PERANCANGAN PENGENDALIAN PREDIKTIF BERPENGAWASAN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DAN UAP (PLTGU) GRESIK DENGAN METODE DESENTRALISASI

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) PERANCANGAN PENGENDALIAN PREDIKTIF BERPENGAWASAN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DAN UAP (PLTGU) GRESIK DENGAN METODE DESENTRALISASI Widiana Himami Imania, Katherin Indriawati, Ya umar. Teknik Fisika, FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya katherin@ep.ac.id Abstrak Sejalan dengan peningkatan kebutuhan tenaga listrik, optimasi biaya operasional dibutuhkan untuk mendapatkan nilai produk yang ekonomis efesiensi proses yang tinggi. Pada tugas akhir ini dirancang sistem pengendalian pada siklus gabungan. Sistem pengendalian bertujuan untuk meminimalkan biaya operasional memperkecil error. Sistem ini memberikan trayektory output yang harus dipenuhi oleh kontrol PID. Model prediksi diperoleh dengan sistem identifikasi dengan struktur ARX. Trayektory output diperoleh dengan teknik optimasi unsconstrain derivative test, yaitu suatu metode optimasi untuk mendapatkan nilai trayektory output optimum dari suatu fungsi. Hasil simulasi menunjukkan dengan sistem kontrol prediktif mampu menghasilkan karakteristik yang lebih baik daripada kontrol PI dapat menghemat biaya pengoperasian sebesar 2,% Kata Kunci Pengendalian, trayektory output, pengendalian. I. PENDAHULUAN enaga listrik merupakan salah satu faktor penting dalam Tpembangunan suatu negara. Kemajuan suatu negara dapat diukur dari konsumsi tenaga listrik per kapita negara tersebut. Di Indonesia kebutuhan tenaga listrik dari tahun ke tahun terus meningkat. Sejalan dengan peningkatan kebutuhan tenaga listrik tersebut, produksi tenaga listrik juga terus meningkat. Untuk memenuhi kebutuhan tenaga listrik, PLN (Perusahaan Listrik Negara) membangkitkan tenaga listrik dengan berbagai jenis pembangkit. Salah satu cara untuk memenuhi kebutuhan tenaga listrik secara simultan menghemat penggunaan sumberdaya energi, yaitu dengan memanfaatkan energi yang terkandung dalam gas buang (exhaust gas) dari Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG). Pemanfaatan energi gas buang tersebut dilakukan dengan mengkombinasikan sistem PLTG dengan sistem Pembangkit Listrik tenaga Uap (PLTU), sehingga menjadi Pembangkit Listrik Tenaga Gas-Uap (PLTGU). Plant pada pembangkit listrik dengan siklus gabungan dikenal mempunyai efesiensi yang tinggi biaya investasi yang relatif rendah. Pada industri proses, biaya optimasi operasional sangat dibutuhkan untuk mendapatkan biaya operasi yang ekonomis efisiensi proses yang tinggi. Kestabilan proses juga perlu dijaga, dengan demikian sistem kontrol sangat diperlukan dalam menjaga kestabilan proses tersebut. Strategi pengendalian dengan mengunakan PID banyak di gunakan digunakan di setiap plant pada proses industri, belum memberikan solusi yang optimal untuk setiap permasalahan. Dengan meningkatnya persaingan di era yang modern ini pembangkit diharuskan untuk menjawab tantangan baru dengan meningkatkan produktivitas mengurangi biaya. Salah satu caranya dengan menggunakan pengendalian. Pengendalian bekerja dengan memberikan set point yang optimum pada controller. Montazri Hosmandi(21 ) menunjukan bahwa dengan pengendalian dapat menstabilkan proses dapat meningkatkan efisiensi dengan menghemat bahan bakar sebesar 2% dibandingkan dengan pengendalian biasa. Selain itu, dengan menggunakan pengendalian prediktif, tidak perlu memodifikasi pengendalian yang telah digunakan sebelumnya. Pada Penelitian ini akan dirancang sistem pengendalian pada siklus gabungan gas turbin HRSG PLTGU Gresik