studi karakteristik pressurizer pada pwr

Sukmanlo Dibyo ISSN 0216 - 3128 179

STUDI KARAKTERISTIK PRESSURIZER PADA PWR

Sukmanto DibyoPusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir

ABSTRAK

STUD! KARAKTERISTlK PRESSURIZER PADA PWR. PLTN jenis PWR (Pressurized Water Reactor)memiliki dua loop pengambilan energi kalor, yaitu loop primer yang memilikifase cair dan tekanan tinggi,serta loop sekunder dengan pendidihan pada bagian pembangkit uap. Reaktor ini memiliki sistem pengaturtekanan yang sangat vital yakni pressurizer. Dengan mempelajari karakteristik pressurizer ini makafenomena, kinerja dan parameter operasi pressurizer tersebut dapat diketahui. Parameter terse butdikendalikan oleh sistem komponen yang mencakup heater, sprayer, katup otomatis dan sistem relief Padaprinsipnya sistem komponen tersebut berfungsi untuk pencapaian kesetimbangan termodinamika. Studi yangdilakukan adalah menguraikan parameter penting untuk kestabilan sistem pressurizer dan perhitungan dayaheater dari data referensi untuk mengendalikan tekanan. Hasil studi telah diperoleh beberapa informasiyakni ketika temperatur sistem pendingin reaktor mulai naik, maka melalui surge-line pendingin terekspansike dalam pressurizer. Dipihak lain turunnya temperatur memicu electrical heaters membangkitkan energiuntuk mendidihkan air menjadi uap sehingga tekanan kembali naik. Osilasi terjadi di dalam pressurizeryang mana menyebabkan watak tak stabil. Hal ini disebabkan oleh temperatur dinding dalam yang sedikitlebih dingin daripada temperatur air dimana lokasi air berada.

Kala Kunci: karakte~istik pressurizer, PWR

ABSTRACT

CHARACTERISHC STUDY FOR THE PRESSURIZER OF PWR. There are two loops cooling system in theNuclear Power Station type PWR (Pressurized Water Reactor), namely primaryloop th7iiC(Jntaining highpressure of liquid phase, and secondary loop within boiling into the steam generator. To control pressure,reactor is provided with the equipment of pressurizer. The assessment of pressurizer characteristic will knowa phenomenon, performance and operation parameter of pressurizer. This parameter controlled bycomponent systems such as heater, sprayer, automatic valve and relief system. Principally, purposes ofcomponent system are to obtain the thermodynamic equilibrium. Study is conducted by describing importantparameter that are pressure, temperature, waterleVel7iiiZl heater power calculation taken from referencedata to control the pressure. From the result study has been obtained some informations, increasing reactorcooling system temperature causes the water flows through surge-line expanded into the pressurizer.Otherwise decreasing temperature triggers the electrical heaters to generate energy to boil the waterbecome steam so the pressure increase. Oscillation occur in the pressurizer and causes unsteady behaviors.This is due to inner wall temperature slightly colder than the liquid temperature.

Keywords: characteristic of pressurizer - PWR

PENDAHULUAN

Informasidan pengenalan mengenai jenis reaktordaya terutama yang proven banyak terdapatdiberbagai referensi. Seperti diketahui bahwa

BATAN memilih reaktor daya jenis PWR(Pressurized-Water Reactor) sebagai altematifdibangunnya PL TN di Indonesia, di mana reaktordaya ini berpendingin air ringan dan terbanyakberoperasi di dunia.

Reaktor daya jenis PWR memiliki dua loop

pengambilan energi kaJor, yaitu loop primer yangmemiliki fase cair dan tekanan tinggi, serta loop

sekunder dengan proses pendidihan pada bagian

pembangkit uapnya. PWR memiliki bagian sistempressurizer yang sangat vital untuk mengendalikantekanan sistem loop primer.

Pressurizer berbentuk kontainmen bajasilinder yang dipasang pada hot leg pada salah satuloop sistem pendingin primer. Kontainmen yangberfungsi untuk pengendalian tekanan pada sistemprimer ini menggunakan electrical heaters untukmenaikkan volume/tekanan steam dan sebaliknyacoolant spray untuk mengurangi volume/tekanan[lJ.

