BAB I PENDAHULUAN
II.10. Permodelan dengan software EPANET 2.0
II.10.3. Model Jaringan EPANET
Komponen-komponen fisik
EPANET memodelkan sistem distibusi air sebagai kumpulan garis yang menghubungkan node-node. Garis tersebut menggambarkan pipa, pompa dan katub kontrol. Node menggambarkan sambungan, tangki, dan reservoir. Gambar 2.6
mengilustrsikan bagaimana node-node dan garis dapat dihubungkan satu dengan lainnya untuk membentuk jaringan, seperti terlihat pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 Hubungan Antar Komponen Fisik Dalam EPANET 2.0
Komponen-komponen fisik dalam pemodelan sistem distribusi air dengan EPANET antara lain :
1. Sambungan (junction)
Sambungan (junction) adalah titik pada jaringan dimana link-link bertemu dan dimana air memasuki atau meninggalkan jaringan. Input dasar yang dibutuhkan bagi sambungan (junction) adalah:
Elevasi pada semua referensi (biasanya rata-rata muka air laut)
Kebutuhan air
Kualitas air saat ini
Hasil komputasi buat sambungan (junction) pada seluruh periode waktu simulasi adalah :
Head Hidrolis ( energi internal per satuan berat dari fluida)
Tekanan (pressure)
Kualitas Air
Sambungan (junction) juga dapat :
Memiliki kategori kebutuhan air secara ganda
Memiliki harga kebutuhan negatif yang mengindikasikan air memasuki jaringan
Menjadi sumber kualitas air dimana terdapat kandungan yang memasuki jaringan
Memiliki lubang pengeluaran (atau sprinkler) yang menjadikan laju aliran bergantung kepada pressure.
Pada gambar 2.7 dapat dilihat tampilan dari input data pada software Epanet 2.0.
Gambar 2.9 Properties Editor untuk input data pada Junction 2. Reservoir
Reservoir adalah node yang menggambarkan sumber eksternal yang terus menerus mengalir ke jaringan. Digunakan untuk menggambarkan seperti danau, sungai, akuifer air tanah, dan koneksi dari sistem lain. Reservoar juga dijadikan titik sumber kualitas air.
dengan elevasi permukaan air jika bukan reservoar bertekanan) dan inisial kualitas air untuk analisa kualitas air. Karena sebuah reservoar adalah sebagai poin pembatas dalam jaringan, tekanan dan kualitas airnya tidak dapat dipengaruhi oleh apa yang terjadi di dalam jaringan. Namun tekanan dapat dibuat bervariasi terhadap waktu yang di tandai dengan pola.
Gambar 2.10 Properties editor untuk input data pada Reseervoir.
3. Tangki
Tangki membutuhkan node dengan data kapasitas, dimana volume air yang tersimpan dapat bervariasi berdasar waktu selama semulasi berlangsung. Input data yang dibutuhkan untuk node tank adalah :
Elevation, Ketinggian permukaan tanah pada titik node Tank berada.
Initial Level, Tinggi muka air pada tank pada saat awal simulasi dilakukan.
Minimum Level, Tinggi muka air minimum yang diizinkan untuk dapat digunakan pada simulasi.
Maximum Level, Tinggi muka air maksimum yang diizinkan untuk dapat digunakan pada simulasi.
Diameter, Diameter tangki untuk tangki yang berbentuk silindris. Untuk tangki yang berbentuk non silindris penyesuaian bentuk tangki dapat dilakukan dengan mengatur Minimum Volume, Volume Curve (dengan menetukan kurva hubungan volume air pada tank dengan ketinggian muka air)
Data lain yang dapat ditambahkan antara lain adalah :
1. Mixing model, menunujukkan tipe atau model pencampuran yang terjadi didalam tank. Model pencampuran yang dapat digunakan antara lain : fully mixed (Mixed), two compartment mixing (2COMP), first-in-first-out plug flow (FIFO), last-in-first-out plug flow (LIFO). Untuk pemodelan Dumai Camp Housing PT. CPI digunakan metode pemodelan Mixed.
2. Reaction Cefficient, merupakan koefisien reaksi untuk reaksi kimia di dalam tank. Satuan yang digunakan adalah l/hari. Nilai positif untuk reaksi pertumnuhan dan nilai negatif untuk reaksi pengurangan atau kehilangan.
3. Initial Quality dan Source Quality, merupakan input untuk memodelkan parameter kualitas air msalnya konsentrasi Chlorine. Adapun otput dari node tank adalah net inflow (debit netto aliran pada tank), elevation (tinggi muka air), pressure (tekanan hidrolik air) dan Quality (kualitas atau konsentrasi parameter air).
