11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010
ISSN 2087-331X
Perancangan Sistem Monitoring Tingkat Efisiensi Kinerja Pompa Paralel Di Sumur Intake PDAM Gresik ( Ronny Dwi Noriyati, Totok Soehartanto, Siska Kamiatiningsih) Jurusan Teknik Fisika FTI ITS, Surabaya 60111,e-mail :
[email protected];
[email protected];
[email protected] Abstrak Pompa merupakan salah satu komponen penting dalam proses produksi air di PDAM Gresik. Pompa yang digunakan adalah pompa submersible yaitu pompa yang bekerja dengan kondisi tercelup dalam air. Pompa yang digunakan ada 11 pompa dengan kapasitas masing-masing 50 L/s. Air baku yang digunakan adalah air sungai yang ditampung dalam 2 sumur intake yaitu sumur intake lingkaran dan sumur intake kotak. Ke 11 pompa submarsible yang terbagi dalam 2 sumur intake di PDAM Gresik belum dilengkapi dengan sistem monitoring efisiensi pemakaian daya listrik untuk mengalirkan air baku dari sumur intake menuju ke IPA. Sistem monitoring efisiensi pompa sangat diperlukan , hal ini terkait dengan biaya pemakaian daya listrik yang dipengaruhi oleh torsi impeler pompa sebagai fungsi dari kekeruhan air baku untuk itu perlu dilakukan perancangan alat ukur kekeruhan air, aliran debit dan program untuk melakukan perhitungan daya real yang diperlukan pompa untuk mengalirkan air dengan kekeruhan tertentu. Pada penelitian ini dilakukan perancangan alat ukur kekeruhan, alat ukur laju aliran dan program untuk menghitung efisiensi ke 11 pompa submarsible dimana efisiensi dari setiap pompa dapat dimonitor melalui simulasi debit sungai dan kekeruhan yang dapat diubah-ubah nilainya (sesuai model data yang diperoleh selama satu tahun). Dari hasil simulasi efisiensi pompa tahun 2009 antara 41.57%-72.44% untuk pompa submersible 1,2,3,4 dan 10. Serta antara 37.23%-50.16% untuk pompa submersible 5,6,7,8,9 dan 11. Efisiensi maksimum terjadi pada kekeruhan 739.11 NTU dan saat input pompa 0.04984 m3/s Kata Kunci: pompa submersible, efisiensi, debit, flowmeter, elektromagnetik flowmeter, simulasi, monitor 1. PENDAHULUAN 1. Latar Belakang Pompa adalah salah satu bagian terpenting dari proses pengolahan air di PDAM Gresik yang berfungsi untuk memompa atau memindahkan fluida dalam sistem. Pompa yang digunakan PDAM Gresik adalah Pompa Submersible yaitu pompa yang kerjanya berada pada kondisi basah dan terbenam air. Pompa submersible ini termasuk dalam pompa sentrifugal. PDAM Gresik mempunyai 2 sumur intake untuk menampung air baku, yaitu sumur intake bentuk kotak dengan ketinggian 8 m dan sumur intake bentuk lingkaran ketinggian 9 m. Pada masing- masing sumur
intake terdapat pompa submersible yang berfungsi untuk menyedot air dari sumur intake untuk dialirkan menuju Instalasi Pengolahan Air (IPA) yang selanjutnya akan diolah agar bisa didistribusikan ke konsumen.. Jumlah pompa submersible ada 11, pada sumur intake kotak terdapat 3 pompa dan pada sumur intake lingkaran terdapat 8 pompa yang dipasang secara parallel dengan kapasitas setiap pompa adalah 50 L/s. Air baku yang digunakan oleh PDAM berasal dari sungai dengan tingkat kekeruhan dan debit yang selalu berubah sesuai musim. Jika musim hujan kekeruhan semakin meningkat karena suspended dalam air sungai semakin banyak dengan debit sungai semakin meningkat