Fluida Dan Panas [PDF]

Citation preview

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN LEVEL PADA HP FEEDWATER HEATER DENGAN METODE CASCADE DAN OVERRIDE DI PT. IPMOMI, PAITON, JAWA TIMUR. Dery Dwi Hananto, Suyanto Jurusan Teknik Fisika – Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya 60111 E-mail: [email protected], [email protected]



Abstract : This thesis is did for redesigning a level control system on HP Feedwater Heater, which not only control the heater output, but also capable of controlling the condensate heater input from another heater. The simulation studies established with application of cascade control system between level and condensate flow with override/selective control system using virtual test by DCS. Result obtained from simulation, the control system in bringing process level to normal set point has 0.2% maximum overshot , 190 second of settling time, 0.02 error steady state and 361 of ITAE. In addition of 50% load case on one of the heater, the system is able to overcome disturbances and do not cause emergency drain on the heater, but resulted in increased levels on other heater. In general, this control system has better performance than feedback control system. Keywords : HP Feedwater Heater, level control system, cascade, override, selective, DCS. Abstrak : Dalam penetilian ini dilakukan sebuah perancangan kembali sistem pengendalian level pada HP Feedwater Heater, yang tidak hanya mengendalikan keluaran heater saja, namun juga mampu mengendalikan masukan heater yang berupa kondensat dari heater sebelumnya. Studi simulasi dilakukan dengan penerapan sistem cascade antara level dengan flow yang ditambah dengan pengendalian override/selective melalui virtual test pada DCS. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa sistem pengendalian hasil perancangan mampu membawa level menuju set point normal dengan nilai maximum overshot 0.2%, settling time 190 detik, error steady state 0.02dan ITAE 361. Penambahan load 50% pada salah satu heater mampu diatasi dan tidak menimbulkan emergency drain pada heater tersebut, namun mengakibatkan terjadinya kenaikan level pada heater yang lain. Secara umum sistem pengendalian ini memiliki tingkat performansi yang lebih baik dari sistem pengendalian feedback. Kata kunci: HP Feedwater Heater, sistem pengendalian level, cascade, override, selective,



DCS. Mengacu pada uraian tersebut, maka penulis merasa tertarik untuk melakukan penelitian pada Tugas Akhir dengan menawarkan sebuah sistem pengendalian baru yang lebih tepat pada HP Feedwater Heater di PT IPMOMI. Penelitian ini difokuskan untuk merancang kembali sebuah sistem pengen-dalian yang tak hanya handal mengendalikan output heater saja, namun juga mampu mengendalikan input heater. Sehingga ketika terjadi kenaikan load dalam jumlah besar, maka sistem tersebut akan mampu menjaga proses pada daerah aman guna mencegah terjadinya emergency drain. Dari uraian tersebut, maka penulis merumuskan masalah pada penelitian ini. Yakni, pembentukan model yang dapat mewakili kondisi real plant serta perancangan strategi pengendalian yang lebih tepat, yaitu menggunakan pengendalian cascade antara flow dengan level serta ditambah pengendalian override yang



Pendahuluan Feedwater heater plant pada PT International Power Mitsui Operation and Maintenance Indonesia (IPMOMI) terdiri atas dua bagian, yakni 5 buah Low Pressure (LP) Feedwater Heater dan 3 buah High Pressure (HP) Feedwater Heater. Pengendalian pada HP feedwater heater di PT IPMOMI saat ini masih mengandalkan satu mata rantai atau feedback untuk tiap-tiap level feedwater heater melalui output dari masing-masing heater. Hal ini ternyata memiliki kelemahan, karena untuk heater yang saling berhubungan tersebut sistem pengendalian feedback tidak mampu memberikan hasil optimal. Hal ini terwujud jika salah satu feedwater heater mengalami high level, maka feedwater heater yang lainnya tidak mampu memberikan respon untuk menstabilkan kondisi tersebut ke daerah normal. Sehingga akan mengakibatkan terjadinya emergency drain. 1



akan melakukan aksi seleksi untuk menentukan prioritas proses pada ketiga heater tersebut. Untuk lebih memfokuskan pokok pembahasan, maka penelitian dibatasi hanya mengacu pada sistem pengendalian level fluida hasil kondensasi (kondensat)



yang ada pada HP Feedwater Heater Unit ‘8’ PT. IPMOMI. Melalui studi simulasi, diharapkan penelitian ini dapat digunakan sebagai pembanding terhadap performansi sistem yang diterapkan pada real plant saat ini serta mampu memberikan manfaat guna menjawab perma-salahan yang ada.



