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 2, Lanjutan Gambar 6
231 ft 28 ft
s. g. = 0.85 minyak mentah
A
P1
10 km
10. 4 psig
Pd
24 ft
s. g. = 1.0 Air
B
P2
10. 4 psig
Gambar 6 di atas adalah gambar 5 tetapi flow control valve di keluaran pompa dicopot, serta fluida cairnya diganti dari naphta menjadi minyak mentah. Jika pada gambar 5, untuk menghasilkan tekanan di suction pumpa sebesar 10,4 psig mempunyai aras/level cairan di tangki setinggi 40 ft jika tangki berisi naphta dengan sg = 0,6, maka pada gambar 6, untuk minyak mentah dengan sg 0,85 akan memberikan aras/level cairan setinggi 28 ft untuk suatu tekanan suction pompa yang sama. Apakah pernyataan tersebut benar ? Berapakah angka pasti dari aras/level cairan di dalam tangki yang berisi minyak mentah?
Apa yang bisa kita simpulkan dari gambar 6? Atau pertanyaan yang lebih khusus, berapakah tekanan sembur pompa jika minyak mentah dipompakan, jika air dipompakan, berapakah masingmasing laju alirnya? Kenapa ditanya masing-masing laju alirannya, apakah memang berbeda, dan kenapa? Kalau instalasi seperti gambar 6 sudah terpasang di lapangan, cara yang paling gampang untuk menjawab pertanyaan di atas adalah dengan membaca langsung tekanan sembur pompa, atau Pd lewat pressure gauge terpasang. Pompakan minyak mentah dan bacalah tekanan sembur
pompanya, pompakan air dan bacalah tekanan sembur pompanya. Bagaimanakah dengan laju alir pompanya? Jawabannya cukup sederhana, yaitu, hitunglah penurunan level atau aras tangki pengumpan pada suatu beda waktu tertentu, dan dengan mengetahui dimensi tangki, dapatlah kita laju alirnya. Atau ditulis dalam bahasa matematika: Penurunan level cairan di tangki pengumpan x luas permukaan tangki pengumpan / waktu pemompaan. Atau untuk tangki penerima, menjadi: Kenaikan level cairan di tangki penerima x luas permukaan tangki penerima / waktu pemompaan Masalahnya adalah, di lapangan, tidak semua dapat diperlakukan demikian. Sistem di gambar 6 diasumsikan beroperasi secara batch dan tidak kontinyu. Bagaimana kalau pipa air atau minyak mentahnya terus menerima aliran dari sumber lain serta tangki penerima di bukit juga mengeluarkan cairan yang diterimanya dari pompa ?. Sebenarnya hal ini masih bisa didebat dengan pertanyaan seperti ini, apakah tidak ada cara agar sementara waktu sistem pemompaan tersebut dibuat batch, maksudnya dihentikan semua aliran masukan ke tangki minyak dan air, serta dihentikannya pengurasan cairan di tangki penerima di bukit ?. Masih ada masalah lain, bagaimana kalau sistem pemompaan yang menggunakan perpipaan yang sama tetapi dengan lokasi stasiun pompa yang berbeda dengan (lebih dari satu pompa) dan mempunyai tujuan tangki penerima yang sama (seperti operasi perpipaan minyak via trukline)?. Anyway, kita tidak akan memperpanjang masalah teknis ini. Anggap saja tidak dapat dilakukan, lalu bagaimana. Akankah dengan berbekal tekanan sembur dan tekanan suction kita sudah dapat menebak laju alir pompa ?. Jawabannya tentu saja Ya! Hanya saja, seorang operator mungkin tidak dapat melakukannya, kecuali dia mengerti bagaimana membuat suatu grafik system head di perpipaan pompa tersebut. System head, terdiri dari static head dan friction head. Static head adalah tekanan atau head yang dianggap tidak dipengaruhi oleh aliran. Umumnya direpresentasikan oleh beda ketinggian antara tangki pengumpan dan penerima atau beda tekanan antara tekanan pengumpan atau penerima. Friction head adalah head yang terjadi karena adanya aliran di dalam perpipaan.