pula. Sebaliknya jika musim kemarau tingkat kekeruhan menurun dan debit sungai juga menurun. Hal ini mempengaruhi efisiensi dari pompa submersible. Kondisi saat ini pihak PDAM tidak memperhatikan besarnya daya listrik yang digunakan, sehingga sering mendapatkan denda atau pinalti dari pihak PLN dan tidak adanya sistem monitor menyebabkan penggunaan daya pompa tidak sesuai dengan kondisi debit input dan kondisi kekeruhan air baku. Berdasarkan hal tersebut diatas perlu dilakukan perancangan Sistem monitor tingkat efisiensi kinerja pompa dalam mengukur debit air yang dikeluarkan pompa paralel yang digunakan dan tingkat kekeruhan air baku untuk memonitor konsumsi daya pompa. Perancangan sistem monitor diawali dengan memodelkan debit air dan kekeruhan bedasarkan data yang diperoleh dari PDAM Gresik. Perancangan sistem monitor dilakukan dengan pemodelan Flowmeter untuk mengukur debit pompa dan memodelkan alat ukur kekeruhan pada sumur intake untuk mengetahui kekeruhan air baku. Sistem monitor dirancang dapat memvisualisasikan debit output yang dihasilkan pompa. Agar dapat mengetahui kinerja dari sistem monitor yang dirancang, maka perlu dilakukan simulasi model dinamik sistem monitor tersebut dengan menggunakan matlab simulink. Simulasi ini juga digunakan untuk menghitung efisiensi kinerja pompa Submersible. 2. TEORI DASAR 1 Deskripsi Pompa Pengertian pompa secara sederhana sesuai dengan fungsinya adalah alat untuk mentransport fluida atau untuk mensirkulasikan fluida ke sistem. 2 Pompa Submersible Pompa Submersible merupakan salah satu jenis khusus dari pompa sentrifugal. Pompa jenis ini
11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010
digunakan untuk sumur-sumur dalam. Dimana motor listrik terpasang langsung pada rumah pompa (direct coupled) dan merupakan suatu kontruksi yang terpadu. Pompa Submersible bekerja dalam kondisi terbenam fluida. 3 Pompa Parallel Ada 3 metode dalam pemasangan pompa yaitu secara tunggal, seri dan parallel. Pemasangan pompa yang menghindari kerugian dalam pengoperasiannya adalah pemasangan pompa secara parallel. Pemasangan paralel sering dilakukan karena meninjau penghematan energi pada penggerak mula dan lainnya sehingga tercapai pengoperasian yang optimum. Pemasangan pompa secara pararel dipergunakan dua atau lebih pompa yang type, jenis ukuran dan data teknis yang sama. Pemakaian beberapa pompa dalam satu sistem memungkinkan pompa dihidupkan dan dimatikan sesuai kebutuhan untuk memenuhi variasi permintaan. 4 Kinerja Pompa Submersible Kerja yang ditunjukkan oleh sebuah pompa merupakan fungsi dari Head total dan berat cairan yang dipompa dalam jangka waktu yang diberikan. Daya pompa (Pw) adalah energi yang secara efektif diterima oleh air dari pompa per satuan waktu, dan dapat dihitung sebagai berikut: Atau Keluaran pompa, daya Hp pompa atau daya Hp hidrolik (hp) adalah daya Hp cairan yang dikirimkan oleh pompa, dan dapat dihitung sebagai berikut:
Dimana: = debit aliran (m3/detik) = Head pompa (m) = massa jenis fluida (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/detik2) = Berat Spesifik fluida (N/m3) = efisiensi pompa (%) Head pompa adalah perbedaan tinggi antara permukaan zat cair pada sisi tekan dengan permukaan zat cair pada sisi isap. Kerja pompa semakin berat jika kekeruhan air (NTU) besar yang mempengaruhi massa jenis air sehingga daya yang digunakan juga semakin besar, dimana yang nantinya akan berpengaruh pada kinerja impeller dari pompa submersible. Impeler merupakan cakram bulat dari logam dengan lintasan untuk aliran fluida yang sudah terpasang. 5 Kekeruhan Air Kekeruhan adalah ukuran yang menggunakan efek cahaya sebagai dasar untuk mengukur keadaan air baku dengan skala NTU (nephelo metrix turbidity unit) atau JTU (jackson turbidity unit) atau FTU (formazin turbidity unit), kekeruhan ini disebabkan oleh adanya benda tercampur atau benda koloid di Q H
ISSN 2087-331X
dalam air. Kekeruhan biasanya diukur dengan menggunkan alat yang disebut turbidimeter. 6 Alat Ukur Kekeruhan Air Pengukuran kekeruhan dalam air berdasarkan intensitas cahaya yang dipendarkan oleh suspensi dalam air. Alat ukur yang digunakan untuk mengukur kekeruhan biasanya adalah turbidimeter. Pengukuran juga dapat dilakukan dengan menggunakan LDR sebagai sensor yang menangkap intensitas cahaya. 7 Sensor Elektromagnetik Flowmeter Prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik hukum Faraday yaitu jika sebuah konduktor dengan panjang (m) bergerak dengan kecepatan (m/sec), tegak lurus medan magnet dari rapat flux magnet B (Tesla), sebuah tegangan E akan terinduksi melewati ujung konduktor. Nilai tegangan dapat ditentukan dengan: Dimana: E B
= Tegangan Induksi (Volt) = Rapat flux magnet (Tesla) = Panjang konduktor (m) = Kecepatan fluida (m/sec) Jika fluida berkonduktor bergerak dengan kecepatan rata-rata melewati sebuah pipa silinder, tegak lurus melewati medan magnet B kemudian tegangan yang terjadi melewati elektroda pengukuran adalah: Dimana: D
= =
Diameter dalam flowmeter (m) Kecepatan rata-rata fluida (m/s2) Persamaan diatas mengasumsikan bahwa medan magnet yang melewati pipa besarnya sama.Sedangkan persamaan tegangan induksi sebagai fungsi flow rate: 8 Efisiensi Pompa Submersible Berdasarkan persamaan (3) submersible dapat dihitung yaitu:
efisiensi
pompa
Pompa submersible dikatakan efisien jika kinerjanya 80% dari kapasitas kerja maksimumnya, dan jika kinerjanya mencapai 60% kinerja pompa masih dianggap normal.
11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010
ISSN 2087-331X
3. PERANCANGAN SISTEM MONITOR EFISIENSI KINERJA POMPA
Gambar 2.
Rancangan sistem monitor efisiensi kinerja pompa submersible
Gambar 1 flowchart pengerjaan tugas akhir
1.
Tipe Pompa Submersible pada PDAM Gresik Pompa yang digunakan di PDAM Gresik adalah pompa Groundfos tipe 150 KWO. Tiap pompa yang digunakan merupakan pompa 3 phase dengan RPM sebesar 2900 rpm dan frekuensi 50 Hz. Berikut ini adalah karakteristik dari pompa Submersible yang digunakan. Table 1 Data pompa Intake IPA 1 di PDAM Legundi, Gresik
Keterangan : = pompa pada sumur intake lingkaran = pompa pada sumur intake kotak 2. Perancangan Sistem Monitor Pada penelitian tugas akhir ini dilakukan perancangan sistem monitor untuk mengetahui efisiensi dari kinerja dari setiap pompa Submersible serta dilakukan perancangan monitor debit output setiap pompa dengan menggunakan elektromagnetik flowmeter dan tingkat kekeruhan air baku menggunakan LDR.
Gambar 3. Rancangan simulasi simulink sistem monitor efisiensi kinerja pompa submersible
3.
