Perhitungan Efisiensi Turbin di PLTA Sutami

8/16/2019 Perhitungan Efisiensi Turbin di PLTA Sutami

1/59

LAPORAN KERJA PRAKTEK

ANALISA UNJUK KERJA TURBIN FRANCIS VERTIKAL

DI PT. PEMBANGKITAN JAWA BALI

UNIT PEMBANGKIT BRANTAS PLTA SUTAMI

Oleh :

Prasekky Hanung Permadi

NIM : I0409040

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2013


2/59

LAPORAN KERJA PRAKTEK

ANALISA UNJUK KERJA TURBIN FRANCIS VERTIKAL

DI PT. PEMBANGKITAN JAWA BALI

UNIT PEMBANGKIT BRANTAS PLTA SUTAMI

Diajukan untuk Memenuhi Persyaratan Kelulusan

Mata Kuliah Kerja Praktek

Oleh :


NIM : I0409040

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2013


3/59

v

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL...................................................................................... i

LEMBAR PENGESAHAN................................................................... ......... ii

KATA PENGANTAR ................................................................................... iii

RINGKASAN ................................................................................................ v

DAFTAR ISI.................................................................................................. vii

DAFTAR TABEL ......................................................................................... ix

DAFTAR GAMBAR .................................................................................... x

DAFTAR RUMUS ....................................................................................... xi

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xii

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LatarBelakang .............................................................................. 1

1.2 Perumusan Masalah ……………………………………………. 1

1.3 Batasan Masalah .......................................................................... 2

1.4 Metode Pengumpulan Data ......................................................... 2

1.5 Tujuan ……….……………. ....................................................... 3

1.6 Manfaat ....................................................................................... 3

1.7 Tempat dan Waktu Pelaksanaan .................................................. 4

1.8 Sistematika Penulisan ................................................................. 4

BAB II GAMBARAN UMUM

2.1 Pengenalan PT. Pembangkit Jawa Bali (PJB) ............................. 6

2.2 PT. PJB Unit PEmbangkitan Brantas .......................................... 7

2.3 Keadaan Umum PLTA Sutami . .................................................. 8

2.3.1 Penjelasan Umum .............................................................. 8

2.3.2 Letak Perusahaan ............................................................... 8

2.3.3 Struktur Organisasi PLTA Sutami .................................... 9

2.4 Sarana dan Prasarana PLTA Sutami ........................................... 9

2.4.1 Bendungan ......................................................................... 9

2.4.2 Pintu – Pintu Air ................................................................ 11

2.4.2.1 Saluran Atas (Head Race) ..................................... 11


4/59

vi

2.4.2.2 Saluran Bawah (Tail Race) ................................... 13

2.4.2.3 Surge Tank ............................................................. 13

2.4.2.4 Pipa Pesat (Penstock) ............................................ 14

2.5 Unit Pembangkit ......................................................................... 15

2.5.1 Turbin ................................................................................ 15

2.5.2 Generator ........................................................................... 16

2.5.3 Main Shaft (Poros Turbin) ................................................. 17

2.5.4 Permanent Magnet Generator .......................................... 17

2.5.5 Inlet Valve ......................................................................... 18

2.6 Peralatan Bantu ........................................................................... 18

2.6.1 Governor ........................................................................... 18

2.6.2 Baterai ............................................................................... 20

2.6.3 Mesin Diesel Darurat (Gen-Set) ........................................ 21

2.6.4 Panel CO2 (Fire Exitinguising System) .............................. 22

2.7 Sistem Kelistrikan ....................................................................... 22

BAB III DASAR TEORI

3.1 Proses Pembangkitan Energi Listrik ........................................... 23

3.2 PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air) .................................... 23

3.2.1 Pengelompokan PLTA....................................................... 24

3.3 Turbin .......................................................................................... 25

3.4 Teori Perhitungan Turbin ............................................................ 30

BAB IV PEMBAHASAN

4.1 Prinsip Kerja Turbin.................................................................... 384.2 Perhitungan Turbin...................................................................... 40

BAB V PENUTUP

5.1Kesimpulan ................................................................................... 48

5.1Saran.............................................................................................. 48

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 49

LAMPIRAN................................................................................................... 50


5/59vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tabel PLTA pada Unit Pembangkitan Brantas ....................... 7

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Struktur Organisasi PT. PJB UP. Brantas …………............ 9

Gambar 2.2 Intake Gate ............................................................................. 13

Gambar 2.3 Surge Tank ……………………………………………............... 14

Gambar 2.4 Penstock ............................................................................... 15

Gambar 2.5 Turbin Francis Vertikal ......................................................... 16

Gambar 2.6 Inlet Valve ……………......................................................... 18

Gambar 2.7 Governor cabinet …………................................................... 19

Gambar 2.8 Baterai ……............................................................................ 20

Gambar 2.9 Emergency Genset (PLTD) .................................................. 22

Gambar 3.1 Diagram alir proses pembangkitan energi listrik .................. 23Gambar 3.2 Proses konversi energi pada PLTA ……………….............. 24

Gambar 3.3 Instalasi Turbin Impuls ……………….................................. 25

Gambar 3.4 Runner Turbin Pelton ……………........................................ 26

Gambar 3.5 Sudu turbin Turgo dan nozzle …............................................ 26

Gambar 3.6 Instalasi Turbin Crossflow ……............................................. 27

Gambar 3.7 Runner Turbin Crossflow ……............................................... 28

Gambar 3.8 Konstruksi turbin crossflow ……………………………...... 28

Gambar 3.9 Instalasi Turbin Reaksi ………………………….................. 29

Gambar 3.10 Runner Turbin Francis …………….……………….............. 30

Gambar 3.11 Runner Turbin Kaplan .……………….................................. 30

Gambar 3.12 Instalasi Turbin Impuls ……………….................................. 30

Gambar 3.13 Piezometer dan Tabung Pitot ……………………................ 33

Gambar 3.14 Gaya yang terjadi pada pembelokan aliran air ....................... 34

Gambar 3.15 Gaya yang timbul akibat dari aliran zat cair di dalam bejana. 35


6/59viii

Gambar 4.1 Kontruksi Turbin Francis ……............................................... 38

Gambar 4.2 Skema Governor …………...…………………………...... 39

Gambar 4.3 Sketsa PLTA Sutami …………...………….…………...... 40

Gambar 4.4 Segitiga Kecepatan turbin francis PLTA Sutami ……........ 44

Gambar 4.4 Variation of critical cavitation coef ficient with

nondimensional speci fic speed for Francis and Kaplan

turbine ……........................................................................... 46


7/59

iii

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR

GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN

V-CUT TWISTED TAPE INSERT

Disusun oleh :


NIM. I0409040

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

Indri Yaningsih, S.T., M.T. Tri Istanto, S.T., M.T.

NIP. 198607042012122004 NIP. 197308202000121001

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Kamis, tanggal 19 Maret

2015

1. Eko Prasetya B., S.T., M.T. …………………………

NIP. 197109261999031002

2. Dr. Budi Santoso, S.T., M.T. …………………………

NIP. 19701105200031001

Mengetahui:

Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir

Didik Djoko Susilo, ST., MT Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT.

NIP . 197203131997021001 NIP. 197106151998021002


8/59

iv

Just do it

Where words leave off, Music begins.


9/59

v

Alhamdulillah, Terimakasih ya Rabb, akhirnya aku sampai di titik ini,sebuah karya kecil yang dikerjakan kurang lebih 1 tahun inikupersembahkan teruntuk :

Allah SWT karena atas ridho-Nyaskripsi ini dapat terselesaikan dengan baik

Ibuku (Herni Juniasih) dan Bapakku (Suwarto) yang selalu mendidik,menasehati serta mendoakan dengan sepenuh hati

Adikku (Edwikko Hanung Yudhianto) yang selalu membantu dalam halapapun.

Nurul Fajri Romadhona, She offers me protection,,,,, a lot of love and

affection, wherever I ’ m right or wrong.

Medisca Rhoza, Helen Fransiska, Dian Palupi, Guruh Hidayat, Junian Singgih,Teguh, Hendik, Nophik, Pak Budi dan semua teman yang menemaniku

bermain nada.

Imam, Adit, Anjar, Azhar, Harry, Hendro, Akmal, Rizza, Januar, Kresna, Budy,Joko, Sabdono, Jaarsyhan, Dito, Arifad, Ariyo, Apip, Asep, Cendy, Nandha,

Ainudin, Melva, Ayhi, Rini dan semua sahabat yang tidak tertulis disini.

