PERANCANGAN DAN ANALISA SISTEM PENAHAN BLADE DAMPER PLTGU DI PT INDONESIA POWER UP SEMARANG MENGGUNAKAN SOFTWARE AUTODESK
INVENTOR PROFESSIONAL 2015
(Design And Analysis of Blade Damper Retaining System PLTGU in PT Indonesia Power UP Semarang Using Software Autodesk Inventor Professional 2015)
Ahmad Kenedi1,a , Berli Paripurna Kamiel1,b, Sunardi1,c
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, Teknik Mesin, Yogyakarta 55183, Indonesia [email protected]
INTISARI
Diverter damper pada PLTGU berfungsi mengatur aliran gas sisa pembakaran dari GTG menuju HRSG dengan sistem open cycle (gas sisa pembakaran langsung dibuang ke lingkungan) dan combine cycle (gas sisa pembakaran masuk ke dalam HRSG). Ketika combine cycle, posisi dari blade damper membuka secara penuh dan menyebabkan tegangan maksimum pada sistem mekanis sebesar 238.7 MPa dengan faktor keamanan 1.01 berdasarkan hasil simulasi menggunakan software Autodesk Inventor Professional 2015. Dari hasil simulasi menunjukkan tegangan yang besar sehingga perlu adanya sistem yang berfungsi menahan blade damper ketika proses combine cycle.
Tegangan yang terjadi pada sistem mekanis dapat dikurangi dengan adanya support blade damper dari sisi lain. Pada perancangan ini terdapat beberapa komponen utama seperti: middle shaft, side shaft, connecting rod, key, actuator, arm torque, dan frame. Proses perancangan dilakukan dengan mendesain komponen satu persatu kemudian digabungkan (assembly) dan terakhir dianalisa menggunakan software Autodesk Inventor Professional 2015.
Hasil perancangan dan simulasi diperoleh tegangan pada arm torque ketika kondisi 1 sebesar 238.7 MPa dan kondisi 2 sebesar 20.58 MPa, mengalami penurunan sebesar 91.4%. Dari hasil tersebut menunjukkan bahwa penambahan sistem penahan blade damper menyebabkan penurunan tegangan pada komponen mekanis yang signifikan.
Kata Kunci : Diverter damper, Blade damper, tegangan, sistem penahan, Autodesk Inventor Professional 2015.
PENDAHULUAN
PT Indonesia Power UP Semarang merupakan salah satu pusat listrik tenaga gas dan uap yang biasa disebut PLTGU. Dalam sistem operasionalnya didukung oleh berbagai subkomponen seperti GTG (Gas Turbine Generator), STG (Steam Turbine Generator), cerobong asap (Stack), HRSG (Heat Recovery Steam Generator), dan diverter damper. Diverter damper berfungsi untuk mengatur sistem combine cycle dan open cycle pada unit PLTGU. Combine cycle adalah proses pemanfaatan gas hasil pembakaran pada GTG yang disalurkan ke
dalam HRSG. Gas tersebut berfungsi memanaskan air menjadi uap panas yang digunakan untuk memutar STG. Pada diverter damper terdiri dari dua sistem utama yaitu sistem mekanis dan sistem hidrolik.
Blade damper merupakan salah satu sistem mekanis pada diverter damper yang berfungsi mengatur aliran gas dari GTG menuju HRSG. Bobot dari blade damper kurang lebih 3.5 sampai 5 ton sehingga menggunakan sistem hidrolik untuk mengoperasikannya. Komponen utama pada sistem hidrolik terdiri dari pompa, relief valve, actuator, blader, dan komponen
pendukung yang lain. Cara kerja dari sistem hidrolik dengan memompa oli dari reservoir melalui hydraulic pump kemudian masuk ke hydraulic control system dan terakhir menuju actuator.
Pada bulan Oktober 2016, telah dilakukan pengamatan di PT Indonesia Power UP Semarang selama satu bulan. Pada diverter damper yang ada di PLTGU tidak terdapat sistem penahan untuk blade damper ketika full open (combined cycle). Tanpa adanya penahan blade damper menyebabkan momen puntir dan tegangan yang besar terjadi pada poros, serta komponen dari sistem mekanis yang lain seperti key, actuator, dan arm torque. Actuator menerima beban aksial akibat momen puntir yang terjadi pada poros blade damper. Pada actuator memiliki beberapa komponen salah satunya seal yang berfungsi sebagai perapat dan merupakan komponen yang sering mengalami kerusakan. Kerusakan pada seal sering terjadi yang disebabkan oleh temperatur kerja yang tinggi serta menahan beban akibat bobot dari blade damper. Untuk mengurangi momen puntir dan tegangan pada sistem mekanis serta meminimalisir kerusakan seal perlu dilakukan perancangan sistem penahan blade damper.
