-
Abstrak Steam drum adalah salah satu komponen penting dalam
pabrik amonia, karena
steam merupakan salah satu bagian terpenting bagi
pabrik amonia selain sebagai bahan baku produksi,
pemanas, ejektor juga sebagai penggerak sebagian
besar turbin penggerak. Dalam sistem steam drum, menjaga agar
level berada pada nilai yang benar
adalah sangat penting. Level air yang terlalu tinggi
menyebabkan berkurangnya kualitas uap yang
dihasilkan. Level air yang terlalu rendah
menyebabkan berkurangnya efisiensi treatment dan
fungsi resirkulasi. Lebih jauh lagi, terlalu rendahnya
level air menyebabkan perubahan bentuk fisik drum
dikarenakan panas berlebih. PT Pupuk Kujang
memiliki sistem kendali 1 elemen dan 3 elemen yang
dapat di-switch untuk mengendalian level air dalam
steam drum.
Keywords Steam drum, Steam drum testing, IEC, PT. Pupuk
Kujang.
I. PENDAHULUAN
Steam drum adalah salah satu komponen pada
boiler pipa air yang berfungsi sebagai reservoir
campuran air dan uap air, dan juga berfungsi untuk
memisahkan uap air, dengan air pada proses
pembentukan uap superheater. Uap yang dihasilkan oleh
steam drum sangat mempengaruhi hasil dari produksi
amonia, karena masih banayak alat produksi di pabrik
amonia yang menggunakan uap sebagai turbin
penggerak, proses, ejektror dan pemanas.
PT. Pupuk Kujang adalah perusahaan penghasil
pupuk terbesar di daerah Jawa Barat, Indonesia. PT.
Pupuk Kujang berlokasi di Cikampek, Jawa Barat,
perusahaan ini memiliki dua buah pabrik amonia yaitu
Pabrik Amonia K1A dan K1B dengan kapasitas
terpasang yang sama yaitu masing masing 330.000 ton/tahun dengan
menggunakan teknologi Low Process
Energy pada pabrik Amonia K1B.
Makalah ini akan membahas tentang bagaimana
cara kerja steam drum, hubungan level dan volume dalam
steam drum, fungsi transfer dan diagram blok sistem
pengaturan level steam drum, dan Piping &
Instrumentation Diagram PT Pupuk Kujang 101-F, serta
metode pengaturan level yang cocok digunakan pada
steam drum.
II. STEAM DRUM
Steam drum adalah salah satu komponen pada
boiler pipa air yang berfungsi sebagai reservoir
campuran air dan uap air, dan juga berfungsi untuk
memisahkan uap air, dengan air pada proses
pembentukan uap superheater. Namun tidak semua
boiler pipa air (water tube) yang menggunakan steam
drum ini. Boiler supercritical beroperasi pada tekanan
sangat tinggi di atas tekanan kritis, sehingga tidak
dimungkinkan terbentuk gelembung gelembung uap air, karena
itulah boiler supercritical tidak memerlukan
steam drum untuk memisahkan air dengan uap air.
Dalam sistem steam drum, menjaga agar level
berada pada nilai yang benar adalah sangat penting. Level
air yang terlalu tinggi menyebabkan berkurangnya
kualitas uap yang dihasilkan. Level air yang terlalu
rendah menyebabkan berkurangnya efisiensi treatment
dan fungsi resirkulasi. Lebih jauh lagi, terlalu rendahnya
level air menyebabkan perubahan bentuk fisik drum
dikarenakan panas berlebih. PT Pupuk Kujang memiliki
sistem kendali 1 elemen dan 3 elemen yang dapat di-
switch untuk mengendalian level air dalam steam drum.