Bersenang senanglahKarna hari ini akan kita rindukan dihari nanti

Sampai jumpa kawanku,Smoga kita selalu menjadi sebuah kisah klasik untuk masa depan.


10/59

vi

Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Pada

Penukar Kalor Kalor Pipa Konsentrik Dengan V-cut Twisted Tape Insert


Jurusan Teknik MesinFakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstrak

Penelitian ini dilakukan untuk menguji pengaruh V-cut tape depth ratio (d e /W )

dan V-cut tape width ratio (w/W ) terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor

gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik dengan V-cut twisted tape insert (VTT). Pada

penelitian ini, d e /W dan w / W divariasi sebesar 0,32; 0,39 dan 0,48. VTT adalah modifikasi

dari typical twisted tape insert (TT) dengan memotong tepi tape bagian atas dan bawahberbentuk huruf V secara secara selang-seling dengan variasi dimensi kedalaman dan

lebar potongan untuk meningkatkan percampuran fluida di dekat dinding pipa. Sebagai

perbandingan, pada penelitian ini juga diuji penukar kalor tanpa sisipan ( plain tube) dan

dengan penambahan sisipan TT. Fluida kerja di pipa dalam adalah air panas dan di

annulus adalah air dingin, dengan arah aliran berlawanan arah. Pengujian dilakukan pada

bilangan Reynolds (Re) 5400-17.350. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunakan

sisipan VTT, meningkatkan bilangan Nusselt (Nu), faktor gesekan ( f ) dan unjuk kerja

termal () dibandingkan dengan penggunaan TT. Karakteristik perpindahan panas, faktor

gesekan dan unjuk kerja termal penukar kalor dengan penggunaan sisipan VTT

meningkat dengan kenaikan nilai d e /W dan penurunan nilai w/W . Penukar kalor dengan

sisipan VTT dengan nilai d e /W = 0,48 dan nilai w/W = 0,32 menghasilkan bilangan

Nusselt, penurunan tekanan, faktor gesekan, effektivenes dan unjuk kerja termal tertinggi.Bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam (Nui) dengan penambahan VTT dengan d e /W =

0,32; 0,39 dan 0,48 berturut-turut meningkat dalam kisaran 46% - 55%; 68% - 72% dan

86% - 97% dibandingkan dengan plain tube dan berturut-turut meningkat dalam kisaran

13% - 15%; 26% - 30% dan 41% - 45% dibandingkan dengan penambahan sisipan TT.

Bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam (Nui) dengan penambahan VTT dengan w/W =

0,32; 0,39 dan 0,48 berturut-turut meningkat dalam kisaran 86% - 97%; 70% - 79% dan

50% - 62% dibandingkan dengan plain tube dan berturut-turut meningkat dalam kisaran

41% - 45%; 30% - 32% dan 14% - 19% dibandingkan dengan penambahan sisipan TT.

Faktor gesekan rata-rata pipa dalam dengan penambahan VTTdengan d e /W = 0,32; 0,39

dan 0,48 berturut-turut meningkat 3,10; 3,26 dan 3,48 kali lebih besar dibandingkan

faktor gesekan plain tube dan berturut-turut 1,16; 1,21 dan 1,29 kali lebih besar

dibandingkan faktor gesekan pipa dalam dengan TT. Faktor gesekan rata-rata di pipadalam dengan penambahan VTT dengan w/W = 0,32; 0,39 dan 0,48 berturut-turut

meningkat 3,48; 3,32 dan 3,19 kali lebih besar dibandingkan faktor gesekan plain tube

dan berturut-turut 1,29; 1,23 dan 1,19 kali lebih besar dibandingkan faktor gesekan pipa

dalam dengan TT. Unjuk kerja termal penukar kalor dengan penambahan sisipan VTT

dengan d e / W = 0,32; 0,39 dan 0,48 berturut-turut dalam kisaran 1,135-1,193; 1,252-1,262

dan 1,366-1,394. Sedangkan unjuk kerja termal penukar kalor dengan penambahan

sisipan VTT dengan w/W = 0,32; 0,39 dan 0,48 berturut-turut dalam kisaran 1,366-1,394;

1,277-1,317 dan 1,154-1,221.

Kata kunci : bilangan Nusselt, faktor gesekan, V-cut twisted tape insert , V-cut tape depth

ratio, V-cut tape width ratio


11/59

vii

INVESTIGATION ON HEAT TRANSFER AND FRICTION FACTOR

CHARACTERISTICS ON THE CONCENTRIC TUBE HEAT

EXCHANGER FITTED WITH V-CUT TWISTED TAPE INSERT

Prasekky Hanung PermadiMechanical Engineering Departement

Engineering Faculty Sebelas Maret University

Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

Abstract

This study was conducted to examine the effect of V-cut tape depth ratio (d e / W ) and V-

cut tape width ratio (w / W ) on the characteristics of heat transfer and friction factor in a

concentric tube heat exchanger fitted with V-cut twisted tape insert (VTT). In this study,

d e / W and w / W were varied by 0.32, 0.39 and 0.48. VTT was a modification of a typicaltwisted tape insert (TT) with the cutting edge of the tape top and bottom of the V-shaped

alternately with different dimensions of depth and width to improve the fluid mixing near

the wall tube. For comparison, in this study also tested heat exchanger without insert

(plain tube) and with the addition of the TT. The working fluid in the inner tube was hot

water and in the annulus was cold water, with the flows direction were counterflow. Tests

were conducted at a Reynolds number (Re) 5,400-17,350. The study results showed that

the use of insert VTT, increasing the Nusselt number (Nu), friction factor ( f ) and thermal

performance () as compared with the use of insert TT. Characteristics of heat transfer,

friction factor and thermal performance of the heat exchanger with the use of insert VTT

increases with an increase in the value of the d e /W and the decrease in the value of w/W .

The heat exchanger with the addition of the VTT with a value of d e /W = 0.48 and the

value of w/W = 0.32 produces the Nusselt number, pressure drop, friction factor,

effectiveness and the highest thermal performance. The average Nusselt number in the

inner tube (Nui) with the addition of the VTT with d e /W = 0.32, 0.39 and 0.48

respectively increased in the range of 46% - 55%, 68% - 72% and 86% - 97% compared

to the plain tube and increases in the range of 13 % - 15 %, 26 % - 30 % and 41 % - 45 %

compared with the addition of inserts TT, respectively. The average Nusselt number in

the inner tube (Nui) with the addition of the VTT with w/W = 0.32, 0.39 and 0.48

increased in the range of 86% - 97%, 70% - 79% and 50% - 62% compared to the plain

tube and increases in the range of 41% - 45%; 30% - 32% and 14% - 19% compared with

the addition of inserts TT, respectively. The average friction factor in the inner tube with

the addition of the VTT with d e /W = 0.32, 0.39 and 0.48 increased respectively 3.10, 3.26

and 3.48 times greater than the friction factor of plain tube and increased 1.16, 1.21 and1.29 times greater than the friction factor of inner tube with TT, respetively. The average

friction factor in the inner tube with the addition of the VTT w/W = 0.32, 0.39 and 0.48

increased respectively 3.48, 3.32 and 3.19 times greater than the friction factor of plain

tube and increased 1.29, 1.23 and 1.19 times greater than the friction factor of inner tube

with TT, respetively. Thermal performance of the heat exchanger with the addition of the

VTT with d e /W = 0.32, 0.39 and 0.48 in the range of 1.135-1.193, 1.252-1.262 and 1.366-

1.394, respectively. Thermal performance of the heat exchanger with the addition of the

VTT with w/W = 0.32, 0.39 and 0.48 in the range of 1.366-1.394, 1.277-1.317 and 1.154-

1.221.

Keywords: friction factor, Nusselt number, V-cut twisted tape insert, V-cut tape

depth ratio, V-cut tape width ratio


12/59

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Tenaga listrik merupakan sumber daya energi yang sangat penting dan

banyak dibutuhkan oleh masyarakat umum, baik di daerah pedesaan maupun

daerah perkotaan. Hal ini terjadi karena semakin canggihnya teknologi yang

sebagian besar menggunakan energi listrik sebagai sumber penggeraknya, misal

dalam kehidupan sehari-hari dapat kita temukan pada barang-barang rumah

tangga yang serba ekonomis semakin banyak dan menjadi pola hidup yang umum.

