51
INSTALASI ESP (
ELECTRIC SUBMERSIBLE
PUMP
) SISTEM TANDEM PADA
SUMUR MINYAK DENGAN
VARIABLE SPEED DRIVE
Hari Sucipto1, Sigit Setya Wiwaha2 , Imron Ridzki3 1,2,3
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang
Abstrak
Ketika tekanan dari suatu sumur minyak tidak terlalu besar untuk melakukan Semburan Alami (Natural Flow), maka Pengangkatan Buatan (Artificial Lift) merupakan salah satu metode yang dapat digunakan untuk menggantikannya. Pengangkatan buatan biasanya dengan menggunakan ESP (Electric Submersible Pump). Pompa minyak ESP di perminyakan dilengkapi dengan komponen VSD (Variable Speed Drive) untuk mengatur kecepatan motor sebagai softstarter dan pengatur rate minyak serta sebagai proteksi motor pompa. Untuk konstruksi ESP dengan sistem tandem motor diinstalasi pada sumur dengan karakteristik dan kedalaman tertentu yang berbeda dari ESP motor tunggal. Namun pompa submersible ditandem dengan cara menambah jumlah stages pompa sesuai kedalaman sumur dengan cara dikopel, motor listrik submersible dapat dikopel secara mekanik maupun secara elektrik pada satu poros antara upper motor dan center motor. Kata-kata Kunci : Electric Submersible Pump (ESP), Variable Speed
Drive (VSD), Sistem Tandem
Abstract
52
motors can be mechanically coupled and electrically on a spindle between upper motor and center motor.
Keywords: Electric Submersible Pump (ESP), Variable Speed Drive (VSD), Tandem System.
1. PENDAHULUAN
Produksi minyak dari suatu sumur dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu metode Semburan Alami (Natural Flow) dan Pengangkatan Buatan (Artificial Lift). Pada metode semburan alami, tekanan pada reservoir masih memiliki kemampuan untuk mengalirkan fluida reservoir ke permukaan, oleh karena tekanan reservoir yang tinggi. Pengangkatan buatan digunakan apabila tekanan reservoir sudah tidak mampu lagi berproduksi secara sembur alam. Salah satu metode pengangkatan buatan adalah menggunakan ESP (Electric Submersible Pump), tetapi masih ada cara lain yang dapat digunakan seperti gas lifting, sucker road pumping, jet pump, dan progressive cavity pump [1], [5].
Untuk metode pengangkatan buatan dengan menggunakan ESP (Electric Submersible Pump) diperlukan instalasi tenaga listrik yang handal. Karena lokasi pertambangan yang cukup ekstrem, dimana tingkat keamanan dari suhu yang tinggi serta gas beracun yang bersifat eksplosif dan tekanan aliran sumur yang juga tinggi yang juga dapat merusak komponen atau peralatan produksi. Maka dari itu instalasi tenaga listrik dan proteksi motor ESP pada pertambangan minyak berbeda dengan standar instalasi motor pada umumnya yaitu menggunakan acuan standar internasional IEC, IEEE/ANSI, NEC, dan NEMA [2].
Tujuan yang ingin dicapai dalam perencanaan ini adalah sebagai berikut:
1. Untuk mengetahui instalasi ESP (Electric Submersible Pump) Sistem Tandem sesuai dengan prinsip kerja sistem yang inginkan.
2. Dapat menentukan komponen listrik meliputi VSD (Variable Speed Drive), Step Up Transformer, Kabel Power ESP dan Pengaman Pemutus Sirkit.
53 4. Dapat menseting kecepatan dan pengaman motor ESP
menggunakan VSD.
Pompa minyak atau ESP di perminyakan dilengkapi dengan komponen VSD (Variable Speed Drive) yang sebagaimana fungsi VSD yaitu untuk mengatur kecepatan motor [3]. Komponen VSD selain digunakan sebagai softstarter motor pompa, difungsikan sebagai proteksi motor dan pengatur jumlah minyak agar produksi rata-rata minyak yang ingin dicapai tetap optimal. Maka dari itu harus diperlukan komponen yang handal sebagai penunjang kinerja ESP dan juga melakukan perawatan alat agar dapat bekerja optimal demi berlangsungnya proses produksi meliputi penggunaan kabel listrik yang sudah sesuai standard ANSI-IEEE Std 576-1998 dengan kemampuan 5 kV pada suhu sumur lebih dari 200 oF [2], [7].
Pemilihan unit variable speed drive (VSD) berdasarkan pada standar spesifikasi VSD dan fungsi perangkat listrik disesuaikan dengan beban electric submersible pump (ESP) [6].
