867
PERANCANGAN PENAMBAHAN DIESEL ENGINE GENERATOR UNTUK BACK-UP POWER PROSES BLACK START DI PT. XYZ
Arfan Marwazi1, Pujianto2*, Asepta Surya Wardhana2
1PT Pertamina (Persero) Refinery Unit II Dumai,
Jl. Raya Kilang Putri Tujuh, Tanjung Palas, Dumai Timur, Tj. Palas, Dumai Tim., Kota Dumai, Riau
2Teknik Instrumentasi Kilang, Politeknik Energi dan Mineral Akamigas, Jl. Gajah Mada No. 38 Cepu, Kabupaten Blora
*E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Total Blackout atau Total Power Failure merupakan dampak dari suatu gangguan dalam sistem tenaga listrik yang mengakibatkan kehilangan daya seluruh sistem kelistrikan di area kilang.
Sehingga berdampak kerugian material yang cukup besar karena kilang tidak dapat melakukan proses produksi. Proses Black Start merupakan metode agar sistem pembangkit listrik sementara aktif untuk melakukan normalisasi unit proses di kilang dan juga bertujuan untuk dapat menghidupkan kembali boiler utama hingga dapat mensuplai uap dengan tekanan yang sesuai spesifikasi turbin penggerak generator agar sistem kelistrikan kilang dapat berjalan dengan normal kembali. PT. XYZ menggunakan 905 DEG - 01 dan 560 GT - 03 sebagai sistem pembangkit listrik sementara untuk proses black start dengan kapasitas total yang terpasang 9,2 MW dengan kemampuan daya suplai 7 MW dengan kebutuhan beban black start adalah 5,9714 MW. Solusinya dilakukan penambahan DEG baru sebagai back up dari unit 905 - DEG - 01 dan 560 GT - 03 agar ketika salah satu generator sedang out of service, maka voltage drop tertinggi saat proses black start dijalankan tidak melebihi 15% pada sisi bus sinkron generator. Berdasarkan estimasi kapasitas generator sesuai kebutuhan beban black start, dan analisis motor starting menggunakan ETAP 12.6.0, maka didapatkan kapasitas diesel engine generator baru sebesar 6,5 MVA atau 5.200 kW.
Kata Kunci: Total Power Failure, Black Start, Diesel Engine Generator
1. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu negara dengan kekayaan alam yang cukup melimpah, terutama kekayaan alam yang berupa minyak bumi dan gas alam. Sektor minyak bumi dan gas alam menyumbang devisa yang cukup besar bagi negara Indonesia. Untuk mengelola kekayaan minyak bumi dan gas alam yang mencakup kegiatan eksplorasi, pengolahan dan juga pemasarannya, pemerintah Indonesia memberikan tanggung jawab ini kepada salah satu perusahaan besar di Indonesia yaitu PT. XYZ .
PT. XYZ dalam menjalankan tugasnya untuk mengelola minyak bumi dan gas, memiliki beberapa direktorat yang salah satunya adalah Direktorat Pengolahan. Direktorat Pengolahan memiliki tugas utama yaitu mengolah minyak mentah (crude oil) menjadi produk-produk (BBM) yang bernilai tinggi. Saat ini Direktorat Pengolahan membawahi 7 Refinery Unit (RU) dengan kondisi 6 beroperasi, 1 tidak dioperasikan lagi.
Sistem kelistrikan PT XYZ terbagi menjadi 2 bagian, yaitu system kelistrikan kilang lama (Existing Plant) yang melayani unit Crude Distilation Unit, beroperasi mulai tahun 1971 dan system kelistrikan kilang baru (New Plant) melayani unit Hydrocracker yang beroperasi mulai tahun 1984. Pembangkit tenaga listrik yang digunakan di PT XYZ terdiri dari Turbine Generator, Gas Turbine Generator dan Diesel Engine Generator. Turbine Generator yang digunakan sebagai pembangkit utama system kelistrikan kilang dumai
868
berjumlah 5 buah, mempunyai kapasitas masing-masing sebesar 14 MW. Gas Tubine Generator dan Diesel Engine Generator, masing-masing mempunyai kapasitas sebesar 2 MW dan 4 MW, digunakan sebagai back-up atau keperluan emergency, seperti misalnya untuk proses black start-up.