Dengan menyadari pentingnya memahamiprinsip kerja sistem operasi pada pressurizer makastudi ini diarahkan pacta kajian karakteristik dan

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

/80 ISSN 0216 - 3128 Sukmanto Dibyo

prinsip kerja dalam pencapaian termodinamikakesetimbangan. Secara kesinambungan, kajian inimerupakan langkah pendahuluan yang diharapkanakan mendukung proses analisis lebih lanjut padasistem pressurizer secara lebih detail.

Penelusuran terhadap sistem pressurizerdapat dilakukan apabiJa data parameter yang terlibatdi dalamnya dapat diketahui. Oleh karena itu sistempengendalian tekanan pada pressurizer sangatlahpenting. Termodinamika komponen heater, sprayerdan aliran pada surge line merupakan parameterpengatur tekanan. lumlah energi kalor yang harusditambahkan dari heater adalah tertentu sehinggadapat memperoleh kondisi kesetimbangan.

Berdasarkan uraian tersebut di atas maka

tujuan penulisan makalah ini adalah untuk mengkajifenomena karakteristik sistem kerja pressurizerserta hubungan parameter yang terkait dengansistem tersebut

DESKRIPSI PWR

PWR adalah reaktor daya PLTN yangdigunakan untuk memproduksi listrik. Reaksi fisidari bahan nuklir sebagai fuel menghasilkan energikalor. Energi hasil pembelahan elemen bakar inimemanaskan air menjadi uap bertekanan dan

temperatur tinggi. Energi pada aliran uap diteruskanke turbin untuk dikonversi menjadi energi mekanikdan kemudian menjadi energi listrik oleh generatorturbin.

Reaksi fisi terjadi pada bejana reaktordimana dijaga pada tekanan tinggi. Loop pendinginprimer mentransfer energi kalor dari bejana reaktormelalui pembangkit uap. Pada bagian pendinginsekunder, pembangkit uap dengan tekanan sekitar60 bar dapat terjadi pendidihan air. Melalui loopsekunder ini uap diumpankan ke dalam turbin.Setelah uap melalui turbin (low pressure), uapdiembunkan pada kondenser untuk dikembalikan kepembangkit uap. Aliran dingin, mengalir melaluisisi-tube didalam kondenser, memindahkan energikalor sisa pada uap air. Diagram prinsip kerja PLTNjenis PWR ditunjukkan pada Gambar I [2J.

Sistem pendingin reaktor terdiri atas sistemkomponen mayor yaitu tangki reaktor, _pembangkituap, pompa pendingin reaktor, pressuriier, pipapipa (hot leg piping) dan pipa sistem relief (reliefline piping). Sistem pendingin primer disampingsebagai media untuk transfer energi kalor jugaberfungsi menjaga produk fisi tetap berada di dalamsistem pendingin ini. Tekanan sistem dipertahankanpada batas tekanan yang diijinkan (acceptablelimits).

.twbin

Gambar 1. Prinsip kerja PWR.

Proslding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN


Sukmanto Dibyo ISSN 0216 - 3128 181

PRESSURIZER

Pressurizer merupakan vessel yang dipasangpada salah satu saluran pipa panas keluaran darireaktor (hot leg), sebagai pengendali tekanan sistemloop pendingin primer maka peran alat ini sangatvital. Faktor kualitas campuran fasa uap dan fasa airdalam kesetimbangan sangat mempengaruhi kinerjapressurizer, pada tingkat kualitas uap dantemperatur tertentu maka pressurizer mempunyaitekanan tertentu pula. Selama operasi, pressurizermemuat volume air yang diselimuti oleh gelembunguap air. Oengan keterlibatan ele~egters dansprayer maka pressurizer dapat mengendalikantekanan sistem pendingin reaktor.

Apabila terjadi perubahan tekanan padasistem, maka aliran melalui pipa surge (Gambar 2)mempengaruhi perubahan pada tekanan pressurizer.Oalam kondisi insurge yaitu kondisi dimana laju alirfluida bertambah, maka tekanan pressurizermembesar. Untuk menurunkan tekanan tersebut,nozzle sprayer yang terletak pada atas ~eLbekerjasecara otomatis. Sprayer ini dihubungkan denganpipa cold leg pada sisi keluar pompa pendinginreaktor. Pada kondisi sebaliknya, laju aliran fluida

4" spray nozz/e-'

6 "safety valvenozz/e/

electrical heater36 requil:ed

thermal sleeve

surge nozzle _~

pada pipa surge berkurang, sehingga tekananmenurun. Untuk menaikkan tekanan tersebutelectrical heater bekerja secara otomatis[3].

