APLIKASI P AKET PROGRAM EASHAP DAN ISCORUNTUK PERHITUNGAN LAJU ALlRAN PENDINGINAN DI TERAS SBWR

SEBAGAI FUNGSI KETINGGIAN AIR NORMAL

Yohannes Sardjono*

ABSTRAK

APLIKASI PAKET PROGRAM EASHAP DAN ISCOR UNTUK PERHITUNGAN LAJUALIRAN PENDING IN DI TERAS SBWR SEBAGAI FUNGSI KETINGGIAN AIR NORMAL.Telah selesai dihitung laju aliran fluida pendingin di teras Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PL TN)sistem pasif SBWR tanpa pompa resirkulasi (natural circulation) sebagai fungsi ketinggian air normal(NWL) dengan paket program EASHAP dan ISCOR pada keadaan ajeg (steady state). Perhitungan I~jualiran teras yang dimaksud adalah perhitungan yang meliputi parameter keseimbangan panas (heatbalance) dan penurunan tekanan maksimum (maximum pressure drop) yang diijinkan melewati teraspada kondisi tanpa pompa resirkulasi (natural recirculation). Dengan menggunakan parameter masukanawal sebagai tebakan pad a program EASHAP yang antara lain adalah laju aliran teras (We), panas termalteras (Qc), tekanan pada sungkup bejana didih (dome), aliran uap pada bejana didih, enthalpy masuk teras(hci) dan enthalpy dasar bejana didih, dapat diperoleh parameter keluaran seperti laju aliran teras, fraksiuap (a) dan rugi-rugi gaya teras (core pressure drop) yang diijinkan. Parameter keluaran tersebut dipakaisebagai parameter masukan awal pada program ISCOR dan parameter keluaran ISCOR dipakai sebagaimasukan program EASHAP. Perhitungan ini dilakukan secara terus menerus hingga dicapai bataskonvergensi. Perhitungan dilakukan untuk ketinggian air normal yang berbeda yang diakibatkan olehpenambahan dan pengurangan tinggi cerobong. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa laju aliran terasberbanding lurus dengan ketinggian air normal yaitu untuk cerobong 46 ft dan 52,5 ft, laju aliran terasadalah 46,5 Mlb/jam.

PENDAHULUAN

Ada dua batasan yang harus diperhatikan dalam pengoperasian suatu pusat Iistriktenaga nuklir yaitu batasan neutronik dan termohidrolik dimana kedua batasantersebut untuk PL TN SBWR ditunjukkan oleh parameter pembangkitan panas linearmaksimum (MLHGR) dan perbandingan daya kritis minimum (MCPR) pada lokasitertentu (fuel rod) jika pada lokasi tersebut terjadi gelembung uap (void). Untuk dayaoperasi yang tetap besarnya kedua parameter tersebut sangat erat hubungannyadengan laju aliran tluida pendingin dalam teras. Besarnya laju aliran pendingin dalamteras sangat ditentukan oleh besarnya penurunan tekanan di teras (core pressuredrop), cerobong (chimney), pipa penyangga (stand pipe) dan alat pemisah air dan uap(separator). Untuk perhitungan laju aliran fluida pendingin di teras tersebut makadigunakanlah paket program EASHAP dan ISCOR.

* Pusat Penelitian Nuklir Y ogyakarta - SA TAN

681

Paket program EASHAP adalah suatu paket program yang sudah biasadigunakan untuk analisis keseimbangan panas (heat balance) dan penurunan tekananmaksimum di teras (core pressure drop) pada PLTN jenis air didih (BWR). Padamakalah ini akan dibahas secara khusus analisis perhitungan kedua parameter tersebutuntuk PL TN jenis air didih SBWR yang tidak memiliki pompa resirkulasi. Untukmelakukan analisis terhadap kedua parameter tersebut paket program EASHAP harusdigabung dengan paket program ISCOR yang berfungsi untuk mengevaluasi totalaliran teras pada sistem PLTN SBWR.

Paket program EASHAP dibagi dalam dua bagian utama yaitu HAPPY code danEASYDPC code. HAPPY code berfungsi untuk menghitung aliran fluida dan panaspada teras seperti aliran tluida di beberapa tempat yaitu di teras, demineralizer, pipapenyangga, alat pemisah dan keluaran aliran uap utama (main steam) demikian jugaenthalpy pada dasar bejana didih, teras masukan demineralizer. EASYDPC codeberfungsi untuk menghitung penurunan tekanan teras yang diijinkan yang melaluiteras pada kondisi tanpa pompa resirkulasi. Pada perhitungan penurunan tekanan terasselahi berkaitan dengan faktor penurunan tekanan teras yang terjadi di cerobong,keii~ggian dasar bejana didih, pipa penyangga, alat pemisah dan tekanan sungkup.

