Sistem Kontrol SPEEDTRONIC
TM
MARK V Pada
Proses Penentuan FUEL STROKE REFERENCE
Pada GAS TURBINE GENERATOR
Muhammad Fadli Nasution (L2F 008 065)
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro
Nasution.fadli@gmail.com Abstrak— Sistem Kontrol SPEEDTRONICTM MARK V yang
dikembangkan oleh General Electric (GE) Industrial System adalah sistem kontrol yang dapat diprogram dan dirancang untuk memenuhi kebutuhan industri listrik
Sistem kontrol SPEEDTRONICTM MARK V dapat melakukan
kontrol, proteksi, dan monitoring pada GTG (Gas Turbine Generator), salah satunya yaitu untuk mengendalikan FSR (Fuel
Stroke Reference). Penentuan nilai FSR dipengaruhi oleh 6
kontrol utama yaitu, kecepatan turbin, temperatur gas buang, start-up, akselerasi, shut down, dan manual. FSR digunakan sebagai sinyal referensi aliran bahan bakar yang dialirkan ke combustion chamber. Bahan bakar tersebut digunakan untuk menaikkan suhu udara di dalam combustion chamber, selanjutnya energi dari udara yang telah terekspansi tersebut digunakan untuk menggerakkan turbin.
Keywords
—
Gas Turbine Generator (GTG), FSR, SPEEDTRONICTM Mark VI. PENDAHULUAN
PT. INDONESIA POWER merupakan perusahaan pembangkit tenaga listrik terbesar di Indonesia yang mengelola 127 mesin pembangkit dengan total kapasitas terpasang (8.887 MW) dengan 8 Unit Bisnis Pembangkitan Utama di beberapa lokasi strategis di Pulau Jawa dan Bali. Unit-unit Bisnis Pembangkitan tersebut adalah : Unit Bisnis Pembangkitan Suralaya, Priok, Saguling, Kamojang, Mrica, Semarang, Perak & Grati dan Bali , serta Unit Bisnis yang bergerak di bidang jasa pemeliharaan yang disebut Unit Bisnis Pemeliharaan (UBP)
PT. INDONESIA POWER UNIT BISNIS PEMBANGKITAN SEMARANG dalam pengontrolan Gas Turbine Generator di Pembangkit/Pusat Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU) menggunakan pengontrol SPEEDTRONICTM
MARK V. Sistem Kontrol SPEEDTRONICTM MARK V yang
dikembangkan oleh General Electric (GE) Industrial System adalah sistem kontrol yang dapat diprogram dan dirancang untuk memenuhi kebutuhan industri listrik dalam kendali turbin gas dan uap yang semakin komplek. SPEEDTRONICTM MARK V dapat melakukan kontrol,
proteksi dan monitoring sekaligus terhadap kerja turbin II. PROSES PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS UAP (PLTGU)
PLTGU yaitu pembangkit listrik yang menggunakan tenaga gas dan uap dalam menghasilkan energi listrik.Pembakaran bahan bakar pada PLTG akan menghasilkan gas untuk
memutar turbin gas. Gas buang dari turbin gas ini akan dialirkan ke HRSG untuk memanaskan air pada HRSG sehingga menghasilkan uap yang akan digunakan untuk memutar turbin uap.
Secara umum sistem produksi tenaga listrik pada PLTGU dibagi menjadi dua siklus, yaitu :
1) Open Cycle: Biasanya disebut proses turbin gas (PLTG), yaitu gas buang atau uap dari GTG (Gas Turbin Generator) langsung dibuang ke udara melalui stack.
2) Close Cycle (Combined Cycle): Biasanya disebut proses turbin uap (PLTU), yaitu gas buang dari GTG (Gas Turbin Generator) tidak langsung dibuang ke udara tetapi digunakan untuk memanaskan air yang ada di HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Uap yang dihasilkan dari HRSG digunakan untuk memutar turbin uap.
