Perencanaan Hidrolis Jaringan Perpipaan

Perhitungan hidrolis aliran pada jaringan distribusi dilakukan berdasarkan besarnya aliran puncak pada akhir tahun perencanaan yang dipengaruhi oleh faktor-faktor:

  • Jarak sumber dengan daerah pelayanan.
  • Tekanan yang tersedia pada sumber.
  • Tekanan yang harus disediakan di setiap blok pelayanan.
  • Besar diameter pipa yang digunakan.
  • Kehilangan tekanan akibat friksi dalam pipa.
  • Kehilangan tekanan akibat perlengkapan pipa (fittings).

1.  Metode Simulasi Jaringan Pipa

Untuk mendapatkan dimensi dari jaringan perpipaan distribusi yang direncanakan maka terdapat beberapa perhitungan yang perlu dilakukan. Simulasi aliran dalam pipa biasanya dilakukan dengan menggunakan metode Hardy-Cross yang dapat menyelesaikan persamaan keseimbangan tekanan dalam suatu loop dengan loop berikutnya. Dalam aplikasi matematisnya, maka rumus yang digunakan diantaranya adalah rumus  Hazen Williams:

hi=kehilangan tekanan untuk jalur pipa i.

Dari persamaan tersebut akan dilanjutkan dengan iterasi Newton-Rhapson pada setiap loop dalam jaringan.

Dimana:

Aplikasi dari metode ini memerlukan asumsi awal dari debit aliran dan perjanjian notasi (positif atau negatif) untuk arah aliran. Sebagai patokan, dalam suatu loop maka aliran yang searah jarum jam misalkan diberi notasi positif. Dan notasi untuk kehilangan tekanan dalam suatu pipa juga mengikuti notasi yang dimiliki debit aliran pada pipa itu sendiri. Sedangkan dalam perhitungan dalam rumus, notasi positif dan negatif tersebut tidak akan memberikan pengaruh sehingga merupakan penjumlahan biasa dari nilai ratio kehilangan tekanan dengan debit aliran. Harga dari ΔQ memiliki suatu arah (terlihat notasinya) sehingga dalam mengoreksi debit aliran tanda ΔQ harus disertakan.

Pengerjaan dari metode ini untuk sistem yang terdiri dari beberapa loop akan sangat memakan waktu. Dengan saling terkaitnya jaringan distribusi tersebut antara loop yang satu dengan yang lain maka perhitungan yang akan dilakukan menjadi sangat sulit bila tanpa bantuan suatu program komputer.

Untuk mempermudah perhitungan dan mendapatkan hasil yang lebih detail dari jaringan yang akan dirancang, maka digunakan program EPANET. EPANET merupakan program komputer yang dapat menampilkan simulasi hidrolis dan kualitas air dalam jaringan pipa bertekanan. Jaringan ini akan terdiri dari pipa-pipa, node (junction pipa), pompa, valve, tangki penampungan, atau reservoir. EPANET dapat mengidentifikasi aliran air dalam setiap pipa, tekanan pada setiap node, ketinggian air pada masing-maing tangki, dan konsentrasi senyawa kimia dalam jaringan selama periode simulasi.

EPANET didesain untuk membantu analisis sistem distribusi air minum, sehingga sering digunakan untuk hal-hal berikut ini:

  • Pemilihan sumber pada sistem.
  • Pemilihan pompa beserta jadwal kerjanya.
  • Penentuan pengolahan tambahan, misalnya rechlorinasi.
  • Penentuan pipa yang perlu dibersihkan atau diganti.

Hasil running dari program ini dapat berupa peta jaringan dengan kode warna, tabel data, grafik time-series, dan kontur plot.

Kemampuan pemodelan hidrolik EPANET adalah sebagai berikut:

  • Jaringan seluas mungkin, tanpa adanya batasan-batasan tertentu.
  • Dapat menghitung friction headloss dengan menggunakan persaman-persamaan Hazen Williams, Darcy-Weisbach dan Chezy-Manning.
  • Dapat menghitung minor losses untuk bend, fitting, dan lain-lain.
  • Dapat menghitung biaya dan energi pompa.
  • Dapat memodelkan berbagai jenis valve.
  • Memungkinkan tangki penampungan dengan segala bentuk.
  • Dapat memperhitungkan berbagai kategori demand pada setiap node dengan pattern dan variasi waktu masing-masing.
  • Dapat memodelkan berbagai emitter.
  • Dapat beroperasi pada sistem yang kompleks dengan berbagai batasan.

