP 1. Nama : Ir.Sukmanto Dibyo M.Si 2. Instansi / Unit Kerja : PTRKN Batan 3. Pekerjaan / Jabatan : Peneliti Madya 4. Riwayat Pendidikan : - S1 Teknik Kimia UPN Surabaya Tahun 1984 - S2 Teknik Kimia ITB Tahun 1994 5. Pengalaman Kerja : - Pusat Reaktor Serba Guna Serpong 1985-2006 - Pusat Teknologi Reaktor Keselamatan Nuklir 2006-sekarang. 111