BAB II LANDASAN TEORI
2.1
Gas Metering Station Gas Metering station adalah suatu kumpulan beberapa metering skid dan
aksesorisnya yang digunakan sebagai media custody transfer. 2.1.1
Metering Skid Satu unit metering yang utuh disebut metering skid dimana terdapat
berbagai sensor, seperti pengukur laju alir salah satunya Orifice meter, Pengukur pressure, maupun pengukur suhu. Dimana sensor-sensor ini terintegrasi dengan sistem komputer yang disebut flow computer dan dapat dipergunakan oleh operator yang bertugas. Selain peralatan metering diatas, sebuah metering skid yang utuh juga dapat dilengkapi dengan berbagai peralatan yang dibutuhkan sesuai proses jual beli gas seperti Sludge Catcher, Emergency Valve, Control Valve, Transmitter dan lain-lain . Sebuah metering skid selalu didesain atau disiapkan dengan pola N+1 dimana N merupakan minimum jumlah stream 1 unit, sedangkan nilai 1 merupakan jumlah minimum meter cadangan sebagai backup dan pembanding dari meter yang lain, hal ini mengacu pada ketentuan industri dan pemerintah mengenai meter skid custody transfer.
6
7
Gambar 2.1 Metering Skid
2.1.2
Custody Transfer Istilah custody transfer sering ditemukan pada metering, terutama
industri MIGAS. Pemakaian istilah custody transfer digunakan pada metering yang sudah memiliki alat ukur sesuai standard. Custody transfer adalah proses pemindahan
energi
/
dari transporter ke costumer yang
produk
dari shipper ke transporter atau
membutuhkan
akurasi
tinggi,
yaitu
untuk flow rata-rata kesalahan pengukuran ± dari 1 % sedangkan untuk peralatan pengukuran berupa transmitter kesalahan pengukuran tidak boleh dari 0.25 %. 2.2
Meter Orifice Meter orifice adalah satu set peralatan yang diletakan di suatu pipa untuk
menghambat aliran fluida dan menimbulkan pressure drop. Pengukuran laju alir (flow rate) didapat dari perbedaan tekanan karena adanya pressure drop tersebut. Metode pengukuran ini disebut inferential flow rate meter dimana meter orifice tidak langsung mengukur jumlah fluida, namun mengukur parameter – parameter yang ada kemudain dikonversi menjadi laju alir fluida.
8
2.2.1
Prinsip Kerja Prinsip kerja dari orifice meter pada dasarnya tergantung pada perbedaan
tekanan yang dihasilkan oleh orifice plate. Dengan adanya tekanan cekikan (throttle pressure) oleh orifice plate sehingga menyebabkan kecepatan fluida yang melalui orifice meningkat dan tekanannya berkurang. Pada mulanya aliran fluida (gas) yang melewati pipa ukur (meter tube) kemudian melewati straightening vanes, yang berfungsi membuat putaran dari aliran gas tersebut lebih beraturan yang kemudian menyebabkan aliran gas tersebut membentur orifice sehingga terjadi perbedaan tekanan antara aliran aliran sebelum melewati orifice yang kita sebut dengan upstream dan setelah melewati orifice yang kita sebut dengan downstream.
Gambar 2.2 Profil Aliran Pada Meter Orifice
Pada proses pengukuran dibuat sebuah lubang dengan ukuran dan penempatan tertentu sesuai standar pada meter tube/ holding device disebut dengan pressure taps dengan fungsi sebagai letak sambungan device transmitter yang akan mengukur parameter tertentu sesuai fungsi transmitter tersebut. Transmitter tersebut akan mengkonversi besaran parameter tersebut kedalam sinyal analog elektrik. Sinyal elektrik tersebut masuk ke flow computer kemudian diolah kedalam bentuk parameter volume rate Q dengan menggunakan persamaan
9
yang sudah terprogram didalam flow computer yang sesuai dengan standar perhitungan flow dengan menggunakan orifice meter yang diatur dalam standar ISO maupun ASME. Perhatikan gambar di bawah ini yang menjelaskan skema orifice meter dengan lebih jelas.