Gambar 1. Strategi Pengendalian Riil HP Feedwater Heater



Level kondensat pada masingmasing heater dijaga pada posisi set point 20%. Seperti terlihat pada gambar 1, pengendalian pada HP feedwater heater tersebut masih mengandalkan sistem pengendalian feedback yang mengatur output dari heater. Sistem tersebut hanya diperuntukkan mengendalikan masingmasing heater tanpa ada koneksi satu sama lain. Sehingga ketika salah satu heater yang memiliki input steam dan kondensat (7A dan 6A) mengalami kenaikan load steam, heater tersebut masih juga mendapatkan input kondensat dalam jumlah banyak dari heater sebelumnya. Kondisi seperti inilah yang akhirnya membuat level pada heater tersebut melebihi batas 40%, yang berarti megaktifkan Level Switch High (LSH) untuk membuka blowdown valve. Pada kondisi inilah sistem pengendalian dinyatakan tidak mampu menjaga level pada kondisi aman, sehingga sistem safety bekerja.



Landasan Teori Pada bagian ini akan diberikan penjelasan mengenai beberapa teori penunjang yang terkait dengan pencapaian tujuan dari permasalahan yang diajukan. HP Feedwater Heater HP feedwater heater adalah sebuah heat exchanger yang berfungsi mema-naskan feedwater sebelum didistrusikan ke boiler dengan cara melakukan pertukaran panas antara steam hasil ekstrasi HP turbine dengan feedwater yang berasal dari feedwater pump. HP feedwater heater disusun secara bertingkat dengan arah feedwater dan steam saling berlawanan. Akibat terjadi pertukaran panas antara steam dengan feedwater, maka timbul peristiwa kondensasi yang menghasilkan kondensat. Kondensat yang masih me-miliki suhu tinggi tersebut tidak dibuang melainkan digunakan untuk membantu pemanasan pada heater-heater berikutnya. 2



Pemodelan Proses Untuk memodelkan HP Feedwater Heater digunakan hukum kesetimbangan massa, dimana volume control digunakan sebagai acuan. Jika ditinjau dari pembentukan kondensat, proses thermal secara umum dapat diabaikan, karena pada kondisi ideal hampir seratus persen (100%) jumlah steam yang masuk akan berubah menjadi kondensat [Ordys, 1995].



Pada sistem cascade control, ada sebuah variabel yang bertindak sebagai master atau primary dan variabel yang lain bertindak sebagai slave atau secondary. Variable master atau primary adalah variabel proses yang paling diutamakan dari sistem tersebut, dimana untuk mengendalikan variabel utama ini diperlukan pengendalian terhadap satu atau lebih variabel lain yang berhubungan dengan variabel utama, variabel inilah yang disebut slave atau secondary variable.



Ws Ww



Feedwater Heater Lh Wd



Gambar 2 Proses pada HP Feedwater



Sehingga perubahan level yang ada pada heater hanya bergantung kepada tiga (3) komponen variabel, yakni steam flow, upstream drain flow (flow kondensat dari heater sebelumnya) dan drain flow (flow kondensat yang keluar dari heater). Dari ilustrasi gambar 2 tersebut, maka dapat diturunkan model matematis yang mewakili proses pada HP feedwater heater sebagai berikut.



