ANALISA RESPON GETARAN TRANSVERSAL BOILER FEED PUMP PADA KONDISI BEBAN MAKSIMUM DAN BEBANSEBAGIAN FEEDWATER SYSTEM PADA PLTU PAITON BARU - ITS Repository

  7(6,6 70 $1$/,6$ 5(6321 *(7$5$1 75$169(56$/ %2,/(5 )((' 3803 3$'$ .21',6, %(%$1

0$.6,080 '$1 %(%$1 6(%$*,$1 )((':$7(5

3$'$ 3/78 3$,721 %$58 6<67(0 <2*2 :,-$<$172 153 'RVHQ 3HPELPELQJ 'U (QJ +DUXV /DNVDQD *XQWXU 67 0 (QJ 352*5$0 0$*,67(5 %,'$1* 678', 5(.$<$6$ (1(5*,

• 8586$1 7(.1,. 0(6,1 )$.8/7$6 7(.12/2*, ,1'8675, ,167,787 7(.12/2*, 6(38/8+ 123(0%(5 685$%$<$

  7+(6,6 70

9,%5$7,21 5(63216( $1$/<6,6 2) %2,/(5

)((' 3803 $7 0$;,080 /2$' $1' 3$57,$/

/2$' &21',7,21 21 )((':$7(5 6<67(0

3/78 3$,721 %$58 <2*2 :,-$<$172 153 $GYLVRU 'U (QJ +DUXV /DNVDQD *XQWXU 67 0 (QJ 0$67(5 352*5$00( ),(/' 678'< 2) (1(5*< (1*,1((5,1* '(3$57(0(17 2) 0(&+$1,&$/ (1*,1((5,1* )$&8/7< 2) ,1'8675,$/ 7(&+12/2*< 6(38/8+ 123(0%(5 ,167,787( 2) 7(&+12/2*< 685$%$<$

KATA PENGANTAR

  Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah S.W.T, penyusun telah menyelesaikan tesis yang merupakan persyaratan akademis untuk memperoleh gelar Magister Teknik di Fakultas Teknik Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya. Pada kesempatan ini penyusun menyampaikan banyak terima kasih kepada:

  1. Bapak Dr. Eng. Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng. selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan arahan dan bimbingan selama penyelesaian tesis ini.

  2. Seluruh bapak dan ibu dosen yang telah memberi penulis ilmu dan banyak membantu selama menempuh pendidikan di ITS.

  3. Seluruh staf dan pegawai di ITS yang banyak membantu selama menempuh pendidikan di ITS.

  4. Seluruh rekan-rekan mahasiswa yang telah banyak bertukar pendapat dan ilmu selama pendidikan di ITS.

  Penulis menyadari bahwa tesis ini masih jauh dari sempurna, untuk itu saran dan masukan yang bersifat membangun sangat penyusun harapkan.

  Surabaya, 12 Januari 2015 Penyusun

  

ANALISA RESPON GETARAN TRANSVERSAL BOILER FEED

PUMP PADA KONDISI BEBAN MAKSIMUM DAN BEBAN

SEBAGIAN FEEDWATER SYSTEM PADA PLTU PAITON

BARU

  Nama Mahasiswa : Yogo Wijayanto NRP : 2112204802 Pembimbing : Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng

  

ABSTRAK

Boiler Feed Pump Motor merupakan salah satu peralatan utama dalam

feedwater system pada PLTU Paiton Baru yang digunakan untuk mensuplai

feedwater ke boiler dan mensirkulasikan feedwater ke deaerator saat fase start up

  dilakukan, dan dioperasikan hingga beban unit mencapai 30% (190MW). Kondisi operasi ini menunjukkan bahwa boiler feed pump motor ini sering dioperasikan pada kondisi off design. Kondisi operasi off design ini terjadi ketika pompa mensirkulasikan feedwater ke deaerator dengan flowrate rendah (kurang dari 60% flowrate total). Informasi dilapangan menunjukkan bahwa pengoperasian pada beban rendah ini menimbulkan noise yang lebih tinggi dibanding saat beban penuh.

  Penelitian ini dilakukan dengan membuat model dinamis pompa dalam 6 derajat kebebasan. Peralatan yang dimodelkan meliputi multistage pump, variable

  

speed coupling , dan booster pump. Gaya eksitasi yang bekerja berasal dari gaya

  dinamis radial akibat tekanan pada pompa. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software simulink untuk mengetahui respon getaran dalam arah tranversal.

  Dari hasil eksperimen dan simulasi menunjukkan bahwa respon getaran

  

boiler feed pump lebih tinggi pada beban maksimum dibanding pada beban parsial

  hal ini disebabkan oleh hydraulic unbalance force yang lebih besar pada beban maksimum, namun sebaliknya respon getaran booster pump pada beban parsial lebih tinggi dibanding beban maksimum hal ini disebabkan gaya dinamis booster

  

pump akibat blade pass force yang lebih besar pada beban parsial. Secara umum

  gaya dinamis akibat blade pass force pada booster pump lebih besar dibanding gaya dinamis akibat hydraulic unbalance force pada boiler feed pump sehingga respon getaran pada booster pump lebih besar dibanding boiler feed pump. Pada sisi vertikal respon getaran menunjukkan nilai yang lebih besar dibanding sisi horizontal, hal ini disebabkan oleh adanya faktor koreksi gaya dinamis yang lebih besar 20% lebih besar pada sisi vertikalnya.