Gambar 2.3. Orifice Plate Meter Installation (sumber : http://www2.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/flowmetering/types-of-steamflowmeter.asp)
2.2.2
Persamaan Laju Alir Persamaan laju alir untuk pengukuran fluida yang mengalir dalam pipa
menggunakan meter orifice terdiri dari dua yaitu persamaan teoritis dan praktis atau sering dikenal dengan industrial praktis. Untuk memahami persamaan laju alir dapat melihat skema aliran fluida pada orifice pada Gambar 2.4
P1
Pipa
h1
v1
D
Orifice
P2
d V2 Vena contracta
1
2
Gambar 2.4 Skema Aliran Fluida Pada Orifice
h2
10
Keterangan : P1 = Tekanan upstream pengukuran P2 = Tekanan downstream pengukuran D
= Diameter dalam pipa (m)
d
= Diameter orifice (m)
v1 = Kecepatan fluida pada sisi hulu (m/s) v2 = Kecepatan fluida pada sisi hilir (m/s) h1 = Tinggi pipa pada sisi hulu h2 = Tinggi pipa pada sisi hilir 2.2.2.1 Persamaaan Laju Alir Teoritis Persamaan laju alir teoritis diperoleh melalui beberapa tahapan, dimana mulai dengan persamaan kesetimbangan energi – mekanik sebagai berikut :
− + ℎ − ℎ +
+ + = 0
(2.1)
Jika fluida yang diukur adalah fluida incompressible maka hasil dari integral menjadi sebagai berikut :
− + ℎ − ℎ +
+ + = 0
(2.2)
Dari gambar 2.4, jika pada proses pengukuran diasumsikan tidak ada energi mekanik dan gesekan yang bekerja maka persamaan menjadi Bernoulli sebagai berikut:
ℎ +
+
= ℎ +
+
(2.3)
Kemudian persamaan tersebut digabungkan dengan persamaan kesetimbangan massa untuk kondisi steady state sebagai berikut :
= = ℎ +
+
= ℎ +
(2.4) /
Dimana : g = gaya gravitasi bumi (m/s2)
+
(2.5)
11
ρ = massa jenis fluida Untuk proses pengukuran dalam pipa horizontal di peroleh h1 = h2 = 0, diperoleh persamaan sebagai berikut :
− =
( / )
(2.6)
(2.7)
( )
= "(
/ )
= "
( )
( / )
(SI)
# ( )
$ = "( (English) / )
(2.8)
(2.9)
(Geankoplis, 1993) Jika pengukuran menggunakan meter otifice, dimana point 1 adalah titik sebelum plate orifice dan point 2 adalah titik di plate orifice, maka persamaan tersebut menjadi : (Miller, 1996)
= ( % )
= "
(2.10)
( )
(/%)&
(2.11)
Dimana adalah kecepatan fluida pada persamaan 2.11 dalam m/s, d adalah diameter bore orifice dalam m dan D adalah diameter dalam tube orifice dalam m, maka laju alir fluida melalui orifice meter menjadi sebagai berikut : *
( )
'() = + , "(/%) &
(2.12)
'() adalah laju alir aktual fluida dalam m3/s. Sedangkan untuk laju alir massa fluida sebagai berikut :
') = =
(2.13)
12
*
( )
') = + , "(/%) &
(2.14)
Dimana ') adalah laju alir massa fluida dalam kg/s. Jika fluida yang diukur merupakan fluida compressible, untuk mengkoreksi persamaan di atas dikarenakan fluida berekspansi maka faktor ekspansi gas dibuat, berdasarkan persamaan kesetimbangan energi mekanik di atas untuk fluida gas, dengan asumsi ekspansi adiabatik dari titik 1 ke titik 2 diperoleh hasil integral (Miller, 1996):
()- = ./01230
(2.15)
− + ℎ − ℎ +
-
-
1 − ( )-/- + + = 0
(2.16) Sehingga diperoleh persamaan laju alir massa sebagai berikut : *
( )
') = + , 5 "(/%) &
(2.17)
Dimana Y1 adalah faktor ekspansi gas adiabatik pada tap pengukuran tekanan di upstream orifice, dengan persamaan :
5 = 1 − (0.41 + 0.35: + )
;
(2.18)
-
Sedangkan untuk Y2 yaitu faktor ekspansi gas jika tap pengukuran di downstream orifice, dengan persamaan : ;
5 = <1 + => − (0.41 + 0.35: + ) -<?;
> >
