D - Pengukuran Laju Aliran Fluida [PDF]

Citation preview

PENGUKURAN LAJU ALIRAN FLUIDA 1. Pengukuran Laju Alir Fluida Bagian yana cukup penting dalam operasi produksi gas adalah penentuan laju alir secara akurat. Didalam sub bab ini akan dibahas metoda yang umum digunakan dilapangan untuk menentukan laju alir fluida . Untuk gas biasanya menggunakan orifice meter (dapat juga mengukur rate cairan minyak), hingga saat ini sering, digunakan disebabkan penggunaannya dilapangan yang sederhana tetapi akurat. Beberapa metode lain juga akan dibahas walaupun aplikasi untuk metode tersebut sangat terbatas.



1.1. Orifice Meter Metoda yang digunakan pada orifice meter adalah pengukuran penurunan tekanan yang disebabkan oleh perubahan kecepatan dari gas karena adanya hambatan. Persamaan kesetimbangan energi yang, digunakan adalah : V1  V2 2g 2



p1V1  p 2 V2 



2



(1)



dimana kondisi 1 dan 2 menyatakan kondisi di pipa dan kondisi di orifice. Bila dianggap bahwa Vi = V2 = V, dan V = q/A, maka laju alir gas dapat dituliskan sebagai berikut: q



A2 1 β4



2gh



(2)



Dimana : q



= laju alir gas



A2



= luas orifice meter ,  d22/4







= d2 /d1.



Pengukuran Laju Aliran Fluida



1



g



= percepatan gravitasi.



h



= penurunan tekanan di orifice.



d1



= diameter pipa



d2



= diameter orifice.



Persamaan (2) dapat diubah bentuknya dengan memasukkan keadaan tekanan dan temperatur pengukuran , h dalam ketinggian air (inch of water) maka : q sc  218.44 K o d 2



2



Pf TSC PSC Tf



 h w Tf   Pf γ g 



   



0.5



(3)



Dimana : qsc = laju aliran gas , SCF/hour. d2



= diameter orifice, inch.



pf



= tekanan alir , psia.



Tf



= temperatur alir, OR.



hw = perbedaan tekanan di orifice , inch of water. g = spesifik gravity gas. Ko = faktor efisiensi. atau, dengan menganggap uap Psc = 14.73 psia dan Tsc = 60 OF maka didapat qsc  C' h w Pf



(4)



Dimana : C' = Fb.Fr.Y.Fpb.Ftb.Ftf.Fg.Fpv.Fm.F1.F 



(5)



Harga C' dikenal sebagai konstanta orifice, dimana harga tersebut tergantung pada harga Basic Orifice Factor, Fb = 338. 17 Ko d22. Harga Fb ini ditentukan



Pengukuran Laju Aliran Fluida



2



secara empiris dan secara berkala diperbaharui oleh AGA (American Gas Association Report).



Harga - harga konstanta untuk persamaan 5 tergantung, pada titik dimana beda tekanan (differential pressure) , hw , diukur. Orifice meter dibagi menjadi dua jenis yaitu flange taps dan pipe taps. Gambar untuk kedua jenis tersebut dapat dilihat pada Gambar 1. Flange taps diletakkan sekitar 1 inci dari orifice plate. Sedangkan pipe taps diletakkan 2.5 kali diameter pipa, pada upstream dan 8 kali diameter pipa pada down stream dari orifice plate.



Perbedaan



lokasi ini menyebabkan harga yang didapat selama pengukuran berbeda.



Gambar 1



Harga-harga konstanta untuk persamaan 5 adalah sebagai berikut :



Pengukuran Laju Aliran Fluida



3



Basic Orifice Factor , Fb Harga ini tercantum pada kedudukan taps, diameter orifice dan diameter pipa yang diukur. Harga Fb ini bisa dilihat pada Tabel 1 untuk flange taps dan Tabel 6 untuk pipe taps.



Reynolds Number, Factor , Fr Faktor ini tercantum pada diameter pipa , viskositas , densitas dan kecepatan gas. Fr didapat dari Tabel 2 untuk flange taps dan Tabel 7 untuk pipe taps. Harga b yang didapat dari tabel merupakan fungsi dari diameter pipa, diameter orifice dan lokasi taps. Sehingga Fr  1 



b h w Pf



Expansion Factor , Y Tidak seperti cairan , ketika gas mengalir melalui orifice, perubahan kecepatan dan tekanan menyebabkan juga perubahan densitas. Ekspansi dari gas di orifice dapat dianggap proses adiabatik. Dibawah kondisi tersebut, perubahan densitas aliran disebabkan adanya penurunan tekanan dan perubahan temperatur adiabatik. Expansion Factor, Y, ditentukan dari kondisi adiabatik dan reversibel, dan ini merupakan fungsi dari beda tekanan yang terjadi, tekanan absolute diameter pipa, diameter orifice dan tipe dari taps. Harga Y dapat dilihat di Tabel 3, 4 dan 5 untuk flange taps serta Tabel 8, 9, untuk pipe taps. Penentuan harga Y ini tergantung dari kedudukan pengukuran static pressure (Y1 untuk upstream, Y2 untuk downstream dan Ym untuk kondisi rata - rata).