Proses Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap dapat dibagi menjadi tiga proses, yaitu :
1) Turbin Gas: Bahan bakar dipompa dari tangki ke combustion chamber (ruang pembakaran) bersama-sama udara dari compressor setelah terlebih dahulu melalui air filter. Campuran ini dibakar dan menghasilkan gas panas yang selanjutnya digunakan untuk memutar turbin gas. Gas buang dari turbin gas akan langsung dibuang melalui cerobong apabila dioperasikan open cycle dan akan dilewatkan HRSG apabila dioperasikan close cycle.
2) HRSG: Gas buang dari turbin gas dialirkan melalui HRSG menghasilkan uap tekanan tinggi dan uap tekanan rendah. Proses pemanasan air di HRSG ini tidak menggunakan bahan bakar tambahan, jadi semata-mata hanya mengguanakan gas buang dari turbin.
3) Turbin Uap: Uap hasil produksi HRSG digunakan untuk menggerakkan turbin uap, uap dari saluran tekanan tinggi masuk ke turbin tekanan tinggi selanjutnya masuk ke turbin tekanan rendah bersama dengan uap dari saluran tekanan rendah dan dikondensasikan di kondensor, air kondensor dipanaskan kembali di HRSG sehingga kembali terbentuk uap untuk memutar turbin.
III. GAMBARANSPEEDTRONICTMMARKV
SpeedtronicTM Mark V adalah suatu sistem kontrol,
proteksi dan monitoring pada turbin yang telah dikembangkan oleh GE dan mewakili kesuksesan dari seri-seri SpeedtronicTM
dalam sistem pengaturan. Tujuan sistem kontrol dan proteksi ini adalah menghasilkan output yang maksimal untuk melindungi turbin gas dari kerusakan saat turbin dalam kondisi operasi sehingga lifetimenya dapat lebih lama. A. Konfigurasi kendali SpeedtronicTM Mark V
SPEEDTRONICTM Mark V adalah sistem kendali turbin
yang bersifat programmable yang didesain sesuai dengan kebutuhan industri tenaga modern untuk sistem turbin yang bersifat kompleks dan dinamis. Keunggulan sistem ini pada fitur-fiturnya antara lain:
1) Implementasi software dengan teknologi fault tolerance (SIFT), yang memungkinkan turbin tetap beroperasi meskipun terjadi kesalahan tunggal dengan mempertahankan status on-line
2) Operator interface yang user-friendly
3) Interface dengan sensor direct yang memungkinkan kendali dan monitoring secara real time
4) Kemampuan diagnosa yang built-in menyatu dengan sistem
5) Arsitektur berbasis TMR (Triple Modular Redundant) SPEEDTRONICTM Mark V menggunakan tiga buah modul
kontrol, masing-masing <R>, <S>, dan <T> yang identik untuk menjalankan keseluruhan algoritma kendali yang vital, proses sinyal proteksi, dan proses sekuensial. Konfigurasi inilah yang disebut TMR (Triple Modular Redundant). Untuk fungsi proteksi dijalankan oleh tiga prosessor proteksi <X>,<Y> dan <Z> pada core <P>. Untuk konfigurasi secara umum dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar. 1 Dasar sistem TMR pada SPEEDTRONICTMMARK V Pada konfigurasi TMR sendiri terdapat tiga buah modul kontrol <R>, <S>, dan <T> yang berfungsi sebagai redundant. Sinyal kontrol yang diberikan merupakan hasil voting dari ketiga modul tersebut.
Gambar. 2 Software Implemented Fault Tolerance
B. Operator Interface Mark V
Interface Mark V berfungsi sebagai upload, download, monitoring maupun pengontrolan sehingga dengan interface ini seluruh aktifitas dari Mark V kontrol panel bisa terwakili. Work Station Interface < I >, terdiri dari serangkaian alat – alat, antara lain: sebuah PC (Personal Computer) layar monitor berwarna, Cursor Positioning Device (Mouse, atau Trackball), Keyboard dan Printer. Peralatan-peralatan tersebut dapat menghubungkan antara operator dengan keadaan mesin atau sebagai work station pemeliharaan lokal, baik itu pengamatan peralatan turbin, pengontrolan turbin, pengamanan turbin maupun pemasukan data baru ke kontrol panel.
