snJOI EFI$IEN$I TERMAL PLTN
JENIS PWR, BWR DAN CANDU
Suyamto
Pusat Penelitian NuklirYogyakarta
ABSTRAK
Telah dilakukan studi tentang cara menghitung e~isiensiPLTN jenis PWR, BWR dan CANDU. Efisiensi ini tidak bisalangsung dihitung sebab besar rugi-rugi seluruh plan suIitdiperkirakan. Dari heat rate pembangkit uapnya e~isiensitersebut lebih mudah dihitung.
ABSTRACT
Computation of thermal efficiency of PWR, BWR and CANDUNuclear Power Plant has been studied. The efficiency can notbe directly found out because there are some difficulties inpredicting the losses of the plant. From the Heat Rate CHR)of its steam generation plant the efficiency can be morelasily determined.
I. PENOAHULUAN
Pada akhir-akhir ini pembicaraan masalah energi di
dunia semakin penting dan serius. Hal ini sejalan dengan
pemakaian energi yang semakin meningkat dengan pesat, disam
ping timbulnya kekhawatiran terhadap jumlahcadangan energi
tak terbarukan Cnon renewable) yang tersedia.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui
bagaimana cara menghitung efisiensi termal suatu pembangkit
atau suatu PLTN dan usaha-usaha apa yang bisa dilakukan
untuk mempertinggi efisiensi pembangkitan energi tersebut.
Banyak keuntungan yang bisa diambil apabila efisiensi
pembangkitan energi tersebut berharga besar antara lain:
- Menurunkan polusi Ctermis).
- Mempertinggi manfaat suatu pembangkit.
Menurunkan harga suatu pemakaian energi yang dikon
sumsi.
Penelitian ini bersifat studi literatur sehingga tahap-
226
227
Tahap 1:- Studiawal
- Pengumpulan data dan literaturTahap
2:- Studilanjut
KonsultasiTahap
3:- Penulisan hasilstudi
-Pembualan laporan akhir(mak alah)
Sedikit masalah yang dihadapi pada penelitiao ini adalah :
- Terbatasnya literatur yang membahas secara khusus
lentang efisiensi.
- Berbagai pusat pembangkit CPLTN) yang ada mempuoyai
perangkat yang berbeda-beda bahkan sangat berlainan
terganlung pada keadaan, jeois maupun tiogkat energi
yang dibangkitkan oleh PLTN yaog bersangkutan.
I I. TEORT DASAR PEMBAJ'IGKI TAN ENERGI
Pusat Listrik Teoaga Nuklir sesungguhoya rnerupakao
salah satu jeois Pusat Listrik Tenaga Uap. Karena teoaga
mekanis yang dipakai untuk menggerakkan generator adalah uap
air yang dibangkitkan dari reaktor nuklir. Tenaga uap ini
diperoleh dari hasil reaksi nuklir di dalam reaktor.
Sebet.ulnya suatu PLTN bisa menghasilkan energi panas
yang besar, namun pertukaran kalor di dalam pembangkit uap
menjadi suatu "kendala sehi ngga bisa membatasi energi ter-
sebut. Diagram proses pembangkitan energi listrik suatu
PLTI~ adalah sebagai berikul
(1)· f-.!ReakLor I (2) '1 Turbifi." "2I i
Plant PLTN
Gambar 1 Blok diagram pembangkitan energi
listrik PLTN
228
1. Ener gikiOOa Cdidalam bahan bakar)
2.Energipotensi~ldan kinetisCdidal am uap)
3.Ener gimekanisCpada parastufbin)
4.EnergilistrikCkeluaran generator)
Mula-mula energi kimia yang tersimpan di dalam bahan bakar
Curanium) diubah menjadi tenaga panas uap dalam bentuk ener-
gi potensi a1 dan kinelis di dalam reak tor. Se1a.njutnya
energi ini melalui turbin diubah menjadi tenaga mekanis dan
selanjutnya dengan generator diubah menjadi tenaga 1.Lstr1k.
Sesuai pula deng~n pengertian umum tentang efisiensi ya1tu
keluaran dibagi
pembangkit adalah
dengan masukan maka efisiensi t.ermal suat.u
energi terbangkitkankalor bahan bakar
(1)
Terlihat bahwa untuk rnenghilung besar efisiensi harus
diketahui energi yang dibangkitkan. Oengan demikian harus
diketahui bagaimana proses pembangkitan energi mekanis dari
panas yang terkandung di dalam uap.
