9
BAB II
LANDASAN TEORI
Centrifugal Gas Compressor adalah suatu peralatan yang mengubah energy kecepatan menjadi energy tekanan melelui beberapa komponen peralatan yang terdapat pada Centrifugal Gas Compressor.
Centrifugal Gas Compressor tidak dapat bekerja dengan sendirinya tetapi dibantu oleh mesin pengerak lain atau penggerak utama (prime mover).Pertamina Hulu Energy ONWJ memanfaatkani Gas Turbine Engine sebagai prime mover Centrifugal Gas Compressor, dimana bahan bakarnya diambil dari sumur-sumur yang menghasilkan Natural Gas.
2.1. Compressor Package
Compressor Package adalah rangkaian besar dari Centrifugal Gas Compressor yang didesain dari beberapa unit peralatan dan komponen yang di jadikan satu kesatuan sehingga dapat di gunakan untuk mengontrol operasi dari Centrifugal Gas Compressor tersebut dengan baik dan aman .
10
Adapun bagian-bagian besarnya adalah sebagai berikut :
a. Centrifugal Gas Compressor (Boost Compressor), terletak di base frame bagian belakang engine , output shaft dari engine dan input shaft Compressor harus terpasang dengan alignment yang benar-benar akurat untuk menjadikannya benar-benar center sehingga tidak terjadi getaran yang akan mengakibatkan kerusakan bila melampaui ambang batas yang telah di tentukan di samping itu juga bisa mengakibatkan kebisingan yang cukup keras.
b. Turbine engine, merupakan Prime Mover yang akan menggerakan Centrifugal Gas Compressor yang mana Horsepowernya akan disesuaikan dengan kebutuhannya.
c. Control Console adalah sebagai tempat electrical system relays, monitor, dan lain-lain. System control swich, meter dan lampu indicatorinya, system control valve-valve untuk compressor dan lampu indikatornya, vibration and temperatur monitor semua system control di atas di tempatkan pada pintu Control Console . Semua control system dan indictor berfungsi untuk mengontrol dan mengoperasikan Centrifugal Gas Compressor .
d. Skid Base Frame, adalah rangka yang rigid yang mana strukturnya di satukan dengan pengelasan. Base Frame ini berfungsi sebagai support dari Turbine Engine dan juga Centrifugal Gas Compressor, yang disusun dalam satu garis. Base Frame juga sebagai tempat dari bermacam-macam peralatan seperti, start, fuel, Oil, udara, dan Control system.
11
Gambar 2.1 Compressor Package
2.2. Centrifugal Gas Compressor
Centrifugal Gas Compressor mempunyai beberapa bagian equipment, namun bagian-bagian besarnya hanya terdiri dari dua bagian equipment, yaitu :
2.2.1. Bagian Luar (Casing)
Bagian yang menutupi bagian dalam komponen centrifugal gas compressor yang di desain dapat menahan tekanan dan temperatur tertentu sesuai tekanan dan temperatur yang di hasilkan oleh Compressor tersebut.
12
Gambar 2.2. Casing dan Innerpart Centrifugal Gas Compressor
2.2.2. Bagian Dalam
Komponen yang terdiri dari rotating component (Impeller) dan stationery component (guide vane, diaphragms).
13
Gambar 2.3. Stage of Compressor
2.3. Cara Kerja Centri fugal Gas Compressor.
Centrifugl Compressor menghasilkan tekanan dikarenakan adanya gaya inersia seperti percepatan, perlambatan dan perputaran dari gas yang diakibatkan oleh pergerakan dari impeller.
Guide vane mengarahkan gas menuju ke inlet impeller, kemudian gas akan di percepat dengan berputanya impeller, selanjutnya gas akan melalui celah diffuser yang mengakibatkan terjadinya perlambatan terhadap gas namun terjadi kenaikan tekanan.Diffuser adalah suatu celah yang terbentuk dari bagian belakang Guide vane dan downstream (bagian Hilir) dari diaphragm..
14
Perputaran dari rotating component (Impeller) itu sendiri adalah hanya memberikan enerji kecepatan terhadap gas sedangkan yang merubah enerji kecepatan menjadi enerji tekanan adalah stationary component .
