JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 1

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) Perancangan Sistem Pengendalian Tekanan dan Laju Aliran pada Pipa Bahan Bakar untuk Kebutuhan Awal Pembakaran Gas Turbin di Pembangkit Listrik Tenaga Gas Dan Uap Nyulio Budi Utomo,Ya'umar Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Yaumar@ep.its.ac.id Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan tenaga dari gas dan uap. Salah satunya menggunakan bahan bakar High Speed Diesel (HSD) saat start up sering terjadi kegagalan proses pembakaran. Pertama disebabkan tekanan yang dijaga melebihi 7 kg/cm 2. Kedua, kelebihan atau kekurangan flow yang harusnya dijaga sebesar 3 m 3 /h. Dari studi lapangan didapatkan pengendalian laju aliran yang tidak maksimal untuk menentukan besar aliran pada saat pembakaran dikarenakan pengendalian berdasarkan sensor putaran rotor. Dari permasalahan tersebut, pertama untuk respon tekanan yang besar digunakan metode tuning FGS- sedangkan untuk menjaga laju aliran akan dirancang sistem pengendalian dari inputan flow transmitter. Dan hasil Metode fuzzy gain scheduling dapat mengatasi nilai maksimum overshoot dari respon tekanan dengan hasil overshoot % yang sebelumnya menggunakan sebesar 24,29%. Sedangkan dengan perancangan sistem pengendalian laju aliran didapatkan hasil flow pada laju aliran bahan bakar dapat terpenuhi sesuai set point yang diinginkan sebesar 3 m 3 /h dengan maksimum overshoot 48% dan setling time 7,2 sekon. Kata Kunci fuzzy, laju aliran, overshoot, tekanan I. PENDAHULUAN Listrik Tenaga Gas dan Uap merupakan Ppembangkit listrik yang memanfaatkan tenaga dari gas dan uap. Bahan bakar yang digunakan pada proses pembakaran di combuster terdapat 2 jenis bahan bakar, menggunakan High Speed Diesel (HSD) dan gas. Pada saat start up sering terjadi kegagalan proses pembakaran menggunakan bahan bakar oli. Dengan kondisi pressure pipa bahan bakar yang dijaga adalah 7 kg/cm 2. Untuk menjaga pressure tersebut digunakan CV 135A. Dimana bukaan valve ini sangat berpengaruh penting untuk menjaga stabilitas pressure yang dibutuhkan saat dilakukan proses awal pembakaran. Dari keadaan dilapangan sering terjadi kegagalan start up dikarenakan pressure yang dijaga melebihi dari batasan prosedur untuk start up. Valve yang kedua adalah CV 147B, dimana valve ini dijaga untuk mengatur flowrate yang akan keluar ke nozzle combuster. Kondisi flowrate yang dijaga adalah 5 liter/minute atau 3 m 3 /h dari bahan bakar yang dibutuhkan saat start up. Jika kondisi tersebut tidak dapat dipenuhi maka proses pembakaran akan gagal dilakukan. Dari pentingnya kinerja kedua valve saat start up unit, maka perlu dilakukan proses pengendalian bukaan valve yang tepat untuk menjaga kondisi yang telah ditentukan. Selanjutnya perlu diadakan kajian mengenai sistem pengendalian dengan mengetahui karakteristik kedua valve sehingga dapat membantu proses saat start up. Untuk pemfokusan permasalahan Tugas Akhir, terdapat beberapa batasan masalah, pertama besar tekanan dan flow diasumsikan dari keluaran pompa. Kedua sistem pengendalian pressure dan flow yang dibuat berdasarkan hubungan opening valve, pressure discharge dan flow discharge control valve. Ketiga, Kontroler yang digunakan pada pengendalian flow adalah sedangkan untuk pengendalian tekanan digunakan metode fuzzy gain schedulilling Tujuan dalam tugas akhir ini akan dilakukan perancangan sistem pengendalian pressure dan flow untuk menjaga besar tekanan 7kg/cm 2 dan flow sebesar 5 liter/minute untuk kebutuhan awal pembakaran dengan pengendalian control valve yang tepat II.METODOLOGI PENELITIAN Tahapan - tahapan yang dilakukan pada penelitian ini dapat dijelaskan melalui flowchart berikut. Gambar 1 Alur penelitian

