1
PERANCANGAN SISTEM KONTROL DAN SAFETY YANG TERINTEGRASI PADA STEAM SEPARATOR MENGGUNAKAN METODE FUZZY-PID DI PT PERTAMINA GEOTHERMAL ENERGY KAMOJANG, JAWA BARAT Arief Rakhman, dan Dr. Bambang L. Widjiantoro Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected]
Abstrak— Tugas akhir ini bertujuan untuk merancang sistem pengendalian dan safety pada steam separator guna menjaga keluaran tekanan dari steam separator agar kinerja turbine generator tetap terjaga dan tahan terhadap segala gangguan yang terjadi. Penelitian ini juga menjaga keamanan steam separator pada operating pressure nya. Hasil penelitian ini berupa simulasi yang menunjukan bahwa pengendali fuzzy-PID dapat mengendalikan keluaran steam separator dengan nilai ess 1%, Mp 10,345 bar, dan Ts 77 detik. Uji tracking setpoint juga menunjukkan pengendali mampu mengikuti yang diubah-ubah. Ketika setpoint dinaikkan pengendali mampu mengendalikan dengan nilai ess 2%, Ts 65 detik, dan Mp 12,44 bar. Ketika setpoint diturunkan nilai ess 2,1% dan Ts 85 detik. Hasil pengujian pengendali dengan tambahan gangguan pada plant didapatkan nilai ess 0% Ts 165 detik, dan Mp 12,248 bar. Sistem safety yang diterapkan pada penelitian ini mampu menjaga kondisi steam separator pada operating pressurenya sebesar 11 bar. Kata Kunci— Steam separator, Pengendalian, Fuzzy-PID, Sistem safety.
I. PENDAHULUAN
G
EOTHERMAL adalah salah satu sumber energi alternatif yang tepat karena sangat mudah diperbaharui dan sangat ramah lingkungan akibat emisi yang dihasilkan sangat rendah. Geothermal adalah energi yang didapatkan dari panas yang terkandung didalam perut bumi. Panas di dalam perut bumi telah dihasilkan ribuan tahun dari gunung berapi, aliran lava, sumber air panas dan geyser. Salah satu perusahaan yang memanfaatkan energi panas bumi untuk pembangkit listrik adalah PT Pertamina Geothermal Energy Kamojang, Jawa Barat. Sistem pembangkit energi panas bumi lebih sederhana untuk diaplikasikan dibandingkan dengan pembangkit tenaga listrik tenaga uap, gas, atau yang lainnya. Pada pembangkitan listrik menggunakan sumber energi panas bumi salah satu komponen yang terpenting dalam prosesnya adalah turbine generator dan steam separator. Steam separator berguna membersihkan uap dari partikelpartikel berat yang dapat mengganggu kinerja turbine generator dalam melakukan pengkonversian energi panas bumi menjadi energi listrik. karena gas hasil pemisahan separator haruslah berupa gas kering untuk menghindari terjadinya korosi, erosi dan pembentukan kerak pada turbin. Sehingga peranan separator di sini sangatlah mempengaruhi kinerja daripada turbin (DiPippo, 2006). tekanan uap yang dihasilkan oleh separator dijaga konstan sekitar 10.15 barg (tekanan yang diijinkan masuk ke turbin) karena spesifikasi
turbin yang digunakan memiliki spesifikasi tekanan sebesar 11 bara. Apabila tekanan uap hasil separator melebihi tekanan sesuai spesifikasi turbin akan menurunkan performansi turbin yang nantinya akan menurunkan daya elektrik yang dihasilkan oleh generator. Untuk menjaga agar tekanan keluaran separator sesuai dengan tekanan yang dibutuhkan turbin maka dibutuhkan sistem pengontrolan dengan parameter tuning yang tepat agar tekanan separator sesuai dengan tekanan inlet turbin (Pubawati, Anike, 2012). Oleh karena itu, penelitian mengenai pengendalian keluaran steam separator sangat penting dalam proses pembangkitan listrik tenaga panas bumi. Sebelumnya telah dilakukan penelitian mengenai perancangan sistem pengendalian tekanan keluaran steam separator berbasis model predictive control (MPC) oleh Anike Purbawati di PT Pertamina Geothermal Energy Kamojang, Jawa barat pada tahun 