Gambar 2.11 Properties editor untuk input data pada tangki
4. Emitter
Emitter adalah junction untuk memodelkan aliran melalui nozzle atau orrifice yang ter-discharge ke atmosfer. Emitter biasa digunakan untuk memodelkan aliran melalui sistem sprinkler dan jaringan irigasi. Bisa juga digunakan untuk simulasi kebocoran pada pipa. Epanet membaca emitter sebagai property dari junction, bukan sebagai komponen jaringan tersendiri. 5. Pipes
Pipes atau pipa adalah link yang digunakan untuk mengalirkan air dari suatu node ke node yang lainnya pada suatu sistem jaringan perpipaan. Epanet akan mengasumsikan bahwa pipa akan selalu terisi penuh. Arah aliran adalah dari titik yang memiliki head hidrolik lebih besar menuju titik yang lebih kecil head hidroliknya. Input data utama yang perlu diisikan, adalah :
1) Start node, merupakan titik awal atau pangkal pipa. 2) End node, merupakan titik akhir pipa atau ujung pipa. 3) Length, merupakan panjang pipa dalam meter atau feet.
4) Diameter, merupakan diameter atau garis tengah pipa. Satuan yang digunakan adalah inchi atau milimeter.
5) Roughness, koefisien kekasaran pipa untuk menghitung head loss. Input data lain yang dapat ditambahkan sebagai pelengkap adalah : 1) Loss coefficient, koefisien untuk menghitung minor losses karena
perlengkapan pipa seperti valve, bends, elbow dan sebagainya.
2) Initial status, status alitan air dalam pipa. Misalnya : open (aliran dua arah), closed (tertutup), dan CV atau check valve (aliran satu arah). 3) Bulk and Wall Coefficient, koefisien reaksi yang terjadi dalam pipa.
Biasanya diterapkan untuk aliran yang memiliki parameter kualitas air, seperti konsentrasi Chlorine.
Data output dari junction pipa adalah : 1) Flow (debit aliran)
2) Velocity (kecepatan aliran)
3) Unit head loss (head loss aliran dalam pipa) 4) Friction facrot darcy-weisbach
5) Reaction rate
6) Quality, kualitas parameter didalam aliran seperti konsentrasi chlorine. 7) Status, status atau keadaan aliran dalam pipa.
Gambar 2.12 Properties editor untuk input data pada pipa
Kehilangan tekanan (head loss) akibat gesekan air dengan dinding pipa dapat dihitung menggunakan persamaan Hazen Williams, Darcy-Weisbach atau Chezzy-Manning. Formula Hazen-Williams banyak digunakan di Amerika Serikat. Persamaan ini dapat diterapkan untuk air dengan aliran turbulen. Secara teoritis, persamaan Darcy-Weisbach adalah yang teerbaik. Persamaan ini dapat diterapkan untuk cairan lain, selain air. Persamaan Chezzy-Manning banyak digunakan untuk aliran pada saluran terbuka.
Koefisien resistensi dan nilai eksponensial flow untuk masing-masing persamaan dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini :
Persamaan Chezzy-Manning 533 2 2 66 , 4 D LQ n HL Dimana :
HL = head loss dalam feet Q = debit aliran dalam cfs
L = panjang pipa dalam feet D = diameter pipa dalam feet n = koefisien kekasaran Manning.
Persamaan Darcy-Weisbach
Menurut Kodoatie, Robert J (2002), nilai Hf adalah:
g d Lv f Hf 2 2 Dimana :
Hf = head loss (satuan panjang) g = percepatan gravitasi
L = panjang pipa (satuan panjang) d = diameter pipa (satuan panjang)
v = kecepatan aliran (satuan panjang/satuan waktu) f = faktor gesekan (tanpa satuan)
Persamaan Hazen-Williams 871 , 4 852 , 1 852 , 1 727 , 4 D C LQ HL Dimana :
HL = headloss dalam feet Q = debit aliran dalam cfs L = panjang pipa dalam feet D = diameter pipa dalam feet
Setiap persamaan memiliki koefisien kekasaran masing-masing. Koefisien kekasaran untuk berbagai jenis pipa berdasarkan umur materialnya dapat dilihat dalam tabel berikut.
Tabel 2.4 Koefisien Kekasaran Untuk Berbagai Jenis Pipa.
