Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia
1
Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia
Simposium Nasional IATMI 2009
Bandung, 2-5 Desember 2009
Makalah Profesional
IATMI 09 – 004
Simulasi Line Packing Sebagai Storage pada Pipa Transmisi Gas
Studi Kasus: Pipa Transmisi Lapangan X
Oleh:
Arsegianto
1,2, Edy Soewono
3, Evi Wahyuningsih
1, Imam Sulistyo
1,2, Darmadi
1,21
Research Consortium OPPINET Institut Teknologi Bandung
2
Program Studi Teknik Perminyakan Institut Teknologi Bandung
3
Program Studi Matematika Institut Teknologi Bandung
Abstrak
Gas alam merupakan salah satu sumber energy alternatif yang diharapkan dapat menggantikan peranan minyak bumi dalam pemenuhan kebutuhan energi nasional. Dengan semakin meningkatnya permintaan gas, maka kebutuhan untuk membangun pipa sebagai salah satu media transportasi gas juga semakin meningkat.
Perancangan pipa transmisi harus mempertimbangkan kapasitas pipa yang mampu menangani fluktuasi permintaan gas selama perioda tertentu. Untuk itu perlu dilakukan kuantifikasi parameter-parameter yang mempengaruhi kapasitas pipa.
Makalah ini membahas metoda perhitungan line-pack yang menunjukkan kapasitas pipa gas sebagai fungsi dari tekanan yang bekerja pada pipa tersebut. Suatu studi kasus dengan data lapangan untuk menunjukkan penggunaan metode yang dipaparkan diberikan sebagai ilustrasi.
Pendahuluan
Gas alam yang tidak bisa disimpan dalam waktu lama menyebabkan cara yang efektif untuk mengirimkan gas ke konsumen adalah melalui pipa transmisi. Jaringan pipa transmisi ini biasanya sangat panjang yang terdiri dari titik pengiriman dan titik penerimaan. Pipa yang dipakai untuk mengalirkan gas juga dapat dipakai sebagai tempat penyimpanan gas (gas storage) sementara dengan cara memampatkan gas tersebut sampai tekanan tertentu yang tidak melebihi tekanan internal pipa maksimum yang diijinkan, hal ini dimungkinkan karena sifat gas yang compressible.
Dalam industri gas, volume line pack ini sangat penting karena dapat digunakan untuk menentukan real pipe balance. Real pipe balance ditentukan dengan menghitung volume total gas yang diterima, volume total gas yang dikirim serta volume serta volume liquid yang terbentuk dari gas. Dari hasil perhitungan tersebut akan diketahui apakah pipa telah mengalirkan gas lebih besar dari yang diterima (gain) atau menerima volume gas lebih dari volume yang terkirim (loss).
Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia
2 Pada penelitian ini akan disimulasikan
perilaku tekanan dan laju alir gas sepanjang pipa pada setiap segmen pipa untuk mengetahui volume line pack pipa yang dapat digunakan untuk mengetahui discrepancy volume antara gas yang dikirimkan dengan gas yang diterima oleh konsumen
Metode
Pada perhitungan volume line pack, metode komputasi yang digunakan merupakan pemrograman non linier dengan melakukan segmentasi pada pipa untuk mendapatkan hasil perhitungan yang semakin akurat. Algoritma perhitungan volume line pack pada pipa transmisi dapat dilihat pada Gambar 1.
Pada algoritma perhitungan di atas dapat diketahui bahwa volume line packing dipengaruhi oleh tekanan dan temperature gas dalam pipa. Dalam hal ini langkah pertama yang perlu dilakukan adalah menentukan data yang diperlukan untuk menghitung tekanan dan temperature pada pipa yaitu data panjang pipa, diameter dan properti gas. Program akan mensimulasikan jaringan pipa untuk menentukan tekanan dan temperature sistem serta property gas (Z, viskositas dan factor friksi) pada tiap-tiap segmen pipa. Hasil akhir yang ingin didapatkan adalah tekanan dan temperature pada tiap node, volume line pack serta GHV (gross heating value) pada tiap tiap konsumen.
