I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang dan PermasalahanPT Kaltim Parna Industri atau dikenal dengan nama

KPI, adalah pabrik yang memproduksi Anhydrous Ammonia dengan kapasitas produksi 1500 MT/hari. Pada proses pembuatan amoniak di KPI, salah satu kebutuhan utamanya adalah steam. Steam tersebut dihasilkan oleh unit pembangkit steam seperti Package Boiler dan RG Waste Heat Boiler yang berfungsi mengubah boiler feed water yang masih berupa fasa cair menjadi uap atau steam.

Salah satu faktor dominan untuk mendapatkan steam yang berkualitas adalah level fluida cair pada drum. Hal ini disebabkan level air pada drum secara langsung turut mempengaruhi temperatur, tekanan steam yang diinginkan. Apabila level air pada steam drum terlalu tinggi maka akan sangat berbahaya karena campuran steam dan air akan masuk ke steam line. Sedangkan jika level rendah yang artinya jumlah air pada drum berkurang sedangkan pemanasan tetap konstan, maka tekanan akan berubah menjadi lebih tinggi dan jika dibiarkan terus menerus bisa menyebabkan terjadinya ledakan. Untuk mempertahankan agar level air pada drum sesuai dengan keinginan, perlu dilakukan pengendalian terhadap variabel ini secara otomatis sehingga tidak menghambat proses selanjutnya.

Teknologi instrumentasi sistem pengendalian tiga elemen diaplikasikan untuk menjaga kestabilan level water pada steam drum V-0201. Namun pada kenyataannya sistem pengendalian tiga elemen yang diterapkan tidak dapat digunakan untuk menstabilkan level pada steam drum V-0201. Pada saat diterapkan justru terjadi fluktuasi level pada steam drum. Sehingga saat ini hanya diterapkan sistem pengendalian single elemen untuk menstabilkan level fluida cair yang terdapat pada steam drum. Berdasarkan hal tersebut, maka dalam melaksanakan kerja praktek ini

mengambil tema analisis kestabilan sistem pengendalian tiga elemen pada pengendalian level steam drum untuk membahas dan menganalisa sistem yang ada serta memberikan solusi alternatif nilai Kp dan Ti.

1.2 TujuanTujuan dari dilaksanakannya kerja praktek di PT

Kaltim Parna Industri adalah menganalisis kestabilan sistem pengendalian level yang terdapat pada steam drum V-0201 dengan metode Routh Hurwitzh serta mencari desain nilai parameter Kp dan Ti yang baru sehingga diperoleh sistem yang lebih stabil.

II. GAMBARAN UMUM PERUSAHAAN

PT Kaltim Parna Industri (KPI) didirikan pada tanggal 17 Juni 1995 dengan bidang usaha mengoperasikan pabrik amoniak serta melakukan kegiatan industri dan perdagangan. Dengan pemegang saham pada saat itu PT Parna Raya (Parna) sebesar 90% dan YTHT PT Pupuk Kaltim (YTHT) sebesar 10%. Pada bulan Agustus 2001, YTHT menjual dan mengalihkan 5% saham yang dikuasai kepada YDP PT Pupuk Kaltim, sehingga pemegang saham PT KPI adalah PT Parna Raya (25 %), Mitsubishi Corporation (55 %), Asahi Kasei Corporation (10 %), YTHT PT Pupuk Kaltim (5 %), YDP PT Pupuk Kaltim (5 %).

Pada 26 Oktober 2001 firing reformer yang menandai initial start-up dimulai dan pada tanggal 14 November 2001 first drop (tetesan pertama) amoniak terjadi. Performance test pabrik amoniak PT Kaltim Parna Industri dilaksanakan pada tanggal 12-14 Desember 2001. Hasil performance test, yaitu:

1

STUDI DAN ANALISIS KESTABILAN SISTEM PENGENDALIAN THREE ELEMENT PADA UNIT STEAM DRUM V-0201 DENGAN METODE ROUTH HURWITZH DI PT KALTIM PARNA INDUSTRI

Renita Naulita Hutabarat ; Andi Rahmadiansah, ST, MT.Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh NopemberKampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya 60111

ABSTRAKSteam Drum V-0201 di PT Kaltim Parna Industri merupakan sebuah process plant yang berfungsi untuk menghasilkan high

pressure (HP) steam. Level boiler feed water (BFW) pada steam drum secara langsung mempengaruhi temperatur dan tekanan pada steam drum sehingga level BFW pada steam drum penting untuk dikendalikan. Pada awal pabrik mulai dioperasikan, level steam drum dikendalikan oleh sistem pengendalian tiga elemen. Tiga elemen tersebut adalah laju masukan BFW, laju keluaran HP steam, dan level steam drum. Namun saat sistem pengendalian tiga elemen diterapkan, respon level sistem justru mengalami ketidakstabilan. Hal ini dikarenakan respon kontroler yang kurang baik. Sehingga saat ini, PT KPI menerapkan sistem pengendalian single elemen saat proses stabil, dan apabila terjadi perubahan load yang besar, maka pengendalian level akan dikendalikan secara manual oleh operator. Penerapan metode Routh Hurwitzh untuk menganalisis kestabilan sistem menunjukkan adanya pergantian tanda pada kolom pertama tabel Routh Hurwitzh, sehingga berdasarkan kriteria Routh Hurwitzh sistem pengendalian level tiga elemen pada Steam Drum V-0201 adalah tidak stabil. Ketidakstabilan sistem dikarenakan respon kontroler yang kurang baik, yakni pada parameter PID yang terdapat dalam kontroler. Melalui metode Ziegler-Nichols didapatkan hasil tuning nilai parameter terbaik, LICA 0201: Kp=17 dan Ti=45 serta nilai parameter FICA 0220: Kp=10 dan Ti=2, yang menghasilkan max.overshoot 0,017 m dan time settling 119 s.

Kata kunci: Steam Drum, Sistem pengendalian Tiga Elemen, Kestabilan, Routh Hurwitz, Ziegler-Nichols.

1. Total kapasitas produk selama performance test yaitu 4625 Mton. Kapasitas produk rata-rata yaitu 1542 MTPD (Garansi: 1500 MTPD).

