Perancangan Sistem Kontrol Laju Aliran Bahan Bakar Serta Rasio Pembakaran Berdasarkan Nilai Steam Quality Pada Steam Generator

Transkripsi

1 1 Perancangan Sistem Kontrol Laju Aliran Bahan Bakar Serta Rasio Pembakaran Berdasarkan Nilai Steam Quality Pada Steam Generator Andi Saehul Rizal, Dr.Bambang Lelono W., itri Adi Iskandarianto Jurusan Teknik isika, akultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Abstrak Pada dunia industri steam generator merupakan kompone penghasil uap. ap yang dihasilkan oleh steam generator berguna untuk proses pengolahan minyak. Salah satu aspek yang terpenting dari uap yang dihasilkan adalah steam quality atau kualitas uap. Salah satu faktor yang sangat mempengaruhi pada proses untuk menghasilkan kualitas uap yang diinginkan adalah laju aliran bahan bakar dan pembakaran sempurna pada proses pembakaran. ntuk itulah pada tugas akhir ini dirancang sebuah pengendalian laju aliran bahan bakar dan rasio antara udara dan bahan bakar pada system pembakaran berdasarkan dari nilai steam quality yang diinginkan. Dari hasil simulasi pada nilai steam quality sebesar 70% didapatkan nilai terbaik untuk parameter Kp=35, Ti=0.999, dan Td=0.5 pada pengendalian laju aliran bahan bakar. Sedangkan pada pengendalian laju aliran udara dengan nilai Kp=0.8, Ti=1.25, dan Td=0.75. Pada pengendalian laju aliran bahan bakar didapatkan nilai Rise Time (Tr) = 12 detik, settling time (Ts)= 12 detik, delay time (Td)= 5 detik, Peak time (Tp) = 15 detik, maksimum ovhershoot (Mp) =0.56 % dan error steady state (Ess) 0%. Sedangkan pada pengendalian laju aliran udara didapatkan nilai Rise Time (Tr) = 17 detik settling time (Ts) = 17 detik delay time (Td) = 6.5 detik, maksimum ovhershoot (Mp) = 0 % dan error steady state (Ess) = 0%. ideal dengan cara mengatur rasio dari udara dan bahan bakar. Oleh karena itu pada tugas akhir ini dilakukan penelitian untuk mengembangkan dan merancang sistem kontrol untuk set-point Air to-uel Ratio (AR). Pengendalian jumlah rasio udara dan bahan bakar berdasarkan nilai entalpi yang diketahui dimana nilai tersebut didapatkan dari diagram mollier berdasarkan prosentase kualitas steam yang dijadikan sebagai set point yang diinginkan. A. Tahap Telaah II..METODOLOGI PENELITIAN Tahapan dalam pengerjaan tugas akhir ini dapat dilihat pada diagram alir gambar 1. Kata Kunci Steam quality, Steam generator, Kontrol laju aliran bahan bakar D I..PENDAHLAN ALAM dunia industri terutama pada perusahaan minyak dan gas, pembakaran yang dilakukan untuk menghasilkan uap yang keluar dari steam generator berguna untuk proses pengolahan minyak. Agar menghasilkan uap yang maksimal, maka diperlukan perbakaran yang sempurna dan jumlah bahan bakar yang sesuai untuk menghasilkan kualitas uap panas yang dibutuhkan. Pada proses pembakaran, perbandingan antara udara dan bahan bakar sangat berperan penting. ntuk itu perlu adanya sebuah kontrol yang mampu mengontrol perbandingan jumlah antara bahan bakar dan udara yang diperlukan. Pada steam generator yang ada pada PT. Chevron Pacific Duri-Riau Indonesia pengaturan besarnya rasio antara udara dan bahan bakar masih menggunakan sistem manual sehingga pada kenyataannya hasil produk steam dari steam generator tidak sesuai dengan yang diinginkan. ntuk itu dibutuhkan sistem kontrol yang mampu menghasilkan kualitas steam yang Gambar 1 menunjukkan grafik perbandingan penurunan