Dari uraian di atas penulis akan merancang sistem penahan blade damper yang bertujuan untuk mengurangi tegangan dan momen puntir pada sistem mekanis diverter damper. Pada perancangan ini penulis menggunakan software Autodesk Inventor Professional 2015 (AIP 2015) serta menganalisis tegangan, regangan, dan faktor keamanan pada sistem penahan blade damper.
DASAR TEORI
Diverter damper adalah salah satu komponen PLTGU yang berfungsi mengatur besarnya flow (debit) sisa gas pembakaran dari GTG masuk ke dalam HRSG. Gambar
2.1 menunjukkan letak dari diverter damper yang ditandai dengan warna hujau dan blade ditandai dengan warna merah.
Gambar 2.1 Letak diverter damper Gambar 2.2 menunjukkan komponen sistem mekanis diverter damper.
Gambar 2.2 Komponen diverter damper Pada perancangan ini, Simulasi dan analisa dilakukan ketika blade pada posisi full open (combine cycle) sehingga tidak menghitung gaya yang disebabkan oleh gas sisa pembakaran. Gambar 2.3 menunjukkan posisi dari blade damper ketika closed dan open.
Gambar 2.3 Posisi blade damper, (a) Closed (Open cycle), (b) Open (Combine
cycle)
METODE PERANCANGAN
2.1 Diagram alir perancangan dan analisa sistem penahan blade damper
Gambar 3.1 menunjukkan diagram alir proses perancangan sistem penahan blade damper. Perancangan dan analisa dilakukan dengan 2 kondisi yaitu: kondisi saat ini (Kondisi 1) dan kondisi setelah perancangan (Kondisi 2).
Gambar 3.1 Diagrama alir perancangan sistem penahan blade damper
2.2 Diagram alir analisa tegangan komponen diverter damper (kondisi 1) Gambar 3.2 menunjukkan diagram alir analisa komponen mekanis diverter damper pada sekarang (kondisi 1).
Gambar 3.2 Diagram alir analisa komponen diverter damper
2.3 Diagram alir perancangan dan analisa tegangan sistem penahan blade damper Gambar 3.3 adalah diagram alir perancangan sistem penahan blade damper.
R adalah Simbol untuk komponen sistem penahan blade damper yang memiliki nama sama dengan sistem mekanis diverter damper yang sudah ada.
Gambar 3.3 Diagram alir perancangan sistem penahan blade damper
HASIL DAN ANALISA
Simulasi dilakukan pada kondisi 1 dan kondisi 2. Kondisi 1 adalah kondisi diverter damper tanpa sistem penahan blade dammper, dan kondisi 2 adalah kondisi setelah dilakukan perancangan ulang.
4.1 Analisa sistem mekanis diverter damper kondisi 1
4.1.1 Blade damper
Pada gambar 4.1 menunjukkan konstruksi dari blade damper.
Gambar 4.1 Komponen blade damper 1. Blade
Gambar 4.2 menunjukkan hasil analisa tegangan pada blade. Tegangan yang terjadi tidak merata akibat adanya sudut geser pada shaft yang ditunjukkan pada gambar 4.5.
Gambar 4.2 Hasil analisa tegangan pada blade
2. Key 1 dan key 2
Gambar 4.3 adalah analisa pada key 1 dan key 2. Tegangan yang terjadi tidak rata akibat perbedaan sudut puntir (displacement) shaft.
(a) (b)
Gambar 4.3. Hasil simulasi tegangan, (a).
key 1, (b). key 2
3. Shaft
Gambar 4.4 menunjukkan hasil simulasi pada shaft. Tegangan terjadi pada bagian pinggir akibat menerima beban terlebih dahulu akibat terjadi sudut puntir.
Gambar 4.4 Hasil simulasi tegangan pada shaft
Gambar 11 menunjukkan perbedaan displacement pada shaft akibat momen puntir yang terjadi.
Gambar 4.5 hasil simulasi displacement pada shaft
4.1.2 Arm Torque
Gambar 4.6 menunjukkan hasil simulasi tegangan pada arm torque. Tegangan terjadi pada bagian pinggir akibat perbedaan sudut puntir pada shaft.
Gambar 4.6. Simulasi tegangan pada arm torque
4.2 Tabel hasil analisa komponen sistem mekanis diverter damper
Nilai tegangan maksimum 238.7 MPa
dengan faktor keamanan 1.01 terjadi pada arm torque. Hal ini disebabkan oleh konsentrasi tegangan dan beban tidak merata akibat sudut puntir yang terjadi pada poros blade damper. Arm torque menggunakan material SS 321 dengan tegangan luluh sebesar 241 MPa, sehingga tegangan yang terjadi 99 % dari tegangan ijinnya.