2.1 Grafik Hubungan Level dan Volume Steam Drum
Setelah diketahui dimensi dari steam drum, dapat
diketahui hubungan antara level dan volume air dalam
steam drum dengan membayangkan steam drum sebagai
sebuah silinder dengan diameter 1619,46 mm (data HMI)
dan panjang 10.820,9 mm (data spesifikasi). Alasan kami
menggunakan data HMI untuk nilai diameter adalah
karena saat simulasi kami akan menyamakan hasilnya
dengan data HMI. Hubungan antara level dan volume air
dalam steam drum adalah
= 2 [(
2)2 ( )2 + 1 (
)] + 1,0487
Keterangan:
V : Volume (m3)
H : Level (m)
r : Radius (m)
Dengan menggunakan software Matlab, didapatkan
plot antara nilai level dan volume air dalam steam drum
adalah sebagai berikut.
SISTEM PENGATURAN LEVEL STEAM DRUM (A-101-F)
PABRIK AMONIA 1B PT. PUPUK KUJANG
Muhammad Iqbal Fauzi, Mochamad Farid Mustofa, Benny Adijaya
Joesoep
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Indutri, Institut
Sepuluh Nopember
Surabaya(ITS)
E-mail: [email protected];
[email protected];
[email protected]
-
Gambar 1 Grafik Level dan Volume Air dalam Steam
Drum
2.2 Piping & Instrumentation Diagram
Berikut merupakan P&ID dari sistem pengendalian
level air steam drum di PT Pupuk Kujang Cikampek.
Dalam P&ID berikut, instrumen yang ditampilkan hanya
beberapa yang menurut kami relevan dengan sistem
pengendalian level air steam drum.
Gambar 2 P&ID dari Sistem Pengendalian Level Air
Steam DrumTransformer Construction
2.3 Fungsi Transfer Steam Drum
Untuk dapat menganalisa performa kendali 1
elemen dan 3 elemen melalui simulasi, terlebih dahulu
harus diketahui fungsi transfer dari plant yang
dikendalikan, dalam hal ini steam drum.
Fungsi transfer level steam drum diturunkan
dengan cara yang sama dengan cara menurunkan fungsi
transfer level tangki pada buku Modern Control
Engineering, 3rd edition karya Katsuhiko Ogata.
Menurut buku Modern Control Engineering, 3rd
edition karya Katsuhiko Ogata, Fungsi transfer level
tangki dengan input aliran masuk adalah sebagai berikut: ()
()=
+ 1
Keterangan:
H : Level
Qi : Aliran masuk
R : Resistansi C : Kapasitansi
Resistansi R untuk aliran cairan dalam pipa
didefinisikan sebagai perbandingan antara perubahan
level dan perubahan aliran.
=
Untuk aliran yang turbulen (aliran yang terjadi pada
kebanyakan proses industri), nilai R dapat didekati
dengan
=2~
~
Keterangan:
R : Resistansi
~ : Level steady-state ~ : Aliran steady-state
Kapasitansi C sebuah tangki didefinisikan sebagai
perubahan volume cairan yang dibutuhkan untuk
merubah level sebesar nilai tertentu.
=(3)
()
Nilai level steam drum saat steady-state adalah
0,8988 m, sedangkan nilai flow out steam drum saat
steady-state adalah 0,0507 m3/s. dari grafik hubungan
level dan volume air steam drum diketahui bahwa saat
level bernilai 0,8988 m, volume air dalam steam drum
adalah 12,7936 m3 sehingga nilai R adalah
=2 0,8988
0,0507
R = 35,4556
Dan nilai C adalah
=12,7936
0,8988
= 14,2341
Sehingga fungsi transfer steam drum adalah ()
()=
35,4556
504,6789 + 1
2.4 Diagram Blok Sistem Pengaturan Level Steam
drum
Dilihat dari P&ID sistem pengaturan level steam
drum, dapat digambarkan blok diagramnya adalah
sebagai berikut. Perlu diperhatikan bahwa diagram blok
dibuat dengan mengabaikan faktor tekanan. Hal ini
dilakukan agar simulasi tidak menjadi terlalu rumit.