2012. Pada penelitian tersebut dilakukan pengendalian tekanan keluaran steam separator untuk menjaga tekanan steam sebelum masuk ke turbin. Namun penelitian tersebut hanya melakukan pengendalian keluaran steam separator untuk mencapai set-point spesifikasi tekanan turbin saja tanpa memperhatikan segi safety pada separator. Padahal safety sangat penting dijaga dalam proses produksi listrik tenaga panas bumi. Maka pada penelitian ini akan dilakukan penerapan sistem control dan safety yang terintegrasi pada steam separator di PT Pertamina Geothermal Energy Kamojang. Dengan diterapkannya sistem kontrol dan safety yang terintegrasi maka keamaan pada separator juga akan terjaga ketika separator tersebut dalam kondisi beban ekstrem dengan tetap mempertahankan nilai keluaran tekanan steam pada nilai yang dibutuhkan oleh turbin. Tujuan dari pengerjaan tugas akhir ini adalah melakukan penerapan sistem kontrol dan safety yang terintegrasi menggunakan metode fuzzy-PID pada steam separator PT Pertamina Geothermal Energy Kamojang.
II. METODOLOGI PENELITIAN Pada metodologi penelitian ini terdapat beberapa langkah yang dilakukan yaitu, melakukan studi literatur, tinjauan plant di PT Pertamina Geothermal Energy Kamojang, Jawa Barat, Pemodelan plant steam separator, pembuatan simulasi plant steam separator, pembuatan algoritma kontrol fuzzyPID, dan dilakukan uji performansi dari pengendali yang telah dibuat. Untuk lebih jelasnya metodologi penelitian ini dapat dilihat pada diagram alir dibawah ini.
2 Karena liquid yang dihasilkan adalah air maka sama, maka ρ di semua ruas dihilangkan :
dan
(4) `
(5)
Kesetimbangan massa gas dalam steam separator mengggunakan penurunan dari rumus dasar gas ideal . Dari rumus tersebut didapatkan hubungan anatara laju perubahan tekanan steam separator terhadap laju perubahan jumlah mol gas dan laju perubahan volume gas, yaitu: (6) Untuk laju perubahan mol gas didapatkan dari rumus : (7) Substitusi persamaan (6) ke dalam persamaan (7) diperoleh hubungan laju perubahan tekanan separator terhadap laju perubahan volume gas dan liquid yaitu : (8)
Gambar.1. Diagram Alir Metodologi Penelitian
A. Pemodelan Steam Separator Pemodelan yang digunakan adalah sesuai dengan rekomendasi dari penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Anike Purbawati yaitu dengan mengganti peletakan control valve yang sebelumnya diletakkan sebelum steam separator menjadi diletakkan setelah steam separator. Hal ini dilakukan dengan alasan bahwa dari perubahan struktur kontrol separator tersebut sangat mempengaruhi kinerja dari sistem pengendalian tekanan keluaran steam separator (Purbawati, Anike, 2012). Gambar dibawah adalah struktur dari control steam separator rekomendasi penelitian sebelumnya. PIC I-6
PT
PT
203
To demister
Karena pemodelan plant menggunakan pemodelan rekomendasi dari penelitian sebelumnya yang merubah posisi control valve menjadi setelah separator maka perubahan volume gas didalam separator sama dengan aliran gas yang keluar dari separator yang terdapat resistansi pada pipa karena adanya valve sehingga flow steam output steam separator dimodelkan sebagai berikut: (9) resistansi Rg ini karena terdapat valve pada output steam separator (rekomendasi) karena Control valve akan lebih sensitif bekerja jika diposisikan di output steam separator daripada diposisikan pada input separator. Pemodelan tinggi (level) gas dan liquid didalam steam separator didapat dari rumus : (10)
V-8 PSV
Maka, didapat level gas dan liquid :
V-3
(11)
PIC I-7
(12) Setelah dilakukan pemodelan dari variable-variabel yang ada pada steam separator, maka berikut adalah hasil pemodelan dari steam separator.
