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