sistem Kendali Kecepatan Turbin Gas menggunakan DCS GE MARK* VIe

Makalah Kerja Praktik CCPP 120 MW PT. Krakatau Daya Listrik
Kota Cilegon
Makalah Seminar Kerja Praktik
SISTEM KENDALI KECEPATAN TURBIN GAS FASE START-UP MENGGUNAKAN GE MARK* VIe Control PADA COMBINED CYCLE POWER PLANT 120 MW PT. KRAKATAU DAYA LISTRIK

Andra Imam Putra Graha[1], Teguh Firmansyah,ST.,M.T[2]
Jurusan Teknik Elektro Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
Jl. Jend. Sudirman KM 03, Cilegon-Banten 42435 , Indonesia
[email protected] [1], [email protected] [2]

-Abstrak-
PT. Krakatau Daya Listrik merupakan perusahaan di bidang pembangkitan energi listrik, memiliki 2 pembangkit yaitu PLTU dan PLTGU. Pada PLTGU atau Combined Cycle Power Plant (CCPP) milik PT. KDL menggunakan sistem kendali terdistribusi atau Distributed Control System (DCS) , khusus pada Gas Turbine Generator (GTG) menggunakan MARK* VIe Control yang dikembangkan oleh General Electric (GE) , sistem kendali ini dapat di program dan dirancang untuk memenuhi kebutuhan industri pembangkitan listrik yang semakin canggih dan kompleks. DCS MARK* VIe meliputi sistem pengendalian, sistem proteksi dan sistem monitoring sekaligus terhadap GTG.
Pada sistem pembangkitan PLTGU, khusus penyalaan awal (Start-up) Turbin gas memiliki peranan penting, karena pada tahap inilah keberhasilan pada proses selanjutnya ditentukan , sistem kendali MARK* VIe memegang peranan penting dalam pengendalian start-up ini karena resiko kegagalan yang berdampak buruk maka MARK* VIe mengambil peran krusial pada tahap ini dengan berbagai parameter pengendalian dan proteksi melalui fitur-fitur nya sehingga Gas Turbine Generator (GTG) dapat melalui tahap ini dengan sukses.

Kata Kunci : Distributed Control System (DCS), MARK* VIe, Gas Turbine Generator (GTG)

PENDAHULUAN
Dalam dunia industri pembangkitan energi listrik khususnya bidang instrumentasi dan kendali, ketepatan dan kecepatan adalah hal nomor satu, oleh karena perkembangan dan pembaharuan teknologi di bidang ini berkembang begitu cepat dalam beberapa dekade terakhir maka pembaharuan (Upgrade) sistem kendali pun kerap dilakukan untuk mencapai hasil yang lebih baik dan memuaskan. Sistem kendali untuk pengendalian turbin gas pun berkembang dari yang hanya berupa katup-katup manual dengan sistem governor menjadi pengendalian yang meliputi cakupan lebih luas yang kompleks dengan teknologi modern. Perkembangan sistem kendali MARK* VIe merupakan teknologi yang dikembangkan oleh General Electric (GE) yang mengalami pembaruhuan puluhan tahun setelah debut nya dimulai pada SPEEDTRONICTM MARK I. PT. Krakatau Daya Listrik dalam pembangkit listrik tenaga gas dan uap (PLTGU) atau Combined Cycle Power Plant (CCPP) 120 MW menggunakan sistem kendali terdistribusi atau Distributed Control System (DCS) MARK* VIe sebagai sistem kendali nya pada bagian Gas Turbine Generator (GTG).
Pada proses Penyalaan awal (start-up) turbin gas dikendalikan dengan MARK* VIe yang memiliki fungsi utama mengatur kecepatan putar awal dan memproses bahan bakar natural gas dari asupan PGN yang di kendalikan pada proses pembakaran lewat sistem Fuel Speed Ratio (FSR) sistem ini mengendalikan seberapa besar aliran bahan bakar dan tekanan bahan bakar yang dibutuhkan untuk menggerakan turbin sesuai dengan nilai kecepatan yang ditentukan melalui nilai setpoint. FSR ini kemudian mempengaruhi asupan bahan bakar yang dialirkan ke 14 buah ruang bakar (Combustion Chamber) , selain itu mempengaruhi kebutuhan akan ruang bakar yang berdampak pada kecepatan turbin Gas Turbine Generator (GTG), yang bervariasi tergantung kebutuhan pada setiap fase.