2. Kualitas produk amoniak selama performance test, yaitu: Ammonia 99.95 wt%, moisture 0.05 wt%, oil 0.2 wt ppm max, delivery temperature -32,7OC.

3. Konsumsi gas alam rata-rata selama performance test per metric ton amoniak yaitu 7.43 MMkcal LHV atau 29.48 MMBTU LHV (garansi: 7.64 MMkcal).

PT Kaltim Parna Industri terletak dikawasan industri Kaltim Industrial Estate, Bontang, Kalimantan Timur. Untuk pemilihan lokasi pabrik, PT KPI mempertimbangan berbagai faktor antara lain kemudahan dalam memperoleh bahan baku, wilayah pemasaran, transportasi, penyediaan tenaga kerja, utilitas, dan lingkungan.

2.1 Fasilitas Penunjang Proses Produksi PT Kaltim Parna Industri

Pabrik amoniak PT Kaltim Parna Industri (KPI) mempunyai kapasitas terpasang 1500 MTPD dengan konsentrasi produk diatas 99.9 %. Keunikan pabrik amoniak PT Kaltim Parna Industri jika dibandingkan dengan pabrik amoniak lainnya:1. Pengaturan tata letak peralatan atau plot plan pabrik yang

sangat baik sehingga mempermudah pengoperasian, access dan manuver alat-alat berat, serta mempermudah tindakan evakuasi apabila terjadi hal-hal yang tidak diinginkan di dalam pabrik.

2. Semua control valve utama (control valve untuk venting gas, control valve untuk area steam system dan control valve untuk umpan reformer) diletakkan dalam satu elevasi yang sama yaitu pada elevasi 13 m dan terletak dalam satu platform sehingga memudahkan operator melakukan pengoperasian dalam satu komando.

3. Pabrik amoniak KPI juga dilengkapi dengan gas detector berjumlah 34 buah yang ditempatkan di berbagai point dan elevasi dengan tujuan untuk mendeteksi adanya paparan gas di atmosfir yang melebihi ambang batas lingkungan secara lebih dini, akibat kebocoran di peralatan atau pipa, sehingga apabila ada kebocoran gas di area pabrik dapat diketahui dengan segera dan dilakukan pengamanan sistem.

4. PT Kaltim Parna Industri menggunakan DCS (Distributed Control System) dengan sistem double stage monitor yang akan mempermudah operator dalam mengoperasikan pabrik dan pada saat yang bersamaan dapat memonitor trend perubahan kondisi operasi. Sistem ini sangat membantu terutama pada saat start-up dan trouble shooting.

5. Instalasi PHD (Process History Database) sistem yang link dengan DCS sangat membantu dalam hal pelacakan sumber permasalahan (trouble shooting), sehingga setiap ada trouble dapat diselesaikan dengan cepat dan akurat.

2.1.1 STG dan Sistem Kelistrikan PT Kaltim Parna Industri

PT Kaltim Parna Industri memiliki Steam Turbin Generator (STG) yang dapat menghasilkan listrik dengan kapasitas 6 MW. Steam yang digunakan untuk

menggerakkan STG yaitu MP steam. Steam outlet STG dikondensasi di turbine condenser dan kemudian dikirim ke desalination tank. Dengan adanya STG, PT Kaltim Parna Industri memiliki beberapa keuntungan, diantaranya:

1. STG KPI dirancang untuk parallel running dengan GTG (Gas Turbine Generator) PT KDM.

2. Adanya pembagian beban (power sharing) antara STG KPI dengan GTG KDM yang dapat diatur di DCS dengan persentasi yang dapat diubah setiap saat sesuai dengan pertimbangan teknikal dan ekonomikal. Persentasi power sharing antara STG KPI dan GTG KDM pada saat operasi normal yaitu 80% untuk STG KPI dan 20% untuk GTG KDM.

3. Sistem kelistrikan KPI dilengkapi dengan load shedding system yang berfungsi sebagai proteksi tambahan apabila STG KPI atau GTG KDM trip.

4. Mudah untuk melakukan maintenance karena memiliki space yang cukup dan access yang mudah.

5. Pemilihan generator dengan kapasitas 6 MW sangat tepat karena pertimbangan tidak ada idle capacity yang terlalu besar sehingga tidak ada idle investasi yang terlalu besar pula serta start motor-motor besar masih bisa dilakukan karena adanya system synchrone antara STG KPI dan GTG KDM, sehingga starting current untuk motor-motor yang besar akan diambil alih oleh GTG KDM.

Pararel running antara STG KPI dan GTG KDM ini terbuti andal, adanya fluktuasi konsumsi yang mendadak (misalnya saat Sea Water Pump POPKA start up) dapat dihadapi dengan baik. Dengan adanya keterbatasan daya listrik di KDM maka parallel running di KPI ini akan membuat fleksibilitas konsumen listrik KDM untuk start pompa ataupun start pabrik tetap terjamin.

2.1.2 Emergency Diesel GeneratorPT KPI mempunyai dua buah Emergency Diesel

Generator (EDG) dengan kapasitas 900 kVA dan satu buah EDG dengan kapasitas 875 kVA untuk mensupply listrik pada aktivitas loading ammonia. Keunikan EDG yang dimiliki KPI yaitu menggunakan udara sebagai media pendingin sehingga tidak tergantung pada cooling water.

2.1.3 Cooling WaterCooling water PT Kaltim Parna Industri merupakan

closed cooling water system dengan flow sirkulasi sekitar 17.000 m3/jam. Cooling water system terdiri dari 3 cooling water pump dan 6 plate heat exchanger. Pada saat normal operasi hanya ada 2 cooling water pump yang running.

Keunggulan cooling water system PT Kaltim Parna Industri, yaitu:1. Plate heat exchanger diletakkan di elevasi 2,8 m

sehingga NPSH (Net Positive Suction Head) cooling water pump menjadi positif dan kebutuhan powernya menjadi rendah.

2. Mudah untuk melakukan maintenance di plate heat exchanger karena adanya rel untuk fasilitas maintenance dan memiliki space yang cukup.

