BAB V PERBANDINGAN SISTEM AKTUASI KATUP

Transkripsi

1 BAB V PERBANDINGAN SISTEM AKTUASI KATUP 5.1 Perbandingan Dengan Sistem Terdahulu Sistem aktuasi katup terdahulu menggunakan tekanan di titik ukur sebagai masukan terhadap sistem pengendali FCV15. FCV15 sulit untuk bergerak karena perubahan tekanan akibat penutupan LCV tidak terlalu besar. Bahkan pada kenyataannya FCV15 dapat dikatakan selalu tertutup. Hal ini disebabkan karena perubahan debit keluaran HWP tidak mengakibatkan perubahan head yang terlelu besar, seperti terlihat pada kurva karakteristik HWP pada lampiran B. Karena FCV15 selalu dalam keadaan tertutup, maka model sistem perpipaan dapat dianggap hanya terdiri dari satu masukan (inlet) dan satu keluaran (outlet LCV). Model dibuat dengan cara yang sama seperti sebelumnya menggunakan dimensi yang sama. Model yang telah melalui proses meshing dapat dilihat pada Gambar Gambar 5.1 Model sistem yang terdahulu Simulasi Aliran Kondisi batas pada sisi inlet dan keluaran LCV dihitung berdasarkan data yang sama seperti yang terdapat pada tabel 3.5. Laju aliran massa yang melalui sistem dianggap sama dengan laju aliran sistem saat ini, yaitu 3308,95 kg/s. Tekanan di sisi inlet dihitung dengan menerapkan persamaan aliran antara titik 1 dan yang terdapat pada Gambar 5.1. Besarnya tekanan statik di sisi inlet dihitung dengan persamaan: p1 ρg v1 p v + + z1 = + + z + g ρg g h L (5.1) 69

2 dengan koefisien head loss ekspansi konus = 0,7. Tekanan statik di sisi inlet menjadi: v v1 p1 = p + ρ = 0580 Pa + h L 1,88 = ,113 4, ,7 Takanan total di sisi inlet adalah: v1 4,113 p total = p1 + ρ = = Pa (5.) Tekanan di sisi keluaran LCV dihitung dengan menerapkan persamaan aliran antara titik dan 3 pada gambar 5.1. Besarnya tekanan statik di sisi keluaran LCV adalah: p v p3 v3 + + z = + + z3 + ρg g ρg g h L (5.3) dengan koefisien head loss karena LCV = 8. Tekanan statik di sisi keluaran LCV adalah: 1,88 p = = Pa Kondisi batas di sisi keluaran LCV kemudian dikoreksi dengan melakukan simulasi transien satu putaran. Kondisi batas yang digunakan pada simulasi ini adalah presure inlet di sisi inlet dan pressure outlet di sisi keluaran LCV. Besarnya tekanan total sama dengan hasil perhitungan. Besarnya tekanan statik di keluaran LCV diganti-ganti agar laju aliran massa yang mengalir sama dengan atau mendekati 3308,95 kg/s. Akhirnya didapatkan kondisi aliran di tiap bidang batas pada saat bukaan LCV 50%. Kondisi batas ini disajikan pada Tabel 5.1. Tabel 5.1 Kondisi aliran di tiap bidang batas pada simulasi penutupan LCV dengan sistem aktuasi katup terdahulu Kondisi Aliran Bidang Batas Outlet LCV Laju aliran massa (kg/s) 3306, ,65 Tekanan statik (Pa) 0580, ,00 Tekanan total (Pa) 13670, ,8 Simulasi kemudian dilanjutkan dengan simulasi penutupan LCV sebesar 3%. Dengan menggunakan Time step sebesar 0,05 didapatkan hasil simulasi yang disajikan pada Tabel

