PENINGKATAN DAYA KELUARAN GENERATOR SINKRON Diajukan sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Pendidikan Sarjana
Ekstensi (PPSE) Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Oleh :
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
RICHARD MANUMPAK BATUBARA NIM :110422008
i ABSTRAK
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Renun adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan aliran air sungai renun dan sebelas anak sungai lain yang kemudian dikumpulkan dalam suatu bendungan pengantar. Berlokasi di Kabupaten Dairi Provinsi Sumatera Utara yang berjarak 100 Km dari kota Medan PLTA Renun di design untuk mensuplay energi ke sistem kelistrikan Sumatera Utara. Memiliki total daerah tangkapan air sebesar 263,5 Km2 dengan debit maksimal pengambilan 22,1 m3/�, tinggi jatuh air 467,6 m dan kapasitas terpasang sebesar 82 MW, PLTA Renun menghasilkan sebesar 313,5 GWh energi yang dihasilkan per tahun. Namun potensi sumber daya air pada sungai renun masih dapat dimanfaatkan lebih maksimal lagi dengan memodifikasi aliran air menuju rumah turbin guna meningkatkan daya keluaran turbin, sejalan dengan hal itu dengan meningkatnya daya keluaran turbin akan meningkatkan juga daya mekanis yang masuk ke generator pembangkit sehingga akan meningkatkan daya keluaran generator pembangkit itu sendiri.
Pada Tugas Akhir ini dilakukan perancangan atau modifikasi aliran air tersebut meliputi perubahan panjang dan diameter pipa penstock yang digunakan dalam instalasi sehingga dapat mengurangi rugi gesekan air terhadap permukaan pipa dengan itu mengurangi juga rugi-rugi kehilangan tinggi tekan air (meningkatkan head efektif) sehingga daya keluaran turbin atau daya input mekanis generator pun meningkat.
ii KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas pertolongan, kasih dan karunia-Nya yang penulis alami dan rasakan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.Penulisan Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada keluarga terkasih, yaitu Ayahanda (Thomson Batubara), Ibunda (Renta Sri Rezeki Br Hutabarat), Kakak dan Abang Ipar (Bunga Batubara dan Pekan Banurea) dan Adik (Yudi Batubara) yang senantiasa mendukung dan mendoakan penulis selama perkuliahan maupun dalam menyelesikan Tugas Akhir ini.
Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si.selaku Ketua Depatemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Ir. Rahmat Fauzi, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU.
iii 3. Bapak Ir. Syamsul Amien, MS dan Bapak Ir. Raja Harahap, MT.
selaku dosen Penguji yang telah banyak memberikan masukan untuk perbaikan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, MT. selaku dosen wali penulis yang banyak memberikan masukan dan pengarahan dalam menyelesaikan perkuliahan.
5. Seluruh staf pengajar dan administrasi Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara .
6. Teman-teman seangkatan Jurusan Teknik Elektro Ekstensi 2011, senior, junior serta reguler untuk semua dukungannya.
7. Semua pihak yang memberi dukungan yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.
Medan, Januari 2015
Penulis,
iv DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan Penulisan ... 3
1.5 Metodologi Penelitian ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA) RENUN ... 5
2.1 Sejarah Singkat PLTA Renun ... 5
2.2 Komponen PLTA Renun ... 6
2.2.1 Bangunan Pembawa Air (Water Way)... 6
2.2.2 Turbin Air ... 16
2.2.3 Generator ... 30
2.2.4 Main Transformator ... 44
2.3 Data Teknis PLTA Renun ... 49
BAB III KEHILANGAN ENERGI (LOSSES) ... 51
v 3.1.1 Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) Pada Saluran
Terbuka ... 51
3.1.2 Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) Pada Saluran Tertutup ... 53
BAB IV PERENCANAAN INSTALASI ... 61
4.1 Perencanaan Pipa Pengantar Atas ( Head Race) ... 61
4.1.1 Perhitungan Pipa ... 61
4.2 Perencanaan Pipa Penstock ... 61
4.2.1 Perencanaan Panjang dan Diameter Pipa Penstock ... 61
4.3 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) pada pipa Penghantar Aliran ... 63
4.3.1 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan pada Kisi Sampah (Trash Rack) ... 63
4.3.2 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Pemasukan . 63 4.3.3 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Gesekan ... 64
4.3.4 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Pemasangan Pintu Air pada Saluran Atas ... 66
4.4 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) pada Pipa Penstock ... 67
4.4.1 Kehilangan tinggi tekan akibat gesekan ... 67
