Aspek Operasi Produksi Dan Flow Assurance

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.6. Aspek Operasi Produksi Dan Flow Assurance

Penemuan cadangan minyak baru yang memiliki kandungan parafin dan asphaltenes yang tinggi dapat menambah angka nilai produksi, namun disisi lain kandungan minyak yang memiliki parafin dan asphaltenes yang cukup tinggi dapat menyebabkan permasalahan operasi produksi. Manajemen pencegahan terjadinya endapan disepanjang pipa mutlak dilakukan agar angka

Operation Expenditure (Opex) dapat ditekan dan keuntungan dapat bertambah, namun juga harus

dipersiapkan tindakan dan peralatan jika terjadi pengendapan minyak berserta partikel padatan lainnya didalam pipa. (Kultik, 1998).

Meramalkan terjadinya pengendapan pada titik tertentu dan waktu dimasa depan perlu dilakukan untuk dapat mengetahui tindakan pencegahan apa yang harus dilakukan dan tindakan pemulihan apa yang dapat dilakukan jika terjadi. Simulasi perlu dilakukan tidak hanya untuk dapat

Universitas Pertamina - 21

mengoptimalkan biaya yang dikeluarkan, namun juga dapat menjadi bahan masukan agar operasi produksi dapat berjalan lancar, aman, dan selamat. Pada sisi lain simulasi juga dapat mengetahui kelakuan fluida disepanjang pipa dan pada titik tertentu. Proses simulasi ini juga dilakukan untuk melakukan desain sistem jaringan pipa yang akan digunakan, desain dilakukan agar dapat sesuai dengan kebutuhan. Desain yang tidak sesuai dengan kebutuhan akan dapat menyebabkan permasalahan dikemudian hari, contohnya jika desain pipa yang terlalu kecil jika dibandingkan dengan laju alir fluida maka akan menimbulkan gaya friksi atau gesekan yang lebih besar, pada minyak dengan komposisi parafin dan asphaltenes yang tinggi, gesekan fluida dengan permukaan pipa pada saat mengalirkan fluida tersebut didalam pipa harus kecil atau bahkan jika bisa harus tidak bersentuhan sama sekali.

Peralatan yang dipilih untuk digunakan juga berperan penting jika akan mentransportasikan minyak melalui media pipa. Peralatan seperti pompa, booster, kompresor, pendingin, pemanas, dan alat lainnya pemilihannya harus disesuaikan dengan kondisi operasi yang ada. Selain itu pemilihan zat aditif yang digunakan harus melalui uji laboratorium dan dosisnya disesuaikan dengan komposisi fluida dan ketersediaan peralatan.

Proses transportasi minyak melalui media pipa membutuhkan berbagai peralatan pendukung untuk melakukannya, desain dan simulasi alat mutlak dilakukan untuk mengetahui desain yang tepat untuk diterapkan pada lapangan. Simulasi peralatan dilakukan alah satunya untuk memodelkan besarnya penurunan tekanan, dengan simulasi dapat dilakukan berbagai skenario sehingga pada saat implementasi pada skala yang asli dapat dihindari hal-hal yang dapat menghambat proses transportasi minyak melalui pipa ini. Simulasi juga harus disesuaikan dengan kondisi dan keekonomian proyek.

2.6.1. Sistem Perpipaan

Pipa merupakan saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran dan digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh. Fluida yang dialirkan melalui pipa bisa berupa zat cair atau gas, tekanan bisa lebih besar atau lebih kecil dari tekanan atmosfer (Triatmodjo, 1996)

.

Penggunaan pipa sebagai media untuk mengalirkan fluida sudah dimulai pada 3000 tahun sebelum Masehi dan masih digunakan sampai saat ini. Pipa dipilih untuk mengalirkan fluida karena tidak prinsip kerjanya sangat sederhana yaitu memanfaatkan sifat fluida tersebut untuk mengalir.

Metode paling umum untuk melakukan transportasi fluida adalah dengan cara memaksa fluida mengalir melewati sistem perpipaan. Pipa yang digunakan umumnya berbentuk tubular, bentuk tersebut digunakan karena memiliki kekuatan struktur yang baik. Pipa dipilih digunakan karena Opex yang dikeluarkan cukup rendah jika dibandingkan dengan mentransportasikan minyak menggunakan vacuum trucking. Pipa yang digunakan memiliki berbagai macam jenis menurut bahan pembentuknya, yang umum digunakan berbahan carbon steel.

