CARA MENGKAJI PIPING & INSTRUMENTATION DIAGRAM
Oleh: Cahyo Hardo Priyoasmoro Moderator Milis Migas Indonesia Bidang Keahlian Process Engineering
PENDAHULUAN Menurut hemat saya, selama bekerja di operasi produksi pabrik minyak dan gas bumi industri hulu, terlihat bahwa kekurangsempurnaan seseorang dalam mengartikan gambar P&ID terletak pada pengetahuan yang kurang terhadap unit operasi, keterkaitan antar unit operasi, plant safety, serta perhatian detil pada catatan-catatan kaki di P&ID itu sendiri. Tidak dimengertinya atau tidak dibacanya Process Flow Diagram atau PFD juga merupakan faktor penyumbang yang cukup significant. Tulisan ini diperuntukkan bagi mereka yang bekerja di front line operation, para operator, para process engineer, operation engineer, dan mereka yang berminat terhadap surface facility operation. Diusahakan dalam tulisan ini, seminimal mungkin menghilangkan hal-hal yang terlalu teknik karena konsumen utamanya adalah para operator dan pekerja lapangan. Di dalam tulisan ini, ada beberapa tebakan yang memancing para pembaca untuk berpikir. Diusahakan tebakannya adalah hal-hal praktis yang akan ditemui di lapangan. Jawaban tebakan ini ada di halaman akhir tulisan. Beberapa bagian dari tulisan ini pernah dipublikasikan di milis migas Indonesia, ataupun milis Teknik Kimia ITB, hanya saja sedikit diubah guna mendukung tema dari tulisan ini. Semoga berguna dan tiada maksud untuk menggurui. Salam, Cahyo Hardo
DAFTAR ISI Prinsip Kerja Beberapa Alat Proses Separator Prinsip Control Sederhana Elemen Pengendali Akhir Steap A head: Pengenalan kurva Karakteristik Sumur Pompa Sentrifugal Prinsip kerja pompa sentrifugal Karakteristik kurva pompa sentrifugal Operasi seri-paralel Minimum re-circulation Prinsip control di pompa sentrifugal Lead and lag principle Kompresor Sentrifugal Karakteristik kurva Surge Stonewall Prinsip control kompresor sentrifugal capacity vs surge control Safety yang tergambarkan di P&ID Kekuatan material yang tertampilkan di P&ID MAWP vessel, pipa, serta flange Kelas-kelas kekuatan pipa (ANSI rating, API rating) Specification Break Pengenalan Pressure Safety Valve: konsep perancangannya Shutdown System instrumented-based Overpressure protection : separator, pompa, kompresor Overpressure protection : by-pass control valve, reducing flow (menggunakan RO, limited pipe diameter), fail-safe condition (control valve fail open, fail closed, fail at last position), lock open dan lock closed Sistem pembuangan fluida (Flare system, burn pit) Membaca P&ID Pengenalan Legenda Pengenalan valve Tanda-tanda khusus Tipe pengendalian (selector, cascade, on-off) Memperhatikan catatan kaki
Cara Mengkaji P&ID dengan benar Apa P&ID itu? Adalah Piping and Instrumentation Diagram Syarat untuk dapat mengkajinya: 1. Adanya PFD (Process Flow Diagram) 2. Mengerti dasar-dasar/prinsip kerja unit operasi serta kelakuan masukan dan keluarannya serta keterkaitan antar unit operasi 3. Mengerti dasar-dasar process control atau pengendalian proses 4. Mengerti tentang process safety Sesungguhnya, P&ID hanyalah rangkuman operating manual suatu pabrik, sehingga, bagaimana pabrik itu dioperasikan, dapat terlihat dengan jelas. Terkadang, jika lebih jeli, maka konsep safety dari suatu pabrik dapat pula dilacak. Semuanya sangat tergantung, sampai sejauh mana kita gali. Adalah hal yang penting bagi para pembaca P&ID untuk mengerti unit operasi yang menjadi subyek di dalam P&ID.