Marilah kita melihat gambar P&ID sederhana berikut:
231 ft
10 km 28 ft
s. g. = 0.85 minyak mentah
70 m
Jika gambar di atas diterjemahkan ke dalam bahasa grafik kinerja keseluruhan sistem pemompaan, maka menjadi demikian: KURVA KINERJA POMPA 1700 1600
A
1500 1400
Diameter pipa 8 in
1300 1200
Diameter pipa 10 in
1000 900
B
800 700 600
C
500 400
Friction head pipa 10 in
Friction head pipa 8 in
HEAD, FT
1100
300 200 100
STATIC HEAD
0 0
200
400
600
LAJU ALIR, GPM
800
1000
1200
Kurva A menunjukkan kurva kinerja pompa. Kurva B dan C adalah kurva yang menunjukkan hilang tekan atau pressure drop sepanjang perpipaan dari suction tank sampai ke tangki tujuan jika diamaternya masing masing 8 dan 10 in. Terlihat tulisan static head yang merupakan beda ketinggian antara level cairan di tangki penampung dengan suction tank, atau sebesar 231 – 28 ft = 203 ft. Perhatikan bahwa system head dipengaruhi oleh diameter pipa sistem pemompaan. Semakin besar diameter pompa, maka kurva system head akan semakin landai. Lihatlah kurva C yang mewakili diameter pipa 10 in yang lebih landai dari kurva B yang mewakili diameter pipa 8 in. Ini sejalan dengan rumus pressure drop atau hilang tekan, di mana hilang tekan atau yang dalam kurva tersebut dinyatakan dalam bentuk friction head adalah berbanding terbalik dengan diameter. Untuk suatu laju alir tertentu, semakin besar diameter, maka hilang tekan juga akan mengecil. Dinyatakan dalam hubungan matematika sederhana: Friction head = fungsi (K, Q2 1/diameter5), dengan K adalah besaran yang didalamnya terdapat besaran lain dari pipa seperti roughness, panjang pipa, serta transport properties dari fluida). Q adalah laju alir cairan di dalam pipa. Persamaan tersebut tidak dimaksudkan untuk dibahas lebih detil dalam tulisan ini. Perpotongan antara kurva B dan C dengan kurva A menunjukkan laju alir pompa beserta head yang dihasilkan pompa. Perpotongan kurva A dan B, yaitu untuk system head dengan perpipaan 8 in, akan menghasilkan laju alir pompa sebesar kira-kira 750 GPM, sedangkan untuk pipa 10 in, yang diwakili oleh perpotongan kurva A dan C menghasilkan laju alir pompa kira-kira 950 GPM. Besaran 203 ft , yang disebut sebagai static head, diasumsikan tidak terpengaruh dengan adanya aliran pemompaan. Jika setelah waktu berjalan dengan tidak adanya masukan ke tangki pengumpan dan tidak adanya keluaran dari tangki penerima, maka besaran perbedaan ketinggian cairan antara dua tangki akan naik, sehingga static head juga akan naik. Bagaimanakan efeknya terhadap laju alir keseluruhan?. Misalnya, pada waktu pemompaan ke sekian jam, maka level di tangki penerima akan naik menjadi x ft dan level di tangki penumpang turun menjadi y ft sedemikian rupa sehingga total perbedaan ketinggian cairan di tangki menjadi 300 ft, maka bagaimanakah laju alir pompanya? Perhatikan gambar kurva berikut di bawah ini dengan memilih diameter pipa sebesar 10 in.
