PEMODELAN MULTI-KANAL TUBE-SIDE PADA PEMBANGKIT UAP PLTN 1000 MW

Sukmanto Dibyo ISSN 0216-3128 51 PEMODELAN MULTI-KANAL TUBE-SIDE PADA PEMBANGKIT UAP PLTN 1000 MW Sukmanto Dibyo Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir BATAN Gedung 80 kawasan Puspiptek Serpong E-mail: sukdibyo@batan.go.id ABSTRAK PEMODELAN MULTI-KANAL TUBE-SIDE PADA PEMBANGKIT-UAP PLTN 1000 MW. Pembangkit uap merupakan komponen sistem PLTN jenis PWR yang sangat penting. Pembuatan model multi-kanal tubeside dimaksudkan untuk mengetahui karakteristika desain termohidrolika pembangkit-uap dengan menggunakan paket RELAP5. Model ini disusun dengan menggunakan acuan data desain geometri pembangkit uap AP-1000. Pemodelan difokuskan pada kinerja transfer panas dari tube-side ke media air di shell-side pada kondisi normal. Level air pada shell-side, hanya terjadi 2 fasa uap di bagian atas sedangkan pada tube-side mengalir air panas dari reaktor. Pembuatan nodalisasi disusun dari model volume, junction, heat structure dan time-dependent-junction (tmdjunc) yang terintegrasi di dalam untai terbuka dengan timedependent-volume (tmdpvol) sebagai boundary conditions. Tube-side dibuat secara multi-kanal dan dinding tube berperan sebagai media transfer termal. Running program dikerjakan sampai 300 detik, menunjukkan bahwa parameter laju aliran dan temperatur mencapai steady dan secara umum sesuai dengan data acuan. Perbedaan yang berarti terjadi pada temperatur keluar tube-side. Penyempurnaan model masih perlu dilakukan lebih lanjut sehingga diharapkan diperoleh model pembangkit uap yang lebih memadai. Kata kunci : model multi-kanal, RELAP5 ABSTRACT TUBE-SIDE MULTI-CHANNEL MODELING OF NPP-1000 MW STEAM GENERATOR. Steam generator is an important component of PWR type nuclear power plant system. Making tube-side multichannel model is purposed to assess the design thermal hydraulic characteristics of steam generator by using the RELAP5 code. This model was prepared using the geometry data design reference of the AP-1000 steam generator. Modeling focused on the analysis of heat transfer performance of tube-side into water medium in the shell-side at normal condition. Water level on the shell-side is only considered in the model, while two phases flow at the top of the shell-side is occurs and hot water from the reactors flowing in the tube-side. Nodalization composed of volume models, junction, heat structure and time-dependent-junction (tmdjunc) integrated in an open loop with a time-dependent-volume (tmdpvol) as boundary conditions. Tube-side was made a multi-channel and tube wall is modeled as a material that a thermal transfer occurs. Program running is carried out until 300 seconds, shows that the parameters of flow rate and temperature have reached steady and this is generally in accordance with reference data. The significant difference occurs at outlet temperature of tube-side. Completion of the model still needs to be done further gained steam generator model is more adequate. Keywords : Multi Channel Model, RELAP5 PENDAHULUAN S istem pembangkit uap (steam generator) merupakan bagian dari PLTN yang berfungsi untuk memindahkan panas dari sistem pendingin primer ke sistem pendingin sekunder untuk menghasilkan uap yang berguna untuk menggerakkan turbin. Oleh karenanya integritas sistem pembangkit uap PLTN penting untuk diperhatikan karena selain berfungsi menghasilkan uap juga berfungsi sebagai