Compressor Surging; Anti Surge Control

I don’t remember where I kept my hand-out about Anti Surge Control System. I got it from Pak Ismail Umar (If I am not wrong, before he was instrument engineer at COPI) when he taught my class on Kapita Selekta, Engineering Physics Dept ITB. What I understood was “surging is a phenomenon on compressor which mechanically compressor could not stand with that”. I mean if compressor has no problem with surging then no need instrument and control engineer to overcome the situation by creating a process control on the discharge of compressor. Nothing else I understand. However when time came, I got a real anti-surge control valves in my job then questions hang on my mind. Why does surging happen on the system? why couldn’t compressor deal with it? I need to find good novels to understand this effect not hand books, but I didn’t. I have a dream someday all technical aspect of engineering shall be explained and described like novels. No more engineering handbooks only novels.

Kompressor sentrifugal memiliki tiga parameter operasi yaitu: Speed, Head, dan Flow. Speed adalah kecepatan putar kompressor, Head adalah energi per berat dari kompressor (satuannya feet or meter satuan panjang, jadi bingung :p) untuk menaikkan pressure dari pressure inlet  (Pin) menjadi pressure outlet (Pout), Flow adalah aliran fluid yang sedang ditransfer oleh kompressor. “Kompressor sentrifugal dapat mencapai kondisi maksimum headnya pada speed tertentu, pada kondisi tersebut akan dilewatkan fluida dengan flow tertentu pula“.  Pernyataan di atas disebut sebagai batas kondisi puncak/maksimum stabil dari kompressor. Nah, pada saat Headnya naik (artinya kira-kira Pout membesar) maka flowrate akan turun mengikuti Performance Curve dari kompressor tersebut. P-out membesar bisa jadi karena di pipa yang dialiri oleh discharge kompressor terdapat sumbatan, filternya kotor, atau mungkin juga baju ketinggalan di dalam pipa (ahh nggak mungkin ini), dll. Salah satu contoh Performance Curve dari kompressor adalah sebagai berikut:

Gambar 1

Performance Curve di atas menghubungkan Isentropic Head vs Flowrate. Anyway karena pada gambar di atas menggunkan istilah isentropic dan kata “isentropic” merupakan kata yang sakral dan susah dimengerti oleh orang biasa kaya saya, maka saya harus meninggalkan grafik di atas. Mari kita temukan performance curve yang lain yang serupa tetapi menggunakan hubungan Compression Ratio vs Flowrate (harapannya semoga lebih mudah). Ketemu Performance Curve Compressor seperti di bawah ini:

Gambar 2

Absisnya adalah Q1 (Flowrate) dan Ordinatnya adalah Rho = Pout/Pin. Sedangkan N1 dan N2 adalah kecepatan putar dari kompresor (rpm). Nah garis melengkung ke atas itu adalah Surge Line. Daerah di kanan surge line adalah daerah stabil kompresor, daerah di kiri surge line adalah daerah tidak stabil. Grafik di atas dapat dibaca sebagai berikut:  Ketika kompresor running dengan speed N1 kemudian Rho membesar (misal karena Pout membesar) maka Q1 akan mengecil mengikuti line N1 tersebut. Begitu grafik sampai di surge-line maka kestabilan kompressor akan terganggu. Kalau kestabilan kompressor terganggu apa dampak secara mechanical kepada kompressor? Let’s give it to mechanical engineer to explain, ambil intinya saja mechanical engineer tidak ingin kompressornya masuk surging area. The duty of instrument engineer is to ensure the plot point Rho againts Q1 is not in the surge area atau melintas di kiri surge line. It means

• Q1 should not be allowed to drop
• Rho should not be allowed to raise

Flow Q1 jangan sampai jatuh, artinya suction dan discharge harus bisa mengalirkan fluida pada jumlah yang berada di kanan surge line-nya. Flow Q1 bisa jatuh karena suctionnya kekurangan flowrate atau juga bisa karena dischargenya kompressor di line downstreamnya ada sumbatan atau bahkan mungkin ada valve nutup. Atau kenapa lagi ya? Helm projek ketinggalan di dalam.  Rho-nya (Pout / Pin) jangan sampai naik, gimana caranya? Pressure ini akan berperilaku seiring dan sejalan meski tak serupa dengan flowrate, bukan?. Kalau flowrate lancar tekanan discharge juga tidak akan naik meninggi.  Bayangkan saja kalau flowrate di discharge menjadi terganggu sampai mendekati mampet-pet, maka pressure akan naik dan Rho menjadi membesar dan masuk dan melintasi surge line.