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) Tahapan yang dilakukan dalam penelitian dimulai dengan tinjauan lapangan penyebab terjadinya over pressure maupun pengaturan debit yang keluar ke nozzle pembakaran. Selanjutnya dilakukan pembuatan simulasi dan dari simulasi tersebut akan dapat diambil kesimpulan sebagai hasil akhir. Start firing atau proses awal pembakaran adalah suatu proses pemantikan awal pembakaran yang dimana pada PLTGU, bahan bakar yang akan menuju ruang bakar dikendalikan dengan 2 buah control valve (CV 135 A dan CV 147B). Satu untuk menjaga pressure bahan bakar dan 1 loop yang terakhir adalah untuk mengeksekusi banyaknya debit bahan bakar yang akan masuk kedalam nozzle. [1] sebuah pressure transmitter yang befungsi untuk mengukur besar pressure yang ada dan dikirim ke controller, sehingga controller mampu mengkondisikan opening valve yang tepat sesuai dengan besar pressure yang diinginkan. [3]. Pressure discharge control valve dapat ditemukan nilainya dengan mengurangkan pressure inlet control valve dengan differencial pressure control valve. Langkah awal yang dilakukan untuk mencari pressure discharge control valve adalah mencari nilai differencial pressure. Dalam penelitian ini digunakan ISA S75.1 sebagai standarisasi untuk mencari nilai differencial pressure. Menurut standarisasi ini ada beberapa hal yang harus diperhatikan dalam mencari besar differensial pressure, yaitu koefisien sizing valve (Cv), specific grafity, factor geometry pipa dan konstanta numerik. [3] Dari parameter tersebut didapatkan persamaan sebagai berikut P = G (1) Gambar 2 skema alur pengendalian pressure dan flow [1] Dua loop pengendalian ini dijaga untuk berhasilnya pembakaran awal. Jika pressure sampai melebihi batas 8 kg/cm 2 maka dapat menggagalkan start up. Sedangkan pengendalian yang kedua pada 147 B adalah sebagai pengendali laju aliran sebesar 5 liter/minute atau 3m 3 /h, flow yang keluar tersebut dijaga untuk kebutuhan pemantik awal pembakaran. Apabila tidak mencapai setpoint hal ini dapat mengakibatkan kegagalan start firing.[2] A. Sistem Pengendalian Pressure pada Control valve Hubungan antara flow dan tekanan pada hakikatnya bersifat seperti sistem pengukuran flow yang menggunakan fasilitas differential head meter.[3] Dimana perubahan flow dari persentase bukaan valve juga akan diikuti dengan perubahan pressure. Gambar 3 Sistem pengendalian pressure [3] Setiap fluida yang akan melewati control valve mempunyai pressure yang disebut P 1 atau dalam ISA S75.1 disebut sebagai upstream absolute static pressure. Karena mendapat halangan dari valve yang dibuka dengan persentase tertentu, maka pressure discharge dari control valve akan menurun. Karena besarnya pressure discharge dari control valve sangat erat kaitannya dengan opening valve, maka diletakkanlah Dimana: Q = aliran yang keluar dari control valve (GPM) P = tekanan P 1 /pompa - P 2 /setelah CV (Psi) c v = koefisien dari spesifikasi valve N 1 = koefisien F p = Faktor geometri pipa Gf = spesifik gravitasi fluida(kgf/l) pressure e u + Controller - CV 135 A Pressure Transmitter PROSES CV 147 B u Flow Controller FLOW Gambar 3 Diagram blok pengendalian tekanan dan flow Flow Transmitter Untuk menentukan besar pressure yang ada dilapangan dapat menggunakan perhitungan dari standar ISA. Bahwa dari perubahan laju aliran bukaan valve CV 135 A dapat dijadikan acuan untuk menentukan tekanan yang akan dijaga pada pipa. Untuk lebih jelas dapat dilihat tabel 1. Tabel 1 perhitungan besar pressure CV 135A flow m3/h gpm N1 Fp Gf cv Q^2 (cv*n1*fp) (cv*n1*fp)^2 P(psi) P(kg/cm2) p1 p2 1,16,82, ,717 1,16,82 1,1 2,948,17237, ,354 5, ,31 1, ,952 1,16,82 2,13 35,43,333771, ,8 18, ,74 2, ,7 1,16,82 4,2 161,4,629934, ,54 23, ,65 5, ,6 1,16,82 6,11 51,8,957437, ,91 31, ,2 8, ,37 1,16,82 8, , , ,1 45, ,36 12, ,61 1,16,82 11, , , ,93 52, ,64 18, ,69 1,16,82 14, , , ,8 73, ,8 24, ,7 1,16,82 18, , , ,8 83, ,58 32, ,16,82 22, , , ,5 95, , ,7 1,16, ,71 22, ,6 97, ,516

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) B. Pemodelan untuk mengetahui laju aliran m b s 2,75 U s 1,349s 1 Dan fungsi alih daripada Control valve 147 B adalah Gambar 4 Skema dari pengendalian flow CV 147B Berdasarkan gambar 2.7 maka dapat diturunkan model matematis proses dengan menggunakan beberapa asumsi. Dalam memodelkan dinamika aliran fluida dalam pipa tidak terjadi perubahan kimia, tidak ada heat loss dan volume serta properti fisik konstan. Dalam hal ini menggunakan hukum keseimbangan gaya. Aliran fluida diperoleh dengan perbedaan tekanan diantara dua daerah pipa. Dimana pressure P2 dan flow Q2 adalah keluaran dari CV 135 A. F = M. a (2) M dv = A. P dt (3) Dimana: M = Massa liquid pipa (kg) dv= Kecepatan fluida (m 3 /s) A = Luasan pipa (m 2 ) P = perbedaan tekanan (kg/m 2 ) M = ρ. A. L (4) Dimana : ρ = Density(kg/m 3 ) L = Panjang pipa (m) Q = Debit flow (m 3 /s) m b s 2,75 U s 1,42s 1 D. Perancangan Algoritma Kendali Fuzzy- Gain Scheduling Gambar 5 Blok diagram fuzzy gain scheduling controller Kontroler logika fuzzy tidak memerlukan persamaan matematis yang rumit, yang diperlukan adalah data input dan output yang benar, dimana data tersebut merepresentasikan karakteristik dari pengendali. Dalam perancangan logika fuzzy dilakukan melalui FIS (Fuzzy Inference System), terdapat dua input, yaitu nilai error dan delta error. Sedangkan output ada dua, yaitu nilai parameter Kp, Ki. Sedangkan metode pengambilan keputusan menggunakan metode inferensi Maxmin (Mamdani) yang dalam aturannya menggunakan aturan operasi minimum mamdani, dan defuzzifikasi[4] Q = A. v (5) Dari persamaan 4 dan 5 dimasukkan ke 3 sehingga persamaannya menjadi ρ.a. L dv = A. P (6) dt ρv A dq = P (7) dt d dt (Qin Qout) = A ρl (P P ) dt (8) Q = Q A ρl (P P ) dt (9) Gambar 6 Membership function untuk input error C. Pemodelan Control valve 135 A dan 147B Control valve ini merupakan control valve yang digunakan untuk menjaga pressure pada sistem laju aliran bahan bakar.secara umum fungsi alih dari control valve dapat didekati dengan sistem orde 1 b s K cv s s 1 m U cv (1) Sehingga fungsi alih daripada Control valve 135A adalah Gambar 7 Membership function untuk input delta error

