TUGAS PENGENDALIAN PROSES

TUGAS PENGENDALIAN PROSES

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN LEVEL FLASH TANK PADA UNIT

BLOWDOWN SYSTEM BERBASIS METODE DIRECT SYNTHESIS

DI PT. PETROKIMIA GRESIK

DISUSUN OLEH :

GILANG EKA SAPUTRA 2411100020

RIA MARSELLINA 2411100070

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2014

TUGAS 1 SISTEM PENGENDALIAN PROSES

Setiap kelompok terdiri dari 2 orang

Setiap kelompok mengambil contoh sebuah Sistem Pengendalian Proses dalam bentuk

P&I Diagram (1 loop BPCS)

Dari P&I Diagram tsb representasikan ulang dalam bentuk diagram blok Feddback

Closed Loop Control System

Turunkan model dinamik dari setiap komponen penyusun system pengendalian tsb

Berikan ulasan mode control yang dipergunakan di Controller dikaitkan denggan

karakteristik plant yang dikendalikan

Buat simulasi dinamik contoh saudara dengan mempergunakaan SIMULINK, lakukan :

- Open Loop simulasi pada plant dengan cara memberikan sinyal uji STEP dan amati

respon dinamiknya

- Closed Loop simulasi pada contoh system pengendalian saudara dengan sinyal uji

STEP setelah Closed Loop Control system disederhanakan menjadi Open Loop

Control System.

Boleh menggunakan hasil karya TA atau penelitian, asal saudara memahami filosophi

process dan phylosophi controlnya

Dikumpulkan hari rabu depan tgl 14 Mei 2014, saat kuliah

I. PENGENALAN FLASH TANK

Air Umpan Boiler bisa mengandung mineral – mineral yang bisa menyebabkan

pengendapan, korosi, dan lain – lain. Pengendapan material dapat mengakibatkan menurunnya

efektifitas perpindahan panas sehingga menyebabkan penggunaan bahan bakar menjadi boros.

Pengendapan juga merupakan masalah yang paling serius pada boiler, bisa juga menyebabkan

masalah – masalah pada sistem sebelum dan sesudah boiler. Air Umpan Boiler memiliki tujuan

sebagai berikut :

menghindari terbentuknya kerak,

mencegah korosi pada peralatan, dan

menghindari terbawanya senyawa yang tidak diinginkan kedalam steam (carry over).

Salah satu cara untuk pengolahan Air Umpan pada Boiler adalah dengan sistem blowdown,

dimana blowdown berguna untuk mengontrol kandungan solid dalam feedwater agar tidak

berlebih. Kandungan solid dalam feedwater akan terikut ke steam yang diproduksi, sehingga

apabila kandungan solid dalam feedwater tinggi, maka kandungan solid di steam juga akan

tinggi, sehingga bisa menurunkan kualitas steam yang dihasilkan.

Ada dua jenis blowdown, yaitu intermittent blowdown dan continuous blowdown.

Intermittent blowdown dioperasikan secara manual oleh operator, berdasarkan hasil

pengukuran kualitas feedwater atau hasil pengukuran steam purity dengan menggunakan

sodium analyzer, sedangkan continuous blowdown akan membuang air yang mengandung

solid dalam drum secara terus menerus dengan besarnya aliran buangan dikontrol berdasarkan

hasil pengukuran/perkiraan jumlah kandungan solid dalam feedwater di boiler drum.

Pada Unit Blowdown System terdapat dua tangki yaitu flash tank dan blowdown tank.

Kedua tangki ini saling berhubungan diamana keluaran dari flash tank akan ditampung di

blowdown tank. Masukan pada flash tank merupakan continuous blowdown dari steam drum

boiler. Residu blowdown yang meninggalkan flash vessel masih mengandung energi panas

yang cukup dan dapat dimanfaatkan kembali dengan memasang sebuah penukarpanas untuk

memanaskan air make – up dingin. Sistem pemanfaatan kembali panas blowdown yang lengkap

seperti yang digambarkan dibawah dapat memanfaatkan hingga 80% energi yang terkandung

dalam blowdown, yang dapat diterapkan pada berbagai ukuran boiler steam.

II. SISTEM PENGENDALIAN LEVEL FLASH TANK

Variabel dinamik yang harus dikontrol pada Flash Tank agar proses dapat berlangsung

secara optimal adalah level fluida cair di dalam Flash Tank. Level fluida yang terlalu tinggi

akan menyebabkan fluida gas (steam) yang dihasilkan akan mengandung uap air sehingga akan

membahayakan proses berikutnya disamping itu juga akan menyebabkan kerusakan pada pipa

– pipa yang ada di dalam blowdown. Berikut ini P&ID dari flash tank.

