perancangan turbin pelton
Transcript of perancangan turbin pelton
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Turbin Air
Teori dasar aliran ( Hidrodinamik ) adalah Air yang mengalir mempunyai
energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat
tenaga air dibangun disungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan. Pusat
tenaga air teersebut dapat dibedakan dalam 2 golongan, yaitu pusat tenaga air
tenakan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah.
Menurut M.M. Dandekar “Turbin air merupakan jenis mesin fluida yang
berfungsi merubah energi air menjadi energi listrik dimana air digunakan secara
langsung untuk mengerakan roda turbin (runner)”.
Menurut sejarah turbin sekarang ini berasal dari kincir air pada zaman
petengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan keperluan pabrik gandum.
Tetapi disamping pemikiran dasar Turbin moderen merupakan kemajuan
teknologi dari cabang – cabang bidang teknik seperti mekanika zat cair, ilmu
logam dan mekanika teknik.
Penemuan turbin air merupakan penemuan yang berarti dalam pengembangan
tenaga air. Bentuk turbin modern yang sekarang digunakan adalah rancangan dari
Francis (1849), Pelton (1890) dan Kaplan (1913). Menghubungkan turbin dengan
6
7
generator merupakan kemajuan yang berarti sekali bagi pusat Pembangkit Listrik
Tenaga Mikro Hydro. (Kasra Nofri , 2005 : 1). Pembangkit listrik tenaga mikro
hydro merupakan pembangkit listrik yang sangat tergantung pada ketersediaan air
yang mengalir (debit air). Bervariasinya tegangan yang dihasilkan lebih banyak
disebabkan karena bervariasinya debit air yang mengalir. Enoh (1997),
mengatakan bahwa variasi tegangan dapat saja direduksi dengan menambahkan
pemanas yang akan mengkonversikan energi listrik menjadi panas. Tentunya ini
tidak efisien dan mempunyai banyak kelemahan.
Turbin air merubah energi pontensial air menjadi energi kinetik, dimana
energi kinetik diperoleh dari tekanan tinggi air jatuh yang mengalir pada
ketinggian tertentu.
2.2 Klasifikasi Turbin Air
Klasifikasi turbin air dapat dibedakan berdasarkan :
2.2.1 Berdasarkan Prinsip Kerja
a. Turbin impuls
Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang
keluar dari nosel tekananya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya.
Pada turbin impuls, air dari sebuah bendungan / dam dialirkan melalui
pipa pesat ( penstock ) , kemudian melalui mekanisme pengarah dan
terakhir melewati nozzle. Air yang keluar dari nosel mempunyai kecepatan
tinggi membentur sudu turbin, sehingga arah kecepatan aliran berubah.
8
Maka terjadilah perubahan momentum ( impuls ) yang mengakibatkan
roda turbin akan berputar.
Yang termasuk dari jenis turbin impuls adalah
1. Turbin pelton
2. Turbin banki (cross-flow)
b. Turbin reaksi
Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya
sebagian saja yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap
dalam bentuk energi tekan. Ketika air mengalir melalui roda gerak / runner
terjadi perubahan energi tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-
angsur. Tekanan pada sisi masuk roda gerak lebih tinggi dibandingkan
tekanan pada sisi keluar roda gerak turbin, dimana tekanan tersebut
bervariasi terhadap laju aliran fluida yang melalui turbin. Selanjutnya agar
perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka soda gerak/runner dalam hal ini
harus tertutup dari udara luar dan seluruhnya terisi air selama turbin
beroperasi.
Yang termasuk dari turbin reaksi adalah
1. Turbin francis
2. Turbin Kaplan dan propeller
9
2.2.2 Tinggi tekan
Perbedaan kemiringan (elevasi) dari muka air ke hulu dan ke hilir dari turbin
adalah tinggi tekan (head), dibawah tinggi tekan tersebut turbin berfungsi. Dimana
tidak ada muka air bebas, perbedaan antara jumlah seluruh tenaga pada kedua sisi
turbin, memberikan suatu ketinggian. Turbin bekerja dibawah suatu wilayah yang
luas dengan tinggi tekan dari 2 meter sampai 2.000 meter. Berdasarkan wilayah
tersebut, diadakan penggolongan turbin. Mosoyi memaparkan tersebut, sebagai
berikut :
- Tinggi tekan rendah 2 – 15 meter
- Tinggi tekan sedang 15 – 50 meter
- Tinggi tekan tinggi > 50 meter
Dengan memodifikasi ruang lingkupnya guna menjelaskan pemilihan turbin yang
ada hubungannya dengan tinggi air. Dengan demikian :
- Tinggi tekan rendah 2 – 15 m, menggunakan turbin Kaplan
- Tinggi tekanan sedang 16 – 70 m, menggunakan turbin francis
- Tinggi tekan tinggi 71 – 500 m, menggunakan turbin pelton
- Tinggi tekan sangat tinggi > 500 m, menggunakan turbin pelton
dengan berbagai modifikasi penyusuaian.