Material Hazen-Williams C (unitless) Darcy-Weisbach e (milifeet) Manning‘s n (unitless) Cast iron 130-140 0.85 0.012-0.015
Concrete or concrete lined 120-140 1.0-10 0.012-0.017
Galvanized iron 120 0.5 0.015-0.017
Plastic 140-150 0.005 0.011-0.015
Steel 140-150 0.15 0.015-0.017
Vitrified clay 110 0.013-0.015
Sumber : Manual User Software EPANET 2.0
Minor Losses
Minor Head Losses, disebut juga local losses, atau dalam EPANET 2.0 sebagai loss coefficient, disebabkan oleh kehilangan tekanan pada pipa karena perlengkapan perpipaan seperti belokan-belokan, valve dan berbagai fitting lainnya. EPANET 2.0 akan menghitung minor losses dengan cara menambahkan data koefisien minor losses pada pipa. Minor losses sebanding dengan kecepatan air yang melewati pipa atau valve (V2/2g). Nilai koefisien minor losses untuk beberapa tipe fitting EPANET 2.0 dapat dilihat dalam tabel 2.5 berikut :
Tabel 2.5 Nilai koefisien minor losses untuk beberapa tipe fitting EPANET 2.0
Fitting Loss Coefficient
Globe vale, fully open 10
Angle valve, fully open 5
Swing check valve, fully open 2.5
Gate valve, fully open 0.2
Short radius elbow 0.9
Medium radius elbow 0.8
Long radius elbow 0.6
45 degree elbow 0.4
Closed return elbow 2.2
Standard tee – flow through run 0.6 Standard tee – flow through branch 1.8
Square entrance 0.5
Exit 1
Sumber : Manual User Software EPANET 2.0 6. Pumps
Pumps atau Pompa adalah link yang memberi tenaga ke fluida untuk menaikkan head hidrolisnya. Input parameternya adalah node awal dan akhir, dan kurva pompa (kombinasi dari head dan aliran dimana pompa harus memproduksinya). Sebagai pengganti kurva pompa, pompa dapat direpresentasikan sebagai pompa yang memiliki energi konstan, mensuplai konstan energi (horsepower atau kilowatt) kepada fluida untuk seluruh kombinasi dari aliran dan head.
Parameter output yang prinsip adalah aliran dan pencapaian head. Aliran melalui pompa adalah langsung dan EPANET tidak akan membolehkan pompa untuk beroperasi diluar range dari kurva pompa.
Gambar 2.13 Properties editor untuk input data pada pompa
Pompa dengan kecepatan variabel dapat juga mengikuti pengaturan kecepatan, dan dapat diubah pada kondisi yang sama. Didefinisikan kurva pompa asli pengaturan kecepatan relatif adalah 1. Jika kecepatan pompa ganda, pengaturannya haruslah 2; jika berjalan dengan kecepatan setengahnya, pengaturan relatif adalah 0,5 dan begitulah seterusnya. Mengubah kecepatan pompa dan posisi serta bentuk dari pompa kurva (lihat bagian dari Pump Curve dibawah) Seprti halnya pipa, pompa dapat diatur hidup dan mati dalam
pengaturan waktu atau dalam kondisi yang pasti muncul dalam jaringan. Operasional pompa dapat juga dijelaskan dengan menetapkannya dalam pola waktu atau relatif terhadap pengaturan kecepatan. EPANET dapat juga menghitung konsumsi energi dan biaya pompa. Setiap pompa dapat ditetapkan dengan kurva efisiensi dan skedul harga energi. Jika tidak disuplai, maka pengaturan energi global dapat digunakan.
Aliran melalui pompa adalah tidak langsung. Jika pengkondisian sistem membutuhkan lebih banyak head daripada yang dihasilkan pompa, EPANET mematikan pompa. Jika kebutuhannya melebihi meksimum aliran, EPANET mengekstarpolasi kurva pompa kepada aliran yang dibutuhkan, jika tidak akan menghasilkan head negatif. Dalam kedua kasus pesan peringatan akan muncul.
7. Valves
Valve adalah link yang membatasi pressure atau flow pada nilai tertentu dalam sebuah jaringan. Input yang penting dimasukka adalah :
1) Start dan End node, untuk menentukan orientasi arah aliran air dalam pipa.
2) Diameter valve 3) Tipe valve 4) Setting valve
Input lainnya adalah loss coefficient. Output link valve adalah flow rate, velocity, headloss, quality dan status link.