Bab 3 Kompressor Sentrifugal Kompresor sentrifugal memainkan peranan yang sangat penting di pabrik pengolahan minyak dan gas bumi, khususnya pada daerah konsesi yang sudah mature atau pada daerah yang tekanannya sudah menurun. Ketika tekanan di sumur sudah tidak mampu mengangkat fluida dan mentransportasikannya ke tempat tujuan, salah satu alat yang digunakan untuk memfasilitasinya adalah kompresor. Mengingat pentingnya peranan kompresor sentrifugal tersebut, maka saya memasukkannya sebagai daftar unit proses yang harus diketahui oleh para pekerja di lapangan, para process dan facility engineer, dan orang yang mau mengerti cara mengkaji P&ID. Gambar berikut adalah gambar-gambar sederhana P&ID suatu sistem kompresor sentrifugal. Gambar 3.1
ANTI SURGE VALVE PSV-2
PSV-3
TO DELIVERY POINT
PCV-1 SET @ XXX PSIG
PSV-1 GAS FEED
SPEED CONTROL
GAS TURBINE
COOLER
PT
PSHH
COMPRESSOR
TO FLARE BLOWDOWN VALVE
SEPARATOR
LCV-2 LCV-1
Gambar 3.2 FROM PLATFORM “A” FEED GAS
MAIN PROCESSING PLATFORM - COMPRESSION STATION
COMPRESSOR “A” SHUTDOWN
ANTI SURGE VALVE
PSV-2
PSV-3
TO FLARE PCV-1 GAS TURBINE
PSV-1
TO CHILLING SECTION
COOLER
PT
PSHH
SPEED CONTROL
TO FLARE
COMPRESSOR “A”
BLOWDOWN VALVE
SEPARATOR LSHH
LCV-2
LC
VALVE “X1”
LC
VALVE “X2”
LCV-1
LC
VALVE “Y1”
DP
LC
PSV-5
DP
PSV-4
PCV-4
PSHH
FROM PLATFORM “B”
LSHH
PSV-6
TO FLARE
COMPRESSOR “B” SHUTDOWN
FEED GAS
ANTI SURGE VALVE
VALVE “Y2”
PT
GAS TURBINE SPEED CONTROL
COOLER
COMPRESSOR “B”
TO FLARE BLOWDOWN VALVE
SEPARATOR
LCV-5 LCV-4
Gambar 3.3 FEED GAS FROM SATELLITES
ANTI SURGE VALVE
PSV-2
SET @ 420 PSIG
SET @ 320 PSIG
PSV-3
GAS TURBINE
TO DEHYDRATION SYSTEM
COOLER
PT
SPEED CONTROL
PSV-1 PSHH
COMPRESSOR “A”
TO FLARE BLOWDOWN VALVE
LCV-2
SET @ 290 PSIG
SEPARATOR LSHH
PT
LCV-1 PLANT RECYCLE VALVE
TO SIMILAR COMPRESSOR SYSTEM C, D,X FE
FC
SET @ 350 PSIG
ANTI SURGE VALVE
TO FLARE
PSV-5
PSV-6
PCV SET @ 420 PSIG
PSV-4 PSHH
SET @ 320 PSIG
LSHH
PT
GAS TURBINE SPEED CONTROL
SEPARATOR
COOLER
COMPRESSOR “B”
TO FLARE BLOWDOWN VALVE
LCV-4 LCV-5
Pada kebanyakan kasus, kompresor sentrifugal dirancang berkapasitas lebih besar dari kompresor bolak-balik (reciprocating). Berdasarkan pengalaman, pemasangan kompresor sentrifugal untuk kapasitas lebih besar lebih menguntungkan daripada memasang kompresor jenis bolak-balik.
Prinsip-Prinsip Dasar Sebelum kita dapat membaca P&ID kompresor di atas secara komprehensif, tentunya langkah awal adalah mengerti prinsip dasar dari kompresor sentrifugal. Ada banyak korelasi prinsip dasar di kompresor sentrifugal, mulai dari sisi termodinamikanya sampai ke penentuan vector kecepatan gas di tip impeller. Akan tetapi, tulisan ini membatasi hanya pada prinsip dasar yang terlihat jelas di lapangan. Perhatikan suatu contoh pertanyaan dasar tentang kompresor yang harusnya dapat dijawab oleh seorang fresh graduate lulusan teknik kimia, mesin dan perminyakan. 1. Dari dua dimensi pipa pada gambar berikut, manakah suction line dan manakah yang discharge line? 2. Jika fluida gas mengalir di dalam pipa tersebut, yaitu masuk dan keluar kompresor, manakah yang mempunyai kecepatan actual volumetric yang lebih tinggi? 3. Manakah yang mempunyai laju alir volumetric pada keadaan standard yang lebih besar (dalam MMSCFD)?
