KOMPRESOR
Prinsip Pengendalian Dan Proteksi
Oleh Adang Prianto
PENGANTAR
Alhamdulillah, puji syukur kepada Allah atas segala pengetahuan dan kesempatan untuk berbagi dengan engineer dan praktisi instrument yang lain, mengenai sub bahasan pengendalian dan proteksi kompresor. Bahasan ini menjadi penting karena sistem pengendalian dan proteksi kompresor di industri – industri besar yang berbasis proses fisika maupun kimia merupakan bagian vital yang perlu mendapat perhatian khusus, karena nilai aset sebuah kompresor skala industri memiliki value yang tidak kecil, sekitar 30% nilai investasi total.
Pengetahuan komprehensif instrument–control engineer mengenai potret besar pengendalian kompresor skala besar (large scale compressor) masih sangat kurang. Tidak semua praktisi kontrol mendapatkan gambaran utuh bagaimana sebuah kompresor skala industri dikendalikan dan sekaligus diproteksi oleh peralatan instrumentasi. Sebagian besar praktisi melihat sistem pengendalian secara terpisah, sehingga pemahamannya tidak membentuk satu kesatuan sistem. Artikel ini merupakan seri pertama pada bahasan ini, akan menghadirkan gambaran besar yang komprehensif mengenai sistem pengendalian dan proteksi kompresor yang dapat digunakan sebagai pondasi untuk masuk dalam detil pengendali individunya, dimana detil pengendalian individu yang kompleks akan dibahas pada artikel lanjutan.
Artikel ini ditulis berdasarkan pengelaman praktis berbasis industri pupuk. Bahasan ini semoga bermanfaat untuk para praktisi instrument, akademisi yang akan terjun ke dunia praktis maupun penelitian.
KOMPRESOR
Prinsip Pengendalian dan Proteksi
Adang Prianto – 2012 Instrument Engineer
PT. Pupuk Kalimantan Timur Bontang - Indonesia
2008 - Sekarang
DAFTAR ISI Pendahuluan ... 1 1. Dynamic Compressor ... 1 2. Driver ... 2 3. Surge ... 3 Sistem Kontrol ... 4 1. Kontrol Governor ... 7 2. Speed Control ... 10
3. Capacity Control / Performance Control ... 12
4. Kontrol Anti Surge ... 15
5. Intercooler ... 21 6. Vacuum Condenser ... 24 Sistem Proteksi ... 26 1. Vibrasi ... 29 2. Separator Level ... 30 3. Vacuum System ... 31
4. Lube Oil & Control Oil ... 32
5. Overhead Tank Oil ... 34
Kompresor | 1
Pendahuluan
Kompresor adalah equipment mekanis yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan fluida kompresible yaitu gas atau udara dengan besaran tekanan inlet dapat bervariasi mulai dari tekanan vacuum hingga tekanan tinggi, sedangkan tekanan outlet dapat bervariasi dari tekanan sub atmospheric hingga tekanan sangat tinggi. Tujuan meningkatkan tekanan dapat untuk mengalirkan atau kebutuhan proses dalam suatu proses yang lebih besar (contohnya pada pabrik-pabrik kimia untuk kebutuhan reaksi). Kompresor dapat dibagi dalam dua jenis utama berdasarkan metode kompresinya yaitu kompresor positif dan kompresor dinamik.
Metode kompresi yang digunakan pada kompresor
Gambar 1. Jenis Kompresor berdasarkan metode kompresi
Dynamic Compressor
Dynamic compressor adalah kompresor yang menaikkan tekanan dengan cara melakukan akselerasi pada fluida. Ada tiga jenis dynamic compressor yaitu kompresor axial,
Compressor
Intermittent Flow Continuous Flow
Positive Displacement Dynamic Ejector
Reciprocating Rotary
Mech. Piston Sliding Vane Liquid Piston Helical Lobe Straight Lobe
Radial Flow Axial Flow
Kompresor | 2
centrifugal dan mix flow. Kompresor axial digunakan untuk daya menengah hingga besar dengan arah aliran sejajar dengan poros putaran, sedangkan kompresor centrifugal digunakan untuk daya rendah dengan arah aliran radial. Kedua jenis kompresor ini dibatasi oleh range operasional sehingga menghindarkan kompresor dari kondisi stall dan surge.
Gambar 2. Horizontal Split Multistage Centrifugal Compressor (Courtesy : Nouvo Pignone)
Energi yang digunakan untuk menaikkan tekanan fluida ditransfer melalui blade kompresor menuju fluida. Energi tersebut didapatkan dari kecepatan dan tekanan pada rotating elemen. Dengan metode kompresi seperti ini, maka massa jenis (density) dan berat molekul fluida sangat mempengaruhi seberapa besar tekanan output yang mampu dihasilkan oleh kompresor. Sehingga pada kompressor multistage diperlukan interstage cooler untuk menjaga density dan berat molekul fluida berada pada kisaran yang diinginkan.
Driver
Kompresor Centrifugal membutuhkan kecepatan putaran untuk dapat melakukan kompresi (menaikkan tekanan fluida), sehingga kompresor membutuhkan tenaga dari equipment lain (driver) sebagai penggerak utamanya. Ada beberapa driver yang dapat digunakan sebagai penggerak compressor, antara lain:
1. Steam Turbine 2. Gas Turbine 3. Motor Listrik
Setiap jenis driver memiliki karakteristik masing-masing dimana nantinya akan mempengaruhi metode yang akan digunakan untuk melakukan pengendalian terhadap kapasitas kompresor, apakah dengan throttling suction-discharge atau dengan variable speed.
