Power Generation : Komponen dalam Gas Turbine Generator

Kali ini saya akan membahas mengenai cara kerja gas turbine generator, atau disingkat GTG. 

GTG, sesuai namanya adalah sebuah turbin yang digerakkan oleh gas hasil pembakaran untuk menghasilkan listrik. GTG ini sering dipakai di proses pengolahan oil and gas upstream karena konsumsi listrik yang besar. Bayangkan saja, pada pengolahan oil and gas upstream, dibutuhkan pompa atau kompresor besar untuk menginjeksi fluida balik ke dalam sumur dalam upaya untuk mempertahankan tekanan dalam sumur. Ingat, pompa atau kompresor tersebut harus bisa melawan tekanan sumur, yang tekanannya bisa lebih dari 100 bar, maka dibutuhkan peralatan dengan kapasitas yang besar pula. Sehingga mendorong konsumsi energi yang juga tinggi   

Gas Turbine Generator

Selain itu, peralatan yang juga mengkonsumsi listrik besar adalah pompa atau kompresor eksport untuk mentransfer produk. Letak plant oil and gas upstream yang biasanya di daerah terpencil membutuhkan pompa atau kompresor yang juga berkapasitas besar untuk dapat mentransfer produk untuk proses pengolahan selanjutnya. Jaraknya bisa mencapai ratusan kilometer. Hingga, acapkali dibangun beberapa stasiun di sepanjang perpipaan untuk meningkatkan tekanan fluida sehingga produk tersebut bisa sampai ke plant selanjutnya.

Dari kesemuanya itu, dibutuhkan sebuah generator listrik skala besar untuk dapat menghidupkan berbagai peralatan tersebut, yakni GTG. Cara lain untuk mengurangi jumlah konsumsi energi adalah dengan mengganti sumber energi, misalkan listrik diganti dengan gas hasil pembakaran, biasanya yang menggunakan cara ini adalah untuk mentransfer gas, atau dipakai engine gas compressor (EGC). Semua pilihan tersebut didasarkan pada desain electrical philosopy plant yang dibangun.

GTG berfungsi untuk memproduksi listrik yang nantinya dipakai oleh alat-alat, semisal pompa, kompressor dll. Mari kita lihat bagian GTG dibawah:

GTG

Pada bagian belakang kita lihat ada beberapa alat yang dijelaskan sebagaimana berikut

Oil and Gas Industry : Proyek Migas Indonesia yang Masuk Fase Akhir Konstruksi di 2016-2017

Sejumlah proyek oil and gas di Indonesia saat ini sedang dalam proses pengerjaan. Ada beberapa yang telah memasuki fase akhir, ada juga yang masih fase awal. Pada kesempatan ini, kita akan membahas mengenai proyek oil and gas di Indonesia yang tengah memasuki fase akhir konstruksi, untuk kemudian akan masuk ke fase produksi.

Meskipun harga minyak dunia sedang turun, Indonesia memiliki setidaknya dua proyek oil and gas yang saat ini berada dalam fase commissioning. Dua proyek tersebut adalah proyek Jangkrik dan proyek gas di Blok A.

Proyek Jangkrik

Proyek Jangkrik adalah proyek pembuatan floating production unit (FPU) yang dikerjakan oleh Saipem-Tripatra-Chiyoda (STC) dengan kliennya adalah ENI Indonesia. Nantinya, FPU Jangkrik akan dikirim ke Muara Bakau di Kalimantan. FPU Jangkrik ini nantinya akan memproduksi gas sebanyak 450 MMSCFD yang akan dikirim ke Bontang dan 4400 BPD condensat yang dikirim ke Senipah Plant. Nilai kontrak proyek Jangkrik ini adalah sebesar $1.1 billion dollar atau hampir mencapai 15 trilyun rupiah. Sebuah angka yang cukup fantastis

Proyek Jangkrik merupakan proyek laut dalam pertama yang dikerjakan di Indonesia. Hull untuk Jangkrik sendiri dibuat oleh Hyundai Heavy Industries (HHI), yakni perusahaan asal Korea Selatan. Sedangkan, untuk modulnya sendiri dikerjakan oleh STC-JO.

Jangkrik Field at Muara Bakau Block

Proyek ini dijadwalkan akan "Sail Away" pada bulan Maret 2017 dan akan mulai beroperasi diperkirakan pada Juni/Juli 2017. Jika dilihat pada peta diatas, menunjukkan lapangan operasi Jangkrik yang berada pada 70 km dari pantai Kalimantan. Ada dua tempat yang akan dieksplorasi oleh ENI menggunakan FPU Jangkrik ini, yakni jangkrik North East (NE) dan Main.

Oil and Gas Industry : Aktor yang Berperan di Indonesia

Sudah sedikit dijelaskan dalam tulisan pendahuluan dengan judul :

A to Z About Oil and Gas Industry

mengenai konsep industri migas yang ada di dunia. Kali ini, kita akan sedikit fokus untuk mengupas siapa saja aktor yang berperan di industri ini khususnya yang ada di Indonesia.