4.4.2 Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Belokan ( Elbow) ... 70
4.4.3 Kehilangan Tinggi Tekan pada Katub Pipa Penstock ... 72
4.4.4 Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Penyimpangan (Constraction)... 72
4.4.5 Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Pemasangan Pipa Cabang Dua (Bifuraction) ... 73
BAB V DAYA KELUARAN ... 75
vi
5.2 Perhitungan Daya Keluaran Turbin ... 75
5.3 Perhitungan Daya Keluaran Generator ... 76
5.4 Perbandingan Daya Keluaran Generator Sebelum dan Sesudah Modifikasi... 76
5.5 Persentase Peningkatan Daya ... 77
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ... 78
6.1 Kesimpulan ... 78
6.2 Saran ... 79
vii
Gambar 2. 11 Klasifikasi kedudukan Poros Turbin (a) Turbin Kaplan, (b) Turbin Pelton, (c) Turbin Francis………...………...17
Gambar 2. 22 Simulasi Prinsip kerja generator ... 32
Gambar 2. 23 Pembangkitan Tegangan Induksi. ... 33
Gambar 2. 24 Karakteristik Tanpa Beban Generator Sinkron ... 35
Gambar 2. 25 Karakteristik Alternator berbeban Induktif ... 36
Gambar 2. 26 Rotor PLTA Renun ... 39
Gambar 2. 27 Bagian-Bagian Stator ... 40
Gambar 2. 28 Stator PLTA Renun ... 41
viii
Gambar 2. 30 Main Transformer PLTA Renun ... 44
Gambar 2. 31 Bagian-Bagian Transformator ... 45
Gambar 2. 32 Tangki konservator PLTA Renun ... 46
Gambar 3. 1 Profil Pipa Penstock PLTA Renun ... 54
ix DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1 Debit rata-rata Main Intake & Tributary Intake (TI) ... 10
Tabel 2. 2 Catchment Area ... 10
Tabel 2. 3 Data Teknis PLTA Renun ... 50
Tabel 3. 1 Panjang dan Diameter Pipa Pentock ... 54
Tabel 4. 1 Panjang dan Diameter Pipa Penstock Setelah Modifikasi ... 62
i ABSTRAK
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Renun adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan aliran air sungai renun dan sebelas anak sungai lain yang kemudian dikumpulkan dalam suatu bendungan pengantar. Berlokasi di Kabupaten Dairi Provinsi Sumatera Utara yang berjarak 100 Km dari kota Medan PLTA Renun di design untuk mensuplay energi ke sistem kelistrikan Sumatera Utara. Memiliki total daerah tangkapan air sebesar 263,5 Km2 dengan debit maksimal pengambilan 22,1 m3/�, tinggi jatuh air 467,6 m dan kapasitas terpasang sebesar 82 MW, PLTA Renun menghasilkan sebesar 313,5 GWh energi yang dihasilkan per tahun. Namun potensi sumber daya air pada sungai renun masih dapat dimanfaatkan lebih maksimal lagi dengan memodifikasi aliran air menuju rumah turbin guna meningkatkan daya keluaran turbin, sejalan dengan hal itu dengan meningkatnya daya keluaran turbin akan meningkatkan juga daya mekanis yang masuk ke generator pembangkit sehingga akan meningkatkan daya keluaran generator pembangkit itu sendiri.
Pada Tugas Akhir ini dilakukan perancangan atau modifikasi aliran air tersebut meliputi perubahan panjang dan diameter pipa penstock yang digunakan dalam instalasi sehingga dapat mengurangi rugi gesekan air terhadap permukaan pipa dengan itu mengurangi juga rugi-rugi kehilangan tinggi tekan air (meningkatkan head efektif) sehingga daya keluaran turbin atau daya input mekanis generator pun meningkat.
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi listrik merupakan kebutuhan yang sangat vital di masa modern sekarang ini.Dalam menjalankan aktivitas sehari-hari manusia jaman sekarang sangat bergantung pada pasokan energi listrik. Kebutuhan energi listrik ini dari waktu ke waktu di predikisi akan semakin bertambah seiring dengan perkembangan teknologi yang umumnya membutuhkan asupan energi listrik. Sejalan dengan meningkatnya kebutuhan energi listrik dari waktu ke waktu tersebut, mengakibatkan suplai daya listrik oleh suatu pusat pembangkit energi listrik akan semakin bertambah besar.
Di Indonesia Banyak terdapat pembangkit-pembangkit energi listrik, baik yang menggunakan energi fosil, energi air, energi angin ataupun sumber energi alternatif lainnya. Indonesia sendiri termasuk negara yang memiliki sumber daya tenaga air yang cukup besar, salah satunya berada di provinsi sumatera utara. Pusat Pembangkit Listrik Tenaga air yang akan dibahas pada tugas akhir ini adalah Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Renun yang terdapat di Kecamatan Sumbul, Sidikalang.
Pada rumah pembangkit (Power House) PLTA Renun sendiri terdiri dari dua mesin pembangkit yaitu Turbin-Generator 2 x 41 MW yang masing-masing satu poros dihubungkan dengan kopel (Kopling). Jenis tirbun yang digunakan adalah Turbin Francis dengan poros vertikal sedangkan generator yang digunakan adalah Generator Sinkron.