Hasil tebakan awal dari EASHAP dijadikan sebagai masukan pad a paketprogram ISCOR yang selanjutnya akan diiterasi. lterasi pada ISCOR ini diperlukanuntuk mensimulasikan pada sistem yang menyeluruh dan keluaran dari ISCORdibandingkan dengan hasil tebakan dari keluaran EASHAP. Jika perbedaannya alirantluida di teras 0,1 x 10-2 dan 0.5 x 10-2 untuk penurunan tekanan teras dan fraksi uapmaka iterasi dihentikan.

TEORI

Perandaian yang diambil adalah :A. Campuran uap dan air pada sungkup (dome) adalahjenuh (saturated).B. Air yang masuk teras adalah satu fase.C. Rapat fluida kearah aksial pada cerobong adalah tetap.D. Gesekan lokal pad a cerobong penurunan tekanan dapat diabaikan terhadap

tingginya penurunan tekanan.E. Kehilangan koefisien pada pipa penyangga adalah tetap.F. Pemanasan pada dasar bejana didih dianggap 0.05 Btu/lb.G. Faktor konversi tenaga (CI) adalah 3412142 Btu/MW-hr.H. Uap pada daerah antara ketinggian air normal (NWL) dan air umpan masukan

sparger adalah uap jenuh.

Formulasi matematik pada subroutine HAPPY adalah sebagai berikut [2];Enthalpy pada sungkup bejana didih

682

Keluaran aliran uap dari bejana didih

Aliran air pada air umpan masukan

w =w - Wfw pv rd

Aliran air dibawah cary

w = X *(w - w )cu cu c pv

Aliran masuk air umpan masukan

w•...=W •.. +W I,WI 'v C

Aliran fluida pada dasar bejana didih

Enthalpy pada dasar bejana didih

(We - WpJ *[(1- Xeu)* hfd + Xeu * hqd]+ Wrw *hrw - WcJ *dhcJ + Wb *y

hpv = (We - Wcrd)

Enthalpy pada sistem pembersih dem;neralizer

Enthalpy pada rnasukan air urnpan rnasukan

Enthalpy pad a rnasukan teras

(1)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

683

(10)

Daya termal terhitung

Wpv * (hdome - hfw ) + WcI * D hcl + Werd * (hfw - herd)Qt= ~ +R. (11)

J

Aliran uap di teras

W =W -Wes pv eu

Persentase laju daya teras

%Q = 100.0 * [(Qt / Qt (rated)]

Persentase laju aliran teras

%We = 100.0 *[(Wc / We (rated)]

Kualitas uap keluaran dari teras

x = 100.0 *[W / W ]qe ee c

Volume spesifik pendingin yang keluar dari teras pada sungkup tekanan uap

Penurunan tekanan irreversible pad a alat pemisah air dan uap

Dengan catatan bahwa :h adalah enthalpyW adalah laju aliran air maupun uapQ adalah daya panasx adalah kualitas uapV adalah volume spesifik pendingin yang keluar dari teras.

684

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

Sedangkan ii1dcks yang lain seperti tercantum pada gambar 1, gambar 2 dangambaI' 3.

Formulasi-formulasi tersebut di atas dinyatakan dalam paket program EASHAPdan secara rinci dapat dilihat pada lampiran 1..

PARAMETER MASUKAN DAN KELUARAN

Dengan memasukkan parameter masukan seperti di bawah :

SBWR 1000 MWE HEAT BALANCE DATA FOR REV B94.70e+06 46230. 1132 337 134000. 1040.3131. 94. 70e+06397.6 1. 0.091E-06 3.22 0.0025112. 1.1 87.63131SBWR 1000 MWE RECIRCULA TION DATA0.630 0.5315 110.597 2.81 16.263 0.609 0.146 90.0E-06 3.904 1.760.6 34.744 -8.579 24.77

