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 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. Beberapa contoh aplikasi control system pada unit operasi di industri minyak dan gas bumi bagian hulu. Separator Separator adalah bejana tekan yang digunakan untuk memisahkan campuran fluida berdasarkan perbedaan densitasnya.
PC
LIC LC
Mengikuti hukum alam tentang pemisahan berdasarkan densitas, maka gas sudah pasti berada di atas cairan. Dan pada umumnya, minyak atau kondensat akan berada di atas air. Glycol akan berada di bawah air, dan seterusnya. Ini berarti, densitas gas < densitas minyak/kondensat < densitas air < densitas glycol. Kriteria pemisahan yang baik di dalam separator sedikit membutuhkan pengetahuan rancang bangun separator. Prinsip dasar yang penting adalah: 1. Kecepatan aktual gas di dalam badan separator harus lebih kecil dari kecepatan minimum butiran cairan yang jatuh secara gravitasi ke bagian bawah separator. Jika ini dilanggar, maka konsekuensinya adalah cairan dapat terbawa ke aliran gas. Ini dikenal sebagai liquid carry over. Kriteria ini umumnya tidak sensitive untuk separator biasa karena pada umumnya besaran separator bukan ditentukan oleh kriteria ini, melainkan waktu tinggal cairan di dalam separator. Akan tetapi, untuk suction scrubber kompresor, kriteria ini menjadi penting guna mencegah cairan masuk ke kompresor. Kalau cairan masuk ke kompresor, kira-kira apa yang akan terjadi? 2. Waktu tinggal cairan. Jika hanya memisahkan gas dan cairan, angka ini lebih kecil dibandingkan dengan pemisahan cair-cair, yaitu antara minyak/kondensat dan air. Umumnya waktu tinggal untuk industri minyak dan gas bumi berkisar antara 1 sampai dengan 3 menit. Untuk pemisahan glycol dan air, dapat mencapai 30 menit. Coba tebak kira-kira mengapa demikian ! Waktu tinggal tersebut dapat digambarkan ke keadaan nyata di separator dengan jelas. Angka waktu tinggal dapat digunakan untuk tebakan kasar terhadap kapasitas suatu separator untuk memisahkan cairan dimasukannya. Untuk separator horizontal yang mempunyai diameter tertentu, semakin panjang separator, biasanya kapasitas pemisahan cairannya besar, sehingga dapat memisahkan laju alir fluida cair yang lebih besar. Diameter vessel tentunya juga menjadi pertimbangan meskipun tidak se-kritis dibandingkan dengan separator jenis vertikal. Untuk separator jenis vertikal, besarnya kapasitas separator dapat dilihat dari diameternya dan juga tingginya. Sebagai tambahan, separator vertikal mempunyai syarat minimum diameter vessel guna menghindari liquid carry over ke badan gas.
Membatasi aliran fluida ke separator karena dibatasi oleh kapasitas separator.
FT FE PC
LIC LC
DARI SUMUR MINYAK/GAS
PC
LIC LC
Gambar di bawah menerangkan cara lain membatasi kapasitas separator yang lebih murah meriah. Bisakah anda melihat perbedaannya dengan gambar separator sebelumnya?