Ketergantungan akan tenaga listrik yang semakin besar harus diimbangi

oleh penyediaan sumber energi listrik yang mencukupi. PT. PJB selaku produsen

pembangkit tenaga listrik berupaya menghasilkan sumber energi listrik yang

cukup besar dan berkualitas. Sehingga diharapkan dengan adanya pembangkitan

energi listrik, kebutuhan penyediaan energi listrik dapat terpenuhi dan tersalurkan

ke pihak konsumen

Energi listrik dapat dihasilkan dari pemanfaatan sumber daya alam, baik

berupa energi potensial air, uap, panas bumi, dsb. Energi listrik juga dapat

dihasilkan oleh tenaga nuklir, diesel, dsb. Dalam hal ini penulis akan melaporkan

dan memberi gambaran sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) di PT.

pembangkitan Jawa Bali (PJB) Unit Pembangkitan Brantas Distrik A PLTA

Sutami.

1.2. Perumusan Masalah

Adapun rumusan masalah yang akan dibahas dalam laporan kerja praktek ini

adalah :

1. Bagaimana proses pembangkitan listrik di PLTA Sutami.

2. Bagaimana prinsip kerja dan performa turbin dalam proses pembangkitan

di PLTA Sutami.


13/59

2

3. Bagaimana perencanaan perawatan turbin yang terdapat di PLTA Sutami.

1.3. Batasan Masalah

Agar permasalahan yang dibahas tidak menyimpang dari lingkup

permasalahan, maka dalam hal ini penulis memberikan batasan masalah sebagai

berikut :

1. Proses pembangkitan listrik di PLTA Sutami yang ditinjau dari sistem

pembangkitan secara teknis.

2. Membahas prinsip kerja dan unjuk kerja turbin di PLTA Sutami.

3. Membahas perencanaan perawatan turbin yang terdapat di PLTA Sutami

secara umum.

1.4. Metode Pengumpulan Data

Metode pengumpulan data yang digunakan penulis dalam melaksanakan Kerja

Praktek ini adalah sebagai berikut:

1. Metode observasi

Metode ini dilakukan dengan mengamati dan mempelajari secara langsung

di lokasi kerja praktek mengenai objek kerja praktek yang bertujuan untuk

mendapatkan gambaran serta data secara akurat.

2. Metode wawancara

Metode ini dilakukan dalam bentuk tanya jawab dengan nara sumber, baik

pembimbing kerja praktek maupun staf lapangan ynag kompeten dalam

bidang tersebut.

3. Studi literatur

Metode ini dilakukan dengan mempelajari literatur berupa jurnalperusahaan, petunjuk kerja alat di lembar kerja, diagram alir, buku-buku

perpustakaan baik dari perusahaan maupun dari kampus.

4. Konsultasi

Metode ini dilakukan dengan cara berkonsultasi kepada pembimbing

lapangan dan sumber lain untuk mendapatkan pengarahan dan bimbingan.


14/59

3

1.5. Tujuan

Adapun tujuan kerja praktek yang dilaksanakan di PLTA Sutami ini adalah :

1. Memahami proses produksi listrik pada sistem pembangkit tenaga air di

PLTA Sutami.

2. Memahami prinsip kerja turbin di PLTA Sutami.

3. Menganalisa unjuk kerja turbin di PLTA Sutami.

1.6. Manfaat

Manfaat yang diharapkan dari kerja praktek ini adalah

1. Bagi penyusun

a. Memberikan bekal tentang perindustrian sebelum terjun ke dunia kerja

secara nyata.

b. Mengenal cara kerja perusahaan secara umum dengan lebih

mendalam, khususnya peralatan dan proses produksi yang dilakukan.

c. Mendapat gambaran tentang inovasi teknologi dibidang permesinan

dan lebih khusus pada analisa unjuk kerja turbin air.

d. Melatih kemampuan penyusun dalam menerapkan ilmu yang

diperoleh dilingkungan kampus.

e. Meningkatkan kemampuan berpikir secara analitis, sebagai dasar

untuk menguasai ilmu pengetahuan yang lebih tinggi dalam waktu-

waktu mendatang.

2. Bagi akademik

Dapat digunakan sebagai altenatif pembelajaran tentang pengenalan

teknologi dibidang permesinan dan khususnya pada perhitungan efisiensi

turbin.

3. Bagi perusahaan

a. Ikut serta membantu dunia pendidikan khususnya dalam pelatihan

guna menyiapkan tenaga kerja yang siap pakai.

b. Dapat memperoleh masukan-masukan yang diberikan mahasiswa

kerja praktek yang dapat bermanfaat dan meningkatkan efisiensi dari

peroses produksi.


15/59

4

c. Sebagai saran bagi perusahaan terhadap pengembangan teknologi

dewasa ini.

d. Merupakan perwujudan nyata dari perusahaan dalam mengabdi

kepada masyarakat, khususnya dibidang industri.

1.7. Tempat dan Waktu Pelaksaaan

Tempat dan waktu pelaksanaan Kerja Praktek adalah sebagai berikut :

1. Tempat : PT . PJB UP. Brantas PLTA Sutami

Ds. Karangkates, Kec. Sumberpucung, Malang,d Jawa Timur

2. Waktu : 4 Pebruari 2013 – 4 April 2013

1.8. Sistematika Penulisan

Untuk memudahkan pembaca dalam memahami laporan ini, maka laporan ini

disusun dengan sistematika penulisan sebagai berikut :

1. BAB I. PENDAHULUAN

Di dalam bab ini dijelaskan apa yang menjadi latar belakang, perumusan

masalah, tujuan, manfaat, metode pengumpulan data, tempat dan waktu,

sistematika penulisan.

2. BAB II. GAMBARAN UMUM

Di dalam bab ini dijelaskan tentang sejarah perkembangan perusahaan,

lokasi perusahaan, profil perusahaan, visi dan misi perusahaan dan struktur

organisasi perusahaan.

3. BAB III. TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAT TEORI

Di dalam bab ini dijelaskan tentang proses pembangkitan, sistem-sistem

utama pembangkit daya yang terdapat di PLTA Sutami.


16/59

5

4. BAB VI. HASIL DAN PEMBAHASAN

Di dalam bab ini akan menjelaskan proses serta analisa performa turbinyang terdapat di PLTA Sutami beserta perencanaan perawatannya..

5. BAB V. PENUTUP

Di salam bab ini berisikan kesimpulan dan saran.


17/59

6

BAB II

GAMBARAN UMUM

2.1 Pengenalan PT. Pembangkit Jawa Bali (PJB)

PT. Pembangkitan Jawa Bali (PJB) berawal ketika Perusahaan Listrik dan

Gas dibentuk tahun 1945. Di tahun 1965, Perusahaan Listrik Negara dipisah dari

Perusahaan Gas Negara. PLN menjadi Badan Usaha Milik Negara dengan status

Perusahaan Umum pada tahun 1972. Sepuluh tahun kemudian pada tahun 1982,

restrukturisasi dimulai di Jawa-Bali dengan pemisahan unit sesuai fungsinya, unit

PLN pembangkitan dan penyaluran.

Pada tahun 1994, status PLN diubah menjadi Persero. Satu tahun kemudian,

dilakukan restrukturisasi di dalam PT. PLN (Persero) dengan membentuk dua

anak perusahaan di bidang pembangkitan. Restrukturisasi tersebut bertujuan

memisahkan misi sosial dan misi komersial yang diemban. Pada tanggal 3

Oktober 1995, PT. Pembangkitan Tenaga listrik Jawa-Bali II, atau yang lebih

dikenal dengan nama PLN PJB II berdiri. Tujuan utama dibentuknya anak

perusahaan ini adalah untuk menyelenggarakan usaha ketenagalistrikan yang

bermutu tinggi serta handal berdasarkan prinsip industri dan niaga yang sehat dan

efisien. Seiring dengan pengembangan strategi usaha, pada tahun 2000, PLN PJB

II melakukan penyempurnaan organisasi dan mengubah nama menjadi PT.

Pembangkitan Jawa-Bali. Saat ini, PJB memiliki 8 unit pembangkit dengan

kapasitas terpasang 6.526 MW dan aset kurang lebih Rp 41,5 trilyun.