Pada prinsip mengalirkan fluida dalam pipa memiliki keuntungan, namun juga memiliki berbagai kerugian energi yang dapat terjadi, salah satunya disebabkan oleh bentuk dan panjang pipa. Perlu dilakukan perhitungan agar dapat mengetahui tekanan minimal inlet agar fluida yang dialirkan dapat sampai ke outlet aliran.

Universitas Pertamina - 22

ℎ

_𝐹

=

^{10.67 𝑥 𝑄}_{𝐶1.85 𝑥 𝑑4.87}^1.85

𝑥 𝐿 (2.2)

ℎ

_𝑀

= 𝑓 𝑥

^𝐿 𝑑

𝑥

^𝑣2 2𝑔

(2.3)

Dengan keterangan: ℎ_𝐿 = Kehilangan energi (m)

ℎ

_𝐹

= Kehilangan energi mayor (m)

ℎ

_𝑀

= Kehilangan energi minor (m)

Q = Laju alir fluida (m3/s)

C = Koefisien Hazen William untuk pipa d = diameter dalam pipa (m)

L = Panjang pipa (m)

k = koefisien Minor head loss v = Kecepatan aliran fluida (m/s) g = gaya gravitasi (m/s2)

Penggunaan rumus harus disesuaikan dengan bentukan pipa, ℎ_𝐹 digunakan hanya untuk bentuk pipa lurus tanpa adanya hambatan atau aksesoris pipa. Sedangkan ℎ_𝑀 digunakan untuk menghitung kehilangan energi pada pipa berarah seperti belokan dan juga digunakan untuk menghitung kehilangan energi pada titik pipa lainnya seperti inlet, fitting, katup, tee, sambungan tertentu, dan outlet.

Gambar 2. 11. Kehilangan Energi Pada Sistem Perpipaan

Jika nilai ℎ_𝐿 sudah didapat maka selanjutnya dapat digunakan untuk menghitung kehilangan tekanan pada pipa dengan menggunakan rumus:

𝑝 = 0.0981 𝑥 ℎ

_𝐿

𝑥 𝑔 (2.4)

Dengan keterangan: P = Tekanan (bar)

Universitas Pertamina - 23

Friction loss merupakan kehilangan energi yang disebabkan gesekan antara permukaan

dalam pipa yang kasar dan fluida yang mengalir didalamnya, fungsi ini juga dipengaruhi oleh panjang pipa, kekasaran pipa biasanya dideskripsikan dengan nilai yang memiliki satuan ft. kehilangan energi karena adanya gaya gesekan pada permukaan pipa menjadi hambatan utama fluida mengalir pada pipa diantara banyak faktor lainnya yang juga dapat menghambat aliran fluida dalam pipa. Dari kehilangan energi dapat dihitung menjadi kehilangan tekanan yang datanya dapat digunakan sebagai informasi tambahan untuk melakukan desain pemilihan pompa dan peralatan pendukung produksi lainnya. Dari hasil perhitungan dapat dilakukan evaluasi seperti bahan pipa, diameter, fiting, katup, dan peralatan lainnya yang dipasang pada pipa sehingga penurunan tekanan pada sistem perpipaan setidaknya dapat diminimalisir atau bahkan dihindari.

Pertimbangan desain harus disesuaikan dengan kondisi lapangan dan keekonomian proyek. Pada sistem perpipaan yang digunakan pada industri minyak dan gas memiliki standardisasi yang dapat digunakan untuk acuan melakukan desain sistem perpipaan, mengikuti standar ASME (American Society of Mechanical Engineers) dengan kode ASME B31.4 tahun 2002 mengenai transportation systems for liquid hydrocarbons and other liquids, terdapat beberapa parameter yang harus dipertimbangkan untuk melakukan desain sistem perpipaan, diantaranya adalah:

1. Kondisi Operasi

2. Desain Tekanan dan Suhu 3. Efek Dinamis

4. Fiting Pipa 5. Sambungan Pipa

6. Pemuaian, Fleksibilitas, dan Struktur Pendukung 7. Material atau Bahan Dasar

8. Ukuran dan Dimensi

9. Konstruksi, Pengelasan, dan Perakitan 10. Inspeksi dan Pengecekan

11. Prosedur Operasi dan Perawatan Berkala 12. Pengontrol Laju Korosi

13. Sistem Perpipaan Lepas Pantai

Pada kondisi tidak beroperasi, pipa harus dipastikan tidak ada sisa minyak didalamnya. Hal ini bertujuan untuk menghindari pembentukan endapan wax dari komponen penyusun minyak itu sendiri. Karena tidak adanya gaya yang memaksanya untuk bergerak atau berpindah posisi, secara alami akan terendapkan dibagian kolom bawah pipa. Maka dari itu pembersihan secara berkala perlu dilakukan agar menghindari akumulasi endapan wax yang dapat menghambat aliran fluida dalam pipa. (Bomba, 1986)

2.6.2. Pompa

Pompa adalah sebuah alat dengan mekanisme kompleks yang digunakan untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke tempat lain melalui suatu media. Untuk dapat mngalirkan fluida, pompa harus dapat mnghasilkan tekanan yang cukup untuk melawan hambatan berupa kekasaran pipa dan lainnya. Secara umum pompa dibagi dua yaitu pompa

Universitas Pertamina - 24

dinamis dan pompa positive displacement (Wardjito, 2012). Penggunaan pompa yang paling umum diindustri migas adalah pompa sentrifugal dan pompa torak. Kedua jenis pompa ini memiliki penggunaan berbeda yang digunakan sesuai tujuannya masing-masing, salah satu perbedaannya adalah tekanan alir yang dapat dihasilkan keduanya berbeda walaupun dengan kapasitas mesin yang sama, beberapa perbedaan lainnya yaitu:

Tabel 2. 1. Perbedaan Pompa Sentrifugal dan Torak (White, 1998)

No. Sentrifugal Torak

1 Menggunakan impeller berputar Menggunakan Piston

2 Dapat terus menerus memompa fluida ^{Memompa fluida berdasarkan gerak}

piston

3 Jika laju alir turun, tekanan naik Tekanan tidak memengaruhi laju alir

4 Laju alir sedang sampai tinggi Laju alir rendah

5 ^{Menggunakan batang poros untuk}

memutar impeller

Menggunakan poros engkol untuk

menggerakkan piston

6 Laju alir dapat diatur Laju alir tetap dan tidak bisa diatur

7 Mekanisme sederhana Mekanisme kompleks

8 Tidak membutuhkan ruangan besar Membutuhkan ruangan yang sangat besar

9 ^{Laju alir terpengaruh perubahan}

viskositas ^{Laju alir tidak terpengaruh viskositas}

10 Kecepatan tinggi Kecepatan rendah

11 Biaya perawatan rendah Biaya perawatan tinggi

12 Membutuhkan mesin penggerak Mesin penggerak menyatu dengan pompa

Selain penurunan tekanan yang disebabkan oleh sistem perpipaan, penurunan tekanan juga dapat terjadi disebabkan oleh inefisiensi pompa. Inefisiensi pompa dapat terjadi disebabkan oleh berbagai permasalahan pada pompa. Pemilihan dan desain kebutuhan pompa harus dilakukan untuk menghindari terjadinya overdesign atau underdesign. Penurunan tekanan pada pompa dapat menyebabkan fenomena yang dinamakan kavitasi. Kavitasi adalah fenomena terbentuknya

Universitas Pertamina - 25

gelembung gas yang terjadi karena tekanan yang sangat rendah dibawah vapor pressure sehingga fluida menguap dan mendidih, gelembung gas akan pecah saat masuk ke area dengan tekanan yang berubah drastis meninggi. Gelembung yang pecah ini menyebabkan ledakan yang sangat kecil dan dapat merusak bahan apapun termasuk logam padat, karena gelembung yang pecah sangat banyak dan menghantam terus menerus. (Kinnas, 2013)

Gambar 2. 12. Pompa Sentrifugal

Fenomena kavitasi dapat terjadi pada pompa dengan prinsip kerja putaran dengan contoh pompa sentrifugal yang menggunakan impeller atau baling-baling. Kavitasi dapat mengerosi baling-baling yang akan membuatnya hancur dan akan merusak komponen lainnya sehingga nilai efisiensi pompa akan sangat turun. Kavitasi disebabkan oleh kurangnya tekanan pada titik hisap pompa atau nilai NPSHa (Net Posotive Suction Head available) yang terlalu kecil dan kurang dari NPSHr (Net Posotive Suction Head available) (Xylem, 2015). Kavitasi terjadi pada pompa saat suhu dan tekanan titik hisap baling-baling pompa sama atau dibawah tekanan vapor, dapat terjadi pada kondisi tekanan rendah dan kondisi operasi yang normal.