IV. PROSES PENENTUAN FSRPADA GTG A. Proses Pembakaran pada Gas Turbine Generator
Tujuan utama dari proses pembakaran adalah untuk menaikkan temperatur udara sehingga volume udara meningkat (mengekspansikan udara) sehingga dapat digunakan untuk memutar turbin gas. Ruang bakar (Combustion Chamber) digunakan sebagai tempat untuk melakukan proses pembakaran, dimana setelah bahan bakar dan udara bertekanan masuk, proses pembakaran diawali dengan pemantikan api melalui igniter yang fungsinya seperti busi (spark plug ignition) sehingga terjadi pembakaran.
Proses penyaluran bahan bakar dilakukan melalui instalasi pemipaan yang menghubungkan tangki penampungan bahan bakar sampai ke ruang bakar. Aliran bahan bakar dari tangki penampung dipompa dengan transfer pump melalui flow meter untuk perhitungan pemakaian. Sedangkan untuk mengatur jumlah aliran bahan bakar yang masuk ruang bakar diatur dengan kontrol valve.
Kontrol turbin gas dilakukan dengan kontrol start-up, kontrol percepatan, kontrol kecepatan, kontrol temperatur dan fungsi kontrol yang lain, sensor dari kecepatan turbin, temperatur gas buang, dan parameter yang lain menetukan kondisi operasi dari unit. Saat diperlukan perubahan pada
<I> <C> <R> Protection <P> Digital I/O <QD1> <S> Protection <P> Digital I/O <QD1> <T> Protection <P> Digital I/O <QD1> Digital I/O <QD1> R
kondisi operasi turbin karena perubahan beban atau kondisi yang membahayakan turbin, maka kontrol akan mengatur aliran bahan bakar ke turbin. Misalnya bila temperatur gas buang cenderung melebihi nilai yang referensi yang diberikan untuk operasi turbin, maka kontrol temperatur akan mengurangi suplai bahan bakar ke turbin.
B. Desain Dasar Sistem Kontrol Aliran Bahan Bakar Aliran bahan bakar yang masuk ke combustion chamber dikendalikan oleh electrohidraulic servovalve berdasarkan sinyal referensi FSR (Fuel Stroke Reference). Sinyal FSR dipengaruhi oleh 6 input utama yaitu start up, akselerasi, kecepatan, temperatur, shut down, dan fungsi kontrol manual. Hubungan FSR dengan keenam kontrol tersebut diperlihatkan pada Gambar dibawah ini
Gambar. 3 Skema pengendalian pada turbin gas
C. Sistem Kontrol Bahan Bakar
Gambar. 4 Skema kontrol bahan bakar cair.
Sistem kontrol bahan bakar terdiri dari dua komponen, komponen mekanik dan komponen kontrol elektrik. Beberapa komponen mekanik untuk bahan bakar antara lain filter bahan bakar cair primer (pada tekanan rendah), yaitu fuel oil stop valve, main fuel pump, dan bypass valve. Filter kedua (tekanan tinggi), yaitu flow divider, valve katup pembuangan, fuel lines, dan penyembur bahan bakar (nozzle). Sedangkan komponen kontrol elektriknya terdiri dari switch pengatur tekanan bahan bakar 63FL-2, LVDT 96FP-1-2, valve limit switch 33FL, fuel pump clutch solenoid 20CF, bypass servovalve 65FP, magnetic speed pickups 77FD-1,-2,-3 dan
SPEEDTRONIC control cards TCQA dan TCQC. Skema kontrol bahan bakar tersebut diperlihatkan pada Gambar 3.
