pengembangan teknik penanggulangan gangguan listrik …digilib.batan.go.id/e-prosiding/file...

Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

PENGEMBANGAN TEKNIK PENANGGULANGAN GANGGUAN LISTRIKPADA OPERASI TUNGKU REDUKSI ME-ll

Achmad Suntoro

Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir - BATAN

ABSTRAK

Telah dibuat sebuah pengembangan rangkaian listrik untuk menanggulangi gangguan

listrik padam dari PLN ketika operasi reduksi tungku ME-II dijalankan untuk mengakhiri

operasi tungku secara aman. Ide dasar dari pengembangan ini adalah dengan memberi

aliran listrik kepada komponen-komponen terkait yang diperlukan untuk sistem tungku

agar dapat mengakhiri proses secara aman ketika gangguan aliran listrik PLN padam

terjadi. Disain pengembangan ini dibuat dalam bentuk state-machine sehingga semua

status selama proses tungku berjalan dapat terlihat dengan jelas. Makalah ini hanya

membahas secara detail masalah supply listik akibat litrik PLN padam. Secara simulasi

(terlepas dari sistem tungku) rangkaian listrik back-up ini telah dicoba dan bekerja sesuai

dengan yang diharapkan. Proses konstruksi dan instalasi secara terpadu dan menyeluruh

dalam sistem tungku ME-II sedang berjalan ketika makalah ini dibuat.

Kata Kunci: Gangguan listrik PLN, proses reduksi, switching line-nol UPS.

ABSTRACK

A development of electrical circuits in a furnace system to overcome PLN electrical failure

during a reduction process has been done to close-down the furnace operation safely. The

basic idea of this development is to supply electrical energy to components that are

responsible to end the reduction process in action safely if the PLN electrical failure

happened. The design of this development is presented using a state-machine so that the

flow and related protection due to the electrical failure will be clearly understood. This

paper only discusses in detail the solving-poblem of electrical supply whenever PLN

electrical failure happened. By simulation (tested in separated unit) the electrical system

13

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

back-up works as required, while its construction and installation integratedly with other

systems in the furncae system are being done at the time this paper writen.

Keyword: PLN Electrical fault, Redusction process, Line-zero switching of UPS.

1. PENDAHULUAN

Keselamatan kerja merupakan prioritas utama dalam segal a tindakan operasi,

eksperimen, dan atau penelitian dalam lingkup kerja di instalasi nuklir. Penggunaan gas

hidrogen pada proses reduksi, misalnya, memerlukan perhatian disain yang mendalam

mengingat gas tersebut dapat menimbulkan ledakan pad a kondisi tertentu. Sistem

keselamatan akibat gangguan listrik pada tungku reduksi ME-II di PTBN

mengandalkan back-up sentral, yaitu gen-set cadangan yang akan segera aktif ketika

gangguan listrik dari PLN terjadi (padam). Artinya sistem tungku ME-II ketika dibuat

didisain untuk tidak boleh terjadi gangguan listrik ketika sistem tungku tersebut

beroperasi.

Dalam dunia instrumentasi nuklir, redundancy adalah metoda yang sering digunakan,

bahkan ada yang diharuskan untuk menggunakannya dalam disain instrumentasi dalam

rangka menanggulangi problematika keselamatan[l]. Sistem redundacy penanggulangan

akibat gangguan sumber daya listrik dari PLN akan diterapkan pada sistem tungku ME

11 dengan memasang UPS (Uniterruptible Power Supply) hanya untuk komponen yang

berhubungan langsung dengan proses penghentian operasi secara aman. State-machine

sistem kelistrikan dari tungku ME-II menggunakan UPS akan diturunkan sehingga

terlihat kerangka disain penanggulangan atas gangguan akibat aliran listrik yang

mensuply ke sistem tungku tersebut.

