Analisis Kinerja Sistem Pengendalian Tek
1
Analisis Kinerja Sistem Pengendalian Tekanan
dan Level Pada Scrubber PV-3700 di JOB
Pertamina – Petrochina Jawa Timur
Prayogo Kukuh. Rindiarto, dan Dr. Ir. Totok Soehartanto, DEA
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected]
Abstrak—Scrubber PV-3700 adalah separator dua fasa yang
memisahkan fraksi liquid yang terkandung dalam gas alam.
Sistem pengendalian pada separator ini memiliki dua
manipulated variable (MV) laju aliran output gas QGout dan
liquid QLout dengan dua variabel proses (PV) tekanan gas dan
level kondensat. Deviasi laju aliran input Qin dan temperatur
dianggap sebagai disturbance. Perubahan temperatur akan
berbanding lurus dengan laju aliran fraksi gas dan berbanding
terbalik dengan laju aliran fraksi liquid. Sedangkan hasil
respon terhadap disturbance deviasi laju aliran masukan Qin
menyebabkan penyimpangan dari set-point tekanan lebih
signifikan dibandingkan level. Pengaruh disturbance terhadap
level sangat kecil diakibatkan perbandingan komposisi fraksi
gas yang dominan terhadap liquid pada aliran gas-liquid yang
masuk. Dengan pengendali feedback, deviasi ini mampu
dikembalikan responnya ke set-point sehingga sistem dapat
kembali ke keadaan stabil.
Kata Kunci—disturbance, feedforward control, gas-kondensat,
pengendali PID, Scrubber
I. PENDAHULUAN
crubber merupakan bagian dari unit Gas Sweetening
yang berfungsi untuk memisahkan fraksi berat yang
terikut ke dalam gas. Di dalam scrubber fasa liquid yang
terbawa dalam aliran gas akan dipisahkan sehingga diperoleh
gas yang bebas liquid. Scrubber dapat memiliki bentuk
vertikal maupun horizontal yang terpasang di unit-unit
pengolahan gas. Cairan (liquid) yang tertinggal di dalam
scrubber sebagai kondensat dapat dijadikan nilai tambah
produk dimana semakin banyak jumlah gas yang dikeringkan
maka semakin banyak kondensat yang didapat. Prinsip
pemisahan liquid dan gas pada scrubber yaitu berdasarkan
gravity settling.
Pada Scrubber PV-3700 di JOB-PPEJ dihasilkan produk
output berupa gas dan produk liquid berupa kondensat untuk
dijual. Gas-kondensat adalah campuran hidrokarbon yang
memiliki rasio perbandingan antara fasa gas dengan oil yang
tinggi dan memiliki berat molekul yang tinggi akibat terdapat
fraksi hidrokarbon berat yang terkandung.
Scrubber PV-3700 memisahkan fasa gas dan fasa liquid
dari campuran gas-kondensat hasil pendinginan cooler AC3050.
Sistem pemisahan gas-kondensat pada PV-3700
adalah sistem multi input multi output (MIMO). Manipulated
variable (MV) dalam sistem ini yaitu laju aliran gas output
QGout dan liquid output QLout yang besarnya diatur dai
manipulasi opening percentage dari control valve PCV-3717
dan LCV-3715. Sedangkan variabel yang dikendalikan atau
process variable (PV) yaitu besarnya pressure dan level liquid
S
dalam scrubber yang dibaca oleh sensor PT-3709 dan LT3704. Sedangkan laju aliran gas-kondensat yang masuk tidak
tetap dan tergantung dari produksi gas yang dihasilkan
sehingga variabilitasnya dapat memengaruhi performa
pengendali yang ada.
Dalam tugas akhir ini dilakukan penelitian mengenai
analisa kinerja sistem pengendali tekanan dan level di Gas
Scrubber PV-3700 terhadap variasi gangguan perubahan
temperatur dan laju aliran gas-kondensat yang masuk.
II.DASAR TEORI
A. Scrubber
Scrubber atau yang biasa dikenal sebagai Two-phase
Separator atau Gas-Liquid Separator merupakan peralatan
yang bekerja untuk menjernihkan gas dari kondensat yang
masih tercampur di dalam gas agar dihasilkan produk sesuai
permintaan pembeli. Scrubber dapat memiliki bentuk
vertikal maupun horizontal yang terpasang di unit-unit
pengolahan gas.
Proses pemisahan/separasi dua fasa gas-liquid sering
dilakukan dalam berbagai macam industri seperti industri
nuklir, kimia dan perminyakan dimana proses pemisahannya
dapat berdasarkan gaya gravitasi dan sentrifugal.
Gambar. 1. Gas-Liquid Separator
B. Gas Liquid Cylindrical Cyclone (GLCC)
Salah satu jenis separator dua fasa yang sering digunakan
yaitu jenis separator cyclone atau gas-liquid cylindrical
cyclone (GLCC). Pengendali pada GLCC memiliki dua
aktuator yang terdapat pada outlet gas (GCV) dan liquid
(LCV). Model dinamik proses separasi gas dan liquid dalam
2
kolom GLCC dapat
kesetimbangan massa
diturunkan
dari
persamaan
.
Gambar. 2. Skema Sistem Kontrol Separasi Gas-Liquid GLCC
III. METODOLOGI
Gambar. 3. Daigram Alir Penelitian
A. Pemodelan Plant Scrubber PV-3700
Pemodelan plant pada penelitian ini adalah pemodelan
sistem pengendalian tekanan dan level berdasarkan hukum
kesetimbangan massa menggunakan pendekatan model
separator Gas-Liquid Cylindrical Cyclone (GLCC).
