BAB III METODOLOGI PENELITIAN DAN PERANCANGAN
3.1
Pelaksanaan Penelitian Dan Perancangan Pelaksanaan penelitian dan perancangan bertujuan mendapatkan sistem
orifice flow meter yang tepat dan sesuai dengan ketentuan perancangan yang diberlakukan oleh aturan pemerintah dengan deviasi pengukuran ± 1 % dari pengukuran standar teroritis. 3.1.1
Bahan Penelitian Adapun bahan penelitian yang digunakan meliputi : 1. Komposisi gas (fluida yang diperjualbelikan) 2. Data – data instansi 3. Oil and Gas International Engineering Standard 4. Buku – buku manual pemograman flow komputer
3.1.2
Alat Penelitian Adapun alat penelitian yang digunakan adalah 1. 1 (satu) unit OMNI Flow Computer 2. 2 (dua) unit current injector 4-20 mA 3. 1 (satu) unit fluke multimeter 4. 1 (satu) unit hand pump 5. 1 (satu) unit Pressure Transmitter Rosemount
23
24
6.
1 (satu) unit Differential Pressure Transmitter Rosemount
7.
1 (satu) unit Temperature Transmitter Rosemount
8.
1 (satu) unit Personal Computer c/w windows dan wonderware software
9.
1 (satu) unit printer
10. 1 (satu) unit software Kelton 3.1.3
Tata Laksana Penelitian Secara umum, penelitian ini terdiri atas beberapa tahapan. Alur penelitian
ditunjukan pada bagan dibawah ini. Mulai
Kajian Literature & Standar
Data Operasional : Orifice : Qb, Pf, Tf, DP Komposisi Gas
Analisa Teknik : 1. Penentuan Spesfikasi dan instalasi orifice flowmeter 2. Pemilihan dan konfigurasi transmitter 3. Perancangan Sistem Arsitektur Flow Komputer 4. Perancangan HMI (Human Machine Interface)
Analisa Operasi : Perhitungan Deviasi Pengukuran hasil mendesain dengan standar pengukuran
Selesai Gambar 3.1 Diagram Alir Prosedur Kerja Penelitian
25
3.2
Analisa Proses Operational Sistem Analisa operasi terdiri dari tiga tahapan utama yaitu : Tabulasi Data,
software simulasi untuk mendapatkan properties fluida pada kondisi statik dan proses perhitungan deviasi (error) pengukuran antara perhitungan flow computer dan perhitungan standar ISO 5167. Alur proses analisis operasi dapat dilihat pada Gambar 3.2
Mulai
Data Operasi : Maksimum Flowrate Gas Komposisi Pup (Upstream) & Δ P Spesifikasi Material Standar Dasar Pengukuran
Process Software Simulation
% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =
𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟 − 𝐼𝑆𝑂 5167 𝑥 100 % 𝐼𝑆𝑂 5167
Selesai Gambar 3.2 Diagram Alir Perhitungan Analisa Operasi
3.3
Penentuan Spesifikasi dan Instalasi Orifice Flow Meter Untuk mendapatkan
orifice flow meter yang tepat maka diperlukan
beberapa penentuan spesifikasi orifice meter antara lain ukuran diameter orifice, jenis plat orifice, ketebalan orifice, fitting orifice dan instalasi orifice flow meter
26 3.3.1
Sizing Orifice Untuk mendapatkan ukuran orifice yang tepat diperlukan beberapa kali
perhitungan (iterasi) nilai β, C, dan Y1 sehingga menghasilkan perbedaan nilai antara βn – βn-1 < 0,0001. 3.3.1.1 Metode Sizing Untuk mendapatkan nilai β dapat dilakukan dengan menggunakan metode Miller dan atau metode Standar ISO 5167 (Reader-Haris/Gallagher). Perbedaaan metode Miller dengan metode Reader-Haris/Gallagher terletak pada persamaan Coefisien Discharge sedangkan perhitungan parameter lainnya menggunakan persamaan yang sama. Diagram alir perhitungan ukuran diameter orifice terlihat pada Gambar 3.3 (Miller, 1996) Mulai
Data Proses Tentukan nilai (q*)URV , (Δp*)URV, (q*SCMH)N , (Δp*)n
F*aD = 1+α*P( Tk1- 20 0C ) F*ad = 1+α*PE( Tk1- 20 0C ) F*PB = 101,325 0K / Pb* A Gambar 3.3 Diagram Alir Perhitungan Ukuran Diameter Orifice
27
A F*TB F*TF1
= Tkb / 288,15 = √(288,15 / Tk1)
Tf1
= 1,8 x Tk1
PG = F*pv1
Pf−101,325 6,8948 ,
= 1+
×
×
,
,
Fg = D* = F*ad x D*meas SM =
× ∗
(Rd)n = 4,9171 x
× ∗
×
×
(
(Rd)n < 200.000
β0
Ya
= [1 + (
,
( ∗
× ∗
)
×
×
×
(Rd)n < 200.00 ?