(2.19)
Dengan => , bila tekanan statis hulu diukur , maka menggunakan persamaan : @ ∗
(SI)
(2.20)
FG
(English)
(2.21)
= =
B,BDE
= =
B,BDE
13
Persamaan laju alir di atas merupakan persamaaan laju alir dengan pendekatan teoritis, dimana digunakan asumsi – asumsi dalam pembuatannya. Oleh karena itu diperlukan faktor koreksi perhitungan yang dikenal dengan Coefficient Discharge (C), dimana untuk orifice dengan flange tap dan Re > 4000 persamaan Disccharge Coefficient dengan D* (in mm) sebagai berikut : (Miller, 1996)
H = HI +
J
(2.22)
KLM
dengan nilai N = 91,706β,R dan nilai eksponen n = 0,75 Untuk D* ≥ 58,4 mm
HI = >0,5959 + 0,0312 − 0,184βU + 2,286
β&
% ∗ (β&
)
VW
− 0,856 %∗
(2.23)
Untuk 50,8 ≤ D* ≤ 58,4
HI = >0,5959 + 0,0312β, − 0,184βU + 0,039
β&
&
(β )
VW
− 0,856 %∗
(2.24) Sehingga persamaan laju alir melalui plate orifice square edge sebagai berikut : *
( )
') = H + , 5 "(/%) &
(2.25)
2.2.2.1 Persamaaan Laju Alir Praktis Persamaan laju alir untuk meter orifice yang banyak digunakan di industri adalah salah satunya perhitungan yang mengacu pada standar yang dikeluarkan International Organization for Standardization (ISO). Dimana standar yang digunakan adalah ISO 5167 Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full. Dasar persamaan aliran massa meter orifice dalam ISO 5167 sebagai berikut : ^
XY = Z[\ ]( )`a
(2.26)
14
[\ adalah faktor pendekatan velositas yang dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut :
fg =
e
(2.27)
<eh_
Dengan β adalah rasio antara diameter bore orifice dan diameter dalam pipa pada kondisi mengalir. i∗
h = j∗
(2.28)
Dimana D adalah diameter dalam pipa meter orifice pada kondisi mengalir dan dihitung pada suhu referensi 68 0F atau 20 0C menggunakan persamaan sebagai berikut : D* = D*meas x F*aD
(2.29)
D* = D*meas (1+α*P( Tk1- 20 0C ))
(2.30)
Sedangkan d adalah diameter lubang pelat orifice pada kondisi mengalir dan dihitung pada suhu referensi 68 0F atau 20 0C menggunakan persamaan sebagai
berikut : d* = d*meas x F*ad
(2.29)
D* = D*meas (1+α*PE( Tk1- 20 0C ))
(2.30)
Persamaan nilai Coefficient Discharge (C) pada standar ISO 5167 adalah sebagai berikut : m,B mn VMo r Kpq
H = 0,5961 + 0,0261βk − 0,216βUk + 0,000521 l m,D mn r Kpq
(0,0188 + 0,0063A)βD,R k l
0,123t Bu )(1 − 0,11 )
β&Mo
β&Mo
+
+ (0,043 + 0,08t mu −
− 0,031(vw − 0,8vw, )β,D k (2.31)
Dengan Nilai ux
vw = > V
Mo
(2.32)
15
A =(
ymmmVMo m,U ) Kpq
Untuk Flange tapping , z = > zw = >
(2.33) R,+ %
(2.34)
Bilangan reynold fluida pada pipa dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut : {% = 2.2.3
+|}
*~%
(2.35)
Sizing Plat Orifice Sizing plat orifice yang dimaksud adalah mendesain lubang (bore)
diameter dari plat orifice yang sesuai dengan kebutuhan dari pengukuran minimum, normal dan maksimum dari fluida yang melewati orifice meter tersebut. Desain orifice di dapat setelah data-data proses seperti tekanan, spesifikasi gas, temperature dan lainnya telah ditetapkan pada saat awal desain. Jika ada perubahan dari data proses maka perubahan ukuran lubang orifice dapat berubah. Berdasarkan engineering standar (ISO 5167 dan ASME MFC-3M besarnya lubang (bore) diameter pelat orifice ditentukan pada nilai beta ratio (β) orifice meter sebesar 0.1 < β < 0.75. 2.2.4
Geometri Plat Orifice Geometri Plat Orifice ditunjukan pada Gambar 2.5.
