Perancangan Sistem Pengaturan Level
Deaerator Pada Simulator PLTU Menggunakan
Quantitative Feedback Theory(QFT)
Wahyu Pamungkas - 2211105006
Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
Email: wahyu11@mhs.ee.its.ac.id, fatoni@ee.its.ac.id
Abstrak – Penelitian ini membahas tentang masalah pengaturan level yang terjadi pada deaerator storage tank. Sistem kerja deaerator bekerja secara kontinyu, sehingga membutuhkan pengaturan level pada tangki penyimpanan air agar proses kerjanya dapat terus terjadi secara sempurna.
Plant deaerator ini direpresentasikan dengan model
matematis yang diperoleh dari hasil identifikasi. Dengan adanya ketidakpastian parameter (uncertainty parameter) dari plant, maka digunakan metode Quantitative Feedback
Theory (QFT) untuk mendesain kompensator yang akan
dipasang secara seri dengan plant deaerator agar nilai keluarannya tetap berada pada di nilai tertentu pada beban yang berubah-ubah. Kompensator hasil desain diaplikasikan pada sistem simulator PLTU. Hasil simulasi serta implementasi kompensator pada deaerator menunjukkan bahwa respon sistem mampu mengikuti set point yang diberikan dan dapat bertahan terhadap gangguan sesuai dengan yang diinginkan.
Kata Kunci : Deaerator, Quantitative Feedback
Theory, Uncertain Parameter.
I. PENDAHULUAN
Pengendalian kinerja deaerator merupakan salah satu bagian terpenting dari PLTU sebagai pengurang kadar O2
dan CO2. Agar produksi tetap tercapai maka suatu sistem
pengendalian sangat diperlukan untuk menjaga kestabilan variabel proses. Variabel proses antara lain temperatur, tekanan, flow, level, konsentrasi, volume dan lain sebagainya. Dengan adanya proses pemanasan di dalam
deaerator, maka akan mengubah volume air yang ada di
dalamnya. Oleh karena itu diperlukan sistem pengendalian
level agar temperaturnya stabil sesuai yang diinginkan.
Pada lingkungan yang sebenarnya variabel sistem yang berupa besaran-besaran fisis seperti tekanan, suhu, level, dan sebagainya seringkali mengalami perubahan. Perubahan beban (load changes) dan gangguan
(disturbance) juga sangat berpengaruh terhadap dinamika
sistem. Sistem kontrol yang baik harus mampu menjaga stabilitas sistem meskipun terjadi perubahan parameter. Suatu sistem loop tertutup (mempunyai feedback) yang belum tentu stabil. Sistem yang stabil akan didapatkan spesifikasi dari sistem, diantaranya adalah kondisi tunak (steady state), persen overshoot, settling time, peak time serta rise time.
Salah satu perancangan sistem dengan menggunakan metode Quantitative Feedback Theory (QFT). QFT merupakan metode yang menggunakan analisis dalam
domain frekuensi. QFT mampu mengatasi ketidakpastian parameter model plant karena mengasumsikan ketidakpastian tersebut dalam kelompok template pada bidang kompleks. Tiap template membawa informasi tentang gain dan phase pada tiap frekuensi. Perancangan QFT diharapkan mampu memenuhi spesifikasi yang diinginkan dari plant yang mengandung ketidakpastian atau variasi parameter didalamnya. Dan juga tugas akhir ini dapat digunakan sebagai salah satu kajian dalam pengembangan teori kontrol pada plant secara luas dan lebih komplek.
II. TEORI DASAR PERANCANGAN SIMULATOR PLTU
A. Prinsip Kerja PLTU
Secara umum Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah suatu pembangkit listrik yang menggunakan uap sebagai penggerak utamanya (prime mover). Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu :
Pertama, energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi.
Kedua, energi panas (uap) diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran.
Ketiga, energi mekanik diubah menjadi energi listrik.