2.1.4 Project Ammonia Tank dan Jetty

2

PT KPI mempunyai ammonia tank dengan kapasitas bersih 40.000 ton amoniak. Ammonia tank KPI dilengkapi dengan 3 buah BOG compressor dengan kapasitas masing-masing 750 kg/jam dan 3 buah loading pump dengan kapasitas masing-masing 500 ton/jam sehingga fleksibel dalam pengoperasiannya. Tipe ini pada prinsipnya adalah double wall, hanya berbeda inner dan outer wall memakai material yang sama yaitu cold steel atau A 537 Class 1. Inner dan outer wall dirancang mampu dipakai untuk menampung amoniak pada temperatur yang sangat dingin. Letak jetty dekat dengan ammonia tank sehingga kenaikan temperatur amoniak tidak begitu significant dan mengurangi jumlah yang teruapkan di tanker/kapal.

III. TINJAUAN PUSTAKA

3.1 Deskripsi Proses Produksi Steam dan Persiapan BFW

Bolier feed water (BFW) merupakan masukan pada steam drum V-0201 untuk menghasilkan high pressure (HP) steam yang sangat diperlukan dalam proses pembuatan amoniak. Deaerator V-0251 merupakan unit yang berfungsi untuk menghasilkan BFW. Deaerator V-0251 memanaskan air demin yang berasal dari unit demineralisasi dengan cara kontak langsung dengan low pressure (LP) steam untuk menghilangkan gas-gas yang tak terkondensasi, seperti O2. Air yang telah dideaerasi dinamakan air umpan boiler (Boiler Feed Water-BFW). BFW yang keluar dari Deaerator V-0251 dipompa dengan pompa HP BFW P-0251A/B, dimana pada keadaan normal, P-0251A digerakkan oleh steam turbin (beroperasi), sedangkan P-0251B digerakkan oleh motor (standby).

High Pressure (HP) BFW digunakan untuk membuat HP steam dalam RG Waste Heat Boiler (WHB), Steam Drum (V-0201), dan quench water untuk HP steam desuperheater, TV-0212A/B. Medium pressure (MP) BFW digunakan untuk membuat MP steam di dalam auxiliary boiler, Package Boiler H-1101, steam desuperheater lainnya, selain HP steam desuperheater. BFW yang digunakan untuk membuat HP steam dipanaskan dalam V-0213A/B, E-0212A/B, E-0502, dan E-0205, sebelum masuk ke dalam steam drum V-0201.

Produksi steam di pabrik dihasilkan oleh dua buah steam boiler (E-0208 dan E-0501). Air boiler untuk dua steam boiler tersebut disupply dari sirkulasi alami oleh downcomer dari steam drum (V-0201). Saturated HP steam yang dihasilkan dalam V-0201 di superheating (pemanasan lebih lanjut) dalam dua tahap sebelum dikirim ke HP steam header. Superheating pertama terjadi di dalam SG steam superheater (E-500) dan CG steam superhater (E-0209), yang beroperasi secara paralel. Distribusi steam antara dua buah steam superheater adalah dalam split range yang dikontrol oleh TIC-0532.

3.2 Proses pada Steam drum (V-0201)High Pressure (HP) BFW digunakan untuk membuat

HP steam dalam RG Waste Heat Boiler (WHB), yang merupakan heat exchanger penghasil saturated steam tekanan tinggi. RG Waste Heat Boiler sendiri memanfaatkan

heat yang berasal dari gas proses keluaran Secondary Reformer. Pada RG Waste Heat Boiler ini terjadi perpindahan panas antara BFW yang merupakan downcomer dari steam drum V-0201 dengan waste heat gas proses dari Secondary Reformer sehingga dihasilkan steam dengan tekanan tinggi (HP steam).

Saturated steam yang dihasilkan oleh RG Waste Heat Boiler ini kemudian dialirkan ke steam drum (V-0201). Sedangkan air umpan boiler (BFW) dialirkan dari SG BFW Preheater (E-0502) dan BFW Preheater (E-0205). High pressure steam yang dihasilkan kemudian dialirkan ke SG Steam Superheater (E-0500) dan CG Steam Superheater (E-0209). Selain outputan HP steam, steam drum (V-0201) juga mengalirkan air (down comer) untuk RG Waste Heat Boiler (E-0208) dan SG Waste Heat Boiler (E-0501) untuk disirkulasi alami. Sekitar 1,5-1,6 ton/hours waste water dari steam drum di blow down ke blow down drum V-0211 untuk kemudian dialirkan ke water cooling system (WCS) dan kemudian ke Neutralization Pit T-2901.

3.3 Sistem Pengendalian Tiga Elemen pada Steam DrumSistem pengendalian ini bertujuan untuk memanipulasi

laju BFW yang menuju steam drum V-0201 guna mengendalikan level pada steam drum, dengan mempertimbangkan tiga element yakni level steam drum, laju BFW input, dan laju HP steam output. Aktuator sistem pengendalian ini berupa level valve (LV 0201-2).

Strategi sistem pengendalian tergantung pada unit load. Strategi pengendalian tersebut adalah sistem pengendalian single elemen, sistem pengendalian dua elemen, dan sistem pengendalian tiga elemen. Sistem pengendalian single elemen mengukur level dan mengatur laju boiler feed water untuk mengendalikan level pada drum. Sistem ini efektif untuk boiler kecil yang mana perubahan loadnya pelan atau mendekati konstan. Sistem pengendalian dua elemen digunakan pada kondisi steam drum yang mengalami perubahan load tidak lebih dari 25%. Sistem pengendalian tiga elemen mengatur level water pada kondisi steam drum yang mana load dan pressurenya berubah-ubah. Pada sistem pengendalian tiga elemen terdapat tiga elemen atau variabel yang diperhitungkan, yakni laju BFW input, level steam drum V-0201, dan laju HP steam yang keluar dari steam drum.

