PERBANDINGAN ANTARA PENGENDALIAN PREFLASH COLUMN DAN PIPESTILL MENGGUNAKAN MODEL PREDICTIVE CONTROL (MPC) DAN PENGENDALI KONVENSIONAL

(1)

PERBANDINGAN ANTARA PENGENDALIAN PREFLASH COLUMN DAN PIPESTILL MENGGUNAKAN MODEL PREDICTIVE CONTROL

(MPC) DAN PENGENDALI KONVENSIONAL

Indra Lesmana

^*)

dan Renanto Handogo

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Sukolilo, Surabaya 60111

*)

email : [email protected]

Abstract

Preflash and Pipestill Column are two main units of petroleum processing industry which are interconnected each other. Recently the main unit used by this industry is Crude Oil Refinery Unit. As the time goes by therefore the use of preflash and pipestill column became more popular because of its ability to reduce energy cost. The operation guidelines for these unit is always aim to safety and certain product flowrate and quality. In this work assumptions are made where, process variables always change as the process goes. Model Predictive Control was used because of it had better response compared to the conventional controller. The steady state and dynamic simulation was conducted using Aspen Dynamic^TM, and Matlab^TM.+15% flowrate disturbance and +25% oil-1 mass fraction disturbance were applied to the process. The dynamic performance of the controllers was compared between MPC and conventional controller using Integral of The Absolute Value of The Error (IAE). The result showed the dynamic performance of MPC controller were more superior than that of conventional controller.

Keywords : conventional controller, disturbance, model predictive control, preflash, pipestill Abstrak

Preflash Column dan Pipestill adalah dua unit utama dari industri kilang minyak bumi yang saling terkait satu dengan yang lainnya. Pada mulanya unit utama yang digunakan oleh industri kilang minyak adalah (Crude Oil Refinery Unit) beserta furnace-nya. Seiring dengan berkembangnya teknologi maka penggunaan unit preflash column untuk memisahkan light naptha terlebih dahulu sebelum masuk ke pipestill menjadi populer karena konfigurasi seperti ini dapat menghemat banyak energi. Pedoman pengoperasian unit operasi dari proses kimia berdasarkan selalu bertujuan pada keamanan proses, tercapainya kapasitas produksi, dan tercapainya spesifikasi produk yang diinginkan. Dengan berjalannya proses, variabel-variabel proses akan selalu berubah terhadap waktu sehingga diperlukan pemantauan yang merupakan tugas dari alat pengendali untuk mencapai tujuan di atas. Dalam penelitian ini diambil sistem pengendali Model Predictive Control (MPC) yang diperkirakan memiliki respon yang lebih baik dalam mengendalikan Preflash Column dan Pipestill.

Simulasi steady state dan dinamik dijalankan dengan menggunakan program Aspen Dynamic^TMdan Matlab^TM Pada simulasi dinamik untuk mengamati performa pengendalian diberikan gangguan laju alir sebesar +15% dan gangguan komposisi sebesar +25% fraksi massa oil-1. Performa pengendali konvensional dan MPC dibandingan dengan menggunakan parameter Integral of The Absolute Value of The Error (IAE). Hasil penelitian menunjukkan bahwa MPC memiliki performa yang lebih baik.

(2)

yaitu Crude Destillation Unit (CDU) beserta furnace-nya. Dua unit ini mempunyai peranan besar karena menangani ribuan komponen minyak bumi dalam kapasitas yang besar pada industri kilang minyak, pertama- tama umpan berupa crude oil masuk dan diolah dalam Preflash column, produk atas dari Preflash column ini adalah light naphta sedangkan produk bawahnya akan masuk ke Pipestill dan diubah menjadi produk atas LPG, heavy naphtha, kerosene, diesel, atmospheric gasoil dan produk bawah berupa atmospheric residue.

Beberapa usaha untuk energi mengoptimalkan konsumsi dari segi parameter operasi, baik pada proses yang terdahulu (menggunakan CDU) maupun pada konfigurasi unit yang baru (Preflash Column dan Pipestill) sudah dilakukan antara lain optimasi CDU menggunakan neural networks (Liau et al, 2004) dan pemodelan kolom distilasi berdasarkan transport phenomena (Kumar et al, 2001). Selain itu pengaruh dari jenis crude sangat berperan pada performance dari Pipestill dan efisiensi energi (Stojic et al, 2004).

Peran alat pengendalian untuk menjaga agar Preflash Column dan Pipestill beroperasi pada batasan yang benar juga telah dikaji oleh Haydary dan Pavlik, 2009. Dari hasil yang didapat, disimpulkan bahwa pengendalian komposisi produk keluar dari Pipestill dengan menggunakan pengendali konvensional akan menghasilkan performa yang lebih cepat mencapai steady-state bila menggunakan manipulated variabel suhu plate kedua dari Pipestill. Hal ini didapat setelah membandingkan kontrol dengan komposisi produk keluar (ASTM D86) sebagai manipulated variabel.