Kombinasi dari Inlet guide vane, impeller, and diffuser adalah satu kesatuan unit yang di sebut dengan Compressor Stage. Didalam rangkain, guide vane dan diaphragm di gabungkan sehingga membentuk suatu komponen yang di sebut dengan Stator.
Dalam satu Casing Compressor dapat terdiri dari beberapa Stage yang disusun secara seri tergantung dari kebutuhan kenaikan tekanan yang akan di hasilkan oleh Centrifugal Compressort tersebut.
15
Adapun proses peningkatan tekanan terhadap natural gas agar mempunyai tekanan yang lebih tinggi lagi yaitu dengan mendisain compressor dengan system Tandem
Gambar 2.4 . Instalasi Centrifugal Gas Compressor
2.4. Natural Gas
Sebelum membahas mengenai natural gas terlebih dahulu sebaiknya mengetahui gas ideal. Gas ideal adalah gas yangmempunyai sifat memenuhi persamaan sebagai berikut:
16
Dimana :
P = Pressure absolute V = Volume
n = jumlah partikel pada gas dalam Mol
R = Konstanta Gas (10.73 ) T = Temperature absolute
Sehingga persamaan tersebut dapat diartikan sebagai berikut.
, merupakan Gas ideal.
, bukan termasuk dalam kondisi gas ideal melainkan merupakan kondisi real suatu gas, sehingga untuk mendekati gas ideal perlu di masukkan faktor deviasi yang di sebut dengan Compressibility Factor(Z).
Natural Gas adalah merupakan Gas yang di hasilkan dari alam yang memiliki komposisi gas yang berbeda-beda ,dimana natural gas ini merupakan bagian penting yang akan di operasikan oleh Centrifugal Gas Compressor. Karena pada kenyataannya untuk pengoperasian natural gas mendekati gas ideal sangat sulit sekali di karenakan kondisi Temperatur dan, tekanan ynag bisa berubah akibat faktor cuaca dan sumber gas yang ada ,yang mengakibatkan perubahan pada volumenya atau sebaliknya, sehingga untuk menjaga ke akuratan mendekati
17
gas ideal, dalam perhitungan perlu di perhatikan hal-hal sebagai berikut shingga tidak mempengaruhi performance Centrifugal Gas Compessor :
2.4.1. Komposisi gas
Setiap gas yang di hasilkan mempunyai komposisi yang berbeda, namun untuk Hydrocarbon gas yang berasal dari alam (Natural Gas) pada umumnya terdiri dari methanes, ethanes, butanes, propane, pentanes, dan sebagian kecil hexanes, heptane, octane, dan gas-gas berat. Campuran gas yang lain seperti CO₂, H₂S, N₂, H₂O, dalam proses gas-gas ini akan di buang untuk menghasilakan gas alam yang baik yaitu gas-gas alam yang hanya mengandung methane, ethane dan propane.
Komponen-komponen yang terkandung didalam gas akan mempengaruhi kinerja atau performance dari centrifugal gas compressor, sehingga kondisi compressor akan berbeda tergantung kepada kandungan gas yang akan di process.
Persentasi kandungan komponen gas dapat di dapat dari hasil analisa laboratorium. Komposisi dari natural gas biasanya di tunjukan dalam istilah Mol Fraction dari tiap-tiap komponen.
Mol Fraction dari satu komponen adalah jumlah molekul-molekul dari komponen tersebut di bagi dengan total jumlah molekul-molekul dari natural gas.
2.4.2. Temperatur
Pada proces gas, temperature diukur pada sisi suction dan discharge dari Centrifugal gas compressor. Suction temperature dinyatakan dengan dan untuk discharge temperature. Temperature digunakan untuk menghitung enerji yang di berikan oleh Centrifugal Gas Compressor (Head), Power yang
18
dibutuhkan, dan Gas Flow. Dalam Perhitungan satuan temperatue gas yang digunakan adalah absolut temperature yaitu derajat Rankine (°R) =°F + 460 .
