PERENCANAAN TURBIN AIR PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINI HIDRO (STUDI KASUS PROYEK PLTM BULELENG 2 X 600 kW) Asrori1, Eko Yudiyanto2 Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Malang1,2
[email protected],
[email protected]
Abstrak Proyek PLTM (Pembangkit Tenaga Listrik Mini Hidro) Buleleng 2 X 600 kW terletak di sungai Lahunsa, desa Buleleng, kecamatan Bungku Selatan, kabupaten Morowali, propinsi Sulawesi Tengah. Data awal sungai menunjukkan head (H)=60 m, dan debit (Q)=3,5 m3/s. Tujuan perencanaan adalah menentukan jenis dan jumlah turbin yang digunakan, diameter runner serta letak suction head (Hs). Perencanaan berdasarkan perhitungan dari studi literatur dan katalog standar pabrikan. Hasil perencanaan diperoleh: turbin Francis poros horisontal spiral casing sebanyak 2 unit dengan kapasitas 600 kW. Adapun spesifikasi turbin adalah: putaran kerja turbin diambil 1000 rpm, sedangkan kecepatan spesifik dimensional ns= 170,91 (metric) atau ns = 146,686 (SI) dan kecepatan spesifik dimensionless nqe = 0,884 rad, diameter runner turbin francis adalah Do = 0,443 m dan diameter outlet Ds = 0,406 m. Sedangkan batas limit tinggi pusat turbin terhadap tail race atau tinggi tekan hisap (suction head) adalah Hs = 3,811 meter Kata kunci : PLTM Buleleng 2 x 600 kW, Turbin francis poros horisontal, kecepatan spesifik, diameter runner, suction head
1. Pendahuluan Indonesia memiliki sumber daya air yang melimpah. Sungai dan air terjun menyimpan energi yang dapat dimanfaatkan sebagai tenaga pembangkit listrik. Dilatar belakangi oleh krisis energi listrik dan kebutuhan energi yang terus meningkat, maka sumber daya yang ada dimanfaatkan semaksimal mungkin. Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) adalah salah satu pembangkit listrik tenaga air yang menjadi pilihan dimana PLTM memanfaatkan energi air yang memiliki kapasitas aliran yang tidak terlalu besar. Secara umum potensi listrik yang bersumber dari energi terbarukan di luar Jawa cukup besar dan belum dimanfaatkan secara optimal, salah satunya adalah sumber energi tenaga air. Penelitian ini mengambil studi kasus dari proyek PLTM Buleleng 2 X 600 kW, yang terletak di sungai Lahunsa, desa Buleleng, kecamatan Bungku Selatan, kabupaten Morowali, propinsi Sulawesi Tengah. Sebelum proyek pembangunan PLTM direalisasikan tentunya perlu analisa pekerjaan mekanikal yaitu perancangan turbin air yang akan digunakan. Sehingga dari perancangan ini nantinya dapat diperoleh jenis turbin yang optimal. 2. Rumusan masalah Berdasarkan data awal yang diperoleh dari survey dilapangan diketahui tinggi jatuh/Head (H) adalah 60 m – 70 m, Debit (Q): 3,5 m3/s dan rencana lokasi rumah pembangkit (power house): 1000 m diatas permukaan laut. Maka rumusan masalah dari
penulisan ini adalah (a) Jenis turbin apa yang digunakan? Bagaimana spesifikasi turbin (kecepatan putar, kecepatan spesifik dan diameter runner) yang direncanakan? Berapa Tinggi Tekan Hisap (Suction Head) turbin agar tidak terjadi kavitasi? 3. Metodologi Metodologi penelitian yang di lakukan adalah dengan menghimpun informasi lapang sebanyak banyaknya untuk selanjutnya dilakukan perencanaan turbin air yang sesuai dengan kondisi di lapangan. Kegiatan perencanaan didasarkan pada ketersediaan material dan komponen turbin berdasar katalog dan hasil penelitian yang telah ada sebelumnya. 4. Tinjauan pustaka Proses perancangan sebelumnya telah banyak dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Tiap perencanaan diperoleh hasil yang berbeda tergantung dari medan yang ditinjau. Andi Haris Muhammad, dkk. sebelumnya telah merancang Turbin air terapung dengan tipe helical blades. Sinaga (2009) melakukan perancangan turbin air untuk sistem pembangkit listrik tenaga mikro hidro: studi kasus Desa Way Gison, Kecamatan Sekincau, Kabupaten Lampung Barat 5. Proses Perencanaan Pembangkit listrik mini hidro yang direncanakan menggunakan dua (2) turbin secara umum tampak seperti contoh pada gambar 1. Dari data yang tersedia maka head diambil H= 60 m dan
debit yang masuk ke masing-masing turbin adalah Q = 3,5/2 = 1,75 m3/s , dan Daya rencana untuk masing-masing turbin adalah Pr = 1200 kW/ 2 = 600 kW.
