aplikasi rancangan weight scale pengendali all ran

Proseding Seminar Pengembangan TeknologiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir. Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO: 1693 -3346

APLIKASI RANCANGAN WEIGHT SCALE PENGENDALI All RANMASSA BATU BARA PADA BELT CONVEYOR

Rony Djokorayono, Junus , A Rivai , Gunarwan, Indarzah

Abstrak

Telah dirancang Sistem pengukur berat (weight scale system) menggunakan teknik absorpsiradiasi gamma yang digunakan untuk mengendalikan aliran massa (mass flow) batubara yangmengalir pada ban berjalan (belt conveyor) pada unit Coal handling PLTU Suralaya. Ketelitian ukuryang dipersyaratkan adalah antara 0,5% sampai 0,1%. Absorpsi radiasi gamma ini akan diukuroleh detektor lonchamber atau scintilator.

Abstract

Control of the Coal mass flow on the belt conveyor at Coal Handling Unit PL TU Suralaya has beendesigned by using weight scale of gamma absorption technique where accuracy for themeasurement of weight scale system is 0,5% to 0,1%. The absorption gamma radiation will bemeasured by scintilation or ionchamber detector

1. PENDAHULUAN

Sistem pengendali aliran berat batubarapada ban berjalan (belt conveyor) padaunit Coal Handling PLTU Suralayaawalnya menggunakan metodatimbangan load cell tetapi hasilnyaselalu berbeda bila dibandingkandengan acuan standard dari surveyorsehingga pihak pembeli selalu dirugikan.Untuk menanggulangi ketidaktelitianpengukuran diperlukan sistem pengukuraliran berat batubara On line yang dapatreel time mengukur sekaligusmengendalikan aliran berat batubarayang mengalir pada belt conveyor.Kendala yang dihadapi di PLTUSuralaya yang menggunakan bahanbaku batubara dimana batu bara

2. PRINSIP PENGUKURAN

merupakan material korosive denganadanya kandungan sulfur sehinggamenggangu sistem mekanik timbanganyang digunakan terutama yangmenggunakan timbangan denganmetoda load eel/.

Metoda timbangan yang tepat untukpengukuran aliran batubara pada beltconveyor adalah menggunakantechnique absorpsi radiasi gamma,metoda ini sangat sederhana untukdigunakan, karena tidak perlu kontakdengan material batubara, yang diukuraliran massanya dan tidak terpengaruholeh sifat korosive dari material yangdiukur., disamping itu aman lingkungankarena memenuhi standard 50-C-QAIAEA Safety Series (Badan TenagaAtom Internasional)

SOURCE Cs137

10

~ I

Gambar 1. Prinsip pengukuran gamma weight scale

DETEKTOR

Halaman 1


ISSN NO: 1693.3346

Keterangan:

10 = Intensitas radiasi sebelummelalui material Coal

= Intensitas radiasi setelah

diabsorpsi material Coal danmaterial Belt

= llq Q dimana. Ilq adalah Jumlahphoton per disintegrasi

= aktivitas (Currie disingkat Ci)

10

Q

= 10G e -lJ.px

doVodimana (1)G=

Ado = luas efektive detektorVo = tebal efektive detektorA = Luas penampang beam

yang tembus ke detektor

Ln I = Lnlo + LnG - Jl P x (2)

SedangkanJl = Koefisien Absorpsi massaP = densitas material yang dilalui

sinar gammax = teballapisan material coal dan

beltG = Efektive Cross Section

Karena tebal belt dianggap tetap, makaintensitas radiasi yang diterima detektor( I ) hanya akan bergantung dariserapan material Coal sedangkan faktor

cross section tetap, koefisien absorpsimasa merupakan konstanta sehinggasecara integrasi elektronik nilaiintensitas radiasi yang diterima detektor(I) mempunyai satuan Kg/m2., biladiplot dalam bentuk grafik menjadi :

Ln I(Kg/m2 nl=Ln(loG e-.Px)

"<

x ( tebal material) Coal

Gambar 2. Hubungan linier antara In I vs X( tebal material Batubara )

Setelah diinvers (dikonversi) oleh sistemelektronik microprosessor (komputer)maka grafik menjadi :

Ln I(Kg/m2 /

X tebal material Coal

Gambar 3. Invers Hubungan linier antara In Ivs X (tebal material Batubara )

Halaman 2


ISSN NO : 1693 -3346

3. RANCANGAN BLOCK SISTEM DETEKSI WEIGHT SCALE

ON/OFFHANDLE

SOURCE

SPEEDTRANDUCER

..

