Model Predictive Control (MPC) hanya digunakan pada very complicated dynamic system, ketika PID control sudah tidak mampu menghandle dinamika pada sistem tersebut. Contohnya adalah sistem control antara kecepatan maju helikopter dengan sudut baling-balingnya. Anyhow kata “very complicated dynamic system” menjadi barrier bagi kita untuk memahami MPC dengan cara sederhana. Karena kata tersebut menakutkan kita (kebayang multiple input, multiple output, dengan fungsi transfer yang rumit, bahkan sistem yang tak bisa disimpulkan fungsi transfernya, krn saking complicatednya). Untuk menghilangkan barrier tersebut dengan tujuan mulia hanya untuk memahami basic konseptual MPC (bukan menjadi expert) maka kita harus menggunakan very simple dynamic system. To understand something big, we need to start from a simple thing, don’t we?.

MPC yang dibahas di sini adalah dengan metode pengontrolan open loop. Artinya sepertinya “feedback” seakan-akan tidak diperlukan. Ini diibaratkan seperti orang buta yang mengisi air dari dispenser ke dalam gelas tanpa melihat dan memegang gelasnya. Besar aliran dari dalam dispenser dan waktu yang diperlukan untuk mengisi gelas sampai penuh, tanpa luber, harus dihafal oleh si buta. Beda dengan orang mata normal, maka mata digunakan sebagai feedback untuk mengetahui level air dalam gelas. Tanpa feedback level, maka dinamika kocoran air terhadap lamanya (dalam fungsi t) harus benar dikethaui. Sehingga si buta hanya menggunakan t (waktu), patokan level yang diinginkan dalam hati (set-point), dan prediksi level dalam hati (predicted process variable) untuk melakukan aksi controlnya.  

Kita cari model sistem yang paling sederhana dulu. Meskipun menerapkan MPC pada sistem yang sederhana disebut sebagai “missapplied MPC application“. Ndak apa-apa missapplied hanya untuk mendapatkan konsepnya saja. You will not become an expert by reading my blog. If you want to become an expert, apply scholarship and get master or doctoral degree in the university. Dinamika sistem yang kita pakai di bawah ini adalah flow control.

Controlled Variable (CV) adalah Flow Downstream (ini disebut juga sebagai Process Variable (PV))

Manipulated Variable (MV) adalah Flow Upstream (ini disebut juga sebagai Controller Output (CO))

Asumsikan kondisi pompa yang kadang stabil tetapi kadang tidak, sehingga control valve harus bekerja untuk menstabilkan flowrate yang melalui pipa. Dengan MPC open loop artinya controller harus memberikan perintah ke control valve untuk melakukan modulasi flow tanpa mendapatkan feedback dari flow transmitter. Terasa aneh memang, tapi kita ikuti dulu apa maunya teori MPC.

Langkah pertama adalah dengan mengenal karakteristik dinamika sistem yang hendak dikontrol. Caranya adalah dengan menguji output dinamika terhadap perubahan input yang diberikan fungsi step. Istilah “fungsi step” terlalu matematis. Bahasa melankolis-nya adalah apa yang terjadi pada output dinamika, ketika inputnya diberikan perubahan mendadak dari nilai asalnya. Misalkan dinamika sistem di atas sudah stabil pada nilai opening control valve 25% dan flowrate downstreamnya 25 gpm, flow maximum adalah pada 100% full opening adalah 100 gpm dengan kondisi pompa stabil optimum. Pengujian dilakukan dengan membuka control valve tiba-tiba dari 25% menjadi 50%, bagaimana response perubahan flowrate downstreamnya? Response idealnya adalah seperti dibawah. Grafik MV: opening valve terhadap waktu, Grafik CV: flowrate terhadap waktu.

Dari grafik di atas dapat dipelajari karakteristik prosesnya bahwa flowrate akan naik, let’s say 50 gpm, setelah sekian waktu N, ketika control valve dibuka menjadi opening 50%. Korelasi antara control valve opening dengan flowrate yang melalui transmitter dibuat linear yaitu percentage opening sama dengan gpm air yang dilewatkan oleh control valve. Sebagai manusia tentu otak kita akan mudah memprediksi jika control valve dibuka 75% berapa flowrate stabilnya nanti? pasti 75 gpm.  Tetapi kita tidak akan menaruh otak kita hanya untuk mengontrol satu loop di atas. (Lebih baik otak kita dipakai untuk memikirkan umat…syaaahhhhh!!!). Solusinya loop ini automatically harus bisa memprediksi sendiri apa yang perlu dilakukan oleh control valve agar flow-nya tetap di 75 gpm ketika pompa-nya batuk-batuk.

MPC controller harus “diajari” sedemikian rupa untuk mengantisipasi perubahan set-point atau perubahan flowrate (krn pompa batuk-batuk) agar set-point tetap tanpa mendapatkan feedback langsung dari flow transmitter (nilai flowrate pada saat itu).

Nah, ternyata untuk menjelaskan itu (dan menjawab kebingungan saya selama ini), bahwa informasi dari flow transmitter tetap diperlukan tetapi namanya bukan sebagai “feedback” tetapi hanya sebagai alat untuk mencari ”corrective prediction”. Kembali ke anologi orang buta ngisi air di atas mengisi air ke gelas tanpa melihat, tetapi orang butanya masih mendapat informasi dari kawannya tentang isi gelas, namun hanya untuk mengkoreksi prediksinya. Jadi nggak benar-benar blind tanpa informasi. Hal itu digambarkan dalam diagram block MPC. Diagram blocknya saya samakan (krn saya tidak tau bedanya) dengan model diagram block Smith Predictor Control.

Set-point diberikan kepada controller kemudian controller mengeluarkan aksi opening kepada control valve. Besar opening control valve M% diketahui kemudian dilakukan perhitungan oleh controller untuk memprediksi nilai flowrate. Nilai prediksi flowraet ini kemudian diselisihkan dengan nilai flowrate yang sebenarnya. Selisih ini yang digunakan sebagai “corrective prediction” untuk diumpan balik ke nilai set-point untuk dicari selisihnya. Jadi bener kan? tidak ada feedback dari transmitter hanya corrective prediction. (Ahhh cuma beda mbulet-nya sama istilahnya hihii).

Narasinya bisa digambarkan sebagai berikut. Awalnya nilai set-point adalah 25 gpm flowrate exactly adalah 25 gpm dengan bukaan control valve 25%. Kemudian Set-point diubah menjadi 50 gpm. Apa yang terjadi? Ketika set-point dirubah maka instantly dengan model yang sudah di dapat dari percobaan response fungsi step controller akan mengeluarkan perintah pada saat let say t= 1 second membuka 30%. Nilai bukaan 30% kemudian dihitung oleh controller akan menghasilkan prediksi flowrate yang belum tunak (belum steady state) sebesar 27 gpm. Pada saat yang sama Flow Transmitter memberikan informasi bahwa flowrate actual sebesar 28 gpm. Controller mencari selisih nilai prediksi 27 gpm dengan nilai aktual 28 gpm yaitu 1 gpm sebagai corrective prediction. Selisih nilai 1 gpm ini diolah di dalam kontroller untuk dijumlahkan dengan nilai prediksi tunak 30 gpm (30 gpm + 1 gpm)menjadi 31 gpm. Nilai penjumlahan ini kemudian dibandingkan dengan SP=50 gpm dicari selisihnya yaitu 19 gpm yang kemudian disebut error controller. Errornya masih tinggi sehingga controller masih memerlukan looping perhitungan t1,t2,t3……dst.  Sampai katakanlah pada saat t = 60 second sudah tunak controller menyuruh membuka control valve sebesar 50%, prediksi flowrate sudah steady state sebesar 50 gpm, actual flowrate 50 gpm. Corrective predictionnya adalah 0 gpm (actual – prediksi = 50 gpm – 50 gpm = 0 gpm). Kemudian ditambahkan nilai corrective prediction + flow prediksi tunak 50 gpm = 50 gpm + 0 gpm. Kemudian input controller = Set Point-50 gpm = 50 gpm – 50 gpm = 0. Artinya input controller =0 mengandung artinya looping aksi controller berhenti.  

