1
ANALISA KINERJA POMPA SENTRIFUGAL DI FASE 1 PERTAMINA DPPU NGURAH RAI BERDASARKAN HUBUNGAN DAYA LISTRIK NYATA DAN DEBIT KELUARAN YANG TERUKUR (Arya Bhaskara A.P., Ir.Ronny Dwi Noriyati,M.Kes, Dr. Ir. Totok Soehartanto, DEA) Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri ITS Surabaya 60111 Telp : +6231-5947188 Fax : +6231-5923626 email:
[email protected] Abstrak
Telah dilakukan analisa kinerja pompa sentrifugal pada fase 1 DPPU Ngurah Rai berdasarkan hubungan daya listrik real dan debit keluaran yang terukur, untuk mengetahui penyebab pemakaian listrik yang berlebih dikarenakan penurunan faktor daya. Penelitian ini akan mengkaji pengaruh masukan pada motor induksi, yang akan memberikan pengaruh pada pompa sentrifugal. Daya real pompa dipengaruhi oleh arus listrik, tegangan dan faktor daya, torsi impeller akan dipengaruhi oleh kecepatan putar motor, dan debit fluida akan dipengaruhi oleh densitas, kecepatan dan jari – jari impeller. Pada penelitian ini dilakukan pemodelan masing – masing komponen yang menyusun sistem pompa sentrifugal, yaitu motor induksi, rugi – rugi daya, perubahan daya ke torsi, kelembaman impeller, head fluida, kenaikan temperatur terhadap waktu, dan debit keluaran fluida. Hasil simulasi dengan menggunakan perubahan parameter arus listrik, didapatkan daya real dengan rentang 68.119 – 103.18 kW, Torsi 185.1 – 290.48 Nm, dan debit fluida 132.35 – 200.48 m3/jam. Daya ketika beban ketika beroperasi pada kondisi normal (80.86 kW) tidak sesuai dengan spesifikasi, sehingga motor tidak berjalan pada beban yang seharusnya dan mengalami penurunan faktor daya. Kenaikan temperatur fluida juga berdampak pada penurunan densitas. Kata Kunci : Motor Induksi 3 fasa, pompa sentrifugal, daya real, torsi, debit fluida. I. PENDAHULUAN 1. Latar Belakang Pompa merupakan salah satu komponen vital dari proses pengisian bahan bakar di Pertamina Depot Pengisian Pesawat Udara (DPPU) Ngurah Rai yang berfungsi untuk mengantarkan atau memindahkan bahan bakar Aviation Turbine Engine (Avtur) dari tangki penyimpanan (storage tank) ke hydrant pit maupun refueler dari sistem. Jenis pompa yang digunakan Pertamina DPPU Ngurah Rai adalah pompa sentrifugal, yaitu pompa yang menggunakan gaya sentrifugal untuk membangun kecepatan pada fluida yang dimaksud. Kecepatan tersebut kemudian akan dikonversi ke tekanan saat kecepatan fluida berkurang, karena saat energi kinetiknya berkurang maka tekanan bertambah. Pompa sentrifugal juga pompa yang paling banyak digunakan untuk menghantarkan fluida pada aplikasi industri. Lebih dari 75% dari pompa yang terpasang di industri adalah pompa sentrifugal. Terdapat 2 fase (masing – masing fase terdiri dari 3 pompa) yang beroperasi di DPPU Pertamina Ngurah Rai, yaitu pompa fase 1, dan 2. Dari hasil identifikasi oleh tim
independen, ditemukan bahwa tiga buah pompa yang dipasang pada fase 1 di Pertamina DPPU Ngurah Rai memiliki faktor daya yang lebih rendah daripada pompa di fase 2, sehingga berdampak pada pemakaian listrik yang lebih boros, dan meyebabkan kerugian untuk Pertamina DPPU Ngurah Rai dalam bentuk denda atau pinalti dari pihak Perusahaan Listrik Negara (PLN). Oleh karena itu, perlu dilakukan pengkajian tentang pemakaian listrik yang boros ini. Setelah dilakukan pengkajian maka akan dibentuk model matematis yang akan merepresentasikan sistem pompa sentrifugal pada DPPU Ngurah Rai. Dengan melakukan simulasi dan perubahan parameter masukan, maka diharapkan dinamika pompa bisa teramati dan dianalisa, sehingga didapatkan penyebab borosnya kelistrikan dan menghasilkan solusi untuk permasalahan yang dihadapi oleh Pertamina DPPU Ngurah Rai. II. TEORI DASAR 1 Pertamina DPPU Ngurah Rai Pertamina DPPU Ngurah Rai adalah salah satu unit bisnis Pertamina yang bertugas untuk mendistribusikan bahan bakar pesawat terbang komersil untuk Bandara