Hal lain yang penting diperhatikan adalah mengoperasikan unit ESP (Electric Submersible Pump) dan VSD pada batas aman dengan pertimbangan hasil kerja pada sumur Mudi B25 dapat lebih di optimalkan lagi, penentuan nilai pengaman pemutus sirkit yang digunakan harus berfungsi melindungi peralatan listrik agar tidak bekerja melebihi arus maksimum oleh sebab itu pengaman disetting dibawah arus pengaman maksimum yang disesuaikan dengan batas setting proteksi motor pompa yaitu tidak kurang dari setting minimum arus 80% dari standar dan tidak lebih dari setting arus maksimum 115% dari standar NEMA MG-1 [2].
2. KAJIAN PUSTAKA
2.1 Electric Submersible Pump (ESP)
54
Electric Submergible Pump (ESP) adalah pompa yang dimasukkan ke dalam lubang sumur yang digunakan untuk menaikan cairan minyak (artificial lift) dan digerakkan oleh motor listrik [8]. ESP berupa rangkaian pompa sentrifugal yang terdiri dari beberapa unit yang dipergunakan untuk mengangkat fluida dari dalam sumur ke permukaan. Peralatan ESP terdiri dari pompa sentrifugal, protektor, gas separator, dan motor listrik. Unit ini ditenggelamkan di dalam cairan, disambung dengan tubing dan motornya dihubungkan dengan kabel ke permukaan yaitu switchboard dan transformator.
Gambar 1. Konstruksi peralatan Electric Submersible Pump (ESP)
2.2 Prinsip Kerja Electric Submersible Pump (ESP) Sistem Tandem (bertingkat)
55 multistage (bertingkat) yang dioperasikan dalam posisi vertikal [5]. Meskipun dari tahun ke tahun kontruksi pompa submersible semakin berkembang dan memiliki banyak fitur, namun sebenarnya memiliki prinsip kerja dasar yang sama. Cairan atau liquid diputar oleh impeller dengan kecepatan rotasi yang tinggi sehingga mengalami gaya sentrifugal, kemudian cairan tersebut terangkat di dalam diffuser di mana konversi energi kinetik menjadi energi tekanan berlangsung. Untuk konstruksi pompa dengan sistem tandem motor juga memiliki prinsip kerja yang sama dengan pompa submersible lainnya dan di install pada sumur dengan karakteristik dan kedalaman tertentu yang berbeda dengan pompa submersible single motor. Namun pompa submersible ditandem dengan cara menambah jumlah stages pompa sesuai kedalaman sumur dengan cara di kopel dan untuk motor listrik submersible juga dikopel secara mekanik dan elektrik pada satu poros antara upper motor dan center motor.
3. METODE
Lapangan minyak PETROCHINA East Java, Mudi B JOB P-PEJ terdiri dari 12 sumur minyak yang dipompa dengan menggunakan ESP. ESP yang terpasang pada Lapangan Mudi B JOB P-PEJ terdiri dari 6 unit ESP dengan kapasitas 320 HP, 5 unit ESP dengan kapasitas 160 HP, dan 1 unit ESP dengan kapasitas 400 HP. Data-data yang digunakan diperoleh melalui observasi langsung maupun wawancara. Data yang dibutuhkan dalam pekerjaan ini diantaranya single line diagram JOB P-PEJ, spesifikasi peralatan ESP, dan spesifikasi generator pada JOB P-PEJ. Dari data-data tersebut berfungsi untuk mengetahui bagaimana konstruksi instalasi electric submersible pump (ESP) mulai dari peralatan di permukaan (surface) sampai peralatan bawah permukaan (subsurface).
56
MULAI
Observasi Data ke JOB P-PEJ
Menentukan Kapasitas Produksi
Sumur
AA
Memilih Tipe Pompa
Menghitung Pembebanan & Tekanan Pompa
Memilih Motor ESP
Menghitung & Memilih Protektor Thrust Bearing
Menentukan Ukuran Kabel
Menghitung Tegangan Permukaan & Daya Trafo serta Switchboard
Operasi Kerja ESP
Pengaturan Kecepatan Motor ESP
Pengaturan Tap Trafo
Pengaturan Rating Pengaman Sirkit
Pengaturan Overload & Undeload Motor
ESP
Kesimpulan
Selesai
57 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Perhitungan dan Pemilihan Peralatan Dukung Untuk ESP
Dalam memilih komponen untuk ESP yang harus dilakukan yaitu pemilihan pompa yang digunakan pada salah satu sumur minyak sesuai aturan standar. Data untuk Sumur Mudi B#25 dengan motor pompa terpasang adalah ESP motor dengan menggunakan UT dan CT didapatkan data 160 HP; 1267 V; 79,6 A; 60 Hz (Maret 2015).