2. BATASAN DISAIN PENGEMBANGAN (Design Requirements)

Batasan umum (general requirement) disain kelistrikan sistem tungku ME-II adalah

harus mampu memberi aliran listrik untuk menjalankan sistem tungku dalam operasi

kalsinasi dan reduksi secara benar dan aman. Tiga prosedur kegiatan yang dikaitkan

dengan gangguan listrik PLN padam merupakan batasan design yang akan dibahas

dalam makalah ini. Bagan keterkaitan tiga prosedur terse but (A, B, dan C) serta

14


ISSN 1693-3346

kemungkinan solusi teknik penanggulangan terhadap gangguan Iistrik digambarkan

seperti pada Gambar 1. Ketiga parameter tersebut adalah sebagai berikut.

KEMUNGKINAN GANGGUAN LlSTRIK-PADAM DARI PLN

1111111

Gambar 1. Pengembangan teknik penanggulangan gangguan Iistrik.

A. Prosedur persiapan operasi meliputi memberi masukan parameter operasi, kesiapan

sistem untuk: udara tekan, gas nitrogen, gas hidrogen, gas elpiji, pendingin, dan proses

vakum. Jika dalam status menjalankan prosedur persiapan terse but terjadi gangguan

listrik-padam dalam waktu lama, maka prosedur persiapan tersebut harus diulang

kembali dari awal. Tetapi jika padam nya hanya sebentar, tidak perlu diulang dari awal

dan tergantung pada posisi prosedur awal yang sedang dijalankan saat gangguan

terjadi.

B. Prosedur saat operasi dimulai ketika operator mengaktitkan filamen tungku. Jika

operasi tungku sedang berjalan dan terjadi gangguan listrik, maka sistem tungku harus

diarahkan untuk dihentikan operasinya dengan mengikuti prosedur akhir operasi.

Tetapi jika gangguan listrik tersebut hanya sebentar dan status persyaratan untuk

tungku beroperasi tidak terganggu (ketika gangguan listrik telah berlalu) operasi

tungku dapat dilanjutkan.

c. Berakhirnya operasi sistem tungku ditandai dengan telah dilewatinya nilai parameter

waktu operasi yang ditetapkan pada prosedur persiapan operasi, dan pada kondisi

tersebut prosedur mengakhiri operasi harus dijalankan. Jika pad a kondisi tersebut

15


ISSN 1693-3346

terjadi gangguan Iistrik, maka prosedur mengakhiri operasi harns tetap dapat

dijalankan.

Ketiga prosedur tersebut harns diimplementasikan secara urut (skwensial), oleh

karena itu rangkaian listrik untuk memfasilitasi ketiga prosedur tersebut harus dibuat

dalam bentuk pengembangan terhadap rangkaian listrik yang telah ada pada sistem

tungku.

3. PENGEMBANGAN

Sistem kerja tungku reduksi ME-II didisain oleh pabrik pembuatnya untuk

bekerja dengan kondisi tidak boleh terjadi gangguan listrik-padam. Sistem untuk

mengatasi terjadinya gangguan listrik-padam akan dipasang pad a sistem tungku ME-II

tersebut dengan menggunakan sebuah UPS (Uniterruptable Power Supply) hanya

untuk komponen tungku sehingga sistem tungku dapat mengakhiri operasi tungku

secara amanjika terjadi gangguan listrik padam dari PLN.

3.1. DISAIN KONSEP

Untuk penyederhanaan penjelasan, maka didefinisikan status kondisi-awal

tungku, yaitu kondisi sistem tungku ketika sedang tidak digunakan. Kondisi ini

ditandai dengan putusnya semua hubungan kelistrikan, aliran gas, dan sistem

pendingin ke tungku oleh alat pemutus yang tersedia pada sistem tungku tersebut.

Kondisi-awal ini dimasuki jika sistem tungku harus beristirahat karena sedang tidak

digunakan atau setelah selesai digunakan. Sehingga setiap prosedur awal operasi

akan dimulai dari kondisi-awal ini.

Ada dua jenis gangguan listrik yang akan ditanggulangi dalam disain

pengembangan ini. Pertama, listrik padam dalam waktu singkat (kurang dari 3 menit)

untuk kemudian hidup lagi.

Kedua, listrik padam dalam waktu lama (lebih dari 3 menit). Angka 3 menit tersebut

bersifat variabel yang merupakan perkiraan waktu yang diperlukan untuk mendorong

gas hidrogen di dalam tungku keluar tungku dan dibakar.