1

MeterlSec

DETECTORPREAMP

Detector Signal kg/m2 REMOTECONVERTERCOMPUTER

PROSES

Weight Scale

Rate Signal

Speed Signal

Remote Totalizer

Gambar 4. Rancangan sistem deteksi weight scale

Keterangan :

.Weight Scale Output dengan satuan kg/m2Rate Signal Output dengan satuan kg/pulse atau kg/minute atau Ton/hourSpeed Signal Output dengan satuan m/secTotalizer dengan satuan kg atau Ton

.

.

Halaman 3


ISSN NO: 1693 -3346

4. PERTIMBANGAN RANCANGAN SISTEM WEIGHT SCALE AKIBAT PENGARUHDENSITAS MATERIAL YANG TIDAK HOMOGEN DAN PENGARUH MATERIALLAIN SELAIN BATUBARA SERTA KEMUDAHAN INTALASI-KALIBRASI

4.1. Gambaran Proses di lokasi Unit Coal Handling PLTU Suralaya.

DETEKTORSELEBAR BELTCONVEYOR

SOURCE

/ Cs137

BATU BARA PADABELT CONVEYOR

LEBAR BELT (M)

LOADINGLOADING

CAPACITY

VELOCITYM/HOURS

WAKTUHOURS

Gambar 5. lIustrasi Proses belt batubara Unit Coal handling

Nulear Weighing System seperti padagambar 5. pengoprasiannya sarnadengan nuclear density sistem, dalamhal ini penyebaran radiasi tegak lurusdengan belt conveyor, Material mengalirdiantara Sumber dan detektor, Radiasiproporsional terbalik dengan beratmaterial/unit luas conveyor. Beratmaterial/satuan luas dikalikan dengankecepatan belt akan menghasilkan

Kecepatan massa aliran dan jikadiintegrasikan dengan waktu akanmenghasilkan total Flow material.

Dengan menggunakan metoda radiasigamma transmisi, realisasinya sumberradioaktiv dipasang diatas belt dandetektor dibawah belt conveyormaka material Coal yang

Halaman 4


ISSN NO: 1693 -3346

berada diantaranya akan dapat diukurMassa per satuan luasnya (Kg/m2), biladimasukan variabel lebar belt (Iebarbeam radiasi yang mengenai materialCoal) akan dapat ditentukan nilai Kg/m ,bila dimasukan varia bel speed ( m/h )akan didapat nilai kg/h Oumlah massayang melewati sistem detektor persatuan waktu) dan jika diintegrasidengan satuan waktu (Iamanya Coalyang melewati sistem detektor) makadapat ditentukan nilai massanya (kgatau Ton)

4.2 Instalasi dan Kalibrasi

Nuclear weighing Scale didesain secarakhusus agar mudah pada pemasangandisetiap conveyor, mudah disisipkanpada belt conveyor tanpa diperlukanmodifikasi sistem belt conveyor.Kalibrasi disusun dengan mudahmenggunakan sistem elektronik yangmenghasilkan nilai Zero pada saat beltconveyor kosong dan setting span padasaat belt conveyor penuh berisi material.

4.3 Sebagai pembanding dengansistem load cell, batasanbatasan yang perlu diperhatikandalam aplikasi di PLTU batubara

a. KetelitianKetelitian ukur :t: 0,1% daripenimbangan penuh dimanakecepatan conveyor dan Loadinggeometri conveyor dapat diulangdan diisi antara 60 % sampai 80 %dari full scale selama minimum 30menit.

b. LoadingBelt loading dihitung sesuai denganperasamaan berikut :

MaksimumKeluaran(Ibs/menit)

Belt loading (lbsIft2)-Kecepatan Belt(feetlmenit) xlebar belt (feet)

c. Partikel Size tidak memberi efekyang renting, tetapi ukurannyaharus kurang dari14 % dari lebar belt dan bila lebihbesar akan mengakibatkan fluktuasidensitas yang tinggi.

d. Ketelitian Kecepatan Conveyorfluktuasi kecepatan conveyortidak lebih besar dari :t:0,25 % ,untuk menjaga ketelitian bacaan

e. Variasi Density/MoistureVariasi density/Moisture materialCoal harus terjaga tidak lebih besardari 10 %, untuk menjaga ketelitianukur.