KURVA KINERJA POMPA 1700 1600 1500 1400
Diameter pipa 10 in
1300 1200
HEAD, FT
1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200
STATIC HEAD
100 0 0
200
400
600
800
1000
1200
LAJU ALIR, GPM
Apakah yang berubah? Ternyata setelah sekian lama dipompakan, tanpa ada aliran masuk ke tangki pengumpan atau aliran yang keluar dari tangki penerima, maka static head akan bertambah, sehingga laju pemompaan berubah dari 950 GPM menjadi hanya sekitar 900 GPM saja. Berapa psi penurunan tekanan sembur di pompa jika static head naik dari 203 menjadi 300 ft? Ingat, tekanan sembur bersatuan psig sehingga kita harus merubah satuan dari ft ke psi terlebih dahulu. Jika kurva system head digantikan oleh pipa berdiamater 8 in, apakah penurunan laju aliran karena perbedaan static head akan selalu berkurang secara linear mengacu pada kurva yang menggunakan pipa 10 in ?. Tentukan, benar atau salah pernyataan-pernyataan berikut ini : 1. Laju alir pompa akan lebih besar pada sistem pemompaan yang mempunyai pipa keluaran berdiameter 8 in dibandingkan dengan sistem pemompaan yang mempunyai pipa keluaran 2 buah sistem perpipaan identik yang berdiameter masing-masing 6 in. Panjang dari perpipaan tersebut adalah identik. Misalnya, jika panjang pipa sistem pemompaan yang pipanya berdiameter 8 in adalah 10 km, maka sistem pemompaan kedua yang mempunyai dua sistem perpipaan yang identik, panjangnya juga masingmasing 10 km. (Petunjuk, ingatlah kembali rumus dasar friction head sebagai fungsi dari diameter pipa serta cara membaca kurva pompa vs system head) 2. Kurva kinerja pompa head vs laju alir tidak terpengaruh dengan perubahan densitas cairan yang dipompakan
3. Kurva kinerja pompa differential pressure (dp) vs laju alir terpengaruh oleh perubahan densitas cairan yang dipompakan System head Sejauh ini, kita hanya membicarakan tentang bagaimana cara membaca laju alir dan head. Bagaimanakah sebenarnya cara membuat kurva system head itu ?. Pertanyaan ini tidak dimaksudkan untuk operator lapangan, tetapi wajib bagi engineer yang berkecimpung di dunia pemompaan untuk tahu lebih dalam. System head pada dasarnya adalah hasil hitungan, dimana untuk berbagai laju alir cairan yang melintasi pipa, maka akan didapat hilang tekan atau pressure drop atau friction head yang bersesuaian. Dengan mem-plot-kan persamaan : friction head = fungsi (K, Q2 1/diameter5), maka untuk setiap nilai Q, akan didapatkan nilai friction head. Pertanyaannya adalah untuk pipa yang mana saja ?. Cukup pipa keluaran pompa atau meliputi bagian suction juga ?. Jawabannya adalah meliputi semuanya. Akan tetapi, biasanya, friction head di bagian suction pipe diabaikan karena besarannya tidak significant dibandingkan dengan perpipaan di keluaran pompa. Laju alir yang divariasikan untuk mendapatkan friction head, biasanya bersesuaian dengan laju alir pemompaan yang digambarkan oleh kurva kinerja pompa. Kecuali, jika hendak mengoperasikan dua pompa sentrifugal secara parallel, rentang besaran hitungan friction head harus diperlebar guna melihat kinerja kurva gabungan. Kinerja Kurva Gabungan Pompa Apakah kinerja kurva gabungan pompa itu ?. Yaitu kurva kinerja pompa yang dibuat karena terjadinya operasi yang bersamaan dari 2 pompa atau lebih. Operasi pemompaan lebih dari satu pompa umumnya dilakukan karena hal-hal berikut, yaitu adanya kebutuhan untuk menaikkan laju alir pemompaan serta adanya kebutuhan untuk menaikkan tekanan sembur pompa sehingga cairan dapat dialirkan pada laju alir yang dikehendaki. Kebutuhan pertama dapat dipenuhi dengan mengoperasikan pompa secara paralel, sedangkan kebutuhan yang kedua dapat dipenuhi dengan mengoperasikan pompa secara seri. Operasi Pompa Paralel Jika dua buah pompa identik dioperasikan secara paralel, maka pada semua rentang daerah operasi di kurva pompa, untuk head yang sama, maka akan memberikan angka laju alir sebesar dua kali lipat jika dibandingkan dengan hanya satu pompa yang beroperasi. Perhatikan, pernyataan ini sering menjebak bahwa jika kita mempunyai 2 buah pompa, katakanlah masing-masing berkapasitas 20.000 bpd, maka jika pompa kedua yang identik dioperasikan secara parallel dengan pompa pertama, maka kita pasti mendapatkan laju alir pemompaan sebesar 2 x 20.000 bpd = 40.000 bpd. Ini tidak benar!. Perhatikan pernyataan di atas bahwa untuk head yang sama, maka akan memberikan angka laju alir sebesar dua kali lipat jika dibandingkan dengan hanya satu pompa yang beroperasi, hanya berlaku pada daerah operasi di kurva kinerja pompa. Padahal, yang menentukan laju alir pemompaan adalah titik perpotongan antara kurva kinerja pompa dengan system head. Sekarang kita akan coba membuat kurva gabungan pompa yang dioperasikan secara paralel.