  Kata kunci: Boiler feed pump, booster pump, off design, simulasi, respon getaran, hydraulic unbalance , blade pass force.

  

VIBRATION RESPONSE ANALYSIS OF BOILER FEED

PUMP AT MAXIMUM LOAD AND PARTIAL LOAD

CONDITION ON FEEDWATER SYSTEM PLTU PAITON

BARU

  Name : Yogo Wijayanto NRP : 2112204802 Supervisor : Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng

  

ABSTRACT

  Boiler Feed Pump Motor is one of the main equipment in feedwater system at PLTU Paiton Baru which is used to supply feedwater to the Boiler and circulating feedwater to the Deaerator when start up phase, and operated until the load reaches 30% (190MW). This operating conditions shows that the Boiler Feed Pump Motor are often operated at off design conditions. Off design operating condition occurs when the pump circulate feedwater to the Deaerator with a low flowrate (less than 60% of total flowrate). Field information indicates that low load operation cause noise which is higher than full load condition.

  This research was done by creating a dynamic model of pump in 6 degrees of freedom. Equipment is modeled include Multistage Pump, Variable Speed Coupling, and Booster Pump. Excitation force that works derived from the radial dynamic force due to pump pressure. Simulation performed using Simulink software to determine the vibration response in the transverse direction.

  From the experimental results and simulations show that the vibration response of the Boiler Feed Pump Motor at maximum load is higher than partial load, this is caused by hydraulic unbalance force which is greater at maximum load, but otherwise a booster pump vibration response at partial load is higher than maximum load, this is due to blade pass dynamic force which is greater at partial load. In general Booster Pump blade pass force is greater than dynamic force due to hydraulic unbalance force on the Boiler Feed Pump so that the vibration response of the Booster Pump is greater than Boiler Feed Pump. On vertical side, vibration response indicates a grater value than horizontal side, this is caused by the presence of correction factor of dynamic force that is 20% higher in vertical direction than horizontal direction. Key words: Boiler feed pump, booster pump, off design, simulation, vibration response, hydraulic unbalance, blade pass force.

  

DAFTAR ISI

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

ABSTRAK ............................................................................................................................... ii

ABSTRACT............................................................................................................................ iii

DAFTAR ISI .......................................................................................................................... iv

DAFTAR GAMBAR............................................................................................................. vii

DAFTAR TABEL ................................................................................................................... x

BAB I PENDAHULUAN

  2.2.3. Derajat Kebebasan .................................................................................................... 13

  2.4.2. Transmisi Daya pada Variable Speed Fluid Coupling.............................................. 25

  2.4.1. Prinsip Kerja Variable Speed Fluid Coupling .......................................................... 23

  2.4. Variable Speed Fluid Coupling........................................................................................ 23

  2.3.3. Radial Dynamic Force.............................................................................................. 22

  2.3.2. Gaya Aksial Impeller ................................................................................................ 19

  2.3.1. Sumber Getaran Pada Pompa.................................................................................... 18

  2.3. Pompa .............................................................................................................................. 18

  2.2.4. Persamaan State Variable ......................................................................................... 16

  2.2.2. Klasifikasi Getaran.................................................................................................... 12

  1.1. Latar Belakang ............................................................................................................... 1

  2.2.1. Definisi Getaran ........................................................................................................ 12

  2.2. Teori Penunjang............................................................................................................... 12

  2.1. Penelitian Terdahulu .......................................................................................................... 6

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA

  1.5. Batasan Masalah............................................................................................................. 4

  1.4. Kontribusi Penelitian..................................................................................................... 4

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

  1.2. Rumusan Masalah .......................................................................................................... 3

  2.5. Simulasi Matlab ............................................................................................................... 26

  2.6. Standar Pengukuran Vibrasi ............................................................................................ 26

  3.1.5.3. Penurunan Persamaan State Variable ........................................................... 36

  5.2. Pemodelan pada Simulink ............................................................................................ 60

  5.1.3. Parameter Model............................................................................................. 58

  5.1.2. Persamaan Gerak ............................................................................................ 53

  5.1.1. Freebody Diagram ......................................................................................... 52

  5.1. Pemodelan Matematis Peralatan ................................................................................. 47

  BAB V PEMODELAN MATEMATIS DAN SIMULASI

  4.3. Analisa dan Pembahasan.............................................................................................. 44

  4.2. Hasil Pengukuran Pada Booster Pump......................................................................... 41

  4.1. Hasil Pengukuran Pada Boiler Feed Pump .................................................................. 38

  BAB IV HASIL EKSPERIMEN

  3.1.7. Analisa Hasil............................................................................................................. 37

