PERANCANGAN DAN ANALISA SISTEM PENAHAN BLADE DAMPER PLTGU DI PT INDONESIA POWER UP SEMARANG MENGGUNAKAN SOFTWARE AUTODESK INVENTOR PROFESSIONAL 2015 (Design And Analysis of Blade Damper Retaining System PLTGU in PT Indonesia Power UP Semarang Using Software Autodesk Inventor Professional 2015) Ahmad Kenedi1,a , Berli Paripurna Kamiel1,b, Sunardi1,c Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, Teknik Mesin, Yogyakarta 55183, Indonesia
[email protected] INTISARI Diverter damper pada PLTGU berfungsi mengatur aliran gas sisa pembakaran dari GTG menuju HRSG dengan sistem open cycle (gas sisa pembakaran langsung dibuang ke lingkungan) dan combine cycle (gas sisa pembakaran masuk ke dalam HRSG). Ketika combine cycle, posisi dari blade damper membuka secara penuh dan menyebabkan tegangan maksimum pada sistem mekanis sebesar 238.7 MPa dengan faktor keamanan 1.01 berdasarkan hasil simulasi menggunakan software Autodesk Inventor Professional 2015. Dari hasil simulasi menunjukkan tegangan yang besar sehingga perlu adanya sistem yang berfungsi menahan blade damper ketika proses combine cycle. Tegangan yang terjadi pada sistem mekanis dapat dikurangi dengan adanya support blade damper dari sisi lain. Pada perancangan ini terdapat beberapa komponen utama seperti: middle shaft, side shaft, connecting rod, key, actuator, arm torque, dan frame. Proses perancangan dilakukan dengan mendesain komponen satu persatu kemudian digabungkan (assembly) dan terakhir dianalisa menggunakan software Autodesk Inventor Professional 2015. Hasil perancangan dan simulasi diperoleh tegangan pada arm torque ketika kondisi 1 sebesar 238.7 MPa dan kondisi 2 sebesar 20.58 MPa, mengalami penurunan sebesar 91.4%. Dari hasil tersebut menunjukkan bahwa penambahan sistem penahan blade damper menyebabkan penurunan tegangan pada komponen mekanis yang signifikan. Kata Kunci : Diverter damper, Blade damper, tegangan, sistem penahan, Autodesk Inventor Professional 2015.
PENDAHULUAN PT Indonesia Power UP Semarang merupakan salah satu pusat listrik tenaga gas dan uap yang biasa disebut PLTGU. Dalam sistem operasionalnya didukung oleh berbagai subkomponen seperti GTG (Gas Turbine Generator), STG (Steam Turbine Generator), cerobong asap (Stack), HRSG (Heat Recovery Steam Generator), dan diverter damper. Diverter damper berfungsi untuk mengatur sistem combine cycle dan open cycle pada unit PLTGU. Combine cycle adalah proses pemanfaatan gas hasil pembakaran pada GTG yang disalurkan ke
dalam HRSG. Gas tersebut berfungsi memanaskan air menjadi uap panas yang digunakan untuk memutar STG. Pada diverter damper terdiri dari dua sistem utama yaitu sistem mekanis dan sistem hidrolik. Blade damper merupakan salah satu sistem mekanis pada diverter damper yang berfungsi mengatur aliran gas dari GTG menuju HRSG. Bobot dari blade damper kurang lebih 3.5 sampai 5 ton sehingga menggunakan sistem hidrolik untuk mengoperasikannya. Komponen utama pada sistem hidrolik terdiri dari pompa, relief valve, actuator, blader, dan komponen
pendukung yang lain. Cara kerja dari sistem hidrolik dengan memompa oli dari reservoir melalui hydraulic pump kemudian masuk ke hydraulic control system dan terakhir menuju actuator. Pada bulan Oktober 2016, telah dilakukan pengamatan di PT Indonesia Power UP Semarang selama satu bulan. Pada diverter damper yang ada di PLTGU tidak terdapat sistem penahan untuk blade damper ketika full open (combined cycle). Tanpa adanya penahan blade damper menyebabkan momen puntir dan tegangan yang besar terjadi pada poros, serta komponen dari sistem mekanis yang lain seperti key, actuator, dan arm torque. Actuator menerima beban aksial akibat momen puntir yang terjadi pada poros blade damper. Pada actuator memiliki beberapa komponen salah satunya seal yang berfungsi sebagai perapat dan merupakan komponen yang sering mengalami kerusakan. Kerusakan pada seal sering terjadi yang disebabkan oleh temperatur kerja yang tinggi serta menahan beban akibat bobot dari blade damper. Untuk mengurangi momen puntir dan tegangan pada sistem mekanis serta meminimalisir kerusakan seal perlu dilakukan perancangan sistem penahan blade damper. Dari uraian di atas penulis akan merancang sistem penahan blade damper yang bertujuan untuk mengurangi tegangan dan momen puntir pada sistem mekanis diverter damper. Pada perancangan ini penulis menggunakan software Autodesk Inventor Professional 2015 (AIP 2015) serta menganalisis tegangan, regangan, dan faktor keamanan pada sistem penahan blade damper.