Fuel bypass valve adalah valve yang meggunakan aktuator hidrolik dengan karakteristik aliran linear. Valve ini berada diantara bagian masukan/inlet (low pressure) dan bagian pembuangan/outlet (high pressure) pada fuel pump. Valve ini melakukan bypass kelebihan bahan bakar yang dikirimkan oleh fuel pump kembali ke bagian masukan fuel pump. Valve ini mengatur aliran bahan bakar yang akan dikirim ke flow divider untuk dibagi sesuai dengan kebutuhan dari sistem kontrol bahan bakar. Valve ini diatur oleh servovalve 65FP yang menerima sinyal dari kontroler.
Flow divider membagi aliran bahan bakar dari pompa menjadi 14 aliran mrnuju ke tiap-tiap ruang bakar. Flow divider dikendalikan oleh perbedaan tekanan antara bagian masukan (inlet) dengan bagian keluaran (outlet). Jumlah aliran bahan bakar ditunjukkan oleh sensor kecepatan dari rotor pembagi dari flow divider yaitu magnetic pickups (77FD-1,-2,&-3). Sensor ini adalah non contacting magnetic pickups yang memberikan sinyal dengan frekuensi yang proporsional dengan kecepatan pembagi aliran, yang juga proporsional dengan aliran bahan bakar yang dikirimkan ke combustion chamber.
TCQA card menerima sinyal pulsa dari 77FD-1,-2, dan -3 sebagai feedback aliran bahan bakar, sedangkan TCQC card mengatur servovalve 65FP berdasarkan input kecepatan turbin (TNH), FSR1 (untuk pemanggilan aliran bahan bakar), dan kecepatan pembagi aliran (FQ1). Regulator yang digunakan untuk mengatur umpan balik posisi diprogram melalui TCQA card. Regulator yang digunakan memiliki tipe 64. Angka ”6” menunjukkan bahwa regulator ini mengendalikan input flow yang dalam hal ini flow bahan bakar dari magnetic pickup dan menggunakan kontroler PI (Proportional Integral). Sedangkan angka ”4” merupakan subtipenya, maksudnya adalah umpan balik yang digunakan adalah yang bernilai maksimum dari dua buah LVDT. Sinyal pemanggilan aliran bakar akan dibandingkan dengan feedback magnetic pickups yang menunjukkan aliran bahan bakar yang aktual. Hasil perbandingan kemudian dikuatkan pada TCQC card dan dikirim melalui QTBA card ke electrohidraulic servovalve. Output ke servovalve dikirim oleh tiap modul <RST> dan selalu dimonitor. Sistem akan mengaktifkan alarm jika salah satu dari ketiga sinyal dari <R>, <S>, dan <T> hilang.
Sinyal FSR dipengaruhi oleh 6 buah mode kontrol antara lain:
1) Start Up Control: Kontrol start-up bertujuan untuk membawa turbin gas dengan aman dari kecepatan nol ke kecepatan operasinya dengan menyediakan bahan bakar dengan jumlah yang tepat untuk menjaga level akselerasi turbin dan suhu pembakaran. Hal ini memerlukan tahapan perintah yang tepat dari pusat kontrol ke peralatan accessories, peralatan start, dan sistem kontrol bahan bakar. Karena sebuah start-up yang aman dan sukses tergantung pada ketepatan fungsi peralatan turbin gas, maka penting untuk memeriksa dan menguji bagian yang dipilih dalam tahapan tersebut. Kebanyakan sirkuit logic control tidak hanya dihubungkan dengan peralatan kontrol penggerak, tetapi juga dengan sirkuit MINIMU M VALUE SELECT LOGIC MANUAL SHUR DOWN START UP TO CRT DISPLAY TO CRT DISPLAY TO CRT DISPLAY TEMPERATURE SPEED ACCELERATION RATE FUEL SYSTEM FUEL TO TURBIN FSR
proteksi/pengaman yang menentukan kondisi permissive sebelum suatu proses berjalan.
