SIMUL4S1 KO.\/PUTER SISTE.\f PENDI;VGI.v (M.l>handang Pun"adz
SIMULASI KOMPUTER SISTEM PENDINGIN SEKUNDER RSG-GAS
M. Dlmndlmng PUf\\"adi, Riyadi, Syafrul, Sutrisno
::)0
ABSTRAK
SIMULASI KOMPUTER SISTEM PENDINGIN SEKUNDER RSG-GAS. Keselamalan operasi dari RSG-GAS sangat bergantw1g kepada keaI1dalan sistem dengan komponen-komponen pendukw1gnya.
RSG-GAS mempunyai umur operasi cukup tua, daJ1 karena itu komponen sistem pendingin telal1 mengalanu degradasi. Dalatn kondisi umur seperti ini, suatu rencana pembebanan terhadap sistem pendingin ltarus dievaluasi secara seksama sebelum dieksekusi. Untuk melakukan estimasi kondisi sistem pada suatu pembebanan tertentu, cara yang paling aman adalah dengan simulasi komputer. Dalarn penelitian ini dilakukan simulasi sistem pendingin sekunder RSG-GAS dengan progratn kompuler CA THENA (Canadian Algoritllm for THEnnalhydraulics Network AI1alysis). Dengru1 simulasi ini diperoleh w1juk kerja sistem pendingin sekunder yang berupa sifat-sifat tennohidrolika sistempada suatu kondisi pembebanan.
ABSTRACT
THE COMPUTER SIMULATION OF RSG-GAS SECONDARY COOLING SYSTEM. llle safety operation of RSG-GAS extremely depends on the reliability of the system and its components. Since the RSG-GAS operation age has an enough old, the cooling system components have been degrading. In this age condition, the operation plan that burdening the cooling system should be carefully evaluated before the plan is executed. The safely way to evaluate tile heavy burden operation plan is utilize the computer simulation. In the current study, computer simulation of secondary cooling system of RSG-GAS has been carried out by the CATHENA (Canadian AlgoritIun for IHErmalhydraulics ~et\vork Analysis) code. The result of tillS simulation is the performance of the secondary cooling system as the thermal-hydraulics characteristics of the system at tile burdening operation plan.
PENDAHULUAN membuangnya ke lingkungall. Subsistem
pendingin sekunder merupakan subsistem utanla, karena itu mempunyai umur operasional yang sarna dengan teras RSG-GAS. Dengan umur yang SUdall berusia sepuluh tahun, tentu saja sistem ini mengalarni degradasi fungsi dan kineljanya.
Sehubungan dengan umur RSG-GAS yang telah Ian jut, perlu dilakukan analisis terhadap penurunan kernampuan sistem pendinginnya, terutanla sistem pendingin sekunder yang hingga kini belum pernah dianalisis. Untuk menganalisis penurunan kinelja sistem tersebut, dan mengevaluasi kemarnpuan sistem pendingin sekunder dalam menerima beban mendatang dilakukan simulasi dengan menggmtakan progratll komputer CATHENA (hanadian 4./gorithm for Ilf.Erma/hydrau/ics l:::f.etwork 4.na/ysis) yang dikembangkan oleh Atomic Energy of Canada
Limited (AECL). Dengan carn ini sistem sekunder pendingin RSG-GAS dapat dievaluasi secara aIllan daD seksarna, karena tidak meng!,runakan sistem aktualnya sebagai bahan uji coba.
Keselamatan dari pengoperasian reaktor nuklir sangat bergantung kepada keandalan sistem daD komponen yang mendukungnya. Reaktor Serba Guna GA.Siwabessy (RSG-GAS) sudah beroperasi cukup lalna, yaitu lebih kurang sepulull taboo.
