3.1 Sistem Proses
Transduser merupakan suatu piranti yang dapat mengubah suatu energi ke bentuk energi lain. Bagian masukan dari transduser disebut sensor, karena bagian ini dapat mengindera suatu besaran fisik dan mengubahnya menjadi bentuk energi yang lain. Dalam perancangan analisa ini sistem pengukuran berat molekul gas di Direct Reduction Plant menggunakan NT 3096 Specific gravity transducer Solartron.
Alat ini menggunakan sensing element sebagai sensor penginderaannya, yaitu menerima inputan dari perubahan frekuensi yang diterima akibat getaran yang dipicu dari berat molekul gas dengan berat molekul udara luar di dalam chamber, sehingga specific gravity biasanya digunakan pada sistem metering aliran gas.
Sejak berdirinya DR Plant tahun 1980 sensor ini sudah digunakan sampai sekarang, namun saat ini Specific Gravity jenis ini sudah tidak diproduksi dan keluaran yang baru adalah tipe NT 3098 yang awalnya tipe NT 3096. Dengan fungsi yang sama tapi mengalami perubahan bentuk yang semakin kecil dan respon sistem penginderaannya yang semakin cepat, sehingga aliran pada sistem transduser ini mengalami perubahan pada laju aliran gas sampling yang lebih banyak. Adapun sinyal frekuensi ini dirubah oleh flowcom/converter menjadi besaran arus, sehingga dalam antarmuka ke sistem DCS akan lebih mudah hanya menggunakan
pengkabelan yang dihubungkan ke suatu sistem bernama PCS (Process Control System) yang nantinya bisa diolah menjadi grafis dan visual di layar DCS menggunakan desain HMI (Human Mechine Interface).
3.2 Diagram Blok Proses
Direct Reduction Plant merupakan pabrik yang berproduksi biji besi murni, dengan proses sebagai berikut :
Gambar 3.1 Overview Proses Produksi Di Layar DCS
Gambar 3.2 Diagram Block Proses Produksi Iron Making
Proses reduksi biji besi/pellet dari Fe2O3 menjadi Fe murni membutuhkan gas
CO dan H untuk pemisahan unsur O dalam pellet pada temperatur dan tekanan
Reformer Gas Heater Reactor
CH4&H2O
SG Meter CO2
tertentu, CH4 dan steam/H20 merupakan row material yang direformasi menjadi gas
CO dan H2, kemudian dipanaskan sekitar 830 0C sebelum untuk mereduksi biji besi
di dalam reaktor, gas outlet reaktor ini didaur ulang untuk mengurangi kadar CO2
pada proses CO2 Absorber menggunakan proses tekanan tinggi yang sebelumnya
dinaikkan oleh kompresor, gas ini disebut sebagai Tail gas. Merupakan campuran antara gas pereduksi Karbon Monoksida dan Hidrogen. Proses ini dilakukan secara continuous sehingga peranan kompresor sangat menunjang kelancaran proses produksi.
3.3 Diagram Blok Sistem
Karena Specific Gravity di sini hanya untuk mengukur gas campuran berupa N2, H2, CO, CO2, dan CH4 maka untuk mengetahui nilai itu dibagi dengan berat
molekul udara yaitu 28,96469.
Berikut diagram proses sampling gas proses ke DCS :
Gambar 3.3 Flow Diagram Sistem
Pipa/ gas proses Pressure Control Regulator Filter & Water Trap
Specific Gravity Meter Flow Transmitter Display DCS Flowcom/ Converter Display DCS Vent
Tekanan sample gas proses dari pipa ke analizer D1503 sama dengan tekanan dalam reaktor yaitu 4 kg/cm2. Karena proses produksi dilakukan secara terus
menerus maka gas yang diukur juga akan mengalami perubahan fisik sesuai reaksi kimiawi di dalamnya, sehingga jarak pengambilan sample pipa ke analizer juga tidak boleh terlalu panjang, diharapkan data terukur adalah data realtime.
Gambar 3.4 Pipa Inlet Gas Proses ke Kompresor
Jarak antara nozzle taping sample ke analizer sekitar 5 meter. Reaksi yang terjadi di reaktor sangat panas dan tidak murni berupa gas dan metal, melainkan air, debu besi, debu semen, debu tanah juga ada maka banyak ditemukan campuran debu atau air kondensat. Jadi gas yang diukur sensor fluidanya bercampur dengan zat lainnya. Apalagi Gas buang reaktor banyak mengandung fines sponge (debu besi), sehingga sample yang diukur pada analizer D1503 kerap tidak tepat, karena faktor tersebut masih sangat dominan dalam pengukuran fluida yang dibaca oleh sensor.
