Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

24
1 Aplikasi HYSYS Dynamic untuk Process Control Process System Department PT Inti Karya Persada Tehnik Oleh : Ono Taryono (INTRODUCTION) 2 5 Aspek Yang Harus Dipenuhi dalam Plant Design 1. Safety Kondisi operasi senantiasa berada di bawah “max. allowable limit” 2. Spesifikasi Produk Plant menghasilkan produk dengan jumlah dan kualitas yang diinginkan EPC company dituntut mampu mendesain sebuah plant yang kompetitif tanpa mengabaikan 5 (lima) aspek berikut :

Transcript of Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

Page 1: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

1

Aplikasi HYSYS Dynamic untuk Process Control

Process System DepartmentPT Inti Karya Persada Tehnik

Oleh :Ono Taryono

(INTRODUCTION)

2

5 Aspek Yang Harus Dipenuhi dalamPlant Design

1. SafetyKondisi operasi senantiasa berada di bawah “max. allowable limit”

2. Spesifikasi ProdukPlant menghasilkan produk dengan jumlah dan kualitas yang diinginkan

EPC company dituntut mampu mendesain sebuah plant yang kompetitif tanpa mengabaikan 5 (lima) aspek berikut :

Page 2: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

3

5 Aspek Yang Harus Dipenuhi dalamPlant Design

3. Aspek KeekonomianPenggunaan bahan baku dan utilitas yang minimum, serta low CAPEX & OPEX, tapi memberikan keuntungan yang maksimum

4. Regulasi PemerintahPengolahan limbah dan buangannya ke lingkungan harus memenuhi standard yang ditetapkan pemerintah

4

5 Aspek Yang Harus Dipenuhi dalamPlant Design

5. Batasan OperasionalBeberapa equipment memiliki batasan operasional, misalnya :• Pompa harus memiliki net suction head

yang positif• Temperatur reaktor katalitik tidak

boleh terlalu tinggi, melebihi temperatur deaktivasi katalis

• dll.

Page 3: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

5

Apa Yang Dibutuhkan…?!

Dibutuhkan suatu alat atau sistem untuk me-monitor operasional plant sekaligus mengontrol perilaku proses apabila terjadiperubahan (è “gangguan”) dari luar.

6

Apa Yang Dibutuhkan…?!

Pada fase produksi : Semua fasilitas telah dibangun dan plant telah beroperasi.

Distributed Control System (DCS)Pada fase EPC : Fasilitas belum dibangun dan plant belum beroperasi.

Simulasi Hysys Dynamic…?!

Page 4: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

7

Hysys : Steady State vs Dynamic

Hysys Steady State dalam memodelkan fenomena proses mengasumsikan bahwa variabel-variabel proses tidak berubah terhadap waktu.

Plant is never truly in smooth running process. Process variables are differentiated with respect to time…!!

In facts……,

8

Hysys : Steady State vs Dynamic

Perilaku dinamik akibat adanya akumulasi massa dan energi dimodelkan oleh Hysys Dynamic menggunakan “Hold Up Model”.

Dengan aplikasi Hysys Dynamic :1. Melakukan optimasi proses2. Melakukan optimasi controller

4. dll.

3. Monitoring respon proses thd gangguan dari luar

Page 5: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

9

Contoh Aplikasi Hysys Dynamic

Gambar 1

10

Flash Separator Tiga Fase

Sistem terdiri dari 2 buah separator tiga fase :1. HP Flash Separator

Pop = 11.7 barg Pdes = 13.8 barg/FV2. LP Flash Separator

Pop = 3.4 barg Pdes = 6 barg/FV

Dan, 1 buah HP Flash Liquid Heater dgn duty = 2162 kW.

Page 6: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

11

Flash Separator Tiga Fase

Feed HP Flash Separator : Condensate dari Slug Catcher dgn komposisi dominan H2O = 39.4% dan n-C11+ = 13.8%.Feed LP Flash Separator : Liquid dari HP Flash Separator ditambah bottom product Debutanizer dgn komposisi dominan i-C5 = 46.4%, n-C5 = 29.9% dan n-C6 = 17.7%.Bagaimanakah perilaku dinamik dari sistem merespon berbagai “gangguan” dari luar…?!

12

Permasalahan dalam Process Control

3 permasalahan mendasar yang ditinjau dalam process control :1. Servo Problem

2. Regulator Problem

3. Kombinasi Servo & Regulator Problem

Permasalahan akibat perubahan set point, disturbance = 0

Permasalahan akibat perubahan disturbance, set point = 0

Page 7: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

13

Kasus 1 : Perubahan SP LIC 100 dari 50% menjadi 35%

Perubahan Set Point LIC 100 terjadi pada saat t = 400 menit.