Kontrol start-up beroperasi sebagai kontrol open loop dengan menggunakan level FSR dari sinyal perintah yang sudah ditentukan. Level-level FSR tersebut adalah adalah “ZERO”, “FIRE”, “WARM-UP”, “ACCELERATE”, dan “MAX”. Spesifikasi kontrol menyediakan setting perhitungan bahan bakar yang tepat dibutuhkan di setiap levelnya. Tingkatan (level) FSR ditentukan sebagai kontrol yang tetap pada start-up control SPEEDTRONICTM Mark V
Tujuan dari kontrol kecepatan turbin gas oleh SPEEDTRONICTM Mark V adalah untuk mengatur nilai
FSRN (FSR untuk kecepatan turbin) agar menghasilkan kecepatan turbin sesuai yang diharapkan dan memantau kecepatan dari turbin gas saat operasi baik saat start-up maupun saat berbeban. Pada saat turbin mencapai kecepatan FSNL (3000 rpm) kontrol kecepatan berfungsi untuk menjaga kecepatan tetap konstan sehingga frekuensi tegangan keluaran generator tetap terjaga 50 Hz meskipun generator memperoleh beban.
2) Speed Control: Prinsip dasar pengontrolan kecepatan adalah dengan membandingkan nilai kecepatan referensi (TNR) dengan kecepatan aktualnya (TNH) kemudian mengatur FSR sampai TNH sama dengan TNR. Pada saat operasi nilai TNR dibatasi dari 95 % sampai 107 % dari kecepatan normal (3000 rpm). Apabila kecepatan turbin diatas 110 % maka program akan memberikan perintah trip secara otomatis. Sensor yang digunakan untuk mengatur kecepatan aktual berupa magnetic pickup sensor (77NH-1,-2,-3) yang berada pada poros turbin. Seperti yang terdapat pada flow divider, sensor ini bekerja dengan menghitung kecepatan induksi putaran magnetik. Sensor magnetic pickup ini berjumlah tiga untuk dihubungkan ke masing-masing modul pengontrol yaitu core <R>, <S> dan <T>. Input dari sensor tersebut akan terus dimonitor oleh software yang ada pada SPEEDTRONICTM Mark V.
Untuk pengaturan kecepatan sendiri terbagi menjadi dua macam mode, yaitu mode kontrol isochronus dan mode kontrol droop speed. Apabila mode kontrol berada pada posisi isochronus, berarti pembangkit berfungsi sebagai penyangga beban dengan besar daya yang dihasilkan tetap. Dalam hal ini kecepatan turbin dan besarnya torsi akan selalu tetap, tidak terpengaruh oleh fluktuasi beban. Sedangkan pada mode droop speed pembangkit akan mengikuti perubahan beban sesuai kebutuhan jaringan. Pada mode droop akan terjadi penurunan nilai TNR secara linier terhadap kenaikan beban. Respon yang dihasilkan akan cenderung cepat dan stabil ketika terjadi fluktuasi beban.n
3) Exhaust Temperatur Control: Pengendalian exhaust temperature dilakukan dengan membatasi aliran bahan bakar (FSRT) ke turbin gas. Tujuan dari pengendalian exhaust temperature pada turbin gas ini adalah untuk melindungi turbin supaya terhindar dari korosi dan overheated yang tentunya sangat mempengaruhi kinerja dan life time turbin itu sendiri. Selain itu exhaust temperature dapat digunakan untuk mewakili firing temperature karena sangat tidak praktis untuk
melakukan pengukuran suhu pembakaran pada combustion chamber.
Software kontrol temperatur menentukan kompensasi pada pembacaan termokopel, memilih setpoint kontrol temperatur, menghitung nilai setpoint kontrol, menghitung nilai yang mewakili/mendekati temperatur exhaust, membandingkan nilai ini dengan setpoint, dan kemudian menggerakkan sinyal perintah bahan bakar ke sistem kontrol analog untuk membatasi temperatur exhaust. Software exhaust temperatur control berisikan program-program berikut:
kontrol temperatur.
