Instrumentation & Control; Nuclear Facility

This is not my experience story. This is just my overview after finished reading Instrumentation & Control Fundamentals Handbook Department of Energy United States of America. The Instrumentation & Control Fundamentals Handbook was developed to assist nuclear facility operating contractor, maintenance personnel, technical staff with the necessary to understand Instrumentation & Control System. There shall be no secret inside the book because all I&C technologies applied on nuclear plants are common technology. We found it in oil & gas platform as well. However if there are secrets inside I will have no capability to write it.

Hampir saja nuklir menjadi pilihan negeri ini sebagai energi alternatif di tengah kekhawatiran akan krisis energi. Rencana ini mendapat tentangan yang luar biasa dari para budayawan dan sebagian politisi sehingga ide tentang nuklir untuk sementara menjadi tidak populer. Nuklir bukan lagi menjadi persoalan teknologi tetapi sudah menjadi persoalan politik. Sebagai I&C engineer ketika menemukan artikel dari Department of Energy USA tentang basic instrumentasi dan kontrol untuk fasilitas nuklir maka saya tertarik untuk menuliskannya.

Yang disebut fasilitas nuklir adalah suatu plant facility yang dapat menggenerate terjadinya reaksi nuklir untuk menghasilkan energy yang dapat dimanfaatkan oleh manusia. Efek radioaktif sudah mulai dikenali keberadaannya sejak abad 19. Tetapi formulasi tentang konsep energi dari reaksi partikel atomic baru kemudian dirumuskan olen Einstein sebagai E = m.c^2 pada abad 20. (Tetapi kenapa Einstein lebih terkenal dengan teori relativitasnya ya? Harusnya teori energi-nya untuk partikel atomic ini, menjadi lebih terkenal. Anyway saya bukan fisikawan). Ketika neutron ditembakkan pada suatu partikel radioaktif maka terjadi reaksi fisi dalam reaktor. Reaksi fisi ini menghasilkan energy (joule) kalor. Dengan menggunakan konsep heat transfer energi panas tersebut disirkulasikan ke tempat lain dengan coolant system untuk memanaskan boiler. Boiler menerima energi panas, reaktornya kehilangan panas dan kembali dingin. Boiler menghasilkan steam, dan steam dari boiler memiliki energi untuk menggerakkan steam turbine driven generator untuk menghasilkan energi listrik. Sehingga energi listrik ini dapat diolah menjadi berbagai macam bentuk energi. (Note: Sebenernya apapun yang menghasilkan panas; seperti sampah dibakar, mayat manusia dibakar :p, tenaga dalam dari personel perguruan silat, suhu politik yang memanas :p, dll jika kalornya benar-benar mencukupi, maka akan diolah oleh boiler menjadi steam energi untuk menggerakkan generator listrik).

Inti dari proses nuklir itu terdapat di dalam reaktor nuklir. Ketika energi kalor sudah dihasilkan dari reaksi fisi maka tanggung jawab process engineer, mechanical engineer, instrument & control engineer untuk mengawal kalor tersebut melalui coolant untuk memanaskan boiler. Dari sudut pandang I&C, basic instrumentasi yaitu pengukuran tentang kondisi variable fisis masih merupakan dasar yang harus dikuasi di instrumentasi nuklir. Konsep pengukuran temperature untuk heat transfer yang digunakan adalah konsep-konsep RTD dan Thermocouple dengan rangkaian electric untuk pengolahan sinyalnya. Pengukuran tekanan untuk steam atau cooling systemnya masih menggunakan konsep bellows, bourdon tube, dan diaphragm dengan proses transducing yang mengubah pressure tersebut menjadi resistansi, induktansi, atau kapasitansi sehingga didapatkan equal electric signal untuk mendapatkan nilai tekanan. Level diukur dengan menggunakan level glass, differensial pressure, magnetic displacer, float, ultrasonic dan conductivity, dry reference leg, dan wet reference leg method. Hasil output dari sensor level adalah besaran fisis yang harus diubah ke besaran electric yang equivalent melalui transducer. Meskipun tidak saya temukan di artikel ini tapi saya yakin konsep transducingnya masih menggunakan prinsip perubahan equivalence pada resistansi, induktansi, atau kapasitansi. Pengukuran flowrate menggunakan orifice plate, ventury tube, pitot tube, displacement meter, area flowmeter (rotameter), ultrasonic, hot-wire anemometer dan ada beberapa lagi. Pengukuran posisi suatu aktuator / valve dengan menggunakan LVDT, movement dengan switch open-contact, dan potensiometer bisa juga digunakan.

