SIKLUS RANKINE PADA PLTN

U t- a j aPusat- Penelit-ian Nuklir dan Rekayasa

ABSTRAK

Salah sat-u pernakaian energi nuklir ialah unt-uk membang­kit-kan t-enaga list-rik. Terbit-nya energi nuklir yang berupabahang, sampai dengan t-erbangkit-nya list-rik, melewat-i suat-usiklus t-ert-ent-u,Akan dit-injau suat-u siklus yang umumdijumpai pada reakt-or dengan air sebagai zat- perantara unt-ukmengubah energi panas menjadi energi mekanik. Siklus iniialah siklus Rankine. Telah dit-injau erisiensi suatu pem­bangkit- uap, sebagai rungsi dari t-ekanan dan t-emperatur uapyang t-imbul. dan juga merupakan rungsi dari modifikasisiklus Rankine dari pembangkit- t-ersebut-.Dari t-injauan dapatdilihat-. efisiensi sist-em sebesar 34 % dan39 % pada t-ekanan500 psia dan 2500 psia unt-uk siklus Rankine sederhana.Sedangkan bila digunakan regenerasi sebagai modifikasi,efisiensi akan naik menjadi 37 % dan 46 % pada t-ekanan yangsarna. Erisiensi ini masih dapat. dinaikkan lagi bila sist.emmenerapkan proses superheat.er dan reheat.er.

ABSTRACT

One or t.he nuclear energy applicat.ion is electricgenerat.ion. The exist.ance or nuclear energy as heat. toelect.ric generat-ion. rollows spesiric cycles. A cycle foundin t.he react.or wit.h wat-er as a medium ror t.ransfering heat­energy t.omecanical energy will be observed. This cycles isRankine cycle. The erriciency or st.eam generat-or. as t.hefunct.ion of t.he pressure and t.he t.emperat.ureof the steamhas been observed. It. is also a runct.ion or modificat-ion oft.he Rankine cycle. The analysis showed t.hat.t.he systemefriciency is 34 % and 39 % at. t.he pressure or 500 psia and2500 psia in a simple Rankine cycle. Ir we use regenaraticlnas a modiricat.ion. t.he value will increase by 37 X and 46 Xin t.he same pressure. This value st.ill can be increase ifwe use superheat.er and reheat-er process.

256

257

I. PENDAHULUAN

Salah sa~u langkah un~uk menga~asi erisiensi sua~u

PLTN. ialah menganalisis siklus yang di~empuh sepanjang

perubahan energinya. Un~uk ini akan di analisis sik1us

Rankine baik yang sederhana maupun yang menggunakan

regenerasi. Juga akan dibandingkan bi1a menerapkan super­

hea~er dan rehea~er. Hal ini disebabkan hampir semua-jenis

PLTN menerapkan siklus Rankine. Un~uk ini akan diberikan

dahulu persamaan un~uk menya~akan harga erisiensi siklus

Rankine. baik yang sederhana dengan regenerasi. superhea~er

a~aupun rehea~er. Dari persamaan ini dan ~abel harga

en~halpi uap. dicari harga erisiensi un~uk berbagai ~ekanan

uap mulai dari 100 psia sampai dengan 2500 psia. Juga dicari

pula pengaruh ~ekanan vakum pada erisiensi uap. Harga-harga

yang didapa~ di~erakan pada ~abel. 'sehingga dengan mudah

dapa~ diliha~ pengaruh ~ekanan. dan suhu pada efisiensi.

Dari da~a a~au ~abel yang didapa~. mudah diperkirakan

langkah apa yang perlu diambil un~uk memperoleh efisiensi

yang se~inggi-~ingginya dengan memper~imbangkan pula ke­

mampuan ~eknis ser~a keselama~an sis~em. Juga akan di~injau

pengaruh dari ~urbin uap un~uk menge~ahui erisiensi akhirdari sua~u PLTN.

II. SIKLUS RANKINE SEDERHANA

Siklus Rankine dapa~ digambarkan dalam salib sumbu­

sumbu CD dan sumbu en~halpi CS). Begi~u pula dapa~ digam­

barkan dalam diagram alir. Siklus Rankine dapa~ diliha~ pada

gambar Cla dan lb) di halaman beriku~. Panas yang masuk

ser~a yang diubah menjadi kerja. dapa~ dicari dari diagramT - S.