Diketahui sg minyak bumi adalah 0.85 Tekanan hisap atau suction pressure adalah 5 psig Data kurva kinerja pompa Feet of head, ft 1527 1468 1413 1332 1196 1033 815
Laju alir, GPM 0 146 292 467 685 904 1108
Bentuk ft diubah menjadi dP pompa. Untuk itu digunakan rumus: Ft x s.g / 2.31 = dP Ft x s.g / 2.31 = P disch – P suct, atau Ft x 0.85 / 2.31 = P disch – P suct. dP dalam psi. Untuk laju alirnya diubah dari GPM menjadi BPD dengan menggunakan rumus konversi unit: BPD = GPM/42 x 60 x 24 Sehingga Data kinerja pompa menjadi dP , psi 562 540 520 490 440 380 300
Laju alir, BPD 0 5006 10011 16011 23486 30994 37989
Untuk memparalel-kan dua pompa identik dengan data kinerja pompa di atas, maka didapatkan tabel seperti berikut: dP , psi 562 540 520 490 440 380 300
Laju alir, BPD 0 5006 10011 16011 23486 30994 37989
Laju alir, 2 x BPD 0 10011 20023 32023 46971 61989 75977
Jika data tersebut digambarkan dalam suatu kurva, maka jadilah seperti berikut:
KURVA KINERJA POMPA TUNGGAL & KURVA KINERJA 2 POMPA IDENTIK YANG DIOPERASIKAN SECARA PARALEL 600
500
KURVA POMPA GABUNGAN PARALEL KURVA POMPA TUNGGAL
dP, PSI
400
300
200
100
Q3 Q1
Q4 = 2 X Q3
Q2 = 2 X Q1
0 0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
LAJU ALIR, BPD
Jika memperhatikan garis merah dan biru, maka pernyataan: Jika dua buah pompa identik dioperasikan secara paralel, maka pada semua rentang daerah operasi di kurva pompa, untuk head yang sama, maka akan memberikan angka laju alir sebesar dua kali lipat jika dibandingkan dengan hanya satu pompa yang beroperasi, jelaslah sudah. Jika hendak membuktikan pernyataan bahwa jika dua buah pompa sentrifugal identik yang dioperaskan secara paralel tidak akan menghasilkan laju alir sebesar dua kalinya, maka perhatikan kurva di bawah yang menggabungkan kurva di atas dengan system head perpipaan.