Visi dan Misi Perusahaan PT. PJB adalah sebagai berikut:

Misi

• Menjadikan PT. PJB sebagai perusahaan publik yang maju dan dinamis

dalam bidang pembangkittan tenaga listrik

• Memberikan hasil yang terbaik kepada pemegang saham, pegawai,

pelanggan pemasok, pemerintah dan masyarakat serta lingkungannya.

• Memenuhi tuntutan pasar.

Visi

• Menguasai pangsa pasar di Indonesia.

• Menjadi perusahaan kelas dunia.


18/59

7

• Memilikki SDM yang professional.

• Peduli lingkungan.

2.2 PT. PJB Unit Pembangkitan Brantas

Unit Pembangkit Brantas mengoperasikan 12 PLTA yang tersebar di

sepanjang aliran Sungai Konto dan Sungai Brantas Jawa Timur sebagian besar

merupakan peninggalan jaman Belanda. Setiap tahun Unit Pembangkit Brantas

mampu membangkitkan energi listrik rata-rata 1.033,56 GWh, yang kemudian

disalurkan melalui Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi 500 kV ke sistem

interkoneksi Jawa-Bali. Berikut merupakan daftar pembangkit pada UnitPembangkitan Brantas disertai daya yang terpasang.

Tabel 2.1 Tabel PLTA pada Unit Pembangkitan Brantas

Unit Pembangkit Daya Terpasang

PLTA Sengguruh Unit 1 dan 2 2 x 14,5 MW

PLTA Sutami 3 x 35 MW

PLTA Wlingi 2 x 27 MW

PLTA Lodoyo 4,5 MW

PLTA Tulungagung 2 x 18 MW

PLTA Selorejo 4,48 MW

PLTA Mendalan Unit 1 5,6 MW

PLTA Mendalan Unit 3, 4 dan 5 3 x 5,8 MW

PLTA Siman Unit 1, 2 dan 3 3 x 3,6 MW

PLTA Giringan Unit 1 dan 2 2 x 0,9 MW

PLTA Giringan Unit 3 1,4 MW

PLTA Golang Unit 1, 2 dan 3 3 x 0,9 MW

PLTA Ngebel 2,2 MW

PLTA Wonorejo 6,5 MW


19/59

8

2.3 Keadaan Umum PLTA Sutami

2.3.1 Penjelasan Umum

Bendungan Karangkates terletak di hulu sungai Brantas, bendungan ini

dapat dikatakan serbaguna jika ditinjau dari manfaat yang dapat diperoleh.

Adapun manfaatnya yang utama yaitu sebagai pengendali banjir pada musim

hujan dan untuk irigasi sehingga tanah pertanian dapat tetap dikerjakan sekalipun

pada musim kemarau.

Selain kedua hal diatas, potensi air yang ditampung di bendungan tersebut

dapat juga dipergunakan untuk pembangkitan tenaga listrik. Adanya sarana

rekreasi, perikanan, dan lain-lain.

Pelaksanaan pembangunan proyek serbaguna karangkates dibagi menjadi

dua tahap. Pembangunan tahap pertama meliputi pembangunan Bendungan

Karangkates dan bangunan pelengkap lainnya. Dalam bidang survey, investigasi

dan desain ditangani oleh konsultan Nippon Koei Co. Ltd. pada tahun 1959.

Pembangunan dilaksanakan pada tahun 1964 dibawah pengawasan kontraktor

Kajima Contruction Co. Ltd. Pembangunan tahap kedua meliputi pembangunan

Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) yang dimulai pada bulan Februari 1970

sampai Agustus 1973. Pemasangan metal work dikerjakan oleh Sakai Iron Work

Co. Ltd. Pemasangan turbin dan generator dikerjakan oleh Tokyo Shibaura

Electric Co. Ltd. Nama bendungan dan PLTA Sutami adalah nama yang telah

diresmikan oleh Presiden Soeharto pada tanggal 16 April 1981 untuk mengenang

jasa-jasa Bapak Prof. Dr. Ir. H. Sutami yang pernah menjadi menteri PUTL

Republik Indonesia.

2.3.2 Letak Perusahaan

PLTA Sutami adalah Pusat Tenaga Air yang memanfaatkan potensi

Sungai Brantas. Terletak di Kecamatan Sumberpucung ± 35 km sebelah selatan

kota Malang ke arah Blitar, dengan lokasi ketinggian 278m di atas permukaan

laut.


20/59

9

2.3.3 Struktur Organisasi PLTA Sutami

Struktur Organisasi Perusahaan PT. PJB UP. Brantas (PLTA SUTAMI)

digambarkan sebagai berikut:

Gambar 2.1 Struktur Organisasi PT. PJB UP. Brantas

2.4 Sarana dan Prasarana PLTA Sutami

2.4.1 Bendungan

Bendungan berfungsi sebagai tempat penampungan air yang berguna untuk

irigasi, pengendalian banjir, pembangkit tenaga listrik, perikanan dan pariwisata.

Bendungan Sutami memiliki konstruksi yang terdiri atas beberapa lapisan yaitu:

a. Rock Zone (lapisan batu)

Lapisan ini merupakan lapisan paling luar dari bendungan dan terdiri dari

batu-batuan yang ditimbun. Lapisan yang menghadap waduk disebut “up

stream” sedangkan yang membelakangi waduk disebut “down stream”.


21/59

10

b. Filter Zone (lapisan penyaring)

Batu yang digunakan pada lapisan ini lebih kecil dibandingkan dengan

batu lapisan rock zone.

c. Transition Zone (lapisan tansisi)

Batu yang digunakan pada lapisan ini besarnya antara batu lapisan rock

zone dan filter zone.

d. Lapisan kedap air

Lapisan ini terdiri dari batu kapur dan tanah liat yang bersifat menahan air.

2.4.1.1 Bendungan Karangkates

Bendungan yang digunakan:

Tipe : Rock Fill

Panjang puncak : 810 m

Lebar puncak : 13.7 m

Tinggi : 100 m

Lebar dasar : 400 m

Volume : 6.156.000 m3

Waduk yang digunakan:

Kapasitas max : 343.000.000 m3

Kapasitas efektif : 253.000.000 m3

Daerah terendam : 15 km2

Pengaliran : 2.050 km2

Elevasi HWL : 272.50Elevasi LWL : 246.00

Confferdam :

Tipe : ROCK FIELD

Volume : 486.600 m3

Tinggi bendungan : 50 m

Elevasi dasar : EL 180 m


22/59

11

Elevasi puncak : EL. 230 m

Lebar puncak : 12 m

Lebar dasar : 147 m

Bendungan Pelimpah (Spillway)

Tipe : open chute

Panjang saluran : 460 m

Kapasitas : 1.600 m3 / detik

Jembatan beton panjang : 12 m

Jembatan beton lebar : 9,30 m

Jembatan Baja panjang : 22 m

Jembatan Baja lebar : 9,30

Terowongan Head Race

Jumlah : 3 buah

Diameter dalam : 3,4 m

Terowongan Pengelak

Panjang : 604 m

Diameter Inlet : 5,50 m

Diameter Outlet : 8 m

2.4.2 Pintu - Pintu Air

2.4.2.1 Saluran Atas ( Head Race)

Saluran atas ini berfungsi untuk mengalirkan air dari waduk ke penstock

yang terdiri dari tiga pipa baja yang berdiameter 3,4 m (masing-masing pipa) dan

terbungkus beton, terletak 47 meter dibawah puncak bendungan. Adapun

pelengkap-pelengkapnya adalah :

a. Intake Tower dilengkapi dengan motor penggerak dengan spesifikasi:

• Wire Rope : 80 m

• Drum : 800 m


23/59

12

• Daya : 15 HP

• Tegangan : 380 volt

• Frekuensi : 50 hz

• Fase : 3

b. Intake gate (tiga set intake gate) terdiri dari gate leaf dengan by pass

valve, house guide frame, dengan spesifikasi:

• Type : Fixed Gradien

• Lebar dan tinggi : 3,4 m

• Bahan : SM.SL-B-SS41

• Berat : 80,816 ton

• Maksimum head : 43,9 m

• Tinggi angkat : 47 m

• Operation speed normal : 1mm

/ menit

•Operation speed darurat : 4

mm

/ menit

c. Intake Trash Rack dengan spesifikasi

• Type : Fixed Gradien

• Lebar : 8 m

• Maksimum head : 3 m

• Bar pitch : 75 m

• Tinggi : 13,9 m


24/59

13

Gambar 2.2 Intake Gate

2.4.2.2 Saluran Bawah (Tail Race)

Tail race merupakan saluran pembuangan air setelah melewati turbin dan

saluran hisap.