Pada dasarnya sensor specific gravity hanya untuk mengetahui berat molekul gas proses produksi, bukan untuk mengukur campuran gas dengan metal, air
ataupun zat lainnya. Aktualnya pembacaan SG semakin lama semakin jauh dari hasil lab. Pada awalnya filter pada unit sensor hanya terdapat 1 filter dengan dimensi 7 µm dan susah untuk assemblingnya, karena ukurannya kecil dan penyaring tersebut berbahan metal. Pembacaan akan bagus jika setelah dilakukan pembersihan filter, proses kalibrasi serta pembersihan sensor.
Untuk itu dirancang sebuah water trap dan penambahan filter berdimensi 3 µm dengan bahan terbuat dari serat fiber untuk menangkal air kondensat dan debu metal. Oleh karena fluida yang mengalir ke specific gravity meter lama-lama banyak partikel debu yang menempel di filter dan semakin senyempit, maka laju aliran keluaran sensorpun semakin menurun pembacaannya bisa dilihat pada flowglass, jadi indikasi di DCS pun akan menjadi abnormal. Kemudian dirancanglah penambahan laju aliran keluaran sensor yang bisa dimonitoring dari display DCS untuk memudahkan pengamatan dan mempercepat tindakan seperti mengganti filter.
3.4 Cara Kerja dan Metode Kerja Keseluruhan
Dengan adanya Specific Gravity meter di area kompresor bisa membantu pembacaan berat molekul gas proses untuk mengendalikan operasional kompresor. Maksudnya hasil analisa gas ini mampu mengendalikan beban arus kerja kompresor. Monitoring Specific Gravity D1503 dilakukan di ruang DCS, sistem pengendalian beban arus kompresor dikontrol oleh feed back dari indikasi SG D1503 ke bukaan control valve FCV1401. Jika beban arus kompresor naik karena berat molekul gas besar maka laju aliran bisa dibagi atau dialihkan ke jalur bypass
yang dipasang jalur FCV1401. Sebelumnya pengendalian control valve tersebut sering dimode MAN melalui indikasi D1503 dengan proses value sesuai hasil lab, dikarenakan hasil pembacaan alat sering terjadi selisih.
Debu proses yang terbawa aliran akibat proses kimiawi produksi, hanya diserap oleh filter dengan dimensi 7µm. Banyaknya debu yang terbawa oleh gas bisa dilihat dari kondisi fisik sensor saat dibuka untuk pembersihan, yaitu dengan cairan pembersih aceton, terlebih debu yang mengalir adalah debu besi dan bercampur dengan air kondensat, akibat dari perubahan temperatur dari ambient menuju sampling unit chamber yang cenderung lebih rendah dan air tersebut mempengaruhi proses pembacaan sensor.
Sensing element akan membaca tinggi jika berat molekul yang melintas berat, karena saat media melintas di dalam chamber sensor akan bekerja lambat atau vibrasi rendah, sehingga frekuensi yang dikeluarkan oleh sensor juga rendah. Konfigurasi dari sensor sendiri dalamnya berbentuk coil dan bekerja seperti hukum faraday, karena akibat getaran maka akan mengeluarkan medan magnet kemudian medan magnet dirubah menjadi frekuensi, semakin kecil frekuensi pencacahan sensor maka semakin cepat waktu yang ditangkap oleh flowcomp, dari selang frekuensi yang dicacah oleh sensor maka bersama flowcom/converter diolah menjadi waktu dan dari waktu dirubah menjadi mA sesuai kebutuhan analog input pada sistem di DCS dengan range 0,2 – 0,7.
