BAB II PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA) RENUN
2.2 Komponen PLTA Renun
2.2.2 Turbin Air
Dalam suatu sistem PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengkonversikan energi air menjadi energi gerak dalam bentuk putaran.
2.2.2.1 Klasifikasi Turbin Air
Ditinjau dari kedudukan porosnya Turbin air dibagi menjadi dua jenis: 1. Turbin Horizontal
2. Turbin Vertical
Ditinjau dari fluida kerjanya dibagi menjadi dua jenis 1. Turbin Reaksi
Turbin reaksi ialah Turbin dimana air yang melewati runner mengalami penurunan tekanan baikpada sudu pengatur maupun pada runner. Beberapa jenis Turbin Reaksi adalah Turbin Francis,Turbin Propeller,dan Turbin Kaplan.
17 2. Turbin Impuls
Turbin implus ialah Turbin dimana proses penurunan tekananairnya terutama terjadi didalamdiatributor / nozelnya dan tidak terjadi pada sudu-sudu jalannya. Salah satu jenis Turbin Implus adalah Turbin Pelton.
Horizontal Vertikal
(a)
(c) (b)
Gambar 2.11 KlasifikasikedudukanPorosTurbin (a) Turbin Kaplan, (b) Turbin Pelton, (c) Turbin Francis
18 Ditinjau dari arah aliran air :
1. Turbin Radial
Turbin radial ialah turbin dimana aliran air yang melewati runner dalam arah radial.Salah satu jenis turbin radial adalah Turbin Pelton.
2. TurbinAksial
Turbin aksial ialah turbin dimana aliran air yang melewati runner dalam arah aksial. Salah satu jenis turbin Aksial adalah Turbin proppeler,dan Turbin kaplan.
3. Turbin Radial Aksial
Turbin radial aksial ialah Turbin dimana air yang masuk ke runner dalam arahradial dan setelah keluar dari runner dalam arah aksial.Salah satu jenis Turbin radial aksial adalahTurbin Francis.
Pada pembangkit listrik tenaga air, turbin air diklasifikasikan menjadi High Head, Medium Head,dan Low Head. Tidak ada batasan pasti yang dapat ditetapkan untuk masing-masingkelas namun umumnya adalah sebagai berikut: Low Head umumnya untuk tinggi jatuh lebih kecil dari 100 feet.
Medium Head untuk tinggi jatuh antara 100 - 800 feet. High Head untuk tinggi jatuh diatas 800 atau 1000 feet.
Jenis Turbin yang digunakan untuk pembangkitan tergantung pada jumlah air headyang ada dan faktor ekonomi.
19 Jenis turbin reaksi merupakan jenis yang paling sering digunakan. Tipe turbin reaksi Kaplan dan Francis yang paling banyak digunakan.
2.2.2.2 Bagian-Bagian Utama Pada Turbin Air 1. Main Inlate Valve (MIV)
Main Inlate Valve (MIV) sering juga disebut katup induk. MIV ialah katup yang dipasang antara ujung bawah penstock dan sisi masuk turbin yang berfungsi untuk menutup aliran air masuk ke turbin disaat turbin tidak beroperasi dan pada PLTA tertentu katup ini juga berfungsi sebagai pengaman dalam menghentikan turbin bila tekanan minyak hilang. MIV dilengkapi dengan katup bypass yang fungsinya untuk menyamakan tekanan air pada kedua sisi katup sebelum katup utama dioperasikan. Biasanya jenis katup yang digunakan adalah :
1. Katup kupu-kupu (Buterfly valve) 2. Katup sorong (Slince gate)
3. Katup putar (rotary valve)
Gambar 2.13 Runner Turbin Francis
20 2. Spiral case
Spiral Case berfungsi untuk mengumpulkan, mendistribusikan dan mengarahkan aliran air kearah guide vane dan selanjutnya ke arah sudu-sudu pada runner untuk menghasilkan daya keluaran turbin yang optimal. Bentuk dari spiral case ini seperti rumah keong yang dimaksudkan agar distribusi tekanan dan kecepatan air akan selalu sama di seluruh guide vane.