2.4.2.3 Surge Tank

Surge tank merupakan suatu tangki atau pipa tegak yang dipasang pada penstock untuk melindungi saluran pipa pesat dari fluktuasi tekanan air pada saat

jumlah air yang disuplaikan ke turbin berubah dengan tiba-tiba akibat gerakan

yang cepat dari pintu-pintu turbin. Disamping itu surge tank berfungsi untuk

meredam guncangan pipa pesat yang disebabkan oleh penghentian turbin secara

tiba-tiba.


25/59

14

Gambar 2.3 Surge Tank

2.4.2.4 Pipa pesat ( Penstock)

Penstock berfungsi sebagai penyalur air dari waduk ke turbin. Pipa pesat

harus mampu menahan tekanan mendadak akibat perubahan beban atau bila

terjadi water hammer (benturan antara air dan udara di dalam penstock ) danditambah dengan tekanan statiknya sendiri. Spesifikasinya adalah:

• Diameter dalam : 3,2 m

• Jumlah : 3 buah

• Berat : 616,175 ton

• Tinggi Tekanan Air Maksimum : 133,069 m

• Bahan : SM 41 B,SM 50 B

•

Tebal pipa : 11-19 m• Panjang pipa pesat no.1 : 288,788 m

• Panjang pipa pesat no.2 : 223,789 m

• Panjang pipa pesat no.3 : 217,45 m


26/59

15

Gambar 2.4 Penstock

2.4 Unit Pembangkit

2.4.1 Turbin

Turbin air merupakan alat untuk mengubah energi kinetik menjadi energi

mekanik yang ditransmisikan melalui poros vertikal ke generator yang terpasang

seporos di atas turbin. PLTA Sutami menggunakan jenis turbin francis untuk

ketiga unit operasinya.

Data teknis turbin francis di PLTA Sutami adalah:

•

Output rated : 36.000 kw• Output minimum : 22.600 kw

• Output Maximum : 36.600 kw

• Head Effektif : 85.40 m

• Head Minimum : 60.50 m

• Head Maximum : 93.50 m

• Kapasitas Air Rated (discharge) : 53,5 m3 /dt

•Type : vertical francis


27/59

16

• Putaran nominal : 250 Rpm

• Putaran liar : 465 Rpm

Gambar 2.5 Turbin francis vertikal

2.4.2 Generator

PLTA Sutami terdiri dari 3 unit generator utama yang terletak pada lantai

B2. berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik. Spesifikasi

generator PLTA Sutami sebagai berikut :

• Type : TAK

• Merk : Toshiba

• Kapasitas : 39.000 KVA

• Tegangan : 11 kv

• Arus : 2.047 Ampere

• Frekwensi : 50 Hz

• Faktor daya : 0,9

• Putaran : 250 rpm

• Phase : 3

• Poles : 24 poles

• Exitation : 220 volt

• Ambient. Temperature : 40o

• Arm temperature rise : 75o

• Field temperature rise : 75o

• Strator insulation class : B

•

Rotor insulation class : B


28/59

17

• Rating : Continuous

• Arus medan magnet : 720 Ampere

2.3.3 Main Shaft (Poros Turbin)

Turbin yang digunakan pada PLTA Sutami adalah tipe francis vertikal

sehingga main shaft berfungsi sebagai penghubung antara poros turbin dan

generator. Kedua poros tersebut dikopel pada satu poros sehingga keduanya dapat

berputar pada waktu bersamaan.

2.3.4 Permanent Magnet Generator

Permanent Magnet Generator berfungsi untuk mengontrol kecepatan dari

turbin agar kecepatan putarannya konstan sebesar 250 rpm. Output dari PMG

digunakan sebagai suplai untuk motor pendulum yang merupakan komponen

utama yang ada di dalam governor cabinet . Motor pendulum tersebut berfungsi

untuk mengatur pembukaan guide vane. Spesifikasi dari Permanent Magnet

Generator (PMG) ini adalah:

• Tipe : TAY

• Output : 200 VA

• Tegangan : 110 V

• Kecepatan putar : 250 rpm

• Jumlah kutub : 12 kutub

• Arus : 1,05

• Faktor daya : 0,8

• Rating : Continuous

• Arm conection : Y

• Ambient temperature : 40o

C

• Cycles : 25

• By : Tokyo shibaura Electric

• Standart spesifikasi : JEC 114 1864


29/59

18

2.3.5 Inlat Valve

Inlet Valve berfungsi untuk menghentikan aliran air yang menuju ke turbin.

Pada waktu turbin beroperasi inlet valve terbuka penuh dan pada waktu tidak

beroperasi inlet valve tertutup. Spesifikasi dari inlet valve adalah :

Gambar 2.11 Inlet Valve

Klasifikasi :• Tipe : Butterfly

• Diameter : 3,2 m

• Panjang : 1,2 m

• Kapasitas Servo Motor : 61.000 kg m

• Pergeseran Volume : - Katup utama = 2461

- Katup Bypass = 4.151

2.4 Peralatan Bantu

2.4.1 Governor

Governor merupakan alat untuk mengatur kecepatan turbin agar dapat

stabil pada putaran nominalnya sehingga mendapatkan frekuensi normal (50 Hz).

Governor ini menerima arus bolak-balik dari PMG yang dikopel langsung dengan

sumbu generator utama. Spesifikasi governor adalah:


30/59

19

• Tipe : Governor Cabinet Actuator

• Kapasitas : 20.000 kgm

• Gaya servo pada tekanan rating : 62.000 kg

• Displacement volume dari servomotor : 40,2x21 t

• Sensitifitas untuk perubahan kecepatan : 0,01 %

• Daerah perubahan dari permanent speed drop : 0-6 %

• Daerah pengatur kecepatan turbin dengan kecepatan tetap : 5-

15%

• Tekanan oli

Normal : 26 kg/cm2

Normal minimum : 24,5 kg/cm2

Allowable minimum : 17,5 kg/cm2

Gambar 2.12 Governor cabinet


31/59

20

2.4.2 Baterai

Baterai digunakan sebagai sumber DC pada saat awal start untuk proses

eksitasi. Satu set baterai terdiri dari 85 sel baterai yang ditempatkan dalam ruang

kontrol terhadap peralatan dan penerangan darurat.

Data teknis baterai adalah :

• Type : SCM 319

• Kapasitas : 300 Ah pada 10 jam discharge

• Jumlah sel : 80 buah

• Tegangan : 110 V

• Pabrik : SAFT

Gambar 2.13 Baterai


32/59

21

2.4.3 Mesin Diesel Darurat (Gen-Set)

• Mesin Diesel

a) Model : NRTO-6, Komatsu-Cummins

b) Type : Direct fuel injection, turbo charge

c) Silinder : 6 buah

d) Output : 240 PS

e) Putaran : 1500 rpm

• Generator

a) Model : NDG-2001-4 Nippon Shanyo Seizo Koishs Co.Ltd.

b) Type : Saringan terbuka, pendinginan sendiri, eksitasi sendiri

ddddddddd dengan voltage regulator , single bearing dilengkapi

brush.

c) Rating : Continuous

d) Output : 200 kVA (160 kW)

e) Voltage : 220 / 380 V

f) Putaran : 1500 rpm

g) Fasa : 3 fasa, 4 kawat

h) Hubungan belitan : Bintang (Y) dengan kawat netral

i) Faktor daya : 0,8 lagging


33/59

22

Gambar 2.14 Emergency Genset (PLTD)

2.4.4 Panel CO2 ( Fire Exitinguising System)

Berfungsi untuk pemadaman pada semua mesin generator bila terjadi

percikan bunga api atau asap yang mengindikasikan kebakaran yang di deteksi

oleh sensor – sensor dan diolah scara otomatis kemudian penyemprotan CO2

secara otomatis pula.

2.5 Sistem Kelistrikan

Sistem instalasi kelistrikan PLTA Sutami sudah tergabung dalam sistem

interkoneksi, output generator yang bertegangan 11.000 volt, melalui trafo

dinaikkan tegangannya, untuk disalurkan ke saluran ganda SUTT 154.000 volt

yang menuju ke gardu induk/pusat beban. SUTT (Saluran Udara Tegangan

Tinggi) ini merupakan saluran interkoneksi yang terhubung dengan unit

pembangkit listrik yang lain.