Kehilangan tekanan
Untuk menghitung kehilangan tekanan pada pipa transmisi gas digunakan persamaan Panhandle B
Perhitungan tekanan dilakukan dengan melakukan segmentasi pada pipa sehingga perhitungan tekanan akan lebih akurat. Dalam hal ini nilai temperatur pada tiap-tiap titik juga berubah (nonisothermal) sehingga nilai properties gas yang dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur juga akan berubah pada tiap-tiap segmen pipa.
Model Heat Transfer
Pada pipa transmisi terjadi penurunan temperature sepanjang pipa yang dapat ditentukan dengan memperhitungkan faktor ambien serta properties heat transfer pada pipa itu sendiri. Persamaan nilai resistence yang digunakan untuk menghitung heat transfer coefficient dapat dilihat pada Tabel 1.
Perhitungan Line Packing
Line packing pada pipa gas transmisi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini.
dimana:
Studi Kasus
Gambar 2 menunjukkan jaringan pipa transmisi gas di salah satu lapangan gas di Indonesia dengan 4 inlet dan 2 outlet. Pada paper ini akan dihitung volume line pack pada pipa dengan menggunakan metode komputasi yang telah dikembangkan untuk menyelesaikan jaringan pipa yang kompleks.
Pada studi kasus ini akan dihitung tekanan dan temperatur pada masing-masing titik yang akan digunakan untuk menghitung volume line packing pada tiap-tiap ruas pipa. Komposisi pada tiap source diberikan pada Tabel 2. Data heat transfer diberikan pada Tabel 3.
Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia
3
Hasil dan Diskusi
Dari hasil simulasi pada jaringan pipa ini diperoleh komposisi campuran pada tiap-tiap node seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4. Hasil perhitungan tekanan pada source, junction, dan sink diberikan pada Tabel 5. Pada kasus ini penurunan tekanan pada jaringan sangat kecil dikarenakan diameter dan laju alir gas yang kecil. Hal ini menyebabkan volume line pack pada jaringan ini juga kecil.
Untuk menaikkan kapasitas line pack pada jaringan ini maka salah satu hal yang dapat dilakukan adalah dengan meningkatkan tekanan yang bekerja pada pipa hingga mendekati tekanan maksimum yang diijinkan pada pipa untuk bekerja (MAWP).
Kesimpulan
Line pack menunjukkan volume gas aktual yang ada di pipa yang totalnya berfluktuasi dengan volume yang meningkat atau menurun. Untuk suatu jaringan pipa transmisi yang total line pack nya diperhitungkan di dalam sistem penjualan gas, maka sangat penting untuk menentukan volume line pack pada setiap ruas pipa. Perhitungan line pack dengan menggunakan simulator dapat digunakan untuk menentukan volume line pack untuk jaringan yang kompleks dengan mudah dan cepat.
Daftar Simbol
Q = volume flow rate, standard ft3/day (SCFD)
E = pipeline efficiency
Pb = base pressure, psia
Tb = base temperature, °R (460 + °F)
P1 = upstream pressure, psia P2 = downstream pressure, psia G = gas gravity (air = 1.00)
Tf = average gas flow temperature, °R
Le = equivalent length of pipe segment, mile
Z = gas compressibility factor, dimensionless
Dp = outside diameter of pipe (ft)
Dpi = inside diameter of pipe (ft)
Di = outside diameter of insulation (ft)
hf = inside fluid convective heat transfer
coefficient (Btu.ft2. oF/hr)
rd = inside fluid fouling factor (hr.ft2. oF/Btu)
hs = convective heat transfer coefficient for sea water or air (Btu.ft2. oF/hr)
kp = thermal conductivity of pipewall (Btu.ft2.
o
F/hr)
ki = thermal conductivity of insulation (Btu.ft2.
o
F/hr)
ks = thermal conductivity of soil (Btu.ft2. oF/hr)
B = depth of burial to centerline of pipe (ft)
Referensi
[1]. American Petroleum Institute., 1980, API Specification for Line Pipe, p.15
[2]. Arsegianto, Soewono, E & Apri, M., “Non-Linear
Optimization Model for Gas Transmission System A Case of Grissik - Duri Pipeline”,
Paper SPE No. 80506.