Penurunan Model Matematis Hubungan Kekeruhan Air Baku dengan Massa jenis Pada nilai kekeruhan range maksimum diperoleh pemodelan: y = -0.492x4 + 17.99x3 - 195.7x2 + 648.1x + 82.5…(8) Sedangkan untuk nilai kekeruhan range minimum diperoleh pemodelan: y = -0.189x4 + 6.21x3 - 63.96x2 + 203.2x + 83.96 (9) Dimana: y = Tingkat Kekeruhan air baku (NTU) x = Data ke Besarnya nilai density air baku menggunakan persamaannya sebagai berikut ini:
Dari data teknis dilapangan dapat diperoleh persamaan hubungan antara kekeruhan dengan massa jenis yaitu: y = 611 + 0.511x … (11) dimana: y = massa jenis air baku (kg/m3) x = kekeruhan air baku (NTU) 4.
Penurunan Model Matematis Debit Input dari Data PDAM Gresik
Gambar 4. grafik rata-rata debit input per bulan selama 1 tahun
11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010
pemodelan debit dapat dilihat sebagai berikut: y = -0.010x6 + 0.334x5 - 4.044x4 + 22.51x3 - 59.85x2 + 72.42x + 358.2 … (12) Dimana: y = Debit input pompa x = Data ke 5. Perancangan dan Penurunan Model Matematik Sensor Kekeruhan
Gambar 5 Diagram blok sensor kekeruhan
Rangkaian LDR (Light Dependent Resistant) Hubungan kekeruhan dan resistansi ditunjukkan oleh persamaan dan disimulasikan berikut ini: Y = 2(103-1) x + 2.103 … (13) Dimana : Y = resistansi LDR x = kekeruhan air baku Diketahui kekeruhan sebesar 1000 NTU maka besarnya resistansi LDR adalah RLDR = 2(103-1) 1000 + 2.103 RLDR = 2.106 Ω
Gambar 6 Rangkaian divider dan LDR
Persamaan matematis untuk divider adalah sebagai berikut: 2 . 10 6 Vin x5 6 2 . 10 100000 Vin 4 . 762 Volt Rangkaian Zero Span Dengan range tegangan 0-5 V, rumus dari rangkaian span and zero adalah sebagai berikut: 1000 0.09804 Vin pers.rangkaian _ zero 1000 V1 10.09804 4.762 V1
V1 4.664Volt 1.0721 Vout V1 pers .rangkaian _ span 1 Vout 1.0721 ( 4.664 ) Vout 5Volt
Rangakaian Analog to Digital Converter (ADC) Pemodelan yang digunakan menggunkan perbandingan range tegangan 0–5 Volt dengan bit 0255. Persamaannya dapat dilihat berikut ini:
6.
ISSN 2087-331X
Penurunan model matematis elektromagnetik flowmeter Nilai tegangan listrik dinyatakan persamaan:
sensor dengan
Dimana nilai Nilai medan induksi magnetic (B) untuk dasar perhitungan tegangan induksi pada efisiensi pompa pada tahun 2009 dengan menggunakan “persamaan (17)” berikut ini
Nilai B selanjutnya digunakan menghitung tegangan induksi elektromagnetik flowmeter dengan debit laju aliran yang berubah-ubah. Debit per pompa = m3/det Diameter = 0.1 m Medan magnet = 0.024 Tesla
Setelah diketahui besaran induksi maka diperlukan converter yang mengubah nilai tegangan induksi menjadi besaran debit untuk digunakan untuk mencari nilai efisiensi pompa, sehingga “persamaan (6)” menjadi:
7.
Matematis Penurunan Model Pompa Submersible pada Sumur intake Debit Per pompa (m3/s) = 0.04857, Kekeruhan (NTU) = 652.398, Head pompa (m) = 9,Percepatan gravitasi (m/s2) = 9.8. Nilai kekeruhan yang dketahui disubtitusikan pada ”persamaan (11)” maka diperoleh nilai ρ, yaitu : y = 0.551x + 611 = 0.511 (652.398) + 611 = 944.375 kg/m3 Setelah diketahui nilai ρ, kemudian bisa dicari nilai daya air yang diterima oleh pompa menggunakan ”Persamaan (2)” yaitu: Pw=Q×H×ρ×g Pw=0.04857×9×944.375 ×9.8 Pw=4045.58 Watt 4. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
Dimana besarnya Vref = 5 Volt 1.