258

T

A B

Gambar la. Diagram S - T Sikius Rankine sederhana

",

3

Panas~

masuk

3

1

2

r-

Kondensor

5

=Pompa

Daya keiuar

Panas keiuar

Daya masuk

Gambar lb. Diagram biok sikius uap pada mesin pembangkit

daya Cturbin) sederhana.

1

259

Ke~erangan gambar 1

2 Air dipanask an dari suhu masuk sampai suhu

jenuh pada ~ekanan kerja (~ekanan ~e~ap)

2 ) 3 Air pada suhu jenuh berubah menjadi uap jenuh

3 ) 4 Uap jenuh berekspansi pada ~urbin uap. Se-

.bagian uap mengembun

4 ) 5 Campuran uap dan air melalui kondensor. kemu-

dian uap mengalami pengembunan

5 )1 Air kondensa~ dipompa masuk ke pembangki~ uap

Panas yang masuk = luasan A-1-2-3-B

Kerja yang dihasilkan = luasan 1-2-3-4-5

Efisiensi siklus dapa~ di~ulis

'f) =1uas 1-2-3-4-51uas A-1-2-3-B (1)

Harga panas yang masuk dan kerja yang diperoleh dapa~ dicari

dari harga en~halpi pada masing-masing ~i~ik.Panas masuk= h- h

::Ii

Panaskeluar= h- h..

5Kerja masuk

= h- hi 5Kerja keluar

= h- h3..

Efisiensi kerja = kerJa keluar - kerJa masukpanas mas uk

=(h3 h ) - (h.• i

h - h::I i

h )5 (2)

Harga efisiensi IJ dipengaruhi garis 23 dan 45. Makin ~i'nggi

garis 23 (mak in ~inggi ~ekanan) dan makin rendah garis 45

Cmakin rendah ~ekanan vakum) makin ~inggi efisiensi. ~e~api

harga ~ekanan P dan P diba~asi oleh kemampuan ~eknis.2 5

Harga P berada dibawah ~ekanan kri~is air ( P < 3200 psia)2 2sedangkan harga P umumnya diambil 1 psia. ·Harga efisiensi5sebagai fungsi P dapa~ diliha~ pada gambar (2). Oari gambar2

ini ~ampak pengaruh ~ekanan P dan P pada efisiensi. Makin2 5

260•

tinggi P dan rnakin rendah tekanan vakum rnakin besar2e~isiensi dari sistern tersebut.

. c -a ~o.........-o--c/ P - 1

/ 5 - psiaa

40 X

36 X

20 X

16 X

. ~O-

o~o.,.,.-oI P5 = 14,7 psia

c

-0

c

o

400 800 1000tekanan CP )

2

2500----) Cpsia)

Gambar 2. E~~isiensi Vs pengaruh tekanan

III. SIKLUS RANKINE DENGAN REGENERASI

Untuk memperbaiki e~isiensi pada siklus Rankine

sederhana, pembangkit uap pada PLTN umumnya menerapkan

sistem regenerasi. Pokok pemikiran ini ialah pemberian panas

dilakukan secara isotermis Cgaris 2-3), dan pembuangan panas

juga secara isotermis Cgaris 4-8), sehingga siklus berlang­

sung diantara 2 isotermis dan 2 isentropis. Siklus ini

dikenal dengan siklus Carnot , dimana telah diketahui bahwa

siklus Car not merupakan siklus dengan e~isiensi tertinggi

yang mungkin dicapai, dibanding siklus lain. Ini dilakukan

dengan melakukan pemanasan 1 - 2 oleh uap bekas pada turbin.

Sedangkan pembangkit uap hanya memberikan panas pada garis

2 .:...3. Siklus Rankine dengan regenerasi dapat digambarkan

sebagai gambar C3a & 3b) dan gambar C4a & 4b).

261

T

--------) S

Gambar 3a. Diagram S - T siklus Rankine pada mesin pembang

kil daya

3

Panas~

masuk

3healer

Daya keluar~

Panas keluar~

Kondensor5

Gambar 3b. Diagram blok

daya Clurbin)

siklus uap pada

Qmesin

Daya masukof

Pompa

pembangkil

Dari gambar C3a). pemanasan awal Cair kondensal) yang

diwakili bidang 1285. dilakukan'oleh bekas lurbin yang ler­

wakili oleh bidang 3476. Telapi proses Rankine pada gambar

C3a & 3b) hanya berlaku secara ideal. Secara leknis sulil

dilaksanakan. Proses Rankine yang dapal dilaksanakan lerlera

pada gambar C4a & 4b). pi mana pemberian panas pada air kon-

densat, diiakukan

262

secara bert,ingkat, pada pemanas Cheat,er)

oieh air yang dicerat, pada masing-masing t,ingkat,.