Gambar 2

Respon sistem terhadap perubahanset point ini disajikan pada Gambar 2 s.d Gambar 4.

14

Kasus 1 (lanjutan) :Action dari perubahan Set Point LIC 100 dari 50% menjadi 35% : Opening valve LV-100 bertambah besar.

Gambar 3

Peningkatan liquid flowrate outlet dari HP Flash Separator.

Peningkatan liquid level di LP Flash Separator.

Bagaimana dampak terhadap pressure di kedua separator tsb…?!

Page 8: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

15

Kasus 1 (lanjutan) :Dampak perubahan Set Point LIC 100 dari 50% menjadi 35% terhadap pressure di kedua separator tidak significant.

Gambar 4

Penurunan liquid level di HP Flash Separator akan memperbesar vapor space.

Sebaliknya, peningkatan liquid level di LP Flash Separator akan memperkecil vapor space.

16

Kasus 2 : Perubahan Disturbance-Pressure pada Stream 1

Disturbance berupa perubahan pressure distream 1.

Pada t = 400 menit, pressure di stream 1 tiba-tiba turun dari12.4 barg ke 11.7 barg, selama 20 menit.Respon sistem terhadap perubahanpressure ini disajikan pada Gambar 5 s.d Gambar 8.

Gambar 5

Page 9: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

17

Kasus 2 (lanjutan) :Penurunan pressure di stream 1 akan memperkecil differential pressure FV-100 (è Final Control Element FIC 100).

Based on Resistance Eq. è Flowrate fluida yang melewati valve tsb akan berkurang.

Dampaknya, penurunanliquid level di HP danLP Flash Separator.

Gambar 6

Bagaimana dampaknyathd pressure di keduaseparator disajikanpada Gambar 5.

Lihat Gambar 7 & 8

18

Kasus 2 (lanjutan) :Penurunan liquid level di kedua separator akibatpenurunan feed flowrate.

Gambar 7 Gambar 8

Page 10: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

19

Kasus 3 :100% Stuck Open LV-100

Pada saat t = 400 menit, LV-100mengalami kegagalan è 100% stuck open.

Hambatan melalui sirkuit LV-100 menjadi kecil.

Liquid outlet HP Flash Separator akan mengalir lebih banyak.

Gambar 9

20

Kasus 3 (lanjutan) :

Gambar 10

Liquid fase aqueous ikut terbawa (“carry over”) bersama liquid fase oil.Lihat PV LIC 103 pada Gambar 10 dan phase fraction pada Gambar11.

Bagaimana dgn fase vapor apakah ikut terbawa juga è gas blow by phenomena…?!

Terjadi penurunan liquid level di HP Flash Separator dan peningkatan liquid level di LP Flash Separator.

Page 11: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

21

Kasus 3 (lanjutan) :

Fase vapor ikut terbawa dalam aliran liquid outlet HP Flash Separator, meski tidak significant. Dari gambar V = 0.1118.

Gambar 11

22

Kasus 3 (lanjutan) :

Bagaimana dampak 100% stuck open LV-100 ini thd pressure di kedua separator…?!

Gambar 12

Terjadi penurunan pressure di HP Flash Separator menjadi 11.47 barg dan peningkatan pressure di LP Flash Separator menjadi 3.70 barg.

Page 12: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

23

The Points :

Hysys Dynamic mampu memberikan gambaran bagaimana respon/perilaku proses thd berbagai perubahan atau gangguan dari luar.

Bagaimanakah langkah-langkah untuk menyiapkan sebuah simulasi Hysys Dynamic secara sistematis…?!

24

Bagaimana Menyiapkan Simulasi Hysys Dynamic

1. Menyelesaikan simulasi Hysys Steady State suatu proses secara utuh

2. Sizing unit-unit operasi yang terlibat dalam proses tersebut

Untuk menyiapkan sebuah simulasi HysysDynamic, beberapa tahapan yang perludilakukan adalah :

3. Menentukan Pressure-Flow specification

Page 13: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

25

Bagaimana Menyiapkan Simulasi HysysDynamic

4. Menentukan variabel process yang akan dikontrol sekaligus mendefinisikan konfigurasi control loop-nya

6. Running Dynamic Assistant untuk mengecek spesifikasi dan input datasudah benar

5. Set up controller

7. Switch simulasi Hysys ke Dynamic mode

26

Sizing Unit Operasi

Sizing unit-unit operasi yang terlibat bisa menggunakan Quick Sizing by Hysys atau input data dari equipment data sheet.Dalam contoh simulasi Flash Separator Tiga Fase ini, ada 3 unit operasi (2 separator + 1 HE) dan beberapa CV yang terlibat danharus di-sizing.