Turbin
Penstok
aman dari jenis turbin francis dengan daya turbin sekitar 800 kW. Dengan demikian dapat ditentukan untuk daya rencana turbin 600 kW dapat diterima dalam perencanaan turbin ini.
H = 60 m Q = 1,75 m3/s
Generator Pipa hisap Gambar 1 Skema rumah pembangkit dengan 2 turbin (sumber: Standards/ Manuals/Guidelines For Small Hydro Development, Alternate Hydro Energy Centre, Indian Institute Of Technology, Roorkee) 5.1 Daya Hidrolis (Gross Power) Daya hidrolis adalah daya yang mampu dihasilkan oleh energi air berdasarkan tinggi jatuh (head) dan debit dari aliran air tersebut. Daya hidrolis dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut: Ph = Qd. Hgross (1) Dengan notasi Ph : Daya hidrolis (Watt) : Berat Jenis air (N/m3) = 9810 N/m3 Qd : Debit rencana (m3/s) Hg : Tinggi jatuh kotor (Gross Head) Dari data diperoleh Qd = 3,5 m3/s dan Hg = 60 m, dengan demikian Daya hidrolis dapat diperoleh sebesar, Ph = 9810 (N/m3) x 3,5 (m3/s) x 60 (m) = 2060100 Watt = 2,06 MW 5.2 Penentuan Jenis Turbin Untuk menentukan jenis turbin yang akan digunakan dalam dapat merujuk beberapa grafik empiris yang telah ada, seperti gambar 2, menunjukan daerah penggunaan untuk beberapa jenis turbin berdasarkan Debit vs Head yang divariasi dengan daya keluaran turbin dengan asumsi tingkat efisiensi turbin t = 0,8 (sumber: Sulzer Hydro Ltd., of Zurich). Dari gambar 2 dapat diketahui dengan debit yang masuk setiap turbin adalah Q=1,75 m3/s dan H = 60 m, dengan menarik garis di sumbu x (debit) dan y (head) ditunjukan garis merah putus-putus akan ketemu titik perpotongan (biru) yang merupakan wilayah turbin Standard Francis dan daya keluaran di bawah 1 MW. Berdasarkan gambar 2 dan gambar 3, maka dengan debit Q = 1,75 m3/s dan H = 60 m, akan ketemu di titik (warna biru) yang berada diwilayah
Gambar 2. Grafik daerah penggunaan untuk beberapa jenis turbin berdasarkan Q Vs H (sumber: Dixon, S. L. (1998)
Gambar 3. Grafik pemilihan turbin berdasarkan Q Vs H (sumber: Layman's guidebook’s ,1998) Dalam penentuan posisi poros dari turbin francis secara empiris untuk kapasitas turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) biasanya dirancang dengan tipe poros horisontal. 5.3 Kecepatan Spesifik (ns, nqe) a. Pengaruh dari kecepatan spesifik Kecepatan spesifik (ns,nqe), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Kecepatan spesifik turbin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.
