EVALUASI PENGARUH PENUTUPAN KATUP LCV TERHADAP KENAIKAN GAYA PADA IMPELLER POMPA SIRKULASI AIR HWP PLTP DARAJAT II TUGAS SARJANA Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung Oleh NUR KUNCORO HADI 13103050 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
Judul Evaluasi Pengaruh Penutupan Katup LCV Terhadap Kenaikan Gaya pada Impeller Nur Kuncoro Hadi Pompa Sirkulasi Air HWP PLTP Darajat II Program Studi Teknik Mesin 13103050 Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung Abstrak Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) Darajat Unit II milik Chevron Geothermal Indonesia memiliki sistem sirkulasi air dari kondensor menuju cooling tower kemudian kembali lagi ke kondensor. Untuk mengatur debit aliran dari kondensor menuju cooling tower, digunakan katup butterfly yang diberi nama LCV. Sistem pengendalian LCV adalah tipe diskrit dengan dead band 1%. Adanya dead band mengakibatkan pergerakan LCV tidak halus, sehingga mengakibatkan perubahan kondisi aliran secara tiba-tiba. Masalah ini diperburuk dengan adanya overshoot tiap kali LCV menutup. Perubahan kondisi aliran diduga mengakibatkan pembebanan pada Hot Well Pump (HWP), sehingga menjadi penyebab kerusakan pompa. Pada penelitian tugas sarjana ini dilakukan evaluasi pengaruh penutupan katup terhadap HWP dan pencarian alternatif yang sesuai. Evaluasi dilakukan dengan cara melakukan pemodelan aliran pada sistem katup menggunakan perangkat lunak FLUENT. Setelah diketahui perubahan kondisi aliran akibat penutupan LCV, penelitian dilanjutkan dengan memodelkan aliran pada HWP menggunakan FLUENT. Hasil dari pemodelan aliran pada sistem katup adalah perubahan kondisi aliran. Kondisi aliran yang menjadi perhatian utama adalah perubahan laju aliran akibat penutupan katup. Hasil pemodelan aliran pada HWP adalah perubahan gaya yang terjadi pada impellernya akibat perubahan laju aliran massa. Hasil pemodelan kemudian dibandingkan dengan pemodelan sistem terdahulu dan sistem yang dikembangkan, sehingga didapatkan sistem aktuasi katup yang lebih baik.
Title Evaluation of LCV Valve Closing Effect on Force Increase of HWP Circulating Water Pump Impeller in Darajat II Geothermal Nur Kuncoro Hadi Power Plant Major Mechanical Engineering 13103050 Industrial Engineering Faculty Institut Teknologi Bandung Abstract Darajat Unit II Geothermal Power Plant owned by Chevron Geothermal Indonesia has a circulating water system which circulate condensate from condenser to cooling tower and back to condenser. Inside this system, there is a butterfly valve called LCV that used to control the water flow from condenser to cooling tower. LCV position is controlled by a discrete type control system, having dead band of 1%. The dead band caused unsmooth movement of LCV, causing sudden flow condition changing. This problem has gotten worse by the overshoot acknowledged on every LCV closing. The sudden flow condition changing is believed to cause extra loading on Hot Well Pump (HWP) which may resulted in HWP breakdown. This final year project evaluates the effect of LCV closing on HWP and then finds the suitable solution. The evaluation