BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 PENDAHULUAN
Metode penelitian merupakan cara atau prosedur yang berisi tahapan-tahapan yang jelas yang disusun secara sistematis dalam proses penelitian. Tiap tahapan maupun bagian itu menentukan tahapan selanjutnya sehingga harus dilalui dengan teliti.
Bab Metode Penelitian ini adalah seperangkat metode yang bersifat sistematis dan terorganisasi untuk menginvestigasi mengenai fenomena aliran uap pada nozzle tip sampling probe yang digunakan oleh tim geokimia (geochemistry) Departemen Asset Development – Earth Science pada lapangan Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) Darajat, khususnya pada sumur produksi energi panas bumi ini. Dengan demikian, fungsi dari metode penelitian ini adalah untuk memberikan informasi menyeluruh, konsisten, dan akurat tentang prosedur penelitian agar penulis mampu melaksanakan penelitian dengan baik serta melalui metode yang tepat untuk menganalisis data.
Dalam melakukan penelitian, beberapa tahapan yang dilakukan antara lain: identifikasi masalah yaitu mendeskripsikan rencana pelaksanaan dan hal yang perlu dipersiapkan, pengumpulan data yaitu skema bagaimana data akan diperoleh (temperatur dan tekanan), pembuatan geometri yaitu gambar 2D dan 3D model nozzle tip sampling probe menggunakan perangkat lunak Solidworks Premium 2013, proses simulasi dengan memasukan parameter dari data yang diperoleh pada model nozzle tip dengan menggunakan perangkat lunak Solidworks Flow Simulation 2013, analisis yaitu hasil interpretasi hingga pembuatan laporan. Adapun urutan dari tiap tahapan atau langkah-langkah tersebut dapat ditunjukkan pada Diagram Alir (flowchart) Gambar 3.1.
F
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian simulasi CFD untuk nozzle tip
Mulai
Pengumpulan data
Pembuatan geometri untuk jalur pipa dan nozzle tip sampling probe Pendefinisian bidang batas pada geometri
Simulasi CFD Solidworks flow simulation: jalur pipa sederhana
Pengolahan data hasil simulasi/ interpretasi
Selesai
Analisa Hasil dan Pembahasan
Tidak
Simulasi CFD Solidworks flow simulation: jalur pipa yang belok 90ᵒ (elbow) Simulasi CFD Solidworks flow simulation: jalur pipa dengan hambatan
block/solid tube Penyusunan Laporan Ya Identifikasi Masalah Persiapan Simulasi CFD Solidworks flow
simulation: jalur pipa dengan hambatan
3.2 TAHAPAN DALAM PENELITIAN SIMULASI CFD 3.2.1 Identifikasi Masalah
Identifikasi masalah dalam Tugas Akhir ini dilakukan melalui beberapa langkah diantaranya observasi yaitu dengan melakukan pengamatan, eksperimen di lapangan dan pengumpulan informasi mengenai jalur aliran fluida panas bumi yaitu uap yang ditransmisikan dari kepala sumur (wellhead) menuju ke jaringan pemipaan hingga ke turbin uap, kemudian proses instalasi dan susunan sampling probe ke dalam sampling port (gate valve).
Pada kondisi di lapangan masalah yang dihadapi adalah adanya perbedaan hasil pembacaan temperatur. Kondisi seperti ini akan berdampak pada interpretasi atas kualitas fluida uap sehingga juga mengakibatkan kesalahan dalam melakukan analisa informasi yang penting yaitu nilai uap panas lanjut (superheat).
3.2.2 Persiapan
Adapun proses yang dipersiapkan dalam melakukan penelitian ini sebelum melakukan pengumpulan data adalah:
1. Mempelajari SOP (Standard Operation Procedure) dan gambar P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) yang telah dijadikan acuan perusahaan dalam aktivitas kerja.
2. Membuat ijin (Permit to Work) aktivitas sampling yaitu pengukuran superheat yang juga dilengkapi dengan dokumen PPHA (Planning Phase Hazard Analysis) dan JSA (Job Safety Analysis On-Site) kepada pemilik fasilitas atau tim operation.
a. Ijin kerja (permit to work) adalah sistem/mekanisme untuk mengidentifikasi, mengkomunikasikan, memitigasi, mempersiapkan alat keselamatan (safeguard) atas bahaya yang timbul berkaitan dengan pekerjaan yang akan dilakukan yang berpotensi menimbulkan akibat buruk terhadap kesehatan, lingkungan, dan keselamatan.
b. PPHA dan JSA merupakan dokumen yang memuat prosedur untuk pengkajian bahaya pada tempat kerja yang mana pertimbangannya adalah potensi bahaya yang berkaitan dengan aktivitas pekerjaan, termasuk di
dalamnya identifikasi bahaya, identifikasi alat keselamatan dan komunikasi (Chevron, 2015).
