Pengaruh Getaran Terhadap Pengukuran Kecepatan Aliran Gas Dengan Menggunakan Orifice Plate
Oleh: Rizky Primachristi Ryantira Pongdatu 2410100080 Dosen Pembimbing: Dr. Ir. Totok Soehartanto, DEA NIP. 19650309 199002 1 001
Bidang Minat Rekayasa Instrumentasi dan Kontrol Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember
PENDAHULUAN
LATAR BELAKANG PT Vico Indonesia sebagai produsen gas bumi
Metering system digunakan sebagai fungsi kontrol gas yang akan dijual
Pengukuran aliran gas menggunakan orifice berpotensi menimbulkan dampak perusak
Salah satu alat ukur pada metering system adalah orifice meter
Salah satunya adalah kavitasi aliran. Kavitasi aliran ini menyebabkan noise, korosi ataupun getaran
Analisa pengaruh pengukuran aliran gas terhadap potensi terjadi getaran
Rumusan Masalah
• bagaimana dampak getaran yang ditimbulkan akibat penggunaan orifice plate pada pengukuran laju aliran gas di PT Vico Indonesia
Tujuan
• Mengetahui dampak getaran yang ditimbulkan akibat penggunaan orifice plate pada pengukuran laju aliran gas di PT Vico Indonesia
Batasan Masalah
• Data lapangan yang diambil adalah data upstream (MMscfd), properti fluida, dimensi orifice dan pipa serta hasil pengukuran vibrasi di empat sumur yang berbeda • Jenis fluida yang digunakan adalah gas metana • Software yang digunakan untuk simulasi adalah CFD • Orifice yang digunakan adalah orifice flowmeter yang berada di empat sumur berbeda yaitu sumur PGN 39 L, PGN 39 U, MTA 79 dan MTA 96
DASAR TEORI
Konsep aliran
Aliran laminer berbentuk parabola. Kecepatan tertingginya berada di bagian tengah, sementara semakin mendekati dinding, kecepatannya relatif lebih rendah. Hal ini disebabkan adanya gaya gesekan sehingga menyebabkan besarnya koefisien viskositas. Sementara pada aliran turbulen, gaya momentumnya lebih besar dari gaya gesekan dengan dinding. Hal ini membuat profil kecepatan fluida pada aliran turbulen menjadi lebih seragam satu sama lain. Namun tetap saja pada area yang semakin mendekati dinding pipa, aliran fluida tetap laminar. Pada daerah transisi antara turbulen dan laminar, profil kecepatannya sulit diprediksi. Ada kemungkinan profil kecepatan ini tidak stabil dan dapat menunjukan sifat sifat dari daerah aliran laminer maupun turbulen atau osilasi antara keduanya.
Pengukuran aliran fluida menggunakan orifice meter
Orifice meter adalah satu set peralatan yang diletakkan di suatu pipa untuk menghambat aliran fluida dan menimbulkan pressure drop. Pengukuran laju alir (flow rate) didapat dari perbedaan tekanan karena adanya pressure drop tersebut. Kecepatan maksimum fluida yang masuk pada orifice dan minimum static pressure tidak terjadi pada bore yang terdapat pada orifice tersebut, tetapi terjadi pada sisi downstream orifice tersebut. Setelah fluida melewati orifice tersebut, fluida yang keluar dari orifice akan mengalami penurunan pressure sampai fluida tersebut kembali memiliki pressure yang besar. Tempat dimana fluida tersebut memiliki kecepatan yang tinggi dan pressure yang rendah disebut vena contracta. Dan lokasi dari vena contracta tergantung dari bentuk geometri dari orifice tersebut
Kavitasi aliran akibat pengukuran orifice
Kavitasi terjadi akibat adanya pembentukan gelembung uap (bubbles) akibat pressure drop yang turun hingga mencapai tekanan uap fluida pada temperatur tetap. Pada orifice, kavitasi terjadi karena pressure drop fluida setelah vena contracta mencapai tekanan uap fluida tersebut. Fenomena kavitasi ini menyebabkan terjadi turbulensi aliran sehingga berpotensi menyebabkan vibrasi pada pipa. Kavitasi dinyatakan dalam bentuk matematis sebagai indeks kavitasi. Nilai vibrasi berbading lurus dengan derajat kavitasi. Namun, derajat kavitasi berbanding terbalik dengan indeks kavitasinya. Artinya, semakin kecil indeks kavitasi suatu fluida, maka potensi vibrasi yang dihasilkan akan semakin besar.
