LOGO Perancangan Sistem Pengendalian Tekanan Keluaran Steam Separator Dalam Upaya Peningkatan Kualitas Output Steam di PT. Pertamina Geothermal Energy area Kamojang, Jawa Barat OLEH : ANIKE PURBAWATI 2408100037 DOSEN PEMBIMBING : KATHERIN INDRIAWATI, ST.MT. LABORATORIUM REKAYASA INSTRUMENTASI DAN KONTROL JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
Introduction Latar belakang Tujuan Batasan masalah -Panas bumi berupa dry- steam - steam dilewatkan ke separator - pengendalian tekanan keluaran steam separator (manual DCS) - tuning tidak sesuai -merancang sistem pengendalian tekanan keluaran steam separator dengan algoritma pengendali MPC dan teknik optimasi quadratic programming -Vane separator - algoritma pengendalian MPC -Temperatur dari gathering sistem konstan -Data bulan Februari 2012 per jam -Controlled variabel (pressure output) -Manipulated variabel : flow steam
PLTP Kamojang
P&ID steam separator MANUAL AUTOMATIS
Diagram blok sistem pengendalian www.themegallery.com
Model Predictive Control Lintasan prediksi dari harga keluaran (berdasarkan input sebelumnya) Pengukuran harga keluaran sekarang Mengestimasi gangguan saat sekarang dan ke depan Lintasan keluaran yang diinginkan Constraint (pembatas) Menggunakan model proses untuk memprediksi sinyal kontrol ke depan sehingga dapat meminimalisasi Fungsi Objectif Estimasi gangguan Prediksi sinyal kontrol Gambar 1. Struktur dasar MPC (Camacho & Bordons, 1998) Mengimplementasikan aksi kontrol sekarang dan memprediksi keluaran ke depan berdasarkan modl proses yang dibuat Tunggu hingga waktu 1 sampling tercapai dan ulangi algoritma proses Prediksi baru dari keluaran Gambar 2 Bentuk umum algoritma MPC (Wang, 2009)
Algoritma pengendalian Model proses MPC: U(k) X(k) Y(k) A B C Vektor keadaan prediksi: Output : vektor masukan prediksi: berdimensi-l : vektor keadaan berdimensi-n : vektor keluaran berdimensi-m : matriks keadaan berdimensi n x n : matriks masukan berdimensi n x l : matriks keluaran berdimensi m x n
Cont d (2.18) Cost function Quadratic programming Dimana:
Model Predictive Control Trayektori referensi T(k) E(k) optimize u(k) Mulai Tentukan Hp, Hu, Q, dan R u(k) plant X(k) Hitung matriks Ψ,Γ, dan Θ u(k-1) Ambil data x(k) dan u(k-1) k=k+1 Hitung matriks E, H, G, matriks constraints, Q, dan R Hitung ΔU(k) menggunakan Quadratic Programming Pengendali MPC u(k)=δu(k)+u(k-1) Tidak Hentikan pengendali? Ya Selesai
Metodologi penelitian mulai Pemodelan steam separator, control valve, transmitter Uji performansi sistem Model valid? Yes No Analisa data dan pembahasan hasil simulasi Pemodelan & Integrasi algoritma MPC ke plant selesai No Berhasil? Yes Anike Purbawati 2408100037
Struktur plant PIC P-22 I-8 P-23 PT 203 PT To demister PIC I-6 PT PT PSV 203 To demister V-3 PIC PSV V-8 I-7 V-3 PIC I-7 Flow steam PV-214A V-9 PV-214B Flow steam PV-214A PV-214C PV-214B Steam separator PV-214D Rock Muffler Steam separator PV-214C PV-214D Rock Muffler
steam separator Pemodelan Plant Dimana:
Pressure Transmitter PT-203 Diaphragm Gauge Pressure Transmitter model EJA530A Range 0 20 bar Output 4 20 ma Time konstant = 0,2 s produk Yokogawa mengukur steam pressure Anike purbawati 2408100037
Gain control valve Control Valve - type Butterfly dengan model DVC6030, Fisher, - aktuator jenis piston, posisioner I/P - karakteristik valve equal percentage Hubungan sinyal kontrol (dengan opening valve) Hubungan opening valve dengan flow discharge control valve
Validasi plant parameter simulasi Real plant Tekanan 10.24 bar 10.23447 bar Liquid level 8.361 cm 8.542 cm Flow discharge (43%) 430.1 ton/h 403.12 ton/h Anike purbawati 2408100037