Berbagai tipe link valve dalam EPANET 2.0 adalah : 1) Pressure Reducing Valve (PRV)
2) Pressure Sustaining Valve (PSV) 3) Pressure Breaker Valve (PBV) 4) Flow Control Valve (FCV) 5) Throttle Control Valve (TCV) 6) General Purpose Valve (GPV)
PSV dan PRV digunakan untuk membatasi pressure hingga nilai tertentu dalam suatu jaringan pipa. EPANET mengatur PRV dan PSV pada tiga kondisi yang berbeda, yaitu : terbuka sebagian, terbuka seluruhnya dan tertutup. PBV menentukan pressure loss tertentu yang melalui valve. Aliran yang melalui valve bisa dua arah. PBV dapat digunakan untuk simulasi jaringan distribusi, dimana penurunan yang terjadi diketahui. FCV akan membatasi flow yang lewat pada link. EPANET 2.0 akan memberikan warning message apabila flow yang terjadi tidak dapat dipertahankan tanpa menambah head pada valve.
TCV mensimulasikan valve yang tertutup sebagian dengan menyesuaikan minor headloss pada valve. Hubungan antara derajat tutupan valve dengan koefisien headloss yang terjadi dapat diperoleh dari produsen pembuat valve. GPV mewakili link dimana pola hubungan flow dengan headloss yang terjadi tidak mengikuti formula standar. Biasa digunakan untuk memodelkan turbin atau sumur draw down.
Shut off valve atau gate valve dan non-return valve atau check valve bukan merupakan bagian dari link valve tersendiri, melainkan merupakan property dari pipa. Untuk gate valve dapat diatur dengan menentukan loss coefficient-nya.
Komponen-komponen non-fisik
EPANET 2.0 memiliki 3 objek informasi yang menggambarkan aspek operasional dari sistem distribusi, yaitu : Pattern, Curve dan Control.
1) Pattern
Pattern adalah gabungan dari beberapa pola faktor pengali yang dapat berubah terhadap waktu. Demand tiap node, head reservoir dan jadwal operasi pompa dapat memiliki time pattern yang diatur khusus untuk masing-masing komponen fisik. Interval waktu pada pattern merupakan variabel utama yang dapat diset pada time option dalam project. Misalnya, demand pada sebuah node rata-rata 10 GPM, asumsikan interval time pattern diset 4 jam, dan faktor pengali utnuk demand pada node sebagai berikut :
Tabel 2.6 Penggunaan Pattern Demand pada EPANET 2.0
Period 1 2 3 4 5 6
multiplier 0.5 0.8 1 1.2 0.9 0.7
Sumber : Manual User Software EPANET 2.0
Berarti actual demand selama simulasi adalah sebagai berikut : Tabel 2.7 Demand Pattern Pada EPANET 2.0
Hour 0-4 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24 24-28
Demand 5 8 10 12 9 7 5
Sumber : Manual User Software EPANET 2.0 2) Curve
Curve adalah obyek yang mengandung rangkaian data yang menjelaskan tentang hubungan antara dua besaran. Dua atau lebih obyek dapat
digabungkan dalam sebuah kurva. Model EPANET dapat menyediakan tipe kurva sebagai berikut:
1. Pump Curve 2. Efficiency Curve 3. Volume Curve 4. Headloss Curve
Pump Curve
Kurva Pompa mejelaskan hubungan antara head dan laju aliran yang dapat dialirkan oleh pompa pada pengaturan kecepatan nominal. Head adalah head yang diperoleh air dari pompa dan digambarkan pada sumbu vertikal (Y) dengan satuan feet (meter) Laju Aliran digambarkan pada sumbe Horizontal (X) dalam unit debit. Kurva pompa yang valid harus memiliki head yang berkurang dalam pertambahan aliran.
EPANET akan menggunakan bentuk yang berbeda dari kurva pompa, bergantung pada jumlah poin yang dilayani
Single Point Curve, Sebuah kurva pompa dengan point tunggal didefinisikan dengan kombinasi head-flow tunggal yang menjelaskan titik operasi pompa yang diharapkan. EPANET menambah dua lagi point pada kurva dengan mengasumsikan head mati pada aliran nol sebanding dengan 133 % dari head desain dan aliran maksimum pada head nol sebanding dengan dua kali flow design. Hal itu menyebabkan muncul kurva dengan tiga titik.