T

m:1

m2

9 m9

l-m -m -m:1 2 9

67

----------) S

Gambar 4a. Diagram S - T sikius Rankine keadaan sebenarnya

3

3

t Daya keiuarTurbinl ----.

Panas~

masuk2

14

m1

12W 113

10W 111

m3

W 19

7l-m1-m2-m3Panas keiuar

•Kondensor

5

w+­'-"

pompa +-~)+-~+-pompa pom~ Pompa

Gambar 4b. Biok diagram sikius uap pada mesin pembangkit,

daya Ct,urbin) sebenarnya

263

Efisiensi siklus dapat dihitung sebagai berikut

Energi masuk

Energi keluar

= h9

= h7

h1

h8

Kerja keluar = Ch - h ) + C19 4C1 - m - m

1 2

- m )(h - h ) +1 4 !im )Ch - h )

3 cS 7

Kerja masuk = Ch -h )+C1-m )(h -h )+(1-m -m )(h -h )+1 14 1 13 12 1 2 11 10(h - h )(1 - m - m - m )9 9 1 2 3

Efisiensi '(I_ kerja keluar - kerja masuk- energi masuk

'I =Ch + h - h - h ) + C1 - m )(h + h3 14 4 1 1 4 12

(h - h )3 1

h - h )!i 13 +

C1 - m - m )(h + h1 2 !i 10(h - h )3 1

h<5

h )1 1 +

(1 - m - m - m )(h + h - h - h )1 2 3 <5 9 7 9

Ch - h )3 1

Siklus Rankine dengan regenerasi dibatasi 01eh jumlah

heater. Semakin banyak jumlah heater. titik 1 semakin mende­

kati titik 2, sehingga efisiensi juga akan naik. Tetapi

jumlah heater secara teknis akan terbatas. umumnya berkisar

dari 3 sampai 5. Efisiensi siklus Rankine dengan regenerasi

akan dilihat pada gambar (5).

44 X

40 X

Y1 I32 "

24 X

20 X

264

_______a------ cc c

~~ ~O_~\}n reqener. 0----- \}si"

/' Tanpa re

generasi

2500----) (psi a)

400 800 1000 1600 2000t.ekanan (P )

2

Gambar 5. Effisiensi siklus rankine dengan regenerasi

IV. SIKLUS RANKINE DENGAN SUPERHEATER DAN REHEATER

Salah satu car a untuk me!"Jaikkan efisiensi suat.u siklus

t.enaga disamping dengan regenerasi ialah dengan superheat.er

dan reheat.er. Pada siklus ini suhu efekt.if rat.a-rat.a akan

naik, sehingga efisiensi juga akan naik. Ini dapat dilihat.

dari siklus Car not..

T°~ = 1 - ---T---

L

Dengan ~ = efisiensi siklus, T suhu pembuangan,o T. suhul.

pemasukan. Superheater dilakukan dengan memanaskan uap jenuh

sampai suat.u suhu t.ert.ent.u(biasanya sampai 1000oF), sedang­

kan reheater dengan mema!"Jaskan kembali uap yang t.elah ber­

ekspansi, sehi ngga di perol eh kembal i kondi si superheat.er.

Siklus ini dapat. dilihat pada gambar (6) sebagai berikut

265

T

----------) S

Gambar 6. Diagram S - T siklus Rankine dengan superhea~er

dan rehea~er

Ke~erangan

3a -33 - 44 - 55 - 6

Uap jenuh dipanaskan Csuperhea~ed)

Uap superhea~er diekspansikan pada ~urbin uap

Uap bekas dipanaskan kembali Crehea~ed)

Uap superhea~ed diekspansikan pada ~urbin

Erisiensi siklus dapa~ dicari dengan mencari harga en~halpi

masing-masing ~i~ik.

Panas mas uk= Ch- h )+ Ch-h )3

1 !5••

Panas keluar= h- h6

7Kerja keluar

= Ch- h )+ Ch- h )3•• !56

Kerja masuk= h- h1

7

Efisiel'1sisiklus= kerja kel uar- kerja masukpaI"1a::s

masuk

Ch

- h )+ Ch- h )- Ch- h )3•• !56 1

YJ

= 7

Ch- h)+ Ch- h )3

1 !5••

Ekspansi 3 - 4 biasaI"1ya dikerjakan pada ~urbin ~ekaI"1aI"1

~inggi. sedaI"1gkanekspaI"1si5 - 6 dilakukaI"1pada ~urbiI"1~e­

kaI"1aI"1rendah. Suhu superhea~er dan rehea~er yaI"1gumum di-o

lakukaI"1sampai 1000 F.