2.4.3. Pressure
Gas pressure diukur pada sisi Suction pressure dan discharge pressure dari Centrifugal Gas Compressor. Suction pressure dinyatakan dengan dan discharge pressure dinyatakan dengan Gas pressure di gunakan untuk menghitung enerji yang diberikan oleh Centrifugal Gas Compressor, power yang dibutuhkan, dan gas flow. Gas pressure juga dinyatakan dalam absolute pressure (gage pressure ditambah atmospheric pressure 14,7) dalam satuan Psia ..
2.4.4. Specific Gravity(SG)
Specific Gravity adalah suatu ukuran dari beratnya suatu gas, yang dinyatakan sebagai ratio antara berat molekul gas dan berat molekul udara (28,964). Specific Gravity juga di gunakan untuk menghitung enerji yang diberikan ke pada gas oleh compressor, power yang dibutuhkan, dan gas flow.
Untuk campuran gas alam SG dapat di hitung dengan mengalikan Mol Fraction dari komponen gas dengan berat molekulnya sendiri, kemudian jumlahkan total berat molekul gas campuran tersebut, selanjutnya bagi dengan berat molekul dari udara yaitu 28,964.
SG suatu gas alam akan berubah sehubungan dengan berubahnya komposisi dari gas alam tersbut. SG tidak akan dipengaruhi oleh perubahan Temperatur dan tekanan (Pressure).Dan akan tetap selama process kompresi berlangsung.
19 2.4.5. Specific Heat Ratio (K)
Untuk mengenal yang di maksud dengan specific heat ratio, terlebih dahulu perlu mengetahui apa yang dimaksud dengan specific heat.
Specific heat dari suatu zat adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikan temperatur satu unit masa.Bila dinyatakan dengan satu BTU specific heat bearti jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikan temperature satu derajat Farenheit dari satu pound (lb) massa gas.
Nilai specific heat bervariasi tergantung pada apakah pressure atau volume yang dijaga tetap konstan sementara gas di panaskan.Kalau gas yang di panaskan dalam suatu wadah yang dapat mengembang dan pressure konstan ,maka volume akan bertambah seiring dengan kenaikan temperature, maka ini di sebut sebagai specific heat pada saat pressure konstan (cp), dan jika Volume yang konstan sedangkan pressure naik seiring dengan meningkatnya temperature disbut specific heat pada volume konstan (cp).
Specific heat ratio (K) adalah perbandingan antara specific heat pada posisi pressure konstan (cp) dengan specific heat pada volume konstan (cv).
Di dalam tugas akhir ini untuk mencari Specific heat rasio ini di gunakan software dari Solar Turbine, di mana Solar memberikan dua kondisi yaitu specific ratio pada temperature 50 F dan specific heat pada temperature 300 F ,maka untuk mendapatkan specific heat ratio natural gas yang diinginkan adalah dengan mencari rata-rata dari specific haet ratio tersbut
20 2.4.6. Compressibility Factor (Z).
Hukum-hukum gas ideal adalah cocok untuk perhitungan hubungan antara pressure, volume, dan temperature ,yaitu dimana kondisisi gas pada pressure dan temperature yang berada di atmosfir atau pada tekanan atmosfir. Namun pada kenyataannya ada perbedaan nilai volume antara perhitungan real gas (gas sesungguhnya) dengan perhitungan gas ideal.
Untuk mengoreksi perbedaan antara volume real gas dan volume gas ideal pada hokum-hukum gas ideal, maka Compressibility Factor digunakan untuk menghitung pressure, volume, dan temperature pada kondisi gas yang sesungguhnya.
Untuk mencari Compressibility Factor dapat menggunakan kurva “Compresibility Curve for Natural gas. Kurva ini digunakan dengan terlebih dahulu mempunyai data seperti , suction pressure, suction temperature, dan specific gravity.
2.4.7. Parameter Performance Centrifugal Gas Compressor
Performance dari centrifugal compressor dapat dilihat dari parameter – parameter sebagai berikut. .
a. Pressure Ratio
Pressure ratio adalah perbandingan antara pressure absoulute di suction compressor (P1) dengan pressure absolute pada discharge compressor (P2).
21 b. Head
Head pada centrifugal gas compressor di definisikan sebagai energy yang diberikan ke gas melalui percepatan ,perlambatan dan putaran dari impeller sehingga tekanan gas akan naik.