PROSES COMBINED CYCLE POWER PLANT
PLTGU yaitu pembangkit listrik yang menggunakan tenaga gas dan uap dalam menghasilkan energi listrik. Pembakaran bahan bakar gas pada PLTG akan menghasilkan energi panas untuk di gunakan membankitkan uap pada HRSG dan uap itu dipakai untuk memutar turbin uap di PLTU. Secara umum sistem produksi tenaga listrik pada PLTGU dibagi menjadi dua siklus, yaitu :
1. Open Cycle
Biasanya disebut proses turbin gas (PLTG), yaitu gas buang atau uap dari GTG (Gas Turbin Generator) langsung dibuang ke udara melalui bypass stack pada HRSG.
2. Close Cycle
Biasanya disebut proses turbin uap (PLTU), yaitu gas buang dari GTG tidak langsung dibuang ke udara tetapi digunakan untuk memanaskan air yang ada di Heat Recovery Steam Generator (HRSG). Uap yang dihasilkan dari HRSG digunakan untuk memutar turbin uap. Proses Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap dapat dibagi menjadi dua proses, yaitu :
Proses Turbin Gas
Bahan bakar natural gas yang dipasok dari pipa distribusi PGN di alirkan ke Main Regulating Station (MRS) selanjutnya natural gas tadi masuk ke bagian gas compressor untuk dinaikan tekanan nya yang sesuai dengan spesifikasi kebutuhan turbin, selanjutnya masuk ke combustion chamber (ruang pembakaran) bersama-sama udara yang telah dikompresi dari compressor setelah terlebih dahulu melalui air filter. Campuran ini dibakar dan menghasilkan gas panas yang selanjutnya digunakan untuk memutar turbin. Gas buang dari turbin gas akan langsung dibuang melalui cerobong apabila dioperasikan open cycle dengan membuka bypass stack dan akan dilewatkan HRSG apabila dioperasikan close cycle.
2. Proses Turbin Uap
Air pengisi dari deaerator dipompa melalui Low Pressure and High Pressure Water dimasukkan ke HRSG untuk diubah menjadi uap. Hasil uap dari HRSG dimasukkan ke High Pressure Turbine kemudian masuk ke Low Pressure Turbine untuk mengubah energi panas uap menjadi energi putar rotor. Uap bekas setelah dipakai di Low Pressure Turbine dialirkan ke condenser untuk dikondensasikan oleh air pendingin atau air laut yang dipompa melalui Circulating Water Pump (CWP). Air condensate dipompakan oleh condensate pump untuk selanjutnya dimasukkan ke deaerator.