Ngurah Rai, Bali. Pertamina DPPU Ngurah Rai adalah DPPU terbesar kedua di Indonesia, dengan penjualan 390 juta liter/tahun, dengan pelanggan dari domestik dan internasional, dari 14 negara dan 42 kota. Di Pertamina DPPU Ngurah Rai, sistem perpompaan terdiri dari 6 pompa yang dibagi dalam 2 fase, masing – masing terdapat 3 pompa dalam satu fase. Kondisi operasi pompa, baik mati atau hidup pada fase tersebut diatur secara otomatis oleh DCS, dengan urutan yang telah disusun oleh operator. Otomatisasi pengisian bahan bakar dikendalikan oleh beberapa program dalam sistem DCS. Program – program ini berjalan secara bersamaan dan terkait satu sama lainnya. 2 Pompa Sentrifugal Ketika digunakan sebagai transportasi fluida, maka pompa sentrifugal akan memberikan energi ekstra kepada fluida dalam bentuk tekanan kinetis, sebagai hasil dari kecepatan putar impeller, dan mengenai tubuh pompa sehingga menghasilkan energi potensial, berbentuk ketinggian yang mampu dicapai fluida (sering disebut dengan head). Pompa juga mengalirkan sejumlah volume fluida per satuan detik, yang disebut juga dengan debit. Prinsip kerja pompa sentrifugal adalah fluida akan dipaksa untuk memasuki sebuah impeller baik dengan tekanan atmosfer maupun oleh tekanan artifisial lain. Cekungan (vanes) dari impeller memberikan energi kinetik kepada fluida, dan menyebabkan fluida untuk
2 berputar. Fluida akan meninggalkan impeller pada kecepatan tinggi. Impeller dikelilingi oleh volute casing, yang akan merubah energi kinetik menjadi energi potensial (head).
Amerika Serikat) memberikan gambaran mengenai jumlah start dan stop yang berhubungan dengan daya motor tersebut (dalam Hp).
Gambar 1. Pompa Sentrifugal
Berikut ini adalah beberapa persamaan yang digunakan untuk menghitung variabel yang terdapat dalam pompa sentrifugal : 3 Motor Induksi Motor induksi adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik (gerak putar) dengan cara menghasilkan induksi medan magnet. Secara umum konstruksi motor listrik terdiri 2 bagian utama yaitu stator dan rotor. Stator adalah bagian yang diam, sedangkan rotor adalah bagian yang berputar. Motor induksi 3 fasa adalah jenis motor peggerak yang paling banyak digunakan di dalam proses industri karena mempunyai banyak keunggulan. Khususnya jenis motor induksi sangkar (squirrel cage) diantaranya : • Harga lebih murah dibandingkan jenis motor lain dengan daya sama • Perawatan lebih mudah • Konstruksinya kuat • Ukuran lebih kecil dibandingkan motor jenis lain Prinsip kerja motor induksi adalah bila kumparan 3 fasa dari stator diberi tegangan 3 fasa maka akan timbul fluks yang besarnya konstan. Fluks yang timbul akan memotong permukaan rotor yang semula diam sehingga timbul tegangan induksi pada kumparan rotor (ggl) dalam rangkaian tertutup sehingga arus mengalir dan timbul gaya. Motor induksi, pada kenyataannya terdiri atas kumparan induktansi dan resistansi, baik dibagian stator maupun rotor. Sehingga, dari resistansi dan induktansi tersebut dapat kita bentuk model rangkaian yang ekuivalen dengan motor induksi. Rangkaian ekuivalen motor induksi dapat dilihat pada gambar berikut ini :
Gambar 3. Tabel Start-Stop Motor Induksi berdasarkan NEMA
Dimana A menunjukkan maksimum jumlah start dalam satu jam, dan B menunjukkan jeda waktu istirahat motor dalam detik, untuk dapat memulai beroperasi kembali. Hubungan faktor daya dengan beban (load) pada motor induksi ditunjukkan pada gambar berikut ini :
Gambar 4. Beban dan faktor daya
4 Rugi – Rugi Daya Daya listrik yang diberikan pada motor induksi tidak sepenuhnya dapat dikonversi menjadi daya mekanis untuk menghasilkan torsi, ada kehilangan daya yang disebut dengan rugi – rugi daya. Pada proses ini, kehilangan energi ditunjukkan dalam gambar 3. Hubungan antara daya mekanis yang mengalami perubahan menjadi torsi, rugi daya dan daya listrik yang diberikan pada motor induksi adalah :