Mari kita tengok kembali rantai migas mulai dari upstream hingga downstream, beserta para pemain yang ada di dalamnya :

Jika kita lihat pada skematik diatas, dapat kita ketahui rantai migas yang dikelompokkan menjadi dua: upstream dan downstream. Upstream ini adalah suatu jenis pekerjaan yang dikaitkan dengan proses untuk mendapatkan/mengekstraksi minyak dari perut bumi hingga didapatkan produk mentah, seperti minyak dan gas bumi yang nantinya diolah ulang untuk menghasilkan nilai lebih. Downstream adalah upaya untuk mengkonversi minyak dan gas bumi yang dihasilkan dalam proses di upstream menjadi beragam produk dan mendistribusikannya. Namun, proses yang mengolah hasil dari proses downstream, menjadi bahan dasar seperti pabrik petrokimia bukan termasuk bagian dari proses downstream ini. Proses downstream, lebih mencakup kepada proses penyulingan/refinery dan distribusi bermacam produk hasil proses penyulingan tersebut. Meskipun begitu, ada juga pabrik penyulingan yang memproduksi bahan dasar petrokimia.

Reverse Osmosis : Operasional

Setelah pada bagian sebelumnya, kita membahas mengenai prinsip kerja RO, pada kesempatan kali ini saya akan membahas mengenai operasi ada alat reverse osmosis. Mari kita lihat skematik berikut, yakni unit ultrafiltration dan reverse osmosis yang disuplai oleh BONO ARTES.

Bono Artes Ultrafiltration and RO Package

Nah, sebelum masuk ke dalam RO, feed yang berasal dari filtered water masuk ke dalam membrane ultrafiltrasi. Ia kemudian keluar dari membrane tersebut dan terjadi pencampuran antara air yang keluar dengan beberapa bahan kimia, seperti asam sulfat, SMBS dan anti-scalant di dalam static mixer. Baru kemudian, setelah itu air masuk ke dalam ultrafiltration permeate tank, atau tanki permeate ultrafiltrasi.

Dari tangki tersebut, air kemudian dipompa menggunakan cartridge feed pumps, melewati cartridge filter. Dipompa lagi dengan menggunakan reverse osmosis pump, sebagaimana kita tahu bahwa peristiwa reverse osmosis membutuhkan pressure yang cukup tinggi. Baru kemudian masuk ke dalam masuk ke dalam first stage membrane permeator (RO unit). Produk utama hasil filtrasi tersebut yakni permeate water masuk ke dalam permeate water tank dan sebagian masuk ke tangki bahan kimia jika diperlukan. Produk samping, yakni retentat dari stage pertama, masuk ke second stage membrane permeator untuk kemudian terjadi proses pemisahan. Hasil produk utama masuk ke header permeate water, sedangkan produk samping, yakni retentat akan dibuang.

Jika kita lihat, akan ada perbedaan antara reverse osmosis dengan ultrafiltration. Dalam ultrafiltration, kita tidak menjumpai produk samping, sedangkan pada reverse osmosis, kita menjumpai produk samping yang dibuang secara kontinyu.

Jika ultrafiltration dipakai terus menerus, tentu saja pada suatu saat akan terjadi kondisi fouling ketika kotoran sudah menumpuk dan feed sudah tidak bisa keluar lagi dari ultrafiltration. Maka dari itu, ada kondisi backflush pada ultrafiltration, dimana hasil dari ultrafiltrasi tersebut, yang masuk ke dalam ultrafiltration permeate tank pada gambar diatas dipompakan lagi ke masuk ke dalam membrane ultrafiltration dengan arah yang berkebalikan dengan ketika posisi ultrafiltration dalam posisi service, ditunjukkan pada gambar dibawah.

Backflush Sequence di Ultrafiltration

Backflush ini digunakan untuk mencegah partikel menumpuk atau bahasa kerennya “building-up” di membrane. Backflush dilaksananakan dalam “regular basis” setiap 20-120 menit interval dengan lama 25-30 detik tergantung dari kualitas feed. Hal ini akan terjadi secara otomatis, sesuai dengan pengaturan sequence yang diatur di control room.

Sedangkan, untuk reverse osmosis, tidak akan terjadi yang namanya peristiwa backflush ini. Hal ini, dikarenakan ada produk samping yang dikeluarkan secara kontinyu. Meskipun begitu, untuk mencegah partikel “building-up” atau menempel di permukaan membrane RO. Maka, digunakan bahan kimia seperti anti-scalant. Disinilah yang menjadi perbedaan utama antara RO dan ultrafiltration. Meskipun begitu, pada RO tetap ada sequence untuk flushing untuk men-displace atau menggantikan konsentrat yang tertinggal di membrane pada saat pertama kali di-start atau ketika sistem mau di stop.

Pengaturan kualitas produk

On-Off Valve in RO Package

Gambar diatas, menunjukkan sebagian tampilan untuk unit RO. Bisa kita lihat 2 outlet dari RO unit A, permeate akan masuk ke dalam fresh water tank dan retentat akan keluar ke overboard. RO ini digunakan dalam kapal untuk project offshore. Maka dari itu, istilahnya “overboard”. Kita lihat pada gambar, ada analyzer untuk mengukur mV dan juga pH. Sedangkan ada juga on-off valve yakni UV-890 dan juga UV-891. Dua valve ini, dalam operasinya, jika didapatkan produk permeate tidak sesuai spek, maka akan menutup valve UV-891 dan membuka UV-890, sehingga tidak ada produk off-spec yang masuk ke sistem dan juga sebaliknya. Semua diatur sesuai dengan kehendak operator terhadap sequence yang diminta.

Reverse Osmosis: Prinsip Kerja

Kali ini saya akan menuliskan mengenai alat yang disebut sebagai “reverse osmosis”. Reverse osmosis ini adalah alat yang saya temui baik ketika saya bekerja di on-shore maupun off-shore oil and gas project. Maka dari itu saya ingin menuliskannya pada kesempatan kali ini.

