PERENCANAAN MIKROHIDRO Turbin Air Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro Turbin secara umum dapat diartikan sebagai mesin penggerak mula dimana energi fluida kerja yang digunakan langsung memutar roda turbin, fluida kerjanya dapat berupa air, uap air dan gas. Dengan demikian turbin air dapat diartikan sebagai suatu mesin penggerak mula yang fluida kerjanya adalah air. (wiranto, 1997 : 1). Kalau ditinjau dari daya yang dihasilkan turbin air, maka dikenal istilah Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro (PLTMH) yang maksudnya adalah turbin air yang dapat menghasilkan daya kurang dari 100 kW dan sumber airnya relatif kecil. (wiranto,1997:67). Secara umum prinsip kerja dari turbin air ini adalah aliran air di dalam pipa pesat yang mengandung energi diarahkan ke roda turbin melalui nozzle, kemudian energi yang di dalam air ini pada roda turbin di ubah bentuknya menjadi energi mekanik berupa putaran. Putaran roda turbin inilah yang dimanfaatkan untuk menggerakkan suatu beban, salah satu contohnya adalah untuk menggerakkan generator pembangkit listrik. Konstruksi dasar dari turbin air terdiri dari dua bagian utama yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian– bagian dari turbin yang bergerak atau berputar seperti roda turbin (runner), poros, kopling, roda gaya, puly dan bagian–bagian dari turbin yang diam seperti saluran masuk
37
Embed
BAB II - file · Web viewTurbin Air Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro. Turbin secara umum dapat diartikan sebagai mesin penggerak mula dimana energi fluida kerja yang digunakan
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
PERENCANAAN MIKROHIDRO
Turbin Air Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro
Turbin secara umum dapat diartikan sebagai mesin penggerak mula dimana
energi fluida kerja yang digunakan langsung memutar roda turbin, fluida kerjanya
dapat berupa air, uap air dan gas. Dengan demikian turbin air dapat diartikan sebagai
suatu mesin penggerak mula yang fluida kerjanya adalah air. (wiranto, 1997 : 1).
Kalau ditinjau dari daya yang dihasilkan turbin air, maka dikenal istilah
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro (PLTMH) yang maksudnya adalah turbin air
yang dapat menghasilkan daya kurang dari 100 kW dan sumber airnya relatif kecil.
(wiranto,1997:67).
Secara umum prinsip kerja dari turbin air ini adalah aliran air di dalam pipa
pesat yang mengandung energi diarahkan ke roda turbin melalui nozzle, kemudian
energi yang di dalam air ini pada roda turbin di ubah bentuknya menjadi energi
mekanik berupa putaran. Putaran roda turbin inilah yang dimanfaatkan untuk
menggerakkan suatu beban, salah satu contohnya adalah untuk menggerakkan
generator pembangkit listrik.
Konstruksi dasar dari turbin air terdiri dari dua bagian utama yaitu rotor dan
stator. Rotor adalah bagian–bagian dari turbin yang bergerak atau berputar seperti roda
turbin (runner), poros, kopling, roda gaya, puly dan bagian–bagian dari turbin yang
diam seperti saluran masuk (pipa pesat), rumah–rumah, sudu antar, sudu pengarah
(nozzle), saluran buang dan lain–lain. (wiranto, 1997 :1).
Contoh sistem turbin air tersebut dapat dilihat seperti gambar (2.1) berikut : dari
gambar turbin air poros vertical tersebut dapat dilihat komponen utama yaitu :
1. Sudu tetap (nozzle), yang berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida
kerja (air) masuk de dalam sudu gerak.
2. Sudu gerak, sudu gerak ini dipasang pada sekeliling roda turbin, yang
mana fungsinya adalah untuk menerima tekanan dari kecepatan fluida kerja
air masuk dan keluar sudu.
3. Rotor (roda turbin), suatu tempat dudukan sudu gerak, berfungsi untuk
meneruskan daya putar yang diterima dari sudu gerak keporos.
4. Poros, yang berfungsi untuk mentransmisikan daya atau tenaga
bersama –sama dengan putaran roda turbin dan juga dapat berfungsi
untuk mendukung suatu momen putar.
5. Stator (rumah turbin), berfungsi untuk melindungi atau untuk
pengamanan dari proses kerja turbin, dan juga untuk mendukung konstruksi
turbin secara keseluruhan.