Sistem pengendalian tiga elemen menggunakan perhitungan Density Compensation dengan menggunakan persamaan dibawah ini:

Y 1=X 4+K 1 ( X 1−X 2 ) x3,5−K 2 {( X 7−X 4 )− ( X 6−X 3 ) }dimana:Y1= hasil perhitungan density compen oleh LY 0201-2X4= nilai process value (PV) dari FT-0220 (laju inlet BFW)X1= nilai set point (SV) dari LICA 0201X7= nilai keluaran FY 0220X6= hasil perhitungan density compen di FY 0217-1, danX3= nilai pada FI 0217 K1, K2= scaling factor

Perhitungan density compensation diperlukan, karena pada steam drum V-0201 terdapat dua fase, yakni fase liquid (water) dan fase vapor (uap). Perubahan tekanan yang

3

terjadi akan mengakibatkan perubahan densitas baik pada liquid (water) maupun vapor (uap) yang terdapat pada steam drum. Hasil perhitungan density compensation kemudian ditransmisikan ke FICA 0220 guna memanipulasi laju BFW yang masuk ke steam drum melalui bukaan LV 0201. Sistem kendali yang dipakai adalah cascade (bertingkat) dengan mode kontrol PI baik itu pada master control maupun slave control.

3.3.1 Deskripsi Sistem Pengendalian Tiga Elemen Level pada steam drum diukur oleh level transmitter

LT 0201 yang kemudian memberikan sinyal pada LY 0201-1 untuk melakukan density compensation. LY 0201-1 juga mendapatkan inputan sinyal berupa data dari pressure transmitter PT 0216. Hasil perhitungan LY 0201-1 dikirimkan pada kontroller LICA 0201, dimana LICA 0201 akan mengirimkan sinyal set point pada LY 0201-2. Pada LY 0201-2 juga dilakukan perhitungan density compensation. LY 0201-2 mendapat inputan data dari FI 0217 (flow outlet dari HP steam yang keluar dari steam drum V0201), serta masukan process value dari FT 0220 yang mengukur laju Boiler Feed Water (BFW) yang akan masuk ke steam drum V0201.

Gambar 3.1 P&ID Steam drum V-0201

Setelah dilakukan kalkulasi, LY 0201-2 memberikan sinyal set point pada FICA 0220 untuk kemudian FICA 0220 memberikan sinyal pada control valve LV 0201 untuk melakukan proses membuka atau menutup aliran BFW dengan presentase tertentu.

3.3.2 Pengendalian Flow BFW oleh FICA 0220Laju aliran boiler feed water yang berasal dari

Deaerator yang akan masuk pada steam drum V-0201 dikendalikan oleh FICA 0220. FT 0220 mengukur laju aliran BFW yang telah dipompa oleh P-0251A untuk menuju pada steam drum V-0201. Sebagaimana yang telah dijelaskan pada uraian di atas bahwa FICA 0220 mendapatkan inputan nilai set point dari LY 0201-2 untuk kemudian ditransmisikan ke level valve LV 0201-2.

Gambar 3.2 P&ID Pengendalian Flow BFW

3.3.3 Indikator Flow HP Steam-output oleh FIA 0217Laju aliran HP steam yang keluar dari steam drum V-

0201 diukur oleh FT 0217 yang kemudian oleh FY 0217 dikalkulasikan dan kemudian didisplaykan pada FI 0217. FI 0217 memberikan sinyal data pada LY 0201-2 yang mengkalkulasikan density compensation untuk kemudian memberikan sinyal pada FICA 0220, untuk mengendalikan laju aliran BFW yang masuk pada steam drum V-0201.

Gambar 3.3 P&ID Indikator Flow HP Steam-output

3.3.4 Indikator Pressure pada Steam drum oleh PIA 0216

4

Gambar 3.4 P&ID Indikator Pressure

Pressure pada steam drum V-0201 diukur oleh pressure transmitter PT 0216, yang kemudian memberikan sinyal pada PIA 0216. PIA 0216 memberikan sinyal pada FY 0217 dalam rangka perhitungan density compensation, untuk kemudian didisplaykan pada flow indicator FI 0217. Sinyal data dari FT 0217 dikirimkan pada LY 0201-2 dan kemudian hasil perhitungan density compensation dikirimkan pada FICA 0220 dan LV 0201-2 untuk memanipulasi laju aliran boiler feed water yang akan masuk ke steam drum V-0201. 3.4 Kestabilan Sistem Pengendalian

Sistem pengendalian proses merupakan gabungan dari kerja komponen-komponen yang digunakan untuk mempertahankan variabel yang dikendalikan (process variable) pada suatu nilai tertentu (set point). Seiring perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi suatu sistem pengendalian sudah memakai unit kontroler otomatis. Hakekat utama dari sistem pengendalian adalah menjaga suatu process variable agar selalu sama atau paling tidak mendekati nilai set point, sehingga sistem tersebut bisa dikatakan berjalan dengan stabil.

Gambar 3.5 Diagram Blok Sistem Pengendalian Tertutup

Suatu sistem linear (LTI/Linear Time Invariant) dikatakan stabil jika respons natural sistem tersebut mendekati nol pada waktu mendekati tak terhingga. Sistem LTI dikatakan tidak stabil jika respons natural meningkat tanpa batas jika waktu mendekati tak terhingga.

3.5 Analisa Kestabilan Metode Routh HurwitzhTerdapat beberapa metode untuk mengetahui suatu

sistem berjalan dengan stabil atau tidak. Misalnya dengan menggunakan metode Routh Hurwitzh, Root Locus, dan sebagainya. Untuk menguji kestabilan sistem pengendalian level, disini metode yang akan diterapkan adalah menggunakan metode Routh Hurwitzh. Fungsi transfer dari persamaan polinomial orde n adalah sebagai berikut:

C( s )R( s )

=bo sm+b1 sm−1+b2 sm−2+. .. .+bm−1 s+bm

ao sn+a1 sn−1+. .. .+an−1 s+an

=B(s )A (s )

(1)

Prosedur kriteria kestabilan diambil persamaan karakteristik yang merupakan denumerator dari fungsi alih loop tertutup.

a0 sn+a1 sn−1+…+an−1 s+an (2)

Jika suatu sistem mempunyai fungsi alih loop tertutup sbb:

Gambar 3.6 Fungsi Alih Sistem Loop Tertutup

Maka dari persamaan fungsi alih di atas, dapat disusun metode Routh-Hurwitz sebagai berikut :

Tabel 3.1 Kriteria Routh Hurwitzh

Banyaknya akar tidak stabil = banyaknya perubahan tanda pada kolom pertama tabel Routh Hurwitz. Sistem pengendalian level steam drum menggunakan sistem pengendalian tiga elemen meliputi laju fluida masuk, level fluida dalam steam drum, dan laju HP steam keluar. Sistem pengendalian level tiga elemen pada steam drum merupakan blowdown sistem, dimana fluida cair akan dialirkan menuju SG Waste Heat Boiler E-0501 dan RG Waste Heat Boiler E-0208 kemudian dipompakan kembali ke dalam Steam Drum. Siklus ini terjadi secara kontinu sehingga laju perpindahan massa pada blowdown sistem dapat diabaikan.

