KAJIAN PRA-REVITALISASI MESIN PENDINGIN (CHILLER) FASILITAS PENYIMP ANAN SEMENTARA BAHAN BAKAR NUKLIR BEKAS

Prosiding Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLRTahun 2016 ISSN 0852-2979

KAJIAN PRA-REVITALISASI

MESIN PENDINGIN

(CHILLER)

FASILITAS

PENYIMP ANAN SEMENTARA

BAHAN BAKAR

NUKLIR

BEKAS

Budiyono, Parjono

Pusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN budibtdd@batan.go.id

ABSTRAK

KAJIAN PRA-REVITALISASI MESIN PENDINGIN (CHILLER) FASILITAS PENYIMPANAN

SEMENTARA BAHAN BAKAR NUKLIR BEKAS. Mesin pendingin (chiller) merupakan salah satu sarana

penunjang yang penting di Kanal Hubung Instalasi Penyimpanan Bahan Bakar Bekas (KHIPSB3). Mesin berfungsi menghasilkan air dingin untuk sistem pendingin air kolam dan sistem Ventilation Air Conditioning (V AC). Kemampuan mesin pendingin ditunjukkan 'oleh nilai perbandingan efisiensi energinya (energy efficiency ratio/ EER). Jika perbandingan energi efisiensi makin tinggi maka mesin pendingin semakin efisien. Efisiensi mesin sangat dipengaruhi oleh proses pemeliharaan selama operasi dan proses penuaan fasilitas. Karena mesin di KH-IPSB3, telah beroperasi lebih dari 20 tahun maka perlu dilakukan kajian revitalisasi mesin pendingin. Kajian bertujuan untuk mengetahui nilai perbandingan efisiensi energi mesin pendingin dan urgensinya dilakukan revitalisasi. Tahapan kegiatan dilakukan dengan mengitung kapasitas pendinginan dan energi masukan yang dibutuhkannya. Hasil perhitungan dibuat simulasi kebutuhan biaya untuk proses revitalisasi. Kajian menghasilkan kesimpulan bahwa nilai kapasitas pendinginan mesin chiller saat ini sebesar 423,6 kW dengan penggunaan daya listrik sebesar 55,238 kW. Nilai efisiensi mesin telah menurun sebesar 44,3%, ditunjukkan dengan nilai EER mesin sebesar 7,6 dibandingkan dengan EER standar lebih besar dari 13,6. Jika revitalisasi dilakukan dengan penggantian mesin seharga 800 juta rupiah maka nilai investasi awal ditambah biaya operasi mesin baru akan sarna dengan biaya perbaikan dan operasi mesin lama pada operasi tahun ke 13.

Kata kunci: kajian, revitalisasi, efisiensi, mesin pendingin

ABSTRACT

STUDIES OF PRE-REVITALIZATION OF CHILLER ON THE INTERIM STORAGE FOR SPENT FUEL FACILITY Cooling machine (chiller) isone of the important support in transfer channel interim storage for spent fuel TC-ISFSF) Machine used to produce cold water for the needs of the water cooled system and Ventilation Air Conditioning (VAC) system. The ability of cooling engine is indicated by the value of energy efficiency ratio/ EER). If the energy efficiency ratio is higher so the cooling machine more efficient. Engine efficiency is influenced by the process of maintenance during operation and aging process. Because the machines in TC-ISFSF, has been operating for more than 20 years so it is necessary to study the revitalization of the cooling machine. Study aims to determine the

comparative value of the energy efficiency of refrigeration and urgency to revitalize. Stages of the activities carried out by counting the cooling capacity and energy input needed. Results of calculations are made simulation of cost for revitalization process. Study lead to the conclusion that the value of cooling capacity of chiller machine is currently at 423,6 kW with the use of electric power amounted to 55,238 kW Value of engine efficiency has decreased by 44.3%,

indicated by the value of the engine EER 7,6 compared with EER of standard> 13,6. If the revitalization is done with engine replacement cost 800 millon rupiah. so the value of initial investment plus cost of operating the new machine will be the same as the old engine operating costs in operations years to 13.