yang dapat meminimalkan biaya operasional memaksimalkan proses pengendalian dengan memperkecil error. II. PENELITIAN A. Gas Turbin HRSG Pada PLTGU Gresik terdapat tiga blok pembangkit listrik dimana untuk setiap blok memiliki tiga unit gas turbin unit HRSG. Prinsip kerja dari gas turbin adalah energi panas hasil pembakaran di dalam ruang bakar diubah menjadi energi gerak atau mekanik dalam bentuk putaran. Energi mekanik tersebut digunakan untuk menggerakkan prime mover generator sinkron kecepatan tinggi yang terkopel satu poros. Gas turbin yang terdapat dalam pembangkit tenaga listrik ini memiliki empat tingkat. Ada pun putaran yang dapat dihasilkan oleh masing-masing turbin tersebut dapat mencapai kecepatan putaran rpm [11]. Proses siklus tertutup atau combined cycle yang terjadi di PLTGU dimulai di HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Fungsi HRSG sama dengan boiler, yaitu tempat terjadinya pemanasan air hingga menjadi uap superheat. Perbedaannya pada boiler terjadi proses pembakaran sementara di HRSG tidak ada proses pembakaran. Pemanasan air di HRSG dilakukan dengan memanfaatkan gas buang semaksimal mungkin dari gas turbin. Karena beroperasi memanfaatkan gas buang, PLTGU

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) merupakan pembangkit yang efisien. HRSG prinsipnya sebagai pembentukan uap bertekanan, dengan media panas berasal dari gas buang gas turbin. Kemudian uap bertekanan tersebut dipergunakan untuk menggerakkan turbin uap selanjutnya memutar generator. = (8) = (9) dengan : laju feed water (kg/s) : laju uap yang keluar (kg/s) : massa jenis liquid (kg/m ) : massa jenis vapour (kg/m ) : volum total (m ) : volum liquid (m ) : volum vapour (m ) Volum LP steam drum terdiri atas volum tabung volum bola, sehingga di dapatkan persamaan : Gambar 1 : Skema Siklus Gabungan PLTGU B. Pemodelan Gas Turbin HRSG Pemodelan matematis plant diturunkan berdasarkan hukum kesetimbangan energi massa. Pemodelan matematis akan dilakukan pada setiap komponen turbin gas HRSG. Komponen pada gas turbin yaitu fuel system, kompressor, ruang bakar, turbin. Untuk komponen HRSG yaitu superheater, economizer, evaporator, steam drum. Pemodelan gas turbin,superheater, evaporator didapatkan dari pemodelan yang telah dilakukan oleh ordys dkk[4]. Untuk pemodelan HP drum LP drum diturunkan berdasarkan hokum keseimbangan Massa. Dari persamaan keseimbangan massa di dapatkan persamaan sebagai berikut : [1] dengan : r : jari-jari drum (m) h : panjang drum (m) (1) (1) (2) Fluida di dalam steam drum terdiri atas dua fase yaitu cair gas, sehingga dapat didekati dengan persamaan berikut. = () = (4) = (5) = (6) = (7) Gambar 2:simulasi gas turbin HRSG C. Sistem Identifikasi Gas Turbin HRSG Awal dalam perancangan algoritma sistem kontrol GPC (Generalized Predictive Control) adalah dengan melakukan identifikasi sistem, dimana data output yang digunakan untuk proses identifikasi adalah data dari hasil simulasi model gas turbin HRSG yang telah dibangun pada tahap sebelumnya. Sebagai input, digunakan sinyal random PRBS (Pseudo- Random Binary Signal) yang dibangkitkan pada variabel manipulasi. Hasil dari proses identifikasi input-output sistem pada penelitian ini adalah model ARX (Auto-Regressive exogenous). Identifikasi sistem diperlukan pada sistem kontrol