Menurut Layman's guidebooks, 1998 Rumus perhitungan kecepatan spesifik terdapat dua metode yaitu metode analitis dan metode empiris. Metode analitis diklasifikasikan menjadi yaitu dimensionless specific speed (nqe) dan dimensional specific speed (ns). Sehingga dalam penggunaan rumus harus diperhatikan secara hati-hati terutama dalam memasukan satuan dari parameter/variabel yang ada. 1. Metode analitis, yaitu metode yang didasarkan dari penurunan rumus secara matematis, terdiri dari: a. Kecepatan spesifik (ns) yang didasarkan basis power n P , H 1,25 0,5
ns
(2)
b. Kecepatan spesifik/Dimensionless specific speed Ω P n qe
(gH)
ρ
(3)
1,25
Dimana hubungan dari kedua rumus diatas adalah jika ns menggunakan Satuan internasional (SI) dengan daya (P) dalam satuan kW maka ns = 166 nqe. Demikian juga jika ns dihitung menggunakan daya (P) dengan satuan horsepower (HP) maka ns = 193,1 nqe. 2.
H
n P = 10006000,5 = = 146,686 H 1,25 601,25 Dimensionless spesifik speed (nqe) dapat dicari dengan ns = 166 nqe nqe= ns/166 = 146,686/166 = 0,884 rad Berdasarkan rumus empiris, Dimensional spesifik speed turbin francis (persamaan 3) 0,5
ns
ns
Sudu pengarah (guide vanes)
Aliran masuk dari penstock
Aliran keluar melalui draft tube Poros Spiral casing
sudu jalan (Runner)
0,854
Dengan notasi ns adalah kecepatan spesifik, (dimensional),nqe:kecepatanspesifik (dimensionless), satuan radian (rad), n:Putaran turbin (rpm), : kecepatan angular (rad/s), P: Daya turbin (kW), Q: Debit (m3/s), H: Head efektif (m), : Massa jenis air (1000 kg/m3), g: percepatan grafitasi (9,81 m/s2)
a. Konstruksi Turbin Francis Konstruksi turbin terdiri dari dari sudu pengarah dan sudu jalan, dan kedua sudu tersebut, semuanya terendam di dalam aliran air. Air masuk dari penstock ke terusan berbentuk rumah keong (spiral casing). Perubahan energi seluruhnya terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak. Aliran air masuk ke sudu pengarah dengan kecepatan semakin naik dengan tekanan yang semakin turun sampai roda jalan, pada roda jalan kecapatan akan naik lagi dan tekanan turun sampai di bawah 1 atm. Untuk menghindari kavitasi, tekanan harus dinaikan sampai 1 atm dengan cara pemasangan pipa hisap (draft tube). Pengaturan daya yang dihasilkan yaitu dengan mengatur posisi pembukaan sudu pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke roda turbin dapat diperbesar atau diperkecil. Mekanisme kerja dari turbin francis dengan poros horisontal dapat dilihat pada gambar 4 berikut,
(4)
Metode empiris yaitu rumusan yang didasarkan dari hasil pengujian di lapangan dan biasanya berlaku khusus serta dalam kondisi tertentu, contohnya Dimensional spesifik speed turbin francis; 3763 (5) n s
menentukan dimensi utama dari jantera (runner) turbin yang telah ditentukan. Ada beberapa hal yang mempengaruhi dalam perancangan turbin diantaranya adalah batas kavitasi (limit cavitation), kecepatan putar (rotational speed), kecepatan spesifik (specific speed) dan lain-lain.
Gambar 4 Prisip kerja turbin francis (sumber: http://www.crayonpedia.org/mw/bab_21_klasifikasi _ turbin_air_sunyoto) b. Perhitungan dimensi Runner Gambar runner turbin francis dapat dilihat pada gambar 5 dibawah, sedangkan untuk menentukan dimensi runner turbin francis ini ada 3 diameter utama seperti tampak dalam gambar 6.
3763 = 114,023 H 0,854
5.4 Perancangan Awal Turbin (Preliminary design) Dalam perancangan awal ini akan dilakukan perhitungan secara matematis guna
Gambar 5 Runner pada turbin francis Dari nilai ns yang telah dihitung dapat diprediksi tipe sudu dari turbin francis, lihat pada gambar 6, sehingga dengan demikian dengan ns =
146,686 termasuk turbin francis sudu kecepatan normal.