6. Generator listrik, berfungsi untuk mengubah tenaga mekanis dari
poros turbin menjadi tenaga listrik.
Gambar 1 : Turbin air poros vertikal.
Prinsip Kerja Turbin Air
Pada roda turbin terdapat sudu yaitu suatu konstruksi lempengan dengan bentuk
dan penampang tertentu, air sebagai fluida kerja mengalir melalui ruang diantara sudu
tersebut, dengan demikian roda turbin akan dapat berputar dan pada sudu akan ada
suatu gaya yang bekerja.
Gaya tersebut akan terjadi karena ada perubahan momentum dari fluida kerja
air yang mengalir diantara sudunya. Sudu hendaknya dibentuk sedemikian rupa
sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada fluida kerja air tersebut.
(wiranto,1997:4).
2
Gambar 2 : Roda Turbin
Klasifikasi Turbin Air
Turbin air juga dibedakan dalam dua golongan utama, yaitu dipandang dari segi
pengubahan momentum fluida kerjanya :
1. Turbin impuls
Turbin impuls disebut juga dengan turbin air tekanan sama karena tekanan
air yang keluar dari nozel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya.
Sehingga energi tempat dan energi tekanan yang dimiliki oleh aliran air dirubah
semuanya menjadi energi kecepatan. Contoh dari turbin impuls ini adalah turbin
pelton, turbin crossflow dan lain–lain. (Fritz Dietzel, 1988 : 18)
Gambar 3 : Instalasi Turbin Impuls
3
a. Turbin Pelton
Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set
sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih
alat yang disebut nozzle. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang
paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head
tinggi.
Gambar 4 : Turbin Pelton dengan Banyak Nozzle
Gambar 5 : Runner Turbin Pelton
Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk
sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah–tengah sudu dan pancaran
air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air
dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan
daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nozzle.
Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.
Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih
kurang 150 m tetapi untuk skala mikro head 20 m sudah mencukupi.
4
b. Turbin Turgo
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin
pelton turbin turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air
dari nozzle membentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin turgo lebih
besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke
generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya
perawatan.
Gambar 6 : Sudu turbin Turgo dan nozzle
c. Turbin Crossflow
Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-
Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang
merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow
dapat dioperasikan pada debit 20 liter/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d
200 m.
Gambar 7 : Instalasi Turbin Crossflow
5
Turbin crossflow menggunakan nozzle persegi panjang yang lebarnya
sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga
terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar
membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk)
kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang
dipasang pada sepasang piringan paralel.
Gambar 8 : Runner Turbin Crossflow
Turbin crossflow baik sekali digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil
dengan daya kurang dari 750 kW. Pembuatan dan pemasangan konstruksi sangat
sederhana, dan biaya pembuatan murah. Konstruksi secara lengkap dapat dilihat
pada gambar 2.9.
Gambar 9 : Konstruksi turbin crossflow
6
2. Turbin ReaksiTurbin reaksi disebut juga dengan turbin tekanan lebih karena tekanan air
sebelum masuk roda turbin lebih besar dari pada tekanan air saat keluar roda turbin.
Secara umum dapat dikatakan bahwa aliran air yang masuk keroda turbin
mempunyai energi penuh, kemudian energi ini dipakai sebagian untuk
menggerakkan roda turbin dan sebagian lagi dipergunakan untuk mengeluarkan air
kesaluran pembuangan. Jenis turbin reaksi yang sering digunakan antara lain, turbin
francis, turbin propeler atau kaplan. (Fritz Dietzel, 1988:17)
Gambar 10 : Instalasi Turbin Reaksi
a. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara
sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian
keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan
air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan
suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya.
Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah
yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.
7
Gambar .11 : Runner Turbin Francis
b. Turbin Kaplan & Propeller
Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin
ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya
mempunyai tiga hingga enam sudu.