2 masuk ke generator pembangkit sehingga akan meningkatkan daya keluaran generator pembangkit itu sendiri.Modifikasi aliran air tersebut meliputi perubahan panjang dan diameter pipa penstock yang digunakan dalam instalasi sehingga dapat mengurangi rugi gesekan air terhadap permukaan pipa dengan itu mengurangi juga rugi-rugi kehilangan tinggi tekan air (meningkatkan head efektif) sehingga daya keluaran turbin atau daya input mekanis generator pun meningkat.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka masalah yang akan diselesaikan dalam Tugas Akhir ini adalah:
1. Bagaimana rancangan aliran air PLTA renun guna peningkatan daya keluaran turbin-generator .
2. Seberapa besar losses mayor dan losses minor disepanjang aliran air menuju turbin.
3. Seberapa besar pengaruh losses mayor dan minor disepanjang aliran air menuju turbin terhadap daya turbin.
4. Seberapa besar perbandingan daya keluaran generator sebelum dan sesudah modifikasi instalasi aliran air.
1.3 Batasan Masalah
Dalam setiap permasalahan, ada banyak yang menjadi cakupannya. Sehubungan dengan keterbatasan penulis, untuk itu penulis membatasi masalah yang akan dibahas yang meliputi :
1. Tidak Membahas gangguan yang terjadi pada generator pembangkit 2. Tidak membahas rugi-rugi pada generator
3. Efisiensi Turbin dan Generator diasumsikan sama seperti pada sistem yakni masing-masing 87% dan 98%
3 5. Modifikasi yang dilakukan hanya meliputi perubahan panjang, diameter
dan bahan material pipa penstock. 1.4 Tujuan Penulisan
Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Untuk mengetahui rancangan aliran air PLTA renun guna peningkatan
daya keluaran turbin-generator .
2. Untuk mengetahui besarnya losses mayor dan losses minor disepanjang aliran air menuju turbin.
3. Untuk mengetahui pengaruh besarnya losses mayor dan minor disepanjang aliran air menuju turbin terhadap daya turbin.
4 Bagaimana mengetahui besarnya perbandingan daya keluaran generator sebelum dan sesudah modifikasi instalasi aliran air.
1.5 Metodologi Penelitian
Metodologi penelitian yang digunakan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah :
1. Studi Literatur yaitu suatu teknik pengumpulan data yang dilakukan dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik Tugas Akhir yang terdiri dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau diperpustakaan dan internet. Observasi yaitu suatu teknik pengumpulan data yang dilakukan dengan pengamatan langsung terhadap objek yang akan diteliti yaitu dengan cara melakukan pengamatan ke lapangan tentang kendala-kendala yang terjadi.
4 1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penulisan, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.
BAB II PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA) RENUN
Bab ini membahas tentang PLTA Renun secara umum seperti sejarah PLTA Renun, komponen-komponen utama PLTA Renun dan data teknis PLTA Renun.
BAB III KEHILANGAN ENERGI (LOSSES)
Bab ini membahas tentang rugi-rugi hidrolisis baik rugi hidrolisis pada saluran terbuka maupun rugi hidrolisis pada saluran tertutup seperti losses mayor dan losses minor.
BAB IV PERENCANAAN INSTALASI
Bab ini membahas tentang perhitungan perencanaan modifikasi dan perhitungan head losses pada pipa saluran dan eksesoris pipa.
BAB V DAYA KELUARAN
Bab ini membahas tentang perhitungan daya keluaran hidrolisis, daya keluaran Turbin, daya keluaran generator dan perbandingan daya keluaran generator sebelum dan sesudah modifikasi instalasi aliran air.
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
5 BAB II
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA) RENUN
2.1 Sejarah Singkat PLTA Renun
Perusahaan listrik Negara (PLN) adalah sebuah perusahaan yang bergerak dibidang kelistrikan untuk menyediakan listrik di Indonesia.Penyediaan listrik di Indonesia sangatlah kurang, terutama untuk daerah-daerah terpencil yang belum ada penyaluran listrik ke daerah tersebut. Oleh karena itu PT PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera Bagian Utara (SUMBAGUT) yang mempunyai tujuh sektor pembangkitan salah satunya adalah Sektor Pembangkitan Pandan yang terletak di Sibolga Sumatera Utara yang membangun sebuah pembangit listrik yang memanfaatkan tenaga air.
Sektor Pembangkitan Pandan mempunyai dua unit pembangkit yang memanfaatkan air sebagai bahan baku utama, yaitu PLTA Renun dan PLTA Sipan Sihaporas dengan masing-masing pembangkit berkapasitas 2 x 41 MW dan 50 MW.
Penyediaan listrik dengan daya besar dapat dilakukan dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), dengan gas (PLTG), tenaga diesel (PLTD) dan tenaga air (PLTA). Energi listrik disalurkan melalui jaringan transmisi (biasanya bertegangan tinggi) menuju para pemakai listrik. Sebelum mencapai konsumen, tegangan listrik akan diturunkan ke level tegangan yang digunakan konsumen.
6 total daya yang terpasang 82 MW. Daya yang dibangkitkan dari pusat daya yaitu 150 KV. Dikirim ke transmisi tegangan tinggi dan disambung pada subtation Berastagi dan subtation Sidikalang.
PLTA Renun terletak di Propinsi Sumatera Utara, sekitar 100 km di sebelah selatan Medan dan meliputi bagian hulu Renun dan Danau Toba. PLTA ini membangkitkan tenaga listrik secara ekonomis dengan mengalihkan sekitar 22 m3/detik dari Sungai Renun dan 11 anak sungai (tributary intake) ke Danau Toba. Dengan debit air rata-rata 11 m3
2.2 Komponen PLTA Renun
/det untuk masing-masing turbin dan tinggi jatuh efektif air 434.6 m diharapkan akan menghasilkan energi sebesar 313.5 GWh/tahun.