Dengan mnur operasi yang hampir setengah umur disain ini, kinerja sistem dan komponen RSG-GAS tentu akan menurun. Penurunan kinerja ini akan mempengaro11i keandalan sistem secara keselurultan. Disamping itu, adanya rencana untuk
mengganti bahan bakar RSG-GAS menjadi bahan bakar jenis "Silisida" yang mempunyai kemampUail penyediaan energi yang lebih tinggi (karena tingginya densitas uranium yang dapat dikandung ballaD bakar), pacta kenyataannya upaya ini akan membawa konsekuensi pacta pembebanan terhadap sistem dan komponen yang mellingkat
Sistem pendingin sekunder adalah suatu subsistem daTi sistem pendingin RSG-GAS.
Sistem ini berfungsi untuk mengambil energi panas daTi sistem pendingin primer dan
48
PROS/DING SE.'/I,~'{R HAS/L PE,VEL/TI.4N P2TRR. Tah"" 2000, Hal: 48-55
CA THENA adalall program komputer lU1tuk mellgc1nalisis suatu sistem yang menuliki proses yang berkaitan dengan ntaSalall tennaI daD ludrolika dengan melalui simulasi[IJ. Untuk dapat mensimulasikan sistem dengan program komputer ini. sistem nyata harns dimodelkan ke daIam sistem maya yang ekivalen. Dalam pemodelan ini variabel minor. yang dianggap tidak penting pengarulmya. dieliminasi. Dengml delnikian dapat diperoleh penyederhanan yang logis dan model aklumya dapat disimulasikan dalmll komputer melalui data ntasukan.
persanlaan kekekalatl tersebut dilakukatl dengan metode beda lungga (finite difference method)[2J.
Dalatn perlutungan nwnerik komponen jaringan teml0hidrolika dibagi menjadi satu nodal atau lebih.
PEMODELAN JARINGAN TERMOHmRO- LlKA DALAM CA ffiENA
Sebagaimana tercennin pada kepanjangan dari ImIna CATHENA, maka dengan mudah dapat dimengerti bahwa prograxn komputer ini dirancang untuk dapat digilllakan sebagai tool untuk menganalisis jaringan sistem dari sudut pandang temlal dan hidrolikanya. RSG-GAS sebagai suatu sistem adalall merupakan suatu jaringan tennohidrolika dengan komponen subsistemnya yang utama berupa pipa, katup, pompa, dan
penukar panas (reaktor nuklir dapat dimodelkan sebagai penukar panas).
Untuk menjelaskan program komputer CATHENA secara ringkas, berikut ini akan diuraikan tentang aspek teoritis, numerik dan pemodelan yang dapat di lakukan di dalamnya.
Pcmodclan dalam CA THENA
Dalatn menyelesaikan persan1;lan kekcka1an.
pemipaaJl sistcm jaringan tennohidrolika dipisa11- pisaltkan atas beberapa "model komponen'. Model komponen yang tersedia pad! CA THENA ada1allI3J:
1. komponen pipa
2. komponen sambungan-T 3. komponen volume 4. komponen tangki
5. komponen penampung (resen'oir)
Dengan tersedianya lima buah model komponen ini, pemodelan suatu peInipaan jaringan tennohidrolika belum dapat diekspresikan dengan baik. Karena itu, di antara dua model komponen dapat diletakkan "model koneksi komponen,,[3].
Dengan cara ini semua model komponen dapat dirangkai sebagairnana rangkaian dalam peInipaan jaringan tennohidrolika yang aktual. Pada titik
lokasi di antara dua model komponen dapat diletakkan koneksi komponen dengan bentuk
model sebagai berikut 1. Koneksi komponen biasa
2. Model sistem koneksi berta11anan (elbow, reducer, enlargement dlsb.)
3. Model sistem pompa 4. Model sistem katup
5. Model sistem kebocoran/pelepasan (break!
discharge)
6. Model sistem pelnisah rasa (separator) Ketersediaan model koneksi komponen ini
memungkinkan pengguna CA THENA untuk merangkai model-model komponen menjadi suatu kesatuan sistem jaringan tennohidrolika yang saling sambung menyambung.
