ORIFICE FLOWMETER

flowmeter da[at digunakan untuk mengetahui material balance suatu proses, sehingga dapat menghitung losses atau gain yang timbul. Alat ukur yang paling penting adalah alat ukur aliran (flowmeter), karena menyangkut perhitungan laba rugi perusahaan, pajak dan royalty.  Orifice meter adalah salah satu alat ukur standar untuk pengukuran aliran liquid dan gas, karena biayanya tidak mahal, dan dapat melayani kapasitas aliran yang kecil ataupun besar dengan ketelitian yang cukup tinggi.

Pengukuran yang teliti diperlukan, karena sebagai dasar pembayaran dari banyaknya volume penjualan gas. Banyaknya aliran gas dari suatu sumur gas dapat juga sebagai basis prediksi engineering tentang kapasitas sumur gas tersebut. Gas berbeda dengan liquid, karena tidak dapat ditampung untuk kemudian diukur, tetapi harus diukur secara langsung saat mengalir keluar dari sumur gas. Alat ukur lain untuk mengukur aliran gas adalah pitot tube, venture meter, rotameter dan mass flowmeter.

Untuk menghitung serta kalkulasi aliran (flow rate) meter gas orifis, pada umumnya ada tiga parameter yang diukur yaitu : differential pressure, static pressure,dan temperatur. Pabrik pembuat menyatakan ketelitiannya antara 0,25 sampai 0,50 % Ketelitian praktis biasanya antara 1 sampai 2 % volume . Alat pengukur differential pressure, static pressure, dan temperatur yang dibutuhkan untuk menghitung pada pengukuran kecepatan aliran, dapat diperoleh dengan memasang suatu peralatan, tergantung dari kepentingan operasinya, antara lain bisa digunakan salah satu sistem dan peralatan instrumentasinya, diantaranya :

*  Sistem Lokal

          Pada pengukuran flow rate aliran gas, untuk system lokal atau sistem setempat, dibutuhkan sebuah instrument differential pressure, static pressure dan temperatur, yang menyatu disebut dengan  recorder ITT chart barton, seperti pada gambar dibawah ini;

Gambar 1.1  Sistim Pengukuran Gas secara Lokal

*  Sistem Pemantauan Jarak Jauh (remote).

Pada tingkatan jarak jauh (remote sistem) perbedaan tekanan tekanan, static pressure dan temperature diubah menjadi besaran signal standar electronic yaitu 4 s/d 20 mA, dan dikirim melalui transmisi line ke alat penerima (receiving instrument) yang berada ruang kontrol room, alat penerima ini biasanya berupa penghitung (meter), indikasi (indicator), pencatat (recorder), pengendali (control), pembantu (monitor), atau penghitung gas secara komputer.

Gambar  1.2     Sistim  Pengukuran  Gas  secara Jarak  Jauh (remote)

1.4     Elemen Primer Untuk Diferensial Meter

                     

1.4.1 ORIFICE

Elemen primer untuk diferensial meter atau head meter, dimana meter ini yang paling banyak tersedia. Yang paling umum dipakai adalah orifice

<![if !vml]><![endif]>
.                      Gambar 1.3    Eccentric & Segmental Orifice

Tipe Orifice

<![if !supportLists]>1.    <![endif]>Concentric Orifice

Keuntungan :

<![if !supportLists]>1.    <![endif]>Harga murah.

<![if !supportLists]>2.    <![endif]>Tersedia dengan berbagai macam material.

<![if !supportLists]>3.    <![endif]>Dapat digunakan untuk range yang luas berbagai ukuran pipa.

<![if !supportLists]>4.    <![endif]>Data aplikasi melimpah ; karakteristiknya banyak dikenal.

Kerugian :

<![if !supportLists]>1.    <![endif]>Pressure loss tetap relatip tinggi.

<![if !supportLists]>2.    <![endif]>Cenderung tersumbat, sehingga memperkecil pemakaian dengan sluri.

2.   Eccentric Orifice

Keuntungannya adalah sama dengan concentric kecuali bahwa letak lubang kecilnya berbeda dengan tujuan untuk mengukur fluida yang mengandung zat-zat padat, untuk air yang mengandung minyak dan uap basah.

Kerugiannya sama seperti concentric hanya ada tambahan, bahwa kemungkinan error dapat lebih tinggi dan data operasi terbatas.

3. Segmental Orifice

Keuntungan dan kerugiannya sama dengan eccentric, karena mempunyai fungsi yang sama dengan eccentric.