-Penyebab perubahan tekanan dalampressurizer adalah berkaitan dengan adanyaperubahan temperatur pada sistem pendinginreaktor. Pressurizer juga dilengkapi dengan katupkeselamatan yang mana apabila tekanan terlalutinggi secara otomatis katup terbuka (disebut jugaPower Operated Relief Valves). Tekanan normalpada umumnya dijaga sekitar 153 bar. Hal iniselaras dengan kondisi temperatur sistem sekitar343°C. Gambar 3 berikut menunjukkan bagianbagian dan diagram pressure relief tan~4].Komponen kendali pressurizer memiliki beberapapenetrasi yang mengakomodasi alat electric heaters,surge, fungsi relief dan sejumlah instrumenpenetrasi untuk memonitor level, temperatur dantekanan.

Pressurizer menjaga sistem reaktor padakondisi sub-cooled. Pengoperasian sistem kendalipada kisaran tekanan 153 bar (15,3 MPa) inibertujuan untuk menghindari pendidihan di dalamsistem pendingin primer.

thermal sleeve

surge screen

Gambar 2. Diagram Skematik Pressurizer.



182- ISSN 0216 - 3128

'';'' ~'.i;o

sistem p~ndinginreaklor

Gambar 3. Diagram relief tank.

Sukmanto Dibyo

Di dalarn penentuan sizing pressurizer, digunakankriteria desain sebagai berikut:[S]

• pressurizer harus terdapat volume uap air yangcukup sehingga tekanan max.lmin. akibatkondisi operasi transien dapat diantisipasi untukmerespon tekanan tersebut.

• heaters mengatasi kondisi outsurge sebagaikriteria desain yang berbasis transien.

• volume uap pada pressurizer harus cukup untukmelindungi level air dari tercapainya safety valvenozzle .

• pressurizer harus membatasi perubahan volumeair berkenaan dengan berkurangnya laju alir.

• volume air pada pressurizer yang berlebihanharus dibatasi sehingga energi yang terbuang kekontainmen dapat dihindari.

Katup keselarnatan pressurizer memilikikualifikasi yang dapat mengatasi segala kondisi baikselama operasi normal, transien maupun kecelakaan.Kemampuan operasi katup reliefini didasarkan padatest program yang dilakukan oleh EPRI. Oalam halini uji tekanan kemampuan safety valvedilaksanakan dengan menggunakan steam, seatleakage dan nitrogen. --

Kondisi kesetimbangan dapat diperolehbilamana dapat ditentukan supply energi kalormaupun injeksi air oleh sprayer. Berikut ini adalahpersamaan konservasi massa dan energi untukkinerja heater[6].

o..•. ..,..."..oJ'o .•..••...,.~ •.....•..,...."..

;::;~~~~::;~~... ,:.-.,:,...:,....;,...:.-..:.-..:.-..:.-.,:.....

:~~~O~a~:

Gambar 4. Model Pressurizer sebagai ControlVolume.

Prosiding PPI - PDlPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN

Yogyakarta. 10 Juli 2007


Dengan mengambil pressurizer sebagai controlvolume (CV) pada Gambar 4, maka persamaankonservasi massa pendingin pada pressurizeradalah:

aMcv = -mo diintegrasl:at

Vj dan Vjgadalah volume spesifik air dan uap air.Dari persamaan-persamaan di atas maka Q dapatdihitung di mana merupakan energi yang diberikanheater ketika pressurizer pada kondisi out-surge.

Persamaan I~u kondensasi karena sprayer(Me,) dapat diekspresikan sebagai[7] :

,2

M 2 - M I = - f mo dt'I(1) (5)

PERHITUNGAN

di mana M.,p : laju spray, hg : ental pi uap, hi: ental piair.

