$1$/,6$ 5(6321 *(7$5$1 75$169(56$/ %2,/(5 )((' 3803 3
TRANSCRIPT
TESIS - TM 142501
ANALISA RESPON GETARAN TRANSVERSALBOILER FEED PUMP PADA KONDISI BEBANMAKSIMUM DAN BEBAN SEBAGIAN FEEDWATERSYSTEM PADA PLTU PAITON BARU
YOGO WIJAYANTONRP. 2112 204 802
Dosen PembimbingDr. Eng. Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng
PROGRAM MAGISTERBIDANG STUDI REKAYASA ENERGIJURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA2014
THESIS - TM 142501
VIBRATION RESPONSE ANALYSIS OF BOILERFEED PUMP AT MAXIMUM LOAD AND PARTIALLOAD CONDITION ON FEEDWATER SYSTEMPLTU PAITON BARU
YOGO WIJAYANTONRP. 2112 204 802
Advisor:Dr. Eng. Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng
MASTER PROGRAMMEFIELD STUDY OF ENERGY ENGINEERINGDEPARTEMENT OF MECHANICAL ENGINEERINGFACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGYSEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGYSURABAYA2014
ƛ
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah S.W.T, penyusun telah
menyelesaikan tesis yang merupakan persyaratan akademis untuk memperoleh
gelar Magister Teknik di Fakultas Teknik Institut Teknologi Sepuluh November
Surabaya. Pada kesempatan ini penyusun menyampaikan banyak terima kasih
kepada:
1. Bapak Dr. Eng. Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng. selaku dosen
pembimbing yang telah banyak memberikan arahan dan bimbingan selama
penyelesaian tesis ini.
2. Seluruh bapak dan ibu dosen yang telah memberi penulis ilmu dan banyak
membantu selama menempuh pendidikan di ITS.
3. Seluruh staf dan pegawai di ITS yang banyak membantu selama
menempuh pendidikan di ITS.
4. Seluruh rekan-rekan mahasiswa yang telah banyak bertukar pendapat dan
ilmu selama pendidikan di ITS.
Penulis menyadari bahwa tesis ini masih jauh dari sempurna, untuk itu
saran dan masukan yang bersifat membangun sangat penyusun harapkan.
Surabaya, 12 Januari 2015
Penyusun
ii
ANALISA RESPON GETARAN TRANSVERSAL BOILER FEEDPUMP PADA KONDISI BEBAN MAKSIMUM DAN BEBANSEBAGIAN FEEDWATER SYSTEM PADA PLTU PAITON
BARU
Nama Mahasiswa : Yogo WijayantoNRP : 2112204802Pembimbing : Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng
ABSTRAK
Boiler Feed Pump Motor merupakan salah satu peralatan utama dalamfeedwater system pada PLTU Paiton Baru yang digunakan untuk mensuplaifeedwater ke boiler dan mensirkulasikan feedwater ke deaerator saat fase start updilakukan, dan dioperasikan hingga beban unit mencapai 30% (190MW). Kondisioperasi ini menunjukkan bahwa boiler feed pump motor ini sering dioperasikanpada kondisi off design. Kondisi operasi off design ini terjadi ketika pompamensirkulasikan feedwater ke deaerator dengan flowrate rendah (kurang dari 60%flowrate total). Informasi dilapangan menunjukkan bahwa pengoperasian padabeban rendah ini menimbulkan noise yang lebih tinggi dibanding saat bebanpenuh.
Penelitian ini dilakukan dengan membuat model dinamis pompa dalam 6derajat kebebasan. Peralatan yang dimodelkan meliputi multistage pump, variablespeed coupling, dan booster pump. Gaya eksitasi yang bekerja berasal dari gayadinamis radial akibat tekanan pada pompa. Simulasi dilakukan denganmenggunakan software simulink untuk mengetahui respon getaran dalam arahtranversal.
Dari hasil eksperimen dan simulasi menunjukkan bahwa respon getaranboiler feed pump lebih tinggi pada beban maksimum dibanding pada beban parsialhal ini disebabkan oleh hydraulic unbalance force yang lebih besar pada bebanmaksimum, namun sebaliknya respon getaran booster pump pada beban parsiallebih tinggi dibanding beban maksimum hal ini disebabkan gaya dinamis boosterpump akibat blade pass force yang lebih besar pada beban parsial. Secara umumgaya dinamis akibat blade pass force pada booster pump lebih besar dibandinggaya dinamis akibat hydraulic unbalance force pada boiler feed pump sehinggarespon getaran pada booster pump lebih besar dibanding boiler feed pump. Padasisi vertikal respon getaran menunjukkan nilai yang lebih besar dibanding sisihorizontal, hal ini disebabkan oleh adanya faktor koreksi gaya dinamis yang lebihbesar 20% lebih besar pada sisi vertikalnya.
Kata kunci: Boiler feed pump, booster pump, off design, simulasi, respon getaran,hydraulic unbalance, blade pass force.
iii
VIBRATION RESPONSE ANALYSIS OF BOILER FEEDPUMP AT MAXIMUM LOAD AND PARTIAL LOAD
CONDITION ON FEEDWATER SYSTEM PLTU PAITONBARU
Name : Yogo WijayantoNRP : 2112204802Supervisor : Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng
ABSTRACT
Boiler Feed Pump Motor is one of the main equipment in feedwatersystem at PLTU Paiton Baru which is used to supply feedwater to the Boiler andcirculating feedwater to the Deaerator when start up phase, and operated until theload reaches 30% (190MW). This operating conditions shows that the Boiler FeedPump Motor are often operated at off design conditions. Off design operatingcondition occurs when the pump circulate feedwater to the Deaerator with a lowflowrate (less than 60% of total flowrate). Field information indicates that lowload operation cause noise which is higher than full load condition.
This research was done by creating a dynamic model of pump in 6 degreesof freedom. Equipment is modeled include Multistage Pump, Variable SpeedCoupling, and Booster Pump. Excitation force that works derived from the radialdynamic force due to pump pressure. Simulation performed using Simulinksoftware to determine the vibration response in the transverse direction.
From the experimental results and simulations show that the vibrationresponse of the Boiler Feed Pump Motor at maximum load is higher than partialload, this is caused by hydraulic unbalance force which is greater at maximumload, but otherwise a booster pump vibration response at partial load is higherthan maximum load, this is due to blade pass dynamic force which is greater atpartial load. In general Booster Pump blade pass force is greater than dynamicforce due to hydraulic unbalance force on the Boiler Feed Pump so that thevibration response of the Booster Pump is greater than Boiler Feed Pump. Onvertical side, vibration response indicates a grater value than horizontal side, thisis caused by the presence of correction factor of dynamic force that is 20% higherin vertical direction than horizontal direction.
Key words: Boiler feed pump, booster pump, off design, simulation, vibrationresponse, hydraulic unbalance, blade pass force.
iv
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR.............................................................................................................. i
ABSTRAK ............................................................................................................................... ii
ABSTRACT............................................................................................................................ iii
DAFTAR ISI .......................................................................................................................... iv
DAFTAR GAMBAR............................................................................................................. vii
DAFTAR TABEL ................................................................................................................... x
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang ............................................................................................................... 1
1.2. Rumusan Masalah .......................................................................................................... 3
1.3. Tujuan ............................................................................................................................ 4
1.4. Kontribusi Penelitian..................................................................................................... 4
1.5. Batasan Masalah............................................................................................................. 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Penelitian Terdahulu .......................................................................................................... 6
2.2. Teori Penunjang............................................................................................................... 12
2.2.1. Definisi Getaran........................................................................................................ 12
2.2.2. Klasifikasi Getaran.................................................................................................... 12
2.2.3. Derajat Kebebasan .................................................................................................... 13
2.2.4. Persamaan State Variable ......................................................................................... 16
2.3. Pompa .............................................................................................................................. 18
2.3.1. Sumber Getaran Pada Pompa.................................................................................... 18
2.3.2. Gaya Aksial Impeller ................................................................................................ 19
2.3.3. Radial Dynamic Force .............................................................................................. 22
2.4. Variable Speed Fluid Coupling........................................................................................ 23
2.4.1. Prinsip Kerja Variable Speed Fluid Coupling .......................................................... 23
2.4.2. Transmisi Daya pada Variable Speed Fluid Coupling.............................................. 25
2.5. Simulasi Matlab ............................................................................................................... 26
v
2.6. Standar Pengukuran Vibrasi ............................................................................................ 26
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Langkah-Langkah Penelitian ....................................................................................... 28
3.1.1. Studi Literatur ........................................................................................................... 29
3.1.2. Pengumpulan Data Teknis Mesin ............................................................................. 29
3.1.2.1. Spesifikasi Booster Pump ............................................................................. 29
3.1.2.2. Spesifikasi Boiler Feed Pump....................................................................... 29
3.1.2.3. Spesifikasi Variable Speed Fluid Coupling .................................................. 30
3.1.2.4. Data Teknis Pemodelan ................................................................................ 30
3.1.3. Eksperimen Pengukuran Getaran Pada Mesin Sebenarnya ...................................... 31
3.1.3.1. Alat Ukur yang digunakan............................................................................ 32
3.1.3.2. Lokasi Pengukuran Vibrasi........................................................................... 33
3.1.4. Pengambilan Data Tekanan Pada Kondisi Beban Sebagian dan Maksimum ........... 34
3.1.5. Pemodelan Dinamis Mesin dan Simulasi dengan Software Simulink ...................... 34
3.1.5.1. Pembuatan Model Matematika Pompa ......................................................... 36
3.1.5.2. Penurunan Persamaan Gerak ........................................................................ 36
3.1.5.3. Penurunan Persamaan State Variable ........................................................... 36
3.1.5.4. Pembuatan Block Diagram dan Simulasi dengan Simulink .......................... 37
3.1.6. Validasi Hasil Simulasi dan Eksperimen .................................................................. 37
3.1.7. Analisa Hasil............................................................................................................. 37
BAB IV HASIL EKSPERIMEN
4.1. Hasil Pengukuran Pada Boiler Feed Pump .................................................................. 38
4.2. Hasil Pengukuran Pada Booster Pump......................................................................... 41
4.3. Analisa dan Pembahasan.............................................................................................. 44
BAB V PEMODELAN MATEMATIS DAN SIMULASI
5.1. Pemodelan Matematis Peralatan ................................................................................. 47
5.1.1. Freebody Diagram ......................................................................................... 52
5.1.2. Persamaan Gerak ............................................................................................ 53
5.1.3. Parameter Model............................................................................................. 58
5.2. Pemodelan pada Simulink ............................................................................................ 60
5.2.1. Block Diagram Boiler Feed Pump................................................................... 61
vi
5.2.2. Block Diagram Booster Pump ......................................................................... 61
5.3. Perhitungan Eksitasi Harmonik Gaya Radial Dinamis ................................................ 62
5.3.1. Gaya Radial Dinamis pada Boiler Feed Pump ................................................ 62
5.3.2. Gaya Radial Dinamis pada Booster Pump....................................................... 63
5.4. Hasil Simulasi ............................................................................................................. 64
5.4.1. Hasil Simulasi Time Respon dengan Eksitasi Impuls ............................. 64
5.4.2. Hasil Simulasi Time Respon BFPM dengan Eksitasi Harmonik ........... 65
5.4.3. Hasil Simulasi Time Respon Booster Pump dengan Eksitasi Periodik 68
5.5. Analisa Hasil................................................................................................................ 71
BAB VI PERBANDINGAN HASIL PENGUKURAN DAN SIMULASI
6.1.Perbandingan Hasil Pengukuran dan Simulasi ............................................................. 74
6.2.Perbandingan Spektrum Boiler Feed Pump.................................................................. 74
6.3.Perbandingan Spektrum Booster Pump ........................................................................ 76
6.4.Perbandingan RMS Velocity Hasil Eksperimen dan Hasil Simulasi ............................ 78
BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN
7.1.Kesimpulan .................................................................................................................. 81
7.2.Saran ............................................................................................................................ 82
DAFTAR PUSTAKA............................................................................................................ 83
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Feedwater system PLTU Paiton Unit 9................................................................. 1
Gambar 1.2 Boiler Feed Pump-Motor PLTU Paiton Baru ....................................................... 3
Gambar 2.1 Lokasi pengukuran tekanan [1]............................................................................. 6
Gambar 2.2 Fluktuasi tekanan pada lokasi 3 dan 7 [1] ............................................................. 7
Gambar 2.3 Fluktuasi tekanan pada discharge pipe [1]............................................................ 7
Gambar 2.4 Fluktuasi tekanan pada suction pipe [1]................................................................ 8
Gambar 2.5 Blade Passing Frekuensi pada 50% dan 100% Load [1]............................... 8
Gambar 2.6 Hubungan radial clearance, flow dan pressure pulsation [2]............................... 9
Gambar 2.7 Hubungan radial clearance, flow dan vibration. [2] ..................................... 9
Gambar 2.8 Axial vibration pada flowrate yang berbeda. [3] ........................................ 10