Kejadian Total Power Failure di PT. PT XYZ pada tanggal 8 Juni 2018 menjadi lesson learn. Terdapat banyak faktor yang menyebabkan terjadinya total power failure, dan salah satunya adalah kegagalan Uninterruptible Power Supply atau biasanya disingkat UPS.
Kegagalan UPS untuk mensuplai daya ke distributed control system di area utilities, menyebabkan rangkaian sistem utilities dan monitoring sistem DCS utilities menjadi terganggu. Dampaknya, suplai tekanan HP steam, pressure air instrument dan juga plant air turun hingga akhirnya mengakibatkan terjadi kondisi total power failure atau total blackout.
Prosedur black start harus dilakukan untuk menormalisasi kondisi kilang agar nantinya siap dioperasikan kembali setelah suplai tenaga listrik telah tersedia. Prosedur ini mengutamakan proses flushing produk - produk kilang yang masih tertinggal di pipa - pipa, terutama produk green coke, dan juga fokus untuk menormalkan boiler agar dapat mensuplai steam sebagai penggerak turbin generator utama. Saat ini PT XYZ hanya memiliki 2 generator untuk menjalankan prosedur black start, yaitu 905 DEG - 01 dan 560 GT - 03 yang tetap dilakukan pemeliharaan meskipun ada beberapa kendala ketika akan dioperasikan.
Kedua generator tersebut harus disinkronisasi untuk menjalankan prosedur black start hingga dapat dihasilkan suplai listrik sebesar 5,9714 MW sesuai dengan kebutuhan beban - beban prosedur black start.
Ketika salah satu generator tersebut ada yang tidak dapat dioperasikan karena sedang dilakukan pemeliharaan rutin atau terjadi masalah saat proses sinkronisasi maupun start-up, maka hal tersebut dapat mengganggu timeline dari prosedur black start. Semakin lama prosedur black start dilakukan, maka proses persiapan kilang untuk dioperasikan kembali akan terhambat dan kerugian dari sisi materil semakin besar. Kapasitas dan kondisi gas turbine generator yang ada saat ini sudah tidak memadai untuk mensuplai daya beban - beban proses black start yang telah mengalami peningkatan kapasitas dan perubahan urutan pengoperasian. Oleh karena itu, Perancangan Penambahan diesel engine generator untuk backup proses blackstart harus dilakukan untuk mencapai keberhasilan proses black start dan kehandalan sistem tenaga listrik PT XYZ Dalam menentukan pemilihan kapasitas diesel engine generator yang tepat perlu adanya pertimbangan spesifikasi generator, analisis motor starting terbesar, dan kebutuhan beban - beban yang beroperasi untuk prosedur black start.
B. Perumusan Masalah
Sehubungan dengan kendala yang dihadapi oleh PT XYZ pada tanggal 8 juni 2018 yaitu Total Power Failure (Blackout). Dan pada saat akan dilakukan Blackstart utilities kembali terjadi kegagalan karena minimnya power yang dibangkitkan oleh pembangkit yang tersedia terhadap beban Blackstart.
Ditinjau dari kondisi dan permasalahan tersebut penulis berencana melakukan
“Perancangan Penambahan Diesel Engine Generator untuk back-up Power Proses Blackstart di PT XYZ
C. Batasan Masalah
Untuk menyelesaikan penelitian ini, maka perlu diberi batasan - batasan dan asumsi sebagai berikut:
1. Penelitian ini tidak membahas simulasi sistem kelistrikan sebelum terjadii total power failure dan tidak membahas secara meyeluruh sistem kerja Engine Diesel.
2. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software ETAP 12.6.0 (Electrical Transient Analyzer Program).
869
3. Model sistem tenaga listrik yang digunakan adalah sistem kelistrikkan distribusi Power Plant PT XYZ
4. Referensi kejadian yang digunakan adalah Total Power Failure PT XYZ Dumai pada Jumat, 8 Juni 2018.
5. Standard kelistrikan yang digunakan adalah Standard Engineering Pertamina yang merujuk pada beberapa standard internasional seperti NEMA, IEC, IEEE, dan ANSI dan standar dalam negeri PUIL 2000.