3. Mempersiapkan perangkat dan alat bantu yang digunakan dalam melakukan aktifitas sampling tersebut. Adapun alat dan perangkat yang dipersiapkan antara lain:
a. Alat Pelindung Diri (Personal Protective Equipment), meliputi: kacamata, sarung tangan heat resistant, sepatu, helm, pelindung telinga (ear plug), jas hujan dan alat pendeteksi H2S.
b. Radio komunikasi.
c. Kotak P3K (Pertolongan Pertama Pada Kecelakaan).
d. Peralatan dan perkakas teknik, meliputi: kunci pipa ukuran 18 inci, kunci kombinasi ukuran 1 inci, kunci inggris (adjustable wrench) dan teflon tape. e. Form atau tabel pengamatan nilai dari temperatur dan tekanan terbaca,
nilai pH dan TDS (Total Dissolved Solid) serta NCG (Non Condensable Gas) untuk di lapangan.
4. Melakukan survey ke lapangan mengenai fasilitas yang akan digunakan, seperti: sampling ports/point atau bisa juga disebut high-point vent yang mencakup katup (valve), nipple, elbow, dan fitting lainnya.
Gambar 3.2 Sampling port
Gambar 3.3 Macam bentuk sampling ports di lapangan Darajat
5. Pembuatan sketsa atas jarak dan diameter lubang nozzle pada tube seamless stainless steel.
Gambar 3.4 Jarak lubang pada nozzle tip
6. Fabrikasi tube: membuat lubang 0,25 inci dan 0,125 inci pada masing-masing diameter luar 0,5 inci tube seamless stainless steel dan pengelasan pada sisi safety stop welded.
Gambar 3.5 Proses pembuatan lubang pada ujung tube untuk 1/8” dan 1/4”
7. Finalisasi proses pembuatan nozzle tip sampling probe, meliputi: pengecekan atau inspeksi, function test, dan pembersihan di bagian dalam tube.
Gambar 3.7 Hasil finalisasi proses pembuatan nozzle tip multi-port
8. Proses assembly untuk sampling probe secara keseluruhan, mulai dari pengukuran tube yang sudah dilubangi di bagian nozzle tip, fitting yang digunakan, katup (valve) sebagai pengatur laju aliran. Pada tahap ini, assembly, ukuran dan susunan dalam pembuatan sampling probe merujuk pada rekomendasi Thermochem (2013) sebagai media pengukuran uap panas lanjut (superheat).
Gambar 3.8 Konstruksi sampling probe untuk pengukuran superheat (Sumber: Thermochem Indonesia, 2013)
9. Melakukan pemeriksaan kehandalan Digital Pressure Indicator untuk mengukur tekanan yang sudah dikaliberasi oleh Laboratorium KAN (Komite Akreditasi Nasional) dan didapatkan nilai faktor koreksi.
Tabel 3.1 Nilai faktor koreksi hasil kaliberasi alat ukur tekanan
10. Melakukan pemeriksaan kehandalan Digital Thermometer dan Sensing Thermocouple untuk mengukur suhu dengan cara dikaliberasi oleh laboratorium KAN atau juga dapat menggunakan Dry Block Calibrator agar didapatkan nilai dari faktor koreksi.
Gambar 3.9 Berbagai jenis dry block calibrator
3.2.3 Pengumpulan Data
Setelah dilakukan identifikasi, untuk menunjang informasi yang lebih banyak mengenai nozzle tip sampling probe, maka dilakukan pengumpulan data-data pada
sistem panas bumi dan mempelajari literatur dan standar referensi yang berhubungan dengan materi penelitian yang akan dibahas seperti American Standard Testing and Material, sehingga memudahkan dalam proses analisis aliran fluida yang mengalir dari masukan (inlet) nozzle sampling probe dengan menggunakan software CFD.
Adapun data-data di lapangan yang dapat dipelajari untuk melakukan penelitian ini didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya:
Data pipa produksi saluran uap dari kepala sumur menuju interface
Dimensi pipa produksi dari sumur yang dijadikan obyek penelitian, dapat digambarkan dengan penampang seperti Gambar 3.10 dimana nilai diameter luar 406 mm (15.9843 inci), diameter dalam 381 mm (15 inci) dan ketebalannya 12.5 mm (0.4921 inci).
