CARA MENGKAJI PIPING & INSTRUMENTATION DIAGRAM Oleh: Cahyo Hardo Priyoasmoro Moderator Milis Migas Indonesia Bidang Keahlian Process Engineering
PENDAHULUAN Menurut hemat saya, selama bekerja di operasi produksi pabrik minyak dan gas bumi industri hulu, terlihat bahwa kekurangsempurnaan seseorang dalam mengartikan gambar P&ID terletak pada pengetahuan yang kurang terhadap unit operasi, keterkaitan antar unit operasi, plant safety, serta perhatian detil pada catatan-catatan kaki di P&ID itu sendiri. Tidak dimengertinya atau tidak dibacanya Process Flow Diagram atau PFD juga merupakan faktor penyumbang yang cukup significant. Tulisan ini diperuntukkan bagi mereka yang bekerja di front line operation, para operator, para process engineer, operation engineer, dan mereka yang berminat terhadap surface facility operation. Diusahakan dalam tulisan ini, seminimal mungkin menghilangkan hal-hal yang terlalu teknik karena konsumen utamanya adalah para operator dan pekerja lapangan. Di dalam tulisan ini, ada beberapa tebakan yang memancing para pembaca untuk berpikir. Diusahakan tebakannya adalah hal-hal praktis yang akan ditemui di lapangan. Jawaban tebakan ini ada di halaman akhir tulisan. Beberapa bagian dari tulisan ini pernah dipublikasikan di milis migas Indonesia, ataupun milis Teknik Kimia ITB, hanya saja sedikit diubah guna mendukung tema dari tulisan ini. Semoga berguna dan tiada maksud untuk menggurui. Salam, Cahyo Hardo
DAFTAR ISI Prinsip Kerja Beberapa Alat Proses Separator Prinsip Control Sederhana Elemen Pengendali Akhir Steap A head: Pengenalan kurva Karakteristik Sumur Pompa Sentrifugal Prinsip kerja pompa sentrifugal Karakteristik kurva pompa sentrifugal Operasi seri-paralel Minimum re-circulation Prinsip control di pompa sentrifugal Lead and lag principle Kompresor Sentrifugal Karakteristik kurva Surge Stonewall Prinsip control kompresor sentrifugal capacity vs surge control Safety yang tergambarkan di P&ID Kekuatan material yang tertampilkan di P&ID MAWP vessel, pipa, serta flange Kelas-kelas kekuatan pipa (ANSI rating, API rating) Specification Break Pengenalan Pressure Safety Valve: konsep perancangannya Shutdown System instrumented-based Overpressure protection : separator, pompa, kompresor Overpressure protection : by-pass control valve, reducing flow (menggunakan RO, limited pipe diameter), fail-safe condition (control valve fail open, fail closed, fail at last position), lock open dan lock closed Sistem pembuangan fluida (Flare system, burn pit) Membaca P&ID Pengenalan Legenda Pengenalan valve Tanda-tanda khusus Tipe pengendalian (selector, cascade, on-off) Memperhatikan catatan kaki
Cara Mengkaji P&ID dengan benar Apa P&ID itu? Adalah Piping and Instrumentation Diagram Syarat untuk dapat mengkajinya: 1. Adanya PFD (Process Flow Diagram) 2. Mengerti dasar-dasar/prinsip kerja unit operasi serta kelakuan masukan dan keluarannya serta keterkaitan antar unit operasi 3. Mengerti dasar-dasar process control atau pengendalian proses 4. Mengerti tentang process safety Sesungguhnya, P&ID hanyalah rangkuman operating manual suatu pabrik, sehingga, bagaimana pabrik itu dioperasikan, dapat terlihat dengan jelas. Terkadang, jika lebih jeli, maka konsep safety dari suatu pabrik dapat pula dilacak. Semuanya sangat tergantung, sampai sejauh mana kita gali. Adalah hal yang penting bagi para pembaca P&ID untuk mengerti unit operasi yang menjadi subyek di dalam P&ID.