Pressure Base Factor, Fpb Standar atau acuan tekanan yang digunakan dalam orifice meter adalah 14.73 psia. Namun kadang kala tekanan standar tidak selalu 14.73 psia , tergantung



Pengukuran Laju Aliran Fluida



4



dari lokasi dan kontrak yang akan digunakan. Perbedaan dengan tekanan standar, 14.73 psia menyebabkan perbedaan dalam pengukuran laju alir gas, sehingga untuk mengoreksi hat tersebut diperlukan Pressure Base Factor, Fpb, yaitu perbandingan antara tekanan standar 14.73 psia dengan tekanan standar yang digunakan. Fpb 



14.73 tekanan standar yang digunakan



Harga Fpb dapat dilihat pada Tabel 11.



Temperatur Base Factor , Ftb Temperatur standar yang umum digunakan dalam pengukuran dengan orifice meter adalah 60 OF. Namun kadang kala temperatur standar tidak 60 OF, tergantung dari lokasi dan kontrak yang akan digunakan. Perbedaan dengan temperatur standar, 60 OF, menyebabkan perbedaan dalam pengukuran laju aliran, sehingga untuk mengoreksi hal tersebut diperlukan Temperature Base Factor, Ftb, yaitu perbandingan antara temperatur standar 60



O



F dengan



temperatur standar yang digunakan dalam kontrak. Ftb 



520 temperatur standar kontrak



Harga, Ftb dapat dilihat pada Tabel 12. Flowing Temperature Factor , Ftf Temperatur aliran mempunyai pengaruh terhadap volume. Pada temperatur yang



tinggi aliran gas akan meningkat.



Juga temperatur yang tinggi



menyebabkan gas mengembang yang menyebabkan pengurangan aliran. Kombinasi dari kedua efek tersebut mempengaruhi hasil pengukuran laju alir. Harga Ftf ini adalah :



Pengukuran Laju Aliran Fluida



5



Ftf 



520 460  actual flow temperatur e



Harga Ftf ini dapat dilihat pada Tabel 13 berdasarkan temperatur alir gas. Temperatur alir ini bisa didapat dari pembacaan chart atau pengukuran dengan menggunakan termometer.



Spesifik Gravity Factor, Fg Fg (Tabel 14) digunakan untuk mengoreksi perubahan spesifik gravity selama pengukuran. Spesific gravity dapat ditentukan dengan gravimeter atau gravity balance dan diukur secara periodic. Pada orifice meter, spesifik gravity yang digunakan adalah 1. Sehingga agar dapat digunakan untuk segala macam gas maka diperlukan faktor koreksi ini. Faktor ini berbanding terbalik dengan akar spesifik gravity, Fg 



1 γg



Supercompressibily Factor , Fpv. Faktor koreksi ini digunakan untuk gas yang bertabiat bukan sebagai gas ideal.



Harga faktor ini bervariasi tergantung dari temperatur tekanan dan



spesifik



gravity.



Persamaan



yang



digunakan



untuk



menentukan



supercompressibility factor, Fpv, adalah : FPV 



Zb z



Keterangan : zb



= faktor deviasi gas pada kondisi standar



z



= faktor deviasi gas pada kondisi operasi



Pengukuran Laju Aliran Fluida



6



Harga zb dan z dapat ditentukan dari chart faktor deviasi gas yang umum digunakan masing - masing untuk kondisi standar dan kondisi aliran. Atau secara langsung harga Fpv ini dapat dibaca dari Tabel 15.



Manometer Factor, Fm Harga Manometer Factor dapat dilihat pada Tabel 16.



Faktor koreksi,



bervariasi dengan tekanan statik , ambient temperatur dan spesifik gravity.



Gouge Location Factor, Fl Digunakan jika orifice meter dipasang pada lokasi selain pada 45 Utara atau Selatan dan pada ketinggian permukaan laut.