D. Tujuan Penelitian
Penelitian ini memiliki tujuan sebagai berikut:
1. Mengetahui sistem pembangkitan tenaga listrik di PT XYZ untuk black start dengan menggunakan 905 DEG - 01 dan 560 GT - 03.
2. Mengetahui prosedur black start setelah terjadinya total power failure beserta beban – beban yang diperlukan untuk normalisasi kilang dan proses start up kilang.
3. Mengetahui dan menentukan kapasitas serta spesifikasi diesel engine generator baru untuk keperluan black start setelah terjadinya total power failure.
2. METODE
Objek penelitian ini merupakan permasalahan yang terjadi di sistem pembangkitan tenaga listrik PT. XYZ pada saat proses blackstart.
Adapun metode penelitian yang digunakan dalam penyusunan penelitian ini sebagai berikut:
1. Mulai
Mempersiapkan alat penelitian yang digunakan dalam menyusun penelitian dan literatur yang berkaitan dengan penelitian ini.
2. Studi Literatur
Mempelajari teori-teori yang berkaitan dengan penelitian yang akan dilakukan dari berbagai sumber. Adapun studi literatur yang dilakukan adalah mempelajari tentang sitem proses blackstart, analisa starting motor, dan drop voltage dari buku-buku terkait serta dari berbagai jurnal mengenai masalah penelitian ini.
3. Pengambilan data
Pengambilan data dilakukan di PT XYZ teknik yang dilakukan dalam pengambilan data adalah dengan cara wawancara langsung ke beberapa karyawan PT. XYZ
4. Pemodelan dan simulasi
Untuk mengetahui besarnya kapasitas diesel engine generator baru yang diperlukan untuk pembangkitan daya ketika black start, dilakukan pemodelan dan simulasi dengan menggunakan software ETAP 12.6.0 (Electrical Transient Analyzer Program). Sistem kelistrikkan yang digunakan untuk pemodelan dan simulasi adalah sistem kelistrikan Refinery Unit II Dumai. Penentuan besaran kapasitas diesel engine generator baru disimulasikan menggunakan software ETAP 12.6.0 dengan memperhatikan aliran daya dan kestabilan tegangan maupun frekuensi saat motor starting dengan kapasitas terbesar.
5. Analisis dan Perhitungan
Melakukan analisis dan perhitungan besaran kapasitas diesel engine generator dan perhitungan daya sesaat yang dibutuhkan serta kenaikan arus inrush ketika starting motor dengan kapasitas paling besar berdasarkan kebutuhan beban black start.
3. PEMBAHASAN
A. Interpretasi data dan Informasi
870
PT XYZ memiliki 2 unit generator yang digunakan untuk menjalankan prosedur black start dengan spesifikasi berikut ini:
Tabel 1. Spesifikasi Generator untuk Prosedur Black Start PT XYZ
Parameter Generator
905-DEG-01 560-GT - 03
Manufaktur Kato Engineering Ideal Electric Company
Type Diesel Engine Gas Turbine
MVA 6,5 5
MW 5,2 4
kV 6,6 6,3
PF 0,8 0,8
X’d 30,1% 28%
RPM 1.000 1.500
Rated Current 569 A 458 A
Frequency 50 Hz 50 Hz
Mfr. Year 2005 1998
Duty Continous Continous
B. Data Beban Black Start
Berikut ini adalah data beban - beban listrik untuk menjalankan prosedur black start:
Tabel 2. Data beban – beban Black Start PT XYZ
No. Beban Kapasitas (kW)
1 Static Load 700
2 Utilities dan Boiler 1.928,8
3 Flushing 3.342,6
Total 5.971,4
C. Data Pompa 140 PM – 2A
Pompa 140 PM – 2A merupakan beban black start terbesar dengan kapasitas 510 kW dengan fungsi untuk melakukan proses flushing di Delayed Coking Unit. Pompa ini dijadikan sebagai objek analisa motor starting untuk menentukan kapasitas diesel engine generator baru dengan spesifikasi sebagai berikut:
Tabel 3. Spesifikasi Pompa 140 PM – 2A
Parameter Pompa 140 PM – 2A
Manufaktur FE/ MLA5263B
kW 510
kV 3,3
PF 0,92