Gambar. 4. Diagram Sistem Pengendalian Tekanan dan Level Scrubber PV3700
Dalam melakukan pemodelan plant digunakan beberapa
asumsi yaitu:
Temperatur scrubber (T) tetap
compressible factor gas inlet tetap
massa jenis gas dan liquid konstan
Tidak ada perubahan fasa dalam vessel
Secara umum, penurunan persamaan kesetimbangan massa
dapat ditunjukkan sebagai berikut:
(1)
(2)
(3)
3
1) Kesetimbangan Massa Liquid
(13)
(4)
Persamaan 4 dapat diturunkan berdasarkan hubungan
geometri scrubber dan perubahan level liquid dengan
laju perubahan volume liquid
(5)
Fungsi alih proses I (dinamika level) yaitu sebagai
berikut
(6)
2) Kesetimbangan Massa Gas
Kesetimbangan massa fasa gas dalam scrubber
didasari oleh turunan parsial persamaan keadaan gas
non ideal terhadap waktu.
(6)
3) Persamaan Level Liquid dan Tekanan Gas
Bertambanya volume liquid yang masuk sama dengan
pengurangan volume gas di dalam scrubber.
(7)
Dengan memasukkan data operasional sebagai keadaan
referensi maka didapatkan fungsi alih tekanan
D.Simulasi Open Loop
Dilakukan variasi disturbance berupa perubahan laju
aliran input Qin dan temperatur pendinginan sour gas
keluaran cooler (gas-kondensat) T. Pengujian dilakukan
dalam kondisi open loop pada mode manual. Nilai
manipulated variable (OP) pada kontroler diubah dengan
memberikan masukan step sebesar sekian % pada waktu
tertentu sehingga diperoleh responnya dimana nilai OP yang
divariasikan adalah persentase bukaan valve upstream PCV3717 dan valve downstream LCV-3715.
E. Penerapan Pengendali
Pengendali yang digunakan pada PIC-3709 dan LIC3715 menggunakan mode Proportional, Integral, Derivative
atau PID. Parameter PID yang digunakan yaitu dengan nilai
Kp=1, Ti=2 dan Td=0 pada loop pengendalian tekanan dan
untuk loop pengendalian level yaitu Kp=20, Ti=10 dan
Td=0.25.
Uji pembebanan
disturbance
dilakukan
untuk
mengetahui kestabilan sistem saat diberi gangguan. Sistem
dapat dikatakan stabil terhadap gangguan jika respon variabel
proses dapat kembali ke set-point setela mengalami deviasi.
Disturbance yang diberikan yaitu deviasi laju aliran input
scrubber Qin dan temperatur dari nilai referensi awal.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
(8)
B. Pemodelan Matematik Aktuator
Control valve yang terdapat pada sisten scrubber PV-3700
adalah PCV-3717 yang mengatur laju aliran output upstream
sales gas dan LCV-3715 yang mengatur laju aliran output
downstream kondensat. Tv adalah time stroke yang bernilai
1,5 detik dan Rv bernilai 0,03 detik untuk jenis diapraghm
akan didapatkan time constant sebesar 2.575 detik. Dengan
memasukksan gain control valve sehingga akan didapat
fungsi alih control valve sebagai berikut.
(10)
(11)
C.Pemodelan Matematik Transmitter
Sensor pada pengendalian level dan tekanan memiliki tag
number PI-3709 dan LT-3715. Fungsi alih pressure
transmitter didapatkan dengan memasukkan pendekatan time
constant dari pressure transmitter sebesar 0.2 detik dan gain
transmitter.
(12)
Level Transmitter bekerja pada range 130 hingga 890 mm
dan memiliki output dengan range 4–20 mA. Fungsi alih
level transmitter yaitu sebagai berikut
A. Validasi Data
Dari hasil simulasi di perangkat lunak Hysys diperoleh
data laju aliran fraksi gas QGin dan liquid QLin yang digunakan
dalam pemodelan. Untuk mengetahui bahwa data tersebut
dapat merepresentasikan data sebenarnya maka dilakukan
validasi dengan menggunakan hasil perhitungan manual.
Data parameter yang dibandingkan yaitu massa jenis fraksi
gas-liquid, faktor-Z dan massa molekul relatif M r gas.
Tabel 3.1 Validasi Hasil Perhitungan dengan Simulasi
Hasil
Parameter
Error (%)
Perhitungan
Hysys
ΡG
7.913
7.795
1.491
ρL
721.274
691.076
4.187
Mr(G)
33.466
32.742
2.166
Z (97.8 F, 86.9
0.98409
0.97731
0.689
psia)
Hasil validasi menunjukkan nilai error yang kecil sehingga
data hasil simulasi Hysys dapat digunakan dalam pemodelan.
B. Uji Open Loop Sistem
1) Pengaruh Laju Aliran Input
Dilakukan variasi gangguan berupa laju aliran gaskondensat pada kondisi open loop dari keadaan steady state.
Pengujian dilakukan pada rentang 6.5 hingga 7.5 mmscfd
dari keadaan normal di 7,1 mmscfd. Tujuan uji ini agar
diperoleh hubungan seberapa besar laju aliran output
upstream dan downstream
yang dibutuhkan untuk
mengimbangi perubahan laju aliran inlet agar sistem tetap
4
dalam keadaan setimbang. Perubahan laju aliran output yang
dibutuhkan dilakukan dengan mengubah nilai bukaan valve
(OP).
Gambar. 8. Uji perubahan temperatur tanpa pengendali terhadap level
Gambar. 5. Uji perubahan laju aliran inlet tanpa pengendali terhadap
tekanan
Gambar. 6. Uji perubahan laju aliran inlet tanpa pengendali terhadap
level
Berdasarkan respon open loop yang diperoleh didapatkan
bahwa pemberian gangguan berupa deviasi laju aliran inlet
membawa plant menuju ketidakstabilan sehingga pengendali
diperlukan untuk mengatasi gangguan tersebut. Dari grafik
diatas diketahui bahwa kenaikan laju aliran inlet
menyebabkan level kondensat dan tekanan gas di dalam
scrubber akan meningkat terus menerus.