pemisah antara pendingin primer yang mengandung substansi aktif dengan pendingin sekunder. Dalam rangka menyiapkan pembangunan PLTN di Indonesia yang mana kecenderungannya akan menggunakan PLTN tipe PWR, dan menyiapkan sumber daya manusia yang mampu mengevaluasi desain suatu peralatan pembangkit uap PWR (Pressurized Water Reactor), maka makalah ini akan membahas tentang pemodelan multi-kanal pada pembangkit-uap untuk mengkaji desain termal pembangkit uap. Model multi-kanal ini merupakan salah satu alternatif lain dalam menyusun nodalisasi kanal tube-side pembangkit uap, pemodelan pembangkit uap dengan menggunakan model kanal tunggal pada tube-side telah banyak dilakukan [1,2]. Hasil pemodelan multi-kanal diharapkan dapat mengetahui sejauh mana desain karakteristika pembangkit uap bisa diungkapkan berdasarkan data yang ada. Oleh karena itu, Program RELAP5 yang merupakan paket program untuk analisis termal dan

52 ISSN 0216-3128 Sukmanto Dibyo hidrodinamika pendingin air, digunakan untuk menyusun input (input-deck) dari model yang dibuat. Dalam kontek penekanan pemodelan yaitu mengetahui karakteristika desain, maka pemodelan difokuskan pada analisis kinerja transfer panas dari tube-side ke media air di sisi-shell pembangkit uap pada kondisi normal dan model sistem dibatasi oleh boundary-conditions. Pada pembangkit-uap ini, shell-side terjadi kondisi dua fasa uap-air pada level air bagian atasnya (di atas bundel tube) sedangkan pada tube-side mengalir air panas dari reaktor. Penyusunan nodalisasi terdiri dari model volume, junction, heat structure dan time-dependent-junction (tmdjunc) yang terintegrasi di dalam untai terbuka dengan time-dependent-volume (tmdpvol) sebagai boundary condition. Dinding tube dimodelkan sebagai struktur material yang berperan sebagai media transfer termal dari tube-side ke shell-side. Berdasarkan uraian pendahuluan ini maka makalah ini membahas masalah pemodelan multikanal tube-side yang difokuskan pada penelusuran parameter penting yang dapat merepresentasikan kinerja pembangkit-uap seperti temperatur, tekanan dan laju aliran air yang melalui tube-side maupun shell-side. Adapun parameter geometri merupakan data input yang baku yang dirujuk berdasarkan kondisi desain data referensi [3]. Dari pemodelan ini diharapkan hasilnya dapat digunakan untuk mereview desain pembangkit uap PWR yang dalam hal ini menggunakan data data desain pembangkit uap AP-1000. PEMBANGKIT UAP Pembangkit uap pada prinsipnya adalah alat penukar panas (heat-exchanger) yang mendidihkan air pada shell-side. Pembangkit uap berfungsi memindahkan energi panas dari untai primer ke untai sekunder PLTN jenis PWR. Jenis pembangkit uap yang digunakan dalam desain PWR umumnya jenis U-Tube steam generator (UTSG) [4]. Pada pendingin primer, air panas mengalir melalui tube-side sedangkan air sekunder mengisi ruang yang berada diantara tube-tube dan dinding shell. UTSG sangat luas digunakan pada berbagai PLTN jenis PWR dari desain terbaru 1300 MWe sampai desain AP-1000. Pendingin primer masuk dari bagian bawah pembangkit uap, kemudian mengalir di dalam bundel tube dan selanjutnya melewati U-bend, dan keluar pada outlet pendingin primer. Pada pendingin sekunder, air umpan masuk melalui anulus ke arah bawah, mengalir dengan arah berlawanan (counter current) di antara U-tube dan bergerak melalui daerah pembangkit uap di bagian atas bundel tube. Campuran uap-air memasuki separator dan uap