Untuk melakukan kalibrasi harus didapat data frekuensi pencacahan sensor sample gas (menggunakan sample gas H2 dan N2 sebagai reference), setelah data
dikonversi). Cara adjustment sistem specific gravity harus memasukkan konstanta K0 dan K2 dari hasil injeksi gas sample tadi, barulah nilai pembacaan sensor akan
menjadi normal. Adapun rumus untuk mencari K0 dan K2 harus mengetahui density
masing-masing gas. 𝑮 = 𝑲𝒐+ 𝑲𝟐𝑻𝟐 …(3.1 𝑲𝟐= 𝑮𝑻𝒙− 𝑮𝒚 𝒙 𝟐− 𝑻 𝒚 𝟐 …(3.2 𝑲𝟎= 𝑮𝒚− 𝑲𝟐𝑻𝒚𝟐 …(3.3 Dimana ;
T = Time periodic sample gas Specific gravity Tx = Time periodic yang diketahui gas kalibrasi “x”
Ty = Time periodic yang diketahui gas kalibrasi “y”
Gx = Specific gravity kalibrasi gas x
Gy = Specific gravity kalibrasi gas y
Metode Proses Penelitian
Pelaksanaan penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap/langkah seperti ditunjukkan pada gambar diagram 3.5 dibawah ini :
Gambar 3.5 Diagram Metode Perbaikan Mulai
Melakukan proses kalibrasi injeksi gas sample H2 dan N2
Tidak Ya
Tidak Menganalisa hasil antara pengukuran alat dan hasil lab
dengan ralat penyimpangan
Ya
Menambah monitoring laju aliran gas outlet sensor di HMI
DCS
Mengganti filter dan mencatat hasil pengukuran alat serta
hasil lab Flow = 40 Nl/h
Analisa dan pembahasan
Kesimpulan
Selesai
Mengumpulkan data history Specific Gravity dan prepare perlengkapan
Toleransi pengukuran ≤ 2% dibanding hasil lab?
Dari diagram diatas bahwa metode perbaikan adalah berdasar hasil dan perbandingan pengukuran, dimana hasil diperoleh dari pengukuran alat pada awal sebelum dilakukan modifikasi dan perbandingan menggunakan lab berstandar, sehingga diperoleh 3X perhitungan ralat dengan dilakukan 2X perbaikan dan tetap menggunakan hasil lab sebagai acuan keakuratan alat ukur.
3.5 Prosedur Perbaikan a. Tahap Pertama
Pada tahap ini pengambilan data dilakukan 1 minggu dua kali dari bulan Desember 2012, data diambil setelah dilakukan pembersihan sensor menggunakan cairan aseton dan sudah dilakukan kalibrasi sehingga nilai pembacaan sensor masih dalam ambang normal dibandingkan dengan hasil pengukuran sample gas di lab, tapi bilamana sampling diambil seminggu setelah kalibrasi pembacaan mulai menyimpang dibanding hasil analisa sample gas dari lab, begitu juga seterusnya mengalami kenaikan deviasi penyimpangan jika dilakukan pengambilan data pada minggu-minggu berikutnya.
Prosedur percobaan yang dilakukan sebagai berikut :
- Merubah indikasi D1503 di layar DCS dalam mode manual, agar tidak berpengaruh pada sequence bukaan valve dan mengamankan supply DC 24V dari marshalling cabinet/lepas fuse 0,5 mA, untuk menghindari short sircuit. - Melepas kabel sinyal dari transduser dan buka koneksi 1/2” menggunakan kunci
pass ring ukuran 22 mm pada Specific gravity sensor, membuka sensing element menggunakan kunci hexagonal dan membersihkan menggunakan kain halus
dengan pembersih aseton. Bentuk sensing element jika dibuka akan tampak seperti gambar 3.6 dibawah ini:
a) b)
- Memastikan jalur yang masuk dan keluar yang melalui tubing stainless tidak mampat menggunakan udara compressor atau gas nitrogen untuk flashing supaya debu atau air keluar sampai jalur benar-benar bersih. Jika terjadi mampat menggunakan injector/handpump untuk membuang kotoran dengan media cairan panas untuk menekan kotoran/air keluar secara menerus.
- Memasang kembali semua connection dan fuse, serta mengkalibrasi dengan gas H2 sebagai zero dan N2 sebagai span. Adapun prosedur kalibrasi yang dilakukan
sebagai berikut :
1. Menyediakan tabung sample gas kalibrasi H2 dan memasang regulator
valve untuk mereduksi tekanan gas dengan set pressure sekitar 20 Psi. 2. Menghubungkan selang dari tabung ke probe sample gas kalibrasi.
3. Menutup valve gas sample proses, valve venting dan membuka valve dari gas H2, seperti tampak pada gambar 3.7 berikut :
Gambar 3.6 a) Unit Chamber Specific Gravity
Gambar 3.6 b) Sensing Element SG
Gambar 3.7 Diagram Scematic Sample Gas
4. Menunggu sampai tekanan dalam chamber 4 kg/cm2 (pada pressure
indicator).
5. Menutup valve sample gas H2 dan membuang melalui valve venting.
6. Melakukan poin 4 dan 5 sampai 7X. Setelah sampling ketujuh tahan posisi valve untuk dilakukan pengambilan data Time periodic di layar flowcom. Proses purging ini dilakukan sebanyak 7X dengan perhitungan sebagai berikut :
𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑖𝑛𝑔 = [𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑘𝑠.𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑡𝑜𝑟4 𝑥 7 ] …(3.4
Cara ini dilakukan dengan maksud gas reference pada chamber akan homogen sehingga pengukurannya relatif stabil.