Tabel 4.1 Tabel hasil simulasi komponen diverter damper kondisi 1
Component Materials Yield (MPa)
Stress
(MPa) SF
Blade SS 321 241 144.4 1.67
Key 1 SS 347 345 236.5 1.46
Shaft SS 347 345 110.6 3.12
BD Bearing AISI 440C 420 35.51 11.83
Key 2 SS 347 345 236.9 1.46
Arm Torque SS 321 241 238.7 1.01
Act Plunger Ductile
Iron 517 56.02 9.23
Act Cylindr AISI 1025 370 57.6 6.43
Act Pin SS 321 241 98.53 2.45
Act Bearing AISI 440C 420 185.3 2.27 Frame Mild Steel 220 70.66 3.11
Keterangan:
BD = Blade Damper, Act = Actuator
4.3 Perancangan komponen sistem penahan blade damper
Gambar 4.7 adalah hasil perancangan sistem penahan blade damper setelah di- assembly.
Gambar 4.7 Hasil perancangan sistem penahan blade damper
Komponen dari sistem penahan blade damper ditunjukkan pada gambar 4.8 di bawah ini.
Gambar 4.8 Desain middle shaft
Gambar 4.9 Desain shaft
Gambar 4.10 Desain key 1 R dan key 2 R (JIS B 1301)
Gambar 4.11 Desain middle shaft, side shaft, dan key
Gambar 4.12 Desain arm torque Tabel 4.2 Dimensi actuator R yang ada di pasaran (Aggressive Hydraulics, 2017)
Actuator R memiliki ukuran seperti ditunjukkan pada gambar 4.13.
Gambar 4.13 Gambar teknik actuator R (Aggressive Hydraulics, 2017)
Pada gambar 4.14 menunjukkan komponen dari actuator R. Spesifikasi Actuator R tipe 900 SERIES panjang stroke maksimum 46 inch (1168 mm).
Gambar 4.14 Komponen actuator R
Gambar 4.15 dan 4.16 adalah desain frame R pada sisi kanan dan kiri.
Gambar 4.15 Desain right frame R
Gambar 4.16 Desain left frame R Gambar 4.17 adalah desain dari connecting rod. Terdiri dari 2 komponen utama yaitu crank dan rod end. Dimensi Rod end mengacu pada tersedia di pasaran (IJK bearing, 2017).
Gambar 4.17 Desain connecting rod Gambar 4.18 adalah desain dari blade bracket dengan baut M36x4. Blade bracket
dipasang pada blade damper seperti ditunjukkan pada gambar 4.19.
Gambar 4.18 Desain blade bracket
Gambar 4.19 Posisi blade bracket Gambar 4.20 adalah desain dari penahan shaft bearing menggunakan journal bearing seri GE240XT_X (IJK bearing, 2017).
Gambar 4.20 Komponen penahan shaft bearing
4.4 Analisa sistem penahan blade damper Analisa dilakukan pada kondisi blade damper posisi full open, diperoleh tegangan maksimum pada bagian actuator bearing.
Hal ini disebabkan oleh konsentrasi tegangan seperti ditunjukkan gambar 4.21.
Gambar 4.22 Hasil simulasi tegangan pada actuator bearing
4.5 Menghitung Tegangan Pada Baut Blade Damper
Beban pada sistem penahan blade damper diasumsikan 2500 Kg dengan jumlah baut 8 buah seri ISO M36X4 menggunakan material mild steel. At (Luas Area Tegangan), n (Jumlah Baut), σ (Tegangan Normal).
Diketahui:
F = 2500 Kg * 9.81 m/s2 =24,525 N At = 816.72 mm2 (Zainuri, 2010) n = 8
Ditanya: σ pada masing-masing baut?
Dijawab:
σ pada masing-masing baut
𝜎 = 𝐹
𝑛 ∗ 𝐴𝑡
= 24528 𝑁
8 ∗ 816.72 𝑚𝑚2
= 3.75 𝑀𝑝𝑎
4.6 Tabel Hasil Analisa Sistem Penahan Blade Damper
Analisa yang telah dilakukan pada sistem penahan blade damper diperoleh seperti pada tabel 4.3.