2.2.3 Arah Aliran
Ketiga arah ortogonal pada aliran dalam turbin dapat uraikan sebagai aliran
radial, aksial dan tangensial, sementara dalam perencanaan ini menghasilkan arah
radial dan tangensial. Tabel 2.1 adalah ringkasan dari arah aliran yang umumnya
terjadi pada turbin yang biasa di gunakan.
10
Tabel 2.1. Jenis - Jenis Arah Aliran Turbin Air
Jenis turbin Arah aliran
Francis Radial atau gabungan
Pelton Tangensial
Kaplan Aksial
Cross – Flow Radial
Deriaz Diagonal
(Sumber : Pembangkit Listrik Tenaga Air ; M.M. Dandekar, hal 396)
2.2.4 Debit
Turbin dapat juga disebut sebagai turbin debit rendah, sedang dan tinggi,
turbin Pelton untuk ukuran perbandingan adalah turbin dengan debit relatif
rendah. Turbin Kaplan merupakan turbin dengan debit tinggi, sementara Francis
merupakan turbin dengan debit sedang.
2.2.5 Tenaga
Tenaga sebuah turbin dapat dinyatakan dengan tenaga kuda. Tenaga yang
dikeluarkan bagaimanapun, tergantung dengan head maupun debit. Sejauh itu,
satu unit turbin Pelton adalah > 330.000 tk, turbin Kaplan > 150.000 tk, dan
turbin Fancis > 820.000 tk.
11
2.2.6 Kecepatan Spesifik
Kecepatan specifik ( specific speed ) adalah kecepatan turbin model yang bekerja
pada tinggi air jatuh. Table 2.2 menujukan penggolongan turbin-turbin atas dasar
kecepatan spesifik.
Tabel 2.2. Kecepatan Spesifik Turbin Air
Kecepatan specifik
(ns)
Jenis turbin
4 - 35 Pelton dengan 1 nosel
17 – 50 Pelton dengan 2 nosel
24 - 70 Pelton dengan 4 nosel
80 - 120 Francis dengan kecepatan rendah
120 - 220 Francis dengan kecepatan normal
220 - 350 Francis dengan kecepatan tinggi
350 – 430 Francis dengan kecepatan sangat tinggi
300 - 1000 Kaplan
(Sumber : Hydraulic Turbines; Miroslav Nechleba hal. 80)
2.3 Kontruksi Turbin Air
12
2.3.1 Turbin Francis
Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu
air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja didalam
sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi dimanfa-
atkan atau bekerja didalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan
energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Didalam
pipa isap kecepatan aliran akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik,
sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti
keadaan sekitar. Sudu pengarah pada turbin Francis berupa sudu pengarah yang
tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Dalam berbagai kondisi
aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang
tepat.
Jenis konstruksi turbin ini pertama kali dibuat sekitar tahun 1950 oleh
seorang Amerika yang bernama Howk dan Francis, turbin ini yang paling banyak
dipakai, karena tinggi air jatuh dan kapasitasnya yang paling sering didapat /
sesuai dengan kebutuhan. Dari hasil penggunaan dan penelitian yang terus
menerus untuk pengembangan selanjutnya, turbin Francis sekarang sudah bisa
digunakan untuk tinggi air jatuh sampai 700 meter dengan kapasitas air dan
kecepatan putar yang sudah memenuhi harapan.
13
Gambar 2.1. Kontuksi Turbin Francis; Escher Wysss(Sumber : Turbin Pompa Dan Kompresor; Dietsel Fritz, Dakso sriyono, hal: 45)
Keterangan :
1. Roda jalan
2. Cincin labirin
3. Cincin labirin kontra
4. Cincin jet arang
5. Pipa kuras
6. Pengumpul minyak yang
berputar
7. Blok bantalan
8. Bantalan penghantar
9. Saluran aliran kompensator
10. Bordes pelayanan
11. Poros turbin
12. Kopling
13. Poros hantar
14. Tabung penutup poros
15. Titik tangkap servomotor
16. Cincin pengatur
17. Tuas
14
18. Batang penggerak
19. Cincin hantaran
20. Roda penghantar
21. Tutup turbin
22. Tabung block bantalan atas
23. Cincin penutup roda bantalan
tengah
24. Cincin penutup roda
pengarah
25. Daun sudu pengarah
26. Tutup turbin bawah atau
cincin roda pengarah
27. Saluran udara pipa isap
28. Pipa isap
29. Rumah keong
30. Sudu penyangga
31. Cincin sudu penyangga
Penjelasan turbin Francis dengan daya kecil, gambar 2.1 sebagai berikut :
Air masuk melewati ruah keong (29) yang telah di perkuat dengan sudu-
sudu penyangga (30). Disebelah kanan adalah daun sudu pengarah (25) atau yang
biasanya disebut sebagai sudu pengarah saja. Posisi membuka dan menutup sudu
tersebut digerakan melalui batang penggerak (18), tuas (17) dan cincin pengatur
(16) sesuai dengan banyak atau sedikitnya air masuk kedalam turbin. Untuk
penutupan aliran air yang masuk kedalam turbin tiba-tiba, supanya tekanan
didalam rumah keong dan pipa saluran tidak naik, maka pelimpahan/saluran aliran
kompensator (9) dapat terbuka dalam waktu yang singkat. Cincin labirin (2) dan
(3) dan juga cincin jat arang (4) pada prinsipnya mencegah jangan sampai air
masuk keruangan yang lain-lainnya, kecuali hanya masuk ke sudu pengarah dan
dan sudu jalan ; air yang keluar dari sudu pengarah mempunyai tekanan lebih.