Secara garis besar komponen – kompnen PLTA berupa bangunan pembawa air (water way), turbin air, generator, transformator dan alat bantu. Adapun penjelasan beberapa macam komponen PLTA tersebut disajikan dalam penjelasan berikut ini :
2.2.1 Bangunan Pembawa Air (Water Way)
Water Way merupakan bagian konstruksi dari suatu PLTA yang terdiri
dari bangunan pengambilan (intake tructure) sampai ke saluran pembuangan akhir (Tail Race), yang merupakan suatu bagian utama dari PLTA.Water Way berfungsi sebagai jalan air dari sumber air.
7 PLTA Renun memiliki Water Way sepanjang ± 21 km yang terdiri dari terowongan Upstream Headrace Tunnel (Penghantar Bagian Hulu) yang berfungsi untuk mengalirkan air dari Main Intake, beserta Tributary Intake sebanyak 8 unit ke Regulating Pond (Kolam Tando) sepanjang ± 8,8 km.Lalu terowongan Downstream Headrace Tunnel (Penghantar Bagian Hilir) yang berfungsi untuk mengalirkan air dari Regulating Pond, beserta Tributary Intake sebanyak 3 unit dengan Penstock (Pipa Pesat) sepanjang ± 11,3 km, dan Penstock yang berfungsi untuk mengalirkan air dari DHT ke turbin. Simulasi
Water Way Unit PLTARenun dilihat pada gambar 2.1 dan 2.2.
Sumber air di unit PLTA Renun ini bersumber dari Sungai Renun dan 11 anak sungainya. Air mengalir dari sumber-sumber air melalui UHT, DHT, dan Penstock disebabkan oleh gaya dorong berupa gaya grafitasi dimana gaya
tersebut terjadi karena perbedaan elevasi antara UHT dengan DHT, dan DHT dengan penstock.
8 2.2.1.1 Main Intake
Main Intake adalah bangunan pada PLTA yang berfungsi sebagai pintu utama yang mengalirkan airmenuju Regulating Pond. Sumber utama di Unit PLTA Renun didapat dari Sungai Renun yang dialirkan melalui Main Intake yang terletak 28 km dari Base Camp PLTA Renun yaitu di desa Pangaringan. Luas daerah tangkapan air pada Main Intake yang berasal dari Sungai Renun seluas 139 km2 dengan debit rata-rata air sebesar 5.63 m3/detik. Gambar Main Intake dapat dilihat pada gambar 2.4.
Sungai Renun
9 2.2.1.2 Upperstream Headrace Tunnel (UHT)
Upperstream Headrace Tunnel (UHT) merupakan terowongan yang menyalurkan air dari Main Intake menuju Regulating Pond.Terdapat 1-8 Tributary Intake disepanjang UHT. Tributary Intake adalah saluran anak sungai yang berfungsi untuk menambah debit air. Gambar UHT dapat dilihat pada gambar 2.5. Data spesifikasi alat:
Tipe : Bentuk lingkaran dengan kekuatan permukaan beton dan garis lengkung beton dan bagian terbalik kondisi aliran bebas.
Diameter/panjang : 3,4 m / 8,718 km
2.2.1.3 Tributary Intake
Selain dari sungai Renun, sumber air yang digunakan Unit PLTA Renun diperoleh dari 11 anak sungai yang disalurkan melalui Tributary Intake. Tributary Intake no. 1-8 terdapat di sepanjang UHT dan Tributary Intake no. 9-11 di sepanjang Downstream Headrace Tunnel (DHT).Data Catchment Area (Jangkauan Air) pada setiap Tributary Intake dapat dilihat pada table 2.2.Data debit aliran sungai, rata-rata tiap bulan baik Main Intake maupun Tributary Intake selama 2 tahun dari tahun 2008 sampai dengan 2010 dapat dilihat pada tabel 2.1.
No Keterangan Hasil Analisa Satuan Acuan Metode
10 Tabel 2.1 Debit rata-rata Main Intake & Tributary Intake
(TI)
Laporan implementasi pengelolaan lingkungan dan pemantauan lingkungan PLTA Renun 2008-2010
Tabel 2.2 Catchment Area
Tributary Intake Catchment Area (km2)
TI-1 Lae Mbara 4,3
TI-2 Lae Mbontar 6,4
TI-3 Lae Simbara 7,9
TI-4 Lae Simartaban 5,7
TI-5 Lae Lembam 9,8
TI-6 Lae Sipatonga 7,1 TI-7 Lae Singilang 11,1
TI-8 Lae Patuak 19,7
TI-9 Lae Sipaha 8,6
11 2.2.1.4 Regulating Pond
Regulating Pond merupakan suatu kolam yang mengatur aliran air
sungai guna keperluan harian atau mingguan.Regulating Pond juga berfungsi sebagai kolam pengendap lumpur dan pasir yang terbawa oleh aliran air. Pada saat beban puncak aliran air perlu dapat diatur selama kira-kira lima sampai enam jam lamanya.