Persamaan Indeks kavitasi dan indeks kavitasi kritis Persamaan (1)
Persamaan (2)
Persamaan (3)
METODOLOGI PENELITIAN
Alur Penelitian
Studi lapangan
Studi di lapangan dilakukan di keempat sumur di PT Vico Indonesia yaitu sumur PGN 39 L, PGN 39 U, MTA 79 dan MTA 96 pada tanggal 4-9 Mei 2014
Studi lapangan bertujuan untuk mengumpulkan data-data properti fluida yang dibutuhkan, dimensi pipa dan orifice serta untuk mengukur getaran papa pipa downstream
Pengukuran getaran menggunakan Accelerometer SKF Vibration Measurement Tools.
Pengukuran getaran pada salah satu sumur di PT Vico Indonesia. Pencatatan dilakukan secara manual
Hasil pengukuran getaran No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
PGN 39 L 2 2.3 2.9 2.3 2 1.9 2.1 2.3 2.2 1.9 1.8 2.4 2.1 2 2.8 2.4 2.1 2 1.8 2.4 2.1 1.9
PGN 39 U 2.5 2.1 2.6 2.8 2.5 3.1 2 2.7 2.9 2.8 3.4 2.6 3 2.9 3 2.8 2.9 3.3 3.4 3 2.9 2.8
MTA 79 1 0.9 1 0.9 1.1 1 0.9 1.1 0.9 1 1.4 1 1.1 1 0.9 1.1 0.9 1.3 1 1.1 0.9 1.2
MTA 96 0.4 0.3 0.4 0.5 0.3 0.4 0.5 0.4 0.5 0.5 0.4 0.3 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
Menentukan indeks kavitasi dan indeks kavitasi kritis
Nilai indeks kavitasi (CI) dapat ditentukan menggunakan Persamaan (1). Nilai CI ini nantinya akan dibandingkan dengan nilai getaran pada masing-masing sumur. Nilai indeks kavitasi kritis (CIc) dapat ditentukan menggunakan Persamaan (3). Nilai CIc ini nantinya akan dibandingkan dengan nilai CI masing-masing sumur. Kavitasi terjadi jika CI
Indeks Kavitasi dan Indeks Kavitasi Kritis sumur PGN 39 L Tabel 1 Data properti fluida dan indeks kavitasi Q (MMscfd) 1.113 1.123 1.129 1.133 1.113 1.113 1.113 1.113 1.113 1.113 1.113 1.113 1.114 1.115 1.113 1.115 1.117 1.112 1.118 1.112 1.115 1.113
Q (m3/s) Pu (Psig) 0.36729 650 0.37059 650 0.37257 620 0.37389 650 0.36729 668 0.36729 640 0.36729 650 0.36729 666 0.36729 660 0.36729 650 0.36729 677 0.36729 699 0.36762 650 0.36795 667 0.36729 668 0.36795 685 0.36861 674 0.36696 663 0.36894 660 0.36696 662 0.36795 634 0.36729 690
DP (psi) 576.79 587.2 593.49 597.71 576.79 576.79 576.79 576.79 576.79 576.79 576.79 576.79 577.83 578.81 576.79 578.81 580.94 575.76 581.99 575.76 578.87 576.79
Pd (psi) 87.89 77.48 41.49 66.87 105.89 77.89 87.89 103.89 97.89 87.89 114.89 136.89 86.85 102.81 105.89 120.81 107.73 101.92 92.69 100.92 69.81 127.89
CI
CIc
0.1 0.08 0.01 0.06 0.13 0.08 0.1 0.12 0.11 0.1 0.14 0.18 0.09 0.12 0.13 0.15 0.13 0.12 0.1 0.12 0.06 0.16
1.02 1.01 1.00 1.01 1.03 1.02 1.02 1.03 1.02 1.02 1.03 1.04 1.02 1.03 1.03 1.03 1.03 1.02 1.02 1.02 1.01 1.03
Indeks Kavitasi dan Indeks Kavitasi Kritis sumur PGN 39 U Tabel 2 Data properti fluida dan indeks kavitasi Q (MMscfd) 1.462 1.478 1.444 1.442 1.443 1.447 1.461 1.462 1.466 1.463 1.461 1.463 1.459 1.463 1.465 1.462 1.466 1.462 1.459 1.476 1.457 1.465
(m3/s)