Kompresor | 3
Surge
Chocking atau stone wall region adalah kondisi dimana kompresor kehilangan tekanan karena flow suction yang tinggi pada speed kompresor yang tetap. Surging adalah instabilitas operasional yang terjadi pada kompresor dinamis (axial & centrifugal), kondisi dimana kompresor mengalami kekurangan flow suction yang diikuti dengan fluktuasi serta penurunan tekanan dan suara gemuruh serta vibrasi. Bila peristiwa ini dibiarkan, maka kompresor akan mengalami kenaikan temperatur dan kerusakan bearing. Surge dan stall seringkali dianggap sama, tetapi faktanya, stall terjadi lebih dahulu sebelum surge.
Deskripsi Surge 1. Reverse Flow dalam rentang 20 s/d 50 mili detik 2. Reverse Flow pada rate ½ s/d 2 Hertz
3. Vibrasi Kompresor (biasanya Axial, tetapi vibrasi Radial juga dapat terpengaruh
4. Temperatur gas naik
5. Surge biasanya diikuti dengan gemuruh
Sedangkan faktor-faktor yang dapat mengakibatkan surge dapat digambarkan sebagai berikut:
Faktor yang dapat mengakibatkan Surge
Pada Operasional Penuh Trip (kehilangan flow suction secara tiba-tiba) Power Loss
Valve Jamed Process upset
Perubahan Berat Molekul fluida Kegagalan Intercooler
Perubahan Load yang besar dan mendadak Fouling pada Kompresor
Kompresor kotor
Pada Operasional Rendah Siklus Start-up / Shutdown
Perubahan load yang besar dan mendadak Beberapa konsekuensi surge seperti berikut :
Ketidakstabilan Flow dan Pressure
Kompresor | 4
Perubahan Clearance
Penurunan kapasitas kerja kompresor Penurunan efisiensi
Menurunkan lifetime kompresor
Surging dapat terjadi bila terjadi penurunan flow suction pada speed tetap. Pada batas tertentu (flow suction, pressure ratio dan speed) surging mulai terjadi. Batas-batas tersebut dimana surging mulai terjadi disebut surge line.
Gambar 3. Kurva Operasional Kompresor
Secara umum ada 2 jenis surge yang terjadi pada kompresor yaitu “mild surge” dan “violent surge”.
a. Mild Surge
Merupakan surge yang terjadi karena adanya osilasi aliran dengan frekuensi tinggi dalam batas aliran sempit yang terjadi pada tekanan yang relatif konstan.
Kompresor | 5
Surge terjadi di seluruh unit, ditandai dengan jatuhnya laju aliran secara tiba-tiba sehingga menimbulkan vibrasi yang tinggi, bunyi bising dan temperatur yang tinggi yang kemudian memungkinkan terjadinya kondisi trip pada kompresor.
Seperti terlihat pada kedua kurva diatas, terdapat garis yang berbentuk parabolik disebelah kiri kurva, yang disebut surge line. Apabila compressor beroperasi pada aliran rendah sehingga melewati surge line kekiri, maka operasi compressor akan menjadi tidak stabil dan terjadi aliran bolak-balik yang akan menyebabkan vibrasi dan kerusakan. Kondisi ini disebut surging. Untuk menghindari surging, compressor harus dioperasikan pada flow yang lebih besar dari surge line, jadi titik operasi compressor harus berada disebelah kanan
Kompresor | 6
Sistem Kontrol
Kompressor adalah bagian dari keseluruhan rangkaian proses yang lebih besar. Ketika sebuah kompresor dipilih untuk bekerja pada sebuah rangkaian proses, maka penting untuk diperhatikan adalah kebutuhan range operasional. Untuk menjamin kompresor tetap berada pada range operasionalnya, maka diperlukan sistem pengendalian yang sesuai. Sistem pengendalian dimaksudkan untuk dapat memaksimalkan kinerja kompresor sehingga kompresor dapat memenuhi kebutuhan proses selanjutnya, disisi lain sistem pengendalian harus dapat menjaga kompresor agar tetap berada pada kondisi operasional yang aman.
Pada sistem kompresor drive turbine, terdapat beberapa macam sistem kontrol yang berdiri sendiri-sendiri dimana setiap kontrol memiliki tujuan akhir yang berbeda-beda. Pada gambar dapat dilihat beberapa sistem kontrol yang dimaksud :
a. Governor control system yang didalamnya dapat berupa pengendalian main steam, extraction control, admission control maupun througput/capacity control yang sebetulnya semua kontrol ini akan memanipulasi speed turbin. Equipment yang digunakan untuk kontrol governor ini biasanya berupa dedicated controller semisal Woodward Micronet dan type lain yang sejenis.
b. System pengendalian Anti-Surge yang memanipulasi kickback/recycle valve atau vent valve dengan tujuan utama yang ingin dicapai adalah menghindari terjadinya backpress pada kompresor. Anti Surge jenis Recycle valve digunakan untuk gas-gas yang memiliki nilai ekonomis yang tinggi (H2, CH4, dsb), sedangkan anti surge dengan memanfaatkan vent valve digunakan untuk gas-gas dengan nilai ekonomis yang rendah (udara dan semisalnya).
c. Kontrol level pada interstage separator untuk menghindari carry over kondensat dengan kontrol level single loop.
d. Kontrol level pada vacuum condenser untuk menjaga laju kondensasi steam output turbin berjalan dengan baik.