2 2 Tahapan pengerjaan tugas akhir ini dengan cara membuat pemodelan pada tiap pengendalian yang terdiri dari pengendalian laju aliran bahan bakar, udara dan kebutuhan bahan bakar. Setelah menguji tiap penegndalian kemudian dilakukan uji keseluruhan dari plant dengan cara memasukan nilai steam quality yang diinginkan. setelah melakukan pengujian kemudian dialkukan tahap analisa dari pengujian sistem. B. Pemodelan Kontrol Rasio Pembakaran Pada perancangan pengendalian antara bahan bakar dan udara serta kebutuhan udara yang dibutuhkan secara umum digambarkan pada blok diagram pada gambar 2. Pada perancangan ini hasil yang diinginkan adalah nilai dari besar steam quality. Dengan memasukan nilai steam quality maka akan diketahui nilai entalpi yang dibutuhkan.. Nilai dari kebutuhan bahan bakar dan udara dijadikan sebagai set point untuk tiap laju aliran pada laju aliran bahan bakar dan udara. Gambar 2 Blok diagram pengendalian rasio pembakaran Perhitungan Nilai Entalpi ntuk Menghasilkan X% Steam Quality Nilai entalpi merupakan besar energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan x% dari hasil keluaran proses pada steam generator. ntuk mengetahui nilai entalpi yang dibutuhkan untuk menghasilkan x% steam quality dapat digunakan diagram mollier hubungan P (tekanan) dan h (entalpi). Dari diagram mollier maka didapatkan persamaan hubungan antara steam quality dan entalpi yang dibutuhkan sebagai berikut[2]: h h x. h o f fg (1) dimana : h o = entalpi pada x% kualitas steam (kj/kg) h f = entalpi pada saat saturasi liquid (kj/kg) h fg = entalpi pada saat saturasi vapor = (h g -h f ) = entalpi evaporasi (kj/kg) Pada simulink yang terdapat pada matlab persamaan ini dapat dimodelkan dengan model sebagai berikut Pemodelan Kebutuhan Bahan Bakar ntuk Menghasilkan X% Steam Quality Dasar yang digunakan untuk menentukan berapa kebutuhan bahan bakar yang dibutuhkan menggunakan persamaan kesetimbangan energi yang terjadi pada steam generator. Secara umum hukum kesetimbangan energi adalah sebagai berikut [6]: E st Ein E g E out (2) Dengan mengasumsikan tidak ada loss pada perpindahan kalor dalam artian kalor terserap penuh dan pada steam generator tidak ada energi yang dibangkitkan. Kesetimbangan massa dan energi pada kondisi steady steate tunak volume atur steam generator sebagai berikut[6]: vin v 0 out 0 QC W boiler m hin hout g zin zout 2 (3) Dengan merupakan masukan yang terdapat pada pembakaran yang dihasilkan oleh bahan bakar. yang dihasilkan bahan bakar didapat dari persamaan.. Qcv muap ( h out h in ) (4) Qbahanbakar mbahanbakar LHVbahan bakar (5) Dari persamaan di atas maka:. Q bahanbakar mb LHV Sehingga dengan mensubtitusikan persamaan 4 dan 5 didapat persamaan. mb LHV muap ( h out h in ). muap ( h out h in ) mb LHV Dimana LHV = nilai kalor pembakaran = (kj/kg) m b m uap h in h out = laju aliran bahan bakar (kg/s) = laju aliran uap (kg/s) = entalpi saat masuk steam generator (kj/kg) = entalpi pada saat keluar steam generator (kj/kg) C. Pemodelan Pengendalian Laju Aliran Bahan Bakar Laju aliran bahan bakar menggunakan pengendalian mode Proportional-Integral-Derivati (PID). ntuk mensimulasikan pengendalian laju aliran bahan bakar terlebih dahulu memodelkan tiap komponen pada system pengendalian seperti transmitter dan control valve. (6) (7)

3 Pemodelan low Transmitter (T 1734) Pemodelan flow transmitter dapat didekati dengan persamaan orde 1. Persamaan matematis dari flow transmitter dengan tag number (T 1734) sebagai berikut[1]: rpm s s 0.57 s 1 3 (15) oy ox K s 1 Berdasarkan persamaan di atas maka fungsi alih dari transmitter adalah sebagai berikut: oy 6.4 ox 0.57s 1 Pemodelan Control Valve (ZT 1343) Laju aliran bahan bakar pada steam generator melewati control valve. Persamaan pada control valve ZT 1343 dan fungsi alihnya adalah sebagai berikut[1]: mb mb s K tot s 1 v s s s s 1 D. Pemodelan Pengendalian Laju Aliran dara (8) (9) (10) (11) Pengendalian laju aliran bahan bakar dikendalikan oleh Variable Speed Driver (VSD). Pada pengendalian ini pada dasrnya mengendaliakn RPM dari fan pada steam generator untuk memenuhi kebutuhan udara pada