Jadi apabila selisih flowrate prediksi dengan flowrate actual sama dengan 0 maka nilai prediksi = nilai actual artinya tujuan pengontrolan control sudah tercapai. Looping program controller steady menghasilkan nilai opening control valve yang tetap.

Sebaliknya jika set-point 50 gpm tapi ternyata flowrate yang lewat flow transmitter berubah-rubah atau bergelombang let say dari 60 gpm ke gpm maka nilai corrective predictionya akan berubah tidak nol lagi dan pasti akan terdapat selisih dengan set-point sehingga akan terdapat aksi control ke control valve untuk mengimbangi pompa yang batuk bergelombang flowratenya.

Kesimpulannya adalah Model Predictive Controller melakukan prediksi nilai output process terhadap perubahan input kemudian dicari selisihnya dengan nilai actual output process sebagai corrective prediction untuk diumpankan balik ke input controller setelah dicari selisihnya terhadap set-point.

Ketika para scientist memprediksi bahwa kiamat akan terjadi ketika bumi dalam kondisi membeku karena alam semesta terus berexpansi saling menjauh sehingga energy matahari tidak sanggup lagi menyinari bumi karena energinya habis di jalan, maka tidak ada salahnya prediksi tersebut selalu disertai dengan corrective action terhadap actual suhu bumi sekarang dengan disturbance ozon yang rusak lebih cepat dibanding expansi bumi-matahari.

Batam, 22 Dec 2011

Untuk Ibu yang telah membesarkan saya….

Ketika konsep kontrol relay-relay logic diboyong menjadi PLC, maka PLC dipahami sebagai representasi kontrol diskrit relay dalam bentuk software dalam PLC. Ketika kontrol diskrit PLC sudah mendarah daging kemudian berpindah ke sistem analog yang diprakarsai oleh DCS (kemudian diikuti juga oleh PLC), maka tidak sedikit oknum yang membawa pemahmanan diskritnya (on-offnya) ke sistem analog DCS, padahal konsepnya sudah berbeda. Nah ketika teknologi baru Foundation Fieldbus datang maka dapat dicurigai bahwa pemahaman DCS akan dibawa juga untuk memahami fieldbus. Nah, apa key topic yang menjadi konsep fieldbus sehingga kita harus men-switch konsep kita dan meninggalkan cara pandang DCS.

“The real DCS is fieldbus” adalah adigium pertama untuk menunjukkan bahwa fieldbus secara konseptual adalah advanced dari konsep DCS. Konsep distribusi fieldbus yang ditunjukkan dengan adanya technology “control on wire” atau “control on the field” menyebabkan it is really distributed control. Sedangkan DCS sendiri tidak memberikan opsi itu, DCS mengolah algoritma kontrolnya di CPU system cabinet dalam kontrol room. Justru fieldbus yang memberi opsi sebaliknya memberikan pilihan untuk mengeksekusi algoritma kontrolnya di dalam fieldbus CPU kabinetnya dalam kontrol room yang disebut “Control in DCS”. Ada sedikit keheranan saya di sini bahwa fieldbus CPU di dalam kabinet masih juga disebut sebagai DCS dengan fielbus I/O modul. Kenapa tidak bikin aja nama baru?.

Fieldbus control I/O module dan DCS control I/O module sama-sama menggunakan power supply standar 9-32 VDC untuk energize segmentnya atau loopnya. Tetapi transmisi signalnya dari lapangan menggunakan metode yang berbeda. DCS menggunakan transmisi signal analog 4-20 mA DC (device-1 pair-JB-multipair-DCS module), sedangkan fieldbus menggunakan transmisi signal 31.25 Kbps (device-H1 Fieldbus Module). Transmisi signal fielbus menggunakan frekuensi bukan arus. Akan tetapi ada saja kemudian pertanyaan timbul berapa arusnya yang lewat kalau control valve buka 50%? Atau pertanyaan bahwa kita sudah terlanjur beli multimeter bagaimana cara trouble shoot signalnya kalau ada problem? Pertanyaan-pertanyaan ini adalah  pertanyaan konsep analog DCS yang hendak ditanyakan ke fieldbus padahal konsepnya sudah berbeda.

Apa yang anda bayangkan ketika kabel fieldbus dilewati oleh signal 31.25 Kbps? Kalau konvensional data dengan arus 4-20 mA bisa kita ukur dan rasakan kita sebut sebagai “barang keras”, mungkin data transfer signal 31.25 Kbps sebagai “barang alus”. Untuk memahami konsep transfer data fielbus 31.25 Kbps harus dipelajari konsep Manchester Coding yang ide-nya mungkin ada hubungannya dengan kota Manchester, UK. Saya tidak tau berapa kilometer jaraknya dari Old Trafford, atau saya juga tidak yakin Wayne Rooney atau Sir Alex Ferguson bisa menjelaskan tentang Manchester Coding ini. Kalau ada kesempatan nanti kita bahas Manchester Coding ini dalam topik tersendiri.

Fieldbus menggunakan istilah segment H1 untuk menunjukkan sekumpulan devices yang terkumpul dalam 1 network. Secara teori maksimum terdapat 32 devices yang bisa beroperasi dalam satu segment. Tetapi karena pertimbangan safety intrinsically safe (ex i) yang mengkonsep pembatasan energi ke lapangan maka dalam satu kabel/segment  H1 hanya ada 8-10 fieldbus devices. Topologinya adalah masing-masing FF device dihubungkan dengan single-pair cable (spur) ke JB yang berfungsi sebagai network hub. Dari JB ini dihubungkan dengan single-pair cable (trunk) ke fieldbus module di control room. Hubung kabel ini: 8-10 spurs- 1 trunk-fieldbus module disebut sebagai satu segment H1. Topologi ini berbeda dengan DCS. Setiap devices dihubungkan dengan single-pair cable ke JB (terminal) dan dihubungkan ke DCS kabinet dengan multipair (sebanyak pair cable untuk devices + spare).

Function block fieldbus selain di DCS (CPU-nya fieldbus disebut juga DCS)  juga terdapat di setiap fieldbus device di lapangan; transmitters dan control valves. Function block adalah suatu fungsi matematika algoritma kontrol yang menghubungkan inputs dengan outputs. Function block yang melakukan kalkulasi ketika input sekian, berapa outputnya. Dalam sistem konvensional DCS, input 4-20 mA dilinearisaikan menjadi input 0-100% function block, dihitung oleh algoritma kontrol di DCS, menjadi output 0-100% kemudian dilenarisasikan menjadi 4-20 mA ke control valve. Dalam sistem fieldbus input function block berupa process value data digital, dihitung oleh algoritma kontrol di device (bisa juga di DCS), kemudian data output dikirim ke control valve berupa data digital value control valve opening. Meskipun function block fieldbus ada di devices tidak berarti antar device bisa berkomunikasi tanpa DCS (CPU-nya fieldbus), karena DCS masih diperlukan sebagai host.

Saya kira untuk pemahaman lapangan tentang beda konsep Fieldbus dan DCS konvensional sudah cukup. Karena selebihnya yang dibahas adalah tentang data acquisition, scan time (waktu pemrosesan signal), komunikasi fielbus module dengan DCS analog module, dan cara merefresh fieldbus device. Semuanya “barang alus” mau ditulis susah, karena ngertinya aja susah.

Nova Kurniawan

Batam 19-Oct-2011

Seat Leakage adalah kebocoran yang terjadi pada dudukan valve ketika valve dalam kondisi tertutup. Kebocoran ini mencakup dua kasus yaitu yang melintasi upstream ke downstream dudukan valve dan kebocoran yang melewati internal trim seal, bocor sambungan body dan acuator, dan bagian lainnya dalam internal body valve. Standar pamungkas yang digunakan adalah ANSI/FCI 70-2, Control Valve Seat Leakage, dan cilakanya sudah bertahun-tahun saya kerja di bidang ini, saya belom pernah punya standar tersebut. Semoga dari artikel pendek ini kita bisa “mencuri” ilmu kandungan ANSI/FCI 70-2.

