instalasi esp (electric submersible pump) sistem … · esp (electric submersible pump) diperlukan...

Hari Sucipto dkk, Instalasi ESP, Hal 51-63

51

INSTALASI ESP (ELECTRIC SUBMERSIBLE

PUMP) SISTEM TANDEM PADA

SUMUR MINYAK DENGAN

VARIABLE SPEED DRIVE

Hari Sucipto1, Sigit Setya Wiwaha

2 , Imron Ridzki

3

1,2,3Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang

Abstrak

Ketika tekanan dari suatu sumur minyak tidak terlalu besar untuk

melakukan Semburan Alami (Natural Flow), maka Pengangkatan

Buatan (Artificial Lift) merupakan salah satu metode yang dapat

digunakan untuk menggantikannya. Pengangkatan buatan biasanya

dengan menggunakan ESP (Electric Submersible Pump). Pompa minyak

ESP di perminyakan dilengkapi dengan komponen VSD (Variable

Speed Drive) untuk mengatur kecepatan motor sebagai softstarter dan

pengatur rate minyak serta sebagai proteksi motor pompa. Untuk

konstruksi ESP dengan sistem tandem motor diinstalasi pada sumur

dengan karakteristik dan kedalaman tertentu yang berbeda dari ESP

motor tunggal. Namun pompa submersible ditandem dengan cara

menambah jumlah stages pompa sesuai kedalaman sumur dengan cara

dikopel, motor listrik submersible dapat dikopel secara mekanik maupun

secara elektrik pada satu poros antara upper motor dan center motor.

Kata-kata Kunci : Electric Submersible Pump (ESP), Variable Speed

Drive (VSD), Sistem Tandem

Abstract

When the pressure of an oil well is not too large to do Natural Flow,

Artificial Lift is one of the methods that can be used to replace it,

artificial lift usually using ESP (Electric Submersible Pump). ESP oil

pump in petroleum is equipped with VSD (Variable Speed Drive)

component to adjust motor speed as softstarter and oil rate regulator

and as pump motor protection. For ESP construction with a motor

tandem system installed on wells with different characteristics and

depths that are different from ESP single motors. However, submersible

pumps are augmented by increasing the number of pump stages

according to the depth of the well by coupling, submersible electric

Jurnal ELTEK, Vol 16 No 01, April 2018 ISSN 1693-4024

52

motors can be mechanically coupled and electrically on a spindle

between upper motor and center motor.

Keywords: Electric Submersible Pump (ESP), Variable Speed Drive

(VSD), Tandem System.

1. PENDAHULUAN

Produksi minyak dari suatu sumur dapat dilakukan dengan

dua cara, yaitu metode Semburan Alami (Natural Flow) dan

Pengangkatan Buatan (Artificial Lift). Pada metode semburan

alami, tekanan pada reservoir masih memiliki kemampuan untuk

mengalirkan fluida reservoir ke permukaan, oleh karena tekanan

reservoir yang tinggi. Pengangkatan buatan digunakan apabila

tekanan reservoir sudah tidak mampu lagi berproduksi secara

sembur alam. Salah satu metode pengangkatan buatan adalah

menggunakan ESP (Electric Submersible Pump), tetapi masih ada

cara lain yang dapat digunakan seperti gas lifting, sucker road

pumping, jet pump, dan progressive cavity pump [1], [5].

Untuk metode pengangkatan buatan dengan menggunakan

ESP (Electric Submersible Pump) diperlukan instalasi tenaga

listrik yang handal. Karena lokasi pertambangan yang cukup

ekstrem, dimana tingkat keamanan dari suhu yang tinggi serta gas

beracun yang bersifat eksplosif dan tekanan aliran sumur yang

juga tinggi yang juga dapat merusak komponen atau peralatan

produksi. Maka dari itu instalasi tenaga listrik dan proteksi motor

ESP pada pertambangan minyak berbeda dengan standar instalasi

motor pada umumnya yaitu menggunakan acuan standar

internasional IEC, IEEE/ANSI, NEC, dan NEMA [2].

Tujuan yang ingin dicapai dalam perencanaan ini adalah

sebagai berikut:

1. Untuk mengetahui instalasi ESP (Electric Submersible

Pump) Sistem Tandem sesuai dengan prinsip kerja sistem

yang inginkan.

2. Dapat menentukan komponen listrik meliputi VSD (Variable

Speed Drive), Step Up Transformer, Kabel Power ESP dan

Pengaman Pemutus Sirkit.

3. Untuk mengetahui operasi batas aman ESP (Electric

Submersible Pump).