1.4.2    Venturi Tube

Keuntungan :

<![if !supportLists]>1.    <![endif]>Pressure loss tetap rendah.

<![if !supportLists]>2.    <![endif]>Dapat menangani suspended solid.

<![if !supportLists]>3.    <![endif]>Digunakan untuk flow rate tinggi.

<![if !supportLists]>4.    <![endif]>Karakteristiknya dikenal dengan baik.

<![if !supportLists]>5.    <![endif]>Akurasinya lebih baik dibanding orifice atau nozzle.

Kerugian :

<![if !supportLists]>1.    <![endif]>Harga mahal.

<![if !supportLists]>2.    <![endif]>Tidak ada untuk ukuran 6 inch ke bawah.

<![if !vml]> <![endif]>
Gambar 1.4  Venturi Tube dan Flow Nozzle

1.4.3     Flow  Nozzle

Keuntungan :

<![if !supportLists]>1.    <![endif]>Pressure loss tetap lebih rendah dibanding orifice plate.

<![if !supportLists]>2.    <![endif]>Baik untuk fluida yang mengandung zat padat.

<![if !supportLists]>3.    <![endif]>Tersedia untuk berbagai macam material.

Kerugian :

<![if !supportLists]>1.    <![endif]>Harga lebih mahal dibanding orifice plate.

<![if !supportLists]>2.    <![endif]>Terbatas untuk ukuran pipa moderat.

Gambar 1.5   Orifice Sizing untuk Cairan

<![if !vml]> <![endif]>

Gambar 1.6   Orifice Sizing untuk Uap

Bagian terpenting dari primary element untuk system pengukuran aliran gas dengan metode perbedaan tekanan adalah orifice plate.

Ada dua macam jenis pegangan orifice plate, lihar Gambar 1.3.:

1. Paddle Type
2. Universal Type

Paddle orifice plate mempunyai pegangan dan digunakan pada pemasangan dengan emnggunakan flange fitting. Universal orifice plate tidak mempunyai pegangan dan digunakan pada fitting  jenis simplexn junior dan senior. Orifice plate dibuat dari bahan cold rolled steel, stainless steel atau corrosive resistant metal yang lain. Orifice dibuat dengan sangat hati-hati presisi di pabrik berdasarkan standar spesifikasi AGA atau ASME, sehingga setiap orifice plate dengan internal dan ex ternal diameter yang sama akan mempunyai  koeffisien yang sama, pada kondisi yang sama. Tetapi dalam prakteknya tidak pernah ada dua orifice yang mempunyai internal dan external diameter yang sama pada kondisi yang sama menghasilkan output yang sama. Ukuran orifice plate harus dipilih sedemikian rupa sehingga range penunjukkan pena berada antara 40 – 80 % dari range kartu, dan perlu diingat untuk penggantian orifice harus mempertahankan β ratio yang sama. Orifice harus dijaga kebersihan dan kehalusan permukaannya, agar ketelitian tetap terjaga. Meter tube, pipa tempat pemasangan orifice beserta kelengkapannya, dibuat di pabrik dengan standar kehalusan dan kebundaran dari AGA Gas Measurement Committee Report #3 atau ANSA/API #2530, dengan menggunakan pipa seamless. Untuk mendapatkan ketelitian pengukuran aliran yang tinggi, β ratio sebaiknya antara 0,15 – 0,75 pada meter dengan flange pressure tap, dan 0,2 – 0,67 pada meter dengan pipe pressure tap. Beta ratio menentukan jarak minimum anatara orifice plate  dengan segala sesuatu yang dapat mengganggu aliran seperti valve, fitting pipa dan sebagainya.

1.5     Pressure  Taps

Pengambilan tekanan atau pressure taps adalah lubang yang terletak pada kedua sisi orifice yang berfungsi untuk mengambil tekanan static upstream dan downstream dan dapat terletak pada orifice fitting (flange pressure taps) atau pada meter tubenya (pipe pressure taps).

<![if !vml]> <![endif]>

Gambar 1.4  Flange, Pipe and Ratio Taps

Pressure taps yang paling sering dipakai adalah tipe flange taps, karena lebih praktis dan instrumennya juga lebih kompak, seperti terlihat pada Gambar 1.4.