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) Sedangkan membership function nilai keluaran parameter Kp antara -2 sampai dengan 6, parameter Ki antara.5 dan 1 Fuzzifikasi merupakan proses memetakan input output dari variabel crips kedalam variabel linguist. Pada tahap ini, dilakukan pemetaan nilai crisp masukan (variabel terukur error pressure dan delta error pressure) dan keluaran berupa parameter Kp, Ki dan ke bentuk himpunan fuzzy.[4] Pembuatan aturan fuzzy Dalam membuat aturan fuzzy diperlukan ketelitian dan pemahaman tentang sistem yang akan dibangun dengan logika fuzzy. Pembuatan aturan dari logika fuzzy pada penelitian ini didasarkan pada hubungan antara input dan output.[4] Tabel 2 Rule base untuk Kp dapat mengurangi nilai overshoot yang ada sebelumnya jika menggunakan. Dengan waktu settling time yang lebih cepat sebesar 15,5 sekon, dan Ess sebesar,2 %. Dari analisa respon menggunakan FGS ini dapat mengatasi permasalahan yang ada dilapangan dengan overshoot yang rendah Tabel 4 Perbandingan mode kontrol FGS Max. Overshoot 24,29% - Settling time 2s 15,5s 2.5 flow m3/h pressure kg/cm Tabel 3 Rule base untuk Ki III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Gambar 9 Grafik respon uji step pada pengendalian flow CV 147B dengan Dalam grafik respon gambar 3.2 dapat diketahui untuk mencapai set point flow sebesar 3m 3 /h bahan bakar pada CV 147B, dibutuhkan waktu settling time sebesar 9,2 sekon, nilai maximum overshoot (Mp) sebesar % dari nilai set point yang ditetapkan. dan error steady state (Ess).1%. Grafik loop pengendalian CV 147 B diatas masih belum diintegrasikan dengan outputan tekanan dan flow dari CV 135 A. Dikarenakan jalur aliran kedua valve tersebut dalam satu pipa. Maka untuk selanjutnya akan diuji coba dengan menggabungkan kedua loop pengendalian menjadi satu. A. Pengujian Integrasi Plant Respon 2 1 FGS Pi s Gambar 8 Grafik respon uji step pada pengendalian tekanan CV 135 A dengan FGS- dan Dalam grafik respon gambar 8 dapat diketahui bahwa untuk mencapai set point pressure sebesar 7 kg/cm 2 bahan bakar pada CV 135A menggunakan kontroler, dibutuhkan waktu settling time sebesar 2s, nilai maximum overshoot (Mp) sebesar 24,29% dari nilai set point yang ditetapkan dan error steady state (Ess).1%. Kondisi tersebut dapat merepresentasikan respon dilapangan yang nilai oversshoot mencapai > 8 kg/cm 2. Dari batasan nilai overshoot tersebut dapat mengakibatkan trip pada saat pembakaran awal. Dan dari gambar 8 juga dapat dilihat perbandingan respon menggunakan metode FGS-Pi dimana respon yang dihasilkan Gambar 1 skema itegrasi loop CV 135A dan 147B Dari gambar 1 diketahui bahwa pressure keluaran dari CV 135 A juga berpengaruh terhadap inputan sistem loop pengendalian dari CV 147B. Oleh karena itu keluaran pressure CV 135 A digunakan sebagai masukan pressure pada

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) pemodelan dinamika pipa. Selain itu juga keluaran flow dari CV 135A juga akan sebagai masukan kedalam fungsi CV 147B Gambar 11 respon loop tekenan CV 135A dan flow 147B Dan dari pembuatan simulink tersebut didapatkan grafik respon seperti gambar 11, dapat diketahui bahwa keluaran flow dari CV 147B terdapat maximal overshoot sebesar 48% dan membutuhkan settling time sebesar 7,2 s untuk mengeluarkan flow sebesar 3 m 3 /h. Dari grafik respon CV 147 B ini membuktikan dalam