diteruskan melalui nosel, sedangkan bagian air diresirkulasikan kembali ke bawah. Dalam desain PLTN AP-1000, terdapat 2 pembangkit uap yang terpisah. Masing-masing pembangkit uap tingginya 21 m berdiameter 4,5 m di bagian atas. Bagian yang bertekanan yang tinggi adalah head hemisphere, tube-sheet dan tube-tube di antara tube-sheet. Penampang desain UTSG pada AP-1000 dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Penampang Pembangkit Uap AP-1000 Pembangkit uap harus dapat terjaga integritasnya, oleh karena itu hal berikut ini merupakan ketentuan yang perlu dipenuhi : Dapat menghindari resiko kerusakan teras reaktor sebagai akibat kerusakan pembangkit uap yang berada dalam tingkat yang dapat diterima. Menjamin integritas tube- tube sehingga dapat terjaga sesuai syarat yang ditetapkan. Menjamin kebolehjadian rusaknya pembangkit uap sekecil mungkin pada kondisi operasi normal dan kecelakaan. DESKRIPSI RELAP5 RELAP5 merupakan paket program komputer yang telah digunakan secara luas untuk melakukan simulasi steady-state maupun transien pada suatu sistem termal dan pendingin air ringan pada sistem reaktor nuklir. Paket program ini dikembangkan dari model node dan junction multi-dimensional untuk menghitung keseluruhan perilaku termohidrolika sistem pendingin. Model yang digunakan merupakan sistem hidrodinamika nonequilibrium dan nonhomogenous fluida dua-fasa termasuk untuk gasgas tak terkondensasi, transfer panas secara konveksi, konduksi satu dimensi pada struktur sistem, kinetika

Sukmanto Dibyo ISSN 0216-3128 53 reaktor, sistem kontrol dan logika trip. Paket program juga mengandung model komponen sistem pada reaktor pendingin air ringan (Light Water Reactor, LWR) seperti pompa, katup, turbin, separator dan sebagainya. Struktur yang melingkupi suatu kanal aliran yang memodelkan dinding bejana reaktor, rod bahan bakar, dan U-tubes dari pembangkit uap dapat digunakan model heat structure. Data kinetika reaktor, digunakan untuk mewakili perilaku daya reaktor berdasarkan pendekatan kinetika titik [5]. Pada setiap Komponen hidrodinamika yang dimodelkan, saling terhubung dengan model junction baik berupa time-dependent juction, single / multiple junction ataupun katup. Komponen ini memiliki korelasi persamaan satu dimensi untuk fluida tunggal maupun aliran dua fasa air-uap air di mana persamaan dasarnya terdiri dari persamaan kekekalan massa, momentum dan energi yang dikembangkan dari persamaan kontinuitas seperti berikut, 1 αρ + α. v. A = Γ A x (1) 2 v 1 v α. A + α. A 2 x keterangan ; ρ : densitas (kg/m 3 ) A : luas penampang (m 2 ) v : kecepatan (m/detik) Ѓ : laju massa volumetrik (kg/m 3.s) α : fraksi uap U : energi internal (J/kg) P : tekanan (Pa) h : entalpi (J/kg) METODA Nodalisasi pada sistem pembangkit uap disusun menjadi komponen volume multi-kanal vertikal tubeside yang mana dinding tube berlaku sebagai media transfer panas. Pada tube-side ini terdapat dua tmdpvol (time-dependent volume component) untuk menetapkan kondisi air masuk sebagai boundary condition dan air keluar sebagai volume pembuang panas. Pada shell-side juga dibuat dua tmdpvol untuk menetapkan kondisi pendingin sekunder masuk dan pendingin keluar pada komponen separator uap. Pengaliran pendingin menggunakan model tmdjunc (time dependent junction). Struktur panas (heat structure) terdapat pada komponen yang terjadi transfer panas yang dihubungkan dengan komponen hidrodinamika [6]. Struktur