Gambar II.1 Proses Kerja PLTU
PLTU menggunakan fluida kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang. Pada Gambar II.1, dijelaskan mengenai urutan kerja PLTU. Uap yang digunakan pada PLTU berasal dari proses pemurnian air laut menjadi air murni(destilation). Air hasil proses destilasi ini akan digunakan oleh boiler untuk
menghasilkan steam yang digunakan untuk memutar
turbin-generator. Pada prosesnya, setelah terjadi destilasi, air akan
dihilangkan dari gas-gas yang dapat menyebabkan korosi pada pipa-pipa dengan cara dilewatkan pada deaerator. Lalu air masuk ke boiler water untuk diubah menjadi steam bertekanan tinggi.
Pada proses pemanasan digunakan bahan bakar berupa batubara yang telah mengalami proses peleburan (pulverizer). Dari hasil pemanasan ini akan menghasilkan uap panas (steam) yang bertekanan yang akan digunakan untuk menggerakkan turbin-generator. Turbin-generator ini yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik. Uap bekas keluar turbin masuk ke kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air yang disebut air kondensat. Air kondensat hasil kondensasi uap kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler.
B. Deaerator
Gambar II.2 Diagram Blok Sistem Pengaturan Proses Deaerator adalah suatu komponen dalam sistem tenaga
uap berfungsi untuk menghilangkan oksigen atau gas-gas terlarut lainnya pada feedwater sebelum masuk ke boiler. Terdapat dua tipe dari deaerator itu sendiri yaitu,
Deaerator Tipe Stray
Deaerator Tipe Spray
Berfungsi juga sebagai tempat penyimpanan air yang menyuplai ke dalam boiler. Pada Gambar II.2 digambarkan bentuk fisik dari deaerator. Oksigen dan gas-gas yang terlarut dalam feedwater perlu dihilangkan karena dapat menyebabkan korosi pada pipa loga dan peralatan logam lainnya dengan membentuk senyawa oksida (karat). Apabila air bereaksi dengan karbondioksida terlarut juga akan membentuk senyawa asam karbonat yang dapat menyebabkan korosi lebih lanjut. Fungsi deaerator disini adalah untuk mengurangi kadar oksigen, biasanya kadar oksigen dikurangi sampai memiliki kadar lebih kecil atau sama dengan 7 ppb (0,0005 cm3/L).
C. Sistem Multivariabel [4][5]
Pada proses kimia, sering kali terjadi interaksi antara variabel input-output. Perubahan suatu input terkadang tidak hanya mempengaruhi satu output saja, melainkan bisa berpengaruh pada output lainnya juga, untuk itu diperlukan sistem kendali yang dapat mengatasi permasalahan tersebut yaitu MIMO. Penggambaran sistem ini dapat digambarkan dalam Gambar 2.6.
Pada gambar tersebut G11 adalah fungsi alih yang
mempresentasikan hubungan antara m1dan output Y1 dan
G22 adalah fungsi alih yang merepresentasikan hubungan
antara m2 dan output Y2, sedangkan G12 dan G22 merupakan
fungsi alih yang mempresentasikan hubungan suatu input berpengaruh pada output loop yang lain.
Penulisan model untuk Gambar II.3 dapat dituliskan
Loop 1 : Y1G11m1G12m2 (1)
Loop 2 : Y2G21m1G22m2 (2)
Dengan demikian maka matriks alih sistem dapat dinyatakan sebagai berikut
2 1 22 21 12 11 2 1 m m G G G G Y Y (3)
Gambar II.3 Blok Diagram Multivariable
III. PERANCANGAN SISTEM SIMULATOR PLTU
A. Arsitektur Simulator Plant PLTU
Gambar III.1 Arsitektur Sistem Kontrol yang Dibangun
Perancangan simulator PLTU tugas akhir ini akan dibangun pada virtual plant. Virtual plant yang akan dibuat disini menggunakan software Matlab. Virtual plant merupakan perwujudan dari real proses yang ada, dan dibawa dalam bentuk pemodelan matematis. Sebagai penampil keluaran dari sistem proses yang dibangun pada
virtual plant dibuatlah HMI sebagai interkoneksi antara
operator dengan plant proses. Adapun software yang digunakan adalah Wonderware Intouch 10.1. HMI disini berfungsi menampilkan keseluruhan kejadian dan parameter-parameter terukur yang terjadi selama proses kerja terjadi. Sedangkan media yang digunakan untuk komunikasi antara HMI dengan virtual plant digunakan OPC DataHub. Hubungan antara operator, HMI dan virtual
plant digambarkan pada Gambar III.1.