Spiral case mempunyai satu manhole dengan diameter 500mm dan tutupnya dirancang agar membuka kearah luar. Gantungan luar tutup manhole dan kaki-kaki gantungan terbuat dari baja. Disekeliling tutup manhole dilapisi karet dengan diamater ketebalan 6mm dan menyatu dengan bolts dan nuts untuk keperluan sealing.
Saat tutup manhole dibuka untuk pemeliharaan, karet pelapis tutup harus diganti dengan yang baru waktu tutup dipasang kembali untuk menjaga kekuatan seal yang baik.Bentuk spiral case dapat dilihat pada gambar 2.15.
3. Stay vane
Stay vane berfungsi sebagai sudu pengarah dan mendistribusikan aliran air secara merata menuju guide vane.
21 4. Guide vane
Guide vane berfungsi untuk mengatur air yang masuk ke runner turbine dari debit maksimal sampai debit nol.
5. Regulating ring
Regulating Ring berfungsi untuk merubah gerakan translasi dari servomotor menjadi rotasi yang dapat memutar guide vane secara bersamaan.
Gambar 2.16 Guide Vane
22
6. Runner
Runner berfungsi untuk mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanis yang digunakan kemudian untuk memutar generator.
7. Shaft Turbin
Shaft turbin berfungsi untuk mentransfer putaran dari runner ke generator melalui kopling.
Motor Servo
Gambar 2.18 Regulating Ring
23 8. Guide bearing
Guide bearing berfungsi sebagai bantalan untuk menahan beban radial akibat putaran poros.
9. Draft tube
Draft Tube berfungsi untuk menghubungkan spiral case ke tail race. Gambar 2.20 Shaft Turbin
24 10. Tail Race
Tail race berfungsi sebagai tempat pembuangan air dari yang melalui draft tube.
2.2.2.3 Prinsip Kerja Turbin Air
Bagian-bagian utama yang berperan untuk menghasilkan putaran pada turbin yaitu : Main Inlate Valve (MIV),Spiral case, Stay vane,Governor, Regulating Ring, Servo Motor, Link Regulator, Guide Vane.
Air masuk dari penstock dengan head 434.6 m, kemudian air tersebut menuju main inlate valve (open), dari main inlate valve air didistribusikan ke komponen turbin yaitu spiral case,di dalam spiral case aliran air akan didistribusikan kembali menuju Guide Vane. Aliran air yang mengalir pada stay vane diarahkan oleh guide vane. Guide vane akan membuka tutup sesuai perintah governor (sudut untuk membuka dan mentutup guide vane adalah 0º-15°) melalui servo motor. Servo motor akan menggerakan regulating ring. Regulating ring berhubungan langsung dengan guide vane melalui link regulating.
25 Dengan adanya gerakan servo motor tersebut akan terjadi proses buka tutup pada guide vane. Aliran air yang melalui guide vane akan mendorong runner turbin sehingga terjadi putaran pada shaft turbin dengan kecepatan 750 rpm (standar). Air yang melalui runner akan dibuang ke danau toba melalui Tail race dan Draft Tube.