Page 14: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

27

Sizing Flash Separator

Gambar 13 Gambar 14

Dimensi HP dan LP Flash Separator diambil daridata sheet equipment yang bersangkutan.

28

Carry Over Spec dan Sizing Heater

Gambar 15 Gambar 16

Carry Over spec Heavy Liq in Liqht Liq di HP Separator didefinisikan 500 ppm-vol.

Dimensi heater dan spesifikasi duty juga berdasarkan data sheet equipment ybs.

Page 15: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

29

Sizing Valve

Gambar 17 Gambar 18

Pada kasus ini, sizing valve menggunakan Quick Sizing Hysys. Valve type yang dipilih : Linear.

Jika menginginkan tidak terjadi aliran balik, CVdisimulasikan berperilaku seperti check valve.

30

Pressure-Flow Specification

Dalam suatu flowsheet Hysys Dynamic, setiap boundary stream membutuhkan satu P-F Specification, biasanya spesifikasi pressure.Setiap boundary stream sebaiknya dihubungkan “dari” atau “ke” sebuah valve.Untuk stream yang menghubungkan 2 unit operasi tanpa P-F Specification, perluditambahkan satu unit operasi “tambahan”misalnya valve, HE atau pompa.

Page 16: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

31

Pressure-Flow SpecificationApa perbedaan spesifikasi antara Gambar 16 vs Gambar19 …?!Juga antara Gambar 18 vs Gambar 20…?!

Gambar 19 Gambar 20

Spesifikasi fixed pressure drop seperti pada Gambar19 dan Gambar 20 “not recommended” by HysysDynamic.

32

PID Controller

PID Controller merupakan salah satu tool di Hysys Dynamic untuk memanipulasi dan mengontrol variabel-variabel proses.PID Controller terdiri atas :1. Proportional (Only) Controller2. Proportional-Integral Controller3. Proportional-Integral-Derivative

Controller

Page 17: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

33

Proportional (Only) Controller

Output dari Proportional (Only) Controller dinyatakan dgn persamaan berikut :

P Only Controller cocok digunakan jika :

)(.)( tEKOPtOP CSS +=

1. Dibutuhkan respon thd disturbance ( è meredam osilasi ) yang cepat

2. Steady state offset antara PV dgn set point “tidak penting”

34

Proportional-Integral Controller

Output dari Proportional-Integral Controller dinyatakan dgn persamaan berikut :

dttETK

tEKOPtOPi

CCSS .)()(.)( ∫++=

PI Controller cocok digunakan jika offset antara PV dan SP tidak bisa “ditolerir”.Integral action berfungsi meng-eliminasierror.Tapi, waktu yang dibutuhkan untuk meredam osilasi menjadi lebih lama.

Page 18: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

35

Proportional-Integral-Derivative Controller

Output dari Proportional-Integral-Derivative Controller dinyatakan dgn persamaan berikut :

dttdE

TKdttETK

tEKOPtOP dCi

CCSS

)(...)()(.)( +++= ∫

Derivative action mampu memprediksi dan mengantisipasi “error” atau deviasi.Respon yang lama akibat penambahan Integral term, dapat diatasi dgn Derivative action èRespon menjadi lebih cepat.

36

PID Controller dalam Hysys DynamicJika P only Controller, maka Ti dan Td dibiarkan kosong “<empty>”

Gambar 21 Gambar 22

Jika PI Controller èisi Ti saja ; Jika PID Controller è isi Ti & Td

Bagaimana dgn Kc…?!

Page 19: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

37

PID Controller dalam Hysys Dynamic

Berdasarkan definisi input controller, action dari controller dibedakan menjadi :1. Reverse Action è

2. Direct Action è

Controller akan memerintahkan CV mengurangi opening valve jika PV > SP

Controller akan memerintahkan CV menambah opening valve jika PV > SP

)()()( tPVtSPtE −=

)()()( tSPtPVtE −=

38

PID Controller dalam Hysys Dynamic

Contoh Reverse Action dalam simulasi ini : FIC 100, FIC 101, FIC 102 dan TIC 100.