3 Tabel 5. Hasil simulasi penutupan LCV dengan sistem aktuasi terdahulu T m& P statik t LCV m& step p s % kg/s kg/s Pa Pa 0 0,00 50, ,95 057,41 1 0,05 49,75 380,8-6, ,47 133,06 0,10 49,50 354,6-6,0 0549,0 131,73 3 0,15 49,5 38,46-6, , 131,0 4 0,0 49,00 30,3-6, ,87 19,65 5 0,5 48, ,5-6, ,3 18,45 6 0,30 48, ,15-6, ,65 17,33 7 0,35 48,5 314,06-6, ,98 16,33 8 0,40 48, ,04-6,0 0660,15 15,17 9 0,45 47,75 307,33-5, ,10 119, ,50 47, ,6-5, ,48 11, ,55 47,5 300,94-5, ,74 10,6 1 0,60 47,00 995,6-5, ,13 119,39 0,60-3,00-311, , Simulasi Pompa Hasil simulasi penutupan LCV menunjukkan terjadinya penurunan laju aliran massa di sisi inlet sebesar 311,69 kg/s. Perubahan laju aliran massa kemudian dijadikan masukan untuk simulasi pompa. Nilai masukan lain yang dibutuhkan adalah kondisi batas. Kondisi batas dihitung berdasarkan persamaan aliran dengan cara yang sama seperti perhitungan pada Sub-bab Kondisi batas di sisi inlet pompa sama dengan hasil perhitungan pada Sub-bab karena tekanan di kondensor dianggap sama. Tekanan di sisi discharge dihitung menggunakan persamaan dan titik acuan yang sama seperti perhitungan pada Sub-bab Tekanan di sisi discharge adalah: ( v v1 ) v40" p1 = p + ρ + ρ g ( z z1) + ρ K (5.4) = 057, = 854,88 Pa ( ,48 ) 4, ,8 (7,55 0,18) ,74 Seluruh kondisi batas yang digunakan disajikan pada Tabel 5.3. Seperti hasil simulasi pada Sub-bab 4.4, pada grafik Cd impeller arah z terlihat lonjakan Cd saat laju aliran massa diperkecil. Namun, pada grafik Cd arah x dan y tidak terlihat adanya lonjakan. Oleh karena itu, penurunan laju aliran dianggap hanya memiliki pengaruh yang signifikan pada gaya impeller arah z. Besarnya lonjakan Cd dan gaya yang terjadi pada arah z akibat penurunan laju aliran massa disajikan pada Tabel

4 Tabel 5.3 Kondisi batas simulasi pompa dengan sistem aktuasi katup terdahulu Kondisi batas Nilai Tekanan total Diameter hidrolik 60777,14 Pa 1,315 m Discharge Intensitas turbulensi,33 Laju aliran massa 3306,95 kg/s (awal) 995,6 kg/s (akhir) Diameter hidrolik 1,05 m Intensitas turbulensi,4 Tabel 5.4 Perubahan gaya arah z pada impeller pompa dengan sistem aktuasi katup terdahulu Besaran m& = 3306,95 kg/s m& = 995,6 kg/s Stabil Lonjakan Stabil Cd , , ,91 Gaya (N) -9874, , ,59 Hasil simulasi menunjukkan terjadinya lonjakan gaya sesaat. Pada kondisi ekstrem (lonjakan) terjadi kenaikan gaya impeller arah z sebesar: ΔF ( m& = 995,6 kg / s) F( m& = 3306,95 kg / s) F( m& = 3306,95 kg / s) Flonjakan (%) = 100 % ,17 N = 9874,9 ( 9874,9) 100 % = 1,57 % Pada kondisi stabil, gaya impeller arah z berubah sebesar: ΔF ( m& = 995,6 kg / s) F( m& = 3306,95 kg / s) F( m& = 3306,95 kg / s) Fstabil (%) = ,59 N = 9874,9 N ( 9874,9 N ) 100 % = 5,35% (5.5) (5.6) Pergeseran Mean Time Between Failure (MTBF) MTBF dapat disebut juga periode kerusakan rata-rata. Periode kerusakan dapat dijadikan salah satu acuan dalam melakukan perbandingan antara sistem saat ini dengan terdahulu. Kerusakan pompa dengan sistem pengendali katup terdahulu terjadi setiap satu 7