Simulasi Debit Input Pompa dari Data Real PDAM Gresik Proses pengolahan air pada PDAM Gresik menggunakan air sungai dengan debit yang berubah
11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010
berdasarkan perubahan musim. Keadaan ini mempengaruhi debit input pompa submersible serta mempengaruhi efisiensi dari kinerja pompa submersible. Perubahan dinamik ini dapat dilihat dari data debit yang diperoleh PDAM Gresik tahun 2009 pada gambar 4. 2. Hubungan Kekeruhan Dan Massa Jenis Perubahan tingkat kekeruhan air baku yang dinamik menyebabkan pompa submersible bekerja dengan daya yang berubah-ubah. Data yang diperoleh dari PDAM Gresik menunjukkan dua nilai kekeruhan yaitu kondisi kekeruhan range maksimum dan kekeruhan range minimum per harinya. pemodelan dilakukan berdasarkan data rata-rata per bulan. Data hasil simulasi ditunjukkan pada gambar 7.
Gambar 7
3.
Grafik hasil simulasi kekeruhan per bulan
pemodelan
data
Simulasi Daya Air pada Pompa Submersible Terhadap Perubahan Dinamik Debit input dan Kekeruhan Air Baku
ISSN 2087-331X
4. Simulasi Sensor Alat Ukur Kekeruhan Tabel 2 Data Alat ukur kekeruhan
Semakin besar kekeruhan maka tegangan yang digunakan juga semakin besar. Range tegangan sensor yang digunakan adalah 0-5 volt.
Gambar 10 Hubungan kekeruhan maksimum dengan tegangan yang dihasilkan alat ukur kekeruhan Semakin keruh air baku maka tegangan yang dihasilkan alat ukur kekeruhan semakin besar. range tegangan pada range kekeruhan maksimum antara 2.248 V- 4.952 V dan 1.429-4.448 volt untuk range kekeruhan minimum.
Gambar11
Hubungan kekeruhan minimum tegangan yang dihasilkan alat ukur.
dengan
5. Gambar 8 Data hubungan daya air terhadap kekeruhan maksimum dan debit input pompa.
Gambar 9 Data hubungan daya air terhadap kekeruhan minimum dan debit input pompa
Semakin besar kekeruhan maka daya yang digunakan juga semakin besar. Factor lainnya dipengaruhi oleh debit input pompa dan head pompa.
Elektromagnetik Flowmeter Hasil simulasi elektromagnetik flowmeter berdasarkan karakteristik dari alat ukur flow yang sudah ditentukan oleh manufakturnya. Tabel 3.Data simulasi elektromagnetik Flowmeter tegangan sensor Debit Per pompa (m3/s) elektromagnetik (V) 0.0486 0.0148 0.0485 0.0148 0.0487 0.0149 0.0495 0.0151 0.0496 0.0152 0.0486 0.0149 0.0475 0.0145 0.0488 0.0149 0.0496 0.0152 0.0515 0.0157 0.0673 0.0206 0.0817 0.0250
11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010
6.