EPANET dapat memodelkan sistem distribusi air sebagai kumpulan dari link yang dihubungkan oleh node sehingga sistem distribusi ini akan terdiri berbagai komponen fisik. Yang dimaksud sebagai link adalah pipa, pompa, dan valve. Sedangkan node disini mewakili junction, tangki, dan reservoir.

Junction merupakan titik dalam jaringan tempat terjadinya pertemuan antar link, disini air dapat memasuki atau meninggalkan jaringan. Input data utama yang diperlukan untuk komponen fisik ini adalah data tentang elevasi dan debit air yang akan disuplai oleh node ini. Sedangkan output yang dihasilkan adalah berupa head hidrolik dan besarnya tekanan pada junction tersebut. Selain input data yang telah disebutkan sebelumnya, juga terdapat beberapa input pelengkap diantaranya adalah debit air yang bervariasi terhadap waktu, kategori dari debit air, dan bila nilai debit ini dinyatakan sebagai negatif maka hal ini menunjukkan bahwa air memasuki jaringan.

Komponen fisik berikutnya adalah reservoir. Reservoir merupakan node yang mewakili sumber eksternal atau sumber air yang masuk ke dalam jaringan. Input utama yang diperlukan adalah head hidrolik yang nilainya akan sebanding dengan elevasi permukaan air bila reservoir tersebut tidak memiliki tekanan. Reservoir tidak memberikan hasil output tertentu, tetapi headnya dapat berubah terhadap waktu sesuai dengan time pattern yang dijadikan acuan.

Berikutnya adalah tank yang merupakan node yang memiliki kapasitas penyimpanan dan volume air yang tersimpan bervariasi terhadap waktu selama simulasi. Input data yang diperlukan adalah:

  • Elevasi dasar, dengan level air adalah 0.
  • Diameter atau bentuk tangki bila non-silindris.
  • Initial, minimum, dan level maksimum dari tangki.

Sedangkan output yang dihasilkan adalah head hidrolik yang menunjukkan ketinggian muka air. EPANET akan menghentikan outflow bila tangki berada pada level air minimum, dan sebaliknya inflow akan dihentikan bila air berada pada level maksimum.

Emitter merupakan junction yang memodelkan aliran melalui nozzle atau orifice yang akan dikeluarkan ke atmosfer. Komponen ini biasa digunakan memodelkan aliran melalui sistem sprinkler dan jaringan irigasi. Namun bisa juga digunakan untuk simulasi kebocoran pada pipa. EPANET akan membaca emitter sebagai property dari junction dan bukan sebagi komponen jaringan tersendiri.

Pipa adalah link yang mengalirkan air dari satu bagian ke bagian yang lainnya pada suatu jaringan. EPANET akan mengasumsikan bahwa pipa terisi penuh setiap saat. Arah aliran akan berasal dari titik yang memiliki head hidrolik lebih besar. Beberapa parameter yang digunakan sebagai input data untuk pipa adalah:

  • Start dan end node.
  • Diameter.
  • Panjang pipa.
  • Koefisien kekasaran untuk menghitung headloss.
  • Status (open, closed, atau check valve).

Sedangkan output dari pipa adalah:

  • Flow rate.
  • Kecepatan aliran.
  • Headloss.
  • Faktor friksi Darcy-Weisbach.

Untuk kehilangan tekan akibat gesekan air dengan dinding pipa dapat dihitung menggunakan persamaan Hazen Williams, Darcy-Weisbach dan Chezy-Manning. Namun persamaan Hazen Williams hanya dapat digunakan untuk aliran air yang turbulen dan persamaan Chezy-Manning lebih banyak digunakan untuk aliran pada saluran terbuka. Persamaan yang secara teoritis lebih baik untuk digunakan adalah persamaan Darcy-Weisbach dan dapat digunakan untuk jenis liquid lainnya selain air.