Kenapa reverse osmosis ini diperlukan? Mari kita lihat gambar berikut

Filtration spectrum

Nah, partikel memiliki ukuran yang berbeda-beda. Maka dari itu diperlukan berbagai jenis teknik filtrasi. Mulai dari klarifier, sand filter, ultrafiltration dan juga reverse osmosis. Reverse osmosis ini diperlukan untuk menghilangkan ion garam maupun metal yang ukurannya sangat kecil yang tidak mampu dilakukan oleh alat sebelumnya.

Fenomena osmosis dan reverse osmosis

Untuk memahami istilah “reverse osmosis”, kita harus memahami istilah osmosis terlebih dahulu.

Jika kita memiliki dua buah cairan seperti gambar diatas. Cairan yang disebelah kiri adalah cairan yang masih memiliki banyak partikel, sedangkan pada bagian kanan adalah cairan yang nilai partikelnya rendah. Diantara kedua cairan tersebut kita tempatkan membrane. Secara alami, cairan yang ada di sebelah kanan akan bergerak ke kiri. Inilah yang disebut peristiwa osmosis.

Sedangkan, jika kita tekan cairan yang sebelah kiri, maka cairan sebelah kiri akan berpindah ke kanan melewati membrane, sedangkan partikel kita anggap tidak bisa melewati membrane karena ukurannya yang lebih besar. Hal ini tentu saja berkebalikan peristiwa osmosis yang kita bahas sebelumnya. Maka dari itu disebut sebagai “reverse osmosis”

.

Maka, bisa disimpulkan, alat reverse osmosis (RO) berisi membrane dan dalam operasinya, memerlukan tekanan yang cukup besar untuk mendorong cairan agar ia bisa terpisah dari partikel yang menyertainya.

Beginilah contoh bentuk modul membrane RO yang digunakan dalam suatu sistem utilitas pabrik

Modul Membrane RO

Bagaimana cara proses penyaringan/ filtrasi terjadi dengan menggunakan RO?

Proses Filtrasi di Membrane RO

Feed, yakni cairan bertekanan yang masih memiliki partikel masuk ke membrane dari sisi depan. Disini, akan terjadi proses filtrasi. Produk hasil filtrasi yang disebut sebagai permeate, akan berhasil melewati membrane dan masuk ke bagian tengah modul yang berbentuk seperti pipa. Sedangkan, cairan yang tidak lolos akan keluar sebagai hasil samping yang disebut sebagai retentat, atau pada gambar disebut sebagai cairan garam/brine.

Pada bagian selanjutnya, kita akan membahas bagaimana mekanisme alat RO ini bekerja di lapangan.

Resume Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal

Kita sudah berada pada bagian terakhir dari diskusi kita mengenai kurva karakteristik pompa.

Kurva karakteristik pompa menjadi suatu bagian yang penting mengingat ia menyajikan sebuah gambaran letak dimana pompa bisa berjalan dengan optimum dan menghindari dari kerusakan yang disebabkan oleh salah operasi yang utamanya disebabkan dari peristiwa kavitasi.

Maka dari itu, pemahaman mengenai kurva karakteristik pompa menjadi sangat penting karena dengan kita mengetahui prinsip kurva karakteristik pompa dan menerapkannya di lapangan, umur pompa kita akan awet. Oleh sebab itu,maintenance pun tidak terlalu sering.

Berikut beberapa topik yang kita bahas terkait dengan karakteristik pompa. Silahkan klik link yang dimaksud untuk menuju ke artikel di blog ini

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Head Pompa 

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Friction

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Penjelasan Kavitasi

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Kavitasi Suction

Membaca Kurva Karakteristik Pompa: Kavitasi discharge 

Dan, sebagai bonus: saya tambahkan mengenai operasional pompa menurut kurva karakteristik untuk menghindari peristiwa kavitasi

Operasional Pompa

Masih banyak hal yang belum kita bahas mengenai pompa sentrifugal ini. Artikel-artikel yang saya buat diatas adalah sebuah dasar untuk kita menggali lebih jauh lagi untuk lebih memahami berbaga macam bentuk pompa sentrifugal yang nantinya akan banyak kita hadapi di lapangan.

=======================================================================

Tangki penyimpan sebagai media penampung sementara sudah kita bahas. Pompa, khususnya sentrifugal juga telah kita bahas sebagai media untuk memindahkan fluida yang disimpan di tangki penyimpan. Dua equipment tersebut akan sering kita jumpai pada sebuah fasilitas pengolahan.

Operasional Pompa

Sudah dijelaskan mengenai kurva karakteristik pompa, mulai dari head hingga efisiensi pompa untuk menjaga agar pompa tetap berada pada kondisi yang optimal sehingga tidak terjadi kavitasi.

Kali ini, kita akan membahas dari sudut praktis, dimana beberapa hal bisa membuat pompa berjalan tidak optimal meskipun kita sudah mencoba untuk mengaplikasikan kurva karakteristik pompa.

Air Pocket

Udara terjebak dalam suction pompa bisa membuat pompa berjalan dengan tidak optimal. Hal ini dikarenakan adanya udara terjebak tersebut akan menghalangi laju alir fluida. Akibatnya, meskipun NPSHr sudah terpenuhi, namun saat pompa distart masih menunjukkan gejala mirip kavitasi, misalkan adanya noise dan getaran pada pompa. Maka dari itu, sebelum pompa distart, pastikan tidak ada udara yang terjebak dengan membuka high venting point dan low drain point pada piping suction dan juga pompa.