Gambar 12 : Runner Turbin Kaplan
Kandungan Energi dalam Aliran Zat Cair
Energi dapat didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Energi
tidak dapat diciptakan maupun dihilangkan tapi hanya dapat dirubah. Begitu juga
dengan air yang mengalir dari ketinggian tertentu, dimana aliran tersebut mengandung
energi yang dapat dimanfaatkan untuk memutar roda turbin. (Fritz Dietzel, 1988:3)
Menurut Bernoulli apabila air dialirkan dalam pipa dari ketinggian tertentu dan
selisih ketinggian antara permukaan atas dan bawah adalah z dan tidak terdapat energi
yang masuk atau keluar, maka besar energi yang dikandung oleh air tersebut adalah :
W = Energi Tempat + Energi Tekanan + Energi Kecepatan
8
(1.1)
Dimana : W = Energi yang dikandung air (Nm)
m = Massa zat cair (kg)
g = Grafitasi bumi (m/s2)
z = Ketinggian suatu tempat yang dipakai sebagai standar (m)
P = Tekanan (N/m2)
= Massa jenis zat cair (kg/m3)
c = Kecepatan aliran zat cair (m/s)
(Fritz Dietzel, 1988:4)
Kavitasi
Kavitasi adalah suatu peristiwa terjadinya gelembung-gelembung uap di dalam
cairan (air) yang mengalir apabila tekanan di tempat tersebut sama dengan tekanan
uapnya. Bila gelembung-gelembung tersebut terjadi maka akan bersama-sama terbawa
aliran dan pada daerah yang lebih tinggi tekanannya, gelembung-gelembung tersebut
akan pecah dengan tiba-tiba. Pecahnya gelembung-gelembung ini akan menghasilkan
tekanan yang sangat tinggi bisa mencapai 100 atm.
Dengan tekanan yang begitu tinggi akan mudah merusak material atau
komponen-komponen yang dipakai pada instalasi turbin.
Akibat kavitasi adalah sebagai berikut :
1. Menimbulkan suara yang sangat bising dan getaran-getaran
2. Mengikis bagian dalam pipa-pipa dan permukaan propeler
3. Menurunkan effisiensi dan daya turbin
Untuk mencegah terjadinya kavitasi ini, maka perlu diambil langkah-langkah
sebagai berikut :
1. Meletakkan turbin pada tempat yang sebaik-baiknya antara runner dan draft
tube
2. Memperkecil jarak vertikal antara roda turbin dan permukaan air bawah
(tinggi isap diperkecil).
3. Memperbaiki konstruksi atau menggunakan material yang kuat.
4. Mengurangi belokan-belokan atau bentuk-bentuk yang tajam.
(Syahril, 1979: 65)
Dasar–Dasar Perencanaan Turbin
9
Dalam merencanakan sebuah turbin air, ada beberapa hal mendasar yang perlu
diketahui, sehingga dengan didapatnya harga–harga ini barulah perencanaan konstruksi
turbin air bisa dilakukan.
Daya Turbin
Dengan adanya gaya tangensial yang bekerja pada runner turbin, maka
runner turbin akan mengalami momen puntir.
Mt = Fu.r
Mt = Q. (1.2)
atau:
Mt = Q. (1.3)
Apabila kecepatan tangensial yang bekerja (u) = .D.n dan kecepatan
sudut (w) = u / r maka daya yang dihasilkan oleh turbin adalah :
P = Mt . w
P = Q. (1.4)
P = Q. (1.5)
Dimana : P = Daya Turbin (Watt)
Mt = Momen Puntir (Nm)
Fu = Gaya tangensial yang dihasilkan turbin (N)
c1 = Kecepatan mutlak air masuk sudu turbin (m/s)
c2 = Kecepatan mutlak air keluar sudu turbin (m/s)
w1 = Kecepatan relatif air masuk sudu turbin (m/s)
w2 = Kecepatan relatif air keluar sudu turbin (m/s)
u1 = Kecepatan tangensial air masuk sudu turbin (m/s)
u2 = Kecepatan tangensial air keluar sudu turbin (m/s)
r1 = Jari – jari diameter luar runner turbin (m)
r2 = Jari – jari diameter dalam runner turbin (m)
w = Kecepatan sudut (m/s)
Q = Debit air yang digunakan (m3/s)
= Massa jenis air (kg/m3)
10
Apabila ditinjau dari kapasitas dan tinggi jatuh air, daya turbin yang
direncanakan dapat ditentukan dengan persamaan 1.6 :
P = g Q He (1.6)
Dimana : P = Daya turbin (W)
= Massa jenis air ( kg/m3)
g = Percepatan grafitasi (m/s2)
Q = Debit aliran air (m3/s)
He = Tinggi jatuh air efektif (m)
= Effisiensi turbin. Untuk turbin air harga effisiensi berkisar
antara 84% - 94%. ( wiranto, 1997:1)
Debit Air
Debit air merupakan hal yang sangat menentukan dalam perencanaan
turbin air, karena daya yang dihasilkan oleh turbin sangat tergantung pada debit
air yang tersedia. Menurut persamaan kontinuitas debit air yang mengalir dalam
pipa bertekanan dapat ditentukan dengan persamaan :
Q = V. A (1.7)
Dimana Q = Debit air (m3/s)
V = Kecepatan aliran air (m/s)
A = Luas penampang pipa (m2)
(Suryono,1991:1)
Kecepatan Spesifik
Kecepatan spesifik dapat didefinisikan sebagai jumlah putaran roda turbin
dimana dapat dihasilkan daya 1 Hp untuk setiap jatuh air 1 ft. (wiranto,1997:67).