4.4 Nuclear Weight Scalememungkinkan dapatdigunakan untuk mendeteksiadanya batu didalam tumpukanbatu bara

Mengingat densitas Coal berkisar antara1,3 kg/dm3 - 1,8 kg/dm3, densitasBatu berkisar antara 2,1 kg/dm3 - 2,6kg/dm3.Maka sistem nuklear Weight Scaledapat digunakan untuk menditeksikemungkinan adanya batu padatumpukan Coal (batubara), hal ini perluditetapkan standard rata rata pada saatCoal tanpa batu dan pada saat Coaldengan batu sehingga akanmemudahkan dalam menentukan nilaiSetting keberadaan batu yang dapatdigunakan untuk memberhentikan beltconveyor atau instrument control yanglain, Perlu diperhatikan levelpermukaan Coal pada belt Conveyorharus tetap terjaga (fluktuasi maksimum10%)

Ha/aman 5

Proseding Seminar Pengembangan TeknologiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir, Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO : 1693 -3346

I

( kg/m2)

Profil Rata Rata BatuBara Tanpa Batu

Profil Rata Rata Batu BaraTercampur Batu

Gambarbatubara

4.5. Pengaruh densitas material pada belt conveyorterhadap profil tampilanmonitor komputer

Profil densitas batu menghasilkan profil rata rata densitas diatas profil densitas batubara ,grafik profilnya dapat dilihat pad a gambar berikut

I (Kg/m2)p (Kg/dm3)

2,1

WAKTU (DETIK)

Gambar 7. Tampilan Profil pengaruh densitas material

Pengaruh adanya batu pada tumpukan batubara pada belt conveyor terhadap tampilanprofil pad a monitor komputer dapat dilihat pada gambar berikut :

I (Kg/m2) BATUKECIL

PROFILCOAL

BATU BESARKECIL BANYAK

WAKTU (DETIK)

Gambar 8. Tampilan profil pengaruh adanya batu pad a tumpukan Batubara pad a beltconveyor

Halaman 6


ISSN NO: 1693 -3346

4.6.Pengaruh kecepatan belt conveyor dan sensitivitas detektor pada tampilanprofil

Pengaruh kecepatan belt conveyor terhadap tampilan profil pada monitor komputer,makin besar kecepatan belt maka makin runcing profil tampilan seperti pada gambarberikut :

I (Kg/m2)

W AKTU (DETIK)

Gambar 9. Profil tampilan akibat pengaruh dari kecepatan belt

Pengaruh ketelitian detektor terhadap tampilan profil monitor komputer, makin tinggisensitivitas dan keteitian detektor maka makin presisi profil yang muncul pada monitorkomputer seperti pada gambar berikut :

I ( Kg/m2)

KETELITIAN

DETEKTOR L\p

KETELITIAN

DETEKTOR 2 x L\p

WAKTU (DETIK)

Gambar 10. Profil tampilan akibat pengaruh dari ketelitian detektor

Halaman 7


ISSN NO: 1693 -3346

5. RANCANGAN BLOK SISTEMREMOTE CONVERTER COMPUTER PROSESBloksistem remote converter computer proses tersusun dari modul data akusisi,

modul aktuator, tampilan digital, dan computer proses matematik adapun diagramnyadapat dilihat sebagai berikut:

8888

8888

8888

WEIGH

SPEE

MODU:L DATAAKUSISI

LEDDISPLAY

Gambar 11. BlokSistem Peaendali COMPUTER

PROSES

5.1.Rancangan spesifikasi komputer proses.. Industrial Computer dengan kelengkapan Com1, Com2, Paralel LPT1, HardDisk 20GB. Option SVGA Monitor, Floppy disk, Keyboard. Power 220VAC, 300 Watt. Processor mionimal Pentium I. Operating Sistem DOS Window 95. Software Tools Borland C, C++ dan C++ Builder