RPM 2.975
FLA 103 A
Locked Rotor Current 650%
Frequency 50 Hz
Efficiency 94,2
Poles 2
871
D. Estimasi Kapasitas Generator Sesuai Kebutuhan Beban Black Start
Pendekatan paling mudah untuk menentukan besarnya kapasitas diesel engine generator baru untuk menjalankan prosedur black start adalah dengan memperhitungkan besarnya kapasitas daya mampu dari generator eksisting. Setelah itu diperhitungkan kebutuhan beban – beban black start dengan mempertimbangkan kondisi khusus, yaitu terjadi kejadian total power failure ketika ada kegiatan pemeliharaan rutin pada salah satu diantara 2 generator eksisting yang dimiliki oleh PT XYZ Dumai saat ini. Sehingga, generator untuk menjalankan prosedur black start masih bisa dioperasikan secara paralel karena memenuhi konfigurasi N + 1, dimana N merupakan jumlah generator yang tersedia. Generator itu nantinya dioperasikan sekitar 80 % dari kapasitas daya terpasang untuk menjaga kehandalan serta temperatur dari generator itu sendiri, sesuai dengan standard NEMA MG – 1 dan IEEE standard 115.
Penentuan kapasitas diesel engine generator baru didapatkan dari perhitungan – perhitungan di bawah ini dengan mempertimbangkan beberapa kondisi yang tidak ideal:
Kapasitas daya mampu 905 DEG – 01
= 4.500 kW
Kapasitas daya mampu 560 GT – 03 = 2.500 kW Total beban black start = 5.971,4 kW
Selisih daya= Total daya tersedia – Total beban black start
= 7.000 kW – 5.971,4 kW
= 1.028,6 kW
❖ Kondisi ketika 905 DEG – 01 mode single operation (560 GT – 03 off) Kekurangan daya = Total daya tersedia - Total beban black start
= 4.500 kW – 5.971,4 kW
= – 1.471,4 kW
❖ Kondisi ketika 560 GT – 03 mode single operation (905 DEG – 01 off) Kekurangan daya = Total daya tersedia – Total beban black start
= 2.500 kW – 5.971,4 kW
= – 3.471,4 kW
Mempertimbangkan kekurangan daya terbesar yaitu ketika 560 GT – 03 dijalankan dengan mode single operation karena 905 DEG – 01 berada pada kondisi off atau sedang dalam fase pemeliharaan, sehingga ada kekurangan suplai daya untuk menjalankan prosedur black start sebesar 3.471,4 kW.
Kapasitas New Genset = Beban (W) x Demand Factor x Backup (%) Demand Factor = 1
Back up Genset = 120%
Jadi, Daya = 3.471,4 × 1 × 120%
= 4165,68 KW 𝑆 = 𝑃
cos 𝛼 = 4165,68
0,8 = 5207,1 𝐾𝑉𝐴 Jadi estimasi kapasitas genset adalah 5207,1 KVA.
Dari perhitungan diatas untuk kapasitas 5207,1 KVA tidak tersedia dipasaran maka kapasitas genset yang akan diadakan adalah 6,5 MVA (yang tersedia dipasaran) atau 5200 MVA seperti 905-DEG-01 dengan daya mampu minimal 4.500 KW.
E. Analisa Load Flow dengan menggunakan ETAP 12.6.0 a. Hasil Simulasi di tiap Pembangkit
872
Gambar 1. Simulasi aliran daya di bus DEG baru
Gambar 2. Simulasi aliran daya di bus 905-DEG-01
Gambar 3. Simulasi aliran daya di bus 560-GT-03
Dari hasil dimulasi aliran daya menggunakan sofware ETAP 12.6.0 diatas dapat dilihat daya mengalir pada setiap bus. Besarnya daya yang mengalir tergantung pada beban yang terpasang pada bus tersebut. Adapun tujuan utama simulasi adalah untuk mengetahui rugi- rugi daya yang ada di tiap bus. Adapun indikator bus adalah kalau bus sudah warna ungu berarti kondisi bus tersebut masih dalam kondisi marginal masih dalam kondisi toleransi dan kondisi aman. Tapi apabila bus sudah berwarna merah berarti bus dalam kondisi critical dan harus segera dilakukan perbaikan pada sistem. Dan dari hasil simulasi tersebut dapat dilihat
873
dengan penambahan DEG baru, kondisi ditiap bus masih berwana hitam dan masih dalam kondisi aman.
