ANALISIS WATER HAMMER PADA PIPA TRANSMISI YANG MENGGUNAKAN POMPA SENTRIFUGAL

ANALISIS WATER HAMMER PADA PIPA TRANSMISI YANG MENGGUNAKAN POMPA SENTRIFUGAL Alfian Arbie Simbolon1, Makmur Ginting2 1

Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No.1 Kampus USU Medan Email : [email protected] 2 Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No.1 Kampus USU Medan Email : [email protected]

ABSTRAK Pada sistem transmisi aliran menggunakan pompa, benturan fluida (water hammer) akan terjadi ketika adanya perubahan tekanan secara mendadak yang ada di dalam sistem perpipaan, dikarenakan kegagalan operasional pompa. Besarnya lonjakan atau besarnya tekanan karena benturan air (water hammer), tergantung pada laju perubahan kecepatan aliran. Dalam hal ini tergantung pola menjalankan dan menghentikan pompa. Analisis water hammer dilakukan dengan melakukan simulasi pada sistem dengan melakukan perbandingan perubahan panjang pipa, diameter pipa, dan head pompa sentrifugal. Simulasi dilakukan dengan bantuan software Bentley Hammer v8i SELECT Series 4 dengan menginput data pipa, pompa, dan data aliran yang menghasilkan profil tekanan, profil kecepatan, dan profil hydraulic grade. Diambil beberapa sampel waktu dari 60 detik yang ditinjau yakni t = 0.444800s, 0.508300s, 0.571900s, 0.762500s, 1.080200s, 10,611200s, dan 27.639900s.Berdasarkan hasil simulasi didapat kesimpulan perubahan besaran panjang pipa dan head pompa sangat berpengaruh terhadap fluktuasi gelombang water hammer. Kata kunci :Pompa sentrifugal, water hammer, pipa, aliran transien.

ABSTRACT At transmissions flow systemusing pump, water hammer will occurs when there is shudden change in presssurein pipeline due to pump failure. Number of pressure due to water hammer depends on change in flow velocity. It depends on how we start and stop the pump. This water hammer analysis is done by doing some simulations at system by doing some comparative change in pipe length, pipe diameterand head of centrifugal pump. Simulation is supported by software Bentley Hammer v8i SELECT Series 4 by inputting pipe, pump, and flow datas to produce pressure, velocity, and hydraulic grade profile. It takes some time step sampel from 60 seconds time reviewed such as t = 0.444800s, 0.508300s, 0.571900s, 0.762500s, 1.080200s, 10,611200s, dan 27.639900s. According to result of simulations, we get conclusion that chane in pipe length and pump head affect to the fluctuation of water hammer surges or pressure. Keywords: Centrifugal pump, water hammer, pipe, transient flow.

1. PENDAHULUAN Dalam pengoperasian pompa sering terjadi kendala yang menghambat kinerja pompa seperti terputusnya sambungan arus listrik yang digunakan untuk menjalankan pompa tersebut. Pompa yang tiba-tiba mati akan menyebabkan aliran fluida yang dipompakan keluar mengalami tekanan negatif akibat aliran balik dari sisi outlet yang akan mengakibatkan tumbukan antara aliran yang keluar dari pompa dengan aliran balik

dari head tekanan dari sisi outlet. Hal ini akan menyebabkan terjadinya pukulan air atau disebut juga water hammer. Hal ini akan berdampak buruk terhadap instalasi perpipaan terutama pipa sebagai jalur utama fluida dialirkan. Perubahan tekanan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan terjadinya dampak yang buruk bagi sistem perpipaan, diantaranya adalah rusaknya atau pecahnya pipa sistem dengan konsekuensi seluruh sistem peralatan harus mati total. Pada sistem distribusi aliran menggunakan pompa, benturan fluida akan terjadi ketika adanya perubahan tekanan secara mendadak yang ada di dalam sistem perpipaan, dikarenakan kegagalan operasional pompa. Rumusan masalahnya adalah bagaimana proses terjadinya water hammer akibat kegagalan operasional pompa dan apa dampaknya pada sistem perpipaan serta solusi meminimalisasi efek yang ditimbulkan water hammer tersebut.