Kompresor | 7
Gambar 4. Overview Kontrol pada Steam Turbine Driven - Compressor
1. Kontrol Governor
Governor system pada steam turbin dapat mengontrol kecepatan putaran turbin, tekanan uap ekstraksi atau tekanan uap admission. Keseluruhan proses kontrol ini dilakukan dengan mengatur jumlah input steam dan steam ekstraksi. Pengaturan uap masuk dilakukan dengan mengatur bukaan Governor Valve dan uap ekstraksi diatur oleh bukaan Extraction Control Valve dan pada turbin admission aliran masuk steam LP diatur oleh Admission Control Valve. Pada suatu rangkaian lengkap sebuah proses (pabrik petrokimia dsb), tujuan pengendalian utama pada kompresor adalah untuk memenuhi kebutuhan proses selanjutnya, dan sistem pengendalian prosesnya sering disebut sebagai capacity control/throughput control, yang ujung pengendaliannya adalah manipulasi speed turbin.
Pengaturan kecepatan pada kompresor tidak terlepas dari peran governing system, dimana governing system inilah yang mengatur jumlah steam yang menuju turbin, inilah yang akan menentukan kecepatan putaran turbin.
Kompresor | 8
Governing sistem adalah sistem yang mengatur putaran trubin sesuai dengan setting yang diinginkan. Sedangkan pada sistem governor sendiri terdapat beberapa kontrol antara lain :
a. Starting Device : fungsi dari starting device ini adalah mengatur aliran steam ke turbin pada saat start up hingga turbin mencapai posisi MGS (Minimun Governor Speed). Cara kerja dari komponen ini adalah dengan menyamakan tekanan pada upstream main valve sehingga main valve akan terbuka dengan mudah karena tidak adanya perbedaan tekanan.
b. Speed Control System : adalah suatu hasil kerja dari rangkaian alat yang telah tersusun sedemikian rupa, dimana hasil kerja tersebut merupakan sistem kontrol yang akan mengendalikan pengoperasian turbin, khususnya pengontrolan pada speed atau putaran turbin.
Governor controller Pilot valve / actuator
Servo motor / power silinder Governor control valve Feed back lever
Gambar 5. Hydraulic Droop Governor
c. Extraction Control System : dipergunakan pada turbin jenis ekstraksi,dimana pada sistem tersebut terdapat beberapa rangkaian alat sebagai berikut :
Governor extraction controller Pilot valve / actuator
Servo motor / power silinder Extraction control valve Feed back lever
Kompresor | 9
Extraction controller dapat dioperaikan setelah turbin mencapai Minimum Governor speed, dengan demikian konsumsi uap yang akan diekstraksikan keluar dapat dikendalikan menurut kebutuhan proses pengoperasian. Adanya ekstraksi uap yang dikeluarkan oleh turbin akan mengakibatkan kebutuhan konsumsi uap bertambah sehingga power input governor harus dinaikkan agar pembukaan governor bertambah. Pada perubahan ini melalui feedback lever akan menggerakkan pilot valve untuk menglirkan oli menuju servomotor dan piston ekstraksi silinder akan bergerak keatas yang berarti kontrol valve ekstraksi menutup, dengan demikian penambahan kapasitas uap ekstraksi akan terpenuhi.
Sistem ini digunakan untuk memenuhi kebutuhan steam LP, dimana setelah diekspansikan melalui sudu-sudu turbine, steam akan keluar pada tekanan diatas tekanan atmosfir pada tekanan sekitar 3.5-4 kg/cm2. Sistem tersebut dapat digambarkan seperti dibawah ini:
Gambar 6. Extraction Steam Control
d. Admission Control : Sistem ini digunakan dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi energi dari penggunaan steam tekanan tinggi. Admission steam diinjeksikan ke stage LP turbine dengan harapan mampu menurunkan jumlah konsumsi HP steam. Dengan penurunan konsumsi ini, maka efisiensi penggunaan steam HP akan meningkat.
Kompresor | 10
Speed Control
Speed control adalah metode yang paling banyak digunakan untuk mengatur output kompresor (capacity) karena pada aplikasi di industri petrokimia driver untuk kompresor yang paling banyak dijumpai adalah steam turbine. Menaikkan speed compressor akan menggeser kurva karakteristik kekanan yang mengakibatkan naiknya flow pada tekanan tetap atau naiknya tekanan pada flow tetap. Output kompresor akan dijaga pada nilai yang diinginkan oleh sistem dengan cara mengatur speed kompresor.
Prinsip dasar speed control pada Governor Elektronik
Alat dasar yang digunakan pada speed control yang dipakai untuk mengukur putaran penggerak utama adalah dengan menggunakan magnetic pickup. MPU menghasilkan sinyal AC dengan frekuensi yang nilainya proporsional dengan kecepatan putaran turbin.
Didalam device elektronik (speed controller), sinyal frekuensi ini dirubah menjadi tegangan DC yang sebanding. Tegangan hasil konversi inilah yang akan ditunjukkan sebagai actual speed, dalam sistem hydraulic/mekanikal governor proses ini dapat dipersamakan dengan “flyweight force”. Speed reference atau speed setpoint potensiometer dihubungkan ke sebuah tegangan regulator DC yang terangkai didalam kontrol, pada hydraulic governor sistem ini dapat diumpamakan sebagai “speeder spring”.