12 inch
KOMPRESOR
8 inch
Pertanyaan-pertanyaan dasar tersebut mengharuskan kita membuka kembali teori dasar tentang hukum gas yang ditemukan oleh Gay-Lussac yang dikenal sebagai hukum gas ideal. Hukum gas ideal disempurnakan dengan memasukkan factor kompresibilitas gas yang biasanya dinotasikan dengan huruf Z, sehingga menjadi seperti demikian: PV=nRTZ Harga Z akan semakin mendekati satu jika tekanan system fluida gas tersebut mendekati atmosferik, katakanlah pada 1 atm atau 14.7 psia. Semakin tinggi tekanan, maka gas akan
semakin mampat. Pernyataan ini dapat menjadi indikasi untuk menjawab pertanyaan awal di paragraph sebelumnya (nomor 1). Ketika gas ditekan sehingga tekanannya naik, tentu saja temperaturnya akan naik. Bagaimanakah laju alirnya? Laju alir massanya adalah tetap mengikuti hukum kekekalan massa. Laju alir volumetric dalam keadaan standard juga tetap. (Kenapa?). Yang berubah adalah laju alir volumetric. Perhatikan persamaan gas ideal yang dimodifikasi untuk suatu keadaan tertentu. PV = n R T Z V diubah menjadi Q, laju alir actual pada kondisi P dan T. Jika P dan T ditetapkan misalnya pada 600 psia dan 100 F, maka berapakah laju alir actual gas setelah dikompresi dan didinginkan kembali ke temperatur awal pada tekanan 1500 psia? Catatan, pendinginan diasumsikan menggunakan aftercooler. Jawab: Hukum kekekalan massa, di mana massa gas masuk = massa gas keluar Hukum kekekalan mol di mana mol gas masuk = mol gas keluar Sehingga: P1Q1/RT1Z1 = P2Q2/RT1Z2. Jika diasumsikan angka Z tidak berubah banyak dan dapat diabaikan sedangkan T1 = T2, bagaimanakan angka Q2 terhadap Q1? Dengan manipulasi matematik sederhana, maka Q2 = Q1 x P1/P2. Atau Q2 = Q1 x 600/1500. Artinya adalah Q2 lebih kecil dari Q1, sehingga laju alir actual volumetric gas yang dikompresi lebih kecil dari laju alir gas actual gas yang masuk ke kompresor. Ingatlah, salah satu kriteria perancangan pipa adalah hilang tekan dalam hal keekonomiannya. Sebaiknya, laju hilang tekan dibuat sekecil mungkin sampai ke suatu harga yang ekonomis. Hilang tekan adalah fungsi kuat kecepatan aktual fluida, yang berarti pula fungsi kuat dari laju alir aktual fluida. Sehingga, diameter pipa gas keluaran kompresor jadi lebih kecil dari diameter pipa masukan. Pernyataan ini melengkapi pernyataan sebelumnya untuk menjawab pertanyaan awal (nomor 1 dan 2). Dengan berbekal ini pula kita dapat menjawab pertanyaan: Kenapa diameter pipa flare header biasanya lebih besar dari sistem yang bertekanan lebih tinggi? Manakah yang menghasilkan hilang tekan lebih besar untuk laju gas sebesar 100 MMSCFD, jika masing-masing dialirkan pada pipa yang berdiamater identik, tetapi yang satu beroperasi pada tekanan tinggi, dan yang satu beroperasi pada tekanan yang lebih rendah?