Selain "model komponen" dan "model koneksi komponen" yang telah disebutkan di atas,
CA THENA menyediakan pula beberapa "model sistem khusus" yang dapat diaplikasikan pada model komponen. Model sistem khusus yang dimaksud daD model komponen yang dapat
diaplikasikan padanya adalah sebagai berikut Teori
DalaID merepresentasikan aliran dua rasa, model hidrodinarnika yang digunakan dalaID CA THENA adalall model aIiran satu dimensi dengan dua komponen fluida dalaID kondisi tak- setimbang (non equilibrium)[2J. Pacta model tersebut, masing-masing rasa fluida akan melniliki tiga buah conserl'ation equation (persamaan kekekalan) sebagai berikut:
I. PerSalna3I1 kekekalan rnassa, 2. PerSalna3I1 kekekalan momentwn, 3. Persarnaan kekekalan energi.
Dengan dernikian untuk setiap model yang mempunyai kondisi air dalam dua rasa (fasa cair dan rasa gas) akan mempunyai enam persamaan kekekalan. Penyelesaian numerik terhadap
49
SIMUL-tS1 KO;\IPUTER SISTEM PENDI.\'GIN. (M. Dhandang Punt'ad;
2.
3.
.t.
5.
6 7
Model tujuan aplikasi model komponen pipa
model GENHTP (penukar paDc1S) model komponen pipa
model komponen pipa model komponen penampung model komponen pipa model komponen pipa Model sistem khusus
Boili/lg lengt/l average critical/leat flux.
Kinetika reaktor nuklir Crept pressure tube.
Delay li/le.
Emerge/1C::V (~ooling h1jectio/l Accumulator.
Penukar panas.
Kesetimbangan panas.
adalall men data dan memaltalni parameter dari selurull komponen sistem sekunder. Dari data komponen ini, dapat dilakukan pengalnatan terhadap komponen yang dalam aspek tennal-dall ludrodinalnika mempunyai fungsi salna, keniudiall komponen-komponen berfurigsi Sallta tersebut dapat digabungkan. Jadi dalam larigkall pemodeiall iill, pada hakekatnya kita dituntut untuk membuat model ekivalen dari sistent nyata: yarigjauh lebill sederhana sehingga mudah ditangmu olehprogralu komputer CATHENA.
Pemodelan sistem pendingin sekunder RSG-GAS harus dilakukan tanpa mengabaikan sistem pendingin primemya, karena sistem primer dan sekunder, dipandang dari aspek tennal, saling berhubungan (bila dipandang dari aspek hidrolika kedua sistem ini terpisah). Seperti telah dijelaskan pada bab Pendahuluan. titik berat dari penelitian ini adalah analisis terhadap sistem pendingin sekunder. Oleh karena itu daIam pemodelan sistem sekunder RSG-GAS, sistem pendingin primer turut dimodelkan tetapi dengan pemodelan yang sangat sederllana. Dalam analisis ini, pemodelan sistem pendingin RSG-GAS yang digunakan adaiall seperi terlihat pada Gambar I. Pada gambar tersebut, reaktor nuklir hanya dimodelkan sangat sederllana, yaitu sebagai pipa yang menerima panas dari luar.
Untuk mengatur atau mengendalikan suatu model sistem selanm simulasi, CA THENA menyediakall opsi "Model Pengaturan Sistem".
Dengan opsi ini, selanm simulasi berlangsung suatu model sistem dapat dikendalikall sesuai kebuhlhan misalnya, pembukaan atau penutupall katup atau daya realtor nuklir dapat diatur waktunya. Model pengaturan sistem dapat berupa tabel lnaupun prograln, ballkan model pengaturan ini dapat diprogram dengan instruksi FORTRAN prilnitif.
Disamping model-model yang telah dijelaskan di atas, untuk mengantisipasi kerumitan pemodelan sisitem yang di dalamnya terdapat proses perpindal1an panas, CATHENA menyediakan paket untuk memodelkan proses perpindal\a11 panas dengan rinci. Paket model tersebut adalah GENeralized Heat Transfer E.ackage (GENHTPr Dengan paket ini, proses perpindahan panas dalam alat penukar panas dan teras realtor nuklir akan dapat dimodelkan dengan baik.