Tegangan speed yang diinginkan (speed reference) dan tegangan speed actual akan ditambahkan secara aljabar pada summing point. Tegangan speed reference adalah sebuah tegangan positif dan tegangan actual speed adalah sebuah tegangan negatif. Ketika jumlah tegangan reference dan actual speed sama dengan nol “0” volt, maka pada saat itu prime mover berada pada speed yang konstant atau steadi.
Bila hasil summing point adalah tegangan positif, berarti prime mover bergerak lebih lambat dari speed yang diinginkan (speed reference), maka sinyal dikirim dari amplifier untuk menambah power pada prime mover agar speed naik. Sebaliknya bila summing point bernilai negatif, berarti prime mover bergerak lebih cepat dari speed yang diinginkan, maka sinyal akan dikirim dari amplifier ke aktuator untuk mengurangi power input prime mover sehingga speed berkurang.
Kompresor | 11
Gambar 8. Speed Control
Gambar 8 memperlihatkan sebuah skema speed control dengan memakai dua sinyal ke summing point, tegangan speed set point yang diinginkan dan tegangan aktual speed. Jika terjadi perubahan speed, maka akan terjadi perubahan frekuensi pada Magnetic Pickup yang selanjutnya akan mengakibatkan perubahan voltage pada output F/V converter. Dengan demikian output voltage pada summing point dan amplifier akan berintegrasi naik atau turun memberikan sinyak koreksi kepada aktuator untuk menambah atau mengurangi tenaga hingga tegangan speed actual sama dengan tegangan speed reference.
Kompresor | 12
Pada konfigurasi kontrol governor woodward terdapat Ratio Limiter. Ratio limiter ini mendapatkan dua input sinyal, satu dari speed dan auxiliary yang mempunyai PID LSS Bus, sinyal input yang kedua adalah dari Extraction/Admission PID. Logic ratio ini akan menghasilkan dua sinyal output, satu untuk mengontrol HP Actuator dan satu lagi untuk mengontrol LP Actuator. Logic limiter ini akan menjaga output control valve turbin didalam steam map yang telah ditetapkan. Dengan mengontrol interaksi valve, logic ratio akan memperkecil pengaruh suatu proses kontrol satu dengan yang lain.
Capacity control/Performance Control
Seperti yang telah dijelaskan bahwa kinerja kompresor pada dasarnya digunakan untuk menyuplai kebutuhan proses selanjutnya, oleh karena itu speed control tidak akan berdiri sendiri, speed control akan menggunakan kebutuhan proses tersebut sebagai remote set point (cascade). Proses yang dimaksud tersebut biasanya berupa flow atau pressure discharge kompresor, tergantung apa yang diperlukan oleh proses dibelakang kompresor.
Capacity control memegang peranan dalam mengatur kinerja kompresor untuk memenuhi kebutuhan proses selanjutnya. Governor control atau process control didapatkan dengan mengendalikan input power yang masuk ke kompresor untuk mencapai set poin yang diinginkan. Beberapa cara yang dapat dilakukan untuk melakukan process control adalah dengan :
- Speed control - Suction throttling - Discharge throttling - Recycle control
Jenis kontrol diatas digunakan sebagai : - Pressure control dengan variable speed - Flow Control dengan variable speed - Weight Control dengan variable speed - Pressure control pada konstan speed - Flow Control pada konstan speed - Weight Control pada konstan speed
Kompresor | 13
Gambar 10. Control Arranggement untuk Kompresor
Capacity control ini merupakan sistem cascade untuk speed control, dimana acuan kerja diambil dari output kompresor yang dapat berupa output pressure, output volume, maupun output massa. Parameter acuan dari Output kompresor ini diumpan balikkan ke sistem kontrol governor dan memberikan sinyal remote set point untuk speed controller.
Gambar 11. Diagram Blok Speed/Capacity Kontrol Compressor
Speed control pada compressor melibatkan 2 loop sistem independen, yaitu governor control yang biasanya menggunakan Dedicated device (woodward/micronet, dsb)
Kompresor | 14
dan process control yang melibatkan instrumentasi diluar governing system (pneumatic system, DCS, dsb). Operasional speed control sendiri dapat menggunakan Speed Hand Control atau dengan menggunakan feedback process.
a. Flow Control b. Pressure Control
Gambar 12. Throughput Compressor Control (a. Flow Control ; b. Pressure Control)
Berikut merupakan skema kontrol natural Gas Kompresor yang tampil di DCS Kaltim 4. Proses pada Output kompresor yang dipakai sebagai acuan kontrol adalah Pressure Discharge.
Gambar 13. Skema Kontrol Natural Gas Compressor Menggunakan Pressure Control
Kompresor | 15
Gambar 14. Speed Control pada Process Air Compressor
2. Kontrol Anti Surge
Sebagai pengaman terhadap surging, setiap kompresor selalu dilengkapi dengan sistem pengaman yang dikenal dengan nama antisurge valve/kick back valve yang dapat
Kompresor | 16
mencegah kompresor mencapai surge line. Umumnya, sistem antisurge ini sudah mulai bekerja ketika kompresor mencapai surge limit/margine yang besarnya 10% di atas surge line. Antisurge adalah sebuah line balik dari discharge/keluaran kompresor yang dihubungkan dengan suction/masukan kompresor dan dilengkapi dengan antisurge valve. Pada setting flow tertentu yang merupakan hasil perhitungan pressure ratio (perbandingan tekanan discharge dengan tekanan suction) dan flow, antisurge valve akan membuka untuk menambah flow suction.