2) Pengaruh Temperatur
Dilakukan variasi temperatur gas-kondensat yang masuk
pada rentang 70 hingga 120 0F untuk mengetahui
pengaruhnya terhadap tekanan dan level di scrubber tanpa
mengubah bukaan valve dan laju aliran inlet. Adapun hasil
yang diperoleh disajikan dalam gambar berikut
Kenaikan temperatur mengakibatkan kenaikan pada
tekanan gas dan penurunan level kondensat sedangkan
penurunan tempertaur mengakibatkan penurunan tekanan gas
dan kenaikan level kondensat. Perubahan temperatur
berpengaruh terhadap perubahan fraksi gas dan liquid
sehingga laju aliran fasa liquid Q Lin dan aliran fasa gas QGin
akan berubah. Fasa gas akan bertambah dan fasa liquid akan
berkurang saat temperatur dinaikkan. Namun saat temperatur
diturunkan akan fasa gas yang terbentuk akan berkurang dan
fasa liquid bertambah.
C.Uji Closed Loop Sistem
1) Uji Performansi dengan Disturbance Laju Alran Input
Dilakukan variasi pada laju aliran gas-kondensat input
pada rentang 6.5 hingga 7.5 mmscfd untuk mengetahui
pengaruhnya terhadap tekanan dan level didalam scrubber.
Selain itu pengujian ini dilakukan untuk mengetahui
performansi pengendali dalam mempertahankan sistem
dari deviasi terhadap setpoint ketika terdapat perubahan
laju aliran inlet. Pemberian disturbance diberikan saat
plant berada dalam kondisi steady state.
Gambar. 9. Grafik respon tekanan terhadap disturbance laju aliran inlet
Gambar. 7. Uji perubahan temperatur tanpa pengendali terhadap
tekanan
5
pengaruhnya terhadap tekanan dan level didalam scrubber.
Pengujian dilakukan dengan memberikan perubahan
temperatur secara step dengan nilai yang berbeda-beda.
Gambar. 10. Grafik respon level terhadap disturbance laju aliran inlet
Dari grafik diperoleh bahwa respon yang dihasilkan
menunjukkan bahwa tekanan dan level dapat kembali ke
keadaan set point setelah waktu tertentu setelah gangguan
diberikan. Hal ini menunjukkan bahwa pengendali feedback
mampu mengatasi disturbance temperatur yang terjadi pada
range 6.5 hingga 7.5 mmscfd. Namun disebabkan komposisi
fraksi gas yang jauh lebih dominan dibandingkan fraksi
liquid dengan perbandingan 97:3 % mol, pengaruh laju aliran
input pada perubahan level lebih kecil dibandingkan tekanan.
Performansi pengendali tekanan ditunjukkan pada tabel
berikut ini.
Gambar. 11. Grafik respon tekanan terhadap disturbance temperatur
Tabel 3.2 Parameter Performansi Pengendali Tekanan saat diberi
disturbance laju aliran input
Maximum
Rise
Settling
Disturbanc
No
Overshoo
time
Time
e
t
0.6050 s
2.6624 s
1
0.2429 %
6.5 mmscfd
0.6055 s
2.6633 s
2
0.1619 %
6.7 mmscfd
0.0807 %
0.6053 s
2.6629 s
6.9 mmscfd
4
0.0812 %
0.6051 s
2.6622 s
7.3 mmscfd
5
0.1629 %
0.6050 s
2.6618 s
7.5 mmscfd
3
Pemberian disturbance yang semakin besar
mengakibatkan kenaikan dari nilai overshoot. Dari grafik
pada gambar 9 hingga 10 diketahui jika kenaikan laju aliran
massa input menyebabkan kenaikan tekanan dan level pada
scrubber. Dengan bertambahnya laju aliran yang masuk maka
baik laju aliran fraksi gas QGin dan fraksi liquid QLin akan
meningkat sedangkan volum scrubber tetap, maka tekanan
dan level meningkat seiring dengan akumulasi gas dan
kondensat. Dari grafik terlihat pengaruh deviasi laju aliran
input lebih besar pada tekanan dibandingkan pada level.
Selain itu berdasarkan teori separasi gas-liquid pada
GLCC, tekanan dipengaruhi tidak hanya oleh laju aliran gas
melainkan juga dipengaruhi oleh volume ruang yang
menempatinya yang merupakan selisih dari laju aliran liquid
yang masuk dengan yang keluar.
2) Uji Performansi dengan Disturbance Temperatur
Dilakukan variasi pada temperatur gas-kondensat input
pada rentang 900F hingga 1100F untuk mengetahui
Gambar. 12. Grafik respon level terhadap disturbance temperatur
Sistem dikatakan stabil terhadap adanya gangguan jika
respon sistem dapat kembali menuju nilai set point ketika
sedang terjadi gangguan (disturbance). Dari grafik diperoleh
bahwa respon yang dihasilkan menunjukkan bahwa tekanan
dan level dapat kembali ke keadaan set point setelah waktu
tertentu setelah gangguan diberikan. Hal ini menunjukkan
bahwa pengendali feedback mampu mengatasi disturbance
temperatur yang terjadi pada range 90 0F hingga 1100F.
Namun disebabkan komposisi fraksi gas yang jauh lebih
dominan dibandingkan fraksi liquid pada keadaan awal,
pengaruh deviasi
temperatur pada level lebih kecil
dibandingkan tekanan. Performansi pengendali tekanan
ditunjukkan pada tabel berikut ini.
Tabel 3.3 Parameter Performansi Pengendali Tekanan saat diberi
Disturbance Temperatur
Maxsimu
Rise
Settling
Disturbanc
No
m
time
Time
e
Overshoot
1
0.0496 %
0.6050
2.6624 s
90 F
2
0.0163 %
0.6085
2.6732 s
95 F
6
3
0.0047 %
0.6027
2.6542 s
100 F
4
0.0553 %
0.5968
2.6357 s
105 F
5
0.1046 %
0.5915
2.6174 s
110 F
[3]
[4]
[5]
Pemberian
disturbance
yang
semakin
besar
mengakibatkan kenaikan dari nilai overshoot. Penurunan
temperatur gas kondensat yang masuk mengakibatkan
tekanan mengalami penurunan sedangkan level mengalami
kenaikan. Sebaliknya ketika temperatur dinaikkan maka
tekanan mengalami kenaikan dan level akan menurun. Hal
ini sesuai dengan teori perilaku gas kondensat yang
menyatakan densitas total gas kondensat akan bertambah
seiring denga penurunan temperatur dan densitas akan naik
seiring dengan penurunan tekanan. Densitas yang berubah
menyababkan perubahan perbandingan fraksi gas dan liquid
pada gas kondensat.
