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.
S
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 AC-3050. 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 openingpercentage dari control valve PCV-3717 dan LCV-3715. Sedangkan variabel yang dikendalikan atau process variable (PV) yaitu besarnya pressure dan level liquid
dalam scrubber yang dibaca oleh sensor PT-3709 dan LT-3704. 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
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
kolom GLCC dapat diturunkan dari persamaan kesetimbangan massa
.
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 PV-3700
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)
1) Kesetimbangan Massa Liquid
(4) Persamaan 4 dapat diturunkan berdasarkan hubungan geometri scrubber dan perubahan level liquid dengan 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
(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 tertentu sehingga diperoleh responnya dimana nilai OP yang divariasikan adalah persentase bukaan valve upstream PCV-3717 dan valve downstream LCV-3715.
E. Penerapan Pengendali
Pengendali yang digunakan pada PIC-3709 dan LIC-3715 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
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 Mr gas.
Tabel 3.1 Validasi Hasil Perhitungan dengan Simulasi
Parameter PerhitunganHasil Hysys Error (%)
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
psia) 0.98409 0.97731 0.689
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
dalam keadaan setimbang. Perubahan laju aliran output yang dibutuhkan dilakukan dengan mengubah nilai bukaan valve (OP).
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
Gambar. 7. Uji perubahan temperatur tanpa pengendali terhadap tekanan
Gambar. 8. Uji perubahan temperatur tanpa pengendali terhadap level
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 QLin 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. 10.Grafikrespon 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.
Tabel 3.2 Parameter Performansi Pengendali Tekanan saat diberi
disturbance laju aliran input
No
Maximum Overshoo
t
Rise time
Settling
Time Disturbance
1 0.2429 % 0.6050 s 2.6624 s 6.5 mmscfd
2 0.1619 % 0.6055 s 2.6633 s 6.7 mmscfd
3 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
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
pengaruhnya terhadap tekanan dan level didalam scrubber. Pengujian dilakukan dengan memberikan perubahan temperatur secara step dengan nilai yang berbeda-beda.
Gambar. 11.Grafikrespon tekanan terhadap disturbance temperatur
Gambar. 12.Grafikrespon 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 900F 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
No Maxsimum Overshoot
Rise
time SettlingTime Disturbance
1 0.0496 % 0.6050 2.6624 s 90 F
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
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.
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.
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] Devold, Håvard. 2013. Oil and gas production handbook An introduction to oil and gas production, transport, refining and petrochemical. ABB Oil and Gas
[2] Poernomo, Djoko. 2013. Teknik Instrumentasi. Cepu : Sekolah Tinggi Energi Dan Mineral (STEM) Akamigas
[3] 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
[4] ENI Saipem Indonesia, Separator Selection and Processing Sizing. CR-COR-ENG_PRC-001-E, 2013.
[5] NORSOK Standard P-100, Norwegian Technology Center, Process System Rev.2 November, 2001.
[6] Huang Shanfang, Wen Yiqian, Wang Dong, “Performance analysis of gas-liquid cylindrical cyclone (GLCC) separator with an inclined and perforated wall”. Nuclear Science and Techniques 24. 2013 010603 [7] 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.
[8] Sulzer Chemtech, Gas / Liquid Separator Technology, Winterthur, Switzerland, 2000.
[9] 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.
[10] R.S. Mohan, S. Wang, O. Shoham. “Dynamic Simulation and Control-System Design for Gas/Liquid Cylindrical Cyclone” Society of Petroleum Engineers Journal, 2001.
[11] 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.
[12] Supahar. “Kajian Numerik Sifat Densitas Sistem Hidrokarbon Gas Kondensat Berbasis Komposisi Menggunakan Persamaan Soave Redlich-Kwong (SRK-EOS)”. Universitas Negeri Yogyakarta. 2005
[13] 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.
[14] P. Perrot, A to Z of Thermodynamics. (Oxford University Press 1998), ISBN 0-19-856552-6 1998
[15] K. E. Starling dan J. L. Savidge. “Compressibility Factors of Natural Gas and Other Related Hydrocarbon Gases”. American Gas Association (AGA).1992
[16] F. Gunterus. “Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses, Elex Media Komputindo”. Jakarta. 1997.
[17] Akbar, Amri. “Perancangan Sistem Pengendalian Pembakaran Pada Duct Burner Waste Heat Boiler (Whb) Berbasis Logic Solver”. Jurusan Teknik Fisika ITS: Surabya. 2008
[18] 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.