O



Lintang



Harga faktor ini



diberikan pada Tabel 17. Orifice Thermal Expansion Factor, F  . Faktor ini digunakan untuk mengoreksi kesalahan akibat adanya ekspansi atau kontraksi dari temperatur operasi orifice yang berbeda dengan temperatur di lubang orifice tergantung dari jenis bahan ( baja ) yang digunakan pada orifice. Persamaan adalah : 304 dan 316 stainless steel O



Fa = 1 + [0,0000185 ( F - 68) Monel Fq = 1+ (0,0000159 (OF - 68)



Keterangan : O



F = temperatur aliran gas di orifice.



Persamaan



diatas



mengasumsikan



bahwa, diameter orifice diukur pada



O



temperatur 68 F.



Pengukuran Laju Aliran Fluida



7



Penentuan harga hw dan pf dilakukan dengan cara melakukan pengukuran yang hasilnya akan terekam pada chart yang akan digunakan. Skala chart yang umum digunakan dalam pengukuran adalah :



Ada dua tipe chart , yaitu : Direct Reading Chart dan Square Root Chart. Untuk tipe yang, pertama, yaitu Direct Reading Chart, spasi pada chart tersebut adalah sama (Gambar 2).



Sehingga harga differential dan static



pressure dapat langsung dibaca dari chart tersebut.



Untuk tipe yang kedua, Square Root Chart, spasi untuk chart ini adalah berbeda (Gambar 3). Sehingga dalam pembacaan harus menggunakan persamaan : 2



 chart reading  Actual pressure    x meter range 10  



Contoh : Tentukan laju alir gas hasil



pengukuran menggunakan orifice meter (pipe



taps, upstream static pressure ) dengan data berikut ini :



Pengukuran Laju Aliran Fluida



8



D1 = 6.065 inci (diameter pipa) D2 = 2.0 inci ( ukuran orifice) = 50 OF ( temperatur alir)



Tf



Pb = 14.9 psia ( tekanan base ) Tb = 50 OF ( temperatur base ) g = 0.650 hw = 60 inci water pf



= 90 psia



Solusi :







= D2/D1 = 2.0/6.065 = O.33 hw pf



= (60 x 90)



0.5



= 73.49



hw / Pf = 60/90 = 0.67



Dari Tabel 6, untuk orifice 2 inci dan pipa 6 inci Fb = 870.93



Dari Tabel 7, untuk orifice 2 inci dan pipa 6 inci b =0.0273 Fr = 1 +



b



=1+



hw Pf



0.0273 = 1.00037 7349



Dari Tabel 8 ( Yi untuk upstream static pressure interpolasi untuk



hw /pf =



0.67 dan  = 0.330). Yi = 0.99096 Dari Tabel 11 untuk pb 14.9 psia Fpb = 0.9886 Dari Tabel 12, untuk temperatur base = 50 OF



Pengukuran Laju Aliran Fluida



9



Ftb = 0.9808 Dari Tabel 13, untuk temperatur alir = 50 OF Ftf = 1.0098



Dari Tabel 14, untuk spesifik gravity = 0.650 Fg



= 1.2403



g



= 0.650



Ppc



= 670 psia



Tpc



= 375 R



Ppr



= 90/670 = 0.1343



Tpr



= 510/375 = 1.36



Z



= 0.985



Fpv



= 1/ ( z ) = 1/ ( 0.985 ) = 1.0076



O



Sehingga konstanta orifice adalah : C' = (870.93)(1-0037)(0.99096)(0.9886)(0.9808)(1.0098)(1.0076) =1059.97



Maka laju alir gas untuk setiap jam adalah, qh = 1059.97 (60 x 90)



0.5



=



77892 cfh



Orifice meter juga dapat untuk mengukur dengan aliran mass sebagai acuan. Densitas dari gas diukur dengan densitometer. Persamaan berikut ini (dari AGA Report 3) dapat digunakan untuk menentukan laju alir massa gas : W = 1.0618 Fb Fr Y (hw g ) 0.5



(6)



Keterangan : W



= laju alir massa, lbm/hr



Fb



= basic orifice factor



Fr



= Reynold's number factor



Pengukuran Laju Aliran Fluida



10



Y



= expansion factor.



hw



= differential pressure



g



= specific weight dari gas pada kondisi aliran, lb/cu ft.



2. Pengukuran Laju Aliran Minyak Pengukuran laju aliran minyak berdasarkan persamaan : Qh  1.0057.Fb. Fgt hw



(6a)



Keterangan : Qh = Laju aliran minyak, gal/hr. Fb = Faktor orifice, Tabel 1 Fgt = Faktor Specific gravity-temperatur, Tabel 10. Contoh : Hitunglah laju aliran cairan melalui orifice dengan menggunakan koreksi Fb dan Fgt, jika diketahui data : Ukuran pipa



= 8.071 in.