+ 0,06) ]
β0
×
× ∗ × ∆ ×
× ∗×
)
x (q*SCMH)N
(Rd)n > 200.000
= [1 + (
,
Tidak
) ]
B Gambar 3.3 Diagram Alir Perhitungan Ukuran Diameter Orifice (lanjutan)
28
B (Y1)n-1 = 1 − (0,41 + 0,35β
)
Cn-1 Metode ISO 5167 ?
Tidak
Cn − 1 Metode ISO 5167
Cn-1 Metode Richard Miller βn = [1 + (
Tidak
Iterasi hingga βn – βn-1 < 0,0001
Ya
− 1 ( 1) − 1 ) ]
βn – βn-1 < 0,0001
=
∗
Ya
∗
=
∗
∗
∗
Selesai Gambar 3.3 Diagram Alir Perhitungan Ukuran Diameter Orifice (lanjutan)
Nilai Cn-1 pada metode Miller Cn-1 = 0,5959 + 0,0312β
0,856
β
∗
+
,
(
)
β ,
+ 0,184β
, ,
+ 2,286
∗(
β
β
)
−
Nilai Cn-1 pada metode Standar ISO 5167 (Reader-Haris/Gallagher) Cn-1 = 0,5961 + 0,0261β
(0,0188 + 0,0063A)β 0,123
− 0,216β ,
)(1 − 0,11 )
β
β
,
,
+ 0,000521
+ (0,043 + 0,08
− 0,031(
− 0,8
,
)β
− ,
+
29
3.3.1.2 Perhitungan Ukuran Orifice Pola Operasi : Diperlukan suatu gas metering gas CO2, dengan flow maksimum sebesar 6598,29 sm3/h, pada tekanan hulu sebesar 0,397 barg dengan temperatur terukur adalah 43,9 °C. Pipa yang dialiri menggunakan material stainlesssteel untuk mencegah korosif. Spesific gravity gas perkiraan sebesar 1,887 dengan komposisi gas methane 1,54 % mol, gas n-hexane 0,04 %mol, gas nitrogen 0,09 %mol dan gas karbondioksida sebesar 98,33% mol. Sistem operasi dapat terlihat dari CO2 Metering System P&ID Drawing pada lampiran A. Rincian data dan pemilihan parameter konfigurasi : D*meas
= 10 inchi
= 254 mm
(q*scmh)urv = 6598,29 sm3/h (Δ P*)URV
= 125 mbar = 12,5 kPa
P*f
= 1,41025 bara = 141,025 kPa
Tk1
= 43,49 0C
= 316, 639 0K
Tkb
= 15 0C
= 288,15 0K
SG
= 1,887
Material Plate : 316 Stainless Steel : αPE = 0,000017 mm / (mm 0C) Material Pipa : 316 Stainless Steel : αP
= 0,000017 mm / (mm 0C)
Skala Normal Operasi Flow (q*SCMH)N
= 0,8 * (q*scmh)urv = 5278 sm3/h
(Δ P*)N
= 0,64 * (Δ P*)URV = 80 mbar = 8 kPa
Perhitungan : F*ad
= 1+α*PE( Tk1- 20 0C ) = 1 + 0,000017 (43,49 0C – 20 0C) = 1,00039931
30
F*aD
= 1+α*P( Tk1- 20 0C ) = 1 + 0,000017 (43,49 0C – 20 0C) = 1,00039931
F*PB
= 101,325 0K / Pb* = 101,325 0K / 101,325 0K = 1
F*TB
= Tkb / 288,15 = 288,15 0K / 288,15 0 =1
F*TF1
= √(288,15 / Tk1) = √(288,150K / 316, 639 0K) = 0,95395
Tf1
= 1,8 x Tk1 = 1,8 x 316, 639 0K = 569,9502
Pg
= =
−101,325 6,8948 141,025−101,325 6,8948
= 5,75796 psig = 0,397 barg F*pv1
= 1+
= 1+
17,48×
13,825 17,48∗5,75796×105+1,6×1,8
= 1,104378 FG
= =
1
1 1,887
= 0,72797 D*
×105+1,6
= F*ad x D*meas
569,95023,825
31
= 1,00039931 x 254 mm = 254,101426 mm (q∗SCMH)
SM =
× ∗
× ∗
× ∗
1×