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) 1-6 prediktif berbasis GPC yang akan dibangun untuk memprediksi output sistem berdasarkan input output sebelumnya. Model ARX yang diperoleh pada identifikasi gas turbin adalah sebagai berikut: (11) Dengan Model ARX yang diperoleh pada identifikasi HP drum adalah sebagai berikut: (12) Dengan optimasi untuk mendapatkan setpoint yang sesuai dengan nilai referensi, berdasarkan matrik pediksi,output control variable, output manipulasi Variable sebelumnya. Diagram blok pengendalian dapat dilihat pada Gambar 5. E.1 Prediksi Fungsi objectiv bergantung pada prediksi variabel kontrol, variabel manipulasi, increment dari variabel manipulasi, untuk mendapatkan solusi yang tepat untuk permasalahan optimasi, variabel-variabel tersebut dinyatakan kedalam fungsi optimasi (set point). Prediksi variabel kontrol, sebagai fungsi increment variable manipulasi diselesaikan secara langsung dengan generalized predictive control (GPC) penyelesaian dengan persamaan diophantine. (17) dimana Model ARX yang diperoleh pada identifikasi LP drum adalah sebagai berikut: (1) Dengan D. Pemodelan Kontroller Diskrit Pemodelan loop kontroller diskrit pada fuel gas turbin adalah sebagai berikut: = = (14) Pemodelan loop kontroller diskrit pada feedwater HP drum adalah sebagai berikut: (15) = = Pemodelan loop kontroller diskrit pada feedwater LP drum adalah sebagai berikut: menunjukkan sinyal yang akan datang yang belum diketahui menunjukkan sinyal lampau yang telah di ketahui. Prediksi variabel kontrol sebagai fungsi variabel manipulasi juga dibutuhkan sehingga dapat diturunkan dengan persamaan:, menunjukkan sinyal yang akan datang yang belum diketahui menunjukkan sinyal lampau yang telah di ketahui. (18) Dengan cara yang sama dengan prediksi variabel kontrol dengan mengunakan GPC persamaan diaphotin,prediksi variabel manipulasi dapat diturunkan dengan persamaan sebagai berikut. (19) Dimana menunjukkan sinyal yang akan datang, menunjukkan sinyal masa lampau dengan : (16) NxN = = E. Perancangan Pengendalian Prediktif Berpengawasan Pada perancangan pengendalian prediktive ada dua tahapan yang pertama menentukan matrix prediksi NxN

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) N Dari persamaan 19 didapatkan fungsi increment variable manipulasi yang dapat di selesaikan menggunakan persamaan di bawah ini : = (21) Dimana (2) NxN Gambar : Diagram blok pengendalian Ber pengengawasan T4 = T5 = III. HASIL DAN DISKUSI A. Hasil Simulasi Pemodelan Gas Turbin N 1 Persamaan fungsi objectif pengendalian dapat dituliskan sebagai berikut: (22) Dengan mengasumsikan tidak terdapat konstran pada sinyal r.nilai minimumdari fungsi kriteria dapat di peroleh dengan mebuat gradien dari J sama dengan,hal ini membuat sinyal set point sebagai berikut: (2) F (25) (24) daya (MW) Proses Output Daya Gambar 4 : Hasil simulasi Gas turbin dengan PID Daya (MW) Output Proses Trayektory reference Gambar 5 : Hasil simulasi Gas turbin dengan pengendalian PID predictif.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) Hasil perbandingan karakteristik Gambar 4 gambar 5 dapat dilihat pada tabel 1 di bawah ini: Tabel 1 : Perbandingan karakteristik gas turbin. Max.Overshoot (%) Kondisi Normal ess\ (%) Tss (s) Kondisi Normal Max.Overshoot ess\ (%) (%) Tss (s) PID PID PID prediktif.1 12 PID prediktif. 5 B. Hasil Simulasi Pemodelan HP Drum C.. Hasil Simulasi Pemodelan LP Drum level Level (m) Level set point.2.1 Output Proses Gambar 6: Hasil simulasi HP Drum dengan pengendalian PID r times Gambar 8 : Hasil simulasil LP Drum dengan pengendalian PID.9.8 Level (m) Output Proses Trayektory Reference Gambar 7 : Hasil simulasi HP Drum dengan pengendalian PID prediktif. Level (m) Output Prose.1 Trayektory Reference Times (S) Gambar 9 : Hasil simulasi LP Drum dengan pengendalian PID prediktif Hasil perbandingan karakteristik Gambar 6 gambar 7 dapat dilihat pada tabel. Hasil perbandingan karakteristik Gambar 6 gambar 7 dapat dilihat pada tabel 2.