Head di expresikan dengan foot-pounds-force per pounds mass (ft.lbf/lbm) atau disebut juga dengan “feet of head”
Dalam menentukan kemampuam suatu Centrifugal Gas Compressor tidak lupa juga untuk ditentukan oleh berapa jumlah impeller maximum yang bisa terpasang didalam satu unit compressor tersebut.
Untuk sebagai bahan pengetahuan bahwa Solar Turbine Incorporated mempunyai kode penulisan atau kode untuk sebagai penentuan jumlah impellernya.
Kode jumlah impeller pada type centrifugal gas compressor
Untuk single centrifugal compressor stage, besarnya head tergantung dari besarnya impeller dari Compressor. Untuk produksi buatan Solar ada 5 macam impeller, setiap impeller didisain spesific untuk compressor sesuai dengan kegunaanya. Range diameter dari impeller tersebut adalah 7 inches (maximum head per stagenya 8000 ft lbf/lbm) sampai 24 inches (maximum head perstage 20000 ft lbf/lbm). Untuk ukuran-ukuran yang spesific, head yang di hasilkan harus disesuaikan dengan kecepatan putar dari impeller. Untuk impeller diameter 12 inches dengan putaran 15000 rpm akan menghasilakan lebih besar head di bandingkan dengan yang putarannya 14000 rpm .
22
Kemampuan head dari suatu compressor ditentukan oleh seberapa banyak jumlah stage didalam compressor tersebut.
Untuk produksi Solar , Compressor mempunyai kode-kode tersendiri yang mempunyai arti. Kode-kode tersebut seperti C167, C284, C306 dan lain-lain. Makna dari kode-kode itu adalah
C = Centrifugal Compressor
XX (dua angka di depan C) = Diameter dalam Housing dalam inches
X (angka ke tiga) = maximum jumlah impeller yang dapat di pasang di dalam housing Compresssor
X (angka selanjutnya) = jumlah impeller yang terpasang .Contoh : C 1684 artinya centrifugal compressor dengan diameter dalam 16 dan maksimum impeller yang bisa di pasang 8 stage dan yang terpasang sekarang hanya 4 stage.
c. Isentropic Head (H isen),
Kerja yang dilakukan impeller akan di transfer ke energy tekanan, akan tetapi pada kenyataannya kerugian mekanik dan aerodinamic tidak bisa di hindari. Dalam perhitungan kerugian-kerugian itu Solar memberikan Konstanta 53,3 didalam persamaanya sehingga mendekati ideal, Head yang demikian di sebut dengan isentropic head (H isen) atau Head adiabatic (Had).
23 [( ) ] Dimana :
Temperature absolute pada Suction dalam derajat Rankine Compresibility Factor
Spesific Heat ratio
Spesific Grafity Natural Gas
Pressure absolute pada suction Pressure absolute pada discharge
53,3 = Konstanta
d. Isentropic Efficiency ( )
Isentropic Efficiency adalah suatu nilai yang menunjukan Head yang Effisien yang dapat dihasilkan oleh suatu Centrifugal Gas Compressor yang merupakan perbandingan antara Head yang di butuhkan dengan Head actual dihasilkan.
Namun Isentropic Efficiency juga dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini apabila pressure suction ,pressure disch ,temperature suction ,temperature discharge dan Specific Heat Ratio diketahui.
[( ) ] Dimana :
24
Temperature absolute pada Discharge dalam derajat Rankine Spesific Heat Ratio
Pressure absolute pada suction
Pressure absolute pada discharge
e. Maximum Inlet Flow (CFM)
Maximum inlet flow adalah jumlah Volume gas maximum yang mampu di process oleh Centrifugal Gas Compressor, yang dinyatakan dengan Cubic Feed pe Minute (CFM),adapun persamaannya adalah
Dimana :
CFM = Cubic Feed per menit
MMSCFD = Millions of Standards Cubic Feed per Day, Jumlah flow natural gas yang kan dialirkan stiap hari
Temperature absolute pada suction
Z = Compresibility Factor gas = Pressure absolute pada Suction f. Horse Power
Suatu Centrifugal Gas Compressor bisa di gerakkan dengan motor listrik ataupun model engine lain, namun yang menjadi penggerak dari compressor di PHEONWJ pada umumnya menggunakan turbine engine. Pada packet compressor power hasil pembakaran akan dimanfaatkan oleh blade – blade yamg menempel pada blade (blade-blade pada shaft
25
Tubine engine di sebut Gas producer dan blade-blade pada shaft compressor di sebut Power turbine) sehingga ada dua shaft yang terpisah didalam satu packet compressor yaitu :
- Shaft pada Gas producer , shaft yang menggerakan turbine engine itu sendiri
- Shaft pada Power turbine, shaft yang menggerakkan centrifugal compressor.
