## Journal Of Electrical Power, Instrumentation and Control (EPIC) Teknik Elektro – Universitas Pamulang

## PEMODELAN DAN SIMULASI  STEAM-DRUM BOILER SEDERHANA  MENGGUNAKAN MATLAB-SIMULINK

## Yoyok Dwi Setyo P
1,3 Prodi Teknik Elektro FT UNPAM Jln. Puspiptek Raya No 11 Buaran, Tangerang Selatan 15310  INDONESIA
dosen0789@unpam.ac.id

## ABSTRAK
. Boiler atau uap generator secara luas digunakan konversi energi peralatan di industri untuk menghasilkan  uap  untuk  pembangkit  listrik  atau    tujuan  tertentu.  Dewasa  ini,  terdapat peningkatan  permintaan  untuk  mengoperasikan  boiler  pembangkit  uap  dengan  cara  yang lebih  fleksibel  dan  lincah  karena  industri  ringan  dan  energi  terbarukan.  Model  matematika yang mewakili perilaku dinamis dari boiler pembangkit listrik di seluruh skenario operasional berbagai-macam  seperti  start-up  dan  perubahan  beban  diperlukan  untuk  pengoperasian tersebut. Namun, model boiler biasanya menggunakan program yang besar, mahal dan tidak cocok untuk studi tentang sistem kontrol dalam penelitian selanjutnya. Makalah ini menyajikan ketel uap Model drum yang sederhana 1-dimensi menggunakan Matlab-Simulink. Model itu runing  adalah  dua  kondisi    untuk  input  mengalir  1200  kg/menit  dan  900  kg/menit  mewakili dinamika sistem boiler steam drum untuk tingkat. Hasilnya mengkonfirmasi bahwa model ini dapat mensimulasikan dinamika sistem boiler steam drum sederhana.
Kata kunci : Steam drum, Pembangkit uap, Pemodelan, Matlab-Simulink

## ABSTRACT
Modelling  and  Simulation  of  a  simple  steam-drum  boiler  using  Matlab-Simulink.  The boiler or steam generator is a widely-used energy conversion equipment across the industry to generate steam for power generation or utility purposes. Recently, there is an increasing demand to operate the thermal power plant boilers in more flexible and agile manner due to light industry and renewable energy. Mathematical models representing dynamic behavior of the power plant boilers across wide-range operational scenarios like start-up and load changes are necessary for such operability. However, boiler models usually uses big program, costly and not suitable for study on control system in the next research. This paper presents a 1- dimensional  simple boiler steam drum model using Matlab-Simulink. The model was runing is two condition i.e for input flow 1200 kg/min and 900 kg/min represent dynamics of steam- drum boiler system for the level. The result confirm that the model could simulate the dynamic of a simple steam-drum boiler system..
Keywords: steam drum, boiler, Modelling, Matlab-Simulink

## Journal Of Electrical Power, Instrumentation and Control (EPIC) Teknik Elektro – Universitas Pamulang

## PENDAHULUAN
embangkit uap atau boiler adalah satu komponen penting dalam PLTU, dimana  berperan  merubah  panas  dari sumber  energi  menjadi  ke  fluida  pendingin primer ke pendingin sekunder yang menghasilkan  uap  untuk  menggerakkan turbin, kualitas uap yang dihasilkan berpengaruh  terhadap  keluaran  daya  listrik PLTU.  Salah  satu  komponen  pada  boiler adalah Steam Drum yang berfungsi menampung  air  umpan  sistem  dalam pembuatan  uap  yang  temperaturnya  cukup tinggi dan memisahkan fluida antara fase gas dan fase cair.
Pembangkit  uap  merupakan  adalah  proses yang  kompleks  dan    rumit  dan  berperilaku nonlinier  [1].  Model  matematika  lengkap biasanya menggabungkan beberapa aspek. Untuk  pemodelan  boiler  untuk  skala  besar biasa  dilakukan  dengan  menggunakan software besar dan berbasar seperti RELAP [2], TRAC [3] dan Reyes [4] walau demikian software ini mahal dan rumit.
Sedangkan model sederhana lebih cocok untuk  digunakan  dalam  pemodelan  sistem dan  untuk  dikembangkan  dalam  penelitan bidang kendali pada suatu universitas.
Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan model sistem Steam Drum pada  system  boiler  sederhana  yang  akan digunakan  pada  penelitian  lanjutan  sebagai pengembangan  algoritma  kendali  pada model  sistem.  Makalah  ini  tersusun  dalam lima bagian. Bagian dua  menjelaskan sistem Steam  Drum  dalam  boiler.  Bagian  tiga menjelaskan  pemodelan.  Bagian  empat mendiskusikan hasil dan analisa, sedangkan bagian lima adalah kesimpulan .