5 tahun sekali. Penggantian DCS kemudian dilakukan pada tahun 005. Belum terjadi kerusakan pompa setelah penggantian DCS Analisis Hasil simulasi dengan sistem pengendali katup terdahulu menunjukkan berbagai perbedaan. Perbedaan ahsil simulasi terjadi pada kondisi aliran setelah penutupan LCV dan perubahan gaya pada impeller HWP. Perbandingan Kondisi Aliran Apabila dibandingkan dengan hasil simulasi dengan sistem pengendali aliran saat ini, maka terdapat beberapa perbedaan. Perbedaan yang paling menonjol adalah terjadinya kenaikan laju aliran massa yang jauh lebih besar di sisi inlet pada sistem aktuasi katup terdahulu. Perbedaan kenaikan laju aliran massa disajikan dengan grafik pada Gambar 5.. Hasil simulasi dengan sistem aktuasi katup terdahulu ditunjukaan oleh grafik berwarna hijau, sedangkan hasil simulasi dengan sistem aktuasi katup sekarang ditunjukkan oleh grafik berwarna biru. Penurunan laju aliran massa terjadi sebesar 1,58 kali dari penurunan laju aliran massa yang terjadi saat ini. Laju aliran massa inlet [kg/s] Laju Aliran Massa Terhadap Bukaan LCV Bukaan LCV [%] dulu sekarang Gambar 5. Grafik perbandingan laju aliran massa terdahulu dan sekarang Perbandingan Gaya di Impeller HWP Apabila dilakukan pembandingan kenaikan gaya pada impeller dengan sistem pengendali katup terdahulu terhadap kenaikan gaya dengan sistem pengendali katup saat 73

6 ini, maka akan terlihat perbedaan yang cukup signifikan. Perbedaan gaya yang cukup besar menunjukkan bahwa penggantian sistem aktuasi katup (DCS) yang dilakukan memberi pengaruh yang berarti. Perbedaan nilai kenaikan gaya pada impeller HWP disajikan pada Tabel 5.5. Analisis ini juga didukung fakta pergesaran MTBF yang telah dibahas sebelumnya. MTBF pompa saat ini lebih lama dibandingkan sebelum dilakukan penggantian DCS. Tabel 5.5 Perbandingan perubahan gaya arah z pada impeller pompa antara sistem aktuasi katup terdahulu dan sekarang Besaran Sistem sekarang Sistem terdahulu Lonjakan Stabil Lonjakan Stabil ΔF Z (N) -764, ,5-1358,88-555,30 ΔF Z (%) 7,77 3,50 1,57 5,35 5. Perbandingan Dengan Sistem yang Dikembangkan Untuk mengurangi pengaruh penutupan LCV terhadap gaya di impeller HWP, perlu dilakukan pengembangan sistem aktuasi katup. Namun, pengembangan sistem sering kali terbentur dengan masalah finansial. Oleh karena itu, perlu dicari alternatif pengembangan sistem dengan biaya paling rendah. Menurunkan dead band merupakan opsi yang paling jelas untuk dapat menurunkan efek penutupan LCV terhadap gaya di impeller HWP. Namun, menurunkan dead band berarti keharusan untuk mengganti sistem pengendali posisi katup. Oleh karena itu, pengembangan sistem dilakukan dengan mengoptimalkan sistem pengendali yang ada. Optimalisasi dapat dilakukan dengan mengembangkan sistem pengendali FCV15. Salah satu fungsi FCV15 adalah mengurangi pengaruh penutupan LCV terhadap kondisi aliran. Mengembangkan sistem pengendali FCV15 dapat mengurangi efek penutupan LCV terhadap kondisi aliran `Simulasi Aliran Saat ini, aktuasi FCV15 merupakan fungsi terhadap posisi bukaan LCV. Fungsi bukaan FCV15 terhadap bukaan LCV diwakili oleh kurva characterizer (gambar 3.8). FCV15 baru mulai ketika LCV berada pada posisi bukaan overshoot. Interaksi antara FCV15 dan LCV telah dijelaskan pada Sub-bab