2.TINJAUAN PUSTAKA Water Hammer pada Pump Discharge Line Akibat Kegagalan Daya Ketika suplai daya pada motor pompa tiba-tiba diputuskan, satu-satunya energi yang menggerakkan pompa adalah energi kinetik dari elemen perputaran motor dan pompa dan air yang terjebak dalam pompa. Karena energi ini biasanya kecil bila dibandingkan dengan energi yang dibutuhkan untuk menjaga aliran tetap berjalan melawan head tekan, penurunan kecepatan pompa berlangsung sangat cepat.Ketika kecepatan pompa berkurang, aliran air di pipa tekan yang berdekatan dengan pompa juga menurun.Akibatnya, gelombang water hammer dari tekanan subnormal terbentuk saluran tekan pompa.Gelombang ini bergerak dengan sangat cepat ke bagian outlet dimana refleksi gelombang terjadi. Segera kemudian, kecepatan pompa akan berada pada satu kondisi dimana tak ada air yang mampu dialirkan melawan head yang ada. Jika tidak ada katup kontrol yang tersedia pada pompa, aliran melalui pompa akan berbalik, meskipun mungkin pompa masih bisa berputar maju. Kemudian kecepatan pompa akan turun sangat drastis dan mencapai kecepatan nol. Beberapa waktu kemudian, pompa bekerja seperti turbin, mencapai kecepatan liar (runaway speed). Saat pompa mendekati kecepatan runaway, aliran balik melalui pompa menurun dengan sangat cepat dan menghasilkan kenaikan tekanan pada pompa dan sepanjang pipa tekan.

Persamaan Inersia Ketika suplai daya kepada motor pompa tiba-tiba terputus, perlambatan pompa dengan segera tergantung pada efek flywheel (roda gila) pompa dan motor dan torsi sesaat yang dipengaruhi impeler pompa. Untuk suatu sistem rotasi, torsi akselerasi sama dengan produk momen massa inersia dan sistem perputaran dan percepatan sudut. Mengikuti kegagalan daya pada pompa, torsi perlambatan sistem perputaran berhubungan dengan torsi pompa. Jika torsi perlambatan dibuat positif, = −

= −

( .

)

+

∆

Torsi perlambatan pada head nominal kecepatan pompa adalah =

60 2

Sehingga,

 −

( . =

)

3. METODE SIMULASI DAN ANALISIS Rangkaian Sistem Sistem terdiri dari reservoir inlet , pompa, pipa, dan reservoir outlet yang dirangkai seperti gambar di bawah ini:

Gambar 3.1. Sistem Saluran Pipa dengan Pompa

Data-data Yang Diperlukan Data-data yang diperlukan adalah antara lain :panjang pipa (m),diameter pipa (m), koefisien gesekan, elevasi inlet (m), elevasi outlet (m), kecepatan gelombang (m/s), head rencana pompa (m), debit rencana pompa (m3/s), kecepatan rotasi rencana pompa (m/s), dan waktu setelah permulaan berhentinya pompa (s). Dalam hal ini, akan dibahas water hammer yang disebabkan oleh kegagalan pompa akibat kegagalan daya. Masalahnya dinyatakan sebagai berikut:Air dipompa dari sumber inlet ke sisi outlet melalui pipa dengan panjang L. Pipa terbuat dari PVC dengan diameter bagian dalam D cm dan ketebalan dinding e = mm. Koefisien gesekan diabaikan. Perbedaan level air antara inlet dan outlet adalah sebesar ΔZ = 15 m.

Metode Simulasi Simulasi menggunakan bantuan software Bentley Hammer v8i SELECT Series 4 dengan menginput data-data pipa, pompa, dan reservoir.Simulasi dilakukan dengan mengaplikasikan model dengan waktu tertentu dan kecepatan rotasi tertentu serta pada head tertentu sehingga didapat profil tekanan, profil kecepatan, dan profil Hydraulic Grade.

Simulasi yang dilakukan Dengan melakukan simulasi dengan waktu operasional pompa sentrifugal selama 60 detik didapatkan hasil berupa profil tekanan, profil kecepatan, dan profil hydraulic grade yang berubah-ubah setiap selang waktu sepersekian detik. Simulasi dilakukan dengan mengubah diameter pipa, panjang pipa maupun head pompa. 1. Dengan diameter pipa yang berbeda, panjang pipa yang sama, dan tipe pompa yang sama a. Data Pipa PIPA Diameter (mm) Panjang (m)

I 40 60

II 63 60

b. Data Pompa sentrifugal Tipe

8065FS2H511

Head

40 m

Kapasitas

800 L/min

Kecepatan Rotasi

3000 rpm

2. Dengan diameter pipa yang sama, panjang pipa yang berbeda, dan tipe pompa yang sama a. Data Pipa PIPA

I

II

Diameter (mm)

40

40

Panjang (m)