Gambar 15. Diagram dasar Sistem Pengendalian Anti Surge
Pengendalian antisurge hampir selalu didasarkan pada pemanipulasian recycle valve. Bukaan valve menggeser operasi kompresor dari kondisi surge ke kondisi aman. Pada gambar terlihat bahwa dalam kondisi normal secara ideal control valve V1 harus selalu dalam keadaan tertutup penuh untuk mendapatkan efisiensi yang maksimal. Valve V1 akan membuka apabila gejala surging mulai terjadi. Dengan terbukanya valve V1, maka aliran suction yang kurang dapat dibackup oleh adanya sirkulasi discharge. Untuk mengendalikan bukaan valve ini diperlukan suatu sistem kontrol automatik.
Perancangan anti surge control berpedoman pada kurva operasi karakteristik kompresor dengan mendapatkan garis batas surge (surge limit line) terlebih dahulu. Dari batas surge limit line tersebut maka dapat dibuat aturan kontrol untuk menentukan garis kontrol surge (surge control line) pada pengendalian antisurge.
Surge Limit Line dibuat berdasarkan performansi kompresor. Garis ini menunjukkan
batas kondisi minimum yang akan menyebabkan kompresor mengalami surging. Pada gambar menunjukkan suatu keadaan surge limit line. Kondisi operasi yang diperkenankan adalah pada
Kompresor | 17
daerah sebelah kanan garis batas surge. Kondisi surging akan terjadi jika operasi berada pada kondisi di sebelah kiri garis batas surge.
Gambar 16. Garis Kontrol dan Limit Surge pada Compressor Operating Map
Prinsip operasional kontrol anti surge sendiri adalah menjaga operasional kompresor tetap berada di sebelah kanan garis Surge Control Line. Apabila flow suction turun hingga melewati garis control, maka Kick Back Valve akan membuka untuk menaikkan flow suction. Naiknya flow suction diatas minimum flow akan membawa kompresor pada kondisi operasional yang aman.
Kebutuhan Valve Anti-Surge
1. Valve harus cukup besar untuk mencegah terjadinya surging pada setiap kondisi operasi yang mungkin. Tetapi valve juga tidak boleh terlalu oversize, karena akan mengakibatkan kontrol yang buruk.
2. Kecepatan Stroke – sangat penting untuk mendapatkan travel time yang cepat.
Waktu Total Stroke yang Direkomendasikan
Size Close to Open Time Open to Close Time
1" to 4" 1 second < 3 seconds
6" to 12" 2 seconds < 5 seconds
16" and up 3 seconds < 10 seconds
3. Tubing tidak terlalu panjang untuk menurunkan Lag Time (waktu tunda) 4. Fail Position harus open
SCL SLL Q (Flow) Pd/Ps Operating Area Margin
Kompresor | 18
Anti surge control dapat diproses oleh sistem independen (CCC, ITCC, dsb) atau dapat diproses langsung dengan integrated system yang telah ada di plant (DCS). Berikut contoh loop pengendalian control antri surge di DCS.
Kompresor | 19
Strategi kontrol anti-surge yang digunakan dapat disesuaikan dengan kebutuhan proses, tetapi dalam satu sistem digunakan bebrapa strategi kontrol yang saling bekerja sama. Beberapa strategi kontrol tersebut antara lain :
a. PI Control
Strategi kontrol ini merupakan strategi kontrol standar untuk anti-surge. Kontroller mengkalkulasi respon proporsional dan integral dengan deviasi operational point dari garis Surge Control Line.
Gambar 18. Strategi Kontrol Anti-Surge dengan PI Controller
Strategi kontrol ini akan memberikan respon yang stabil pada operasional steady state. Dengan respon yang stabil, strategi kontrol ini membutuhkan Surge Control Margin yang cukup besar agar kompresor tetap dalam kondisi yang aman.
b. Moving Control Line
Strategi kontrol ini dapat digunakan untuk membantu respon yang lebih cepat bila terjadi perubahan titik operasional yang cepat menuju Surge Control Line. Strategi ini memanfaatkan laju perubahan (rate of change – dS/dT) untuk menaikkan control Margin secara dinamik. Dengan naiknya margin, maka PID controller dapat bereaksi lebih cepat untuk membuka Control Valve Anti Surge. Dengan strategi moving control line, sistem kontrol anti surge dapat mengaplikasikan steady state control margin yang lebih kecil tanpa mengorbankan reliability.
Kompresor | 20
Gambar 19. Strategi Kontrol Anti-Surge dengan Moving Control Line
c. Recycle Trip
Strategi Recycle Trip Response digunakan untuk melindungi kompresor dari gangguan yang sangat besar sehingga tidak mampu dikendalikan oleh PI control maupun Moving Control Line. Pada saat set point tercapai, ini akan langsung mentrigger valve anti surge untuk membuka dengan cepat kemudian menunggu respon PI control menyusul kondisi aktual.
Kompresor | 21
d. Safety On
Pada saat operating point menjadi tidak terkendali hingga menyentuh garis safety on, maka respon safety on akan menggeser surge control margin kekanana sehingga output kontrol akan membuka valve anti surge secara instant. Kemudian PID control dan recycle trip akan menstabilkan compresor pada garis Control yang baru.
Gambar 21. Strategi Kontrol Anti-Surge dengan Safety On - Line
3. Intercooler
Intercooler digunakan untuk menurunkan temperature discharge compressor pada stage tertentu sebelum masuk ke stage berikutnya. Berdasarkan persamaan kebutuhan energy untuk kompresi :
Didapatkan bahwa Temperatur berbanding lurus dengan kebutuhan energy, sehingga semakin rendah temperatur suction, maka kebutuhan energi semakin rendah, hal ini dapat menaikkan efisiensi kompresor.