Keywords: study, revitalization, efficiency, chiller

PENDAHULUAN

Kanal Hubung - Instalasi Penyimpanan Sementara Bahan Bakar Nuklir Bekas (KH-IPSB3) merupakan instalasi yang berfungsi untuk penyimpanan sementara Bahan Bakar Nuklir Bekas (BBNB). Dalam mengkondisikan gedung KH-IPSB3 agar memenuhi syarat penyimpanan BBNB diperlukan sistem pendingin air kolam dan sistem ventialtion air conditioning (V AC). Kedua sistem dapat beroperasi sesuai fingsi jika kebutuhan media pendingin dapat dipenuhi dari 2 unit mesin pendingin (chiller) yang terpasang saat ini. Jadi fungsi utama mesin pendingin adalah menyediakan air ding in sebagai media pengambil panas. Sistem pendingin air kolam berfungsi untuk mengambil panas yang dibangkitkan dalam bahan bakar bekas. Sistem terdiri dari kolam penyimpanan, sistem primer dan sistem sekunder. Kolam

penyimpanan KH-IPSB3 mempunyai dimensi panjang 14 m, lebar 5 m dan kedalaman 6,5 m dan 9 m. Dinding kolam terbuat dari bet<?nbertui<ing dengan tebal 295mm dan sisi dalam dinding kolam dilapisi plat stainless steel (SS) jenis SS-304 dengan tebal 3mm. Kolam KH-IPSB3 dapat menampung 1458 perangkat BBNB yang ditempatkan di dalam rak-rak penyimpan dengan konfigurasi tertentu untuk menghindari kekritisan. Permukaan air kolam dijaga minimal setinggi 2,5 m dari BBNB sebagai penahan radiasi. Batas Kendali Operasi yang aman untuk air kolam yaitu temperatur maksimum 35°C, tinggi permukaan air kolam minimum 2,5 m diatas bahan bakar, pH air kolam 6,0-7,7 dan konduktivitas air maksimum 15 flS/cm. [1]

Sistem primer merupakan bagian loop penukar panas yang berhubungan langsung dengan bahan bakar bakar bekas sebagai sumber panas. Air kolam sebagai bagian dari sistem ini mengambil panas bahan bakar bekas. Kemudian air kolam dipompa melalui filter menuju ke alat penukar panas primer (Primary Heat Exchanger). Dengan alat penukar panas tersebut, panas air kolam ditransfer ke air pendingin sekunder. Sistem primer ini mempunyai batas kondisi operasi yang aman sebagai berikut: Debit minimum 6 m3/ jam, temperatur air asupan 35°C dan temperatur air keluaran adalah 30°C. Sistem primer ini dioperasikan bersamaan dengan sistem sekunder apabila temperatur air kolam penyimpanan ::::..35°e

Sistem sekunder bertugas untuk mendinginkan air pendingin primer dan bagian loop penukar panas yang berisi fluida pendingin (Chilled Water) yang berhubungan dengan sistem chiller. Batas kendali operasi yang aman sistem sekunder adalah debit minimum 6 m3/ jam, temperatur air asupan 20°C dan temperatur air keluaran adalah 25°C. Sistem sekunder ini dioperasikan bersamaan sistem primer apabila temperatur air kolam penyimpanan ::::..35°e

KH-IPSB3 juga dilengkapi dengan sistem ventilasi yang berfungsi menyediakan udara dalam jumlah cukup bagi personil, mengendalikan suhu udara, kelembaban, dan kebersihan di dalam gedung serta mengendalikan penyebaran kontaminasi yang tertangkap udara di dalam KHIPSB3 dengan mempertahankan beda tekanan di antara daerah-daerah yang mempunyai tingkat potensi kontaminasi yang bervariasi. Desain tekanan udara di daerah kolam, kanal dan ruang filter dipertahankan pada tekanan nominal dibawah 100