PENDINGIN PEMODELAN SISTEM
SEKUNDERRSG-GAS
Dalmll proses modelisasi sistem sekunder RSG-GAS. pertama kali yang perlu dilakukan
so
-
PROSIDIJ\'G SE.\/hV.4R H.4S1L PE.VELITIAN P1TRR, Tal,un 1000. Hal: 48-55
Gambar Pemodelan sistem pendingin RSG-GAS Berbeda dengan sistem pendingin primer,
pemodelan sistem pendingin sekunder yang menjadi titik fokus pada penelitian ini terlihat lebih rinci.
Bila model telall terdefinisikan, maka langkall berikutnya adalah menterjemahkan model tersebut ke dalam bentuk data masukan dari program komputer CATHENA. Daftar masukan dari sistem pendingin RSG-GAS untuk progrmD komputer CA THENA cukup banyak, karena itu tidak ditampilkan dalam makalah ini.
langkah adalah 0.001 detik. Simulasi dimulai daTi 0.000 detik hingga waktu tak hingga, artinya hila kondisi sudah tunak (steady .\tate) simulasi berhenti dengan sendirinya.
Dalam simulasi ini, nilai tekanan dan entalpi pada setiap nodal per langkah tahapan waktu dapat diketallUi hasilnya. Disamping paraIneter pokok tersebut, CA THENA secara otomatis mencetak
nilai fraksi uap, kualitas uap dan kecepatan aliran dari satu model komponen ke model komponen lainnya. Karena itu output CA THENA akan cukup banyak hila ditampilkan seluruhnya pada lnakalah ini. Dengan pertimbangan tersebut. pada makalah ini hanya akan ditampilkan basil pcrhitungan pada alat penukar panas. Pemilihan ini didasarkan pada anggapan bahwa kebenaran pemodelan jaringan terhohidrolika sistem pendingin RSG-GAS akan lebih mudah diamati pada alat ini karena alat penUkar panas adalah merupakan interface tranfer energi dari sistem pendingin primer RSG-GAS ke
sistem pendingin sekunder RSG-GAS.
BASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN Dalam simulasi diasumsikan sistem pendingin RSG-GAS dioperasikan secara bersamaan. Nilai awal yang diperlukan adalah tekanan dan temperatur pacta setiap nodal yang acta. Selain dalam bentuk tekanan dan temperatur, nilai awal dapat pula berupa tekanan dan entalpi (fasa cair daD atau gas). Tahapan waktu yang digunakan per
51
.
SI.\-/UL4S1 KOMPUTER SISTEM PENDI.'\'GIN.
(Mo L>handang PurI1°adi)
Gambar 2. Nodalisasi pada model alat penukar panas (heat exchanger, HE)
Dengan pemodelan yang telall dilakukan KesaJahan simulasi yang diInaksud adalah simulasi berjalan selama 0.7 detik dalam 73 terdapatnya nilai ental pi gas pada suatu nodal tahapan waktn (73 time steps). Setelah selang (No.20) pada sisi pendingin primer alat penukar waktn simulasi selama 73 tahap simulasi terhenti panas yang bernda diluar barns minimum dari karena terdapat peringatan kesalahan simulasi. kemampuan analisis CATHENA.
F~:-~ ~:~
-.HE-2 (Pr)-.HE-1 (Sk) ...HE-2 (Sk) 0.08
0.07
, 'ii" 0.06
; ~ 0.05Q.
0.04 0.03 .-0.02
0.01 --~~~
I
0 , ,.,..."""" ,
'-U)O)MI'-.'-U)O)MI'-.
'-.-NNNMM
Lokasi nodal dalam HE
~
Gambar 3. Tekanan air pacta alat penukar panas (heat exchanger, HE)
52
PROSIDfflG SE.\flN.4R flASIL PE;VELITIA."I P2TRR. Tall"" 2000. HaL: ./8-55
'Vi'~
'u
"'Gi
~ ..
~
~GICo
EGI I-
f" -HE-1 (pr)l -.HE-2 (Pr) i
I
-HE-1 (Sk)!
