Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

9

Click here to load reader

description

Sekedar terjemahan bebas.......

Transcript of Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

Page 1: Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

1

Hydrothermal Coordination

*) Problema penjadwalan (Scheduling problems) ++++++++++++++++++++++++++++++++

Sumber:

Allen J. Wood & Bruce F. Wollengerg

Power Generation, Operation, and Control

John Wiley & Sons, Inc. New York. 1996.

Halaman: 214-218.

++++++++++++++++++++++++++++++++

Dua sumber energy listrik memasok sebuah beban, satu berasal dari Hydro

dan satu lainnya berasal steam, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Beban,

Pload

SH Psteam

steamhydro

Phydro Fqbahan

bakar

debit

air

Hydrothermal System

Gambar 1 Sistem hydrothermal dua unit

Hydroplant dapat memasok beban sendirian untuk waktu terbatas. Untuk

beberapa periode 𝑗, seperti ditunjukkan pada persamaan (1)>

π‘ƒπ»π‘¦π‘‘π‘Ÿπ‘œ,π‘—π‘šπ‘Žπ‘₯. β‰₯ π‘ƒπΏπ‘œπ‘Žπ‘‘,𝑗

…..(1)

𝑗 = 1 … π‘—π‘šπ‘Žπ‘₯.

Energi tersedia dari hydroplant untuk beban, seperti persamaan (2).

Page 2: Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

2

βˆ‘ π‘ƒπ»π‘¦π‘‘π‘Ÿπ‘œ,𝑗𝑛𝑗

π‘—π‘šπ‘Žπ‘₯.

𝑗=1

≀ βˆ‘ π‘ƒπΏπ‘œπ‘Žπ‘‘,𝑗𝑛𝑗

π‘—π‘šπ‘Žπ‘₯.

𝑗=1

𝑛𝑗 = π‘—π‘’π‘šπ‘™π‘Žβ„Ž π‘—π‘Žπ‘š π‘‘π‘Žπ‘™π‘Žπ‘š π‘π‘’π‘Ÿπ‘–π‘œπ‘‘π‘’ 𝑗

.….(2)

βˆ‘ 𝑛𝑗

π‘—π‘šπ‘Žπ‘₯.

𝑗=1

= π‘‡π‘šπ‘Žπ‘₯. = π‘–π‘›π‘‘π‘’π‘Ÿπ‘£π‘Žπ‘™ π‘‘π‘œπ‘‘π‘Žπ‘™

Dapat digunakan semua jumlah energy dari hydroplant sedemikian rupa

hingga biaya untuk steam plant (pembangkit uap) menjadi minimal. Energi

dari steamplant ditentukan oleh persamaan (3).

βˆ‘ π‘ƒπΏπ‘œπ‘Žπ‘‘,𝑗𝑛𝑗

π‘—π‘šπ‘Žπ‘₯.

𝑗=1

– βˆ‘ π‘ƒπ»π‘¦π‘‘π‘Ÿπ‘œ,𝑗𝑛𝑗

π‘—π‘šπ‘Žπ‘₯.

𝑗=1

= 𝐸

..…(3)

(πΈπ‘›π‘’π‘Ÿπ‘”π‘– π‘‘π‘–π‘π‘’π‘‘π‘’β„Žπ‘˜π‘Žπ‘› π΅π‘’π‘π‘Žπ‘›) βˆ’ (πΈπ‘›π‘’π‘Ÿπ‘”π‘– π‘‘π‘Žπ‘Ÿπ‘– π»π‘¦π‘‘π‘Ÿπ‘œπ‘π‘™π‘Žπ‘›π‘‘)= (πΈπ‘›π‘’π‘Ÿπ‘”π‘– π‘‘π‘Žπ‘Ÿπ‘– π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š π‘π‘™π‘Žπ‘›π‘‘)

Tidak dapat memaksakan pengoperasian Steam plant (pembangkit uap)

sepenuhnya pada interval waktu π‘‡π‘šπ‘Žπ‘₯., sehingga ditentukan dengan

persamaan (4).

βˆ‘ π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗 . 𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

…….(4)

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = π‘—π‘’π‘šπ‘™π‘Žβ„Ž π‘π‘’π‘Ÿπ‘–π‘œπ‘‘π‘’ π‘ π‘‘π‘’π‘Žπ‘š π‘π‘™π‘Žπ‘›π‘‘ π‘π‘’π‘Ÿπ‘œπ‘π‘’π‘Ÿπ‘Žπ‘ π‘–

maka:

βˆ‘ 𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

≀ π‘‡π‘šπ‘Žπ‘₯.

Page 3: Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

3

Masalah penjadwalan menjadi seperti persamaan (5):

𝑀𝑖𝑛. 𝐹𝑇 = βˆ‘ 𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗)𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

..…(5).

Diperoleh hasil seperti persamaan (6).

βˆ‘ π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

βˆ’ 𝐸 = 0

…..(6).

Persamaan Lagrange terhadap persamaan (6), diperoleh persamaan (7).