266

Tet.api siklus ini agak riskan dikerjakan pada PLTN.

karena pada super heat.er, pipa yang dipanask an hanya berisi

uap yang relat.ip mudah berkurang sehi ngga mengganggu peng­

ambilan panas. Selain it.u, superheat.er dan reheat.er memerlu­

kan suhu yang lebih t.inggi dai siklus regenerasi. Jenis PLnl

yang mampu memanf aat.kan semua usaha ini ialah HTGR t.idak

langsung (indirect. cycle HTGR), juga BWR jenis grafit..

Efisiensi jenis-jenis PLTN ini dapat. dilihat. pada t.abel (1)

beriku~, dengan cat.at.anbahwa efisiensi yang t.ert.era sudah

memperhit.ungkan pehgaruh efisiensi t.urbin uap.

Tabel 1. Daft.ar efisiensi berbagai jenis PLTN

JenisPLTNTekananSuhuEfisiensiKet.erangan

psi aof(%)

Shipping Port.

58548626PWRPoint. Beach

100054732,8PWR-reg-reheat.-superheat.Indian poin I

470100032PWR-reg-superheatPickering

59348529,4PWR:"regLFBR

61549129,25PWR-regIPWR

70651830PWR-regEBWR

60049822,5BWRDresden

99054228,7BWR-regBrown Berry

100030,4BWRPat.h Finder

60082530,5BWR-superheatVMBR

60058626,6BWR-regGraphit.e BWR

161695037BWR-reg-reheat-superheatFort. Saint. Vrain

2500100039,4HTGR-reg-reheat.-superheat.

Pada THE FORT SAINT VRAIN HTGR (indirect. cycle HTGR)

yang beker ja pada t.ekanan 24000 psia dan suhu superheat.er° -maupun reheat.er 1000 F, efisiensi t.enaga mencapai 39,4 %.

Efisiensi ini cukup t.inggi dibanding jenis PLTN lain.

Reakt.or ini menerapkan regenerasi, reheat.er maupun super­

heat.er.

267

V. PENGARUH TURBIN UAP

Efisiensi yang didapat pada siklus Rankine yang sudah

diuraikan, berdasar anggapan bahwa seluruh enthalpi uap saat

ekspansi lewat turbin, semuanya diubah menjadi kerja. Tetapi

secara nyata, terdapat kerugian-kerugian selama ekspansi

Cnon isentropis, geseran, edy current. shock dan sebagainya)

sehingga hanya sebagian yang berubah menjadi k er j a.Efisiensi turbin dapat dinyatakan dengan persamaan

2.

DT = ~ C1 + ~) COS2~

Untuk turbin impuls, dimana

= efisiensi turbin

~,~ = geseran pada nosel dan rotor

~ = arah semburan uap terhadap bidang putar

Atau untuk turbin reaksi, efisiensi dapat dinyatakan dengan

2 Cas 2DT = 2 2

Cas ~ + -- - 12

~

Tetapi masih ada kerugian lain yang menyangkut bent uk dari

sudu turbin, batasan teknis, sehingga efisiensi turbin di­

pengaruhi pula oleh daya turbin. Secara keseluruhan efisien­

si turbin dapat digambarkan pada gambar (7) berikut.

Akibat adanya efisiensi turbin uap. maka efisiensi PLTN

akan lebih rendah dari efisiensi siklus Rankinenya.

Efisiensi total dapat ditulis

dengan

= efisiensi termal siklus

= efisiensi siklus Rankine

= efisiensi turbin uap

dengan

T = suhu air pada rangkaian primerh

T. = suhu jenuh air rangkaian sekunderJ

268

1.0

0.7

0.55000 10000 15000 20000

daya ~urbin Chp)25000

Gambar 7. Pengaruh daya ~urbin ~erhadap effisiensi ~urbin

Tekanan jenuh primer dapal dikelahui dari ~abel dengan

meliha~ harga suhu T. Tekanan operasi primer. harus lebihh~inggi dari ~ekanan jenuhnya. Tabel dari ~ekanan jenuh dan