Penurunan temperatur mengakibatkan laju aliran liquid
mneingkat dan laju aliran gas menurun pada inlet scrubber.
Aksi pengendali feedback PIC akan mengirim sinyal ke
aktuator untuk mengurangi bukaan valve upstream agar
mengurangi flow gas yang keluar. Sedangkan pengendali LIC
akan mengirim sinyal ke aktuator untuk menambah bukaan
valve agar semakin besar flow liquid yang keluar.
Komposisi fraksi gas yang jauh lebih dominan
dibandingkan fraksi liquid pada keadaan awal menyebabkan
pengaruh deviasi temperatur pada level lebih kecil
dibandingkan tekanan.
[6]
V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dari hasil analisis data hasil pengujian sistem yang
telah dilakukan terhadap model matematik scrubber dan
dengan adanya sistem pengendali maka diperoleh beberapa
kesimpulan sebagai berikut :
Perubahan temperatur gas-kondensat akan berbanding
lurus dengan perubahan laju fraksi gas dan berbanding
terbalik dengan perubahan laju fraksi liquid.
Pemberian disturbance laju aliran masukan akan lebih
berpengaruh terjadap perubahan tekanan dibandingkan
level karena perbandingan komposisi fraksi gas yang
lebih dominan terhadap liquid pada gas-kondensat yang
masuk.
Respon sistem dengan pengendali PID dapat
mengembalikan tekanan dan level ke nilai set point
ketika terjadi gangguan pada laju aliran dan temperatur
masukan pada range yang diberikan.
[16]
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Ir. Totok
Soehartanto, DEA yang telah memberikan bantuan
bimbingannya selama proses pengerjaan tugas akhir ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
Devold, Håvard. 2013. Oil and gas production handbook An introduction
to oil and gas production, transport, refining and petrochemical. ABB Oil
and Gas
Poernomo, Djoko. 2013. Teknik Instrumentasi. Cepu : Sekolah Tinggi
Energi Dan Mineral (STEM) Akamigas
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[17]
[18]
[19]
Liu, H., Sun, C.Y., Yan, K.L., Ma, Q.L., Wang, J., Chen, G.J., Xiao, X.J.,
Wang, H.Y., Zheng, X.T., Li, S., 2013. Phase behavior and compressibility
factor of two China gas
ENI Saipem Indonesia, Separator Selection and Processing Sizing. CRCOR-ENG_PRC-001-E, 2013.
NORSOK Standard P-100, Norwegian Technology Center, Process System
Rev.2 November, 2001.
Huang Shanfang, Wen Yiqian, Wang Dong, “Performance analysis of gasliquid cylindrical cyclone (GLCC) separator with an inclined and
perforated wall”. Nuclear Science and Techniques 24. 2013 010603
Vu Trieu M., John P. “Modelling and Control Simulation for a Condensate
Distillation Column”. Papua New Guinea University of Technology
(UNITECH), Lae, Papua, New Guinea. 2012.
Sulzer Chemtech, Gas / Liquid Separator Technology, Winterthur,
Switzerland, 2000.
S. Wang, D. Marrelli, E. Kouba. “Performance Improvement of Gas Liquid
Cylindrical Cyclone Separators Using Integrated Level and Pressure
Control Systems” Journal of Energy Resources Technology, vol. 122,
Desember 2000.
R.S. Mohan, S. Wang, O. Shoham. “Dynamic Simulation and ControlSystem Design for Gas/Liquid Cylindrical Cyclone” Society of Petroleum
Engineers Journal, 2001.
Changjun Li, Yang Peng, Jingya Dong. “Prediction of the dew point
pressure for gas condensate using a modified PengeRobinson equation of
state and a four-coefficient molar distribution function” Journal of Natural
Gas Science and Engineering, vol. 27, pp. 967-978, 2015.
Supahar. “Kajian Numerik Sifat Densitas Sistem Hidrokarbon Gas
Kondensat Berbasis Komposisi Menggunakan Persamaan Soave RedlichKwong (SRK-EOS)”. Universitas Negeri Yogyakarta. 2005
Obuba. J, Ikiesnkimama, Ubani. C, Ekele. I. “Natural Gas Compressibility
Factor Correlation Evaluation for Niger Delta Gas Fields”. IOSR Journal
of Electrical and Electronics Engineering (IOSR-JEEE), vol. 6, issue 4, PP
01-10, Agustus 2013.
P. Perrot, A to Z of Thermodynamics. (Oxford University Press 1998),
ISBN 0-19-856552-6 1998
K. E. Starling dan J. L. Savidge. “Compressibility Factors of Natural Gas
and Other Related Hydrocarbon Gases”. American Gas Association
(AGA).1992
F. Gunterus. “Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses, Elex Media
Komputindo”. Jakarta. 1997.
Akbar, Amri. “Perancangan Sistem Pengendalian Pembakaran Pada Duct
Burner Waste Heat Boiler (Whb) Berbasis Logic Solver”. Jurusan Teknik
Fisika ITS: Surabya. 2008
F, Agus Handrian. “Perancangan Sistem Pengendalian Temperatur pada
Reboiler Metanol Recovery menggunakan Fuzzy Gain Scheduling PID di
PT. Eterindo Nusa Graha Gresik.” Institut Teknologi Sepuluh
Nopember:Surabaya. 2011.