FT FE PC
LIC PI LC
PC
LIC LC
Contoh Sistem Pengendalian yang lebih ruwet
STATION RECYCLE VALVE LSS UY
PY
PY
12% surge margin
LSS
% 12
su
rge
ma
12 %
rgin
su rg
e
m
ar gi
n
ASV
ASV
ASV
FE PT
PT
FE
PT
PT
FE PT
PT
A PT
PT PT
B
GAS TURBINE
LLP COMPRESSOR
SC
IP COMPRESSOR
LP COMPRESSOR
SPEED CONTROL
FCV- Continuous Recycle Set A-B 12.5 MMscfd
PY
Elemen Pengendali Akhir Pada umumnya, elemen pengendali akhir dalam suatu loop control system adalah diwujudkan oleh control valve. Control valve bekerja berdasar pada driving force-nya, yaitu hilang tekan atau pressure drop antara masukan dan keluaran control valve tersebut. Untuk suatu laju alir fluida yang akan melewati sebuah control valve, maka bukaan control valve itu akan bersesuaian. Untuk suatu laju alir yang sama yang melewati sebuah control valve, jika pressure drop (dp) – nya besar, maka bukaan control valve itu akan relatif kecil. Jika dp-nya kecil, maka bukaan control valve itu akan relatif besar. Jika laju alir fluida yang melewati control valve tersebut meningkat, melebihi kapasitas control valve, maka yang terjadi adalah penumpukan fluida di upstream control valve tersebut. Penumpukan ini bisa berupa kenaikan tekanan (jika fluidanya berupa gas), atau kenaikan aras/level cairan (jika fluidanya cair). Fenomena ini sejatinya adalah hal yang umum sebagai akibat dari hukum kekekalan massa. Dua contoh berikut memberikan gambaran mengapa separator B secara praktis tidak bisa diharapkan kinerjanya.
SET @ 100 PSIG PC KE FLARE SYSTEM
SEPARATOR A LIC LC
Pada separator B, tidak ada pengendali tekanan di separator. Terlepas dari maksud desainnya, kekurangan sejati dari separator ini adalah gaya penggerak atau driving force dari suatu control valve jadinya bersifat floating atau tidak dikendalikan. Nilainya bervariasi, tergantung dari laju masukan fluida dan juga tekanan di flare system. Sebagai akibatnya, tekanan separator kemungkinan tidak stabil, dan berakibat berkurangnya tekanan masukan ke control valve. Jika hal tersebut terjadi, maka control valve fasa cair (level control valve, LCV) harus membuka lebar agar dapat mengalirkan cairan ke tujuannya. Jika kapasitas LCV tersebut terlewati, maka sesuai dengan hukum kekekalan massa, maka akan terjadi penumpukan cairan di separator B. Akibatnya akan terjadi level high-high. Pada kondisi ini, separator harus dihentikan operasinya (di shutdown). Bahkan terkadang, seluruh operasi pabrik harus berhenti akibat dari level high-high tersebut.
FT FE
TEKANAN SEPARATOR SEDIKIT LEBIH TINGGI DARI FLARE SYSTEM (BIASANYA ANTARA 0 - 40 PSIG)
KE FLARE SYSTEM
SEPARATOR B LIC LC
Step a Head Karakteristik Sumur Di operasi produksi industri migas, kelakuan sumur bisa membuat aras/level cairan di separator B tersebut meningkat cepat. Jadi ternyata, ada sebab lain yang mengakibatkan level high-high jika kita “bermain-main” dengan setting pressure di control valve keluaran gas (PCV=pressure control valve). Hal tersebut dapat pula terjadi di separator A, jika kita tidak hati-hati menurunkan setting