Regulating Pondterletak di Desa Sileuleu dengan luas area 100.000
m2, dengan bentuk lonjong yang memiliki kedalaman ± 5 m dengan kapasitas air sebanyak 500.000 m3dengan elevasi maksimum 1.370 m.
Data spesifikasi Regulating Pond :
Type : Galian berbentuk lonjong dengan perlindungan galian yang diserong. Kapasitas : Volume efektif 500.000 m3 dengan luas area 100.000 m2 Level Air : Level Air Max 1.370 m dan Min 1.365 m
Pada Regulating Pond terdapat:
12
Spillwa
y
Intake UHT
DHT
1. Control Room (Ruang Kontrol)
Ruang control berfungsi untuk mengatur operasional dari Intake Gate Regulating Pond, dan memonitoring ketinggian atau level air di Regulating Pond.
2. Intake Gate Regulating Pond
Pada Regulating Pond, terdapat satu buah Intake Gate Regulating Pond (Pintu Pengatur Kolam ), adapun sepesifikasinya adalah sbb :
Type : Fixel Wheel Gate Clear Span : 3,3 m
Clear Height : 3,3 m Quantity : 3 set
Hoisting Speed : 0,5 m/menit ± 10 % Gate Weight : 6,9 ton
Tahun Pembuatan : 2000
Manufacturer : PT. Boma Bisma Indra
2.2.1.5 Spillway
13 2.2.1.6 Downstream Headrace Tunnel (DHT)
Downstream Headrace Tunnel (DHT) merupakan terowongan saluran air yang menghubungkan Regulating Pond dengan Penstock Tunnel (Pipa Pesat). Gambar DHT dapat dilihat pada gambar 1.
Tipe : Berbentuk garis lingkaran dengan kekuatan permukaan beton pada kondisi aliran tekanan.
Diameter : 3,3 m Panjang : 11.205 m
14 Gambar 2.8 Downstream Headrace Tunnel (DHT)
2.2.1.7 Penstock Tunnel
Penstock Tunnel merupakan terowongan saluran air yang menghubungkan DHT dengan Power House serta berfungsi untuk mengalirkan air dari Regulating Pond atau langsung dari Intake Structur ke turbin.
Tipe : Pipa steel mengelilingi di dalam beton Diameter pipa : 3,3 m dan 3,0 m di atas sisi horizontal,
2,8 m di atas sisi kemiringan,
15 Gambar 2.9 Penstock Tunnel
2.2.1.8 Surge Tank (Tangki Pendatar)
Surge Tank merupakan suatu bangunan yang berfungsi sebagai peredam tekanan berlebih yang diakibatkan oleh penutupan Main Inlet valve pada Penstock Tunnel sehingga tidak terjadi pecahnya Penstock Tunnel akibat tekanan yang berlebih dan juga berfungsi agar Main Inlet Valve tidak rusak akibat water hammer.
Tipe : Tipe lubang pembatas Diameter : 8,0 m
Tinggi : 57,55 m
dia. 3.0m
dia. 2,8 m
dia. 2,5 m
dia. 2,3
16 Gambar 2.10 Surge Tank
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
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)
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
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
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 :
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 = ���60
Dengan 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)
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)
2.2.3 Generator
31 1. Kumparan,
2. Medan magnet 3. Putaran.
Proses konversi energi mekanik menjadi energi listrik pada generator adalah dengan memutar medan magnet di dalam kumparan sehingga terjadi perpotongan garis-garis medan magnet (fluksi) oleh kumparan dan terjadi GGL (Gaya Gerak Listrik) dan mengalirkan elektron pada kumparan.
2.2.3.1 PrinsipKerja Suatu Generator
Suatu generator pada dasarnya terdiri dari kumparan yang berputar di sekitar medan magnet. Akibat putaran tersebut maka terjadi perpotongan garis-garis medan magnet oleh kumparan sehingga terjadi induksi pada kumparan yang menimbulkan GGL (Gaya Gerak Listrik).Jadi saat rotor diputar dan kumparan pada rotor diberi tegangan DC (Direct Current) maka rotor akan menimbulkan medan magnet sehingga terjadi GGL pada kumparan stator, karena kumparan
32 Slip-ring
Brush
Medan Magnet Stator
Rotor Sinusoidal
pada stator memotong garis-garis medan magnet stator sehingga diperoleh medan magnet putar dan medan magnet inilah yang menginduksi tegangan AC 3 Fasa ke belitan stator.
Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi dapat dilihat pada Gambar 2.22. Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh kumparan pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2.23. (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.23.(b),akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidakadanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.
33 Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120.
Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain bentuk sepatu kutub.Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor
34 menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan.
2.2.3.2 Kecepatan Putar Generator Sinkron
Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator.Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC.Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:
f = np/120………..…(2.15)
yang mana:
f = frekuensi listrik (Hz)
n = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm) p = jumlah kutub magnet
Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm.Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.
2.2.3.3 Alternator Tanpa Beban
Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (IF), maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.
Ea = c.n.
φ
...(2.16)35 c = konstanta mesin
n = putaran sinkron
φ = fluks yang dihasilkan oleh IF
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF). Apabila arus medan (IF) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Ea seperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut.
