EVALUASI PENGARUH PENUTUPAN KATUP LCV

TERHADAP KENAIKAN GAYA PADA IMPELLER POMPA

SIRKULASI AIR HWP PLTP DARAJAT II

TUGAS SARJANA

Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung

Oleh

NUR KUNCORO HADI 13103050

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

Judul

Evaluasi Pengaruh Penutupan Katup LCV

Terhadap Kenaikan Gaya pada Impeller

Pompa Sirkulasi Air HWP PLTP Darajat II

Nur Kuncoro Hadi

Program Studi Teknik Mesin 13103050

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Bandung

Abstrak

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) Darajat Unit II milik Chevron

Geothermal Indonesia memiliki sistem sirkulasi air dari kondensor menuju cooling

tower kemudian kembali lagi ke kondensor. Untuk mengatur debit aliran dari

kondensor menuju cooling tower, digunakan katup butterfly yang diberi nama LCV.

Sistem pengendalian LCV adalah tipe diskrit dengan dead band 1%. Adanya dead band

mengakibatkan pergerakan LCV tidak halus, sehingga mengakibatkan perubahan

kondisi aliran secara tiba-tiba. Masalah ini diperburuk dengan adanya overshoot tiap

kali LCV menutup. Perubahan kondisi aliran diduga mengakibatkan pembebanan pada

Hot Well Pump (HWP), sehingga menjadi penyebab kerusakan pompa.

Pada penelitian tugas sarjana ini dilakukan evaluasi pengaruh penutupan katup

terhadap HWP dan pencarian alternatif yang sesuai. Evaluasi dilakukan dengan cara

melakukan pemodelan aliran pada sistem katup menggunakan perangkat lunak

FLUENT. Setelah diketahui perubahan kondisi aliran akibat penutupan LCV,

penelitian dilanjutkan dengan memodelkan aliran pada HWP menggunakan FLUENT.

Hasil dari pemodelan aliran pada sistem katup adalah perubahan kondisi aliran.

Kondisi aliran yang menjadi perhatian utama adalah perubahan laju aliran akibat

penutupan katup. Hasil pemodelan aliran pada HWP adalah perubahan gaya yang

terjadi pada impellernya akibat perubahan laju aliran massa. Hasil pemodelan

kemudian dibandingkan dengan pemodelan sistem terdahulu dan sistem yang

dikembangkan, sehingga didapatkan sistem aktuasi katup yang lebih baik.

Title

Evaluation of LCV Valve Closing Effect on

Force Increase of HWP Circulating Water

Pump Impeller in Darajat II Geothermal

Power Plant

Nur Kuncoro Hadi

Major Mechanical Engineering 13103050

Industrial Engineering Faculty

Institut Teknologi Bandung

Abstract

Darajat Unit II Geothermal Power Plant owned by Chevron Geothermal

Indonesia has a circulating water system which circulate condensate from condenser to

cooling tower and back to condenser. Inside this system, there is a butterfly valve

called LCV that used to control the water flow from condenser to cooling tower. LCV

position is controlled by a discrete type control system, having dead band of 1%. The

dead band caused unsmooth movement of LCV, causing sudden flow condition

changing. This problem has gotten worse by the overshoot acknowledged on every

LCV closing. The sudden flow condition changing is believed to cause extra loading

on Hot Well Pump (HWP) which may resulted in HWP breakdown.

This final year project evaluates the effect of LCV closing on HWP and then

finds the suitable solution. The evaluation is done by modeling the flow in the system

using FLUENT software. Having knowledge of the flow condition changing caused by

valve closing, the research continued by modeling the flow inside HWP, also using

FLUENT.

The result of system flow modeling is flow condition changing. Mass flow rate

changing become the most concerned point. Then, by conducting HWP flow modeling

using FLUENT, the knowledge of force changing because of mass flow rate changing

on the HWP impeller is achieved. The result of present system modeling then

compared to the result of previous system and developed system, giving the better

system to be implemented.

i

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena berkat rahmat dan

petunjuk-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Selama penyelesaian tugas

sarjana ini penulis memperoleh banyak ilmu dan pengalaman yang mudah-mudahan dapat

dijadikan bekal untuk masa depan penulis.

Tugas sarjana ini dapat diselesaikan berkat bimbingan, doa, motivasi, dan dukungan

dari semua pihak. Untuk itu, ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada:

1. Bapak Dr. Ir. Zainal Abidin sebagai pembimbing tugas sarjana ini atas bimbingan,

diskusi, saran, dan pengarahannya selama penyelesaian tugas sarjana ini.

