pengendalian electrohydraulic servo valve dengan speedtronictm

SISTEM KONTROL SPEEDTRONICTM MARK V
SEBAGAI PENGENDALI KECEPATAN
PADA GAS TURBINE GENERATOR (GTG)
Oleh :
HARYO PAMUNGKAS S. (L2F 006 047)
-AbstrakPT. INDONESIA POWER UNIT BISNIS
PEMBANGKITAN SEMARANG dalam proses
produksinya di Pembangkit/Pusat Listrik Tenaga
Gas Uap (PLTGU) menggunakan pengontrol
Programmable
Logic
Controller
(PLC),
SPEEDTRONICTM MARK V, dan Distributed
Control
System
(DCS).
Sistem
Kontrol
SPEEDTRONICTM MARK V yang dikembangkan
oleh General Electric (GE) Industrial Sistem adalah
sistem kontrol yang memakai sistem TMR (Triple
Modular Redundant) dengan SIFT (Software
Implemented Fault Tolerance) yang diprogram untuk
memenuhi kebutuhan industri listrik dalam kendali
turbin gas dan uap yang semakin komplek.
SPEEDTRONICTM MARK V dapat melakukan
kontrol, proteksi dan monitoring sekaligus terhadap
kerja turbin.
Pada
PLTGU,
sistem
kontrol
SPEEDTRONICTM MARK V dapat melakukan
kontrol, proteksi dan monitoring pada Gas Turbin
Generator (GTG), salah satunya yaitu untuk
mengendalikan kecepatan. Pengendalian kecepatan
dengan
menggunakan
sistem
kontrol
SPEEDTRONICTM MARK V berfungsi untuk
mengatur
nilai
FSR
yang
selanjutnya
mempengaruhi jumlah bahan bakar yang dialirkan
ke 14 ruang pembakaran. Besar kecilnya bahan
bakar yang dialirkan ke ruang pembakaran akan
menentukan cepat atau lambatnya kecepatan putar
turbin pada Gas Turbin Generator (GTG).
Kata Kunci : SPEEDTRONICTM Mark V, Gas
Turbin, FSR, kecepatan.
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dalam dunia industri, semakin cepatnya
perkembangan teknologi peralatan yang di
gunakan pada proses produksi juga semakin
berkembang. Sistem kontrol untuk turbin yang
tadinya
hanya
menggunakan
governor
dikembangkan oleh General Electric (GE)
menjadi sistem kontrol yang lebih modern yang
dinamakan
SPEEDTRONICTM . Dengan
semakin kompleksnya pengontrolan untuk
turbin,
SPEEDTRONICTM
pun
terus
berkembang mulai dari SPEEDTRONICTM
Mark I hingga yang terakhir SPEEDTRONICTM
Mark VI. PT. INDONESIA POWER UBP
SEMARANG dalam proses produksinya di
Pembangkit/Pusat Listrik Tenaga Gas Uap
(PLTGU) menggunakan SPEEDTRONICTM
Mark V sebagai kontroler pada Gas Turbin
Generator (GTG).
Salah satu control yang dilakukan oleh
SPEEDTRONIC™
adalah
mengontrol
kecepatan turbin gas. Pada dasarnya komponen
utama pengendali kecepatan putaran turbin
adalah FSR (Fuel Stroke Reference), yang
secara langsung mengatur suplai bahan bakar
ke ruang pembakaran (combustion chamber).
Tujuan dari pengaturan tersebut agar
menghasilkan kecepatan putaran turbin sesuai
yang diharapkan dan pemantauan saat
beroperasi.
II. PROSES PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA GAS UAP (PLTGU)
PLTGU yaitu pembangkit listrik yang
menggunakan tenaga gas uap dalam
menghasilkan energi listrik.
Pembakaran bahan bakar pada PLTG akan
menghasilkan gas untuk memutar turbin gas.
Gas buang dari turbin gas ini akan dialirkan ke
HRSG untuk memanaskan air pada HRSG
sehingga menghasilkan uap yang akan
digunakan untuk memutar turbin uap.
Secara umum sistem produksi tenaga listrik
pada PLTGU dibagi menjadi dua siklus, yaitu :
1. Open Cycle
Biasanya disebut proses turbin gas (PLTG),
yaitu gas buang atau uap dari GTG (Gas
Turbin Generator) langsung dibuang ke
udara melalui stack.
2. Close Cycle
Biasanya disebut proses turbin uap
(PLTU), yaitu gas buang dari GTG (Gas
Turbin Generator) tidak langsung dibuang
ke udara tetapi digunakan untuk
memanaskan air yang ada di HRSG (Heat
Recovery Steam Generator). Uap yang
dihasilkan dari HRSG digunakan untuk
memutar turbin uap.
Proses Pembangkit Listrik Tenaga Gas
Uap dapat dibagi menjadi dua proses, yaitu :
1. Proses Turbin Gas
Makalah Kerja Praktek di PT. Indonesia Power – UBP Semarang
Bahan bakar minyak yang dipasok dari
kapal atau tongkang ditampung di dalam
tangki.Bahan bakar dipompa dari tangki ke
combustion chamber (ruang pembakaran)
bersama-sama udara dari compressor
setelah terlebih dahulu melalui air filter.
Campuran ini dibakar dan menghasilkan
gas panas yang selanjutnya digunakan
untuk memutar turbin gas.Gas buang dari
turbin gas akan langsung dibuang melalui
cerobong apabila dioperasikan open cycle
dan akan dilewatkan HRSG apabila
dioperasikan close cycle.
2. Proses Turbin Uap
Air pengisi dari deaerator dipompa melalui
Low Pressure and High Pressure Water
dimasukkan ke HRSG untuk diubah
menjadi uap. Hasil uap dari HRSG
dimasukkan ke High Pressure Turbine
kemudian masuk ke Low Pressure Turbine
untuk mengubah energi panas uap menjadi
energi putar rotor. Uap bekas setelah
dipakai di Low Pressure Turbine dialirkan
ke condenser untuk dikondensasikan oleh
air pendingin atau air laut yang dipompa
melalui Circulating Water Pump (CWP).
Air
condensate
dipompakan
oleh
condensate pump untuk selanjutnya
dimasukkan ke deaerator.
III. DASAR TEORI
3.1 Gambaran umum SPEEDTRONIC™
Mark V
SPEEDTRONIC™TM Mark V adalah
suatu sistem kontrol, proteksi dan monitoring
pada turbin yang telah dikembangkan oleh GE
dan mewakili kesuksesan dari seri-seri
SPEEDTRONIC™ dalam sistem pengaturan.
Tujuan sistem kontrol dan proteksi ini adalah
menghasilkan output yang maksimal untuk
melindungi turbin gas dari kerusakan saat
turbin dalam kondisi operasi sehingga
lifetimenya dapat lebih lama.
3.2 Konfigurasi kendali SPEEDTRONIC™
Mark V
SPEEDTRONICTM Mark V adalah sistem
kendali turbin yang bersifat programmable
yang didesain sesuai dengan kebutuhan industri
tenaga modern untuk sistem turbin yang
bersifat kompleks dan dinamis. Keunggulan
sistem ini pada fitur-fiturnya antara lain:
1. Implementasi software dengan teknologi
fault
tolerance
(SIFT),
yang
memungkinkan turbin tetap beroperasi
meskipun terjadi kesalahan tunggal dengan
mempertahankan status on-line, dan
memungkinkan operasi saat prosesor
kontrol shut down untuk perbaikan atau
sebab lain.
2. Operator interface yang user-friendly
3. Interface dengan sensor direct yang
memungkinkan kendali dan monitoring
secara real time
4. Kemampuan diagnosa yang built-in
menyatu dengan sistem
5. Arsitektur berbasis TMR (Triple Modular
Redundant)
SPEEDTRONICTM Mark V menggunakan tiga
buah modul kontrol, masing-masing <R>, <S>,
dan <T> yang identik untuk menjalankan
keseluruhan algoritma kendali yang vital,
proses sinyal proteksi, dan proses sekuensial.
Konfigurasi inilah yang disebut TMR (Triple
Modular Redundant). Untuk fungsi proteksi
dijalankan oleh tiga prosessor proteksi
<X>,<Y> dan <Z> pada core <P>.
3.3 Operator Interface Mark V
Interface Mark V berfungsi sebagai upload,
download, monitoring maupun pengontrolan
sehingga dengan interface ini seluruh aktifitas
dari Mark V kontrol panel bisa terwakili. Work
Station Interface < I >, terdiri dari serangkaian
alat – alat, antara lain: sebuah PC (Personal
Computer) layar monitor berwarna, Cursor
Positioning Device (Mouse, atau Trackball),
Keyboard (QWERTY Keyboard) dan Printer.
Peralatan-peralatan
tersebut
dapat
menghubungkan antara operator dengan
keadaan mesin atau sebagai work station
pemeliharaan lokal, baik itu pengamatan
peralatan
turbin,
pengontrolan
turbin,
pengamanan turbin maupun pemasukan data
baru ke kontrol panel.
3.4 Hardware Input-Output
Mark V di desain untuk berhubungan langsung
dengan peralatan turbin dan generator seperti :
• magnetic speed pickups
• servos dan LVDT/Rs
• sensor vibrasi
• thermocouples
• Resistive Temperature Devices (RTDs)
Makalah Kerja Praktek di PT. Indonesia Power – UBP Semarang
IV. SISTEM KONTROL SPEEDTRONICTM
MARK V SEBAGAI PENGENDALI
KECEPATAN PADA GAS TURBINE
GENERATOR
4.1 Kontrol Kecepatan
Pengaturan kecepatan putaran turbin gas
oleh SPEEDTRONICTM Mark V digunakan
untuk mengetahui dan memantau kecepatan
putaran dari turbin gas saat operasi, mulai dari
start-up hingga pada kedaan beban penuh.
Dengan pemantauan ini, maka dapat diketahui
apakah turbin dalam keadaan normal atau tidak.
Pada dasarnya komponen utama pengendali
kecepatan putaran turbin adalah FSR (Fuel
Stroke Reference), yang secara langsung
mengatur suplai bahan bakar ke ruang
pembakaran (combustion chamber). Untuk
pengaturan FSR sendiri terbagi menjadi dua
macam mode, yaitu mode kontrol isochronus
dan mode kontrol speed droop.
turbin, sehingga program akan menaikkan nilai
FSR untuk mencapai kembali putaran normal
dan menjaga kecepatan putaran turbin tetap
disekitar 3000 rpm. Dalam keadaan normal,
setting droop yang dipilih sebesar 4% (Setting
speed droop untuk semua Gas Turbine pada
pembangkit di PLTG Semarang). Pada mode
droop akan terjadi penurunan nilai TNR secara
otomatis dan linier terhadap kenaikan beban.
Hal itu dapat dilihat pada Gambar 5.2. Setpoint
sebesar 104% akan menghasilkan referensi
kecepatan dimana hasilnya merupakan nilai
FSR pada FSNL. Setpoint 100% TNR akan
menghasilkan sebuah nilai FSR yang dapat
menghasilkan beban puncak. Selisih 4% pada
FSNL tersebut masih bisa ditoleransi. Pada
Gambar 5.3 dapat dilihat bahwa respon dengan
kontrol droop lebih stabil dibandingkan dengan
isochronous ketika terjadi kenaikan beban.
Gambar skema kontrol sederhana.
Pada saat turbin mencapai kecepatan FSNL
(3000 rpm) kontrol kecepatan putaran berfungsi
untuk menjaga kecepatan putaran turbin tetap
konstan sehingga frekuensi tegangan keluaran
generator tetap terjaga pada 50 Hz meskipun
generator dalam keadaan berbagai beban.
Sensor yang digunakan untuk mengukur
kecepatan putaran aktual berupa magnetic
pickup sensor ( 77NH-1, 2, 3). Untuk
pengaturan kecepatan putaran itu sendiri
terbagi menjadi dua macam mode, yaitu mode
kontrol isochronus dan mode kontrol speed
droop.
Ketika generator dihubungkan pada
jaringan maka generator akan mendapatkan
beban dari jaringan. Pada kondisi tersebut maka
akan mengalir arus pada kumparan stator
generator, sehingga akan timbul gaya torsi pada
rotor generator, yang melawan arah putaran
turbin.
Perlawanan
torsi
tersebut
mengakibatkan menurunnya kecepatan putaran
Gambar Droop control curve
Ketika beroperasi dengan kontrol droop,
FSR FSNL akan dipanggil untuk laju aliran
bahan bakar yang cukup untuk kecepatan penuh
dengan generator berada pada kondisi beban
nol. Nilai TNR dapat diubah melalui perintah
“RAISE” atau “LOWER” secara otomatis atau
manual. Error yang dihasilkan oleh TNH dan
TNR tersebut akan dikalikan dengan penguatan
konstan (Gain) tergantung pada setting nilai
droop yang diinginkan. Hasil dari operasi ini
kemudian akan dijumlahkan dengan nilai
setting FSR FSNL untuk menghasilkan nilai
FSR yang dibutuhkan oleh turbin untuk
menambah beban untuk menjaga frekuensi dari
sistem.
Makalah Kerja Praktek di PT. Indonesia Power – UBP Semarang
Gambar skema kontrol kecepatan
4.2 Sensor Kecepatan
Sensor kecepatan pada kontrol kecepatan
putaran turbin gas memiliki prinsip kerja yang
sederhana. Sensor tersebut bekerja berdasarkan
besar flux magnetic yang dihasilkan dalam pick
up. Besarnya flux magnetic tersebut akan
sebanding dengan perubahan jarak ujung
pickup dengan rotor turbin. Bentuk dari rotor
turbin ini berupa gerigi-gerigi yang akan
berputar saat turbin beroperasi.. Frekuensi
tegangan yang dihasilkan oleh sensor pada gigi
rotor akan sebanding dengan kecepatan turbin.
Jumlah gigi rotor pada rotor turbin adalah 60
buah. Kecepatan rotor turbin tersebut diukur
dalam rotation per minute (RPM) dengan
magnitude pengukuran tidak kurang dari 2 volt
rms pada kecepatan 1000 rpm. Tegangan yang
dihasilkan ini merupakan sebuah fungsi yang
sebanding dengan kecepatan rotor. Frekuensi
tegangan keluar dari sensor kecepatan putar
dalam hertz (Hz) sama dengan kecepatan
putaran turbin ketika beroperasi dalam rpm
yaitu 3 kHz .
Gambar Sensor magnetik pickup.
4.3 Sistem Proteksi
Sistem proteksi overspeed pada turbin gas
yang dikontrol oleh SPEEDTRONICTM Mark V
pada dasarnya dirancang dan digunakan untuk
melindungi turbin gas terhadap adanya
kemungkinan kerusakan akibat kecepatan rotor
turbin yang berlebihan. Overspeed dapat terjadi
disebabkan oleh beberapa hal yaitu:
a. Terlepasnya
beban
mendadak
yang
dikarenakan
adanya
gangguan
dan
kerusakan pada jaringan listrik sehingga
beban yang dipikul turbin mendadak
menjadi lebih ringan.
b. Terjadinya kerusakan atau kegagalan pada
sistem kontrol dan pengaturan bahan bakar.
c. Adanya kerusakan atau kegagalan pada
speed kontrol sehingga kecepatan turbin
tidak dapat dikontrol dan tidak sesuai
dengan yang dikehendaki.
Untuk proteksi overspeed elektronik, secara
umum sistem tersebut dibagi menjadi dua yaitu
overspeed electronic primer dan overspeed
electronic sekunder. Untuk sistem proteksi
primer terletak pada pengontrol <R>, <S> dan
<T>. sedangkan untuk yang sekunder pada
pengontrol <XYZ>. Kedua sistem tersebut
menggunakan sensor kecepatan magnetic
pickup untuk mengukur kecepatan aktual turbin
gas. Software untuk sistem ini beserta sirkuit
logicnya diset untuk melakukan peng-trip-an
turbin pada kecepatan 110%.
Sistem proteksi overspeed secara mekanik
terdiri dari alat yang berupa baut overspeed
(overspeed bolt). Alat tersebut dipasang pada
poros accessory gear dan pada mekanisme trip
overspeed. Untuk sistem ini, proses peng-tripan diset pada 112.5% kecepatan. Semua sistem
dioperasikan untuk mengetripkan fuel stop
valve (FSV) dan akan menggerakkan perintah
FSR ke nol secara redundant.
4.3.1 Electronic Overspeed Protection
Pada pembahasan sebelumnya, telah
dijelaskan bahwa sistem electronic overspeed
protection bekerja di dalam pengontrol <RST>
untuk primer dan pengontrol <XYZ> untuk
yang sekunder. Seperti yang ditunjukkan pada
gambar, sinyal kecepatan turbin (TNH) yang
dihasilkan oleh sensor magnetic pickup (77NH1,-2 dan -3) akan masuk ke program dan
dibandingkan
nilainya dengan
setpoint
overspeed (TNKHOS) yaitu 110% kecepatan
atau sekitar 3300 rpm.ketika nilai kecepatan
turbin (TNH) melebihi setpoint yang telah
ditentukan, maka sinyal trip overspeed (L12H)
akan dikirim ke sirkuit master protective.
Sirkuit ini kemudian akan melakukan pengtrip-an turbin disertai dengan munculnya pesan
“ELECTRICAL OVERSPEED TRIP” pada
layer monitor (CRT). Sistem trip ini akan
mengancing dan harus direset dengan
menggunakan sinyal dari master reset L86MR.
Makalah Kerja Praktek di PT. Indonesia Power – UBP Semarang
b. Oversped Trip Mechanism
Gambar Electronic Overspeed
4.3.2 Mechanical Overspeed Protection
Sistem proteksi overspeed secara mekanik
terdiri dari komponen-komponen utama yang
saling mendukung. Komponen - komponen
tersebut adalah:
a. Oversped Bolt Assembly
Baut overspeed (overspeed bolt) pada
sistem proteksi ini dipasang pada poros
accessory gear yang bertujuan untuk
mengetahui apakah terjadi overspeed atau
tidak. Alat ini berupa baut pembebanan dengan
pegas dan ditempatkan di dalam cartridge.
Penempatan ini dirancang agar gaya pegas
menahan baut pada posisinya sampai kecepatan
trip tercapai. Dengan meningkatnya kecepatan
poros, maka gaya sentrifugal yang bekerja pada
baut akan diimbangi oleh gaya gaya pegas yang
berada di dalam baut. Namun, pada saat
kecepatan poros melebihi batas yang telah
ditentukan maka gaya sentrifugal yang
dihasilkan pada baut akan lebih besar dari gaya
pegasnya. Akibatnya adalah baut bergerak
dalam waktu kurang dari satu putaran poros.
Dengan keluarnya baut ini maka akan terjadi
kontak sehingga mentripkan mekanisme
overspeed trip. Besarnya gaya poros dapat
ditentukan sesuai kebutuhan sehingga bolt akan
trip pada kecepatan poros yang diinginkan.