-HE-2 (Sk)1
,..,." ,.., , ,."" ".,."" ,.
,. ".. 0 !') \0 0) N In NQ) ,. ".. 0
N N !')!')!')..,.
Lokasi nodal dalam HE
Gambar 4. Temperatur air daJam alat penukar panas (heat exchanger, HE)
Gambar 5. Entalpi air dalam alat penukar panas (heat exchanger, HE)
Nilai ental pi gas pacta nodal tersebut adalah 2.47 MJ/kg, sedangkan batas kemampuan label uap yang acta pacta CATHENA adalah 2.5 MJ/kg.
Bagaimana bentuk distribusi tekanan, temperatur dan entalpi air di alai penukar panas (sesuai dengan nodalisasi model alai penukar panas dalam Gambar 2) setelah 73 tahapan waktu diperlihatkan
pacta Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5. Sebagai perbandingan, dalam Tabel I ditarnpilkan beberapa parameter alai penukar panas yang digunakan pada RSG-GAS. Nilai parameter tersebut diperoleh daTi acuan [5J daD basil simulasi dengan program komputer CATHENA.
S3 40
39 38 37 36 35 34 33 32 31
SIMUL-tS1 KO.\fPUTER SISTEM PENDI,\'GI,V. 1;\1. Dhandang Punt"adz)
Karakteristik alat penukar panas (HE) RSG-GAS Tabel
Nilai Hasil
Simulasi
--
S;ltuanParameter
SAR5 16200
~9
40 32 40 0.14 0.09 0.04 0 430 485 0.05 0.04
kW
"C
"C
"C
"C
MPa MPa MPa MPa
kgis kgis
MPa
MPa:
-
39
35
34 37 0.006946 0.005674 0.006408 0.005196
0.001272 0.001272 KemampUaJl aJat penukar panas
Temperatur air masuk HE pada sisi primer Temperatur air kelu.'lT HE pada sisi primer Temperatur air masuk HE pada sisi sekwlder Temperatur air keluar HE pada sisi sekunder Tekanan operasi HE pada sisi primer masuk Tekanan operasi HE pada sisi primer keluar Tekanan operasi HE pada sisi sekunder masuk Tekanan operasi HE pada sisi sekunder keluar Laju aliI air dalam HE pada sisi sekunder Laju alir air dalam HE pada sisi sekunder Penurunan tekanan di HE pada sisi primer Penurunan tekanan di HE pada sisi sekunder
Dari Tabel I, terlihat ballwa tekanan air pada sisi primer masuk (1okasi nodal nomor 40) sangat kecil, yaitu 0.006946 MPa. Demikian juga pada sisi primer keluar, yaitu pada lokasi nodal nomor 1. Penurunan tekanan operasi baik pada sisi primer maupun sekunder adalall 0.001272. Dengan membandingkan nilai parameter tersebut terbadap nilai yang terdapat dalam acuan [5], maka dapat disimpulkan bahwa simulasi yang berlangsung pada kondisi transien, dan simulasi terhenti sebelUlu kondisi tunak (steady state). Dengan demikian nitro parmueter yang diperoleh dari basil simulasi komputer jauh lebih rendah dari nilai parmueter yang tercantum dalmu acuan [5].
Kesimpulan ini didukung pula oleh data dari parmueter lain, yaitu temperatur air pada HE baik pada sisi primer lnaupun sekunder dan peruballan entalpinya. Bila diperllatikan dari Gmubar 5, perubahan entalpi pada sisi primer daD sekunder hanya 0.018 MJ/kg dan 0.016 MJ/kg. Bila besaran ini dikalikan dengan laju alir dalam acuan [5], llanya akan diperoleh daya perpindahan energi pallaS lebih-kurang 8000 kW saja. Kondisi perpindallan energi panas yang terakhir ini sangat mendukung kesimpulan ballwa simulasi terhenti pada kondisi transien sebelUlu mencapai kondisi tUllak.