2. Bapak Ir. Pawito Merto Sontowiryo, M.Eng sebagai pembimbing tugas sarjana ini atas

bimbingan, diskusi, saran, dan pengarahannya selama penyelesaian tugas sarjana ini.

3. Bapak Ir. Sekti Setiono sebagai pembimbing dari Chevron Geothermal Indonesia atas

kesempatan yang diberikan, bimbingan, diskusi, saran, dan pengarahannya selama

penyelesaian tugas sarjana ini.

4. Mas Jusman yang telah meluangkan banyak waktu dan tenaga untuk berdiskusi,

memberi masukan dan pengarahan selama penyelesaian tugas sarjana ini.

5. Teman dekat penulis yaitu Debbie Agustina yang selalu memberikan dukungan.

6. Teman-teman di Laboratorium Dinamika dan teman-teman Teknik Mesin 2003.

Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan tugas

sarjana ini. Akhir kata, penulis berharap Semoga tugas sarjana ini dapat menjadi masukan

yang berarti bagi Chevron Geothermal Indonesia dan dapat dimanfaatkan bagi dunia

pendidikan pada umumnya.

Bandung, Desember 2007

Nur Kuncoro Hadi

ii

DAFTAR ISI

halaman

KATA PENGANTAR ................................................................................................... i

DAFTAR ISI ................................................................................................................. ii

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................... v

DAFTAR TABEL .......................................................................................................... vii