Ukuran orifice



= 4.00 in.



SG



= 0.630



Temperatur aliran



= 80 F.



Differential



= 36 in air.



o



Solusi : Berdasarkan Tabel 1 diperoleh Fb = 3362.9 dan Tabel 10 diperoleh Fgt = 1.2560, sehingga :



Q h  1.0057 * 3362.9 *1.2560 * 36  25,343 gal/hr



3. Metoda Pengukuran Lainnya Selain orifice meter, beberapa metoda lain yang dapat digunakan untuk menentukan laju alir adalah : orifice well testers , critical - flow povers dan pitot tubes. Metoda - metoda ini tidak seakurat metoda orifice meter, tapi dapat memberikan hasil yang cukup memadai.



Pengukuran Laju Aliran Fluida



11



3.1. Orifice Well Tester Peralatannya terdiri dari spesial cost nipple fitted yang dihubungkan dengan tekanan terukur, dan sebuah gasket, serta tutup untuk meletakkan orifice pada akhir dari nipple.



Sumur yang akan diukur fluidanya dialirkan ke atmosfer hingga laju alir mendekati konstan sehingga laju alir mendekati konstan.



Nipple dari alat



pengukur orifice mempunyai diameter 2 in dan berguna untuk mengalirkan gas, pipa pengkur U berisi air atau air raksa yang dihubungkan dengan sisi bagian tekanan yang akan diukur.



Untuk pemakaian ukuran orifice yang sesuai dilakukan dengan cara cobacoba atau memasang berbagai ukuran mulai dari yang terkecil hingga di dapat. pembacaan pada pipa U melebihi 2 in water, biasanya harga patokan pembacaan yang digunakan berkisar 3 hingga 8 in water.



Dengan mengetahui perbedaan ketinggian pada kolom air dari pipa U, dimensi orifice, dimensi plat dan SG gas yang mengalir, maka besarnya laju alir dapat langsung terbaca dari tabel yang telah dibuat oleh pabrik pembuat alat ukur ini.



3.2. Critical Flow Prover Critical flow prover digunakan dalam pengukuran apabila gas yang dialirkan akan berubah fasanya menjadi embun diudara. Peralatan dari critical flow prover berbeda dengan orifice meter. Peralatan ini harga mempunyai bagian



Pengukuran Laju Aliran Fluida



12



upstream saja, seperti tekanan upstream , temperatur upstream gravity gas dan ukuran flow nozzle. Persamaan umum untuk critical flow prover adalah q sc 



cp γg T 0.5



(7)



Keterangan : p



= tekanan di prover , psia



C



= koefisien orifice untuk prover



qsc = laju alir, MCFD diukur pada keadaan 14.4 psia dan 60 OF g



= spesifik gravity gas



T



= temperatur



Critical flow prover adalah salah satu dari peralatan yang dapat digunakan dalam pengukuran laju alir gas ditest open flow sumur gas. Harga dari koefisien C dapat dilihat pada Tabel 18 Tabel 18 Orifice Coefficients for Critical-Flow Provers



3.3. Turbine Meter Turbine meter terdiri dari sebuah tabung aliran yang, lurus, dimana didalamnya terdapat baling-baling, atau impeler yang bebas berputar terhadap sumbu horisontalnya.



Pengukuran Laju Aliran Fluida



13



Turbine meter adalah suatu alat yang digunakan untuk mengukur laju alir, dimana kecepatan dari rotor berbanding lurus dengan laju alir yang diukur. Untuk mendapatkan hal ini, bentuk keluaran dari hasil perputaran rotor dikonversikan dalam bentuk pulsa-pulsa listrik yang terlebih dahulu mengubah medan magnet yang dihasilkan oleh coil, sehingga pulsa-pulsa yang dihasilkan tadi dapat menunjukkan kuantitas dari laju alir. Biasanya pulsapulsa ini diterjemahkan dalam bentuk digital agar lebih mudah dalam pembacaan. Range laju alir yang dapat diukur dengan turbine meter tergantung dari ukuran, densitas fluida dan, viskositas fluida.



Fluktuasi kecepatan yang



terukur di turbine meter biasanya disebabkan oleh aliran turbulen atau fluktuasi tekanan yang menyebabkan pembacaan di turbin meter teralu tinggi.



Pengukuran Laju Aliran Fluida



14



Gambar 2



Pengukuran Laju Aliran Fluida



15



Gambar 3



Pengukuran Laju Aliran Fluida



16



Pengukuran Laju Aliran Fluida



17



Pengukuran Laju Aliran Fluida



18



Pengukuran Laju Aliran Fluida



19