## TEORI
Boiler  adalah  bejana  tertutup  yang menyediakan sarana untuk mengkonversi air menjadi  uap.  Uap  di  bawah  tekanan kemudian  digunakan  untuk  mentransfer panas untuk selanjutnya menajadi uap. Boiler atau pembangkit uap uap adalah suatu system  atau  peralatan  yang  mengubah
energi seperti energi kimia dari bahan bakar seperti  batubara,  minyak,  gas  atau  energi nuklir menjadi energi panas dan menggunakan untuk memanaskan air menjadi  uap  air.  Uap  air  yang  dihasilkan kemudian  digunakan  untuk  memanaskan bahan atau melakukan kerja mekanik melalui sebuah mesin  berputar  seperti  turbin.  Pada pembangkit lisrik maka turbin akan menggerakan generator penghasil arus listri. Secara  umum,  boiler  ap  memiliki  dua subsistem utama. Subsistem pertama adalah  tungku  boiler  dimana  bahan  bakar dan  udara  dicampur  dan  dibakar  untuk menghasilkan gas panas buang. Sedangkan subsistem  kedua  adalah  subsistem  transfer panas yang biasanya terdiri steam drum . Steam  Drum adalah  suatu  alat  pada  boiler yang berfungsi menampung air dari feedwater  sistem dalam  pembuatan  uap yang  temperaturnya  cukup  tinggi  dan memisahkan fluida antara fase gas dan fase cair.  Keberadaannya  dalam  sebuah  sistem boiler ,  memegang  peranan  yang  sangat penting.
Skema  Steam  Drum  untuk  produksi  uap ditunjukkan  pada  Gambar  1.  dimana diperlihatkan  produksi  uap  menggunakan unit  drum-boiler.  Air  umpan  disalurkan  oleh pompa feedwater ke  dalam  steam  drum. Karena  gravitasi,  air  mengalir  turun  melalui downcomer-riser lingkaran tertutup menghasilkan  uap  jenuh,  yang  mengalir  di sepanjang tabung riser sebelum dikumpulkan  dan  dimasukkan  kembali  ke dalam  drum,  uap  jenuh  mengalir  melalui permukaan  air  sampai  keluar  setelah mencapai outlet Steam Drum untuk selanjutnya disalurkan ke turbin uap.
Gambar 1. Model Steam Drum pada boiler
P

## Journal Of Electrical Power, Instrumentation and Control (EPIC) Teknik Elektro – Universitas Pamulang
Variabel  yang dianalisa dalam Steam Drum boiler adalah  ketinggian  air  dan  temperatur uap. Pengukuran ketinggian air dan temperatur uap pada Steam Drum adalah hal yang  sangat  penting  untuk safety dan efisiensi operasional  dari boiler .  Dapat dikatakan  bahwa Steam  Drum adalah jantung  daris  ebuah boiler .  [5]  Oleh karenanya dalam merancang dan
menganalisa  sistem  kendali  pada  bolier diperlukan  suatu  model  Steam  Drum  yang sederhana ringkas namun mampu digunakan sebagai model sistem yang akan di uji.
Ketinggian  air  normal  adalah  di  bawah garis  tengah  drum  uap  dan  keberadaanya untuk  menjadi  uap  adalah  dalam  waktunya antara 5 dan 20 detik.