panas ini dapat mewakili struktur yang melingkupi kanal aliran pada U-tubes. Secara keseluruhan, model terdiri dari 4 tmdpvol, 2 tmdjunc, 6 volume, 2 single volume dan 2 model branch (percabangan). Data desain parameter pembangkit uap AP- 1000 yang dipakai sebagai data referensi ditunjukkan pada Tabel 1 [1]. Data tersebut mencakup data geometri (jumlah/diameter tube dan shell, luas transfer panas, luas aliran) dan data operasi (temperatur, laju aliran, beban termal dsb), disamping itu digunakan data tambahan dan asumsi yang dianggap perlu. P v v = α. A + α. B. A α. A. v + ΓA( v) C. A. + v. x x 1 α P. α. U +. α. U. v. A = P α. v. A + Γ. h A x A x (2) (3) Tabel 1. Data Spesifikasi Desain Pembangkit Uap AP-1000 No Parameter Desain 1 Daya Pembangkit Uap 1707,5 (Mwatt/unit) 2 Tipe Delta-125 Vertikal U- tube 3 Jumlah 2 4 Area Permukaan Transfer 11477,24 Panas (m 2 ) /unit 5 Desain Tekanan shell-side 8,274 (MPa) 6 Temperatur masuk pada 321,0 tube-side ( o C) 7 Temperatur keluar pada tube-side ( o C) 279.45 8 Temperatur air masuk 226,67 ( o C) 9 Temperatur Uap keluar ( o C) 291,0 10 Aliran Pendingin Primer 262063 (tube-side) (ton/jam) /unit 11 Aliran Uap Total 6790,28 (ton/jam) 12 Tekanan Uap keluar 5,764 (MPa) 13 Aliran Uap Total (kg/hr) 6790277,8 14 Jumlah Tube 10025 15 Diameter ID/OD tube 15,4 / 17,5 (mm) 16 Diameter Shell, lower 4191 17 Tube pitch, (mm) Triangular, 24,9 18 Resistansi fouling, Rd 0,0097 m 2.K.j/kkal

54 ISSN 0216-3128 Sukmanto Dibyo Data input untuk menyusun pemodelan, mengacu pada data spesifikasi dan data parameter operasi desain sesuai kebutuhan yang harus diinputkan pada RELAP5. Input deck dibuat dari data desain yang disiapkan berdasarkan data pendukung (disajikan pada Tabel 2), Gambar 2 menunjukkan kutipan perhitungan panjang satu volume dari data tube yang ada, bundel U-tube dalam nodalisasi dipotong menjadi 2 kanal yang dihubungkan dengan junction. Diameter hidrolika dihitung dari 4,0 (penampang aliran volume) dibagi dengan wettedperimeter (keliling terbasahi). Adapun pada shellside, hanya dimodelkan pada zona di mana terjadi transfer panas dari tube-side ke shell-side saja yang ditandai pada Gambar 1. Nodalisasi model untuk simulasi secara utuh diilustrasikan pada Gambar 3. Tampak bahwa tiap model volume (nomor 520, 530, 540, 550) dibagi menjadi enam segmen. Penggunaan model ini memerlukan langkah pengaturan input data maupun time step control sedemikian rupa sehingga proses komputasi numerik berlangsung dengan baik. Data parameter yang diamati untuk pemodelan ini terutama difokuskan pada laju aliran dan temperatur pendingin. Gambar 2. Model Volume Tube Tabel 2. Data Geometri Volume Untuk Input Deck Parameter Keterangan 1 Diameter tube 0,0154 Inside Diameter 2 Luas Penampang 1,8663 Jumlah tube*flow model volume area tube (m 2 ) 3 Panjang tube 14,97 Panjang vertikal satu lintasan 4 Diameter Shell 4,190 5 Panjang Shell 14,97 Panjang level 6 Luas Penampang shell (m 2 ) air shell-side 10,047 Shell-side + annulus Gambar 3. Model Multi-Kanal Pembangkit Uap PROSEDUR KERJA Pembuatan model pembangkit uap dimulai dari data referensi untuk melakukan identifikasi data parameter yang diperlukan. Kemudian disusun model nodalisasi untuk RELAP5, berdasarkan nodalisasi dan data spesifikasi geometrinya maka dibuat input deck sebagai input-file. Running dilakukan sampai diperoleh hasil yang realistis untuk dikomparasikan dengan data desain dari referensi. Diagram prosedur pelaksanaan pembuatan model ini ditampilkan pada Gambar 4. Tabel 3 menunjukkan parameter yang dipilih sebagai minor edit request untuk ditampilkan pada keluaran (output) hasil pemodelan. Untuk keperluan running, maka data-data parameter operasi dimasukkan sebagai initial-condition. Gambar 4. Prosedur Kerja