  3.1.6. Validasi Hasil Simulasi dan Eksperimen .................................................................. 37

  3.1.5.4. Pembuatan Block Diagram dan Simulasi dengan Simulink .......................... 37

  3.1.5.2. Penurunan Persamaan Gerak ........................................................................ 36

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN

  3.1.5.1. Pembuatan Model Matematika Pompa ......................................................... 36

  3.1.5. Pemodelan Dinamis Mesin dan Simulasi dengan Software Simulink ...................... 34

  3.1.4. Pengambilan Data Tekanan Pada Kondisi Beban Sebagian dan Maksimum ........... 34

  3.1.3.2. Lokasi Pengukuran Vibrasi........................................................................... 33

  3.1.3.1. Alat Ukur yang digunakan ............................................................................ 32

  3.1.3. Eksperimen Pengukuran Getaran Pada Mesin Sebenarnya ...................................... 31

  3.1.2.4. Data Teknis Pemodelan ................................................................................ 30

  3.1.2.3. Spesifikasi Variable Speed Fluid Coupling.................................................. 30

  3.1.2.2. Spesifikasi Boiler Feed Pump....................................................................... 29

  3.1.2.1. Spesifikasi Booster Pump ............................................................................. 29

  3.1.2. Pengumpulan Data Teknis Mesin ............................................................................. 29

  3.1.1. Studi Literatur ........................................................................................................... 29

  3.1. Langkah-Langkah Penelitian ....................................................................................... 28

  5.2.1. Block Diagram Boiler Feed Pump................................................................... 61

  5.2.2. Block Diagram Booster Pump ......................................................................... 61

  5.3. Perhitungan Eksitasi Harmonik Gaya Radial Dinamis ................................................ 62

  5.3.1. Gaya Radial Dinamis pada Boiler Feed Pump ................................................ 62

  5.3.2. Gaya Radial Dinamis pada Booster Pump....................................................... 63

  5.4. Hasil Simulasi ............................................................................................................. 64

  5.4.1. Hasil Simulasi Time Respon dengan Eksitasi Impuls ............................. 64

  5.4.2. Hasil Simulasi Time Respon BFPM dengan Eksitasi Harmonik ........... 65

  5.4.3. Hasil Simulasi Time Respon Booster Pump dengan Eksitasi Periodik

  68

  5.5. Analisa Hasil................................................................................................................ 71

  BAB VI PERBANDINGAN HASIL PENGUKURAN DAN SIMULASI

  6.1.Perbandingan Hasil Pengukuran dan Simulasi ............................................................. 74

  6.2.Perbandingan Spektrum Boiler Feed Pump.................................................................. 74

  6.3.Perbandingan Spektrum Booster Pump ........................................................................ 76

  6.4.Perbandingan RMS Velocity Hasil Eksperimen dan Hasil Simulasi ............................ 78

  BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN

  7.1.Kesimpulan .................................................................................................................. 81

  7.2.Saran ............................................................................................................................ 82

  

DAFTAR PUSTAKA............................................................................................................ 83

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Feedwater system PLTU Paiton Unit 9................................................................. 1Gambar 1.2 Boiler Feed Pump-Motor PLTU Paiton Baru ....................................................... 3Gambar 2.1 Lokasi pengukuran tekanan [1]............................................................................. 6Gambar 2.2 Fluktuasi tekanan pada lokasi 3 dan 7 [1] ............................................................. 7Gambar 2.3 Fluktuasi tekanan pada discharge pipe [1]............................................................ 7Gambar 2.4 Fluktuasi tekanan pada suction pipe [1]................................................................ 8Gambar 2.5 Blade Passing Frekuensi pada 50% dan 100% Load [1]............................... 8Gambar 2.6 Hubungan radial clearance, flow dan pressure pulsation [2]............................... 9Gambar 2.7 Hubungan radial clearance, flow dan vibration. [2] ..................................... 9Gambar 2.8 Axial vibration pada flowrate yang berbeda. [3] ........................................ 10Gambar 2.9 Kurva karakteristik pompa. [4] ..................................................................... 11Gambar 2.10 Sistem 1 DOF sistem translasi. [5] ............................................................. 14

  ............................................................................. 14

Gambar 2.11 Sistem pegas 2 DOF. [5]

  ......................................... 15

Gambar 2.12 Model matematika dan freebody diagram. [5]

  ........................................................ 19

Gambar 2.13 Fundamental Frequency Getaran. [7]Gambar 2.14 Sketsa distribusi tekanan statik untuk single stage pump. [7] ................ 19Gambar 2.15 Radial flow impeler. [7] ............................................................................... 21Gambar 2.16 Balancing hole pada impeller ..................................................................... 21Gambar 2.17 Double entry impeller .................................................................................. 21Gambar 2.18 Susunan back to back impeller ................................................................... 22

  ................... 22

Gambar 2.19 Balancing disc pada multistage pump dengan susunan seri

  ................... 24

Gambar 2.20 Variable speed fluid coupling pada PLTU Paiton Baru. [8]

  ........................................... 26

Gambar 2.21 Contoh block diagram Simulink matlab. [10]Gambar 2.22 Batas nilai vibrasi ISO 10816-3. ................................................................ 27Gambar 3.1. Alat Ukur Vibrasi CSI 2130 ......................................................................... 32Gambar 3.2. Lokasi Pengukuran pada BFP ..................................................................... 33