Dalam flash tank, air yang bersifat residu ini dijaga tingkat levelnya dengan

menggunakan LT 620 dan LG 620. Perbedaan antara LT 620 dan LG 620 ialah pada LT 620

merupakan level transmitter yang mengubah besaran sensor menjadi sinyal yang bisa dibaca

oleh controller yaitu LIC 620. Keluaran pada flash ditampung oleh blowdown system berupa

flash steam dan berupa steam untuk masukan ke deaerator. Berikut ini blok diagram sistem

pengendalian level flash tank.

III. PENURUNAN MODEL DINAMIK TIAP DIAGRAM BLOK

Model matematis plant pada tangki flash tank dibuat dengan asumsi bahwa :

pendekatan bangun ruang flash tank didekati dengan pendekatan bentuk kotak atau

balok,

tekanan dan suhu dianggap konstan,

laju aliran masuk (inlet) pada flash tank dianggap konstan,

dinamika ketinggian atau level air dalam tangki flash tank dianggap konstan,

laju aliran keluar untuk air konstan.

Dengan menggunakan hukum kesetimbangan massa, maka diperoleh persamaan di

bawah ini.

𝐴𝑑ℎ

𝑑𝑡= 𝑄𝑖𝑛(𝑡) − 𝑄𝑜𝑢𝑡(𝑡)

𝑞𝑜 = ℎ

𝑅

Dimana :

𝐴 : luas tangki

𝑄𝑖𝑛(𝑡) : aliran fluida yang masuk ke tangki

𝑄𝑜𝑢𝑡(𝑡) : aliran fluida yang keluar ke tangki

𝐴𝑑ℎ

𝑑𝑡 : dinamika volume yg terakumulasi di dalam tangki

ℎ : tinggi level di dalam tangki

𝑅 : didapat dari ℎ

𝑞𝑜

PID

CONTROLLER CONTROL

VALVE PLANT FLASH

TANK

LEVEL

TRANSMITTER

Dari persamaan diatas, maka dapat membentuk persamaan baru dengan substitusi seperti

berikut ini.

𝐴𝑑ℎ

𝑑𝑡= 𝑞𝑖 −

ℎ

𝑅

𝐴𝑑ℎ

𝑑𝑡+

ℎ

𝑅 = 𝑞𝑖

semua ruas dikalikan dengan R,

𝑅𝐴𝑑ℎ

𝑑𝑡+ ℎ = 𝑅𝑞𝑖

kemudian diubah ke domain LAPLACE,

𝑅𝐴𝑠𝐻(𝑠) + 𝐻(𝑠) = 𝑅𝑄𝑖(𝑠)

(𝑅𝐴𝑠 + 1)𝐻(𝑠) = 𝑅𝑄𝑖(𝑠)

𝐻(𝑠)

𝑄𝑖(𝑠)=

𝑅

(𝑅𝐴𝑠 + 1)

dari plant didapat :

Laju aliran pada flash tank ialah sebesar 2% dari load boiler dimana load boiler itu sendiri

sebesar 90.000 kg/jam. Maka nilai Q ialah

Q = 2% x 90.000 kg/jam = 1800 kg/jam = 0,5 kg/s

D = 50,8 cm, maka r = 25,4 cm = 0.254 m

H = 121.92 cm = 1,22 m

Perhitungan :

A = πr2 = 3,14 (0,254)2 = 0,2026 m2

R = H/Q = 1,22 / 0,5 = 2,44

RA = 2,44 x 0,2026 = 0,49

Jadi apabila dimasukkan ke dalam model dinamik, maka akan tampak seperti berikut ini

fungsi transfer dari plantnya.

𝐻(𝑠)

𝑄𝑖(𝑠)=

𝑅

(𝑅𝐴𝑠 + 1)

𝐻(𝑠)

𝑄𝑖(𝑠)=

2,44

(2,44(0,2026𝑠) + 1)

𝑯(𝒔)

𝑸𝒊(𝒔)=

𝟐, 𝟒𝟒

𝟎, 𝟒𝟗𝒔 + 𝟏

Control Valve yang digunakan pada unit ini adalah LV 620. Dimana persamaan dasarnya

adalah sebagai berikut.