Solusinya bagaimana? Cara yang disampaikan oleh Robert C. White dan Rainer Kurz  dalam artikel Surge Avoidance for Compressor System adalah schematic berikut:

Gambar 3

Penambahan pipa by-pass pada discharge compressor setelah cooler dan diumpankan balik ke suction compressor sebelum scrubber dan lajunya diatur oleh anti-surge control valve merupakan konsep pengendalian surge yang diperkenalkan.

Summary instrumentnya adalah suction compressor harus diketahui Pressure, Temperature, dan Flow sedangkan pada discharge compressor harus diketahui Pressure dan Temperature. Ingat the fundamental law of process control is started by measurement. “The quality of process control obtained can never be better than quality of measurement in which it is based” Bob Connel Process Instrumentation and Application Manual. Jadi biar tahu dan bisa mengendalikan dengan baik maka mengukurnya harus benar.

Anti-Surge Process Control menghimpun variabel dari transmitter-transmitter tersebut dengan accurate. Informasi tersebut dibandingkan dengan value normalnya yang bukan pada daerah surging. Value normalnya adalah Rho-nya kecil dan Flow-nya besar pada titik yang jauh dari surge line. Jadi value normal tersebut adalah set-pointnya. Value dari transmitter harus dibawa menuju value normal dengan memanipulasi variable flowrate pada by-pass line. Ada 5 variabel yang berperan pada sistem anti-surge ini yaitu: pressure suction, temperature suction, pressure discharge, temperature discharge dan flowrate. Dan hanya ada satu variable yang bisa dimainkan untuk memuaskan ke-5 nya, yaitu flowrate by-pass line. Ibarat satu pekerja yang harus memenuhi kebutuhan ke-5 nya secara bersamaan? bukan gantian. Mana mungkin?

Kita dihadapkan pada pertanyaan yang memerlukan solusi dari seorang I&C Engineer. Ada 5 proses variabel, dan hanya ada 1 manipulated variabel, what are you going to do to control them all? what kind of control loops are you going to develope to control them all?

Yang mula-mula pertama adalah menentukan interlock systemnya. Pada saat kapan kompresor harus mati karena kondisi yang sudah tidak terkendali. Interlocknya bisa berasal dari process value yang 5 di atas itu (dah jelas kan?), bisa juga mekanisme internal dari kompressor, atau surounding system.  Mekanisme internal yang saya maksud misalnya karena vibrasi, internal cooling system, dan faktor fueling sistem. Surounding system adalah kondisi lingkungan yang berpengaruh yang berasal dari fire and gas detection system. However, interlock system bukanlah kontrol sistem tapi lebih tepat disebut sebagai safety sistem. Tujuannya adalah untuk menyelamatkan.

Kembali ke sistem kontrolnya maka akan ada 2 loops yang didesain untuk mengendalikan surging. Loop pertama disebut anti-surge control loop dan loop ke dua disebut process control loop. Ada 2 loop dengan satu control valve pada by-pass line, bagaimana mengakurkan ke-dua loop tersebut? Diakurkan dengan salah satu bisa mengoveride yang lain jika dan hanya jika, selama overide berlangsung tidak membahayakan loop yang dioveride. Loop yang dioveride harus semakin aman ketika ditake-over, artinya dibuat tidak berfungsi dalam kondisi aman. Kedua loop akan memerintahkan satu anti-surge control valve untuk beraksi secara bergantian.

Anti Surge Control Valve dipasang pada by-pass line apakah fail-open atau fail-close? Penentuan fail-open atau fail-close control valve berdasarkan pertimbangan sistem harus berada pada kondisi low-energi pada saat ada kejadian fail. Low energy dapat diartikan sebagai kondisi aman. Misalkan kejadian terburuk terjadi yaitu pada downstrean kompresor pipanya tersumbat maka pressure discharge akan naik drastis (danger). Kondisi akan aman jika by-pass line terbuka artinya anti surge control valve terbuka sehingga fluida pada discharge direcycle kembali ke suction sehingga kompressor tetap aman. Dengan evaluasi ini dapat disimpulkan bahwa kondisi fail control valve yang paling aman pada line by-pass adalah fail-open.