Flow steam PV-214A
PV-214B
PV-214C PV-214D
Steam separator
Rock Muffler
Gambar.2.Rekomendasi struktur steam separator(Anike, 2012)
Pada pemodelan steam separator diperhatikan suatu kesetimbangan liquid didalam separator untuk mengetahui bagaimana perubahan tinggi (level) liquid didalam separator dengan mengacu dari banyaknya aliran liquid yang masuk dengan aliran yang keluar dibagi dengan luas separator. Dalam model matematisnya dapat dilihat sebagai berikut : (2) Gambar.3.Simulink pemodelan steam separator
(3)
3 Nilai parameter yang digunakan dalam penelitian ini diambil dari data lapangan di PGE Kamojang. Nilai parameter tersebut ditunjukkan pada tabel 3.1. Tabel.1. Nilai Parameter model steam separator
Luas Separator (A) Tinggi separator (h) Temperatur steam (TᵒC) Massa jenis liquid (ρliq) Massa jenis steam (ρg) Massa jenis relative gas (Mr) Resistansi output steam (Rs) Resistansi output liquid (RL)
4.67 m2 7.63 m 194.29ᵒC 1000 kg/m3 1225 kg/m3 18 kg/mol 0.3267 s/m2 0.083 s/m2
B. Pembuatan Algoritma Fuzzy-PID Dalam pembuatan algortima fuzzy-PID terdapat beberapa langkah, yaitu pengujian closed loop sistem tanpa pengendali dengan tujuan untuk mendapatkan nilai error dan dError dan dari nilai error dan dError tersebut dapat dijadikan sebagai masukan fuzzy logic. Langkah selanjutnya adalah pembuatan logika fuzzy dan keluarannya berupa Kp dan Ki. Berikut adalah gambar dari konfigurasi uji closed loop.
Gambar.5. Membership function untuk input dan output Kp dan Ki
Dimana nilai NB, N, Z, P, PB masing-masing adalah Negatif besar, negative, zero, positif, dan positif besar, Istilah tersebut dipakai untuk memudahkan inisialisasi. Untuk fuzzy rules pada tugas akhir ini digunakan menjadi 5x5 fuzzy rules untuk setiap logika fuzzynya. Bisa dilhat ditabel dibawah ini fuzzy rules yang digunakan untuk Kp dan Ki. Tabel.2. Fuzzy Rules untuk nilai Kp
e/∆e NB N Z P PB
NB NB NB NB Z Z
N NB N N P P
Z NB N Z P PB
P N N P P PB
PB Z Z PB PB PB
Tabel.3. Fuzzy Rules untuk nilai Ki
e/∆e NB N Z P PB
NB PB PB P Z Z
N PB P P P N
Z PB P Z N NB
P N Z N N NB
PB NB NB NB NB NB
Gambar.4. Konfigurasi uji closed loop
Dalam tugas akhir ini menggunakan metode fuzzy Mamdani dengan 2 input berupa error dan ∆error dan output berupa nilai Kp dan Ki. Karena output yang diharapkan adalah nilai Kp dan Ki maka dibuat 2 fuzzy logic yang masing-masing memiliki konfigurasi yang sama yaitu 2 input dan 1 output. Membership function yang digunakan sebanyak 5 untuk input dan output dengan tipe triangle membership function dan untuk defuzifikasi menggunakan metode bisector. Masing-masing untuk 2 logika fuzzy yang digunakan range input dan output sebesar [-1 1], berdasarkan hasil uji closed loop. Berikut adalah gambar dari membership function dari logika fuzzy yang digunakan.