Q 0.48246 0.48774 0.47652 0.47586 0.47619 0.47751 0.48213 0.48246 0.48378 0.48279 0.48213 0.48279 0.48147 0.48279 0.48345 0.48246 0.48378 0.48246 0.48147 0.48708 0.48081 0.48345
Pu (Psig) 230 239 231 230 234 235 230 230 235 235 231 234 235 234 233 231 230 231 229 236 237 238
DP (psi) 197.27 201.61 192.44 191.91 192.18 193.24 197 197.27 198.35 197.54 197 197.54 196.46 197.54 198.08 197.27 198.35 197.27 196.46 201.07 195.92 198.08
Pd (psi)
CI
CIc
47.41 52.07 53.24 52.77 56.5 56.44 47.68 47.41 51.33 52.14 48.68 51.14 53.22 51.14 49.6 48.41 46.33 48.41 47.22 49.61 55.76 54.6
0.08 0.10 0.12 0.11 0.13 0.134 0.08 0.086 0.107 0.111 0.09 0.106 0.117 0.106 0.098 0.092 0.081 0.092 0.087 0.097 0.131 0.123
1.02 1.02 1.02 1.02 1.03 1.03 1.02 1.02 1.02 1.02 1.02 1.02 1.02 1.02 1.02 1.02 1.01 1.02 1.02 1.02 1.03 1.02
Indeks Kavitasi dan Indeks Kavitasi Kritis sumur MTA 79 Tabel 3 Data properti fluida dan indeks kavitasi Q (MMscfd) 0.52 0.51 0.523 0.53 0.54 0.52 0.511 0.521 0.512 0.513 0.542 0.532 0.52 0.51 0.54 0.521 0.52 0.53 0.51 0.511 0.533 0.512
(m3/s)
Q 0.1716 0.1683 0.17259 0.1749 0.1782 0.1716 0.16863 0.17193 0.16896 0.16929 0.17886 0.17556 0.1716 0.1683 0.1782 0.17193 0.1716 0.1749 0.1683 0.16863 0.17589 0.16896
Pu (Psig) 500 505 499 510 501 502 503 505 510 503 504 506 507 501 506 502 503 502 501 501 503 506
DP (psi) 310.87 299.03 314.47 322.94 335.24 310.87 300.2 312.07 301.38 302.56 337.73 325.38 310.87 299.03 335.24 312.07 310.87 322.94 299.03 300.2 326.61 301.38
Pd (psi) 203.81 220.65 199.21 201.74 180.44 205.81 217.48 207.61 223.3 215.12 180.95 195.3 210.81 216.65 185.44 204.61 206.81 193.74 216.65 215.48 191.07 219.3
CI
CIc
0.5 0.63 0.53 0.531 0.448 0.56 0.624 0.568 0.64 0.611 0.44 0.507 0.581 0.623 0.463 0.559 0.568 0.506 0.623 0.617 0.492 0.627
1.11 1.13 1.11 1.11 1.09 1.11 1.12 1.11 1.13 1.12 1.09 1.10 1.12 1.12 1.09 1.11 1.11 1.10 1.12 1.12 1.10 1.12
Indeks Kavitasi dan Indeks Kavitasi Kritis sumur MTA 96 Tabel 4 Data properti fluida dan indeks kavitasi Q (MMscfd) 0.416 0.415 0.432 0.415 0.412 0.424 0.425 0.424 0.421 0.433 0.414 0.412 0.424 0.421 0.433 0.421 0.431 0.421 0.424 0.433 0.442 0.43
Q (m3/s) 0.13728 0.13695 0.14256 0.13695 0.13596 0.13992 0.14025 0.13992 0.13893 0.14289 0.13662 0.13596 0.13992 0.13893 0.14289 0.13893 0.14223 0.13893 0.13992 0.14289 0.14586 0.1419
Pu (Psig) 150 156 151 154 153 152 154 152 153 152 154 157 150 149 150 154 152 153 151 155 153 154
DP (psi) 54.4 54.14 58.67 54.14 53.36 56.52 56.78 56.52 55.72 58.94 53.88 53.36 56.52 55.72 58.94 55.72 58.4 55.72 56.52 58.94 61.42 58.13
Pd (psi) 110.28 116.54 107.02 114.54 114.32 110.17 111.9 110.17 111.97 107.74 114.8 118.32 108.17 107.97 105.74 112.97 108.29 111.97 109.17 110.74 106.27 110.56
CI
1.474 1.596 1.311 1.559 1.578 1.417 1.44 1.417 1.469 1.317 1.572 1.653 1.381 1.397 1.283 1.487 1.339 1.469 1.399 1.368 1.240 1.384
CIc