Ada berbagai macam metode kontrol yang dapat digunakan untuk mengendalikan proses yang rumit mulai dari metode kontrol yang konvensional menggunakan PID controller sampai kepada metode kontrol advanced, MPC misalnya. Masing-masing metode pengendalian ini memiliki kelebihan dan kelemahannya masing-masing.

Kelemahan metode pengendalian konvensional adalah sulit bila digunakan untuk mengendalikan banyak variabel dengan interaksi yang signifikan. Sementara kelemahan pengendali advanced adalah ketidak pastian mencapai kondisi steady-state pada gangguan yang berbeda-beda. Pada penelitian kali ini dicoba metode pengendalian dengan MPC mengingat metode ini andal untuk proses dengan banyak variabel dan interaksi antar variabel (Seborg, 2004).

Metode Penelitian

Dalam penelitian ini model yang disusun adalah kolom Preflash dan Pipestill (Gambar 2.1 dan 2.2) Penelitian dibagi dalam beberapa tahap :

1. Pemilihan model termodinamika (fluid package).

2. Tahap pemodelan steady state dengan menggunakan program Aspen Plus ^TM. 3. Validasi model steady state dengan data dari literatur (Luyben, 2006)

4. Tahap sizing dan simulasi dinamik menggunakan program Aspen Dynamic ^TM. 5. Menambahkan pengendali konvensional pada simulasi dinamik.

6. Melakukan step test pada simulasi dinamik untuk mendapatkan data yang akan digunakan untuk membuat model MPC di matlab.

7. Memasukkan model pada m file yang akan digunakan untuk mengamati pengendalian menggunakan MPC.

8. Mengamati performa pengendali konvensional dan MPC dengan memberikan gangguan laju alir dan gangguan komposisi dan melakukan tuning pengendali.

9. Pengujian performa pengendali dengan metoda Integral of The Absolute Value of The Error (IAE).

10. Membandingkan performa MPC dengan pengendali konvensional dan mengambil kesimpulan.

(3)

PF Steam Crude 1

Crude 2

PF Water Lights

Naptha

CDU-Feed

Kolom Preflash

FC

LC LC

LC DT

10

MPC

:

DT

1 2 3 4 1 2 3 4

Gambar 2.1 Struktur Pengendalian Menggunakan MPC pada Kolom Preflash

Pipestill Feed

Pipestill-Water

Kerosene Steam 1 Hnaptha

FC Wash

Kolom Pipestill

Steam 2

Steam 3

LC OLC

LC

LC LC WLC

19

BChnaptha95

DT

DT DT

DT

22

MPC

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

(4)

Pasangan pengendali untuk pengendali konvensional dapat dilihat pada Gambar 2.1dan 2.2. Untuk pengendalian menggunakan MPC dibuat model 14 x 14 dengan melakukan step test pada sistem yang dimaksud menggunakan software Aspen Dynamic ^TM untuk semua controlled variables(CV) dan manipulated variables(MV) namun tidak termasuk CV dan MV untuk pengendali ketinggian cairan.

Hasil dan Pembahasan

Simulasi steady state dibuat dengan menggunakan model termodinamik BK-10 (Braun K-10). Model termodinamik ini dipilih berdasarkan literatur (Carlson, 1996). Hasil simulasi steady state divalidasi dengan membandingkan kondisi operasi kolom Preflash dan data TBP (True Boiling Point) produk dari kolom Pipestill dengan literatur (Luyben, 2006). Sizing alat dilakukan dengan menggunakan fitur tray sizing di Aspen Plus^TM untuk menentukan diameter tray dan mengambil waktu tinggal cairan dalam sebesar 10 menit dan H/D = 2 untuk menentukan tinggi dan diameter bejana alat. Hasil sizing alat dapat dilihat pada Tabel 3.1 Setelah dilakukan sizing file dieksport ke Aspen Plus Dynamik^TM dan dipasang pengendali konvensional dengan parameter yang tercantum pada Tabel 3.2. Parameter untuk MPC adalah P=110, M=10, N=100, Q = [5 1 100 1 7 1 7 5.5 9 9 1 1 1 1.5], R = [0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 ], dimana Q dan R adalah matrik pembobotan

Perbandingan respon dari berbagai variable proses antara pengendalian menggunakan pengendali konvensional dan pengendali MPC dengan pemberian gangguan kenaikan laju alir massa umpan total sebesar +15% dan gangguan komposisi sebesar +25% fraksi massa oil 1 dapat dilihat pada Gambar 3.1 dan Gambar 3.2 Perbandingan parameter IAE untuk pengendali konvensional dan MPC dapat dilihat pada Tabel 3.3 dan Tabel 3.4. Dari hasil yang telah didapatkan MPC memliki performa pengendalian yang lebih bagus bila dibandingkan dengan pengendali konvensional.