Hasil dari fuzzy rules yang telah dibuat adalah surface hubungan input dan output dari logika fuzzy yang telah dibuat.
Gambar.6.Surface logika fuzzy untuk Kp
4
Gambar.7.Surface logika fuzzy untuk Ki
Setelah dibuat algoritma pengendali fuzzy dengan keluaran berupa nilai Kid an Kp maka selanjutnya adalah mengintegrasikan pengendali tersebut dengan plant untuk menguji performansi pengendali tersebut apakah cocok dan bagus untuk mengendalikan steam separator di PT PGE Kamojang, JawaBarat. Berikut adalah gambar dari integrasi pengendali dengan plant.
Gambar.8. Konfigurasi integrasi pengendali dengan plant
Pembuatan sistem safety pada tugas akhir ini hanya untuk menjaga tangki steam separator pada pressure nya sebesar 11 bar. Maka siste safety yang dibuat adalah sebuah safety valve yang bekerja pada kondisi dibawah 11 bar dan apabila kondisi tangki steam separator tepat pada kondisi 11 bar atau melebihi 11 bar maka safety valve akan membuka sampai kondisi tangki kembali ke keadaan yang aman yaitu dibawah 11 bar. Logic solver digunakan untuk melakukan perintah kepada pressure safety valve untuk membuka atau menutup ketika kondisi tertentu. Logic solver yang digunakan pada simulasi ini menggunakan tools truth table yang berisikan perintah logic ketika output dari steam separator sama dengan atau lebih dari 11 bar maka aksinya adalah membuka valve dan ketika kondisi selain itu atau keluaran steam separator kurang dari 11 bar maka safety valve akan menutup. Gambar berikut adalah gambar dari konfigurasi safety valve dengan menggunakan simulink MATLAB R2009a.
Gambar.9.Konfigurasi integrasi sistem safety dengan plant
Pada gambar diatas dapat dilihat sistem safety yang telah dirancang diintegrasikan dengan sistem untuk mengetahui bagaimana kinerja sistem safety tersebut yang berupa safety valve tersebut. III. SIMULASI DAN ANALISA DATA A. Uji Open Loop Uji open loop dilakukan guna mengetahui apakah simulasi steam separator valid dengan real plant. Simulasi dilakukan menggunakan simulink dengan MATLAB R2009a dengan memasukkan persamaan-persamaan yang telah dijelaskan di bab sebelumnya dan memasukkan parameter sesuai dengan kondisi plant di PT PGE Kamojang. Dari hasil uji open loop yang digunakan didapatkan bahwa hasil keluaran tekanan steam separator sebesar 10,23. Dari data yang didapatkan dilapangan bahwa nilai hasil keluaran tekanan steam separator sebesar 10,234. Dari hasil uji open loop dapat dilihat bahwa simulasi plant yang dilakukan valid dengan perbedaan hanya sebesar 0.004 saja dibanding dengan real plant. Berikut adalah grafik respon dari uji open loop steam separator.
Gambar.10. Respon Uji Open Loop
B. Uji Closed Loop Uji closed loop dilakukan untuk mengetahui respon plant sebelum diintegrasikan dengan controller supaya dijadikan sebagai bahan perbandingan ketika plant diintegrasikan dengan controller. Uji closed loop ini juga dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui nilai error dan dError sebagai masukkan dari logika fuzzy. Berikut adalah gambar respon dari hasil uji closed loop yang telah dilakukan.
5
Gambar.11. Respon Uji Closed Loop
Warna hijau dari gambar diatas menunjukkan setpoint dan warna ungu menunjukkan nilai respon. Dapat dilihat bahwa respon masih berada dibawah setpoint dengan nilai 9,403 bar, oleh karena itu dibutuhkan sebuah pengendali untuk membuat respon dapat mencapai setpoint yang diinginkan.