ANSI/FCI 70-2 menggolongkan control valve berdasarkan tingkat kebocorannya menjadi 6 yaitu Class I to Class VI. Kelas yang paling tinggi adalah Class VI artinya paling perkasa, tight, dan tidak bocor. Kelas yang paling rendah adalah Class I artinya kelas yang paling tidak dipedulikan boleh obos-obos, beser, banyak bocornya. Standar ini mendefinikan cara pengetesan dan nilai Maximum Allowable Leakage (MAL)nya pada saat seatnya duduk ditempatnya. Pengetesan dilakukan dengan menggunakan media air dan udara dengan tekanan dan temperature yang sudah ditentukan. Note: nah ternyata ujug-ujug ada informasi bahwa Standar IEC 60534-4 Industrial Process Control Valve ternyata juga membahas hal yang serupa.

Langsung menuju ke arti dari pembagian kelas-kelas leakage di atas berdasarkan ANSI/FCI 70-2:

Class I artinya adalah tingkat kebocorannya tidak didefinisikan. Artinya control valve tidak perlu dilakukan leakage test jadi tidak perlu didefinisikan maximum allowable leakage-nya. Apakah ada yang perlu control valve seperti ini? bisa saja misalnya control valve yang fail-nya open, normal operasinya adalah modulasi dari 50% ke 100%  dan letaknya di dekat on-off isolation valve.

Class II artinya Maximum Allowable Leakage-nya 0.5% of valve flow capacity. Valve flow capacity adalah:

Q = Cv / sqrt (SG/dP)

Q: Flow capacity (gpm)

SG: Specific Gravity of Fluid (untuk pengetesan digunakan air yang SGnya = 1)

dp: Differential Pressure across valve (psi)

Cv didefinisikan oleh ANSI/ISA S75.01.01 sebagai jumlah gallon (amerika) air pada suhu 60 degF yang melewati control valve yang terbuka dengan beda pressure upstream dan downstream 1 psi. Pada saat kondisi ini Q = Cv. Jadi sebenarnya Cv adalah flow capacity pada kondisi yang telah disepakati sebagai acuan. Jadi:

Class II artinya adalah Maximum Allowable Leakagenya adalah 0.5% x Cv/sqrt (1/dP)

Class III artinya adalah Maximum Allowable Leakagenya adalah 0.1% x Cv/sqrt (1/dP)

Class IV artinya adalah Maximum Allowable Leakagenya adalah 0.01% x Cv/sqrt(1/dP)

Contoh Soal:

Control Valve 10″ dikeluarkan oleh manufacture dengan Cv=950. Artinya control valve ini sudah ditest di manufacture pada saat full opening mampu melewatkan 950 gpm air pada suhu 60 degF dengan beda pressure upstream dan downstream 1 psi. Control Valve datang ke site dan hendak ditest dengan menggunakan air dan pompa (haskel pump) dengan tekanan upstream 50 psig, downstreamnya tak bertekanan alias 0 psig.

Dengan perhitungan MAL (Maximum Allowable Leakage) kita dapatkan:

Masuk Class II jika MALnya = 0.5% x 950/sqrt(1/50) = 33 gpm

Masuk Class III jika MALnya = 0.1% x 950/sqrt(1/50) = 6.7 gpm

Masuk Class IV jika MALnya = 0.01% x 950/sqrt(1/50) = 0.67 gpm

Kemudian pengetesan dilakukan dengan menutup control valve fully closed dan tekan upstream dengan pompa haskel sampai 50 psi. Kemudian hitung tingkat kebocoran dari downstreamnya atau dari seal trim-nya.

Jika hasil pengetesan menghasilkan kebocoran per 1 menit sebesar 10 gpm maka control valve tersebut masuk Class II. Jika hasil pengetesan menghasilkan kebocoran per 1 menit sebesar 1 gpm maka control valve tersebut masuk Class III. Jika hasil pengetesan menghasilkan kebocoran per 1 menit sebesar 0.5 gpm maka control valve tersebut masuk Class IV.

Class V dan Class VI agak sedikit berbeda pembahasannya.

Class V disebut sebagai “effectively zero leakage” tetapi masih dibolehkan adanya kebocoran dengan rate yang sangat kecil sekali. Maximum Allowable Leakage (MAL) dirumuskan sebagai:

Class V artinya MALnya adalah = (5 x 10^-4  in ml/min) x (seat diameter in inch) x (test pressure in psi)

Contoh Soal:

Control Valve 10″ di atas dengan test pressure = service pressure differential. Artinya test pressure-nya harus disamakan dengan service pressure pada data sheetnya. Asumsinya service pressurenya adalah 50 psi maka test pressurenya 50 psi juga, didapatkan :

MAL = (5 x 10^-4) x ( 10 inch) x (50 psi) = 0.25 ml /min = 6.6 x 10^-5 gpm = 0.000066 gpm.

Jika hasil pengetesan menghasilkan kebocoran selama 1 menit sebesar 0.0001 galon maka masih masuk Class IV. Jika hasil pengetesan menghasilkan kebocoran selama 1 menit sebesar 0.00005 maka dibawah MAL Class V maka control valve masuk Class V, kebocoran yang sangat kecil sekali.

Class VI artinya Tight Shut-Off tidak boleh ada kebocoran. Tetapi meskipun demikian masih ditoleransi adanya leakage pada pengetesan dengan menggunakan udara atau nitrogen dengan menggunakan pressure 50 psi. Nilai MAL-nya harus dilihat pada table yang disediakan oleh ANSI/FCI 70-2. Karena saya tidak memiliki standar ini maka saya tidak bisa menampilkannya.

Class-class di atas tidak ditemui jika metode pengetesannya menggunakan API-598. API-598 menggunakan bubble rate yang dicocokkan dengan table-nya. Data sheet control valve jarang menggunakan API-598, tetapi lebih cenderung menggunakan metode Class-class ini. Sedangkan SDV dan manual valve cenderung menggunakan API-598.

Sekali lagi artikel di atas adalah kepunyaan Don Sanders, GE Energy, USA, yang saya rangkum dan tulis kembali dengan bahasa Indonesia. Knowledge is free forever.

Nova Kurniawan

Oct 18, 2011 Batam-Indonesia

1. Suatu equipment skid memerlukan power dengan plug 5-pin 3-phase 415 Volt. Ketika mau dicolokkan ternyata sourcenya yang ada di lapangan adalah 4-pin 3-phase 415 volt. Tak cocok jadinya. Nah, dari dasar mana cara berfikir untuk resolve masalah tersebut?

2. I just realize that a circuit of lighting is 3-phase 415 Volt sampai junction box, sedangkan lightingnya sendiri adalah 1-phase 240 volt. Heran saya. Tapi untung saya tidak sempat bertanya di mana penurun tegangannya dari 415 volt ke 240 volt. Setelah membahas point 1 di atas, saya jadi agak sedikit ngerti tentang 3-phase dan 1-phase. Kawan saya bilang “ada rumusnya yang pakai akar itu untuk mendapatkan 1-phase 240 Volt”. Uppsss…please stay away ‘rumus’ from my mind, unless no other way to understand it without you.

Kasus pertama pada electrical socket dengan plug 5 pins terdiri atas 3-phase+N+E (komplit 5). Pin ini memiliki tegangan phase to phasenya adalah 415 Volt, sedangkan phase to netralnya adalah 240 Volt. Sehingga dengan plug 5-pin ini equipment skid bisa mendapatkan dua macam tegangan. Kok bisa?