Gambar 2.9 Kurva karakteristik pompa. [4] ..................................................................... 11
Gambar 2.10 Sistem 1 DOF sistem translasi. [5]............................................................. 14
Gambar 2.11 Sistem pegas 2 DOF. [5] ............................................................................. 14
Gambar 2.12 Model matematika dan freebody diagram. [5] ......................................... 15
Gambar 2.13 Fundamental Frequency Getaran. [7]........................................................ 19
Gambar 2.14 Sketsa distribusi tekanan statik untuk single stage pump. [7] ................ 19
Gambar 2.15 Radial flow impeler. [7]............................................................................... 21
Gambar 2.16 Balancing hole pada impeller ..................................................................... 21
Gambar 2.17 Double entry impeller .................................................................................. 21
Gambar 2.18 Susunan back to back impeller ................................................................... 22
Gambar 2.19 Balancing disc pada multistage pump dengan susunan seri ................... 22
Gambar 2.20 Variable speed fluid coupling pada PLTU Paiton Baru. [8]................... 24
Gambar 2.21 Contoh block diagram Simulink matlab. [10]........................................... 26
Gambar 2.22 Batas nilai vibrasi ISO 10816-3. ................................................................ 27
Gambar 3.1. Alat Ukur Vibrasi CSI 2130......................................................................... 32
viii
Gambar 3.2. Lokasi Pengukuran pada BFP ..................................................................... 33
Gambar 3.3. Lokasi Pengukuran pada Booster Pump .................................................... 33
Gambar 3.4. Lokasi Pengukuran Tekanan pada pompa ................................................. 34
Gambar 3.5. Model Matematis Pompa ............................................................................. 36
Gambar 4.1. BFPM Inboard Horizontal ........................................................................... 38
Gambar 4.2. BFPM Inboard Vertikal ................................................................................ 39
Gambar 4.3. BFPM Outboard Horizontal ........................................................................ 40
Gambar 4.4. BFPM Outboard Vertikal ............................................................................. 40
Gambar 4.5. Booster Pump Outboard Horizontal ........................................................... 41
Gambar 4.6. Booster Pump Outboard Vertikal................................................................ 42
Gambar 4.7. Booster Pump Inboard Horizontal .............................................................. 43
Gambar 4.8. Booster Pump Intboard Vertikal ................................................................. 43
Gambar 5.1. Gambar Peralatan Boiler Feed Pump ........................................................ 47
Gambar 5.2. Gambar Peralatan Fluid Coupling dan Booster Pump ............................ 48
Gambar 5.3. Cross Section Pompa ................................................................................... 49
Gambar 5.4. Cross Section Variable Speed Fluid Coupling ......................................... 50
Gambar 5.5. Bearing yang digunakan ............................................................................... 50
Gambar 5.6. Sketsa susunan peralatan Boiler Feed Pump ............................................ 51
Gambar 5.7. Model Matematis Boiler Feed Pump ......................................................... 52
Gambar 5.8. Free Body Diagram BFP ............................................................................. 52
Gambar 5.9. FBD Pinion .................................................................................................... 53
Gambar 5.10. FBD Gear dan Booster ............................................................................... 53
Gambar 5.11. Block Diagram Boiler Feed Pump ........................................................... 61
Gambar 5.12. Block Diagram Booster Pump .................................................................. 61
Gambar 5.13. Grafik Respon Percepatan massa BFPM akibat eksitasi impuls .......... 64
Gambar 5.14. Grafik respon percepatan booster pump akibat eksitasi impuls ........... 64
Gambar 5.15. BFPM Outboard Horizontal (Maksimum Load) ..................................... 65
Gambar 5.16. BFPM Outboard Vertikal (Maksimum Load) ......................................... 65
Gambar 5.17. BFPM Inboard Horizontal (Maksimum load) ......................................... 66
ix
Gambar 5.18. BFPM Inboard Vertical (Maksimum Load) ............................................ 66
Gambar 5.19. BFPM Outboard Horizontal (Parsial Load) ............................................. 66
Gambar 5.20. BFPM Outboard Vertikal (Parsial Load) ................................................. 67
Gambar 5.21. BFPM Inboard Horizontal (Parsial Load)................................................ 67
Gambar 5.22. BFPM Inboard Vertikal (Parsial Load) .................................................... 67
Gambar 5.23. Booster Pump Inboard Horizontal (Maksimum Load)........................... 68
Gambar 5.24. Booster Pump Inboard Vertical (Maksimum Load)............................... 68
Gambar 5.25. Booster Pump Outboard Horizontal (Maksimum Load) ....................... 69
Gambar 5.26. Booster Pump Outboard Vertical (Maksimum Load) ............................ 69
Gambar 5.27. Booster Pump Inboard Horizontal (Parsial Load) .................................. 69
Gambar 5.28. Booster Pump Inboard Vertical (Parsial Load)....................................... 70
Gambar 5.29. Booster Pump Outboard Horizontal (Parsial Load) ............................... 70
Gambar 5.30. Booster Pump Outboard Vertical (Parsial Load) .................................... 70
Gambar 5.31. Gaya dinamis hydraulic unbalance ......................................................... 71
Gambar 5.32. Gaya dinamis blade pass force ................................................................. 72
Gambar 5.33. Hasil Simulasi pada BFPM ....................................................................... 72
Gambar 5.34. Hasil Simulasi pada Booster Pump .......................................................... 73
Gambar 6.1. Perbandingan Spektrum Velocity BFPM Inboard Horizontal ................ 74
Gambar 6.2. Perbandingan Spektrum Velocity BFPM Outboard Horizontal ............. 75
Gambar 6.3. Perbandingan Spektrum Velocity Booster Outboard Vertical ............... 76
Gambar 6.4. Perbandingan Spektrum Velocity Booster Outboard Vertical ................ 77
Gambar 6.5. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran BFPM (Parsial Load) ... 78
Gambar 6.6. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran BFPM (Max Load) ....... 78
Gambar 6.7. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Booster (Parsial Load) . 79
Gambar 6.8. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Booster (Max Load) ..... 79
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Hydraulic dynamic coefficient factor (Kd) ............................................................. 23
Tabel 2.2 Bagian – bagian dari variable speed coupling pada Gambar 2.18 ................ 24
Tabel 4.1 RMS Velocity Hasil Eksperimen ....................................................................... 44
Tabel 5.1 Parameter Boiler Feed Pump ............................................................................ 58
Tabel 5.2 Parameter Pinion ................................................................................................ 59
Tabel 5.3 Parameter Gear dan Booster Pump ................................................................. 59
Tabel 5.4 Parameter Perhitungan Gaya Radial Dinamis BFP ........................................ 62
Tabel 5.5 Parameter Perhitungan Gaya Radial Dinamis Booster Pump ....................... 63
Tabel 5.6 Beberapa Variabel BFPM dan Booster Pump.................................................. 71
1
BAB IPENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Feedwater system yang ada di PLTU Paiton Unit 9 terdiri dari tiga buah
Boiler Feed Pump (BFP) seperti ditunjukkan pada gambar 1.1, dimana 2 buah
BFP merupakan Boiler Feed Pump – Turbin (BFPT) yang digerakkan oleh steam
turbine, dan yang lain merupakan Boiler Feed Pump – Motor (BFPM) yang
digerakkan oleh motor. BFPM ini terdiri dari sebuah Booster Pump, motor
elektrik sebagai penggerak, fluid coupling dan high pressure multistage
centrifugal pump. BFPM ini menggunakan variable speed control dimana
kecepatan putaran rotor dapat dirubah sesuai kebutuhan suplai feedwater.
Perubahan kecepatan diatur oleh skup tube pada fluid coupling.
Gambar 1.1. Feedwater system PLTU Paiton Unit 9
Pada PLTU Paiton Unit 9, BFPM ini memiliki fungsi sebagai starting
feedwater system, dimana digunakan untuk mensirkulasikan feedwater ke
deaerator untuk menjaga kualitas air pada saat start up dan dioperasikan hingga
beban unit pembangkit mencapai 30% (190MW), BFPM ini juga dioperasikan
1
BAB IPENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Feedwater system yang ada di PLTU Paiton Unit 9 terdiri dari tiga buah
Boiler Feed Pump (BFP) seperti ditunjukkan pada gambar 1.1, dimana 2 buah
BFP merupakan Boiler Feed Pump – Turbin (BFPT) yang digerakkan oleh steam
turbine, dan yang lain merupakan Boiler Feed Pump – Motor (BFPM) yang
digerakkan oleh motor. BFPM ini terdiri dari sebuah Booster Pump, motor
elektrik sebagai penggerak, fluid coupling dan high pressure multistage
centrifugal pump. BFPM ini menggunakan variable speed control dimana
kecepatan putaran rotor dapat dirubah sesuai kebutuhan suplai feedwater.
Perubahan kecepatan diatur oleh skup tube pada fluid coupling.
Gambar 1.1. Feedwater system PLTU Paiton Unit 9
Pada PLTU Paiton Unit 9, BFPM ini memiliki fungsi sebagai starting
feedwater system, dimana digunakan untuk mensirkulasikan feedwater ke
deaerator untuk menjaga kualitas air pada saat start up dan dioperasikan hingga
beban unit pembangkit mencapai 30% (190MW), BFPM ini juga dioperasikan
1
BAB IPENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Feedwater system yang ada di PLTU Paiton Unit 9 terdiri dari tiga buah
Boiler Feed Pump (BFP) seperti ditunjukkan pada gambar 1.1, dimana 2 buah
BFP merupakan Boiler Feed Pump – Turbin (BFPT) yang digerakkan oleh steam
turbine, dan yang lain merupakan Boiler Feed Pump – Motor (BFPM) yang
digerakkan oleh motor. BFPM ini terdiri dari sebuah Booster Pump, motor
elektrik sebagai penggerak, fluid coupling dan high pressure multistage
centrifugal pump. BFPM ini menggunakan variable speed control dimana
kecepatan putaran rotor dapat dirubah sesuai kebutuhan suplai feedwater.
Perubahan kecepatan diatur oleh skup tube pada fluid coupling.
Gambar 1.1. Feedwater system PLTU Paiton Unit 9
Pada PLTU Paiton Unit 9, BFPM ini memiliki fungsi sebagai starting
feedwater system, dimana digunakan untuk mensirkulasikan feedwater ke
deaerator untuk menjaga kualitas air pada saat start up dan dioperasikan hingga
beban unit pembangkit mencapai 30% (190MW), BFPM ini juga dioperasikan
2
pada saat unit akan di shut down. Selain itu, BFPM ini digunakan sebagai back up
jika salah satu maupun 2 BFPT mengalami masalah.
Untuk menjamin keandalan feedwater system, PLTU Paiton Baru
menerapkan metode predictive maintenance. Salah satu cara dalam predictive
maintenance yang dilakukan yaitu dengan cara menganalisa spektrum vibrasi
yang terjadi. Pengukuran vibrasi dilakukan secara berkala pada saat peralatan
beroperasi. Vibrasi yang terlalu tinggi pada mesin dapat menyebabkan
berkurangnya life time komponen-komponen yang ada pada mesin tersebut antara
lain bearing, gear, poros, dan komponen lainnya.
Berdasarkan kondisi operasi dilapangan menunjukkan bahwa boiler feed
pump ini sering dioperasikan pada kondisi off design atau diluar titik operasi yang
diharapkan. Kondisi operasi off design ini terjadi ketika pompa mensirkulasikan
feedwater ke deaerator dengan flow rendah, maupun saat beban unit belum
mencapai full load. Informasi dilapangan menunjukkan bahwa pengoperasian
pada beban rendah ini menimbulkan noise yang lebih tinggi dibanding saat beban
penuh.
Penelitian mengenai getaran pada pompa telah banyak dilakukan. Amit
Suhane (2012) melakukan eksperimen pada single stage diffuser pump tipe
sentrifugal. Pengamatan dilakukan terhadap flow induced pressure pulsation,
mechanical vibration, dan noise pada lima kondisi flowrate yang berbeda dengan
variasi radial clearance Hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin besar
radial clearance antara impeller dan diffuser maka pressure pulsation, getaran
dan noise akan semakin kecil. Attia khalifa dkk. (2009) melakukan penelitian
mengenai fluktuasi tekanan pada high pressure double volute centrifugal pump
dibawah kondisi separuh beban. Pada pengurangan flowrate, fluktuasi flow dan
pressure didalam pompa menjadi tinggi sementara distribusi tekanan disekitar
impeler bervariasi.
3
Gambar 1.2. Boiler Feed Pump-Motor PLTU Paiton Baru
Dalam tesis ini akan dilakukan penelitian mengenai respon getaran pada
boiler feed pump pada kondisi pembebanan maksimum dan beban sebagian.
Penelitian ini juga memodelkan 6 derajat kebebasan sehingga akan diketahui
respon getaran arah tranversal dan untuk mengetahui bagaimana pengaruh
rambatan getaran antar peralatan. Peralatan yang dimodelkan meliputi multistage
pump, variable speed coupling, dan booster pump. Dalam penelitian ini juga
dilakukan eksperimen pengukuran getaran yang sesungguhnya sehingga bisa
diperoleh perbandingan respon getaran hasil simulasi model yang dibuat dengan
mesin yang sesungguhnya.
1.2. Rumusan Masalah
Penelitian ini memiliki beberapa rumusan masalah, yaitu :
1. Bagaimana respon getaran Boiler Feed Pump - Motor (BFPM) yang ada di
PLTU Paiton Baru dengan kondisi separuh beban dan beban maksimum.
2. Bagaimana memodelkan respon getaran pada Boiler Feed Pump – Motor
(BFPM) yang ada di PLTU Paiton Baru dengan kondisi separuh beban dan
beban maksimum.
4
1.3. Tujuan
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Mengetahui respon getaran aktual Boiler Feed Pump–motor pada kondisi
pembebanan maksimum dan separuh beban.
2. Memodelkan dan mensimulasikan respon getaran Boiler Feed Pump–motor
pada kondisi pembebanan maksimum dan separuh beban.
1.4. Kontribusi Penelitian
Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah :
1. Memberikan informasi mengenai respon getaran pada Boiler Feed Pump–
Motor (BFPM) melalui studi numerik dan empirik pada kondisi pembebanan
maksimum dan beban sebagian pada feedwater system PLTU Paiton Baru.
2. Dengan pemodelan dan simulasi dapat diketahui tren vibrasi pada peralatan
boiler feed pump motor untuk berbagai kondisi pembebanan.
3. Memberikan metode alternative penyelesaian masalah getaran pada pompa di
area pembangkitan listrik terutama yang berkaitan dengan kondisi
pengoperasian yang bervariasi.
1.5. Batasan Masalah
Batasan masalah dari penelitian ini adalah :
1. BFPM yang dimodelkan adalah BFPM pada PLTU Paiton Baru Unit 9.
2. Peralatan yang dimodelkan meliputi Booster pump, variable speed
fluid coupling, dan multistage centrifugal pump.
3. Pompa dan kopling dimodelkan sebagai rigid body.
4. Sistim dianggap dalam kondisi ideal karena tidak adanya kelainan
secara mekanis pada peralatan.
5. Tidak membahas vibrasi torsional disebabkan boiler feed pump
memiliki frekuensi tinggi yang tidak menimbulkan torsi yang besar.
6. Tidak membahas vibrasi akibat mechanical unbalance rotor
disebabkan kondisi peralatan telah dibalancing sesuai standar ISO.
7. Gaya aksial pada boiler feed pump dan booster pump diasumsikan
dalam kondisi setimbang karena adanya mekanisme balance drum
5
pada boiler feed pump dan adanya double entry suction pada booster
pump.