Gambar13.Respon Uji tracking setpoint turun
C. Uji Pengendali Uji performansi pengendali bertujuan untuk mengetahui apakah pengendali mampu mengendalikan sistem sesuai dengan setpoint sebesar 10,15 bar dalam rentang waktu pengujian selama 200 detik. Berikut adalah gambar respon hasil pengujian pengendali fuzzy-PID. Gambar.14.Respon Uji Tracking Setpoint naik
Gambar.12.Respon Uji Pengendali Fuzzy-PID
Respon sistem menunjukkan nilai akhir dari uji pengendali sebesar 10.16 bar yang berarti hanya berbeda 0,01 dari setpoint yang diberikan sebesar 10,15 bar. Didapatkan juga hasil dari pengendalian berupa nilai maximum overshoot (Mp) sebesar 10,435, nilai time settling (ts) sebesar 77 detik, dan nilai error steasy state (ess) sebesar 1%. Maka, pengendali fuzzy-PID sangat bagus untuk digunakan seabagai pengendali untuk plant steam separator dalam menjaga tekanan keluaran yang digunakan untuk menggerakan turbine generator yang dapat bekerja di tekanan 10,15 bar. Uji tracking setpoint bertujuan untuk mengetahui apakah pengendali mampu mengendalikan sistem ketika setpoint mengalami perubahan baik perubahan berupa kenaikan atau penurunan nilai setpoint. Penurunan setpoint yang dilakukan adalah menurunkan 2 nilai setpoint dari 10,15 bar menjadi 8,15 bar pada detik ke 100 dan untuk kenaikan setpoint dilakukan juga penambahan nilai setpoint sebesar 2 bar pada detik ke 100. Dari gambar 26 dapat dilihat respon uji pengendali yang dilakukan ketika setpoint mengalami penurunan nilai dan gambar 27 menunjukkan uji kenaikan setpoint.
Pada uji setpoint naik, pengendali dapat melakukan pengendalian dengan nilai sebesar 12,13 bar atau selisih 0,02 bar dari setpoint yang diberikan sebesar 12,15 bar dan respon dapat mencapai steady setelah mengalami kenaikan pada detik ke 165 atau 65 detik setelah setpoint. Parameter yang didapatkan dari uji setpoint naik adalah error steady state (ess) sebesar 2%, time settling (ts) setelah mengalami kenaikan setpoint adalah 65 detik, dan maximum overshoot (Mp) setelah 100 detik sebesar 12,44 bar atau selisih 0,29 bar dari setpoint. Pada uji penurunan setpoint respon dapat mengikuti setpoint dengan nilai 8,129 bar selisih 0,21 bar dari setpoint yang diberikan yaitu 8,15 bar. Parameter yang didapat dari pengujian setpoint turun ini adalah nilai error steady state (ess) adalah 2,1%, nilai time settling (ts) setelah mengalami penurunan di detik ke 100 adalah sebesar 80 detik, dan respon mengalami penurunan dibawa setpoint dengan nilai 8,02 bar atau selisih 0,13 bar. Langkah selanjutnya adalah melakukan uji pengendali dengan tambahan gangguan yang berupa kenaikan temperature pada plant sebesar 100 K pada rentang waktu 4080 detik. Dari hasil pengujian didapatkan parameter error steady state (ess) sebesar 0%, maximum overshoot (Mp) sebesar 12,248, dan time settling (ts) sebesar 165 detik.
Gambar.15.Respon uji pengendali dengan gangguan pada plant
6 D. Uji Sistem Safety Pengujian sistem safety adalah langkah terakhir pada tugas akhir ini, pada pengujian ini dapat dilihat performa sistem safety yang diterapkan guna menjaga tangki tetap pada kondisi yang baik atau tetap berada di bawah titik tertinggi operating pressure yang sebesar 11 bar.