is done by modeling the flow in the system using FLUENT software. Having knowledge of the flow condition changing caused by valve closing, the research continued by modeling the flow inside HWP, also using FLUENT. The result of system flow modeling is flow condition changing. Mass flow rate changing become the most concerned point. Then, by conducting HWP flow modeling using FLUENT, the knowledge of force changing because of mass flow rate changing on the HWP impeller is achieved. The result of present system modeling then compared to the result of previous system and developed system, giving the better system to be implemented.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena berkat rahmat dan petunjuk-nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Selama penyelesaian tugas sarjana ini penulis memperoleh banyak ilmu dan pengalaman yang mudah-mudahan dapat dijadikan bekal untuk masa depan penulis. Tugas sarjana ini dapat diselesaikan berkat bimbingan, doa, motivasi, dan dukungan dari semua pihak. Untuk itu, ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada: 1. Bapak Dr. Ir. Zainal Abidin sebagai pembimbing tugas sarjana ini atas bimbingan, diskusi, saran, dan pengarahannya selama penyelesaian tugas sarjana ini. 2. Bapak Ir. Pawito Merto Sontowiryo, M.Eng sebagai pembimbing tugas sarjana ini atas bimbingan, diskusi, saran, dan pengarahannya selama penyelesaian tugas sarjana ini. 3. Bapak Ir. Sekti Setiono sebagai pembimbing dari Chevron Geothermal Indonesia atas kesempatan yang diberikan, bimbingan, diskusi, saran, dan pengarahannya selama penyelesaian tugas sarjana ini. 4. Mas Jusman yang telah meluangkan banyak waktu dan tenaga untuk berdiskusi, memberi masukan dan pengarahan selama penyelesaian tugas sarjana ini. 5. Teman dekat penulis yaitu Debbie Agustina yang selalu memberikan dukungan. 6. Teman-teman di Laboratorium Dinamika dan teman-teman Teknik Mesin 2003. Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan tugas sarjana ini. Akhir kata, penulis berharap Semoga tugas sarjana ini dapat menjadi masukan yang berarti bagi Chevron Geothermal Indonesia dan dapat dimanfaatkan bagi dunia pendidikan pada umumnya. Bandung, Desember 2007 Nur Kuncoro Hadi i
DAFTAR ISI halaman KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... ii DAFTAR GAMBAR... v DAFTAR TABEL... vii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Pengenalan Sistem... 1 1.2 Latar Belakang Masalah... 2 1.3 Tujuan Penelitian... 4 1.4 Batasan Masalah... 4 1.5 Metodologi Penelitian... 5 1.6 Sistematika Pembahasan... 6 BAB II DASAR TEORI... 8 2.1 Teori Aliran Fluida Inkompresibel Dalam Pipa... 8 2.1.1 Aliran Laminar dan Turbulen... 8 2.1.2 Persamaan Energi Untuk Aliran Dalam Pipa... 9 2.1.3 Kerugian Energi Mekanik... 13 2.1.4 Penggunaan Pompa Dalam Sistem... 15 2.2 Pengenalan Perangkat Lunak FLUENT 6.2... 17 2.2.1 Struktur Program... 17 2.2.2 Kemampuan FLUENT... 18 2.2.3 Graphical User Interface (GUI)... 18 2.2.4 Prosedur Simulasi Aliran... 19 2.2.5 Pemodelan Menggunakan GAMBIT... 19 2.2.5.1 Membuat Geometri... 22 2.2.5.2 Proses Meshing... 22 2.2.5.3 Tipe Batas dan Kontinum... 23 2.2.6 Menggunakan FLUENT Untuk Aliran Air 3D... 23 2.2.6.1 Pemilihan Solver... 23 2.2.6.2 Mengimpor Model dan Memeriksa Mesh... 23 ii
