PERANCANGAN SISTEM KONTROL RASIO UDARA DAN BAHAN BAKAR PADA PEMBAKARAN BOILER WANSON DI PPSDM MIGAS CEPU DENGAN PENGENDALI PID SKRIPSI TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI TEKNIK KONTROL Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik MUHAMMAD MALIK ABDULLAH NIM. 135060307111023 UNIVERSITAS BRAWIJAYA FAKULTAS TEKNIK MALANG 2017
46
Embed
PERANCANGAN SISTEM KONTROL RASIO UDARA DAN BAHAN …repository.ub.ac.id/2177/1/Muhammad Malik Abdullah.pdf · perancangan sistem kontrol rasio udara dan bahan bakar pada pembakaran
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
PERANCANGAN SISTEM KONTROL RASIO UDARA DAN BAHAN BAKAR PADA PEMBAKARAN BOILER WANSON DI PPSDM MIGAS
CEPU DENGAN PENGENDALI PID
SKRIPSI
TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI TEKNIK KONTROL
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
MUHAMMAD MALIK ABDULLAH
NIM. 135060307111023
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
FAKULTAS TEKNIK
MALANG
2017
LEMBAR PENGESAHAN
PERANCANGAN SISTEM KONTROL RASIO UDARA DAN BAHAN BAKAR PADA PEMBAKARAN BOILER WANSON DI PPSDM MIGAS
CEPU DENGAN PENGENDALI PID
SKRIPSI
TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI TEKNIK KONTROL
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
MUHAMMAD MALIK ABDULLAH NIM. 135060307111023
Skripsi ini telah direvisi dan disetujui oleh dosen pembimbing Pada tanggal 25 Juli 2017
Dosen Pembimbing I
Ir. Dipl. -Ing M. Rusli
NIP. 19630104 198701 1 001
Dosen Pembimbing II
Goegoes Dwi Nusantoro, ST., MT.
NIP. 19711013 200604 1 001
Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Elektro
M. Aziz Muslim, S.T., M.T., Ph.D. NIP. 19741203 200012 1 001
JUDUL SKRIPSI:
PERANCANGAN SISTEM KONTROL RASIO UDARA DAN BAHAN BAKAR PADA
PEMBAKARAN BOILER WANSON DI PPSDM MIGAS CEPU DENGAN
PENGENDALI PID
Nama Mahasiswa : MUHAMMAD MALIK ABDULLAH
NIM : 135060307111023
Program Studi : TEKNIK ELEKTRO
Konsentrasi : TEKNIK KONTROL
Komisi Pembimbing :
Ketua : Ir. Dipl. -Ing M. Rusli ..............................
Anggota : Goegoes Dwi Nusantoro, ST., MT. ..............................
Tim Dosen Penguji :
Dosen Penguji 1 : Dr. Ir. Erni Yudaningtyas, MT ..............................
Dosen Penguji 2 : M. Aziz Muslim, ST., MT., Ph.D ..............................
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa sepanjang pengetahuan saya dan
berdasarkan hasil penelusuran berbagai karya ilmiah, gagasan dan masalah ilmiah yang
diteliti dan diulas di dalam Naskah Skripsi ini adalah asli dari pemikiran saya. Tidak terdapat
karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik di
suatu Perguruan Tinggi, dan tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau
diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis dikutip dalam naskah ini dan
disebutkan dalam sumber kutipan dan daftar pustaka.
Apabila ternyata di dalam naskah Skripsi ini dapat dibuktikan terdapat unsur-unsur
jiplakan, saya bersedia Skripsi dibatalkan, serta diproses sesuai dengan peraturan perundang-
undangan yang berlaku (UU No. 20 Tahun 2003, pasal 25 ayat 2 dan pasal 70).
Malang, 25 Juli 2017
Mahasiswa, MUHAMMAD MALIK ABDULLAH NIM. 135060307111023
i
RINGKASAN
Muhammad Malik Abdullah, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Univers itas Brawijaya, Juli 2017, Perancangan Sistem Kontrol Rasio Udara Dan Bahan Bakar Pada Pembakaran Boiler Wanson Di Ppsdm Migas Cepu Dengan Pengendali PID, Dosen Pembimbing: Mochammad Rusli dan Goegoes Dwi Nusantoro.