KURVA KINERJA POMPA TUNGGAL & KURVA KINERJA 2 POMPA IDENTIK YANG DIOPERASIKAN SECARA PARALEL VS SYSTEM HEAD 600
500
KURVA GABUNGAN PARALEL
dP, PSI
400
300
KURVA POMPA TUNGGAL
200
SYSTEM HEAD 100
0 0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
LAJU ALIR, BPD
Satu pompa sentrifugal akan menghasilkan laju alir sekitar 32.000 bpd sedangkan gabungan parallel 2 pompa sentrifugal akan menghasilkan laju alir bukan 64.000 bpd tetapi hanya sekitar 40.000 bpd. Ini sekali lagi untuk menjelaskan bahwa laju alir dan tekanan sembur pompa ditentukan oleh system head dan bukan oleh kurva kinerja pompanya. Maka, dengan demikian seharusnya pertanyaan nomor 4 dari halaman sebelumnya, yaitu mencoba menaikkan kapasitas pompa dua kali lipat dengan menjalankan pompa stand-by tetapi kenaikkan dua kali kapasitas tidak pernah terjadi- sudah terjawab. Sekarang, marilah kita sedikit lebih membumi dengan mencoba menganalisa persoalan praktis di lapangan. Jika instalasi di lapangan sudah terpasang dengan sistem pemompaannya memperbolehkan operasi untuk menggunakan pompa sentrifugal secara paralel, bagaimana operator atau operation engineer tahu laju alir yang dihasilkan oleh 2 pompa tersebut padahal tidak ada flowmeter yang terpasang ?. Catatan: 1. Operasi pemompaannya adalah continue dan tidak dapat dibuat batch. 2. Kinerja pompa dapat dikatakan handal dan mirip dengan kinerja kurva originalnya. Apakah operator atau engineer di lapangan harus menghitung system head dulu ?. Apakah juga harus membuat kurva gabungan dua pompa dahulu ?. Hanya berbekal kurva original kinerja pompa tunggal serta data tekanan hisap dan tekanan sembur, sudah cukup bagi kita untuk dapat menjawabnya. Silakan mencoba.
Operasi Pompa Gabungan Seri Mengulang pernyataan di halaman sebelumnya, operasi pemompaan lebih dari satu pompa umumnya dilakukan karena hal-hal berikut, yaitu adanya kebutuhan untuk menaikkan laju alir pemompaan serta adanya kebutuhan untuk menaikkan tekanan sembur pompa sehingga cairan dapat dialirkan pada laju alir yang dikehendaki. Gabungan Pompa yang disusun seri secara langung akan menaikkan tekanan sembur pompa terakhir. Besarnya tekanan sembur pompa ditentukan oleh system head perpipaan. Bagaimanakah dengan laju alirnya ?. Marilah kita lihat data kinerja 2 pompa sentrifugal identik berikut yang akan dioperasikan secara seri. Jika dua buah pompa identik dioperasikan secara seri, maka pada semua rentang daerah operasi di kurva pompa, untuk laju alir yang sama, maka akan memberikan angka differential pressure sebesar dua kali lipat jika dibandingkan dengan hanya satu pompa yang beroperasi. Perlu diingat, pernyataan ini hanya valid jika kita melihat dari sisi kurva kinerja pompanya saja. Contoh : Diketahui sg minyak bumi adalah 0.85 Tekanan hisap atau suction pressure adalah 5 psig Data kurva kinerja pompa Feet of head, ft 1527 1468 1413 1332 1196 1033 815
Laju alir, GPM 0 146 292 467 685 904 1108
Bentuk ft diubah menjadi dP pompa. Untuk itu digunakan rumus : Ft x s.g / 2.31 = dP Ft x s.g / 2.31 = P disch – P suct, atau Ft x 0.85 / 2.31 = P disch – P suct. dP dalam psi. Untuk laju alirnya diubah dari GPM menjadi BPD dengan menggunakan rumus konversi unit : BPD = GPM/42 x 60 x 24 Sehingga Data kinerja pompa menjadi dP, psi Laju alir, BPD 562 0 540 5006 520 10011 490 16011 440 23486 380 30994 300 37989
Untuk mengoperasikan pompa secara seri dari dua pompa identik dengan data kinerja pompa di atas, maka didapatkan tabel seperti berikut: dP , psi 562 540 520 490 440 380 300 200
2 x dP, psi
Laju alir, BPD 0 5006 10011 16011 23486 30994 37989 50000
1124 1080 1040 980 880 760 600
400
Jika data table tersebut digambarkan ke dalam kurva, maka menjadi: KURVA KINERJA POMPA TUNGGAL & KURVA KINERJA 2 POMPA IDENTIK DIOPERASIKAN SECARA SERI 1200 1100 1000
2 x dP1 pada Q1
900 800 700
dP, PSI
KURVA POMPA GABUNGAN SERI
2 x dP1 pada Q2
600 500
KURVA POMPA TUNGGAL
dP1 pada Q1
400 300
dP1 pada Q2
200 100
Q2
Q1
0 0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
LAJU ALIR, BPD
Garis biru dan hijau menjelaskan pernyataan, bahwa jika dua buah pompa identik dioperasikan secara seri, maka pada semua rentang daerah operasi di kurva pompa, untuk laju alir yang sama, akan memberikan angka differential pressure sebesar dua kali lipat jika dibandingkan dengan hanya satu pompa yang beroperasi. Bagaimana jika kurva pompa seri tersebut digabungkan dengan system head perpipaan ?. Kurvanya dapat dilihat di bawah ini.