2.1 menunjukkan letak dari diverter damper yang ditandai dengan warna hujau dan blade ditandai dengan warna merah.
Gambar 2.1 Letak diverter damper Gambar 2.2 menunjukkan komponen sistem mekanis diverter damper.
Gambar 2.2 Komponen diverter damper Pada perancangan ini, Simulasi dan analisa dilakukan ketika blade pada posisi full open (combine cycle) sehingga tidak menghitung gaya yang disebabkan oleh gas sisa pembakaran. Gambar 2.3 menunjukkan posisi dari blade damper ketika closed dan open.
DASAR TEORI Diverter damper adalah salah satu komponen PLTGU yang berfungsi mengatur besarnya flow (debit) sisa gas pembakaran dari GTG masuk ke dalam HRSG. Gambar
Gambar 2.3 Posisi blade damper, (a) Closed (Open cycle), (b) Open (Combine cycle)
METODE PERANCANGAN 2.1 Diagram alir perancangan dan analisa sistem penahan blade damper Gambar 3.1 menunjukkan diagram alir proses perancangan sistem penahan blade damper. Perancangan dan analisa dilakukan dengan 2 kondisi yaitu: kondisi saat ini (Kondisi 1) dan kondisi setelah perancangan (Kondisi 2).
Gambar 3.1 Diagrama alir perancangan sistem penahan blade damper 2.2 Diagram alir analisa tegangan komponen diverter damper (kondisi 1) Gambar 3.2 menunjukkan diagram alir analisa komponen mekanis diverter damper pada sekarang (kondisi 1).
Gambar 3.2 Diagram alir analisa komponen diverter damper 2.3 Diagram alir perancangan dan analisa tegangan sistem penahan blade damper Gambar 3.3 adalah diagram alir perancangan sistem penahan blade damper. R adalah Simbol untuk komponen sistem penahan blade damper yang memiliki nama sama dengan sistem mekanis diverter damper yang sudah ada.
4.1 Analisa sistem mekanis diverter damper kondisi 1 4.1.1 Blade damper Pada gambar 4.1 menunjukkan konstruksi dari blade damper.
Gambar 4.1 Komponen blade damper 1. Blade Gambar 4.2 menunjukkan hasil analisa tegangan pada blade. Tegangan yang terjadi tidak merata akibat adanya sudut geser pada shaft yang ditunjukkan pada gambar 4.5.
Gambar 4.2 Hasil analisa tegangan pada blade Gambar 3.3 Diagram alir perancangan sistem penahan blade damper HASIL DAN ANALISA Simulasi dilakukan pada kondisi 1 dan kondisi 2. Kondisi 1 adalah kondisi diverter damper tanpa sistem penahan blade dammper, dan kondisi 2 adalah kondisi setelah dilakukan perancangan ulang.
2. Key 1 dan key 2 Gambar 4.3 adalah analisa pada key 1 dan key 2. Tegangan yang terjadi tidak rata akibat perbedaan sudut puntir (displacement) shaft.
(a) (b) Gambar 4.3. Hasil simulasi tegangan, (a). key 1, (b). key 2
3. Shaft Gambar 4.4 menunjukkan hasil simulasi pada shaft. Tegangan terjadi pada bagian pinggir akibat menerima beban terlebih dahulu akibat terjadi sudut puntir.
Gambar 4.4 Hasil simulasi tegangan pada shaft Gambar 11 menunjukkan perbedaan displacement pada shaft akibat momen puntir yang terjadi.
4.2 Tabel hasil analisa komponen sistem mekanis diverter damper Nilai tegangan maksimum 238.7 MPa dengan faktor keamanan 1.01 terjadi pada arm torque. Hal ini disebabkan oleh konsentrasi tegangan dan beban tidak merata akibat sudut puntir yang terjadi pada poros blade damper. Arm torque menggunakan material SS 321 dengan tegangan luluh sebesar 241 MPa, sehingga tegangan yang terjadi 99 % dari tegangan ijinnya. Tabel 4.1 Tabel hasil simulasi komponen diverter damper kondisi 1 Component
Materials
Blade Key 1 Shaft BD Bearing Key 2 Arm Torque
SS 321 SS 347 SS 347 AISI 440C SS 347 SS 321 Ductile Iron AISI 1025 SS 321 AISI 440C Mild Steel
Act Plunger
Gambar 4.5 hasil simulasi displacement pada shaft 4.1.2 Arm Torque Gambar 4.6 menunjukkan hasil simulasi tegangan pada arm torque. Tegangan terjadi pada bagian pinggir akibat perbedaan sudut puntir pada shaft.