Water-Cut ( WC ) = 96,8 %
Laju Alir Minyak (Qo) = 133 BOPD Laju Alir total (Ql) = 4.074 BWPD Water Specific Gravity (SGw) = 0,904 Oil Specific Gravity (SGo) = 0,076 API Gravity = 35,2 °
Fluid Level (FL) = 1147 ft Casing Pressure (CP) = 125 Psi Kedalaman Sumur = 9686 ft
Pump Seting Depth (PSD) = 8638 ft
4.2 Perhitungan dan Pemilihan Kabel ESP
Perhitungan kemampuan hantar arus dan temperature power kabel AWG yang akan dipakai pada electric submersible pump (ESP); Dengan acuan standart internasional IEC [2]: KHA = 125% x In = 125% x 79,5 = 99,3 A
Tc = (a x I2) + Twell
= (0,008 x 79,52) + 245
= 295,5oF (Redalead 1#AWG – Round Cable)
Maka kabel motor ESP yang digunakan pada MUDI PAD B#25 sesuai tabel AWG#1, dengan rating tegangan 5 kV 400 oF, Tipe Round, Isolasi jenis EPDM (ethylene prophylene diene methylene). Jacket jenis Braid, pada aplikasi sumur kondisi rendah gas untuk kabel dari sumur ke permukaan, drop tegangan yang terjadi pada setiap panjang kabel 1000 ft dihitung dengan rumus berikut [2]:
58
4.3 Perhitungan dan Pemilihan Step Up Transformer
Tegangan suplai (Vs) yang dibutuhkan yaitu untuk sistem tandem 2 stages:
Vs = (Vm x 2) + ΔV = (1267 x 2) + 230,84 = 2764, 84 V
Besar daya (kVA) permukaan (surface) yaitu: S =
= = 383, 28 kVA
Maka dalam penentuan dasar kapasitas transformator. Sesuai dengan standar IEC 76-1 (1976) yaitu:
Kapasitas Transformator = 80% x daya trafo = 80% X 383,28 kVA = 306,62 kVA
Maka dipilih transformator untuk unit ESP di Mudi PAD #B25 sebesar 400 kVA dengan tegangan 480 / 1100-3811 Volts.
4.4 Perhitungan dan Pemilihan VSD
Sesuai pada Standard Spesifikasi Speedstar 2000 Variable Speed Drive (VSD) dan dari hasil perhitungan daya 388,28 kVA Maka dipilih VSD spesifikasi NEMA 1 – 6 Pulse dengan daya
Dari data diatas maka nilai q2 jika diansumsikan frekuensi yang digunakan sebesar f2 = 60 Hz adalah sebagai berikut:
=
59
Dari hasil perhitungan diatas maka dapat diketahui bahwa rate maksimum yang dapat dihasilkan pada sumur mudi B25 sebesar 5736 bpd. Setting pada variable speed drive (VSD):
V(60Hz) = V(44Hz)(
) = 336 (
) = 458 V
4.5 Tapping Transformator
Untuk menentukan besar pengaman yaitu dengan mengetahui perhitungan arus yang melalui unit VSD dengan perhitungan dari data sebagai berikut:
Kabel yang digunakan : Redalead AWG#1 8558 ft Temperature sumur : 245 oF
Dengan nilai ratio trafo 0,168 maka dapat diketahui nilai dari tegangan output dengan input tegangan 458 V.
a =
60
maka tap pada transformator yang dipilih yaitu 3D/Y – 2937 V. Maka nilai tegangan keluaran:
Ratio trafo (a) =
=
= 0,163
a =
Vs =
Vs =
= 2809 V
Nilai ini sudah memenuhi kebutuhan tegangan motor dan mengatasi jatuh tegangan sebesar 230,84 volt.
4.6 Setting Pengaman Pada VSD
Dengan diketahui arus nominal pada variable speed drive (VSD) 390 kVA dengan arus nominal sebesar 469 A, maka pemilihan proteksi sesuai dengan NEC yaitu [1]:
I pengaman maksimum = 250% x In = 250% x 469 A = 1172,5 A
Dengan pertimbangan bahwa arus hubung singkat yang dapat terjadi sebesar:
Isc = =
= 2,1 kA
Setelah perhitungan arus pengaman maksimum sebesar 1172,5 A, maka dipilih pengaman MCCB Tipe D pada Unit VSD 390 kVA dengan MCCB NS1000N dengan range seting 400-1000A dan pengaman di seting dibawah nilai arus pengaman maksimum.