Simulasi Sistem Monitoring Kinerja Pompa Submersible
Efisiensi
“Persamaan (7)” menunjukkan persamaan untuk mencari besarnya nilai efisiensi pompa Submersible. Dari data debit (Q) 0.04466 m3/s, head (H) 9 m, massa jenis ( ) 973.5545 kg/m3, percepatan gravitasi (g) 9.8 m/s2 dan daya terpasang (HP) 6 KW, maka dapat dicari nilai efisiensi pompa yaitu :
Efisiensi tidak maksimal, hal ini dikarenakan kondisi air baku mempunyai kekeruhan yang tinggi. Dimana hal ini juga mempengaruhi kemampuan pompa Submersible dalam menyedot air baku, sehingga efisiensi hanya mencapai 67,42%. Data efisiensi pada masing-masing pompa dapat dilihat dari penjelasan berikut ini: Tabel 4 Efisiensi pompa pada kekeruhan range maksimum 36.55 -739.11 NTU dan kekeruhan range minimum 25.03-291.39 NTU Head HP efisiensi max efisiensi min pompa (m) (Watt) (%) (%) pompa 41,57 - 72.44 39.95-55.68 9 6000 1,2,3,4 pompa 9 6660 37.45-65.26 37.23-50.16 5,6,7,8 pompa 8 5920 41,57 - 72.44 39.95-55.68 9,11 pompa 8 5333 37.45-65.26 37.23-50.16 10
Data efisiensi hasil simulasi yang telah dilakukan diketahui bahwa efisiensi pompa kurang begitu baik, karena nilai efisiensi yang dihasilkan berada pada range 37,23%- 72,44%. Nilai efisiensi yang baik berada pada nilai > 80%. 5. KESIMPULAN Berdasarkan pengujian dan analisis pemodelan matematis yang telah dilakukan dalam penelitian ini, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : Pemodelan terhadap debit input pompa dan kekeruhan air baku dengan menggunakan regresi menghasilkan data debit hasil simulasi antara range 0.04747m3/s- 0.0817 m3/s, dan kekeruhan dengan range 38.15 NTU-891.35 NTU untuk data kekeruhan maksimum dan range antara 19.06 NTU-281.18 NTU untuk kekeruhan yang rendah. Pemodela hubungan antara kekeruhan air baku dan massa jenis air baku berbanding lurus. Semakin besar kekeruhan air maka semakin besar massa jenis air baku. Range kekeruhan antara 0 NTU1000 NTU yang menghasilkan massa jenis 611 kg/m3-1122 kg/m3
ISSN 2087-331X
Pemodelan terhadap pompa Submersible berdasarkan karakteristik pompa yaitu berdasarkan head pompa, percepatan gravitasi, debit input pompa dan massa jenis fluida yang dipompa. Daya pompa tertinggi adalah 7037.9277 Watt. Alat ukur debit yang akan digunakan adalah elektromagnetik flowmeter dan telah dimodelkan berdasarkan karakteristiknya dengan nilai B= 0.024 Tesla dan nilai maksimum tegangan 0.0250 Volt pada debit input 0.0817 m3/s. Perancangan alat ukur kekeruhan serta pemodelannya dengan menggunakan sensor LDR untuk mengetahui tingkat kekeruhan air baku. Resistansi LDR yang digunakan antara range 2K -2M . Dan range kekeruhan 0-1000 NTU Efisiensi maksimum yang dihasilkan pompa submersible berdasarkan data yang diperoleh pada tahun 2009 adalah 72,44% yang belum mencapai nilai efisiensi pompa sentrifugal yaitu 80%.. DAFTAR REFERENSI [1]
[2]
[3]
[5]
[14]
Anonim .“Pompa Benam/Sumbmersible Pump”. 2008. Downloaded from: blok pada wordpress.com Bentley, John P .“Principles Of Measurement Systems, 4th edition”. Longman Scientific and Technical: UK. 2005.4 Bureau of Energy Efficiency, Ministry of Power, India. Pumps and Pumping Systems (Bahasa Indonesia). UNEP. 2006 “Electromagnetic Flowmeters (Magmeters)”. Downloaded from: http://globalautomation.info/FLOW/flow.html Sahdev, M. Centrifugal Pumps: Basic concepts of operation, maintenance and trouble shooting, Part I. Presented at The Chemical Engineers’ Resource Page. ww.cheresources.com. Downloaded from: www.idcon.com/pdf doc/centrifugalpumps.pdf