Peralatan trip ini juga dipasangkan pada
accessory gear, berdekatan dengan baut
overspeed (overspeed bolt assembly). Pada saat
digerakkan, overspeed bolt akan mentripkan
jari pengancing peralatan trip overspeed. Hal
ini akan mengakibatkan terbukanya valve trip
dan membuang tekanan oli sistem triping oil ke
drain oil yang kemudian diikuti dengan
menutupnya valve oil pengontrol tekanan
hidrolik pada Main Fuel Stop Valve (valve
utama bahan bakar) dan akan dibuang
tekanannya ke drain, sehingga menyebabkan
bergeraknya silinder aktuator hidrolik pada
Main Fuel Stop Valve untuk menutup dengan
cepat. Hal ini bertujuan untuk mencegah
tekanan hidrolik didalam selinder actuator
menahan Main Fuel Stop Valve dalam kedaan
masih membuka.
Tombol trip dan reset dipasangkan dengan
limit switch mekanisme overspeed 12HA di
luar accessory gear. Tombol ini merupakan
suatu mekanisme trip overspeed yang
dilakukan secara manual pula, sedangkan limit
switch 12HA berfungsi sebagai indikator
bahwa mechanical overspeed trip telah bekerja.
Gambar Overspeed Trip Mechanism
Gambar Overspeed Bolt
Makalah Kerja Praktek di PT. Indonesia Power – UBP Semarang
V. KESIMPULAN
1. SPEEDTRONICTM MARK V adalah suatu
sistem kontrol dan proteksi yang telah
dikembangkan oleh General Electric (GE)
dengan menggunakan software dan
hardware yang modern.
2. SPEEDTRONICTM MARK V menggunakan
sistem TMR yang terdiri dari tiga buah
processor control <R>, <S>, dan <T> pada
core <R>, <S>, dan <T> dan processor dan
tiga prosessor proteksi <X>,<Y> dan <Z>
pada core proteksi <P>.
3. Sistem kontrol SPEEDTRONICTM Mark V
secara garis besar terdiri dari tiga loop
kontrol utama yaitu loop kontrol
temperatur, kontrol kecepatan, dan kontrol
start up.
4. Kontrol kecepatan mengatur perubahan
bukaan bahan bakar (FSR) agar
menghasilkan kecepatan putaran turbin
sesuai yang diharapkan.
5. Frekuensi tegangan keluaran generator
adalah 50Hz dengan kecepatan normal nya
3000rpm.
6. Sensor yang digunakan adalah srnsor
Magnetic pickup berjumlah 3 buah dengan
frekueansi keluaran sensor yang sebanding
dengan kecepatan turbin yaitu 3000Hz.
SPEEDTRONICTM Mark V Control
Description and Application.Volume I,
1993.
SPEEDTRONICTM Mark V Control
Gas Turbine - Spesification Document
Volume II, 1993.
BIODATA
Haryo Pamungkas S,
adalah mahasiswa Teknik
Elektro (S1) Universitas
Diponegoro
angkatan
2006 dengan mengambil
konsentrasi Kontrol.
Semarang,
Agustus 2010
Mengetahui,
Dosen Pembimbing
Budi Setiyono, ST., MT.
NIP. 197005212000121001
VI. DAFTAR PUSTAKA
Santoso,
Junaidi.
Sistem
Kontrol
SPEEDTRONICTM Mark V Sebagai
Pengendali Turbin Pada Generator
Turbin Gas (GTG), Laporan Kerja
Praktek, Jurusan Teknik Elektro
Universitas Diponegoro, Semarang.
2006
Subroto, Samsu Haryo, “SpeedtronicTM Mark
V”, 2007
Lubis.
Rahmat,
Fundamental
of
SEEDTRONICTM Mark V Control
System, Tambak Lorok Combyne
Cycle Plant, 2002
MS-9000 Service Manual:Turbine,
Accessories and Generator Volume I,
PT.PLN (Persero) Tambak Lorok.
MS-9000 Service Manual:Turbine,
Accessories and Generator Volume IA,
PT.PLN (Persero) Tambak Lorok.
Makalah Kerja Praktek di PT. Indonesia Power – UBP Semarang