Untuk memahami listrik 3-phase, ternyata kita harus kembali ke teori pembangkitan listrik 1-phase dimana lilitan kumparan diputar memotong medan magnet. Electricity dan magnetism seperti dua pasang kekasih yang saling mencintai. Efek putar kumparan berpotongan terhadap medan magnit menyebabkan voltage dihasilkan membentuk gelombang ‘SINUSOIDAL’. Pertanyaan nakal: Kalau medan magnet yang digunakan memanjang di samping Rel Kereta Api dari Jakarta-Surabaya sedangkan kumparannya dipotongkan medan magnet diatasnya dari Jakarta-Surabaya, apakah voltage yang dihasilkan membentuk sinusoidal karena tidak ada putaran? Menurut saya tidak (bahkan kok saya justru meragukan listrik bisa timbul. Karena listrik timbul karena perubahan fluks magnet (delta fluks) yang menerpa lilitan). Menurut anda bagaimana?. Biar tidak terlalu dalam ke ilmu delta ini per delta itu maka kembali ke laptop dulu deh.

Tetapi karena generator di dunia ini menggunakan putaran untuk memotong medan magnet maka gelombang sinusoidal akan menjadi dasar evaluasi langkah berikutnya.

Single Phase Electrical Wave Form:

Electricity yang dibangkitkan membentuk gelombang sinusoidal. Kadang voltage penuh dan kadang nol. Seperti listrik di rumah kita yang tegangannya berkedip dengan frekuensi 50 Hz. 50 kali membentuk gelombang sempurna dalam satu detik sehingga sangat cepat dan tidak terdeteksi oleh mata. Untuk menghasilkan electricity yang lebih stabil (tak pernah 0) dengan voltage yang lebih tinggi maka dibuat listrik 3-phase.

3-Phase Electrical Wave Form:

Listrik 3-phase merupakan gabungan dari 3 gelombang listrik satu phase dengan jarak antar phase 120 degree. Sehingga resultan voltage listriknya setiap titik tidak pernah menyentuh 0. Perhatikan garis MERAH, sebelum gelombang listrik garis merah mencapai nol maka gelombang HITAM sudah naik voltage-nya. Resultant total voltage-nya di setiap titik adalah Voltage 3-Phase = 1.732 x Voltage Single Phase. Dari mana angka 1.732? atau Akar 3? Perhatikan perpotongan gelombang BIRU dan MERAH kemudian puncak gelombang HITAM. Jarak dari titi perpotongan itu ke puncak merupakan 1.732 (akar 3) kali jarak 0 ke +e. Jadi angka akar 3 diperoleh dari metode generate electricity dengan membedakan jarak antar phase-nya 120 degree. Pertanyaan nakal: Gimana kalau dibikin 4-phase, 5-phase, 6 phase? Perbedaan fasanya berapa degree? Nah lho pikir-pikir lagi, karena belum pernah dengar.

Keluaran dari alat penghasil listrik dengan 3-konduktor disambung dengan rangkaian Delta (3-wire) atau dengan rangkaian star (4-wire). Delta + Ground jadi 4-wire (artinya 4-pin) sedangkan Star + Ground jadi 5-wire (artinya 5-pin). Nah sepertinya hal ini adalah pangkal persoalan saya nomer 1.

• Rangkaian Delta : L1,L2,L3 + Ground

• Rangkaian Star : L1,L2,L3 + Netral + Ground

Kembali ke kasus pertama bahwa equipment yang datang JB-nya menyediakan power untuk rangkaian star 3-phase + Netral + ground. Sedangkan source yang ada di lapangan adalah rangkaian delta 3-phase + ground. Kenapa equipment menggunakan rangkaian star yang ada netralnya? Karena equipment membutuhkan supply 3-phase 415 Volt dan juga membutuhkan supply 1-phase 240 volt, caranya dengan mengambil tegangan salah satu phase L1 dengan Netral. Nah karena supply lapangan tidak ada netral maka power yang bisa diambil oleh equipment hanya 415 Volt 3-phase + ground. Maka equipment JB harus diadjust dengan ditambah transformer untuk memenuhi kebutuhan 1-phase 240 volt. Andai source power di lapangan 3-phase+Netral+ground maka tidak memerlukan transformer.

Persoalan saya yang nomer-2 adalah lighting sirkuit 3-phase yang mana lampunya sendiri adalah 1-phase. Karena sedang menghadapi persoalan nomer 1 maka saya cepat menyimpulkan bahwa power dari main sirkuitnya adalah rangkaian star: L1,L2,L3 + Netral + Ground. Untuk menyalakan lampu yang 1-phase tinggal konek L1-N, atau L2-N, atau L3-N. Ground ketemu ground tentunya. Karena ground tidak ikut dalam sirkuit.

415 V = 1.732 x 240 V

Nova Kurniawan

1. Apa maunya orang proses pasang SDV?

Jawabannya adalah tanya orang proses. Tapi kalau jawaban yang sifatnya “nduga-nduga” sendiri, ambil P&ID dan perhatikan di mana-mana SDV dipasang. Setiap equipment inlet dan outlet pasti ada SDV. Defaultnya begitu, kalau ternyata antar equipment boleh tidak dipasang SDV, hanya piping saja, maka ilmu evaluasi proses di equipment tersebut yang membolehkan tanpa terisolasi waktu shutdown perlu dipelajari. (Makin banyak saja yang perlu dipelajari!). Bottom line yang saya tangkap dari P&ID hanyalah ketika terjadi shutdown maka antar equipment harus dilakukan isolasi. Stop semua proses yang lewat equipment dan perpipaan. Jadi fungsi shutdown valve adalah hanya untuk isolasi waktu shutdown. Tidak ada fungsi yang lain seperti mengatur flow, bukan juga berfungsi untuk membuka dan menutup ketika proses sedang berjalan, bukan yang lain pula kalau ada. Fungsinya hanya satu diam saja membuka ketika proses berjalan normal dan tiba-tiba menutup ketika harus shutdown. Bedakan fungsinya dengan control valve yang untuk mengatur aliran secara analog (0% – 100%) dan bedakan juga dengan on-off valve yang mengatur aliran secara diskrit (0% or 100%) untuk regulatory control or process control. Note: ada juga SDV yang memberikan fasilitas parsial stroke untuk maintenance, hanya untuk membuktikan bahwa SDV tidak dalam kondisi stuck.

2. Bagaimana SDV dirancang?

Untuk memenuhi kebutuhan orang proses tersebut maka jenis katup yang mendukung fungsi isolasi perlu diketahui. Ada macam-macam katup di dunia perkatupan. Katup itu apaan sih? bahasa SNI-nya valve maksudnya. Untuk keperluan isolasi atau ngeblock maka body valve yang dipilih adalah yang tight shut-off  memenuhi standar-standar API 6D juga API 598. Body yang sering digunakan adalah berbentuk Ball-Valve dan Gate Valve juga bisa. Kenapa? karena kedua bentuk body valve ini yang benar-benar bisa mengisolasi aliran. Kalau globe valve dan butterfly valve gampang passing. Namun sebenarnya ball valve dan gate valve juga bisa passing kalau seal antara bola / gate dan body-nya sudah rusak. Rule of thumbnya aja untuk memilih SDV cari body yang berbentuk ball valve dengan tight shut off memenuhi kriteria API 598 atau API 6D. Materialnya apa? Ahaiiii cukup berat buat saya mengerti ilmu material ASTM-ASTM-an, ilmu macam forging dan casting dll. Ambil ASTM A182, ASTM A105, ASTM A193, dan ASTM A194, coba-coba dipelajari material yang sesuai untuk valve, flange, baut, dan nut, sekalian.

3. Actuator dan accesoriesnya apa?

Actuator adalah kepalanya SDV yang bertugas untuk menggerakkan ball-nya SDV. Medium apa yang bisa digunakan untuk menggerakkan ball valve-nya SDV? Teoritically pneumatic, hydraulic, dan electric bisa. Tapi factually yang saya temui di lapangan hanya actuator pneumatic. Tentu ada kelemahan dan keunggulan masing-masing yang bisa jadi topik pembahasan tersendiri. Tetapi actuator SDV dengan pneumatic sudah sedemikian robustnya sehingga tipe power yang lain belum bisa menggantikan. Coba anda bayangkan dengan pneumatic actuator menekan spring actuator untuk membuka valve, ketika terjadi shutdown udara dalam actuator dibuang ke atmospher sehingga spring kembali ke kondisi relax-nya untuk menutup valve. Pneumatic is very simple. Yang lainnya jadi tidak simple.