Pompa merupakan link yang memberikan energi pada fluida dengan cara meningkatkan head hidroliknya. Input yang sangat penting adalah start dan end node serta kurva pompa yang digunakan. Untuk output utamanya adalah flow dan head yang diperoleh. Flow melalui pompa adalah tidak berarah dan EPANET akan menghentikan kerja pompa apabila pompa bekerja diluar batasan yang tertera pada kurva pompa. Kecepatan pompa dapat diset pada nilai tertentu dan apabila pompa bekerja dengan kecepatan yang lebih besar sebesar dua kalinya maka speed pompa dapat diset pada angka dua. Perubahan ini dapat ikut merubah kurva pompa yang digunakan. Seperti pada pipa, pompa juga dapat diset on dan off. Operasi pompa juga dapat disesuikan dengan time pattern atau relative speed setting. EPANET juga dapat menghitung konsumsi energi dari pompa.

Valve adalah link yang membatasi tekanan atau aliran pada nilai tertentu dalam sebuah jaringan. Input yang penting untuk komponen ini adalah:

  • Start dan end node
  • Diameter
  • Setting
  • Status

Dan output dari valve adalah flow rate dan headloss.

2.  Kehilangan Tekanan Perpipaan

Kehilangan tekanan yang terjadi akibat aliran dalam sistem perpipaan ada dua macam yaitu major losses yang diakibatkan oleh friksi di sepanjang pipa dan minor losses yang merupakan kehilangan tekanan yang terjadi pada perlengkapan pipa.

Kedua macam kehilangan tekanan tersebut adalah sebagai berikut:

2.1.  Major Losses

Friksi atau gesekan yang terjadi antara aliran air dengan dinding pipa merupakan kehilangan tekanan terbesar dari suatu sistem perpipaan. Rumus yang digunakan untuk menghitung kehilangan tekanan pada pipa induk maupun pipa cabang serta pipa pelayanan adalah hasil formulasi dari Hazen Williams.

Dimana:

Q = debit aliran (m3/detik)
C = koefisien Hazen Williams
D = diameter pipa (mm)
L = panjang pipa (m)

Dalam penerapan rumus diatas maka perlu diperhatikan bahwa harga koefisien Hazen Williams (C) ynag berbeda-beda tergantung dari jenis pipa dan lama pipa tersebut telah digunakan. Besarnya nilainya koefisien ini dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 2 Harga Koefisien C untuk Beberapa Jenis Pipa

Jenis Pipa

Harga C

Keterangan

ACP

140

Baru

130

Perencanaan

Besi dengan Las

140

Baru

100

Perencanaan

Beton

140

Baru

130

Perencanaan

CIP, coated

130

Baru

100

Perencanaan

Plastik dan PVC

140

Baru

130

Perencanaan

Sumber: Fair, Geyer, dan Okun, 1971

2.2.  Minor Losses

Pada kenyataannya, minor losses dapat diabaikan karena nilainya yang relatif kecil bila panjang pipa lebih besar dari 500 kali diameter pipa. Rumus yang dipergunakan untuk menghitung besarnya minor losses ini adalah rumus Darcy-Weisbach.

Dimana:

K = koefisien kehilangan tekanan
V = kecepatan aliran

Dalam penggunaan rumus diatas, terdapat hal yang perlu diperhatikan yaitu terdapat beberapa harga K untuk setiap perlengkapan perpipaan. Dengan harga K didapat dengan menggunakan nilai yang tertera pada Tabel 3.

Dalam menentukan besarnya minor losses dapat dipergunakan prinsip ekivalensi terhadap panjang pipa. Pada persamaan Darcy-Weisbach:

Tabel 3 Harga K untuk Beberapa Jenis Perlengkapan Pipa

Jenis Perlengkapan Pipa

Harga K

Gate Valve kondisi:
  • Terbuka penuh

0,2

  • ¼ terbuka

1,2

  • ½ terbuka

5,6

  • ¾ terbuka

2,4

Angle Valve kondisi terbuka penuh

2,5

Butterfly Valve kondisi:
  • Sudut bukaan 10°

1

  • Sudut bukaan 40°

10

  • Sudut bukaan 70°

920

90° elbow dengan:
  • Regular flange

0,21-0,3

  • Long radius flange

0,14-0,23

  • Short radius screwed

0,9

  • Medium radius screwed

0,75

  • Long radius screwed

0,6

Sudden Contraction:
  • d/D = ¼

0,42

  • d/D = ½

0,33

  • d/D = ¾

0,19

Sudden Enlargement:
  • d/D = ¼

0,92

  • d/D = ½

0,56

  • d/D = ¾

0,19

Sumber: Practical Hydrolics For The Public Work Engineer, 1968

3.  Sisa Tekan

Besarnya sisa tekan pada pipa akan tergantung pada klasifikasi jaringan perpipaan, daerah perencanaan, dan jenis pipa yang dipergunakan.