Loop yang pertama adalah Anti Surge Control Loop; yang merangkai loop flow variable-controller-control valve. Fungsi dari loop ini adalah mengendalikan flowrate yang melalui kompresor agar tetap pada normal operasinya. Flow yang semakin lambat menyebabkan aliran makin menuju mampet. Aliran mampet pressure discharge jadi tinggi dan lebih tinggi lagi….and then danger. Flow dimainkan dengan mengendalikan by-pass line. Kalau memang pada pipa downstream setelah cooler terjadi problem (mampat misalnya) maka dengan mengatur control valve pada by-pass untuk membuka penuh maka aliran akan tetap bersirkulasi. Kompresor aman. Berapa nilai flow yang aman dan stabil? jawaban mudahnya sesuai dengan Gambar.2 yaitu ketika Q1 di sebelah kanan surge line. Nah, nilai normal Q1 bisa menjadi multi-value tergantung nilai Rho-nya. Bagaimana menentukan set-point aman flowrate Q1? Saya tidak tau bagaimana cara praktisnya di lapangan atau manual yang direkomendasikan company.

Berdasarkan teori, intuisi, penerawangan, dan common sense saja bahwa kompresor memiliki range flowrate Max-Min (mmscfd). Dan set-point flowrate diambil value diantara itu (Yaa…jelas lah jreng). Katakanlah set-point X mmscfd. Nah, ketika flowrate jatuh di bawah X mmscfd maka logikanya by-pass line harus membuka. Ketika flow normal di atas X mmscfd maka by-pass line harus menutup. Jadi line by-pass itu normalnya tertutup, artinya control valve-nya normalnya tertutup. Control Valve membuka ketika kondisi tidak normal. Apakah PID calculation yang digunakan? yang continuously menghitung perbedaan flow actual dengan set-point X dan memerintahkan aksi ke control valve. Atau menggunakan sistem yang lain yaitu signaling-pulsa yaitu kalau flow actual menyentuh nilai minimal N% maka controller memberikan pulsa-signal ke control valve untuk membuka M%.

Loop yang ke dua adalah Process Control Loop; yang merangkai loop pressure suction, pressure discharge-controller-control valve. Jika suction pressure jatuh maka control valve harus membuka, jika suction pressure terlalu tinggi maka nggak apa-apa. Jika discharge pressure terlalu tinggi maka control valve mulai membuka mengurangi pressurenya dengan membalikkan fluidanya, jika pressurenya terlalu rendah maka nggak apa-apa.

Apakah ke-dua loop ini tidak bentrok? Pasti bentrok karena variable yang hendak dikontrol ada dua (pressure dan flow), sedangkan yang dimanipulasi ada satu (aliran feedback yang dikontrol pakai control valve). Biar gak bentrok maka pakai override control. Loop yang lebih critical meng-overide loop yang tidak kritikal. Caranya? Dua loop itu masing-masing melakukan kalkulasi PID dan mengeluarkan signal aksi yang dilenearisasikan ke 4-20 mA. Dengan kondisi valve fail-open maka 4-fully open dan 20 fully closed. Dengan logika bahwa open itu aman maka loop yang memerintahkan signal “lebih aman” harus diikuti untuk mengoveride signal yang kurang aman. Contoh: Loop antisurge control menghasilkan perhitungan PID dan memberikan signal 10 mA, sedangkan loop proses control menghasilkan perhitungan PID dan memberikan signal 6 mA maka loop ke dua harus mengoveride loop pertama. Karena loop ke-dua lebih kritikal memerlukan bukaan yang lebih lebar. Overide-nya menggunakan tanda “>” atau “<” tergantung programmernya.

Selain ke-dua control di atas (anti-surge dan process control), untuk keperluan safety kompressor juga dilengkapi dengan safety interlock system untuk kondisi kritikal flow low-low, pressure hi-hi, yang langsung terhubungn ke system shutdown yang memutus supply elektrikal power ke kompressor. This the last option shall be taken. 

just only what i know

Nova Kurniawan