High differential pressure (DP) pada strainer suction pompa

Adanya DP yang besar pada strainer, akan membuat aliran terhambat dan juga membuat berkurangnya tekanan suction pompa. Hal ini juga akan membuat gejala kavitasi pompa jika tekanan suction tersebut kurang dari NPSHr. Untuk kasus pada air pocket, kita tidak perlu men-stop pompa, cukup buka vent/drain point untuk membuang udara terjebak. Namun, pada kasus high DP pada suction, mau tidak mau kita harus menggunakan pompa stand-by, dan men-stop pompa on-duty.

Bagaimana jika pompa on-duty masih harus digunakan karena pompa stand-by masih ada masalah?

Kita bisa men-throttle bagian discharge pompa untuk mengurangi NPSHr, sehingga pompa masih bisa berjalan dengan lancar, namun hal ini akan mengurangi kapasitas pompa. Dan, pompa juga berpotensi menderita kavitasi discharge jika throttle yang kita lakukan terlalu besar. Maka dari itu, cara ini adalah cara sementara dan pompa yang berjalan perlu di-awasi.

Kurangnya tekanan pada tangki sehingga menurunkan tekanan suction

Ini adalah kejadian nyata yang saya alami ketika melakukan kegiatan commissioning pompa reboiler Acid Gas Enrichment Unit (AGE). Kondisi operasi reboiler AGE adalah 1 barg, sedangkan saya menjalankan pompa dengan tekanan atmosferik. Akibatnya, pompa berjalan dengan tidak optimal, sebab saya harus men-throttle bagian discharge pompa untuk menghindari peristiwa kavitasi.

Setelah saya melakukan injeksi nitrogen pada bagian reboiler untuk menjaga tekanan AGE reboiler sebesar 1 barg, akhirnya saya bisa membuka penuh bagian discharge pompa dan mendapatkan flowrate sesuai kondisi normal tanpa menderita kavitasi.

Akselerasi fluida pada pompa

Setelah kita mengantisipasi berbagai hal diatas, kita masih juga mendapatkan peristiwa kavitasi pada pompa. Mungkin ini, berhubungan dengan peristiwa akselerasi fluida pada pompa. Hal ini bisa terjadi ketika kita men-start pompa pada kondisi level yang rendah. Meskipun begitu, pompa bisa berjalan dengan optimal setelah kita men-throttle discharge pompa, selama beberapa detik, kemudian mengembalikan kembali katup yang kita throttle tersebut ke kondisi semula.

Mari kita lihat skematik gambar tersebut, untuk melihat bagaimana peristiwa ini bisa terjadi.

Perubahan level pada saat pompa mulai dijalankan

Kurva diatas menjelaskan mengenai perubahan level sebuah sump, dimana fluida dari sump tersebut akan dipompa menggunakan submersible pump. Fluida dari sump diambil dari danau dengan menggunakan pipa sepanjang 3 mil. Perubahan ketinggian sump relatif terhadap danau tersebut diamati ketika pompa pertama kali distart.

Pada point 0 ft, merupakan point dimana ketika pompa belum mulai dijalankan. Bisa kita lihat bahwa ketinggian fluida yang ada di sump sama dengan ketinggian fluida yang ada di danau. Sedangkan, pada posisi kesetimbangan, equilibrium level adalah posisi dimana pompa sudah berjalan dengan steady, sehingga tidak lagi ditemukan adanya perubahan dari ketinggian fluida di sump terhadap danau.

Ketinggian level sump lebih tinggi pada waktu pompa belum distart karena masih belum adanya aliran. Dimana, dengan adanya aliran karena disebabkan pompa berjalan akan menyebabkan adanya friksi yang menyebabkan turunnya tekanan suction. Hal ini yang menyebabkan level sump ketika pompa sudah berjalan lebih rendah ketika sebelum pompa dijalankan

Selain itu, kita juga melihat adanya kondisi transisi sebelum sump mencapai level kesetimbangan. Dimana, level pada masa transisi lebih rendah dari masa kesetimbangan, yakni -15 ft. Mengapa hal ini bisa terjadi?

Hal ini diakibatkan oleh adanya proses akselerasi fluida yang sebelumnya dalam kondisi diam,kemudian ketika pompa di-start, secara otomatis dia akan berakselerasi hingga mencapai kecepatan tertentu. Proses ini membutuhkan banyak energy, sehingga ia mengambil banyak dari tekanan suction fluida, sebelum akhirnya ia mendapatkan posisi kesetimbangan dan mendapatkan tambahan tekanan karena sistem telah bergerak dengan kecepatan yang tetap.

Adanya akselerasi inilah yang kadang menyebabkan adanya gejala kavitasi pada waktu pompa pertama kali di-start. Disebabkan, ia akan banyak memakan tekanan suction.  Jika NPSH tidak mencukupi untuk proses akselerasi ini, maka sistem tidak akan pernah mencapai proses kesetimbangan. Karena adanya kavitasi disebabkan proses akselerasi akan menyebabkan turunnya kinerja pompa, sehingga kesetimbangan tidak akan pernah tercapai.

Maka dari itulah, untuk mengurangi akselerasi tersebut, pada waktu sebelum pompa di-start, kita harus men-throttling bagian discharge pompa. Setelah pompa di-start, maka kita kemudian melakukan pembukaan bagian discharge sedikit demi sedikit, hingga mencapai kondisi full open. Hal ini bertujuan untuk mengurangi kehilangan tekanan suction akibat proses akselerasi.

Hal ini biasa diterapkan pada pompa yang memiliki kapasitas yang besar karena tentu saja akan menghasilkan akselerasi yang besar apabila pompa di-start. Selain itu, juga diterapkan ketika level tangki penyimpan yang rendah, namun belum mencapai kondisi interlock, sehingga pompa masih bisa dijalankan.    