  .................................................... 33

Gambar 3.3. Lokasi Pengukuran pada Booster Pump

  ................................................. 34

Gambar 3.4. Lokasi Pengukuran Tekanan pada pompa

  ............................................................................. 36

Gambar 3.5. Model Matematis PompaGambar 4.1. BFPM Inboard Horizontal ........................................................................... 38Gambar 4.2. BFPM Inboard Vertikal ................................................................................ 39Gambar 4.3. BFPM Outboard Horizontal ........................................................................ 40Gambar 4.4. BFPM Outboard Vertikal ............................................................................. 40

  ........................................................... 41

Gambar 4.5. Booster Pump Outboard Horizontal

  ................................................................ 42

Gambar 4.6. Booster Pump Outboard Vertikal

  .............................................................. 43

Gambar 4.7. Booster Pump Inboard HorizontalGambar 4.8. Booster Pump Intboard Vertikal ................................................................. 43Gambar 5.1. Gambar Peralatan Boiler Feed Pump ........................................................ 47Gambar 5.2. Gambar Peralatan Fluid Coupling dan Booster Pump ............................ 48Gambar 5.3. Cross Section Pompa ................................................................................... 49Gambar 5.4. Cross Section Variable Speed Fluid Coupling ......................................... 50

  ............................................................................... 50

Gambar 5.5. Bearing yang digunakan

  ............................................ 51

Gambar 5.6. Sketsa susunan peralatan Boiler Feed Pump

  ......................................................... 52

Gambar 5.7. Model Matematis Boiler Feed PumpGambar 5.8. Free Body Diagram BFP ............................................................................. 52Gambar 5.9. FBD Pinion .................................................................................................... 53Gambar 5.10. FBD Gear dan Booster ............................................................................... 53Gambar 5.11. Block Diagram Boiler Feed Pump ........................................................... 61Gambar 5.12. Block Diagram Booster Pump .................................................................. 61

  .......... 64

Gambar 5.13. Grafik Respon Percepatan massa BFPM akibat eksitasi impuls

  ........... 64

Gambar 5.14. Grafik respon percepatan booster pump akibat eksitasi impulsGambar 5.15. BFPM Outboard Horizontal (Maksimum Load) ..................................... 65Gambar 5.16. BFPM Outboard Vertikal (Maksimum Load) ......................................... 65Gambar 5.17. BFPM Inboard Horizontal (Maksimum load) ......................................... 66Gambar 5.18. BFPM Inboard Vertical (Maksimum Load) ............................................ 66

  ............................................. 66

Gambar 5.19. BFPM Outboard Horizontal (Parsial Load)

  ................................................. 67

Gambar 5.20. BFPM Outboard Vertikal (Parsial Load)

  ................................................ 67

Gambar 5.21. BFPM Inboard Horizontal (Parsial Load)Gambar 5.22. BFPM Inboard Vertikal (Parsial Load) .................................................... 67Gambar 5.23. Booster Pump Inboard Horizontal (Maksimum Load) ........................... 68Gambar 5.24. Booster Pump Inboard Vertical (Maksimum Load) ............................... 68Gambar 5.25. Booster Pump Outboard Horizontal (Maksimum Load) ....................... 69

  ............................ 69

Gambar 5.26. Booster Pump Outboard Vertical (Maksimum Load)

  .................................. 69

Gambar 5.27. Booster Pump Inboard Horizontal (Parsial Load)

  ....................................... 70

Gambar 5.28. Booster Pump Inboard Vertical (Parsial Load)Gambar 5.29. Booster Pump Outboard Horizontal (Parsial Load) ............................... 70Gambar 5.30. Booster Pump Outboard Vertical (Parsial Load) .................................... 70Gambar 5.31. Gaya dinamis hydraulic unbalance ......................................................... 71Gambar 5.32. Gaya dinamis blade pass force ................................................................. 72Gambar 5.33. Hasil Simulasi pada BFPM ....................................................................... 72

  .......................................................... 73

Gambar 5.34. Hasil Simulasi pada Booster Pump

  ................ 74

Gambar 6.1. Perbandingan Spektrum Velocity BFPM Inboard Horizontal

  ............. 75

Gambar 6.2. Perbandingan Spektrum Velocity BFPM Outboard HorizontalGambar 6.3. Perbandingan Spektrum Velocity Booster Outboard Vertical ............... 76Gambar 6.4. Perbandingan Spektrum Velocity Booster Outboard Vertical ................ 77Gambar 6.5. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran BFPM (Parsial Load) ... 78Gambar 6.6. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran BFPM (Max Load) ....... 78Gambar 6.7. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Booster (Parsial Load) . 79

  ..... 79

Gambar 6.8. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Booster (Max Load)

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Hydraulic dynamic coefficient factor (Kd) ............................................................. 23Tabel 2.2 Bagian – bagian dari variable speed coupling pada Gambar 2.18 ................ 24Tabel 4.1 RMS Velocity Hasil Eksperimen ....................................................................... 44Tabel 5.1 Parameter Boiler Feed Pump ............................................................................ 58