Gambar 2.14 Berbagai Jenis Bentuk Kurva Pompa yang Ada Dalam EPANET 2.0
a. Three Point Curve, terbentuk dari tiga titik operasi, yaitu :
1. Low Flow, merupakan titik pasangan flow dan head pada kondisi flow terendah atau nol.
2. Design Flow, merupakan titik pasangan flow dan head pada kondisi pengoperasian yang diinginkan.
3. Maximum Flow, merupakan titik pasangan flow dan head pada kondisi flow maksimum.
EPANET 2.0 akan menghubungkan ketiga titik tersebut sehingga didapatkan sebuah fungsi kurva pompa.
b. Multi Point Curve, terbentuk dari titik-titik pasangan nilai head dan flow. EPANET 2.0 membentuk kurva yang lengkap dengan menghubungkan titik- titik tersebut menggunakan garis lurus.
c. Headloss Curve, digunakan untuk menggambarkan hubungan headloss (sumbu Y dalam feet atau m) melalui sebuah General Purpose Valve (GPV) sebagai fungsi dari flow rate (sumbu X). Kurva ini memiliki kemampuan untuk memodelkan situasi dan hubungan antara headloss dan flow. Kurva ini digunakan apabila hubungan antara headloss dan flow merupakan hubungan
yang unik dan khusus, seperti pada GPV, reduced flow prevention valves, turbin, dan sumur draw down.
d. Efficiency Curve, atau kurva efisiensi menggambarkan efisiensi pompa sebagai fungsi dari flow rate pompa. Kurva ini digunakan untuk menghitung energi yang dikeluarkan oleh pompa. Apabila kurva ini tidak disuplai, maka digunakan efisiensi global pompa.
Gambar 2.15 Efficiency Curve pada Software EPANET 2.0
e. Volume Curve, menggambarkan bagaimana hubungan volume tangki penyimpanan (sumbu Y dalam feet3 atau m3) yang berubah sebagai fungsi dari tinggi muka air (sumbu X dalam feet atau m). Kurva ini digunakan
apabila tangki memiliki bentuk nonsilindris. Volume tangki berubah sesuai dengan ketinggian muka air. Tampilan volume tangki dapat dilihat dalam gambar
3) Control
Control adalah pernyataan yang menggambarkan bagaimana kontrol jaringan beroperasi sepanjang waktu. Kontrol men-spesifikasikan status link- link tertentu sebagai fungsi dari waktu, level air pada tangki atau tekanan pada point-point tertentu. Terdapat 2 kategori kontrol yang dapat digunakan yaitu :
1. Simple Control 2. Rule Based Control 1. Simple Control
Simple Control merubah status atau setting dari link berdasarkan : 1. Level air pada tangki
2. Tekanan pada junction 3. Waktu pada saat simulasi
Beberapa pernyataan dalam simple control menggunakan tiga format berikut : LINK linkID status IF NODE nodeID ABOVE/BELOW value
LINK linkID status AT TIME time
LINK linkID status AT CLOCKTIME clocktime AM/PM Dengan :
LinkID = a link ID label
Status = open or closed, a pump speed setting, or a control valve setting
value = a pressure for a junction or a water level for a tank
time = a time since the start of the simulation in decimal hours or hours:minutes
clocktime = a 24-hour clock time.
Tidak ada batasan jumlah perintah control simulasi simple control ini. Note :
1) Level Control adalah ketinggian air dari dasar tangki, bukan elevasi (total head) dari permukaan air.
2) Penggunaan pressure control untuk membuka dan menutup link secara bersamaan dapat mengakibatkan sistem menjadi tidak stabil. Disarankan untuk menggunakan rule based control untuk mempertahankan stabilitas sistem.
2. Rule Based Control
Rule Based Control memungkinkan status link dan setting berada pada kondisi terkombinasi yang sering dijumpai dalam sistem.
Contoh 1 :
Pengaturan berikut adalah aturan untuk mematikan pompa dan membuka pipa by-pass ketika level pada tangki melebihi nilai dan akan berlaku sebaliknya ketika level diabawah nilai yang lain
RULE 1
IF TANK 1 LEVEL ABOVE 19.1
THEN PUMP 335 STATUS IS CLOSED AND PIPE 330 STATUS IS OPEN RULE 2
IF TANK 1 LEVEL BELOW 17.1 THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN AND PIPE 330 STATUS IS CLOSED
Model Simulasi Hidrolik
Model simulasi hidrolik EPANET 2.0 akan menghitung head pada junction dan flow dalam link pada level reservoir, tangki dan water demand yang telah ditentukan selama periode waktu tertentu. Setiap waktunya level air dalam reservoir dan water demand diperbaharui sesuai dengan adanya time patern. Head dan flow pada setiap waktu merupakan hasil perhitungan dari persamaan aliran untuk setiap junction. Proses ini dikenal sebagai ―Hydraulic Balancing‖ jaringan menggunakan teknik iterasi. Untuk memecahkan persamaan nonlinear, EPANET 2.0 menggunakan ―Gradient Algorithm‖.