Bab 2, Lanjutan Gambar 6 28 ft s. g. = 0.85 minyak mentah A 231 ft P1 10. 4 psig 10 km Pd 24 ft s. g. = 1.0 Air B P2 10. 4 psig Gambar 6 di atas adalah gambar 5 tetapi flow control valve di keluaran pompa dicopot, serta fluida cairnya diganti dari naphta menjadi minyak mentah. Jika pada gambar 5, untuk menghasilkan tekanan di suction pumpa sebesar 10,4 psig mempunyai aras/level cairan di tangki setinggi 40 ft jika tangki berisi naphta dengan sg = 0,6, maka pada gambar 6, untuk minyak mentah dengan sg 0,85 akan memberikan aras/level cairan setinggi 28 ft untuk suatu tekanan suction pompa yang sama. Apakah pernyataan tersebut benar? Berapakah angka pasti dari aras/level cairan di dalam tangki yang berisi minyak mentah? Apa yang bisa kita simpulkan dari gambar 6? Atau pertanyaan yang lebih khusus, berapakah tekanan sembur pompa jika minyak mentah dipompakan, jika air dipompakan, berapakah masingmasing laju alirnya? Kenapa ditanya masing-masing laju alirannya, apakah memang berbeda, dan kenapa? Kalau instalasi seperti gambar 6 sudah terpasang di lapangan, cara yang paling gampang untuk menjawab pertananyaan di atas adalah dengan membaca langsung tekanan sembur pompa, atau Pd lewat pressure gauge terpasang. Pompakan minyak mentah dan bacalah tekanan sembur
pompanya, pompakan air dan bacalah tekanan sembur pompanya. Bagaimanakah dengan laju alir pompanya? Jawabannya cukup sederhana, yaitu, hitunglah penurunan level atau aras tangki pengumpan pada suatu beda waktu tertentu, dan dengan mengetahui dimensi tangki, dapatlah kita laju alirnya. Atau ditulis dalam bahasa matematika: Penurunan level cairan di tangki pengumpan x luas permukaan tangki pengumpan / waktu pemompaan. Atau untuk tangki penerima, menjadi: Kenaikan level cairan di tangki penerima x luas permukaan tangki penerima / waktu pemompaan Masalahnya adalah, di lapangan, tidak semua dapat diperlakukan demikian. Sistem di gambar 6 diasumsikan beroperasi secara batch dan tidak kontinyu. Bagaimana kalau pipa air atau minyak mentahnya terus menerima aliran dari sumber lain serta tangki penerima di bukit juga mengeluarkan cairan yang diterimanya dari pompa? Sebenarnya hal ini masih bisa didebat dengan pertanyaan seperti ini, apakah tidak ada cara agar sementara waktu sistem pemompaan tersebut dibuat batch, maksudnya dihentikan semua aliran masukan ke tangki minyak dan air, serta dihentikannya pengurasan cairan di tangki penerima di bukit? Masih ada masalah lain, bagaimana kalau sistem pemompaan yang menggunakan perpipaan yang sama tetapi dengan lokasi stasiun pompa yang berbeda dengan (lebih dari satu pompa) dan mempunyai tujuan tangki penerima yang sama (seperti operasi perpipaan minyak via trukline)? Anyway, kita tidak akan memperpanjang masalah teknis ini. Anggap saja tidak dapat dilakukan, lalu bagaimana. Akankah dengan berbekal tekanan sembur dan tekanan suction kita sudah dapat menebak laju alir pompa? Jawabannya tentu saja Ya! Hanya saja, seorang operator mungkin tidak dapat melakukannya, kecuali dia mengerti bagaimana membuat suatu grafik system head di perpipaan pompa tersebut. System head, terdiri dari static head dan friction head. Static head adalah tekanan atau head yang dianggap tidak dipengaruhi oleh aliran. Umumnya direpresentasikan oleh beda ketinggian antara tangki pengumpan dan penerima atau beda tekanan antara tekanan pengumpan atau penerima. Friction head adalah head yang terjadi karena adanya aliran di dalam perpipaan.