…(1)
Gambar 2. Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi
Ketika motor beroperasi, maka motor akan menarik arus permulaan yang lebih tinggi dari nominalnya, sehingga apabila dilakukan berkali – kali dan tanpa jeda waktu, akan berakibat buruk pada kondisi motor tersebut. Gambar dibawah ini, diambil dari referensi NEMA (badan motor listrik
Gambar 5.Rugi – rugi daya
3 Dimana Pm adalah daya mekanis, Pr adalah rugi daya dan Pe adalah daya listrik yang disuplai pada motor induksi. Rugi yang terdapat dalam motor induksi disebabkan oleh tahanan tembaga dari belitan stator dan komponen induktor belitan stator. Rugi yang terdapat pada motor induksi dapat dibagi dalam jenis berikut : Rugi tembaga dibagi menjadi dua bagian, yaitu rugi – rugi tembaga stator (Stator Copper Loss) dan rugi – rugi tembaga rotor (Rotor Copper Loss). Rugi Inti (Core Loss) & Rugi karena gesekan dan hambatan angin (Friction and windage loss) Rugi – rugi beban yang menyimpang (Stray Load Losses) 5 Root Mean Square (RMS) Rata – rata waktu gelombang tegangan AC dihabiskan dibawah puncak tegangan, sehingga puncak tegangan bukan lah sebuah nilai yang baik untuk menghitung daya efektif. Oleh karena itu, Root Mean Square (RMS) dipakai. Nilai RMS adalah nilai efektif dari tegangan atau arus listrik, yang dipakai untuk melakukan kerja yang bermanfaat. Dibawah ini adalah persamaan yang dipakai untuk menghitung nilai RMS dari sebuah gelombang sinus kontinyu √ ∫ ‖
‖
…(2)
III. PEMODELAN SISTEM PERPOMPAAN
terdiri dari motor induksi dan pompa sentrifugal. Pada fase 1, pompa yang digunakan adalah pompa Worthington Dresser tipe ERP 100-400. Motor yang digunakan pompa tersebut adalah pompa dengan pemanufaktur Hawker-Siddeley. Pada fase 2, pompa yang digunakan adalah pompa Niigata Worthington, Type 4 CNEC-152. Motor yang digunakan adalah Fuji Electric. Tiap pompa memiliki kapasitas, frekuensi dan head yang sama, masing – masing 150 m3/jam, 50 Hz dan 165 meter. Tabel 1 Data pompa fase 1 dan 2 Pertamina DPPU Ngurah Rai Daya Pompa RPM Tegangan (V) (KW) Fase 1
110
P-301 A
2965
380
P-301 B
2965
380
P-301 C
2965
380
110
P-351 A
2970
330
110
P-351 B
2970
330
P-351 C
2970
330
110
Fase 2
110 110
Tabel 2 Spesifikasi Fluida Yang Digunakan Jenis Fluida
Avtur (Kerosene)
µ (Viskositas, kg/ms) 3
ρ (densitas, kg/m ) T (suhu, C)
0.00415 795.526667 29 – 30
2
P (tekanan, kg/cm )
13.00 - 14.00
Sehingga secara umum sistem perpompaan dapat dimodelkan dalam blok berikut :
Gambar 5 Diagram Pemodelan Sistem Perpompaan
2.
Gambar 4 flowchart pengerjaan tugas akhir
1.
Spesifikasi dan Pemodelan Sistem Perpompaan pada Pertamina DPPU Ngurah Rai
Pompa yang digunakan dalam plant di Pertamina DPPU Ngurah Rai berjumlah 6 buah, dengan fase 1 dan fase 2 masing masing memiliki 3 pompa. Masing – masing pompa tersebut terhubung secara paralel. Sistem perpompaan diatas
Penurunan Model Matematis Daya Listrik Motor Induksi 3 Fasa
Terdapat 3 unsur dalam suplai daya motor induksi, yaitu tegangan, arus listrik dan faktor daya (cos ɸ). Suplai arus dan tegangan dari PLN ini adalah bolak balik (Alternating Current). Sehingga penurunan model dinamika arus dan tegangannya berbentuk gelombang sinusoidal, dengan persamaan berikut ini : …(3) …(4)
4 Arus listrik akan mengalami perbedaan fasa dengan tegangan, dimana perbedaan ini merupakan faktor daya dari motor induksi tersebut. Perbedaan fasa dapat dilihat dari gabungan grafik arus dan tegangan berikut ini :
Gambar 10 Grafik Tegangan RMS
Gambar 6 Grafik Arus dan Tegangan
Daya dihitung setelah harga root mean square dari arus dan tegangan dihitung, karena root mean square merepresentasikan harga efektif yang dipakai sumber listrik AC untuk melakukan kerja. Keluaran dari root mean square akan menghasilkan nilai rataan dari sumber listrik yang terpakai.