G11 G21 G12 G22 m1 m2 Y1 Y2 + + + +
B. Identifikasi Sistem
a. Pemodelan Level Deaerator
Deaerator dan storage tank merupakan satu kesatuan unit, dan persamaan kesetimbangan energi antara steam dan pencampuran dengan air pada tangki dapat dituliskan dalam persamaan (4) berikut o c e w s w w w dt m m d (4) dari persamaan diatas dapat ditemukan persamaan lain yang sama dimana kesetimbangan massa:
dt dV dt mw ms d (5) dimana
Laju aliran air masuk : we =
Fi
Laju aliran uap masuk : wc =
wc
Laju aliran air keluar : wo =
Fo
Sehingga Persamaan (5) dapat dituliskan kembali menjadi Fi wcFo dt dV (6)
Diketahui dengan pendekatan model bentuk tangki adalah tabung maka, seperti pada Gambar III,2, hubungan antara volume dan ketinggian adalah
dh L W Adh dV t. . (7) dimana : : volume tabung : luas area tabung : lebar permukaan cairan
: panjang tabung : ketinggian cairan :koefisien control valve
Gambar III.2 Pendekatan Volume Tabung
maka didapat persamaan (8)
Fo wc Fi dh h L Wt (9)
Agar dapat menyelesaikan persamaan diatas dilinearisasi dengan menggunakan deret Taylor yaitu
' ' ' ' h s dh f w s dw f Fi s dFi f dt dh c c (10)
data di lapangan yaitu 400mm diperoleh h=1,2m, K=1 dan = 1000 sehingga persamaan level deaerator
w
s s s Fin s s H c 1 65 , 38 002 , 0 1 65 , 38 19 , 2 b. Pemodelan SuhuFungsi alih dari pemodelan pressure dapat didekati dengan persamaan total energi balance yaitu:
[akumulasi energy total] = [energy total input] – [energi total output] + [ jumlah suplai steam] Sehingga dituliskan dalam persamaan (11)
Q T cp Fo Tin cp Fin dt T cp h A d (11) Treff = 0
dengan menggunakan deret Taylor didapatkan
T w FinT Tin Fin dt dT h A c ' ' ' (12) sehingga
s s
Fin
s w
s T 21,168 386,54 301,15 0,37815 c C. DecouplingDecoupling merupakan elemen dinamik yang ditambahkan pada sistem kontrol MIMO yang bertujuan untuk meniadakan efek interaksi antara dua loop sehingga terjadi dua loop yang tidak saling berinteraksi.
Dan diketahui elemen decoupler antara lain 207 8067 2157 582 215 03 , 10 11 12 2 2 1 s s s s G G K
Dan elemen keduanya
894 , 7 7 , 339 1336 14 , 16 57 , 71 871 , 3 21 22 2 2 2 s s s s G G K
D. Transfer Function Pembeban
Tabel III.1 Transfer Function Plant pada beban
minimal, maksimal dan nominal No. Pembebanan Transfer Function
1 1,6 m
2 1,8 m
3 2,0 m
Diambil transfer function dari plant sebagai yang digunakan untuk mencari ketidakpastian parameter dari model plant sebagai berikut
Dari hasil ketidakpastian parameter plant terhadap pembebanan tersebut, kita dapat mendesain kompensator dengan menggunakan metode Quantitave Feedback Theory.