Gambar 2.25 Karakteristik Tanpa Beban Generator Sinkron
2.2.3.4 Alternator Berbeban
36 Ea = tegangan induksi pada jangkar
V = tegangan terminal output Ra = resistansi jangkar Xs = reaktansi sinkron
Karakteristik pembebanan dan diagram vektor dari alternator berbeban induktif (faktor kerja terbelakang) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.26 Karakteristik Alternator berbeban Induktif
2.2.3.5 Pengaruh perubahan Daya Input Mekanis terhadap Generator Sinkron
Anggap bahwa Generator Sinkron membagikan daya input ke infinite busbar pada kondisi stabil, maka sebuah sudut daya (power angle)
δ
tetap diantara V dan E dan E mendahului (leading) V. Phasor diagram situasi ini adalah sebagai berikut :E -jIaXs
δ
Vφ
37 Sekarang anggap bahwa excitasi dari generator dijaga konstan dan daya input ke prime movernya ditambah. Penambahan pada daya input akan cenderung untuk mempercepat putaran rotor dan E akan bergerak lebih keatas terhadap V (yaitu besar sudut daya
δ
akan semakin besar).Penambahan besar sudut daya menghasilkan Ia yang lebih besar dimana :
Ia = �−�
�� dan memperkecil <
φ
sehingga phasor diagramnya menjadi:E -jIaXs
δ
φ
VIa
Sehingga Generator sinkron akan membagikan lebih besar daya aktif ke infinite busbar. Keseimbangan akan menjadi re-established pada kecepatan putaran yang sesuai kepada frekuensi dari infinite busbar dengan sudut daya yang lebih besar. Gambar phasor diagram diatas digambarkan pada besar excitasi yang sama, maka berarti pada besar E yang sama seperti pada gambar diagram phasor
sebelumnya tetapi daya aktif keluarannya atau active power output = V Ia cosФ adalah lebih besar daripada kondisi pada gambar diagram phasor yang pertama.
38 2.2.3.3 Bagian-Bagian Utama Generator
1. Rotor
Rotor adalah bagian generator yang berputar yang berfungsi untuk membangkitkan medan magnet pada rotor. Bagian-bagian utama rotor dapat dilihat pada gambar 2.24. Bagian-bagian utama rotor terdiri dari :
(a) Collector Fan
Collector fan merupakan bagian generator yang berfungsi untuk mensirkulasi media pendingin pada stator generator.
(b) Collector Ring
Collector ring merupakan penghubung rotor dengan tegangan DC melalui sikat arang (Brush).
(c) Balance Plug
Balance plug merupakan bagian yang berfungsi sebagai tempat untuk meletakkan moment weight.
(d) Coil Slot
Coil slot berfungsi sebagai ruang untuk menempatkan coil rotor generator.
(e) Retaining Ring
Retaining ring berfungsi sebagai penahan coil rotor disisi ujung, saat rotor berputar akibat adanya gaya sentrifugal.
(F) Fan
39 Coupling berfungsi sebagai penghubung shaft generator dengan shaft turbin.
2. Stator
Stator adalah bagian generator yang tidak bergerak, berisi coil-coil tempat terjadinya fluksi pada saat rotor berputar. Setelah mendapatkan Induksi medan magnet dari rotor, stator menghasilkan tegangan AC 3 Fasa sebagai energi listrik. Bagian-bagian utama stator dapat dilihat pada gambar 2.25.
Bagian-bagian utama stator terdiri dari: (a) Stator Housing
Stator housing adalah kerangka atau dinding yang tersusun atas plat – plat baja melingkar yang dihubungkan dengan batang besi Longitudinal.
(b) Inti Stator
Inti stator terbuat dari bahan ferromagnetic yang berfungsi untuk mengurangi rugi- rugi inti.
40 (c) Belitan Stator
Belitan stator berfungsi untuk menghasilkan tegangan AC 3 fasa akibat adanya induksi dari rotor.
(d) Bantalan (Bearing)
Bearing berfungsi sebagai penahan atau penumpu pada rotor dan generator saat berputar dan untuk mengurangi getaran. Ada 3 bearing utama pada generator,yaitu:
1 Thrust bearing
Thrust bearing berfungsi untuk meredam gaya axial pada shaft generator saat operasi.
2 Upper guide bearing
Upper guide bearing berfungsi untuk meredam gaya radial pada shaft generator saat operasi.
3 Lower guide bearing
Lower guide bearing berfungsi untuk meredam gaya radial pada shaft generator saat operasi.
(e) Braking and Jacking
Generator kapasitas besar dilengkapi dengan braking yang berfungsi untuk membantu pengereman saat generator akan berhenti operasi serta jacking berfungsi untuk mengangkat poros rotor sesaat sebelum berputar.
41 Berikut ini adalah data spesiifikasi dari Generator yang dipakai di Unit PLTA Renun:
Manufacture : ELIN
Type : SSV 290/8-176
Year of Manufacture : 1999
Rated Out : 46.000 KVA
Rated Voltage : 11.000 V ± 10 % Rated Current : 2414 A
Frekuensi : 50 Hz
Rated Factor : 0,89 Serial Number : I.659260
42 Insulating Class : F
Rated Speed Rpm : 750 rpm Admissib over speed : 1275
Direction of rotation : Clockwise Viewed fom above Circuit Connection : Series
Total Weight : 14.000 kg
2.2.3.3 Sistem Excitasi
Sistem eksitasi adalah sistem pasokan listrik DC sebagai penguatan pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi listrik dengan besar tegangan keluaran generator bergantung pada besarnya arus eksitasinya.