8. Gaya radial pada BFPM merupakan resultan gaya dari masing-masing
impeler.
6
BAB IITINJAUAN PUSTAKA
2.1. Penelitian Terdahulu
Attia khalifa, dkk (2009) melakukan penelitian mengenai fluktuasi tekanan
high pressure centrifugal pump pada kondisi separuh beban. Pada pengurangan
flowrate, fluktuasi flow dan pressure didalam pompa menjadi tinggi sementara
distribusi tekanan disekitar impeler bervariasi. Hal tersebut juga terjadi pada sisi
suction dimana dengan pengurangan flowrate maka fluktuasi tekanan dan FFT
magnitude akan semakin tinggi. Hal yang berbeda pada sisi discharge yaitu
dengan penurunan flowrate, fluktuasi tekanan dan FFT magnitude akan semakin
menurun. Lokasi 3 dan 7 memperlihatkan fluktuasi tekanan terbesar khususnya
pada low flowrate. Mereka berada disekitar zona interaksi yang terletak diantara
rotating impeler blade dan volute stationary vane. Daerah ini adalah faktor kunci
didalam analisa flow induced vibration untuk pompa ini. Pada lokasi 3 dan 7 ini
meskipun memiliki geometri yang simetri dan hampir mempunyai tekanan statis
rata – rata yang hampir sama namun tekanan fluktuasi tidak sama
Gambar 2.1 Lokasi pengukuran tekanan. [1]
7
Gambar 2.2 Fluktuasi tekanan pada lokasi 3 dan 7. [1]
Pada Gambar 2.3 secara umum fluktuasi tekanan dan FFT magnitude
menurun dengan penurunan pump flowrate pada sisi discharge. Hal ini penting
untuk diamati bahwa respon fluktuasi tekanan dengan perubahan flowrate pada
sisi discharge berlawanan dengan fluktuasi tekanan didalam pompa. Berlawanan
dengan sisi discarge, pada sisi suction seperti pada gambar 2.4 FFT magnitude
dan fluktuasi tekanan meningkat dengan penurunan flowrate pada frekuensi 5x
rpm, ini memberi bukti bahwa pengurangan flowrate akan meningkatkan reverse
flow didalam pompa pada impeller suction.
Gambar 2.3 Fluktuasi tekanan pada discharge pipe. [1]
8
Gambar 2.4 Fluktuasi tekanan pada suction pipe. [1]
Gambar 2.5 Blade Passing Frekuensi pada 50% dan 100% Load [1]
Gambar 2.5 menunjukkan bahwa pada kondis flowrate 50% load
menimbulkan blade passing frequency yang 2 kali lebih tinggi amplitudonya
daripada flowrate 100% load.
Amit Suhane (2012) melakukan eksperimen pada single stage diffuser
pump tipe sentrifugal. Pengamatan dilakukan terhadap flow induced pressure
pulsation, mechanical vibration, dan noise pada lima kondisi flowrate yang
berbeda dengan variasi radial clearance 6,8mm (case 1), 3,7mm (case 2), 1,5mm
(case 3). Untuk masing-masing kasus radial clearance dan flow untuk semua
level dan spektrum frekuensi untuk range frekuensi yang lebar, vibrasi dan noise
secara dominan disebabkan oleh pengaruh hidrolik. Impeler vane pass frequency
mendominasi spektrum. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin besar
9
radial clearance antara impeller dan diffuser maka pressure pulsation, getaran
dan noise akan semakin kecil.
Gambar 2.6 Hubungan radial clearance, flow dan pressure pulsation. [2]
Gambar 2.7 Hubungan radial clearance, flow dan vibration. [2]
Stefan Berten (2010) dalam penelitiannya pengoperasian pompa
centrifugal berenergi tinggi pada separuh beban berhubungan dengan kenaikan
level vibrasi. Sumber vibrasi berasal dari kelakuan hidrodinamik fluida
diantaranya yaitu adanya interaksi antara aliran rotating dan stationary yang
menyebabkan fluktuasi tekanan, selain itu separasi aliran lokal mempengaruhi
struktur aliran yang menciptakan gaya hidrolik. Penelitian ini melakukan
eksperimen pada separuh beban dimana fenomena hidrolik sebagai sumber
excitasi yang menyebabkan fluktuasi tekanan unsteady pada kecepatan rotasi dan
operasi yang berbeda. Adanya stationary stall yaitu daerah bertekanan tinggi yang
tidak berotasi pada antar permukaan rotor stator menghasilkan fluktuasi tekanan
tambahan pada frekuensi rotasi dan harmoniknya. Gangguan distribusi tekanan
disekelilingnya menghasilkan net radial force yang mengakibatkan vibrasi pada
10
poros arah radial. Stall yang terjadi mempengaruhi aliran pada side room impeller
sehingga mempengaruhi disribusi tekanan yang pada akhirnya juga berpengaruh
terhadap net axial force. Adanya variasi axial force pada impeler menimbulkan
axial shaft vibration.
(a) Axial vibration pada q=0,8
(b) Axial Vibration pada q=0,9
(c) Axial Vibration pada q=1
Gambar 2.8 Axial vibration pada flowrate yang berbeda. [3]
Pada gambar 2.8 amplitudo hingga harmonik ketiga dari frekuensi rotasi
tidak dipengaruhi oleh pengurangan flowrate, tetapi dengan munculnya zona
11
resirkulasi pada diffuser, tambahan vibrasi pada impeler blade passing frequency
terjadi. Amplitudo terbesar ketika stall bersifat stationary pada flow = 0,9.
Dr. Elemer Makay melakukan penelitian permasalahan yang ada pada
boiler feed pump, dimana penyebab utama ketidakstabilan rotor pompa dapat
disebabkan oleh mekanisme ketidakstabilan hidrolik diantaranya disebabkan oleh
secondary flow, stall, leakage flow melalui wear ring, fluktuasi unsteady flow,
blade passing frequency, turbulensi, kavitasi, dan hydraulic unbalance.
Gambar 2.9 Kurva karakteristik pompa. [4]
Beberapa penelitian tersebut mengkaji mengenai pengaruh beban pompa
terhadap fluktuasi tekanan dan vibrasi, namun masih belum ada penelitian yang
menyangkut pemodelan sistem dinamis pompa dengan metode numerik.
12
2.2. Teori Penunjang
2.2.1. Definisi Getaran
Gerakan bolak-balik suatu benda dari posisi awal melalui titik
keseimbangannya dalam interval waktu disebut dengan getaran. Pada umumnya,
sistem getar terdiri atas elemen penyimpan energi potensial (pegas atau
elastisitas), elemen penyimpan energi kinetis (massa atau inersia), dan elemen
yang berfungsi untuk mendisipasi energi (peredam).
Getaran suatu sistem mencakup transfer energi potensial ke energi kinetis, energi
kinetis ke energi potensial secara bergantian. Jika sistem teredam, sejumlah energi
akan terdisipasi pada setiap siklus getaran
2.2.2. Klasifikasi Getaran
Getaran bisa dibedakan atas beberapa jenis, diantaranya adalah getaran
bebas dan getaran paksa, getaran tanpa peredam dan getaran dengan peredam,
getaran linier dan non linier, getaran deterministic dan random.
Getaran bebas terjadi jika sistem diberi gangguan mula kemudian sistem
dibiarkan berosilasi, atau dengan kata lain sistem tidak diberi gaya eksternal.
Sistem yang bergetar bebas akan bergerak pada satu atau lebih frekuensi
naturalnya, yang merupakan sifat sistem dinamika yang dibentuk oleh distribusi
massa dan kekuatannya. Semua sistem yang memiliki massa dan elastisitas dapat
mengalami getaran bebas atau getaran yang terjadi tanpa rangsangan luar.
Getaran paksa adalah getaran yang terjadi karena adanya gayaeksternal.
jika gaya eksternal yang bekerja pada frekuensi tertentu, maka sistem dipaksa
untuk bergetar pada frekuensi gaya eksternal tersebut. Resonansi terjadi ketika
frekuensi gaya eksternal yang bekerja pada sistem sama dengan frekuensi natural
sistem tersebut akibatnya osilasi sistem semakin lama semakin membesar.
Resonansi dapat mengakibatkan kegagalan struktur dari sistem dinamis.Jika
frekuensi rangsangan sama dengan salah satu frekuensi natural sistem, maka akan
didapatkan keadaan resonansi dan osilasi yang besar dan beresiko
membahayakan.
13
Getaran tanpa peredam terjadi pada sistem dinamis yang selama periode
getarnya tidak ada energi terdisipasi atau hilang. Sebaliknya jika terdapat energi
yang hilang selama periode osilasi maka disebut getaran dengan peredam.
Jika komponen dari sistem getaran seperti massa, pegas dan peredam
bersifat linier maka sistem ini disebut dengan sistem getaran linier. Sebaliknya
pada sistem yang komponen massa, pegas dan peredamnya tidak bersifat linier
maka sistem ini disebut sistem getaran non linier.
Pada sistem getaran yang magnitudo gaya eksitasinya diketahui disepanjang
waktu maka sistem ini dikategorikan sebagai sistem getaran deterministik. Pada
sistem gaetaran yang magnitudenya tidak bisa diprediksi sepanjang waktu maka
disebut dengan sistem getaran random.
2.2.3. Derajat KebebasanSistem yang bergetar terkadang memiliki arah getaran yang bermacam-
macam sehingga koordinat yang dimiliknya pun lebih dari satu. Banyaknya
koordinat dari gerakan getaran inilah yang disebut sebagai derajat kebebasan.
Sistem satu derajat-kebebasan
Jika sebuah sistem hanya dapat bergerak dalam satu kejadian atau apabila
hanya satu koordinat bebas dibutuhkan untuk menunjukkan kedudukan massa
sistem dalam ruang secara lengkap, maka sistem tersebut disebut sistem satu
derajat kebebasan.
Pada sistem massa-pegas seperti terlihat pada Gambar 2.10, apabila massa
m dibatasi bergerak secara tegak maka hanya satu koordinat , x (t) , yang
dibutuhkan untuk mendefinisikan kedudukan massa pada waktu tertentu dari
kedudukan statis. Berarti sistem tersebut memiliki satu derajat kebebasan.
14
Gambar 2.10 Sistem 1 DOF sistem translasi. [5]
Sistem multi derajat kebebasan
Sistem multi derajat kebebasan adalah sistem yang membutuhkan dua
buah atau lebih koordinat bebas untuk menentukan kedudukannya. Dalam
melakukan analisa pada sistem multi derajat kebebasan, perlu dipahami terlebih
dahulu analisa pada sistem yang memiliki dua derajat kebebasan karena
sebenarnya konsep yang digunakan sama. Dalam sistem massa pegas seperti
terlihat pada Gambar 2.11, bila gerakan massa m1 dan m2 secara horisontal
dibatasi paling sedikit dibutuhkan satu koordinat x(t) untuk menentukan
kedudukan massa pada berbagai waktu. Berarti sistem membutuhkan dua buah
koordinat bersama-bersama untuk menentukan kedudukan massa yaitu kedudukan
massa satu pada waktu tertentu (x1) dan kedudukan massa dua pada waktu tertentu
(x2). Sistem yang seperti ini dinamakan sistem dua-derajat- kebebasan. Sistem
pegas dua dof yang dimaksud bisa dilihat pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Sistem pegas 2 DOF. [5]
Penyelesaian sebuah permasalahan mengenai sistem multi derajat
kebebasan dapat dilakukan dengan cara seperti dibawah ini:
15
1. Mengatur koordinat untuk mendeskripsikan posisi dari berbagai massa
dan rigid body yang ada pada sistem.
2. Menentukan konfigurasi kesetimbangan statis dari sistem.
3. Menggambar free body diagram dari setiap massa pada sistem sehingga
gaya-gaya yang bekerja pada massa tersebut dapat terlihat setelah massa
diberi perpindahan dan kecepatan.
4. Menggunakan hukum II Newton untuk setiap free body diagram yaitu. = ∑ . F untuk massa i (2.1)
Atau. = ∑ .M (2.2)
Dimana ∑ F merupakan jumlah dari seluruh gaya yang bekerja pada
massa , sedangkan M merupakan jumlah dari momen dari semua gaya
yang bekerja pada rigid body pada massa inersia .
5. Persamaan gerak dapat diselesaikan dengan bantuan simulink Matlab
dengan menggunakan metode variable state.
Berikut ini adalah contoh penurunan persamaan gerak sistem dengan
beberapa derajat kebebasan.
Gambar. 2.12 Model matematika dan freebody diagram. [5]
16
Persamaan gerak untuk gambar (a) dengan menggunakan koordinat x(t) dan θ(t)
dijelaskan berikut ini. Persamaan kesetimbangan gaya arah vertikal adalah : = − ( − ) − ( + ) (2.3)
Dan persamaan kesetimbangan momen terhadap pusat massa (CG) adalah : = ( − ) − ( + ) (2.4)
Persamaan – persamaan diatas dalam bentuk matrik dinyatakan sebagai berikut :00 + ( + ) −( − )−( − ) ( − ) = 00 (2.5)
Sedangkan untuk gambar (b) persamaan gerak menggunakan koordinat y(t) dan
θ(t) sebagai berikut : = − ( − ) − ( + ) − (2.6) = ( − ) − ( + ) − (2.7)
Persamaan – persamaan diatas dalam bentuk matrik dinyatakan sebagai berikut : + ( + ) −( − )−( + ) ( + ) = 00 (2.8)
Pada kebanyakan kasus umumnya sistem dua derajat kebebasan dengan redaman
viscous mempunyai persamaan gerak dalam bentuk umum sebagai berikut : + + = 00 (2.9)
2.2.4. Persamaan State Variable
Pendekatan secara umum untuk menurunkan persamaan matematika
dalam bentuk state variable adalah sebagai berikut :
1. Identifikasi state variabel dan tulis persamaan state variabel tersebut yang
tidak membutuhkan suatu diagram benda bebas, seperti persamaan yang
berbentuk = .
2. Gambarkan diagram benda bebas untuk masing – masing massa bebas dan
titik penghubung yang dapat bergerak dengan gerakan yang tidak
diketahui. Tentukan gaya-gaya pada masing-masing diagram benda bebas
secara terpisah untuk menentukan satu set persamaan diferensial.