Perhitungan kontrol bias temperatur.
Pemiliha referensi temperatur
4) Acceleration Control: Kontrol percepatan bertujuan membatasi percepatan putaran turbin dari waktu firing sampai warm-up. Jika percepatan aktual lebih besar dari nilai referensi pecepatan, FSRACC akan berkurang, yang mana dengan berkurangnya FSR maka akan mengakibatkan berkurang juga aliran bahan bakar ke turbin gas. Selama start-up referensi percepatan adalah fungsi dari kecepatan turbin, kontrol pecepatan biasanya diambil alih dari kontrol kecepatan secara langsung setelah periode warm-up. Setelah tahap warm-up selesai, software memberikan sinyal L14HS artinya turbin telah mencapai kecepatan operasinya yaitu 95% dari kecepatan normalnya
5) Shut Down Control: Shut down adalah suatu proses penghentian operasi pada turbin gas. Proses shut down dari turbin gas dapat dibedakan menjadi dua, yaitu secara normal ataupun melalui proses trip secara otomatis oleh sistem proteksi dari SPEEDTRONICTM Mark V. Akan tetapi secara
prinsipal kedua jenis shut down tersebut sama, yaitu kedua proses tersebut akan menghentikan suplai bahan bakar yang mengalir ke dalam combustion chamber. Hal itu mengakibatkan proses pembakaran terhenti sehingga tidak dihasilkan gas yang digunakan untuk memutar turbin. Kontrol shut down bertujuan membawa gas turbin untuk berhenti beroperasi secara aman.
6) Manual Control: Kontrol manual menentukan nilai FSR secara manual melalui switch pada panel kontrol atau melalui PC pada ruang monitor dan kontrol SPEEDTRONIC. Pada implementasinya penentuan FSR secara manual jarang digunakan pada saat operasi. Selain faktor keamanan juga berpengaruh terhadap kepresisian nilai FSR yang diberikan sehingga mempengaruhi efisiensi penggunaan bahan bakar.
V. KESIMPULAN
SPEEDTRONICTM MARK V menggunakan sistem TMR
yang terdiri dari tiga buah processor control <R>, <S>, dan <T> pada core <R>, <S>, dan <T> dan tiga prosessor proteksi <X>,<Y> dan <Z> pada core proteksi <P>.
Sistem kontrol SPEEDTRONICTM MARK V merupakan
sistem kontrol digital yang berisi logic-logic kontrol, proteksi dan sequence pada operasi turbin gas
Besar aliran bahan bakar ke combustion chamber dikontrol oleh electrohidraulic servovalve pada sistem bypass.
FSR digunakan sebagai sinyal referensi aliran bahan bakar ke sistem kontrol bahan bakar.
FSR dipengaruhi oleh kontrol kecepatan turbin, exhaust tenperature, start-up, shut down, akselerasi, dan manual.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Marsudi, Djiteng. Pembangkitan Energi Listrik. Erlangga: Jakarta. 2002
[2] Santoso, Junaidi. Laporan Kerja Praktek Sistem Kontrol SpeedtronicTM
Mark V Sebagai Pengendali Turbin Pada Generator Turbin Gas (GTG). Jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro: Semarang. 2006 [3] Subroto, Samsu Haryo.SpeedtronicTM Mark V. 2007
[4] _______MS-9000 Service Manual:Turbine, Accessories and Generator Volume I. PT.PLN (Persero) Tambak Lorok
[5] _______MS-9000 Service Manual:Turbine, Accessories and Generator Volume IA. PT.PLN (Persero) Tambak Lorok
[6] _______SpeedtronicTM Mark V Control Description and
Application.Volume I. 1993
BIODATA
Muhammad Fadli Nasution, (L2F008065), Lahir di Koto Tuo Panyalaian ini adalah mahasiswa Teknik Elektro Universitas Diponegoro angkatan 2008 dengan mengambil konsentrasi Kontrol.