Dalam bentuk persamaan kecepatan spesifik dapat dirumuskan sebagai :
(1.8)
Dimana : Q = Debit air yang dibutuhkan (m3/s)
He = tinggi jatuh air effektif (m)
11
n1 = Kecepatan putaran turbin (rpm)
(Fritz Dietzel,1988,20)
Harga dari kecepatan putaran turbin (n1) biasanya berkisar antara 125–750
rpm (wiranto,1997:68)
Tinggi Jatuh Air
Ada dua macam tinggi jatuh air pada suatu instalasi pembangkit listrik
yaitu : tinggi jatuh air aktual dan tinggi jatuh air efektif. Untuk jenis turbin air
tekanan sama tinggi jatuh air aktualnya dihitung dari permukaan air di kolam
penampung sampai ke tengah–tengah pancaran air dari nozzle. Sedangkan untuk
jenis air tekanan lebih tinggi jatuh air aktual dihitung dari permukaan air di kolam
penampung sampai ke permukaan air bawah.
Gambar 13 : Tinggi Jatuh Air Aktual untuk turbin tekanan samaTPA (Tinggi Permukaan Air Atas)TPB (Tinngi Permukaan air Bawah)
Gambar.14 : Tinggi jatuh air aktual untuk turbin tekanan lebih
12
Yang dimaksud dengan tinggi jatuh air efektif adalah tinggi jatuh air
aktual dikurangi total kerugian energi (Head losses) disepanjang saluran. Dalam
persamaan 1.9 dapat dinyatakan :
He = Ha - Hl (1.9)
Dimana : He = Tinggi jatuh air efektif (m)
Ha = Tinggi jatuh air aktual (m)
Hl = Head losses (m)
Kerugian energi (head losses) yang terjadi di dalam pipa dapat di
kelompokkan atas dua bagian :
1. Kerugian terjadi sebagai akibat dari gesekan air disepanjang pipa (Head losses
mayor), menurut Strickler kerugian ini dapat dihitung dengan persamaan 1.10 :
Hlf = (1.10)
Dimana : Hlf = Head losses mayor (m)
Q = Debit air (m3/s)
k = Angka gesek Strickler
D = Diameter dalam pipa (m)
(Suryono, 1991:34)
Tabel 1 : Angka Gesek Stricker
(Sumber : Suryono, 1991 :39)
13
Secara empiris head losses mayor ini dapat dicari dengan persamaan 1.11
Hazen – Williams :
Hlf =
(1.11)
Dimana : Q = Debit air (m3/s)
D = Diameter dalam pipa (m)
L = Panjang pipa (m)
C = Koefisien kekasaran
(Sularso,1987 :31)
Tabel 2 : Angka koefisien (C) Hazen – Wiliams
No Bahan Pipa C12
3456
Beton (tidak terpengaruh oleh umur)Besi TuangBaruUmur 5 TahunUmur 20 TahunBaja Las, Baru, Papan Kayu (tidak terpengaruh oleh umur)Lempung, Baja Keling, baruGorong – gorong BetonSemen asbes
130
130120100120110100140
(Sumber : Ray K. Linsley,1985: 270)
2. Kerugian yang terjadi diawal pipa, belokan pipa, perubahan penampang, dan lain –
lain (Head losses minor). Kerugian ini dapat dinyatakan dengan persamaan 2.12:
Hlm = ` (1.12)
Dimana : Hlm = Head losses minor (m)
V = Kecepatan air dalam pipa (m/s)
= Total koefisien kerugian
(Suryono,1991:40)
14
Gambar 15 : Koefisien kerugian di ujung masuk pipa
(Sumber : Sularso, 1987 : 34)
(i) f = 0.5
(ii) f = 0.25
(iii) f = 0.06 (untuk r kecil) sampai 0.005 (untuk r besar)
(iv) f = 0.56
(v) f = 3.0 (untuk sudut tajam) sampai 1.3 (untuk sudut 450)
(vi) f = f1 + 0.3 cos θ+ 0.2 cos2 θ
Gambar 16 : Koefisien kerugian pada belokan pipa
(Sumber: Suryono, 1991 :41)
Pemilihan Jenis Turbin
Jenis turbin yang digunakan sangat tergantung dari besarnya debit air (Q) dan
tinggi jatuh air yang tersedia, besarnya harga dari debit dan tinggi jatuh air ini didapat
dari hasil survey ke lapangan. Secara teoritis dalam perencanaan pemilihan jenis turbin
ditentukan berdasarkan kecepatan spesifik (ns) dan tinggi jatuh air efektif (He).