Universitas Pertamina - 26

Gambar 2. 13. Skema Proses Terjadinya kavitasi (Morais, 2017)

Universitas Pertamina - 27

2.7.Perangkat Lunak

2.7.1. Limitasi dan kapabilitas perangkat lunak

Perangkat lunak dynamic multiphase flow ini memiliki beberapa limitasi dan kapabilitas yang sangat baik jika dibandingkan dengan perangkat lunak lainnya. Sesuai dengan namanya, perangkat lunak ini dapat memodelkan aliran dengan dinamis yang hasilnya dapat dilihat perubahannya terhadap waktu. Pada perangkat lunak dynamic multiphase flow juga dapat melakukan membagi pipa menjadi beberapa segmentasi, dari segmentasi ini dapat dimasukkan

input yang berbeda-beda seperti kekasaran pipa, diameter pipa, material pipa, elevasi pipa, dan

juga suhu.

Pada proses simulasi ditemukan beberapa limitasi dari perangkat lunak ini, salah satunya adalah tidak bisa menyimulasikan kondisi awal pipa sudah terisi oleh fluida dan atau bahan lainnya. Selain itu juga pada perangkat lunak ini tidak dapat melakukan input tekanan awal, namun sebagai gantinya input yang dilakukan adalah mass flow yang akan dikalkulasikan langsung oleh perangkat lunak.

2.7.2. Korelasi MATZAIN

Korelasi yang mempertimbangkan mekanisme shear stripping, molecular diffusion, dan

shear dispersion ini dibuat berdasarkan turunan dari hukum Fick. Efek dari shear stripping dapat

dihitung dengan rumus 2.11. konsentrasi wax dihitung dengan mempertimbangkan penambahannya terhadap perubahan suhu, dari hasil keduanya dapat dihitung penambahan ketebalan endapan wax terhadap waktu.

𝑑𝛿 𝑑𝑡

=

^𝛱1 1+𝛱₂

𝐷

_𝑤𝑜

[

^𝑑𝐶𝑤 𝑑𝑇 𝑑𝑇 𝑑𝑟

]

(2.5)

𝛱

₁

=

^𝐶1 1−𝐶_𝐿/100 (2.6)

𝛱

₂

= 1 + 𝐶

₂

𝑁

_𝑆𝑅^𝐶3 (2.7)

𝐶

_𝐿

= 100 (1 −

^𝑁𝑅𝑒^0.15 8

)

(2.8)

𝑁

_𝑆𝑅

=

^𝜌𝑜𝑖𝑙𝑣_𝑜𝑖𝑙𝛿 µ_𝑜𝑖𝑙

(2.9)

𝑁

_𝑅𝐸

=

^𝜌𝑜𝑖𝑙𝑣_𝑜𝑖𝑙2𝑟_𝑠 µ_𝑜𝑖𝑙

(2.10) 𝑑𝑇 𝑑𝑟

=

^(𝑇𝑏−𝑇_𝑤𝑠) 𝐾_𝑜𝑖𝑙

ℎ

_ℎ

(2.11)

Dengan keterangan:

𝛿

= ketebalan endapan wax pada dinding (m)

𝐷

_𝑤𝑜

= Koefisien difusi Wilke dan Chang (-)

𝐶

_𝑤

= Konsentrasi wax (%)

Universitas Pertamina - 28

𝑟 = Jari-jari pipa (m)

𝑇 = Suhu fluida (°C)

𝐶₁ = 15

𝑁

_𝑅𝑒

= Jari-jari dalam pipa efektif

𝑁

_𝑆𝑅

= Rezim Aliran yang bergantung ke angka reynolds

𝐶

₂

= 0.055

𝐶

₃

= 1.4

𝐾

_𝑜𝑖𝑙

= Konduktivitas termal minyak

ℎ

_ℎ

= Koefisien transfer panas dinding dalam pipa

𝑇

_𝑏

= Suhu bulk fluida

𝑇

_𝑤𝑠

= Suhu permukaan endapan

2.7.3. Korelasi RRR (

Rygg, Rydahl dan Rønningsen)