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) Tabel : Perbandingan karakteristik LP Drum Kondisi Normal Max.Overshoot ess\ (%) (%) Tss (s) PID PID Prediktif.2 5 D.. Perhitungan Biaya Operasional Perhitungan biaya operasional bertujuan untuk mengetahui persentase penghematan bahan bakar feedwater yang dikonsumsi saat menggunakan pengendalian PID dengan pengendalian PID prediktif. Asumsi harga bahan bakar Rp 4.,/Kg Harga feedwater sebesar Rp 1,/Kg. perbandingan jumlah bahan bakar feedwater yang di konsumsi setiap detik dapat dilihat pada table 4. Tabel : Perbandingan Biaya Operasional Set point constan Set point pengawasa n Bahan bakar Jumlah yang digunakan Feedwater HP drum Feedwater LP drum JCF Rp Rp 5.. Dari nilai JCF di atas di dapatkan nilai persentase penghematan setiap detik sebesar : JCF = x1% = 2.% IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Berdasarkan penelitian pengujian yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa kontrol prediktif yang dirancang mampu menghasilkan karakteristik yang lebih baik daripada kontrol PI yang ada sekarang dengan nilai kestabilan antara lain maksimum overshoot sebesar %, settling time sebesar 12 detik, error steady state sebesar.1 % pada output daya gas turbin, pada level HP drum maksimum overshoot sebesar %, settling time sebesar 52 detik, error steady state sebesar. %, pada level HP drum maksimum overshoot sebesar %, settling time sebesar 55 detik, error steady state sebesar.2%. Dan dengan menggunakan pengendalian Berpengawasan dapat menghasilkan penghematan sebesar 2.%. UCAPAN DAN TERIMAKASIH Widiana Himami Imania selaku penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Katherin Indriawati Bapak Ya umar selaku pembimbing Penelitian, Kepada PT Angkasa Pura II yang telah memberikan beasiswa kepada penulis selama menempuh pendidikan di Teknik Fisika, FTI, ITS. DAFTAR PUSTAKA [1] Camacho E.F., Bordons C. 24. Model Predictive Control 2 nd ed. Springer-Verlag, London. [2] Idris, Faridah Mohamad. 21. Modeling of a Combined Cycle Power Plant. Thesis Faculty of Electrical Engineering Universiti Teknologi Malaysia. [] Ordys, A., R. Katebi., M. Johnson., and M. Grimble Modelling and Simulation of Power Generation Plants. Springer-Verlag, London. [4] Saez, Doris., Cipriano, Aldo. 2. Thermal Power Plant Simulation and Control edited by Damian Flyn, Chapter 6: Supervisory Predictive Control of a Combined Cycle Thermal Power Plant. Institution of Engineering and Technology, London, UK. [5] Saez, Doris., Ordys, Andrzej. 26. Comparison of Optimal Control Strategies for Supervisory and Regulatory Level. International Conference: Control, Glasgow, Scotland, UK. [6] Montazeri, Hosmandi. 21. Enviromen Temperature Variation Considered Supervisory Predictive Control For Gilan Combine Cycle Power Plant.Shahid AbbasPour University Of Technology, Tehran, Iran. [7] Saez, Doris., Ordys, Andrzej., Grimble, Michael. 25. Design of a Supervisory Controller and Its Application to Thermal Power Plants. Journal of optimal control applications and methods: [8] Saez, Doris., Cipriano, Aldo., Ordys, Andrzej. 22. Optimisation of Industrial Processes at Supervisory Level: Application to Control of Thermal Power Plants. Springer-Verlag, London. [9] Susanto, Hari., Durrijal, Hadid. 29. Mengenal Memahami Proses Operasi PLTGU: Pengalaman dari Gresik. Lintang Pancar Semesta, Jakarta. [1] Physical and Thermodinamical Properties at Normal Temperature and Pressure (29K, 1 atm), < Gas.htm> [11] Operation & Maintenance Manual Gresik Combined Cycle Power Plant 15 MW, Mitsubishi Corporation. [12] CCR (Central Control Room) Unit PLTGU PT. PJB UP Gresik.