DASAR TEORI

3.1 Gambaran Mark* VIe Control
Mark* VIe adalah suatu sistem kendali terdistribusi yang merupakan sistem pengaturan, sistem proteksi dan sistem monitoring yang terintegrasi menjadi satu, sistem kendali ini bertujuan untuk memaksimalkan hasil output dari pada proses turbin dan melindungi segala resiko kerusakan, kegagalan saat turbin dalam kondisi beroperasi sehingga masa penggunaan atau lifetime dapat lebih lama.
3.2 Konfigurasi kendali Mark* VIe
Mark* VIe adalah sistem kendali terdistribusi, merupakan sistem kendali modern pada turbin gas bersifat programmable yang di desain sesuai dengan kebutuhan industri pembangkitan energi yang semakin kompleks dan dinamis. Mark* VIe mempunyai beberapa fitur utama antara lain :
Arsitektur sistem yang berbasis Triple Modular Redundant (TMR) yang memberikan performansi terbaik dengan tiga channel pengendalian yang di program dengan logika bila 2 dari 3 unit mati maka sistem otomatis akan memberikan peringatan.
Memiliki Control Operator Interface (COI) yang mudah digunakan dan dengan desain tampilan yang bagus.
Implementasi perangkat lunak dengan toleransi kesalahan atau Software Implemented Fault Tolerance (SIFT) yang berarti sistem dengan cerdas dapat menoleransi kesalahan tunggal dan mempertahankan status turbin tetap beroperasi.
Kecepatan dan keakuratan antarmuka dengan direct sensor hingga 10µs yang menjadikan pengendalian dan monitoring secara real-time.
Sistem kendali terintegrasi dalam satu kesatuan Packaged Electronics Electrical Control Compartment (PEECC) sehingga kemampuan diagnosa masalah built-in menyatu dengan sistem.
Mark* VIe menggunakan 3 modul kontroler yang identik masing-masing , dan untuk menjalakan seluruh logika dan algoritma pengendalian yang vital. Arsitektur dengan 3 modul ini beserta sensor proteksi
yang disebut TMR, untuk konfigurasi secara umum dapat dilihat pada gambar 1
Untuk performansi yang baik, informasi dan data dikomunikasikan dan dibagi kepada 3 jaringan yang berbeda , melewati jaringan eksternal yaitu antarmuka untuk operasi dan antarmuka untuk data proses. Lalu melewati jaringan pertukaran data atau data exchange network (DENET) yang merupakan bagian komunikasi Mark* VIe pada kompartemen kendali. DENET memiliki fungsi untuk menyediakan link komunikasi antara prosesor internal dari panel kendali. TMR juga berfungsi sebagai pemilih atau voted logic untuk proses yang terjadi pada sinyal-sinyal pengendalian.

Gambar 1 Arsitektur sistem TMR pada Mark* VIe

Yang terakhir jaringan I/O (IONET) adalah jaringan komunikasi serial yang terhubung dalam konfigurasi berantai. Jaringan ini digunakan untuk kepada 3 modul pengendali R, S dan T selain bekerja dengan redundant, sinyal kendali yang diberikan pun merupakan hasil voting dari ketiga modul ini.

3.3 Operator Interface Mark* VIe
Interface Mark* VIe berfungsi sebagai upload, download, monitoring maupun pengendalian proses sehingga dengan interface ini seluruh aktifitas dari Mark* VIe kontrol panel bisa terwakili. Work Station Interface, terdiri dari serangkaian alat – alat, antara lain: sebuah PC (Personal Computer) layar monitor berwarna, Cursor Positioning Device (Mouse), Keyboard (QWERTY Keyboard) dan Printer. Operator interface CCPP 120 MW PT. KDL dapat dilihat pada gambar 2

Gambar 2 Operator Interface Mark* VIe

Peralatan-peralatan tersebut dapat menghubungkan antara operator dengan keadaan real-time sistem turbin atau sebagai work station pemeliharaan lokal, baik itu pengamatan peralatan turbin, pengendalian turbin, sistem proteksi turbin maupun pemasukan data baru ke kontrol panel pada Mark* VIe.

3.4 Perangkat Input/Output
Mark* VIe pada desain nya diperuntukan berhubungan langsusng dengan perangkat perangkat sensor juga aktuator pada sistem turbin maupun generator nya yang meliputi :
magnetic speed pickups
servos
sensor vibrasi/getaran
thermocouples
Resistive Temperature Devices (RTDs)

SISTEM KENDALI
Sistem kendali pada CCPP PT. KDL menggunakan sistem kendali terdistribusi yaitu khusus pada GTG menggunakan sistem kendali GE Mark* VIe Control, sistem kendali ini menggunakan konfigurasi kendali yang terdistribusi pada masing-masing bagian lokal yang membutuhkan pengendalian (local controler). Desain arsitektur Mark* VIe dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar 3 Arsitektur Sistem Kendali Mark* VIe