[3] McAllister, E.W., 2002, Pipeline Rules of Thumb Handbook, 5th edition, p.575-576.
Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia
4 Gambar 1. Algoritma Perhitungan Line Packing
Gambar 2. Jaringan pipa Transmisi Lapangan X
J1 J2 Source 4 6 inch , 24.4 km 8 inch , 7 km Source 1 Sink 2 Q = 11.84 MMSCFD Source 3 Q = 7.5 MMSCFD Q = 1.15 MMSCFD Q = 2.16 MMSCFD Q = 1.36 MMSCFD 14 inch , 6.5 km Q = 1.97 MMSCFD 8 inch , 12.5 km Source 2 Sink 1 8 inch ,9.2 km 18 inch , 52km Line Pack Volume & Energy
Inlet (GHV,
SG, Q)
Pipe
(L, Ep, ID)
Outlet (P
out, Q,
GHV,SG)
Temperature
Drop (T
in, L, Q, T)
Average
Temperature
(Tavg)
Average
Pressure
Pressure drop
(Pinlet)
Average Z (Zavg)
Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia
5 Table 1. Formula perhitungan heat transfer
Resistance Mechanism Formula
Fluid (Rf) Convection Inside dirt or scale (Rd) Conduction Pipe wall (Rp) Conduction
Insulation (Ri) Conduction
Soil Conduction
Air Convection
Table 2. Data komposisi tiap-tiap sumber gas Mole Fraction (%) Component
Source 1 Source 2 Source 3 Source 4
N2 0.1376 0.4545 0.115 0.2606 CO2 1.8071 2.1395 1.815 1.55075 CH4 71.5934 81.4259 71.66 77.671 C2H6 12.5741 10.6121 12.595 10.96075 C3H8 7.5798 3.9945 7.58 5.7858 i-C4H10 1.8720 0.6852 1.885 1.38735 n-C4H10 2.3979 0.5079 2.4 1.21245 i-C5H12 1.0669 0.1085 1.04 0.65895 n-C5H12 0.7421 0.0719 0.675 0.3903 C6+ 0.2290 0 0.235 0.12205 Total 100 100 100 100 SG 0.812 0.689 0.81 0.74
Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia
6 Table 3. Properti Heat Transfer pipa
Pipe roughness 0.0007 inch
Tambient 60 F
Fluid heat capacity 0.65 Btu.ft/lb Pipe conductivity 36.3 Btu/hr.ft.F Soil conductivity 0.8 Btu/hr.ft.F Depth of burial 1.5 m
Table 4. Komposisi campuran pada J1 dan dan J2 Mole Fraction Component J1 J2 N2 0.002 0.0021 CO2 0.0188 0.0183 CH4 0.7361 0.7429 C2H6 0.1218 0.1198 C3H8 0.0684 0.0666 i-C4H10 0.0163 0.0159 n-C4H10 0.0201 0.0188 i-C5H12 0.0087 0.0083 n-C5H12 0.06 0.0057 C6+ 0.02 0.0004
Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia
7 Table 5. Hasil Simulasi tiap node pada pipa
Segmen Pipa L (Km) OD (inch) Pinlet (psia) Poutlet (psia)
Tin (F) Tout(F) Line Packing Volume (MMSCF) GHV (BTU/scf) Energy (MMBTU) Source 1 -J1 12.5 8 191.4 132.3 100 88 0.27 1,343.9 180.1 Source 2-J1 7 8 135.8 132.3 100 88 0.138 1,142.4 67.5 Source 3-J1 9 8 134.7 132.3 100 88 0.19 1,342.0 105.1 J1-J2 6.5 14 132.3 128 88 84 1.30 1,319.3 699.1 Source 4-J2 24.4 6 183 128 100 88 0.26 1,241.7 162.9 J2- Sink 1 0.1 6 128 127.8 84 84 0.002 1,306.5 0.6 J2-Sink 2 52 18 127.8 115 84 72 2.39 1,306.5 2859.8