Prinsip Kerja Kompresor Sentrifugal Fungsi dari sebuah kompresor adalah untuk menaikkan tekanan suatu gas. Tekanan gas dapat dinaikkan dengan memaksakan untuk mengurangi volumenya. Ketika volumenya dikurangi, tekanannya naik. Sebuah kompresor “positive displacement”, memaksa gas dengan cara ini. Tetapi sebuah kompresor sentrifugal mencapai kenaikkan tekanan dengan dua tahap. Kompresor ini menambah energi pada gas dalam bentuk kecepatan (energi kinetik) dan kemudian merubah bentuk ini menjadi energi tekanan. Sebuah kompresor sentrifugal menggunakan konsep kecepatan-tekanan untuk menaikkan tekanan gas. Gas masuk ke sebuah impeler yang berputar melalui “mata” (eye). Vanes (daun impeler) mendorong gas ke sisi luar, melemparkan gas melalui jalur tertentu pada kecepatan tinggi. Gasnya dilemparkan ke jalur “diffuser” dan “volute” yang berada disekitar impeler, yang relatif memiliki volume besar, jadi kecepatannya terhambat dengan cepat. Energi kecepatan diubah menjadi energi tekanan, dengan demikian tekanannya meningkat.
Kurva Kinerja Kompresor Sentrifugal Seperti pada pompa sentrifugal, kompresor sentrifugal juga menunjukkan daya jelajah operasinya yang dirangkum dalam suatu kurva kinerja. Lalu apa gunanya kurva kinerja tersebut? Salah satu kegunaannya adalah untuk mengevaluasi kinerja kompresor terpasang, atau mengoptimalkan kinerja kompresor terpasang. Ada beberapa cara menampilkan kurva kinerja kompresor, misalnya, kurva yang menampilkan isentropic head vs actual flow, discharge pressure vs Flow pada keadaaan standard, atau kurva yang menampilkan hubungan antara pressure ratio (discharge/suction) vs flow pada keadaan standard. Untuk dapat di plot, beberapa parameter ditetapkan seperti SG gas, temperatur suction, serta suction pressure atau discharge pressure salah satunya ditetapkan konstan. Kurva kinerja yang disarankan untuk digunakan untuk kompresor terpasang adalah kurva yang menunjukkan hubungan antara isentropic head vs actual flow, karena relatif besarannya tidak berubah meskipun beberapa parameter operasi berubah drastis (kecuali sg gas tentunya). Berikut adalah salah satu contohnya. Gambar 3.2 Contoh Kurva Kinerja Kompresor
KURVA KINERJA KOMPRESOR SENTRIFUGAL 80000 RATIO OF SPECIFIC HEATS 1.25 SPECIFIC GRAVITY 0.7 SUCTION TEMPERATURE 110 F SUCTION PRESSURE 250 PSIA
70000
15700 RPM
E
LI M IT
60000
73%
14000 RPM 73%
SU RG
ISENTROPIK HEAD, FT-LBF/LBM
15000 RPM 70%
50000
70%
13000 RPM
66% 12000 RPM
75% 60%
40000 11000 RPM 10000 RPM
30000
20000
10000 500
1000
1500 2000 INLET VOLUME FLOW, CFM
2500
3000
Dengan menggunakan kurva diatas, periksalah kelakuan kompresor tersebut. Disebutkan tekanan suction-nya adalah 250 psia, dengan tekanan discharge-nya 800 psia. Asumsi Z = 0.94. Q standard = 50 MMscfd K (ratio of specific heat) = 1.25 SG = 0.7 Jawab: H isentropic head = (T suction + 460) (Z)/(SG) (53.35)(k)/((k-1)) x ((Pdish/P suc) ((k-1)/k) – 1) Q actual = 19.631 Q std x (T suc + 460) (Z)/P suction HP = 0.16057 (H isentropic) (Q std) (SG) / (eff isentropic (%) x eff mechanic (decimal)) Catatan: asumsi eff mechanic = 0.98 T discharge = T suction + (T suction + 460)/ (eff isen/100) x ((Pdish/P suc) ((k-1)/k) – 1). Jika kita bermain-main dengan rumus-rumus di atas dengan mengubah suction pressure menjadi 270 dari 250 psia serta tekanan dischargenya naik menjadi 900 psia, maka hasilnya:
Point A P suction = 250 psia P discharge = 800 psia H isentropic = 53427 Ft-Lbf/Lbm Q act = 2103 CFM Q std = 50 MMscfd Eff. Isentropik = 71% HP = 4315
Point B P suction = 270 psia P discharge = 800 psia H isentropic = 49500 Ft-Lbf/Lbm Q act = 1948 CFM Q std = 50 MMscfd Eff. isentropik = 72% HP = 3942
Point C P suction = 250 psia P discharge = 900 psia H isentropic = 59563 Ft-Lbf/Lbm Q act = 2103 CFM Q std = 50 MMscfd Eff. Isentropik = 73% HP = 4679
Point D P suction = 270 psia P discharge = 900 psia H isentropic = 55537 Ft-Lbf/Lbm Q act = 1948 CFM Q std = 50 MMscfd Eff. Isentropik = 73% HP = 4362
Hasil dari keempat simulasi tersebut ditampilkan di kurva sebagai berikut: Gambar 3.3, Posisi relatif hasil simulasi pada kurva kinerja kompresor. KURVA KINERJA KOMPRESOR SENTRIFUGAL 80000 RATIO OF SPECIFIC HEATS 1.25 SPECIFIC GRAVITY 0.7 SUCTION TEMPERATURE 110 F SUCTION PRESSURE 250 PSIA
70000
15700 RPM
E
LI M IT
60000
70%
73%
C
14000 RPM
D
SU RG
ISENTROPIK HEAD, FT-LBF/LBM
15000 RPM
50000
A B
13000 RPM 73% 12000 RPM
70% 66%
75% 60%
40000 11000 RPM 10000 RPM
30000
20000
10000 500
1000
1500 2000 INLET VOLUME FLOW, CFM
2500
3000
Semua point yang ada berbasis pada laju alir gas standard sebesar 50 MMscfd. Pada point B, terlihat bahwa karena suctionnya dinaikkan, maka kebutuhan energi juga menurun karena rasio kompresi otomatis turun. Artinya, jika power yang tersedia masih cukup, maka dengan menaikkan suction kompresor dapat menaikkan laju alir gas yang dikompresi. Kegunaan lain seperti pada point D, untuk merespon backpressure yang naik dari 800 menjadi 900 psia, menaikkan suction dari 250 ke 270 psia, dengan kebutuhan power yang naik sedikit, akan mampu menjaga lagu alir gas sebesar 50 MMscfd. Point C adalah kondisi di mana operator tidak melakukan tindakan apa-apa untuk merespon kenaikan backpressure di discharge compressor. Kesimpulan: Jika gas masih banyak tersedia dan power masih cukup tersedia, maka menaikkan suction pressure kompresor dapat dijadikan suatu cara untuk menaikkan kapasitas kompresi suatu kompresor sentrifugal. Pada beberapa kasus, ada juga kemungkinan juga untuk menurunkan tekanan discharge, misalnya pada kasus kompresor yang terletak di upstream sebuah kompresor lain. Masalah optimasi di kasus ini tentunya berbeda dengan menaikkan suction pressure. Step a head. Menaikkan suction kompresor guna menaikkan kapasitas kompresor tidaklah sesederhana kita membaca kurva kompresor itu sendiri. Keterkaitan antar unit proses perlu ditelaah lebih lanjut guna menentukan bagian dari sistem pabrik yang potensial menjadi pembatas. Hal ini valid pula untuk kasus menurunkan tekanan discharge kompresor. Manakah yang lebih sensitif untuk mendapatkan kenaikan laju kompresi gas, dengan menaikkan suction atau menurunkan discharge pressure? Pertanyaan tersebut hanya dapat dijawab kasus per kasus karena memang berbeda. Hal-hal yang perlu dilihat sebelum melakukan perubahan setting kompresor guna menaikkan kapasitasnya akan dibahas lebih rinci pada bagian akhir tulisan bab kompresor ini.
Referensi untuk bab ini: Cahyo Hardo, The Beauty of Centrifugal Compressor, tulisan di milis Teknik Kimia ITB. Cahyo Hardo, Compressor Centrifugal 2, tulisan di Milis Migas Indonesia. Performance Evaluation of Centrifugal Compressors, Solar Turbines. Centrifugal Compressor, Petroleum Training Program LTD by Olan Boyd & Ward Rosen, Houston, Texas.
Bersambung……..