KURVA KINERJA POMPA TUNGGAL & KURVA KINERJA 2 POMPA IDENTIK DIOPERASIKAN SECARA SERI VS SYSTEM HEAD 1200 1100 1000
KURVA POMPA GABUNGAN SERI
900 800
dP, PSI
700 600 500 400 300 200
SYSTEM HEAD
KURVA POMPA TUNGGAL
100 0 0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
LAJU ALIR, BPD
Perhatikan bahwa laju alir dari pompa gabungan yang disusun secara seri ternyata juga menaikkan laju alir pompa secara keseluruhan. Satu pompa sentrifugal akan menghasilkan laju alir sekitar 32.000 bpd sedangkan gabungan seri 2 pompa sentrifugal akan menghasilkan laju alir sekitar 42.000 bpd. Point of interests: Selain menaikkan tekanan sembur, ternyata penggabungan operasi pompa yang disusun seri akan menghasilkan kenaikan laju alir pompa secara keseluruhan. Jika dibandingkan dengan penggabungan pompa secara parallel, untuk kasus di atas, penambahan laju alir pompa operasi seri lebih besar daripada pompa yang dioperasikan secara parallel. Pernyataan di atas hanya valid untuk kasus system head yang mempunyai kurva yang curam. Untuk system head yang mempunyai kurva yang landai, hasilnya adalah sebaliknya. Kurva berikut mencoba menjelaskannya.
KURVA KINERJA POMPA TUNGGAL & KURVA KINERJA POMPA DIOPERASIKAN SECARA SERI VS KURVA KINERJA POMPA DIOPERASIKAN SECARA PARALEL VS SYSTEM HEAD 1200 1100 1000 900
KURVA POMPA GABUNGAN SERI
800
dP, PSI
700
SYSTEM HEAD 1
600 500
KURVA POMPA GABUNGAN PARALEL
400 300 200
SYSTEM HEAD 2
100 0 0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
LAJU ALIR, BPD
Dari gambar di atas terlihat bahwa untuk system head yang curam, gabungan pompa seri akan menghasilkan laju alir pompa yang lebih besar dari gabungan pompa paralel (diwakilkan oleh garis merah jambu). Untuk system head yang landai, gabungan pompa paralel akan menghasilkan laju alir yang lebih besar daripada pompa seri (diwakilkan oleh garus merah dan biru). Lalu, apakah untuk system head yang curam kita selalu memilih pompa yang disusun seri supaya dapat meningkatkan laju alir ?. Melihat gambar di atas, perhatikan untuk kurva gabungan seri, harga tekanannya jauh melebihi yang disusun seri. Jikalau dikatakan perpipaannya menggunakan material carbon steel yang umum, maka harga design pressure dari pipa untuk pompa yang disusun seri sekitar dua kali dari yang paralel. Implikasinya? Adalah Rp, US$, yuan, ….uang! Jikalau anda paham tentang spesifikasi pipa, terlihat jelas untuk kurva di atas maka material pipa untuk pompa yang disusun seri membutuhkan kelas pipa paling tidak ANSI 600 (MAWP = 1480 psig) sedangkan untuk yang paralel dibutuhkan hanya yang sekelas ANSI 300 (MAWP = 745 psig). Kelihatannya, pendapat di atas memenangkan operasi pompa yang disusun paralel terhadap yang disusun seri. Pendapat ini, pada kasus pompa yang mempunyai kurva kinerja yang cenderung flat, punya kelemahan sejati. Seorang reliability engineer, biasanya akan menentang habis-habisan untuk tidak mengoperasikan pompa-pompa yang mempunyai kurva yang cenderung flat secara terus menerus secara paralel. Kenapa? Seperti diketahui pada pompa sentrifugal, Salah satu kriteria kehandalan pompa adalah operasi pemompaan sedekat mungkin dengan BEP atau best efficiency point. Semakin menjauh dari BEP, akan semakin meningkatkan internal recirculation sehingga meningkatkan pula stress pada impeller, seal dan bearing.