melebihi batas maksimum operating pressure yang diperbolehkan. DAFTAR PUSTAKA DiPippo, Ronald. 2006. Geothermal power plants: principles, applications and case studies. Elsevier Advanced Technology. The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5 IGB. UK. Pp. 88-98. Purbawati, Anike.2012. Perancangan Sistem Pengendalian Tekanan Keluaran Steam Separator Berbasis Model Predictive Control (MPC) Di PT Pertamina Geothermal Energy Kamojang, Jawa Barat. Surabaya:ITS B. Wayne, Bequette. Process Control: Modeling, Design, and Simulation. Prentice Hall PTR
Gambar.16. Respon aksi safety valve ketika sistem ditambah gangguan
Dari gambar diatas dapat dilihat garis warna merah merupakan respon sistem safety yang diintegrasikan dengan plant. Dari respon tersebut sistem safety mampu menjaga tangki steam separator supaya tetap pada kondisi operating pressure nya yang sebesar 11 bar. Pada gambar terlihat ketika plant mengalami kenaikan tekanan karena adanya gangguan safety valve dalam kondisi terbuka untuk membuang steam didalam tangki yang tekanannya melebihi dari kondisi ooperating presuure nya. IV. KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisa data pada penelitian tugas akhir ini, dapat ditarik beberapa kesimpulan antara lain: Uji tracking setpoint naik untuk pengendali fuzzy-PID didapatkan nilai ITAE sebesar 3458 dan untuk uji tracking setpoint turun didapatkan nilai 3992. Sedangkan uji tracking setpoint naik menggunakan pengendali PID didapatkan nilai 5455 dan tracking setpoint turun didapatkan nilai 6762. Dari nilai ITAE yang diperoleh pengendali fuzzy-PID memiliki respon/unjuk kerja yang lebih baik disbanding pengendali PID. Uji pengendali fuzzy-PID dengan tambahan gangguan pada steam separator yang berupa kenaikan temperatur sebsar 100 K pada detik ke 40-80 didapatkan nilai ITAE sebesar 7055 dan untuk pengendali PID didapatkan nilai ITAE sebesar 8866. Dari nilai ITAE yang didapatkan menunjukkan juga bahwa pengendali fuzzy-PID memiliki respon/unjuk kerja yang lebih baik disbanding pengendali PID. Pengendali fuzzy-PID mampu menjaga respon tetap berada pada setpoint ketika diberikan noise variance yang berupa kesalahan pembacaan pada transmitter sebesar 0,0043%, 10%, dan 50% dengan nilai ITAE berturut-turut sebesar 7079, 10174, dan 13675. Sedangkan pengendali PID memperoleh nilai berturutturut 8809, 10851, dan 14229. Sistem safety yang diterapkan pada tugas akhir ini berjalan dengan baik untuk menjaga kondisi operasi steam separator pada rentang operasinya sehingga tidak
EPC Total Project Kamojang. 2007. Datasheet for Pressure and Differential Pressure Transmitter. PGE Kamojang. Bandung. http://www.smar.com/en/technicalarticles/newsletter/2012-0327.html diakses pada tanggal 1 maret 2013 pada jam 17.30 Gas Liquid Separator http://www.chemplast.co.uk/gasliquid-separators/gas-liquid-separators.htm/diakses tanggal 4-04-2012 Kocijan dan Likar.2008. Gas–liquid separator modelling and simulation with Gaussian-process models. Elsevier Advanced Technology. University of Nova Gorica, Slovenia. Control Valve Fisher. 2007. Specification for Control Valve. KMJ-20-J5-ES-001-S. PGE Kamojang. Bandung. PT. Sanggar Mulia. 2007. Vendor Document List. PGE Kamojang, Bandung. Wang, S., 2000, Dynamic Simulation, Experimental Investigation and Control System Design of GasLiquid Cylindrical Cyclone Separators, Ph.D. Dissertation, The Discipline of Mechanical Engineering, The University of Tulsa, Oklahoma. Sinthipsomboon, Kwanchai, A Hybrid of Fuzzy and Fuzzy Self-Tuning PID Controller for Servo ElectroHydraulic System, Ali, Emad, 2005, Automatic of Proportional-Integral Controllers Based on Time-Domain Specifications, Journal of Chemical Engineering, King Saud University, Saudi Arabia.