3. Buat persamaan-persamaan dalam bentuk state variabel. Untuk masing-
masing state variabel harus merupakan persamaan yang menyatakan
turunannya sebagai suatu fungsi aljabar dari state variabel dan input.
17
4. Buat variabel-variabel output sebagai fungsi aljabar dari state variabel dan
input.
Untuk sistem fixed linear, bentuk persamaan state variable dan persamaan
output nya adalah sebagai berikut: = Aq + Bu (2.10)
y = Cq + Du (2.11)
dengan:
q = vektor kolom dani n state variable, = turunan pertama dari elemen q,
u = vektor dari m input,
y = vektor dari p output,
masing-masing dari vektor tersebut adalah sebagai berikut:
= ⎣⎢⎢⎢⎡ ⋮ ⎦⎥⎥⎥⎤; = ⎣⎢⎢
⎢⎡ ⋮ ⎦⎥⎥⎥⎤ ; = ⎣⎢⎢⎢
⎡ ⋮ ⎦⎥⎥⎥⎤
; y= ⎣⎢⎢⎢⎡ ⋮ ⎦⎥⎥⎥⎤
(2.12)
Sedangkan A adalah matrix koefisien n x n, B adalah matrix koefisien n x m, C
adalah matrix koefisien p x n dan D adalah matrix koefisien p x m. Masing-
masing sebagai berikut:
= …⋮ ⋮ … ⋮… ; = …⋮ ⋮ … ⋮…= …⋮ ⋮ … ⋮… : = …⋮ ⋮ … ⋮… (2.13)
18
2.3. Pompa
2.3.1. Sumber Getaran pada Pompa
Getaran pada pompa dapat disebabkan oleh:
a. Ketidaktepatan didalam instalasi atau pemeliharaan, diantaranya :
Mechanical Unbalance,
Ketidaksejajaran poros,
Seal rub,
Distorsi case karena beban pipa,
Respon dinamik pipa pada suportnya,
Respon struktur fondasi,
Assembly yang tidak tepat.
b. Pengoperasian pompa yang tidak tepat
Pompa dioperasikan jauh dari titik operasi yang direkomendasikan,
NPSH yang tidak sesuai.
c. Interaksi hidrolik dengan sistem perpipaan
Ketidakstabilan hidrolik,
Water hammer,
Resirkulasi,
High flow velocity,
Flow induced excitasi (turbulensi).
d. Faktor desain maupun fabrikasi
Hydraulic Unbalance akibat proses casting pada impeller,
Gap antara rotor dan stator.
Gambar 2.13 menunjukkan beberapa fundamental frequency sebagai
penyebab getaran. Untuk range frekuensi sub-synchronous antara 0.45-0.95
frekuensi putaran poros getaran dapat disebabkan oleh ketidakstabilan rotor,
dimana ketidakstabilan ini dapat disebabkan oleh keausan pada seal, clearance
radial bearing yang terlalu besar. Sedangkan untuk range frekuensi 0.5-0.95
getaran dapat disebabkan oleh rotating stall atau adanya resirkulasi pada impeller
inlet, resirkulasi pada difusser. Untuk 1x frekuensi putaran poros getaran dapat
19
disebabkan oleh hydraulic unbalance, dimana gaya dinamis disebabkan oleh
ketidaksempurnaan casting pada impeller. Besarnya hydraulic unbalance force
akan sangat dominan dibandingkan dengan mechanical unbalance force terutama
pada head 400 m keatas. Untuk blade pass frequency disebabkan oleh gaya
dinamis akibat interaksi rotor dan stator pada pompa. Amplitudo pada blade pass
frekuency akan minimum pada flow 80-100%, dan akan menjadi dominan dengan
semakin rendahnya flow dan flow yang melebihi 100%.
Gambar 2.13. Fundamental Frequency Getaran. [7]
2.3.2. Gaya Aksial Impeller
Gambar menunjukkan penjabaran gaya – gaya aksial yang bekerjapada impeller.
Gambar 2.14 Sketsa distribusi tekanan statik untuk single stage pump. [7]
19
disebabkan oleh hydraulic unbalance, dimana gaya dinamis disebabkan oleh
ketidaksempurnaan casting pada impeller. Besarnya hydraulic unbalance force
akan sangat dominan dibandingkan dengan mechanical unbalance force terutama
pada head 400 m keatas. Untuk blade pass frequency disebabkan oleh gaya
dinamis akibat interaksi rotor dan stator pada pompa. Amplitudo pada blade pass
frekuency akan minimum pada flow 80-100%, dan akan menjadi dominan dengan
semakin rendahnya flow dan flow yang melebihi 100%.
Gambar 2.13. Fundamental Frequency Getaran. [7]
2.3.2. Gaya Aksial Impeller
Gambar menunjukkan penjabaran gaya – gaya aksial yang bekerjapada impeller.
Gambar 2.14 Sketsa distribusi tekanan statik untuk single stage pump. [7]
19
disebabkan oleh hydraulic unbalance, dimana gaya dinamis disebabkan oleh
ketidaksempurnaan casting pada impeller. Besarnya hydraulic unbalance force
akan sangat dominan dibandingkan dengan mechanical unbalance force terutama
pada head 400 m keatas. Untuk blade pass frequency disebabkan oleh gaya
dinamis akibat interaksi rotor dan stator pada pompa. Amplitudo pada blade pass
frekuency akan minimum pada flow 80-100%, dan akan menjadi dominan dengan
semakin rendahnya flow dan flow yang melebihi 100%.
Gambar 2.13. Fundamental Frequency Getaran. [7]
2.3.2. Gaya Aksial Impeller
Gambar menunjukkan penjabaran gaya – gaya aksial yang bekerjapada impeller.
Gambar 2.14 Sketsa distribusi tekanan statik untuk single stage pump. [7]
20
Perhitungan gaya aksial dapat dilakukan sebagai berikut := − − − (2.14)
dengan:
Fbs = Gaya aksial yang bekerja pada impeller sisi back shroud,
Ffs = Gaya aksial yang bekerja pada impeller sisi front shroud,
Fi = Impulse thrust,
Fch = Gaya akibat perbedaan distribusi tekanan statik pada hub dan shroud,
Dimana komponen aksial thrust dapat dihitung sebagai berikut := . ( − ). , − 0,5 . . . − 0.5( + )= ( − ). , − 0.5 . . − 0.5( + ) + . .= . . (2.15)
Untuk Fch pada pompa radial sangat kecil sehingga bisa diabaikan.
, = , = − 0,25. ∆ (2.16)
dengan:
Pd2,bs = initial pressure pada impeller outer periphery sisi back shroud,
Pd2,fs = initial pressure pada impeller outer periphery sisi front shroud,
Pd = discharge pressure,
Δptot = perbedaan tekanan total pompa,
Untuk perhitungan koefisien pada front shroud dan back shroud= (2.17)= (2.18)
dengan:
β = fluid angular speed,
ω = impeler shroud angular speed,
Jika data – data yang ada tidak lengkap maka perhitungan gaya aksial dapat
diprediksi menggunakan persamaan sebagai berikut:= (0,7~0,9). ∆ . . ( − ) (2.19)
21
Gambar 2.15 Radial flow impeler. [7]
Pada pompa terdapat disain yang memungkinkan gaya aksial yang bekerja
dalam kondisi minimum seperti ditunjukkan pada gambar 2.16 sampai gambar
2.19.
Gambar 2.16. Balancing hole pada impeller.[7]
Gambar 2.17. Double entry impeller.[7]
22
Gambar 2.18. Susunan back to back impeller.[7]
Gambar 2.19. Balancing disc multistage pump dengan susunan impeler seri [7]
2.3.3. Radial Dynamic Force
Gaya radial dinamis pada pompa dapat disebabkan oleh hydraulic
unbalance dan blade passing dynamic force. Untuk hydraulic unbalance yang
disebabkan oleh deviasi geometri antara individual impeler channel menimbulkan
distribusi tekanan non-uniform pada impeler outlet yang berotasi pada rotor speed
dan menyebabkan synchronous vibration yang menghasilkan radial hydraulic
force yang memiliki efek yang sama dengan mechanical unbalance. Sedangkan
blade passing dynamic force disebabkan perubahan tiba-tiba distribusi tekanan
pada impeller outlet ketika melalui diffusser blade. Frekuensi blade passing force
ini adalah kelipatan putaran poros terhadap jumlah blade pada impeller.
Radial dynamic force ini dapat dihitung sebagai berikut:= . . . . . (2.20)
dengan:
Fd = impeller dynamic force,
kd = hydraulic dynamic coefficient factor,
ρ = fluid density,
H = Head,
23
d2 = impeler outlet diameter,
B2 = Impeler outlet width (termasuk shroud).
Tabel 2.1. Hydraulic dynamic coefficient factor (Kd). [11]
2.4. Variable Speed Fluid Coupling
2.4.1. Prinsip Kerja Variable Speed Fluid Coupling
Primary shaft dan primary wheel terhubung secara permanen satu sama
lain. Demikian juga untuk secondary shaft dan secondary wheel. Primary shaft
terhubung ke mesin penggerak dalam hal ini berasal dari motor elektrik melalui
transmisi roda gigi. Sedangkan secondary shaft terhubung ke mesin yang
digerakkan, dalam hal ini adalah boiler feed pump. Ada dua sirkuit dalam sistim
ini yaitu working oil dan lube oil, dimana sirkuit dua saluran tersebut terpisah satu
sama lain. Working oil bersirkulasi didalam working chamber. Untuk lube oil
bersirkulasi melumasi radial bearing dan thrust bearing. Working oil pump dan
lube oil pump digerakkan secara mekanis oleh input shaft melalui mekanisme
gear variable speed coupling. Juga terdapat auxiliary lube oil pump yang
digerakkan oleh motor elektrik, dimana berfungsi pada saat start up, shut down
maupun pada saat fungsi pelumasan sendiri tidak dapat bekerja dengan optimal.
24
Gambar 2.20 Variable speed fluid coupling pada PLTU Paiton Baru. [8]
Tabel 2.2 Bagian – bagian dari variable speed coupling pada Gambar 2.20.
1. Housing with oil
reservoir
11. Thrust bearing 21. Pressure relieve valve
(working oil)
2. Input shaft 12. Radial bearing 22. Pressure relieve valve
control and lube oil
3. Gear dan Pinion 13. Mech oil pump 23. Duplex oil filter
4. Primary shaft 14. Mech lube oil pump 24. HE (lube oil)
5. Primary wheel 15. Aux lube oil pump with
electric motor
25. Heat exchanger
(working oil)
6. Secondary shaft 16. Scoop tube 26. Instruments
7. Secondary wheel 17. VHES position control unit 27. Check valve
8. Shell 18. Positioning cylinder 28. Adjustable orifice
9. Working
chamber
19. Position sensor (scoop
tube)
10. Scoop chamber 20. Oil circulation valve
25
2.4.2. Transmisi Daya pada Variable Speed Fluid Coupling
Prinsip kerja transmisi daya pada geared variable speed coupling adalah :
1. Menghubungkan coupling antara mesin penggerak (motor elektrik) dan
geared variable speed coupling.
2. Melalui step-up gear unit antara input shaft dan primary shaft.
3. Secara hidrodinamis melalui working oil antara primary wheel dan
secondary wheel.
4. Melalui coupling penghubung antara mesin penggerak dan geared
variable speed coupling.
Daya dari mesin penggerak (motor elektrik) ditransmisikan ke primary
wheel (berfungsi sebagai pompa) ke working oil, working oil ini akan dipercepat
di primary wheel, dimana energi mekanik dikonversikan ke energi aliran fluida.
Secondary wheel (berfungsi sebagai turbin) menerima energi dari aliran fluida dan
mengkonversikannya ke dalam energi mekanik. Energi ini yang ditransmisikan ke
mesin yang digerakkan dalam hal ini adalah boiler feed pump. Torsi dari primary
wheel identik dengan torsi pada secondary wheel. Dikarenakan adanya slip,
kecepatan pada secondary wheel lebih rendah daripada primary wheel, sebesar= 1 − . 100% (2.21)
Dengan:
n2 = kecepatan secondary wheel,
n1 = kecepatan primary wheel.
Daya yang hilang akibat slip ini akan menghasilkan panas yang akan
diserap oleh working oil, working oil ini akan didinginkan oleh cooler.
Working oil akan mengalir kedalam working chamber melalui oil
circulation valve dan menghasilkan gaya sentrifugal, posisi pada scoop tube akan
menentukan besarnya gaya sentrifugal yang dihasilkan. Besarnya gaya sentrifugal
ini akan menentukan besaranya putaran yang dihasilkan.
26
2.5. Simulasi Matlab
Simulink pada Matlab adalah salah satu fitur dari Matlab untuk
mensimulasi suatu desain atau model yang bersifat dinamis, simulasi ditujukan
untuk mengukur kinerja dari suatu desain atau model sistem yang telah dirancang
yang sesuai hasil yang diinginkan.
Proses simulasi dengan menggunakan Simulink diawali dengan membuat
persamaan matematika dari model. Hasil dari persamaan matematika tersebut
diubah kedalam bentuk state variable. Selanjutnya state variable diterjemahkan
kedalam block diagram pada Simulink matlab. Berikut ditampilkan gambar
contoh block diagram.
Gambar 2.21 Contoh block diagram Simulink matlab. [10]
Setelah state variable diterjemahkan ke dalam block diagram, seluruh
parameter yang diketahui di input dan di running agar respon pada model dapat
dilihat hasilnya.
2.6. Standar Pengukuran Vibrasi
Standar untuk pengukuran dan evaluasi mechanical vibration pada mesin
menggunakan standar ISO 10816-3. Standar ini menyediakan panduan vibration
saverity untuk menentukan batasan-batasan toleransi vibrasi yang diijinkan saat
beroperasi.
27
Gambar 2.22. Batas nilai vibrasi ISO 10816-1. [12]
28
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Langkah – Langkah Penelitian
Penelitian ini dilakukan di PLTU Paiton Baru. Berikut ini diagram alir
penelitian secara umum.