Gambar 3.10 Penampang dan ukuran pipa produksi
Data dimensi dan spesifikasi dari tube yang digunakan
Pada umumnya, tube yang digunakan pada sampling probe itu mempunyai ukuran diameter luar standar yaitu 0.5 inci dan 0.75 inci. Untuk di
lapangan Darajat, tube yang digunakan materialnya stainless steel dan mempunyai ukuran diameter luar 0.5 inci dan ketebalan 0.083 inci.
Tabel 3.2 Berbagai ukuran diameter dan tebal dari tube
(Sumber : Katalog Seamless Stainless Tubes for Hydraulic and Instrumentation Systems SANDVIK, 2013)
Hystorical Data lapangan atas sumur produksi yang akan diambil samplingnya Data ini berfungsi untuk melihat parameter-parameter dari reservoir hingga potensi yang terdapat di setiap sumur, baik itu dari sisi laju aliran massa, tekanan, temperatur hingga kapasitasnya. Pada hystorical data lapangan menyebutkan deskripsi sumur produksi, mulai dari periode awal dan akhir pengeboran, kedalaman, kategori sumur (eksporation atau eksploitation), posisi reservoir, kemudian nilai permulaan atas laju aliran massa dan potensi dan kapasitas pembangkitannya yang dapat dihasilkan (Mega-Watt).
Setelah menghimpun data-data dari dimensi saluran pipa produksi dan tube yang akan dijadikan media mengalirnya fluida uap, penulis melakukan pengumpulan data berdasarkan parameter dari sisi fluida uap dengan cara melakukan pengukuran
superheat menggunakan sampling probe. Pada Gambar 3.11 memperlihatkan posisi alat ukur tekanan dan temperatur sampling probe dan Gambar 3.12 menunjukan konfigurasi dari sampling probe yang akan dipasang pada sampling port.
Gambar 3.11 Posisi alat ukur tekanan dan temperatur pada sampling probe
Gambar 3.12 Konfigurasi sampling probe untuk pengukuran superheat (Sumber: Chevron Geothermal Indonesia SOP-13_GSC/RM, 2009)
Pada tahap pengukuran superheat, penulis melakukan berdasarkan SOP-13_GSC/RM (2009) yang terdiri atas beberapa aktifitas, sebagai berikut:
1. Memasang sampling probe ke dalam sampling port/point
a. Membuka katup sampling port 10% untuk mengeluarkan halangan/ gangguan. Uap akan keluar selama 20 hingga 30 detik, kemudian tutup katup dan lepaskan elbow.
b. Memasang pipe bushing yang sesuai agar dapat mengakomodasi sesuai dengan ukuran ulir sambungan (port). Jangan lupa untuk memanfaatkan teflon tape di setiap sambungan.
c. Memasukan sampling probe ke dalam sampling port. Pastikan bagian packing gland berada pada kondisi longgar agar probe dapat bergeser dan berputar.
d. Tarik sampling probe hingga berada pada posisi yang tepat, kemudian kencangkan kembali bagian packing gland sekitar ¼ hingga ½ putaran untuk menjaga atau menahan probe pada posisi tersebut.
Gambar 3.13 Posisi sampling probe setelah dipasang dalam saluran pipa (Thermochem Indonesia, 2013)
2. Membuka katup (valve) sampling point/ port untuk membuang uap dan membersihkan bagian dalam sampling probe.
Gambar 3.14 Proses pembuangan uap setelah sampling probe terpasang 3. Mengukur tekanan pada sampling probe
a. Memutar probe sehingga lubang pada bagian nozzle tip menghadap tegak lurus dari arah aliran uap.
b. Aktifkan alat ukur tekanan digital dan pasang pada sambungan khusus untuk pengukuran tekanan pada probe menggunakan 0,125 inci tube stainless steel.
c. Membuka secara perlahan katup pada probe dan alat ukur akan membaca tekanan hingga benar-benar stabil.
d. Catat hasil pengukuran tekanan dan pastikan pembacaan tekanan tidak naik.