Kompresor | 22
Gambar 22. Persentase Uncooled Horsepower yang dibutuhkan dengan Intercooler (Courtesy : Elliot Company)
Dengan adanya pendinginan pada gas proses, maka akan terjadi kondensasi pada sebagian kecil komponen yang terkandung dalam gas proses dan berubah fasa menjadi liquid. Liquid sama sekali tidak diijinkan kontak dengan sudu-sudu kompresor, sehingga diperlukan separator untuk memisahkan kondensat tersebut dengan gas proses agar kondensat tidak terikut masuk ke sudu-sudu kompresor. Agar level di separator dapat terkontrol dengan baik, maka diperlukan sebuah sistem pengendalian level.
Kompresor | 23
Gambar 23. Interstage Separator Level Control
Gambar 24. Interstage Separator Level Control
Pengendalian pada level separator merupakan kontrol sederhana 1 loop dengan level transmitter sebagai umpan balik, sebuah kontroller dengan aksi direct dan kontrol valve.
Kompresor | 24
4. Vacuum Condenser Level Control
Prinsip operasional kontrol vauum condenser adalah menjaga level condenser tetap berada pada posisi tertentu, ini dimaksudkan agar tekanan tetap terjaga dan sekaligus menjaga agar tidak terjadi kavitasi pada pompa kondenser karena bagaimanapun juga pompa seharusnya tidak diijinkan dialiri vapor atau gas, sehingga disediakan recycle valve dari discharge pompa menuju ke vacuum condenser.
Gambar 25. Vacuum Condenser Level Control
Level condenser harus dijaga agar tidak terlalu tinggi dan tidak terlalu rendah, level yang terlalu tinggi akan mengakibatkan pressure vacuum drop dan dapat menghambat Pengendalian level vacuum condenser menggunakan 2 buah kontrol valve dimana satu valve digunakan untuk membuang kondensat steam, dan valve satu lagi digunakan sebagai recycle valve. Kedua kontrol valve ini dikendalikan oleh satu kontroller yang sama dengan konfigurasi kontrol split dengan aksi kedua kontrol valve dapat digambarkan pada diagram berikut :
Kompresor | 25
Gambar 26. Split Control Pada Vacuum Condenser Level Control
Kedua kontrol valve memiliki aksi yang berlawanan, valve recycle memastikan level condenser harus tetap ada agar pompa vacuum tetap dapat memompa liquid, sedangkan valve pembuangan bertugas memastikan level tidak terlalu tinggi. Pada saat level berada diatas setting, valve pembuangan akan membuka untuk membawa level berada pada posisi semula, sementara itu valve recycle akan mengarah tutup untuk mengurangi flow recycle.
Pada pengendalian dengan sistem vacuum, salah satu hal penting yang harus diperhatikan adalah type sensor. Karakteristik dasar sensor yang sesuai untuk sistem vacuum condenser adalah:
a. Tidak terpengaruh tekanan sistem.
b. Tidak terpengaruh massa jenis fluida, karena didalam vacuum condenser masih memungkinkan adanya dual fasa (vapor dan liquid).
Dengan karakteristik ini, sensor yang cocok untuk pengukuran level condenser ini adalah type floater dan guided wave radar.
0 50 62.5 100 Controller Output 100 50 0 Valve Op ening Recycle Valve Condensate Outlet
Kompresor | 26
Sistem Proteksi
Sistem proteksi pada kompresor dimaksudkan untuk menghindarkan kompresor dari kondisi tidak aman terlebih lagi menghindarkan kompresor dari kerusakan mekanikal yang fatal. Filosofi dari sistem proteksi ini adalah untuk menghentikan aliran tenaga (steam) yang masuk ke turbin.
Dalam sistem proteksi ini terdapat beberapa komponen sistem untuk permissive start, auxilliary interlock dan emergency shutdown. Beberapa komponen yang berasal dari system kompresor berikut adalah komponen yang diperlukan dalam sistem proteksi di kompresor secara general :
1. Permissive Start
Beberapa komponen berikut harus dipenuhi dahulu untuk mengaktifkan permissive logic sebelum kompresor ready start.
a. Compressor Process Normal
Intercooler Separator Level Normal
Compressor Discharge Temperature Normal b. Governor System Normal
Electric Governor Normal Over speed module Normal Control Oil Pressure Normal c. Compressor Internal Normal
Vibrasi Axial dan Radial Normal Lube oil pressur Normal
Turbine Exhaust Steam Press Normal d. Lube Oil Rundown Tank Level High e. Compressor Seal Normal
Over head tank oil level (untuk compressor dengan wet seal) Seal gas pressure return (untuk compressor dengan dry seal)
Kompresor | 27
Permissive logic ini akan mengaktifkan equipment-equipment yang dibutuhkan untuk Start Up Compressor. Device yang dimaksud adalah :
a. Compressor Control Oil Exhaust Valve – Close
b. Memberikan sinyal permissive untuk Control Anti-Surge
c. Memberikan sinyal permissive untuk kontrol diluar system kompresor d. Memberikan akses pada Electric Governor untuk melakukan kontrol 2. Emergency Shutdown
Logic logic yang akan mengaktifkan shutdown system adalah sebagai berikut. a. Governor System Trip
Electric Governor Trip Over speed Trip
Control Oil Pressure Very Low (LL) b. Compressor Process Upnormal
Intercooler Separator Level Very High (HH)
Compressor Discharge Temperature Very High (HH) c. Compressor Internal Upnormal
Vibrasi Axial dan Radial Very High (HH) Lube oil pressur Very Low (LL)
Turbine Exhaust Steam Press Very High (HH)
Shutdown logic ini akan mengaktifkan equipment-equipment yang dibutuhkan untuk pengamanan Compressor. Device yang dimaksud adalah :
a. Compressor Control Oil Exhaust Valve – Open / Control Oil Drain b. Override Control Anti-Surge – Valve Open
c. Memberikan informasi trip pada sistem diluar kompresor
d. Override kontrol turbin bypass valve pada Pada turbin-turbin type Extraction selama beberapa saat.