Tabel 4.3 Hasil Analisa pada komponen sistem penahan blade damper
Component Materials
Yield Strength
(MPa)
Stress (MPa)
Safety Factor
Middle Shaft SS 321 241 29.39 8.21 Side Shaft SS 347 345 39.48 6.1 Shaft Bearing AISI 440C 420 72.85 5.76
Key 1 R SS 347 345 101.3 3.41
Arm Torque SS 321 241 127.5 1.82
Key 2 R SS 347 345 123.2 2.8
Act Plunger R Ductile
Iron 517 31.92 16.2
Act Cylinder R AISI 1025 370 32.33 12.9 Act Pin R SS 321 241 74.15 3.25
Act Bearing R
52100 Chrome
Steel
2034 148.8 13.67
Frame R Mild Steel 220 45.91 4.79 Connecting rod SS 321 241 11.07 38.4
Rod End Pin SS 347 345 16.15 21.36 Blade Bracket SS 321 241 8.105 29.73
Keterangan:
Act = Actuator
Dari tabel 4.3 di atas diketahui bahwa tegangan yang terjadi masih di bawah tegangan luluhnya, sehingga desain tersebut aman.
4.7 Tabel Hasil Analisa Sistem Penahan Blade Damper Kondisi 1 dan Kondisi 2 Simulasi yang dilakukan pada sistem penahan blade damper dilakukan sebanyak 2 kali. Simulasi pertama tanpa sistem penahan blade damper (kondisi 1) dan simulasi kedua setelah dilakukan perancangan ulang
(kondisi 2). Pada tabel 4.4 adalah hasil perbandingan hasil simulasi pada sistem mekanis kondisi 1 dan kondisi 2
Tabel 4.4 Hasil simulasi sistem mekanis diverter damper kondisi 1 dan kondisi 2
Nama
Komponen Material
Tegangan Luluh (MPa)
Kondisi 1
Kondisi 2
Blade SS321 241 144.4 3.03
Key 1 SS347 345 236.5 35.27
Shaft SS347 345 110.6 12.82
BD Bearing AISI
440C 420 35.51 11.37
Key 2 SS347 345 236.9 37.6
Arm Torque SS321 241 238.7 20.58 Act Plunger Ductile
Iron 517 56.02 5.53
Act Cylinde AISI
1025 370 57.6 8.826
Act Pin SS321 241 98.53 15.1
Act Bearing AISI
440C 420 185.3 35.18
Frame Mild
Steel 220 70.66 11.34
Keterangan:
BD = Blade Damper, Act = Actuator KESIMPULAN
Berdasarkan hasil simulasi bahwa tegangan maksimum pada komponen mekanis diverter damper saat kondisi 1 sebesar 238.7 MPa terjadi pada komponen arm torque. Setelah dilakukan perancangan ulang (kondisi 2) tegangan yang terjadi sebesar 20.58 MPa, sehingga dapat disimpulkan bahwa penambahan sistem penahan blade damper mengurangi tegangan pada komponen mekanis diverter damper dengan persentase penurunan tegangan sebesar 91.4%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih disampaikan kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan perancangan dan analisa sistem penahan blade damper.
DAFTAR PUSTAKA
Aggressive Hydraulics. 2017. 900 series cylinder. Diakses pada tanggal 12 April
2017, dari
http://www.aggressivehydraulics.com/
products/standard-cylinders/900- series-cylinders/ . Pada pukul 10.56.
Ashby, Michael F and David R H Jones.
1996. Engineering Materials 1 An Introduction To Their Properties &
Application. 2nd ed. England:
Department of Engineering,University of Cambridge. 86.
Handayanu. 2006. Metode Elemen Hingga.
Surabaya: Fakultas Teknik Kelautaan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, (hal.8-18).
Popov, Egor.P.1984. Mekanika Teknik. Edisi kedua.Diterjemahkan oleh: Zainul Astamar Tanisan. Jakarta: Erlangga.
Wirawan dan Pramono. Bahan Ajar Pneumatik-Hidrolik. Semarang:
Universitas Negeri Semarang
Ma’arif, Faqih. 2012. E-learning Mekanika Teknik 01. Yogyakarta: Universitas Negeri Yogyakarta.
Zainuri, Achmad. 2010. Elemen Mesin I.
Mataram: Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mataram.
IJK Bearing. 2017. Spherical Plain Bearing.
Diakses pada tanggal 12 April 2017, dari
http://www.astbearings.com/catalog.ht ml?page=product&id=GE240XT_X.
Pada pukul 11.28.
5.1 Tegangan maksimum terjadi pada arm torque saat kondisi 1 sebesar 238.7 MPa
dengan material SS 321dan memiliki tegangan luluh 241 MPa, atau sebesar 99% terhadap tegangan luluh.
5.2 Perancangan sistem penahan blade damper yang telah dilakukan bahwa terdapat beberapa komponen yang tidak mengacu dengan ketersediaan di pasaran seperti: shaft R, middle shaft, frame R, arm torque R, connecting rod (crank), bracket. Untuk komponen lain seperti actuator R, key R, rod end, dan bearing R penulis mengacu terhadap ketersediaan di pasaran.