suhu jenuh baik primer maupun sekunder ~er lera pada ~abel

(2) berikul

Tabel 2.Hubungan P • P • TO. Tp s p s

PPTT PPTTpsps psps

kg/em

2°ckg/em2

°c kg/em2°ckg/em2

.oc

16

2007176 652803524320

2109185 762904125224

22012184883004826029

230141921003105526834

240172001153206328041

250222151313307629048

260252251493409030256

27030230

269

Pada tabel (3) dapat dilihat harga besaran yang sarna

untuk berbagai PWR yang ada. Harga pada tabel (3) cukup

dekat dengan harga pa.da tabel (2). Ef'isiensi sistem pem­

bangkit uap dengan adanya turbin uap dapat digambarkan pada

gambar (8), dengan mengambil ~ sebesar 0,8. Harga ef'isiensiT

total PLTN dengan siklus Rankine dengan regenerasi berkisar

pada harga 30 ~.

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

-+- - - - +sik1us Car ngi.- - +- - -_--+- siklus Rankine + reaenerasi

_ -+- _------0 0+_ - 0

-+~ ...- .-A--·_- . _ .~'uSdasar Rankine 6.--~s~s Rankine + regenerasi + p~aruh turbin

_--..;::.-.;...----- . ------ c

~c- x--- --x---­x_--c x_-_ - tekanan vakum 14,7 psia-

2400----) (psia)

0,0 .400 800 1200 1600 2000

tekanan ·(P )2

Gambar 8. Ef'f'isiensi sistem pembangkit uap dengan adanya

turbin uap

VI. KESI MPULAN

Oari analisis, ef'isiensi siklus Rankine dasar dapat

dinai kkan dengan mener apk an berbagai car a. Cara yang di­

pandang .1ayak di1aksanak an unt uk PLTN jenis PWR dan 8WR

adalah regenerasi. Cara ini menjamin suhu reaktor cukup

rendah Cdibawah suhu kritis). dan menjaga tidak ada bagian

yang semata-mata berisi uap pada daerah teras reaktor.

270

Telapi bila dii~gi~ka~ PLTN de~ga~ efisie~si lebih li~ggi.

maka semua cara (superhealer. rehealer rege~erasi) harus

dilerapka~. I~i secara lek~is dapal dilaksa~aka~ pada HTGR

siklus lak la~gsu~g. Salah salu ya~g perlu dii~gal pad a PLTN

.je~is i~i ialah suhu ya~g cukup li~ggi denga~ resiko limbul­

~ya kebakara~. Salah salu pemiliha~ PLTN adalah a~lara

efisie~si lermal ya~g li~ggi da~ keama~a~ operasi.

ACVAN

1. FRANCI SF. HUANG "E~gi ~eeri~g Ther modynami c" • Mac Mii1a~

Publishi~g Co. I~c. New York

2. P. SHIYAKHIN "Sleam lurbi~e". Peace Publisher. Moscow

3. M. M. EL WAKIL "Nuclear E~ergy Co~verlio~". I~lexl Educa­

lio~al Publisher. 666 Fiflh Ave~ue. New York

4. INTER ATOM "I~tegraled Pressurized Waler Reaclor". I~ler­

~alio~ale Alomreaklorbau GMBH 506 Be~se~berg Kohl~.

Germa~y.

TANYA JAWAB

1. Edi Trijono

511dal1..Har8a TJ s'Uat'UPLTN tidak mem.p'Unyai

tin88i s11hv./tekanan TJ akan m.akin tin88L.

~ihat pada 8rafik.

2. 5111.aiman

opt im.'Um..m.akin

lni dapat di-

Ba8aimana ka~al1 pada PLTN BWR ditambah pemanas Cheater~ ?Jawaban

5ebenarnya heater dan BWR tidak ada ke ter8ant l1n8an. BWR

yan8 efisien akan menerapkan heater 'Unt'Ukproses Rankine.

271

Ju.m.lah ekonomis S1.1.at1.1.heater kira-kira antara 3 sampai

den6an 5. ter6ant1.1.n6kemaj1.1.anteknolo6i.

3. Bamban6 Su.marsono

a. Apakah pernah di tinja1.1./dihit1.1.neefisiensi dari S1.1.atu

jenis PLTN ?b. Efisiensi yane terbaik yane mana dari beberapa PLTN

yane ada ? Sebabnya apa ?Jawaban

a. S1.1.dah.Hanya efisiensi PLTN den6an meneambil n = 0.8Tadalah saneat dekat den6an tabel

b. Paline baik adaLah HTGR Cn =39.4 7~. Ini karena HTGR

dapat menerapkan re6enerasi. superheater. reheater.