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1

1.1 Pengenalan Sistem .............................................................................. 1

1.2 Latar Belakang Masalah ..................................................................... 2

1.3 Tujuan Penelitian ................................................................................ 4

1.4 Batasan Masalah ................................................................................. 4

1.5 Metodologi Penelitian ....................................................................... 5

1.6 Sistematika Pembahasan ................................................................... 6

BAB II DASAR TEORI ........................................................................................... 8

2.1 Teori Aliran Fluida Inkompresibel Dalam Pipa ................................. 8

2.1.1 Aliran Laminar dan Turbulen .................................................. 8

2.1.2 Persamaan Energi Untuk Aliran Dalam Pipa ......................... 9

2.1.3 Kerugian Energi Mekanik ...................................................... 13

2.1.4 Penggunaan Pompa Dalam Sistem ......................................... 15

2.2 Pengenalan Perangkat Lunak FLUENT 6.2 ....................................... 17

2.2.1 Struktur Program .................................................................... 17

2.2.2 Kemampuan FLUENT ........................................................... 18

2.2.3 Graphical User Interface (GUI) ............................................. 18

2.2.4 Prosedur Simulasi Aliran ........................................................ 19

2.2.5 Pemodelan Menggunakan GAMBIT ...................................... 19

2.2.5.1 Membuat Geometri .................................................. 22

2.2.5.2 Proses Meshing ........................................................ 22

2.2.5.3 Tipe Batas dan Kontinum ........................................ 23

2.2.6 Menggunakan FLUENT Untuk Aliran Air 3D........................ 23

2.2.6.1 Pemilihan Solver ...................................................... 23

2.2.6.2 Mengimpor Model dan Memeriksa Mesh ............... 23

iii

2.2.6.3 Parameter Solver ....................................................... 24

2.2.6.4 Model Turbulensi .................................................... 26

2.2.6.5 Kondisi Operasi ....................................................... 28

2.2.6.6 Kondisi Batas ........................................................... 28

2.2.6.7 Iterasi ....................................................................... 30

2.2.7 Pendekatan Untuk Zona Bergerak .......................................... 31

BAB III PEMODELAN ALIRAN DAN ANALISIS ................................................ 34

3.1 Sistematika Pemodelan ....................................................................... 34

3.2 Pembuatan Model ............................................................................... 34

3.2.1 Pengambilan Data ................................................................... 35

3.2.2 Pembuatan Geometri Model ................................................... 35

3.2.3 Proses Meshing ....................................................................... 37

3.2.4 Pendefinisian Bidang Batas dan Kontinum ............................ 39

3.3 Penentuan Kondisi Batas .................................................................... 39

3.3.1 Pengambilan Data ................................................................... 40

3.3.2 Perhitungan Laju Aliran Massa di Inlet .................................. 41

3.3.3 Perhitungan Tekanan Statik di Keluaran FCV15 ................... 45

3.3.4 Perhitungan Tekanan Statik di Keluaran LCV ....................... 48

3.3.5 Simulasi Aliran Tunak ............................................................ 50

3.3.6 Simulasi Transien Satu Putaran .............................................. 52

3.4 Simulasi Penutupan Katup ................................................................. 53

3.5 Analisis Hasil Simulasi Aliran ........................................................... 55

BAB IV PEMODELAN POMPA DAN ANALISIS ................................................. 58

4.1 Sistematika Pemodelan ....................................................................... 58

4.2 Pembuatan Model ............................................................................... 59

4.3 Validasi Model ................................................................................... 60

4.3.1 Perhitungan Kondisi Batas ..................................................... 61

4.3.2 Simulasi Tunak ....................................................................... 64

4.4 Simulasi Perubahan Laju Aliran Massa .............................................. 65

4.5 Analisis Hasil Pemodelan Pompa ....................................................... 67

BAB V PERBANDINGAN SISTEM AKTUASI KATUP ...................................... 69

5.1 Perbandingan dengan Sistem Terdahulu ............................................. 69

5.1.1 Simulasi Aliran ....................................................................... 69

iv

5.1.2 Simulasi Pompa ...................................................................... 71

5.1.3 Pergeseran Mean Time Between Failure (MTBF) ................. 72

5.1.4 Analisis ................................................................................... 73

5.2 Perbandingan dengan Sistem yang Dikembangkan ............................ 74

5.2.1 Simulasi Aliran ....................................................................... 74

5.2.2 Simulasi Pompa ...................................................................... 76

5.2.3 Analisis ................................................................................... 77

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................... 80

6.1 Kesimpulan ......................................................................................... 80

6.2 Saran ................................................................................................. 80

DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................

LAMPIRAN A GAMBAR REFERENSI

LAMPIRAN B DATA REFERENSI

LAMPIRAN C ANIMASI HASIL SIMULASI POMPA

v

DAFTAR GAMBAR

halaman

Gambar 1.1 Skema sistem sirkulasi air ...................................................................... 2

Gambar 1.2 Sistem pengaturan katup ......................................................................... 3

Gambar 1.3 Diagram alir metodologi penelitian ........................................................ 6

Gambar 2.1 Percobaan Reynolds ............................................................................... 9

Gambar 2.2 Kerja pada sistem volume atur ............................................................... 10

Gambar 2.3 Komponen penyebab kerugian mekanik lokal ....................................... 15

Gambar 2.4 Kurva karakeristik pompa, sistem, dan titik operasi .............................. 16

Gambar 2.5 Struktur komponen FLUENT ................................................................. 18

Gambar 2.6 Tampilan konsol FLUENT ..................................................................... 18

Gambar 2.7 Tampilan jendela grafis kontur tekanan ................................................. 19

Gambar 2.8 Prosedur pemodelan menggunakan FLUENT ........................................ 20

Gambar 2.9 GUI pada GAMBIT ................................................................................ 21

Gambar 2.10 Pemilihan parameter pada menu solver .................................................. 24

Gambar 2.11 Prosedur iterasi pada formulasi solver segregated ................................. 26

Gambar 2.12 Pengelompokan model Turbulensi FLUENT ......................................... 27

Gambar 2.13 Jendela perintah kondisi batas Mass Flow Inlet ..................................... 29

Gambar 2.14 Interaksi rotor – stator ............................................................................ 32

Gambar 2.15 Zona yang terbentuk pada perpotongan dua zona non-periodik ............. 32

Gambar 2.16 Interface pada model sliding mesh ......................................................... 33

Gambar 3.1 Diagram alir tahapan pemodelan aliran .................................................. 34

Gambar 3.2 Jendela perintah Geometry ..................................................................... 36

Gambar 3.3 Ilustrasi sliding mesh pada katup ............................................................ 37

Gambar 3.4 Perintah meshing .................................................................................... 37

Gambar 3.5 Geometri model sistem setelah proses meshing ..................................... 38

Gambar 3.6 Perintah pendefinisian bidang batas dan kontinum ................................ 40

Gambar 3.7 Posisi titik acuan perhitungan laju aliran massa di inlet ......................... 41

Gambar 3.8 Kurva characterizer ................................................................................ 46

Gambar 3.9 Posisi titik acuan perhitungan tekanan keluaran FCV15 ........................ 46