2.2.6.3 Parameter Solver... 24 2.2.6.4 Model Turbulensi... 26 2.2.6.5 Kondisi Operasi... 28 2.2.6.6 Kondisi Batas... 28 2.2.6.7 Iterasi... 30 2.2.7 Pendekatan Untuk Zona Bergerak... 31 BAB III PEMODELAN ALIRAN DAN ANALISIS... 34 3.1 Sistematika Pemodelan... 34 3.2 Pembuatan Model... 34 3.2.1 Pengambilan Data... 35 3.2.2 Pembuatan Geometri Model... 35 3.2.3 Proses Meshing... 37 3.2.4 Pendefinisian Bidang Batas dan Kontinum... 39 3.3 Penentuan Kondisi Batas... 39 3.3.1 Pengambilan Data... 40 3.3.2 Perhitungan Laju Aliran Massa di Inlet... 41 3.3.3 Perhitungan Tekanan Statik di Keluaran FCV15... 45 3.3.4 Perhitungan Tekanan Statik di Keluaran LCV... 48 3.3.5 Simulasi Aliran Tunak... 50 3.3.6 Simulasi Transien Satu Putaran... 52 3.4 Simulasi Penutupan Katup... 53 3.5 Analisis Hasil Simulasi Aliran... 55 BAB IV PEMODELAN POMPA DAN ANALISIS... 58 4.1 Sistematika Pemodelan... 58 4.2 Pembuatan Model... 59 4.3 Validasi Model... 60 4.3.1 Perhitungan Kondisi Batas... 61 4.3.2 Simulasi Tunak... 64 4.4 Simulasi Perubahan Laju Aliran Massa... 65 4.5 Analisis Hasil Pemodelan Pompa... 67 BAB V PERBANDINGAN SISTEM AKTUASI KATUP... 69 5.1 Perbandingan dengan Sistem Terdahulu... 69 5.1.1 Simulasi Aliran... 69 iii
5.1.2 Simulasi Pompa... 71 5.1.3 Pergeseran Mean Time Between Failure (MTBF)... 72 5.1.4 Analisis... 73 5.2 Perbandingan dengan Sistem yang Dikembangkan... 74 5.2.1 Simulasi Aliran... 74 5.2.2 Simulasi Pompa... 76 5.2.3 Analisis... 77 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN... 80 6.1 Kesimpulan... 80 6.2 Saran... 80 DAFTAR PUSTAKA... LAMPIRAN A GAMBAR REFERENSI LAMPIRAN B DATA REFERENSI LAMPIRAN C ANIMASI HASIL SIMULASI POMPA iv
DAFTAR GAMBAR halaman Gambar 1.1 Skema sistem sirkulasi air... 2 Gambar 1.2 Sistem pengaturan katup... 3 Gambar 1.3 Diagram alir metodologi penelitian... 6 Gambar 2.1 Percobaan Reynolds... 9 Gambar 2.2 Kerja pada sistem volume atur... 10 Gambar 2.3 Komponen penyebab kerugian mekanik lokal... 15 Gambar 2.4 Kurva karakeristik pompa, sistem, dan titik operasi... 16 Gambar 2.5 Struktur komponen FLUENT... 18 Gambar 2.6 Tampilan konsol FLUENT... 18 Gambar 2.7 Tampilan jendela grafis kontur tekanan... 19 Gambar 2.8 Prosedur pemodelan menggunakan FLUENT... 20 Gambar 2.9 GUI pada GAMBIT... 21 Gambar 2.10 Pemilihan parameter pada menu solver... 24 Gambar 2.11 Prosedur iterasi pada formulasi solver segregated... 26 Gambar 2.12 Pengelompokan model Turbulensi FLUENT... 27 Gambar 2.13 Jendela perintah kondisi batas Mass Flow Inlet... 29 Gambar 2.14 Interaksi rotor stator... 32 Gambar 2.15 Zona yang terbentuk pada perpotongan dua zona non-periodik... 32 Gambar 2.16 Interface pada model sliding mesh... 33 Gambar 3.1 Diagram alir tahapan pemodelan aliran... 34 Gambar 3.2 Jendela perintah Geometry... 36 Gambar 3.3 Ilustrasi sliding mesh pada katup... 37 Gambar 3.4 Perintah meshing... 37 Gambar 3.5 Geometri model sistem setelah proses meshing... 38 Gambar 3.6 Perintah pendefinisian bidang batas dan kontinum... 40 Gambar 3.7 Posisi titik acuan perhitungan laju aliran massa di inlet... 41 Gambar 3.8 Kurva characterizer... 46 Gambar 3.9 Posisi titik acuan perhitungan tekanan keluaran FCV15... 46 Gambar 3.10 Posisi titik acuan perhitungan kecepatan aliran di FCV15... 47 v
