PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN LEVEL DAN … · JURUSAN TEKNIK FISIKA . FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI . INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER . SURABAYA . 2011 . PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN

Oleh : Wahid Abdurrahman 2409 105 006

Pembimbing : Hendra Cordova ST, MT

Dyah Sawitri ST, MT

JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2011

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN LEVEL DAN INTERLOCK STEAM DRUM DENGAN DUA ELEMEN KONTROL

DI PT. INDONESIA POWER UBP SUB UNIT PERAK.

Seminar

Latar Belakang

• Steam drum adalah suatu alat pada boiler yang berfungsi untuk menampung air dalam pembuatan uap, dimana temperaturnya cukup tinggi dan berupa campuran air serta uap.

Permasalahan

Bagaimana merancang sistem pengendalian level dan interlock steam drum dengan dua

elemen control di PT INDONESIA POWER UBP SUB UNIT PERAK.

Tujuan Penelitian

Merancang sistem pengendalian level dan interlock steam drum dengan dua

elemen kontrol di PT INDONESIA POWER UBP SUB UNIT PERAK.

Batasan Masalah

• Sifat sifat ( properties ) masing- masing fluida adalah konstan.

• Model proses yang digunakan didekati dengan persamaan matematika linier .

• Variable yang dikontrol adalah level dari steam drum.

• Sistem pengendalian level dan interlock steam drum menggunakan dua elemen kontrol yaitu laju massa uap dan level steam drum.

Metodologi Penelitian

Diagram Alir PLTU

Boiler PT Indonesia Power UBP Sub-unit perak

Steam drum PT Indonesia Power UBP Sub-unit perak

Dua elemen kontrol

Pada strategi two element control digunakan dua variable yaitu, level liquid dalam drum dan laju aliran steam untuk menopang keseimbangan. Level diukur dan error terhadap set point dikirim ke dalam penjumlahan matematik sebagai satu dari dua variable proses. Variabel proses kedua adalah laju aliran steam yang diukur dan dijumlahkan ke dalam penjumlahan matematik dengan variable level. Hasil penjumlahan ini masuk ke dalam controller dan kemudian sinyal control mengaktuasikan bukaan feedwater control valve.

Sistem Pengendalian Level

Dimana :

q1 : Flow Air masuk

q2 : Flow Steam Keluar

h(t) : Ketinggian air

LT : Level Transmiter

LC : Level Controller

FC : Flow Controller

FT : Flow Steam transmitter

P (t): Tekanan uap

Pemodelan level Steam drum

)()()(

21 tqtqdt

tdmvw

)()()(

21 tqtqdt

tLdAvw

w

Maka :

Dimana : A= luasan steam drum (m2) L= perubahan ketinggian permukaan air (m)

Untuk luasan dinding samping Steam drum, maka digunakan hubungan pendekatan antara luas berdasaran lingkaran dengan bentuk persegi dan dari hasil perhitungan diperoleh : dA = 0.82 Ddh

)()(82.0 21 tqtqdt

dhLD vww

( Awal Muamar , Hendra Cordova Thn 2009 )

Persamaan 3.1

Persamaan 3.2

Persamaan 3.3

Persamaan untuk aliran air yang masuk melalui control valve

G

vS

tPtfCtq

)()()(1

Dimana : q1(t) : laju aliran air yang masuk melalui control valve (m3/s) Cv : koefisien control valve P : pressure drop yang melalui control valve SG : spesific gravity fluida

Pressure drop pada control valve

21 PghPP w

Dimana : P1 : pressure dalam Steam drum (kg/cm2) P2 : pressure Out valve (kg/cm2)

Rw : massa jenis air (kg/cm3) g : percepatan gravitasi (m/s2) h : tinggi permukaan air dalam drum (m)

( Awal Muamar , Hendra Cordova Thn 2009 )

Persamaan 3.4

Persamaan 3.5

Jika persamaan (3.5) disubsitusikan ke dalam persamaan (3.4) maka diperoleh :

Persamaan diatas 3.6 disubstitusikan ke dalam persamaan 3.3, maka akan menghasilkan persamaan sebagai berikut

Agar dapat menyelesaikan persamaan 3.7 diatas,maka persamaan q1 (t) harus dilenearisasi terlebih dahulu dengan menggunakan persamaan deret Taylor

( Awal Muamar , Hendra Cordova Thn 2009 )

Persamaan 3.6

Persamaan 3.7

Persamaan 3.8

Bila persamaan (3.9) disubsitusikan ke persamaan (3.7), maka menjadi :

( Awal Muamar , Hendra Cordova Thn 2009 )

Jika Dalam kondisi tunak tidak terjadi perubahan massa sehingga :

Persamaan 3.9

Persamaan 3.11

Persamaan 3.12

Persamaan 3.10

Apabila persamaan 3.13 diatas disederhanakan,maka menjadi ::

Apabila persamaan 14 diatas di transformasikan laplace ,maka menjadi:

( Awal Muamar , Hendra Cordova Thn 2009 )

2182.0 QQKdt

dhLD

w

v

Persamaan 3.13

Persamaan 3.14

Persamaan 3.15

Dimana : C : kapasitansi tangki dP : perubahan pressure steam (kg/m2) dt : perubahan waktu (sekon) q1 : flow air masuk (Kg/s) q2 : flow uap air keluar (Kg/s) ρw : massa jenis air (kg/m3) ρv : massa jenis uap air (kg/m3)

Pemodelan Pressure

( Awal Muamar , Hendra Cordova Thn 2009 )

1

sT

KG

cv

CVcv

Pemodelan Control valve:

Dimana : Kcv : gain control valve Tcv : time constant control valve

masukantekananperubahan

maksimumaliranlajuKCV

)( VVCV RVTT maksaliran

aliranmaksaliranV

min

Tcv = time constant katup pengendali (detik) Tv = waktu stroke penuh (7,5 detik) Rv = perbandingan konstanta waktu inverent terhadap waktu stroke (0,3 untuk piston).

( Awal Muamar , Hendra Cordova Thn 2009 )

Pemodelan Control Valve

1

sT

KG

cv

CVcv

Pressure dalam Steam drum

)()()( 2

2

1

2

sQQkCs

PKsQ

QkCssP w

Pemodelan Level Steam drum

)(1

)(1

)( 22

11 sQ

s

AsQ

s

AsH

DIAGRAM BLOK

Desain Close loop sistem pengendalian level dan interlock Steam drum dengan dua elemen kontrol

menggunakan metode routh hourwitz. Didapatkan nilai KP kritis sistem (Kcr) adalah 36,2. Periode (Pcr) adalah 2,21 detik. Setelah itu, berdasarkan tabel Ziegler-nichols ,maka diperoleh nilai parameter PID metode ziegler-nichols sebagai berikut: Kp = 0,6.(36,2)=21,72 Ti = (2,21).0,5=1,105 Td = (2,21).0,125=0,27625

Tuning PID Controller

Open loop Open loop Control valve

Sinyal Masukan 4 mA

Respon Sinyal 4 mA

Sinyal Masukan 20 mA

Respon Sinyal 20 mA

Open loop hubungan Level dan Pressure dalam Steam drum

Respon open loop Level Respon open loop Pressure

Set point = 0.7

Respon Close loop sistem pengendalian level dan interlock Steam drum dengan dua elemen kontrol

Metode Ziegler-nichols : Untuk metode ziegler-nichols didapatkan bahwa responnya lebih cepat stabil dengan settling time :147 s,untuk maksimum overshootnya yaitu sebesar :28,6%.kemudian untuk rise time ( Tr ) :10 s, Peak time (Tp) :45 s,dan delay time : 27 s. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Waktu ( detik )

Level (

mete

r )

Set point

Ziegler-nichols

Grafik 5 Respon sistem ( 0,7 meter )

Set point = 0.9

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Waktu ( detik )

Leve

l ( m

eter

)

Set point

Ziegler-nichols

Sistem interlock

Sistem interlock akan berjalan ketika ketinggian air di dalam steam drum naik melebihi set point

dari sistem interlock yaitu 1,3 meter

0 100 200 300 400 500 600 700-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Waktu ( detik )

Leve

l ( m

eter

)

Set point

PV

Uji tracking set point

Respon tracking set point

Set point diubah sebanyak tiga kali dengan nilai sebagai berikut 0,7 meter,0,8 meter dan 0,9 meter.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Waktu ( detik )

Level (

mete

r )

Set point

Ziegler-nichols

Sp(meter) Ts (s)

Tr (s)

Tp (s) Td (s) Mp (%)

0,7 147 10 45 27 28,6

0,8 134 5 20 8 3,75

0,9 107 5 19 7 3,75

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Waktu ( detik )

Level (

mete

r )

Set point

Ziegler-nichols

Respon tracking set point

Set point diubah sebanyak tiga kali dengan nilai sebagai berikut 0,7 meter, 0,6 meter dan 0,4 meter.

Sp(meter) Ts (s) Tr (s) Tp (s) Td (s) Mp (%)

0,7 147 10 45 27 28,6

0,6 101 5 20 8 3,75

0,4 133 5 19 7 25

Uji Noise sistem pengendalian level dan interlock Steam drum

Respon uji noise sistem pengendalian level dan interlock Steam drum

Dari hasil uji noise pada metode Ziegler-nichols didapatkan bahwa sistem memiliki error steady state 5 %.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Waktu ( detik )

Level (

mete

r )

Set point

Ziegler-nichols

Kesimpulan

• Telah dilakukan perancangan sistem pengendalian level dan interlock steam drum dengan dua elemen kontrol di PT. Indonesia Power Unit Bisnis Pembangkitan perak.

• Semakin tinggi level dari Steam drum maka semakin tinggi pula tekanan yang terdapat di dalam Steam drum.