Ya
Validasi Tren hasilSimulasi danEksperimen
Tidak
Pemodelan dinamisBoiler feed pump motor
Pengumpulan DataTeknis Mesin
Eksperimen PengukuranGetaran pada Mesin
Sebenarnya pada kondisiBeban Sebagian dan beban
maksimum
Simulasi denganSoftware Simulink
Pengambilan DataTekanan pada Kondisi
beban sebagian dan bebanmaksimum
A
Studi Literatur
Mulai
29
3.1.1. Studi Literatur
Langkah yang dilakukan adalah mengumpulkan literatur dari penelitian
sebelumnya, melakukan observasi di lapangan dalam hal ini di PLTU Paiton
Baru, kemudian merumuskan permasalahan yang ada dan mencari solusi dari
penelitian terbaru dan teori yang terkait dengan permasalahan yang ada.
3.1.2. Pengumpulan Data Teknis Mesin
3.1.2.1. Spesifikasi Booster Pump
Item Unit Spesifikasi
Manufaktur N/A Shenyang Blower (Group) Co. Ltd
Structure Type N/A Single Stage, double suction volute pump
Flow Rate Ton/Jam 686
Head Meter 106
Speed RPM 1480
Inlet Temperature °C 174,5
Inlet Pressure Mpa 1,144
Efisiensi % 79
3.1.2.2. Spesifikasi Boiler Feed Pump
Item Unit Spesifikasi
Manufaktur N/A Shenyang Fan Machinery Inc.
Structure Type N/A Double Casing, multistage pump
Analisis Hasil
Kesimpulan
A
Mulai
30
Flow Rate M3/Jam 613
Head Meter 2100
Shaft Power kW 4690
Speed RPM 6110
Inlet Temperature °C 174,5
Inlet Pressure Mpa 1,529
Outlet Pressure Mpa 20,79
Efisiensi % 80,8
3.1.2.3. Spesifikasi Variable Speed Fluid Coupling
Item Unit Spesifikasi
Input Speed r/men 1480
Output Speed r/men 6250
Regulation range % 25 ~ 100%
3.1.2.4. Data Teknis Pemodelan
Properties Satuan Nilai
Boiler feed pump
Diameter Poros mm 11
Lebar Shroud mm 4,4
Diameter Impeler mm 31,4
Variable speed coupling
Diameter Poros Input cm 11,9
Diameter gear cm 63,8
Tebal gear cm 28,1
Diameter Wheel cm 49,7
Lebar Wheel cm 16,2
Diameter Pinion cm 19,5
Tebal Pinion cm 28,1
Diameter Poros Gear cm 10,3
31
Booster pump
Diameter Poros cm 8,1
Diameter Impeler cm 40,1
Lebar Shroud cm 7,5
3.1.3. Eksperimen Pengukuran Getaran Pada Mesin Sebenarnya
Dalam penelitian ini dilakukan eksperimen yaitu dengan mengukur
getaran yang terjadi pada boiler feed pump motor. Data dari hasil eksperimen ini
kemudian dibandingkan dengan data hasil simulasi software simulink.
Vibration Meter,Boiler feed pump
Penyetingan Probe Vibration Meterpada posisi pengukuran yang benar
(arah Vertikal, Horisontal)
Pengambilan Data Getaran Padakondisi pembebanan separuh dan
beban maksimum feedwater system
Menentukan TitikPengukuran Getaran
pada Bearing
A B
Mulai
32
3.1.3.1. Alat Ukur Yang digunakan
Gambar 3.1 menunjukkan alat ukur yang digunakan pada penelitian ini.
Gambar 3.1. Alat Ukur Vibrasi CSI 2130
Hasil Pengukurankonsisten untuk 5 kali
pengambilan data
Tidak
Ya
Data Pengukuran
A B
Selesai
33
3.1.3.2. Lokasi Pengukuran Vibrasi
Lokasi pengukuran vibrasi ditunjukkan pada gambar 3.2 dan gambar 3.3.
Gambar 3.2. Lokasi Pengukuran pada BFP
Gambar 3.3. Lokasi Pengukuran pada Booster Pump
Suction
Discharge
VertikalVertikal
HorizontalHorizontal
HorizontalHorizontal
VertikalVertikal
34
3.1.4. Pengambilan Data Tekanan Pada Kondisi Beban sebagian dan Beban
Maksimum
Pengambilan tekanan pada sisi discharge dan sisi suction masing – masing
pompa, data yang diambil meliputi tekanan maksimum dan minimum pompa,
jumlah frekuensi putaran poros masing – masing pompa.
Gambar 3.4. Lokasi Pengukuran Tekanan pada pompa
3.1.5. Pemodelan Dinamis Mesin dan Simulasi dengan Software Simulink
Pemodelan dinamis pompa diperlukan untuk mengetahui respon getaran
terhadap gaya eksitasi yang terjadi. Pemodelan dinamis dilakukan menggunakan
software simulink. Langkah – langkah pemodelan dinamis seperti digambarkan
pada diagram alir berikut ini.
Model Fisik,Spesifikasi Pompa
PIPI
Suction
Discharge
Alat Ukur
Alat Ukur
A
Mulai
35
Pembuatan ModelMatematika Pompa
Penurunan PersamaanGerak
Penurunan PersamaanState Variable
PembuatanBlok Simulink
Simulasi
Respon GerakTranslasi Radial
Vertikal dan horisontal
A
Validasi dengan hasileksperimen
Selesai
36
3.1.5.1 Pembuatan Model Matematika Pompa
Model matematika pompa dibuat untuk menurunkan persamaan gerak
pada mesin tersebut. Dalam penelitian ini model matematika dibuat seperti yang
ditunjukkan pada gambar berikut.
(a). Top View
(b). Front View
Gambar 3.5. Model Matematis Pompa
3.1.5.2. Penurunan Persamaan Gerak
Untuk menurunkan persamaan gerak perlu dibuat diagram benda bebas
yang menggambarkan massa – massa yang terlibat, gaya – gaya eksternal yang
bekerja, gaya reaksi dan gaya inersia. Kemudian diturunkan persamaan gerak
sistem berdasarkan hukum kedua Newton mengenai gerak yaitu:= = 3.1.5.3. Penurunan Persamaan State Variable
Dari persamaan gerak tersebut kemudian dibuat persamaan state variable
yaitu suatu set persamaan dimana persamaan tersebut dalam bentuk persamaan
diferensial ordo satu yang mana sisi kanan persamaan tersebut adalah fungsi
aljabar dari state variable dan input. Kemudian dari state variable bisa ditentukan
37
juga persamaan output sistem. Persamaan state variable ini akan digunakan untuk
membuat blok diagram pada software simulink.
3.1.5.4. Pembuatan Block Diagram dan Simulasi dengan Simulink
Setelah mendapatkan state variable dari setiap free body diagram, maka
selanjutnya dapat membangun block diagram pada simulink.
Dengan memasukkan nilai koefisien dan gaya eksitasi ke dalam blok
diagram yang telah dibangun pada simulink, selanjutnya dapat kita eksekusi untuk
mendapatkan respon getaran sistem. Respon getaran yang didapatkan berupa
velocity.
3.1.6. Validasi Hasil Simulasi dan Eksperimen
Pada tahap ini respon getaran yang dihasilkan dari simulasi dibandingkan
trennya dengan hasil eksperimen. Tren yang dibandingkan adalah tren terhadap
kondisi pembebanan, tren arah horizontal dan arah vertikal, serta tren sisi
outboard dan sisi inboard, Kesesuaian tren hasil simulasi dan eksperimen
menunjukkan validitas hasil penelitian.
3.1.7. Analisa Hasil
Dari hasil simulasi numerik akan didapatkan data mengenai respon getaran
sistim. Output respon getaran sistim akan bergantung dari kondisi pembebanan
sistim. Dari grafik respon getaran dianalisis dan disimpulkan.
38
BAB IV
HASIL EKSPERIMEN
4.1. Hasil Pengukuran Pada Boiler Feed Pump
Pengukuran pada peralatan dilakukan pada 2 kondisi beban, yaitu pada
kondisi beban parsial dan kondisi beban maksimum. Pengambilan data pada
beban parsial dilakukan pada tanggal 4 Agustus 2014, sedangkan untuk beban
maksimum dilakukan pada tanggal 5 Agustus 2014. Untuk beban maksimum
tekanan discharge Boiler Feed Pump sebesar 15.31 Mpa (153.1 bar) dan flowrate
sebesar 570.95 ton/jam, untuk beban parsial tekanan discharge Boiler Feed Pump
sebesar 2.97 Mpa (29.72 bar) dan flowrate 208.57 ton/jam. Besarnya frekuensi
putaran poros pada beban maksimum Boiler Feed Pump adalah 5082 rpm atau
sebesar 84.7Hz, pada beban parsial besarnya frekuensi putaran poros Boiler Feed
Pump adalah 1715 rpm atau sebesar 28.58 Hz.
a. Beban Maksimum
b. Beban Parsial
Gambar 4.1. BFPM Inboard Horizontal
39
a. Beban Maksimum
b. Beban Parsial
Gambar 4.2. BFPM Inboard Vertikal
a. Beban Maksimum
40
b. Beban Parsial
Gambar 4.3. BFPM Outboard Horizontal
a. Beban maksimum
b. Beban Parsial
Gambar 4.4. BFPM Outboard Vertical
41
4.2. Hasil Pengkuran Pada Booster Pump
Waktu pengambilan data pada booster pump sama dengan boiler feed
pump yaitu dilakukan pada 2 kondisi beban, yaitu beban minimum pada tanggal 4
Agustus 2014 dan beban maksimum pada tanggal 5 Agustus 2014. Untuk beban
maksimum tekanan discharge Booster Pump sebesar 1.27 Mpa (12.69 bar) dan
flowrate sebesar 570.95 ton/jam, untuk beban minimum tekanan discharge
Booster Pump sebesar 1.46 Mpa (14.646 bar) dan flowrate 208.57 ton/jam.
Besarnya frekuensi putaran poros pada beban maksimum dan minimum Booster
Pump adalah 1494 rpm atau sebesar 24.9 Hz.
a. Beban Maksimum
b. Beban Parsial
Gambar 4.5. Booster Pump Outboard Horizontal
42
a. Beban Maksimum
b. Beban Parsial
Gambar 4.6. Booster Pump Outboard Vertical
a. Beban Maksimum
43
b. Beban Parsial
Gambar 4.7. Booster Pump Inboard Horizontal
a. Beban Maksimum
b. Beban Parsial
Gambar 4.8. Booster Pump Inboard vertical
44
4.3. Analisa dan Pembahasan
Dari spektrum pada gambar 4.1 sampai gambar 4.4 menunjukkan bahwa
terdapat kecenderungan makin dominannya frekuensi pada 1x putaran (84.7 Hz)
pada beban maksimum dibanding pada beban parsial untuk semua titik
pengukuran. Sedangkan dari spektrum pada gambar 4.5 hingga gambar 4.8,
frekuensi pada spektrum didominasi oleh frekuensi pada 4x, 8x, dan 12x putaran
poros. Karakteristik harmonik pada frekuensi ini mengindikasikan frekuensi blade
passnya.
Tabel 4.1. RMS Velocity Hasil Eksperimen
Gambar 4.9. Grafik RMS velocity hasil eksperimen BFPM
Keterangan gambar :OH = Outboard HorizontalOV = Outboard VertikalIH = Inboard HorizontalIV = Inboard Vertical
Frekuensi Velocity (mm/s) Frekuensi Velocity (mm/s)Horizontal 1x (28.58 Hz) 0.1 1x (84.7 Hz) 0.37Vertikal 1x (28.58 Hz) 0.1 1x (84.7 Hz) 0.38Horizontal 1x (28.58 Hz) 0.05 1x (84.7 Hz) 0.3Vertikal 1x (28.58 Hz) 0.06 1x (84.7 Hz) 0.37Horizontal 4x (99.6 Hz) 1.9 4x (99.6 Hz) 1Vertikal 4x (99.6 Hz) 8.5 4x (99.6 Hz) 3.8Horizontal 4x (99.6 Hz) 0.75 4x (99.6 Hz) 0.7Vertikal 4x (99.6 Hz) 3.05 4x (99.6 Hz) 1.65
Maksimum LoadParsial Load
BoosterPump
BFPMOutboard
Inboard
Outboard
Inboard
OH OV IH IV
Parsial Load 0.1 0.1 0.05 0.06
Maximum Load 0.37 0.38 0.3 0.37
0.1 0.10.05 0.06
0.37 0.38
0.3
0.37
00.05
0.10.15
0.20.25
0.30.35
0.4
RMS
(mm
/s)
Hasil Pengukuran (BFPM)
45
Dari Tabel 4.1. dan Gambar 4.9 menunjukkan trend nilai rms velocity
Boiler Feed Pump pada beban maksimum lebih besar daripada saat beban
minimum, hal ini disebabkan oleh gaya radial dinamis akibat hidraulic unbalance
yang makin dominan jika head impeler mendekati kisaran 400m atau lebih [11].
Sedangkan trend vibrasi pada arah vertikal lebih besar daripada arah horizontal
dan juga trend vibrasi pada sisi outboard lebih tinggi daripada sisi inboard. Secara
umum menurut standar ISO 10816-7 rms velocity pada boiler feed pump masih
dibawah ambang batas yang diijinkan yaitu 11mm/s dengan kategori A.
Gambar 4.10. Grafik RMS velocity hasil eksperimen booster pump.
Keterangan gambar :OH = Outboard HorizontalOV = Outboard VertikalIH = Inboard HorizontalIV = Inboard Vertical
Dari Tabel 4.1. dan gambar 4.10 menunjukkan bahwa trend vibrasi
booster pump pada beban parsial (flowrate feedwater minimum) nilai rms
velocitynya secara keseluruhan lebih tinggi daripada saat beban maksimum. Nilai
maksimum terdapat pada beban minimum untuk sisi vertikal outboard sebesar 8.5
mm/s. Sedangkan trend vibrasi pada arah vertikal secara umum lebih besar
daripada arah horizontal dan juga trend vibrasi pada sisi outboard lebih tinggi
daripada sisi inboard. Nilai vibrasi yang lebih besar pada arah vertikal
OH OV IH IV
Parsial Load 1.9 8.5 0.75 3.05
Maximum Load 1 3.8 0.7 1.65
1.9
8.5
0.75
3.05
1
3.8
0.71.65
0123456789
RMS
(mm
/s)
Hasil Pengukuran (Booster Pump)
46
dibandingkan pada arah horizontal disebabkan karena fluktuasi tekanan pada sisi
vertikal yang lebih tinggi dibanding sisi horizontal [1].