15
Roda jalan dengan poros dan dengan rotor generator ditahan atau dipikul bantalan
(8) adalah sebagai bantalan penghantar radial.
2.3.2 Turbin Kaplan Dan Propeller
Pada turbin Kaplan roda gerak (runner) menyerupai ulir atau sebuah
baling-baling yang terdiri dari pusat pada periphery, dimana baling-baling
lengkung dinaikan. Baling-baling turbin Kaplan bervariasi antara 3 – 8 tergantung
pada jangkauan (range) kecepatan spesifik. Baling-baling berbentuk sebuah badan
beronggga semikonikal permukaan luar dimana menjadi batas dari pemasukan
(passage) air. Didalam poros terdapat corong (shaft) turbin. Dalam hal (case)
turbin kaplan, rumah-rumah poros penyelesaian mekanikal yang otomatis
mengubah dayung tergantung pada beban.
Pada saat bekerja turbin ini bisa diatur posisinya, sesuai dengan peruba-
han tinggi air jatuh, jadi turbin ini cocok untuk pusat air jatuh yang dibangun
disungai. Dimana makin kecil tinggi air yang tersedia, makin sedikit belokan
aliran air didalam sudu jalan. Turbin ini bekerja pada air jatuh yang berubah –
ubah mempunyai kerugian, karena dalam perencanaan sudu turbin telah
disesuaikan bahwa perpindahan energi yang baik hanya terjadi pada titik normal
yaitu pada kondisi perbandingan kecepatan dan tekanan yang tertentu.
16
Gambar 2.2 Kontruksi Turbin Kaplan(Sumber : Turbin Pompa Dan Kompresor; Dietsel Fritz, Dakso sriyono, hal: 57)
2.3.3 Turbin Crossflow
Turbin crossflow merupakan turbin air yang di kenal dengan nama turbin
michell-banki sesuai dengan nama penemunya. Turbin crossflow dapat
dioperasikan pada debit 20 liter/second sampai 10 m³/det, dan antara 1 s/d 200
meter.
Turbin crossflow terdiri dari tiga bagian utama, yaitu roda jalan, alat
pengarah dan rumah turbin. Dari alat pengarah pancaran air keluar tegak lurus.
Roda jalan dan alat pengarah dibagi menjadi 2 buah sel tegak lurus tidak sama
dengan perbandingan 1 : 2, maksudnya adalah bila aliran air kapasitasnya sedikit
maka yang dioperasikan adalah sel kecil, bila kapasitas air sedang maka yang
17
dioperasikan sel yang besar dan bila airnya banyak maka turbin akan bekerja
dengan kedua sel tersebut.
Gambar 2.3 Turbin Crossflow(Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf)
2.3.4 Tubin pelton
Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang berputar karena adanya
pancaran air yang disemprotkan dari nosel. Pancaran air akan mengenai sudu di
tengah-tengahnya dan sesuai dengan pertimbangan tempatnya air pancar tersebut
akan belok ke dua arah supaya ada kemungkinan mambaliknya air bisa diarahkan
tegak lurus. Turbin ini bisa terdiri dari 1 s/d 6 buah nosel untuk memutar roda
jalan (runner). Turbin ini sangat cocok digunakan untuk head tinggi, tetapi tidak
jarang juga digunakan untuk head rendah yang biasanya disebut Turbin Pelton
Mikro. Turbin pelton mikro berkapasitas jauh lebih kecil daripada turbin pelton.
Mikro menunjukan ukuran kapasitas pembangkit yaitu antara 5 kW sampai 100
kW.
18
Turbin ini terdiri dari sebuah piringan lingkaran pada pinggir-pinggirnya
(periphery), sebuah nomor dari dua lobe keranjang dimontase (mounted). Pada
desain-desain terdahulu tiap keranjang (bucket) dikukuhka ditengah piringan. Saat
ini runner dibuah secara menyeluruh sehingga menjadi lebih mahal. Aspek ini
bagian yang sangat penting dari roda ,tentu saja keranjang tersebut dari mana
pancaran jet memancar dan air memancar sebagai aliran simetri ke dalam tiap
lobe dari keranjang. Keadaan simetri ini menegaskan bahwa tidak ada momen
pada arah aksial dan kedua tidak ada kekuatan aksial pada shaft bearings.