7. Menutup valve sample gas H2 dan valve pada tabung gas.
8. Melakukan poin 1-7 dengan sample gas N2, dan mencatat Time periode.
9. Buka kembali valve gas sample proses, ambil sample gas untuk dilakukan pengecekan di laboraturium dan mencatat pembacaan gas proses di DCS dan FC.
10. Melakukan adjustment di layar flowcomp dengan cara memasukkan parameter K0 dan K2 dengan rumus ke-v dan ke-vi di atas, kemudian injeksi
gas CH4 sebagai referensi pengukuran dan indikasinya density harus
menunjukkan 16,043 jika belum menunjukkan angka tersebut maka harus dilakukan kalibrasi ulang.
11. Menganalisa data hasil pembacaan dengan hasil lab, membandingkan dan mengkoreksi tingkat error alat.
b. Tahap Kedua
Modifikasi ini dilakukan karena didapat ralat cukup besar dari tahap pertama, sehingga ditambah filter regulator dengan dimensi mesh 3 µm, dan desain pabrik terpasang 7 µm. Prosedur yang dilakukan adalah sebagai berikut :
- Melepas kabel dan connector.
- Baut chamber dibuka dan melepas sensor untuk dibersihkan dan memastikan jalur tidak ada yang mampat dengan menginject udara.
- Memasang filter dan water trap pada jalur masuk chamber sebelum pressure regulator. Seperti pada gambar 3.8 dibawah ini :
- Memasang kembali sensor yang sudah bersih dan melakukan kalibrasi seperti pada tahap sebelumnya.
- Catat hasil pembacaan pada kondisi normal/sample gas proses dan bandingkan dengan hasil lab setiap seminggu sekali.
- Lakukan analisa ralat dari hasil pembacaan selama 6 minggu dengan perbandingan hasil lab.
Filter regulator dipasang dengan water trap dengan maksud gas yang masuk ke chamber sensor tidak terdapat kandungan air, sehingga jika gas terkontaminasi dengan air maka dengan sendirinya akan mengendap di water trap dan dengan sendirinya terbuang pada level sekitar 30%.
c. Tahap Ketiga
Tahap ketiga dilakukan setelah didapat ralat tahap kedua masih signifikan, sehingga perlu dilakukan perawatan preventive dengan menganalisa hasil laju aliran gas buang sample dari layar DCS, sehingga harapan pembacaan sensor bisa seakurat mungkin seperti hasil lab pada tahap ketiga dilakukan dengan prosedur seperti tahap pertama dengan menambah tampilan flow transmitter FI1401 menggunakan program Grafic Builder dan pemasangan transmitter yang sebelumnya sudah dilakukan kalibrasi dengan range 0~80 Nl/h merk Endress and Houser, pada tahap ini metode yang digunakan agak konvensional, karena terus melakukan penggantian filter secara berkala/indikasi flow ≤ 38 Nl/h. Flow rotameter yang digunakan di lapangan dan modifikasi indikasi laju aliran FI1401 DCS adalah seperti pada gambar 3.9 berikut :
Gambar 3.9 Flow Rotameter Outlet Dari SG
Langkah yang dilakukan pada tahap ketiga adalah sebagai berikut :
1. Sebelum dilakukan pemasangan transmitter terlebih dahulu dilakukan kalibrasi dengan menginject arus pada transmitter 4~20 mA hasil kalibrasi tertera pada bab empat.
2. Mencari spare terminal (Blok X3/ =71-JBA-043 no 21/22) di panel Marshalling (OIC22F) untuk menghubungkan kabel sinyal analog input dari lapangan ke DCS/sistem.
Gambar 3.10a Panel Marshalling Rack Gambar 3.10b Teminal Blok dari Lapangan ke DCS
3. Konfigurasi di sistem PCS dengan membuka software dari Honeywell dengan nama Configuration Studio yang sudah terkoneksi dengan jaringan HYL3SVR sebagai main server seperti pada gambar berikut:
Gambar 3.11 Menu Configuration Studio
Untuk Konfigurasi Pembuatan Indikasi Baru Pada DCS
pada software Configuration Studio masuk pada Control Strategi untuk konfigurasi penamaan, unit dan lainnya.