16
Gambar 2.5 Geometri Plat Orifice (sumber : ISO 5167 Part 2 : Orifice Plate)
Keterangan : d
=
Diameter Orifice (m)
D
=
Diameter dalam Pipa (m)
E
=
Ketebalan plate orifice (mm), ketebalan antara e dan 0.005D
e
=
Ketebalan bore plat orifice (mm), ketebalan antara 0.005D dan 0.002D
α 2.2.5
=
sudut bevel orifice sebesar 45°
Instalasi Orifice Flow Meter Orifice meter dalam instalasinya memiliki beberapa primary element
yang merupakan bagian utama dalam pengukuran suatu aliran fluida yang tergambarkan pada Gambar 2.6
Gambar 2.6 Orifice Meter pada Primary Element
Untuk kaidah dalam instalasi orifice flow meter telah ditentukan oleh suatu engineering standar yang berlaku dalam industri migas. Adapun ketentuan dalam
17
instalasi orifice flowmeter yang dirancang mengacu pada standar ISO 5167 dan Manufacture standart. Adapun beberapa bagian primary element dari instalasi orifice Flow meter yaitu : a.
Meter Tube Meter tube adalah suatu pipa lurus dengan panjang tertentu yang digabungkan dengan orifice sehingga menghasilkan aliran upstream dan downstream pada pipa tersebut setelah dilalui aliran fluida. Meter tube berbeda dengan pipa proses pada umumnya dikarenakan pada meter tube, panjang, kekasaran dan kelurusan pipa sangat diperhatikan. Begitu juga karena nilai beta ratio yang merupakan perbandingan diameter orifice dengan diameter meter tube, memiliki skala maksimal beta ratio 0,75. Namun, untuk mencegah pengoperasian mendekati batas maksimum maka nilai beta ratio yang digunakan adalah sekitar 0,6. Nilai beta ratio minimal adalah sebesar 0,2.
b.
Plate Header Plate holder adalah alat yang digunakan sebagai penahan dari posisi orifice plate. Merupakan kesatuan alat yang terangkai bersama dengan meter tube untuk menahan orifice plate agar posisinya tegak lurus dan konsentris terhadap aliran fluida. Plate holder terbagi atas Orifice flange dan Orifice fitting.
c.
Flow Conditioner/ Straigtening Vanes Flow straightening adalah alat yang ditempatkan pada bagian upstream meter tube yang berfungsi untuk menurunkan putaran fluida sehingga menjadi aliran laminar. Bentuk profil flow suatu fluida bergantung pada
18
besaran Reynold (Reynold Number). Untuk menjadi profil laminar, suatu fluida harus memiliki besaran Reynold sebesar kurang dari Re < 2000. 2.3
Secondary Element Secondary element adalah element-element pendukung dalam melakukan
pengukuran parameter – parameter perhitungan laju fluida yang melalui orifice meter (pelat orifice) dalam suatu custody transfer. 2. 3.1
Flow Computer Tertiery element / flow computer adalah komponen akhir dari sistem
orifice meter yang bekerja sebagai pengolah/ penghitung parameter yang dideteksi oleh transmitter menjadi volume flow rate. Flow computer merupakan mesin komputer yang digunakan sebagai alat perhitungan flow rate dari suatu fluida yang melewati custody meter salah satunya orifice meter
Gambar 2.7 Flow Computer (sumber: www.omniflow.com)
2.3.2
Instrumentasi Pengukuran Suatu
custody
transfer
memiliki
instrumentasi
–
instrumentasi
pengukuran untuk mengukur masing- masing paramter yang dibutuhkan dalam perhitungan laju alir suatu fluida (dapat berupa gas dan liquid) yang melewati plat orifice dalam suatu meter tube.
19
2.3.2.1 Differential Pressure Transmitter Peralatan ini digunakan untuk mengukur perbedaan tekanan yang terjadi pada bagian hulu dan hilir pelat orifis secara fisis dan dihubungkan dengan masing-masing sistem membrane selanjutnya dihubungkan dengan Amplifier Board dan kemudian diterjemahkan atau diubah keluarannya menjadi sinyal standar 4-20 mA DC. Terdapat ZERO dan SPAN untuk mengadjust (menambah atau mengurangi) jika mengalami peubahan besaran angka yang dibandingkan dengan hasil besaran listrik yang dikeluarkan oleh Multimeter pada saat kalibrasi. Ada fasilitas mengubah range pengukuran atau kemampuan pengukuran dari transmitter akan lebih rendah atau lebih tinggi, namun tidak boleh lebih dari batasan (range) spesifikasi yang ditentukan oleh pabrik yang tertera pada peralatan tersebut. Differential Pressure Transmitter dapat ditunjukan pada Gambar 2.8
Gambar 2.8 Differential Pressure Transmitter (sumber : http://www2.emersonprocess.com/en-us/brands/rosemount/Pages/index.aspx)
2.3.2.2 Preessure Transmitter Peralatan ini digunakan untuk mengukur tekanan alir gas dengan sistem membrane dan dihubungkan dengan Amplifier Board yang selanjutnya mengubah satuan tekanan menjadi sinyal output berupa sinyal standar 4-20 mA DC.