Desain Sistem kendali Mark* VIe pada turbin gas
Pengendalian awal pada sistem turbin gas adalah saat penyalaan awal (Start-up) pengendalian ini meliputi kendali kecepatan, kendali percepatan, kendali temperatur dan parameter lain. Sensor dari kecepatan turbin oleh sensor magnetik (Magnetic Speed Pickups), temperatur panas buangan, vibrasi/getaran turbin dan tekanan bahan bakar gas menentukan kondisi operasi dari turbin gas. Pada proses perubahan kondisi turbin akibat operasi misalnya perubahan kecepatan atau temperatur panas buangan yang melebihi batas referensi acuan ideal maka sistem kendali Mark VI*e akan melakukan perubahan pada aliran suplai bahan bakar gas (FSR) dengan mengurangi asupan atau tekanan masukan sesuai dengan logika dan proteksi sistem Kendali temperatur. Perubahan dalam kondisi ini pun akan melibatkan local controler dan keseluruhan sistem yang berhubungan pun akan mengikuti. Selama operasi kondisi turbin di sensor secara real-time dan digunakan sebagai feedback signal ke sistem Mark* VIe, dengan tiga voting pengendalian operasi misalnya sistem Start-Up, Sistem kendali kecepatan dan sistem kendali temperatur.

4.2 Start-up Control

4.2.1 Starting System
Seperti pada mesin-mesin yang ber – ruang bakar internal lainnya, turbin gas tidak bisa berputar atau tidak menghasilkan tenaga putaran awalan sendiri pada saat putarannya 0 (zero speed) oleh sebab itu dibutuhkan sebuah starting system untuk melakukan perubahan keadaan Turbin Gas, sebagai pemutar awal sampai mencapai kecepatan putaran untuk pembakaran dan membantu untuk mencapai kecepatan putaran tertentu, sehingga turbin gas yang sudah dalam keadaan penyalaan awal dengan starting system tadi hingga fase pembakaran bahan bakar gas tersebut mampu berputar dan berakselerasi sendiri menuju ke kecepatan putaran nominalnya. Hal tersebut terselesaikan dengan bantuan peralatan sebuah motor induksi sebagai Motor Starter, dan dibantu dengan Torque Converter yang dioperasikan dimana ia berfungsi sebagai kopling penyambung dengan accessory gear.

Gambar 4 Skema Turbin Gas

Tahap – tahap penyalaan awal diantaranya dengan menggunakan sistem sebagai berikut
Motor Starter
Motor Starter atau Cranking Motor ini adalah produk dari GE yaitu Custom 8000®, motor induksi dengan jenis Horisontal Motor dilengkapi dengan bantalan-bantalan antifriction, 3 phase, 6000 Volt, dengan daya 1250 HP, pada putaran ideal sekitar 1250 rpm.
Torque Coverter
Torque converter merupakan suatu peralatan dengan menggunakan media hydruaulic dalam hal ini minyak lube oil. Adapun fungsi dari lube oil pada Torque Converter adalah :
Sebagai media kerja penggerak daya hidrodinamik.
Sebagai media control system torque Converter.
Sebagai pelumas dan pendingin system.
Sebagai pemutar pada waktu on cool down.
Fungsi utama dari torque converter adalah Untuk meneruskan putaran motor cranking ke turbin dengan menggunakan flexible coupling pada waktu start up dan untuk memutar turbin pada waktu on cooldown dengan media lube oil.
Accessory Gear
Fungsi Accessory Gear pada sistem ini adalah sebagai penggerak untuk beberapa peralatan bantu lainnya, seperti Pompa Utama Minyak Pelumas, Pompa Utama Minyak Hidraulik, Kompressor Utama Atomizing Air maupun Pompa Utama Bahan Bakar. Peran Utamanya ia berfungsi sebagai penghubung antara Motor Cranking dengan Kompressor Turbin Gas.

4.2.2 Fungsi – Fungsi Kerja Starting System
Torque Converter dan Motor Starter (Motor Cranking), keduanya sebagai supply tenaga kepada Turbin Gas ketika siklus start-up dan ketika siklus sesudah shutdown ( cool down ). Ketika siklus Start-up, peralatan – peralatan pada sistem starting mempunyai tiga macam fungsi, antara lain Sebagai pemutar awal, ketika Turbin Gas masih diam belum berputar yang kemudian Mengakselerasi putaran Turbin Gas sampai pada putaran pengapian. Dan berikutnya Membantu akselerasi putaran Turbin Gas yang sudah terjadi pengapiannya sampai dengan tercapainya kemampuan Turbin Gas untuk berakselerasi sendiri menuju putaran nominalnya, atau yang mana sampai dengan kecepatan putar Turbin Gas lebih besar dari pada kecepatan putaran peralatan sistem startingnya.