Gambar 2.4 Kontruksi Turbin Pelton(Sumber : Turbin Pompa Dan Kompresor; Dietsel Fritz, Dakso sriyono, hal 30)
2.4 Karakteristik Turbin Air
Turbin air adalah suatu pesawat tenaga, dimana air merupakan media utama
sebagai sumber energi yang diubah sedemikian rupa sehingga didapatkan energi
mekanis. Adapun uraian singkat konveksi energinya digambarkan seperti dibawah
ini :
19
Secara singkat dapat dijelaskan sebagai berikut : air mengalir dari tempat yang
tinggi menuju ketempat yang lebih rendah, dalam hal ini air memiliki energi
potensial. Dimana air mengalir didalam pipa sehingga energi potensial sedikit
demi sedikit berubah menjadi energi kinetik. Didalam turbin energi kinetik air
diubah menjadi energi mekanis, dimana air yang mengalir ketinggian tertentu
didalam pipa menabrak sudu-susu turbin, kemudian memutar roda turbin.
Turbin air disebut juga sebagai pesawat air, dimana air dapat dikatakan secara
langsung memutar poros dari pada rotor, jadi bertentangan atau berbeda dengan
motor bakar atau mesin uap, dimana diperlukan hubungan antara peralatan gerak
untuk mengembangkan momen putar. Adapun bagian-bagian utama dari turbin air
adalah sebagai berikut :
a. Rotor adalah bagian yang berputar yang terdiri atas poros, runner dan
sejumlah sudu. Pada sudu-sudu inilah energi kinetik air diubah menjadi
energi mekanis.
b. Stator adalah bagian yang diam , terdiri dari rumah turbin dan beberapa
sudu tetap / nozzle.
Energi mekanis
Energi kinetik
Energi
20
Kurva-kurva karakteristik turbin dinyatakan penampilan dari turbin diatas daerah
muatan sepenuhnya dari turbin. Hal ini biasa untuk menggambarkan kurva-kurva
debit dan effisiensi dibandingkan kecepatan pada suatu tinggi tetap. Karakteristik
utama turbin air dapat dilihat pada gambar 2.5 dibawah ini.
Gambar 2.5 Karakteristik Utama Turbin(Sumber : Pembangkit Listrik Tenaga Air; M.M. Dandekan, K.N.Shalma, hal: 446)
Adapun karakteristik dari turbin air adalah :
2.4.1 Kecepatan Spesifik
Kecepatan spesifik atau cepat jenis ( specific speed ) adalah kecepatan
turbin model yang bekerja pada tinggi jatuh 1 meter dan menghasilkan daya
output 1 Hp. Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut
:
N s=N .√P t
H 1,25 ................................................................ 1.1
kaplan
Kecepatan
Turbin ReaksiTurbin impuls
Francis
Dayagunnna/efisiensi
Pelton
Debit
21
Dimana :
N s=¿ Putaran specifik turbin
N=¿ Putaran turbin
H = Head effektif air
Pt = daya turbin effektif
Kecepatan spesifikasi (N s ) merupakan suatu istilah yang dipakai untuk
mengelompokan turbin atas unjuk kerja dan ukuran pertimbangannya diantar
jenis, Pelton, Francis, Propeller atau Turbin Aliran Silang.
Untuk pemakaian keceptan spesifik dimana tinggi terjun kerja, debit dan
putaran turbin yang dikehendaki sudah diketahui, kemudian apakah turbin pelton
tersebut ,menggunakan 1 nosel atau lebih dapat diketahui pada Tabel 2.2, kisaran
penggunaan nosel pada turbin Pelton berdasarkkan harga – harga kecepatan
spesifik.
2.4.2 Kecepatan Satuan
Kecepatan satuan (Nu) adalah kecepatan putaran turbin yang mempunyai
diameter (D) satu satuan panjang dan berkeja pada tinggi terjun (H) satu satuan
panjang.
2.4.3 Rasio Kecepatan
Rasio kecepatan adalah perbandingan kecepatan keliling linier turbin pada
ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air dengan tinggi
22
jatuh melalui curat dengan tinggi jatuh sama dengan tinggi jatuh yang berkerja
pada turbin.
2.4.4 Daya Satuan
Daya satuan yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan
berkeja pada tinggi terjun (H) satu satuan panjang.
2.4.5 Debit Satuan
Debit satuan adalah debit turbin yang mempunyai diameter satu satuan
panjang dan berkerja pada tinggi jatuh satuan panjang. Debit yang masuk turbin
secara teoritis dapat diandalkan sebagai debit yang melalui suatu nozel dengan
tinggi jatuh sama dengan dengan tinggi jatuh yang berkerja pada turbin.
2.5 Effisiensi Turbin
Setiap turbin mempunyai effisiensi yang berbeda-beda, tergantung dari
keadaan beban dan jenis turbinya. Kinerja dari suatu turbin dapat dinyatakan
dalam beberapa keadaan tinggi jatuh maksium, tinggi jatuh minimum, tinggi jatuh
normal, dan tinggi jatuh rancangan. Pada tinggi jatuh rancangan turbin akan
member kecepatan terbaiknya sehingga effisiensinya mencapai maksimum. Tabel
2.3, menunjukan effisiensi turbin berbagai kondisi beban.