+

25 Pa. Suhu ruangan dipertahankan lebih kecil atau sarna dengan 25°C dan kelembaban relatif 40% sampai dengan 75% [2]. Udara dalam gedung KH-IPSB3 didesain mengalir dari tempat yang berpotensi kontaminasi rendah ke tinggi. Udara dari dalam gedung dikeluarkan ke cerobong melalui filter. Filter charcoal dipasang untuk menangkap gas iodine yang mungkin timbul sedangkan filter HEP A untuk menangkap partikel radioaktif lainnya. Pada operasi normal, udara hanya dialirkan melalui filter bank nomor 1 yang berisi pre-filter dan HEP A filter. Pada operasi darurat, udara dari daerah kolam, water treatment dan kanal dilewatkan filter bank No.2 yang berisi charcoal filter dan melalui filter bank nomor 1. Pre-filter yang digunakan pada sistem ventilasi berefisiensi 91 % sedangkan HEP A filter berefisiensi 99,99%. Mode operasi normal berubah ke darurat jika aktivitas udara yang disampling terukur lebih dari 5,3 x 102 Bq/m3. Perubahan dilakukan dengan menutup damper MD 6 dan membuka damper MD 5.

Untuk mensuplai air dingin, KH-IPSB3 mempunyai 2 unit mesin pendingin merk career. Mesin pendingin beroperasi secara redundan. Pada desain operasi (operasi normal), dioperasikan satu unit mesin pendingin dan satu unit mesin pendingin yang lain pada posisi cadangan (stand by). Setiap unit terdiri dari dua rangkaian sistem refrigerator. Kemampuan mesin pendingin ditunjukkan oleh nilai perbandingan efisiensi energinya (energy efficiency ratio/ EER). Jika perbandingan energi efisiensi makin tinggi maka mesin pendingin semakin efisien. Efisiensi mesin sangat dipengaruhi oleh proses pemeliharaan selama operasi dan proses penuaan fasilitas. Karena mesin di KH-IPSB3, telah beroperasi lebih dari 20 tahun dan sering mengalami kerusakan maka perlu dilakukan kajian revitalisasi mesin pending in. Kajian bertujuan untuk mengetahui nilai perbandingan efisiensi energi mesin pendingin dan urgensinya dilakukan revitalisasi.

TINJAUAN SISTEM MESIN PENDINGIN

Kapasitas pendingin chiller water unit (cwu) adalah kemampuan suatu mesin refrijerasi untuk menyerap (membuang) kalor. Indikator keberhasilan, didasarkan pada energy efficiency ratio (EER atau ton of refrigerant (TOR) Semakin tinggi nilai EER maka mesin refrijerasi semakin efisien. TOR adalah perbandingan konsumsi energi (kw) yang digunakan dengan kapasitas pending in yang dibangkitkan. TOR semakin rendah maka mesin refrijerasi semakin efisien. Prinsip kerja mesin pendingin diperlihatkan pada Gambar-l.

Proses b - c adalah proses di kompresor (proses kompresi). Refrijeran yang keluar dari evaporator memiliki suhu yang rendah dan dalam fasa uap. Refrijeran dikompresikan hingga tekanan dan suhu naik pada nilai tertentu dalam kondisi fasa gas. Proses c - d adalah proses di kondensor (proses kondensasi). Refrijeran yang memiliki suhu dan tekanan yang tinggi, kemudiaan didinginkan dengan udara

102

Prosiding Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLRTahun 2016 ISSN 0852-2979

paksa oleh exhaust fan, sehingga suhu refrijeran turun. Pada kondisi ini refrijeran berbentuk fasa cair. Proses d - a adalah proses di katup ekspansi (proses ekspansi).Refrijeran yang memiliki suhu rendah dan tekanan tinggi dilewatkan katup ekspansi, sehingga suhu dan tekanan refrijeran menjadi rendah. Fasa refrijeran berupa campuran antara fasa uap dan fasa cairo Proses a - b adalah proses di evaporator (proses penguapan). Refrijeran yang memiliki suhu dan tekanan rendah dengan fasa campuran (fasa uap & fasa cair) menyerap kalor dari air sirkulasi dari beban-beban pending in. Fasa refrijeran berubah menjadi fasa uap, disertai dengan kenaikan suhu. Disisi lain, air yang berasal dari beban pendingin mengalami penurunan suhu atau menjadi lebih dingin.