4.2.3 Pengendalian Penyalaan
Bagian yang penting dalam tahap control start-up Turbin Gas adalah penginderaan/pembacaan dengan kecepatan yang tepat. Kecepatan turbin diukur dengan magnetic pickup. Detector kecepatan dan relay kecepatan ini pada dasarnya digunakan untuk :
Deteksi Kecepatan Nol (kira-kira 0% kecepatan)
Deteksi Kecepatan Minimum (kira-kira 16% kecepatan)
Deteksi Kecepatan Akselerasi (kira-kira 50% kecepatan)
Deteksi Kecepatan Operasi (kira-kira 95% kecepatan)
Detektor kecepatan nol, memberikan sinyal ketika poros turbin start atau stop berputar. Ketika kecepatan poros dibawah batas rata-rata, atau pada kecepatan nol, maka detektor ini bekerja (fail safe) dan permissive logic memerintahkan ratchet atau operasi slow roll selama sequence start-up turbin secara otomatis. Kurva penyalaan awal turbin dengan standar ISO dapat dilihat pada gambar 6 dibawah ini.

Gambar 6 Kurva Start-up ideal turbin gas
4.2.3 Fase Start-up Turbin gas
Zero
Fire
Warm up
Accelerate
Max
Tahapan turbin dari mulai fase off cooldown hingga mencapai sinkron dapat dijelaskan yaitu ketika Fase Zero yang merupakan kondisi di mana turbin dalam keadaan mati. Sebelum beroperasi dari keadaan mati, turbin harus melewati beberapa tahapan terlebih dahulu, diantaranya adalah on cooldown dimana turbin diputar pada kecepatan rendah. Hal ini berfungsi memberikan waktu untuk melumasi bagian bagian turbin.
Setelah itu, dilakukan purging. Purging dilakukan untuk menghilangkan sisa bahan bakar yang masih ada di ruang bakar lalu masuk ke Fase selanjutnya adalah firing, Bersamaan dengan ini, turbin berputar dibantu dengan motor cranking Setelah melalui proses purging, bahan bakar akan dialirkan ke 14 ruang bakar (Combustion Chamber). Bersamaan itu, spare plug akan menghasilkan percikan api. Kombinasi antara bahan bakar, udara dari kompresor dan percikan api, akan menghasilkan udara dengan suhu dan tekanan yang tinggi. Udara bertekanan inilah yang digunakan untuk memutar turbin gas. Setelah proses firing, adalah proses warming up, mulai proses firing, kecepatan turbin akan terus meningkat hingga keadaan ideal nya. Fase warm up dimaksudkan untuk penyesuaian turbin. Proses ini membutuhkan waktu ideal sekitar 1 menit. Setelah 1 menit, fase warm up akan berakhir dan memasuki fase accelerate.
Motor cranking akan terlepas dan Turbin mulai berputar dengan energi dari udara yang terkompresi bertekanan tinggi, Setelah ini kecepatannya akan terus bertambah hingga set point yang di inginkan. Kecepatan set point awal inilah yang disebut Full Speed No Load (FSNL). Pada Tahap ini akan dilakukan sinkronisasi.
4.2.4 Sinkronisasi
Sinkronisasi otomatis disempurnakan dengan menggunakan program algoritma sinkronisasi ke logic software channel R, S, T. Sinyal tegangan Bus dan generator di masukkan ke sistem kendali generator dan diparalelkan dengan core (R, S, T). Software menggerakkan pemeriksa sinkron (synch check) dan relay permissive sinkronisasi, sementara sistem proteksi menyediakan perintah aktual menutup breaker. Ada tiga model dasar mode sinkronisasi, ini dapat dipilih dari kontak eksternal contohnya selector switch panel generator, atau dari antarmuka operasi pengendali Mark* VIe. OFF-Breaker tidak akan closed melalui sistem kendali Mark* VIe dengan parameter pengendali nya adalah MANUAL maka Operator menginisiasi penutupan breaker ketika permissive synch check relay memenuhi. AUTO maka Sistem secara automatis mencocokkan tegangan dan frekuensi dan kemudian menutup breaker pada waktu yang tepat.
Untuk sinkronisasi, unit dibawa ke kecepatan 100% atau lebih sekitar 0,3% untuk menjaga pembangkitan generator lebih tinggi dari jaringan, menjamin beban bias masuk ketika breaker close.
Ada 3 syarat turbin mencapai sinkron yaitu :
Tegangannya sama
Frekuensinya sama
Sudut fasenya sama
Setelah sinkron, maka breaker pada switchyard akan close dan listrik dapat disalurkan ke jaringan sehingga dapat digunakan untuk keperluan energi industri di wilayah kawasan industri krakatau dan dinikmati masyarakat lewat interkoneksi jaringan listrik PT. PLN.