Membaca Kurva Karakteristik Pompa: Kavitasi discharge

Sesuai dengan namanya, kavitasi ini terjadi pada bagian discharge pompa. Hal ini bisa terjadi ketika tekanan discharge pompa yang terlalu tinggi, namun ada restriksi yang besar pada discharge pompa, yang menghalangi aliran keluar pompa. Secara normal, hal ini terjadi ketika kita menjalankan pompa yang berada pada posisi kurang dari 10% dari titik efesiensi terbaiknya, best efficiency point (BEP).

BEP biasa digunakan untuk menjelaskan sebuah titik dimana pompa sentrifugal beroperasi pada titik efisiensi paling tinggi, yaitu ketika kehilangan energy akibat transfer energy dari penggerak utama, yakni motor ke sistem fluida paling kecil. Sehingga, secara fisik, fluida yang ditransfer memiliki karakter alir yang bagus dan pompa berjalan dengan optimal.

Hubungan beberapa parameter karakteristik pompa dan BEP

BEP dalam kurva karakteristik pompa

Mari kita lihat kurva karakteristik pompa kita

Efisiensi pompa pada kurva karakteristik fire water

Nah, pompa tersebut memiliki garis efisiensi untuk diameter impeller yang berbeda-beda, yang ditunjukkan dengan garis vertical dan nilai % effisiensi pada bagian atas. Biasanya dalam dokumen datasheet akan dijelaskan pada kapasitas berapa pompa akan dijalankan, dimana biasanya nilainya dekat dengan titik BEP.

Kita kembali kepada bahasan kavitasi pada bagian discharge. Adanya keadaan diatas, yakni pressure yang tinggi namun aliran yang tidak bisa keluar seluruhnya dari pompa, menyebabkan fluida bersirkulasi di dalam pompa dan terjadi peristiwa sirkulasi internal. Saat liquid mengalir disekitar impeller, dia harus melewati celah sempit yang berada diantara impeller dan titik cutwater pompa sehingga kecepatannya naik dengan sangat tinggi. 

Cut water pada pompa

Kecepatan yang sangat tinggi ini akan menyebabkan terjadinya kondisi vakum, dan hal inilah yang menyebabkan terjadinya peristiwa kavitasi pada bagian discharge pompa.

Beberapa penyebab terjadinya peristiwa kavitasi discharge :

1. -          Adanya blockade pada bagian discharge
2. -          Pompa berjalan pada bagian kurva pompa yang terlalu kekiri
3. -          Desain piping yang keliru

Kavitasi ini akan menyebabkan keausan premature pada bagian ujung impeller dan pump housing.

Akibat kavitasi discharge pada ujung impeler

Untuk summary, kavitasi suction terjadi ketika kita menjalankan pompa dengan berada pada kurva karakteristik yang terlalu ke kanan, sehingga NPSHr tidak bisa tercapai, sedangkan untuk kavitasi discharge  terjadi ketika kita menjalankan pompa dengan kondisi operasi pada kurva karakteristik pompa terlalu kekiri, dimana terjadi sirkulasi internal yang menyebabkan kavitasi.

Jadi, dengan kita mempelajari kurva karakteristik pompa, kita akan mengetahui kondisi optimal yang seharusnya dijalankan pada pompa. Hal ini akan menghindari akibat dari salah pengoperasian, salah satunya adalah menghindari peristiwa kavitasi, baik itu kavitasi suction maupun kavitasi discharge.

Hal ini, tentu saja akan bisa membuat umur pompa kita menjadi lebih panjang karena dijalankan dalam kondisi pengoperasian yang baik.

Tak ada ruginya kita mempelajari kurva karakteristik pompa ini.

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Kavitasi Suction

Kavitasi suction terjadi karena pressure yang rendah pada bagian suction. Salah satu konsep yang wajib kita ingat adalah bahwa pompa tidak menghisap fluida, tetapi tekanan suction fluida yang membuat pompa bisa berjalan dengan baik.

Masih bingung ?
Kita mungkin pernah mendengar istilah memancing pompa, dalam bahasa inggis disebut priming the pump. Priming pompa ini dapat dilakukan dengan dua macam cara, yakni mengisi pompa dengan fluida dan mengeluarkan udara terjebak dalam pompa.

Nah, bagaimana udara terjebak ini bisa keluar?

Tentu saja dengan tekanan fluida itu sendiri, atau tekanan suction pompa yang berasal dari tekanan lingkungan (atmosferik jika sistemnya terbuka) ditambah dengan tekanan hidrostatis jika air disuplai dari tangki.

Jadi, pompa itu bukan menghisap fluida. Namun, tekanan dari fluida itu sendiri yang bisa membuat fluida bisa dipompakan. Meskipun begitu, tekanan suction pompa ini haruslah berada pada nilai tertentu, jika tidak dia tidak akan bisa dipindahkan dengan baik. Dan, ini dikenal dengan istilah NPSH. NPSH adalah nilai bersih yang harus dimiliki setelah tekanan suction fluida dikurangi dengan tekanan friksi pada sistem perpipaan pada bagian suction dan tekanan uap fluida. 

Kalau prinsip kerja pompa adalah menghisap fluida, maka kita tidak usah susah-susah melakukan proses pemancingan/priming pompa hehe... sudah jelas kan?

Agar memudahkan, pada kurva karakteristik pompa dilampirkan tekanan suction bersih yang dibutuhkan agar pompa bisa bekerja dengan baik, yang disebut dengan Net Positive Suction Head Required (NPSHr). NPSHr ini merupakan data vendor.