Meskipun pekerjaan simple hanya memasukkan dan mengeluarkan udara dalam actuator, tetapi bagaimana mekanismenya, melalui berapa banyak port di actuator, kapan harus memasukkan dan mengeluarkan udara, dan apa alat yang harus dipasang sebagai switching on atau off, adakah interfensi manualnya, dll menjadi sedikit tidak simple tetapi bukan berarti sulit. Ini diejawantahkan dalam design panel SDV yang berisi solenoid dan flow pertubingannya. Saya menemui banyak design yang berbeda-beda yang semuanya bisa dipelajari dengan satu tujuan switching kapan ON dan kapan OFF. Tetapi saya belom sempat untuk menarik kesimpulan bahwa perbedaan design panel karena tergantung dari proses servicenya atau karena dimensi dari fisik SDV-nya sendiri atau karena kombinasi ke dua-duanya. Nanti kalau sudah dapat gambar contoh arrangement panel SDV kita bahas satu-satu. Saya cari digambar-gambar hook-up lama saya, semua cuma dikasih note: By Vendor. Sedangkan gambar vendor sudah tidak saya simpan lagi.

Besarnya tabung aktuator merupakan hasil perhitungan torsi (gaya putar) yang diperlukan memutar SDV, konversi ke gaya mendatar yang diperlukan oleh piston terhadap tekanan instrument air sekitar 8 bar (dunia pneumatic). Dipertimbangkan juga efek gaya gesek dan gaya balik dari spring dalam aktuator. Semakin besar tabungnya maka semakin besar gayanya dan torsinya. Berbeda dengan dunia hydraulic yang bekerja pada hi-pressure sekitar 200 bar maka aktuator hydraulik dimesinya lebih kecil dibanding aktuator pneumatic untuk valve yang memerlukan torsi yang sama. Tekanan lebih besar tabung jadi lebih kecil.

SDV harus fail closed. Normalinya apa? ahh saya bingung kalau pakai kata Normally, makanya saya tak mau pakai kata normally. Yang penting ketika Fail, SDV harus closed dan ketika kondisi operasi SDV harus buka. Saling berkebalikan dengan BDV.

4. Bagaimana integrasinya dengan Safety Automation System?

Untuk mengetahui kapan SDV harus bekerja maka “kitab suci”nya adalah Cause and Effect Matrix atau SAFE chart atau bisa juga shutdown logic diagram. “Kitab suci” ini yang menjelaskan kapan SDV harus beraksi. Penyebabnya datang dari sensor yang berasal dari intenal proses (pressure hi-hi, level hi-hi, dll) dan atau yang berasal dari hazard environment (fire and gas system). Kerja logic-nya dijalankan oleh PLC/DCS kemudian mengirimkan signal 24 VDC ke solenoid valve di setiap SDV. Dalam kondisi energize solenoid melewatkan udara ke actuator menutup vent. Begitu kondisi de-energized (atau fail) maka solenoid membuka vent, artinya membuang udara dari actuator. Sehingga spring SDV kembali ke kondisi relax-nya yaitu ball valve closed.

Nova Kurniawan

“Ada gas atau debu mudah terbakar muncul dengan frekuensi tertentu. Gas atau debu tersebut dapat tersambar percikan atau otomatis menyala menjadi api pada suhu tertentu. Alat listrik yang mengahasilkan percikan api dan panas hendak dipasang pada lokasi tersebut“

Alat listrik yang hendak dipasang harus dievaluasi sebagai berikut: Pertama adalah bagaimana normal operasi dari alat tersebut, apakah menghasilkan percikan, apakah menghasilkan panas?. Yang kedua adalah bagaimana jika terjadi malfunction dari alat tersebut, apa yang dihasilkan?. Yang ketiga adalah bagaimana jika terjadi short circuit, open circuit, dan groundingnya fault apa yang terjadi? percikan? suhu?. Jika evaluasi ketiganya menyimpulkan tidak terjadi percikan api dan suhu tidak mungkin naik dari suhu normal maka tentunya tak perlu berpusing-pusing dengan metode protection, segregation, dan prevention. Lha wong bahayanya ndak ada, atau bandel terhadap bahaya. Tetapi sebaliknya jika bahanya mengancam maka metode proteksi, segregasi, dan pencegahan harus segera ditentukan. Siapa yang mengevaluasi? Surely adalah manufacture yang menghasilkan produk listrik tersebut sehingga kemudian product-nya diberi kode-kode hazardous areanya. End-user kemudian tinggal membaca kode tersebut dan mempertimbangkan kondisi hazardous area di lapangan yang hendak dipasangi alat tersebut.

Kita diskusikan macam-macam metode perlindungannya terlebih dahulu. Setelah itu metode me-match-kan: jenis alat listrik-kondisi hazardous atmosphere-metode perlindungan menjadi pembahasan berikutnya.

Metode perlindungan pertama yang diperkenalkan adalah protection dengan memberikan enclosure (kotak pelindung / box) yang kuat menyelubungi bagian alat listrik yang potensial memercikan api. Kuat ini memiliki arti bahwa enclosure dapat menahan percikan api atau ledakan dari alat listrik tersebut tetap di dalam enclosure. Metode ini dikenal sebagai explosion proof atau flame proof (Ex d). Ledakan atau percikan api diperbolehkan terjadi hanya di dalam enclosure, tak boleh keluar. Jadi konsep flame proof adalah menahan ledakan atau menahan api, bukan menahan aliran gas. Saya fikir metode ini diperkenalkan ketika memang sangat sulit untuk menghindari percikan api di termination point kabel-kabelnya. Sehingga konsepnya adalah explosion allowed tapi tak boleh keluar ke atmospher. Selain menjamin apinya tak bisa keluar enclosure, harus juga bisa menjamin bahwa enclosure tidak merambatkan panas keluar sehingga suhu surface-nya maximum (T) tidak melebihi dari suhu ignition level dari gas di atmospher tersebut. Ada juga diperkenalkan sebagai ‘Special’ Protection (Ex S) yang dikenal sebagai spesial desain pada enclosure. Kenapa disebut ‘special’? karena manufacture menambahkan ‘bumbu’ spesial rahasia yang tidak diketahui manufacture lain.

Metode perlindungan ke dua yang diperkenalkan adalah metode segregasi atau pemisahan. Gas yang berbahaya di atmospher ditahan oleh enclosure sehingga tidak bisa masuk menyusup ke dalam enclosure. Pressurisation atau purging (Ex p) adalah contoh dari metode segregasi. Inert gas dimasukkan ke dalam enclosure panel dengan tekanan yang lebih tinggi dari atmospher. Sehingga gas di atmospher tidak bisa mengalir ke dalam panel enclosure. Oil immersion (Ex o) juga termasuk metode segregasi. Bagian dari komponen listrik yang menimbulkan api dicelupkan ke dalam minyak yang tidak bisa terbakar. Sehingga gas dari atmospher tidak bisa menyentuh komponen listrik yang ber-api. Ada metode lagi yaitu Encapsulation (Ex m) yaitu memisahkan electrical potentially sparking part dengan atmospher dengan menggunakan resin yang merupakan penghalang udara atmosfer. Tetapi encapsulation sepertinya kurang dikenal. Ada juga yang disebut Ex q yang menggunakan pasir atau dry powder untuk memisahkan sparking partnya dengan flammable atmosfer. Tetapi metode pasir ini juga jarang ditemukan di industri oil and gas.

Metode perlindungan hazardouse area berikutnya adalah pencegahan atau prevention. Yang paling terkenal dari metode ini adalah Intrinsic Safety (Ex i), prinsipnya adalah bermain rangkaian listrik untuk membatasi energi listrik ke hazardous area. Umumnya alat instrument yang ada di lapangan sudah dilengkapi (Ex i) sehingga kabel yang keluar dari kontrol room menuju lapangan, arus yang mengalir di dalamnya tidak cukup untuk menghasilkan sparking dan panas melebihi ignition level dari atmosfer. Intrinsic Safety sudah pernah dibahas dalam blog ini. Metode pencegahan selanjutnya adalan Increased Safety (Ex e), konsepnya adalah menyingkirkan source ignition (sumber percikan api). Hal ini dilakukan dengan menambah komponen atau justru menambah komponen listrik di luar dari komponen yang diperlukan untuk energize alat listrik tersebut. Pertimbangan ini Ex e dilakukan pada saat desain rangkain listrik dalam box equipment. Hmm…mirip-mirip ya susah mbedainnya. Ya itulah konsep yang sebenarnya datang dari manufacture yang sebenarnya mirip-mirip, tetapi karena ada sedikit beda kemudian menjadi trademark dan diinternasionalisasi menjadi standard.