Dengan catatan bahwa dari suku pertama dan seterusnya menyatakan : total aliranteras, aliran pada batang kendali, jumlah bahan bakar, jumlah aliran pad a alatpemisah, aliran pad a demineralizer, tekanan pada sungkup, laju pembangkitan panasteras, laju aliran teras, enthalpy pada feedwater, uap keluaran dari bejana didih,kehilangan koefisien di alat pemisah, hilangnya tekanan setinggi alat pemisah uap danair, fraksi uap pada carryunder, kehilangan enthalpy pada sistem pemurni air,kehilangan panas termal reaktor, enthalpy pada aliran penggerak batang kendali, dayatermal, judul perhitungan, fraksi uap pada keluaran teras, diameter pipa penyangga,panjang pipa penyangga, panjang pipa penyangga yang digunakan sesuai kehilangankoefisien pada alat pemisah dan kehilangan ketinggian alat pemisah, pilih bilangan1 atau 0 (1 untuk ISCOR dan 0 untuk lainnya), penurunan tekanan uap, kehilangantekanan dasar bejana didih pad a bagian terbawah, kehilangan tekanan dasar bejanadidih yang teratas, aliran yang digunakan untuk mengevaluasi kehilangan tekanandasar bejana didih, panjang alat pemisah terbasahi, tingginya kehilangan tekananteras, slip ratio pada dasar bejana didih, total panjang cerobong dan teras, jarak antarabatas atas cerobong dan pusat pipa feedwater length dan parameter terakhir adalahpanjang cerobong. Dengan catatan bahwa sistem satuan dinyatakan dalam satuanBritish (British unit).

Parameter keluaran dari program EASHAP berupa penurunan tekanan teras danenthalpy teras yang selanjutnya digunakan sebagai paramater masukan programISCOR dengan memilih parameter IDPORW = 0 (penurunan tekanan pada teras

685

menuju konvergen) dan parameter INLETH = 0 yang berarti masukan enthalpy padakeluaran EASHAP sebagai masukan pada ISCOR. Selanjutnya parameter keluaranlaju aliran teras dan persen uap (void fraction) dari ISCOR digunakan sebagaimasukan pada EASHAP. Perhitungan tersebut dilakukan berulang-ulang sehinggadicapai syarat konvergen yaitu jika :

(18)

(19)

(20)

(21)

Dengan catatan bahwa :Wc : laju aliran tluida pada terasae : fraksi uapDP : penurunan tekananhci : enthalpy masukan terasn : tahap iterasi berikutnyan-I : tahap iterasi pertama

Dengan aliran perhitungan seperti pada gambar 4.Parameter keluaran dari perhitungan tersebut adalah berupa laju aliran teras

seperti yang dinyatakan pada gambar 5. Hasil tersebut menyatakan hubungan lajualiran teras dengan ketinggian air nonnal (NWL) atau ketinggian cerobong.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Laju aliran teras adalah fungsi dari penurunan tekanan pada cerobong, pipapenyangga dan alat pemisah. Untuk tinggi cerobong yang berbeda maka laju aliran

686

teras juga berbeda dan hubungan tersebllt adalah linear seperti yang dinyatakan pad agambar 5 (hasil perhitungan) yaitll lIntuk pengurangan tinggi 1 meter laju aliranpendingin teras adalah 86, I Mlb/jam dan jika dilakukan penambahan tinggi 1 meterdari tinggi normalnya adalah 92,3 Mlb/jam. Hal ini disebabkan tidak hanya pressuredrop yang terjadi di cerobong akan tetapi adalah semakin tinggi cerobong makaperbedaan rapat massa uap dan air antara permukaan teras atas dan permukaan atascerobong semakin besar sehingga laju aliran alam (natural convection) akan semakintinggi walaupun hal ini akan berakibat pad a masalah meningkatnya biaya bejanatekan dan cerobong itu sendiri. Disamping itu laju aliran fluida di teras selain fungsidari ketinggian cerobong adalah juga fungsi dari kehilangan koefisien dari alatpem isah yang mana kehilangan koefisien dari alat pemisah juga dipengaruhi oleh lajualiran teras. Untuk itu kehilangan koefisien dari alat pemisah diasumsikan terlebihdulu untuk laju aliran teras tertentu dan akhirnya diperoleh hubungan antara

kehilangan koefisien pada alat pemisah (Ksep) sebagai fungsi laju aliran teras (We)seperti yang terlihat pada gambar 6.

Kehilangan koefisien pada alat pemisah diambil dari data atau eksperimen padaBWR, sedangkan pada SBWR berbeda yaitu dari segi jumlahnya dan untuk itudiambil pendekatan melalui linearilisasi dari jumlah alat pemisah yang terpasang pad aBWR dan SBWR. Untuk itll hasil perhitungan laju aliran teras pada SBWR sebagai

fungsi dari ketinggian cerobong juga hasil pendekatan (mengingat Ksep pada SBWRmasih dalam taraf rancangan). Oleh karena itu paket program EASHAP dan ISCORsangat membantu dalam optimasi laju aliran pendingin teras terhadap ketinggiancerobong dan sistem lain seperti pipa penyangga dan alat pemisah uap danair (separator).