IV. ANALISIS KESTABILAN SISTEM PENGENDALIAN TIGA ELEMEN PADA STEAM

DRUM (V-0201) DI PT KALTIM PARNA INDUSTRI

4.1 Ketidakstabilan Sistem Pengendalian Tiga ElemenPengambilan tema kerja praktek ini didasarkan pada

respon sistem yang justru berosilasi pada saat sistem pengendalian tiga elemen diterapkan. Kondisi ini terjadi pada awal pabrik mulai dioperasikan (beberapa tahun lalu). Meskipun tidak terjadi perubahan load/beban BFW yang berubah-ubah, kondisi level steam drum V-0201 tetap mengalami ketidakstabilan, sehingga ketika operasi berlangsung, level pada steam drum justru mengalami osilasi dan menjadi tidak stabil. Namun ketika pengendalian single elemen diterapkan, pada kondisi operasi normal level steam

5

drum pun mengalami kestabilan dan hanya berosilasi kecil pada range level set point (Gambar 4.1). Menurut hasil pengamatan engineer di PT PKI, pengendalian tiga elemen menjadi tidak stabil dikarenakan respon controller yang kurang baik, sehingga penerapan pengendalian tiga elemen justru membuat level pada steam drum menjadi tidak stabil.

Penerapan pengendalian single elemen akan mengakibatkan ketidakstabilan level pada steam drum, apabila terjadi kondisi perubahan load/beban yang besar (bisa terjadi pada saat pabrik dalam kondisi trip) sehingga apabila kondisi terjadi perubahan load/beban yang besar, maka pengendalian level akan dikendalikan secara manual oleh operator.

Gambar 4.1 di bawah merupakan respon sistem pada saat pengendalian single elemen diterapkan. Dapat dilihat pada Gambar 4.1 bahwa set point level yang ditentukan pada steam drum adalah 1,41 meter sedangkan sistem berosilasi pada kisaran 1,404-1,414 meter. Ketinggian level ini tidak bersifat membahayakan, karena osilasi yang terjadi kecil dan tidak terlalu tinggi.

Gambar 4.1 Respon Level pada Sistem Pengendalian Single Elemen

4.2 Dinamika Proses dan Pemodelan Matematis Sistem 4.2.1 Pemodelan Matematis Plant (Steam Drum)

Untuk memodelkan steam drum digunakan hukum kesetimbangan massa. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah massa yang masuk ke dalam sistem sebanding dengan jumlah massa yang keluar dari sistem serta massa yang terakumulasi dalam sistem itu sendiri. Masukkan pada steam drum adalah laju boiler feedwater (BFW) dan keluarannya adalah laju HP steam output dan waste water yang di blowdown ke blow down drum V-0211 . Untuk massa yang terakumulasi di dalam steam drum menunjukkan level. Terdapat pula keluaran yang diabaikan pada pemodelan dari steam drum yaitu laju blowdown ke SG Waste Heat Boiler E-0501 dan RG Waste Heat Boiler E-0208. Siklus ini terjadi secara kontinu dimana laju blowdown akan diumpan balik ke steam drum itu sendiri sehingga laju perpindahan massa pada blowdown ke SG Waste Heat Boiler E-0501 dan RG Waste Heat Boiler E-0208 dapat diabaikan.

Dengan menggunakan persamaan hukum kesetimbangan massa (kontinuitas), maka model matematis proses steam drum dapat dimodelkan sebagai berikut. Persamaan kesetimbangan massa input dan massa output:

[ laju perubah anmassa

dlm steam drum ]=[ lajumassaBFWinput

]−[ lajumassasteamoutput

]−[ lajumassa

blowdown]ρw

dV L

dt+ ρv

dV v

dt=mw−mb−mv

dimana:

ρw

dV L

dt=¿ laju perubahan massa liquid dalam

steam drum mw = laju massa water input

mb = laju massa blow down (output)

mv = laju massa vapor output

ρ v

dV v

dt=¿ laju perubahan massa vapor dalam steam

drum

Sehingga transfer function dari plant adalah:

H (s )= −1,41(1221,32 ) s

4.2.2 Pemodelan Matematis Kontroler Apabila dinginkan respon proses tidak berosilasi, maka

dapat digunakan mode integral (I) karena mode kontrol ini dapat membuat respon proses menuju ke set point secara eksponensial. Secara matematis mode kontrol ini dapat dituliskan sebagai berikut :

m( t )=Kp .e( t )+ 1Ti

.∫ e( t ) .dt

Kp menyatakan kepekaan proposional dan Ti menyatakan waktu integral. Baik Kp maupun Ti dapat diatur.Fungsi alihnya:

M (s)E(s)

=K p(T i s+1)

T i s

4.2.3 Pemodelan Matematis AktuatorAktuator yang digunakan adalah Control Valve, yang

berfungsi untuk mengendalikan level pada steam drum. Untuk control valve dengan tipe I/P Converter yang mengubah sinyal input 4-20 mA menjadi sinyal pneumatic 3-15 psig, dan akan mengoperasikan control valve LV 0201-2. Dalam hal ini, control valve memiliki masukan sinyal berupa arus listrik kemudian diubah menjadi tekanan untuk menggerakkan stem control valve. Karakteristik dari control valve adalah equal percentage normally close.

