Pipa penyalur (pipeline) yang menyalurkan produk gas alam sudah umum diaplikasikan di dunia industri minyak dan gas. Fungsinya bisa menyalurkan gas alam dari sumur menuju fasilitas pemroses terpusat atau menyalurkan gas yang sudah diproses dari pemasok gas menuju ke pembeli gas (pembangkit listrik, pabrik pupuk, dll). Panjang pipeline umumnya sekitar 10-30 km dan bahkan bisa mencapai ratusan atau ribuan kilometer.
Fenomena settle out pada gas pipeline adalah fenomena kesetimbangan kondisi termodinamika dari molekul-molekul gas ketika tidak ada perubahan pada sistem pipeline. Hal ini dapat diwujudkan dengan ketiadaan pasokan gas ke pipeline dan ketiadaan penyedotan gas dari pipeline sehingga menyebabkan molekul-molekul gas yang ada didalam pipeline akan mencari kondisi kesetimbangannya. Kondisi tekanan pada sisi pemasok gas yang lebih tinggi akan perlahan menurun, sedangkan kondisi tekanan pada sisi pembeli gas yang lebih rendah akan perlahan meningkat. Ketika beda tekan antara dua titik ini hampir sama atau tidak ada perbedaan, maka bisa disebut keadaan ini adalah keadaan settle out. Tekanan pada kondisi ini disebut settle out pressure, sedangkan waktu yang dibutuhkan ketika dua sisi tersebut ditutup sampai mencapai kondisi tekanan yang setimbang disebut settling time.
Fenomena ini sering ditemui dalam pengoperasian pipeline ketika terdapat jadwal maintenance yang bersamaan pada sisi pemasok gas (supplier) dan sisi pembeli gas (buyer) dan diinginkan untuk mengetahui kondisi settle out pressure. Ketika gas dari sisi suplai dihentikan sedangkan gas dari sisi penerima juga dihentikan, berapakah tekanan untuk mencapai ekuilibrium atau biasa disebut settle-out pressure? Berapa lama juga settle out pressure ini diperlukan?
Pertanyaan-pertanyaan diatas dapat dijawab apabila kita mensimulasikan pipa penyalur dalam kondisi dinamik. Terdapat beberapa macam unit di perangkat lunak simulator Hysys yang dapat mensimulasikan pipeline secara dinamik. Namun kemampuan satu sama lainnya tidak sama dan perlu dicermati penggunaannya.
- Pipe segment. Unit ini merupakan unit yang sangat umum digunakan oleh para insinyur proses untuk mensimulasikan penyaluran hidrokarbon berfasa gas atau cair. Unit ini dapat menghitung hilang tekan (pressure drop) dengan cukup baik dan bisa menghitung besarnya inventori (hold-up) dan variabel di dalam hold-up tersebut. Namun meskipun pipe segment ini dapat menghitung besarnya inventori, pipe segment ini tidak dapat mensimulasikan kelakuan dari holdup secara dinamik ketika terjadi variasi aliran, tekanan ataupun temperatur. Perilaku yang disimulasikan secara dinamik dari pipe segment hanyalah perkiraan tekanan keluaran dari pipa, selebihnya pipe segment berkelakuan persis seperti katup kendali (valve) yang tidak mempunyai perilaku inventori.
- Gas pipe. Unit ini merupakan unit terpopuler ke-2 setelah pipe segment untuk mensimulasikan hidrokarbon gas, baik secara statik maupun dinamik. Memang pendefinisian gas pipe ini sedikit (hanya sedikit lho!) lebih rumit dari unit pipe segment. Namun setelah semua terdefinisi dengan baik, unit ini dapat memprediksi pressure drop dan menampilkan informasi yang lebih banyak dibandingkan pipe segment. Informasi tersebut mencakup profil dari variabel-variabel berikut: tekanan, temperatur, velocity, mach number, mass density, enthalpy dan speed of sound. Kelebihan gas pipe dibanding pipe segment adalah kemampuannya untuk memodelkan perilaku inventori pada pipeline secara dinamik dan menampilkan semua profil yang disebutkan sebelumnya.
- Heat exchanger atau pressure vessel. Ya, kemungkinan ini bisa digunakan untuk memodelkan perilaku inventori dari fluida berwujud gas dalam keadaan dinamik. Namun robustness-nya juga patut dipertanyakan karena belum pernah saya coba sebelumnya.
Bagaimana cara mencari settle out pressure dan settling time pada gas pipeline (seperti judul diatas)? Pertama dan terutama adalah membuat simulasi dalam keadaan tunak (steady state) menggunakan unit gas pipe secara benar dan hasilnya masuk akal. Jadi percuma capek-capek membuat simulasi dinamik namun hasilnya berdasarkan simulasi kondisi tunak yang sudah tidak benar.