Dengan ns = 146,686 diperoleh nilai vos= 0,620 dan voe= 0,675 sedangkan data untuk H = 60 m dan n = 1000 rpm, sehingga diameter runner dapat dihitung, Do
60 v oe 2gH = 60 x 0,675 2 x9,81x60 πn 3,14x1000
= 0, 443 m Sedangkan diameter outlet (Ds) adalah 60 v os 2gH = 60 x 0,620 2 x9,81x60 Ds πn 3,14x1000 = 0,406 m
Gambar 6. Pengaruh ns terhadap bentuk sudu turbin reaksi (sumber: Layman's handbook,1998). Untuk dapat menghitung dari ukuran diameter turbin dapat dilihat gambar berikut Ds
c. Kavitasi dan peletakan turbin Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi korosif (lubang-lubang kecil) dan suara yang berisik sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak turbin. Untuk itu perlu ada analisis perhitungan kavitasi terlebih dahulu. Tujuan analisis ini adalah untuk mencari letak turbin terhadap tail race atau ketinggian Hs (Head Suction), nilai Hs harus positif karena bila negatif akan menyebabkan kavitasi. Dengan kata lain turbin harus terletak dibawah tinggi tekanan isap. Nilai Hs dipengaruhi oleh kecepatan spesifik turbin dan putaran turbin.
Do
Hs v
Gambar 8 Letak head suction turbin Gambar 7. Skema runner turbin francis, Ds = diameter outlet dan Do = diameter runner (sumber: Layman's handbook,1998) Perhitungan diameter runner (Do) dan diameter Outlet (Ds) dapat dihitung menggunakan rumus: Layman’s guidebook, (1998); Do
Ds
60 v oe 2gH πn
60 v os 2gH πn
(6)
Peletakan dari runer turbin pada kecepatan spesifik yang berbeda diukur berdasarkan suatu angka yang disebut “koefisien kavitasi” atau “koefisien thoma” (). Untuk penentuan “koefisien kavitasi” dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut; 1. Berdasarkan analisis rumus bernoulli (ESHA 2004) NPSH (8) gH
(7)
Dengan notasi Do : diameter runner [m] , Ds : diameter outlet [m], voe : koefisien kecepatan masuk [m/s], vos : koefisien kecepatan keluar [m/s], n : putaran turbin [rpm], g : percepatan gravitasi 9,81[m/s2], H : Head bersih [m]
Dimana NPSH adalah Net Positive Suction Head, yaitu; P Pv v 2 (9) NPSH atm Hs ρ 2 Dengan: Patm : tekanan atmosfir Pv : tekanan uap air [Pa] : massa jenis air [kg/m3] v : kecepatan rata-rata keluar di tailrace
H : Heat bersih [m] Hs : Head buang (suction head) Sehingga dari persamaan 6 dan 7 diperoleh, P P v2 (10) Hs atm v σH ρg 2g Karena Patm/g = Hatm , Pv/g = Hv dan kehilangan energi pada kecepatan keluar di abaikan (v2/2g = 0), maka pers. 8 menjadi, (11) HS H H H atm v Dengan notasi : koefisien kavitasi (koefisien thoma) Hatm: tinggi tekan atmosfir (m) Hv : tinggi tekan uap air (m) Hs : jarak antara pusat turbin terhadap titik kritis permukaan tailwater (m) Berdasarkan rumus empiris “koefisien thoma” untuk turbin francis menurut layman’s guidebooks “on how to develop a small hydro site”, adalah 1,41 (12) σ 7,54 x10 5 x n s Perhitungan jarak minimum terhadap tail race (Hs)
pusat
turbin