## METODOLOGI

## 1.  SIMULASI  SISTEM  DINAMIK  MODEL STEAM DRUM
Steam Drum adalah sistem proses atau plant yang  bersifat  non-linear  dan  kompleks karena  banyaknya  interaksi  dari  variabel variable  input  dan  output  sistem.  Oleh karenanya untuk menurunkan model matematika,  struktur  internal  dan  fungsi subsistem dari boiler harus dipelajari. Model matematika  dari  boiler  ini  diturunkan  dari kesetimbangan massa  dan energi[6].
out in F F dt dh A   (1)
Dengan memenuhi kaidah gerak jatuh bebas maka  debit  fluida  yang  keluar  dari  Steam Drum  akan  setara  akar  dari  dengan ketinggian  fluida  dalam Steam  Drum dan dikalikan  dengan  faktor  bukan  kran/valve out.
h kw F out  (2)
Kesetimbangan  energi  dapat  dituliskan sebagai berikut:
Cp Q T T F dt dT
Ah in in     ) ( (3)
Dengan
K) /kg (J air panas kapasitas (kg/m3) air jenis massa (K) uap temperatur (K) masuk yang air temperatur (kg/menit) panas uap flow Q t) (m3/2/meni valve control koefisien w (m) air flow valve control k (kg/menit) keluar yang air flow (kg/menit) masuk yang air flow . (m) air ketinggian h ) (m boiler drum steam luas 2            Cp T T F F A in out in 
Untuk  membangun  model  boiler  maka persamaan matematika sistem Steam Drum boiler  kemudian  di  aplikasikan  dengan menggunakan paket program Matlab- simulink.  Simulink  adalah  paket  program yang  sering  digunakan  untuk  pemodelan, dan  menganalisa  sistem  dinamik.  Program ini  mendukung  sistem  linier  dan  non  linier dengan  pemodelan  berbasis  waktu.  Untuk melakukan ini sejumlah komponen model di pasang  bersamaan  untuk  mensimulasi kelakuan  boiler  yang  lengkap.  Sistem  yang dibangun  adalah  sistem multi  input  multi output (MIMO) dengan 2 masukan yaitu flow input (Fin) dan Kalor (Q) dan keluaran adalah level air (h)  dan Suhu (T).
Variabel  yang dianalisa dalam Steam Drum boiler adalah  ketinggian  air  dan  temperatur uap. Pengukuran ketinggian air dan temperatur uap pada Steam Drum adalah hal yang  sangat  penting  untuk safety dan efisiensi operasional  dari boiler .  Dapat dikatakan  bahwa Steam  Drum adalah jantung  daris  ebuah boiler .  [5]  Oleh karenanya dalam merancang dan menganalisa  sistem  kendali  pada  bolier diperlukan  suatu  model  Steam  Drum  yang sederhana ringkas namun mampu digunakan sebagai model sistem yang akan di uji.
.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Journal Of Electrical Power, Instrumentation and Control (EPIC) Teknik Elektro – Universitas Pamulang
Boiler  sistem  kontrol  level  air  Drum dimodelkan dalam makalah ini, dan disimulasikan dengan menggunakan
program MATLAB-SIMULINK. Simulasi dilakukan  dengan  nilai  nominal  pembangkit listrik tenaga termal 210MW.
Untuk  mendapatkan  respon  Steam  Drum terhadap  input  fungsi  undak  kalang  terbuka maka dibuat program simulasi model Steam Drum dengan menggunakan simulink seperti ditunjukkan pada Gambar 2
Gambar 2. Model Steam Drum dengan 2 input dan 2 output .
Parameter  dari  sistem  Steam  Drumboiler diantaranya  yaitu  flow  air  yang  masuk Fin=390,5  kg/jam,  temperatur  air  yang masuk  Tin=673  K,  kapasitas  panas  pada steam  drum  boiler  Cp=80,12  J/kg  K.  Pada saat  awal  diasumsikan  Steam  Drum  boiler dalam  keadaan  belum  terisi.  Tetapi  untuk menghindari  terjadinya  kalkulasi divide  by error pada  model  Matlab-Simulink  maka untuk nilai h awal di set 0.0001 m. Pengujian model  steam  drum  dilakukan  untuk  dua kondisi seperti diteangkan berikut ini.
4.1 Uji sistem untuk kondisi 1. Model boiler yang dibangun dengan menggunakan  Matlab-Simulink  kemudian  di jalankan,  untuk  uji  respon  level  air    dengan masukan  berupa  fungsi  undak  Fin  sebesar 1200  kg/menit  pada  menit  ke  10  dan  Q sebesar  200  KJ/menit  Maka  respon  model output boiler kenaikan menunjukkan level air dalam steam drum   naik  dari  0  m ke  1.7  m dan mencapai kondisi stedy sate pada menit 30. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3.a.
(a).