Oi dalam proses ini uap sebagai fluida kerja melakukan
proses siklus lermodinamika tertutup yang saring disebut se-
bagai sik1us carnot atau siklus rankine. Jadi untuk menqe-
tahui energi mekanis yang dibangkitkan. uap harus ma1akukan
proses sik1us dasar pembangkitan energi mekanis, yaitu
siklus daya lermodinamika di dalam mesin kalor. 51 k'1 us i n1
sering juga disebut. sebagai sik1usdaya uap dimana fluida
kerja mengalami 2 fasa yaitu fasa calr dan fasa uap dengan
proses sebagai berikut lihat gambar (2) dan (3).
229
3
Qin~D1· 2 cO
Wp r
1
4
W in
Gambar 2. Pr oses pernbangk it an ener gi mek ani s
Q incair
T inUap
·A Qo
Gambar3.SiklusCdayauap)rankine
Di
mana
B
:Boileratau generatoruap
T
:Tur bi n
..,.
:Kondensorf',.
P
:Pompa
Q.
:Kalormas uk~T"1 Q
:Kalorkel uar(buang)0 W:Ker ja kel uarlurbin Cmekanik)
m W
:Kerjapompa masukp
230
Mula-mula air hasil kondensasi di dalam kondensor dipompakan
ke dalam pembangkit uap oleh boiler feed pump.
Oi dalam pembangkit uap. energi kimia yang terkandung
didalam bahan bakar diubah menjadi energi panas yang akan
mengubah air menjadi uap dengan suhu dan tekanan t.ertentu
(proses 2 - 3). Selanjutnya uap tersebut diekspansikan di
dalam turbin dan energinya dikonversi menjadi energi mekanis
untuk memutar generator proses ( 3 - 4 ). Setelah uap ber-
ekspansi kemudian dikondensasikan di dalam kondensor. ber
ubah menjadi fasa cair dan kembali pada siklus semula.
111. EFI S1ENSI S1KLUS
A. Efisiensi Siklus Rankine Sederhana
:Seperti telah diketahui bahwa efisiensi adalah energi
yang dibangkitkan dibagi dengan kalo: yang dimasukkan.
Maka efisiensi ter~2l siklus rankine sederhana adalah :
kerja yang dihasilkankalor yang dimasukkan
L W
'1ft = ~ 1.n
8ila kesetimbangan terjadi
(2)
maka sesuai dengan hukum termo-
dinamika 1. pacta set-iap komponen terdapat hubungan
¢ Q = 1> w
~ q = D. h + D. w
q=perpindahan panas spesifik
~h =
perubahan entalpi
'.Iv =
kerja spesifik
(3)
,Terlihat bahwa di dalam boiler dan kondensor tidak ada kerja
~w = O. proses isobaris sehingga
~ q = lI. h
231
Maka perubahan kalor pada generalor uap adalah
Q ::fdh = h - h3 2(4)
Di dalam pompa dan lurbin lidak ada penambahan maupun
pembuangan panas ~q = 0, proses adiabalis sehingga :
maka kerja yang dilakukan
w = f -dh
= - [Ch
4- h ) + (h
3 2
=(h- h+ h- h )3
412
SehinggaW
h- h+ h- h3
412n- --- -- .-, h- h't '-! 12
h
- h= 1
31YJ t .
-h- h
32
h
- h= perubahan entalpididalam kondensor·i1
h- h= perubahan ental pididalam turbin3
2
B. Perbaikan efisiensi siklus
(5)
(6)
Kalau dilihal pengerlian lain dari efisiensi berdasar-
kan pada prinsip keselimbangan kalor sualu sistem.
Q. = Q + \IiIon out
W = Q. - QI. n out
maka
W
Q.1.1i
Qout
232
lenaga lislrik yang dibangkilkan
kalor dari bahan bakar
kalor yang dibuang ke sekeliling
'1','
'r; t= -Q.1.1i
Q.
- QI.n0= Q-1.1i
Q
10
or, t=-QI.n
Terlihal bahwa semakin keeil Q. yailu kaloro
(7)
yang dibuang
ke sekilar maka efisiensi lermal akan semakin besar. Pada
siklus besar Q inio dilunjukkan oleh luasan ( A-1-4-B-A ).
kalor masuk semakin besar.
Begilu juga efisiensi lerrnal akan semakin besar bila Q_1.1i
Besarnya kalor mas uk ini di-
lunjukkan oleh luasan ( A-1-2-3-4-B ).