53

4. Dapat menseting kecepatan dan pengaman motor ESP

menggunakan VSD.

Pompa minyak atau ESP di perminyakan dilengkapi dengan

komponen VSD (Variable Speed Drive) yang sebagaimana fungsi

VSD yaitu untuk mengatur kecepatan motor [3]. Komponen VSD

selain digunakan sebagai softstarter motor pompa, difungsikan

sebagai proteksi motor dan pengatur jumlah minyak agar

produksi rata-rata minyak yang ingin dicapai tetap optimal. Maka

dari itu harus diperlukan komponen yang handal sebagai

penunjang kinerja ESP dan juga melakukan perawatan alat agar

dapat bekerja optimal demi berlangsungnya proses produksi

meliputi penggunaan kabel listrik yang sudah sesuai standard

ANSI-IEEE Std 576-1998 dengan kemampuan 5 kV pada suhu

sumur lebih dari 200 oF [2], [7].

Pemilihan unit variable speed drive (VSD) berdasarkan pada

standar spesifikasi VSD dan fungsi perangkat listrik disesuaikan

dengan beban electric submersible pump (ESP) [6].

Hal lain yang penting diperhatikan adalah mengoperasikan

unit ESP (Electric Submersible Pump) dan VSD pada batas aman

dengan pertimbangan hasil kerja pada sumur Mudi B25 dapat

lebih di optimalkan lagi, penentuan nilai pengaman pemutus sirkit

yang digunakan harus berfungsi melindungi peralatan listrik agar

tidak bekerja melebihi arus maksimum oleh sebab itu pengaman

disetting dibawah arus pengaman maksimum yang disesuaikan

dengan batas setting proteksi motor pompa yaitu tidak kurang dari

setting minimum arus 80% dari standar dan tidak lebih dari

setting arus maksimum 115% dari standar NEMA MG-1 [2].

2. KAJIAN PUSTAKA

2.1 Electric Submersible Pump (ESP) Pada beberapa sumur minyak dapat terjadi semburan secara

alami karena kantung (reservoir) masih memiliki kemampuan

untuk mengalirkan fluida ke permukaan karena tekanan reservoir

yang tinggi. Pengangkatan buatan digunakan apabila tekanan

reservoir sudah tidak mampu lagi berproduksi secara semburan

alami. Salah satu metode pengangkatan buatan adalah

menggunakan Electric Submergible Pump (ESP)[1].


54

Electric Submergible Pump (ESP) adalah pompa yang

dimasukkan ke dalam lubang sumur yang digunakan untuk

menaikan cairan minyak (artificial lift) dan digerakkan oleh

motor listrik [8]. ESP berupa rangkaian pompa sentrifugal yang

terdiri dari beberapa unit yang dipergunakan untuk mengangkat

fluida dari dalam sumur ke permukaan. Peralatan ESP terdiri dari

pompa sentrifugal, protektor, gas separator, dan motor listrik.

Unit ini ditenggelamkan di dalam cairan, disambung dengan

tubing dan motornya dihubungkan dengan kabel ke permukaan

yaitu switchboard dan transformator.

Gambar 1. Konstruksi peralatan Electric Submersible Pump (ESP)

2.2 Prinsip Kerja Electric Submersible Pump (ESP) Sistem

Tandem (bertingkat)

Pompa-pompa submersible yang digunakan dalam instalasi

Electric Submersible Pump (ESP) adalah pompa sentrifugal


55

multistage (bertingkat) yang dioperasikan dalam posisi vertikal

[5]. Meskipun dari tahun ke tahun kontruksi pompa submersible

semakin berkembang dan memiliki banyak fitur, namun

sebenarnya memiliki prinsip kerja dasar yang sama. Cairan atau

liquid diputar oleh impeller dengan kecepatan rotasi yang tinggi

sehingga mengalami gaya sentrifugal, kemudian cairan tersebut

terangkat di dalam diffuser di mana konversi energi kinetik

menjadi energi tekanan berlangsung. Untuk konstruksi pompa

dengan sistem tandem motor juga memiliki prinsip kerja yang

sama dengan pompa submersible lainnya dan di install pada

sumur dengan karakteristik dan kedalaman tertentu yang berbeda

dengan pompa submersible single motor. Namun pompa

submersible ditandem dengan cara menambah jumlah stages

pompa sesuai kedalaman sumur dengan cara di kopel dan untuk

motor listrik submersible juga dikopel secara mekanik dan

elektrik pada satu poros antara upper motor dan center motor.