E. Desain Kompensator
Dari analisis respon plant loop terbuka dari plant dapat diketahui respon keluaran dari sistem tersebut sehingga dapat dilihat sistem tersebut stabil atau tidak.
a. Karakteristik dari Plant
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Step Response Time (sec) A m p lit u d e pembebanan_a pembebanan_b pembebanan_c
Gambar III.3 Respon Unit Step dari Plant b. Respon Frekuensi dari Plant
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 M a g n itu d e ( d B ) 10-2 10-1 100 101 102 -135 -90 -45 0 P h a s e ( d e g ) Bode Diagram
Frequency (rad/s ec)
pembebanan_a pembebanan_b pembebanan_c
Gambar III.4 Respon Frekuensi Template Plant c. Pembentukan Template Plant
Sebelum melakukan pendesainan, yang perlu dilakukakn adalah membentuk template dari ketidakpastian parameter model plant yang diperoleh dari hasil identifikasi. Kemudian memilih frekuensi array untuk pembentukan template dan penghitungan bound
berdasarkan bentuk template. Frekuensi array dipilih mulai frekuensi rendah sebesar 0.1 rad/detik sampai frekuensi sebesar 500 rad/detik. Dalam pemilihan array tidak ada batasan khusus karena sesuai keinginan perancang untuk menentukannya.
IV. IMPLEMENTASI DAN ANALISA
Gambar III. 5 Pembentukan Template Plant pada Daerah
Batas dengan 64 Point
d. Robust Margin
Robust margin bound yang ingin dibentuk pada regulator problem adalah sebagai berikut :
0 ; 4 , 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) (
j G j P j G j P Dengan mengambil
1.4menunjukkan lower gain margin yang diinginkan adalah : dB 7142 , 1 4 . 1 1 1 1 1
Menunjukkan phase margin yang diinginkan adalah
180 gin mar lower
Gambar III.6 Robust Margin Bound pada 1.7142 dB Lower gain margin = 1,7142 dB merupakan batasan
pengaman terhadap pengelilingan titik kritis q(0dB,-180o). sehingga pada rancangan desain, daerah yang ada di dalam kurva 1,7142 dB merupakan area yang tidak diperbolehkan untuk dilewati oleh kurva nominal plant yang hendak didesain.
Lower phase margin = 49.25o menyatakan phase
margin minimal yang diperbolehkan. Kurva lower gain margin pada nominal plant yang tentukan range frekuensi
[(0,1),(0,2),(0,3),(0,4),(0,5),(0,7),1,2,3,10,20,50,500]
e. Robust Tracking Bound
Desain tracking bound yang diharapkan adalah: 29596 , 14 20 , 3 29596 , 14 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 2 P j G j s s j G j P
Diharapkan desain mengikuti kriteria yang ditentukan, bound yang dibentuk dapat dilihat pada Gambar III.7
-360 -315 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 0.1 0.3 0.5 0.7 1 2 3 7 10 20 50 100 200 500
Open-Loop Phas e (deg)
O p e n -L o o p G a in ( d B ) Template Plant 0.1 0.3 0.5 0.7 1 2 3 7 10 20 50 100 200 500 -360 -315 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
Open-Loop Phase (deg)
O p e n -L o o p G a in ( d B )
Bound Tracking Robust
0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 200 500
Gambar III.7 Batasan Tracking yang Dibuat
-360 -315 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 -20 -10 0 10 20 30
Open-Loop Phase (deg)
O p e n -L o o p G a in ( d B )
Bound Robust margin
0.1 0.3 0.5 0.7 1 2 3 7 10 20 50 100 200 500 84 . 41 1 4 , 1 5 , 0 cos 180 1 5 , 0 cos 180 2 1 2 1
f. Kumpulan dari seluruh batasan yang dibuat
Gambar III. 8 Kumpulan dari Batasan yang Telah Dibuat g. Irisan dari semua batasan yang dibuat
Gambar III.9 Irisan dari Semua Batasan yang Dibuat h. Hasil desain kompensator G(s) untuk plant P(s)
Gambar III.10 Hasil Desain Kompensator G(s) untuk
