Perancangan dan Analisis Sistem Pengendalian Evaporator Parsial pada Siklus Rankine Organik berbasis Kendali Prediktif Kontrol

Muhammad Naufal Rozaan, Dr.-Ing. Awang N. I. Wardana, S.T., M.T., M.Sc. ; Dr. Eng. Sindu Daniarta, S.T., M.Sc., Ph.D.

2025 | Skripsi | FISIKA TEKNIK

Siklus Rankine Organik dengan evaporator parsial (PE-ORC) dengan fluida kerja kering menawarkan pemanfaatan kalor buang yang lebih efisien dibandingkan ORC. Namun, karakteristik kalor buang yang bersifat fluktuatif dan intermiten menyebabkan operasi (kualitas uap dan temperatur fluida kerja) menjadi tidak stabil. Penelitian ini merancang dan menganalisis sistem pengendalian evaporator parsial PE-ORC untuk meregulasi fluktuasi tersebut. Model termodinamika PE-ORC untuk penukar kalor tipe pelat dibuat menggunakan metode e-NTU agar mendapatkan kondisi tunak dan transien. Data transien digunakan pada proses identifikasi sistem untuk mendapatkan model evaporator parsial PE-ORC. Model proses dikombinasikan dengan fungsi transfer katup kendali, lalu diubah ke bentuk ruang-keadaan diskrit untuk perancangan kendali prediktif model (MPC). Penyetelan parameter MPC dilakukan dengan menentukan bobot fungsi biaya Lagrange, bobot fungsi biaya Meyer, biaya penalti masukan, dan horizon prediksi. Hasil identifikasi sistem dan validitas model menghasilkan model Box-Jenkins BJ33331 dengan laju aliran masa (mhs,in) sebagai masukan dan temperatur serta kualitas uap setelah evaporator parsial keluaran (T1 dan x1 berturut-turut) sebagai keluaran, dengan persentase kecocokan masing-masing keluaran sebesar 88,08?n 61,6?rturut-turut. Desain MPC awal menunjukkan deviasi pada keluaran T1 dengan deltaT = 0,13 K dan %OS > 7,6%. Setelah penyetelan parameter MPC, objektif pengendalian difokuskan pada keluaran T1 dengan deltaT = 0 K dan %OS yang diminimalkan pada rentang 1,3-1,9% untuk seluruh pengendalian. Secara keseluruhan, penyetelan MPC meningkatkan stabilitas kendali evaporator parsial PE-ORC dan meminimalkan deviasi T1.

The organic Rankine cycle with a partial evaporator (PE-ORC) with dry working fluids offers more efficient utilization of waste heat compared to ORC. However, the inherently fluctuating and intermittent nature of waste heat sources leads to unstable operations (vapor quality and temperature of working fluids). This study therefore designed and analyzed a control system for the partial evaporator in a PE-ORC to regulate those fluctuations. Thermodynamic model of the PE-ORC using a plate heat exchanger was developed via the e-NTU method to capture both steady-state and transient conditions. Transient data were used in the system identification process to obtain the PE-ORC partial-evaporator model. This process model was then integrated with the control valve transfer function and converted into a discrete-time state-space form for Model Predictive Control (MPC) design. MPC tuning was performed by selecting appropriate weights for the Lagrange and Meyer cost functions, input-penalty costs, and prediction horizon. System identification and model validation produced a Box-Jenkins BJ33331 model with mass-flow rate mhs,in as input, and temperature and vapor quality after the partial evaporator (T1 and x1, respectively) as outputs, achieving fit percentages of 88.08% and 61.6%, respectively. The initial MPC design exhibited a deviation in T1 of deltaT = 0.13 K and an overshoot 7.6%. After tuning the MPC parameters, the control objective was focused on the T1 output, achieving deltaT = 0 K and reducing the overshoot to the 1.3-1.9% range across all control scenarios. Overall, MPC tuning substantially enhanced the stability of the PE-ORC partial-evaporator control and minimized temperature deviations of T1.

Kata Kunci : Identifikasi sistem, Penyetelan MPC, PE-ORC.