× ∗2 × ∆ ×
1×
1
5278
=
0,011350 ×1×1×0,95395×1,104378×0,72797×254,101432 ×√8×141,025
= 0,27961274 (Rd)n = 4,9171 x
1 ( 2×
×
×
× ∗×
×µ
)
x (q*SCMH)
1
= 4,9171 x (0,727972 ×1×1×0,99444×0,016×254,10143×0,011350 x 5278 = 1.067.328,4 Untuk (Rd)n > 200.000, maka perhitungan β0 adalah β0 = [1 + (
0,6 2 −1 ) ] 4
Persamaan Iterasi untuk mencari nilai β adalah −1 ( 1) −1 2 −1 ) ] 4
βn = [1 + (
dimana nilai Y1 adalah (Y1)n-1 = 1 − (0,41 + 0,35 ∗ 1
=
∗ 1
=
4
1
−1 )
, dimana nilai ditetapkan k =1,28
8 = 0,05673 141,025
, sedangkan untuk nilai iterasi coefisien discharge (Cn-1) adalah Metode Miller untuk tipe orifice meter flange tap 2,1 −1
Cn-1 = 0,5959 + 0,0312
+ 0,184
91,706 2,5 −1 (
8
`
)0,75
−1
+ 2,286
4
−1 ∗ (1− 4
−1
− 0,856 )
3
−1 ∗
`
Metode Standar ISO 5167 (Reader-Haris/Gallagher) Cn-1 = 0,5961 + 0,0261 0,0063A) 4
0,11 ) 1−
3,5 −1 −1 4 −1
2
−1
106
− 0,216
0,3
− 0,031(
8
−1
+ 0,000521
+ (0,043 + 0,08 ′ 2
− 0,8
−10 1
′1,1 1,3 2 ) −1
106
−1
− 0,123
0,7
+ (0,0188 +
−7 1 )(1
−
+
32
′ 2
Dengan Nilai
=
2 2 1−
−1
, A =(
19000
′ 2
25,4
Untuk Flange tapping , L1 = 1
=
25,4 254
=
−1
)0,8 ,
= 0,1
Metode dari iterasi dari nilai nilai diatas dapat disimpulkan pada tabel berikut : Tabel 3.1 Iterasi Nilai β Dengan metode Miller
βn-1
n
Cn-1
(Y1)n-1
1
0,64257 0,60474 0,97919
2
0,65344 0,60457
0,979
3
0,65356 0,60456
0,979
4
0,65356 0,60456
0,979
Tabel 3.2 Iterasi β dengan metode ISO 5167 (Reader-Haris/Gallagher)
βn-1
n
Cn-1
(Y1)n-1
1
0,64257 0,60474
0,9791
2
0,65339 0,60465
0,979
3
0,65353 0,60465
0,979
4
0,65353 0,60465
0,979
Berdasarkan Tabel 3.1 dan Tabel 3.2 dapat ditentukan nilai β = 0,6535, sehingga nilai dari diameter orifice adalah : ∗
∗
=
∗
∗
=
∗
= ∗
3.3.2
0,6535 × 254,1014 = 165,99 1,00039 =
Penentuan Jenis Plat Orifice Pemilihan jenis orifice sangat tergantung dari fluida yang akan
melewatinya. Untuk concentric orifice digunakan pada fluida yang ideal, tidak mengandung fasa lain dan untuk fluida seperti gas. Sedangkan untuk eccentric
33
dan segmental biasanya digunakan pada fluida yang tercampur dengan massa aliran yang besar. Biasanya digunakan pada fluida yang tidak ideal. Berikut gambar jenis orifice plate. Jenis orifice plate terlihat pada Gambar 3.4
Gambar 3.4 Jenis Plat Orifice
Untuk perancangan gas custody meter ini menggunakan jenis plat orifice tipe contentric dimana ditentukan kondisi gas yang diukur adalah gas kering dan ideal. 3.3.3
Penentuan Ketebalan Plat Orifice Untuk menentukan ketebalan dari orifice yang digunakan dapat mengacu