pressure di separator tersebut. Semakin rendah kita menurunkan setting pressure di separator A, maka laju alir dari sumur akan membesar mengikuti kurva-nya. Kenapa terkadang setting tersebut “dimain-main”kan? Tentu saja karena dalam rangka optimasi pabrik. Apa yang akan dioptimalkan? Gas atau minyak atau kedua-duanya, hal tersebut tentunya harus jelas dahulu. Pertanyaan paling mendasar yang harus kita ketahui adalah, apa yang akan terjadi pada sistem unit operasi terpasang jika tekanannya kita turunkan? Jawabannya bisa ada dua, yaitu aras/level di separator akan naik atau tidak akan ada kenaikan level di separator. Pendapat pertama berasumsi bahwa level naik karena kapasitas LCV di keluaran separator tentunya berkurang karena berkurangnya pressure drop yang merupakan tenaga penggerak LCV tersebut. Jawaban kedua berasumsi bahwa LCV-nya cukup, sehingga hanya bukaan control valve-nya saja yang membesar. Pendapat kedua ini mungkin benar kalau hanya melihat dari sisi ini belaka, akan tetapi control mode terpasang juga ikut menentukan mengingat neraca massa di sistem sekitar separator jelas berubah, yang mungkin berarti gain proses juga berubah. Rincian penjelasan mengenai hal ini tidaklah dibahas pada tulisan ini. Anyway, sampai batas mana kita dapat menurunkan tekanan separator agar supaya produksi jadi maksimal? Ini adalah pertanyaan yang butuh analisa lebih sedikit mendalam. Misalnya, Yang diinginkan adalah menaikkan minyak sebanyak-banyaknya dengan cara menurunkan tekanan separator, maka yang harus di periksa adalah: 1. Apakah production engineering confirm akan hal ini misalnya dengan melakukan analisa bentuk dari kurva sumur. Jika kurvanya cenderung datar, hasil yang diharapkan biasanya insignificant. 2. Bagaimana kelakuan dari gas yang terlepas akibat penurunan tekanan tersebut? Apakah jumlahnya lebih banyak dari minyak yang akan dihasilkan? Jika yang dioptimalkan adalah minyak dan bukan gas, fenomena di atas perlu dipertimbangkan. Jangan sampai justru malah menjadi kehilangan minyak yang cukup significant. 3. Yang ketiga, tentunya melakukan pemeriksaan kapasitas separator. Karena umumnya adalah separator 3 fasa, maka perlu dicari faktor pembatas dari separator ini. Apakah di fasa gas atau di fasa cair. Faktor pembatas ini tentunya dari sisi pemisahan yang masih diijinkan untuk separator terpasang. Jikalau faktor ini yang menjadi pembatas dan tidak dapat ditawar lagi, maka parameter operasi yang baru harusnya mengacu ke hal ini. 4. Pemeriksaan instrumentasi terkait selanjutnya adalah yang harus dilakukan. Apakah control valve terpasang mampu mengontrol aliran yang jumlahnya akan meningkat? Bagaimana pula dengan kapasitas PSV terpasang? Dan lain sebagainya. 5. Apakah masih ada faktor pembatas yang lain, seperti misalnya erosional velocity yang diijinkan, dsb.
TEKANAN SEMBUR SUMUR
KURVA KINERJA SUMUR
SYSTEM HEAD, TUBING SUMUR + PIPE AT SURFACE Q2 > Q1
LAJU ALIR
Q1, Q2, P = 100 P = 40 PSIG PSIG
Pertanyaan-pertanyaan di atas sebenarnya hanyalah contoh saja, guna memancing kita berpikir ketika melihat suatu bagan P&ID. Mungkin saja pertanyaan tersebut terlalu jauh bagi seorang operator produksi, tetapi seharusnya adalah hal yang biasa bagi seorang facilities atau process engineer. Berbincang tentang separator, sebenarnya ada berbagai macam tipe dan bentuk. Dari internalnya saja terlihat bahwa separator tergambar di atas tersebut adalah bertipe horizontal dengan controlnya menggunakan prinsip interface. Yang namanya Interface, atau perbatasan, biasanya adalah daerah rawan, sehingga kalau bisa diubah supaya menjadi tidak rawan. Rawan di sini maksudnya adalah rentan gangguan terutama pada pengukuran di sekitar interface-nya guna keperluan pengendalian control valve-nya. Untuk itulah kemudian orang menciptakan separator horizontal yang bertipe bucket dan weir.