Berdasarkan perencanaan pada Draft Guidelines for Design and Construction of Public and Water Supply System in Indonesia, sisa tekan minimum yang harus disediakan adalah 6 m untuk pipa pelayanan di daerah dengan mayoritas bangunan tidak bertingkat dan 12 m untuk daerah dengan mayoritas bangunan bertingkat.

4.  Profil Hidrolis

Profil hidrolis merupakan gambar yang menunjukkan letak ketinggian pipa dengan garis hidrolisnya pada tiap titik di jalur perpipaan. Profil hidrolis digambarkan dengan menetapkan sumbu absis untuk panjang pipa dan sumbu ordinat untuk letak pipa atau kontur tanah dan ketinggian hidrolisnya.

Profil ini akan ditunjukkan dari nilai Hydraulic Grade Line (HGL), yaitu garis yang memperlihatkan besarnya tekanan pada pipa di titik tertentu sebagai akibat dari gesekan yang terjadi dalam pipa, perubahan kecepatan, dan perubahan energi. Besarnya HGL ini ditentukan dalam meter kolom air.

 

5.  Kecepatan Perpipaan

Selain menghitung kehilangan tekanan, maka dalam perencanaan hidrolis perpipaan akan dipakai rumus tertentu dalam menghitung kecepatan aliran rata-rata dalam pipa. Hukum kontinuitas dapat digunakan untuk menghitung kacapatan aliran rata-rata dalam pipa.

Dimana:

V = kecepatan aliran (m/detik)
Q = debit aliran (m3/detik)
D = diameter pipa (m)

Rumus ini berlaku baik untuk pipa induk, cabang, maupun pipa pelayanan.

6.  Palu Air (Water Hammer)

Perubahan kecepatan dalam pipa yang terjadi secara tiba-tiba dapat menghasilkan perubahan tekanan yang besar. Jika tekanan tersebut telah melebihi tekanan kerja yang diijinkan, maka akan mengakibatkan pengaruh negatif pada sistem seperti rusaknya perlengkapan perpipaan, pipa pecah, kesukaran operasi, dan berkurangnya kapasitas pipa. Tekanan yang membesar ini sering disebut sebagai palu air (water hammer) karena menimbulkan bunyi seperti ketukan palu yang seolah-olah terjadi pada bagian dalam pipa.

Palu air ini dapat disebabkan oleh terlalu dekat atau terlalu cepatnya penutupan katup pada suatu jaringan atau oleh peralatan pemutus aliran yang dilakukan oleh petugas atau operator secara cepat atau tiba-tiba. Kenaikan tekanan ini dapat dikurangi dengan menggunakan peralatan pipa seperti air valve, relief valve, surge valve, dan sebagainya hingga tekanan menjadi hanya 10-40 %.

Dimana:

P = penambahan tekanan akibat palu air (psi)
V = kecepatan aliran (fps)
E = modulus elastis (psi)
K = bulk modulus elastis (psi)
K/E = 0,001-0,2, nilainya ditentukan untuk berbagai material pipa.
Vw = kecepatan aliran balik (fps)
d = diameter pipa (inch)
T = tebal pipa (inch)
L = panjang pipa (ft)
Tc = waktu kritis yang menyebabkan palu air (detik)
Td = waktu normal membuka-tutup katup (detik)
Pa = selisih tekanan uji pipa dengan tekanan yang tersedia di titik tersebut (psi)

Tabel 4 Rasio K/E untuk Berbagai Jenis Material Pipa

Material

K/E

Plate Steel

0.01

Cast Iron

0.02-0.022

Concrete

0.1

Wood

0.2

Sumber: Babbit, Water Supply Engineering, 1967

About these ads

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s