1.25 1.26 1.23 1.26 1.26 1.24 1.24 1.24 1.25 1.23 1.26 1.27 1.24 1.24 1.22 1.25 1.23 1.25 1.24 1.24 1.22 1.24
Simulasi menggunakan CFD Simulasi pada CFD bertujuan untuk memvisualisasikan area yang berpotensi terjadinya kavitasi aliran akibat pengukuran laju aliran menggunakan orifice
Membuat geometri pipa dan orifice
Tahapan meshing
PGN 39 L
PGN 39 U
MTA 79
MTA 96
Simulasi pada Fluent Simulasi numerik menggunakan software Fluent 6.2.16. Berikut adalah tahapannya: - Pembacaan mesh yang sudah dibuat di software Gambit, solver, - material, - phase, boundary condition, operating condition, - controls solution, - initialize, - monitors - iterasi. - Post Processing
ANALISA DATA
Pengaruh flowrate terhadap indeks kavitasi pada sumur PGN 39 L Pengaruh Flowrate terhadap indeks kavitasi 0.2 0.18 0.16
Indeks Kvavitasi
0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 1.11
1.115
1.12 1.125 Flowrate (MMscfd)
1.13
1.135
Pengaruh flowrate terhadap indeks kavitasi pada sumur PGN 39 U Pengaruh flowrate terhadap indeks kavitasi 0.16 0.14
Indeks Kavitasi
0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 1.44
1.445
1.45
1.455 1.46 1.465 Flowrate (MMscfd)
1.47
1.475
1.48
Pengaruh flowrate terhadap indeks kavitasi pada sumur MTA 79 Pengaruh Flowrate terhadap indeks kavitasi 0.7 0.6
Indeks Kavitasi
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.505
0.51
0.515
0.52
0.525 0.53 Flowrate (MMscfd)
0.535
0.54
0.545
Pengaruh flowrate terhadap indeks kavitasi pada sumur MTA 96 Pengaruh Flowrate terhadap indeks kavitasi 1.8 1.6
Indeks Kavitasi
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.41
0.415
0.42
0.425 0.43 Flowrate (MMscfd)
0.435
0.44
0.445
Pengaruh flowrate terhadap indeks kavitasi keempat sumur
Perbandingan indeks kavitasi dan derajat getaran yang dihasilkan
Perbandingan indeks kavitasi dan derajat getaran yang dihasilkan
Gambar diatas menggambarkan dengan jelas bahwa indeks kavitasi menurun secara berurutan mulai dari sumur MTA 96, MTA 79, PGN 39 L dan PGN 39 U. Selain itu, tren vibrasi paling besar secara berurutan terjadi pada sumur PGN 39 U, PGN 39 L, MTA 79 dan paling kecil adalah MTA 96. Gambar diatas menunjukkan bahwa nilai vibrasi dan indeks kavitasi saling berbanding terbalik
Pengaruh vibrasi terhadap deviasi pengukuran dan kandungan laju aliran liquid terhadap indeks kavitasi keempat sumur
Kontur distribusi tekanan pada sumur PGN 39 L
Kavitasi terjadi ketika fluida mencapai tekanan uapnya pada temperature tetap. Berdasarkan gambar kontur distribusi tekanan di atas, tekanan uap dinyatakan sebagai warna biru muda yang artinya merupakan daerah yang berpotensi terjadi kavitasi. Selain itu pada Tabel 1, rata-rata CI adalah 0.112 dan rata-rata CIc adalah 1.03. Berdasarkan data ini, CI masih jauh lebih kecil dari CIc dengan selisih 0.918. Hal menunjukkan bahwa pada sumur PGN 39 L kavitasi dapat terjadi.