5.2. Rancangan spesifikasi modul data akusisi. CPU generasi MCS-51 EuroCard Standard. Input 31 Kanal Analog standard signal 0-10 Volt. Paralell/O kapasitas 16 Bit. Serial 1/0 standard komunikasi RS232. Power 220V AC, 50 Watt, 50 Hz. Auto Reset Power ON. Plug input conector 6 pin Signal Analog standard. Tombol Reset dan indikator Komunikasi

5.3.Rancanganspesifikasi modul aktuator. CPU generasi MCS-51 EuroCard Standard. Ouput Analog 4 kanal standard 0-1 OV. Paralei 1/0 kapasitas 3x16Bit. Serial 1/0 standard komunikasi RS232. Auto Reset Power ON. Power 220V AC, 50 Watt, 50 Hz. Plug output conector 6 pin Signal Analog standard. Tombol Reset dan indikator Komunikasi

Halaman 8


ISSN NO: 1693 -3346

6. RANCANGAN BLOK SISTEM PENGENDALI ALiRAN MASSA BATUBARA PADABELT CONVEYOR di PLTU BATUBARA

SOURCECs137

RemoteConverterComputerProses

SENSOR SPEED

MONITORPROSES

DC Motor penggerak belt

ProporsionalIntegral Controller

DC Drive Motor

Gambar 12. Rancangan hick sistem Pengendali Mass Flowbatu tara Pada belt conveyor

7. ANALISA RANCANGAN

Berdasarkan kriteria pada rancanganweight scale system meliputi batasanketelitian ukur antara 0,5% sampai0,1%, batasan maksimum partikel size14% dari lebar belt, batasan fluktuasikecepatan belt tidak lebih besar dari0,25%, batasan variasi density/moisturemeterial coal maksimum 10% danbatasan kemampuan untuk dapatdigunakan mendeteksi batu padatumpukan batubara yang mempunyaiperbedaan densitas yang mencolok.Maka dalam merancang sistem weightscale diperlukan beberapa kriteriakomponen yang sesuai diantarnyameliputi pemilihan jenis source yangdigunakan, aktivitas source yang akandipakai sehingga cukup untuk penetrasipaparan radiasi gamma sampai padadetektor yang sensitip terhadapperubahan densitas material yangdiukur, geometri pancaran radiasigamma yang terditeksi sepanjangdetektor.Sebagai referensi dari produksiBerthold, memberikan gambaran bahwa

ada tiga pilihan jenis source yangdigunakan untuk pengunaan deteksiweight scale, bergantung dengan jenismaterial yang diukur,

Penggunaan CoGO untukmenditeksi material yang mempunyaibasis weight antara 5 sampai 50gram/cm2 (high basis weight)

b. Penggunaan Cs137 untuk mendeteksimaterial yang mempunyai basis weightantara 3 sampai 20 gram/cm2 middlebasis weight)

Penggunaan Am 241 untukmendeteksi material yang mempunyaibasis weight antara 1 sampai 5gram/cm2 (low basis weight) dan 0,5sampai 1 gram/cm untuk critical basisweight.

a.

c.

Air mempunyai nilai basis weight 1.0gr/cm2, dengan densitas 1.0 kg/dm3,sedangkan batu barB mempunyaidensitas sekitar 2,0 kg/dm3, basisweight sekitar 2,0 gr/cm2 dan batumempunyai densitas sekitar 2,1 sampai3,0 kg/dm3 serta basis weight 2,1gr/cm2 sampai 3,0 br/cm2.Sehingga untuk mengukur weight scalebatubara dan sekaligus dapat digunakanuntuk mendeteksi batu dipilih source

Halaman 9

Proseding Seminar Pengembangan TeknoJogiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir, Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO: 1693 - 3346

Cs137 dengan energi sekitar 0,6 Kevcukup sensitip terhadap fluktuasi

konsentrasi material batubara pada beltconveyor.