Separator horisontal jenis bucket dan weir
PC
SEPARATOR C LC
LIC
Separator jenis tersebut di atas punya keunggulan yaitu jenis pengendalian level atau aras cairan yang tidak ada interface-nya. Secara umum, sistem controlnya lebih handal. Kelemahan sejati dari bucket dan weir adalah karena sifat pemasangannya, menyebabkan ada daerah yang menyempit di bawah bucket-nya, sehingga jika fluida sumur banyak mengandung pasir halus, maka maintenance dari separator jenis ini lebih sering dibanding dengan yang berjenis interface. Dan juga, karena batasan dari weir yang ketika dirancang umumnya mengikuti komposisi cairan fluida yang masuk, pada jika terjadi perubahan komposisi antara minyak/kondensat dengan air, ada kemungkinan, weir-nya harus diatur. Untuk mengakomodasi permintaan ini, biasanya seorang design engineer akan merancang separator jenis ini dengan menambahkan mekanisme weir yang dapat diatur, atau dikenal sebagai adjustable weir. Jika lebih jeli melihat perbandingan bentuk antara jenis interface dan bucket & weir, ada kemungkinan ketika merancang bejana ini, jenis yang bucket & weir mempunyai panjang bejana yang lebih daripada yang berjenis interface. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan waktu tinggal yang sama/identik jika menggunakan yang berjenis interface. Untuk separator horizontal, waktu tinggal pemisahan fasa cair-cair, yaitu antara air dan minyak/kondensat adalah fungsi kuat dari panjang separator. Jika separatornya lebih panjang, tentunya butuh material lebih banyak, yang artinya US$, Rp, …. Detil dari perancangan tidaklah dibahas dalam tulisan ini. Akan tetapi, untuk sedikit membuka wawasan, yang diperlukan dalam perancangan separator jenis ini, selain besaran umum lainnya, adalah: prinsip tekanan hidrostatik dan bejana kesetimbangan serta nature dari impurities fluida
serta seberapa kritis ketepatan level control yang diharuskan. Silakan baca buku berikut untuk memperdalam wawasan: 1. Surface Production Operation karangan Maurice Stewart PhD 2. G4 Gas Conditioning and Processing dari John Campbell Keterangan di atas mungkin tidak terlalu berguna bagi seorang operator. Yang mungkin berguna baginya adalah ketika di lapangan, penentuan secara visual, mana yang berjenis interface dan mana yang bucket & weir secara langsung tanpa melihat P&ID. Kalau kedua separator tersebut digambarkan di bawah dan diwarnai dengan warna kuning untuk fluida gas, warna hijau untuk minyak/kondensat, dan warna biru untuk produced water, tebaklah mana yang berjenis interface dan mana yang berjenis bucket & weir.
SEPARATOR X
SEPARATOR Y
Pompa Sentrifugal Apakah pompa itu? Pertanyaan ini mungkin terlalu sederhana jika harus dilontarkan kepada mereka yang sudah bekerja di suatu pabrik, bahkan bagi orang awam sekalipun. Pompa secara sederhana didefinisikan sebagai alat transportasi fluida cair. Jadi, jika fluidanya tidak cair, maka belum tentu pompa bisa melakukannya. Misalnya fluida gas, maka pompa tidak dapat melakukan operasi pemindahan tersebut. Teknologi sekarang sudah jauh berkembang di mana mulai diperkenalkan pompa yang multi-phase, yang maksudnya bisa memompakan fluida cair dan gas. Anyway, di tulisan ini, hanya akan dibahas tentang pompa yang mengalirkan fluida cair, dan topiknya dipersempit untuk yang berjenis sentrifugal. Berikut adalah kasus nyata di lapangan tentang pompa sentrifugal: 1. Pompa di test dengan cara dialirkan ke udara bebas tetapi motornya terbakar 2. Ragu-ragu menutup discharge pompa ketika akan memeriksa kinerja pompa karena takut motornya terbakar 3. Variable speed pump dinaikkan rpm-nya sehingga pompa malah bergetar 4. Mencoba menaikkan kapasitas pompa dua kali lipat dengan menjalankan pompa stand-by tetapi kenaikkan dua kali kapasitas tidak pernah terjadi 5. Just only Shut-off test for pump is enough (?) 6. Saya tidak tahu bagaimana membaca kurva pompa 7. Bagaimana cara membaca P&ID sistem pompa dan mengartikannya ? 8. dan lain sebagainya
Bersambung…….