( ρ c Ah )



Gambar 3 Diagram Kotak Cascade Control



Override Control Override control adalah sebuah sistem pengendalian yang digunakan sebagai selector pada dua inputan sinyal manipulated variable atau lebih, namun hanya ditujukan kepada satu final control element. Implementasi dari override control adalah sebuah algoritma pemrograman pada DCS, dimana ada dua tipe override controller, yaitu high selector dan low selector.



dLh = Ws − Wd + Ww ............(1) dt



Besarnya flow kondensat yang keluar dari heater berdasarkan hukum Bernoulli tergantung ketinggian level kondensat serta besar luas area keluarnya kondensat. Sehingga jika Zv adalah besar bukaan control valve serta Cv adalah koefisien control valve, maka flow kondensat yang keluar dapat ditulis dengan persamaan berikut. Wd = Z v .C v .( Lh ) 0.5 ..............................(2)



Gambar 4 Contoh Skema Override Control



Cascade Control Cascade control atau pengendalian bertingkat adalah sebuah sistem pengendalian yang digunakan sebagai disturbance rejection, dimana pada konfigurasinya ada dua buah variabel atau lebih yang saling mempengaruhi.



Algoritma Pengendali PID Pengendali proporsional (P), integral (I) dan diferensial (D) masingmasing memiliki fungsi untuk mempercepat reaksi sistem, 3



menghilangkan offset dan memberikan energi ekstra di saat-saat awal terjadi perubahan load [Gunterus, 1994]..



peyelesaian dalam menuju tujuan akhir dari penelitian ini. Perancangan Validasi Model Validasi model yang dirancang pada simulink MatLAB digunakan untuk mengetahui kemiripan karakteristik dan perilaku model dengan proses yang terjadi pada real plant. Sesuai dengan persamaan 1, maka kemudian dikembangkan untuk mendapatkan model dari masing-masing heater.



Gambar 5 Diagram Kotak Pengendali PID



Persamaan untuk pengendali proporsi-onal plus integral plus diferensial didefinisikan dengan persamaan berikut.



Heater 8A (534.45. A8 )



dL8 = Ws 8 − 67.75.Z v 8 .( L8 ) 0.5 (5) dt



Heater 7A (737.44. A7 )



............(3)



dL7 = Ws 7 − 83.12.Z v 7 .( L7 )0.5 + 67.75.Z v8 .( L8 )0.5 dt



................................................................(6) Heater 6A



Karakteristik pengendali PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari ketiga parameter P, I dan D. Penyetelan konstanta Kp, Ti, dan Td akan mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari ketiga konstanta tersebut dapat disetel lebih menonjol dibanding yang lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan



(834.25. A6 )



dL6 = Ws − 100.23.Zv 6 .( L6 )0.5 + 83.12.Zv 7 .( L7 )0.5 dt



................................................................(7)



Analisa Mutu Sistem Pengendalian Ada dua cara untuk menyatakan mutu dari suatu sistem pengendalian. Dua cara tersebut adalah secara kualitatif dan secara kuantitatif. Secara kualitatif, mutu sebuah sistem pengendalian dinyatakan dalam presentase Maximum Overshoot, Settling Time, serta Error Steady State. Sedangkan secara kuanti-tatif, mutu sistem pengendalian biasa dinya-takan dalam kriteria Integrated Time Absolute Error(ITAE) yang dirumuskan dengan persamaan berikut :



Gambar 6 Simulasi Model pada Simulink Matlab



Perancangan Skema Cascade Control Salah satu solusi dari permasalahan yang telah diutarakan sebelumnya adalah pengembangan skema feedback, yakni dengan meracang skema cascade control pada heater 7A dan 6A, dimana pada rancangan ini yang bertindak sebagai primary process variable adalah level kondensat sedangkan flow input kondensat akan dijadikan sebagai secondary process variable.



∞



ITAE = ∫ e .tdt .....................................(4) 0



Metodologi Penelitian Untuk menyelesaikan permasalahan dalam tugas akhir ini, maka diperlukan tahapan 4



Perancangan Skema Cascade-Override Control Sesuai dengan urain sebelumnya, bahwa pemasangan cascade control untuk mengatur flow input pada heater 7A da 6A akan menimbulkan permasalahan baru. Yakni akan ada 2 (dua) sinyal manipulated variable yang masuk ke 1 (satu) control valve, hal ini tentu saja tidak akan terjadi karena control valve hanya dapat menerima satu sinyal masukan saja. Untuk itulah kemudian skema pengendalian yang telah dirancang di atas membutuhkan tambahan lagi, dalam hal ini adalah berupa sebuah selector yang mampu melakukan fungsi seleksi terhadap dua sinyal measured variable, dan tugas tersebut hanya dapat dilakukan jika sistem diberikan override controller.