Gambar 11 Grafik Arus Listrik RMS
Dimana besarnya daya listrik yang menjadi masukan untuk motor induksi 3 fasa adalah : √ Gambar 8 Grafik Arus Listrik 3 fase
…(5)
Dimana: V : tegangan antar fasa (380 V) I : arus yang mengalir ke beban (Ampere) cos θ : faktor daya (cos phi) Diagram blok sistem motor induksi secara keseluruhan adalah sebagai berikut :
Gambar 9 Grafik Tegangan 3 fase
Gambar 12 Blok Simulink dari Daya Listrik Motor Induksi 3 Fasa
3.
Penurunan Model Matematis Rugi – Rugi Daya Pada Motor Induksi
Daya yang keluar untuk menghasilkan torsi menuju pompa sentrifugal tidak akan sama dengan suplai daya elektrik yang masuk. Perbedaaan daya tersebut yang disebut dengan rugi – rugi daya. Rugi – rugi daya pada motor induksi dapat
5 diambil dari hasil tes dari laboratorium, maupun dari data yang diambil pada spesifikasi. Persamaan matematis yang digunakan untuk rugi – rugi daya pada motor induksi adalah : …(6) Persamaan dari kedua rugi tembaga (rotor dan stator) diatas adalah sebagai berikut : Rotor Copper Loss : Stator Copper Loss :
…(7) …(8)
Gambar 15 Blok Simulink Perubahan Daya Listrik ke Torsi
5.
Penurunan Model Matematis Kelembaman Impeller Sebuah benda pada keadaan diam, akan mempunyai sebuah sifat fisis yang menyebabkan benda tersebut mencari kesetimbangannya sendiri, yaitu kelembaman. Untuk dapat menggerakan benda tersebut, maka gaya yang dikenai haruslah lebih dari usaha benda tersebut untuk mempertahankan diri dalam keadaan diam (lembam), seperti yang digambarkan pada Hukum Newton 1. Torsi yang dibutuhkan untuk melawan kelembaman impeller adalah hasil perkalian dari momen inersia impeller, dengan differensial dari kecepatan putar motor. Untuk memperkirakan momen inersia impeller didapatkan dari persamaan berikut ini : …(9)
Gambar 13 Blok Simulink untuk rugi – rugi daya
Rugi – rugi yang disebabkan oleh kelistrikan akan semakin kecil apabila kecepatan motor tinggi. Namun sebaliknya, kerugian mekanis akan menjadi lebih besar. Rugi mekanis bersifat konstan, namun rugi – rugi elektrik yang dihasilkan besi pada stator dan rotor dapat dihitung secara langsung seiring masuknya suplai arus listrik, dan dapat berubah sesuai dengan perubahan variabel motor induksi, seperti efisiensi, faktor daya, tegangan, dan lainnya. Penurunan Model Matematis Perubahan Daya ke Torsi Daya mekanik yang masuk selanjutnya akan dirubah menjadi torsi untuk memutar piringan impeller yang dikopel bersama as motor. Torsi pada motor induksi, selain dipengaruhi oleh suplai daya elektrik dan kehilangan energi yang berbentuk rugi – rugi daya, juga dipengaruhi oleh kecepatan medan putar rotor . Kecepatan medan putar rotor dipengaruhi oleh frekuensi yang dibangkitkan dari daya elektrik.
⁄
…(10)
Persamaan untuk memodelkan kelembaman impeller adalah : …(11)
4.
Gambar 14 Grafik Kecepatan Motor (rpm)
Dibawah ini adalah blok diagram Simulink untuk perubahan daya ke torsi :
Gambar 16 Blok Simulink untuk kelembaman impeller
6.