Potensi bahaya akibat gangguan listrik-padam yang harus menjadi perhatian terletak

pada penggunaan gas hidrogen[2] dan elpiji[3]. Tetapi kedua katup gas tersebut telah

16


ISSN 1693-3346

didisain bersifat normally close, sehingga potensi bahaya akibat gangguan listrik

padam telah teratasi. Pada status persiapan operasi, katup gas hidrogen akan selalu

tertutup karena belum saatnya untuk dibuka, dan status katup gas elpiji bisa pada

posisi tertutup ataupun terbuka. Jika katup elpiji telah terbuka maka katup tersebut

didisain untuk dapat tetap terbuka (oleh UPS) pada selang waktu tertentu meskipun

terjadi gangguan listrik-padam. Diagram state-machine prosedur persiapan operasi

dan ketika operasi dalam disain ini ditunjukkan pada Gambar 2.

Prosedur

persiapanoperasi

Prosedurketika

operasi

-+--+---~

Status prosedur:A Memasukkan parameter operasi tungkuB. Mengaktifkan sistem pendingin, udara tekan,

dan supply gas nitrogen.C. Proses vakum

D. Buka katup manual gas elpiji.E. Buka katup manual gas hidrogen.F. Mengatur tekanan dan aliran gas.G. Buka katup elpiji.H. Sistem tungku beke~a untuk proses reduksiI. Prosedur menghentikan sistem tungku

secara normal.

J. Prosedur menghentikan sistem tungkusecara emergency.

Tindakan operator pindah status prosedur

Perpidahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu lama

Perpindahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu sebentar

Gambar 2. State-machine persiapan dan saat operasi.

Ada dua kemungkinan untuk mengakhiri operasi reduksi yang sedang berjalan (I dan

J pada Gambar 2), yaitu secara normal dan secara emergency. Penghentian secara

normal terjadi apabila tidak ada muncul gangguan selama operasi tungku sampai

pada status tungku untuk dihentikan beroperasinya, karena proses telah selesai.

Namun demikian harus diantisipasi jika pada status penghentian secara normal

terse but terjadi gangguan listrik padam. Sedangkan penghentian sistem tungku secara

emergency terjadi jika gangguan listrik PLN padam ketika sistem tungku sedang

17


ISSN 1693-3346

beroperasi, atau karena suatu gangguan lain dan dengan sengaja operator hams

menghentikan operasi sistem tungku. State-machine untuk mengakhiri proses operasi

ditunjukkan dengan Gambar 3.

nonnal

tungku berisigas nitrogen

emergensi

Status Drosedur:K. Putar OFF switch filamen tungku dan tutup katup gas hidrogen.L. Tutup katup manual gas LPG dan tekan switch reset.M. Menunggu suhu dalam tungku turun mencapai < 80°C.N. Mengosongkan dengan pompa vakum kemungkinan gas

hidrogen yang tersisa dalam pipa-pipa sistem tungku.O. Tutup katup manual gas nitrogen dan udara tekan, putar OFF

switch utama listrik dari PLN ke sistem tungku.P. Atur sistem tungku pada posisi kondisi awal, sistem tungku

selesai beroperasi dalam status emergensi.Q. Dengan switch yang tersedia atur sehingga gas yang mengalir

ke tungku adalah nitrogen untuk menggantikan gas hidrogen.putar OFF switch fila men tungku, dan tutup katup gas hidrogen.

R. Menunggu hingga semua gas hidrogen dalam tungku telahkeluar semua (3 menit).

-+ Tindakan operator pindah status prosedur

~ Perpidahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu lama

- - - ~ Perpindahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu sebentar

Gambar 3. State-machine mengakhiri operasi.

Gangguan listrik pad am sebentar tidak mempengamhi proses untuk mengakhiri

operasi sistem tungku sehingga operasi sistem tungku dapat diakhiri secara

sempuma, sampai ke status selesai. Untuk gangguan Iistrik dalam waktu lama,

operasi sistem tungku diarahkan berakhir dalam status selesai-emergensi, yaitu

operator membah status tungku ke kondisi awal dan selesai secara emergensi.