Proses pembakaran pada boiler memiliki peran yang penting untuk menjaga temperatur uap (steam) pada nilai tertentu. Pada proses pembakaran membutuhkan sejumlah bahan bakar dan udara dengan komposisi atau rasio tertentu agar terjadi pembakaran yang optimal. Optimal tidaknya proses pembakaran dapat diketahui dari prosentase udara berlebih (%excess air). Di PPSDM Migas Cepu, proses pengoprasian boiler pada pengendalian temperatur uap dan pengendalian flow bahan bakar masih dilakukan secara manual. Oleh karena itu diperlukan sistem kontrol yang dapat menjaga temperatur uap pada nilai tertentu serta sistem kontrol rasio yang digunakan untuk menjaga komposisi dari jumlah bahan bakar dan udara agar diperoleh pembakaran yang optimal dengan kontroler PID. Dengan metode Ziegler-Nichols, diperoleh parameter PID pada pengendali temperatur dengan nilai Kp = 3,104, Ti = 2,826, dan Td = 0,7065, pada pengendali flow bahan bakar dengan nilai Kp = 3,773, Ti = 3.43, dan Td = 0,8575, dan pada pengendali flow udara dengan nilai Kp = 3,42, Ti = 2,854, dan Td = 0,7135. Dari hasil simulasi dengan setpoint 160oC, diperoleh respon temperatur dengan settling time 54 sekon dan error steady state 0,062%, respon flow bahan bakar dengan setlling time 52 sekon dan error steady state 0,085%, respon flow udara dengan settling time 53 sekon dan error steady state 0,11%, dan rasio flow udara dan flow bahan bakar 16,24. Kata kunci: Boiler, Sistem Kontrol Rasio, PID
ii
iii
SUMMARY
Muhammad Malik Abdullah, Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, University of Brawijaya, July 2017, Design of Air and Fuel Ratio Control System at Burning Boiler Wanson In PPSDM Migas Cepu With PID Controller, Academic Supervisor: Mochammad Rusli and Goegoes Dwi Nusantoro.
The combustion process in the boiler has an important role to maintain steam temperature at a certain value. In the combustion process requires a certain amount of fuel and air with a certain composition or ratio for optimal combustion. Optimal or not the combustion process can be known from the percentage of excess air. In PPSDM Migas Cepu, the boiler operating process at steam temperature control and fuel flow control is st ill done manually. Therefore, a control system that can maintain steam temperature at a certain value as well as a ratio control system used to maintain the composition of the fuel and air quantities to obtain optimal combustion with PID controller. By using Ziegler-Nichols method, PID parameter is obtained at temperature controller with value Kp = 3,104, Ti = 2,826, and Td = 0,7065, at fuel flow control with value Kp = 3,773, Ti = 3.43, and Td = 0,8575 , And on the air flow controller with the value Kp = 3.42, Ti = 2.854, and Td = 0.7135. From the simulation result with setpoint 160oC, temperature response obtained with 54 seconds settling time and steady state error 0,062%, response of fuel flow with setlling time 52 second and error of steady state 0,085%, airflow response with 53 second time and steady error State 0.11% and the ratio of airflow and fuel flow 16.24.
Keywords: Boiler, Ratio Control, PID
iv
v
PENGANTAR
Segala puji syukur bagi Allah SWT berkat segala limpahan rahmat-Nya, penulisan
laporan Skrip
Pembakaran Boiler Wanson dapat
diselesaikan dengan baik. Tak lepas shalawat serta salam tercurahkan kepada junjugan kita
Nabi Muhammad SAW yang telah menjadi suri tauladan bagi yang mengharapkan rahmat
dan hidayah-Nya.
Tak lupa penulis juga mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak yang membantu
terselesaikannya laporan skripsi ini.
1. Allah SWT yang telah memberikan kelancaran, kemudahan, ilham dan hidayahnya.
2. Abdul Malik dan Nur Aini selaku orang tua penulis yang segenap hati mendukung dan
mendoakan terselesainya skripsi ini secara moril dan materil.
3. Keluarga tercinta yang segenap hati mendukung dan mendoakan terselesainya skripsi
ini.
4. M. Aziz Muslim, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas
Brawijaya.
5. Hadi Suyono, S.T., M.T., Ph.D. selaku Sekretaris Jurusan Teknik Elektro Universitas
Brawijaya.
6. Ali Mustofa, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Jurusan Teknik Elektro
Universitas Brawijaya.
7. Ir. Purwanto, M.T. selaku Ketua Kelompok Dosen Keahlian Elektronika Jurusan
Teknik Elektro Universitas Brawijaya.
8. Ir. Dipl. -Ing M. Rusli dan Goegoes Dwi Nusantoro, ST., MT. selaku Dosen
Pembimbing I dan Dosen Pembimbing II yang telah memberikan bimbingan sehingga
skripsi ini dapat terelesaikan.
9. Teman-teman Spectrum 2013 yang selalu memberikan dorongan semangat kepada
penulis.
10. Teman-teman Kontrol 2013 yang selalu memberikan dorongan semangat kepada
penulis.