Fisher Controls, 1996, Product Catalog, USA.
Analisis Kinerja Sistem Pengendalian Tekanan
dan Level Pada Scrubber PV-3700 di JOB
Pertamina – Petrochina Jawa Timur
Prayogo Kukuh. Rindiarto, dan Dr. Ir. Totok Soehartanto, DEA
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected]
Abstrak—Scrubber PV-3700 adalah separator dua fasa yang
memisahkan fraksi liquid yang terkandung dalam gas alam.
Sistem pengendalian pada separator ini memiliki dua
manipulated variable (MV) laju aliran output gas QGout dan
liquid QLout dengan dua variabel proses (PV) tekanan gas dan
level kondensat. Deviasi laju aliran input Qin dan temperatur
dianggap sebagai disturbance. Perubahan temperatur akan
berbanding lurus dengan laju aliran fraksi gas dan berbanding
terbalik dengan laju aliran fraksi liquid. Sedangkan hasil
respon terhadap disturbance deviasi laju aliran masukan Qin
menyebabkan penyimpangan dari set-point tekanan lebih
signifikan dibandingkan level. Pengaruh disturbance terhadap
level sangat kecil diakibatkan perbandingan komposisi fraksi
gas yang dominan terhadap liquid pada aliran gas-liquid yang
masuk. Dengan pengendali feedback, deviasi ini mampu
dikembalikan responnya ke set-point sehingga sistem dapat
kembali ke keadaan stabil.
Kata Kunci—disturbance, feedforward control, gas-kondensat,
pengendali PID, Scrubber
I. PENDAHULUAN
crubber merupakan bagian dari unit Gas Sweetening
yang berfungsi untuk memisahkan fraksi berat yang
terikut ke dalam gas. Di dalam scrubber fasa liquid yang
terbawa dalam aliran gas akan dipisahkan sehingga diperoleh
gas yang bebas liquid. Scrubber dapat memiliki bentuk
vertikal maupun horizontal yang terpasang di unit-unit
pengolahan gas. Cairan (liquid) yang tertinggal di dalam
scrubber sebagai kondensat dapat dijadikan nilai tambah
produk dimana semakin banyak jumlah gas yang dikeringkan
maka semakin banyak kondensat yang didapat. Prinsip
pemisahan liquid dan gas pada scrubber yaitu berdasarkan
gravity settling.
Pada Scrubber PV-3700 di JOB-PPEJ dihasilkan produk
output berupa gas dan produk liquid berupa kondensat untuk
dijual. Gas-kondensat adalah campuran hidrokarbon yang
memiliki rasio perbandingan antara fasa gas dengan oil yang
tinggi dan memiliki berat molekul yang tinggi akibat terdapat
fraksi hidrokarbon berat yang terkandung.
Scrubber PV-3700 memisahkan fasa gas dan fasa liquid
dari campuran gas-kondensat hasil pendinginan cooler AC3050.
Sistem pemisahan gas-kondensat pada PV-3700
adalah sistem multi input multi output (MIMO). Manipulated
variable (MV) dalam sistem ini yaitu laju aliran gas output
QGout dan liquid output QLout yang besarnya diatur dai
manipulasi opening percentage dari control valve PCV-3717
dan LCV-3715. Sedangkan variabel yang dikendalikan atau
process variable (PV) yaitu besarnya pressure dan level liquid
S
dalam scrubber yang dibaca oleh sensor PT-3709 dan LT3704. Sedangkan laju aliran gas-kondensat yang masuk tidak
tetap dan tergantung dari produksi gas yang dihasilkan
sehingga variabilitasnya dapat memengaruhi performa
pengendali yang ada.
Dalam tugas akhir ini dilakukan penelitian mengenai
analisa kinerja sistem pengendali tekanan dan level di Gas
Scrubber PV-3700 terhadap variasi gangguan perubahan
temperatur dan laju aliran gas-kondensat yang masuk.
II.DASAR TEORI
A. Scrubber
Scrubber atau yang biasa dikenal sebagai Two-phase
Separator atau Gas-Liquid Separator merupakan peralatan
yang bekerja untuk menjernihkan gas dari kondensat yang
masih tercampur di dalam gas agar dihasilkan produk sesuai
permintaan pembeli. Scrubber dapat memiliki bentuk
vertikal maupun horizontal yang terpasang di unit-unit
pengolahan gas.
Proses pemisahan/separasi dua fasa gas-liquid sering
dilakukan dalam berbagai macam industri seperti industri
nuklir, kimia dan perminyakan dimana proses pemisahannya
dapat berdasarkan gaya gravitasi dan sentrifugal.
Gambar. 1. Gas-Liquid Separator
B. Gas Liquid Cylindrical Cyclone (GLCC)
Salah satu jenis separator dua fasa yang sering digunakan
yaitu jenis separator cyclone atau gas-liquid cylindrical
cyclone (GLCC). Pengendali pada GLCC memiliki dua
aktuator yang terdapat pada outlet gas (GCV) dan liquid
(LCV). Model dinamik proses separasi gas dan liquid dalam
2
kolom GLCC dapat
kesetimbangan massa
diturunkan
dari
persamaan
.
Gambar. 2. Skema Sistem Kontrol Separasi Gas-Liquid GLCC
III. METODOLOGI
Gambar. 3. Daigram Alir Penelitian
A. Pemodelan Plant Scrubber PV-3700
Pemodelan plant pada penelitian ini adalah pemodelan
sistem pengendalian tekanan dan level berdasarkan hukum
kesetimbangan massa menggunakan pendekatan model
separator Gas-Liquid Cylindrical Cyclone (GLCC).