1.5.1    Besar lubang pengambilan tekanan pada flange adalah:

• Pada pipe-line 4" atau lebih besar dipakai ½"
• Pada pipe-line 3" dipakai 3/8"
• Pada pipe line 2" dipakai ¼"

1.5.2  Untuk memperoleh ketelitian yang maksimal, letak pengambilan tekanan untuk:

• Aliran Gas, diambil dari puncak flange
• Aliran Liquid, diambil dari samping flange
• Aliran Steam, diambil dari puncak flange jika instrument berada di atas pipe-line, dan diambil dari samping flange bila instrumennya berada di bawah pipe-line.

1.5.3     Orifice Fitting

Orifice Fitting ada  empat macam, yaitu:

1. Flange Fitting, sederhana dan biayanya murah, lihat Gambar 1.5.
2. Yunior Fitting, untuk diameter 8" atau lebih besar, lihat Gambar 1.6.
3. Senior Fitting, penggantian orifice tidak mengganggu aliran, Lihat Gambar 1.7.
4. Simplex Fitting, penggantian orifice mudah dan biayanya hampir sama dengan flange fitting

Gambar 1.5  Flange  Orifice Fitting

<![if !vml]> <![endif]> 

Gambar 1.6  Yunior Orifice Fitting

Gambar 1.7  Senior  Orifice Fitting

1.6   Peralatan  Pendukung Pengukuran Aliran Gas

Ada beberapa peralatan pendukung pengukur aliran gas dalam sistem meter orifis, yaitu :

<![if !supportLists]>a.    <![endif]>Differential Pressure Transmitter (DPT);

<![if !supportLists]>b.    <![endif]>Presuure Transmitter (SPT);

<![if !supportLists]>c.    <![endif]>Temperatur Transmitter (TT); dan

<![if !supportLists]>d.    <![endif]>Flow Recorder.

Masing-masing peralatan tersebut di atas akan dijelaskan satu per satu dalam sub-sub bab di bawah ini.

Differential Pressure Transmitter

Peralatan ini digunakan untuk mengukur perbedaan tekanan yang terjadi pada bagian hulu dan hilir pelat orifis secara fisis dan dihubungkan dengan masing-masing sistem membrane selanjutnya dihubungkan dengan Amplifier Board dan kemudian diterjemahkan atau diubah keluarannya menjadi sinyal standar 4-20 mA DC. Terdapat ZERO dan SPAN untuk menadjust (menambah atau mengurangi) jika mengalami peubahan besaran angka yang dibandingkan dengan hasil besaran listrik yang dikeluarkan oleh Multimeter pada saat kalibrasi. Ada fasilitas mengubah range atau kemampuan dari transmitter akan lebih rendah atau lebih tinggi, namun tidak boleh lebih dari batasan (range) spesifikasi yang ditentukan oleh pabrik yang tertera pada peralatan tersebut.

Pressure Transmitter

Peralatan ini digunakan untuk mengukur tekanan alir gas dengan sistem membrane dan dihubungkan dengan Amplifier Board yang selanjutnya mengubah satuan tekanan menjadi sinyal output berupa sinyal standar 4-20 mA DC. Terdapat ZERO dan SPAN untuk menadjust (menambah atau mengurangi) jika mengalami  peubahan besaran angka yang dibandingkan  dengan hasil  besaran listrik yang dikeluarkan oleh Multimeter pada saat kalibrasi. Ada fasilitas mengubah range atau kemampuan dari transmitter akan lebih rendah atau lebih tinggi, namun tidak boleh lebih dari batasan (range) spesifikasi yang ditentukan oleh pabrik yang tertera pada peralatan tersebut.

Temperatur Transmitter

Peralatan ini hanya digunakan untuk mengukur temperatur gas secara fisis dengan sistem RTD probe dan dihubungkan dengan Amplifier Board selanjutnya diterjemahkan atau diubah keluarannya menjadi sinyal standar 4-20 mA DC. Terdapat ZERO dan SPAN untuk menadjust (menambah atau mengurangi) jika mengalami peubahan besaran angka yang dibandingkan dengan hasil besaran listrik yang dikeluarkan oleh Multimeter pada saat kalibrasi. Ada fasilitas mengubah range atau kemampuan dari transmitter akan lebih rendah atau lebih tinggi, namun tidak boleh lebih dari batasan (range) spesifikasi yang ditentukan oleh pabrik yang tertera pada peralatan tersebut.

Flow Recorder

Peralatan flow recorder bisa dikatakan dengan sistem pengukuran 3 pens dan merupakan alat ukur gas yang paling sederhana yang sering dijumpai di lapangan stasiun meter sebagai ITT BARTON tipe 220 A/E. Cara kerjanya dimana ada aliran gas yang mengalir di dalam pipa yang terdapat fasilitas orifis meter yang selanjutnya akan diukur beda tekanan, tekanan dan temperatur alir gas dan akan dicatat oleh ketiga pen tersebut yang terbentuk pada suatu grafik bundar (circle chart) secara terus menerus selama 24 jam.