§[§:~

/--\ COMP

- - - - -? - - - -

-1- _ ·iii\~1 c:: \ ~ c.. co " .a ~ " •. co..\<: ..\<: Q) d

c

.-

~

CF" :anti draining protection (control flow)

c:..- :capacity thermostat (control temperature)

M

:••••.•

1ioA~/ectric motor)

p

:•.•••

.---~

~:h...,...~oii'_

~~

..•..

-.".~~

z

Ci'tj'

~

.•

c

0

z ...•

wO> ~:§ <8 mO

w-m \ jc:L •••

yIiI_

do

(3-way valve) PURIFICA TlON SYSTEM (by pass line)

SECONDARY HEA T EXCHANGER

C3II. •••...•.

I'li.

~;c..hiller

water unit (CWU)

d.

US •..••.•••.••

d ~ •

[3]

METODE

1.

Perhitungan kapasitas pendinginan. [4]

Kapasitas pendingin chiller adalah kemampuan suatu mesin pendingin untuk menyerap (membuang) kalor. Kapasitas pendinginan pada evaporator dihitung berdasarkan suhu air masuk dan keluar, debit aliran air dan spesifikasi air yang digunakan. Perhitungan kapasitas pendinginan menggunakan persamaan 1.

Q_=M w,Cp,(te-tz)

(1)

Dimana:

Qev = kapasitas pendinginan, Btu/jam

Cp = panas spesifik air sirkulasi, Btu/lbm,oF

te = suhu air masuk, of tl = suhu air keluar, of

2.

Perhitungan daya listrik

Untuk dapat menyerap kalor sebear Qev dalam evaporator dibutuhkan daya listrik. Perhitungan daya listrik pada mesin chiller menggunakan persamaan 2.

Dimana: We We

Wp

Wv

WI

= Daya kompresor, watt

=

Daya exhaust fan, watt = Daya pompa, watt = baya 3-way valve, watt = Daya listrik pengendali, watt

Konsumsi energi listrik pada me sin pendingin lebih banyak digunakan sebagai suplai daya motor dengan sirkuit tiga fase. Sirkuit tiga fase umum digunakan pada mayoritas sistem transmisi, distribusi dan konversi energi yang tingkat daya atau volt-amperenya (V A) berada diatas 10 kilowatt (kW) atau kilovolt-ampere (kV A). Alasan mendasar menggunakan sirkuit tiga fase berhubungan dengan daya jenis (power density), yaitu perbandingan daya ke massa suatu peralatan listrik ataupun daya ke volumenya. Peralatan listrik dengan berat tertentu dapat mengirimkan lebih banyak daya dalam bentuk tiga fase dari pada satu fase [2].

Dalam sistem tiga fase, ada dua macam hubungan yang dapat dibuat, yaitu hubungan bintang dan hubungan delta. Secara umum, tegangan pada kedua hubungan tersebut sarna-sarna terbagi menjadi dua . jenis, yaitu tegangan fase dan tegangan saluran. Untuk menghitung besar daya yang dipakai, hubungan

bintang dan delta mempunyai persamaan yang sarna, yaitu;

vV

=

..J3 .

V.I..Cos

0

(3) Dimana: W V

I

Cos <I>

= daya terpakai, watt = tegangan tiga fase, volt

= arus beban yang mengalir pada setiap fase, ampere

=

power factor

3.

Perhitungan efisiensi energi pendinginan

Efisiensi energi pendinginan ditunjukkan dengan nilai Cooling Coefficient of Performance (COPIJ, Energy Efficiency Ratio (EER) atau Power Input per Capacity (kW/TonIJ.

Cooling Coefficient of Performance (COPIJ dihitung dengan persamaan 4.