Sehingga
'r; =luas ( 1-2-3-4-1 )
luas C A-1-2-3-4-B-A )
L"'engan dasar lersebut maka dilakukan berbagai maeam
usaha untuk memperlinggi efisiensi lerrnal suatu plan dengan
jalan memproses lanjut fluida kerjanya.
dilakukan adalah dengan proses-proses.
1. Super healer
2. Reheater
3. Regeneratif
Cara-cara yang bisa
1. Super heater
Super healer alau pemanasan lanjut adalah sualu proses
dimana uap jenuh dari generalor uap sebelum diekspansikan
ke dalam lurbin dipanaskan lagi dengan healer.
siklus uap ini bisa dilihal pada gambar (4).
Proses dan
234
Pada ke dua gambar terlihal bahwa kerja W yang dilun-
jukkan oleh luasan ( 1-2-3-4-5 ) semakin besar. Begitu juga
kalor masuk Q. (A-1-2-3-4-5-B-A) semakin besar, sehinggatnefisiensi lermal akan semakin besar yaitu
luas ( 1-2-3-4-1 )'I =, - ,. --458 )t. ~uas t M-~-G-3- - - -A
Kelemahan dari sislem ini adalah suhu uap yang dihasilkan
tinggl sehingga membatasi material dan peralatan yang lain-
nya. Disamping itu juga adanya peralatan lambahan untuk
super heater dan panas yang dibuang ke sekitar letap besar.
2. Reheater
Reheater atau pemanasan ulang adalah suatu proses di-
mana fluida kerja yang telah berekspansi di dalam turbin di
panaskan lagi sebelum diekspansikan kembali ke turbin.
Pernana.san ulang ini ber 1angs ung di dal am gener alor uap.
L"1enganmelihat gambar (5) terlihat bahvo/a pada sistem
inl terdapal beberapa keuntungan anlara lain
a. 'Efisiensi termis lebih tinggi
b. Panas yang dibuang ke sekitar.lebih sedikit
c. Efisiensi generalor uap lebih tinggi
d. Uap yang keluar dari tingkal akhir lurbin lebih
kering
luas (1-2-3-4-5-6-1)'f) t = 1uas (A-1-2-3-4-5-6-B-A)
237
3. R-=gef~erat if
Prinsip dari proses regeneratif adalah pemanasan fluida
kerja fasa cair yang akan masuk I<egenerator uap dengan me-
manfaatkan sebagian sisa uap panas yang keluar dari turbin.
Dengarl cara ir1i
ant3.ra l.alr~diharapkan diperoleh beberapa keuntungan
a. Kerja dari generator uap lebih ringan.
b. Panas yang dibuang ke lingkungan dapal dikurangi
L.'-engb.nmeliha.+. sik1'JS sistem regeneratif pad a gambar (6),
dapat dlbukti~an bahwa efisiensinya lebih besar yaitu
Iuas C 1-2-3-4-5-6-1 )Iit - 1..ua.s ( .':,--1 -2-::;-4-3-6-0-":' )
ideal Pe n.qe7nb ...~.!)q an!l 'lz-~- --ternyata tldak bisa dipakai unt.u~:rnenghit~ungefisiensi sis-
s,?cara 1a.ngsung. Hal in1 diseba.bkan karena
pacta siklus tersebut belum diperhitungkan adanya
Puai-ruai ter-sebul adalah- -
- ruql gesek fluida dengan material yang dilaluinya
rug1 panas pada dindlng material
- f' ugi bocor'
- rugi-rugi pompa. kondensor, turbin dan boiler
rugi-rugi pada peralatan unluk proses lanjut.
pembangkit di laparlgan ken.yataan-
nya tldaklah sederhana. tet.apl sanga t. komp1ek terganlung
pd.da keadaan dan peralatan-peralatan yan9 dipakai . Jadi
suatu pembangkil biasanya dilengkapi dengan peralalan untuk
pem.2.n3.s an u1ang, pemanasan lanjut dan regenerasi. Dengan
digabungkan
menjadi sa.tusehingga efisi~nsinya lebih sulit dihitung .
.L\dacara lain yang lebih mudah untuk menghitung efi-siensi yalt~ dengan menghitun.g ["ale" Heat~ ra.te
238
adalah besaran kalor alau panas (kcal) yang dibuluhkan untuk
menghasilkan 1 kWH lenaga lislrik. Heat rate sualu plan
pembangkit dapat berupa heat rate turbin-generator maupun
heat rate plan. Dari Heat Rate CHR) ini kemudian bisa di-
hitung efisiensinya dengan rumus-rumus berikul.