Gambar. 4. Diagram Sistem Pengendalian Tekanan dan Level Scrubber PV3700
Dalam melakukan pemodelan plant digunakan beberapa
asumsi yaitu:
Temperatur scrubber (T) tetap
compressible factor gas inlet tetap
massa jenis gas dan liquid konstan
Tidak ada perubahan fasa dalam vessel
Secara umum, penurunan persamaan kesetimbangan massa
dapat ditunjukkan sebagai berikut:
(1)
(2)
(3)
3
1) Kesetimbangan Massa Liquid
(13)
(4)
Persamaan 4 dapat diturunkan berdasarkan hubungan
geometri scrubber dan perubahan level liquid dengan
laju perubahan volume liquid
(5)
Fungsi alih proses I (dinamika level) yaitu sebagai
berikut
(6)
2) Kesetimbangan Massa Gas
Kesetimbangan massa fasa gas dalam scrubber
didasari oleh turunan parsial persamaan keadaan gas
non ideal terhadap waktu.
(6)
3) Persamaan Level Liquid dan Tekanan Gas
Bertambanya volume liquid yang masuk sama dengan
pengurangan volume gas di dalam scrubber.
(7)
Dengan memasukkan data operasional sebagai keadaan
referensi maka didapatkan fungsi alih tekanan
D.Simulasi Open Loop
Dilakukan variasi disturbance berupa perubahan laju
aliran input Qin dan temperatur pendinginan sour gas
keluaran cooler (gas-kondensat) T. Pengujian dilakukan
dalam kondisi open loop pada mode manual. Nilai
manipulated variable (OP) pada kontroler diubah dengan
memberikan masukan step sebesar sekian % pada waktu
tertentu sehingga diperoleh responnya dimana nilai OP yang
divariasikan adalah persentase bukaan valve upstream PCV3717 dan valve downstream LCV-3715.
E. Penerapan Pengendali
Pengendali yang digunakan pada PIC-3709 dan LIC3715 menggunakan mode Proportional, Integral, Derivative
atau PID. Parameter PID yang digunakan yaitu dengan nilai
Kp=1, Ti=2 dan Td=0 pada loop pengendalian tekanan dan
untuk loop pengendalian level yaitu Kp=20, Ti=10 dan
Td=0.25.
Uji pembebanan
disturbance
dilakukan
untuk
mengetahui kestabilan sistem saat diberi gangguan. Sistem
dapat dikatakan stabil terhadap gangguan jika respon variabel
proses dapat kembali ke set-point setela mengalami deviasi.
Disturbance yang diberikan yaitu deviasi laju aliran input
scrubber Qin dan temperatur dari nilai referensi awal.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
(8)
B. Pemodelan Matematik Aktuator
Control valve yang terdapat pada sisten scrubber PV-3700
adalah PCV-3717 yang mengatur laju aliran output upstream
sales gas dan LCV-3715 yang mengatur laju aliran output
downstream kondensat. Tv adalah time stroke yang bernilai
1,5 detik dan Rv bernilai 0,03 detik untuk jenis diapraghm
akan didapatkan time constant sebesar 2.575 detik. Dengan
memasukksan gain control valve sehingga akan didapat
fungsi alih control valve sebagai berikut.
(10)
(11)
C.Pemodelan Matematik Transmitter
Sensor pada pengendalian level dan tekanan memiliki tag
number PI-3709 dan LT-3715. Fungsi alih pressure
transmitter didapatkan dengan memasukkan pendekatan time
constant dari pressure transmitter sebesar 0.2 detik dan gain
transmitter.
(12)
Level Transmitter bekerja pada range 130 hingga 890 mm
dan memiliki output dengan range 4–20 mA. Fungsi alih
level transmitter yaitu sebagai berikut
A. Validasi Data
Dari hasil simulasi di perangkat lunak Hysys diperoleh
data laju aliran fraksi gas QGin dan liquid QLin yang digunakan
dalam pemodelan. Untuk mengetahui bahwa data tersebut
dapat merepresentasikan data sebenarnya maka dilakukan
validasi dengan menggunakan hasil perhitungan manual.
Data parameter yang dibandingkan yaitu massa jenis fraksi
gas-liquid, faktor-Z dan massa molekul relatif M r gas.
Tabel 3.1 Validasi Hasil Perhitungan dengan Simulasi
Hasil
Parameter
Error (%)
Perhitungan
Hysys
ΡG
7.913
7.795
1.491
ρL
721.274
691.076
4.187
Mr(G)
33.466
32.742
2.166
Z (97.8 F, 86.9
0.98409
0.97731
0.689
psia)
Hasil validasi menunjukkan nilai error yang kecil sehingga
data hasil simulasi Hysys dapat digunakan dalam pemodelan.
B. Uji Open Loop Sistem
1) Pengaruh Laju Aliran Input
Dilakukan variasi gangguan berupa laju aliran gaskondensat pada kondisi open loop dari keadaan steady state.
Pengujian dilakukan pada rentang 6.5 hingga 7.5 mmscfd
dari keadaan normal di 7,1 mmscfd. Tujuan uji ini agar
diperoleh hubungan seberapa besar laju aliran output
upstream dan downstream
yang dibutuhkan untuk
mengimbangi perubahan laju aliran inlet agar sistem tetap
4
dalam keadaan setimbang. Perubahan laju aliran output yang
dibutuhkan dilakukan dengan mengubah nilai bukaan valve
(OP).
Gambar. 8. Uji perubahan temperatur tanpa pengendali terhadap level
Gambar. 5. Uji perubahan laju aliran inlet tanpa pengendali terhadap
tekanan
Gambar. 6. Uji perubahan laju aliran inlet tanpa pengendali terhadap
level
Berdasarkan respon open loop yang diperoleh didapatkan
bahwa pemberian gangguan berupa deviasi laju aliran inlet
membawa plant menuju ketidakstabilan sehingga pengendali
diperlukan untuk mengatasi gangguan tersebut. Dari grafik
diatas diketahui bahwa kenaikan laju aliran inlet
menyebabkan level kondensat dan tekanan gas di dalam
scrubber akan meningkat terus menerus.