20
Terdapat ZERO dan SPAN untuk mengadjust (menambah atau mengurangi) jika mengalami peubahan besaran angka yang dibandingkan dengan hasil besaran listrik yang dikeluarkan oleh Multimeter pada saat kalibrasi. Ada fasilitas mengubah range mengukura atau kemampuan mengukur dari transmitter akan lebih rendah atau lebih tinggi, namun tidak boleh lebih dari batasan (range) spesifikasi yang ditentukan oleh pabrik yang tertera pada peralatan tersebut. Pressure Transmitter dapat ditunjukan pada Gambar 2.9
Gambar 2.9 Pressure Transmitter (sumber : http://www2.emersonprocess.com/en-us/brands/rosemount/Pages/index.aspx)
2.3.2.3 Temperature Transmitter Peralatan ini hanya digunakan untuk mengukur temperatur gas secara fisis
dengan
sistem
RTD probe dan
dihubungkan
dengan Amplifier
Board selanjutnya diterjemahkan atau diubah keluarannya menjadi sinyal standar 4-20 mA DC. Terdapat ZERO dan SPAN untuk mengadjust (menambah atau mengurangi) jika mengalami peubahan besaran angka yang dibandingkan dengan hasil besaran listrik yang dikeluarkan oleh Multimeter pada saat kalibrasi. Ada fasilitas mengubah range pengukuran atau kemampuan pengukuran dari transmitter akan lebih rendah atau lebih tinggi, namun tidak boleh lebih dari
21
batasan (range) spesifikasi yang ditentukan oleh pabrik yang tertera pada peralatan tersebut. RTD tersebut dibungkus langsung dengan thermowheel agar tidak bersentuhan langsung dengan fluida. Ini dilakukan untuk menghindari kerusakan RTD. Sedangkan RTD sendiri adalah sensor yang nilai tahanannya berubah-ubah secara linier sesuai dengan perubahan suhu. Temperature Transmitter dapat ditunjukan pada Gambar 2.10
Gambar 2.10 Temperature Transmitter (sumber : http://www2.emersonprocess.com/en-us/brands/rosemount/Pages/index.aspx)
2.3.2.4 Gagelines Komponen ini berupa sebuah tube yang menghubungkan antara pressure taps dengan transmitter (chart recorder). Gage lines ini berukuran kecil, antara 1/4 – 1/2 inchi dan yang kebanyakan dipakai adalah 3/8 inchi. Bahan dari gage lines ini harus berkualitas, tidak mudah korosi ataupun memiliki hambatan gesek yang tinggi sehingga tidak mengura ngi keakurasian pembacaan flow yang terbaca pdaada transmitter. Ukuran panjang dari gage line harus diusahakan sependek mungkin, untuk menghindari error dan posisinya harus memiliki slope yang relative kecil terhadap sumbu horizontal.
22
2.4
HMI (Human Machine Interface) HMI (Human Machine Interface) adalah sebuah interface atau tampilan
penghubung antara manusia dengan mesin. HMI juga merupakan user interface dan sistem kontrol produksi dalam suatu industri. HMI dirancang mempunyai fungsi sebagai berikut : •
Memonitor keadaan yang ada di plant.
•
Mengatur nilai pada parameter yang ada di plant.
•
Mengambil tindakan yang sesuai dengan keadaan yang terjadi.
•
Memunculkan tanda peringatan dengan menggunakan alarm jika terjadi sesuatu yang tidak normal.
•
Menampilkan pola data kejadian yang ada di plant baik secara real time maupun historical (Trending history atau real time).
HMI memvisualisasikan kejadian, peristiwa, atau pun proses yang sedang terjadi di plant secara nyata sehingga dengan HMI operator lebih mudah dalam melakukan pekerjaan fisik. Dalam penelitian ini perancangan HMI untuk Flow Meter menggunakan software Wonderware Intouch. Detail HMI untuk gas custody orifice meter terdapat pada lampiran skripsi “ Tampilan Jendela HMI “