Contoh Direct Action dalam simulasi ini : PIC 100, PIC 101, LIC 100 dan LIC 102 dsb.

Gambar 23

è Lihat Gambar 22

Page 20: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

39

Dynamic Assistant

Dynamic Assistant membantu user dalam menyiapkan simulasi Hysys Dynamic agar tidak overspecified atau underspecified.

Dynamic Assistant memberikan rekomendasi spesifikasi-spesifikasi yang perlu diinput thd simulasi Hysys Dynamic yang sedang disiapkan.

Rekomendasi Dynamic Assistant tidak mesti semuanya diikuti.

40

Dynamic Assistant

Gambar 24 Gambar 25

Pada bagian General, ditampilkan hasil investigasi thd berbagai potensi over- atau under-specified.

Pada bagian Stream, ditampilkan stream-stream yang “recommended” menggunakan P Specs atau F Specs.

Page 21: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

41

Dynamic Assistant

Gambar 26

Pada bagian Unknown Size, ditampilkan hasil investigasiDynamic Assistant equipment yang belum di-sizing.

Pada bagian PF Specs, ditampilkan equipment yang “not recommended” diberi spesifikasi fixed pressure drop.

Gambar 27

42

IntegratorSetelah investigasi Dynamic Assistant OK, simulasi diswitch ke Dynamic Mode. Running Hysys Dynamic èRunning Integrator.

Gambar 28 Gambar 29

Page 22: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

43

Integrator

Pada bagian General, user bisa mendefinisikan integration time, integration step bahkan integration control.Semakin kecil integration step, sistem akanrunning lebih akurat dan lebih stabil, tapi kinerjanya semakin lambat. Pada bagian Execution, user mendefinisikan frekuensi perhitungan pers. differensial per satuan integration step.Ex : Energy calc. every 2 time step.

What is the Integrator…?!

44

Menampilkan Grafik Dinamika Proses

Setelah integrator di-running, dinamika proses yang terjadi bisa ditampilkan dalam bentuk tabel atau grafikmenggunakan fasilitas Data Book.

Gambar 30 Gambar 31

Page 23: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

45

Penutup

Hysys Dynamic hanyalah sebuah tool simulasi proses. Apa dan bagaimana Hysys Dynamic itu bekerja tergantung user yang menggunakan.

“…A Chemical Engineer is the most suitable person to undertake the design of a control system for a chemical plant.”

(Stepanopoulos, G. Chemical Process Control.)

46

References :

1. HYSYS 3.2 Documentation : Dynamic Modelling.

2. Stepanopoulos, G. Chemical Process Control : An Introduction To Theory and Practice.

Page 24: Aplikasi HYSYS Dynamic Untuk Process Control1

Wed Mar 14 07:46:47 2007 Case: D:\OTA\PROCESS ENGINEERING\PRESENTASI\SIMULATION\FLASH SEPARATOR DS.HSC Flowsheet: Case (Main)

2

5

3

4

LV-1006

332-H-01AB7

Q-100

9

10

8

11FV-1001

Feed fromSlugCatcherand RegGasScrubber

LV-10119

PV-10018

14

13

12LV-103

17

LV-102

PV-101

16

15

FV-101

FV-102

20

21

BottomProductDeButanizer

FlashGasfromVRU

PIC-100

LIC-100

LIC-101

PIC-101

LIC-102

LIC-103

MIX-100

332-V-01

MIX-101

332-V-02

FIC-100

FIC-101

FIC-102

TIC-100

1

Temperature

Pressure

Mass Flow

Comp Mole Frac (n-C11+*)

Comp Mole Frac (H2O)

57.00

12.40

1.615e+005

0.1379

0.3938

C

bar_g

kg/h

20

Temperature

Pressure

Mass Flow

Comp Mole Frac (i-Pentane)

Comp Mole Frac (n-Pentane)

Comp Mole Frac (n-Hexane)

103.0

4.900

3991

0.4644

0.2989

0.1766

C

bar_g

kg/h

21

Temperature

Pressure

Mass Flow

101.0

4.100

1.582e+004

C

bar_g

kg/h

332-V-01HP FlashSeparator

332-H-01A/BHP FlashLiquidHeater

332-V-02LP FlashSeparator

FlashGas

FlashGas

ATMFlashSeparator

HydrocyclonePackage

Vessel Pressure

Vessel Temperature

11.70

56.45

bar_g

C

Vessel Pressure

Vessel Temperature

3.400

72.00

bar_g

C

DUTY

Pressure Drop

2162

0.50

kW

bar