7 Jika pergerakan FCV15 terjadi setelah LCV berada pada posisi overshoot, maka kondisi aliran telah lebih dulu berubah akibat penutupan LCV 3%. Dengan demikian, FCV15 tidak memberikan andil yang cukup berarti untuk mempertahankan kondisi aliran saat terjadi penutupan LCV. Hal ini terlihat dari hasil simulasi aliran, yang menunjukkan bahwa laju aliran massa melalui FCV15 tidak mengalami perubahan saat LCV menutup. Laju aliran massa yang melalui FCV15 tidak berubah dikarenakan posisi FCV15 yang tidak berubah selama LCV menutup sebesar 3%. Secara logika, apabila FCV15 mulai membuka pada saat yang sama dengan mulainya penutupan LCV, maka perubahan kondisi aliran dapat diperkecil. Berdasarkan alasan tersebut, dilakukan simulasi untuk mengeveluasi kemungkinan pengembangan sistem dengan cara memperbaiki waktu permulaan pergerakan FCV15. Simulasi yang dilakukan hampir sama seperti simulasi penutupan katup pada Subbab 3.4. Seluruh parameter dan kondisi batas yang digunakan hampir sama. Perbedaannya hanya terletak pada pedefinisian pergerakan volume fluida di sekeliling FCV15. Pada simulasi ini, fluida di sekeliling FCV15 didefinisikan berputar. Berdasarkan fungsi charecterizer, waktu yang dibutuhkan FCV15 untuk membuka 100% sama dengan waktu yang dibutuhkan LCV untuk menutup 65%. Dengan demikian, waktu pergerakan FCV15 sebesar 100% dihitung sebagai berikut: 0 s t100 % FCV15 = 65% = 13 s (5.7) 100% penutupan LCV Satu putaran FCV15 = 400 % pembukaan, sehingga waktu 1 putaran pergerakan FCV15 adalah: t 400 % = 13 s s (5.8) 100% 1 Putaran FCV15 = 5 Selanjutnya, kecepatan putar FCV15 dihitung sebagai berikut: 1 putaran 60 s n100 % FCV15 = = 1, 154 rpm (5.9) 5 s 1 menit Maka, fluida FCV15 didefinisikan sebagai Moving mesh dengan kecepatan putar 1,154 rpm. Simulasi ini juga dilakukan pada kondisi transien. Untuk melakukan penutupan 3% LCV diperlukan 0,6 detik, sehingga diperlukan 1 Time step dengan Time step size 0,05 detik. Hasil simulasi disajikan pada Tabel