Kecepatan dari gas producer menentukan output dari horsepower turbine engine, pada umumnya gas producer speed bisa di set pada sistem manual atau automatic untuk menjaga speed dan output horse powernya tetap konstan. sehingga jika suatu aplikasi khusus diperlukan untuk menjaga flow dan discharge pressure dapat dilakukan sesuai dengan kebutuhannya, hal ini di control oleh governor system . Apabila horse power gas producer konstant maka power turbine bisa mencapai 100 % speed sehingga pressure ratio yang diingunkan tercapai. Adapun yang mempengaruhi Horse power dari compressor ditentukan oleh head yang dibutuhkan dan besarnya flow dari gas.
Horsepower = Head x mass flow x constant
Dimana constant adalah semua yang mempengaruhi selain dari head dan mass flow.
Sebagian horsepower yang tersedia digunakan untuk mengoptimalkan pressure ratio dan sebagian horsepower dimanfaatkan oleh mesin seperti beban putaran dari bearing , sehingga horse power tidak penuh terpakai
26
untuk process natural gas, kerugian ini di sebut dengan Mechanical looses.
g. Head dan Kapasitas
Performance suatu Compressor dapat dilihat dengan hasil grafik sebagai berikut, sebagai contoh diambil type C3304A:
Grafik.2.1 Performance Compressor Penjelasannya adalah :
Di ketahui inlet Volume sebesar 1350 CFM , compressor speed 14150 rpm. Untuk mengetahui head dan efficiency pada operasional ini caranya adalah tarik garis vertical dari inlet flow sebesar 1350 CFM hingga bertemu titik antara 14000 rpm dan 15000 rpm yang nilainya 14150 rpm. Kemudian tarik garis horizontal menuju isentropic Head maka akan didapatkan Head sekitar 37500 ft-lbf/lbm. Dan untuk mengetahui
27
efficiencynya lihat garis melengkung vertical , untuk kasus ini terlihat bahwa efficiencynya tepat di 75% .
h. Horsepower dan Compressor Speed
Untuk melihat hubungan antara horse power yang dibutuhkan dengan compressor speed dan melihat apa pengaruh terhadap flow dan pressure ratio, maka graphic di bawah ini bisa dilihat untuk menggambarkannya.
Grafik 2.2 Flow VS Pressure ratio
Penjelasannya adalah sebagai berikut :
Pada titik A adalah pertemuan antara kondisi Pressure Ratio sebesar 2.2 dan flow kira-kira 58% . kalau kita lihat bahwa kondisi tersebut adalah berada pada horsepower 90% dan juga terletak ditengah-tengah garis kecepatan 80% dan 90% rpm kira-kira 86% rpm artinya pada titik tersebut di horsepowernya adalah 90% ,dan ternyata pada titik tersebut
28
compressor sedang beroperasi pada speed 86%. Namun apa yang akan terjadi bila pressure ratio dinaikan sampai pada titik B tanpa menaikan horsepower maka flownya akan berkurang menjadi 32%. Maka dalam hal ini perlu ditambahkan horsepower untuk meningkatkan flow dengan menaikan speed hingga tercapai flow yang dininginkan.