simulasi Parameter MPC Nilai Control interval 0.1 prediction horizon 45 control horizon 1 bobot input 0 bobot laju input 0.0923 bobot output 1.0833 Constraint Umin:4 ; Umax:20
Simulasi struktur plant Kamojang 10.2 pressure (bar) 10 9.8 9.6 pressure (bar) 10.4 10.2 10 9.8 9.6 0 100 200 300 400 500 time (sec) 9.4 0 50 100 150 200 250 300 350 4 time (sec) Gambar 4.1 Respon openloop steam separator respon setpoint Gambar 4.2 Respon closedloop sistem (setpoint 10.24 bar) pressure (bar) 11.5 11 10.5 10 respon closed loop setpoint 11 bar respon setpoint 9.5 0 100 200 300 400 500 time (sec) Gambar 4.3 Respon closedloop sistem (setpoint 11 bar)
Simulasi struktur plant baru 12 10 respon open loop steam separator respon open loop 10 respon closedloop steam separator respon setpoint 8 8 pressure (bar) 6 4 pressure (bar) 6 4 2 2 0 0 20 40 60 80 100 time (sec) 0 20 40 60 80 100 time (sec) Ts = 27 s Gambar 4.4 Respon openloop tekanan keluaransteam separator Gambar 4.5 respon closed loop sistem
Uji tracking setpoint 10 respon uji tracking setpoint naik 10.8 10.6 respon uji tracking setpoint turun respon setpoint pressure (bar) 8 6 4 2 respon setpoint 0 0 50 100 150 200 time (sec) Ts = 9.45 s Gambar 4.7 Uji trackingsetpoint naik pressure (bar) 10.4 10.2 10 9.8 9.6 0 50 100 150 200 time (sec) Ts = 9.45 s Gambar 4.8 Uji trackingsetpoint turun
Uji noise respon uji noise variance 0.043% respon uji noise variance 1% 12 12 pressure (bar) 10 8 6 4 4 2 respon 2 0 step respon 0 50 100 150 200 setpoint time (sec) 0 0 50 100 150 200 time (sec) Ts = 36.5 s Ts = 18.2 s respon uji noise variance 10% 12 10 pressure (bar) 10 8 6 pressure (bar) 8 6 4 2 respon 0 0 50 setpoint 100 150 200 time (sec)
Uji disturbance pressure (bar) 12 10 8 6 4 2 rspon uji beban naik (467.29 K - 482 K) respon sistem setpoint 0 0 50 100 time (sec) 150 200 Ts = 21.6 s pressure (bar) 10 8 6 4 2 uji beban turun (467,29 K - 410 K) respon setpoint 0 0 50 100 150 200 time (sec) Ts = 40s
Performansi Jenis Uji Karakteristik dinamik Max.Overshoot (%) e ss T ss (s) Closedloop 3.5 0.02 27 Tracking setpoint naik 0.8 0.09 9.45 Tracking setpoint turun 0.068 0.0069 9.45 Uji noise variance 0.043% 5.5 0.029 36.5 Uji noise variance 1% 1.3675 0.03 18.2 Uji beban naik 1.07 0.0025 21.6 Uji beban turun 0 0.00241 40
Kesimpulan Tekanan output steam separator dapat dikendalikan dengan mengubah struktur plant separator. Perubahan struktur plant dilakukan dengan mengubah letak control valve yang semula memanipulasi flow steam masukan separator menjadi memanipulasi flow steam keluaran steam separator Controller MPC yang memberikan hasil pengendalian terbaik dalam simulasi ini menggunakan parameter-parameter kontrol sebagai berikut: control interval 0.1, prediction horizon 45, control horizon 1, bobot input 0, bobot laju 0.0923, dan bobot output 1.0833, dan constrain sinyal kontrol 4 ma-20 ma. Sistem kontrol MPC mampu mengendalikan tekanan dalam range 9.93 bar- 11.69 bar (constrain sinyal kontrol 4 ma- 20 ma) Sistem control MPC mampu bekerja dengan baik pada saat diberi noise dengan variance sebesar 0.043% dan 0.1% dan controller MPC memiliki ess yang di sekitar besar ketika diberi noise 10% ke atas. Sistem pengendali MPC mampu melakukan tracking setpoint baik naik maupun turun dan mampu meredam gangguan berupa kenaikan dan penurunan temperatur steam pada gathering sistem dengan performansi yang baik
LOGO
Fungsi kriteria Nilai optimal ΔU(k) dapat dihitung dengan membuat gradien dari V(k) bernilai 0, sehingga didapatkan nilai optimal dari perubahan sinyal kontrol ΔU(k)