Fluida yang mengalir pada LV 0201-2 adalah boiler feed water (BFW) dengan laju aliran maksimum 261 ton/hours dan laju aliran minimum adalah 79 ton/hours. LV 0201-2 merupakan control valve criteria Air to Open (fail closed), dimana pada sinyal 4mA control valve menutup sedangkan pada sinyal 20mA control valve memiliki laju aliran maksimum.

6

Model matematik control valve diperoleh dengan persamaan:

mb ( s )U ( s )

=K v

τ v s+1dengan

mb (s ) = laju aliran BFW yang termanipulasi (kg/s)

U (s ) = sinyal masukan ke control valve (Amp)

K tot = gain total control valve

τ v = time konstan control valve (s)

Untuk menghitung gain control valve dengan menggunakan persamaan :

GV =( Span OutputSpan Input )

dimana span input adalah arus yang masuk dari controller yaitu 4-16 mA sedangkan span output adalah laju aliran Boiler Feed Water (BFW) dengan laju aliran max: 261 t/h=72,5 kg/s dan laju aliran min: 79 t/h= 21,9 kg/s, maka didapatkan:

G(v) =72,5−21,9

20−4 = 3,1625 kg/s mA

dimana span input adalah arus yang masuk dari controller yaitu 4-20 mA.Gain I/P,

Gτ=15−3 (psi)20−4(mA)

=0,75 psi/mA

Sehingga diperoleh gain total control valve:

Kv = Gv.Gτ

= 3,1625 . 0,75 = 2,37 (kg dt/mA)

Time constant efektif control valve diperoleh berdasarkan hubungan waktu stroke, perfreksional terhadap posisi valve dan perbandingan konstanta waktu inferent terhadap waktu stroke yang dinyatakan:

T Cv=Tv .(∆ V +Rv)denganT Cv=¿ time constant control valve (dt)

Tv=¿ waktu stroke penuh (1,3 dt)Rv = perbandingan konstanta waktu inverent terhadap waktu stroke (Rv = 0,03)

∆ V =aliran max−aliran minaliran max

=72,5−21,972,5

=0,69

T Cv=1,3. (0,69+0.03 )=0,94

M s(s )G τ(s)

= 2,370,94 s+1

4.2.4 Pemodelan Matematis Sensor dan Transmitter4.2.4.1 Flow Transmitter FT 0220

Untuk mendeteksi laju aliran Boiler Feed Water keluaran dari Deaerator V-0251 yang dialirkan menuju steam drum, maka digunakan FT 0220. FT 0220 merupakan D/P transmitter, yang mentransmisikan sinyal dengan range 4-20 mA. Dengan range laju aliran 360-0 ton/hours atau 100-0 kg/s dan time konstan sebesar 0,2 detik. Untuk menghitung gain dari transmitter menggunakan persamaan :

GT=( SpanOutputSpan Input )

dimana span input adalah laju aliran dari Boiler Feed Water (BFW), sedangkan sebagai span output adalah arus yang ditransmisikan oleh flow transmitter FT 0220. Didapatkan gain transmitter dari persamaan diatas sebagai berikut :

GT=( I max−I min

Fmax−Fmin) GT=0,16

mAkg /s

sehingga pemodelannya menjadi:I (s)L(s)

= 0,160,2 s+1

4.2.4.2 Level Transmitter LT 0201Level yang diukur oleh LT 0201 adalah level atau

ketinggian dari water yang terdapat pada steam drum. LT 0201 merupakan D/P transmitter, yang mentransmisikan signal sebesar 4-20 mA DC. Measurement length LT 0201 adalah 800 mm (0,8 m) dan time konstan sebesar 0,2 detik.

Untuk menghitung gain dari transmitter menggunakan persamaan:

GT=( SpanOutputSpan Input )

dimana span input adalah level dari Water atau liquid yang terdapat pada steam drum, sedangkan sebagai span output adalah arus yang keluar dari level transmitter. Maka didapatkan gain transmitter dari persamaan diatas sebagai berikut :

GT=( I max−I min

T max−T min) GT=20 mA /m

sehingga pemodelannya menjadi:I (s)L(s)

= 200,2 s+1

4.2.4.3 Flow Transmitter FT 0217Flow yang diukur oleh FT 0217 adalah flow atau laju

aliran HP steam keluaran dari steam drum V-0201. FT 0217 merupakan D/P transmitter, yang mentransmisikan signal sebesar 4-20 mA DC. Dengan range laju aliran 360-0 ton/hours atau 100-0 kg/s dan time konstan sebesar 0,2 detik.

Untuk menghitung gain dari transmitter menggunakan persamaan :

GT=( SpanOutputSpan Input )

7

dimana span input adalah laju aliran dari HP steam, sedangkan sebagai span output adalah arus yang ditransmisikan oleh flow transmitter FT 0217. Didapatkan gain transmitter dari persamaan diatas sebagai berikut :

GT=0,16mAkg /s

sehingga pemodelannya menjadi:I (s)L(s)

= 0,160,2 s+1

4.3 Diagram Blok Sistem PengendalianSetelah memodelkan beberapa komponen dari sistem

pengendalian, maka selanjutnya memasukkan komponen-komponen tersebut disusun pada suatu blok diagram pengendalian.

Gambar 4.2 Diagram Blok Sistem Pengendalian Level Tiga Elemen

4.4 Uji Kestabilan Sistem Pengendalian Tiga Elemen dengan parameter Kp dan Ti real dengan metode Routh Hurwitzh

Digunakan metode Routh Hurwitzh untuk mengetahui kestabilan dari sistem.