Gambar 3.10 Posisi titik acuan perhitungan kecepatan aliran di FCV15 ..................... 47

vi

Gambar 3.11 Posisi titik acuan perhitungan tekanan di keluaran LCV ....................... 48

Gambar 3.12 Kurva karakteristik LCV ........................................................................ 49

Gambar 3.13 Trend posisi LCV dan FCV15 ................................................................ 54

Gambar 3.14 Grafik penurunan m& inlet dan keluaran LCV terhadap bukaan LCV .... 56

Gambar 3.15 Grafik kenaikan tekanan statik di inlet terhadap penutupan LCV .......... 57

Gambar 4.1 Diagram alir pemodelan pompa ............................................................. 58

Gambar 4.2 Model HWP ............................................................................................ 59

Gambar 4.3 Posisi titik acuan perhitungan tekanan inlet pompa ............................... 61

Gambar 4.4 Posisi titik acuan perhitungan tekanan discharge pompa ....................... 63

Gambar 4.5 Grafik Cd impeller pompa ...................................................................... 67

Gambar 5.1 Model sistem yang terdahulu .................................................................. 69

Gambar 5.2 Grafik perbandingan laju aliran massa terdahulu dan sekarang ............. 73

Gambar 5.3 Grafik perbandingan kondisi aliran ........................................................ 78

vii

DAFTAR TABEL

halaman

Tabel 3.1 Daftar gambar teknik acuan untuk membuat model sistem ...................... 35

Tabel 3.2 Jumlah elemen mesh model sistem ............................................................ 38

Tabel 3.3 Nama bidang batas pemodelan sistem dan tipenya ................................... 39

Tabel 3.4 Nama kontinum pemodelan sistem dan tipenya ........................................ 39

Tabel 3.5 Data tekanan, level air kondensor, dan posisi katup .................................. 41

Tabel 3.6 Data di dua titik acuan perhitungan laju aliran massa inlet ....................... 42

Tabel 3.7 Nilai konstanta head loss perhitungan laju aliran massa inlet ................... 43

Tabel 3.8 Perhitungan kerugian gesekan untuk tiap diameter pipa ........................... 44

Tabel 3.9 Data di dua titik acuan perhitungan tekanan keluaran FCV15 .................. 46

Tabel 3.10 Koefisien head loss perhitungan tekanan keluaran FCV15 ....................... 47

Tabel 3.11 Kondisi aliran di tiap bidang batas ............................................................ 53

Tabel 3.12 Hasil simulasi penutupan LCV .................................................................. 55

Tabel 4.1 Jenis bidang batas dan kontinum model pompa ......................................... 60

Tabel 4.2 Data di dua titik dalam perhitungan tekanan statik di inlet pompa ........... 62

Tabel 4.3 Head loss lokal dalam perhitungan tekanan statik di inlet pompa ............ 62

Tabel 4.4 Data di dua titik dalam perhitungan tekanan statik di discharge pompa .. 63

Tabel 4.5 Head loss lokal dalam perhitungan tekanan statik di discharge pompa .... 63

Tabel 4.6 Kondisi batas simulasi pompa ................................................................... 65

Tabel 4.7 Gaya arah z pada impeller hasil simulasi pompa ...................................... 66

Tabel 5.1 Kondisi aliran di tiap bidang batas pada simulasi penutupan LCV dengan

sistem aktuasi katup terdahulu ................................................................... 70

Tabel 5.2 Hasil simulasi penutupan LCV dengan sistem aktuasi terdahulu .............. 71

Tabel 5.3 Kondisi batas simulasi pompa dengan sistem aktuasi katup terdahulu ..... 72

Tabel 5.4 Perubahan gaya arah z pada impeller pompa dengan sistem aktuasi katup

terdahulu .................................................................................................... 72

Tabel 5.5 Perbandingan perubahan gaya arah z pada impeller pompa antara sistem

aktuasi katup terdahulu dan sekarang ........................................................ 74

Tabel 5.6 Hasil simulasi penutupan LCV dengan FCV15 bergerak ......................... 76

Tabel 5.7 Kondisi batas simulasi pompa dengan FCV15 bergerak ........................... 77

viii

Tabel 5.8 Perubahan gaya arah z pada impeller pompa dengan FCV15 bergerak .... 77

Tabel 5.9 Perbandingan perubahan gaya arah z pada impeller pompa antara sistem

aktuasi katup yang dikembangkan dan sekarang ....................................... 79