e. Menghentikan akses kontrol pada Electric Governor – Electric Governor Trip. 3. Auxilliary Interlock
Interlock ini diperlukan untuk auto start/stop auxilliary equipment pada saat diperlukan.
a. Vacuum Condenser Level Very High (HH) dan Very Low (LL) untuk Auto Start / Auto Stop pompa kondenser.
b. Control Oil Pressure (Discharge Filter) Low (L) untuk Auto Start Lube Oil Pump. c. Lube Oil Header Pressure untuk permissive start Turning Device.
Kompresor | 28
Secara umum dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 27. Overview Sistem Proteksi Compressor Drive Turbine Overall
LSHH FT PT LSHH/LSLL TSHH PSHH Turbine Comp LP Comp HP HP Steam LP Steam Steam Condensate Exhaust Steam GV ECV ACV MPU Condensate Air/Gas Air/Gas Air/Gas Vacuum Condenser Separator Trip Throttle Valve Admission Stop Valve
Lube Oil Head Tank
Lube Oil Supply
LSH Oil Reservoir Standby Pump PCV Hydraulic Reset Control Oil Exhaust Valve
Control Oil Supply Drain Axial Vib Axial Vib PSL Comp. Process Normal Comp. Internal Normal Comp. Seal Normal (Level Overhead Tank
atau Seal Gas Press Return)
Comp. Start Permissive Comp. Shut Down Logic
Comp. Elect. Gov. Normal
PSL
Comp. Aux Interlock
Start/Stop
Start/Stop
Kompresor | 29
1. Vibrasi
Sistem proteksi vibrasi pada kompresor dan drivernya merupakan sistem yang lazim diaplikasikan. Vibrasi radial dan axial yang terdapat pada rotating equipment sendiri akan menunjukkan gejala-gejala kerusakan atau ketidakstabilan pada equipment. Untuk itu perlu dilakukan pengamanan equipment pada saat terjadi kenaikan vibrasi. Lokasi monitoring vibrasi adalah sebagai berikut:
Gambar 28. Proteksi Vibrasi Radial dan Axial
Poin – poin pengukuran vibrasi radial & axial pada kompresor sebagai proteksi secara umum sebagai berikut :
- Turbine axial position
- HP Compressor axial position - LP Compressor axial position - Vibrasi Turbine Thrust Side - Vibrasi Turbine Anti-Thrust Side
Kompresor | 30
- Vibrasi HP Compressor Thrust Side - Vibrasi HP Compressor Anti-Thrust Side - Vibrasi LP Compressor Thrust Side - Vibrasi LP Compressor Anti-Thrust Side
Konfigurasi trip system untuk vibrasi sendiri dapat berupa konfigurasi 1oo2 (1 out of 2) atau 2oo2 (2 out of 2). Sedangkan setting nilai trip system dapat disesuaikan dengan maksimum allowable value untuk vibrasi radial maupun axial. Kenaikan vibrasi pada kompresor dapat berarti banyak hal, unbalance, misallignment, backpressure, dan lain sebagainya. Kenaikan vibrasi yang cukup tinggi dan dalam waktu yang singkat akan sangat membahayakan kompresor, dapat menyebabkan kerusakan yang sangat fatal. Untuk itu perlu digunakan sistem emergency shutdown untuk vibrasi.
Sistem monitoring dan sinyal trip ini tidak langsung diberikan oleh probe-probe ke sistem interlock, tetapi sinyal trip berasal dari dedicated device. Konfigurasi system dapat dilihat pada gambar.
Gambar 29. Konfigurasi Trip System - Vibrasi
2. Separator Level
Level Interstage Separator pada compressor tidak boleh terlalu tinggi, hal ini akan mengakibatkan liquid akan terikut (carry over) masuk kedalam sudu-sudu kompressor. Carry over liquid ini secara mekanikal dapat menyebabkan kegagalan katastropik pada kompresor.
Kompresor | 31
Untuk menghindari terjadinya carry over liquid, dipasang level controller pada separator. Dalam kondisi emergency, dimana kontrol tidak dapat bekerja dengan baik, maka pada separator dilengkapi proteksi level HH.
Gambar 30. Proteksi Liquid Carry Over pada Interstage Separator
3. Vacuum System
Seperti yang telah dibahas pada sistem kontrol, bahwa level pada vacuum condenser harus dijaga. Jika level terlalu rendah, maka kemungkinan besar fluida dalam fasa gas akan terikut ke dalam pompa vacuum. Hal ini akan mengakibatkan kavitasi pada pompa. System interlock pada bagian ini tidak untuk mematikan turbin-kompresor, tetapi untuk melakukan start-stop pompa kondenser. Jika kontrol system tidak mampu mengendalikan level, pada saat level terlalu rendah, pompa kondenser akan auto stop, demikian pula sebaliknya jika level teralu tinggi pompa kondenser akan auto start.