Gambar 7 Skema Cascade Control



. Namun penerapan skema cascade control ini menimbulkan permasalahan baru, yakni control valve yang digunakan pada skema ini adalah control valve yang tidak hanya sebagai elemen pengatur output flow bagi heater 8A dan 7A namun juga sebagai pengatur input flow bagi heater 7A dan 6A



Gambar 8 Strategi Pengendalian Hasil Perancangan HP Feedwater Heater



Gambar 9 memberikan ilustrasi strategi pengendalian yang akan diterapkan pada HP feedwater heater. Override controller yang merupakan high selector akan melakukan seleksi terhadap dua sinyal dari level transmitter di kedua heater, sinyal yang bernilai paling tinggi akan diteruskan ke LIC. Dengan demikian maka control valve akan dibuka sesua dengan keadaan, jika level pada heater 7A lebih tinggi dari heater 8A dan mendekati bahaya, maka CV8 secara perlahan akan menutup untk mengamankan proses pada heater 7A. Dan begitu pula sebaliknya.



Sistem tersebut juga akan terjadi antara heater 7A dan heater 6A. Pada penerapannya sistem pengendalian hasil perancangan tersebut mengalami penyesuaian, penyesuaian diperlukan untuk memastikan bahwa sistem tersebut dijalankan pada kondisi yang tepat. Sistem pengendalian cascade akan bekerja sejak pertama kali plant dijalankan, namun sistem override baru akan berjalan jika salah satu nilai level dari kedua heater yang berhubungan telah melebihi nilai 25%. Hal ini dikondisikan karena asumsi bahwa level pada nilai 5



kurang dari 25% adalah nilai kerja aman serta jauh dari bahaya, dan jika terjadi fluktuasi level pada range kurang dari 25% dapat dikatakan kondisi tersebut dalam tahap kewajaran.



MV7 ( s ) U 7( s )



MV6( s ) U 6( s )



6.57 ..................................(10) 0.023s + 1



=



7.92 ..................................(11) 0.019 s + 1



Simulasi Terintegrasi pada Lingkungan DCS Centum CS3000 Control Drawing Control drawing adalah sebuah tahapan pada basic engineering yang bertujuan untuk mendefinisikan algoritma pengendalian yang digunakan pada plant. Pada tahapan ini sebuah algoritma pengendalian dapat dibuat dengan memanfaatkan function block yang telah tersedia pada konfigurasi FCS. Gambar Berikut adalah control drawing dari sisitem hasil perancangan secara keseluruhan.



Model Control Valve Secara umum fungsi alih dari control valve dapat didekati dengan sistem orde 1 sebagaimana pada persamaan dibawah ini MV( s ) K cv ....................................(8) = U (s) Tcv s + 1 Dengan menggunakan persamaan 8, maka didapat fungsi alih dari control valve untuk masing-masing heater sebagai berikut. MV8( s ) 5.4 ...................................(9) = U 8 (s)



=



0.028s + 1



Gambar 9 Control Drawing Sistem Secara Keseluruhan



Human Machine Interface Untuk keperluan monitoring dan operasi, Human Machine Interface dibuat dengan menggunakan tipe “desktop Human Interface Station (HIS)” yang berjalan menggunakan sistem operasi windows XP. Selain menjalan-



kan fungsi monitoring dan operasi, HIS diatas juga di setting untuk dapat melakukan pekerjaan engineering.Berikut dibawah ini adalah gambar tampilan grafis pada Human Interface Station saat operasi :



6



Gambar 10 Tampilan Plant pada HIS



Hasil dan Analisa Pada bagian akan dibahas lebih lanjut mengenai hasil perancangan sistem yang telah dilakukan pada bab sebelumnya (Bab III). Hasil dari simulasi yang dilakukan pada lingkungan DCS Centum CS3000 akan dianalisa serta diambil keseimpulan guna menjawab berbagai permasalahan yang telah diutarakan sebelumnya.