60

84

b. Data Pompa sentrifugal Tipe

8065FS2H511

Head

40 m

Kapasitas

800 L/min

Kecepatan Rotasi 3000 rpm 3. Dengan diameter pipa yang sama, panjang pipa yang sama, dan tipe pompa yang berbeda a. Data Pipa PIPA

I

II

Diameter (mm)

40

40

Panjang (m)

60

60

b. Data Pompa sentrifugal POMPA

I

II

Tipe

8065FS2H511

6550FS2H55.5

Head

40 m

30.5 m

Kapasitas

800 L/min

29.5 m3/h = 491.667 L/min

Kecepatan Rotasi

3000 rpm

2950 rpm

Membuat Model Langkah-langkahnya sebagai berikut. 1.

Buka aplikasi Bentley Hammer v8i

2. 3.

Klik File > New untuk memulai project baru. Klik menu Tools and pilih Options. Lalu ke Drawing tab and ubah Drawing Mode ke Schematic

4.

klik tab Units, klik Reset Defaults button and ganti Default unit system ke System International.

5. 6.

klik OK Untuk membuat reservoir a. b. c. d.

7.

klik lambang Reservoir pada Layout toolbar. arahkan kursor ke wilayah kerja dan klik untuk menempatkan reservoir. Bentley HAMMER secara otomatis akan memberi nama R-1. Double-click reservoir untuk membuka Properties editor. Ubah nilai Elevation ke 0 m dan Elevation (Inlet/Outlet Invert) value ke 3 m.

Tambahkan elemen Junction

ke sebelah kanan R-1 and namai P-1. Ubah Elevation ke 3 m.

8. Tambahkan elemen Pump di sebelah kanan P-1 and namai PMP1. Ubah Elevation ke 3 m. 9. Tambahkan lagi elemen Junction setelah PMP1. Namai dan buat elevasinya. 10. Tambahkan elemen Reservoir setelah P-3, yaitu R-2. Masukkan elevasinya. 11. Tambahkan untuk menghubungkan antar elemen. Klik button Pipa pada toolbar Layout. a. Klik R-1. b. Klik J-1. c. Klik PMP1. d. Lanjutkan meng-klik setiap elemen yang akan dihubungkan e. setelah selesai meng-klik R-2, klik kanan dan pilih Done untuk menyelesaikan layout pipa. 12. Untuk jumlah elemen yang lebih besar, gunakan FlexTables. Klik menu View dan pilih perintah FlexTables pada FlexTables Manager, double-click Pipe Table.

13. Pada FlexTable, kamu hanya bisa mengedit white fields; yellow fields adalah read-only. Bila keseluruhan elemen ada tabel mempunyai nilai yang sama untuk sebuah atribut , kita data mengedit keseluruhannya secara global. Klik kanan kolom Diameter dan pilih Global Edit. Klik OK.

14. Setelah selesai mengedit data, tutup FlexTable. Kemudian kita akan membuat defenisi pompa. Klik menu Components and pilih Pump Definitions. 15. Klik tombol New untuk membuat pump definition. Di bawah Pump Definition Type pilih Design Point (1 Point). Masukkan besaran angka L/s pada Design Flow dan besaran angka m untuk Design Head. Klik Close.

16. Highlight pump PMP1. Pada Properties Editor klik Pump Definition pilih Pump Definition - 1 dari daftar.

17. Pada drawing view, beberapa elemen dan label elemen mungkin terjadi overlap, mengaburkan satu sama lain. Kita dapat mereposisi label elemen. Zoom in pada label elemen lalu klik. Bila berhasil, hanya label yang akan ter-highlight; jika element and label ter-highlight, klik ulang lagi.

18. Tampilan model akan seperti di bawah ini :

. 19. Sekarang kita bisa menghitung (calculate) steady-state initial conditions model. Klik tombol Compute Initial Conditions. 20. Tutup jendela Calculation Summary dan jendela User Notifications. 21. Klik File > Save As untuk memilih direktori and simpan file dengan nama Simulasi1.wtg.

Memilih transient event pada Model Setiap perubahan pada aliran atau tekanan pada sebuah titik pada sistem, dapat menyebabkan hydraulic transients. Bila perubahannnya secara berangsur-angsur, maka hasil tekan transien mungkin tak akan besar. Akan tetapi, bila berubah secara cepat mauun tiba-tiba , tekanan transien dapat menyebabkan lonjakan atau water hammer. Karena setiap sistem mempunyai waktu karakteristik yang berbeda-beda, qualitative adjectives gradual and rapid tergantung pada different quantitative time intervals untuk setiap sistem.