Akan tetapi bagaimanapun juga jika sistem auto start/stop pompa ini tidak berjalan, maka level pada condenser menjadi tidak terkontrol. Pada saat level high, akan mengakibatkan vacuum drop yang akan menghambat proses kondensasi steam. Jika kondisi ini berlanjut, maka akan terjadi kenaikan pressure pada exhaust turbin. Sehingga untuk tetap menjaga kinerja turbin kenaikan pressure exhaust ini harus dibatasi, untuk itu dipasang pressure switch pada turbin exhaust steam. Pressure switch ini akan mengaktifkan shutdown logic pada sistem proteksi.
Berikut penggambaran sistem auto start/stop pompa pada auxilliary interlock logic vacuum condenser compressor.
Kompresor | 32
Gambar 31. Interlock Level Vacuum Condenser
4. Lube Oil & Control Oil
Lube oil pada kompresor berperan penting dalam pelumasan sistem mekanikal kompresor. Kurangnya tekanan lube oil akan menyebabkan pelumasan yang buruk dan pada akhirnya akan mengakibatkan kerusakan fatal pada kompresor. Normal desain kompresor biasanya dilengkapi dengan 2 buah pompa oli (satu pompa utama dan lainnya adalah pompa auxillairy) dimana keduanya digerakkan oleh jenis driver yang berbeda. Pada saat tekanan oli turun hingga terdeteksi low pressure oleh pressure switch, interlock system akan menjalankan pompa auxilliary untuk melakukan back-up. Tetapi jika pressure terus turun hingga batas yang diijinkan, maka pressure switch LL akan mengaktifkan Shutdown System Kompresor.
Control oil juga merupakan sistem vital untuk kontrol kompressor, tanpa adanya tekanan control oil yang cukup, maka sistem-sistem hydraulic tidak akan dapat bekerja. Control oil dan lube oil memiliki sumber yang sama yaitu dari Lube Oil pump. Oil filter dipasang pada discharge pompa, output filter ini langsung digunakan sebagai control oil supply. Lube oil memerlukan tekanan yang lebih rendah sehingga perlu pengaturan lagi setelah filter, untuk itu dipasang sebuah PCV pada percabangan outlet filter dengan output PCV akan digunakan sebagai Lube Oil Supply.
Kompresor | 33
Gambar 33. Sistem Lube Oil Kompresor (Courtesy : Nouvo Pignone)
Kompresor | 34
Pressure Control oil termasuk sumber yang akan mengaktifkan kontrol electric governor dan melakukan trip pada electric governor. Pada saat tekanan control oil tercapai, maka sistem kontrol governor dapat diaktifkan, sedangkan pada saat tekanan control oil drop pada nilai batas bawahnya, maka kontrol governor akan trip.
Gambar 35. Permissive & Stop Logic Turning Devive
Sedangkan lube oil pressure selain digunakan sebagai trigger untuk shutdown, digunakan juga sebagai permissive dan stop logic untuk turning device. Pada saat LO pressure LL aktif, sinyal akan dikirim untuk shutdown logic compressor dan permissive turning device. Sedangkan pada saat LO pressure tercapai, sinyal ini akan memberikan permissive start turbin-kompresor dan menghentikan kerja turning device.
Dalam sistem lube oil ini juga terdapat Head Tank yang berfungsi untuk melakukan bakup lube oil pada saat terjadi trip. Level head tank ini akan digunakan sebagai sinyal permissive untuk start kompresor. Hal ini menjadi penting karena jika terjadi trip dan tidak ada lube oil sebagai media pelumasan pada rotating equipment, maka akan membuka kemungkinan terjadi kerusakan mekanikal.
5. Overhead Tank Oil
Seal oil berfungsi untuk menghindari kebocoran gas proses. Seal oil disupply dari booster pump sehingga tekanan oli seal lebih tinggi dari lube oil. Overhead tank diperlukan untuk menjaga fluktuasi tekanan, tekanan statik overhead tank digunakan sebagai rundown supply pada saat sistem kehilangan tekanan. Sehingga penting untuk tetap menjaga level overhead tank berada pada kondisi aman. Jika terjadi penurunan level pada overhead tank secara signifikan, maka level switch LL akan bekerja untuk shutdown kompresor.
Kompresor | 35
Gambar 36. Sistem Seal Oil Kompresor (Courtesy : Nouvo Pignone)
6. Overspeed Trip System
Untuk mencegah kerusakan rotating equipment terhadap kelebihan putaran, maka tiap equipment dilengkapi dengan overspeed trip device. Electronic overspeed trip device memiliki 3 input probe speed diproses dengan logika 2oo3. Sinyal voting akan memberikan input ESD untuk mengaktifkan trip device. Sebagai penggambaran sistem overspeed trip device berikut konfigurasi OST di syngas compressor Kaltim 4.
Kompresor | 36
Kompresor | 37
Daftar Pustaka
1. Brown, Royce N. (1997). Compressor Selection and Sizing – Second Edition. Houston, USA. Butterworth –Heinemann.
2. Helvoirt, Jan Van (2007). Centrifugal Compressor Surge Modelling and Identification for Control. Enschede, Netherland. Print Partner.
3. Giampaolo, Tony (2010). Compressor Handbook Principle and Practice. Lilburn, USA. The Fairmont Press, Inc.
4. MHI (2002). Engineering Data Book Ammonia-Urea project Kaltim-4. Bontang, Indonesia. PT. Pupuk Kaltim