4. Mengukur temperatur pada sampling probe
Gambar 3.16 Proses pembacaan alat ukur temperatur
a. Memastikan nozzle tip sampling probe pada posisi di tengah diameter pipa. b. Memutar sampling probe sehingga lubang pada bagian nozzle tip
menghadap ke arah aliran uap.
c. Membuka katup pada probe sebanyak 50% dan uap terbuang selama 1 menit. Lalu mengecilkan aliran uap yang terbuang pada katup probe sebanyak 10 hingga 25%.
d. Sambungkan alat ukur temperatur pada kabel thermocouple yang telah terpasang pada probe. Kemudian, sesuaikan aliran uap yang terbuang untuk mendapatkan hasil pembacaan temperatur yang maksimum.
e. Setelah pengukuran dan pembacaan stabil (2-3 menit), catat hasil pengukuran temperatur dan tutup katup (valve) pada probe.
Proses berikutnya adalah melakukan perhitungan nilai uap panas lanjut (superheat) dimana parameter yang diperlukan berdasarkan hasil pengukuran pada sampling probe. Berikut nilai-nilai yang telah diperoleh pada pengukuran uap di sumur produksi DRJ-16 OH:
P_gauge = Tekanan yang terbaca pada alat ukur = 17,67 barg
P_atm = Tekanan atmosfir = 0,815 barg
T _gauge = Temperatur yang terbaca pada alat ukur = 212,8°C Sehingga nilai untuk tekanan absolut adalah
P_abs = P_atm + P_gauge P_abs = 0,815 bar +17,67 bar P_abs = 18,49 bar
Kemudian, menentukan nilai temperatur saturasi yang didapatkan dari Steam Table. Tabel 3.3 Steam Table untuk mendapatkan parameter temperatur saturasi
Setelah memberikan tanda posisi angka 19.01 bar pada Tabel 3.3, maka diperlukan interpolasi untuk mendapatkan nilai temperatur saturasi 208,45ᵒC. Sehingga, nilai superheatnya adalah
Nilai superheat = Temperatur yang terbaca – Temperatur saturasi Nilai superheat = 212,8°C - 208,45°C
Nilai superheat = 4,35°C
3.2.4 Pembuatan Geometri
Setelah semua data yang dibutuhkan terkumpul, berikutnya menentukan batasan-batasan yang berupa data teknis yang dibutuhkan sebelum melakukan analisis. Peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah berupa nozzle tip sampling probe dan jalur pipa dimana media mengalirnya fluida uap dari kepala sumur menuju header.
Gambar 3.17 Jarak minimum diameter pipa yang dibutuhkan (Sumber: ASTM International, 2004)
Adapun untuk jarak minimum dari sumber aliran uap menuju sampling port adalah 8 x pipa diameter downstream yaitu 8 x 15 inci = 120 inci (3048 mm) dan jarak minimum dari sampling port ke header adalah 2 x pipa diameter upstream yaitu 2 x 15 inci = 30 inci (762 mm). Hal ini merujuk pada standar ASTM International (E 1675-04, 2004) seperti ditunjukkan pada Gambar 3.17.
Selanjutnya penulis menggambar prototype nozzle tip dengan menggunakan software Solidworks 2013, dan hasilnya sebagai berikut (Gambar 3.18).
Gambar 3.18 Model 3D nozzle tip sampling probe
3.2.5 Simulasi CFD
Setelah proses perhitungan selesai dan ditampilkan dalam bentuk gambar teknik 3D (tiga dimensi) dengan menggunakan software Solidworks selanjutnya menganalisis gambar tersebut dengan menggunakan software CFD yaitu Solidwork Flow Simulation 2013 untuk mendapatkan hasil simulasi aliran fluida di dalam nozzle tip sampling probe.
Penulis merujuk pada Panduan Praktis Analisa CFD oleh Sakti (2013) mengenai tahapan dalam program simulasi Solidworks Flow Simulation, seperti berikut ini:
1. Tahap persiapan
Pada tahap ini, penulis melakukan add-in untuk Solidworks Flow Simulation seperti Gambar 3.19. Kemudian, perlu menambahkan end cap/ tutup pada ujung-ujung yang terbuka pada model. Di dalam Solidworks digunakan istilah Lid. Caranya, klik menu Tools Create Lids klik tepat pada bagian permukaan yang terbuka (dalam hal ini bagian yang terbuka adalah masukan fluida pada pipa, keluaran fluida pada pipa dan ujung nozzle yang kontak dengan udara atmosfir).
Gambar 3.19 Tampilan menu flow simulation 2. Tahap pembuatan proyek simulasi
Tahap ini dapat dilakukan dengan klik toolbar Flow Simulation Project Wizard, maka akan muncul tampilan seperti Gambar 3.20.