Instrumentasi pengukuran yang lebih spesifik untuk fasilitas nuklir adalah pengukuran dan kontrol posisi control rod. Control Rod adalah batang yang terbuat dari komponen kimia (silver,indium, cadmium) yang dapat mengabsorb neutron yang terbentuk dari reaksi fisi tanpa menyebabkan komponen kimia tersebut mengalami reaksi pembelahan. Jadi kontrol rod merupakan aktuator dengan feedback berupa posisi untuk mengontrol laju reaksi fisi partikel radioaktif di dalam reaktor. Kontrol rod dimasukkan ke dalam guide tube di dalam fuel element. “A control rod is removed from or inserted into the central core of a nuclear rector in order to control the neutron flux” Wikipedia. Untuk membiarkan reaksi berantai terjadi maka kontrol rod digerakkan dengan skala tertentu dari core-nya reaktor. Sistem transmisi posisi kontrol rod dan sistem aktuasi untuk menggerakkan kontrol rod menggunakan synchro system yang terdiri dari synchro generator (transmiter) dan synchro motor (receiver). Rupanya agak susah memahami sistem synchro ini karena belum saya temukan di oil & gas facility.

Pengukuran berikutnya yang tidak kalah pentingnya dalam instrumentasi nuklir adalah pengukuran radiasi. Tipe radiasi digolongkan menjadi radiasi sinar alpha, betha, gamma, dan netron. Alat pengukuran yang digunakan antara lain Gas-Filled Detector dengan prinsip kerja memisahkan eletron dan positron partikle yang ter-ionisasi sehingga akan diketahui equivalensinya dengan pulsa listrik yang dihasilkan oleh rangkaian listrik yang dihubungkan ke Gas-Filled Detector tersebut. Kemudian ada Electroscope Ionization Chamber dengan prinsip kerja ketika gas dalam chamber mengalami ionisasi akibat adanya sinar radioaktif maka sensor yang disebut quartz fiber yang dicharge dengan voltage akan berubah menjadi zero charge. Karena sulit saya mengerti maka pengukuran radiasi dicukupkan dulu.

Konsep kontrol yang diterapkan di fasilitas nuklir sama dengan konsep kontrol proses di industri proses. Konsep-konsep tentang feedback control, PID, loop, input-output, controlled variable, manipulated variable, set-point, time legs, controller, dll adalah hal yang digunakan di fasilitas nuklir. Final element yg digunakan pada steam processing adalah actuated valve berupa on-off (solenoid) hydraulic-pneumatic, analog-control valve pneumatic, dan electric motor.

Nova Kurniawan

Instrument & Control Engineer, I am staying in Indonesia

Advertisements

Transfer Function; Either Ghost or Joke

I got an email from an apprentice student asking about how to control pressure in separator, the first question to me was whether he need to find transfer function and how to find it. On the other hand I remember an experience engineer told me in a discussion that he had already finished so many project but he did not need to know about transfer function and the project exactly running smoothly. Perhaps if this student come to see this experience engineer and asking about transfer function, the response will likely be a horrified stare followed by, “Are you kidding?, don’t make a joke in the real world boy”. “You are not in campus anymore, just forget it”. “You would never find such kind of transfer function in the real world”.

Ini adalah cerpen untuk kaum pemula saja. Terdapat gap yang nyata antara yang didapat seseorang ketika belajar tentang teori kontrol dengan yang mereka praktekan dalam dunia kerja process control. Ketika belajar pertama kali teori kontrol maka yang ada dibenak kita adalah “fungsi transfer” karena dua kata itu ibarat ‘hantu’-nya teori kontrol. Ketika sudah bekerja di dunia nyata, mungkin banyak yang berpendapat teori kontrol yang wajib pertama kali untuk dilupakan adalah “fungsi transfer” itu juga. Jadi sesuatu yang menghantui selama kuliah harus pertama kali dilupakan dan dijadikan bahan bercandaan saja ketika bekerja. ‘Gak kepake’ katanya.Mungkin seperti itu rumus umum ketidaknyambungan itu. Saya fikir harus ada yang bisa menyambungkan sehingga seorang praktisi harus mendorong seorang pelajar untuk mendalami hal itu, bukan sebaliknya.