Untuk pemakaian lokal, di sekitar Karangkates dipasang trafo lokal untuk

menurunkan tegangan menjadi 6000 volt (yang terpasang pada unit pembangkit 1

dan 2, serta dalam pemakaiannya digunakan secara bergantian).

Sumber daya untuk peralatan-peralatan bantu di PLTA Sutami, disupplai

dari trafo pemakaian sendiri 6000/380 V. Apabila terjadi black out (pemadaman),

sumber daya diambil dari diesel engine generator (2000 KVA/380 V) sebagai

sumber daya cadangan/darurat.


34/59

23

BAB III

DASAR TEORI

3.1 Proses Pembangkitan Energi Listrik

Pembangkitan energi listrik sebagaian besar dilakukan dengan cara

memutar generator yang digerakan oleh energi mekanik sehingga didapat energi

listrik. Mesin penggerak generator yang banyak digunakan di Indonesia adalah

mesin diesel, turbin uap, turbin air dan turbin gas. Energi yang digunakan oleh

mesin-mesin penggerak generator ini diperoleh dari :

1. Proses pembakaran bahan bakar (untuk mesin-mesin termal)

2. Air jatuh (untuk turbin air)

Dengan demikian mesin penggerak generator sesungguhnya melakukan konversi

energi primer menjadi energi mekanik penggerak generator untuk kemudian

dikonversi menjadi energi listrik oleh generator. Berikut adalah bagan alir

konversi energi primer menjadi energi listrik.

Gambar 3.1 Diagram alir proses pembangkitan energi listrik

3.2 PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air)

Dalam PLTA, potensi tenaga air dikonversikan menjadi tenaga listrik.

Mula-mula tenaga air dikonversikan menjadi tenaga mekanik oleh turbin air,

kemudian turbin air memutar generator yang membangkitkan tenaga listrik.

Gambar berikut menunjukan secara skematis bagaimana potensi tenaga

air, yaitu sejumlah air yang terletak pada ketinggian tertentu, diubah menjadi

tenaga mekanik oleh turbin air, yang kemudian digunakan untuk memutar

generator yang terkopel dengan turbin.


35/59

24

Gambar 3.2 Proses konversi energi pada PLTA

(Sumber: http://www.kampungide.com/pembangkit-listrik-tenaga-air)

3.2.1 Pengelompokan PLTA

PLTA dapat dikelompokkan sebagai berikut (Patty,1995) :

1. Pembagian secara Teknis

a. PLTA yang menggunakan air sungai atau waduk (run-off river dan

dam)

b. PLTA yang menggunakan air yang telah dipompa ke suatu reservoir

yang letaknya lebih tinggi ( pump storage system)c. PLTA yang menggunakan pasang surut air laut (tidal wave energy)

d. PLTA yang menggunakan energi ombak

2. Pembagian menurut kapasitas

a. PLTA piko yaitu dengan daya hingga < 5 kW

b. PLTA mikro yaitu dengan daya hingga < 100 kW

c. PLTA kapasitas rendah yaitu dengan daya 100 kW hingga 999 kW

d. PLTA kapasitas sedang yaitu dengan daya 1000 kW hingga 9999 kW

e. PLTA kapasitas tinggi yaitu dengan daya diatas 10000 kW

3. Pembagian menurut tinggi jatuh air ( Head )

a. PLTA dengan tekanan rendah, H < 15 m

b. PLTA dengan tekanan sedang, H = 15 hingga 50 m

c. PLTA dengan tekanan tinggi, H > 50 m

*H = Head


36/59

25

3.4 Turbin

Turbin secara umum dapat diartikan sebagai mesin penggerak dimana

energi fluida yang bekerja digunakan untuk memutar roda turbin, fluida

kerjanya dapat berupa air, uap air dan gas.

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.

Klasifikasi Turbin Air

Turbin air juga dibedakan dalam dua golongan utama, yaitu

diklasifikasikan 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 yang dimiliki oleh aliran air dirubah

semuanya menjadi energi kecepatan. Contoh dari turbin impuls ini adalah

turbin pelton, turbin crossflow dan lain – lain.

Gambar 3.3 Instalasi Turbin Impuls

(Sumber: Basyirun, dkk)


37/59

26

a. Turbin Pelton

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 3.4 Runner Turbin Pelton


Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu

dibentuk sedemikian rupa 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.

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


38/59

27

dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga

menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

Gambar 3.5 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 3.6 Instalasi Turbin Crossflow



39/59


40/59

29

2. Turbin Reaksi

Turbin 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 ke roda 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.

Gambar 3.7 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


41/59

30

ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan

pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat

diatur merupakan pilihan yang tepat.

Gambar 3.8 Runner Turbin Francis(Sumber: Basyirun, dkk)

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 3.9 Runner Turbin Kaplan(Sumber: Basyirun, dkk)

3.6.2 Perhitungan Turbin

Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk

memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai dan

pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam dua golongan, yaitu

pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah.


42/59

31

Gambar 3.10 Pusat tenaga air tekanan tinggi di pegunungan

(Sumber: Fritz Dirtzel)

Gambar 3.10 menunjukan bagan pusat tenaga air tekanan tinggi, dari

gambar tersebut dapat diketahui bahwa dengan didirikannya bendungan di daerah

yang tinggi akan didapatkan sebuah reservoir air yang cukup besar. Dengan

menggunakan pipa, air tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga yang dibangun di

bagian bawah bendungan dan di dalam rumah tersebut telah dipasang dua buah

nosel turbin pelton, lewat nosel itulah air akan menyemprot ke luar dan memutar

roda turbin, kemudian air dibuang ke sungai, dari selisih tinggi permukaan air

(TPA) dan permukaan air bawah (TPB) terdapat tinggi air jatuh H. Dari kapasitas

air V dan tinggi jatuh H dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin

= . . . . (3.1)

Dimana : P = Daya yang dihasilkan turbin (kW)

Q = Debit air (m3 /s)

= Massa jenis fluida (kg/m3)

H = Tinggi air jatuh (m)

= efisiensi turbin

Pada suatu aliran air di dalam pipa, diambil suatu selisih ketinggian (z)

antara tinggi air atas dan air bawah, maka menurut Bernoulli besar energi aliran

tersebut adalah :


43/59

32

= . . + . + . (Nm) (3.2)

Bila pada aliran tersebut diambil suatu jumlah air tiap 1 Kg untuk diperhitungkan,

hal ini dinamakan “specific energy”

= . + + (Nm/kg) (3.3)

Bila dibagi lagi dengan percepatan grafitasi, akan didapat besarnya ketinggian

= +. + (Nm/kg) (3.4)

Ketinggian adalah jarak ke suatu tempat dimana suatu benda yang jatuh dari

tempat tersebut mempunyai kecepatan c. Jadi persamaan Bernoulli dapat

dikatakan sebagai berikut : “Pada tiap saat dan tiap posisi yang ditinjau dari suatu

aliran di dalam pipa tanpa gesekan yang tidak bergerak, akan mempunyai jumlah

energi ketinggian tempat, tekanan dan kecepatan yang sama besarnya”

Persamaan Bernoulli pada umumnya ditulis dalam bentuk :

+. + = +

. + (3.5)

Misalnya, aliran air di dalam pipa, pada posisi 1 air mempunyai tekanan tertentu

dan luas penampang yang tertentu serta kecepatan , perubahan bentuk energi

akan terjadi bila pada pada posisi 2 penampangnya diperkecil, dengan demikian

kecepatan air akan naik menjadi dan tekanannya pada posisi 2 akan berkurang,

hal ini akan terlihat dengan jelas apabila letak pipa tersebut mendatar, jadi

= .

Pipa mendatar dialiri cairan dengan tekanan (P1), kerapatan cairan ( ) dan

kecepatannya (c1). Ketika cairan di penampang 2 akan bertumbukan dengan

penghalang di titik 2, di sini aliran akan berhenti c2 = 0 sehingga z1 = z2 dan

persamaan spesifik Bernoulli menjadi :

0 + + = 0 + + 0, (3.6)

= + + (3.7)


44/59

33

p2 = tekanan total;

p1 = Tekanan statis;

. = Tekanan dinamis.