keadaan plant sebenarnya, pengendalian flow sangat dibutuhkan untuk kebutuhan start awal yang sebelumnya pengendalian CV 147 B ini dikendalikan berdasarkan logic masukan dari sensor speed putaran awal generator. Jadi dengan pengendalian ini akan dapat membantu proses start pembakaran dengan mengatur laju aliran bahan bakar yang keluar ke nozzle. Selain itu dari pengendalian ini operator tidak lagi melakukan penginjeksi'an kembali di CV 147 B disite pada saat start up unit sehingga dapat membantu proses pembakaran awal tanpa kegagalan. pressure kg/cm2 pres s ure& flow Gambar 12 respon tracking set point dari FGS dan flow Respon flow Respon pres FGS pressure Respon pres D Dalam Dalam grafik respon gambar 12 dapat diketahui bahwa untuk mencapai set point yang pertama dengan pressure sebesar 3 kg/cm 2 bahan bakar pada CV 135A menggunakan kontroler, dibutuhkan waktu settling time sebesar 19 sekon, nilai maximum overshoot (Mp) sebesar 6% dari nilai set point yang ditetapkan, error steady state (Ess).1%. Dan untuk set point yang kedua dieberikan set point sebesar 7 pada detik ke 5. Hasilnya adalah (Mp) sebesar 11,42%, Ess,2% dan steady pada detik ke 89 sekon. Dan dari gambar 12 juga dapat dilihat perbandingan respon menggunakan metode FGS-Pi dimana respon yang dihasilkan dapat mengurangi nilai overshoot yang ada sebelumnya jika FGS- menggunakan FGS-. Pada set point pertama diberikan tekanan 3 kg/cm 2. Respon yang didapatkan adalah dengan settling time yang lebih cepat sebesar 12,8 sekon, (Mp) sebesar 2,66 % dan Ess sebesar %. Sedangkan di set point kedua diberikan tekanan 7 kg/cm 2 pada detik ke 5. Respon yang didapatkan adalah dengan waktu settling time yang lebih cepat sebesar 8,3 sekon, (Mp) sebesar 1,56 % dan Ess sebesar %. Dari analisa respon menggunakan FGS ini dapat mengatasi permasalahan yang ada dilapangan dengan overshoot yang rendah walaupun dengan perubahan set point yang berbeda. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada tabel berikut dengan karakteristik performansi pengendalian tekanan ketika set point awal yaitu 3 kg/cm 2 Tabel 4 Tabel performansi set point awal yaitu 3 kg/cm 2 FGS Max. Overshoot 6% 2,66 % Settling time 19s 12,8 s Karakteristik performansi pengendalian tekanan ketika terjadi kenaikan set point 4 kg/cm 2 Tabel 5 Tabel performansi penambahan set point 4 kg/cm 2 FGS Max. Overshoot 11,42% 1,56 Settling time 19s 1,3 s flow m3/h s Gambar 13 Respon tracking set point flow CV 147B flow Respon flow Dalam grafik respon gambar 13 dapat diketahui bahwa untuk mencapai set point flow sebesar 3m 3 /h bahan bakar pada CV 147B, dibutuhkan waktu settling time sebesar 17 sekon, nilai maximum overshoot (Mp) sebesar 48% dari nilai set point yang ditetapkan dan error steady state (Ess) 3,1%. Untuk set point kedua diberikan flow sebesar 7 m 3 /h bahan bakar pada CV 147B di detik 5, dan steady pada detik ke 67,4, nilai maximum overshoot (Mp) sebesar 4% dari nilai set point yang ditetapkan. dan error steady state (Ess) 1,2%. Untuk pengujian gangguan dengan cara memberikan masukan sinyal step terhadap inputan valve. Dimana uji beban ini dapat merepresentasikan pada kondisi lapangan jika terdapat pompa yang tersentak Dari gambar 14 didapatkan bahwa dari pengujian gangguan sistem dapat mengatasi dan kembali ke set point mula-mula. Dengan hasil FGS- lebih baik daripada, dengan