𝐺(𝑐𝑣) = 𝐾𝑐𝑣 (1

𝑇𝑐𝑣𝑠 + 1)

𝐾𝑐𝑣 =𝑆𝑝𝑎𝑛𝑜𝑢𝑡

𝑆𝑝𝑎𝑛𝑖𝑛

dari datasheet control valve didapat :

Outlet pressure max flow = 15 Kg / cm2 (g)

Outlet pressure min flow = 3 Kg / cm2 (g)

Inlet pressure max flow = 20 Kg / cm2 (g)

Inlet pressure min flow = 4 Kg / cm2 (g)

Span Out = Aliran maksimum tekanan keluaran – Aliran minimum tekanan keluaran

Span In = Aliran maksimum tekanan masukan – Aliran minimum tekanan masukan

𝐾𝑐𝑣 =15 − 3

20 − 4= 0,75

𝑇𝑐𝑣 = 𝑇𝑣(∆𝑣 + 𝑅𝑣)

𝑇𝑣 : 1,6 sekon

∆𝑣 : 𝑏𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 𝑣𝑎𝑙𝑣𝑒

𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑎𝑛 𝑣𝑎𝑙𝑣𝑒=

105

50= 2,1

𝑇𝑐𝑣 = 1,6(2,1 + 0,3)

𝑇𝑐𝑣 = 3,84 𝑚3/𝑠

Jadi apabila dimasukkan ke dalam model dinamik, maka akan tampak seperti berikut ini

fungsi transfer dari control valvenya.

𝐺(𝑐𝑣) = 𝐾𝑐𝑣 (1

𝑇𝑐𝑣𝑠 + 1)

𝐺(𝑐𝑣) = 0,75 (1

3,84𝑠 + 1)

𝑮(𝒄𝒗) =𝟎, 𝟕𝟓

𝟑, 𝟖𝟒𝒔 + 𝟏

Dalam flash tank, air yang bersifat residu ini diukur tingkat levelnya dengan

menggunakan transmitter LT 620.

𝐺𝑇 =𝑆𝑝𝑎𝑛𝑜𝑢𝑡

𝑆𝑝𝑎𝑛𝑖𝑛

dari datasheet transmitter didapat :

Outlet pressure max flow = 90,2 Kg / cm2 (g)

Outlet pressure min flow = 26,3 Kg / cm2 (g)

Inlet pressure max flow = 20 Kg / cm2 (g)

Inlet pressure min flow = 4 Kg / cm2 (g)

Span Out = Aliran maksimum tekanan keluaran – Aliran minimum tekanan keluaran

Span In = Aliran maksimum tekanan masukan – Aliran minimum tekanan masukan

Jadi apabila dimasukkan ke dalam model dinamik, maka akan tampak seperti berikut ini

fungsi transfer dari transmitternya.

𝑮𝑻 =𝟐𝟎 − 𝟒

𝟗𝟎, 𝟐 − 𝟐𝟔, 𝟑= 𝟎, 𝟐𝟓

UJI OPEN LOOP

Untuk mengetahui karakteristik plant supaya bisa ditentukan mode kontrol apa yang

cocok untuk pengendalian sistem pada plant tersebut.

UJI CLOSED LOOP

Sebelum perancangan mode kontrol, peneliti melakukan uji kinerja mode kontrol P di

lapangan, dan hasilnya tampak pada gambar di bawah ini.

Didapatkan kesimpulan bahwa mode kontrol P di lapangan belum mencapai set point.

Setelah mendapatkan kesimpulan dari mode kontrol P di lapangan yang belum mencapai

set point, maka peneliti merancang mode kontrol P yang hasilnya tampak pada gambar di

bawah ini. Nilai parameter P, oleh peneliti ditentukan sebesar 31,61.

Didapatkan kesimpulan bahwa mode kontrol P rancangan lebih baik hasilnya daripada

mode kontrol P di lapangan. Kondisi sistem telah berhasil mencapai set point.

Setelah mendapatkan kesimpulan dari mode kontrol P rancangan, dari data peneliti

didapatkan bahwa overshoot masih sebesar 10%. Sehingga untuk melihat respon yang lebih

baik lagi diberikan mode kontrol PI untuk memperbaiki mode kontrol P yang telah dirancang

sebelumnya. Nilai parameter P dan I oleh peneliti ditentukan sebesar 31,61 dan 15,51.

Didapatkan kesimpulan bahwa mode kontrol PI menghasilkan settling time yang lebih

cepat yaitu sebesar 1,52 detik dari mode kontrol P meskipun overshoot mengalami kenaikan

sebesar 12%. Menurut peneliti, mode kontrol PI baik untuk sistem pengendalian level flash

tank meskipun masih terjadi Overshoot namun tetap mendekati nilai set point.

Setelah mendapatkan kesimpulan dari perancangan mode kontrol PI, maka peneliti

merancang kembali mode kontrol PID untuk melihat respon sistem yang dihasilkan dan

menyimpulkan mode kontrol yang cocok digunakan pada pengendalian level flash tank

tersebut. Nilai parameter P, I, dan D diberikan sebesar 31,61, 15,51, dan 8,50.

Didapatkan kesimpulan bahwa mode kontrol PID menghasilkan overshoot yang relatif

kecil yaitu sebesar 11%.