Gambar 3.11 Piezometer dan Tabung Pitot


Gambar 3.11 menunjukan adanya suatu pipa yang dibengkokkan siku-siku

dan kedua ujungnya terbuka, salah satu sisinya ditempatkan sedemikian rupa

sehingga kedudukannya melawan arah aliran zat cair, sedangkan yang lainnya

merupakan suatu pipa yang terbuka ujung-ujungnya dan dipasang pada dinding

saluran supaya kecepatan aliran tidak terpengaruhi, yang terlihat pada gambar

adalah hasil pengukuran dan penjelasannya, dari sini didapat selisih kedua

ketinggian h1 dan h2 yang besarnya sama dengan kecepatan aliran di saluran,

sebagaimana dapat dijelaskan sebagai berikut :

ℎ =.

ℎ =.

+2

ℎ − ℎ =.

−.

+2

∆ℎ =2

Dari sini didapat persamaan umum kecepatan aliran.

= 2 . ∆ℎ (3.8)


45/59

34

Besar Gaya, Daya yang dihasilkan Turbin, Rumus Euler, Bentuk Sudu

Suatu benda berlubang, diperkuat dengan bagan seperti gambar 3.12

secara teratur dialiri air dengan kecepatan c1 dan membentuk sudut α1 yang sejajar

dengan dinding batas benda tersebut sehingga membuat aliran air (m) akan

membelok ke luar dengan membentuk sudut α2. Bila penampang di bagian keluar

A2 lebih kecil dari pada A1, berarti kecepatan keluar c2 lebih besar daripada c1.

Dari gambar dan bentuk peralatan serta arah aliran dapat diperkirakan bagaimana

asalnya gaya F . Besarnya gaya menurut kaidah pergerakan atau implus ialah

= ̇ . − ̇ . (3.9)

Gaya F dalam N, massa air yang lewat ̇ dalam kg/s, dan kecepatannya m/s. bila

dihitung berdasarkan kapasitas air yang lewat, maka

= . . − . . (3.10)

Menurut kaidah implus untuk perbedaan geometri dari bagian-bagian yang

bergerak didapat dari ̇ . dan − ̇ . . Dengan memperhatikan sudut aliran

masuk dan keluar, maka gaya yang terjadi dapat diuraikan arah x dan y, dari

gambar 3.12 didapat

= . . ( . cos − . cos ) (3.11)

= . . ( . sin − . sin ) (3.12)

Gambar 3.12 Gaya yang terjadi pada pembelokan aliran air



46/59

35

Pemindahan Gaya ke Turbin

Gambar 3.13 Gaya yang timbul akibat dari aliran zat cair di dalam bejana.


Bejana pada Gambar 3.13 diletakan di atas kereta yang dapat bergerak

tanpa gesekan, di dalam bejana tersebut dialiri air sehingga kereta akan meluncur

dengan kecepatan u sambil menarik penggantung beban. Melalui sudu pengarah

yang tetap, air dialirkan ke dalam bejana dengan membentuk sudut α1 dankecepatan c1. Sebagian kecil air a bergerak ke dalam bejana dengan sudut α1 dan

kecepatan c1 ke arah titik c1’ tetapi pada waktu yang bersamaan a tersebut juga

bergerak dengan kecepatan u kearah u1. Dengan digambarnya ci`dan u bersama –

sama didapat arah dan kecepatan besarnya w1. Dengan demikian segitiga

kecepatan masuk air bisa digambarkan.

Untuk gambar kecepatan bagian air ke luar didapat sebagai berikut; bila

satu bagian kecil air z dalam mengalirnya sampai di bagian ujung ke luar bejana


47/59

36

kecepatannya berubah dari w1 ke w2 dan arahnya juga berubah dari α1 ke α2

disebabkan karena pengecilan penampang A2 /A1 dan kelengkungan bejana. Di

titik z digambar dengan harga u2 (disini u1 u) dan digambar pula w2 yang sesuai

besar dan arahnya, dengan digambarnya c2 didapat kecepatan segitiga ke luar.

Karena kebutuhan istilah untuk membedakan harga-harga tersebut di atas maka :

c : disebut kecepatan mutlak, karena daerah sekelilingnya adalah tetap

ssdsdsddiam bergerak, kecuali bejana yang dilewati aliran bergerak dengan

sdsdsdskecepatan u.

w : disebut kecepatan relative, karena berhubungan dengan bagian sebelah

sdsdsdsdalam bejana yang bergerak.

u : disebut kecepatan tangensial roda turbin.

Turbin Francis terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan, kedua sudu

tersebut semuanya terendam di dalam aliran air air dialirkan ke dalam sebuah

terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin berbentuk spiral (rumah keong).

Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu pengarah dan sudu gerak.

Aliran air yang masuk ke sudu pengarah dengan kecepatan c0 mempunyai energi

sebesar

+ + (3.13)

Air yang keluar dari sudu pengarah dengan kecepatan c1 mempunyai energi

sebesar:

+ + (3.14)

dalam mencapai kondisi seperti ini sebagian energi dari ketinggian H sudah

dipakai. Karena sudu pengarah harus membentuk sudu tertentu dan penampang

bagian air keluar lebih sempit daripada penampang masuknya. Maka menurut

persamaan kontinuitas kecepatan air yang melewati sudu pengarah naik dari c0

menjadi c1.

Dari u1, c1 dan α1 seperti yang ditunjukan gambar 4.2.6 segitiga kecepatan

masuk bisa digambarkan, sehingga didapat w1 dan sudut masuk sidu jalan β1.


48/59

37

Selain itu juga dapat diperoleh harga c1u dan w1u. dengan penurunan tekanan

selanjutnya maka sisa energy yang masih ada akan bekerja disudu jalan. Karena

penyempitan saluran ke luar sudu jalan A2, maka kecepatan air masuk w2 = V/ A2,

yang sesuai dengan perbandingan A1 : A2. Sudu keluar β2 dipilih sedemikian rupa

supaya α2 = 90° dengan begitu letak c2 tegak lurus dengan u2. Dengan u2u = 0 dan

air yang meninggalkan sudu jalan sudah tidak komponen besaran lagi, sehingga

energi air sudah habis digunakan. Kecepatan keluar c2 sedapat mungkin dinaikan,

hal ini bisa terjadi dengan menurunkan tekanan di dalam sudu-sudu jalan.

Jadi dengan adanya tekanan yang kecil (kurang dari 1 atmosfir) pada sudu-

sudu jalan, maka di belakang roda jalan harus dipasang pipa hisap. Di dalam pipa

hisap kecepatan air c2 turun menjadi c3 dan tekanannyapun kembali naik sampai

tekanan air tersebut sama dengan tekanan luar lalu dibuang ke saluran air bawah.

Kecepatan Putar Turbin

Dalam pemilihan kecepatan putaran sebaiknya ditentukan setinggi

mungkin, karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen puntir

(kopel) yang kecil, poros yang kecil, dan diameter roda turbin yang kecil serta

ukuran-ukuran bagian-bagian mesin lainnya juga kecil. Kecepatan spesifik nq

dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe roda turbin dan dipakai

sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan desain turbin air. Untuk

mencari nilai nq dapat menggunakan persamaan :

= .√

= . / (3.15)

Dimana :

n Kecepatan putar (jumlah putaran/menit) turbin yang telah ditentukan

(1/menit)

Q Kapasitas Air (m3 /s)

H tinggi air jatuh (m)


49/59

38

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Prinsip Kerja Turbin

Gambar 4.1 Kontruksi Turbin Francis

(Sumber : http://www.tfd.chalmers.se/~hani/phdproject/francispicture.gif )

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin reaksi disebut juga

dengan turbin tekanan lebih karena tekanan air sebelum masuk roda turbin lebihbesar dari pada tekanan air saat keluar roda turbin. Sudu pengarah pada turbin

francis dapat menggunakan 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.

Turbin francis memanfaatkan energi air yang masuk dari pipa pesat ke

dalam terusan yang berbentuk rumah keong yang akan diteruskan ke roda jalan

melewati sudu pengarah. Sudu pengarah berfungsi untuk mengatur air yang


50/59

39

masuk ke roda jalan agar putarannya selalu sama dengan frekuensi generator yang

dapat berubah-ubah dengan terjadinya perubahan pemakaian beban listrik. Posisi

membuka dan menutupnya sudu pengarah diatur oleh governor dimana prinsip

kerjanya berdasarkan gaya setrifugal yang diperoleh dari putaran turbin, gaya

sentrifugal yang terjadi akan menimbulkan gerak translasi dengan bantuan alat

mekanik lainya, gerak translasi ini akan menggerakkan posisi sudu pengarah

sesuai dengan kebutuhan.