Penurunan Model Matematis Pompa Sentrifugal
Setelah daya listrik dirubah menjadi torsi dan membangkitkan kecepatan motor, maka kedua hal tersebut akan membangkitkan kecepatan putar impeller, sehingga dapat menghasilkan tekanan kinetis yang dirubah casing pompa untuk menghasilkan head untuk fluida, dan kecepatan putar akan menggerakan impeller yang selanjutnya memindahkan sejumlah volume fluida menuju header pit sehingga menghasilkan debit fluida. Persamaan head teoritis, persamaan ini dapat digunakan untuk menghitung besarnya ketinggian yang dihasilkan dari kecepatan putar impeller. …(12) Dimana :
6 U2 = kecepatan putar impeller pada bagian terluar (piringan) Vn2 adalah kecepatan putar fluida melalui bagian terluar impeller U1 adalah kecepatan putar impeller pada bagian mata (poros) Vn1 adalah kecepatan putar fluida melalui bagian mata impeller. Kecepatan fluida dalam impeller dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : …(13) …(14)
Gambar 18 Blok Simulink untuk fungsi densitas terhadap temperatur
Suhu lingkungan diamati pada saat pagi, siang dan malam, sehingga pada masa itu, didapatkan suhu yang berbeda. Maka pola rekaan perubahan suhu terhadap waktu terlihat dalam Gambar dibawah :
Dimana : = Kecepatan fluida saat melintasi bagian luar impeller (m/s) = Kecepatan fluida discharge (m/s) = sudut yang dibentuk cekungan impeller (degree) N = kecepatan putar motor (rpm) r = jari – jari (m)
Gambar 19 Grafik perubahan temperatur terhadap waktu
Saat bekerja pompa sentrifugal menimbulkan kenaikan panas dalam proses menambah energi untuk fluida. Kenaikan panas tersebut dapat diturunkan sebagai fungsi dari head yang masuk, sehingga semakin tinggi head yang masuk maka kenaikan panas semakin besar. Kenaikan temperatur ini terjadi per detik, sehingga semakin lama pompa bekerja maka kenaikan suhu pun semakin besar, sebagaimana ditunjukan pada persamaan berikut ini : Gambar 17 Blok Simulink untuk head teoritis
Sesuai dengan karakteristiknya, maka pompa sentrifugal akan menghasilkan head yang konstan, dan debit yang dapat berubah sesuai dengan keluaran torsi. Selanjutnya persamaan momentum anguler dapat menggambarkan hubungan antara torsi yang dihasilkan dan debit fluida yang dikeluarkan. Persamaan momentum anguler ini turut dipengaruhi oleh berbagai macam faktor, antara lain densitas, jari – jari impeller, kecepatan fluida pada saat mengalir dalam impeller, dan tentu saja torsi yang dihasilkan motor. Dimulai dengan densitas, yang dapat berubah sesuai dengan suhu lingkungan disekelilingnya. Persamaan dibawah ini menunjukkan hubungan antar kedua variabel diatas :
(
)
…(16)
Dimana : H = head yang dihasilkan (meter), = effisiensi pompa Cp = panas spesifik fluida (oC).
…(15) Dimana : = densitas akhir = densitas awal (kg/m3) = koefisien ekspansi volumetris (m3/kgoC) T = temperatur (oC) Maka secara matematis dapat diturunkan blok Simulink berdasarkan fungsi temperatur untuk perubahan densitas :
Gambar 20 Blok Simulink untuk kenaikan temperatur fluida
Dikarenakan ada kenaikan temperatur pompa sentrifugal, maka unsur fluida akan terkena imbasnya, properti yang akan mengalami dampak signifikan adalah densitas. Sehingga terdapat perubahan densitas setelah fluida dipompa. Formula yang digunakan pun serupa dengan perubahan
7 densitas terhadap suhu, yang dipakai adalah kenaikan temperatur pada formula diatas.
Gambar 21 Blok Simulink untuk fungsi densitas terhadap kenaikan temperatur fluida
Setelah keseluruhan variabel pada pompa sentrifugal yang berpengaruh pada debit dimodelkan, maka Persamaan momentum angular dapat digunakan untuk mengetahui berapa besar jumlah torsi yang dibutuhkan untuk mengalirkan debit fluida tersebut. …(17) Dimana adalah densitas fluida yang digunakan (Avtur, Kerosene kg/m3) dan Q adalah debit fluida (m3/s). Fungsi yang menggambarkan keseluruhan hubungan antar variabel dan parameter dalam pompa sentrifugal dapat digabungkan menjadi sebuah blok Simulink yang ekuivalen, yang terdapat pada gambar berikut ini :
beberapa bagian yaitu ketika sistem perpompaan dengan keadaan ideal (sesuai spesifikasi), perubahan beban (load) pada motor induksi, dan ketika parameter motor berubah – ubah. Keluaran sistem perpompaan yang dianalisa adalah daya listrik motor induksi, torsi impeller, head dan debit fluida. Hasil dari analisis akan dilakukan pembahasan setiap sub sistem dan pada keseluruhan sistem monitor sehingga dapat diketahui penyebab dari turunnya kinerja pompa. Simulasi sistem perpompaan ini mencakup suplai daya elektrik dari motor induksi dengan sumber arus dan tegangan bolak – balik (AC) 3 fase, torsi yang dipengaruhi putaran as motor induksi dan debit fluida yang dipindahkan oleh impeller. 1. Analisa Simulasi Sistem Perpompaan Keadaan Ideal Masukan arus dan tegangan motor induksi yang berasal dari konduktor disesuaikan dengan spesifikasi, yaitu tegangan suplai sebesar 380 Volt dan arus listrik sebesar 193 Ampere. Faktor daya diatur dalam perbedaan fasa antara tegangan dan arus listrik, dimana arus listrik akan tertinggal dikarenakan beban induktif dari motor induksi. Untuk rugi – rugi daya, perhitungan parameter sirkuit ekuivalen menggunakan datar dari spesifikasi. (datasheet).