Pada saat turbin berputar terjadi gaya mekanik pada turbin yang diteruskan ke shaft generator melalui kopling, sehingga merubah energi mekanik menjadi energi listrik (terjadi dalam komponen generator). Pada setiap generator renun mampu membangkitkan daya listrik sebesar 41 MW. Energi listrik tersebut didistribusikan kepada pelanggan.Unit PLTA Renun menggunakan turbin air dengan turbin Francis dengan kapasitas daya terpasang sebesar 41 MW baik pada Unit 1 maupun Unit 2. Berikut ini adalah data spesiifikas dari turbin yang dipakai di Unit PLTA Renun:
Type : Francis Turbin
Runner Nominal Diameter : 1000 mm Inlet Diameter : 1696 mm Number of Blades : 30 Weight ( runner Only ) : 2.5 Kgs Shaft Orientation : Vertical Syncronous Speed : 750 rpm Runaway Speed : 1275 rpm Rated Head : 434.6 m Rated Output : 42 mW Rated Flow : 10.42 m3 Max. Output : 41 MW /s Min. Head for rated P max. : 430.3 m
26 Thrust Toward Suction Cone
Normal : 25 Tonnes
Runaway : 43.6 Tonnes
Max : 43.6 Tonnes
Min : -4.4 Tonnes
Load Rejection
Max Spiral Pressure : 582 m Max Speed : 1087.5 m Max Speed Rise : 45 % Guide
Closing Rate : 6.0 Initial 14.0 Second Opening Rate : 25.0
2.2.2.4 Karateristik Turbin
Untuk dua turbin atau lebih yang mempunyai dimensi yang berlainan disebut homologius jika kedua turbin atau lebih tersebut sebangun geometri dan mempunyai karakteristik yang sama. Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam buah konstanta yaitu :
1. Rasio Kecepatan (ɸ) 2. Kecepatan Satuan (Nu) 3. Debit Satuan (Qu) 4. Daya Satuan (Pu) 5. Kecepatan Spesifik (Ns) 6. Diameter Spesifik (Ds)
27 1. Rasio Kecepatan
Rasio Kecepatan(ɸ) adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier turbin pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air melalui curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun (Hnetto) yang bekerja pada turbin. ɸ = � �2��ɸ = �� 84,6 √H...(2.1)
V
linier = ��� 60Dengan N adalah putaran turbin rpm (rotasi per menit), D adalah diameter karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter nominal, H adalah tinggi terjun netto/efektif (m).
2. Kecepatan Satuan (Nu)
Kecepatan Satuan (Nu) adalah kecepatan putar turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
Dari pers (2.1) diperoleh Korelasi :
N = 84,6
ɸ
√�� ...(2.2) Dengan memasukkan nilai D = 1 m dan H = 1 m, maka pers (2.2) menjadi :Nu = 84,6ɸ...(2.3) Akhirnya pers (2.2) dapat ditulis sebagai :
Nu = ��
√�...(2.4) 3. Debit Satuan (Qu)
Debit yang masuk turbin secara teoritis dapat diandaikan sebagai debit yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun (Hnetto)
28 yang bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang melalui turbin dapat dinyatakan sebagai :
Q = Cd1 4
� �
2�
2��
...(2.5) = C�
2√HDengan Cdadalah koefisien debit.
Debit Satuan (Qu) adalah debit turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
Qu = Cd1
4
�
�2�
...(2.6) Akhirnya pers (2.5) dapat ditulis sebagai :Qu = �
�2 √�...(2.7) 4. Daya Satuan (Pu)
Daya (P) yang dihasilkan turbin dapat dinyatakan sebagai : P = ɳ Q H ɣ = ɳ Qu
�
2√� H
ɣP = ɳɣ Qu
�
2�
3/2...(2.8) Dengan ɳ adalah efisiensi turbin, ɣ adalah berat jenis air.Daya Satuan (Pu) adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
Akhirnya pers (2.8) dapat ditulis sebagai : Pu
=
�29 5. Kecepatan Spesifik (Ns)
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya.Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang sudah diketahui.Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head.Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.
Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru.Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian - bagian turbin dapat dihitung dengan mudah.
Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi.
Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.
Eliminasi diameter (D) dari pers (2.4) dan pers (2.9) menghasilkan korelasi :
N =
√����
�√�5/4 Atau :N
s=
�√�30 Atau :
...(2.11) Kecepatan spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang menghasilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
Kecepatan spesifik (Ns) dapat dinyatakan dalam sistem metrik maupun sistem Inggris, korelasi dari kedua sistem tersebut dinyatakan dalam ;
Ns (metrik) = Ns (Inggris) x 4,42...(2.12) Catatan : Satuan daya yang digunakan dalam rumus diatas adalah daya kuda (HP) 6. Diameter Spesifik (Ds)
Dari pers (2.9) diperoleh korelasi :
D = 1
√��
�
�√�3/4...(2.13) Diameter Spesifik (Ds) adalah diameter turbin yang menghasilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.Akhirnya pers (2.12) dapat ditulis sebagai :
Ds = ��3/4
√� ...(2.14)