  Tabel 5.2

  Parameter Pinion

  ................................................................................................ 59 Tabel 5.3

  Parameter Gear dan Booster Pump

  ................................................................. 59 Tabel 5.4

  Parameter Perhitungan Gaya Radial Dinamis BFP

  ........................................ 62

Tabel 5.5 Parameter Perhitungan Gaya Radial Dinamis Booster Pump ....................... 63Tabel 5.6 Beberapa Variabel BFPM dan Booster Pump .................................................. 71

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

  Feedwater system tem yang ada di PLTU Paiton Unit 9 terdiri dari ari tiga buah

Boiler Feed Pump (BFP FP) seperti ditunjukkan pada gambar 1.1, dimana ana 2 buah

  BFP merupakan Boiler F n oleh steam

  r Feed Pump – Turbin (BFPT) yang digerakkan ol turbine , dan yang lain

  FPM) yang in merupakan Boiler Feed Pump – Motor (BFP digerakkan oleh motor. or . BFPM ini terdiri dari sebuah Booster Pump Pump , motor elektrik sebagai pengge ggerak, fluid coupling dan high pressure e multistage

  

centrifugal pump . BFP FPM ini menggunakan variable speed control ontrol dimana

kecepatan putaran roto otor dapat dirubah sesuai kebutuhan suplai i feedwater.

  Perubahan kecepatan dia n diatur oleh skup tube pada fluid coupling.

Gambar 1.1. r 1.1. Feedwater system PLTU Paiton Unit 9

  Pada PLTU Pait aiton Unit 9, BFPM ini memiliki fungsi sebaga agai starting

  

feedwater system , dim dimana digunakan untuk mensirkulasikan feedw eedwater ke

deaerator untuk menjaga njaga kualitas air pada saat start up dan dioperasika sikan hingga

  beban unit pembangkit kit mencapai 30% (190MW), BFPM ini juga diope dioperasikan pada saat unit akan di shut down. Selain itu, BFPM ini digunakan sebagai back up jika salah satu maupun 2 BFPT mengalami masalah.

  Untuk menjamin keandalan feedwater system, PLTU Paiton Baru menerapkan metode predictive maintenance. Salah satu cara dalam predictive

  

maintenance yang dilakukan yaitu dengan cara menganalisa spektrum vibrasi

  yang terjadi. Pengukuran vibrasi dilakukan secara berkala pada saat peralatan beroperasi. Vibrasi yang terlalu tinggi pada mesin dapat menyebabkan berkurangnya life time komponen-komponen yang ada pada mesin tersebut antara lain bearing, gear, poros, dan komponen lainnya.

  Berdasarkan kondisi operasi dilapangan menunjukkan bahwa boiler feed

  

pump ini sering dioperasikan pada kondisi off design atau diluar titik operasi yang

  diharapkan. Kondisi operasi off design ini terjadi ketika pompa mensirkulasikan

  

feedwater ke deaerator dengan flow rendah, maupun saat beban unit belum

  mencapai full load. Informasi dilapangan menunjukkan bahwa pengoperasian pada beban rendah ini menimbulkan noise yang lebih tinggi dibanding saat beban penuh.

  Penelitian mengenai getaran pada pompa telah banyak dilakukan. Amit Suhane (2012) melakukan eksperimen pada single stage diffuser pump tipe sentrifugal. Pengamatan dilakukan terhadap flow induced pressure pulsation,

  

mechanical vibration , dan noise pada lima kondisi flowrate yang berbeda dengan

  variasi radial clearance Hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin besar

  

radial clearance antara impeller dan diffuser maka pressure pulsation, getaran

  dan noise akan semakin kecil. Attia khalifa dkk. (2009) melakukan penelitian mengenai fluktuasi tekanan pada high pressure double volute centrifugal pump dibawah kondisi separuh beban. Pada pengurangan flowrate, fluktuasi flow dan

  

pressure didalam pompa menjadi tinggi sementara distribusi tekanan disekitar

impeler bervariasi.

Gambar 1.2. Boiler Feed Pump-Motor PLTU Paiton Baru

  Dalam tesis ini akan dilakukan penelitian mengenai respon getaran pada

boiler feed pump pada kondisi pembebanan maksimum dan beban sebagian.

Penelitian ini juga memodelkan 6 derajat kebebasan sehingga akan diketahui respon getaran arah tranversal dan untuk mengetahui bagaimana pengaruh rambatan getaran antar peralatan. Peralatan yang dimodelkan meliputi multistage

  

pump , variable speed coupling, dan booster pump. Dalam penelitian ini juga

  dilakukan eksperimen pengukuran getaran yang sesungguhnya sehingga bisa diperoleh perbandingan respon getaran hasil simulasi model yang dibuat dengan mesin yang sesungguhnya.

1.2. Rumusan Masalah

  Penelitian ini memiliki beberapa rumusan masalah, yaitu :

  1. Bagaimana respon getaran Boiler Feed Pump - Motor (BFPM) yang ada di PLTU Paiton Baru dengan kondisi separuh beban dan beban maksimum.