2) Pengaruh Temperatur
Dilakukan variasi temperatur gas-kondensat yang masuk
pada rentang 70 hingga 120 0F untuk mengetahui
pengaruhnya terhadap tekanan dan level di scrubber tanpa
mengubah bukaan valve dan laju aliran inlet. Adapun hasil
yang diperoleh disajikan dalam gambar berikut
Kenaikan temperatur mengakibatkan kenaikan pada
tekanan gas dan penurunan level kondensat sedangkan
penurunan tempertaur mengakibatkan penurunan tekanan gas
dan kenaikan level kondensat. Perubahan temperatur
berpengaruh terhadap perubahan fraksi gas dan liquid
sehingga laju aliran fasa liquid Q Lin dan aliran fasa gas QGin
akan berubah. Fasa gas akan bertambah dan fasa liquid akan
berkurang saat temperatur dinaikkan. Namun saat temperatur
diturunkan akan fasa gas yang terbentuk akan berkurang dan
fasa liquid bertambah.
C.Uji Closed Loop Sistem
1) Uji Performansi dengan Disturbance Laju Alran Input
Dilakukan variasi pada laju aliran gas-kondensat input
pada rentang 6.5 hingga 7.5 mmscfd untuk mengetahui
pengaruhnya terhadap tekanan dan level didalam scrubber.
Selain itu pengujian ini dilakukan untuk mengetahui
performansi pengendali dalam mempertahankan sistem
dari deviasi terhadap setpoint ketika terdapat perubahan
laju aliran inlet. Pemberian disturbance diberikan saat
plant berada dalam kondisi steady state.
Gambar. 9. Grafik respon tekanan terhadap disturbance laju aliran inlet
Gambar. 7. Uji perubahan temperatur tanpa pengendali terhadap
tekanan
5
pengaruhnya terhadap tekanan dan level didalam scrubber.
Pengujian dilakukan dengan memberikan perubahan
temperatur secara step dengan nilai yang berbeda-beda.
Gambar. 10. Grafik respon level terhadap disturbance laju aliran inlet
Dari grafik diperoleh bahwa respon yang dihasilkan
menunjukkan bahwa tekanan dan level dapat kembali ke
keadaan set point setelah waktu tertentu setelah gangguan
diberikan. Hal ini menunjukkan bahwa pengendali feedback
mampu mengatasi disturbance temperatur yang terjadi pada
range 6.5 hingga 7.5 mmscfd. Namun disebabkan komposisi
fraksi gas yang jauh lebih dominan dibandingkan fraksi
liquid dengan perbandingan 97:3 % mol, pengaruh laju aliran
input pada perubahan level lebih kecil dibandingkan tekanan.
Performansi pengendali tekanan ditunjukkan pada tabel
berikut ini.
Gambar. 11. Grafik respon tekanan terhadap disturbance temperatur
Tabel 3.2 Parameter Performansi Pengendali Tekanan saat diberi
disturbance laju aliran input
Maximum
Rise
Settling
Disturbanc
No
Overshoo
time
Time
e
t
0.6050 s
2.6624 s
1
0.2429 %
6.5 mmscfd
0.6055 s
2.6633 s
2
0.1619 %
6.7 mmscfd
0.0807 %
0.6053 s
2.6629 s
6.9 mmscfd
4
0.0812 %
0.6051 s
2.6622 s
7.3 mmscfd
5
0.1629 %
0.6050 s
2.6618 s
7.5 mmscfd
3
Pemberian disturbance yang semakin besar
mengakibatkan kenaikan dari nilai overshoot. Dari grafik
pada gambar 9 hingga 10 diketahui jika kenaikan laju aliran
massa input menyebabkan kenaikan tekanan dan level pada
scrubber. Dengan bertambahnya laju aliran yang masuk maka
baik laju aliran fraksi gas QGin dan fraksi liquid QLin akan
meningkat sedangkan volum scrubber tetap, maka tekanan
dan level meningkat seiring dengan akumulasi gas dan
kondensat. Dari grafik terlihat pengaruh deviasi laju aliran
input lebih besar pada tekanan dibandingkan pada level.
Selain itu berdasarkan teori separasi gas-liquid pada
GLCC, tekanan dipengaruhi tidak hanya oleh laju aliran gas
melainkan juga dipengaruhi oleh volume ruang yang
menempatinya yang merupakan selisih dari laju aliran liquid
yang masuk dengan yang keluar.
2) Uji Performansi dengan Disturbance Temperatur
Dilakukan variasi pada temperatur gas-kondensat input
pada rentang 900F hingga 1100F untuk mengetahui
Gambar. 12. Grafik respon level terhadap disturbance temperatur
Sistem dikatakan stabil terhadap adanya gangguan jika
respon sistem dapat kembali menuju nilai set point ketika
sedang terjadi gangguan (disturbance). Dari grafik diperoleh
bahwa respon yang dihasilkan menunjukkan bahwa tekanan
dan level dapat kembali ke keadaan set point setelah waktu
tertentu setelah gangguan diberikan. Hal ini menunjukkan
bahwa pengendali feedback mampu mengatasi disturbance
temperatur yang terjadi pada range 90 0F hingga 1100F.
Namun disebabkan komposisi fraksi gas yang jauh lebih
dominan dibandingkan fraksi liquid pada keadaan awal,
pengaruh deviasi
temperatur pada level lebih kecil
dibandingkan tekanan. Performansi pengendali tekanan
ditunjukkan pada tabel berikut ini.
Tabel 3.3 Parameter Performansi Pengendali Tekanan saat diberi
Disturbance Temperatur
Maxsimu
Rise
Settling
Disturbanc
No
m
time
Time
e
Overshoot
1
0.0496 %
0.6050
2.6624 s
90 F
2
0.0163 %
0.6085
2.6732 s
95 F
6
3
0.0047 %
0.6027
2.6542 s
100 F
4
0.0553 %
0.5968
2.6357 s
105 F
5
0.1046 %
0.5915
2.6174 s
110 F
[3]
[4]
[5]
Pemberian
disturbance
yang
semakin
besar
mengakibatkan kenaikan dari nilai overshoot. Penurunan
temperatur gas kondensat yang masuk mengakibatkan
tekanan mengalami penurunan sedangkan level mengalami
kenaikan. Sebaliknya ketika temperatur dinaikkan maka
tekanan mengalami kenaikan dan level akan menurun. Hal
ini sesuai dengan teori perilaku gas kondensat yang
menyatakan densitas total gas kondensat akan bertambah
seiring denga penurunan temperatur dan densitas akan naik
seiring dengan penurunan tekanan. Densitas yang berubah
menyababkan perubahan perbandingan fraksi gas dan liquid
pada gas kondensat.