Untuk memperhitungkan jarak minimum Hs agar aman dari adanya kavitasi selain diketahui “koefisien kavitasi” juga diperlukan ada data-data dukung, antara lain: Tinggi tekanan atmosfir satuan mka (meter kolom air) yaitu posisi dimana turbin dipasang yang diukur dari permukaan air laut (Hatm) dan Tinggi tekan uap air dalam satuan meter dimana besarnya tergantung oleh temperatur air yang melewati turbin (Hv ). Dengan demikian apabila rumah pembangkit/turbin dipasang pada ketinggian 1000 m diatas permukaan air laut maka berdasarkan Standards/Manuals/Guidelines For Small Hydro Development Indian Institute Of Technology, pada nilai Hatm= 9,180 m, sedangkan temperatur air diasumsikan adalah 20 oC maka diperoleh Hv = 0,239 m. Putaran spesifik yang diambil adalah ns= 146,686 (SI) dan nqe = 0,884 rad, Head bersih = 60 m. Maka koefisien kavitasi () adalah 1,41 σ 7,54 x10 5 x n s = 0,085 Sedangkan tinggi Hs adalah Hs=Hatm-Hv-H=9,180-0,239–(0,085x60) =3, 811 meter 6. Kesimpulan Berdasarkan perhitungan perencanaan yang dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut: a. Dari perhitungan daya hidrolis rencana pembangunan pembangkit listrik tenaga mini hidro dengan kapasitas 1,2 MW bisa dilakukan karena nilainya masih dibawah dari potensi daya dari aliran sungai (daya hidrolis) yang ada 2,06 MW. b. Berdasarkan analisa tersebut di atas maka rekomendasi awal untuk pemilihan jenis turbin
c.
d.
yaitu menggunakan turbin francis poros horisontal [m] spiral casing. Dengan spesifikasi putaran turbin diambil 1000 rpm, sedangkan kecepatan spesifik dimensional ns= 170,91 (metric) atau ns=146,686 (SI) dan nqe= 0,884 rad Dari perhitungan diperoleh diameter runner turbin francis adalah Do = 0,443 m dan diameter outlet Ds = 0,406 m Dari perhitungan diperoleh batas limit dari tinggi pusat turbin dengan tail race adalah Hs = 3,811 meter
6. Saran Dalam proses perencanaan sebaiknya perlu diperhitungkan ketersediaan komponen dan material turbin sehingga kedepan dalam proses pelaksaan pembuatan tidak akan mengalami persoalan ketidak tersediaan bahan. Selanjutnya untuk menghasilkan perencanaan yang matang perlu dilakukan survay lapangan yang lengkap untuk memvalidasi perhitungan yang benar-benar sesuai dengan kondisi di lapangan. 7. Daftar pustaka Andi Haris, Muhammad, Abdul Latief Hadi, Wayan Terti, 2009, Studi Eksprimental Perancangan Turbin Air Terapung Tipe Helical Blades, Jurnal Penelitian Enjiniring, Vol 12, No 2 (2009) Barrows, S.B., 1943. Water Power Engineering, Third Edition, Fourth Impression, McGrawHill Book Company, Inc., New York and London. Dixon,S.L.1998, Fluid Mechanics, Thermodynamics of turbomachinery, Fourth Edition, in WMetric units , Pergamon Press Ltd, USA. European Small Hydropower Association(ESHA 2004). Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant Hydropower Eqiupment and Generation Stations, Version 2 CE IIT, Kharagpur, India Jorfri B. Sinaga (2009): Perancangan turbin air untuk sistem pembangkit listrik tenaga mikro hidro: studi kasus Desa Way Gison, Kecamatan Sekincau, Kabupaten Lampung Barat Jurnal sains dan inovasi Penerbit : Lembaga Penelitian Universitas Sang Bumi Ruwa: Volume : 5 No : 1 Halaman : 57-64 Layman's guidebooks, 1998 .“on how to develop a small hydro site” second edition Standar Nasional Indonesia SNI05 -3030 -1992. Istilah Penamaan Turbin Air Skala Kecil Standards/Manuals/Guidelines For Small Hydro Development, Alternate Hydro Energy Centre, Indian Institute Of Technology, Roorkee William P. Creager and Joel D. Justin, 1950, Hydroelectric Handbook Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York