- Sistem Pengendalian Tiga ElemenUji parameter PI untuk LICA 0201; Kp=0,333 Ti=1200 dan FICA 0220; Kp=0,833 Ti=60

Transfer function:

¿ 1893,3 s4+18966,9 s3+47667,7 s2+826,9 s+0,6563,3.106 s6+3,6. 107 s5+1,23.108 s4+1,16.108 s3+1,42. 106 s2+1,6.104 s−13,12

Tabel 4.1 Perhitungan Routh Hurwitzh Sistem Pengendalian Tiga Elemen

S6 3306371 123390953 1.42E+06 -13.12

S5 36581126 116006115 16535.81  

S4 112905784.9 1401447.536 -13.1202  

S3 115552050.3 15449.77332    

S2 1386351.579 -13.1202    

S1 14356.208      

S0 -13.1202      

Menurut kriteria Routh Hurwitzh, sistem akan stabil jika semua elemen pada kolom pertama tabel Routh Hurwitzh bernilai positif. Pada tabel 4.2 diatas dapat dilihat bahwa terdapat pergantian nilai menjadi negatif pada kolom pertama. Jadi dapat disimpulkan bahwa dengan nilai

parameter LICA 0201: Kp=0,333 Ti=1200 dan nilai parameter FICA 0220; Kp=0,833 Ti=60, sistem pengendalian level tiga elemen pada Steam drum V-0201 di PT Kaltim Parna Industri adalah tidak stabil.

4.5 Uji Kestabilan Sistem Pengendalian Single elemen dengan parameter Kp dan Ti real

Bentuk diagram blok sistem pengendalian single element pada steam drum V-0201 adalah sebagai berikut:

Gambar 4.3 Diagram Blok Sistem Pengendalian Single elemen

Digunakan metode Routh Hurwitzh untuk mengetahui kestabilan dari sistem.- Sistem Pengendalian Single Elemen

Uji parameter PI untuk LICA 0201; Kp=0,333 Ti=1200

Transfer function:

¿ 188.4104 S4+942.2098+0.789¿¿

Tabel 4.2 Perhitungan Routh Hurwitzh Sistem Pengendalian Single elemen

S4 2.74E+05 1.46E+06 15.78

S3 1.66E+06 1.80E+04  

S2 1.46E+06 1.58E+01  

S1 1.80E+04    

S0 15.78    

Menurut kriteria Routh Hurwitzh, sistem akan stabil jika semua elemen pada kolom pertama tabel Routh Hurwitzh bernilai positif. Pada tabel 4.3 diatas dapat dilihat bahwa tidak terdapat pergantian nilai menjadi negatif pada kolom pertama. Jadi dapat disimpulkan bahwa dengan nilai parameter LICA 0201: Kp=0,333 Ti=1200, sistem pengendalian level single elemen pada Steam drum V-0201 di PT Kaltim Parna Industri adalah stabil.

4.6 Penentuan ulang nilai Kp dan Ti pada sistem pengendalian Tiga Elemen dengan metode Ziegler-Nichols

Sistem pengendalian seperti pada Gambar 4.2 merupakan sistem pengendalian cascade atau bertingkat. Dalam mendesain sistem cascade maka dilakukan tuning pada primary loop atau master dan pada secondary loop atau slave.Pada secondary loop:

8

Mp(s)u(s)

=Kp(1+ 1

Ti s )( 2,370,94 s+1 )

1+ Kp(1+ 1Ti s )( 2,37

0,94 s+1 )( 0,160,2 s+1 )

Unsur Ti dihilangkan, maka persamaan menjadi:

Mp(s)u(s)

=Kp( 2,37

0,94 s+1 )1+ Kp( 2,37

0,94 s+1 )( 0,160,2 s+1 )

Mp(s)u(s)

=Kp (2,37 )(0,2 s+1)

0,188 s2+1,14 s+(1+0,379 Kp)

Maka digunakan metode Routh-Hurwitz untuk menentukan nilai Kp.

Tabel 4.3 Kriteria Routh Hurwitzh Secondary LoopS2 0,188 1+0,379KpS1 1,14S0 1+0,379Kp

Berdasarkan metode Routh Hurwitzh sistem akan stabil dengan nilai Kp>0. Penalaan nilai Kp dan Ti dilakukan dengan cara trial dan error dan didapatkan nilai sebagai berikut:

Kp = 10Ti = 2 detik

Primary loop:Setelah didapatkan nilai parameter Kp dan Ti yang dilakukan dengan cara trial dan error, maka nilai parameter Kp dan Ti tersebut dimasukkan dalam persamaan secondary loop.

Mp(s)u(s)

=Kp(1+ 1

Ti s )( 2,370,94 s+1 )

1+ Kp(1+ 1Ti s )( 2,37

0,94 s+1 )( 0,160,2 s+1 )

Mp(s)u(s)

=(47,4 s+23,7 )(0,2 s+1)

0,376 s3+2,28 s2+9,58 s+3,79

Persamaan secondary loop telah terselesaikan, maka setelah itu dilakukan penyederhanaan persamaan primary loop dengan hanya memasukkan nilai Kp dan menghilangkan nilai Ti. Sehingga penentuan nilai Kp kritis (Kcr) dari sistem dapat dilakukan.

Transfer function:

¿Kp ( 47,4 s+23,7 )(0,2 s+1)2

91,84 s5+1016,2 s4+5125,4 s3+ (12630+189,6 Kp ) s2

❑(4639,21+1042,8 Kp ) s+(379+474 Kp)

Penentuan nilai parameter Kp dilakukan dengan metode Routh Hurwitzh.

S5 : 91,84 5125,4 4639,21+1042,8Kp

S4 :1016,2 12630+189,6Kp 379+474Kp

S3:(3983,95-17,14Kp) (

1,97. 105 Kp2+1,17. 107 Kp+5,6. 107)

S2 : −2.01 .108 Kp2−1,17. 1010 Kp−5,68.1010

3983,9−17,135 Kp

379+474Kp

S1 :

−3,9.1013 Kp4−4,6. 1015 Kp3−1,6. 1017 Kp2−1,32.1018 Kp−3,18. 108

−2.01.108 Kp2−1,17. 1010 Kp−5,68.1010

S0 : 379+474Kp

Berdasarkan perhitungan metode Routh Hurwitzh, maka nilai Kp yang memenuhi syarat kestabilan adalah 0<Kp<232,5. Kp kritis adalah batas kestabilan dari suatu sistem. Nilai KP kritis sistem (Kcr) adalah 232,5. Periode (Pcr) dari sistem yang berosilasi saat nilai Kcr dimasukkan adalah 0,078 detik. maka, berdasarkan tabel 3.3 maka diperoleh nilai parameter PI sebagai berikut:

Kp= 104,5Ti = 0.065 detik

Apabila nilai LICA 0201 Kp=104,5;Ti=0,065 dan nilai parameter FICA 0220 Kp=10;Ti=2 di simulasikan pada Matlab 7.1 maka didapatkan hasil yang berosilasi pada level 1,2-1,6 meter.