Ketika ada electrical equipment dalam box, tetapi kode Ex-nya dihilangkan. Apakah ada yang mampu mengevaluasi (atau boleh ditest juga) rangkaian listrik di dalamnya termasuk Ex apa? Jujur saya tidak bisa. Kecuali bisa karena “biasanya”… ahhh itu lain cerita, karena udah hafal, bukan evaluasi. Misal JB lighting di Zone 1 pake Ex apa? Yang langsung jawab karena “biasa” pasti sudah hafal. Kalau liat dari konstruksi fisiknya, itu tidak mudah kawan.

Nova Kurniawan

Kenapa saya harus mengingat itu? Karena ada requirement dari client bahwa pipa di project yang saya pegang harus dikeringkan sampai dengan – 20 degC Dew Point Temperature. Sekali lagi minus (-) 20 degC, bukan plus. Bagaimana bisa udara di iklim tropis seperti ini memiliki titik embun pada nilai minus? Hmm..mau tidak mau harus kembali merefresh ingatan tentang apa itu dew point, apa itu saturasi, apa itu dry-bulb temperature, dan apa itu relative humidity.

Dew Point Temperature adalah titik embun udara artinya suhu di mana udara mulai mengembun menimbulkan titik-titik air. Dew Point -20 degC artinya udara akan mengembun menjadi air ketika suhu turun menjadi -20 degC. Titik-titik air tidak akan timbul jika suhunya masih di atas -20 degC. Kenapa pipa harus dikeringkan sampai dew point -20 degC? biar tidak terjadi pengembunan di dalam pipa. Berapa sih suhu bisa drop di iklim tropis seperti ini? tak mungkin bisa drop sampai -20 degC.

Kembali ke pertanyaan di atas, bisakah udara di iklim tropis memiliki dewpoint temperature -20 degC? Dari chart di atas dengan suhu ambient atmosphere normal tropis sekitar 28 degC maka dewpoint temperature bisa bernilai -20 degC, jika dan hanya jika relative humidity udaranya adalah 4%. Artinya udara yang sangat kering sekali. Kelembaban relatif udara normal di iklim tropis pada suhu sekitar 28 degC adalah sekitar 84%. Kelembapan relatif udara Batam malam hari abis hujan sorenya dan masih terasa sejuk adalah sekitar 95%. Kelembapan udara relatif 95% artinya udara mendekati jenuh kandungan airnya. Kelembaban relative 100% artinya udara sudah jenuh dan mengembun menjadi air (saturasi). Ketika kelembaban relative 100% maka dew point temperature akan sama dengan dry-bulb temperature. Sedangkan ketika kelembaban relative udara 4%, suhu udara (dry-bulb temperature) adalah 28 degC, maka agar terjadi pengembunan / hujan diperlukan penurunan suhu sampai titik dew pointnya yaitu -20 degC. Semakin kecil kelembaban relative udaranya maka semakin kecil dew point temperaturenya. Bagaimana memperkecil kelembaban udara? Diperlukan proses drying udara dari kompresor dengan Air Dryer Unit terlebih dahulu. Baru udara yang sangat kering digunakan untuk mengeringkan pipa sampai dew-point -20 degC.

Chart di atas adalah hubungan ‘auto’ antara berbagai variable yang sudah diciptakan oleh Tuhan semenjak alam ini diciptakan. Jika anda adalah seorang agamawan kemudian berharap hujan dengan melakukan sholat istisqa’ untuk meminta hujan, apa yang anda bayangkan akan Tuhan lakukan? Kun-fa-ya-kun tiba-tiba air hujan memancar dari langit? I’m 100% sure the God will never do that. Hujan akan tetap mengikuti chart di atas. Chart di atas adalah ilmu Tuhan tentang proses pengembunan yang sudah berhasil dipetakan oleh manusia (not 100% anyway). God shall follow the natural law that He created himself.

Bagaimana membaca Psychrometric Chart di atas? Absis adalah Dry-bulb Temperatur, Ordinat adalah Dew Point Temperature. Keduanya dihubungkan oleh garis melengkung yang disebut Relative Humidity. Relatif Humidity (RH) paling kecil adalah 0% dan yang paling tinggi adalah 100%. Di atas kanan-atas RH 100% udara sudah jenuh air (saturasi) sehingga mengembun atau hujan. Untuk membaca chart maka harus diketahui atau diukur kondisi suhu udara lingkungan dan relative humidity. Liat titik pertemuan suhu udara lingkungan (absis) dengan garis relatif humidity (melengkung). Dari titik pertemuan tersebut tarik garis ke kanan atau ke kiri maka akan anda dapati nilai dew-point temperature udaranya.

Misalkan: Suhu Udara adalah 28 degC, RH adalah 50% maka Dew Point adalah 16.8 degC.

Misalkan: Suhu Udara adalah 28 degC, diminta Dew Point – 10 degC, maka udara harus dikeringkan sampai RH 6%

Semoga tulisan nostalgia ini ada manfaatnya.

Nova Kurniawan

Definisi dari ppm adalah part per million atau bagian per juta. Sependek yang saya tau yang disebut bagian adalah bagian massa per juta massa. Apakah bagian mol per juta mol bisa digunakan? Please ask the chemist!. Ketika kita memiliki air dengan kandungan unsur chloride 10 ppm artinya terdapat 10 bagian massa per sejuta massa air itu. Padahal air sangat jarang dihitung berdasarkan massa. Air dihitung berdasarkan volume yaitu liter. Untuk mengakurkan penghitungan volume dengan massa air maka gunakan nilai density air sebagai patokan yaitu 1 kg/liter atau 1000 kg/m^3.  Artinya dalam 1 liter volume air terdapat 1 kg massa air (1000 gram massa air atau 1000000 mg massa air atau sejuta mg massa air).

10 pmm memiliki arti berapa gram chloride per liter?  

1 liter air artinya terdapat 1000000 mg massa air atau ( sejuta mg massa air). Ada berapa bagian per juta? 10 ppm. Juta massanya sudah bersatuan mg maka kandungan bagiannya bersatuan mg juga. Sehingga 10 ppm memiliki arti terdapat 10 bagian (mg) massa air per sejuta bagian massa air. Artinya terdapat 10 mg massa air per 1000000 mg massa air. Artinya terdapat 10 mg massa air per 1 liter volume air artinya sama dengan 10 mg/liter.

10 ppm = 10 mg/liter (air)

Kalau fluidanya bukan air maka perhitungan perjutanya akan berbeda karena densitynya berbeda. Fluida dengan density 800 gram / liter artinya memiliki 800000 mg/liter (belum sejuta). Biar menjadi sejuta maka volumenya harus ditambah menjadi 1.25 liter. Jadi fluida memiliki 1000000 mg / 1.25 liters. Kandungan di dalam fluida yang hendak dicari ppm-nya harus dihitung per 1.25 liter. Misalkan fluidnya mengandung partikel 10 mg / 1.25 liter maka nilai ppm nya adalah 10 ppm = 10 mg/1.25 liter atau:

10 ppm = 8 mg/liter

Hanya ingat-ingat pelajaran SMP sepertinya!

Nova Kurniawan

First question is how they float and not sinking? then upending?