Gambar 3.11 Posisi titik acuan perhitungan tekanan di keluaran LCV... 48 Gambar 3.12 Kurva karakteristik LCV... 49 Gambar 3.13 Trend posisi LCV dan FCV15... 54 Gambar 3.14 Grafik penurunan m& inlet dan keluaran LCV terhadap bukaan LCV... 56 Gambar 3.15 Grafik kenaikan tekanan statik di inlet terhadap penutupan LCV... 57 Gambar 4.1 Diagram alir pemodelan pompa... 58 Gambar 4.2 Model HWP... 59 Gambar 4.3 Posisi titik acuan perhitungan tekanan inlet pompa... 61 Gambar 4.4 Posisi titik acuan perhitungan tekanan discharge pompa... 63 Gambar 4.5 Grafik Cd impeller pompa... 67 Gambar 5.1 Model sistem yang terdahulu... 69 Gambar 5.2 Grafik perbandingan laju aliran massa terdahulu dan sekarang... 73 Gambar 5.3 Grafik perbandingan kondisi aliran... 78 vi
DAFTAR TABEL halaman Tabel 3.1 Daftar gambar teknik acuan untuk membuat model sistem... 35 Tabel 3.2 Jumlah elemen mesh model sistem... 38 Tabel 3.3 Nama bidang batas pemodelan sistem dan tipenya... 39 Tabel 3.4 Nama kontinum pemodelan sistem dan tipenya... 39 Tabel 3.5 Data tekanan, level air kondensor, dan posisi katup... 41 Tabel 3.6 Data di dua titik acuan perhitungan laju aliran massa inlet... 42 Tabel 3.7 Nilai konstanta head loss perhitungan laju aliran massa inlet... 43 Tabel 3.8 Perhitungan kerugian gesekan untuk tiap diameter pipa... 44 Tabel 3.9 Data di dua titik acuan perhitungan tekanan keluaran FCV15... 46 Tabel 3.10 Koefisien head loss perhitungan tekanan keluaran FCV15... 47 Tabel 3.11 Kondisi aliran di tiap bidang batas... 53 Tabel 3.12 Hasil simulasi penutupan LCV... 55 Tabel 4.1 Jenis bidang batas dan kontinum model pompa... 60 Tabel 4.2 Data di dua titik dalam perhitungan tekanan statik di inlet pompa... 62 Tabel 4.3 Head loss lokal dalam perhitungan tekanan statik di inlet pompa... 62 Tabel 4.4 Data di dua titik dalam perhitungan tekanan statik di discharge pompa.. 63 Tabel 4.5 Head loss lokal dalam perhitungan tekanan statik di discharge pompa... 63 Tabel 4.6 Kondisi batas simulasi pompa... 65 Tabel 4.7 Gaya arah z pada impeller hasil simulasi pompa... 66 Tabel 5.1 Kondisi aliran di tiap bidang batas pada simulasi penutupan LCV dengan sistem aktuasi katup terdahulu... 70 Tabel 5.2 Hasil simulasi penutupan LCV dengan sistem aktuasi terdahulu... 71 Tabel 5.3 Kondisi batas simulasi pompa dengan sistem aktuasi katup terdahulu... 72 Tabel 5.4 Perubahan gaya arah z pada impeller pompa dengan sistem aktuasi katup terdahulu... 72 Tabel 5.5 Perbandingan perubahan gaya arah z pada impeller pompa antara sistem aktuasi katup terdahulu dan sekarang... 74 Tabel 5.6 Hasil simulasi penutupan LCV dengan FCV15 bergerak... 76 Tabel 5.7 Kondisi batas simulasi pompa dengan FCV15 bergerak... 77 vii
Tabel 5.8 Perubahan gaya arah z pada impeller pompa dengan FCV15 bergerak... 77 Tabel 5.9 Perbandingan perubahan gaya arah z pada impeller pompa antara sistem aktuasi katup yang dikembangkan dan sekarang... 79 viii