15
1. Pemilihan berdasarkan kecepatan spesifik
Kecepatan spesifik adalah kecepatan turbin dimana dapat dihasilkan 1 HP
untuk setiap tinggi jatuh air (H) = 1 Ft. kecepatan spesifik dari suatu turbin dapat
diketahui dengan mempergunakan persamaan (2.8) dan kondisi yang diketahui.
Setelah dihitung atau didapatkan nilai ns dengan mempergunakan
persamaan (1.8), maka dapat dipilih jenis turbin dengan menggunakan tabel di
bawah ini :
Tabel 3 : Pemilihan jenis turbin berdasarkan kecepatan spesifik
No Kecepatan spesifik (rpm) Type / Jenis turbin
1
2
3
4
10 sampai 35
35 sampai 60
60 samapi 300
300 sampai 1000
Turbin Pelton dengan Nozzel tunggal
Turbin Pelton dengan dua Nozzel atau lebih
Turbin Francis
Turbin Kaplan
(Sumber : R.S. Khurmi, 1982 : 616)
2. Pemilihan berdasarkan tinggi jatuh air
Pemilihan dengan berdasarkan tinggi jatuh air diperoleh, maka dapat dilihat
pada tabel berikut :
Tabel 4 : Pemilihan jenis turbin berdasarkan tinggi jatuh air
No Tinggi jatuh air / head (m) Type / Jenis Turbin
1
2
3
4
5
6
0 sampai 25
25 sampai 50
50 sampai 150
150 sampai 250
250 sampai 300
Di atas 300
Kaplan atau Francis
(lebih cocok Kaplan)
Kaplan atau Francis
(lebih cocok francis)
Francis
Francis atau pelton
(lebih cocok francis)
Francis atau pelton
(lebih cocok pelton)
Pelton
(Sumber : R.S. Khurmi, 1982 : 617)
16
Pipa Pesat
Pipa pesat adalah pipa yang dipakai untuk mengalirkan air ke turbin. Ada
beberapa hal yang perlu diperhitungkan pada pipa pesat antara lain:
1. Panjang pipa pesat
Panjang pipa pesat sangat tergantung dari tinggi jatuh air aktual dan sudut
kemiringan pemasangan pipa pesat. Setelah harga – harga ini didapat, panjang pipa
pesat dapat dihitung dengan menggunakan rumus phitagoras.
2. Kecepatan air dalam pipa pesat
Kecepatan air dalam pipa pesat dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan (1.7), disamping persamaan tersebut kecepatan air dalam pipa juga
dapat dihitung berdasarkan persamaan Hazen – Williams :
V = 0.85. C. R0.63. S0.54 (1.13)
Dimana : V = Kecepatan air dalam pipa (m/s)
C = Koefisien gesekan (tabel 2)
R = Jari – jari hidrolik (m)
S = Gradien hidrolik (m)
(Ray K. Linsley,1985 :308)
Harga R = 0.25 D
Harga S =
S =
S =
(Sularso,1987 :31)
3. Diameter dalam pipa pesat
Apabila persamaan (1.7) dan persamaan (1.13) digabungkan maka kita