Coba anda bayangkan berat structural steel sekitar 20.000 tons. Tapi ingat structural ini bukan kapal. Karena kalau dibandingkan dengan kapal raksasa, maka structural steel ini tak ada apa-apanya. Kapal Induk kelas USS Enterprise berbobot sekitar 90.000 tons dan bisa mengapung di lautan. Sedangkan berat structural steel jaket di atas 20.000 tons sudah merupakan milestone baru di region ini. Bagaimana benda yang beratnya 20.000 tons tidak tenggelam? tentu karena ada gaya ke atas dari air laut yang menopangnya. Berapa besar gaya tersebut? sebesar berat volume air yang dipindahkan karena nyemplungnya benda tersebut. Mungkin metode praktikum sekolah menengah berikut dapat dijadikan sebagai bahan evaluasi:

Terdapat dua buah tabung tertutup sempurna hampa di dalamnya dengan volume (OD) yang sama yaitu 1 m^3 tetapi memiliki berat yang berbeda karena bahan material nya berbeda (note: tidak bisa melar). Tabung pertama seberat 200 kg, sedangkan tabung ke-dua seberat 2000 kg. Ketika dicelupkan ke-air dengan density Rho = 1000 kg/m3 apa yang terjadi pada tabung pertama dan ke dua:

A. Dua-duanya tenggelam

B. Tabung pertama mengapung, tabung ke dua tenggelam

C. Dua-duanya mengapung

Saya sudah lama tidak sekolah, tetapi logika saya mengatakan bahwa jawaban (B) yang benar. Tabung pertama mengapung, tabung ke dua tenggelam. Untuk menopang tabung pertama maka air memerlukan gaya angkat sebesar 200 kg. Dengan diketahui density air sebesar 1000 kg/m^3 maka untuk melawan gaya berat 200 kg diperlukan volume air 0.2 m^3 untuk dipindahkan, artinya diperlukan 1/5 bagian dari tabung yang tercelup dalam air, sedangkan 4/5 bagiannya masih di atas permukaan air. Artinya jelas tabung pertama mengapung. Tabung ke dua beratnya 2000 kg, artinya diperlukan gaya angkat ke atas sebesar 2000 kg untuk membuatnya mengambang. Tetapi berapa maksimum gaya angkat ke atas yang diberikan oleh air akibat dari volume yang dipindahkan oleh tabung ke-dua? Ketika tabung ke-dua dengan volume 1 m^3 semuanya tercelup oleh air maka air memberikan gaya angkat ke atas sebesar maksimum 1000 kg. Karena berat tabung ke-dua 2000 kg maka tabung ke-dua tenggelam.

Tabung ke-dua kemudian diisikan udara bertekanan sebesar 100.000 Pascals. Apakah akan membantu tabung menjadi mengapung? Abaikan berat udara yang sangat kecil. Tekanan udara di dalam tabung menekan dinding tabung ke segala arah sebesar 100.000 Pascal. Artinya terdapat gaya per satuan luas ke segala arah, dan artinya resultan gaya akibat tekanan udara di dalam tabung adalah nol. Sehingga tekanan udara tidak memberikan tambahan gaya angkat ke atas sedikitpun, kecuali jika tekanan udara tersebut dapat memperbesar volume tabung yang terbuat dari karet. Makin melar, makin besar gaya angkat ke atasnya dengan berat benda tetap ketika diexpansikan. Jadi gaya angkat ke atas (floating) satu-satunya ditentukan oleh volume air yang dipindahkan akibat volume benda tercelup di dalam air. Tabung ke-2 meskipun diisi dengan udara dengan tekanan berapapun tidak akan pernah mengapung.

Bagaimana structur tower atau jaket 20.000 tons bisa mengapung di laut?

“When an object is immersed in a fluid then the object experiences an upthrust equal to the weight of fluid displaced”

Density air laut adalah around 1020 kg/m^3 untuk memudahkan kita jadikan 1000 kg/m^3. Beban yang harus ditanggung air laut adalah 20.000 tons atau 20.000.000 kg. Agar structure mengapung maka harus mendapat gaya ke atas minimal  20.000.000 kg. Gaya ke atas ini sama dengan berat air laut yang harus dipindahkan yaitu 20.000.000 kg. Nah, berat air 20.000.000 kg ini setara volume air 20.000 m^3. Jadi agar jaket 20.000 tons mengapung maka harus ada volume 20.000 m^3 yang tidak bisa dimasuki oleh air sehingga the water displaced.

Jadi harus diciptakan ruang minimal 20.000 m^3 agar jaket bisa mengapung. Ruang ini tidak permanen karena jaket tidak didesain untuk mengapung permanen. Ruang juga harus bisa dikurangi volume kedap airnya agar jaket bisa diputar ke atas dan didirikan. Kalau mengapung terus nanti bukan jadi structural tower tetapi jadi tongkang buat mancing. Dari mana volume ruang tersebut diciptakan?

Volume diciptakan dengan membuat controllable kompartemen yang diisolate dengan katup (valves). Braces yang diweld permanen ke legs juga meciptakan ruang kecil/minor volume yang permanent. Major volume harus diciptakan dari main legs yang controllable ketika upending. Controllable bisa berarti man control  (manual/subsea ROV) atau automatic control (auto-electrically/hydraulically control system). Ketika volume yang diciptakan oleh main-legs tidak mencapai nilai 20.000 m^3 maka harus ditambahkan alat tambahan untuk mengapung. Apa itu?

Tambahan volume apung normalnya disebut sebagai Buoyancy Tank. Terbuat dari baja dengan bentuk tabung atau kombinasi tabung dengan volume yang besar yang dapat menghasilkan gaya upthrust di dalam air jauh melebihi berat buoyancy tank itu sendiri. Buoyancy Tank juga merupakan controllable volume yang dijalankan secara manual atau ROV atau dapat juga dilakukan dengan sistem auto- yang mengurangi peran manusia dalam prosesnya-.

Volume total: main leg compartments+buoyancy tank compartments+minor volume di braces harus lebih dari sama dengan 20.000 m^3. Syarat perlu agar bisa mengapung ketika dilaunch dari transportation barge.

Berapa tekanan udara yang harus dimasukkan ke dalam volume apung?

Kita sepakat bahwa tekanan udara tidak menyebabkan perubahan volume (ini bukan ban untuk berenang…sodara). Tidak adanya perubahan volume berarti tidak adanya perubahan gaya angkat ke atas. Sehingga kesimpulannya tekanan di dalam kompartemen (volume apung) tidak memberikan effect pada penambahan gaya angkat ke atas (gaya apung) dari structure ini. Asalkan air tidak bisa masuk ke dalam kompartemen apung berapapun tekanannya maka gaya apungnya berdasarkan volume air yang dipindahkan karena volume tersebut.

Nah, akan tetapi apakah ada hubungan antara tekanan di dalam kompartemen untuk kekuatan dari enclosure kompartemen tersebut dari hantaman gaya luar? Hmm…yaaa masuk akal meski saya tak yakin. Enclosure tersebut dengan ditambah udara bertekanan tentu akan mendapat tambahan gaya per luasannya untuk menerima hentakan dari luar. Nah, berapa gaya yang diperlukan per satuan luas? Ini saya tidak terlalu bisa berkontemplasi. Karena jujur menurut saya gaya yang di dapat dari tekanan ini gak terlalu penting. Kenapa? karena enclosurenya sendiri baja yang tidak perlu ditambah kekuatan udara hanya untuk melawan hentakan gaya air laut. Jadi pertimbangan tekanan udara menambah kekuatan enclosure kayaknya harus batal deh demi hukum logika. Coba kenapa kalau tau?

Jadi kesimpulan yang saya ambil, tekanan udara di dalam volume apung kompartemen hanyalah digunakan untuk memastikan bahwa kompartemen ter-sealed secara sempurna dan air tidak masuk. No matter how much the pressure. Dan volume yang ada udaranya tersebut akan memindahkan air sehingga menghasilkan gaya ke atas sebesar volume yang dipindahkan.

Bagaimana bisa upending (berdiri) sendiri tanpa ada crane yang mengangkat?

Makanya diaplikasikan Jacket Upending Control System yang pembahasannya ada di halaman lain blog ini.