8 Tabel 5.6 Hasil simulasi penutupan LCV dengan FCV15 bergerak T t LCV m& step m& m& m& m& P statik m& LCV FCV15 p s % kg/s kg/s kg/s kg/s kg/s kg/s Pa Pa 0 0,00 50, ,99 333,5 975, ,7 1 0,05 49,75 394,73-13,6 314,99-18,6 980,0 4, ,53 109,83 0,10 49,50 383,51-11, 96,7-18,7 987,68 7, ,3 17,7 3 0,15 49,5 373,46-10,05 76,61-19,66 997, 9, ,84 51,61 4 0,0 49,00 364,51-8,95 55,8-0, ,41 11, ,51 45,67 5 0,5 48,75 356,31-8,0 35,9-0,53 100,6 1, ,4 4,89 6 0,30 48,50 348,49-7,8 14,71-0, ,49 1, ,6 39, 7 0,35 48,5 341,11-7,38 194,94-19, ,77 13, ,5 37,9 8 0,40 48,00 333,85-7,6 174,15-0, ,41 13, ,5 36,75 9 0,45 47,75 37,10-6,75 154,17-19, ,8 14, ,7 35,0 10 0,50 47,50 30,79-6,31 131,89 -,8 1089,03 14, ,6 30, ,55 47,5 314,59-6,0 111,06-0, ,81 14, ,7 31,44 1 0,60 47,00 308,60-5,99 090,39-0, ,79 14, ,35 9,65 0,60-3,00-99,39-4,86 143,19 508, Simulasi Pompa Perubahan kondisi batas hasil simulasi aliran dengan FCV15 bergerak dan FCV15 diam juga membawa perubahan pada gaya di impeller HWP. Secara logika, perubahan gaya di impeller HWP juga akan mengalami penurunan. Oleh karena itu, perlu dilakukan simulasi pompa untuk membuktikannya. Perubahan kondisi aliran hasil simulasi dijadikan masukan untuk simulasi pompa. Sama dengan simulasi pompa pada Sub-bab 4.4, simulasi ini juga bertujuan untuk mengetahui perubahan gaya di impeller akibat penurunan laju aliran massa. Prosedur simulasi dan kondisi batas yang digunakan sama dengan simulasi pada Sub-bab 4.4, namun terdapat perubahan pada laju aliran massa akhir. Perbedaan laju aliran massa akhir disebabkan perbedaan hasil simulasi penutupan LCV. Perbedaan hasil simulasi aliran mengakibatkan perbedaan kondisi batas yang digunakan. Kondisi batas yang digunakan disajikan pada Tabel 5.7. Seperti simulasi pada Sub-bab 4.4, simulasi ini juga menggunakan Time step size sebesar 0,01 s. Pada simulasi ini juga ingin dievaluasi perubahan gaya lonjakan sesaat di impeller pompa. Identifikasi terjadinya lonjakan dapat dilihat dari grafik koefisien drag. Seperti hasil simulasi pada Sub-bab 4.4, pada grafik Cd impeller arah z terlihat lonjakan Cd saat laju aliran massa diperkecil. Namun, pada grafik Cd arah x dan y tidak terlihat adanya lonjakan. Oleh karena itu, penurunan laju aliran dianggap hanya memiliki pengaruh yang signifikan pada gaya impeller arah z. Besarnya lonjakan Cd dan gaya yang terjadi pada arah z akibat penurunan laju aliran massa disajikan pada Tabel

9 Tabel 5.7 Kondisi batas simulasi pompa dengan FCV15 bergerak Kondisi batas Tekanan total Diameter hidrolik Nilai 60777,14 Pa 1,315 m Discharge Intensitas turbulensi,33 Laju aliran massa 3307,99 kg/s (awal) 308,60 kg/s (akhir) Diameter hidrolik 1,05 m Intensitas turbulensi,4 Tabel 5.8 Perubahan gaya di impeller pada arah z dengan FCV15 bergerak Besaran m& = 3307,99 kg/s m& = 308,60 kg/s Stabil Lonjakan Stabil Cd , , ,48 Gaya (N) , , ,58 Hasil simulasi menunjukkan terjadinya lonjakan gaya sesaat. Pada kondisi ekstrem (lonjakan) terjadi kenaikan gaya impeller arah z sebesar: ΔF ( m& = 308,60 kg / s) F( m& = 3307,99 kg / s) F( m& = 3307,99 kg / s) Flonjakan (%) = 100 % 10177,63 N = 98371,1 N ( 98371,1 N ) 100 % = 3,87 % (5.10) Pada kondisi stabil, gaya impeller arah z berubah sebesar: ΔF ( m& = 308,60 kg / s) F( m& = 3307,99 kg / s) F( m& = 3307,99 kg / s) Fstabil (%) = 100 % ,58 N = 98371,1 N ( 98371,1 N ) 100 % = 1,67% (5.11) 5..3 Analisis Hasil simulasi dengan kondisi FCV15 membuka bersamaan dengan LCV menutup menunjukkan berbagai perbedaan. Perbedaan hasil simulasi terjadi pada kondisi aliran setelah penutupan LCV dan perubahan gaya pada impeller HWP. 77