Berdasarkan standar ISO 10816-7 nilai maksimum rms booster pump
sebesar 8.5 mm/s masih dibawah ambang batas aman yaitu 11mm/s dengan
kategori C yaitu masih dapat ditoleransi.
47
BAB V
PEMODELAN MATEMATIS DAN SIMULASI
5.1. Pemodelan Matematis Peralatan
Sistem yang dimodelkan terdiri dari 1 buah boiler feed pump (ditunjukkan
pada gambar 5.1b dan gambar 5.3a), 1 buah variable speed fluid coupling
(ditunjukkan pada gambar 5.2a dan gambar 5.4), 1 buah motor, dan 1 buah
booster pump tipe double entry (gambar 5.2b dan gambar 5.3b).
Gambar 5.1 hingga gambar 5.4 menunjukkan model fisik peralatan yang akan
dimodelkan.
a. Gambar Seluruh Peralatan
b. Boiler Feed Pump
Gambar 5.1. Gambar Peralatan Boiler Feed Pump
BFPMFluid Coupling
Motor
48
Boiler feed pump merupakan variable speed pump, dimana putaran pompa
mengikuti kebutuhan beban (flowrate) dari feedwater system. Makin tinggi
flowrate yang dibutuhkan maka putaran pompa akan semakin cepat. Kendali dari
kecepatan pompa dilakukan oleh variable speed fluid coupling dimana makin
penuh minyak yang mengisi primary dan secondary wheel maka kecepatan output
putaran akan semakin tinggi.
a. Variable Speed Fluid Coupling
b. Booster Pump
Gambar 5.2. Gambar Peralatan Fluid Coupling dan Booster Pump
49
a. Boiler Feed Pump
b. Booster Pump
Gambar 5.3. Cross Section Pompa. [9]
Boiler feed pump pada gambar 5.4 terdiri dari 4 buah impeller, dengan 2
buah journal bearing pada sisi outboard dan inboard, untuk Booster pump terdiri
dari single impeller double suction yang ditumpu oleh sebuah ball bearing pada
sisi inboard dan 2 buah ball bearing pada sisi outboard.
50
Gambar 5.4. Cross Section Variable Speed Fluid Coupling. [8]
Gambar 5.5 menunjukkan bentuk fisik bearing yang digunakan, dimana
spesifikasi journal bearing adalah radial bearing 95 (5105 x 12P25) dengan
diameter 92 mm dan lebar 93 mm. Untuk ball bearing memiliki spesifikasi 7314
BECBP Angular dengan inner diameter 70 mm, outer diameter 150 mm,
thickness 35 mm.
a. Journal Bearing b. Ball Bearing
Gambar 5.5. Bearing yang digunakan.
51
Gambar 5.6. Sketsa susunan peralatan Boiler feed pump front view.
Gambar 5.6 menunjukkan sketsa susunan peralatan boiler feed pump yang
akan dimodelkan secara matematis. Model matematis sistim dibuat dalam satu
pandangan saja yaitu pandangan atas (arah horizontal pada bidang XZ) karena
untuk pandangan depan (arah vertikal pada bidang YZ) memiliki inersia yang
sama dengan bidang XZ. Sistem dibagi menjadi 2 bagian terpisah yaitu bagian
boiler feed pump dan yang lainnya adalah pinion, gear, booster pump yang
menjadi satu kesatuan dimana masing-masing terdiri dari 2 degree of freedom
(D.O.F). Sistem dipisah menjadi 2 bagian tersebut karena gaya eksitasi pada
impeller boiler feed pump tidak mempengaruhi pinion karena secara mekanisme
variable speed fluid coupling hanya meneruskan gaya torsional akibat tekanan
minyak pada fluid coupling. Sedangkan gaya eksitasi pada booster pump
mempengaruhi respon getaran pada gear dan pinion hal ini disebabkan karena
coupling bersifat rigid serta adanya gaya kontak gear dan pinion.
Untuk bagian boiler feed pump ditumpu oleh 3 buah journal bearing,
bagian pinion ditumpu oleh 2 buah journal bearing, untuk motor ditumpu oleh
ball bearing, untuk booster pump ditumpu oleh 1 buah angular ball bearing pada
sisi inboard dan 2 buah angular ball bearing pada sisi outboard.
Model matematis peralatan dalam pandangan atas dan pandangan depan
ditunjukkan pada gambar 5.7.
51
Gambar 5.6. Sketsa susunan peralatan Boiler feed pump front view.
Gambar 5.6 menunjukkan sketsa susunan peralatan boiler feed pump yang
akan dimodelkan secara matematis. Model matematis sistim dibuat dalam satu
pandangan saja yaitu pandangan atas (arah horizontal pada bidang XZ) karena
untuk pandangan depan (arah vertikal pada bidang YZ) memiliki inersia yang
sama dengan bidang XZ. Sistem dibagi menjadi 2 bagian terpisah yaitu bagian
boiler feed pump dan yang lainnya adalah pinion, gear, booster pump yang
menjadi satu kesatuan dimana masing-masing terdiri dari 2 degree of freedom
(D.O.F). Sistem dipisah menjadi 2 bagian tersebut karena gaya eksitasi pada
impeller boiler feed pump tidak mempengaruhi pinion karena secara mekanisme
variable speed fluid coupling hanya meneruskan gaya torsional akibat tekanan
minyak pada fluid coupling. Sedangkan gaya eksitasi pada booster pump
mempengaruhi respon getaran pada gear dan pinion hal ini disebabkan karena
coupling bersifat rigid serta adanya gaya kontak gear dan pinion.
Untuk bagian boiler feed pump ditumpu oleh 3 buah journal bearing,
bagian pinion ditumpu oleh 2 buah journal bearing, untuk motor ditumpu oleh
ball bearing, untuk booster pump ditumpu oleh 1 buah angular ball bearing pada
sisi inboard dan 2 buah angular ball bearing pada sisi outboard.
Model matematis peralatan dalam pandangan atas dan pandangan depan
ditunjukkan pada gambar 5.7.
51
Gambar 5.6. Sketsa susunan peralatan Boiler feed pump front view.
Gambar 5.6 menunjukkan sketsa susunan peralatan boiler feed pump yang
akan dimodelkan secara matematis. Model matematis sistim dibuat dalam satu
pandangan saja yaitu pandangan atas (arah horizontal pada bidang XZ) karena
untuk pandangan depan (arah vertikal pada bidang YZ) memiliki inersia yang
sama dengan bidang XZ. Sistem dibagi menjadi 2 bagian terpisah yaitu bagian
boiler feed pump dan yang lainnya adalah pinion, gear, booster pump yang
menjadi satu kesatuan dimana masing-masing terdiri dari 2 degree of freedom
(D.O.F). Sistem dipisah menjadi 2 bagian tersebut karena gaya eksitasi pada
impeller boiler feed pump tidak mempengaruhi pinion karena secara mekanisme
variable speed fluid coupling hanya meneruskan gaya torsional akibat tekanan
minyak pada fluid coupling. Sedangkan gaya eksitasi pada booster pump
mempengaruhi respon getaran pada gear dan pinion hal ini disebabkan karena
coupling bersifat rigid serta adanya gaya kontak gear dan pinion.
Untuk bagian boiler feed pump ditumpu oleh 3 buah journal bearing,
bagian pinion ditumpu oleh 2 buah journal bearing, untuk motor ditumpu oleh
ball bearing, untuk booster pump ditumpu oleh 1 buah angular ball bearing pada
sisi inboard dan 2 buah angular ball bearing pada sisi outboard.
Model matematis peralatan dalam pandangan atas dan pandangan depan
ditunjukkan pada gambar 5.7.
52
a. Top View
b. Front View
Gambar 5.7. Model Matematis Boiler Feed Pump
5.1.1. Free Body Diagram
5.1.1.1. Top View BFP
Gambar 5.8. Free Body Diagram BFP
53
5.1.1.2. Top View Pinion
Gambar 5.9. FBD Pinion
5.1.1.3. Top View Gear dan Booster Pump
Gambar 5.10. FBD Gear dan Booster
5.1.2. Persamaan Gerak
5.1.2.1. Persamaan Gerak BFP Arah Sumbu-X= − − − 2 − − − 2 − = 0
54
− ( + ) − ( + ) − 2 ( − ) −− + − + − 2 − − = 0 (5.1)
Persamaan state Variabel : = = = − ( + ) − ( + ) − 2 ( −) − + − + − 2 − (5.2)
5.1.2.2. Persamaan Gerak BFP terhadap Pusat Massa∑ = − ( + ) − ( + ) − 2 ( − ) − + − + − 2 − − = 0(5.3)
State variable: = = − ( + ) − ( + ) −( − ) − + − + − −) (5.4)
5.1.2.3. Persamaan Gerak Pinion Arah Sumbu-X= 0+ + + + − = 0( − ) + ( + ) + − + + + − = 0 (5.5)
Persamaan state variabel, = =
55
= − ( − ) − ( + ) − − − + (5.6)
Besarnya gaya kontak Frcx pada pinion akibat gaya kontak dari
gear booster pump adalah,= ( − ) + ( − ) + ( − ) +( + ) + ( + ) + ( + ) + − + − + − + + + + + + + − (5.7)
Sehingga persamaan gerak pinion terhadap sumbu-x menjadi,
= ( − ) + ( − ) + ( − ) +( + ) + ( + ) + ( + ) + − + − + − + + + + + + + − − ( − ) −( + ) − − − + (5.8)
5.1.2.4. Persamaan Gerak Pinion terhadap Pusat Massa∑ = − − ( − ) − ( + ) − − − + = 0 (5.9)
State variable: = = − ( − ) − ( + ) − − − + (5.10)
Besarnya gaya kontak Frcx pada pinion akibat gaya kontak dari
gear booster pump terhadap pusat massanya adalah,
56
= − − ( − ) −( − ) − ( − ) − ( + ) − ( +) − ( + ) − − − − − − − + − + − + (5.11)
Sehingga persamaan gerak pinion terhadap sumbu-x menjadi,
= − − − ( − ) −( − ) − ( − ) − ( + ) − ( +) − ( + ) − − − − − − − + − + − + − ( − ) − ( + ) − − − + (5.12)
5.1.2.5. Persamaan Gerak Booster Pump Terhadap Sumbu-X= + − − − − − −− − − − − − − = 0 + − ( − ) − ( − ) − ( − ) −( + ) − ( + ) − ( + ) − − − − − − − + − + − + − = 0 (5.13)
State variable: = =
57
= + − ( − ) − ( − ) −( − ) − ( + ) − ( + ) − ( + ) − − − − − − − + − + − + (5.14)
Besarnya gaya kontak Frcx pada Gear akibat dari gaya kontak
Pinion adalah= ( − ) + ( + ) + − + + + (5.15)
Sehingga persamaan gerak massa booster pump menjadi
= + ( − ) + ( + ) + − + + + − ( − ) −( − ) − ( − ) − ( + ) − ( + ) −( + ) − − − − − − − + − + − + (5.16)
5.1.2.6. Persamaan Gerak Booster pump terhadap Pusat Massa∑ = 0 + ( − ) + ( − ) + ( − ) +( + ) + ( + ) + ( + ) + − + − + − + +) + + + + + −= 0 (5.17)
State variable: = = − − ( − ) −( − ) − ( − ) − ( + ) − ( +) − ( + ) − − − − −
58
− − + − + − + (5.18)
Besarnya gaya kontak Frcx pada Gear akibat dari gaya kontak
Pinion adalah= + ( − ) + ( + ) + − + + (5.19)
Sehingga persamaan gerak massa booster terhadap pusat massanya = − + ( − ) +( + ) + − + + − ( −) − ( − ) − ( − ) − ( + ) −( + ) − ( + ) − − − − − − − + − +) − + (5.20)
5.1.3. Parameter Model
Tabel 5.1. Menunjukkan parameter yang diinputkan kedalam block
diagram.
Tabel 5.1. Parameter Boiler Feed Pump
Model Parameter Symbol Nilai Parameter
Frekuensi (Max/Min) Rpm 5082 / 1715
Frekuensi (Max/Min) Hz 84.7 / 28.58
Frekuensi (Max/Min) Rad/detik 531.916 / 179.503
Massa M 424.573 Kg
Inersia I 239011.923
Jarak Outboard JB thd CG L1 1.447 m
Jarak Inboard JB thd CG L2 0.10628 m
Jarak JB FC thd CG L3 0.82365 m
59
Jarak Fr thd CG LA 0.75004 m
Kekakuan Journal Brg BFP K1 900,000,000 N/m
Kekakuan Journal Brg BFP K2 900,000,000 N/m
Kekakuan Journal Brg FC K3 900,000,000 N/m
Damping Coef Journal Brg B1 10,000 Ns/m
Damping Coef Journal Brg B2 10,000 Ns/m
Damping Coef Journal Brg B3 10,000 Ns/m
Tabel 5.2. Parameter Pinion
Model Parameter Symbol Nilai Parameter
Massa m 201.587 Kg
Inersia I 2912.3034
Jarak JB FC thd CG L4 0.07088 m
Jarak JB FC thd CG L5 0.40647 m
Jarak Gaya Kontak thd CG LB 0.19366 m
Kekakuan Journal Brg K4 900,000,000 N/m
Kekakuan Journal Brg K5 900,000,000 N/m
Damping Coef Journal Brg B4 10,000 Ns/m
Damping Coef Journal Brg B5 10,000 Ns/m
Tabel 5.3. Parameter Gear dan Booster Pump
Model Parameter Symbol Nilai Parameter
Frekuensi (Max/Min) Rpm 1494
Frekuensi (Max/Min) Hz 24.9
Frekuensi (Max/Min) Rad/detik 156.372
Massa M 1673.55 Kg
Inersia I 1603170.448
Jarak JB Outboard thd CG L6 1.9286 m
Jarak Gaya Kontak thd CG L7 1.45808
Jarak JB Inboard thd CG L8 0.3501 m
Jarak Ball Brg thd CG L9 2.43177 m
60
Jarak Ball Brg thd CG L10 3.30985 m
Jarak Ang Ball Brg Inboard thd CG L11 4.22783 m
Jarak Gaya Radial thd CG LC 1.67125 m
Jarak Ang Ball Brg Outboard thd CG LD 3.76622 m
Kekakuan Journal Brg K6 900,000,000 N/m
Kekakuan Journal Brg K7 900,000,000 N/m
Kekakuan Ball Brg K8 600,000,000 N/m
Kekakuan Ball Brg K9 600,000,000 N/m
Kekakuan Ball Brg K10 600,000,000 N/m
Kekakuan Ball Brg K11 600,000,000 N/m
Damping Coef Journal Brg B6 10,000 Ns/m
Damping Coef Journal Brg B7 10,000 Ns/m
Damping Coef Ball Brg B8 11,000 Ns/m
Damping Coef Ball Brg B9 11,000 Ns/m
Damping Coef Ball Brg B10 11,000 Ns/m
Damping Coef Ball Brg B11 11,000 Ns/m
5.2. Pemodelan Pada Simulink
Persamaan gerak yang telah dibuat dibuat dalam bentuk block diagram,
dalam hal ini terdapat 2 buah block diagram. Block diagram yang pertama adalah
memodelkan respon getaran yang terjadi pada boiler feed pump akibat excitasi
harmonik yang disebabkan oleh hydraulic unbalance pada impeller boiler feed
pump. Hydraulic unbalance ini bekerja pada frekuensi 1 kali putaran porosnya.