Status selesai-emergensi berarti j ika nanti listrik PLN telah normal hidup kembali,

maka sebuah prosedur hams dilakukan agar sistem tungku benar-benar pada posisi

status selesai. Status selesai-emergensi diciptakan karena untuk antisipasi

keberadaan gas hidrogen sisa di dalam pipa-pipa sistem tungku disebabkan status

N tidak dapat diselesaikan secara sempuma akibat gangguan Iistrik tersebut.

Penghentian operasi tungku secara emergensi diawali dengan putusnya aliran listrik

ke sistem tungku. Hal ini terjadi jika operator tungku menekan switch emergency

atau rangkaian listrik yang didisain khusus untuk mengaktifkan switch emergensi

terse but meskipun tidak ditekan oleh operator. Ada dua kondisi penting yang hams

dibedakan dalam tindakan penghentian secara emergensi ini, status tungku berisi gas

18

Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Pcrangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

hidrogen atau gas nitrogen. Status Q dan R pada Gambar 3 dilakukan agar gas

hidrogen dalam tungku telah diddorong keluar dari tungku dan dibakar.

3.2. Prosedur Mengatasi Status Selesai-Emergensi

Prosedur berikut ini harus dilakukan karena sistem tungku sebelumnya tidak dapat

diakhiri secara normal karena terjadi gangguan listrik PLN dalam waktu yang lama.

Kondisi tersebut diarahkan untuk tungku menjadi pada status selesai-emergensi. Hal

ini ditandai dengan masih adanya gas hidrogen yang terkukungkung dalam ruang

tungku dan atau dalam pipa-pipa sistem tungku yang belum bisa dikeluarkan karena

gangguan listrik dari PLN tersebut.

Dari status selesai-emergensi

Status prosedur:S Putar ON switch saluran listrik ke sistem tungku dari PLNT. Buka katup manual gas nitrogen dan LPG.U. Tekan switch pengatur keluar gas LPG dan secara otomatis gas

LPG terbakar.V. Tekan switch katup saluran keluar tungku.W. Menunggu semua gas hidrogen dalam tungku keluar (3 menit).X. Tutup katup manual gas LPG dan tekan switch reset.Y. Proses vakum.Z. Putar OFF switch saluran listrik ke sistem tungku dari PLN dan

tutup katup manual gas nitrogen.

--. Tindakan operator pindah status prosedur

--.. Perpidahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu lama

- - - •. Perpindahan status akibat gangguan listrik-padam dalam waktu sebentar

Gambar 4. State-machine mengakhiri status selesai-emergensi.

State-machine pada gambar 4 digunakan untuk tujuan mengakhiri status selesai

emergensi, yang pad a prinsipnya hanya membuang keluar gas hidrogen dan

membakamya di ruang bakar dengan cara mendorongnya dengan gas nitrogen.

19


3.2. DISAIN DASAR

ISSN 1693-3346

Hal utama yang harus diatasi dalam pengembangan teknik penanggulangan gangguan

Iistrik ini adalah membuat cadangan (back up) sumber Iistrik untuk komponen

komponen dalam sistem tungku yang bertanggung jawab sesuai dengan state

machine yang digambarkan di atas. Dari skematik diagram sistem tungku ME-II [4]

dapat di disain sistem aliran supply listrik untuk sistem pengembangan ini seperti

pada Gambar 5. Sistem tungku memiliki sumber tegangan AC 220V dan II OV serta

DC 12V dan 24V.

LI

h

220V I IIOV

Switch h: close untuk reduksi

open untuk kalsinasi

2

I.l

LI-I-ll.z...24V

D 1

12V

DC2

AC/DC

GND

2

-L2

Gambar 5. Rangkaian dasar supply kelistrikan penanggulangan gangguan Iistrik.

Dari pelacakan skematik yang telah dilakukan, dapat diketahui bahwa supply

listrik yang bertanggung jawab untuk implementasi state-machine dalam konsep

disain diatas adalah tegangan listrik DC I, DC2 dan 27U seperti pad a Gambar 5. Oleh

karena itu sistem UPS dipasang hanya untuk ketiga jenis tegangan tersebut. Line-27U

digunakan untuk tetap mensupply katup LPG dan katup saluran keluar tungku,

sehingga pembakaran gas yang keluar dari tungku tetap terjadi meskipun ada

ganguan dari PLN. Tegangan DC digunakan untuk pengendalian penyalaan api LPG

dan aliran gas.