• Sistem interlock akan berjalan ketika ketinggian ( level ) air di dalam steam drum naik melebihi set point dari sistem interlock yaitu 1,3 meter.

• Pada metode ziegler-nichols dengan nilai Kp:21,72,Ti:1,105,danTd:0,27625 didapatkan bahwa respon sistem stabil dengan settling time :147 s,maksimum overshootnya yaitu sebesar :28,6%, rise time ( Tr ) :10 s, Peak time (Tp) :45 s,dan delay time : 27 s.

Terima Kasih

DIAGRAM BLOK

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Waktu ( detik )

Level (

mete

r )

Set point

Ziegler-nichols

Respon sistem pengendalian level dengan satu elemen kontrol

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

waktu ( detik )

Level (

mete

r )

Respon sistem pengendalian level dengan dua elemen kontrol

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Waktu ( detik )

Level (

mete

r )

PV

Respon sistem pengendalian pressure dengan satu elemen kontrol

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-20

0

20

40

60

80

100

120

Waktu ( detik )

Pre

ssure

( b

ar

)

PV

Respon sistem pengendalian pressure dengan dua elemen kontrol

Hubungan antara Level dan pressure ketika laju aliran uap berubah menjadi besar

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500-20

0

20

40

60

80

100

120

Waktu ( detik )

Pre

ssure

( b

ar

)

PV

Set point

Respon sistem pengendalian pressure

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Waktu ( detik )Level (

mete

r )

Set point

PV

Respon sistem pengendalian Level

DATA PROPERTI STEAM DRUM

No. Variabel (kg/s) T (°C) P (bar) ρ (kg/m3) h (kj/kg)

1 Feedwater 50,83 120 79,2 943,396 503,71

2 Steam out 47,23 500 88,51 26,2709 3387,73

3 Level 0,771 meter

No Dimensi Nominal

1 Panjang 8,47 meter

2 Diameter 1,675 meter

3 Volume total 32,13 meter3

No Laju Massa Air Laju Massa Uap Level

T/H T/H Meter

1 62 59 0.53

2 69 61 0.541

3 73 65 0.541

4 79 70 0.567

5 82 73 0.574

6 86 78 0.581

7 90 81 0.585

8 95 88 0.586

9 99 91 0.588

10 101 95 0.589

11 106 98 0.626

12 109 102 0.626

13 115 107 0.631

14 119 111 0.631

15 120 115 0.674

16 122 118 0.674

17 123 120 0.684

18 128 127 0.711

19 132 129 0.723

20 134 130 0.731

21 138 135 0.743

22 139 137 0.748

23 145 140 0.762

24 149 146 0.762

25 157 148 0.768

26 158 153 0.782

27 162 157 0.782

28 169 160 0.792

29 173 164 0.792

30 180 169 0.81

No Laju Massa Air Laju Massa Uap Level

T/H T/H Meter

1 57 55 0.711

2 62 58 0.780

3 64 59 0.792

4 71 63 0.62

5 79 68 0.567

6 80 70 0.581

7 85 74 0.89

8 93 79 0.53

9 95 82 0.481

10 96 88 0.91

11 100 91 0.781

12 103 96 0.83

13 111 100 0.72

14 116 102 0.711

15 119 113 0.526

16 124 115 0.656

17 130 120 0.732

18 132 123 0.861

19 135 127 0.63

20 143 131 0.71

21 144 134 0.743

22 150 139 0.782

23 153 140 0.541

24 162 145 0.731

25 167 147 0.743

26 169 152 0.782

27 173 156 0.684

28 175 161 0.674

29 179 165 0.762

30 183 170 0.792

No Laju Massa Air Laju Massa Uap Level

T/H T/H Meter

1 46 39 0.711

2 48 42 0.67

3 54 45 0.632

4 57 49 0.6

5 58 51 0.567

6 63 55 0.541

7 68 60 0.811

8 72 62 0.531

9 77 69 0.481

10 79 71 0.91

11 83 74 0.781

12 86 78 0.83

13 89 82 0.72

14 91 85 0.711

15 98 89 0.526

16 106 92 0.656

17 108 94 0.732

18 113 99 0.861

19 119 104 0.573

20 122 109 0.81

21 125 111 0.743

22 128 115 0.782

23 130 118 0.72

24 134 124 0.711

26 139 127 0.526

27 140 130 0.656

28 143 133 0.732

29 149 138 0.861

30 152 142 0.646

Luas Pendekatan Sisi Samping Feed Flash Drum Untuk memperoleh luasan sisi samping dari Flash Drum yang tertutup liquid maka didekati dengan menggunakan pendekatan luasan kotak dengan persamaan

dimana : dA = Luas permukaan sisi samping Flash Drum yang tertutup liquid. dh = Ketinggian liquid. D = Diameter Flash Drum. F = Koefisien faktor koreksi

( Awal Muamar , Hendra Cordova Thn 2009 )