Heater 6A 30



Level (%)



25 20 Model



15



Real



10 5 0 1



19



37



55



73



91 109 127 145 163 181 199 217 235 253 Time (s)



Gambar 13 Validasi Model Heater 6A



Validasi Model Berdasarkan persamaan model pada bagian sebelumnya, telah dilakukan simulasi model proses pada simulink MatLAB dengan hasil sebagai berikut. Heater 8A



Dari hasil simulasi model ketiga heater tersebut, maka dapat dilihat bahwa model mampu mengikuti perilaku dari real proses yang ada di lapangan walaupun tidak sepenuhnya memenuhi nilai yang seharusnya. Hasil ini sudah cukup untuk membuktikan bahwa model yang digunakan dapat mewakili proses yang sebenarnya terjadi.



30



Level (%)



25 20 Model



15



Real



10 5



Uji Start-up Plant Berdasarkan grafik, hasil respon pada saat proses melakukan start-up dimana proses dimulai dari awal ketika variabel level berada pada nilai 0.0% hingga mencapai keadaan steady yang sesuai dengan set point 20%, menunjukkan bahwa sistem pengendalian cascadeoverride lebih baik jika dibandingkan dengan sistem pengendalian feedback. Keunggulan sistem pengendalian hasil perancangan dapat dilihat baik dari segi kualitatif melalui parameter maximum



0 1



19



37



55



73



91 109 127 145 163 181 199 217 235 253 Time (s)



Gambar 11 Validasi Model Heater 8A



Heater 7A 30



Level (%)



25 20 Model



15



Real



10 5 0 1



20



39



58



77



96 115 134 153 172 191 210 229 248 Time (s)



Gambar 12 Validasi Model Heater 7A 7



overshot (Mp), settling time (ts) dan error steady state (Ess) maupun dari segi kuantitatif melalui parameter ITAE (Integrated Time Absolute Error).



40 35



Level (%)



30 25



Level 8A



20



Level 7A



15



Selector



10 25



5



20



0



Level (%)



1 15



26 51 76 101 126 151 176 201 226 251 276 301 326 351 376 401 426 Time (s)



Feedback Cascade



10



Gambar 16 Uji Tracking Process Variable untuk Override Control



5 0 1



20



39



58



77



96 115 134 153 172 191 210 229 248 267 286 305 324 Time (s)



Berdasarkan grafik tersebut, override control dapat melakukan aksi yang tepat. Yakni mampu melakukan seleksi terhadap nilai process variable yang bernilai lebih tinggi.



Gambar 14 Perbandingan Feedback dan Cascade- override pada Start-up



Uji Tracking Set Point Untuk mengetahui kehandalan sebuah sistem pengendalian, maka diperlukan sebuah pengujian untuk mengetahui kemampuan sistem dalam menangani dinamisasi proses. Pengujian ini dilakukan dengan menguba-ubah besar nilai set point (tracking set point) pada range kerja proses.



Pengujian Penambahan Load pada Sistem Uji load dilakukan untuk mengetahui kehandalan sistem pengendalian dalam mengatasi kenaikan load yang terjadi secara tiba-tiba. Dan uji ini akan dilakukan pada heater 7A yang secara umum dapat mewakili respon sistem secara keseluruhan. Pengujian dilakukan bertahap hingga kenaikan load mencapai 50%.



35 30



Level (%)



25 Set Point



20 15



Feedback



50



Cascade



45



10



40 35 Level (%)



5 0 1



53 105 157 209 261 313 365 417 469 521 573 625 677 729 781 833 885 Time (s)



30



Level 8A



25



Level 7A



20



Level 6A



15 10



Gambar 15 Perbandingan Feedback dan Cascade- Override pada Tracking Set point



5 0 1



24 47 70 93 116 139 162 185 208 231 254 277 300 323 346 369 392 Time (s)



Gambar 17 Grafik Respon Secara Sistemik (Sistem Feedback) pada HP Feedwater Heater terhadap Penambahan load 50% pada heater 7A



Uji mulai dilakukan ketika proses sudah dalam keadaan steady di angka 20%, dan range perubahan set point dilakukan pada nilai 15%-30%. Dan Uji ini juga membuktikan bahwa sistem pengendalian hasil perancangan lebih baik dari sistem pengendalian sebelumnya.