. .(4) QelJ . COPR

=

Kl'

Winput . Dimana: caPR

KI

Qev Winput

104

= Cooling Coefficient of Performance, watt/watt = 3.41214, Btulwattjam

= kapasitas pendinginan, Btuljam

Prosiding Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLRTahun 2016

Energy Efficiency Ratio (EER) dengan satuan Btu/watt dihitung dengan persamaan 5. Q",\..

EER

=

W

Input . (5)

Power Input per Capacity dengan satuan kWatt/TonR dihitung dengan persamaan 6.

ISSN 0852-2979

P

ower mpu per capaa

.

t·

.t -

y -

_K_: ._~_V_i:'I._1'_u_t

.

(6) Qe~'

Dimana:

K2

=

12000, Btu/TonR' jam

HASIL DAN PEMBAHASAN

KH-IPSB3 memiliki 2 buah mesin pendingin (chiller) yang beroperasi sejak tahun 1993. Kondisi saat ini chiller yang paling rentan men gal ami kerusakan ada1ah chiller 2. Kondisi fisik chiller terkini dapat di1ihat pada Gambar 2. Gambar 2 menunjukkan bahwa secara fisik kondisi kelistrikan te1ah menua, ada beberapa kabe1 listrik sudah rapuh terbakar akibat dari beban arus listrik yang yang me1ewatinya. Kompresor tidak mampu memberikan tekanan secara maksimal me skip un tindakan perbaikan telah sering dilakukan. Sambungan pemipaan dan dudukan evaporator terlihat korosi.

Fisik kelistrikan

Fisik pemipaan

Fisik kompresor

Fisik support evaporator Gambar 2. Kondisi fisik chiller KH-IPSB3

Untuk itu, kajian pra-revitalisasi dilakukan terhadap mesin tersebut. Data pengamatan alat ukur debit aliran yang bersirkulasi dalam mesin dan selisih suhu air masuk dan keluar evaporator ditunjukkan pada Tabell. Tabell menunjukkan bahwa kapasitas pendinginan mesin sebesar 423,6 kW.

Tabel 1. Hasil perhitungan kapasitas pendinginan Chiller 2 Cp air ( KJ/kg.K) 4,186 pair (kg/m3) 1000 m (kg/s) 18,4 Delta suhu (K) 5,5 Q (kW) 423,6

Besamya konsumsi daya listrik yang dibutuhkan untuk mendapatkan kapasitas pendinginan seperti ditunjukkan pada Tabel 1 adalah 55,238 kW. Total daya listrik diperoleh berdasarkan data pengamatan arus dan tegangan beban pada saat mesin beroperasi. Komponen sistem yang dihitung meliputi daya motor kompresor, daya motor exhaust fan, dan daya pompa distribusi. HasiI perhitungan konsumsi daya listrik diperlihatkan pada Tabel2.

Tabel2. Hasil perhitungan konsumsi daya listrik Chiller2;))

...?mpery.;_cos

₀

_kWvolt Kompresor 1 65,4 380 0,819,881 kompresor 2 65,4 380 0,819,881 Daya Motor ~xhaust.fan

6 x 746 watt 4,476 Daya pompa 11 Total 55,238

Hasil perhitungan efisiensi energi pendinginan ditunjukkan pada Tabel 3. Nilai EER mesin chiller saat ini sebesar 7,6. Jika dibandingkan dengan nilai standar efisiensi sebesar 13,6 berarti efisiensi mesin telah menurun sebesar 44,3%. Berdasarkan SNI nilai kW/ton pada sistem refigerasi ini adalah 0,8 [5]. Oleh karena itu Nilai kW/ton mesin chiller naik dari 0,88 ke 1,58 artinya untuk mendapatkan kapasitas pendinginan mesin yang sarna dibutuhkan energi listrik hampir dua kali lipatnya. Indikasi tersebut menunjukkan bahwa kemampuan operasi mesin dalam mendukung kegiatan operasi telah menurun. Mesin tidak mampu lagi mensuplai air dingin sesuai desain kebutuhan beban. Operasi pengolahan penyimpanan BBNB bisa terganggu jika sistem ini tidak bisa dioperasikan. Sistem pendingin air kolam dan sistem VAC tidak mampu lagi memenuhi syarat yang telah ditentukan. Dengan kata lain kondisi mesin sudah tidak efisien untuk dioperasikan dalam mendukung kegiatan operasi KH-IPSB3.