system pembakaran. Speed Transmitter 1324 Speed transmitter merupakan instrument yang digunakan untuk mengukur RPM dari fan. Persamaan yang digunakan pada instrument ini adalah sebagai berikut [5]: N oy K N N ox N s 1 (12) N oy N ox 0.57s 1 (13) Variable Speed Driver 1324 Variable Speed Driver (VSD) merupakan instrument yang mengatur RPM dari fan. Persamaan dan fungsi alih dari instrument ini adalah sebagai berikut: rpm s K s s 1 b (14) III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pengujian Pemodelan Persamaan Matematis Steam Quality Pengujian Hubungan Steam Quality, Nilai Entalpi dan Laju Aliran Bahan Bakar ntuk menguji hasil dari pemodelan pada simulink dengan cara memasukan nilai steam quality dari %. Kemudian hasil entalpi yang didapatkan dari simulink dimasukan dalam hubungan antara steam quality dan entalpi. Pada tabel 1 terdapat hubungan antara nilai steam quality dan entalpi serta laju aliran bahan bakar yang dibutuhkan. Tabel 1 Hubungan antara steam quality, entalpi, dan laju aliran bahan bakar yang dibutuhkan Steam quality (%) ho (enthalpi) kj/kg m bahan bakar (perhitungan) kg/s Pada tabel 1 merupakan tabel hubungan antara steam quality, entalpi dan laju aliran bahan bakar. Nilai ini didapat sesuai dari persamaan pada bagian metodologi penelitian. Nilai laju aliran bahan bakar inilah yang digunakan sebagai set point dari pengendalian laju aliran bahan bakar. Sedangkan grafik dari hubungan steam quality dan laju aliran bahan bakar yang dibutuhkan ditunjukan pada gambar Perbandingan Laju Aliran Bahan Bakar Plant dengan Perhitungan ntuk menguji hubungan dari laju aliran bahan bakar dan nilai dari steam quality adalah dengan membandingkan nilai dari bahan bakar hasil perhitungan dan data yang terdapat pada lapangan. Perbandingan dari laju aliran bahan bakar

4 4 perhitungan dan lapangan dapat dilihat pada tabel 2 dan grafik perbandingannya pada gambar Tabel 2 Perbandingan nilai steam quality dan laju aliran bahan bakar perhitungan dan data lapangan Steam Quality (%) Laju aliran bahan bakar perhitungan (m3/s) Laju aliran bahan bakar plant (m3/s) didapatkan nilai untuk settling time (Ts) sebesar 9 detik, rise time (Tr) 9 detik, Td 2 detik, maksimum overshoot (Mp) 0% dan Error steady steat (Ess) 0%. Nilai dari rise time dan settling time sama karena pada saat pertama kali mencapai set point sistem langsung stabil. Pada pengujian ini menunjukkan bahwa perubahan set point mampu diikuti oleh process variable. Respon dari tracking set point naik 40 % terdapat pada gambar Gambar 11. Grafik respon pengendalian laju aliran bahan bakar dengan tracking set point naik 40% C. Pengujian Pengendalian Laju Aliran dara Pengujian Tracking Set Point Naik 10% Pada pengujian ini dilakukan pengujian perubahan setpoint sebesar 10 % dari setpoint awal.. Setpoint awal yang diberikan sebesar m 3 /s. Kemudian pada titik 50 detik ditambahkan nilai setpoint sebesar 10 % dari setpoint awal sehingga total setpoint pada titik ke 50 detik sebesar 2.22 m 3 /s. Gambar 10. Grafik perbandingan laju aliran bahan bakar perhitungan dan data lapangan Pada tabel 2 dan gambar 10 merupakan hubungan dari laju aliran bahan bakar perhitungan dan lapangan pada saat nilai steam quality tertentu. Dari data-data tersebut terlihat bahwa laju aliran bahan bakar mempengaruhi perubahan dari steam quality. Hubungan dari steam quality dan bahan bakar sebanding. Namun terdapat perbedaan selisih antara laju aliran bahan bakar dari perhitungan dan data lapangan. Hal ini dikarenakan untuk hasil perhitungan di ambil pada kondisi ideal dan asumsi kalor terserap penuh pada sistem dalam artian tidak ada loss heat pada steam generator. B. Pengujian Pengendalian Laju Aliran Bahab Bakar Pengujian penegndalian laju aliran bahan