Untuk block diagram yang kedua adalah memodelkan respon getaran yang terjadi
pada booster pump akibat excitasi harmonik yang disebabkan oleh blade pass
force pada impeller booster pump. Antara block diagram pada boiler feed pump
dan block diagram pada booster pump dibuat terpisah karena tidak saling
mempengaruhi satu sama lainnya.
61
5.2.1. Block Diagram Boiler Feed Pump
Gambar 5.11. Block Diagram Boiler Feed Pump
5.2.2. Block Diagram Gear Pinion dan Booster Pump
Gambar 5.12. Block Diagram Booster Pump
62
5.3. Perhitungan Eksitasi Harmonik Gaya Radial Dinamis
Pengambilan data dilakukan di PLTU Paiton Baru (unit 9) pada tanggal 4
Agustus 2014 untuk beban minimum dan pada tanggal 5 Agustus 2014 untuk
beban maksimum.
5.3.1. Gaya Radial Dinamis pada Boiler Feed Pump
Tabel 5.4 dan tabel 5.5 menunjukkan data yang digunakan untuk
perhitungan gaya eksitasi harmonik pada impeller pompa. Gaya radial
pada sisi vertikal memiliki faktor koreksi 20% lebih tinggi dibanding sisi
horizontal [Attia Khalifa (2009)].
Tabel 5.4. Parameter Perhitungan Gaya Radial Dinamis BFP
Parameter Simbol Nilai Parameter
Konstanta Hidrolik (Max/Min) Kd 0.005 / 0.02
Density @153.1 bar; 138.9˚C ρ 931.13 Kg/m3
Density @100˚C Ρ 960 Kg/m3
Gravitasi G 9.8 m/s2
Diameter Impeler BFP D2 0.31375 m
Lebar Shroud BFP B2 0.0441 m
Jumlah Impeler BFP - 4
Suction Pressure (Max/Min) Psuct 12.69 / 14.646 bar
Discharge Pressure (Max/Min) Pdisc 153.1 / 29.72 bar
Head H 1434.62 m
Perhitungan pada beban maksimum sisi horizontal:= . . . . . . ( )= 0,005 . 931,13 . 9,8 . 1434,62 . 0,31375 . 0,0441 . ( )= 3622,66. ( )Perhitungan pada beban maksimum sisi vertikal:= (0,2 . 3622,66) + 3622,66 . ( )= 4347,19. ( )Perhitungan pada beban minimum sisi horizontal:= . . . . . . ( )
63
= 0,02 . 960 . 9,8 . 154,02 . 0,31375 . 0,0441 . ( )= 1603.9. ( )Perhitungan pada beban minimum sisi vertikal:= (0,2 . 1603.9) + 1603,9 . ( )= 1924,68 . ( )
5.3.2. Gaya Radial Dinamis pada Booster Pump
Tabel 5.5. Parameter Perhitungan Gaya Radial Dinamis Booster Pump
Parameter Simbol Nilai Parameter
Konstanta Hidrolik (Max / Min) Kd 0.1 / 0.2
Density @12.69 bar; 138.9˚C ρ 927.361 Kg/m3
Density @100˚C ρ 960 Kg/m3
Gravitasi g 9.8 m/s2
Diameter Impeler Booster D2 0.401333 m
Lebar Shroud Booster B2 0.074667 m
Suction Pressure (Max/Min) Psuct 2.442 / 2.66 bar
Discharge Pressure (Max/Min) Pdisc 12.69 / 14.646 bar
Head (Max/Min) H 104.71 / 122.47 m
Perhitungan pada beban maksimum sisi horizontal:= . . . . . . ( )= 0,1 . 927,361 . 9,8 . 104,71 . 0,40133 . 0,074667 . ( )= 2851,58 . ( )Perhitungan pada beban maksimum sisi vertikal:= (0,2 . 2851,58). 2851,58 . ( )= 3421,89 . ( )Perhitungan pada beban minimum sisi horizontal:= . . . . . . ( )= 0,2 . 960 . 9,8 . 122,47 . 0,40133 . 0,074667 . ( )= 6905,15. ( )Perhitungan pada beban minimum sisi vertikal:
64
= (0,2 . 6905,15) + 6905,15 . ( )= 8286,18. ( )5.4. Hasil Simulasi
5.4.1. Hasil Simulasi Time Respon dengan Eksitasi Impuls
Gambar 5.13 menunjukkan respon percepatan massa BFPM akibat eksitasi
impuls yang diberikan dengan beban 4347,19 N (maksimum load). Dari grafik
tampak bahwa waktu stabil dicapai pada 1.15 detik.
Gambar 5.13. Grafik Respon Percepatan massa BFPM akibat eksitasi impuls
Gambar 5.14. Grafik respon percepatan booster pump akibat eksitasi impuls
Gambar 5.14 menunjukkan respon percepatan massa Booster Pump akibat
eksitasi impuls yang diberikan dengan beban 8286,18 N. Dari grafik tampak
bahwa waktu stabil dicapai pada 1.2 detik.
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Acce
lera
tion
(m/s
2)
time (s)
Respon Getaran Transient BFPM Acceleration X (Max Load)
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Acc
eler
atio
n (m
/s2)
time (s)
Respon Getaran Transient Booster pump Acceleration X
65
5.4.2. Hasil Simulasi Time Respon Boiler Feed Pump dengan Eksitasi
Harmonik
Gambar 5.14 hingga gambar 5.19 menunjukkan respon getaran boiler feed
pump untuk kondisi flowrate maksimum dengan gaya dinamis 4347,19N arah
vertical dan 3622,66N arah horizontal dengan Head pompa sebesar 1434.62 m
pada frekuensi 84.7 Hz, sedangkan untuk flowrate minimum dengan gaya dinamis
1924,68N arah vertical dan 1603,9N arah horizontal dengan Head pompa sebesar
154.02 m pada frekuensi 28.58 Hz.
Gambar 5.15. BFPM Outboard Horizontal (Maksimum Load)
Gambar 5.16. BFPM Outboard Vertical (Maksimum Load)
1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
BFPM Outboard Horizontal (Max Load)
1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
BFPM Outboard Vertikal (Max Load)
66
Gambar 5.17. BFPM Inboard Horizontal (Maksimum Load)
Gambar 5.18. BFPM Inboard Vertical (Maksimum Load)
Gambar 5.19. BFPM Outboard Horizontal (Parsial Load)
1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
BFPM Inboard Horizontal (Max Load)
1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
BFPM Inboard Vertikal (Max Load)
2 2.02 2.04 2.06 2.08 2.1 2.12 2.14 2.16 2.18 2.2
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
BFPM Outboard Horizontal (Parsial Load)
67
Gambar 5.20. BFPM Outboard Vertical (Parsial Load)
Gambar 5.21. BFPM Inboard Horizontal (Parsial Load)
Gambar 5.22. BFPM Inboard Vertical (Parsial Load)
2 2.02 2.04 2.06 2.08 2.1 2.12 2.14 2.16 2.18 2.2
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
BFPM Outboard Vertikal (Parsial Load)
2 2.02 2.04 2.06 2.08 2.1 2.12 2.14 2.16 2.18 2.2
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
BFPM Inboard Horizontal (Parsial Load)
2 2.02 2.04 2.06 2.08 2.1 2.12 2.14 2.16 2.18 2.2
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
BFPM Inboard Vertikal (Parsial Load)
68
5.4.3. Hasil Simulasi Time Respon Booster Pump dengan Eksitasi Harmonik
Gambar 5.20 hingga gambar 5.25 menunjukkan respon getaran booster
pump untuk kondisi flowrate maksimum dengan gaya dinamis 3421,89N arah
vertical dan 2851,58N arah horizontal dengan Head pompa sebesar 104.71 m
pada frekuensi 99.6 Hz, sedangkan untuk flowrate minimum dengan gaya dinamis
8286,18N arah vertical dan 6905,15N arah horizontal dengan Head pompa
sebesar 122.47 m pada frekuensi 99.6 Hz.
Gambar 5.23. Booster Pump Inboard Horizontal (Maksimum Load)
Gambar 5.24. Booster Pump Inboard Vertical (Maksimum Load)
1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Inboard Horizontal (Max Load)
1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Inboard Vertikal (Max Load)
69
Gambar 5.25. Booster Pump Outboard Horizontal (Maksimum Load)
Gambar 5.26. Booster Pump Outboard Vertical (Maksimum Load)
Gambar 5.27. Booster Pump Inboard Horizontal (Parsial Load)
2.7 2.72 2.74 2.76 2.78 2.8 2.82 2.84 2.86 2.88 2.9
-1
-0.5
0
0.5
1
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Outboard Horizontal (Max Load)
2.8 2.82 2.84 2.86 2.88 2.9 2.92 2.94 2.96 2.98 3-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Outboard Vertikal (Max Load)
5 5.02 5.04 5.06 5.08 5.1 5.12 5.14 5.16 5.18 5.2
-2
-1
0
1
2
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Inboard Horizontal (Parsial Load)
70
Gambar 5.28. Booster Pump Inboard Vertical (Parsial Load)
Gambar 5.29. Booster Pump Outboard Horizontal (Parsial Load)
Gambar 5.30. Booster Pump Outboard Vertical (Parsial Load)
5 5.02 5.04 5.06 5.08 5.1 5.12 5.14 5.16 5.18 5.2
-3
-2
-1
0
1
2
3
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Inboard Vertikal (Parsial Load)
5 5.02 5.04 5.06 5.08 5.1 5.12 5.14 5.16 5.18 5.2
-2
-1
0
1
2
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Outboard Horizontal (Parsial Load)
5 5.02 5.04 5.06 5.08 5.1 5.12 5.14 5.16 5.18 5.2
-2
-1
0
1
2
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Outboard Vertikal (Parsial Load)
71
5.5. Analisa Hasil
Gambar 5.31 menunjukkan bahwa gaya dinamis akibat hydraulic
unbalance BFPM pada beban maksimum lebih tinggi dibanding pada saat beban
parsial, ini disebabkan BFPM merupakan jenis pompa centrifugal dengan variabel
speed impeller sehingga kenaikan flowrate diikuti dengan kenaikan tekanan dan
head pompa namun sebaliknya, blade pass force pada booster pump menunjukkan
bahwa pada beban parsial gaya dinamis akibat blade pass force lebih tinggi
dibanding pada kondisi beban maksimum, hal ini disebabkan tekanan dan head
booster pump pada beban parsial yang lebih tinggi daripada saat beban
maksimum. Booster pump merupakan jenis pompa centrifugal dengan constant
speed, sehingga kenaikan flowrate akan menurunkan tekanan dan head pompa.
Sedangkan gaya dinamis pada BFPM dan Booster pump pada arah vertikal lebih
lebih besar daripada arah horizontal hal ini disebabkan karena adanya faktor
koreksi sebesar 20% pada arah vertikal. Faktor koreksi ini adalah akibat fluktuasi
tekanan yang lebih besar pada sisi vertikal dibanding sisi horizontalnya [1].
Tabel 5.6. Beberapa Variabel BFPM dan Booster Pump
Gambar 5.31. Gaya dinamis hydraulic unbalance.
Variabel Maksimum Load Parsial Load Maksimum Load Parsial LoadHead 1434.62 m 154.02 m 104.71 m 122.47 mFlowrate 570.95 208.57 570.95 208.57Gaya Dinamis Vertikal 4347.19 N 1924.68 N 3421.89 N 8286.18 NGaya Dinamis Horizontal 3622.66 N 1603.9 N 2851.58 N 6905.15 N
BFPM Booster Pump
Gaya Dinamis Vertikal Gaya DinamisHorizontal
Maksimum Load 4347.19 3622.66
Parsial Load 1924.68 1603.9
4347.193622.66
1924.68 1603.9
0
1000
2000
3000
4000
5000
Fr (N
)
Gaya Dinamis BFPM
72
5.32. Gaya dinamis blade pass force.
Gambar 5.33. Hasil Simulasi pada BFPM
Dari hasil simulasi pada gambar 5.33 menunjukkan bahwa trend vibrasi
BFPM pada beban maksimum lebih tinggi daripada beban minimum, hal ini
disebabkan gaya radial dinamis yang lebih besar pada beban maksimum (BFPM
merupakan variable speed pump). Gaya dynamic radial yang lebih besar
disebabkan oleh semakin tinggi beban (flowrate feedwater) maka head pompa
akan naik karena frekuensi putaran poros mengikuti kebutuhan beban (flowrate).