Nova Kurniawan

Lulusan SMPN Kanor Bojonegoro Jawa Timur tahun 1995  (Indonesia Emas-Jaman Soeharto)

I wish I could write about EEHA (Electrical Equipment Hazardous Area) when I shall coordinate the training about this topic. Just only to coordinate actually, I am not the trainer. Preparing the room, projector, select the guy who should attend the training, preparing material for practical work, and prepare my self to become a good translator of the australian trainer for my fellow Indonesian guys. I am not a good english speaker anyway. You see my technical focus is getting lesser and lesser and I don’t know when is the time come when I will be totally away from instrumentation and control. I am spending lesser time to focus on instrumentation and control study however I am still trying to keep my self up date on the related topic in my spare time. And at least the EEHA will be my focus on 5-7 october 2010.

My pre-training knowledge

Industri Oil and Gas adalah industri yang memproduksi material untuk dibakar menghasilkan energi. Artinya meterial yang diproses di dalam per-pipaan dan equipment adalah material yang mudah dibakar. Ada banyak celah yang memungkinkan bahan bakar berupa oil atau gas menelusup keluar melalui sambungan-sambungan atau celah-celah dari equipment yang berputar sehingga keluar ke atmospher bercampur dengan oksigen. Campuran keduanya tidak menjadi bahaya asalkan tidak terdapat sumber ignition (percikan api). Konsep segitiga api yang sering diulang-ulang oleh safety officer. Satu setngah abad yang lalu ketika equipment dan perpipaan pada industri oil dan gas beroperasi dengan semata-mata hydraulik dan pneumatic, maka satu-duanya bahaya yang menjadi sumber percikan api adalah berasal dari kesalahan manusia atau kondisi ambient lingkungan. Kesalahan manusia antara lain merokok, ada koboi melintas dan tembak-tembakan di dekat fasilitas oil and gas, ada operator bakar jagung di dekat situ, dll. Kondisi ambient lingkungan misalnya terjadi kebakaran hutan di dekat industri yang menyebabkan suhu naik tinggi pada titik yang menyebabkan gas bisa terbakar. Jika hal-hal tersebut dapat dieliminasi maka fasilitas industri oil dan gas akan aman beroperasi.

Ketika Thomas Alfa Edison dengan intensif mulai memasyarakatkan listrik dan melistrikkan masyarakat melalui General Electric maka dunia perlistrikkan mulai berpenetrasi ke seluruh urat nadi masyarakat. Industri oil and gas termasuk yang lamban untuk bisa ditembus oleh ideologi-listrik ini. Wajar sekali lambat karena listrik bisa menimbulkan percikan api dan ancaman serius untuk industri oil and gas. Kalau koboi yang tembak-tembakan atau operator yang bakar jagung masih bisa diingatkan dan dicegah dengan persuasif dan represif, maka listrik berbeda, ia tidak bisa dinasehati. Harus diciptakan metode untuk mencegah dan membatasi listrik bocor baik berupa percikan atau energi kalornya sehingga listrik aman dipakai dilingkungan industri oil and gas. Metode ini juga untuk menghindarkan polisi mengambil kesimpulan bahwa setiap ada kebakaran jika tersangkanya susah ditemukan, maka arus pendek yang jadi terdakwa. Orang elektrik harus selalu memastikan bahwa arusnya selalu panjang-panjang, dan kalaupun terpaksa arus-nya jadi pendek maka ada suatu yang membatasi arus pendek itu sehingga tidak keluar ke atmosfer yang sudah dipenuhi gas dan oksigen.

Ada sebuah video yang mampu bercerita berjuta makna tentanng pentingnya konsep EEHA. Ada sebuah junction box yang diberi kaca. Di dalam dan di luar junction box terdapat flammable gas yang mudah meledak. Di dalam junction box dibuat simulasi short circuit yang menimbulkan ignition. Pada kasus pertama junction box mengikuti konsep EEHA dengan memperhatikan bahwa semua flamepath pada junction box ter-seal secara sempurna. Begitu short circuit disimulasikan maka terjadi ledakan di dalam junction box yang terlihat melalui kaca junction box (note: kacanya lebih kuat dari ledakan tersebut). Ledakan tidak merambat keluar, ia terlokalisasi di dalam junction box. Pada kasus ke-2 flame path yang berupa muka dari cover JB sedikit dirusak dengan memberikan scratch sehingga JB tidak ter-seal secara sempurna. Akibatnya ketika diberikan ignition dari dalam junction box maka ledakan dari dalam JB merambat ke luar dan barang yang berada di ruangan ikut terbakar. Nah gambaran diatas saya kira cukup menggambarkan begitu pentingnya EEHA pada dunia oil and gas.

Pengenalan Area Berbahaya

Sebelum terlalu jauh membahas ke electrical system protectionnya, maka diperlukan pengenalan terhadap lingkungan hazard di sekitarnya. Penggolongan area bahaya sepertinya belum disepakati oleh semua ahli hanya menjadi satu metode. Anyway, kita perlu ingat pokok-pokonya saja. Class, Division, Group, Zone, dan Temperature class.

Class: adalah penggolongan wujud fisik flammable material. Terdapat tiga kemungkinan material yang dapat terbakar yaitu Gas, Dust, dan Fiber. Class I (= Gas), Class II (=dust), Class III (=fiber). Dimanakah liquid? well, liquid pada hakikatnya yang bisa tersambar api adalah material flammable di permukaan liquid yang berfasa gas. Class ini biasa dipakai di North Amerika, maksudnya Amerika Serikat dan Kanada.

Division: adalah penggolongan tingkat frekuensi terdapatnya flammable material menurut NEC (Amerika Utara). Terdapat dua golongan saja yaitu Division I artinya terdapat flammable gas atau dust yang terus menerus atau intermittent pada konidisi normal. Division II artinya terdapat flammable gas atau dust hanya pada kondisi abnormal (incident atau accident). Division adalah paham yang digunakan di Amerika Serikat dan Kanada juga.

Group: adalah penggolongan tipe kimiawi gas atau dust yang hadir di atmosfer di area tersebut. Kalau yang hadir adalah gas maka penggolongannya di IEC / NEC adalah Group I (Methane) / Group D, Group IIA (Propane) /Group D, Group IIB (Ethylene) /Group C, Group IIC (Hydrogen & Acetylene) /Hydrogen Group D/Acetylene Group A. Sedangkan kalau flammable dust yang hadir digolongkan menjadi Group IIIA (combustible flying), IIIB (non-conductive dust), dan IIIC (conductive dust) contoh dustnya saya belum tau. Wah ribet juga ya kalau belum ada satu international standard. Jangan kan beginian colokan listrik yang sudah pasaran dipakai rumahan, tiap-tiap negara suka beda.

Zone: adalah metode yang serupa dengan gabungan Class dan Division. Ia menggolongkan wujud material dan tingkat frekuensi hadirnya flammable material tersebut menurut IEC/CENELEC. Untuk material yang berfasa gas maka penggolongannya: Zone 0 (Gas-Continuosly) Zone 1 (Gas-Intermittenly) Zone 2 (Gas-Abnormally). Untuk material yang berfasa dust maka penggolongannya: Zone 20 (Dust-Continuosly) Zone 21 (Dust-Intermittently) Zone 22 (Dust-Abnormally). Where is fiber? sepertinya sistem Zone tidak menggolongkan material bertipe fiber. Where is liquid? jawabannya sama dengan pertanyaan serupa pada pembahasan Class di atas.

Temperature: adalah maksimum temperature allowable pada permukaan dari suatu equipment. Sebagai contoh jika gas yang hadir di suatu atmosfer adalan Butane yang memiliki ignition temperature 365 degC maka temperature permukaan equipment maksimum allowable adalah dibawah 365 degC. Temperature class menurut Eropa digolongkan sebagai berikut: T1 = 450 degC, T2=300 degC, T3=200 degC, T4=135 degC, T5=100 degC, T6=85 degC. Maka untuk kasus gas Butane di atas maka temperature class dari electrical equipment adalah maksimum T2. Kalau ingin dipasang T3,T4,T5 atau T6 justeru akan semakin aman.

Nova Kurniawan