Dari gambar 18 terlihat bahwa emergency drain terjadi pada heater 7A setelah terjadi kenaikan load sebesar 50%. ‘ 35



Uji Tracking Process Variable untuk Override Control Uji ini akan memberikan gambaran bahwa selector akan melakukan aksi seleksi terhadap nilai level yang lebih tinggi, yang pada kondisi melebihi set point (>20%) serta lebih mendekati Level HIGH (40%).



30



Level (%)



25 Level 8A



20



Level 7A 15



Level 6A



10 5 0 1



24



47



70



93 116 139 162 185 208 231 254 277 300 323 346 369 392 Time (s)



Gambar 18Grafik Respon Secara Sistemik (Sistem Cascade dan Override) pada HP Feedwater Heater terhadap Penambahan load 50% pada heater 7A



8



Dari gambar 19, uji load terhadap sisitem pengendalian cascade dan override menunjukkan bahwa kenaikan load sebesar 50% ternyata tidak menimbulkan terjadinya emergency drain. Hal ini disebabkan karena pada saat level heater 7A terus naik dan melebihi 25%, sistem override control bekerja. Sehingga heater 8A ikut mengimbangi kenaikan level pada heater 7A karena control valve diantara keduanya terus bergerak naik turun sesuai dengan aksi seleksi. Walaupun tidak terjadi emergency drain pada heater 7A namun sistem ini menimbulkan kenaikan level pada heater, dengan maximum overshoot pada angka 58.5%.



keberhasilan pengendalian level terhadap efisiensi boiler secara lebih spresifik. DAFTAR PUSTAKA • Surgenor, Brian W. 1985. A Simulation Study of Feedwater Heater Level Control, Mechanical Engineering Dept, Queen’s University, Canada. • Freeman, Grant. 1995. An Analysis of a Cascade Feedwater Heater System, New York, USA. • Thornhill, Nina F, Sachin C. Patwardhan, Sirish L. Shah. 2007. A Continuous Stirred Tank Heater Simulation Model with Applications. Centre for Process Systems Engineering, Department of Chemical Engineering, Imperial College London. • Ordys, A.W, Pike, Johnson, Katebi, Grimble. 1994. Modelling and Simulation of Power Generation Plants. Industrial Control Centre, University of Strathclyde, Glasgow, Scotland. • Seborg, D.E, T. F. Edgar, and D. A. Mellicamp. 1989. Process Dynamics and Control. John Wiley & Sons, New York. • Gunterus, Frans. 1994. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses, Elex Media Komputindo, Jakarta. • Cooper, Dough, Robert Rice, Jeff Arbogast. 2004. Cascade vs. Feed Forward for Improved Disturbance Rejection. Chemical Engineering Dept, University of Connecticut. • Chen, Cheng-Lian. 2005. Override Control. PSE Laboratory, Chemical Engineering Dept, National Taiwan University, Taiwan. • Ogata, Katsuhiko. 1996. Modern Control Engineering. Prentice Hall Inc. US. • Yokogawa Electric Corporation. 2003. Instruction manual of DCS Centum CS3000 14th Edition, Yokogawa Electric Corporation, Tokyo.



Kesimpulan dan Saran Dari serangkaian metodologi yang telah dilaksanakan, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan dan saran pada penelitian melalui tugas akhir ini. Kesimpulan • Berdasarkan parameter kualitatif maupun kuantitatif performansi pengendalian cascade dan override hasil perancangan lebih baik dibandingkan pengendalian feedback, yakni menghasilkan Mp=0.2%, ts=190s, Ess=0.02 dan ITAE=361. • Pengendalian cascade dan override mampu mencegah terjadinya emergency drain pada heater 7A ketika kenaikan load 50% terjadi, namun juga menimbulkan terjadinya kenaikan level pada heater 8A hingga mencapai maximum overshoot pada nilai 58.5% yang besarnya sebanding dengan heater 7A. Saran • Emergency drain dapat dihindari ketika terjadi kenaikan load pada heater dengan menambahkan pengendalian pada input heater, salah satunya dengan menerapkan strategi pengendalian cascade dan override yang telah berhasil disimulasikan. • Perlu dilakukan pengembangan dengan melakukan pemodelan pengaruh level pada heater terhadap temperatur keluaran feedwater dari HP Feedwater heater, sehingga dapat diketahui pengaruh



9