Dalam rangka kajian sistem pressurizer ini,dipakai data referensi PWR KRESKO Siovania danWWER- I000 PWR sebagai obyek untuk perhitungan karakteristik heater berikut[7,8],

Total Volume : 79 m3

Tinggi : 15910 mmDiameter : 3000 mm

Kinerja heater diasumsikan oleh kondisitekanan pressurizer yang berubah (transien) menujutekanan nominal (sub-cooled) sedangkan volumeliquid bervariasi dari 35 % (27,65 m3) ke 65 %(51,35 m3), Grafik pada Gambar 5 menunjukkanhasil perhitungan teoritis kebutuhan daya heateryang dibangkitkan untuk mengendalikan tekananpressurizer,

35 % - 70 %

346°C

15,4 MPa-15,7 MPa

17,7 MPa

Volume liquid (rentang) :

Temperatur kerja

Tekanan (rentang)Tekanan desain

(4)

avcv =-mOhj+Qat

(3)

/2 12

VZ-V1 =-hf fmodt+ fQdt=-hfMo+Q (2)II II

dengan integral m() dt = Mo, dan MI adalah massa airpada kondisi awal. Persamaan umum konservasienergi (dengan mengabaikan faktor gravitasi dankinetik) adalah:

integrasinya :

di mana hj adalah entalpi air yang meninggalkanpressurizer, Q : total energi kalor yang diberikanoleh heater, VI = MI (Uj + XI Ujd adalah energiinternal pada kondisi awal, Uj ctan Ujgadalah entalpiair dan penguapan ; XI : kualitas uap awal. Akhirenergi internal, Vz, ialah:

Di mana Xl adalah kualitas uap akhir padapressurizer. Juga, volume pressurizer, Vp, tidakberubah selama transien:

3500000

3000000w] 2500000-.,~ 2000000

C>

~ 1500000""

~ 1000000w

500000

_________ u u u ~. __

_ u u --- __ U __I-----U - - U U -- - --

---~---------------- -------------------

-----~~B:J--------- -5f:f5-------------r ' ,o

20 30 40 50 60 70 80

volume liquid (m3)

Gambar 5. Grafik perhitungan kebutuhan daya heater terhadap volume liquid.



184- ISSN 0216 - 3128 Sukmanto Dibyo

PEMBAHASAN

Dari uraian yang telah dikemukakan didepandapat difahami bahwa ketika temperatur· 'sistem'pendingin reaktor memulai naik, maka melaluisurge-line air terekspansi ke dalam pressurizer.Oisisi lain turunnya temperatur sistem pendinginreaktor, memicu electrical heaters memberikanenergi untuk menaikkan temperatur air menjadi uapsehingga tekanan kembali naik. Perhitungan teoritiskebutuhan daya heater sesuai dengan volume airsaat itu seperti ditampilkan pada Gambar 5.Semakin banyak volume pendingin maka semakinbesar energi yang dibangkitkan oleh heatersementara itu waktu untuk mencapai tekanan yangdiharapkan lebih cepat.

Kondisi sistem pressurizer selalu berubahsebagai fungsi waktu, perubahan temperaturmengakibatkan perubahan densitas pendingin.Ketika temperatur sistem pendingin reaktor memulainaik, densitas pendingin reaktor akan turun,pendingin ini akan cenderung keatas menempatiruang dibagian atas. Oleh karena pressurizerdikoneksikan pada sistem pendingin reaktor melaluisurge-line, pendingin melakukan ekspansi ke dalampressurizer. Hal ini akan menyebabkan uap dibagiantop pressurizer terkompresi, sehingga tekanan naik.Kondisi tersebut diatas merupakan fenomena yangse\alu berlangsung di dalam tabungpressurizer.

Kondisi kebalikan akan terjadi ketikatemperatur sistem pendingin reaktor mengalamipenurunan. Oensitas air bertambah, dan akanmenempati ruang yang lebih rendah. Level airpressurizer akan turun, yang mana akan menye-

babkan tekanan turun. Jadi kondisi tekanan yangberubah-ubah ini merupakan karakteristik pressurizer, di mana senantiasa akan menuju tekanannormal kembali berdasarkan set-point yangditentukan. Sistem tekanan dikendalikan padakisaran 153 bar (15,3 Mpa), hal ini bertujuan untukmenghindari pendidihan di dalam sistem pending inprimer.