3. METODE

Lapangan minyak PETROCHINA East Java, Mudi B JOB P-

PEJ terdiri dari 12 sumur minyak yang dipompa dengan

menggunakan ESP. ESP yang terpasang pada Lapangan Mudi B

JOB P-PEJ terdiri dari 6 unit ESP dengan kapasitas 320 HP, 5

unit ESP dengan kapasitas 160 HP, dan 1 unit ESP dengan

kapasitas 400 HP. Data-data yang digunakan diperoleh melalui

observasi langsung maupun wawancara. Data yang dibutuhkan

dalam pekerjaan ini diantaranya single line diagram JOB P-PEJ,

spesifikasi peralatan ESP, dan spesifikasi generator pada JOB P-

PEJ. Dari data-data tersebut berfungsi untuk mengetahui

bagaimana konstruksi instalasi electric submersible pump (ESP)

mulai dari peralatan di permukaan (surface) sampai peralatan

bawah permukaan (subsurface).

Mengimplementasikan dan menganalisis data yang diperoleh

untuk perhitungan proteksi atau pengaman dan mengetahui

setting pengaman dan pengaturan kontrol kecepatan motor

induksi electric submersible pump (ESP) menggunakan variable

speed drive (VSD).


56

MULAI

Observasi Data ke JOB P-PEJ

Menentukan Kapasitas Produksi

Sumur

A

A

Memilih Tipe Pompa

Menghitung Pembebanan& Tekanan Pompa

Memilih Motor ESP

Menghitung & Memilih Protektor Thrust Bearing

Menentukan Ukuran Kabel

Menghitung Tegangan Permukaan & Daya Trafo serta Switchboard

Operasi Kerja ESP

Pengaturan Kecepatan Motor ESP

Pengaturan Tap Trafo

Pengaturan Rating Pengaman Sirkit

Pengaturan Overload &

Undeload Motor ESP

Kesimpulan

Selesai

Gambar 2. Diagram Alir Penelitian


57

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Perhitungan dan Pemilihan Peralatan Dukung Untuk

ESP Dalam memilih komponen untuk ESP yang harus

dilakukan yaitu pemilihan pompa yang digunakan pada salah satu

sumur minyak sesuai aturan standar. Data untuk Sumur Mudi

B#25 dengan motor pompa terpasang adalah ESP motor dengan

menggunakan UT dan CT didapatkan data 160 HP; 1267 V; 79,6

A; 60 Hz (Maret 2015).

Water-Cut ( WC ) = 96,8 %

Laju Alir Minyak (Qo) = 133 BOPD

Laju Alir total (Ql) = 4.074 BWPD

Water Specific Gravity (SGw) = 0,904

Oil Specific Gravity (SGo) = 0,076

API Gravity = 35,2 °

Fluid Level (FL) = 1147 ft

Casing Pressure (CP) = 125 Psi

Kedalaman Sumur = 9686 ft

Pump Seting Depth (PSD) = 8638 ft

4.2 Perhitungan dan Pemilihan Kabel ESP

Perhitungan kemampuan hantar arus dan temperature

power kabel AWG yang akan dipakai pada electric submersible

pump (ESP); Dengan acuan standart internasional IEC [2]:

KHA = 125% x In = 125% x 79,5 = 99,3 A

Tc = (a x I2) + Twell

= (0,008 x 79,52) + 245

= 295,5oF (Redalead 1#AWG – Round Cable)

Maka kabel motor ESP yang digunakan pada MUDI PAD

B#25 sesuai tabel AWG#1, dengan rating tegangan 5 kV 400 o

F,

Tipe Round, Isolasi jenis EPDM (ethylene prophylene diene

methylene). Jacket jenis Braid, pada aplikasi sumur kondisi

rendah gas untuk kabel dari sumur ke permukaan, drop tegangan

yang terjadi pada setiap panjang kabel 1000 ft dihitung dengan

rumus berikut [2]:

ΔV / 1000 ft = V (grafik tabel) x (1 + 0,00214 x (Tc – 77)


58

= 18 x (1 + 0,00214 x (295,5 – 77)

= 26,41 V / 1000 ft

ΔV = ( )( )

= ( )( )

= 230, 84 V

4.3 Perhitungan dan Pemilihan Step Up Transformer

Tegangan suplai (Vs) yang dibutuhkan yaitu untuk sistem

tandem 2 stages:

Vs = (Vm x 2) + ΔV

= (1267 x 2) + 230,84

= 2764, 84 V

Besar daya (kVA) permukaan (surface) yaitu:

S =

=

= 383, 28 kVA

Maka dalam penentuan dasar kapasitas transformator.