Tabel3. Hasil perhitungan efisiensi energi pendinginan Parameter ChillerStandar2

kW/TonR 1,58 <0,88 EER 7,6 >13,6 COPR 2,23 >4

Kajian biaya sebelum dilakukan revitalisasi terhadap mesin chiller. Perhitungan biaya operasi berdasarkan konsumsi daya listrik pada mesin pendingin. Dengan daya 55,238 kW, mesin diasumsikan beroperasi selama 8 jam sehari, 20 hari perbulan dan 12 bulan setahun maka besamya energi listrik yang dibutuhkan dalam satu tahun sebesar 106.056,96 kWH. Apabila asumsi biaya per kWH adalah Rp. 750,-maka biaya operasi mesin pertahunnya sebesar Rp 79.542.720,- Biaya tersebut jauh lebih besar bila dibandingkan dengan biaya operasi mesin baru sebesar Rp. 44.450.344,- Selisih antara keduanya adalah 35.092.376 rupiah.

Prosiding Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2016

1.600,0

:2

1.400,0

RI 'Q.

1.200,0

:::I _t:.

c

1.000,0

RI .•..•RI

800,0

.::t E It;

600,0

Ri

>

_co"'CRIIt;

400,0

_200,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15

Waktu operasi (tahun)

Gambar 3. Grafik hubungan antara waktu operasi dengan biaya

ISSN 0852-2979

_chiller baru

~chillerlama

Dengan asumsi harga mesin chiller barn Rp.800.000.000,- dan biaya operasi chiller barn Rp. 44.450.344,- per tahun. Biaya perbaikan chiller lama Rp 350.000.000 dan biaya operasi chiller lama Rp. 79.542.720,- per tahun, maka jumlah biaya akumulasi investasi awal ditambah biaya operasi tiap tahun chiller barn akan sarna dengan biaya akumulasi operasi chiller lama pada tahun ke 13. Hal ini ditunjukan pada Gambar 3·grafik hubungan antara waktu operasi dengan biaya

KESIMPULAN

Dari bahasan diatas dapat ditarik kesimpulan:

1. Nilai kapasitas pendinginan mesin chiller carrer di KH-IPSB3 saat ini sebesar 423,6 kW dengan penggunaan daya listrik sebesar 55,238 kW.

2. Mesin chiller sudah tidak efisien lagi karena nilai COPR tinggal 2,23, EER 7,6 dan kW/Ton 1,58. Dibanding dengan standar SNI, nilai COPR sebesar >4, EER > 13,6 dan kW/Ton

<

0,88 berarti kemampuan mesin telah menumn 44,3%.

3. Jika dilakukan revitalisasi dengan penggantian mesin barn seharga 800 juta maka nilai investasi awal ditambah biaya operasi mesin barn akan sarna dengan biaya perbaikan dan operasi mesin lama pada operasi tahun ke 13.

DAFTAR PUSTAKA

1. AEA ENGINEERING, "Transfer Channel and ISFSF for BAT AN, Preliminary Design Package, Volume 1", BAT AN, Jakarta, 1992.

2. PTLR, "LAK Kanal Hubung Instalasi Penyimpanan Sementara Bahan Bakar Bekas (KH-IPSB3)", Pus at Teknologi Limbah Radioaktif, Tangerang, 2009

3. SENTOT ALIBASY A HARAHAP, "Praktikum Sistem Pendingin dan Alat Bantu", Diklat Operator dan Supervisor KHIPSB3, 2015.

4. BUm ARlSANTO, BUDIYONO "Evaluasi Efisiensi Chiller Carrier 30 GT -060-910 di Instalasi Penyimpanan Sementara Bahan Bakar Nuklir Bekas" Prosiding Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR tahun 2014, 2015.