Blok diagram sistem kendali 1 elemen
-
Gambar 3 Blok Diagram Sistem Kendali 1 Elemen
Blok diagram sistem kendali 3 elemen
Gambar 4 Blok Diagram Sistem Kendali 3 Elemen
III. SPESIFIKASI SIMULASI STEAM DRUM
Berikut ini adalah spesifikasi steam drum (101-F)
Pabrik Amonia 1B PT. Pupuk Kujang yang digunakan
untuk simulasi:
Tipe : Vessel
Asal : Kellog Overseas Corporation (Amerika)
Material : Carbon steel (tipe A. 516 Gr.60)
Posisi : Horizontal
Dimensi : - Diameter : 1828,8 mm
- Panjang total : 10.820,9 mm
- Tebal Shell : 95,25 mm
- Tebal Head : 63,50 mm
Kondisi operasi :
Temperatur : - Desain : 343,30C
- Operasi : 1160C
Tekanan : - Desain : 116 kg/cm2
- Operasi : 105 kg/cm2
Kapasitas : 20.496,9 m3/jam
Berdasarkan data yang dipeeroleh, dapat diketahui
bahwa steam drum yang digunakan memiliki diameter
1828,8 mm dan kapasitas 20.496,9 m3/jam, dimana
temperatur desainnya 343,30C dan operasinya 1160C,
serta tekanan desainnya 116 kg/cm2 dan operasinya 105
kg/cm2.
IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS
Berikut ini adalah hasil simulasi sistem kendali
level air steam drum. Hal yang diperhatikan adalah
respon sistem saat transien dan saat steady-state.
Parameter kontroler yang digunakan sama dengan
parameter kontroler yang digunakan PT Pupuk Kujang
Cikampek.
4.1 Tanpa Gangguan
Gambar 5 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum Tanpa Gangguan
Gambar 5 menunjukkan bahwa sistem kendali 1
elemen mencapai steady-state lebih cepat dibandingkan
sistem kendali 3 elemen
4.2 Gangguan Pada Aliran Masuk
Gambar 6 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum dengan Gangguan pada Aliran Masuk
Gambar 6 menunjukkan sistem kendali 1 elemen
lebih cepat mencapai steady-state dibandingkan sistem
kendali 3 elemen. Namun pada saat keduanya sudah
mencapai steady-state, sistem kendali 3 elemen
menunjukkan performa yang lebih baik dalam menahan
gangguan dibandingkan sistem kendali 1 elemen.
4.3 Gangguan Pada Aliran Keluar
-
Gambar 7 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum dengan Gangguan pada Aliran Keluar
Gambar 7 menunjukkan sistem kendali 1 elemen
lebih cepat mencapai steady-state. Sedangkan dalam hal
menahan gangguan, kedua sistem tidak menunjukkan
perbedaan yang signifikan.
4.4 Gangguan Pada Level Tangki
Gambar 8 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum dengan Gangguan pada Level Tangki
Gambar 8 menunjukkan sistem kendali 1 elemen
lebih cepat mencapai steady-state. Sedangkan dalam hal
menahan gangguan, kedua sistem tidak menunjukkan
perbedaan yang signifikan.
4.5 Gangguan Pada Aliran Masuk, Aliran Keluar dan
Level
Gambar 9 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum dengan Gangguan pada Aliran Masuk, Aliran
Keluar dan Level Tangki
Gambar 4.9 menunjukkan sistem kendali 1 elemen
lebih cepat mencapai steady-state. Namun, sistem
kendali 3 elemen menunjukkan performa yang lebih baik
dalam menahan gangguan dibandingkan sistem kendali
1 elemen.
Berikutnya diuji respon masing-masing sistem
ketika diberi gangguan dengan parameter PID
sedemikian rupa untuk membuat respon transien sistem
kendali 3 elemen dan 1 elemen menjadi sangat mirip.