Konfigurasi Project Bentley Hammer 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Klik menu Analysis dan pilih Calculation Options. Pada Calculation Options manager, klik ganda Base Calculation Options di bawah Transient Solver. Editor Properties akan menampilkan Calculation Options untuk profil calculation options yang disorot. Ubah nilai Report Points ke Selected Points. Klik tombol ellipsis (...) pada Report Points Collection field. Pada dialog Report Points Collection dialog, klik ganda P1 / J1, P2 / J1, PMP1S/PMP1, and PMP1D/PMP1 pada daftar Available Items untuk menambahkan mereka pada daftar Selected Items. Klik OK.

Ubah Run Duration Type ke Time. Masukkan nilai Run Duration (Time). Ubah Pressure Wave Speed m/s. Buat nilai Vapor Pressure pada default value -97.9 kPa. Ubah Generate Animation Data field ke True. Tutup Calculation Options manager. Report Paths dihasilkan Profile Manager. Klik menu View pilih Profiles.

13. Pada Profiles manager, klik tombol New. 14. Pada dialog Profile Setup klik tombol Select From Drawing 15. Kita akan ditampilkan drawing view; klik PMP1 lalu R-2 – keseluruhan titik akan terpilih secara otomatis. Klik kanan dan pilih Done. 16. Pada dialog Profile Setup, klik tombol Open Profile.

17. Pada dialog Profile Series Options yang muncul, click OK untuk menerima default profile settings. 18. Check tampilan seerti dibawah, lalu tutup Profile.

19. Pada Profiles manager, sorot pada rofil terbaru, Profile - 1 dan klik Rename. Masukkan nama Main Path. Simbol palu pada sisi atas profil mengidikasikan bahwa profil ini adalah Transient Report Path, yang berarti selama analisis transien, hasilnya akan disimpan di profil ini. 20. Tutup Profiles manager.

21. Simpan file dengan nama yang sama (Simulasi1.wtg) dengan File > Save. Kita sekarang bisa menge-run analisis transient.

Melakukan Analisis Transient Tanpa peralatan proteksi lonjakan Menganalisis aliran transien yang disebabkan oleh kegagalan daya.

1. Klik ganda PMP1. Pada editor Properties ubah nilai Pump Type (Transient) ke Shut Down After Time Delay.

2. Aturlah parameter lain pompa: a. Diameter (Pump Valve): b. Time (Delay Until Shutdown): c. Pump Valve Type: atur ke standard (Check Valve). 3. Klik Pump Definition field dan pilih Edit Pump Definitions. 4. Pada dialog Pump Definitions, klik tab Efficiency. Ubah Pump Efficiency type ke Constant Efficiency, dan Pump Efficiency value ke 85 %.

5. Klik tab Transient. Aturlah parameter berikut: a. Inertia (Pump and motor) : kg m b. Speed (Full) : rpm. c. Specific Speed : pilih SI=25, US-1280. d. Reverse Spin Allowed? : hapus centang.

6. Tutup dialog Pump Definitions. 7. Klik tombol Compute untuk memulai analisis transien. 8. Ketika run sudah selesai, Transient Calculation Summary terbuka otomatis menampilkan calculation options yang digunakan selama di-run, initial conditions, dan extreme pressure dan head values.

9. Klik tombol Close pada Transient Calculation Summary. 10. Tutup jendela User Notifications. Menampilkan Hasil 1.

HGL Profile: Bentley HAMMER dapat memplot steady-state hydraulic grade line (HGL) sebaik amplop head transient maximum and minimum sepanjang Main path. 2. Time History: Bentley HAMMER dapat memplot waktu – tergantung perubahan pada transient flow, dan head dan tampilan volume dari uap atau udara ada titik yang diinginkan. 3. Animations: Kita dapat Animate untuk memvisualisasikan bagaimana variable sistem berubah setelah kegagalan daya. Setiap path dan history pada layar disinkronisasikan dan dianimasikan sekaligus. Catat bagaimana tekanan transien menjadi stabil untuk sementara. Adalah penting untuk meluangkan waktu kita untuk secara hati-hati mereview hasil dari masingmasing run Bentley HAMMER untuk mengecek error dan bila tidak ditemukan pelajari sesuatu tentang dynamic nature dari sistem air. Klik menu Analysis dan buka Transient Results Viewer . Profilkan Main Path dan plotvarious time history graphs. Kemudian klik Play

atau tombol Animate

Gambar Tampilan Transient Result Viewer

.