Tabel 3.1 Hasil Sizing

Parameter Preflash Pipestill

Stripper 1

Stripper 2

Stripper 3

Jumlah Tray(buah) 10 25 4 3 2

Diameter Kolom(m) 3,00 6,15 1,42 1,37 0,98

Tinggi Kolom (m)* 5,85 16,82 1,46 0,73 0,00

Jarak Antar Tray(m) 0,61 0,61 0,61 0,61 0,61

Tinggi Weir(m) 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

Diameter Sump Kolom(m) 4,09 3,14 2,14 2,49 1,99

Tinggi Sump Kolom(m) 8,17 6,29 4,28 4,98 3,98

Diameter Refluk Drum

Kolom(m) 2,65 3,05 - - -

Tinggi Refluk Drum Kolom(m) 5,31 6,09 - - -

Tabel 3.2 Parameter Pengendali Konvensional (Luyben, 2006)

Jenis Pengendali

Parameter Pengendali Kc



i

Dead Time(menit)

Pengendali Suhu Aliran Keluar Furnace 0.6 4 1

Pengendali 95 % Boiling Point Aliran Lt. Naptha 0.46 13 3 Pengendali 95 % Boiling Point Aliran Hv. Naptha 2.1 46 3 Pengendali 95 % Boiling Point Aliran Diesel 2 51 3 Pengendali 5 % Boiling Point Aliran Diesel 1.2 51 3

(5)

Gambar 3.1 Perbandingan antara respon pengendalian menggunakan pengendali konvensional dan MPC dengan pemberian gangguan +15% laju alir massa umpan

Gambar 3.2 Perbandingan antara respon pengendalian menggunakan pengendali konvensional dan MPC dengan pemberian gangguan +25% fraksi massa OIL-1

Tabel 3.3 Perbandingan IAE untuk pengendali konvensional dan MPC bagian 1

CV1 CV2 CV3

Gangguan PI MPC PI MPC PI MPC

Flow +15% 230.010 2.783 252.383 17.261 365.950 1.417 Komposisi OIL1 +25% 10.186 2.317 57.663 17.317 56.217 1.160

100 110 120 130 140 150 492

494 496 498 500 502

Suhu Keluaran Furnace Preflash

Waktu(Menit)

T(K)

100 150 200

455 460 465 470

Lt. Naptha ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

100 110 120 130 140 150 615

620 625 630 635

Suhu Keluaran Furnace Pipestill

Waktu(Menit)

T(K)

100 200 300 400 500

456 458 460 462 464

Hv. Naptha ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

T(K)

100 200 300 400 500

595 600 605 610 615

Diesel ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

T(K)

100 200 300 400 500

515 520 525 530

Waktu(Menit)

T(K)

100 110 120 130 140 150 501

501.2 501.4 501.6 501.8 502

Suhu Keluaran Furnace Preflash

Waktu(Menit)

T(K)

100 150 200

462 463 464 465 466 467

Lt. Naptha ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

100 110 120 130 140 150 631

631.5 632 632.5

Suhu Keluaran Furnace Pipestill

Waktu(Menit)

T(K)

100 200 300 400 500

463 464 465 466

Hv. Naptha ASTM D86 95% bp.

Waktu(Menit)

T(K)

100 200 300 400 500

610 615 620 625

Waktu(Menit)

T(K)

100 200 300 400 500

528 530 532 534 536

Waktu(Menit)

T(K)

(6)

Kesimpulan

Dari hasil yang telah didapatkan bahwa dalam mengendalikan sistem kolom preflash dan pipestill, MPC memliki performa pengendalian yang lebih bagus bila dibandingkan dengan pengendali konvensional.

Daftar Pustaka

Aspen Plus : Getting Started Modeling Petroleum Processes, Aspen Technology, Inc., Ten Canal Park, Cambridge, MA 02141-2201, 2006.

Carlson, E. C.(1996),” Don’t Gamble With Physical Properties for Simulations”, Chemical Engineering Progress, October 1996.

Haydary, J. dan Thomas, P. (2009), “Steady-State dan Dynamic Simulation Of Crude Oil Distillation Using Aspen Plus and Aspen Dynamics”, Petroleum & Coal, Vol. 51 (2), hal. 100-109.

Liau, L.C-K, Yang, T.C-K. dan Tsai, M-T. (2004), ”Expert system of a crude oil distillation unit for process optimization using neural networks”, Expert Systems with Applications, Vol. 26, hal. 247–255.

Luyben,W. (2006), Distillation Design and Control Using Aspen^tmSimulation, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey.

Errico, M., Tola, G. dan Mascia, M. (2009), ”Energy saving in a crude distillation unit by a Preflash implementation”, Applied Thermal Engineering, Vol. 29, hal. 1642–1647.

Stojić, M.M., Nedeljkov, S.Lj., Krstić, D.M. dan Mauhar, S. (2004), “Simulation Of Atmospheric Crude Unit

"Badger" Using Aspen Plus”, Petroleum & Coal, Vol. 46 (2), hal. 57-62.

Seborg, D.E., Edgar, T.F. dan Mellichamp, D.A. (2004) , Process Dynamics dan Control, John Wiley and Sons, Inc., New Jersey.

Kumar, V., Sharma, A., Chowdhury, I.R., Ganguly, S. dan Saraf, D.N. (2003), “A crude distillation unit model suitable for online applications”, Fuel Processing Technology, Vol. 73, hal. 1–21.