Desain ulang parameter Kp dan Ti pada loop sistem pengendalian secara keseluruhan, melalui simulasi Matlab 7.1 dengan nilai parameter LICA 0201: Kp=17 dan Ti=45 dan nilai parameter FICA 0220: Kp=10 dan Ti=2 (yang dilakukan dengan cara trial dan error), maka didapat respon sistem seperti pada Gambar 4.4. Dari hasil simulasi, waktu yang diperlukan oleh sistem untuk mencapai keseimbangan adalah 119 detik. Terdapat osilasi perubahan level BFW pada steam drum yang kecil pada kisaran 1,409-1,413 meter. Set point ditentukan pada 1,41 meter. Sehingga didapatkan maximum overshoot = 0,017 meter dan time constant= 119 sekon.

9

Gambar 4.4 Respon Sistem Pengendalian Level Steam drum

4.7 Uji Kestabilan Sistem Pengendalian Tiga ElemenUntuk mengetahui kestabilan dari suatu sistem maka

dilakukan suatu analisa uji kestabilannya. Ada banyak cara yang bisa dilakukan antara lain dengan Routh Hurwitz. - 3 elemen kontrol

Uji Parameter PI untuk LICA 020: Kp=17 dan Ti=45 dan FICA 0220: Kp=10 dan Ti=2.

Transfer Function:

¿ 1,4. 103 s4+1,5. 104 s3+4,4.102s2+1,9 s+402,94,1. 103 s6+4,5. 104 s5+2,3. 105 s4+7,1.105 s3+1,01. 106 s2+3,8.105 s+8058

Tabel 4.4 Kriteria Routh Hurwitzh Primary Loop

S6 4132.95 230609.6 1009261 8058

S5 45726.21 713214.3 380337.6  

S4 166145.9 886283.2 8058  

S3 469294 373853.1    

S2 753926.6 8058    

S1 368837.3      

S0 8058      

Menurut kriteria Routh Hurwitzh, sistem akan stabil jika semua elemen pada kolom pertama tabel Routh Hurwitzh bernilai positif. Pada Tabel 4.4 diatas dapat dilihat bahwa tidak terdapat pergantian nilai menjadi negatif pada kolom pertama. Jadi dapat disimpulkan bahwa dengan nilai parameter LICA 0201: Kp=17 dan Ti=45 dan nilai parameter FICA 0220: Kp=10 dan Ti=2, sistem pengendalian level Tiga Elemen pada Steam drum V-0201 di PT Kaltim Parna Industri adalah stabil.

V. PENUTUP

5.1 Kesimpulan Setelah melakukan Kerja Praktek di PT Kaltim Parna

Industri dengan mempelajari sistem pengendalian tiga elemen pada unit Steam Drum V-0201 di Reformer Section untuk dianalisa kestabilan sistem pengendalian levelnya dengan metode Routh Hurwitzh, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:1. Sistem pengendalian tiga elemen untuk mengendalikan

level BFW pada steam drum V-0201, mengalami ketidakstabilan dikarenakan kontroler yang tidak memberikan respon yang baik pada sistem.

2. Berdasarkan teori kestabilan Routh Hurwitzh, uji kestabilan sistem untuk parameter LICA 0201 dan FICA 0220 real, didapatkan hasil bahwa sistem pengendalian tiga elemen memang tidak stabil.

3. Sedangkan, uji kestabilan pada sistem pengendalian single elemen untuk parameter LICA 0201 real, didapatkan hasil bahwa sistem pengendalian single elemen adalah stabil.

4. Untuk desain parameter Kp dan Ti: berdasarkan hasil simulasi sistem pengendalian tiga elemen didapatkan hasil tuning terbaik melalui metode Ziegler-Nichols dengan nilai parameter LICA 0201: Kp=17 dan Ti=45 serta nilai parameter FICA 0220: Kp=10 dan Ti=2, yang menghasilkan max.overshoot 0,017 m dan time settling 119 s.

5.2 SaranBerdasarkan hasil analisa data, maka dapat diberikan

saran sebagai berikut:1. Penentuan kestabilan sistem pengendalian suhu dapat

dilakukan dengan metode yang lain yang lebih komplek, seperti Metode Root-Locus.

2. Perlu dilakukan penelitian ulang pada desain kalkulasi density compensation pada DCS dan disimulasikan untuk mendapatkan respon terbaik dari sistem pengendalian tiga elemen.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Abadi, Imam. 2009. Simulasi Pengendalian Level Steam Drum Dengan Pengendali PID Berbasis Fuzzy Gain Sheduling. Surabaya : ITS

[2] Gunterus, Frans. 1997. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Jakarta : Elex Media Komputindo.

[3] Instruction Manual for Control Valve (Masoneilan) PT Kaltim Parna Industri.

[4] Instruction Manual for DCS. 4th edition: Apr.2000. Yokogawa Electric Corporation.

[5] Manual Operation Book PT Kaltim Parna IndustriMcMillan, Gregory K. 2000.

[6] Good Tuning: A Pocket Guide. Amerika: Instrument Society of America.

[7] P& ID dan Manual Book Spesifikasi Instrumentasi PT Kaltim Parna Industri.

[8] Ogata, Katsuhiko. 1993. System Dynamics. New Jersey : Prentice Hall Inc.

[9] Ogata, Katsuhiko.1993. Teknik Kontrol Automatik. Jakarta : Erlangga.

Biodata Penulis:Nama : Renita Naulita HutabaratNRP : 2407 100 040TTL : Bondowoso, 21 Januari 1989Alamat : Keputih Perintis I/12Riwayat Pendidikan:

SDN Lebo Sidoarjo (1996-2001) SMP Negeri 1 Sidoarjo (2001-2004) SMA Negeri 1 Sidoarjo (2004-2007)

10

Jurusan Teknik Fisika ITS (2007- skrg)

11