F. Analisa Motor Starting Menggunakan Software ETAP 12.6.0
Kajian mengenai motor starting dilakukan untuk mendapatkan seberapa besar penurunan tegangan sistem atau biasa disebut dengan drop voltage. Dengan menggunakan ETAP 12.6.0 didapatkan kapasitas diesel engine generator berdasarkan kestabilan sistem di sisi tegangan pada busbar agar tidak terjadi drop voltage melebihi 15% di synchronous busbar sesuai standar NEMA (National Electrical Manufacturers Association) yaitu NEMA - MG1.
Analisa motor starting dilakukan untuk mengetahui kondisi sistem kelistrikan Refinery Unit II Dumai ketika menjalankan prosedur black start dengan mengoperasikan emergency power untuk starting beban – beban yang dibutuhkan dalam proses normalisasi kilang, termasuk melihat dampak dari pengoperasian pompa pada detik ke 26 dengan kapasitas terbesar (510 kW) yaitu 140 PM – 2A. Nantinya akan didapatkan besarnya drop tegangan pada busbar yang menghubungkan antara beban dan generator, sehingga dapat mengantisipasi perbedaan tegangan yang cukup signifikan (> 15%) yang dapat mengakibatkan kegagalan paralel generator. Selain itu, bisa saja terjadi kegagalan starting motor apabila urutan waktunya tidak memperhatikan karakteristik dari tiap – tiap motor tersebut. Skala waktu yang digunakan untuk simulasi motor starting berada dalam satuan detik. Berdasarkan simulasi menggunakan ETAP 12.6.0 yang disesuaikan dengan urutan prosedur black start. Dan hasil analisa dinamis sebagai berikut:
Tabel 4. Analisa Dinamis Pompa 140-PM-2A
Device ID Type Alert Condition Rating/ Limit Operating
TBegin Duration
B-D2 HV Bus Bus
Voltage
Under Voltage
(Critical) 11 kV 9,71 kV 26 2,08 s
B-SYNC 11
kV SWGR HV Bus Bus Voltage
Under Voltage
(Critical) 11 kV 9,71 kV 26 2,08 s
DEG_BDEG HV Bus Bus Voltage
Under Voltage
(Critical) 11 kV 9,71 kV 26 2,08 s
DEG_BDEG2 HV Bus Bus Voltage
Under Voltage
(Critical) 11 kV 9,72 kV 26 2,08 s
Gambar 4. Penurunan tegangan ketika starting pompa 140 PM – 2A pada detik ke 26 dilihat dari sisi motor
874
Gambar 5. Penurunan tegangan ketika starting pompa 140 PM – 2A pada detik ke 26 dilihat dari sisi Busbar
Jika dianalisa, terjadi penurunan tegangan di berbagai bus penghubung antara generator dengan motor 140 PM – 2A ketika dioperasikan pada detik ke 26. Penurunan tegangan paling signifikan terjadi pada busbar B-D2, B-SYNC 11 kV SWGR, DEG_BDEG, dan DEG_BDEG2 sebesar 11,7%. Penurunan tegangan itu masih aman karena batas maksimal drop voltage sesuai standard NEMA adalah 15%. Sedangkan perbedaan tegangan pada busbar – busbar generator dengan synchronous busbar tidak sampai 15% sehingga tidak menyebabkan kegagalan proses sinkronisasi ketiga generator.
G. Keekonomian
Dari kejadian TBO pada 8 juni 2018 pada sistem secara otomatis kegiatan produsi akan berhenti, berdasarkan data dilapangan waktu yang diperlukan unit proses kembali ke operasi normal/kapasitas normal adalah 7 hari. Sehingga didapat potensi kehilangan keuntungannya adalah
Loss Margin =Rp 3.852.187.607.233,69/Tahun
365 × 7 hari
= Rp 73.877.570.549,69
✓ Perhitungan Pay Out Time (POT)
Untuk menghitung Pay Out Time (POT) menggunakan persamaan : POT = Nilai HPS
Potensi kehilangan keuntungan POT = Rp 45.466.602.724,19
Rp 73.877.570.549,69 POT = 0,62 ( 8 Bulan ).