bakar dengan cara tracking set point. Set point awal dari pengujian ini sebesar m 3 /s. Kemudian merubah besar set point dengan dua cara yaitu naik 40% dari set point awal. Pengujian Tracking Set Point Naik 40% Pada pengujian tracking set point ini menaikan set point sebesar 40% dari set point awal. Pada perubahan set point Gambar 12. Grafik respon pengendalian laju aliran udara dengan tracking set point naik 10% Dari grafik dapat diketahui bahwa waktu yang dibutuhkan untuk mencapai setpoint yang pertama (Tr) yaitu sebesar 6.5 detik dengan maksimum overshoot % dan settling time (Ts) 6.5 detik. Pada waktu 50 detik setpoint naik 10 % dari setpoint awal. Waktu yang diperlukan untuk mencapai setpoint yang kedua dari waktu 50 detik atau rise time (Tr) yang kedua sebesar 18 detik tepat pada waktu 68 detik dari setpoint awal. Settling time (Ts) pada setpoint yang kedua dari gambar dapat diketahui sekitar 18 detik dari setpoint yang kedua. D. Pengujian Integrasi Seluruh Plant Pengujian integrasi seluruh merupakan pengujian dengan cara menggabungkan seluruh model pada simulink menjadi satu kesatuan. Pemodelan pada simulink ditunjukkan pada gambar 13

5 5 Gambar 15. Grafik respon laju aliran udara pada perubahan steam quality 70%-80% Gambar 13. Pemodelan integrasi seluruh plant pada simulink Pengujian Perubahan Steam Quality Dari 70%-80% Pada pengujian ini dengan cara memberikan nilai steam quality sebesar 70% dan memberikan perubahan kenaikan menjadi 80%. Pada pengujian 70% didapatkan nilai setpoint laju aliran bahan bakar sebesar m 3 /s. Pengujian Gangguan Dengan Dengan ji Beban Noise Pada pengujian ini merupakan pengujian gangguan terhadap perubahan laju aliran maksimum bahan bakar dengan perubahan gangguan berupa sinyal noise. Respon dari adanya gangguan pada laju aliran maksimum bahan bakar terhadap process variable pada laju aliran bahan bakar ditunjukan pada gambar 16 dan respon dari perubahan laju aliran udara ditunjukan pada gambar 17. Gambar 14. Grafik respon laju aliran bahan bakar pada perubahan steam quality 70%-80% Pada gambar 14 yang merupakan gambar respon perubahan laju aliran bahan bakar terhadap perubahan steam quality dari 70%-80%. Pada respon pertama didapatkan nilai rise time (Tr) 12 detik, delay time (Td) 5 detik, settling time (Ts) 12 detik, maksimum overshoot (Mp) 0.56%, peak time (Tp) 15 detik dan error steady state (Ess) 0%. Pada kenaikan setpoint laju aliran bahan bakar akibat kenaikan besar steam quality didapatkan nilai delay time (Td) 5.5 detik, rise time (Tr) 12 detik, maksimum overshoot 0% dan error steady state 0%. ntuk respon dari perubahan laju aliran udara ditunjukan pada gambar 15. Setpoint dari laju aliran bahan bakar tidak berupa sinyal step dikarenakan perubahan laju aliran udara identik dengan proses variable pada laju aliran bahan bakar. Bentuk setpoint dari laju aliran udara steady pada detik ke-11 dengan nilai setpoint sebesar m 3 /s. Dengan diketahuai nilai delay time (Td) 7.5 detik, rise time (Tr) 15 detik, settling time (Ts) 15 detik, maksimum over shoot (Mp) 0% dan error steady state (Ess) 0%. Bentuk setpoint laju aliran udara identik dengan perubahan laju aliran pada bahan bakar. Setpoint laju aliran udara steady pada detik ke-70 atau 20 detik setelah perubahan nilai steam quality dari 70%-80%. Dari perubahan tersebut didapatkan nilai delay time (Td) 6 detik, rise time (Tr) 15 detik, settling time (Ts) 15 detik maksimum overshoot (Mp) 0% dan error steady state 0%. Gambar 16. Grafik respon laju aliran Bahan bakar dengan uji beban noise Dari respon yang diketahui pada gambar dapat diketahui bahwa pada set point pertama didapatkan nilai delay time (Td) 5 detik dari setpoint awal, rise time (Tr) 11.5 detik, maksimum overshoot (Mp) 3.56 %, peak time (Tp) 30 detik, settling time (Ts) 63 detik dan error steady state (Ess) 1.67 %. ntuk kenaikan setpoint yang kedua didapatkan nilai delay time (Td) 9 detik dari setpoint awal, rise time (Tr) 13 detik, maksimum overshoot (Mp) 0.65 %, peak time (Tp) 60 detik, settling time (Ts) 62 detik dan error steady state (Ess) 1.12%. ntuk kenaikan setpoint yang ketiga didapatkan nilai delay time (Td) 3.5 detik dari setpoint awal, rise time (Tr) 29 detik, maksimum overshoot (Mp) 2.32 %, peak time (Tp) 45 detik, settling time (Ts) 100 detik dan error steady state (Ess) %. ntuk respon dari perubahan laju aliran udara ditunjukan pada gambar 17. Pada setpoint pertama didapatkan nilai delay time (Td) 7 detik dari setpoint awal, rise time (Tr) 14.5 detik, maksimum overshoot (Mp) 2.75 %, peak time (Tp) 33.5 detik, settling time (Ts) 67 detik dan error steady state (Ess) 1.48 %. ntuk kenaikan setpoint yang kedua didapatkan nilai delay time (Td) 7.5 detik dari setpoint awal, rise time (Tr) 29 detik, maksimum overshoot (Mp) 2.15 %, peak time (Tp) 30 detik, settling time (Ts) 60 detik dan error steady state (Ess) 1.313%. ntuk kenaikan setpoint yang ketiga didapatkan nilai delay time (Td) 5.5 detik dari setpoint awal, rise time (Tr) 22 detik, maksimum overshoot (Mp) 1.98 %, peak time (Tp) 50 detik,

6 6 settling time (Ts) 103 detik dan error steady state (Ess) %. Gambar 17. Grafik respon laju aliran udara dengan uji beban noise IV. KESIMPLAN Berdasarkan eksperimen yang telah telah dilakukan, maka didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut Perubahan besar steam quality dipengaruhi oleh laju aliran bahan bakar. Semakin besar nilai perubahan laju aliran bahan bakar semakin besar pula steam quality. Perbandingan perubahan laju aliran bahan bakar perhitungan dan data lapangan mempunyai karakteristik yang sama dengan berubahnya steam quality. Namun terdapat selisih antara laju aliran bahan bakar hasil perhitungan dan data lapangan. Hal ini dikarenakan pada perhitungan digunakan persamaan dengan kondisi panas terserap penuh atau tidak ada loss heat pada steam generator. Berdasarkan hasil simulasi untuk laju aliran bahan bakar didapatkan nilai performansi terbaik untuk laju aliran bahan bakar dengan tuning parameter Kp=35, Ti =0.999 dan Td=0.25. Sedangkan untuk laju aliran udara didapatkan nilai performansi terbaik untuk tuning parameter Kp=0.8, Ti=1.25 dan Td=0.75. Pada tracking perubahan steam quality didapatkan nilai Tr=12 s, Ts=12 s, Td=5 s, Tp =15 s, Mp=0.56 %,dan Ess = 0% pada pengendalian laju aliran bahan bakar. Sedangkan pada pengendalian laju aliran udara dengan nilai Tr=17 s, Ts=17 s, Td=6.5 s, Mp =0%,dan Ess =0%. DATAR PSTAKA [1] Azis Kurniawan, muhammad., Analisa Kinerja Sistem Pengendalian Temperature Dan Safety Instrumented System (Sis) Pada Thermal Oxidizer Conocophillips Indonesia Dengan Metode Markov Analysis, Jurusan Teknik isika ITS, [2] Ebeling, Charles E, An Introduction to Reliability and Maintainability Engineering, Mc Graw-Hill Companies Inc, New york [3] Gunterus, rans,: alsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses PT. Elex Media Komputindo, Jakarta, [4] Hadi Ichnata, Wardany, Perancangan Control System Cascade Dengan Mengatur Rasio Pembakaran dara Dan Bahan Bakar Pada Injeksi Pengeboran Minyak Bumi, Jurusan Teknik isika ITS, 2011 [5] Masrul, Arif., Simulasi integrasi SIS dan BPCS untuk memenuhi Safety Integrity Level pada gas turbin PT. Indonesia Power BO Semarang menggunakan digaram alir keadaan,jurusan Teknik isika ITS, 2008 [6] Suryadi, Dedi, Estimasi Penghematan Biaya Operasi PLT Dengan Cara Penggantian Bahan Bakar, Program studi Teknik Mesin niversitas Bengkulu, Bengkulu [7] Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia. < NEP

7 7