Berikut ini adalah dataspesifikasisistemexcitasidi Unit PLTA Renun: Potensial Source : Static Excitation
Rated Current : 1030 A Rated Voltage : 105 V
Type of Construction : IM 8425 (W41)
1. Prinsip kerja excitasi
43 Pada saat rotor berputar dan memotong medan magnet antara rotor dengan stator maka terjadi GGL pada belitan stator. GGL yang timbul di stator merupakan tegangan output generator.Pada saat generator menghasilkan tegangan, secara automatis sumber tegangan excitasi diambil alih oleh trafo excitasi dengan menggunakanalat AVR. AVR ( Automatic Voltage Regulator ) adalah alat yang berfungsi untuk mengatur arus holding ke tyristor agar dapat mengatur tegangan output dan arus dari generator. Diagram excitasi dapat dilihat pada gambar 34.
Gen
AVR
MCB
TahananGeser TrafoEksitasi
Battery MCB
VT
Trystor
44 2.2.4 Main Transformator
2.2.4.1 Transformator
Gambar 2.31 Main Transformer PLTA Renun
Transformator adalah peralatan listrik yang berfungsi untuk memidahkan energi listrik dari rangkaian primer ke rangkaian yang lain (Skunder) berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.
2.2.4.2 Bagian Utama Transformator
Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: 1. Kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input. 2. Kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai output dan
45 Gambar 2.32 Bagian-Bagian Transformator
1. Inti besi
Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluks magnetik yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan.Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh pusaran arus.
2. Kumparan transformator
Kumparan transformator adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan atau gulungan.Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat seperti karton dan lain-lain.Kumparan tersebut sebagai alat transformasi tegangan dan arus.
3. Minyak transformator
46 tinggi. Pendingin yaitu mengambil panas yang ditimbulkan sewaktu trafo berbeban lalu melepaskannya. Melindungi komponen-komponen di dalam trafo terhadap korosi dan oksidasi.
4. Bushing
Hubungan antara kumparan transformator dengan jaringan luar melalui sebuah bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator.Bushing sekaligus berfungsi sebagai penyekat atau isolator antara konduktor tersebut dengan tangki transformator.Pada bushing dilengkapi fasilitas untuk pengujian kondisi bushing yang sering disebut center tap.
5. Tangki konservator
47 Tangki konservator berfungsi untuk menampung minyak cadangan dan uap atau udara akibat pemanasan trafo karena arus beban. Diantara tangki dan trafo dipasangkan relai bucholzt yang akan meyerap gas produksi akibat kerusakan minyak . Untuk menjaga agar minyak tidak terkontaminasi dengan air, ujung masuk saluran udara melalui saluran pelepasan atau venting dilengkapi media penyerap uap air pada udara, sering disebut dengan silica gel dan dia tidak keluar mencemari udara disekitarnya.
2.2.4.3 Prinsip Kerja
Ketika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul GGL induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance).
Spesifikasi Transformator PLTA Renun
Berikut ini adalah data spesifikas dari Transformator yang dipakai di Unit PLTA Renun:
PAUWELS
Serial Number : 98P00L
Year Manufacture : 1998
Rated Power : 46 MVA
Rated Voltage : 150/11 kV
Rated Current : 177/2414 A
Frequency : 50 hz
Phase : 3
Connection Symbol : TNd1
Standar : IEC76
48 Top oil indicator : 46 0C
Winding temp oil : 46 0C
Top oil : 60 0C
Average wind : 65 0
2.2.4.4 Rumus perhitungan
C
Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan:
Vp = Tegangan primer (volt) Vs = Tegangan sekunder (volt) Np = Jumlah lilitan primer Ns = Jumlah lilitan sekunder
Pada transformator (trafo) besarnya tegangan yang dikeluarkan oleh kumparan sekunder adalah:
Sebanding dengan banyaknya lilitan sekunder Sebanding dengan besarnya tegangan primer
(Vs ~ Ns).