4. Setelah selesai melakukan konfigurasi pada tag number tersebut, maka pada tahap selanjutnya adalah membuat tampilan HMI menggunakan software HMIWeb Display Builder dari Honeywell. Seperti tertera pada gambar berikut:
Gambar 3.13 HMI Yang Belum Dimodifikasi Secara Offline
Setelah selesai melakukan konfigurasi dilakukan penyimpanan dan melakukan downloading untuk merealisasikan hasil ke layar DCS agar bisa di akses atau monitoring, sedangkan untuk konfigurasinya bisa dilihat di lampiran penelitian ini, karena banyak gambar metode konfigurasinya.
Dalam monitoring laju aliran gas sample FI1401 harus sesering mungkin, minimal 6 jam sekali, sama seperti pengambilan sample untuk lab. Jika indikasi flow menurun ≤ 38 Nl/h segera lakukan penggantian filter atau pembersihan filter, dan bila indikasi melebihi nilai toleransi segera lakukan proses kalibrasi, karena
indikasi SG meter sangat berpengaruh terhadap bukaan valve FCV 1401, kondisi ini dimaksudkan untuk menjaga sistem kerja kompressor agar putaran motor tidak terlalu berat dan tidak menyebabkan beban arus naik. Filter/ saringan yang dipakai adalah seperti pada gambar berikut :
Gambar 3.14 Filter Gas Proses
3.6 Pembahasan Spesifik
Specific gravity meter merupakan satu dari jenis transduser dengan merubah energi mekanik menjadi frekuensi dari perbedaan berat jenis suatu gas per satuan mol, kemudian frekuensi ini dikonversi menjadi suatu tegangan/arus, micro motion jenis ini menggunakan type 3098 merk Emerson, sensor yang digunakan adalah sensing element, sangat berpengaruh terhadap perubahan getaran, air, dan kotoran debu gas yang menempel.
Mula-mula saat melakukan sampling gas seperti pada gambar 3.3 schematic flow gas dengan perubahan berat jenis dengan aliran 40 Nl/h masuk ke Chamber untuk mengisi gas reference sampai tekanan 4 Bar, gas akan melalui vibrating cylinder dan akan bergetar sesuai berat jenis gas yang melewati sensor, sensor akan menghasilkan sinyal frequensi akibat gerakan dari coil sensor dengan tube cylinder,
karena sinyal output dari sensor masih kecil kemudian dikuatkan dengan amplifier unit seperti gambar 3.15 berikut :
Gambar 3.15 Diagram Blok Schematic Amplifier Dengan Sistem 3 Kabel
Output transduser berupa 3 koneksi, yaitu sinyal, power suplay 24 V DC (+ & -) Kemudian sinyal output akan di kirim ke flow converter micromotion seperti gambar dibawah ini :
Gambar 3.16 Flow Converter Micromotion Tampilan Berat Molekul Gas
Sinyal datang dideteksi sebagai waktu tempuh sensor dalam membaca setiap periode, sehingga setiap gas yang dideteksi akan berbeda tiap alirannya dengan rentang waktu tertentu, disebut juga time periodic yaitu seberapa lama waktu dalam satu periode pengukuran. Semakin besar berat jenis gas makin lama pula periode samplingnya dan semakin tinggi indikasi SG suatu gas.
Sensing element Transduser ini menerima inputan dari perubahan frekuensi yang diterima akibat getaran yang picu dari berat molekul gas di dalam chamber dengan berat molekul udara luar, sehingga specific gravity biasanya digunakan pada sistem metering aliran gas.
Dalam melakukan kalibrasi zero atau span gas disesuaikan dengan kadar persen yang ada dalam sertifikat tabung tersebut nilai tersebut berdasarkan kondisi standar yaitu pada tekanan 1 Atm dan 200C. Proses kalibrasi menggunakan gas H
2
karena sebagai acuan gas yang memiliki specific gravity terkecil buatan Indonesia dan menggunakan gas N2 sebagai span karena nilai range yang digunakan untuk
mengukur Specific gravity proses nilai maksimum bisa sampai ke angka tersebut. Range SG terpasang sebesar 0,2 ~ 0,7 pada layar DCS.
Selama proses kalibrasi dilakukan pembuangan gas sample dalam chamber dimaksudkan untuk membuang semua unsur gas yang ada dalam chamber sekaligus membersihkan saluran dan sensor. Persentase penyimpangan pengukuran yang baik sebenarnya menggunakan proses sampling dengan tekanan ≥ 7 Bar, karena pada fase ini tingkat error pembacaan mulai kecil dan cenderung stabil, seperti percobaan yang telah dilakukan dengan hasil tertera pada bab empat, tapi aktual pressure regulator gas proses 4 kg/cm2.