3.3. DISAIN DETIL

Implementasi dari basic disain Gambar 5 digunakan UPS umum yang mudah

diperoleh di pasaran. Kesulitan yang dihadapi dalam penentuan jenis UPS yang

disesuaikan dengan rangkaian Iistrik yang telah ada pada sistem tungku adalah

20


ISSN 1693-3346

sebagai berikut. Tegangan AC yang harus disediakan untuk rangkaian listrik

penanggulangan ini bertegangan 110 Volt sedangkan sistem UPS yang ada dipasaran

pada umumnya bekerja untuk tegangan 220 Volt dan mempunyai line-no I antara

input dan output UPS terhubung. Penggunaan transformator step-down 220V ke

110V bisa dilakukan, tetapi transformator step-down yang tersedia di pasaran juga

mempunyai line-nol antara kumparan primer dan sekundemya terhubung (karena

menggunakan sistem autotravo). Untuk itu rangkaian listrik tambahan

menggunakan sistem relay digunakan untuk mengatasi kesulitan tersebut. Detail

rangkaian ditunjukkan pada Gambar 6 menggunakan relay RI dan R2 untuk

mengatasi masalah line-nol UPS dan autotravo yang ada di pasaran. Tidak semua

detail rangkaian untuk implementasi state-machine dari konsep disain akan dimuat

dan dibahas dalam makalah ini, hanya yang berkaitan dengan implementasi Gambar

5 saja. Implementasi untuk pemasalahan penyalaan dan pembakaran gas LPG dan

hidrogen telah dibahas di [5].

LI

1•. 27

~.h

redu1:.si: close

2

L2

...£LRI

3 Amp

220 Volt

110 Volt

+24V

LI

27U

DCl

2

L2

Gambar 6. Detail rangkaian supply kelistrikan penanggulangan gangguan listrik.

21


ISSN 1693-3346

• UPS tidak bekerja secara kontinyu dan hanya dipakai sebagai backup, kondisi ini

dijalankan menggunakan relay R I-<D. Line-nol UPS akan terhubung dengan L2

yang berarti UPS di-isi oleh listrik PLN dan line-phase UPS terputus dari 27U jika

listrik PLN aktif (tidak padam).

• Jika V3 ditekan maka R2 aktif dan UPS telah siap menjadi backup. Rangkaian

sistem kendali yang berkaitan dengan state-machine dalam konsep disain ini

menjadi aktif, yaitu dipicu oleh relay CS. (Detail rangkaian akibat aktifnya relay

CS dapat dilihat di [6]) Relay R2 digunakan untuk menampung jika operator

menekan switch emergensi yang menghendaki sistem tungku harus berhenti

operasi, dan R2 yang menyebabkan UPS tidak aktif mensupply listrik jika switch

emergensi ditekan. (Relay CE diaktifkan oleh switch emergensi).

• Saklar g dan h berkaitan dengan switch Oksidasi-Reduksi, akan tertutup jika

operasi reduksi. Untuk operasi reduksi relay PW aktif dan digunakan untuk

keperluan proses vakum dan lampu indikator UPS. Relay PW dipakai sebagai

proteksi bahwa proses vakum hanya bisa dijalankan untuk proses reduksi. (Detail

rangkaian listrik sistem vakum dapat dilihat di [6]).

• Relay ZV akan aktif hanya jika relay PC aktif. Relay PC akan aktif jika proses

vakum telah mencapai tekanan yang diinginkan. Jika proses vakum belum

dijalankan, maka relay R2 dan CS tidak akan pernah aktif sehingga proses reduksi

tidak bisa dilaksanakan. Kondisi ini dibuat sebagai proses skwensial interlock

untuk keselamatan operasi.