Sesuai dengan standar IEC 76-1 (1976) yaitu:

Kapasitas Transformator = 80% x daya trafo

= 80% X 383,28 kVA

= 306,62 kVA

Maka dipilih transformator untuk unit ESP di Mudi PAD

#B25 sebesar 400 kVA dengan tegangan 480 / 1100-3811 Volts.

4.4 Perhitungan dan Pemilihan VSD

Sesuai pada Standard Spesifikasi Speedstar 2000 Variable

Speed Drive (VSD) dan dari hasil perhitungan daya 388,28 kVA

Maka dipilih VSD spesifikasi NEMA 1 – 6 Pulse dengan daya

390 kVA, 480 Volts, 469 Amps [3], [7].

Dari data yang digunakan pada perhitungan ini adalah

sebagai berikut:

q1= 4207 bpd

f1 = 44 Hz

Dari data diatas maka nilai q2 jika diansumsikan frekuensi

yang digunakan sebesar f2 = 60 Hz adalah sebagai berikut:

=


59

=

q2 =

q2 = 5736 bpd

Dari hasil perhitungan diatas maka dapat diketahui bahwa

rate maksimum yang dapat dihasilkan pada sumur mudi B25

sebesar 5736 bpd. Setting pada variable speed drive (VSD):

V(60Hz) = V(44Hz)(

) = 336 (

) = 458 V

4.5 Tapping Transformator

Untuk menentukan besar pengaman yaitu dengan

mengetahui perhitungan arus yang melalui unit VSD dengan

perhitungan dari data sebagai berikut:

Kabel yang digunakan : Redalead AWG#1 8558 ft

Temperature sumur : 245 oF

Amps Motor : 79,5 A

Tegangan Motor : 2534 V

Temperature Kab : 295,5 oF

Vdrop : 230,84 V

Vsupply Motor : 2764 V

Maka tap pada trafo yang dipilih 3C/Y – 2858 V

Ratio trafo (a) =

=

= 0,168

Dengan nilai ratio trafo 0,168 maka dapat diketahui nilai dari

tegangan output dengan input tegangan 458 V.

a =

Vs =

Vs =

= 2727 V

Nilai tegangan keluaran yang dihasilkan dari tap

transformator 3C/Y menghasilkan tegangan sebesar 2727 V. Nilai

tersebut masih belum memenuhi nilai tegangan yang dibutuhkan


60

maka tap pada transformator yang dipilih yaitu 3D/Y – 2937 V.

Maka nilai tegangan keluaran:

Ratio trafo (a) =

=

= 0,163

a =

Vs =

Vs =

= 2809 V

Nilai ini sudah memenuhi kebutuhan tegangan motor dan

mengatasi jatuh tegangan sebesar 230,84 volt.

4.6 Setting Pengaman Pada VSD Dengan diketahui arus nominal pada variable speed drive

(VSD) 390 kVA dengan arus nominal sebesar 469 A, maka

pemilihan proteksi sesuai dengan NEC yaitu [1]:

I pengaman maksimum = 250% x In

= 250% x 469 A

= 1172,5 A

Dengan pertimbangan bahwa arus hubung singkat yang

dapat terjadi sebesar:

Isc =

=

= 2,1 kA

Setelah perhitungan arus pengaman maksimum sebesar

1172,5 A, maka dipilih pengaman MCCB Tipe D pada Unit VSD

390 kVA dengan MCCB NS1000N dengan range seting 400-

1000A dan pengaman di seting dibawah nilai arus pengaman

maksimum.

4.7 Pemilihan Kabel Instalasi Permukaan

Setelah diketahui arus primer pada transformator sebesar

487,73 A, maka dihitung kabel pada instalasi peralatan

permukaan yaitu:


61

In =

=

= 136,2 A

KHA = 125% x In

= 125% x 136,2 A

= 170,24 A

Maka dipilih penghantar kabel tipe american wire gauge

2(#3 AWG) untuk peralatan pada permukaan.

4.8 Overload Setting dan Underload Setting Motor ESP Untuk penentuan seting pengaman beban lebih (overload)

motor ESP pada VSD, proteksi beban lebih pada motor

seharusnya disetel untuk trip pada 115% dari arus beban sistem

NEMA MG-1 yaitu:

Overload = 115% x In

= 115% x 79,5A

= 91,42 A

Jadi untuk seting overload pada motor ESP disetel pada nilai

maksimum arus sebesar 91 A.