Ketika membalas email apprentice student tersebut saya justeru balik bertanya apakah ibu-ibu ketika menyalakan kran air untuk mengisi bak mandi perlu tau fungsi transfer sistem itu dulu sebelum menghidupkan kran dan mengisi sampai ketinggian air yang diinginkan? Tidak perlu bukan?. Tetapi sebaliknya apakah yang lagi belajar teori kontrol tidak mampu untuk merumuskan fungsi transfer antara flowrate kran air dengan ketinggian level air di dalam bak mandi ibu-ibu tersebut? Sehingga bisa memodelkan sistem bak mandi tersebut & mengevaluasinya. Kedua-duanya membahas hal yang sama yaitu ketinggian air dalam bak mandi akibat kocoran air dari kran. Si ibu-ibu dengan menggunakan pendekatan praktisi tidak perlu tau tentang orde dari sistem itu, fungsi alihnya; it’s not a big deal, karena memang sistemnya sudah biasa. Lain halnya jika pelajar yang sudah dihantui terlebih dahulu dengan kata fungsi transfer dengan persamaan differensialnya maka dinamika sistem tersebut mungkin agak terasa berat. Ketika ditanya apakah sistem kran air bak mandi tersebut ada persamaan differensialnya? Mungkin ada orang yang cenderung akan menafikkan itu; mana ada itu. Tetapi kalo ditanya adakah perubahan ketinggian level airnya setiap menit? Kalau ada berapa? Hampir setiap orang akan bisa menjawab, misalnya naik 5 cm ketinggiannya setiap menit. Dengan jawaban itu, orang tersebut tanpa sengaja sudah bermain dengan persamaan differensial. Padahal persamaan differensial itu adalah ibarat ‘hantu’ anak sekolah tapi sistem biasa mainannya ibu-ibu rumah tangga di kamar mandi.

Nah, bagaimana cara menemukan fungsi transfer pada suatu system? (Ingat sekali lagi, ini tidak ditemukan pun gak apa-apa kalau memang nggak mau. Apakah bisa kerja di bagian control system kalau males dengan ‘hantu’ itu? Bisa aja, analogi ibu-ibu rumah tangga itu kan). Fungsi Transfer adalah hubungan input proses terhadap output proses yang dinamis. Kata dinamis disitu menunjukkan adanya perubahan terhadap waktu. Kata perubahan terhadap waktu menunjukkan bahwa kita akan bekerja dengan ‘hantu’ persamaan differensial. Ia menjadi bukan hantu ketika kita bayangkannya bahwa sistem kita cuman bak mandi doang yang sudah biasa. Ketinggiannya level H(t) dalam waktu t adalah fungsi dari flowrate F(t) dalam waktu itu. Ketika sudah memperoleh H(t)/F(t) maka itu adalah fungsi transfernya. Perubahan flowrate F(t) pasti akan mempengaruhi perubahan ketinggian H(t) dalam bak mandi. Oleh karenanya ibu-ibu melakukan perubahan flowrate kran untuk mengedjust kocoran air masuk ke dalam bak mandi. Ketika dipasang pressure transmitter pada H(t) level air, dipasang Control Valve pada kran air F(t) dan diaplikasikan PID, maka kita sudah memiliki satu close loop complete untuk analisis sistem. Kalau mau digunakan di matlab atau simulator lain maka H(t)/F(t)-nya mutlak diperlukan sebagai representasi dinamika alam. Kalau dikontrolnya langsung di field maka H(t)/F(t) tersebut adalah dinamika alam yang sudah begitu adanya, tidak perlu direpresentasikan lagi. Jadi fungsi transfer adalah representasi dinamika alam untuk analisis, pemodelan atau simulasi. Dalam kehidupan nyata fungsi transfer adalah perilaku alam itu sendiri.

Kembali ke sistem separator untuk mendapatkan fungsi transfer untuk pemodelan maka tidak semudah bak mandi. Contoh sebagai case saja; fungsi transfer yang ingin dikontrol adalah pressure di dalam separator dengan flowrate output yang akan disalurkan ke flare sistem. Kontrol pressure pada separator digunakan untuk memastikan bahwa pressure di dalam separator tidak melebihi set-point pressure. Jika pressure berlebih harus ada yang direlease untuk mengendalikan sistem agar tidak terjadi emergency. Sebenernya untuk memodelkan fungsi transfer hanya perlu dicari hubungan antara flowrate gas yang akan disalurkan ke flare system dengan pressure di dalam vessel. Kalau flowrate yang lain seperti Flow in 3 Phase, Flow Out Gas product, Flow Out Oil steady mungkin kita bisa konsentrasi ke hubungan flowrate gas ke flare system dengan pressure. Sehingga didapatkan fungsi transfer P(t)/F(t) artinya perubahan flowrate terhadap pressure dalam waktu t. Tetapi kalau semua variabel tsb saling berienteraksi bagaimana? Yach memang memodelkan perilaku alam itu tidak mudah ha..ha..ha. Itu sebagian ilmu Tuhan yang lumayan sulit. Pressure dan flowrate berdinamika sesuai ketentuan Tuhan. Lebih enak diambil saja fungsi transfer-nya dari handbook tentang separator yang di dapat dari penelitian yang menghubungan semua variable yang ingin dikontrol dengan variable yang bisa dimanipulasi dalam bentuk fungsi transfer.

Nova Kurniawan