23
Tabel 2.3 Effisiensi Turbin Untuk Berbagai Kondisi Beban
Jenis turbin Ns
% efisiensi pada berbagai
kondisi beban % beban pada efisiensi
maksimum0,25 0,50 0,75 1,00 Max
Pelton 22 81 86 87 86 87,1 70
Francis 75 62 83 88 83 88 75
Francis 110 60 85 90 84 90,2 80
Francis 220 59 83 90 85 91,5 85
Francis 335 54 82 91 86 91,0 87,5
Francis 410 47 71,5 85 87 91,5 92,5
Francis 460 55 74,5 86,5 86 92,5 92
Propeller
(sudu tetap)
690 45 70 84,5 82 91,5 92
Propeller
(sudu tetap)
800 32 59 78 84 88 96
Propeller
(sudu diatur)
750 83,5 91 91,5 87 91,6 70
(Sumber : Hydrolictric Handbook; William P.Creager And Joel)
2.6 Kecepatan Lepas
Kecepatan lepas ( the runaway ) suatu turbin adalah kecepatan putar turbin
tanpa beban dan tidak ada kondisi pengaturan. Kecepatan maksimum yang
mungkin terjadi dinamakan kecepatan lepas maksimum.. Pada turbin yang
memiliki rotor yang dapat digerakkan, ini akan terjadi bila kedudukan sudu rotor
24
(runner blade) dan baling-baling antar ( guide vane ) yang berbeda-beda dan tak
ada hubungannya satu sama lain. Apabila tinggi jatuh air berubah - rubah, maka
dipakai kecepatan lepas yang terbesar yaitu sesuai dengan H yang terbesar. Pada
umumnya, kecepatan lari adalah 1,85 - 2 kali kecepatan putar normal ( kecepatan
putar yagn direncanakan ) untuk turbin Pelton, 1,6 - 2,2 kali untuk turbin Francis,
1,8 - 2,3 kali untuk turbin aliran diagonal, dan 2,2 - 3,2 kali untuk turbin Kaplan.
2.7 Ukuran Turbin
Kecendrungan sekarang adalah menggunakan turbin yang semakin besar.
Salah satunya alasan pokok adalah bahwa effisiensi hidroulik semakin meningkat
karena ukuranya. Pada umumnya lebih hemat menggunakan unit-unit yang
ukurannya lebih besar. Ukuran dan jumlah turbin harus dipilih secara bijaksana
sehingga dapat member kondisi kerja yang optimum dan hemat pula. Jika
mengambil terlalu besar ukuranya, kerugian dari sebuah unit dapat mengganggu
beban. Untuk mesin tingkat permukaan air yang tinggi, masalah kebocoran dapat
mengganggu katup-katup maupun segel antara penggerak (runner) dan
selubungnya. Table 2.4 ukuran turbin yang berhubungan dengan tinggi air, tenaga,
ukuran, dan kecepatan khusus.
25
Tabel 2.4 Ukuran Turbin
Jenis turbin
Maks.
Ketinggian
(m)
Maks.
Tenaga
(tk)
Maks.
Diameter roda
(m)
Kecepatan
khusus
Pelton
Francis
Kaplan
300 – 200
30 – 500
2 - 70
3.30.000
9.60.000
300
5,5
10
10
3– 70
60 – 400
300 - 1100
(Sumber : Pembangkit Listrik Tenaga Air; M.M. Dandekan, K.N.Shalma, hal 400)
2.8 Pengaturan Turbin
Kondisi dasar yang dipenuhi pada penggerak turbin-turbin adalah bahwa
frekuensi dari pembangkit diusahakan tetap. Hal ini dapat dicapai dengan dua cara
yaitu :
1. Dengan mempertahankan kecepatan tetap, terlepas dari beban yang ada
pada mesin.
2. Dengan menggunakan suatu penurunan sedikit dari kecepatan, tidak lebih
dari 5%, antara tanpa beban dengan beban penuh dan dengan mengatur
beban pada mesin yang sesuai. Metode ini sesuai bila ada suatu baterai
dari mesin-mesin berkerja secara parallel yang member tenaga untuk
jaringan umum.
Syarat-syarat dasar dari pengaturan adalah ketepatan dan ketelitian operasi
yang tetap dan mantap, stabil dibawah kondisi-kondisi sementara, dinyatakan oleh
kekurangan hunting. Hunting adalah suatu gejala yang terjadi apabila gerakan
26
pintu kecil tidak diperiksa secara tertutup, jadi perubahan yan terus-menerus
secara berkala dari pembukaannya mengambil tempat. Di samping hal itu, ada
suatu pembatasan pada waktu penggerak pengaturan secepat perubahan-
perubahan pada aliran yang menimbulkan tekanan-tekanan pukulan air pada
batang pipa. Sebagai pengaturan jempol (thumbrule) untuk perencanaan, tekanan
lebih biasanya sekitar 10 - 15% dari tekanan bersih (net head) untuk turbin-turbin
dengan tinggi tekan yang tinggi dan 40% untuk tinggi tekan rendah.