Marilah kita melihat gambar P&ID sederhana berikut: 231 ft 10 km 28 ft s. g. = 0.85 minyak mentah 70 m Jika gambar di atas diterjemahkan ke dalam bahasa grafik kinerja keseluruhan sistem pemompaan, maka menjadi demikian: KURVA KINERJA POMPA HEAD, FT 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 STATIC HEAD A B C 0 0 200 400 600 800 1000 1200 LAJU ALIR, GPM Friction head pipa 8 in Diameter pipa 8 in Friction head pipa 10 in Diameter pipa 10 in
Kurva A menunjukkan kurva kinerja pompa. Kurva B dan C adalah kurva yang menunjukkan hilang tekan atau pressure drop sepanjang perpipaan dari suction tank sampai ke tangki tujuan jika diamaternya masing masing 8 dan 10 in. Terlihat tulisan static head yang merupakan beda ketinggian antara level cairan di tangki penampung dengan suction tank, atau sebesar 231 28 ft = 203 ft. Perhatikan bahwa system head dipengaruhi oleh diameter pipa sistem pemompaan. Semakin besar diameter pompa, maka kurva system head akan semakin landai. Lihatlah kurva C yang mewakili diameter pipa 10 in yang lebih landai dari kurva B yang mewakili diameter pipa 8 in. Ini sejalan dengan rumus pressure drop atau hilang tekan, di mana hilang tekan atau yang dalam kurva tersebut dinyatakan dalam bentuk friction head adalah berbanding terbalik dengan diameter. Untuk suatu laju alir tertentu, semakin besar diameter, maka hilang tekan juga akan mengecil. Dinyatakan dalam hubungan matematika sederhana: Friction head = fungsi (K, Q 2 1/diameter 5 ), dengan K adalah besaran yang didalamnya terdapat besaran lain dari pipa seperti roughness, panjang pipa, serta transport properties dari fluida). Q adalah laju alir cairan di dalam pipa. Persamaan tersebut tidak dimaksudkan untuk dibahas lebih detil dalam tulisan ini. Perpotongan antara kurva B dan C dengan kurva A menunjukkan laju alir pompa beserta head yang dihasilkan pompa. Perpotongan kurva A dan B, yaitu untuk system head dengan perpipaan 8 in, akan menghasilkan laju alir pompa sebesar kira-kira 750 GPM, sedangkan untuk pipa 10 in, yang diwakili oleh perpotongan kurva A dan C menghasilkan laju alir pompa kira-kira 950 GPM. Besaran 203 ft, yang disebut sebagai static head, diasumsikan tidak terpengaruh dengan adanya aliran pemompaan. Jika setelah waktu berjalan dengan tidak adanya masukan ke tangki pengumpan dan tidak adanya keluaran dari tangki penerima, maka besaran perbedaan ketinggian cairan antara dua tangki akan naik, sehingga static head juga akan naik. Bagaimanakan efeknya terhadap laju alir keseluruhan? Misalnya, pada waktu pemompaan ke sekian jam, maka level di tangki penerima akan naik menjadi x ft dan level di tangki penumpang turun menjadi y ft sedemikian rupa sehingga total perbedaan ketinggian cairan di tangki menjadi 300 ft, maka bagaimanakah laju alir pompanya? Perhatikan gambar kurva berikut di bawah ini dengan memilih diameter pipa sebesar 10 in.
KURVA KINERJA POMPA HEAD, FT 1700 1600 1500 1400 Diameter pipa 10 in 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 STATIC HEAD 0 0 200 400 600 800 1000 1200 LAJU ALIR, GPM Apakah yang berubah? Ternyata setelah sekian lama dipompakan, tanpa ada aliran masuk ke tangki pengumpan atau aliran yang keluar dari tangki penerima, maka static head akan bertambah, sehingga laju pemompaan berubah dari 950 GPM menjadi hanya sekitar 900 GPM saja. Berapa psi penurunan tekanan sembur di pompa jika static head naik dari 203 menjadi 300 ft? Ingat, tekanan sembur bersatuan psig sehingga kita harus merubah satuan dari ft ke psi terlebih dahulu. Jika kurva system head digantikan oleh pipa berdiamater 8 in, apakah penurunan laju aliran karena perbedaan static head akan selalu berkurang secara linear mengacu pada kurva yang menggunakan pipa 10 in? Tentukan, benar atau salah pernyataan-pernyataan