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

8 Responses

  1. salam kenal mas Nova,
    saya punya masalah dengan pengukuran flow di tempat bekerja, flow meter terdapat 5 buah, 4 dengan metode oriffice plate dan 2 buah dengan metode pitot tube, kesemuanya diukur dengan Dp transmitter, metode oriffice digunakan mengukur flow steam dan pitot mengukur flow air, dari awal dibangun dan operasi, alat ini menurut saya tidak pernah bekerja dengan baik karena sering over range padahal operasi proses belum maksimum, tolong dong penjelasannya tentang:
    1. bagaimanakah cara saya mengkalibrasi alat ini, saya tidak punya data kalibrasinya, karena sejak awal sudah bermasalah
    2. parameter apa saja yang saya butuhkan untuk kalibrasi alat ini, seperti pressure, diameter pipa, dan lain-lain dan bagaimana rumusnya, sehingga saya bisa mengkalibrasi DP to mA Transmitter yang sesuai
    terimaksih banyak atas bantuannya

  2. Mas Erwin,

    1. Tidak ada kalibrasi untuk orifice plate, selama bore-nya tidak berubah maka dia akan menjalankan fungsinya sesuai dgn design untuk range flowrate tertentu, dia akan mencekik fluida yang menyebabkan perubahan velocity dan pressure sesuai dengan bernoulli equation. Orifice akan berperilaku seperti itu selamanya jika pipe-nya, bore diameter orificenya masih sama. Yang mungkin error adalah alat pengukurnya yaitu DP transmitternya. Jadi orificenya diukur lagi aja pake jangka sorong, apa sudah ada yang berubah. Ada syarat-syarat tertentu suatu orifice masih dapat menjalankan tugasnya dengan baik. Sepertinya AGA menjelaskan. Pitot tube? sy cr referensi dulu…

    2. Jadi kalibrasi hanya dilakukan pada DP transmitter. Cukup dengan menginject pressure ke transmitter sebagai simulasi perubahan pressure krn orifice (range InH2O). Check coresponding mA-nya.

  3. terimakasih atas jawabannya mas, masalah saya sebenarnya adalah dalam mengkalibrasi DP Transmitternya, karena sejak awal pengukurannya sudah bermasalah, flow yang terukur tidak sesuai dengan aktualnya, jadi saya ingin melakukan kalibrasi terhadap DP Transmitternya, tapi kan tentunya tidak bisa dikalibrasi begitu saja, karena yang saya punya cuma tekanan dalam pipa dan diameter pipa, yang saya perlukan tentunya range DP yang dihasilkan Orifice atau Pitot disisi Low dan High nya agar saya bisa mengkalibrasi Transmitternya, jadi pertanyaan saya mas itu, bagaimana cara mengetahui range DP yang benar, yang dihasilkan oleh orifice atau pitotnya ? dan bagaimana cara mengetahui range flow yang mengalir dalam sebuah pipa ?
    terimakasih banyak ya mas…

  4. Mas Erwin,

    Orifice selalu punya data flow maximum at full scale dan koresponding differensial pressure at full scale (normalnya dalam InH2O atau Inch Water Column). Kalibrasi DP transmitter dari 0 InH20 ke Maximum DP at Full Scale InH2O data tersebut. Kalibrasi dengan cara menginjek pressure ke transmitter (lepas saja tapping point Lo-Hi nya dan simulasikan dengan pressure kalibrator) dan cocokkan display and mA-nya. Yang diukur transmitter adalah DP-nya saja. Flowrate sebanding dengan akar dari DP. Flowrate sama dengan Akar DP dikali K (konstanta yang bisa disetting di kontroller, faktor dari specific gravity, diameter pipa, diameter orifice). Ketika transmitter sudah membaca DP secara benar sesuai dengan pressure kalibrator dan konstanta dimasukkan dengan benar tidak ada alasan flowratenya akan salah lagi.

    Kalau data orifice-nya sudah tidak diketahui karena data sheetnya sudah hilang, ini yang agak repot, ngitung-ngitung lagi. Setidaknya data diameter pipe bisa diukur, lubang orifice bisa diukur, artinya Betha rasio diketahui. Cari data prosesnya di line tersebut, berapa maksimum flownya dr proses. Masukin ke persamaan Bernoulli (sebaiknya pake software kalkulasi yang sudah refer ke AGA) untuk dapet maksimum DP. Cocokkan maksimum DP yang didapat perhitungan dengan range DP dari transmitter dan pastikan flowrate mencover maksimum flowrate dr data proses.

    Seperti mencari range untuk pressure transmitter yang tidak diketahui berapa max pressure di dalam pipanya? Satu-satunya cara adalah mencari data operating pressure dan maksimum pressure dari proses. Kemudian range kita tentukan sendiri asalkan operating dan maksimumnya masuk di range pengukuran pressure transmitter. Kalibrasilah berdasarkan range yang kita tentukan sendiri berdasarkan data proses. Jadi data proses harus diketahui.

    Just my opinion.

  5. malam..
    pak mau tanya , kalo cara kalibrasi transmitter force balance displacer gimana ya ?
    maaf , sy lagi belajar .🙂

    terima kasih

  6. ya pak , tuk mengukur ketinggian level air condensate , kira2 cara kalibrasinya gmn ya ? thanks..

    • Pasang communicator untuk mengedjust transmitternya. Gerakkan displacer-nya dari ZERO – FULL SPAN. Hati-hati displacer itu dibuat berdasarkan pertimbangan SG fluida service. Kalau anda kalibrasi menggunakan air murni dengan SG=1 padahal fluida service condensate maka harus anda lakukan konversi. Tetapi kalau anda kalibrasi tidak dengan fluida, misalkan anda dorong displacernya pake kayu (kalau boleh), maka pertimbangan specific gravity menjadi tidak perlu lagi. Yang penting displacer bisa tepat di ZERO anda lakukan zero trim, kemudian displacer di FULL SPAN anda set 100%. Kemudian setting linearity. Gimana cara-cara pencet-pencet tombolnya? Anda baca manual dulu ya. Karena untuk operasikan i-phone-aja kita harus baca manual. Dan saya tidak pernah operasikan i-phone, kalau BB dikit bisa krn pernah dapat pinjaman.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: