PENGUKURAN ALIRAN GAS.

PENGUKURAN ALIRAN GAS

1.    PENDAHULUAN

            Laju produksi minyak, air, dan gas perlu diukur untuk mengetahui berapa banyak produksi masing-masing sumur per hari. Data laju produksi diperlukan untuk dilaporkan ke management, yang selanjutnya dilaporkan ke pemerintah maupun sebagai alat management untuk pengambilan kebijakan perusahaan. Disamping itu data produksi juga dapat digunakan  untuk analisis jika terjadi penurunan laju produksi secara mendadak. Data produksi juga digunakan untuk studi reservoir misalnya untuk menghitung cadangan sisa.

            Minyak, air dan gas yang diproduksi dari sumur-sumur dialirkan ke Stasiun Pengumpul (SP), untuk dipisahkan dan diukur berapa laju alir masing-masing fluida tersebut. Pengukuran dilakukan terhadap masing-masing fluida secara tersendiri agar hasil pengukuran makin teliti. Untuk sumur-sumur gas, laju produksi masing-masing sumur diukur selama 24 jam sehari, sedangkan untuk sumur-sumur minyak, pengukuran pada uji produksi cukup dilakukan dengan uji produksi selama beberapa jam sehari, tergantung pada perbandingan antara banyaknya sumur dan banyaknya separator test.

            Karena selama diproduksi, gas harus terus menerus mengalir (tidak dapat ditampung), maka pengukuran laju produksi dilakukan selama pengaliran di dalam pipa alir. Sedangkan minyak dan air, karena dapat ditampung dalam suatu wadah (tangki), maka pengukuran dapat dilakukan selama pengaliran di dalam pipa alir, atau diukur setelah minyak atau air ditampung dalam tangki.

2.     DIFFERENTIAL PRESSURE FLOWMETER

            Terdapat berbagai macam alat ukur laju aliran fluida berdasarkan prinsip kerja yang berbeda-beda, yaitu: differential pressure flowmeter, variable area flowmeter, magnetic flowmeter, turbine meter, positive displacement flowmeter, dll. Pada kursus ini hanya akan dibahas alat ukur yang paling banyak digunakan untuk mengukur laju aliran gas, yaitu orifice meter (salah satu tipe dari differential pressure flowmeter).

            Differential pressure flowmeter terdiri dari elemen primer sebagai alat untuk menghasilkan selisih tekanan yang cukup besar antara dua titik di sepanjang aliran (differential pressure producer) dan elemen sekunder yang berfungsi untuk merekam tekanan aliran (static pressure), beda tekanan (differential pressure) dan temperatur fluida yang mengalir).

2.1 ELEMEN PRIMER

            Terdapat berbagai jenis elemen primer, misalnya: orifice plate, ventury tube, flow nozzle, pitot tube, annubar dll. Di antaranya yang paling banyak digunakan adalah orifice plate.

2.1.1    Orifice Plate

Orifice plate berupa plat dari stainless steel berbentuk bulat yang dipasang tegak lurus terhadap arah aliran, yang dilubangi untuk mengijinkan fluida tetap dapat mengalir. Dengan memasang orifice, beda tekanan antara bagian hulu plat (upstream) dan bagian hilir plat (downstream) akan cukup besar untuk direkam dan dibaca. Orifice plate dapat dibagi-bagi berdasarkan penampang lubang, bentuk lubang, dan posisi lubang.

Berdasarkan penampang lubang ada 3 jenis orifice, yaitu square-edge (penampang lubang siku-siku), quadrant-edge (digunakan di Eropa), dan conical-edge orifice (digunakan di USA). Bersasarkan bentuk lubang terdapat 2 jenis, yaitu circular orifice dan segmental orifice. Berdasarkan posisi lubang terdapat 2 jenis, yaitu concentric dan eccentric orifice.

2.1.1.1. Penggunaan Masing-masing Orifice

a.    Square edge, concentric orifice: digunakan pada pipa pipa 2” atau lebih, untuk aliran cairan yang bersih, gas dan uap berkecepatan rendah. Perbandingan beta (β) yaitu perbandingan antara diameter lubang orifice (d) dengan diameter pipa (D) berkisar antara 0.15 sampai 0.75 untuk flange tap, dan antara 0.2 sampai o.67 untuk pipe tap , tergantung kisaran atas differential pressure yang diinginkan. Pada laju alir yang sama,  beta ratio yang lebih besar akan menghasilkan differential pressure yang lebih rendah daripada bera ratio yang kecil. Penggunaan untuk aliran fluida dengan Reynolds number antara 10,000 sampai 3.3 x 10⁷

b.    Quadrant-edge dan conical-edge, concentric orifice: digunakan jika Reynolds number kurang dari 10,000. Orifice tipe ini lebih cocok digunakan karena kontur lubang  kuadran dan kerucut (conical) menghasilkan discharge coefficient yang lebih konstan. Jika pada square edge orifice besarnya discharge coefficient  dapat berubah sampai 30%, pada quadrant dan conical edge, pengaruhnya hanya berkisar antata 1 – 2%, sehingga orifice ini lebih cocok untuk cairan kental (Reynolds number rendah).

c.    Eccentric orifice dan segmental orifice: untuk aliran cairan yang membawa gembung-gelembung gas, lubang orifice dibuat pada bagian atas plat, sedang untuk aliran gas yang membawa tetes-tetes cairan, lubang orifice dibuat pada bagian bawah plat. Lubang juga dapat

Gambar 1. Quadrant edge dan conical edge orifice, concentric

dibuat berbentuk segmen lingkaran. Orifice jenis ini lebih jarang digunakan, dan datanya juga sulit dicari.

Gambar 2. Eccentric orifice

Gambar 3. Segmental ofrifice

2.1.1.2  Posisi Penyadapan Tekanan  (Pressure Tapping)

            Terdapat beberapa metode peletakan titik penyadapan tekanan, yaitu:

 (a) flange tap, jarak dari orifice plate ke titik tengah pipa, baik ke arah upstream maupun downstream sebesar 1”, (USA)

 (b) corner tap,posisi pipa pressure tap menyudut terhadap pipa alir  (Eropa)

(c) radius tap atau D dan D/2, (Eropa)

(d)  pipe tap ( 2 ½ D dan 8 D).

Gambar 4. Beberapa metode pressure tapping

2.1.2    Venturi Tube

Inlet yang mengerucut dan outlet yang  mengembang (Gambar ) dapat menghasilkan penurunan tekanan yang cukup substansial. Karena tidak terjadi penumpukan kotoran saat fluida mengalir melalui venturi tube, maka alat ini dapat digunakan untuk aliran yang kotor. Mula-mula dirancang untuk pipa 16” atau lebih, tetap dengan ditemukannya model yang lebih baru  (universal venturi tube), alat ini dapat juga digunakan untuk pipa yang lebih kecil. Cocok untuk aliran dengan Reynolds number lebih dari 100,000. Jika Reynolds number kurang dari 100,000, maka akurasi alat ini menurun.

Gambar 5. Classical venturi tube

2.1.3    Flow Nozzle

Mempunyai inlet berbentuk eliptikal (ASME) atau radius (ISA). Biasanya digunakan untuk aliran uap berkecepatan tinggi (>100 ft/detik). Karena lebih kaku daripada orifice, maka pada ukuran pipa yang besar, flow nozzle lebih stabil pada temperatur dan kecepatan yang  tinggi.

Gambar 6. Universal century tube (kiri) dan flow nozzle (kanan)

2.1.4    Pitot Tube

Digunakan pada pengukuran aliran di dalam pipa berukuran besar, jika fluida yang mengalir adalah cairan yang bersih atau gas/uap. Kecepatan aliran sebanding dengan akar differential pressure (selisih antara tekanan stagnan dan tekanan statik), dimana kecepatan aliran yang diukur adalah kecepatan aliran pada kedalaman pemasangan pitot tube di dalam pipa. Sebab itu, kedalaman pitot tube harus ditentukan seca ra matematis pada titik kecepatan rata-rata aliran.

Gambar 7. Pitot tube

3.            Annubar

Annubar adalah semacam pitot tube dengan lubang lubang lebih dari satu yang dipasang melintang diameter pipa. Lubang-lubang penyadapan tekanan ditentukan secara matematis berdasarkan profil aliran laminer dalam pipa, sehingga dapat menghasilkan rata-rata differential pressure antara tekanan stagnan dengan tekanan statik.

Gambar 8. Annubar

2.2. ELEMEN SEKUNDER

            Elemen sekunder berupa alat pengukur dan perekam tekanan statik, tekanan diferensial dan temperatur jika perekaman dilakukan langsung di SP, atau transmitter tekanan statik, tekanan diferensial dan temperatur jika perekaman dilakukan di control room yang jauh  (untuk remote area field).

Sensor tekanan statik berupa bourdon tube (dapat berbentuk “C” tube, spiral maupun helical). Alat ukur tekanan diferensial dapat berupa dry-type differential pressure measuring device (berupa bellows) dan wet-type diffrential pressure measuring device (berupa manometer air raksa). Sensor temperatur biasanya berupa bimetal thermometer.

Gambar 9. Berbagai jenis alat perekam differential pressure

Perekaman tekanan dan temperatur dilakukan di atas chart kertas berbentuk bulat dengan lingkaran-lingkaran konsentrik untuk skala pembacaan. Ada tiga macam pembagian skala, yaitu: uniform, square root, dan kombinasi, Agar tidak terjadi kekeliruan pembacaan, ditentukan standar warna untuk masing-masing rekaman, yaitu biru untuk tekanan statik, merah untuk tekanan diferensial dan hijau untuk temperatur. Ke arah keliling, chart dibagi dengan 24 garis lengkung memotong lingkaran untuk menunjukkan pembagian waktu

Recorder dihubungkan ke pressure tap pipes dengan menggunakan stainless streel pipe ½” (untuk meter run 4” atau lebih besar), 3/8” untuk meter run 3”) dan ¼” untuk meter run 2” atau lebih kecil), yang dilengkapi dengan shut-off valves, bypass valves, bleeder valve, settling chambers dan blow down valves.

Gambar 10. Hubungan flow recorder dengan pressure tap pipes

2.3       ORIFICE FITTING

2.3.1 Jenis-jenis Orifice Fitting

Pressure tapping yang paling banyak digunakan adalah flange tap, karena kompak, dan pada laju alir yang sama flange tap menghasilkan pembacaan differential presure yang paling tinggi di anatara metode pressure tapping yang lain, sehingga pembacaan dapat lebih teliti.  Di samping itu, terdapat beberapa pilihan orifice fitting, dengan kelebihan/kekurangan masing-masing, sbb:

a.    Flange fitting, sederhana dan biayanya paling murah

b.    Daniel Junior Orifice Fitting, untuk pipa 8” atau lebih besar

c.    Daniel Senior Orifice Fitting, penggantian orifice plate dapat dilakukan tanpa mengganggu aliran

d.    Daniel Simplex Orifice Fitting, harga hampir sama dengan flange fitting, penggantian orifice plate mudah

Gambar 11. Daniel Junior Orifice Fitting

Gambar 12. Daniel Senior Orifice Fitting

 

Gambar 13. Penampang Daniel Senior Orifice Fitting

2.3.2  Prosedur   pengambilan dan pemasangan orifice plate dan chart

Gambar 14. Operating instruction melepas dan memasang orifice plate

2.3..2.1 Mengambil orifice plate lama

1.    Buka equalizer valve no. 1 (maksimum 2 putaran) agar tekanan di dalam lower chamber dan upper chamber menjadi sama

2.    Buka slide valve no. 5 agar plate carrier (pembawa orifice plate) dapat dinaikkan dengan memutar carrier shaft

3.    Putar carrier shaft no. 6 sampai plate carrier menyangkut ke gear atas

4.    Putar carrier shaft no. 7 sampai plate carrier menumbuk sealing bar no.9

5.    Tutup slide valve no. 5 untuk menahan plate carrier

6.    Tutup equalizer valve no. 1

7.    Buka bleeder valve no. 10B untuk membuang gas dari upper chamber

8.    Berikan lubrikasi melalui grease gun no. 23

9.    Longgarkan baut-baut (pressing nuts) no. 11, plat dudukan baut ( no. 12) jangan dilepas

10. Putar no. 7 untuk membebaskan sealing bar dan gasket (no. 9 dan 9A)

11. Lepas no. 12, 9 dan 9A

12. Putar no.7 sampai plate carrier keluar ke atas

13. Lepas orifice plate dari dudukannya (plate carrier)

2.3.2.2   Memasang orifice plate baru

1.    Pasang orifice plate baru ke plate carrier

2.    Tutup bleeder valve no. 10B

3.    Putar no. 7 pelan-pelan sampai plate carrier melewati level dari sealing bar dan gasket. Jangan menurunkan plate carrier sampai duduk pada slide valve

4.    Pasangkan kembali no. 9, 9A dan 12

5.    Eratkan baut-baut no. 11

6.    Buka equalizer valve no. 1

7.    Buka slide valve no. 5

8.    Putar carrier shaft no. 7 agar plate carrier turun, sampai plate carrier menyangkut ke gear bawah

9.    Putar carrier shaft no. 6 sampai plate carrier duduk

10. Tutup sllide valve no. 5

11. Tutup equalizer valve no. 1

12. Buka bleeder valve no. 10B

13. Berikan lubrikasi melalui no. 23

14. Tutup no. 10B

2.3.2.3      Prosedur pengambilan chart lama pemasangan chart baru

1. Buka bypass valve

2. Tutup kedua block valve secara bersamaan

3. Buka vent valve sampai tekanan nol

4. Buka cover

5. Angkat pen lift dan ambil chart yang lama

6. Putar jam sampai penuh

7. Cek pena/tinta

8. Stel pena static dan differential pressure tepat pada garis nol

9. Tutup cover

10. Tutup vent valve

11. Tutup bypass valve

12. Buka kedua block valve secara bersamaan

2.3.3.   METER RUN

Meter run adalah instalasi perpipaan tempat penyadapan tekanan (pressure tapping). Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang akurat, maka diharapkan tidak ada pusaran arus di dalam aliran. Kelengkapan perpipaan yang dapat menyebabkan terjadinya pusaran adalah elbow dan pressure regulator atau valve yang tidak terbuka penuh. Apabila ruangan memungkinkan, maka oleh American Gas Association (AGA) telah diatur panjang minimum pipa lurus antara elbow/regulator/valve ke orifice, baik ke arah upstream maupun downstream. Jika ruangan terlalu sempit, maka dapat digunakan straightening vanes untuk memperpendek jarak tersebut.

Sebagai contoh, dari gambar 15, jika perbandingan antara orifice dan pipa (β) = 0.5, maka untuk pipa 4” diameter orifice 2”, panjang A = 25 x 4 = 100” dan B = 4 x 4” = 16”. Jika memakai straightening vanes, maka A’ = 10 x 4 = 40”, C = C’ = 5 x 4” = 20”, sedangkan B tetap, yaitu 16”

Gambar 15. Panjang minimum pipa lurus pada meter run

2.4  PERHITUNGAN LAJU ALIRAN GAS

2.4.1 Cara pembacaan chart

-          Di lapangan umumnya secara manual (period method), yaitu membaca harga differential pressure, static pressure dan temperature rata-rata dalam periode waktu 24 jam

-          Pembacaan chart lebih akurat dengan menggunakan planimeter yaitu dengan cara memutar chart pada tempat yang tersedia, sambil memutar, jarum penunjuk diletakkan mengikuti arah atau harga yang tercatat pada chart itu sendiri. Harga terakhir dapat dilihat pada indikatornya.

Gambar 16.  Planimeter

2.4.2 Rumus untuk menghitung laju alir gas

Rumus untuk menghitung laju aliran gas telah disusun oleh AGA (American Gas Association) sebagai berikut:

di mana :

Q = laju alir gas pada kondisi standar (14.73 psia dan 60^oF), scf/jam

C’ = konstanta aliran

H_w = tekanan diferensial; inch H₂O

P_f = tekanan alir, psia

            Konstanta aliran (C’) terdiri dari beberapa faktor sebagai berikut:

C’ = (F_b) (F_r) (Y) (F_pb ) (F_tb) (F_tf) (F_g) (F_pv) (F_m) (F_l) (F_a)

di mana:

F_b = faktor dasar orifice (orifice base factor), lihat Tabel 1

F_r = faktor bilangan Reynolds (Reynolds number factor) è Lihat tabel 2 untuk mendapatkan harga b (fungsi dari Æ pipa, Æ orifice dan lokasi taps)

Rumus: Fr = 1 + b/(Hw x Pf) ^0,5

Y  = faktor ekspansi (expansion factor), lihat Tabel 3

F_pb = faktor dasar tekanan (pressure base factor)

          Rumus : F_pb =  14,73 /tek. std. yang digunakan (jika kontrak penjualan menunjuk dasar tekanan selain 14.73. Jadi, jika dasr tekanan yang digunakan adalah 1 atm (14.73 psia, maka F_pb = 1)

F_tb = faktor dasar temperatur (temperature base factor),

Rumus : f_tb =  (^oF + 460 )/520. Jadi, jika kontrak penjualan menunjuk temperatur dasar adalah 60^oF, maka F_tb = 1.

F_tf = faktor  temperatur alir (flowing temperature factor)

Rumus : f_tf = {(520 / 460 + actual flow temp)}^0,5

F_g = faktor specific gravity

            Rumus : f_g = (1/g_g)^0,5 , di mana g_g = s.g. gas

F_pv = faktor supercompressibility, Tabel 4, 5 dan 6

F_m = faktor manometer, hanya diperhitungkan jika alat ukur tekanan differential menggunakan manometer air raksa, apabila terdapat perbedaan head antara kedua kaki manometer air raksa, jika tidak menggunakan manometer air raksa, maka F_m dianggap = 1.

F_l = faktor lokasi pengukuran, efek dari perubahan gravitasi dari tempat satu ke tampat satunya elative sangat kecil maka dalam perhitungan Fl ini dapat diabaikan (dianggap = 1)

F_a = faktor ekspansi thermal orifice plate

 Rumus :

            F_a = 1 + [0,0000185 (^oF – 68)] bahan stainless

             F_a = 1 + [0,0000159 (^oF – 68)] bahan monel

Tabel 1. Orifice base factor (F_b), flange taps

Tabel 2. Harga b untuk perhitungan harga F_r, flange taps

Tabel 3. Expansion factor (Y), flange taps, tekanan statik diambil dari downstream

Tabel 4. Pressure adjustment untuk perhitungan faktor supercompressibility

Tabel 5. Temperature adjustment untuk perhitungan faktor supercompressibility

Tabel 6. Faktor supercompressibility

Contoh penentuan harga faktor-faktor perhitungan:

1.    Menggunakan tabel: pipa meter run 4”, dengan ID 4.026”, diameter orifice 2”, berapa harga F_b. Karena pipa  4” dengan ID 4.026”,  maka digunakan Tabel 1 bagian bawah. Pada kolom Orifice Diamater, pilih 2.000, serdangkan pada Kolom Internal Diameter of Pipe pilih 4.026. Hasil pembacaan: F_b = 842.12

2.    Menggunakan perhitungan: Flowing temperature = 86^oF.

F_tf = = 0.9759

3.    Menggunakan tabel dan perhitungan: ID pipa dan diameter orifice sama dengan no. 1, H_w = 150 in. WC, Pf = 300 psi,  berapa F_r..

Untuk ID pipa 4.026” dan diameter orifice 2”, dari Tabel 2 diperoleh b = 0.0395. Maka F_r1.00001

..