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (212) pemberian gangguan respon FGS dapat steady pada detik ke 73 dengan under shoot sebesar 1,3 % sedangkan untuk under shoot lebih besar dengan persentase 12,2 diikuti banyak osilasi terlebih dahulu yang telah dibuat, telah terintegrasi pada kedua valve saling berhubungan. Dengan pemberian gangguan valve pertama maka akan mempengaruhi dari respon valve yang kedua p re s s u re FGS Gambar 14 Respon pengujian gangguan tekanan CV135A flow m3/h Gambar 16 Grafik respon flow dengan uji beban noise flow Respon flow s Pengujian ini merupakan gangguan terhadap perubahan laju aliran maksimum bahan bakar dengan perubahan gangguan berupa sinyal band limited noise. Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahui apakan sistem kendali mampu bekerja bekerja dengan baik dalam artian proses variable pada sistem kendali mampu mengikuti set point meski terdapat gangguan berupa sinyal noise pada laju aliran bahan bakar maksimum. Respon dari adanya gangguan pada pengendalian tekanan bahan bakar 135A terhadap proses variable pada laju aliran bahan bakar ditunjukan pada gambar 15 dan respon dari perubahan laju aliran 147 B ditunjukan pada gambar 16. p re s s u re k g / c m tekanan Respon tekanan Gambar 15 Grafik respon tekanan dengan uji beban noise Dari respon yang diketahui gambar 15, dapat dijelaskan bahwa ganggguan yang terjadi pada laju aliran maksimum control valve 135 A mempengaruhi respon perubahan pada proses variable ppressure bahan bakar. Dengan set point 7 didapatkan beberapa overshoot dan undershoot yang berbedabeda dengan besar MP tertinggi sebesar 5,2 %. Ess = % dan settling time 4 sekon untuk mencapai keadaan steady Sedangkan untuk respon pada pengendalian laju aliran dapat dilihat gambar 16, dimana dapat dijelaskan bahwa ganggguan yang terjadi pada laju aliran maksimum control valve 147 B ini berasal dari gangguan yang diberikan pada control valve pertama. Hal ini membuktikan bahwa sistem IV. KESIMPULAN Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut: 1. Metode fuzzy gain scheduling dapat mengatasi nilai maksimum overshoot dari respon tekanan dengan hasil overshoot % yang sebelumnya menggunakan sebesar 24,29%. 2. Dari perancangan pengendalian tekanan didapatkan bukaan valve sebesar 35,15% untuk menjaga setpoint sebesar 7 kg/cm Dengan perancangan sistem pengendalian pada laju aliran didapatkan hasil laju aliran bahan bakar dapat terpenuhi sesuai set point yang diinginkan sebesar 3 m 3 /h dengan maksimum overshoot 48 % dan settling time 7,2 sekon. DAFTAR PUSTAKA [1] Gregory K, McMillan; 1999; Process/Industrial Instruments And Controls Handbook; The McGraw-Hill Companies, Inc; United States of America [2] Gunterus, Frans; 1994; Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses; Elex Media Komputindo; Jakarta [3] ISA-S (R 1995); Flow Equations for Sizing Control valves; ISA 67 Alexander Drive P.O. Box Research Triangle Park, North Carolina 2779 [4] Zhang, Huaguang & Derong Liu. 26. Fuzzy Modelling And Fuzzy Control. Boston: Birkhauser [5] Ogata, Katsuhiko; 1997; Teknik Kontrol Automatik; Erlangga; Jakarta [6] Septanto, Arufiko dan Cordova, Hendra. 29. " Integrasi Sistem Kontrol dan Safety pada Laju Pipa Bahan Bakar Boiler Berbasis State Flow Diagram". ITS. Surabaya