Gambar 24 Grafik Daya Real (Watt) Gambar 22 Blok Simulink ekuivalen pompa sentrifugal
7.
Penggabungan Perpompaan
Model
Matematis
Sistem
Blok – blok Simulink diatas dapat digabungkan menjadi satu untuk memodelkan sistem perpompaan yang utuh. Gabungan sistem pompa sentrifugal dapat dilihat dalam gambar dibawah ini :
Gambar 23 Blok Simulink Gabungan Sistem Perpompaan
IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Dalam Bab IV ini akan dilakukan analisis dari hasil simulasi sistem perpompaan. Analisis ini akan mencakup
Perbedaan fasa antara tegangan dan arus listrik menyebabkan berkurangnya efisiensi motor induksi. Hasil fungsi kosinus dari perbedaan fasa teresebut adalah faktor daya, yang mengindikasikan efisiensi dari penggunaan daya listrik. 85% daya listrik yang disalurkan dan berhasil dimanfaatkan untuk menghasilkan kerja nyata. Nilai daya dari spesifikasi menunjukkan harga yang setara dengan simulasi dengan keadaan ideal, yaitu 110 kW. Dapat dilihat bahwa daya real yang dihasilkan motor induksi dalam simulasi mendekati harga dari spesifikasi. Rugi – rugi daya pun hanya berpengaruh 3% pada daya real yang diproduksi motor induksi. Rugi – rugi daya yang didapat dari motor induksi, untuk rugi pada besi rotor sebesar 73.078 Watt, rugi pada besi stator 85.29 Watt (dengan spesifikasi daya motor dan elektrik yang tidak berubah, dan untuk rugi – rugi yang diakibatkan oleh panas motor adalah 100 Watt, Rugi magnetik (inti) adalah 850 Watt, Mekanikal sebesar 1600 Watt, dan stray load sebesar 750 Watt. Torsi yang dihasilkan pun masih sesuai dengan spesifikasi awal (314 Nm), yaitu berkisar pada nilai 300 – 340 Nm.
8
Gambar 25 Grafik Torsi (Nm)
Untuk menghasilkan debit pompa sentrifugal sebesar 150 m3/jam, daya yang dibutuhkan seharusnya lebih rendah dari motor induksi yang sekarang dipakai.
Gambar 26 Grafik Debit Fluida (m3/jam)
Pengaruh perubahan densitas terhadap debit fluida tidak begitu signifikan, karena rentang perubahan temperatur fluida yang hanya berkisar antara 28 – 31oC.
Gambar 28 Grafik Kenaikan Temperatur Fluida Terhadap Waktu (oC/s)
Disaat temperatur pompa mengalami peningkatan, maka densitas fluida pun akan mengalami penurunan nilai, dari 782.4 kg/m3 ke 780 kg/m3. Dinamika densitas terhadap temperatur dapat dilihat pada gambar 21. Grafik berwarna merah adalah densitas awal sebelum dipompa, sampai pada detik ke-3 adalah keadaan waktu siang hari dimana suhu masih belum terlalu panas. Pada saat dipompa, densitas berubah turun secara perlahan, dengan nilai 783.6 kg/m3 dari nilai sebelumnya 784.3 kg/m3. Begitupula dengan keadaan di siang hari dimana penurunan densitas kembali terjadi dikarenakan naiknya suhu di siang hari. Densitas turun ke nilai 781.6 kg/m3 di siang hari. Pada malam hari dimana suhu menurun (dingin), maka nilai densitas akan naik ke nilai 784.4 kg/m3, berbeda dari nilai sebelumnya pada saat pompa tidak bekerja. Head yang dihasilkan pompa sentrifugal akan bersifat konstan, karena hanya dipengaruhi oleh kecepatan putar motor, dan frekuensi. Head yang dihasilkan pompa bernilai 166.7 meter.
Gambar 29 Dinamika Head Fluida Terhadap Waktu (m) Gambar 27 Grafik Peruabahan Densitas Terhadap Waktu (kg/m3)
Perubahan densitas yang diakibatkan kerja pompa dapat memberikan dampak yang signifikan, apabila pompa dijalankan dalam tempo yang cukup lama karena dapat menyebabkan kenaikan temperatur fluida, dengan laju 0.00145 oC per detik.