Gambar 4.6. Simulasi tegangan pada arm torque
Act Cylindr Act Pin Act Bearing Frame
Yield (MPa) 241 345 345 420 345 241
Stress (MPa) 144.4 236.5 110.6 35.51 236.9 238.7
1.67 1.46 3.12 11.83 1.46 1.01
517
56.02
9.23
370 241 420 220
57.6 98.53 185.3 70.66
6.43 2.45 2.27 3.11
SF
Keterangan: BD = Blade Damper, Act = Actuator 4.3 Perancangan komponen penahan blade damper
sistem
Gambar 4.7 adalah hasil perancangan sistem penahan blade damper setelah diassembly.
Gambar 4.7 Hasil perancangan sistem penahan blade damper
Komponen dari sistem penahan blade damper ditunjukkan pada gambar 4.8 di bawah ini.
Gambar 4.12 Desain arm torque Tabel 4.2 Dimensi actuator R yang ada di pasaran (Aggressive Hydraulics, 2017) Gambar 4.8 Desain middle shaft
Actuator R memiliki ukuran seperti ditunjukkan pada gambar 4.13.
Gambar 4.9 Desain shaft
Gambar 4.13 Gambar teknik actuator R (Aggressive Hydraulics, 2017) Gambar 4.10 Desain key 1 R dan key 2 R (JIS B 1301)
Gambar 4.11 Desain middle shaft, side shaft, dan key
Pada gambar 4.14 menunjukkan komponen dari actuator R. Spesifikasi Actuator R tipe 900 SERIES panjang stroke maksimum 46 inch (1168 mm).
Gambar 4.14 Komponen actuator R
Gambar 4.15 dan 4.16 adalah desain frame R pada sisi kanan dan kiri.
Gambar 4.15 Desain right frame R
Gambar 4.16 Desain left frame R Gambar 4.17 adalah desain dari connecting rod. Terdiri dari 2 komponen utama yaitu crank dan rod end. Dimensi Rod end mengacu pada tersedia di pasaran (IJK bearing, 2017).
dipasang pada blade damper ditunjukkan pada gambar 4.19.
seperti
Gambar 4.18 Desain blade bracket
Gambar 4.19 Posisi blade bracket Gambar 4.20 adalah desain dari penahan shaft bearing menggunakan journal bearing seri GE240XT_X (IJK bearing, 2017).
Gambar 4.20 Komponen penahan shaft bearing Gambar 4.17 Desain connecting rod Gambar 4.18 adalah desain dari blade bracket dengan baut M36x4. Blade bracket
4.4 Analisa sistem penahan blade damper Analisa dilakukan pada kondisi blade damper posisi full open, diperoleh tegangan maksimum pada bagian actuator bearing. Hal ini disebabkan oleh konsentrasi tegangan seperti ditunjukkan gambar 4.21.
Gambar 4.22 Hasil simulasi tegangan pada actuator bearing
4.6 Tabel Hasil Analisa Sistem Penahan Blade Damper Analisa yang telah dilakukan pada sistem penahan blade damper diperoleh seperti pada tabel 4.3. Tabel 4.3 Hasil Analisa pada komponen sistem penahan blade damper Component
Materials
Yield Strength (MPa)
Stress (MPa)
Safety Factor
Middle Shaft
SS 321
241
29.39
8.21
Side Shaft
SS 347
345
39.48
6.1
Shaft Bearing
AISI 440C
420
72.85
5.76
Key 1 R
SS 347
345
101.3
3.41
Arm Torque
SS 321
241
127.5
1.82
Key 2 R
SS 347 Ductile Iron AISI 1025
345
123.2
2.8
517
31.92
16.2
370
32.33
12.9
241
74.15
3.25
2034
148.8
13.67
Frame R
SS 321 52100 Chrome Steel Mild Steel
220
45.91
4.79
Connecting rod
SS 321
241
11.07
38.4
Rod End Pin
SS 347
345
16.15
21.36
Blade Bracket
SS 321
241
8.105
29.73
Act Plunger R
4.5 Menghitung Tegangan Pada Baut Blade Damper
Act Cylinder R Act Pin R
Beban pada sistem penahan blade damper diasumsikan 2500 Kg dengan jumlah baut 8 buah seri ISO M36X4 menggunakan material mild steel. At (Luas Area Tegangan), n (Jumlah Baut), σ (Tegangan Normal). Diketahui: F = 2500 Kg * 9.81 m/s2 =24,525 N At = 816.72 mm2 (Zainuri, 2010) n =8 Ditanya: σ pada masing-masing baut? Dijawab: σ pada masing-masing baut 𝐹 𝜎= 𝑛 ∗ 𝐴𝑡 24528 𝑁 = 8 ∗ 816.72 𝑚𝑚2 = 3.75 𝑀𝑝𝑎