KESIMPULAN

Untuk pengurangan tinggi cerobong 1 meter laju aliran fluida pada teras SBWRadalah 86,6 Mlb/jam, jika tinggi cerobong di tambah 1 meter laju aliran fluida pad ateras SBWR adalah 92.3 Mlb/hr, dan untuk rancangan saat ini telah ditetapkan laju

aliran teras SBWR adalah 89,6 Mlb/hr. Kehilangan koefisien (Ksep) (lost coeffisient)pada alat pemisah uap dan air merupakan fungsi dari laju aliran fluida pendinginteras. Pada Ksep. 0,13 E-6 laju aliran pendingin teras sebesar 88,9 Mlb/jam dan padaKsep. 0,09 E-6 laju aliran pendingin teras sebesar 97,8 Mlb/jam. Dari hasilperhitungan tersebut, ketinggian cerobong dapat dievaluasi ulang agar dicapai lajualiran teras yang optimum.

687

DAFTAR PUSTAKA

1. GE, "Passive plant natural circulation BWR studies. EPRI Project RP2660-57",Interim progress report. June 1990

2. SERELL And AL.: "HAPPY-OJ Program Description. NEDE-2360J class I1May J977"

3. PATTERSON: User guide for 1967 ASME steam/water propierty routines.NEDE-11381 class II. June 1976

4. I.E. IDELCHICK, "Handbook of hydraulic resistance, coefficient of localresistance and offriction" - AECTR6630

5. E. BOTTA TO L. FENNERN, R. HUANG, R. CHALLENBERG: "Pressure

drop evaluation in the downcomer region", Letter: April 1990

688

Werd

herd

••'X-X (TURBINE INLE1)

MAIN FEED FLOW

CLEAN UP

DEMINERALIZER I .6. he eSYSTEM

~CRD

PURGEFLOW

Gambar 1. Giagram alir fluida pada sistem SBWR

689

(APref + Sr) k

(APre1 + Sr) IJ.

APch

Pch

0:.2

A Pdome

Pre1

~'X- X (fURBINE INLEl)

MAIN FEED FLOW

IJ.(A Pdome)

(A Pdome)o:.

Pdome

( Pdome)2

CLEAN UPDEMINERALIZER

SYSTEM...

tCRDPURGEFLOW

690

Gambar 2. Keseimbangan tekanan keluaran pada SBWR

Wcrd

~'X- X (TURBINE INLE1)

MAIN FEED FLOW

CLEAN UPDEMINERAUZER

SYSTEM.....

~CRD

PURGEFLOW

Gambar 3. Keseimbangan panas keluaran pada SBWR

691

Thermal PowerSteam FlowCRD FlowCore FlowCore InletEnthalphy

We

Guess {ae

FOR EASHAP n-1

CoreChimneySeparator

Downcomer

692

ISCOR Run for the options:hi = input

L\Poore eonversenee

OUTPUT: We for L\Poore Inputae

We = [(We)N+(We)N_1]/2ae = [a(e)N+(ae)N_1]/2

Gambar 4. Diagram alir perhitungan

n

.~

~CH.ADITION 1M~~___ CURRENT---~CH. REDUCTION 1M

1iJ

ECz

87

55

54

:::- 53:? 52

IU

~ 51~OJ 50

~ 4948

47

_ 46~ 45c

~ 44

i 43

42

41

4085 86 88 89 90 91 92 93

----. Laju Aliran Fluida di Teras (Mlb~am)

94 95

Gambar 5. Laju aliran teras sebagai fungsi ketinggian chimney

88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

----. Laju Aliran Fluida di Teras (Mlb/jam)

.15

.14.13.12.11CD

I .1wa.

I1J .09""

~ .08.07.06.05

858687

-

Gambar 6. Loss koefisien sebagai fungsi laju aliran teras

693

DISKUSI

TJIPT A SUHAEMI

I. Apakah program EASHAP dan ISCOR dapat digunakan untuk perhitungan lajualiran teras PL TN jenis lain ? Apakah dapat diaplikasikan di BAT ANdenganmenggunakan komputer VAX-8550?

2. Dari hasil perhitungan terdapat 2 harga, apakah sudah dapat diambil kesimpulanbahwa laju aliran teras berbanding lurus dengan ketinggian air normal?

3. Bagaimana cara menentukan / memilih parameter masukan awal pada SBWR ?

YOHANNESSARDJONO

I. Dapat, yaitu untuk BWR aktif dan balikan akan dicoba untuk skala laboratoriumuntuk membuktikan apakah SBWR mampu mengatasi problem gaysering yangdisebabkan oleh Core Pressure Drop.

2. Hasil perhitungan ada 3 macam, yaitu dua perhitungan terdapat dalam abstrak dansatu lagi pada tinggi cerobong 24.77 kaki dengan laju aliran 89.60 ml/jam

3. Dengan cara manual.

694