Oalam hal tekanan berlangsung terus naik,maka katup relief pressurizer akan membuka dumpsteam menuju pressurizer relief tank. Apabila hal inimasih tidak mengurangi tekanan, maka safety valvesbekerja, dan juga mengalir ke pressurizer relieftank. Apabila tekanan berlangsung turun, danmencapai set-point, Reactor Protection System(RPS) akan melakukan trip reaktor.

Gambar 6 menunjukkan hasil investigasitabung pressurizer pada fasilitas uji MIT(Massachusetts Institute of Technology) menggunakan APROS Codes, grafik tekanan tersebut padakondisi insurge sebagai fungsi waktu[9]. Tampakterjadi osilasi yang disebabkan oleh watak tidakstabiI didalam dinding pressurizer, di manatemperatur dinding ini sedikit lebih rendah daripadatemperatur air disekitar dinding tersebut. Air panasbersentuhan dengan dinding sehingga menimbulkankondensasi setempat dalam waktu yang pendeksampai menaikkan temperatur dinding. Hal tersebutmerupakan fenomena berulang di setiap tempat.Peristiwa osilasi diawali dari kondisi ketika densitasuap mulai turun dan tidak terjadi friksi bahkankondensasi maupun evaporasi, kemudian perubahankecepatan aliran pada permukaan air, maka level airdan tekanan mulai berosilasi.

~!,I,!iI1II~II1I!iJ

1;~

Gambar 6. Grafik osilasi tekanan 1nsurge.



II


KESIMPULAN

Dari hasil studi tentang karakteristik sistempressurizer maka dapat disampaikan beberapakesimpulan sebagai berikut :

- Kondisi tekanan yang berubah-ubah merupakankarakteristik pressurizer yang senantiasamenuju tekanan normal berdasarkan set-pointyang ditentukan. Sistem tekanan dikendalikanpada kisaran 15,3 MPa untuk menghindaripendidihan di dalam sistem pendingin primer.

Terdapat keterkaitan yang penting antaraparameter tekanan, temperatur dan kualitas uap.

- Pengendalian tekanan diperoleh dengan mempertahankan kondisi kesetimbangan termodinamika, dalam hal ini peranan penting darielectrical heaters setiap saat memberikan energikalor dan peranan sprayer untuk injeksi air.Energi kalor yang dibangkitkan oleh heatersesuai dengan rentang 35 % - 70 % volumependingin di dalam tabung pressurizer.

ACUAN PUST AKA

1. DOO YEONG LEE, Pressurizer PressureControl. Principal Researcher Power ReactorSystem Technology Dept., Korea AtomicEnergy Research Institute Reactor CoolantSystem.

2. http://www.tpub.com/contentidoe/hl 0 18v2/css/hI 0 18v2 1I6.htm, Pressurizer.

3. MULYA JUARSA, Pressurizer PenelitianWatak Tabung Penekan Melalui SimulasiEksperiment Katup Pembebas Uap PCVIOI

UU Termohidrolika Reaktor, FMIPA UNP AD1996.

4. NN, Pressurized Water Reactor (PWR),Systems (Reactor Concept Manual), USNRCTechnical Training Center.

5. www.npp.hu/erdekesseg/reaktor/reaktor-e.htm.Pressurized Water Reactor (PWR).

6. NN. Thermal-Hydraulic Analysis of a PWRPressurizer, Engineering of Nuclear Reactor,dec.2004.

7. ZARGHAMI, et.al, The Dynamic Modeling ofThe Pressurizer Surge Tank Transient In LWRNPP, Iranian Journal of Science Techn,Transaction B.Eng,v.29,n.B5, 2005.

8. IZTOK PARZER, RELAP5.M3 Assessmentagainst MSIV Closure Events in Krsko NPP,Nuclear Energy For New EUROPE,International Conference 2002.

9. EVELINA TAKASUO, PressurizerModeling of Pressurizer Using APROS andTRACE Thermal Hydraulic Codes.

TANYAJAWAB

Widi

- Fenomena dalam batas operasi pressurizerbagaimana?

Sukmanto Dibyo

- Selama dalam batas set point, tidak adainterfensi ke sistem.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN


studi karakteristik pressurizer pada pwr

Documents