𝐿 = βˆ‘ 𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗)𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

+ 𝛼 (𝐸 βˆ’ βˆ‘ π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

)

..…(7).

Nilai maksimum pada persamaan (7), diperoleh persamaan (8).

πœ•πΏ

πœ•π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗=

𝑑𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗)

π‘‘π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,π‘—βˆ’ 𝛼 = 0

atau:

𝑑𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗)

π‘‘π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,π‘—βˆ’ 𝛼 = 0

𝑑𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗)

π‘‘π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗= 𝛼

.….(8)

Page 4: Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

4

π‘’π‘›π‘‘π‘’π‘˜: 𝑗 = 1 … π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

Hal itu mempunyai arti, bahwa steam plant akan beroperasi pada nilai Ξ±

(incremental cost) yang tetap untuk periode penuh saat beroperasi. Nilai

optimum untuk daya yang dibangkitkan pembangkit uap yaitu π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— yang

sama dengan interval waktu pembangkit uap beroperasi. Tipe penjadwalan

tersebut, seperti Gambar 2.

steam

hydro

waktuTsteam Tmax.

daya beban

P*steam

Beban,

Pload

Optimal Hydrothermal Schedule

Gambar 2 Hasil jadwal hydrothermal optimal

Biaya total pada interval tersebut, seperti persamaan (9).

𝐹𝑇 = βˆ‘ 𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,π‘—βˆ— )𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

= 𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,π‘—βˆ— ) βˆ‘ 𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

βˆ— )

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

atau

𝐹𝑇 = 𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,π‘—βˆ— )π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

.….(9),

dengan:

Page 5: Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

5

π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = βˆ‘ 𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

= π‘‘π‘œπ‘‘π‘Žπ‘™ π‘€π‘Žπ‘˜π‘‘π‘’ π‘π‘’π‘Ÿπ‘œπ‘π‘’π‘Ÿπ‘Žπ‘ π‘– π‘’π‘›π‘‘π‘’π‘˜ π‘ π‘‘π‘’π‘Žπ‘š π‘π‘™π‘Žπ‘›π‘‘

Biaya pembangkit uap (steam plant) dinyatakan dengan persamaan (10).

𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š) = 𝐴 + π΅π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š + πΆπ‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š2

…..(10),

sehingga:

𝐹𝑇 = (𝐴 + π΅π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— + πΆπ‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

βˆ—2)π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

…..(11).

Dapat ditulis dengan:

βˆ‘ π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š,𝑗 . 𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

= βˆ‘ π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— . 𝑛𝑗

π‘π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

𝑗=1

= π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = 𝐸

Diperoleh persamaan (12).

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = 𝐸

…..(12),

maka:

π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = 𝐸

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ—

…..(13).

Persamaan (13) disubstitusikan ke persamaan (11).

𝐹𝑇 = (𝐴 + π΅π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— + πΆπ‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

βˆ—2). (

𝐸

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— )

…..(14).

Penyederhanaan terhadap persamaan (14), yaitu:

𝐹𝑇 =𝐴𝐸

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— + 𝐡𝐸 + πΆπΈπ‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

βˆ—

Page 6: Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

6

𝐹𝑇 = 𝐴𝐸(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— )βˆ’1 + 𝐡𝐸 + πΆπΈπ‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

βˆ—

Diperoleh nilai π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— dengan meminimalisasi nilai 𝐹𝑇, sehingga diperoleh

persamaan (15).

𝑑𝐹𝑇

π‘‘π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— =

βˆ’π΄πΈ

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ—2 + 𝐢𝐸 = 0

…..(15).

Penyederhanan terhadap persamaan (15):

βˆ’π΄πΈ

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ—2 + 𝐢𝐸 = 0 ≫

𝐴𝐸

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ—2 = 𝐢𝐸 ≫

𝐴𝐸

𝐢𝐸= π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

βˆ—2

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ—2

=𝐴𝐸

𝐢𝐸 ≫ π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š

βˆ—2=

𝐴

𝐢

Diperoleh persamaan (16).

π‘·π‘Ίπ’•π’†π’‚π’Žβˆ— = √

𝑨

π‘ͺ

…..(16).

Berarti, unit akan dioperasikan pada nilai efisiensi maksimum sepanjang titik

dalam interval waktu cukup panjang guna pemasokan energy yang

dibutuhkan, dengan catatan seperti persamaan (17).

𝐹(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š) = 𝐴 + π΅π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š + πΆπ‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š2 = 𝑓𝑐 βˆ™ 𝐻(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š)

…..(17),

dengan:𝑓𝑐 = π‘π‘–π‘Žπ‘¦π‘Ž π‘π‘Žβ„Žπ‘Žπ‘› π‘π‘Žπ‘˜π‘Žπ‘Ÿ, sehingga laju panas diperoleh seperti

persamaan (18).

𝐻(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š)

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š=

1

𝑓𝑐(

𝐴

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š+ 𝐡 + πΆπ‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š)

…..(18). Nilai laju panas minimum seperti persamaan (19).

Page 7: Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

7

𝑑

π‘‘π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š[𝐻(π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š)

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š] = 0 =

βˆ’π΄

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š2 + 𝐢

…..(19), sehingga memberikan efisiensi terbesar seperti persamaan (20).

π‘·π‘Ίπ’•π’†π’‚π’Ž = βˆšπ‘¨

π‘ͺ= π‘·π‘Ίπ’•π’†π’‚π’Ž

βˆ—

…..(20).

CONTOH:

Sebuah hidroplant dan steam plant, keduanya memasok ke sebuah beban

konstan pada nilai 90 MW untuk jangka waktu satu minggu (1 week).

Karakteristik unit-unit, adalah:

Hydroplant:

π‘ž = 300 + π‘ƒπ»π‘¦π‘‘π‘Ÿπ‘œ π‘Žπ‘π‘Ÿπ‘’ βˆ’ 𝑓𝑒𝑒𝑑/β„Žπ‘œπ‘’π‘Ÿ

0 ≀ π‘ƒπ»π‘¦π‘‘π‘Ÿπ‘œ ≀ 100 π‘€π‘Š Steam plant:

π»π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = 53.25 + 11.27π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š + 0.0213π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š2

12.5 ≀ π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š ≀ 50 π‘€π‘Š

Pertanyaan-1

Diketahui, hydroplant dibatasi memasok energy 10,000 MWh selama 1

minggu (7 hari). Hitung π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘šβˆ— , waktu beroperasi unit uap?

Jawab:

1 Minggu = 7 x 24 hour = 168 hour.

Beban: 90 x 168 (hour) = 15,120 MWh, ditetapkan 5,120 MWh dipasok dari

unit uap.

π»π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = 53.25 + 11.27π‘ƒπ»π‘¦π‘‘π‘Ÿπ‘œ + 0.0213π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š2

𝐴 = 53.25 𝐡 = 11.27 𝐢 = 0.0213

Page 8: Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

8

Efisiensi maksimum pembangkit uap, adalah:

(digunakan persamaan: 20):

π‘ƒπ‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = √𝐴

𝐢= √

53.25

0.0213= 50 π‘€π‘Š, sehinggga steam plant

dibutuhkan untuk beroperasi selama: 5120

50= 102.4 β„Žπ‘œπ‘’π‘Ÿ.

Hasil penjadwalan mesyaratkan steam plant beroperasi pada nilai 50 MW dan

hydroplant pada nilai (90-50 = 40 MW) untuk memenuhi interval 102.4 hour

selama satu minggu (168 hour) dan sisasnya dipasok oleh hydroplant pada

nilai 90 MW (sesuai kebutuhan beban) untuk interval sisanya (168-102.4)

hour = 65,8 hour.

Pertanyaan-2:

Bukan penentuan batas energy pada steam plant, tetapi pembatasan pada

volume air yang dapat dialirkan dari bendungan untuk hydroplant dalam

jangka waktu satu minggu. Perkiraan penarikan air dari bendungan adalah

250,000 acre-feet, berapa lama unit steam dioperasikan?

Jawab:

Untuk penyelesaian ini, musti diketahui hubungan antara pembangkitan q

versus karakteristik P. Terdapat perbedaan aliran yang harus diberikan

(digelontorkan) ke hydroplant saat dioperasikan pada nilai 40 MW dan pada

nilai 90 MW.

Untuk kasus ini, maka terdapat dua keadaan: a) Keadaaan-1: untuk pasokan

40 MW dan b) Keadaan-2: untuk pasokan 90 MW.

π‘ž = 300 + π‘ƒπ»π‘¦π‘‘π‘Ÿπ‘œ

π‘ž1 = [300 + 15(40)] βˆ™ π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š π‘Žπ‘π‘Ÿπ‘’ βˆ’ 𝑓𝑒𝑒𝑑

π‘ž1 = [300 + 15(90)] βˆ™ (168 βˆ’ π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š) π‘Žπ‘π‘Ÿπ‘’ βˆ’ 𝑓𝑒𝑒𝑑

π‘ž1 + π‘ž2 = 250,000 π‘Žπ‘π‘Ÿπ‘’ βˆ’ 𝑓𝑒𝑒𝑑

[300 + 15(40)] βˆ™ π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š + [300 + 15(90)] βˆ™ (168 βˆ’ π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š) = 250,000

900 π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š + 1650 βˆ™ (168 βˆ’ π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š) = 250,000

Page 9: Hydrothermal Coordination (scheduling_problem)

9

900 π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š + 277,200 βˆ’ 1650π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = 250,000

βˆ’750π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š = 250,000 βˆ’ 277,200

π‘‡π‘†π‘‘π‘’π‘Žπ‘š =βˆ’27,200

βˆ’750= 36,26667

Diperoleh unit steam dioperasikan selama: 36,26667 β‰… 36,27 hour.