Plant
Komponen-komponen yang ditambahkan pada Lo(s) untuk memperoleh hasil desain kompensator adalah sebagai berikut :
Gambar III.11 Elemen yang Ditambahkan untuk
Kompensator
Desain kmpensator G(s) yang ditambahkan ditentukan sebagai berikut: s s s s s s G 759 . 1 1 459 . 0 1 807 . 2 08 . 32 ) (
Sehingga diperoleh hasil akhir desain kompensator sebagai berikut: s s s s s G 759 . 1 38 , 55 6 , 141 93 , 45 ) ( 2 2 IV. IMPELEMENTASI
Pada tahap ini akan dilakukan pengujian pada simulator Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). Pengujian ini dilakukan pada virtual plant dengan menguji satu persatu dari plant proses yang telah dibuat dan tampilan simulatornya. Virtual plant itu sendiri menggunakan software Matlab sebagai aplikasinya dan tampilannya (HMI) menggunakan software Wonderware Intouch. Pada gambar V.1 merupakan pembuatan Virtual Plant keseluruhan plant proses pada PLTU.
REFERENSI
Gambar V.1 Pemodelan Simulator PLTU
Setiap PC mewakili fungsi tersendiri, yaitu 3 buah PC mewakili proses kerja pada PLTU antara lain HMI 1 untuk water treatment, HMI 2 untuk combustion dan HMI 3 untuk power plant.
A. Uji Loop Tertutup
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui respon hasil desain dari kompensator terhadap plant untuk ketiga kondisi beban.
Dengan memberikan nilai kompensator sebesar
s s s s s G 759 . 3 38 , 55 6 , 141 93 , 45 ) ( 2 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 waktu (s) le v e l (m )
Gambar V.3 Respon Plant dengan Kompensator
B. Implementasi Kompensator pada Simulator PLTU Terhadap Gangguan
Pengujian ini dilakukan pada saat respon sistem dalam keadaan steady state, kemudian diberikan gangguan dari luar yang dianggap sebagai perubahan parameter model dari plant, dalam hal ini adalah perubahan flow out. Berikut adalah hasil pengujiannya.
-360 -315 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 Phase (deg) G a in ( d B )
Margins and Track ing dari Bound 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 7 10 20 50 100 200 500 -360 -315 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 Phase (deg) G a in ( d B )
Irisan dari semua Bound
0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 7 10 20 50 100 200 500 -360 -315 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 Phase (deg) G a in ( d B ) 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 7 10 20 50 100 200 500
a. Pengujian Kompensator Tanpa Gangguan
Gambar V.4 Pengujian Tanpa Gangguan
Pengujian pertama dilakukan tanpa pembebanan, sehingga respon yang dihasilkan tidak terdapat gangguan,dan respon masih sesuai dengan set point yang diberikan. Pada Gambar 4.12 pengujian pertama ini diberikan nilai set point ketinggian air = 1,8 m dan laju aliran air keluar normal = 135 t/h.
b. Pengujian Kompensator Dengan Laju Aliran Air Keluar 80 t/h
Pada pengujian kedua ini pada Gambar 4.16 dilakukan dengan memberikan gangguan perubahan laju air keluar sebesar 80 t/h terhadap sistem. Terlihat terjadi fluktuasi pada waktu ke 46s. Tetapi, kompensator dapat memperbaiki dan respon kembali ke keadaan keadaan tunaknya.
c. Pengujian Kompensator dengan Gangguan Laju Aliran Air Keluar 200 t/h
Pada pengujian selanjutnya Gambar 4.17 dilakukan dengan memberikan gangguan perubahan laju aliran air keluar sebesar 200 t/h terhadap sistem. Terlihat terjadi kenaikan ketinggian air pada waktu 46s. Namun kompensator dapat memperbaikinya dan respon levelnya kembali keadaan keadaan tunaknya.
V. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil uji yang dilakukan, kompensator yang didesain menunjukkan bahwa sistem hasil perancangan masih dapat memenuhi spesifikasi yang diinginkan, sehingga dapat disimpulkan bahwa variasi perubahan pada beban menyebabkan respon keluaran yang dihasikan berubah-ubah sesuai dengan kondisi parameter model plant.
Desain kompensator yang diperoleh pada simulasi sudah memenuhi spesifikasi respon yang diinginkan, akan tetapi ketika rancangan kompensator diimplementasikan masih terdapat fluktuasi respon keluaran yang belum mampu diatasi secara maksimal oleh hasil rancangan kontroler ketika terjadi perubahan beban.
Dengan menggunakan Metode QFT, bisa didapatkan rancangan kontroler yang sesuai dengan spesifikasi yang diharapkan Namun, pendesainannya dibatasi oleh kemampuan plant untuk mengikuti spesifikasi yang diinginkan.
Sistem kontrol Robust PID (Kp=1,237, Ki = 15.286 dan Kd = 0,9611) dengan kompensator tidak jauh berbeda saat diujikan ke dalam sistem. Sehingga perbedaannya hanya dalam cara menentukankan parameter dengan masing-masing langkah yang diinginkan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Kumar Rayaprolu, “BOILERS for POWER and PROCESS,” Taylor
& Francis Group, 2009
[2] Astrom K. Hangglunud T. “PID Control Engineering 4th Edition.”,
New Jersey: Prentice Hall, 2002
[3] Tsai, K.I. and Tsai, C.C., ”Design and Experimental Evaluation of
Robust PID and PI-PD Temperature Controllers for Oil-Cooling Machines,” Proceedings of the 8th World Congress on Intelligent Control and Automation, June 21-25 2011, Taipei, Taiwan
[4] Ogata K,”Modern Control Engineering”, Prentice-Hall, New Jersey,
Third Edition, 1997
[5] Ogata K.,”Modern Control Engineering”, Prentice-Hall, New
Jersey, Five Edition, 2009
[6] Maciejowski J.M., “Multivariable Feedback Design”, Cambridge
University and Pembroke College, Cambridge, 1989
[7] Hughes, G. & Ballance, D. J. , "A Survey of Template Generation
Methods for Quantitative Feedback Theory", UKACC
International Conference on Control, University of Glasgow, Scotland, U.K., 2-5 September 1996.
[8] Borghesani, C., Chait Y., & Yaniv, O., "The QFT Frequency
Domain Control Design Toolbox”, Terasoft Inc., March2001
[9] Tham M.T., “Multivariable Control : An Introduction To
Decoupling Control ”, Dept. of Chemical and Process Engineering University of Newcastle upon Tyne, July 1999
[10] Bell, R D. Ress N W. and Luu, C X., “Transient analysis of power plant deaerator”, Proceeding Instrumen Mechanical Engineering Vol 206, 1992
[11] H. Houpis Constantine., & Rasmussen, Steven J., “QUANTITATIVE FEEDBACK THEORY Fundamental and Applications”, Marcel Dekker, Inc, 1999
Gambar V.5 Respon Perubahan Ketinggian Air Dengan
Gangguan Laju Air 80 t/h
Gambar V.6 Respon Perubahan Ketinggian Air Dengan
Gangguan Flowrate 200 t/h 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 waktu (s) le v e l (m ) respon level set point 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0.5 1 1.5 2 waktu (s) le v e l (m ) respon level setpoint 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0.5 1 1.5 2 waktu (s) le v e l (m ) respon level set point