Sedangkan untuk penentuan seting underload motor ESP

pada VSD diketahui dari data running ampere ESP disumur Mudi

B25 46,4 A. maka seting underload menurut NEMA MG-1 motor

ESP yaitu;

Underload = 80% x Run Amp = 80% x 46,5A = 37,2 A

Jadi untuk seting underload pada motor ESP di set pada nilai

minimum arus sebesar 37 A dari arus operasi kerja motor ESP.

Tabel 1. Perbandingan Kabel Power

Kabel Power

Data Perusahaan Data Perhitungan

Kabel ESP #1 AWG #1 AWG

Kabel Instalasi 2(#6 AWG) 2(#3 AWG)

Tabel 2. Perbandingan Step-up Transformer

Kabel Power


Daya 400 kVA 400 kVA

Tegangan 480/1100-3811 V 480/1100-3811 V


62

Tabel 3. Perbandingan Setting Speed Electric Submersible Pump

Kabel Power


Frekuensi (Hz) 44 60

Rate Minyak (bpd) 4207 5736

Tabel 4. Perbandingan Tapping Transformator

Kabel Power


Tap 3C / Y 3D /Y

Tegangan 2858 2937

Tabel 5. Perbandingan Seting Overload dan Underload Kabel Power


Overload (Amp) 87 99

Underload (Amp) 39 37

5. PENUTUP

Beberapa hal yang dapat disimpulkan dari penelitian ini

adalah:

1) Instalasi ESP (Electric Submersible Pump) Sistem Tandem

sesuai dengan prinsip kerja sistem yang diinginkan meliputi

penggunaan kabel listrik yang digunakan sudah sesuai

standard ANSI-IEEE Std 576-1998 dengan kemampuan 5kV

pada suhu sumur lebih dari 200 oF.

2) Step-up transformator yang digunakan di Mudi B25 sudah

memenuhi standar sesuai dengan standar IEC 76-1 (1976)

yaitu kapasitas transformator tidak dibebani lebih dari 80%.

3) Pemilihan variable speed drive (VSD) telah berdasarkan pada

standar spesifikasi VSD dan fungsi komponen yang

disesuaikan dengan beban electric submersible pump (ESP).

4) Mengoperasikan pada batas aman suatu unit ESP (Electric

Submersible Pump) dengan pertimbangan pada sumur Mudi

B25 rate yang dihasilkan dapat lebih dioptimalkan lagi yaitu

dengan menambah kecepatan motor dengan cara menaikkan

nilai dari frekuensi berdasarkan hukum affinity.


63

5) Pemilihan tap 3C/Y-2858V pada transformator belum sesuai

untuk mensuplai tegangan motor maka diganti dengan tap

3D/Y-2937V.

6) Nilai pengaman pemutus sirkit yang digunakan pada VSD

tersebut masih aman karena tidak melebihi 250% NEC 430.52

dari arus maksimum dan pengaman disetel dibawah arus

pengaman maksimum.

7) Setting proteksi motor pompa perusahaan masih aman karena

tidak kurang dari setting minimum arus 80% dari standard dan

tidak lebih dari setting arus maksimum 115% dari standar

NEMA MG-1.

Adapun saran adalah sebagai berikut:

1) Pengaturan frekuensi tidak diijinkan disetel melebihi frekuensi

maksimum.

2) Untuk pemindahan tap trafo perlu perhatikan angka

transformasinya.

6. DAFTAR PUSTAKA

[1] Amao, Matthew. 2014. Electrical Submersible Pump

Systems. Artifical Lift Methods and Surface Operations PGE

482.

[2] ANSI--IEEE Std. 576-1989. IEEE recommended practice for

installation, termination, and testing of insulated power

cable as used in the petroleum and chemical industry

[3] Barnes, Malcolm. 2003. Variable Speed Drives and Power

Electronics. London: Newnes

[4] Barrow, Chris. 2010. National Electrical Code Motor

Calculations, Article 430. PDH Enterprises, LLC

[5] Petrowiki. 2012. Electric Submersible Pumps.

http://petrowiki.org/Electrical_submersible_pumps

[6] REDA, Schlumberger. 2002. Artificial Lift Technical

Service Manual (TSM) / Technical and Engineering

Information

[7] SPEEDSTAR2000, Schlumberger. 1998. Operation

Manual Variable Speed Drive

http://petrowiki.org/Electrical_submersible_pumps

instalasi esp (electric submersible pump) sistem … · esp (electric submersible pump) diperlukan...

Documents