✓ Menghitung Rate of Return (ROR)
Untuk menghitung Rate of Return (ROR) menggunakan persamaan : ROR =Potensi kehilangan keuntungan
Nilai Investasi 𝑥 100%
ROR =Rp 73.877.570.549,69 /Tahun
Rp 45.466.602.724,19 𝑥 100%
ROR = 162 % per tahun
875
4. SIMPULAN
a. Sesuai dengan kebutuhan beban – beban Black Start di Refinery Unit II untuk melakukan normalisasi kilang pasca kejadian Total Power Failure, Emergency Power PT XYZ sudah tidak memenuhi Standar Engineering Pertamina KP 17 P 3 bagian Desain Sistem Tenaga Listrik.
b. Penambahan Diesel Engine Generator baru berkapasitas 6,5 MVA dalam menunjang prosedur Black Start untuk proses normalisasi kilang pasca kejadian Total Power Failure PT XYZ
c. Jika dianalisa, saat starting motor 140 PM – 2A berkapasitas 510 kW terjadi penurunan tegangan di beberapa busbar yang menghubungkan motor tersebut dengan generator – generator yang beroperasi. Namun kondisi tersebut tidak mempengaruhi kinerja dari generator karena penurunan tegangan masih dalam batas toleransi (< 15%), sehingga tidak menyebabkan kegagalan sinkronisasi generator.
d. Dari hasil perhitungan keekonomian Perancangan penambahan DEG baru didapatkan paramete nilai Pay Out Time (POT) selama 8 bulan dengan nilai Rate of Return (ROR) 162 % pertahun, sehingga proyek ini dikatakan sangat layak guna tercapai cost efisiensi.
5. DAFTAR PUSTAKA
[1] Fransco, Pancar, “Analisa Peningkatan Kapasitas Diesel Generator untuk Proses Black Start Setelah Terjadinya Total Blackout di Power Plant RU V Balikpapan”, Pertamina Balikpapan, Juni. 2012.
[2] Ilham, Gema, “Optimalisasi Black Start Up Pasca Kejadian Total Blackout dengan Sinkronisasi 560 GT – 03 dan 905 DEG – 01”, PT XYZ
[3] P. Kundur, “Power System Stability and Control”, New York, McGraw-Hill.1994.
[4] Mirošević, Marija, “Dynamics of Diesel-Generator-Units during Direct-On-Line Starting of Induction Motors”, IEEE Trans. Power Del., pp. 1 – 8, October. 2009
[5] Dinas Jasa Teknik Pertamina, Standar Engineering Pertamina (SEP), Jakarta, PT. Pertamina (Persero). 1997.
[6] National Electrical Manufacturers Association, NEMA Standards Publication Motors and Generators, NEMA MG 1-2003, Revision 1-2004.
[7] Zuhal,”DasarTenagaListrik”,ITB,Bandung,1982.
[8] Prasudyana.ST,”ElectricProtection”,Pusdiklat, Cepu,2007.
[9] Syarifuddin Mahmudsyah.2018.”Analisa Sistem Tenaga.”Powerpoint,Cepu [10] WiliamD.Stevenson,Jr,”AnalisaSistem Tenaga Listrik”,Erlangga:Jakarta.1994
[11] Hajar Muhammad,”Pembagian beban pada operasi paralel generator set”,Jurnal.Jurusan Teknik elektro UI.Juli 2010.
[12] Peters,Max S, et.al.”Plant design and Economic for Chemical Engineers,5th edition.
Megraw Hill Book. Newyork.2003 [13] PUIL,Yayasan.“PUIL2000”.Jakarta.2000 [14] Katalog Kabel Metal Indonesia
[15] Hamonangan,Erlin.”PerancanganPenambahan Motor Kompresor 910-CM-1E di unit Utilities Kilang Pertamina RU II Dumai.Cepu.Juni.2018