berikut ini: 1. Laju alir pompa akan lebih besar pada sistem pemompaan yang mempunyai pipa keluaran berdiameter 8 in dibandingkan dengan sistem pemompaan yang mempunyai pipa keluaran 2 buah sistem perpipaan identik yang berdiameter masing-masing 6 in. Panjang dari perpipaan tersebut adalah identik. Misalnya, jika panjang pipa sistem pemompaan yang pipanya berdiameter 8 in adalah 10 km, maka sistem pemompaan kedua yang mempunyai dua sistem perpipaan yang identik, panjangnya juga masingmasing 10 km. (Petunjuk, ingatlah kembali rumus dasar friction head sebagai fungsi dari diameter pipa serta cara membaca kurva pompa vs system head) 2. Kurva kinerja pompa head vs laju alir tidak terpengaruh dengan perubahan densitas cairan yang dipompakan
3. Kurva kinerja pompa differential pressure (dp) vs laju alir terpengaruh oleh perubahan densitas cairan yang dipompakan System head Sejauh ini, kita hanya membicarakan tentang bagaimana cara membaca laju alir dan head. Bagaimanakah sebenarnya cara membuat kurva system head itu? Pertanyaan ini tidak dimaksudkan untuk operator lapangan, tetapi wajib bagi engineer yang berkecimpung di dunia pemompaan untuk tahu lebih dalam. System head pada dasarnya adalah hasil hitungan, di mana untuk berbagai laju alir cairan yang melintasi pipa, maka akan didapat hilang tekan atau pressure drop atau friction head yang bersesuaian. Dengan mem-plot-kan persamaan: friction head = fungsi (K, Q 2 1/diameter 5 ), maka untuk setiap nilai Q, akan didapatkan nilai friction head. Pertanyaannya adalah untuk pipa yang mana saja? Cukup pipa keluaran pompa atau meliputi bagian suction juga? Jawabannya adalah meliputi semuanya. Akan tetapi, biasanya, friction head di bagian suction pipe diabaikan karena besarannya tidak significant dibandingkan dengan perpipaan di keluaran pompa. Laju alir yang divariasikan untuk mendapatkan friction head, biasanya bersesuaian dengan laju alir pemompaan yang digambarkan oleh kurva kinerja pompa. Kecuali, jika hendak mengoperasikan dua pompa sentrifugal secara parallel, rentang besaran hitungan friction head harus diperlebar guna melihat kinerja kurva gabungan. Kinerja Kurva Gabungan Pompa Apakah kinerja kurva gabungan pompa itu? Yaitu kurva kinerja pompa yang dibuat karena terjadinya operasi yang bersamaan dari 2 pompa atau lebih. Operasi pemompaan lebih dari satu pompa umumnya dilakukan karena hal-hal berikut, yaitu adanya kebutuhan untuk menaikkan laju alir pemompaan serta adanya kebutuhan untuk menaikkan tekanan sembur pompa sehingga cairan dapat dialirkan pada laju alir yang dikehendaki. Kebutuhan pertama dapat dipenuhi dengan mengoperasikan pompa secara parallel, sedangkan kebutuhan yang kedua dapat dipenuhi dengan mengoperasikan pompa secara seri. Operasi Pompa Paralel Jika dua buah pompa identik dioperasikan secara parallel, maka pada semua rentang daerah operasi di kurva pompa, untuk head yang sama, maka akan memberikan angka laju alir sebesar dua kali lipat jika dibandingkan dengan hanya satu pompa yang beroperasi. Perhatikan, pernyataan ini sering menjebak bahwa jika kita mempunyai 2 buah pompa, katakanlah masing-masing berkapasitas 20.000 bpd, maka jika pompa kedua yang identik dioperasikan secara parallel dengan pompa pertama, maka kita pasti mendapatkan laju alir pemompaan sebesar 2 x 20.000 bpd = 40.000 bpd. Ini tidak benar! Perhatikan pernyataan di atas bahwa untuk head yang sama, maka akan memberikan angka laju alir sebesar dua kali lipat jika dibandingkan dengan hanya satu pompa yang beroperasi, hanya berlaku pada daerah operasi di kurva kinerja pompa. Padahal, yang menentukan laju alir pemompaan adalah titik perpotongan antara kurva kinerja pompa dengan system head. Sekarang kita akan coba membuat kurva gabungan pompa yang dioperasikan secara parelel.