Korelasi ini dapat digunakan untuk melakukan prediksi pembentukan wax pada tubing dalam sumur atau pada sistem perpipaan. Pada korelasi ini metode pembentukan paling berpengaruh yaitu molecular diffusion dan shear dispersion. Volume wax yang terbentuk dengan metode molecular diffusion dapat dihitung dengan rumus 2.13 dan volume yang tebentuk dengan metode shear dispersion dihitung dengan rumus 2.14. Untuk menghitung penambahan volume

wax dari kedua metode tersebut dapat digunakan rumus 2.12. Pembentukan endapan terjadi pada

seluruh bagian lingkar pipa.

𝛿̇ =

^𝑉𝑜𝑙𝑤𝑎𝑥^{𝑑𝑖𝑓𝑓}+𝑉𝑜𝑙_𝑤𝑎𝑥^{𝑠ℎ𝑒𝑎𝑟} (1−𝜙_𝑤𝑎𝑥)2𝜋𝑟_𝑠𝐿 (2.12)

𝑉𝑜𝑙

_𝑤𝑎𝑥^{𝑑𝑖𝑓𝑓}

= ∑

^𝐷𝑤𝑜,𝑖(𝐶_{𝑤𝑏,𝑖}−𝐶_{𝑤𝑠,𝑖})𝑆_𝑤𝑒𝑡𝑀_{𝑤𝑎𝑥,𝑖} 𝛿_𝑙𝑎𝑚𝜌_{𝑤𝑎𝑥,𝑖} 𝑁_𝑤𝑎𝑥 𝑖=1

2𝜋𝑟

_𝑠

𝐿

(2.13)

𝑉𝑜𝑙

_𝑤𝑎𝑥𝑠ℎ𝑒𝑎𝑟

=

^𝑘∗𝐶𝑤𝑠𝛾̇𝐴 𝜌_𝑤𝑎𝑥 (2.14)

𝐶

_𝑤𝑠

= 𝐶

_{𝑤𝑠,𝑇𝑠}

+

^𝑑𝐶𝑤 𝑑𝑇

|

𝑊𝐴𝑇

(𝑇

_𝑠

− 𝑊𝐷𝑇)

(2.15)

𝑊𝐷𝑇 = 𝑊𝐴𝑇 + 𝛥𝑇

_{𝑑𝑖𝑠𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛} (2.16) Dengan keterangan:

𝛿 = Total penambahan ketebalan endapan

𝑉𝑜𝑙_𝑤𝑎𝑥^{𝑑𝑖𝑓𝑓} = Volume endapan wax yang disebabkan difusi molecular 𝑁_𝑤𝑎𝑥 = Angka komponen wax

Universitas Pertamina - 29

𝐶_{𝑤𝑏,𝑖} & 𝐶_{𝑤𝑠,𝑖} = Konsentrasi Molar komponen wax yang terlarut dalam minyak (mol/m3) 𝑆_𝑤𝑒𝑡 = Fraksi pipa yang terbasahi oleh fluida

𝑀_{𝑤𝑎𝑥,𝑖} = Massa molar komponen wax (kg/mol)

𝛿_𝑙𝑎𝑚 = Ketebalan dub-layer (m)

𝜌_{𝑤𝑎𝑥,𝑖} = Densitas wax (kg/m3)

𝑟_𝑠 = Jari-jari pipa sekarang (m) 𝐿 = Panjang bagian pipa (m) 𝑘∗ = Laju endapan (kg/m2) 𝐶_𝑤𝑠 = Konsentrasi endapan 𝛾̇ = Shear rate (s-1)

𝐴 = Luas permukaan area yang dimungkinkan untuk pengendapan (m2) 𝜌_𝑤𝑎𝑥 = Densitas rata-rata wax (kg/m3)

𝐶_{𝑤𝑠,𝑇𝑠} = Konsentrasi endapan wax pada permukaan

𝑇_𝑠 = Suhu Permukaan (°C)

𝑊𝐷𝑇 = Wax Dissolution Temperature (°C) 𝛥𝑇_{𝑑𝑖𝑠𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛} = Perbedaan suhu (°C)

Universitas Pertamina - 30