i. Brake Horsepower(HP)
Ketika kerugian-kerugian yang diakibatkan oleh peralatan mekanik seperti gesekan pada bearing dan seal-seal pada compressor diperhitungkan untuk menghitung horsepower yang diinginkan untuk mencapai pressure ratio yang dinginkan maka perhitungan horsepower ini disebut sebagai brake horsepower. Brake horsepower dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut:
Dimana :
HP = Brake Horse power yang dibutuhkan = Besarnya Head yang diinginkan
MMSCFD = Jumlah flow naatura gas yang kan dialirkan stiap hari SG = Spasific Gravity dari natural gas
29
j. MMSCFD
Pada pembahasan sebelumnya bahwa Pressure Ratio dan head adalah merupakan dua parameter penting untuk menetukan performance suatau compressor. Pada kenyataanya pengguna centrifugal compressor juga sangat memperhatikan mengenai jumlah natural gas atau flow yang akan di process oleh compressor dengan head yang telah ditentukan. Bisa di bayangkan setiap harinya jumlah gas mengalir setiap menitnya, sejumlah gas tersebut bisa dinyatakan dengan mass (weight) atau volumenya. Untuk mass flow dapat dinyatakan dengan mass per unit time , seperti pounds mass per menit. Sedangkan untuk aliran ayng dialirkan berdasarkan volume dinyatakan dengan volume per unit time. Cubic feed per minute (CFM) biasa digunakan untuk menyatakan aliran volume suatu gas.
Natural gas yang dihasilkan oleh centrifugal gas compressor dan akan di jual ke konsumen adalah dalam bentuk satuan Millions of Standard Cubic Feed per Day (MMSCFD).
MMSCFD ini adalah merupakan CFM yang distandardkan berdasarkan kondisi temperatur dan pressure. Kondisi ini disesuaikan dengan kondisi dari Negara yang akan membeli Natural Gas tersebut. Formula untuk merubah CFM ke MMSCFD tersebut bila nilai temperature 60°F dan pressure 14,7 psia adalah
30
2.5. Kondisi-Kondisi Centrifugal Gas Compressor a. Surge
Surge pada Centrifugal Gas Compressor adalah merupakan suatu kondisi dimana terjadi perubahan flow minimum suatu gas sesuai dengan yang dibutuhkan oleh compressor, yang mengakibatkan terjadinya Overspeed, high temperature dan getaran, hal ini terjadi karena disain suatu compressor sudah tidak sesuai lagi dengan kondisi flow gas yang tersedia sehingga melewati batas Surge limit dari Centrifugal Gas Compressor tersebut. Hal ini dapat di lihat dari kurva di bawah ini.
31 b. Critical point dari gas
Critical point dari gas adalah titik kritis dimana gas akan berubah menjadi cair atau uap pada tekanan dan temperature tertentu (lihat grafik 2.4).Apabila suatu gas sudah melewati titik tersebut maka kondisi gas akan mempengaruhi dari performa centrifugal gas compressor. Dalam kenyataan kondisi seperti ini bisa saja terjadi, oleh karena itu dalam perhitungan harus dibuat agar kondisi ini tidak terjadi dan gas harus dalam kondisi idealnya, yaitu dengan cara memberikan compressibility factor z pada setiap perhitungan dengan mencari Pseudocritical dari temperature dan pressure
32
c. Pseudocritical Pressure dan Temperature
Pada natural gas yang mempunyai komposisi gas yang berbeda maka critical pointnyapun berbeda-beda pada setiap gas sehingga untk mengakumulasi kondisi ini critical point natural gas dinyatakan dengan pseudocritical pressure dan pseudocritical temperature.
untuk mencari pseudocritical property dari natural gas bisa dengan menggunakan kurva pada grafik 4.1 dengan terlebih dahulu mengetahui specific gravity dari natural gas atau menggunakan software yang telah disediakan oleh Solar incoporated.
d. Reduce Pressure dan Reduce Temperature
Berubahnya temperature dan pressure mempengaruhi sifat-sifat dari ideal gas karena bisa mendekati critical point dari gas, sehingga untuk menjaga kondisi temperature dan pressure tetap pada kondisi idealnya perlu diperhitungkan perubahan temperature dan pressure yang bisa sesuai dengan kondisi natural gas yang disebut dengan Reduce temperature dan reduce pressure.
- Reduce Temperature
Dimana :
33
= Temperature absolute pada suction
PCT = Pseudocritical Temperature - Reduce Pressure Dimana : Ppr = Reduce Pressure
= Pressure Absolute pada suction PCP= Pseudocritical Pressure