• Jika listrik PLN padam RI akan OFF sehingga 27 disupply dari UPS menjadi 27U,

line-nol UPS putus dari L2 tersambung ke 2 yang merupakan line-nol tegangan

IIOV, dan indikator UPS nyala indikator listrik PLN padam. Kondisi ini juga

mengaktifkan komponen delay DL #1 (lihat [6]) yang diatur 3 menit untuk

memberi kesempatan gas yang ada dalam tungku didorong keluar oleh gas nitrogen

dan dibakar di luar tungku, sebelum sistem tungku dihentikan bekerja akibat

padamnya PLN tersebut.

• Jika listrik PLN ada maka Rl akan ON sehingga 27 di supply dari PLN kembali

dan indikator UPS padam dan indikator listrik PLN nyaJa.

22


ISSN 1693-3346

• Jika Push-OFF RST ditekan maka berakibat akan menghentikan aliran listrik DC

selama ditekan. Kondisi ini akan membuat relay R2 dan CS pada posisi OFF,

sehingga hal ini identik dengan ketika untuk pertama kali switch power utama dari

PLN di aktifkan.

3.4. ANALISIS

Sebagai akibat UPS digunakan tidak secara kontinyu dan hanya dipakai sebagai

cadangan, maka akan berakibat terjadi gap kehilangan tegangan listrik secara singkat

selama waktu yang diperlukan kontak relay R I berpindah posisi. Dari segi keperluan

akan daya listrik untuk menjaga agar katup aliran gas keluar dan gas LPG tetap

terbuka, terjadinya gap tersebut tidak menjadi masalah. Menutup dan membuka

kembali katup secara singkat tidak menjadi masalah bagi rangkaian pemantik dan

pembakar gas LPG karena telah didisain untuk dapat mengtasinya, sehingga kondisi

gap terse but boleh terjadi.

Keuntungan dibalik terjadinya gap aliran listrik tersebut adalah bahwa sistem

UPS hanya bertindak sebagai cadangan, sehingga dalam operasi reduksi tetap

bertumpu pad a Iistrik PLN. Sehingga jika sistem UPS terjadi kerusakan dalam

operasi reduksi tersebut, hal ini tidak akan mempengaruhi operasi tersebut karena

sistem UPS hanya digunakan jika listrik PLN padam. Pertimbangan keuntungan

inilah yang dijadikan acuan dipilihnya UPS bekerja tidak kontinyu dan digunakan

hanya sebagai cadangan.

23

Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Pcra IgJ.:atNuklirSerpong, 20 Nopembcr 2007

4. KESIMPULAN

ISSN 1693-3346

Dengan menggunakan teknik pengembangan dalam mengatasi gangguan listrik

padam dari PLN seperti yang dirancang dalam makalah ini, maka sistem redundansi

atas operasi reduksi sistem tungku ME-II terhadap gangguan listrik padam PLN

tersedia untuk mengakhiri operasi tungku secara aman. Makalah ini hanya membahas

detail disain rangkaian listrik yang berkenaan dengan penyediaan supply listrik yang

telah melibatkan penggunaan sistim cadangan UPS dengan mengatasi masalah line

nol pada UPS dan autotravo. Proses simulasi diluar sistem tungku secara menyeluruh

telah dilakukan dan dapat berjalan sesuai dengan yang diinginkan. Ketika makalah

ini ditulis, proses konstruksi dan pemasangan sistem pengembangan ini secara

menyeluruh sedang berjalan.

5. REFERENSI

1. lAEA, Nuclear Power Plant Instrumentation and Control - A Guidebook., Technical

Reports Series No. 239., Interational Atomic Energy Agency, Vienna, 1984.

2. ES & H Manual, Volume II, Part 18, Document 18.4 Hydrogen, Revision 3,

January 12, 2006.

3. LPG FOR YOU, http://www.lpgforyou.com/physicalproperties.htm

4. Alamari., Operation Directions for the Furnace Type RM/20., SATAN RSG-LP

Quality Lifetime Document., 35.0591.24., 1987.

5. Suntoro A, Pemantik

6. Suntoro A, Dokumen Tekis Operasi dan Hasil Modifikasi, Modifikasi Kendali Logik

(Switching) Tungku ME-II, revisi 0, 2006.

24

pengembangan teknik penanggulangan gangguan listrik …digilib.batan.go.id/e-prosiding/file...

Documents