2. Bagaimana memodelkan respon getaran pada Boiler Feed Pump – Motor

  (BFPM) yang ada di PLTU Paiton Baru dengan kondisi separuh beban dan beban maksimum.

1.3. Tujuan

  Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Mengetahui respon getaran aktual Boiler Feed Pump–motor pada kondisi pembebanan maksimum dan separuh beban.

2. Memodelkan dan mensimulasikan respon getaran Boiler Feed Pump–motor pada kondisi pembebanan maksimum dan separuh beban.

  1.4. Kontribusi Penelitian

  Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah : 1. Memberikan informasi mengenai respon getaran pada Boiler Feed Pump–

  Motor (BFPM) melalui studi numerik dan empirik pada kondisi pembebanan maksimum dan beban sebagian pada feedwater system PLTU Paiton Baru.

  2. Dengan pemodelan dan simulasi dapat diketahui tren vibrasi pada peralatan boiler feed pump motor untuk berbagai kondisi pembebanan.

  3. Memberikan metode alternative penyelesaian masalah getaran pada pompa di area pembangkitan listrik terutama yang berkaitan dengan kondisi pengoperasian yang bervariasi.

  1.5. Batasan Masalah

  Batasan masalah dari penelitian ini adalah : 1. BFPM yang dimodelkan adalah BFPM pada PLTU Paiton Baru Unit 9.

  2. Peralatan yang dimodelkan meliputi Booster pump, variable speed fluid coupling , dan multistage centrifugal pump.

  3. Pompa dan kopling dimodelkan sebagai rigid body.

  4. Sistim dianggap dalam kondisi ideal karena tidak adanya kelainan secara mekanis pada peralatan.

  5. Tidak membahas vibrasi torsional disebabkan boiler feed pump memiliki frekuensi tinggi yang tidak menimbulkan torsi yang besar.

  6. Tidak membahas vibrasi akibat mechanical unbalance rotor disebabkan kondisi peralatan telah dibalancing sesuai standar ISO.

  7. Gaya aksial pada boiler feed pump dan booster pump diasumsikan dalam kondisi setimbang karena adanya mekanisme balance drum pada boiler feed pump dan adanya double entry suction pada booster pump .

  8. Gaya radial pada BFPM merupakan resultan gaya dari masing-masing impeler.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Penelitian Terdahulu

  Attia khalifa, dkk (2009) melakukan penelitian mengenai fluktuasi tekanan

  

high pressure centrifugal pump pada kondisi separuh beban. Pada pengurangan

flowrate , fluktuasi flow dan pressure didalam pompa menjadi tinggi sementara

  distribusi tekanan disekitar impeler bervariasi. Hal tersebut juga terjadi pada sisi dimana dengan pengurangan flowrate maka fluktuasi tekanan dan FFT

  suction

magnitude akan semakin tinggi. Hal yang berbeda pada sisi discharge yaitu

  dengan penurunan flowrate, fluktuasi tekanan dan FFT magnitude akan semakin menurun. Lokasi 3 dan 7 memperlihatkan fluktuasi tekanan terbesar khususnya pada low flowrate. Mereka berada disekitar zona interaksi yang terletak diantara

  

rotating impeler blade dan volute stationary vane. Daerah ini adalah faktor kunci

  didalam analisa flow induced vibration untuk pompa ini. Pada lokasi 3 dan 7 ini meskipun memiliki geometri yang simetri dan hampir mempunyai tekanan statis rata – rata yang hampir sama namun tekanan fluktuasi tidak sama

Gambar 2.1 Lokasi pengukuran tekanan. [1]Gambar 2.2 Fluktuasi tekanan pada lokasi 3 dan 7. [1]

  Pada Gambar 2.3 secara umum fluktuasi tekanan dan FFT magnitude menurun dengan penurunan pump flowrate pada sisi discharge. Hal ini penting untuk diamati bahwa respon fluktuasi tekanan dengan perubahan flowrate pada sisi discharge berlawanan dengan fluktuasi tekanan didalam pompa. Berlawanan dengan sisi discarge, pada sisi suction seperti pada gambar 2.4 FFT magnitude dan fluktuasi tekanan meningkat dengan penurunan flowrate pada frekuensi 5x rpm, ini memberi bukti bahwa pengurangan flowrate akan meningkatkan reverse flow didalam pompa pada impeller suction.

Gambar 2.3 Fluktuasi tekanan pada discharge pipe. [1]Gambar 2.4 Fluktuasi tekanan pada suction pipe. [1]Gambar 2.5 Blade Passing Frekuensi pada 50% dan 100% Load [1]Gambar 2.5 menunjukkan bahwa pada kondis flowrate 50% load menimbulkan blade passing frequency yang 2 kali lebih tinggi amplitudonya

  daripada flowrate 100% load.