Mari kita lihat NPSHr pada kurva karakteristik pompa.

 

Kurva Karakteristik NPSHr

Pada grafik diatas NPSHr dinyatakan dalam meter (head) dan dihubungkan dengan flowrate. NPSHr akan naik jika flow rate naik. Tentu saja, semakin besar flowratenya, maka seperti pernah dijelaskan, friksi semakin besar, otomatis NPSHr harus besar untuk menghindari hilang tekan yang bertambah.

Jika NPSHr adalah data yang berasal dari vendor, ada juga yang dinamakan NPSH available (NPSHa). NPSHa adalah NPSH aktual yang ada pada sistem. Kita bisa menghitungnya atau mendapatkannya pada pembacaan instrument tekanan yang ada di lapangan di bagian suction pompa. Tentu saja, nilai ini masih harus dikurangi friksi yang hilang di perpipaan suction, dari tempat pemasangan instrument tersebut sampai mata impeller.

Kenapa perhitungan NPSH harus sampai dengan mata impeller? Berikut adalah profil pressure fluida dalam sebuah pompa:

 

Profil tekanan pada pompa sentrifugal

Sebagaimana gambar diatas, pressure terendah terdapat pada mata impeller. Maka dari itu, perhitungan NPSH sampai dengan mata impeller.

Jadi, kita sudah jelas sekarang mengenai kasus kavitasi suction. Kavitasi suction adalah peristiwa kavitasi akibat tekanan suction yang terlalu kecil sehingga tidak mampu menjaga tekanan fluida agar tetap berada pada kondisi tekanan di atas kondisi uap jenuhnya.

Berikut adalah contoh nyata kerusakan impeller akibat kavitasi suction

Kerusakan akibat kavitasi suction

Untuk operasional, saya jarang memperhatikan perhitungan NPSH ini, sebab sudah ada pengaman dalam sistem, dimana jika level tangki sudah mencapai Low low level, pompa akan mengalami interlock untuk menghindari kavitasi suction ini.

Jika level tangki, sudah berada pada normal level, dijamin NPSHa akan selalu lebih tinggi dari NPSHr. Kalau tidak, pasti salah fatal dari engineerng. Oleh karena itu, saya selalu menjalankan pompa pada normal level, tanpa perlu bersusah payah menghitung NPSH.

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Penjelasan Kavitasi

Ini adalah bagian akhir dalam membaca kurva karakteristik pompa, yakni kita akan membahas mengenai peristiwa kavitasi. Jadi, apakah peristiwa kavitasi itu?

Kavitasi itu sendiri adalah lahirnya sebuah rongga yang berisi uap dalam fluida. Biasanya hal ini terjadi ketika ada sebuah gaya yang bekerja dalam fluida tersebut yang menyebabkan turunnya tekanan. Jika turunnya tekanan tersebut sangat tinggi dan mengalahkan tekanan uap jenuh fluida. Maka, akan ada kecenderungan untuk terbentuk gelembung.  

Sebelum menerangkan mengenai kavitasi, alangkah baiknya kita belajar terhadap kesetimbangan lewat ilustrasi berikut:

Air yang mendidih, gelembung uap

Sudah dikatakan diatas bahwa gelembung terbentuk jika tekanan uap jenuh fluida melebihi tekanan dalam sistem. Hal ini sama dengan fenomena air pada titik didihnya. Air dikatakan pada kondisi mendidih ketika tekanan uap air adalah sama/ melebihi tekanan atmosferik yang melawannya. Sehingga terbentuklah gelembung.

Tetapi ada dua perbedaan, antara gelembung yang disebabkan oleh air yang dididihkan dengan gelembung yang terjadi karena peristiwa kavitasi. Pada peristiwa air yang didihkan, gelembung memiliki tekanan yang sama dengan lingkungan. Energi yang berasal dari lingkungan membuat molekul memperoleh energi yang cukup kuat. Hal ini menyebabkan pecahnya aggregat fasa cair pada air tersebut. Peristiwa ini menjadikan terbentuknya gelembung yang berisi uap air. Cara mempercepat pembentukan gelembung ini bisa dengan dua macam cara, yakni dengan menambahkan jumlah energi panas atau dengan mengurangi tekanan lingkungan. Inilah mengapa, ketika kita di pegunungan, ketika memasak harus dalam waktu yang lama karena titik didihnya yang menurun akibat tekanan atmosfer yang turun.

Sedangkan, pada peristiwa kavitasi, gelembung yang terbentuk tidak memiliki tekanan. Hal ini akan dijelaskan lewat gambar dibawah

Gelembung terbentuk dalam peristiwa kavitasi

Diatas adalah sebuah contoh kavitasi dalam perpipaan. Kita bisa melihat, bahwa ada uap dalam pipa tersebut, seperti ditunjukkan oleh lingkaran kuning. Untuk mengetahui bagaimana hal tersebut bisa terjadi, kita merujuk pada hukum Bernoulli yakni, tekanan dalam fluida (energi potensial fluida) ditambah dengan kecepatan fluida (energy kinetic fluida) adalah selalu konstan. Jadi, jika tekanan naik, otomatis kecepatan fluida turun. Hukum Bernoulli ini merupakan akibat dari hukum kekekalan massa.

Untuk mempertahankan massa aliran agar tetap, kecepatan alir pada bagian pipa yang mengecil harus lebih cepat daripada pada bagian yang besar. Konsekuensinya, nilai tekanannya akan turun. Tekanan yang turun tersebut mengakibatkan gaya yang menahan agar fluida tetap dalam fasa cair menjadi teratasi. Akibatnya, terbentuklah gelembung. Berdasar penjelasan diatas, maka gelembung yang terbentuk tidak memiliki tekanan/ vakum. Jika kita melihat pada gambar, kita bisa mengetahui, bahwa kavitasi terjadi secara lokal pada tempat tertentu.