Sukmanto Dibyo ISSN 0216-3128 55 Tabel 3. Parameter Yang Dipilih Sebagai minor edit request 201 300.0 1.0-17 0.5 3 4 4000 5000 302 P 320010000 *P bott-shell 303 P 320060000 *P top-shell 304 Voidg 320040000 *void top1-shell 306 Voidg 320060000 *void top3-shell 307 Tempf 310060000 *T annulus 308 Tempf 320010000 *T shell-bott 310 Tempf 320060000 *T shell-top 312 Tempf 510060000 *T prim-in 313 Tempf 610010000 *T prim-out 315 mflowj 510060000 *flow-tube-side 316 mflowj 205000000 *steam flow out 319 hthtc 520000501 *ht.coeff Tabel 4. Kompilasi Hasil Model RELAP5 dengan Data Referensi Data Model Parameter Keterangan Ref. RELAP5 1 Temp. Pendingin primer inlet (K) 594,0 594,0 2 Temp. Pendingin primer outlet (K) 553,0 566,0 2,3 % error 3 Tekanan Pendingin primer (MPa) 15,5 15,6 4 Temp. Pendingin sekund inlet (K) 499,0 499,0 5 Temp. Pendingin Sekund outlet (K) 545,4 545,2 6 Tekanan Pendingin sekund (MPa) 5,76 5,76 7 Laju Alir Pendingin primer (m 3 /detik) 9,94 9,94 8 Laju Alir uap nominal (kg/detik) 1886,0 *1900,0 *rerata (Gambar 5) 9 Fraksi Uap pada segmen atas shell-side (-) - 0,938 10 Koefisien Transfer Kalor W/m 2-11242,0 HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam pembuatan model dengan menggunakan paket RELAP5, parameter utama untuk pencapaian kondisi steady telah diperoleh yaitu temperatur, tekanan dan laju aliran pendingin. Adapun proses running dikerjakan sampai 300 detik dengan menggunakan mode NEW TRANST pada kartu yang tersedia pada input RELAP5. Hasil pembuatan model pembangkit uap yang dikomparasikan dengan data desain dari referensi ditunjukkan pada Tabel 4. Tampak pada tabel tersebut bahwa perbedaan yang berarti (significant) terjadi pada parameter temperatur tube-side outlet, di mana model RELAP5 yang dibuat, menghitung lebih besar. Hal ini banyak kemungkinan penyebabnya, diantaranya karena penggunaan data input yang tidak tepat, ketidakakuratan model shell side dan data tambahan yang digunakan tidak mendekati data yang sebenarnya. Namun secara umum paramater-paremeter yang dikeluarkan dari hasil pemodelan cukup memuaskan. Pada Tabel 4, pemodelan RELAP5 menampilkan parameter koefisien transfer panas dan kondisi fraksi uap pada ujung atas shell-side, tetapi tidak ada data pembanding terhadap data referensi. Perlu disampaikan bahwa koefisien transfer panas merupakan parameter penting dalam suatu desain penukar panas (heat exchanger). Gambar 5 menyajikan kurva-kurva laju aliran pendingin yang melalui tube-side dan shellside, terlihat adanya osilasi aliran meski kondisi steady telah tercapai. Kondisi seperti ini dapat difahami karena kurva laju aliran uap senantiasa oleh model RELAP5 tidak berlangsung stagnan. Pencapaian kondisi steady untuk parameter temperatur secara simultan disajikan pada Gambar 6. Pada Gambar ini tampak ada justifikasi perhitungan oleh RELAP5 terhadap data input untuk initial condition, hal ini terjadi pada temperatur outlet di tube-side (volume no 610) maupun shell-side (volume nomor 320 segmen 6). Adapun data input untuk inlet di kedua sisi sudah sesuai dengan data yang ditetapkan sebagai boundary conditions.