Gambar 4.2 Skema Governor


Governor dilengkapi dengan fly ball yang berfungsi untuk mengubah gaya

setrifugal dari putaran poros turbin agar menghasilkan gerak translasi, apabila

putaran turbin bertambah tinggi yang disebabkan oleh turunnya beban, fly ball

akan berputar dan bergerak ke arah luar, sehingga menarik tuas dan membuka

katup pada katup distribusi yang berfungsi untuk menekan minyak dari pipa ke oil

sump.


51/59

40

Minyak dari oli sump mengalir melalui pipa, masuk ke katup distribusi

menuju servo motor, sehingga menggeser piston ke atas dimana regulation rod

akan memutar regulating ring ke kanan. Pada regulating ring terdapat sudu-sudu

penggerak yang akan berubah kedudukannya sampai posisi tertentu untuk

mencapai kedudukan yang tepat. Bila kedudukannya telah tepat maka putaran

akan turun kembali pada putaran yang normal.

4.2 Perhitungan Turbin

Dari hasil pengamatan dan pengambilan data di PLTA SUTAMI pada

tanggal 20 Maret 2013 Pukul: 10.00 WIB ,diperoleh data sebagai berikut :

Gambar 4.3 Sketsa PLTA Sutami

P : 30,8 MW = 30800 KW

Q : 43,5 m3

/s

H : 87,58 m

: 1000 kg/m3

: 272.58 m

: 177.5 m

: 185 m

pm : 9 kg/cm²

n : 250 Rpm

Ω : 26.179 rad/s

D1 : 2,55 m

D2 : 1,01 m


52/59

41

• Efisiensi Turbin

= . . .

= . .

=30800

43,5 . 87,58 .9,81

= 0,824

• Kecepatan Spesifik Turbin

= . = .

= 25043,5

87,58

= 57,59

Nilai nq dapat digunakan untuk mencari u1, u2a, u2i, c2, cm1 dengan menggunakan

grafik dibawah ini


53/59

42

Dari gambar grafik tersebut, didapatkan

" = 0,735

" = 0,719

" = 0,408

" = 0,267

= 0,265

Sehingga dapat ditentukan

= " . 2 . .

= 0,735 . 2 .9,81 . 87,58

= 30,467

= " . 2 . . ℎ

= 0,719 . 2 .9,81 . 87,58

= 29,804

= " . 2 . . ℎ

= 0,408 . 2 .9,81 . 87,58

= 16,912


54/59

43

= " . 2 . . ℎ

= 0,267 . 2 .9,81 . 87,58

= 11,067

= . 2 . . ℎ

= 0,225 . 2 .9,81 . 87,58

= 9,326

Untuk menentukan sudut-sudut sudu dan penggambaran segitiga

kecepatan, sudut sudu jalan β1 dan β2 harus sedemikian rupa sehingga memenuhi

rumus euler pada turbin, jadi dalam hal ini

. . = . − .

Pada sisi keluar yang tegak lurus ke dalam pipa hisap, maka didapat cu2 = 0 dan α2

= 90°, sehingga :

=. .

=0,824 .9,81 . 87,58

30,467= 23,236

Dari hasil-hasil perhitungan tersebut, dapat digambarkan segitiga kecepatan

sebagai berikut :


55/59

44

Gambar 4.5 Segitiga kecepatan pada turbin francis PLTA SUTAMI

Pada gambar segitiga kecepatan masuk, dapat diketahui besarnya sudut

masuk pada sudu jalan sebesar β = 52° dengan kecepatan w1 = 11,83 m/s,

sedangkan pada sudut keluar sudu pengarah sebesar α = 22° dengan kecepatan air

keluar dari sudu pengarah c1 = 25,03 m/s.

Segitiga kecepatan ke luar berasal dari

=

= , ,

= 23,358

Dari gambar segitiga kecepatan keluar didapat w2 = 25,847 m/s. Jadi air

selama di dalam sudu jalan dipercepat dari w1 = 11,83 m/s menjadi w2 = 25,847

m/s.

• Efisiensi Hidrolis

=.

=( − )

.


56/59

45

=(30,467 .23,236 − 23,235 .0)

9,81 . 87,58

= 0,823

• Kavitasi

Kavitasi pada turbin hidrolik dapat terjadi pada permukaan sudu jalan

(runner ). Kavitasi akan tekanan bila tekanan statis lebih kecil dari tekanan uap air,

hal tersebut dapat terjadi disaat tinggi air jatuh terlalu rendah, kecepatan air yang

tinggi dan letak turbin turbin yang terlalu jauh permukaan tailrace. kavitasi pada

turbin hidrolik dapat dikorelasikan dengan koefisien Thoma (σ) yang

didefinisikan sebagai berikut :

= =

( − )−

=

(1,013 − 0,03166)101000 .9,81

− (−2,3)

87,58

=3,3003

87,58 = 0,0376

Untuk menentukan terjadi atau tidaknya kavitasi pada turbin, dapat

menggunakan grafik Variation of critical cavitation coef ficient with non-

dimensional speci fic speed for Francis and Kaplan turbines dengan menggunakan

data Ωsp . Ωsp merupakan kecepatan daya spesifik yang dapat diperoleh dari

Ω =Ω /

( ) /


57/59

46

Ω =

26,170 / 30,8. 10

1000 /

(9,81 . 87.58 ) /

Ω = 0,98

Gambar 4.6 Variation of critical cavitation coef ficient with non-dimensional

speci fic speed for Francis and Kaplan turbine

(Sumber : S. L. Dixon)

Dari grafik didapatkan σc sebesar 0,134. Faktanya dari data yang

diperoleh nilai σ < σc , sedangkan syarat agar tidak terjadi kavitasi jika σ = σc .

Salah satu penyebab terjadinya kavitasi yaitu perbedaan elevasi penempatan

turbin dengan elevasi permukaan tailrace yang terlalu rendah. Maka dari itu,

untuk menghindari terjadinya kavitasi dapat ditentukan jarak antara elevasi

penempatan turbin dengan elevasi permukaan tailrace dengan persamaan berikut :


58/59

47

= =

( − )−

=( − )

− ( . )

=(1,013 − 0,03166)10

1000 .9,81 − (0,134 .87,58)

= −10,735

Jadi, untuk menghindari terjadinya kavitasi, jarak elevasi penempatan turbin

dengan elevasi permukaan tailrace harus sebesar 10,735 m.


59/59

BAB V

PENUTUP

5.1Kesimpulan

Dari hasil studi literatur dan praktek di lapangan selama melaksanakan kerja

praktek di PT. PJB Unit Pembangkitan Brantas PLTA Sutami, maka dapat

diambil beberapa kesimpulan, yaitu:

1. PLTA Sutami merupakan pembangkit listrik tenaga air terbesar di Jawa

Timur

2. Pembangkitan daya di PLTA Sutami memanfaatkan energi air yang masuk

dari pipa pesat ke dalam terusan yang berbentuk rumah keong yang akan

diteruskan ke roda jalan melewati sudu pengarah. Air digunakan untuk

menggerakkan turbin yang berfungsi menghasilkan energi mekanis untuk

menggerakkan generator, pada akhirnya dihasilkan tenaga listrik dari

kumparan medan magnet di generator.

3. Setelah melakukan perhitungan maka didapatkan efisiensi hidrolis turbin

adalah sebesar 82,3 %.

4. Kavitasi yang terjadi pada turbin dapat terjadi karena selisih elevasi turbin

dengan elevasi tailrace yang terlalu rendah.

5.2Saran

1. Perlu menambah besarnya debit agar selisih elevasi turbin dengan elevasi

permukaan d menjadi lebih besar, hal ini bertujuan untuk mengurangi kavitasi

yang terjadi pada turbin.

2. Perlu diadakan pengawasan secara rutin pada turbin untuk melihat gejala-

gejala yang dapat menimbulkan kerusakan. Sehingga jika diketahui lebih

dini, kerusakan dapat dicegah atau diminimalisir.

Perhitungan Efisiensi Turbin di PLTA Sutami

Documents

Transcript of Perhitungan Efisiensi Turbin di PLTA Sutami