  Amit Suhane (2012) melakukan eksperimen pada single stage diffuser

  

pump tipe sentrifugal. Pengamatan dilakukan terhadap flow induced pressure

pulsation , mechanical vibration, dan noise pada lima kondisi flowrate yang

  berbeda dengan variasi radial clearance 6,8mm (case 1), 3,7mm (case 2), 1,5mm (case 3). Untuk masing-masing kasus radial clearance dan flow untuk semua level dan spektrum frekuensi untuk range frekuensi yang lebar, vibrasi dan noise secara dominan disebabkan oleh pengaruh hidrolik. Impeler vane pass frequency mendominasi spektrum. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin besar

  

radial clearance antara impeller dan diffuser maka pressure pulsation, getaran

dan noise akan semakin kecil.

Gambar 2.6 Hubungan radial clearance, flow dan pressure pulsation. [2]Gambar 2.7 Hubungan radial clearance, flow dan vibration. [2]

  Stefan Berten (2010) dalam penelitiannya pengoperasian pompa centrifugal berenergi tinggi pada separuh beban berhubungan dengan kenaikan level vibrasi. Sumber vibrasi berasal dari kelakuan hidrodinamik fluida diantaranya yaitu adanya interaksi antara aliran rotating dan stationary yang menyebabkan fluktuasi tekanan, selain itu separasi aliran lokal mempengaruhi struktur aliran yang menciptakan gaya hidrolik. Penelitian ini melakukan eksperimen pada separuh beban dimana fenomena hidrolik sebagai sumber excitasi yang menyebabkan fluktuasi tekanan unsteady pada kecepatan rotasi dan operasi yang berbeda. Adanya stationary stall yaitu daerah bertekanan tinggi yang tidak berotasi pada antar permukaan rotor stator menghasilkan fluktuasi tekanan tambahan pada frekuensi rotasi dan harmoniknya. Gangguan distribusi tekanan disekelilingnya menghasilkan net radial force yang mengakibatkan vibrasi pada poros arah radial. Stall yang terjadi mempengaruhi aliran pada side room impeller sehingga mempengaruhi disribusi tekanan yang pada akhirnya juga berpengaruh terhadap net axial force. Adanya variasi axial force pada impeler menimbulkan axial shaft vibration .

  (a) Axial vibration pada q=0,8 (b) Axial Vibration pada q=0,9

  (c) Axial Vibration pada q=1

Gambar 2.8 Axial vibration pada flowrate yang berbeda. [3]

  Pada gambar 2.8 amplitudo hingga harmonik ketiga dari frekuensi rotasi tidak dipengaruhi oleh pengurangan flowrate, tetapi dengan munculnya zona resirkulasi pada diffuser, tambahan vibrasi pada impeler blade passing frequency terjadi. Amplitudo terbesar ketika stall bersifat stationary pada flow = 0,9.

  Dr. Elemer Makay melakukan penelitian permasalahan yang ada pada

  

boiler feed pump , dimana penyebab utama ketidakstabilan rotor pompa dapat

  disebabkan oleh mekanisme ketidakstabilan hidrolik diantaranya disebabkan oleh

  

secondary flow , stall, leakage flow melalui wear ring, fluktuasi unsteady flow,

blade passing frequency , turbulensi, kavitasi, dan hydraulic unbalance.

Gambar 2.9 Kurva karakteristik pompa. [4]

  Beberapa penelitian tersebut mengkaji mengenai pengaruh beban pompa terhadap fluktuasi tekanan dan vibrasi, namun masih belum ada penelitian yang menyangkut pemodelan sistem dinamis pompa dengan metode numerik.

2.2. Teori Penunjang

  2.2.1. Definisi Getaran

  Gerakan bolak-balik suatu benda dari posisi awal melalui titik keseimbangannya dalam interval waktu disebut dengan getaran. Pada umumnya, sistem getar terdiri atas elemen penyimpan energi potensial (pegas atau elastisitas), elemen penyimpan energi kinetis (massa atau inersia), dan elemen yang berfungsi untuk mendisipasi energi (peredam). Getaran suatu sistem mencakup transfer energi potensial ke energi kinetis, energi kinetis ke energi potensial secara bergantian. Jika sistem teredam, sejumlah energi akan terdisipasi pada setiap siklus getaran

  2.2.2. Klasifikasi Getaran

  Getaran bisa dibedakan atas beberapa jenis, diantaranya adalah getaran bebas dan getaran paksa, getaran tanpa peredam dan getaran dengan peredam, getaran linier dan non linier, getaran deterministic dan random.

  Getaran bebas terjadi jika sistem diberi gangguan mula kemudian sistem dibiarkan berosilasi, atau dengan kata lain sistem tidak diberi gaya eksternal. Sistem yang bergetar bebas akan bergerak pada satu atau lebih frekuensi naturalnya, yang merupakan sifat sistem dinamika yang dibentuk oleh distribusi massa dan kekuatannya. Semua sistem yang memiliki massa dan elastisitas dapat mengalami getaran bebas atau getaran yang terjadi tanpa rangsangan luar.

  Getaran paksa adalah getaran yang terjadi karena adanya gayaeksternal. jika gaya eksternal yang bekerja pada frekuensi tertentu, maka sistem dipaksa untuk bergetar pada frekuensi gaya eksternal tersebut. Resonansi terjadi ketika frekuensi gaya eksternal yang bekerja pada sistem sama dengan frekuensi natural sistem tersebut akibatnya osilasi sistem semakin lama semakin membesar.