( HR )T
_ kcal- kWH
= kcal/HkW
= Flow ( kg/jam) x Entalpi ( kcal/kg )kW
= Energi dalam bahan bakarEnergl yang dibangkltkan
(8)
~H~) = (HR) x r enAralor~,~ P T -9-generator out put
out put - auxiliary power) x n- B
(9)
1)p
= efislensi
= 859,9CHR)
p
boi 1er
Cl0)
Contoh perhilungan lihat gambar (7).
HRT
C H - H - H ~ H + H )= t b r, s m
outputkcal/jam
k"¥l
H = energit panas yang akan masuk ke turbin atau energi
panas yang dihasilkan boiler.
-----., H = + 500 Bt.u/lb
Flov.l
T= 191. 86() kg/jam= 510 F
Ht
Entalpi = 815,6 kcal/kg
= 191.860 x 815,6
= 156,48 x 106 kcal/jam = 1564,8 x 105
Hb = energi panas yang lelah dipakai dan kembali lagike boiler.
Flow = 190.58 kg/jam
r.:::G\D :
: BD \To:
G :
?:
'!' :
P~SD?'::DT,..::;LPY
'l?!?~
1<;;:-1
Kg/Qn2
JCa..l/!<qa;:
S'1EI>,M 'IUP.srn
<So...•
1"';_'<:: t:?
1.92OG ;30T
o•..
21<':'
218.IIH
Ent.alpi
Hb
240
= 218.8 kcal/kg
= 190.58 x 218.85
= 41.7 x 10 kcal/jam
H = energi panas yang hilang karena pengat.uran suhu uap9masuk ke t.urbin
FloW' = 3.200kg/jam
Enlalpi
= 152kcal/kg
H
= 3200 x 152m = 0.4864 X 106 kcal/jam
= 4;864 x 105
H = energi panas yang dipakai unt.uk make up wat.erm
( perbaikan air )
Flow = 1920 kg/jam
Ent.alpi = 30 kcal/kg
Hm = 1920 x 30
= 57.6
Out. put = 50 k W. mak3. :
HR
Se-hingga
HRT
41.7.105- 12.81.105- 4.864.105+ 57.6.103)50.000
= 113.072 . 10650 . 10::1
859.9H,-,.!".
= 859,92,2614 . 103
= 0, 38 ( 38 Yo)
D::mgan cara yang sarna kemudian dapat. dihitung e!'isiensi
t.ermal PLTN PWR. BWR dan Candu. Berikut. ini adalah dat.a
efisiensi dari berbagai jenis PLTN yang t.elah beroperasi.
241
No.Jenis Buat.an T1
GE,
AEG - Kwu1.
PWR 30 %Hi t.achi
- Toshiba
West.ing house,
Kwu
2.BWRSiemens,Fransat.ome34 %
Mi t.subishiAECL
3.PHWRIt.ali 28 %
C
CANDU )Argent.ina
1. PWR
2. BWR
3. PHWR
Pickering Canada (1971), daya 500 MWCe)
Tl = 29,4 %p
Indian Power, daya 255 MWCe)
= 32 % bersih
Dresden AS. daya 180 MWCe)
..,...,= 28 7 %'Il '
V. KESI MPULAN
Penelit.ian ini bersifat. t.eorit.is dan belum t.unt.as.
Sebab unt.uk menghit.ung efisiensi suat.u.plant. PLTN PWR, BWR
dan CANDU harus diket.ahui secara det.ail
- perangkat. dan peralat.an yang dipakai
- suhu, t.ekanan dan debit. fluida kerja pada set.iap
peralat.an.
Lampir-an 1. Diaqr-c.ffi alir- powt:t--plant PL TN .IrJdian Point,
jenis PWR, I) =, 32 7.
Pressurizer
Electric•••~ heaters
Oil- fired
superheaters 2.200.000 Ibm/hr
370 psig1000° F
Turbine
Reactor vessel
1500 psig
Total flow
50x106 Ibm/hr
steamdrum
Deacrators
!\:I~N
...
...... 1,5inHg.c.