Sedangkan pada sisi vertikal baik outboard maupun inboard lebih tinggi daripada
Gaya Dinamis Vertikal Gaya DinamisHorizontal
Maksimum Load 3421.89 2851.58
Parsial Load 8286.18 6905.15
3421.892851.58
8286.18
6905.15
0100020003000400050006000700080009000
Fr (N
)
Gaya Dinamis Booster Pump
OH OV IH IV
Parsial Load 0.141 0.157 0.138 0.15
Maximum Load 0.16 0.19 0.15 0.18
0.1410.157
0.1380.150.16
0.19
0.15
0.18
00.020.040.060.08
0.10.120.140.160.18
0.2
RMS
(mm
/s)
Hasil Simulasi (BFPM)
73
sisi horizontal hal ini disebabkan gaya radial dinamis pada sisi vertikal yang lebih
tinggi 20% daripada sisi horizontal [Attia Khalifa (2009)].
Gambar 5.34. Hasil Simulasi pada Booster Pump
Namun sebaliknya trend vibrasi untuk booster pump (seperti pada gambar
5.34) pada beban minimum lebih tinggi dibanding pada beban maksimum. Hal ini
disebabkan kenaikan beban (flowrate) akan menurunkan tekanan discharge
booster pump pada frekuensi yang sama sehingga gaya radial dinamis pada
flowrate yang rendah lebih tinggi, hal ini merupakan karakteristik pompa
centrifugal, bahwa kenaikan flowrate akan menurunkan tekanan untuk frekuensi
putaran yang konstan.
Untuk sisi outboard baik pada BFPM maupun Booster Pump lebih tinggi
daripada sisi inboard karena jarak lengan terhadap pusat massa yang lebih
panjang pada sisi outboard. Secara umum tren vibrasi pada booster pump lebih
tinggi daripada BFPM baik untuk kondisi beban maksimum maupun beban parsial
hal ini disebabkan gaya dinamis akibat blade pass force yang lebih besar nilainya
daripada hydraulic unbalance force seperti yang ditunjukkan pada gambar 5.31
dan 5.32.
OH OV IH IV
Parsial Load 1.633 1.74 1.6 1.7
Maximum Load 0.52 0.804 0.5 0.8
1.633 1.741.6 1.7
0.52
0.804
0.5
0.8
00.20.40.60.8
11.21.41.61.8
2RM
S (V
eloc
ity)
Hasil Simulasi (Booster Pump)
74
BAB VI
PERBANDINGAN HASIL PENGUKURAN DAN SIMULASI
6.1. Perbandingan Hasil Pengukuran dan Simulasi
Perbandingan hasil simulasi dan pengukuran dilakukan untuk melihat
kesamaan pola spektrum dan trending rms velocity antara hasil eksperimen dan
hasil simulasi. Jika tren yang dihasilkan simulasi berbeda dengan hasil
eksperimen maka kemungkinan besar terjadi kesalahan dalam proses simulasi.
Dalam proses validasi ini spektrum respon getaran hasil eksperimen menjadi
acuan dari hasil simulasi. Titik pengukuran hasil eksperimen yang dibandingkan
dengan hasil simulasi adalah titik yang memiliki frekuensi dominan yang sama
dengan yang digunakan pada simulasi, hal ini bertujuan untuk mempermudah
pembandingan spektrum dan melihat pengaruh eksitasi yang dominan terhadap
bentuk spektrumnya.
6.2. Perbandingan Spektrum Boiler Feed Pump
6.2.1. Perbandingan Spektrum Boiler Feed Pump Beban Maksimum
a. Velocity Hasil Eksperimen
b. Velocity Hasil Simulasi
Gambar 6.1. Perbandingan Spektrum Velocity BFPM Inboard Horizontal
1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Veloc
ity (m
m/s)
time (s)
BFPM Inboard Horizontal (Max Load)
75
Pada gambar 6.1 menunjukkan bahwa spektrum getaran hasil simulasi
secara umum memiliki kesamaan bentuk spektrum hasil eksperimen. Frekuensi
yang dominan adalah frekuensi akibat eksitasi harmonik pada 1 kali putaran poros
sebesar 84.7Hz (17 gelombang selama 0.2 detik). Frekuensi ini merupakan
frekuensi akibat hydraulic unbalance yang semakin dominan dengan semakin
tingginya head pompa. Pada eksperimen frekuensi yang muncul selain 1 kali
putaran poros adalah frekuensi 2 kali putaran poros, frekuensi ini mempengaruhi
bentuk spektrum secara umum, sehingga terlihat adanya bentuk gelombang yang
memiliki perioda 2 kali lebih pendek daripada frekuensi 1 kalinya.
6.2.2. Perbandingan Spektrum Boiler Feed Pump Beban Parsial
Untuk hasil simulasi boiler feed pump pada kondisi beban parsial
menunjukkan bahwa bentuk spektrum simulasi dan eksperimen memiliki
kesamaan namun pada frekuensi yang berbeda. Hal ini disebabkan karena
frekuensi eksitasi yang dimodelkan pada beban parsial tidak muncul dominan,
frekuensi dominan yang muncul pada hasil eksperimen adalah 3.5x putaran poros,
berbeda halnya dengan frekuensi eksitasi putaran poros.
a. Velocity Hasil Eksperimen
b. Velocity Hasil Simulasi
Gambar 6.2. Perbandingan Spektrum Velocity BFPM Outboard Horizontal
2 2.02 2.04 2.06 2.08 2.1 2.12 2.14 2.16 2.18 2.2
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
Veloc
ity (m
m/s)
time (s)
BFPM Outboard Horizontal (Parsial Load)
76
6.3. Perbandingan Spektrum Booster Pump
6.3.1. Perbandingan Spektrum Booster Pump Beban Maksimum
Pada gambar 6.3 menunjukkan bahwa spektrum getaran hasil
simulasi secara umum memiliki kesamaan bentuk spektrum hasil
eksperimen. Frekuensi yang dominan muncul adalah frekuensi akibat
eksitasi harmonik sebesar 99.6 Hz (4 kali putaran poros). Dengan jumlah
20 gelombang per 0.2 detik untuk amplitudo yang dominan (gelombang
dengan peak to peak besar). Frekuensi ini adalah frekuensi dynamic balde
pass force.
a. Velocity Hasil Eksperimen
b. Velocity Hasil Simulasi
Gambar 6.3. Perbandingan Spektrum Velocity Booster Outboard Vertical.
2.8 2.82 2.84 2.86 2.88 2.9 2.92 2.94 2.96 2.98 3
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Outboard Vertikal (Max Load)
77
6.3.2. Perbandingan Spektrum Booster Pump Beban Parsial
Pada gambar 6.4 menunjukkan bahwa spektrum getaran hasil
simulasi secara umum memiliki kesamaan bentuk spektrum hasil
eksperimen. Frekuensi yang dominan muncul adalah frekuensi akibat
eksitasi harmonik sebesar 99.6 Hz (4 kali putaran poros). Dengan jumlah
20 gelombang per 0.2 detik untuk amplitudo yang dominan (gelombang
dengan peak to peak besar). Frekuensi ini adalah frekuensi dynamic blade
pass force.
a. Velocity Hasil Eksperimen
b. Velocity Hasil Simulasi
Gambar 6.4. Perbandingan Spektrum Velocity Booster Outboard Vertical
5 5.02 5.04 5.06 5.08 5.1 5.12 5.14 5.16 5.18 5.2
-3
-2
-1
0
1
2
3
Velo
city
(mm
/s)
time (s)
Booster pump Outboard Vertikal (Parsial Load)
78
6.4. Perbandingan RMS Velocity Hasil Eksperimen dan Hasil Simulasi
Gambar 6.5. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran pada BFPM
(Parsial Load)
Gambar 6.6. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran pada BFPM
(Maksimum Load)
Pada gambar dan gambar menunjukkan bahwa trend vibrasi hasil
eksperimen dan hasil simulai BFPM pada beban maksimum lebih besar
daripada beban parsial. Demikian juga trend vibrasi untuk sisi vertikal
OH OV IH IV
Simulasi 0.141 0.157 0.138 0.15
Eksperimen 0.1 0.1 0.05 0.06
0.1410.157
0.1380.15
0.1 0.1
0.05 0.06
00.020.040.060.080.10.120.140.160.18
RMS
(mm
/s)
Perbandingan Simulasi & PengukuranParsial Load (BFPM)
OH OV IH IV
Simulasi 0.16 0.19 0.15 0.18
Eksperimen 0.37 0.38 0.3 0.37
0.160.19
0.150.18
0.37 0.38
0.3
0.37
0.000.050.100.150.200.250.300.350.40
RMS
(mm
/s)
Perbandingan Simulasi & PengukuranMaksimum Load (BFPM)
79
memiliki nilai rms velocity yang lebih tinggi dibanding sisi horizontal.
Untuk trend vibrasi sisi outboard horizontal dan outboard vertical
menunjukkan trend yang lebih tinggi dibanding sisi inboard horizontal
dan inboard vertikal.
Gambar 6.7. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran pada Booster
Pump (Parsial Load)
Gambar 6.8. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran pada Booster
Pump (Maksimum Load)
OH OV IH IV
Simulasi 1.633 1.74 1.6 1.7
Eksperimen 1.9 8.5 0.75 3.05
1.633 1.74 1.6 1.71.9
8.5
0.75
3.05
0123456789
RMS
(mm
/s)
Perbandingan Simulasi & PengukuranParsial Load (Booster Pump)
OH OV IH IV
Simulasi 0.52 0.804 0.5 0.8
Eksperimen 1 3.8 0.7 1.65
0.520.804
0.50.81
3.8
0.7
1.65
00.511.522.533.54
RMS
(mm
/s)
Perbandingan Simulasi & PengukuranMaksimum Load (Booster Pump)
80
Pada gambar dan gambar menunjukkan bahwa trend vibrasi
booster pump hasil eksperimen dan hasil simulai pada beban maksimum
lebih kecil daripada beban parsial. Sedangkan trend vibrasi untuk sisi
vertikal memiliki nilai rms velocity yang lebih tinggi dibanding sisi
horizontal. Untuk trend vibrasi sisi outboard horizontal dan outboard
vertikal menunjukkan trend yang lebih tinggi dibanding sisi inboard
horizontal dan inboard vertikal.
Secara umum baik pada BFPM maupun pada booster pump dari
hasil simulasi dan eksperimen menunjukkan trend yang sama pada arah
vertikal, horizontal, outboard dan inboard serta pada variasi beban
maksimum dan parsial.
81
BAB VII
KESIMPULAN DAN SARAN
7.1. Kesimpulan
Dari penelitian yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Tren vibrasi boiler feed pump pada beban maksimum lebih tinggi
dibanding beban parsial hal ini disebabkan gaya dinamis akibat hydraulic
unbalance yang lebih tinggi pada beban maksimum dibanding saat beban
parsial, namun tren vibrasi booster pump pada beban maksimum lebih
rendah daripada beban parsial, hal ini disebabkan gaya dinamis akibat
blade pass force pada beban parsial yang lebih tinggi dibanding pada saat
beban maksimum.
2. Gaya dinamis akibat blade pass force pada booster pump lebih tinggi
daripada gaya dinamis akibat hydraulic unbalance pada boiler feed pump
sehingga tren respon getaran pada booster pump lebih tinggi daripada
boiler feed pump baik pada kondisi beban maksimum maupun beban
parsial.
3. Tren respon vibrasi pada arah vertikal lebih tinggi daripada arah horizontal
hal ini disebabkan oleh faktor koreksi sebesar 20% lebih tinggi pada arah
vertikal, untuk semua kondisi pembebanan pada boiler feed pump maupun
pada booster pump.
4. Tren vibrasi pada sisi outboard lebih besar daripada sisi inboard baik pada
boiler feed pump maupun pada booster pump, hal ini disebabkan karena
panjang sisi outboard terhadap titik beratnya yang lebih panjang daripada
sisi inboardnya.
5. Respon getaran pada pompa dapat dimodelkan dengan 6 derajat
kebebasan, dimana spektrum getaran antara hasil simulasi dan hasil
eksperimen boiler feed pump maupun booster pump memiliki kesesuaian
bentuk spektrum dan trend rms velocity menunjukkan trend yang sama
pada sisi horisontal, vertikal, inboard dan outboard.
82
7.2. Saran
1. Perlunya kajian lebih lanjut untuk memodelkan sistem getaran dengan
menggunakan gaya eksitasi akibat fluktuasi tekanan pada sisi discharge
maupun sisi suction pompa.
2. Perlunya kajian lebih lanjut untuk memodelkan sistem getaran dengan
metode elemen hingga untuk mendapatkan hasil simulasi yang lebih
akurat untuk berbagai kondisi pembebanan.
83
DAFTAR PUSTAKA
[1] Attia khalifa, dkk. (2009), “Experiments on Pressure Fluktuations in a HighPressure Double Volute Centrifugal Pump Under Part Load Conditions”.Proceeding of the Fourth International Conference on Thermal Energy:Theory and Application.
[2] Amit Suhane. (2012), “Experimental Study on Centrifugal Pump to Determinethe Effect of Radial Clearance on Pressure Pulsations, Vibration andNoise”. International Journal of Engineering Research and Applications(IJERA), Vol.2.
[3] Stefan Berten. (2010), “Hydrodynamics of High Specific Power Pump for Off-Design Operating Conditions”. Thesis.
[4] Dr. Elemer Makay (1996), “Problems Encounter in Boiler Feed PumpOperation”. Energy Research & Consultans Corporation.
[5] Rao, Singiresu S. (2004). Mechanical Vibration. Prentice Hall PTR:Singapore.
[6] Frederick, Close. (2002). Modeling and Analysis of Dynamic System. JohnWiley & Sons: USA.
[7] Garibotti. (2003). Centrifugal Pump Handbook. TM.P S.p.A TermomeccanicaPompe-La Spezie-Italy.
[8] Technical Documentation Instruction Manual. Geared Variable SpeedCoupling. Voith Turbo.
[9] Feedwater Pump Operating Manual. Shenyang Blower Works (Group) Co,Ltd.
[10] Kaspul Anuar, ST. (2014). Karakteristik Gaya Redaman Dan EnergiBangkitan Dari Regenerative Shock Absorber Dengan Motor Hidrolik.Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.
[11] Gulich, Johann Friedrich. (2008). Centrifugal Pumps. Springer.[12] R.B. Randall. (2011). Vibration-based Condition Monitoring, First Edition
John Wiley & Sons, Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, WestSussex, United Kingdom.
[13] U. Werner. (2011). “A Plane Vibration Model for Natural Vibration Analysisof Soft Mounted Electrical Machines”. Advances in Vibration AnalysisResearch. Published by InTech.