2. Analisis Sistem Perpompaan Dengan Perubahan Parameter Simulasi Sensor Alat Ukur Kekeruhan Selanjutnya dilakukan pengujian simulasi dengan memasukan arus listrik yang berbeda beda pada motor induksi, sehingga dapat diketahui hubungan antar variabel dalam sistem perpompaaan. Dalam pengujian kali ini, tegangan ke motor induksi adalah konstan (380 V) karena merupakan standar suplai tegangan 3 fasa oleh PLN. Tabel 3 Pengaruh Perubahan Parameter Arus Listrik Arus Listrik (A)
Daya Real (kW)
Torsi (Nm)
Debit Fluida (m3/jam)
Efisiensi
9 110
68.119
185.1
132.35
0.95
140
195.9
72.116
0.593
120
69.18
187.9
134.39
0.953
150
209.9
77.267
0.635
130
80.86
219.7
157.09
0.959
160
223.9
82.418
0.677
140
85.391
232
165.9
0.961
170
237.9
87.569
0.72
150
94.386
256.4
183.38
0.965
160
96.267
261.6
187.04
0.965
170
103.187
280.48
200.48
0.967
Untuk menghasilkan debit sesuai dengan kebutuhan operasi maksimal hanya dibutuhkan arus dan daya listrik yang lebih kecil dari spesifikasi, Sehingga motor memikul beban yang lebih rendah dari yang seharusnya. Kerugian yang ditimbulkan oleh motor yang berjalan dengan daya yang lebih rendah adalah sebagai berikut : Rugi – rugi motor yang tidak sesuai spesifikasi, karena motor seharusnya dapat berjalan dengan arus dan daya real yang lebih rendah, namun motor yang dipakai memiliki spesifikasi daya yang lebih tinggi, sehingga rugi – rugi daya motor pun lebih tinggi dari seharusnya. Efisiensi yang menurun, dapat dilihat pada tabel diatas bahwa semakin kecil arus maka efisiensi pada beban penuh akan semakin kecil. 3.
Simulasi Pembebanan Pada Motor Induksi Beserta Pengaruhnya Terhadap Faktor Daya
Penggunaan beban yang lebih ringan saat motor berjalan menyebabkan faktor daya motor mengecil. Untuk menguji hipotesa tersebut, maka dilakukan simulasi untuk mengetahui pengaruh pembebanan motor induksi, terhadap faktor daya yang dihasilkan. Parameter dan pengaruh perubahan terhadap parameter tersebut, seperti torsi dan daya mekanis ditinjau. Sehingga besar faktor daya pada kondisi beban tertentu dapat diketahui. Tabel 4 Pengaruh Perubahan Parameter Arus Listrik Debit Fluida (m3/jam)
Torsi (Nm)
Daya Mekanis (kW)
Cos ɸ
70
97.97
36.002
0.296
80
112
41.209
0.339
90
126
46.36
0.381
100
140
51.511
0.423
110
153.9
56.662
0.466
120
167.9
61.813
0.504
130
181.9
66.694
0.55
Hubungan antara torsi dengan faktor daya adalah linier, apabila torsi yang dibutuhkan untuk memutar impeller dengan debit fluida tertentu semakin besar, maka faktor dayanya akan semakin besar, begitu juga sebaliknya. Torsi untuk memutar impeller yang dibutuhkan untuk mengalirkan debit fluida adalah beban yang ditanggung oleh motor induksi untuk dapat melaksanakan kerja. Maka dapat ditarik kesimpulan, bahwa semakin kecil beban torsi, faktor daya ketika motor bekerja akan semakin kecil. 4. Simulasi Kenaikan Temperatur Fluida Terhadap Penurunan Faktor Daya Apabila pompa sentrifugal beroperasi pada rentang waktu tertentu, maka akan timbul kenaikan temperatur fluida, yang turut dipengaruhi oleh head fluida. Kenaikan temperatur fluida bertambah seiring dengan berjalannya waktu, sehingga semakin lama fluida dipompa, maka temperaturnya akan semakin meningkat. Kenaikan temperatur fluida berpengaruh terhadap perubahan densitas, karena sifat ekspansi yang ada pada fluida itu sendiri. Oleh karena itu, maka pengaruh kenaikan temperatur pada fluida terhadap nilai densitas perlu dikaji. Tabel 5 Perubahan Densitas Terhadap Kenaikan Fluida Waktu (s)
Kenaikan Temperatur (ΔoC)
Densitas (ρ, kg/m3)
100
0.145
782.243
200
0.29
782.129
300
0.435
782.016
400
0.581
781.902
500
0.726
781.789
600
0.871
781.562
700
1.016
781.562
800
1.161
781.449
900
1.306
781.336
1000
1.451
781.222
Dari tabel diatas didapatkan bahwa lamanya operasi pompa akan menyebabkan peningkatan temperatur dalam fluida (avtur), sehingga membuat nilai densitas turun setelah dipompa.