Jenis grafik bundar ada 3 dilihat dari pembagian skala chart, yaitu :

<![if !supportLists]>1.    <![endif]>Uniform Chart, merupakan jenis chart yang pada persen penambahan yang sama memerlukan lebar span yang sama pula pada chart ( perbandingan tetap atau linier).

<![if !supportLists]>2.     <![endif]>Square Root Chart, merupakan jenis chart yang pada persen penambahan yang sama tidak membutuhkan lebar span yang sama pada chart (bersifat perbandingan akar atau root square).

3.    Uniform dan Square Root Chart, merupakan chart yang berbentuk gabungan dari bentuk uniform chart dan square root chart.

Guna mempermudah pembacaan dan membedakan antara beda tekanan (differential pressure) dan tekanan statis (static pressure), maka pada skala chart recorder dibedakan dengan warna pen, yaitu :

<![if !supportLists]>§  <![endif]>Warna merah menunjukkan Differential Pressure;

<![if !supportLists]>§  <![endif]>Warna biru menunjukkan Static Pressure;

<![if !supportLists]>§  <![endif]>Warna hijau menunjukkan Temperatur.

Kemudian hasil catatan pada grafik bundar ini dibaca dengan alat Planimeter sehingga nilai rata-rata dari beda tekanan, tekanan statis, dan temperatur alir dapat diperoleh dengan lebih akurat.

Variabel yang Diukur

      Untuk menghitung flowrate gas pada meter orifis, pada umumnya ada tiga parameter yaitu beda tekanan (differential pressure), Tekanan statis (static pressure) dan temperatur. Parameter-parameter tersebut diukur masing-masing oleh Differential Pressure Transmitter, Pressure Transmitter, dan Temperatur Transmitter secara terus menerus selama 24 jam yang kemudian sinyal pengukurannya dikirim ke peralatan DCS (Distributed Control System). Selain itu ketiga parameter tersebut juga diukur dan dicatat oleh Flow Recorder.

Persamaan Umum dan Perhitungan Laju Alir Gas Orifis Meter

Persamaan yang mendasari perhitungan laju alir (flowrate) gas pada umumnya menggunakan formula AGA (American Gas Assosiation) Report No. 3 ANSI/API 2530 – 1985, yaitu :

         <![if !vml]><![endif]>        <![if !vml]><![endif]>

di mana :    Q =  Laju aliran gas dalam kondisi dasar, cuft/jam (kondisi dasar untuk   temperatur = 60 ^oF dan untuk tekanan = 14,73 psia);

             C^I  =   Konstanta aliran orifis;         

                    h_w =   Beda tekanan antara bagian hulu dan hilir dari orifis, in H₂O;

                       P_f  =   Tekanan aliran gas (static pressure), psia.

               

Rumus di atas berdasar pada prinsip fisika, jika kehilangan atau berkurangnya tekanan pada fluida yang mengalir melalui suatu penghalang akan berbanding langsung dengan kuadrat kecepatan fluida tersebut. Dengan adanya pernyataan ini maka dengan memberikan suatu penghalang terhadap aliran fluida dan mengukur kehilangan tekanan fluida setelah melewati penghalang tersebut maka akan dapat dihitung jumlah volume aliran fluidanya.

Konstanta Aliran Orifis, C^I

Konstanta aliran orifis atau sering disingkat C^I adalah jumlah aliran fluida dalam ft³/jam pada suhu dan tekanan dasar dan ekstensi tekanan (h_w.P_f). Besarnya konstanta aliran orifis dinyatakan dengan persamaan berikut :

              C^I  = ( F_b )( F_r )( Y )( F_pb )( F_tb )( F_tf )( F_g )( F_pv )( F_m )( F₁ )( F_a )

Dimana :

                      F_b              =   Faktor orifis dasar

               F_r  =   Faktor bilangan Reynolds

               Y   =   Faktor ekspansi

               F_pb =   Faktor tekanan dasar

               F_tb =   Faktor suhu dasar

               F_tf  =   Faktor suhu saat gas mengalir

              F_g  =   Faktor spesifik gravity

               F_pv =   Faktor super kompressibilitas

               F_m =   Faktor manometer

               F₁  =   Faktor lokasi pengukuran

     Fa    =   Faktor ekspansi thermal orifis