Apa dampak buruk adanya kavitasi?

Peristiwa terbentuknya gelembung ini bukanlah yang dikhawatirkan. Yang lebih berbahaya adalah meletusnya gelembung ini. Seperti dijelaskan, uap yang terbentuk pada peristiwa kavitasi adalah tidak bertekanan, sedangkan dalam sistem perpipaan sudah barang tentu fluida yang mengalir memiliki tekanan. Pada keadaan tertentu, ketika perbedaan pressure mengecil, maka gelembung akan meletus. Disini, sistem akan mendapat hantaman gelombang kejut, shockwave, yang bisa merusak material sistem tersebut.

Shockwave karena meletusnya gelembung kavitasi

Pada pompa, ada jenis dua kavitasi, yakni kavitasi suction dan kavitasi discharge. Dua hal ini akan dijelaskan pada edisi mendatang

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Friction

Friksi atau gaya gesek adalah sebuah gaya yang dtimbulkan apabila dua buah benda saling bersentuhan yang menyebabkan kehilangan energi. Mari kita lihat lagi kurva karakteristik pompa pada post sebelumnya, sperti dibawah ini:

Kurva karakteristik pompa

Jika kita lihat hubungan antara flowrate dengan head, kita akan menemukan ada tiga garis yang menyatakan hubungan antara dua variable tersebut. Yang membedakan adalah, bahwa dari ketiga garis tersebut menunjukkan hasil yang berbeda untuk diameter yang berbeda-beda.

Note: Diameter yang ditunjukkan kurva karakteristik adalah diameter impeller, bukan diameter pipa.

Dengan diameter 540 mm, dihasilkan total head tertinggi adalah 113 meter, untuk 573 mm, total head tertinggi adalah 126 m dan yang terakhir, pada diameter 584 mm dihasilkan head sekitar 130 m.

Dari data, kita tahu bahwa semakin besar diameter impeller akan menghasilkan jumlah total head yang semakin besar. Jika kita tarik garis horizontal untuk menghubungkan ketiga garis tersebut seperti gambar dibawah:

Perbandingan head dengan flowrate untuk diameter yang berbeda

Terlihat bahwa untuk total head yang sama, akan menghasilkan flowrate yang berbeda-beda. Dan, pompa dengan diameter terbesarlah yang menghasilkan flow rate paling tinggi.

Untuk selanjutnya, mari kita lihat tabel berikut untuk melihat pengaruh diameter sistem perpipaan dengan hilang tekan karena gaya gesek

Pembacaan friksi dalam psi untuk dua buah pipa yang berbeda

Diatas disajikan sebuah data untuk dua buah pipa sepanjang 100 feet berukuran 0.5 inch dan 1 inch. Sedikit menjelaskan cara eksperiment ini dilakukan. Kita mengalirkan fluida melalui sebuah pipa berukuran 100 feet. Dilakukan pemasangan pressure gauge di posisi 0 feet dan 100 feet, Perbedaan kedua pembacaan tersebut lalu dianggap sebagai kehilangan tekanan karena friksi.

Percobaan untuk mencari besarnya friksi yang dinyatakan dalam hilang tekanan

Beberapa hal yang bisa kita simpulkan dari data tersebut :

• Semakin tinggi flow, semakin tinggi kecepatan, semakin tinggi pula friksinya
• Untuk flow yang sama, pada diameter yang berbeda, akan memberikan friksi yang berbeda. Friksi yang lebih kecil didapatkan oleh diameter yang lebih kecil.

Mari kita telaah dulu dua pernyataan diatas. Data diatas sekilas seperti tidak masuk akal. Logikanya, jika kita perbesar flow, maka makin cepat kecepatan fluida. Semakin cepat, waktu tinggal dalam pipa akan semakin sedikit. Jika waktu tinggal fluida dalam pipa sedikit, logikanya kehilangan tekanan juga lebih sedikit karena waktu kontak fluida dengan dinding pipa semakin singkat. Namun, mengapa semakin cepat fluida, semakin tinggi pula kehilangan tekanan.

Untuk perbedaan diameter memang tidak ada masalah. Semakin kecil diameter, semakin kecil ruang yang harus ditempati oleh fluida. Maka semakin mudah fluida untuk kontak dengan dinding yang menyebabkan friksinya naik.

Bagaimana menjawab pernyataan yang bertolak-belakang seperti diatas?

Jika melihat dengan cermat, dalam data tersebut ada sebuah keunikan. Kita lihat pada diameter 0.5 inch, nilai friksi naik secara signifikan, sedangkan pada diameter 1 inch, nilai friksi naik secara sedikit demi sedikit seiring bertambahnya flowrate. Nah, ini berhubungan dengan pola aliran karena naiknya kecepatan alir.

Untuk membedakan pola alir ini biasanya dinyatakan secara matematis melalui bilangan reynold. Bilangan Reynold akan memberikan suatu pola alir yang disebut laminar, transisi atau turbulen pada range angka tertentu. Semakin tinggi kecepatan aliran, semakin tinggi bilangan Reynold dan akan membuat pola aliran semakin bersifat turbulen

Pola aliran dalam pipa

Coba lihat gambar dibawah untuk melihat perbedaan antara dua pola alir fluida tersebut. 