10 V. KESIMPULAN DAN SARAN 1.
Kesimpulan Berdasarkan pengujian dan analisis dari simulasi sistem perpompaan yang telah dilakukan maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut : Dengan pengujian berupa perubahan parameter arus listrik pada motor induksi rentang nilai 110 – 170 Ampere, maka didapatkan rentang nilai daya real sebesar 68.119 – 103.187 kW, Torsi sebesar 185.1 – 200.48 Nm, debit fluida sebesar 132.35 – 200.48 m3/jam Setelah dilakukan simulasi perubahan parameter arus didapatkan bahwa untuk menghasilkan debit yang sesuai dengan spesifikasi, dibutuhkan daya real yang lebih kecil (80.86 kW) dari daya motor seharusnya (110 kW). Kerugian yang ditimbulkan adalah rugi – rugi daya dan efisiensi. Dilakukan pengujian perubahan beban untukmengetahui pengaruh pembebanan motor induksi terhadap faktor daya yang dihasilkan. Beban yang dirubah adalah debit fluida dengan rentang 70 – 170 m3/jam, Torsi sebesar 97.97 – 237.9 Nm, dan faktor daya (Cos ɸ) 0.293 – 0.72. Kenaikan temperatur fluida dan pengaruhnya pada densitas disimulasikan untuk mengetahui pengaruhnya. Dengan rentang waktu 100 – 1000 detik, didapatkan kenaikan temperatur fluida dalam rentang 0.145 - 1.45 C dan terjadi penurunan densitas sebesar 782.243 - 781.222 kg/m3. Laju kenaikan temperatur fluida per detik diketahui sebesar
0.00145 oC.
2.
[7] “Electrical Motor and Heat Loss”
[8] Sutopo, B. Wijaya, F.D. Supari., “Perbaikan Faktor Daya Motor Induksi 3 fase menggunakan mikrokontroller 68HC11” Teknik Elektro UGM, Yogyakarta. [9] Fitzgerald A.E., J.K. Charles, D.U. Stephen, A. Djoko, 1992 .“Mesin – Mesin Listrik”, Erlangga : Jakarta. [10] J.C. Stephen, .”Electric Machinery Fundamental 4th edition”. Erlangga: New York. [11] Advantica. 2003. < my.advanticagroup.com/support/.../KBA_pump_moment _of_inertia.pdf> [12] Lehtla, T. “PARAMETER IDENTIFICATION OF AN INDUCTION MOTOR USING FUZZY LOGIC CONTROLLER” Estonia. [13] Soemarno, 2008.” Sharing Pengalaman Maintenance”. [14] NDT, ” Alternating Current”. [15] Engineering Toolbox, “ Coefficients of Cubical Expansion of Liquids” [16] Engineering Toolbox, “Density of Fluids - Changing Pressure and Temperature” BIODATA PENULIS
Saran Adapun saran yang dapat diberikan oleh penulis setelah melaksanakan penelitian tugas akhir ini adalah sebaiknya motor induksi dan pompa sentrifugal memiliki spesifikasi data yang lebih lengkap, sehingga analisis kinerja pompa dapat lebih mudah. Selain itu, pengukuran seharusnya dilakukan dengan alat ukur yang lebih lengkap.
[1] [2] [3] [4]
[5] [6]
DAFTAR PUSTAKA UNEP. 2006.”Electrical Energy Equipment : Electric Motors”, New Delhi. UNEP. 2006.”Electrical Energy Equipment : Centrifugal Pump”, New Delhi. Haque, M.H. , 1992. “Estimation of three phase induction motor parameters” Electric Power Systems Research. Saudi Arabia. Andrade, Cassio T.C., Pontes, Richardo S.T., , 2010. “Three phase induction motors Energy Efficency Standard : A Case Study” Ceara Federal University, Fortaleza. Bureau of Energy Efficiency, Ministry of Power, India. 2006.Pumps and Pumping Systems (Bahasa Indonesia). UNEP, Mc Cabe, Warren L. 1993. “Unit Operation of Chemical Engineering”. McGraw-Hill Book Co. : Singapore.
Nama : Arya Bhaskara A.P. TTL : Surabaya, 11 Mei 1991 Alamat : Jl.Wisma Permai 3 No. 6 Mulyosari Surabaya Email : [email protected] Riwayat Pendidikan : SDN Mekarmukti 6 (1996 - 2001) SMPN I Banyumas (2001 - 2004) SMAN 5 Kab. Bekasi (2004 - 2007) S1 Teknik Fisika (2007 – sekarang)