Jika pada gambar di atas kita cermati untuk pompa tunggal. Satu pompa untuk system head 1 mempunyai laju alir sekitar 40.000 bpd. Desain engineer yang baik, akan menetapkan angka ini dalam memilih pompa, dengan menggunakan kurva kinerja pompa yang mempunyai BEP pada laju alir sekitar harga tersebut. Akan tetapi jika diparalel, dua pompa vs system head 1 akan menghasilkan laju alir sekitar 56.000 bpd, atau masing-masing pompa hanya akan mengalirkan 56.000 bpd/2 = 28.000 bpd. Angka ini sangat mungkin relatif jauh di bawah dari BEP. Dan ada kemungkinan malah melewati minimum recirculation pompa yang dipersyaratkan pabrik pembuatnya. Jadi, kemungkinan besar, pompa akan sering rusak. Jadi keputusannya akan kembali ke anda, pilih laju alir yang besar atau pilih kehandalan atau reliability pompa! Kasus terburuk, pompa dapat terbakar *)! Minimum Re-circulation Adalah laju alir terkecil yang harus dialirkan ke sebuah pompa sentrifugal guna memproteksi pompa tersebut dari kerusakan serius, seperti vibrasi. Harga minimum recirculation umumnya berkisar di 25 sampai dengan 30% dari BEP pompa. Misalnya, jika di daerah BEP pompa di desain berlaju alir 35.000 bpd, maka laju alir resirkulasi minimumnya adalah 30% x 35.000 bpd.
Gambar 7, P&ID sederhana pompa dengan laju alir minimumnya.
TANGKI-TANGKI MINYAK DAN KONDENSAT
Set @ minimum 6000 bpd
FC FE
PC
Control Valve B
METER AT DESTINATION POINT
driver
Gambar 7 menjelaskan bahwa jika suatu sebab ada hambatan di destination point sehingga membuat tekanan sembur atau discharge pressure naik yang mengakibatkan laju alir pompa menurun, maka control valve yang berada pada pipa yang menuju tangki minyak akan membuka jika didapati alu alir pompanya mencapai 6000 bpd.
Ketika start-up, maka control valve yang ke tangki akan dalam posisi membuka dan menutup secara perlahan sampai akhirnya menutup total setelah FE mendeteksi laju alir pompa sudah di atas 6000 bpd. Kalau pompa kedua seperti pada gambar 8 dioperasikan dan 2 pompa beroperasi pada harga laju alir minimumnya, apakah konsekuensinya ?. Melihat gambar 8, maka laju alir minimum untuk masing-masing pompa jadi berkurang drastis, dan ini yang membahayakan pompa tersebut. Kalau anda pada posisi yang bertanggung jawab atas operasi pompa dengan konfigurasi seperti di bawah ini, apa yang akan anda lakukan ?. Apakah operasi seperti ini diperbolehkan berkepanjangan ?.