2.8.1 Pengaturan Hindraulik
Pengaturan hindraulik merupakan pengaturan kecepatan atau pengaturan
tenaga, pengaturan sebenarnya terdiri di dalam jalur debit dari turbin yang
diperiksa pemasukan turbin. Hal itu dilakukan oleh ujung-ujung katup ke turbin
pelton dan oleh penutupan dan pembukaan dari pintu-pintu ukuran kecil pada
kasus dari turbin Francis dan Kaplan. Pada kasus dari pengeluaran beban yang
tiba-tiba, aliran air ke turbin telah dipancarkan keluar dari turbin secara berkala,
sampai penempatan dari katup memakai sejumlah detik ini dicapai oleh sebuah
lempengan pembelokan pada turbin pelton dan oleh sebuah katup penolong yang
ada pada turbin reaksi.
2.8.2 Pengaturan Kelistrikan
Pengaturan kelistrikan memakai sirkuit-sirkuit listrik yang ditempatkan
pada peralatan-peralatan menkanika. Pengaturan unit listrik terdiri dari sekumpu-
lan penyambung-penyambung pencegah, amplifer-amplifer pemilih dan peralatan
27
listrik lainnya yang mencapai fungsi-fungsi yang sama sebagai pengangkat pada
pengaturan hidromekanika. Timbulnya kedatangan pengaturan listrik telah
menimbulkan masalah dari pengaturan turbin-turbin diperlukan dasar yang lebih
besar. Selain dari unit pengaturan, sebuah pusat tenaga pengaturan yang lebih luas
tergantung dari frekuensi jaringan yang sekarang dapat dicapai.
2.9 Kavitasi
Kavitasi adalah suatu gejala fisik yang dialami oleh aliran cairan, kapan saja
tekanan umum mendekati tekanan uap, misalnya pada kondisi hampa udara. Pada
saat tekanan turun menjadi tekanan uap , air mulai menguap pada saat yang sama,
gas-gas yang larut secara normal juga mulai menjadi bebas sehubungan dengan
tekanan rendah. Jadi, pada air yang mengalir, gelembung-gelembung kecil
(minute microscopic bubbles) terbentuk yang berisi uap dan gas. Gelembung –
gelembung tersebut muncul terus secara umum dan dalam jumlah yang besar.
Gelembung tersebut dapat melekat pada permukaan padat dan membentuk suatu
rongga dekat permukaan atau bisa terangkut besama aliran melalui daerah-daerah
dimana tekanan yang tinggi mungkin terjadi. Bila tekanan yang lebih tinggi
menjadi cukup tinggi untuk mengatasi dampak dari tegangan permukaan dari
gelembung rongga, gelembung berubah dengan suatu perubahan yang cepat dalam
aliran pada daerah kecil mengelilingi aliran. Hasil dari pecahan gelembung
merupakan suatu gelombang kejut yang sama dengan pukulan gelombang air,
tetapi dengan suatu priode yang sangat pendek dan hanya mempengaruhi sebuah
ruang pendek, sebelum itu ditekan oleh sejumlah masa air yang mengelilinginya.
28
Pada turbin-turbin kerusakan akibat kavitasi disebut sebagai pelubangan (pitting ),
diperkirakan terjadi pada pipa-pipa sementara dan pada lorong penggerak. Pada
turbin pelton, kerusakan akibat pengikisan pada kran ( nozzle ) dan pada ujung
katup.
Perlubangan pada turbin dapat dihindari atau dicegah dengan cara :
1. Suatu perencanaan yang langsing dan sebaik-baiknya dari lintasan aliran
dari penggeraknya yang sama baiknya.
2. Tekanan rata-rata sub-atmosfer pada keluaran penggeraknya
dipertahankan sedikit diatas batas tekanan uap.
3. Pemeriksaan berkala terhadap turbin, dan pengelasan titik tetap pada
bagian yang terkikis, gejala kerusakan tidaklah diperbolehkan untuk di
percepat.
Kerusakan akibat kavitasi dapat dicegah dengan jalan menggunakan material yang
kuat atau melapisi dengan bahan yang tahan terhadap kavitasi, seperti baja tahan
karat ( Stainless Steel ) dan Crom, terutama untuk bagian - bagian dimana
diperkirakan dapat terjadi kavitasi.
2.10 Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)
Pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah pembangkit listrik tenaga air
yang memanfaatkan energi pontesial air kecil atau rendah. Pembangkit listrik
tenaga mikrohidro daya yang dihasilkan sekitar 5 – 100 kW, pembangkit listrik
minihidro daya yang dihasilkan sekitar 100 – 5000 kW, dan pembangkit listrik
tenaga air daya yang dihasilkan sekitar > 5000 kW.
29
30
Sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro (Gambar 2.6) terdiri dari
bendungan yang berfungsi sebagai kolam penampungan air yang mempunyai
kesanggupan untuk menyediaakan air dan menaikan ketingian tekanan air serta
mengarahkan air ke sayap bendungan, dimana sayap berfungsi untuk
mengarahkan air yang masuk ke intake selanjutnya melalui saluran pembawa air
dialirkan ke bak pengendap yang berfungsi untuk menjebak kotoran yang terbawa
oleh aliran air yang dilengkapi pintu penguras yang digunakan untuk membuang
kotoran dari bak pengendap kemudian air melalui bak penenang yang dilengkapi
saringan selanjutnya air menuju pipa pesat untuk memutar turbin yang selanjutnya
dapat menghasilkan listrik.