4.6 Tanpa Gangguan (Respon Transien Tanpa
Gangguan Mirip)
Gambar 10 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum Tanpa Gangguan (Respon Transien)
-
Gambar 10 adalah hasil simulasi dari sistem kendali
3 elemen dan 1 elemen yang parameter PID-nya diatur
sedemikian rupa sehingga respon transien kedua sistem
sangat mirip. Dengan begitu, analisa dapat difokuskan
untuk menunjukkan seberapa baik kedua elemen
menahan gangguan yang masuk.
4.7 Gangguan pada Aliran Masuk (Respon Tanpa
Gangguan Transien Mirip)
Gambar 11 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum dengan Gangguan pada Aliran Masuk (Respon
Tanpa Gangguan Transien Mirip)
Gambar 11 menunjukkan sistem kendali 3 elemen
lebih baik dalam menahan gangguan jika terjadi
gangguan pada aliran masuk saja.
4.8 Gangguan Pada Aliran Keluar (Respon Transien
Sama)
Gambar 12 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum dengan Gangguan pada Aliran Keluar (Respon
Tanpa Gangguan Transien Mirip)
Gambar 12 menunjukkan kedua sistem tidak
memiliki perbedaan yang signifikan.
4.9 Gangguan Pada Level Tangki (Respon Transien
Sama)
Gambar 13 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum dengan Gangguan pada Level Tangki (Respon
Tanpa Gangguan Transien Mirip)
Gambar 13 menunjukkan kedua sistem tidak
memiliki perbedaan yang signifikan.
-
4.10 Gangguan Pada Aliran Masuk, Aliran Keluar dan
Level (Respon Transien Sama)
Gambar 14 Hasil Simulasi Pengendalian Level Steam
Drum dengan Gangguan pada Aliran Masuk, Aliran
Keluar, dan Level Tangki (Respon Tanpa Gangguan
Transien Mirip)
Pada Gambar 14, sistem kendali 3 elemen
menunjukkan performa yang lebih baik dalam menahan
gangguan.
V. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil simulasi, dapat disimpulkan
bahwa sistem kendali 3 elemen memiliki settling time
yang lebih besar dibandingkan dengan sistem kendali 1
elemen. Settling time menentukan berapa waktu yang
diperlukan sistem untuk mencapai steady-state. Namun,
sistem kendali 3 elemen menunjukkan performa yang
lebih baik dalam menahan gangguan dibandingkan
dengan sistem kendali 1 elemen. Maka dari itu, sistem
kendali 1 elemen sebaiknya digunakan saat sistem
sedang dalam keadaan transien (start-up atau shut-down)
karena memiliki settling time yang kecil. Kemudian saat
sistem sudah dalam keadaan steady-state, pengendalian
dapat di-switch ke sistem kendali 3 elemen karena
kemampuannya yang baik dalam menahan gangguan.
REFERENCES
[1] Ogata, Katsuhiko. 2002. Modern Control
Engineering, Fourth Edition. Prentice-Hall, Inc.
United States of America
[2] Muliawati, Neni. 2008. Laporan Kerja Praktek PT
Pupuk Kujang IB (Persero) Cikampek Jawa Barat. Bandar Lampung:
Universitas Lampung
[3] Anonim. Dasar Instrumen 1 PT. Pupuk Kujang.
BIOGRAPHIES
Muhammad Iqbal Fauszi lahir di
Surabaya. 1 Maret. Sekarang ia
adalah mahasiswa Teknik Elektro
Institut Teknologi Sepuluh
Nopember dan mengambil bidang
Teknik Sistem Pengaturan.
Mochamad Farid Mustofa lahir di
Tulungagung, 21 Februari 1993.
Sekarang ia adalah mahasiswa
Teknik Elektro Institut Teknologi
Sepuluh Nopember dan
mengambil bidang Teknik Sistem
Pengaturan.
Benny Adijaya Joesoep lahir di
Semarang. 7 Oktober 1993.
Sekarang ia adalah mahasiswa
Teknik Elektro Institut Teknologi
Sepuluh Nopember dan
mengambil bidang Teknik Sistem
Pengaturan.