pada Tabel 3.3 Tabel 3.3 Minimum Ketebalan Orifice (E) ASME MFC 3M Nominal Pipe Size
Δ P [hw]
50 mm ≤D≤ 150 mm
150 mm ≤ D ≤ 250 mm
250 mm ≤D≤ 500 mm
500 mm ≤D≤ 900 mm
2 in ≤ D ≤ 6 in
6 in ≤ D ≤ 10 in
10 in ≤ D ≤ 20 in
20 in ≤ D ≤ 36 in
β ≤ 0,5 250 kPa
3 mm
5
10 mm
13 mm
1005 in H 2O
0,120 in
0,183 in
0,37 in
0,495 in
34
50 kPa
3 mm
3 mm
6 mm
10 mm
201 in H2O
0,120 in
0.120 in
0,245 in
0,370 in
25 kPa
3 mm
3 mm
6 mm
10 mm
100 inH2O
0,120 in
0.120 in
0,245 in
0,370 in
β ˃ 0,5 250 kPa
3 mm
5 mm
10 mm
13 mm
1005 in H 2O
0,120 in
0,183 in
0,37 in
0,495 in
50 kPa
3 mm
3 mm
5 mm
10 mm
201 in H2O
0,120 in
0,120 in
0,183 in
0,370 in
25 kPa
3 mm
3 mm
5 mm
6 mm
100 inH2O
0,120 in
0,120 in
0,183 in
0,245 in
Berdasarkan dari hasil perancangan sebelumnya didapat informasi sebagai berikut: 1.
Pemilihan maksimum pengukuran ΔP (differential pressure) pada sistem adalah sebesar 125 mbar atau 12,5 kPa.
2.
Nilai β (beta ratio) yang didapat > 0,5.
3.
Nilai D (diameter) pipa yang digunakan adalah 254 mm. Berdasarkan
data-data
diatas
dengan
melakukan
pendekatan
biaya
operasional dan kaidah engineering yang masih dapat diterima yaitu ΔP jauh dibawah standar yang ditetapkan berdasarkan tabel di atas, maka perancang
35
menentukan ketebalan dari pelat orifice ditentukan sebesar 3 mm (nilai pada tabel 3.3 dicetak tebal). 3.3.4
Penentuan Fitting Orifice Orifice fitting terbagi atas dua jenis, yaitu orifice fitting single chamber
dan dual chamber. Tipe single chamber hanya memiliki satu ruangan dimana dalam proses penggantian atau pengecekan orifice maka harus dengan menghentikan aliran fluida yang mengalir pada meter tube atau jika pemasangannya menggunakan bypass maka dengan melewatkan fluida melalui bypass tersebut. Sedangkan pada tipe dual chamber memiliki dua ruang yang memungkinkan user untuk mengganti atau melakukan pengecekan orifice plate tanpa harus menghentikan aliran fluida pada meter tube, tetapi dengan mengalirkan fluida pada ruang yang lain yang berfungsi sebagai bypass chamber. Adapun gambar dari orifice fitting terlihat pada Gambar 3.5
Orifice Fitting Single Chamber
Orifice Fitting Double Chamber
Gambar 3.5 Orifice Fitting (sumber : http://www2.emersonprocess.com/en-us/brands/daniel/docs/pages/docs-orifice-plates.aspx)
Untuk perancangan custody transfer orifice ditentukan menggunakan orifice fitting double chamber untuk mempermudah dalam perawatan dan kalibrasi per tahun sesuai ketentuan pemerintah.