Diatas, sebagaimana kita ketahui adalah profil aliran dalam sebuah pipa. Kita bisa melihat bahwa untuk aliran turbulen kontak fluida dengan dinding cenderung lebih banyak jika dibandingkan dengan pola aliran laminar. Sebagaimana kita tahu, semakin banyak kontak, semakin besar friksi, yang menyebabkan semakin tingginya hilang tekanan pada fluida. Nah, inilah mengapa, semakin cepat fluida, malah membuat friksinya semakin naik. Hubungan kecepatan fluida dengan hilang tekanan bisa dilihat dalam grafik dibawah:

Grafik hubungan kecepatan alir dengan friksi

Nah, untuk aliran laminar jumlah kehilangan tekanan setara dengan kenaikan kecepatan alir. Sementara untuk aliran turbulen, jumlah kehilangan tekanan setara dengan kenaikan kecepatan alir pangkat 1.7 sampai 2.0.

                            

Dalam dunia industri, kita selalu berhadapan dengan aliran turbulen, jarang kita menggunakan aliran laminar. 

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Head Pompa

Meskipun telah beberapa kali kita membahas mengenai pompa dalam blog ini, masih banyak hal mendasar yang belum tercover dan belum disajikan secara lebih runtut. Oleh karena itu, saya memutuskan untuk memulai kembali pembahasan mengenai pompa.

Seringkali, kita melakukan suatu prosedur tanpa kita bisa menjelaskan atas dasar apa prosedur tersebut dilakukan. Pun, kaitannya dengan pompa. Pembahasan dalam blog ini akan lebih dititikberatkan pada penggunaan pompa sentrifugal. Alasannya sederhana, pompa sentrifugal sangat umum sekali digunakan. Pompa sentrifugal banyak digunakan pada bagian utilitas pabrik karena umumnya fluida yang ditransfer memiliki viskositas yang tidak tinggi, misalkan air.

Sebelum melangkah lebih lanjut, alangkah lebih baiknya membaca lagi post tentang pompa sentrifugal yang pernah saya tulis sebelumnya. Bisa dilihat disini.

Langsung saja, mari kita tengok kurva karakteristik pompa berikut :

Kurva karakteristik pompa

Diatas disajikan sebuah kurva karakteristik pompa fire water. Pompa ini, sesuai namanya, dipakai dalam keadaan darurat, yakni ketika terjadi kebakaran.

Kita lihat, pada bagian sebelah kiri menunjukkan kilowatts dan juga total head dalam meters. Kilowatts berarti menyatakan mengenai daya yang terpakai. Semakin tinggi load/beban kerja, tentu akan butuh tenaga lebih besar untuk menggerakkan pompa dalam putaran yang sama. Beban kerja dalam hal ini ditanyatakan dalam flow rate liquid yang ditransfer.

Secara rinci bisa dinyatakan : Flow rate naik menyebabkan Beban kerja naik sehingga Daya naik

Bagaimana bisa mendapatkan nilai flowrate yang berbeda-beda sehingga kurva karakteristik pompa tersebut bisa dibuat? Mudah saja, salah satunya dengan men-throttle discharge pompa.  Otomatis akan membatasi flow rate yang keluar.

Kemudian, apa itu total head yang dinyatakan dalam meter? Mari simak gambar berikut

Total head

Dari gambar diatas dapat kita ketahui, head adalah ukuran tinggi fluida. Total head (Ht) sendiri didefinisikan sebagai head discharge (hd) dikurangi dengan head suction (hs).

 Ht = hd – hs.

Disini, juga berlaku ketentuan, semakin tinggi head suction, maka akan semakin tinggi pula head discharge, dan sebaliknya. Ada kalanya, head juga dinyatakan dalam satuan tekanan. Hal ini dilakukan, jika kita sudah mengetahui fluida apa yang akan dipakai. Untuk fluida yang berbeda akan memberikan tekanan head yang berbeda-beda. Bagaimana total head, jika kita mengambil air dari sumur. Tentu saja, perhitungannya adalah sebagai berikut : Ht = hd – (-hs) = hd +hs.

Oke, lanjut ke persoalan kurva karakteristik. Kenapa total head semakin menurun ketika flow rate bertambah?

Flow and head

Jika kita memasang selang setinggi mungkin pada discharge pompa dan kemudian menyalakan pompa tersebut, akan sampai pada keadaan bahwa fluida hanya bisa mencapai tinggi tertentu, tanpa adanya aliran keluar. Nah, jika kita kurangi ketinggian selang, tentu saja fluida akan keluar. Semakin rendah, maka akan semakin banyak flow rate. Tentu saja kita masih ingat percobaan waktu SD dulu, seperti dibawah ini: 

Pressure vs Depth

Nah, bisa kita ibaratkan seperti gambar diatas. Semakin kebawah, akan semakin kuat jetnya. Dalam artian kecepatan fluida keluar. Sebagaimana kita tahu flowrate atau laju alir adalah kecepatan fluida (v) dikali dengan luas permukaan (A). Maka, jika kecepatan fluida naik menyebabkan flowrate juga naik.

Nah, sekarang kita sudah mengetahui hubungan antara daya dengan flowrate dan juga total head dengan flowrate. Hubungan antara flowrate dengan total head inilah yang menjadi bagian penting dalam ketentuan kita membeli suatu pompa. Dalam artian awam, berapa jauh lintasan fluida akan disalurkan dari tempat A ke tempat B (total head) dan berapa laju alir yang dibutuhkan untuk proses selanjutnya (flow rate). Maka dari itulah data karakteristik pompa dibutuhkan sebagai pertimbangan pemilihan pompa.