4.7 Pemilihan Kabel Instalasi Permukaan
61 In =
=
= 136,2 A KHA = 125% x In
= 125% x 136,2 A = 170,24 A
Maka dipilih penghantar kabel tipe american wire gauge 2(#3 AWG) untuk peralatan pada permukaan.
4.8 Overload Setting dan Underload Setting Motor ESP
Untuk penentuan seting pengaman beban lebih (overload) motor ESP pada VSD, proteksi beban lebih pada motor seharusnya disetel untuk trip pada 115% dari arus beban sistem NEMA MG-1 yaitu:
Overload = 115% x In = 115% x 79,5A = 91,42 A
Jadi untuk seting overload pada motor ESP disetel pada nilai maksimum arus sebesar 91 A.
Sedangkan untuk penentuan seting underload motor ESP pada VSD diketahui dari data running ampere ESP disumur Mudi B25 46,4 A. maka seting underload menurut NEMA MG-1 motor ESP yaitu;
Underload = 80% x Run Amp = 80% x 46,5A = 37,2 A Jadi untuk seting underload pada motor ESP di set pada nilai minimum arus sebesar 37 A dari arus operasi kerja motor ESP.
Tabel 1. Perbandingan Kabel Power
Kabel Power
Data Perusahaan Data Perhitungan
Kabel ESP #1 AWG #1 AWG
Kabel Instalasi 2(#6 AWG) 2(#3 AWG)
Tabel 2. Perbandingan Step-up Transformer Kabel Power
Data Perusahaan Data Perhitungan
Daya 400 kVA 400 kVA
62
Tabel 3. Perbandingan Setting Speed Electric Submersible Pump Kabel Power
Data Perusahaan Data Perhitungan
Frekuensi (Hz) 44 60
Rate Minyak (bpd) 4207 5736
Tabel 4. Perbandingan Tapping Transformator Kabel Power
Data Perusahaan Data Perhitungan
Tap 3C / Y 3D /Y
Tegangan 2858 2937
Tabel 5. Perbandingan Seting Overload dan Underload Kabel Power
Data Perusahaan Data Perhitungan
Overload (Amp) 87 99
Underload (Amp) 39 37
5. PENUTUP
Beberapa hal yang dapat disimpulkan dari penelitian ini adalah:
1) Instalasi ESP (Electric Submersible Pump) Sistem Tandem sesuai dengan prinsip kerja sistem yang diinginkan meliputi penggunaan kabel listrik yang digunakan sudah sesuai standard ANSI-IEEE Std 576-1998 dengan kemampuan 5kV pada suhu sumur lebih dari 200 oF.
2) Step-up transformator yang digunakan di Mudi B25 sudah memenuhi standar sesuai dengan standar IEC 76-1 (1976) yaitu kapasitas transformator tidak dibebani lebih dari 80%. 3) Pemilihan variable speed drive (VSD) telah berdasarkan pada
standar spesifikasi VSD dan fungsi komponen yang disesuaikan dengan beban electric submersible pump (ESP). 4) Mengoperasikan pada batas aman suatu unit ESP (Electric
63 5) Pemilihan tap 3C/Y-2858V pada transformator belum sesuai untuk mensuplai tegangan motor maka diganti dengan tap 3D/Y-2937V.
6) Nilai pengaman pemutus sirkit yang digunakan pada VSD tersebut masih aman karena tidak melebihi 250% NEC 430.52 dari arus maksimum dan pengaman disetel dibawah arus pengaman maksimum.
7) Setting proteksi motor pompa perusahaan masih aman karena tidak kurang dari setting minimum arus 80% dari standard dan tidak lebih dari setting arus maksimum 115% dari standar NEMA MG-1.
Adapun saran adalah sebagai berikut:
1) Pengaturan frekuensi tidak diijinkan disetel melebihi frekuensi maksimum.
2) Untuk pemindahan tap trafo perlu perhatikan angka transformasinya.
6. DAFTAR PUSTAKA
[1] Amao, Matthew. 2014. Electrical Submersible Pump Systems. Artifical Lift Methods and Surface Operations PGE 482.
[2] ANSI--IEEE Std. 576-1989. IEEE recommended practice for installation, termination, and testing of insulated power cable as used in the petroleum and chemical industry
[3] Barnes, Malcolm. 2003. Variable Speed Drives and Power Electronics. London: Newnes
[4] Barrow, Chris. 2010. National Electrical Code Motor Calculations, Article 430. PDH Enterprises, LLC
[5] Petrowiki. 2012. Electric Submersible Pumps.
http://petrowiki.org/Electrical_submersible_pumps
[6] REDA, Schlumberger. 2002. Artificial Lift Technical Service Manual (TSM) / Technical and Engineering Information