Kontur distribusi tekanan pada sumur PGN 39 U
Berdasarkan gambar kontur distribusi tekanan di atas, tekanan uap dinyatakan sebagai warna biru muda yang artinya merupakan daerah yang berpotensi terjadi kavitasi. Selain itu pada Tabel 2, sumur PGN 39 U memiliki nilai indeks kavitasi (CI) masih dibawah nilai indeks kavitasi kritis (CIc). Hal menunjukkan bahwa pada sumur PGN 39 U, kavitasi dapat terjadi.Secara umum luas daerah dan lokasi area kavitasi pada sumur PGN 39 U tidak jauh berbeda dengan sumur PGN 39 L. Hal ini disebabkan karena indeks kavitasi kedua sumur tidaklah jauh berbeda.
Kontur distribusi tekanan pada sumur MTA 79
Berdasarkan gambar kontur diatas, area daerah kavitasi yang ditunjukkan dengan warna biru tua pada sumur MTA 79 ini lebih kecil daripada sumur PGN 39 L dan 39 U. Daerah kavitasinya tidak merata dan tidak memiliki bentuk simetri seperti kedua sumur sebelumnya. Selain itu pada Tabel 3 rata-rata CI adalah 0.56 dan rata-rata CIc adalah 1.11. Berdasarkan data ini, CI masih jauh lebih kecil dari CIc dengan selisih 0.55. Hal menunjukkan bahwa pada sumur MTA 79 kavitasi dapat terjadi.
Kontur distribusi tekanan pada sumur MTA 96
Berbeda dengan ketiga sumur sebelumnya, pada sumur MTA 96 tidak terdapat area berwarna biru tua yang artinya tidak ada area yang berpotensi terjadinya kavitasi. Selain itu pada Tabel 4, rata-rata CI adalah 1.43 dan rata-rata CIc adalah 1.24. Berdasarkan data ini, CI lebih besar dari CIc dengan selisih 0.19. Hal menunjukkan bahwa pada sumur MTA 96 kavitasi tidak terjadi.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Karateristik potensi getaran yang terjadi akibat pengukuran menggunakan orifice meter dapat dilakukan dengan metode penghitungan indeks kavitasi dan berdasarkan perhitungan matematis nilai indeks kavitasi, maka rerata nilai indeks kavitasi terbesar berturut-turut mulai dari MTA 96 sebesar 1.432, MTA 79 sebesar 0.56, PGN 39 L sebesar 0.112 dan PGN 39 U sebesar 0.105.
Pengukuran langsung nilai vibrasi di keempat sumur di PT Vico Indonesia menggunakan accelerometer dan satuan gE (Acceleration Enveloping) menghasilkan nilai rerata terbesar berturut-turut mulai dari PGN 39 U sebesar 2.818 gE, PGN 39 L sebesar 2.168 gE, MTA 79 sebesar 1.031 gE dan MTA 96 sebesar 0.418 gE.
Setelah melakukan perbandingan antara nilai vibrasi dan nilai indeks kavitasi, dapat dibuktikan bahwa nilai vibrasi dan indeks kavitasi keempat sumur saling berbanding terbalik.
Berdarasarkan hasil perhitungan, semakin besar nilai getaran, maka deviasi pengukuran laju aliran dan persentase laju aliran cairan pada fluida akan semakin besar. Nilai 3.4 gE atau 33.32 m/s2 pada sumur PGN 39 U merupakan nilai vibrasi tertinggi sekaligus ambang batas getaran yang diperbolehkan karena menyebabkan deviasi pengukuran mencapai 0.965 %.
Visualisasi kontur area kavitasi akibat orifice telah dilakukan dengan simulasi 2D dengan menganalisa distribusi tekanan yang terjadi
Saran
Melakukan simulasi numerik untuk mencari potensi kavitasi dengan model orifice slotted dan membandingkannya dengan model orifice concentric. Melakukan pengukuran noise/kebisingan atau pengukuran tingkat korosi material akibat pengukuran fluida menggunakan orifice dan membandingkannya dengan indeks kavitasi orifice.
TERIMA KASIH