56 ISSN 0216-3128 Sukmanto Dibyo Gambar 5. Kurva Laju Alir Gambar 6. Kurva-Kurva Temperatur tube-side dan shell-side Gambar 8. Kurva Fraksi Uap pada zona atas shell-side Investigasi dan penelusuran karakteristika fraksi void telah dipilih pada zona di bagian atas (segmen volume nomor 6) dan segmen nomor 4 shell-side (volume node nomor 320). Pembangkitan uap yang direpresentasikan oleh kurva fraksi uap yang tampak berosilasi ditampilkan pada Gambar 8. Kurva ini menunjukkan bahwa fraksi uap terindikasi mencapai 0,90 pada bagian atas shell-side yang berarti kondisi dua fasa terjadi pada segmen tersebut mencapai 90%. Semakin ke bawah pada segmen nomor 320 shellside maka fraksi uap semakin kecil. Berdasarkan penyajian dari Gambar 6, 7 sampai 8 terlihat bahwa pada proses running tidak membutuhkan waktu yang lama (tidak lebih dari 100 detik), meskipun penyusunan nodalisasi dalam pembuatan model ini secara utuh masih perlu ketelitian yang lebih memadai. Dari pembahasan di atas menunjukkan bahwa parameter hasil pemodelan RELAP5 masih terdapat perbedaan dengan data spesifikasi dari referensi, namun hal tersebut dalam pembuatan model ini telah diupayakan penggunaan data geometri desain seakurat mungkin, terutama model U-tube yang dimodelkan menjadi dua komponen volume. KESIMPULAN Pembuatan model RELAP5 untuk mengetahui karakteristika desain pembangkit uap berhasil dikerjakan dan hasil pemodelan telah dibandingkan dengan data acuan, terdapat perbedaan 2,3 % pada temperatur pendingin keluar dari tube-side. Meskipun tidak cukup data informasi parameter desain pembangkit uap dari referensi namun secara umum, model yang dibuat telah berhasil memperoleh parameter kinerja pembangkit uap. Akan tetapi penyempurnaan model masih perlu dilakukan lebih lanjut yang diharapkan diperoleh model yang lebih memadai, serta perlu dibandingkan dengan model kanal-tunggal tube-side. Diharapkan model multi-kanal yang diaplikasikan pada RELAP5 ini dapat memberikan informasi penting untuk berbagai parameter yang lebih luas sehingga menghasilkan suatu analisis yang lebih detail. Langkah berikutnya pemodelan ini dapat juga digunakan untuk analisis kondisi operasi transien. DAFTAR PUSTAKA 1. D. L. KNUDSON, L. S. GHAN, C. A. DOBBE, SCDAP/RELAP5 : Evaluation Of The Potential For Steam Generator Tube Ruptures As A Result Of Severe Accidents In Operating Pressurized Water Reactors, Idaho National Engineering and Environmental Laboratory INEEL/EXT-98-00286, Revision 1 September 1998. 2. PUTNEY JM, PREECE RJ, Assessment of PWR Steam Generator Modeling in RELAP5/Mod2, Intrn.Agreement Report, Nureg/IA-0106 / TEC/L/0471/R91/1993. 3. WESTINGHOUSE, Reactor Coolant System and Connected Systems, Chapter 5. AP1000 European Design Control Document 2009, Westinghouse Electric Company LLC. 4. TJIPTA SUHAEMI, Perkembangan Desain Pembangkit Uap PLTN Jenis PWR, Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi, Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir, Surabaya 2010, ISSN : 0854 2910. 5. RELAP5 Code Development Team, RELAP5.Mod3. Code Manual, User Guide

Sukmanto Dibyo ISSN 0216-3128 57 and Input Requirements, NUREG/CR-5535-V2. Idaho National Engineering Laboratory, Washington DC 1995. 6. KONDO M, Practical Work Of RELAP5 Analysis, Thermal-hydraulic Safety Research Group JAEA, NSRA Nuclear Safety Course 2008. TANYA JAWAB Pramudita A - Berapa lama waktu yang di perlukan untuk menjalankan program sampai di peroleh hasil yang stabil/konvergen? Sukamto Dibyo Hasil kondisi steady diperoleh pada detik ke 300 Silakhuddin - Apakah model yang dibuat tersebut dapat dihitung/disimulasikan dengan program FLUENT? Sukamto Dibyo Fluent dapat mensimulasikan karakteristik pada sistem generator, meskipun simulasinya lebih rumit. Slamet Santosa - Metode simulasi dengan relaps berbasis apa? - Berapa jumlah node yang digunakan pada simulasi ini? Sukamto Dibyo Relaps menggunakan numerik : Semi- Implicit Numerical Methode (Finite difference) for 2 phase. Pada shell side dan tube side dibuat 6 node aksial.