.c..c."-
"-" 5,9%moistureE
EE.a
.a~
0
0000 0000 00~t'I"I
..-r--00- ..-00~
Pri marypumps
---NUCLEAR STEAM GENERATOR
213° F
Feedwaterheater
Boiler teedpumps TURB INE PLANT
243
,IIII
At •• - - - - - - •• --- - - - - - .,
~~ .: ,~15 '-------------"~ !~: 'lj ~~.! ----, J -~aJ C
0« - I ,o ~ "I I I~2 I I J
t I f II II I I 1I I I I,- -- I I I
.I!I.I!! I 1}I 'f er .L1 I I_I ~ J 1 I 4_g I ~ I ••'; ,I I~.f\01 ~- - t•....•.....I •• i I01 '" , .•.• ! I.. - -
.•. _ I - -------,., • T~, ~. rG I II, ,_J I... I. I IVt', ' I :;,- - - - - - -:!) .•.•.- - - .,
., & I ~I -tr\L<7"~I C I .1! I I c ~ I~I .1 'j ~ ~~ ,'~I-.-- a. L--;/ I ~, c~ 1'''---' f I 2 ~ ~~ f I
I ----------,'''. § <x" I"". g . I~I .'''~ g I.n nOh J,OO" - - I•••I , .""I ; "'1"1;000'HZ'~~1 :
I ~~ I IL_ ~ ~ I I~~ I Io ~ I IE •• I '
c l\,'-~ -"I II ~
- I 1I~ITI II ~-
toHc:illiJU1
iJJ
I..o
ZI..JQ..
c:;-...
:1j
..CT!
OJ
c:(",~
.'!j .aE,~+J ~;lJ u1!11
..~,.,...
~
3(!j111 I...
InQ1
,~
iti
,...
.~ Qi
0'''"I
________ J
d~
. IJa'------ .....-----1;;1 ~ I~ la - --.. .• J~. L- \....
244
•..
F ~- ~
I.~T-~0"
~ .~~
cr' c ~ ~...•E ~ iL
(-J ~,.,:,I\ nr::I:lI
r. ~ ~~., • t:t
t"' \ ..Ju\JUI,... !! ~iQ..
Z ~, •...•..:;,:.,
: ~~ :-tE
I- "··~~I\ 0"'8
~u~ £-e...J
a ~x xitl,
rr==e;-=-:J-"
Q..I - "'0
II ;; ~- - '" 0WO'II 0"18
.:. c .:C " Ec::C ~ t ,
.1]
,~ S i8 '8 ;cu ::Ii ~ .9.::.:: o B 0;:;'U.' ,
C
-'"
11] .c IL 'u" ~ :;0., " .'
!lI•..
~U1
~ ~. ~....• a-"
u (I l,cr )~C
I<D
.'0
II§ :
V;..,
..
I> ~:- ~~-
- tJL.
? u:....• --1. "
11]l!: <:';
:~I
E0_
[,I]
II~r, ~il~jI...
1/1
crd
11]
':~,...
III iQ
..., onI -l <>.
I ..,
'2~. ~..)
C,1]'L...•QE11]...J
/
penterjemah Ir. Darwin
Konversi Energi. 1985.
245
ACUAN
1. Archi W. Culp, Ir. PhD. editor
Sitompul M. Eng. Prinsip-prinsip
penerbit Erlangga.
2. M. m. El-Wakil, Nuclear Energy Conversion. Copy right
1971. By International Textbook Company.
3. Hudi Hastowo, Sistem pembangkit uap Nuklir. Diklat Peren
canaan Energi. 1988, Batan Pusat Jakarta.
4. Ir. Subaryadi. Ir. G. M. Tarigan. PLTU Minyak dan Gas.
Diklat Perencanaan Energi. 1988, Satan Pusat Jakarta.
5. Media Teknik, Edisi No. 2 tahun IX April - Juli 1987.
No. ISSN 0216 - 3012.
6. Energy Technology Handbook, Sec. 5 Nuclear Energy Techno
logy. Magraw-Hill Book Copany.
TANYA JAWAB
1. Utaja :
Jawaban
Jika yane diLihat hanya efisiensinya C~) saja maka efisi
ensi PLTU Lebih besar dari pada efisiensi PLTN.
~ PLTU batubara sekitar 40 %~ PLTU minyak & eas bisa 43-45 %~ PLTN sekitar 30-35 %
2. SULaiman :
Baeaimana kaLau efisiensi termaL dijadikan daLaffi bent~
biaya CmodaL) daLaffikWT/Rupiah ?
Jawaban
Bisa saja tetapi sULit karena harus ada asumsi-asumsi
yane banyak misaLnya harea bahan bakar setempat, biaya
s1..U'vey,pembebasan tanah, inves tas i baet mas t ne-mas ine
PLT yane saneat berLainan dsb.