Diketahui sg minyak bumi adalah 0.85 Tekanan hisap atau suction pressure adalah 5 psig Data kurva kinerja pompa Feet of head, ft Laju alir, GPM 1527 0 1468 146 1413 292 1332 467 1196 685 1033 904 815 1108 Bentuk ft diubah menjadi dp pompa. Untuk itu digunakan rumus: Ft x s.g / 2.31 = dp Ft x s.g / 2.31 = P disch P suct, atau Ft x 0.85 / 2.31 = P disch P suct. dp dalam psi. Untuk laju alirnya diubah dari GPM menjadi BPD dengan menggunakan rumus konversi unit: BPD = GPM/42 x 60 x 24 Sehingga Data kinerja pompa menjadi dp, psi Laju alir, BPD 562 0 540 5006 520 10011 490 16011 440 23486 380 30994 300 37989 Untuk memparalel-kan dua pompa identik dengan data kinerja pompa di atas, maka didapatkan table seperti berikut: dp, psi Laju alir, BPD Laju alir, 2 x BPD 562 0 0 540 5006 10011 520 10011 20023 490 16011 32023 440 23486 46971 380 30994 61989 300 37989 75977 Jika data tersebut digambarkan dalam suatu kurva, maka jadilah seperti berikut:
KURVA KINERJA POMPA TUNGGAL & KURVA KINERJA 2 POMPA IDENTIK YANG DIOPERASIKAN SECARA PARALEL 600 500 KURVA POMPA GABUNGAN PARALEL 400 KURVA POMPA TUNGGAL dp, PSI 300 200 100 Q3 Q4 = 2 X Q3 Q1 Q2 = 2 X Q1 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 LAJU ALIR, BPD Jika memperhatikan garis merah dan biru, maka pernyataan: Jika dua buah pompa identik dioperasikan secara parallel, maka pada semua rentang daerah operasi di kurva pompa, untuk head yang sama, maka akan memberikan angka laju alir sebesar dua kali lipat jika dibandingkan dengan hanya satu pompa yang beroperasi, jelaslah sudah. Jika hendak membuktikan pernyataan bahwa jika dua buah pompa sentrifugal identik yang dioperaskan secara parallel tidak akan menghasilkan laju alir sebesar dua kalinya, maka perhatikan kurva di bawah yang menggabungkan kurva di atas dengan system head perpipaan.
KURVA KINERJA POMPA TUNGGAL & KURVA KINERJA 2 POMPA IDENTIK YANG DIOPERASIKAN SECARA PARALEL VS SYTEM HEAD 600 500 KURVA GABUNGAN PARALEL 400 dp, PSI 300 KURVA POMPA TUNGGAL 200 SYSTEM HEAD 100 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 LAJU ALIR, BPD Satu pompa sentrifugal akan menghasilkan laju alir sekitar 32.000 bpd sedangkan gabungan parallel 2 pompa sentrifugal akan menghasilkan laju alir bukan 64.000 bpd tetapi hanya sekitar 40.000 bpd. Ini sekali lagi untuk menjelaskan bahwa laju alir dan tekanan sembur pompa ditentukan oleh system head dan bukan oleh kurva kinerja pompanya. Maka, dengan demikian seharusnya pertanyaan nomor 4 dari halaman sebelumnya, yaitu - mencoba menaikkan kapasitas pompa dua kali lipat dengan menjalankan pompa stand-by tetapi kenaikkan dua kali kapasitas tidak pernah terjadi- sudah terjawab. Sekarang, marilah kita sedikit lebih membumi dengan mencoba menganalisa persoalan praktis di lapangan. Jika instalasi di lapangan sudah terpasang dengan sistem pemompaannya memperbolehkan operasi untuk menggunakan pompa sentrifugal secara parallel, bagaimana operator atau operation engineer tahu laju alir yang dihasilkan oleh 2 pompa tersebut padahal tidak ada flowmeter yang terpasang? Catatan: 1. operasi pemompaannya adalah continue dan tidak dapat dibuat batch. 2. Kinerja pompa dapat dikatakan handal dan mirip dengan kinerja kurva originalnya. Apakah operator atau engineer di lapangan harus menghitung system head dulu? Apakah juga harus membuat kurva gabungan dua pompa dahulu.? Hanya berbekal kurva original kinerja pompa tunggal serta data tekanan hisap dan tekanan sembur, sudah cukup bagi kita untuk dapat menjawabnya. Silakan mencoba. Bersambung..
Referensi untuk Bab ini adalah: A Working Guide to Process Equipment, Norman & Elizabeth Lieberman, McGraw Hill 1997. Handbook of Chemical Engineering Calculations, 2 nd Edition, by Nicholas P. Chopey, McGraw Hill 1994. Surface Production Operation, Ken Arnold and Maurice Stewart PhD.