KESIMPULAN
Komponen utama sistem PLTGU atau CCPP terbagi menjadi tiga, yaitu Gas Turbine Generator (GTG), Heat Recovery Steam Generator (HRSG), dan Steam Turbine Generator (STG).
PLTGU atau CCPP pada PT. KDL menggunakan konfigurasi 2-2-1 yang dimana konfigurasi ini terbukti efisien dalam proses pembangkitan energi listrik.
Sistem kendali terdistribusi atau Distributed Control System (DCS) dengan sistem kendali turbin gas Mark* VIe adalah suatu sistem kendali, sistem monitoring dan sistem proteksi yang terintegrasi menjadi satu kesatuan dimana memiliki teknologi juga fleksibilitas yang tinggi , sistem kendali ini telah dikembangkan oleh General Electric (GE) dengan menggunakan perangkat lunak dan perangkat keras yang modern.
Sistem Kendali Mark* VIe menggunakan sistem yang terkonfigurasi secara Triple Modular Redundant (TMR) yang berarti sistem ini menggunakan 3 kontroler identik bekerja bersamaan, terdiri dari tiga buah control processor , ~~, dan yang dimana pada core , ~~, dan terdapat prosessor proteksi~~~~
.
DCS Mark* VIe merupakan sistem kendali digital programmable yang berisi logika-logika pengendali, logika – logika proteksi dan sequence logic pada operasi turbin gas
Pengendalian penyalaan turbin gas mengatur perubahan keadaan turbin gas, dari pemutar awal sampai mencapai kecepatan putaran tertentu sehingga turbin ini mampu berputar dan berakselerasi sendiri sampai ke kecapatan putaran nominalnya dengan energi dari natural gas yang digunakan
deteksi kecepatan putar pada turbin gas menggunakan sensor internal magnetic pick up yang terdapat pada Turbin Gas GE 6B.03 dan ini menjadikan sensor pembacaan kecepatan putar turbin adalah faktor yang penting dalam tahap pengendalian penyalaan turbin (Start-up Control)

DAFTAR PUSTAKA
http://id.wikipedia.org/wiki/Sistem_kendali

Ogata, Katsuhiko. 2002, Modern Control Engineering. Taheeran – Iran : Aeeizh Publisher

http://site.geenergy.com/businesses/ge_oilandgas/en/streams_app/globalservices/speedtronic_markvie.htm

Energy, General Electric. 2012, GEH-6721G GE MARK* VIe Control System Vol I, Saleem – USA : General Electric Company

Power & Water, General Electric. 2014, GED-7389D GE 6B.03 Heavy Duty Gas Turbine, USA : General Electric Company

Muralidharan, Vikram. 2014, KDL 120 MW Combined Cycle Power Plant Network Topolgy, Europe : GE Energy Products.

BIODATA

Andra Imam Putra Graha (3332110300) lahir di Jakarta pada tahun 1993 ini adalah Mahasiswa Teknik Elektro Universitas Sultan Ageng Tirtayasa dengan konsentrasi Instrumen dan kendali

Cilegon, 30 Maret 2015

sistem Kendali Kecepatan Turbin Gas menggunakan DCS GE MARK* VIe

Recommend Documents