  Resonansi dapat mengakibatkan kegagalan struktur dari sistem dinamis.Jika frekuensi rangsangan sama dengan salah satu frekuensi natural sistem, maka akan didapatkan keadaan resonansi dan osilasi yang besar dan beresiko membahayakan.

  Getaran tanpa peredam terjadi pada sistem dinamis yang selama periode getarnya tidak ada energi terdisipasi atau hilang. Sebaliknya jika terdapat energi yang hilang selama periode osilasi maka disebut getaran dengan peredam.

  Jika komponen dari sistem getaran seperti massa, pegas dan peredam bersifat linier maka sistem ini disebut dengan sistem getaran linier. Sebaliknya pada sistem yang komponen massa, pegas dan peredamnya tidak bersifat linier maka sistem ini disebut sistem getaran non linier. Pada sistem getaran yang magnitudo gaya eksitasinya diketahui disepanjang waktu maka sistem ini dikategorikan sebagai sistem getaran deterministik. Pada sistem gaetaran yang magnitudenya tidak bisa diprediksi sepanjang waktu maka disebut dengan sistem getaran random.

2.2.3. Derajat Kebebasan

  Sistem yang bergetar terkadang memiliki arah getaran yang bermacam- macam sehingga koordinat yang dimiliknya pun lebih dari satu. Banyaknya koordinat dari gerakan getaran inilah yang disebut sebagai derajat kebebasan.

• Sistem satu derajat-kebebasan

  Jika sebuah sistem hanya dapat bergerak dalam satu kejadian atau apabila hanya satu koordinat bebas dibutuhkan untuk menunjukkan kedudukan massa sistem dalam ruang secara lengkap, maka sistem tersebut disebut sistem satu derajat kebebasan.

  Pada sistem massa-pegas seperti terlihat pada Gambar 2.10, apabila massa

  

m dibatasi bergerak secara tegak maka hanya satu koordinat , x (t) , yang

  dibutuhkan untuk mendefinisikan kedudukan massa pada waktu tertentu dari kedudukan statis. Berarti sistem tersebut memiliki satu derajat kebebasan.

Gambar 2.10 Sistem 1 DOF sistem translasi. [5]

• Sistem multi derajat kebebasan

  Sistem multi derajat kebebasan adalah sistem yang membutuhkan dua buah atau lebih koordinat bebas untuk menentukan kedudukannya. Dalam melakukan analisa pada sistem multi derajat kebebasan, perlu dipahami terlebih dahulu analisa pada sistem yang memiliki dua derajat kebebasan karena sebenarnya konsep yang digunakan sama. Dalam sistem massa pegas seperti terlihat pada Gambar 2.11, bila gerakan massa m dan m secara horisontal

  1

  2

  dibatasi paling sedikit dibutuhkan satu koordinat x(t) untuk menentukan kedudukan massa pada berbagai waktu. Berarti sistem membutuhkan dua buah koordinat bersama-bersama untuk menentukan kedudukan massa yaitu kedudukan massa satu pada waktu tertentu (x ) dan kedudukan massa dua pada waktu tertentu

  1

  (x ). Sistem yang seperti ini dinamakan sistem dua-derajat- kebebasan. Sistem

  2 pegas dua dof yang dimaksud bisa dilihat pada Gambar 2.11.

Gambar 2.11 Sistem pegas 2 DOF. [5]

  Penyelesaian sebuah permasalahan mengenai sistem multi derajat kebebasan dapat dilakukan dengan cara seperti dibawah ini:

  1. Mengatur koordinat untuk mendeskripsikan posisi dari berbagai massa dan rigid body yang ada pada sistem.

  2. Menentukan konfigurasi kesetimbangan statis dari sistem.

  3. Menggambar free body diagram dari setiap massa pada sistem sehingga gaya-gaya yang bekerja pada massa tersebut dapat terlihat setelah massa diberi perpindahan dan kecepatan.

  4. Menggunakan hukum II Newton untuk setiap free body diagram yaitu . ̈ = ∑ . F untuk massa i (2.1)

  Atau . ̈ = ∑ . M

  (2.2) Dimana ∑ F merupakan jumlah dari seluruh gaya yang bekerja pada massa , sedangkan M merupakan jumlah dari momen dari semua gaya yang bekerja pada rigid body pada massa inersia .

  5. Persamaan gerak dapat diselesaikan dengan bantuan simulink Matlab dengan menggunakan metode variable state.

  Berikut ini adalah contoh penurunan persamaan gerak sistem dengan beberapa derajat kebebasan.

  Gambar. 2.12 Model matematika dan freebody diagram. [5] Persamaan gerak untuk gambar (a) dengan menggunakan koordinat x(t) dan θ(t) dijelaskan berikut ini. Persamaan kesetimbangan gaya arah vertikal adalah : )

  ̈ = − ( − ) − ( + (2.3) Dan persamaan kesetimbangan momen terhadap pusat massa (CG) adalah :

  ) ) − ( + (2.4)