36
3.3.5
Instalasi Orifice Flow Meter Untuk instalasi Orifice Flow Meter, masing-masing manufacture
menghasilkan suatu ketentuan sendiri berdasarkan kajian engineering peralatan mereka dengan pendekatan-pendekatan rumus empiris berdasar pada engineering standar seperti ISO 5167, ASME MFC 3M dan AGA 3. Dalam merancang dan menginstalasi, disarankan menggunakan ketentuan –ketentuan dari manufacture yang dimana peralatannya digunakan dalam perancangan custody meter. Terlihat pada Gambar 3.6 dan Tabel 3.4, merupakan salah satu ketentuan instalasi yang dikeluarkan oleh Supplier Merk Daniel Orifice
Gambar 3.6 Instalasi Orifice Flow Meter Tabel 3.4 Length Standar Orifice Meter Installation Size 2 3 4 6 8 10 12
“U” Upstream 3’-0” 4’-5” 5’-9” 8’-8” 11’-7” 14’-7” 17’-5”
“D” Downstream 3’-0” 4’-0” 4’-0” 5’-0” 5’-0” 6’-0” 7’-0”
"P" Profiler Locations 7.5 D 7.5 D 7.5 D 7.5 D 7.5 D 7.5 D 7.5 D
Dalam perancangan orifice flow meter untuk custody meter ini menggunakan lokasi pengambilan tap corner tap ( flange taps). Pada Flange taps dapat diketahui bahwa jarak masing-masing lubang pengambilan beda tekanan terhadap plat orifice adalah satu inchi taps. Pada flange taps ini lubang-lubang pengambilan
37
beda tekanannya terhadap flange taps itu sendiri. Flange taps pada umumnya dipergunakan untuk pipa-pipa yang berdiameter dua inchi ke atas. Di bawah dari ukuran dua inchi, flange taps tidak dapat dipergunakan karena membuat pengukuran meleset dan tidak stabil. Jenis Flange taps dapat dilihat pada Gambar 3.7
Gambar 3.7 Tapping Orifice Plate
3.4
Pemilihan dan Konfigurasi Transmitter Pemilihan dan konfigurasi transmitter dalam perancangan ini meliputi
pressure transmitter, differential pressure transmitter dan temperature transmitter. Transmitter yang akan digunakan dalam perancangan ini menggunakan satuan berbasis metric (Satuan International) mengacu pada standar ISO 5167. Data yang dihasilkan oleh transmitter untuk flow computer adalah sinyal analog 4-20 mA dengan nilai 4 mA sebagai LRV(low range value) pengukuran dan 20 mA sebagai URV (uper range value) pengukuran. 3.4.1
Pemilihan Pressure Transmitter Pressure
transmitter
yang
digunakan
dalam
perancangan
ini
menggunakan smart transmitter produk dari rosemount dengan tipe 3051TG dengan tingkat keakurasian ± 0.1 % dari span. Satuan yang digunakan adalah barg dengan range (span) pengukuran yaitu 0-1 barg. Detail spesifikasi dari pressure transmitter dapat dilhat pada lampiran Data Sheet Pressure Transmitter.