11. Semua pihak yang telah memberikan bantuan serta dukungan baik secara langsung
maupun tidak langsung atas penyusunan skripsi ini.
vi
Dalam penyusunan skripsi ini, penulis menyadari bahwa skripsi ini belumlah sempurna,
karena keterbatasan ilmu dan kendala kendala lain yang terjadi selama pengerjaan skripsi
ini. Oleh karena itu, penulis berharap kritik dan saran untuk penyempurnaan tulisan di masa
yang akan datang. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat dan dapat digunakan untuk
pengembangan lebih lanjut.
Malang, Juli 2016
Penulis
vii
DAFTAR ISI
RINGKASAN ........................................................................................................................ i
SUMMARY ......................................................................................................................... iii
PENGANTAR ...................................................................................................................... v
DAFTAR ISI ...................................................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ............................................................................................................... xi
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ........................................................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ................................................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah ..................................................................................................... 2
1.4 Tujuan ..................................................................................................................... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................................... 3
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS SIMULASI SISTEM ................................... 21
viii
4.1 Respon Sistem Dengan Setpoint 140 oC................................................................21
4.2 Respon Sistem Dengan Setpoint 160 oC................................................................22
4.3 Respon Sistem Dengan Gangguan Pada Setpoint 140oC ......................................24
4.4 Respon Sistem Dengan Gangguan Pada Setpoint 160oC ......................................26
BAB V PENUTUP .............................................................................................................29 5.1 Kesimpulan ............................................................................................................29
Gambar 2.1 Diagram sederhana boiler................................................................................. 3 Gambar 2.2 Diagram blok kontroler proposional (P) .......................................................... 6 Gambar 2.3 Diagram blok kontroler integral (I) .................................................................. 7 Gambar 2.4 Diagram blok kontroler proporsional integral (PI) .......................................... 7 Gambar 2.5 Diagram blok kontroler proporsional integral diferensial (PID)...................... 8 Gambar 3.1 Diagram proses sistem kontrol rasio pada pembakaran boiler ...................... 11 Gambar 3.2 Diagram blok sistem kontrol rasio pada pembakaran boiler.......................... 12 Gambar 3.3 Diagram blok boiler ....................................................................................... 14 Gambar 3.4 Diagram blok control valve bahan bakar ....................................................... 16 Gambar 3.5 Diagram blok control valve udara .................................................................. 16 Gambar 3.6 Diagram blok Transduser ............................................................................... 16 Gambar 3.7 Diagram blok flow transmitter ....................................................................... 17 Gambar 3.8 Diagram blok sistem keseluruhan .................................................................. 17 Gambar 3.9 Respon flow bahan bakar dengan masukan unit step ..................................... 18 Gambar 3.10 Respon flow udara dengan masukan unit step.............................................. 19 Gambar 3.11 Respon temperatur dengan masukan unit step ............................................. 19 Gambar 4.1 Respon temperatur dengan setpoint 140 oC ................................................... 21 Gambar 4.2 Respon flow bahan bakar ............................................................................... 21 Gambar 4.3 Respon flow udara.......................................................................................... 22 Gambar 4.4 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 140 oC ....................................... 22 Gambar 4.5 Respon temperatur dengan setpoint 160 oC ................................................... 23 Gambar 4.6 Respon flow bahan bakar ............................................................................... 23 Gambar 4.7 Respon flow udara.......................................................................................... 24 Gambar 4.8 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 160 oC ....................................... 24 Gambar 4.9 Respon temperatur setpoint 140 oC dengan gangguan ................................... 25 Gambar 4.10 Respon flow bahan bakar ............................................................................. 25 Gambar 4.11 Respon flow udara........................................................................................ 26 Gambar 4.12 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 140 oC dengan gangguan ........ 26 Gambar 4.13 Respon temperatur setpoint 160 oC dengan gangguan ................................. 27 Gambar 4.14 Respon flow bahan bakar ............................................................................. 27 Gambar 4.15 Respon flow udara........................................................................................ 28 Gambar 4.16 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 160 oC dengan gangguan ........ 28 Gambar 5.1 Blok diagram sistem kontrol rasio udara dan bahan bakar ............................ 29
x
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Prosentase Excess Air Pada Variasi Bahan Bakar ................................................ 9 Tabel 3.1 Persamaan Penentuan Parameter PID Metode Ziegler-Nicols............................ 18
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Boiler merupakan salah satu peralatan penting yang digunakan di industri sebagai
pemanas air untuk memproduksi steam (uap) yang dapat digunakan untuk proses/kebutuhan
selanjutnya. Di PPSDM Migas Cepu uap yang dihasilkan boiler digunakan sebagai
penggerak turbin yang akan menghasilkan energi listrik, proses pengolahan crude oil, dan
membersihkan pipa dari minyak yang masih tersisa dan menempel di dinding pipa
(Sugiharto, 2016).