## (b).
Gambar 3. Output model pada pengujian 1 untuk (a). Level air (b). Suhu Uap
Sedangkan  suhu  uap  steam  merupakan hasil  output  dari  masukan  temperatur  air yang masuk Tin=673, dan setelah mendapatkan  kalor  dari  sebesar  Q  heater gas maka suhu uap akan dapat dihitung.
Uji sistem untuk kondisi 2.
Untuk uji kondisi 2 maka model Steam Drum Matlab-Simulink kemudian di jalankan dengan memberi masukan Fin sebesar  900 kg/menit  pada  menit  ke  10  dan  Q  sebesar 150  KJ/menit.  Maka  respon  model  output boiler kenaikan menunjukkan level air dalam steam  drum    naik  dari  0  m  ke  0.8  m  dan mencapai kondisi stedy sate pada menit 21. Seperti ditunjukkan pada Gambar a.
(a).
Sedangkan  respon  suhu  ditunjukkan  naik menuju 400 K pada menit ke 13.

## Journal Of Electrical Power, Instrumentation and Control (EPIC) Teknik Elektro – Universitas Pamulang
(b).

## Gambar 4. Output model pada pengujian 2
untuk (a). Level air (b). Suhu Uap

## KESIMPULAN
Telah dikembangkan model Steam Drum menggunakan Matlab-Simulink. Model steam  drum sederhana  diturunkan  dari persamaan neraca massa dan energi.  Hasil pengujian  simulasi  menunjukkan  bahwa menunjukkan  bahwa  model  dengan  matlab Simulink  dapat  memberikan  respon  yang baik  sehingga  dapat  digunakan  pada penerapan algoritma kendali untuk penelitian berikutnya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] E.  Adam  and  J.  Marchetti,  "Dynamic simulation  of  large  boilers  with  natural recirculation," Computers  &  chemical engineering, vol.  23,  pp.  1031-1040, 1999.
[2] I.  N.  Laboratory.  (216,  RELAP  5-3D- Introduction.
http://www4vip.inl.gov/relap5/relap5-
3.htm
[3] U.S.NRC,  "TRAC-M  Version  3.0  Theory Manual" https://www.nrc.gov/reading- rm/doc-collections/nuregs/contract/
December 2015].
[4] J.  N.  Reyes  Jr,  "Governing  equations  in two-phase fluid natural circulation flows," Natural  Circulation  in  Water  Cooled Nuclear  Power  Plants,  Annex, vol.  6, 2005.
[5] K. J. Åström and K. Eklund, "A simplified non-linear model of a drum boiler-turbine unit," International Journal of Control, vol. 16, pp. 145-169, 1972.
[6] A.  Kouadri,  A.  Namoun,  and  M.  Zelmat,
"Modelling the nonlinear dynamic
behaviour of a boiler ‐ turbine system using
a  radial  basis  function  neural  network," International  Journal  of  Robust  and Nonlinear Control, vol. 24, pp. 1873-1886, 2014.