Telah dikemukakan di alas bahwa simulasi terhenti karena ental pi air berada dibawah lulai minimwn dari entelpi yang mampu disimulasikan oleh program CATHENA. Dari analisis sementara, penyebab yang paling mungkin ad:l1all pemodelan sistem pendingin RSG-GAS belurn sernpurna dan rnasih terdapat kesalahan. Untuk rnengatasi rnasalah ini, perlu penelitian lebih lanjut tentang pemodelan RSG-GAS, sehingga dapat diperoleh model yang seksama dan kemudian akan rnenjadikan sirnulasi pada program kornputer CATHENA mendekati kondisi realistis sistern yang aktual.
KESIMPULAN
Telall dilakukan pemodelan sistem pendingul RSG-GAS untuk simulasi komputer. Pemodelan dilakukan untuk mengevaluasi sistem pendingin sekunder, karena itu pemodelan sistem pendingin primer sangat disederhanakan, terutanla pemodelan teras reaktor. Pemodelan dilakukan untuk mempersiapkan data lnasukan prograIn komputer CATHENA.
Simulasi dilakukan dari kondisi transien hingga kondisi tunak. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sunulasi pada progr:lm komputer CATHENA terhenti sebelum mencapai kondisi tunak. Terhentinya simulasi terjadi karena batas minimum entalpi air terlampaui. Dari kenyataan tersebut dapat disimpulkan ballwa basil simulasi tidak akurat.
Keakuratan basil simulasi sangat bergantung pada model yang dibuat, kesalahatl basil simulasi daTi acuan [5] (SAR Rev. 8) kemungkinan besar Dugaan atau kesiInpulan bahwa dalam
simulasi tidak tercapai kondisi tunak, sangat mudah difahami hila melillat Gambar 3, 4 dan 5.
Pada gambar tersebut terlihat jelas bahwa distribusi tekanan, temperatur dan entalpi dalam alat penukar panas belum halus kurvanya.
Masalah yang timbul adalah mengapa semulasi terhenti sebelum mencapai kondisi tunak.
54
"
..
PROS/D/.\"G SE.\I/;\"AR HAS/L PE.\"EUT/A,V P1TRR. Tall'ln 2000. Hal: 48.55
benar-benar ekivalen sistem nyata. sehingga basil simulasinya dapat dipercaya.
disebabkan oleh kesalaI1aJ1 model. Karena itu pemodelan sistem pendingin RSG-GAS l1arus dilakukan deng3J1 baik agar diperoleh model yang
DAFTARPUSAKA
2
RICHARDS. D.J. et.al.. "CATHENA Primer". Thermalh.vdraulics Branch CATHENA Document.
THB-CD-Oll.
BEUTHE T.G., HANNA B.N. "CATHENA MOD-3.5b/Rev 0 Theoritical .\fanuaf". .safety T/lermah.vdraulics Brallc/l. Wluteshell Lab.. Manitoba, 1999.
HANNA B.N., et.al.. "CATHENA MOD-3.5c/Rev 0 Input Reference", Safety Therma/l.vdraulics Branch. Wluteshell Lab.. Manitoba. 1999.
HANNA B.N., et.al.. "CATHENA MOD-3.5c/Rev 0 GENHTP Input R~ferellce". Safety T/lerma/l.vdraulics Branch. Wluteshell Lab.. Manitoba. 1999.
ANONIM, "MPR-30 Safety Analysis Report Rev.S". ('hap.5, Vol.2. Afulti Purpose Research Reactor
GA Si\vabessy -BAT AN, Jakarta. 1999. .
-1-,
5.
DISKUSI
Pertanyaan : (Tegull Sulistyo)
Hasil simulasi yang dituangkan dalam bentuktabeUgraflk, saran saya sumbu X dan Y perlu dituliskan pe n g erti ann ya/ pen j e lasamlya.
Ja,vaban : (Dr. Dhandang P.)
Karella keterbatasan ruang, terpaksa label sumbu X dihilangkan, Mohon dimaklumi tetapi dalam garnbar astinya diInakalah semua label sumu tertu1is.
55