Batasan geometri di lokasi pengukuran ada dua jenis sistem belt conveyor diantaranya:a. Belt conveyor di dermaga II. PLTU suralaya :

\ J 50 em

SPEK TEKNIS :Panjang belt: 665,874 mSpeed: 3,078 em/detikMaterialloding : batu bara bebasMaterial belt: sintetik ruber

Tebal1.0 em186 em

b. Belt conveyor di dermaga I. PLTU suralaya :

\ J 37 em

SPEK TEKNISPanjang belt: 546,755 mSpeed : 4,056 m/detikMaterial loading : batu bara bukit

Asam: sentetik ruber

Tebal1 ,0 em

122 em Material belt

7.1. Perhitungan aktivitas source jika menggunakan Cs137

Geometri Sistem deteksi digambarkan dengan ukuran sebagai berikut

SOURCE

100 em = 40 inehi

15em=6inehi

DETEKTOR

Ditentukan : Jarak Source ke detektor = 100 emTinggi tumpukan batubara pada belt conveyor sekitar = 15 cmPaparan radiasi pada detektor pada saat beban penuh adalah 2 flSV sampaiSource yang sesuai dengan batubara jenis Cs137 energi sekitar 600 kevSensitivitasdetektor 0,1 flSV sampai O,5flSVPada saat bebanminimaldetektormenerimapaparan radiasisekitar400 flSV(40 mR/h)

20 flSV

K * mCiDose rate = * 1000 mR/h (3)

( d ) 2

Ha/aman 10


ISSN NO : 1693 - 3346

dimana

K = 0,023 untuk Am241, K= 0,5 untuk Cs137 dan K= 2,0 untuk Co60Jarak source ke detektor d = 40 inchi (100 cm)

0 (d )2Aktivitas Source yang diperlukan = mCi (4)

K * 1000

40 mR/h (40 inchi ) 2=

Aktivitas Source yang diperlukan minimal 128 mCi

0,5*1000

Oiketahui bahwa dengan aktivitas Source 128 mCi maka paparan radiasi yang diterimadetektor pada saat beban penuh ( level batubara pada belt conveyor 15 cm )dihitungdengan menggunakan persamaan :Paparan pada detektor = (Souce holder reduction) x (Narrow Beam Reduction) x (BroadBeam Reduction)Oimana .

Narrow Beam Reduction = e -~ p t (Efek dari kolimator Source) (5)Broad Beam Reduction = e -~ p t ( 1 + e -~ p t ) (6)

Il = Absorption Coeficien (untuk Cs137 = 0,2)p = density material batubara sekitar 2.0 SpG (Specifik grafity)t = tebal material batubara 15 cm ( 6 inchi ), Source holder reduction 0,8

Paparan pada detektor = 40 mR/h x 0,8 e - (0,2)(2)(6) [e - (0,2)(2)(6)(1 + e - (0,2)(2)(6) ]

= 0,45 mR/h = 4,5 IlSV

Atas dasar spesifikasi teknis geometribelt conveyor dan prediksi bahwapaparan radiasi yang diterima detektorsetelah melalui tumpukan batu barasetebal 15 cm (6 inchi) antara 2 IlSvsampai 20 IlSV dengan sensitivitaspengukuran0,1 IlSV dapat dipilih untukkonstruksi menggunakan detektorScintilator dan aktivitas source minimal128 mci .Bila sensitivitas pengukuranditurunkan menjadi 1,0 ~tSVdapat dipilihjenis detektor lonchamber.

8. KESIMPULAN

9. DAFTAR PUSTAKA

Oari hasil asumsi asumsi dan analisarancangan pada sistem weight scalepengendali aliran massa batu bara padabelt conveyor yang akan aplikasikan diindustri PLTU batubara khususnyaPLTU Suralaya dapat disimpulkanbahwa untuk menghasilkan nilaiketelitian pengukuran antara 0,1 %sampai 0,5 % diperlukan detektor jenisionchamber atau scintilator denganmenggunakan sumber radioaktivegamma Cs137 dengan aktivitas 128mCi.

[1] "Gamma Ray Programmable point level", Ronan Engineering Company, Florence,Kentucky 41042.

[2)"Radioisotope instruments in industry ang geophysics", International Atomic Energyagency.

[3)"Berthold radiation Measuring Instruments for industry, Gmbh & Co KG, 0-7547 BadWildbad.

Ha/aman 11

aplikasi rancangan weight scale pengendali all ran

Documents