Gambar 3.20 Tampilan nama proyek simulasi (Sumber: Solidworks Education, 2010)
Kemudian, melakukan pengaturan sistem satuan, penulis memilih sistem satuan SI seperti ditunjukkan pada gambar 3.21.
Gambar 3.21 Tampilan jendela untuk pengaturan sistem satuan (Sumber: Solidworks Education, 2010)
Setelah itu, memilih tipe analisa aliran, yaitu internal flow atau external flow seperti ditunjukkan pada Gambar 3.22.
Gambar 3.22 Tampilan jendela untuk memilih tipe analisa aliran fluida (Sumber: Solidworks Education, 2010)
Kemudian, melakukan pemilihan atas tipe fluida yang akan dianalisis, dalam hal ini penulis memilih uap (steam) seperti ditunjukkan pada Gambar 3.23.
Gambar 3.23 Tampilan jendela untuk memilih tipe fluida (uap)
Kemudian, melakukan pengaturan kondisi atau standar jenis dinding, penulis membiarkan setting default Adiabatic Wall yang menyatakan bahwa dinding terisolasi sempurna (Gambar 3.24).
Gambar 3.24 Tampilan jendela mengatur jenis dinding (Sumber: Solidworks Education, 2010)
Kemudian, langkah berikutnya adalah mengatur default nilai tekanan, temperatur dan kecepatan (3.25).
Gambar 3.25 Tampilan jendela mengatur kondisi awal (Sumber: Solidworks Education, 2010)
Berikutnya adalah melakukan pengaturan atas resolusi hasil sebagai ukuran tingkat akurasi yang diinginkan dari hasil analisa dan geometri (Gambar 3.26).
Gambar 3.26 Tampilan jendela mengatur resolusi geometri dan hasil (Sumber: Solidworks Education, 2010)
3. Tahap pembuatan kondisi batas
Sebuah kondisi batas diperlukan sebagai jalan masuk atau keluar fluida pada sistem CFD dan dapat ditetapkan sebagai tekanan (pressure), laju aliran massa (mass flow), laju aliran volume (volume flow) atau kecepatan (velocity) Gambar 3.27.
Gambar 3.27 Tampilan jendela menu menentukan kondisi batas (Sumber: Solidworks Education, 2010)
4. Tahap mendefinisikan Engineering Goals
Engineering goals adalah parameter yang ditekankan dalam output. Pada dasarnya merupakan cara untuk menyampaikan ke proses perhitungan Flow Simulation sehingga mengurangi waktu untuk mencapai solusi (Gambar 3.28).
Gambar 3.28 Tampilan jendela menu engineering goals (Sumber: Solidworks Education, 2010)
5. Tahap running data
Tahap ini adalah proses perhitungan data yang dilakukan oleh program Solidworks Flow Simulation, dengan cara klik Flow Simulation Solve Run (Gambar 3.29).
Gambar 3.29 Tampilan jendela running solution (Sumber: Solidworks Education, 2010)
6. Analisa hasil
Tahap ini adalah melakukan pengaturan atas visualisasi dari hasil perhitungan data oleh CFD. Pada bagian ini, penulis membuka expand Result Tree klik kanan Cut plots Insert (Gambar 3.30).
Gambar 3.30 Tampilan jendela untuk menu cut plots (Sumber: Solidworks Education, 2010)
Tahap ini juga dapat menampilkan flow trajectories yang dapat menunjukkan pola aliran. Flow trajectories memberikan gambaran yang sangat baik dari aliran fluida dalam bentuk 3D.
3.2.6 Penyusunan Laporan Akhir
Setelah semua rangkaian kegiatan penelitian mulai dari identifikasi masalah, pengumpulan data, pembuatan geometri, simulasi menggunakan CFD perangkat lunak Solidworks Flow Simulation 2013, hingga interpretasi dan analisa serta kesimpulan telah dilakukan, maka penulis melakukan penyusunan laporan yang sesuai dengan Buku Panduan Penulisan Tugas Akhir Program Studi Teknik Mesin Universitas Mercu Buana.
Laporan akhir ini merupakan luaran (output) dalam rangka mempublikasikan karya ilmiah dari penulis. Dokumen ini dibuat dalam format dan struktur yang mengikuti buku petunjuk Tugas Akhir dan diperiksa oleh Dosen Pembimbing. Laporan Tugas Akhir ini dijilid dalam bentuk buku (hard-copy) dan juga disimpan dalam CD (soft-copy).