Secara umum sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah merubah
energi pontensial air menjadi energi kinetik, akibat adanya perbedaan tinggi
bedungan dengan poros turbin. Didalam turbin energi kinetik diubah menjadi
energi makanis, karena energi kinetik air yang mengalir didalam pipa memutar
roda turbin yang mengakibatkan poros turbin memutar generator (energi listrik).
2.10.1 Bendungan
Bendungan yang berfungsi sebagai kolam penampungan air yang
mempunyai kesanggupan untuk menyediaakan air dan menaikan ketingian
tekanan air sehingga air dapat mengalir ke intake kemudiaan air dialirkan
kesaluran pembawa.
31
Dalam membangun sebuah bedungan pertimbangkan dasar yang perlu
dilakukan adalah :
1. Factor keamanan dan ekonomi
Kegagalan dari sebuah bendungan ialah bencana dari pemasukan sebagian
besar banyak penghidupan dan biaya. Bendungan juga harus memuasakan dari
kestabilan untuk ; ketinggian aliran tak lazim dengan waktu pengambilan dari
perintah 10.000 tahun dan kejutan muatan yang mungkin bertepatan dengan
gempa bumi dan perubahan yang tiba-tiba dari bak pengumpul.
2. Factor ekonomi keseluruhan
Analisis ekonomi secara keseluruhan mengambil jumlah bisanya modal dari
bangunan sebaik mungkin pemeliharaan keluar melalui bendungan saat
penghidupannya, untuk perbandingan dan uraian biaya yang paling sedikit.
Selain itu bendung harus memenuhi spesifikasi teknis yang telah ditentukan
meliputi :
a. Bendung harus dilengkapi pintu penguras endapan dan lantai pintu
penguras diletakkan mimimum 60 cm dibawah pintu intake atau lantai
saluran penghantar.
b. Lebar pintu penguras dibuat antara 0,6 meter sampai dengan 1,0 meter.
Daun pintu penguras sebaiknya dibuat dari plat baja dengan ketinggian
lebih dari 1.5 meter, sedangkan bendung dengan ketinggian kurang
dari 1,5 meter cukup dengan menggunakan balok sekat ( stop log).
c. Untuk bendung yang berada pada dasar yang bukan berupa batuan,
maka dibagian belakang bendung dibuat lantai dengan batu kosong
32
dengan tebal minimum 30 cm dan lebar lantai 200 cm untuk bendung
dengan ketinggian maksimum 1,0 meter , sedangkan bendung dengan
ketinggian anatara 1 s/d 2 meter, lebar lantai dibuat 2 s/d 3 meter.
d. Pada bagian muka bendung, dibuat lantai pasangan batu dengan
adukan 1 : 2.
2.10.2 Intake
Intake adalah bagunan baik disisi kiri maupun kanan bendung berfungsi
untuk mengalirkan air ke saluran pembawa sesuai dengan debit yang
direncanakan. Intake dirancang agar selalu mampu mengalirkan air sesuai dengan
debit perencanaan pada kondisi sungai yang bagaiamanapun. Pada intake
dilengkapi saringan kasar untuk mencegah sampah dan kayu-kayu masuk kedalam
saluran pembawa. Dalam mendisain intake dengan pintu stoplog perlu
diperhatikan pertimbanganpertimbangan dalam perencanaan sebagai berikut:
a. Untuk menjaga naiknya muka air yang tinggi dalam saluran penghantar pada
saat sungai banjir, maka bangunan sadap harus dilengkapi dengan sekat dari
beton bertulang.
b. Elevasi ambang batas lubang sadap harus terletak maksimum 5 cm diatas
elevasi muka air sungai pada debit minimum Muka Air Rendah ( MAR ).
c. Elevasi lantai lubang harus ditentukan minimum 0,50 meter diatas lantai
penguras untuk menghindari masuknya bahan padat / endapan.
d. Perbandingan tinggi dan lebar sedapat mungkin memenuhi syarat – syarat :
- Lebar pintu intake ( b ) :
33
b=√ 2Q
3 C (2 gY )0,5 (m) .................................................. 1.2
- h = Tinggi pintu intake.
h=32
b (m)
Dimana :
Q = Debit air, ( m³/s )
g = Percepatan grafitasi , ( 9,81 m/s²).
Y = Kedalaman air dimuka pintu intake ( 0,2 s/d 0,5 )
C = Koefisien pengaliran.
e. Kecepatan air masuk di lubang sadap tidak boleh diambil lebih dari 1,5
m/detik.
f. Untuk menutup bangunan sadap dalam keadaan darurat dan waktu diadakan
perbaikan, bangunan sadap dilengkapi dengan balok sekat. Penempatan
balok sekat harus mempertimbangkan ruang kerja antara kedudukan balok
dengan daun pintu
2.10.3 Saluran Pembawa
Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake ke bak
penenang sehingga mengurangi perembesan dan pengikisan agar air yang masuk
sesuai dengan debit perencanaan. Saluran pembawa dirancang sesuai dengan debit
yang direncanakan, kemiringan antara dasar bendung dengan dasar bak
pengendap serta kondisi daya dukung tanah sepanjang lintasan saluran pembawa
34
selain itu diperhitungkan pula toleransi debit yang diijinkan masuk ke saluran
pembawa pada kondisi banjir.