Buat simulasi kondisi tunak sederhana dengan minimal 4 stream, 2 valve dan 1 gas pipe. Misalnya: stream 1 untuk inlet1, stream 2 untuk inlet2, stream 3 untuk outlet1 dan stream 4 untuk outlet2 seperti pada gambar berikut.
Gambar-1. Contoh simulasi gas pipeline menggunakan unit gas pipe untuk simulasi dinamik.
Spesifikasikan komposisi, tekanan, temperatur, laju alir pada inlet1. Spesifikasikan tekanan pada inlet2 (atau pressure drop pada VLV-100). Unit gas pipe (CGP-100) masih belum terdefinisi sebelum kita mendefinisikan variabel-variabel berikut:
- jumlah section (minimal 1)
- panjang dari section tersebut
- perubahan elevasi
- jumlah cells (maksimum 1000). Semakin banyak jumlah cells ini semakin akurat perhitungannya. Ingat, semakin banyak jumlah cells yang didefinisikan, maka semakin banyak resource yang dibutuhkan dari komputer anda.
- dimensi pipa keseluruhan seperti pipe schedule, material pipa, roughness, internal diameter, external diameter
- heat transfer coefficient
Setelah semua telah lengkap didefinisikan maka outlet1 akan terdefinisikan dengan baik dan tinggal menspesifikasikan pressure drop pada valve (atau tekanan pada outlet2). Pastikan bahwa pressure drop yang dihitung dalam kondisi tunak ini masuk akal (tidak terlalu kecil atau besar).
Selesai? Belum. Kan masih harus diubah ke modus dinamik. Switch langsung ke modus dinamik, Hysys melalui fitur Dynamic Assistant secara otomatis memeriksa apakah persyaratan dalam modus dinamik telah dipenuhi. Karena ini berkaitan dengan perhitungan matematis dalam modus dinamis, beberapa spesifikasi atau unit tambahan (biasanya valve) akan dihilangkan atau ditambahkan. Periksa perubahan yang dibuat oleh Hysys.
Setelah selesai baru dijalankan dalam modus dinamik. Periksa kestabilan laju alir, tekanan dan temperatur. Anda bisa melihat profil dari gas yang melalui pipa tersebut (dobel klik unit CGP-100, klik tab Properties, view Profile). Untuk melihat trending dari aliran, tekanan dan variabel lainnya bisa juga menggunakan Strip Chart. Klik di menu Tools>Databook>tab Strip Chart.
Sekarang bagian yang paling seru! Untuk mensimulasikan valve menutup pada kedua bagian, klik tombol lampu merah (Integrator Holding) di bagian atas menu. Setelah simulasi dinamik berhenti, spesifikasikan 0% pada percentage opening VLV-100 dan 0% pada percentage opening VLV-101. Setelah itu klik tombol lampu hijau (Integrator Active). Hal ini kita lakukan untuk mensimulasikan kedua valve menutup pada waktu bersamaan. Kondisi settle out bisa kita lihat seperti yang dicontohkan pada gambar dibawah ini.
Gambar-2. Hasil simulasi dinamik penutupan valve pada sisi hulu dan hilir dari gas pipeline.
Gambar di bagian sebelah kiri memperlihatkan profil tekanan pada sisi pasokan (berwarna merah) dan tekanan pada sisi penyedotan (berwarna hijau) ketika katup belum ditutup. Ketika katup ditutup (garis berwarna ungu) dari posisi 50% ke 0% pada gambar di bagian sebelah kanan, maka tekanan pada sisi pasokan perlahan menurun, sedangkan tekanan pada sisi penyedotan perlahan meningkat. Tekanan ini perlahan mencapai angka yang sama setelah beberapa waktu.
Apabila kita mengganti unit gas pipe dan menggunakan unit pipe segment pada simulasi Hysys tersebut, profil tekanan tidak terlihat seperti gambar-2 diatas. Tekanan pipa pada kedua sisi akan menuju settle out pressure dengan gradien profil tekanan yang tidak wajar atau menyerupai kurva orde satu. Simulasi dengan teknik yang sama bisa dilakukan dan ditunjukkan pada gambar-3. Hal ini menunjukkan bahwa pipe segment tidak mampu mensimulasikan inventori, namun masih tetap dapat menghitung settle out pressure dengan cukup akurat.
Gambar-3. Hasil simulasi settle out menggunakan pipe segment.
Dari kedua simulasi ini terlihat bahwa perangkat lunak Hysys dapat digunakan untuk mensimulasikan settle out dan menghasilkan settle out pressure serta settling time pada gas pipeline. Dengan catatan, apabila simulasi dilakukan dengan benar hehehe…
Selamat mencoba!