Proses pembakaran di boiler membutuhkan udara berlebih (excess air) pada jumlah
tertentu untuk menjamin agar bahan bakar dapat habis terbakar. Semakin banyak excess
udara maka banyak energi yang terbuang sehingga tidak ekonomis, sebaliknya sedikit excess
udara akan menyebabkan sebagian bahan bakar tidak terbakar yang bisa membahayakan.
Oleh karena itu menjaga excess udara pada nilai tertentu sangat diperlukan dengan
menggunakan air/fuel ratio control (kontrol rasio antara udara/bahan bakar). Sistem tersebut
memiliki peranan yang sangat penting dalam meningkatkan efisiensi dari boiler serta
berfungsi menjaga komposisi udara dan bahan bakar yang tepat sehingga tarjadi proses
pembakaran sempurna (Taplin, 1991).
Proses pembakaran dan proses pengendalian temperatur uap pada boiler wanson di
PPSDM Migas Cepu masih dilakukan secara manual oleh operator dengan memutar valve
secara perlahan untuk pengaturan flow bahan bakar, memutar switch pada blower untuk
pengaturan flow udara, dan memperhatikan asap yang keluar dari cerobong (flue gas) yang
mengindikasikan sempurna atau tidaknya proses pembakaran. Jika asap yang keluar
berwarna hitam, bahan bakar yang dialirkan pada proses pembakaran terlalu banyak atau
udara yang dialirkan pada proses pembakaran terlalu sedikit. Jika asap yang keluar berwarna
putih, udara yang dialirkan pada proses pembakaran terlalu banyak atau bahan bakar yang
dialirkan pada proses pembakaran terlalu sedikit. Hal ini mengindikasikan bahwa proses
pengendalian temperatur uap dan flow udara dan bahan bakar yang sesuai dengan nilai rasio
di PPSDM Migas Cepu masih belum optimal (Babcock Wanson, 1974).
Pada skripsi ini akan membahas tentang perancangan sistem kontrol rasio udara dan
bahan bakar pada pembakaran di boiler di PPSDM Migas Cepu serta pengendalian
temperatur. Pengendali yang digunakan yaitu PID yang mana masing-masing keseluruhan
bertujuan untuk mempercepat respon sebuah sistem, menghilangkan error steady state, dan
2
menghasilkan perubahan awal yang besar (Ogata, 2011). Pada skripsi ini, diharapkan sistem
dapat memiliki respon yang memiliki spesifikasi desain yang diinginkan.
1.2 Rumusan Masalah
Mengacu pada permasalahan yang telah diuraikan pada latar belakang, maka rumusan
masalah dapat ditekankan pada poin berikut:
1. Bagaimana merancang sistem kontrol rasio udara dan bahan bakar pada pembakaran
di boiller wanson di PPSDM Migas Cepu dengan pengendali PID?
2. Bagaimana respon sistem dengan diterapkannya sistem kontrol rasio udara dan bahan
bakar pada boiler wanson di PPSDM Migas Cepu dengan pengendali PID pada
simulasi?
1.3 Batasan Masalah
Mengacu pada permasalahan pada skripsi ini, maka akan dibatasi pada:
1. Dititikberatkan pada pengendalian temperatur uap serta flow bahan bakar dan udara
agar sesuai rasionya pada pembakaran boiler wanson untuk menjaga udara berlebih
(excess air) pada nilai tertentu di PPSDM Migas Cepu.
2. Tidak membahas reaksi kimia pada proses pembakaran.
3. Model matematis plant bersifat linear dan time invariant (parameter sistem dianggap
konstan terhadap waktu).
4. Pemodelan metematis plant boiler mengacu pada data-data literatur yang membahas
obyek penulisan skripsi ini.
5. Menggunakan pengendali PID untuk menjaga temperatur uap pada nilai tertentu
serta menjaga rasio udara dan bahan bakar.
6. Sistem disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB R2015a.
1.4 Tujuan
Tujuan yang ingin dicapai dalam skripsi ini adalah diperolehnya pembakaran yang
efisien dengan mengoptimalkan penggunaan bahan bakar serta udara yang sesuai dengan
rasio pada pembakaran di boiler dengan menerapkan sistem kontrol rasio udara dan bahan
bakar.
3
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Boiler
Boiler adalah suatu unit pesawat yang bisa dipakai untuk merubah air sampai menjadi
uap yang bertekanan tertentu di dalam dapur (furnace). Energi panas dari bahan bakar
diberikan kepada air melalui bagian pendidih sehingga terbentuk uap. Untuk menghasi lkan
uap bertekanan pada boiler diperlukan panas yang berasal dari proses pembakaran bahan
bakar yang terjadi di ruang bakar. Uap yang dihasilkan boiler dipergunakan untuk
menggerakkan turbin penggerak generator listrik, turbin penggerak penggilingan, dan