Gambar Tampilan salah satu profil

Penjelasan/pembahasan Pada saat t = 0.571900 s , tekanan pada jarak 47 m mendekati maksimum . Pada titik ini dianjurkan melakukan perkuatan atauun pencegahan mengantisipasi gejolak tekanan yang mungkin saja dapat lebih besar. Langkah meminimalisirnya dapat dilakukan dengan memasang surge tank ataupun air chamber atau melakukan perkuatan pada titik tersebut.

4. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 1. 2.

3.

4.

Dari hasil simulasi didapat profil tekanan, profil kecepatan, dan profil hydraulic grade yang bervariasi seiring dengan variasi input data pipa, pompa dan reservoir yang dimasukkan . Dari simulasi dengan panjang pipa yang sama (l1 = l2 = 60 m) dan diameter yang berbeda (d1 = 40 mm, d2 = 63 mm) dan head 40 m pompa yang sama diperoleh bahwa memperbesar diameter akan mengurangi efek water hammer yang mungkin terjadi. Dari simulasi dengan panjang pipa yang berbeda (l1= 60 m, l2 = 84 m) dan diameter yang sama (diameter 40 mm) dan head pompa (40m) yang sama diperoleh bahwa semakin panjang pipa maka potensi terjadi water hammer pada sistem semakin besar. Dari simulasi dengan panjang pipa yang sama (l1 = l2 = 60 m) dan diameter yang sama ( d1 = d2 = 40 mm) dan head pompa yang berbeda (head1 = 40 m, head2 = 30.5 m) diperoleh bahwa perubahan head pompa mempunyai pengaruh yang sangat besar pada profil transien tekanan,kecepatan, dan hydraulic grade. Dimana pada simulasi head yang kedua didapat kecepatan dan tekanan aliran fluida dari pompa sudah melambat dari detik ke 33.42200 dari waktu 60 detik yang ditentukan. Dan ini berpotensi menyebabkan aliran balik dari reservoir yang mana bisa berpotensi menyebabkn terjadinya fenomena water hammer.

Saran 1.

2.

Perencanaan elevasi, head, dan panjang sistem suatu komponen tansmisi pemompaan harus benarbenar diperhitungkan dengan memperhitungkan water hammer atau efek transien yang akan terjadi. Untuk mengatasi dampak water hammer akibat aliran yang berbalik bisa dilakukan memasang surge tank atau air chamber pada sistem pompa.

3.

Material atau bahan penyusun pipa harus didesain sedemikian rupa untuk untuk menghindari kerusakan akibat impact tekanan water hammer.

DAFTAR PUSTAKA Asadiniazi and M.Sarband, 2010, “Study on Mechanism and Control Methods of Water Hammer in Pump Station and Pipe Lines”, The International Society of Offshore and Polar Engineers (ISOPE), Vol.1. Black, Perry O, 1976, Pumps, Taraporevala Sons & Co. Private Limited,Bombay. Featherstone and Nalluri, 2009, Civil Engineering Hydraulics, A John Willey & Sons, Ltd, Publication, United Kingdom. Ghidaoui,Mohamedet.al., 2005, “A Review of Water HammerTheory and Practice”, ASME, Vol.58 Jaeger, Charles, 1977, Fluid Transients, Blackie & Son Limited, Glasgow and London. Karassik, Igor J., dkk, 1976, Pump Handbook, McGraw-Hill, Inc, United States of America. Kodoatie, Robert J, 2002, Hidrolika Terapan Aliran Pada Yogyakarta.

Saluran Terbuka dan Pipa, Penerbit Andi,

Patty, O.F., 1995, Tenaga Air, Erlangga, Jakarta . Parmakian,John.1963, Waterhammer Analysis. Dover Publications,Inc. New York Sijamhodzic,Esad, et.al.,19991, “Water Hammer Analysis of Pumping Systems forControl of Water in Underground Mines”, Presented at the Fourth International Mine Water Association Congress, Ljubljana, Yugoslavia. W S Yi, et.al., 2013, “Pump-stopping water hammer simulation based on RELAP5”, 6th International Conference on Pumps and Fans with Compressors and Wind Turbines, IOP Publishing, Vol.1 Xu, Chao, et.al., 2014, “Optimal Boundary Control for Water Hammer Suppression inFluid Transmission Pipelines”, National Natural Science Foundation of China throughgrants F030119-61104048, 2012AA041701 and 61320106009, Vol.1.