Penurunan temperatur mengakibatkan laju aliran liquid
mneingkat dan laju aliran gas menurun pada inlet scrubber.
Aksi pengendali feedback PIC akan mengirim sinyal ke
aktuator untuk mengurangi bukaan valve upstream agar
mengurangi flow gas yang keluar. Sedangkan pengendali LIC
akan mengirim sinyal ke aktuator untuk menambah bukaan
valve agar semakin besar flow liquid yang keluar.
Komposisi fraksi gas yang jauh lebih dominan
dibandingkan fraksi liquid pada keadaan awal menyebabkan
pengaruh deviasi temperatur pada level lebih kecil
dibandingkan tekanan.
[6]
V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dari hasil analisis data hasil pengujian sistem yang
telah dilakukan terhadap model matematik scrubber dan
dengan adanya sistem pengendali maka diperoleh beberapa
kesimpulan sebagai berikut :
Perubahan temperatur gas-kondensat akan berbanding
lurus dengan perubahan laju fraksi gas dan berbanding
terbalik dengan perubahan laju fraksi liquid.
Pemberian disturbance laju aliran masukan akan lebih
berpengaruh terjadap perubahan tekanan dibandingkan
level karena perbandingan komposisi fraksi gas yang
lebih dominan terhadap liquid pada gas-kondensat yang
masuk.
Respon sistem dengan pengendali PID dapat
mengembalikan tekanan dan level ke nilai set point
ketika terjadi gangguan pada laju aliran dan temperatur
masukan pada range yang diberikan.
[16]
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Ir. Totok
Soehartanto, DEA yang telah memberikan bantuan
bimbingannya selama proses pengerjaan tugas akhir ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
Devold, Håvard. 2013. Oil and gas production handbook An introduction
to oil and gas production, transport, refining and petrochemical. ABB Oil
and Gas
Poernomo, Djoko. 2013. Teknik Instrumentasi. Cepu : Sekolah Tinggi
Energi Dan Mineral (STEM) Akamigas
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[17]
[18]
[19]
Liu, H., Sun, C.Y., Yan, K.L., Ma, Q.L., Wang, J., Chen, G.J., Xiao, X.J.,
Wang, H.Y., Zheng, X.T., Li, S., 2013. Phase behavior and compressibility
factor of two China gas
ENI Saipem Indonesia, Separator Selection and Processing Sizing. CRCOR-ENG_PRC-001-E, 2013.
NORSOK Standard P-100, Norwegian Technology Center, Process System
Rev.2 November, 2001.
Huang Shanfang, Wen Yiqian, Wang Dong, “Performance analysis of gasliquid cylindrical cyclone (GLCC) separator with an inclined and
perforated wall”. Nuclear Science and Techniques 24. 2013 010603
Vu Trieu M., John P. “Modelling and Control Simulation for a Condensate
Distillation Column”. Papua New Guinea University of Technology
(UNITECH), Lae, Papua, New Guinea. 2012.
Sulzer Chemtech, Gas / Liquid Separator Technology, Winterthur,
Switzerland, 2000.
S. Wang, D. Marrelli, E. Kouba. “Performance Improvement of Gas Liquid
Cylindrical Cyclone Separators Using Integrated Level and Pressure
Control Systems” Journal of Energy Resources Technology, vol. 122,
Desember 2000.
R.S. Mohan, S. Wang, O. Shoham. “Dynamic Simulation and ControlSystem Design for Gas/Liquid Cylindrical Cyclone” Society of Petroleum
Engineers Journal, 2001.
Changjun Li, Yang Peng, Jingya Dong. “Prediction of the dew point
pressure for gas condensate using a modified PengeRobinson equation of
state and a four-coefficient molar distribution function” Journal of Natural
Gas Science and Engineering, vol. 27, pp. 967-978, 2015.
Supahar. “Kajian Numerik Sifat Densitas Sistem Hidrokarbon Gas
Kondensat Berbasis Komposisi Menggunakan Persamaan Soave RedlichKwong (SRK-EOS)”. Universitas Negeri Yogyakarta. 2005
Obuba. J, Ikiesnkimama, Ubani. C, Ekele. I. “Natural Gas Compressibility
Factor Correlation Evaluation for Niger Delta Gas Fields”. IOSR Journal
of Electrical and Electronics Engineering (IOSR-JEEE), vol. 6, issue 4, PP
01-10, Agustus 2013.
P. Perrot, A to Z of Thermodynamics. (Oxford University Press 1998),
ISBN 0-19-856552-6 1998
K. E. Starling dan J. L. Savidge. “Compressibility Factors of Natural Gas
and Other Related Hydrocarbon Gases”. American Gas Association
(AGA).1992
F. Gunterus. “Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses, Elex Media
Komputindo”. Jakarta. 1997.
Akbar, Amri. “Perancangan Sistem Pengendalian Pembakaran Pada Duct
Burner Waste Heat Boiler (Whb) Berbasis Logic Solver”. Jurusan Teknik
Fisika ITS: Surabya. 2008
F, Agus Handrian. “Perancangan Sistem Pengendalian Temperatur pada
Reboiler Metanol Recovery menggunakan Fuzzy Gain Scheduling PID di
PT. Eterindo Nusa Graha Gresik.” Institut Teknologi Sepuluh
Nopember:Surabaya. 2011.
Fisher Controls, 1996, Product Catalog, USA.