10 Perbandingan Kondisi Aliran Apabila dibandingkan dengan hasil simulasi ketika FCV15 tidak bergerak, maka terdapat beberapa perbedaan. Perbedaan hasil simulasi aliran terdapat pada kondisi aliran di setiap bidang batas. Perbedaan ini disajikan dengan grafik pada Gambar 5.3. Hasil simulasi dengan FCV15 diam ditunjukaan oleh grafik berwarna biru, sedangkan hasil simulasi dengan FCV15 bergerak ditunjukkan oleh grafik berwarna merah muda. Perbedaan yang paling menonjol adalah terjadinya kenaikan laju aliran massa di keluaran FCV15 jika FCV15 membuka bersamaan denga menutupnya LCV. Naiknya laju aliran massa di keluaran FCV15 mengakibatkan turunnnya perubahan laju aliran massa dan perubahan tekanan statik di inlet. Laju aliran massa di inlet hanya turun sebesar 99,39 kg/s, sedangkan tekanan stattik di inlet hanya naik sebesar 58,65 Pa. Dengan kata lain, kondisi aliran di inlet tidak terlalu berubah jika dibandingkan dengan kondisi dimana FCV15 tidak bergerak. Hal ini merupakan pengaruh positif bagi kestabilan aliran. Laju Aliran Massa [kg/s] Laju Aliran Massa Terhadap Bukaan LCV Bukaan Katup LCV [%/] Laju Aliran Massa Keluaran LCV [kg/s] Laju Aliran Massa Keluaran LCV Terhadap Bukaan LCV Bukaan Katup LCV [%/] FCV 15 diam FCV 15 bergerak FCV 15 diam FCV 15 bergerak Laju Aliran Massa Keluar FCV15 Terhadap Bukaan LCV Tekanan Statik Terhadap Bukaan LCV Laju Aliran Massa Keluaran FCV 15 [kg/s] Bukaan Katup LCV [%/] Takanan Statik [Pa] Bukaan Katup LCV [%/] FCV 15 diam FCV 15 bergerak FCV 15 diam FCV 15 bergerak Gambar 5.3 Grafik perbandingan kondisi aliran 78

11 Perbandingan Gaya di Impeller HWP Pada simulasi pompa dengan FCV15 bergerak, perubahan laju aliran massa di inlet yang digunakan hanya sebesar 99,39 kg/s. Apabila dilakukan pembandingan kenaikan gaya pada kondisi FCV15 bergerak terhadap kenikan gaya pada kondisi FCV15 diam, maka akan terlihat perbedaan yang cukup signifikan. Perbedaan nilai kenaikan gaya di impeller HWP disajikan pada Tabel 5.9. Dengan menggerakkan FCV15 bersamaan, diperoleh kenaikan gaya di impeller yang jauh lebih kecil hingga kurang dari setengah dari kenaikan gaya yang dikibatkan oleh sistem yang digunakan saat ini. Perubahan sistem pengendalian FCV15 yang seperti ini akan membuat sistem bekerja lebih baik. Dengan demikian, beban yang ditanggung HWP tiap kali LCV menutup akan berkurang. Tabel 5.9 Perbandingan perubahan gaya arah z pada impeller pompa antara sistem aktuasi katup yang dikembangkan dan sekarang Besaran Sistem sekarang Sistem pengembangan Lonjakan Stabil Lonjakan Stabil ΔF Z (N) -764, ,5-3806,51-164,46 ΔF Z (%) 7,77 3,50 3,87 1,67 79