Gambar 8 P&ID sederhana dua pompa sentrifugal dengan laju alir minimumnya.
TANGKI-TANGKI MINYAK DAN KONDENSAT
driver
Set @ FC minimum FE
6000 bpd
PC
Control Valve B
METER AT DESTINATION POINT
driver
Prinsip Pengendalian di Pompa Sentrifugal Secara umum, prinsip pengendalian di pompa sentrifugal adalah untuk memodifikasi kurva kinerja pompanya agar kondisi aktual operasinya memenuhi kriteria yang dibutuhkan oleh proses. Gambar berikut adalah cerita lengkap tentang konfigurasi pengendalian di pompa sentrifugal.
Gambar 9 P&ID sederhana system pengendalian pompa sentrifugal yang lengkap.
OFF GAS TO FLARE PC
FO
SEPARATOR
LSLL
LC
LALL
Set @ minimum FC 2000 bpd PI TI
ZLO
FE
PI
TANGKI MINYAK
ZSO
Control Valve A
ZSO ZLC
FE
FC
ZSC
S/D
driver
Lead and Lag Principle Prinsip ini adalah menggunakan intrumentasi pengendalian untuk mengoperasikan dua pompa atau lebih (umumnya secara paralel) pada suatu kondisi khusus pada rentang waktu pengoperasian awal yang berbeda. Sebagai contoh adalah pompa-pompa yang terdapat di Flare KO drum. Karena fungsinya yang kritis, ketika high flaring tanpa terjadi shutdown, maka keberadaan cairan di Flare KO drum harus dibuat seminimum mungkin guna menghindari liquid carry over ke flare stack. Sehingga, jika aras atau level cairan terus naik meskipun sudah dioperasikan satu pompa, maka pompa kedua dan seterusnya akan beroperasi pada setting level yang lebih tinggi. Untuk operasi pompa sentrifugal dua atau lebih di Flare KO drum, besaran apa yang paling kritis yang harus diperhatikan ketika memilih pompa ?. (Anda pasti dapat menjawabnya jika faham tentang bab yang berisi pengoperasian pompa secara paralel).
Step a head Siapa yang menentukan kebutuhan energi pompa ?. Kebutuhan energi pompa adalah setara dengan dp (discharge – suction) x laju alir (gpm) / (effisiensi pompa x konstanta) = BHP. Artinya, besaran Break Horse Power atau BHP atau energi pompa ditentukan oleh dp atau laju alir. Hubungan antara dP dan laju alir pompa adalah tidak linear dan berkebalikan. Keterangan sederhana ini terkadang dilupakan, bahkan ada mitos orang takut menutup penuh valve di discharge pompa karena takut motornya terbakar, padahal sebenarnya pada saat itu laju alir pompanya adalah hampir nol, sehingga kebutuhan energi pompanya menjadi minimum. Dan ini
seharusnya menjawab pertanyaan nomor 2 dari 7 pertanyaan yang pernah ditanyakan sebelumnya.
Bab 2 tentang pompa selesai. Keseluruhan bab harusnya menjawab pertanyaan nomor 6 dan 7. Bagaimana dengan pertanyaan nomor 5 ?. Nampaknya anda harus mencarinya sendiri… Departemen Maintenance adalah yang capable untuk menjawabnya. Bab 3 akan mengulas tentang Kompresor Sentrifugal.
Referensi untuk Bab ini adalah: A Working Guide to Process Equipment, Norman & Elizabeth Lieberman, McGraw Hill 1997. Handbook of Chemical Engineering Calculations, 2nd Edition, by Nicholas P. Chopey, McGraw Hill 1994. Surface Production Operation, Ken Arnold and Maurice Stewart PhD. *) Pittfalls of operating pumps at part load, the risk in terms of reduced reliability and safety is not worth it, H.P Bloch, Hydrocarbon Processing, February 2006. Controlling Centrifugal Pumps, W.C. Driedger, Hyrocarbon Processing Magazine, July 1995. Pengalaman pribadi penulis.