2.10.4 Bak Penenang
Bak penenang berfungsi untuk mengurangi kecepatan air yang masuk dari
saluran, sehingga turbulensi air pada saat masuk ke dalam pipa pesat ( penstock )
berkurang untuk dapat membangkitkan daya yang optimal. Pada bak penenang
dilengkapi dengan saringan ( trash rack ) dimaksudkan agar air yang masuk ke
dalam turbin bebas dari benda-benda keras yang dapat merusak runner turbin.
Pertimbangan dalam perencanaan, bak penenang sekurang - kurangnya dilengkapi
dengan bagian konstruksi sebagai berikut :
a. Bangunan pelimpah,
b. Pintu penguras.
c. Lobang sadap untuk pipa pesat.
d. Pintu pengatur.
e. Saringan sampah.
2.10.5 Perencanaan Pipa pesat ( Penstock)
1. Perencanaan Panjang Pipa Pesat (Penstock)
Dalam perancancangan pipa pesat, harus mengetahui berapa banyak pipa
pesat yang dibutuhkan untuk mengalirakan air dari tempat asal sampai ke turbin.
Panjang pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan sebagi berikut :
L= Hgsin α
............................................................................... 1.3
Dimana :
35
L = panjang pipa induk (m)
Hg = Head gloss (m)
Sin α = sudut yang dibentuk oleh sumbu mendatar
2. Perencanaan Diameter Pipa Pesat
Diameter pipa induk dapat di cari dengan persamaan berikut :
D=√ 4 .Qπ . c
................................................................................... 1.4
Dimana :
D = diameter pipa induk (m)
Q = kapasitas aliran air (m³/s)
c = kecepatan air didalam pipa induk ( m/s)
Setelah diameter pipa diketahui, maka dari tabel Bell And Spigot Cast Iron
Pipe data dari tabel 7 buku “ Handbook of Applied Hydraulics " oleh Calvin
Victor Davis halaman 908, didapatkan data mengenai tebal dinding pipa ( S ) ,
dan panjang pipa.
3. Perhitungan Kerugian Head ( Head Loss )
Dalam sistem perpipaan sering terjadi adanya kerugian head ( head loss )
sehingga dapat diuraikan sebagai berikut :
1. Kerugian head akibat gesekan didalam pipa pesat
Kerugian head akibat gesekan didalam pipa pesat dapat dihitung dengan
perasaaan sebagi berikut :
36
Hlf = λL .c2
D .2 g ................................................................................ 1.5
Dimana :
Hlf = kerugian akibat gesekan sepanjang pipa induk
λ = koefisien
L=¿ panjang pipa induk (m)
D = diameter pipa (m)
g = gaya gravitasi (9.81 m/s²)
Harga koefiseien λ dapat dicari dengan persamaan sebagi berikut : (Ref. 1 hal 33 )
λ = koefisien
λ=0,01439+ 0,00947
√c .................................................................... 1.5.1
2. Kerugian head akibat belokan
Kerugian head akibat belokan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
Hlb=2. λLe
D.
c2
2 g ........................................................................... 1.6
Dimana :
Hlb = kerugian akibat belokan (m)
Le
D = panjang equivalen didapat dari table lampiran
3. Kerugian Akibat Katup ( Valve )
Kerugiab akibat katup dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
Hlk= λLe
D.
c2
2 g ............................................................................... 1.7
37
Dimana :
Le
D = gate valve fully open = 13
Sehingga untuk menentukan total kerugian dapat dihitung dengan sebagai
beerikut :
Hlt = Hlf + Hlb + Hlk.................................................................... 1.7.1
4. Kekuatan Pipa Induk
Untuk menentukan kekuatan dari pipa induk yang digunakan harus diketahui
besarnya tekanan air yang diterima oleh pipa induk, dimana tekanan yang terbesar
terjadi pada ujung pipa induk yang besarnya dapat dicari dengan rumus :
P=h+ C2
2 g ...................................................................................... 1.8
Dimana :
P = tekanan dalam pipa induk ( m H 2 O )
h = tinggi air jatuh (m)
C = kecepatan air dalam pipa induk (m/dt)
g = gaya gravitasi (m/dt²)
Setelah diketahui tekanan yang berada dalam pipa pesat tersebut, sehingga dapat
ditentukan kekuatan yang diijinkan bahan pipa yang besarnya dapat ditentukan
sebagai berikut :
Pi=2 . K1 . S
D .................................................................................. 1.9
38
Dimana :
S = tebal dinding pipa induk
Pi = tekanan ijin dalam pipa induk
D = diameter pipa
K1 = 60 - 70 % dari Yield Point Stress
Didalam perencanaan pipa pesat, pertimbangan yang perlu dilakukan adalah
dalam hal sebagai berikut :
a. Pemilihan dimensi ekonomis (De) pipa pesat.
b. Perhitungan kehilangan Head.
c. Sambungan dan penyangga pipa
d. efek perubahan