Act Bearing R
Keterangan: Act = Actuator Dari tabel 4.3 di atas diketahui bahwa tegangan yang terjadi masih di bawah tegangan luluhnya, sehingga desain tersebut aman. 4.7 Tabel Hasil Analisa Sistem Penahan Blade Damper Kondisi 1 dan Kondisi 2 Simulasi yang dilakukan pada sistem penahan blade damper dilakukan sebanyak 2 kali. Simulasi pertama tanpa sistem penahan blade damper (kondisi 1) dan simulasi kedua setelah dilakukan perancangan ulang
(kondisi 2). Pada tabel 4.4 adalah hasil perbandingan hasil simulasi pada sistem mekanis kondisi 1 dan kondisi 2
Tabel 4.4 Hasil simulasi sistem mekanis diverter damper kondisi 1 dan kondisi 2
Ucapan terima kasih disampaikan kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan perancangan dan analisa sistem penahan blade damper. DAFTAR PUSTAKA
Material
Tegangan Luluh (MPa)
Kondisi 1
Kondisi 2
Blade
SS321
241
144.4
3.03
Key 1
SS347
345
236.5
35.27
Shaft
SS347 AISI 440C SS347
345
110.6
12.82
420
35.51
11.37
345
236.9
37.6
SS321 Ductile Iron AISI 1025 SS321 AISI 440C Mild Steel
241
238.7
20.58
517
56.02
5.53
370
57.6
8.826
241
98.53
15.1
420
185.3
35.18
220
70.66
11.34
Nama Komponen
UCAPAN TERIMA KASIH
KESIMPULAN
Aggressive Hydraulics. 2017. 900 series cylinder. Diakses pada tanggal 12 April 2017, dari http://www.aggressivehydraulics.com/ products/standard-cylinders/900series-cylinders/ . Pada pukul 10.56. Ashby, Michael F and David R H Jones. 1996. Engineering Materials 1 An Introduction To Their Properties & Application. 2nd ed. England: Department of Engineering,University of Cambridge. 86. Handayanu. 2006. Metode Elemen Hingga. Surabaya: Fakultas Teknik Kelautaan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, (hal.8-18). Popov, Egor.P.1984. Mekanika Teknik. Edisi kedua.Diterjemahkan oleh: Zainul Astamar Tanisan. Jakarta: Erlangga. Wirawan dan Pramono. Bahan Ajar Pneumatik-Hidrolik. Semarang: Universitas Negeri Semarang
Berdasarkan hasil simulasi bahwa tegangan maksimum pada komponen mekanis diverter damper saat kondisi 1 sebesar 238.7 MPa terjadi pada komponen arm torque. Setelah dilakukan perancangan ulang (kondisi 2) tegangan yang terjadi sebesar 20.58 MPa, sehingga dapat disimpulkan bahwa penambahan sistem penahan blade damper mengurangi tegangan pada komponen mekanis diverter damper dengan persentase penurunan tegangan sebesar 91.4%.
Ma’arif, Faqih. 2012. E-learning Mekanika Teknik 01. Yogyakarta: Universitas Negeri Yogyakarta. Zainuri, Achmad. 2010. Elemen Mesin I. Mataram: Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mataram. IJK Bearing. 2017. Spherical Plain Bearing. Diakses pada tanggal 12 April 2017, dari http://www.astbearings.com/catalog.ht ml?page=product&id=GE240XT_X. Pada pukul 11.28.
BD Bearing Key 2 Arm Torque Act Plunger Act Cylinde Act Pin Act Bearing Frame
Keterangan: BD = Blade Damper, Act = Actuator
5.1 Tegangan maksimum terjadi pada arm torque saat kondisi 1 sebesar 238.7 MPa dengan material SS 321dan memiliki tegangan luluh 241 MPa, atau sebesar 99% terhadap tegangan luluh. 5.2 Perancangan sistem penahan blade damper yang telah dilakukan bahwa terdapat beberapa komponen yang tidak mengacu dengan ketersediaan di pasaran seperti: shaft R, middle shaft, frame R, arm torque R, connecting rod (crank), bracket. Untuk komponen lain seperti actuator R, key R, rod end, dan bearing R penulis mengacu terhadap ketersediaan di pasaran.