38
3.4.2
Pemilihan Differential Pressure Transmitter Differential pressure transmitter yang digunakan dalam perancangan ini
menggunakan smart transmitter produk dari rosemount dengan tipe 3051CD dengan tingkat keakurasian ± 0.1 % dari span. Satuan yang digunakan adalah mbar dengan range (span) pengukuran yaitu 0 - 125 mbarg. Detail spesifikasi dari Differential pressure transmitter dapat dilhat pada lampiran Data Sheet Differential Pressure Transmitter. 3.4.3
Pemilihan Temperatur Transmitter Temperature transmitter yang digunakan dalam perancangan ini
menggunakan smart transmitter produk dari rosemount dengan tipe 3144P dengan tingkat keakurasian ± 0.1 % dari span. Tipe dari temperatur transmitter yang digunakan menggunakan sistem RTD dengan 4 wire. Satuan yang digunakan adalah 0C dengan range (span) pengukuran yaitu 0 - 100 0C. 3.5
Perancangan Sistem Arsitektur dan Konfigurasi OMNI 6000 Untuk mendapatkan hasil dai flow komputer berupa perhitungan debit
flow fluida yang terukur berdasarkan parameter parameter dari transmitter lapangan dan basis inputan yang ada, tergantung dari perancangan sistem arsitektur dan konfigurasi OMNI 6000 yang tepat. 3.5.1
Perancangan Sistem Arsitektur Perancangan sistem arsitektur OMNI 6000 yang dimaksud adalah
perancanagan arsitektur komunikasi dan interface antar peralatan-peralatan yang digunakan sehingga menghasilkan data perhitungan yang valid. Sistem arsitektur pada Custody Meter Orifice yang dirancang dapat terlihat pada Gambar 3.8
39
RS-232
TCP/IP
RS-232
Analog 4-20 mA
Gambar 3.8 Sisttem Arsitektur OMNI 6000
Dari Gambar 3.8 terlihat bahwa OMNI 6000 berkomunikasi dengan perangkat elektronik lainnya dengan komunikasi serial RS 232 untuk layar lokal dan printer, Modbuss Ethernet TCP komunikasi dengan HMI personal komputer dan menggunakan komunikasi data analog 4-20 mA untuk transmitter. 3.5.2
Konfigurasi OMNI 6000 Untuk mengkonfigurasi OMNI Flow Computer dapat melalui 3 mode
pengkonfigurasian yaitu Mode Display, Mode Program dan Mode Diagnostic. Mode konfigurasi dapat ditunjukan pada gambar 3.9
Gambar 3.9 Blok Diagram Konfigurasi OMNI 6000
40
1. Mode Display Pada fungsi operasi mode ini data-data real time (live) akan selalu ditampilkan dan di update setial 200 msec, pada menu tampilan ini, data-data yang muncul tidak akan dapat dirubah. 2.
Mode Program Pada Mode ini data-data dapat dilihat dan dirubah sebagaimana dibutuhkan pada saat konfigurasi flow computer. Ketika Mode Program ini di askes yaitu dengan menekan tombol [Prog] , maka Program LED akan menyala warna hijau , LED ini akan berubah warna menjadi merah ketika akses level password telah terpenuhi.
3.
Mode Diagnostic Mode ini dapat diakses dengan tombol [Diag] namun langkah awalnya adalah tekan tombol [Alpha shift] kemudian [Prog]. Pada Mode ini akses untuk melakukan penjustiran / penyesuaian dan pengecekan analog input point . Lampu LED Diagnostic akan menyala hijau dan akan berubah warna jika telah memasuki akses level password
3.6
Perancangan HMI (Human Machine Interface) Dalam merancang HMI diperlukan konfigurasi sinkronisani antar
addresing IP lokal komputer sebagai HMI dengan IP adressing Flow Komputer. Setelah komunikasi data sudah terjalin maka dibuatkan animasi HMI sesuai tujuan dengan tujuannya. Detail Jendela Operator Work Station dapat dilihat pada lampiran E. Tampilan Jendela HMI.
41
3.6.1
Konfigurasi Akses Data HMI Konfigurasi IP adressing untuk akses data Flow Komputer pada HMI di
lokal komputer dapat terlihat pada Gambar 3.10
Gambar 3.10 Konfigurasi Akses Data HMI
Nilai default alamat IP untuk masing masing perangkat terlihat pada Gambar 3.10, yaitu: OMNI Flow Comp : IP 192.168.0.1 Subnet Mask : 255.255.255.0 Display Panel
: IP 192.168.0.4 Subnet Mask : 255.255.255.0
PC HMI
: IP 192.168.0.10 Subnet Mask: 255.255.255.0