49 Berbanding terbalik dengan banyaknya lilitan primer,
Sehingga dapat dituliskan:
2.3 Data Teknis PLTA Renun
Data pembanding yang terdapat dilapangan diperoleh dengan data dbagai berikut :
Debit maksimum pengambilan Tinggi jatuh
Tinggi jatuh efektif
Elevasi air ( Fully supply )
Elevasi air minimum untuk operasi Elevasi air tertinggi di tail race Elevasi air terendah di tail race Kapasitas terpasang
Energi yang dihasilkan pertahun Pengambilan Utama (Main Intake)
Pengambilan anak sungai 22 m3/s 467,6 m 434,6 m EL. 1370 m EL. 1365 m EL. 905 m EL. 902,4 m
82 MW ( 41 x 2 unit ) 313,5 Gwh
50 (Tributary Intake)
Terowongan penghantar bagian hulu
Kolam pengatur
Terowongan pengantar bagian hilir
Terowongan cabang
Surge tank
Pipa penstock
Peralatan pembangkit
Terowongan aliran bebas Diameter 3,4 m
Length 8.781,237 m
Berbentuk segi enam dilapisi aspal Daya tampung 500.000 m3
Terowongan tekan Diameter 3,4 m Panjang 11.205,19 m Terowongan tekan Diameter 2,5 m Panjang 3.381,5 m Tipe lubang terbatas Diameter 8,0 m
Pipa baja tertanam dalam beton Diameter 3,3 – 2,2 m
Panjang 821.3 m
51 BAB III
KEHILANGAN ENERGI (LOSSES)
3.1 Rugi-Rugi Hidrolisis
Perhitungan kehilangan energi pada intake kemudian saluran hingga intake tunnel merupakan salah satu tahapan yang diperlukan dalam penentuan
tinggi jatuh bersih (Hnetto) maupun perhitungan daya yang dapat dibangkitkan.
Perhitungan kehilangan energi dibedakan dalam dua bagian antara lain : 3.1.1 Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) Pada Saluran Terbuka A. Kehilangan Tinggi Tekan pada Kisi Sampah (trash rack)
Kehilangan tinggi tekan akibat trash track dapat dihitung dengan persamaan : V = kecepatan aliran melewati trash track ( ft/s)
α= sudut dan batang – batang terhadap bidang horizontal
B. Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Pemasukan
52
ke = koefisien kehilangan tinggi tekan karena pemasukan
V = Kecepatan aliran pada pemasukan g = Percepatan gravitasi bumi
C. Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Gesekan pada Saluran Penghantar Atas (Head Race)
Kehilangan tinggi tekan akibat gesekan (friction loss) pada saluran penghantar atas dihitung dengan menggunakan rumus :
g
D. Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Pemasangan Pintu Air (Sluice Gate Valve) pada Saluran Atas (Head Race).
53 g
V k hl
. 2 .
2
=
...3.4 dimana :
K = koefisien kerugian tinggi tekan katub V = kecepatan aliran
3.1.2 Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) Pada Saluran Tertutup Terjadi dua macam kehilangan energi pada saluran tertutup (penstock), yaitu major losses dan minor losses. Major losses adalah kehilangan energi yang timbul akibat gesekan dengan dinding pipa.Sedangkan minor losses diakibatkan oleh tumbukan dan turbulensi, misalnya tejadi pada saat melewati kisi-kisi (trashrack), perubahan penampang, belokan dan lain-lain.
A. Losses Mayor
54 21 m
259,1 m
130,3 m
H = 467,6 m 270,5 m
140,4 m
Oleh karena pada profil pipa penstock dapat dibagi menjadi 5 (lima) bagian dengan diameter yang berbeda, maka perhitungan kehilangan tinggi tekan akibat gesekan pada pipa penstock pun terdapat lima harga yang berbeda sesuai diameter pipanya.
Tabel 3.1 Panjang dan Diameter Pipa Pentock
Pipa Panjang (m) Diameter (m)
L1 21 3,0
L2 259,1 2,8
L3 130,3 2,5
L4 270,5 2,3
L5 140,4 2,2
55 1. Peritungan Loses Mayor Pada Pipa Penstock Sebelum Modifikasi
Bahan Pipa penstock terbuat dari baja yang dikeling dengan koefisien kekasaran mutlak
ɛ
sebesar 0,9 mm-9,0mm (7mm sesuai data lapangan).(a) Kehilangan tinggi tekan karena gesekan sepanjang pipa L1 : Dimana :
Hl1 = head loss sepanjang pipa L1 karena gesekan
L1= panjang pipa
= 21 m
D = diameter pipa penstock = 3,3 m – 1,2 m
= 3,0 m V1
Re = � .�
0,985.10−6
=
3.114 � 3
0,985.10−6
= 9,4 x 10
6
Maka dengan menggunakan diagram moddy diperoleh harga koefisien gesek f sebesar : f = 0,051
= kecepatan aliran pada pipa = 3,114 m/s
ɛ
/d
= 7/3000 = 0,0023Maka hl1 = f �
1.�2 � .2�
hl1= 0,052
21.3,1142
3 .2.9,8
=
0,176 m56
D = diameter pipa penstock = 2,8 m
= kecepatan aliran pada pipa 2 = 3,59 m/s
f = koefisien gesekan = 0,025
= 1,52 m
(c) Maka tinggi tekan karena gesekan pada pipa tekan sepanjang L3
3
D = diameter pipa penstock = panjang pipa
57
= kecepatan aliran pada pipa 3 = 4,5 m/s
f = koefisien gesekan = 0,027
= 1,45 m
(d) Maka tinggi tekan karena gesekan pada pipa tekan sepanjang L4
4
58 = 4,719 m
(e) Maka tinggi tekan karena gesekan pada pipa tekan sepanjang L5
5
D = diameter pipa penstock = 2,2 m
= kecepatan aliran pada pipa 5 = 5,81 m/s
f = koefisien gesekan = 0,033
59 B. Losses Minor
1. Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Belokan ( Elbow)
Kehilangan tinggi tekan akibat belokan dapat dihitung dengan menggunakan rumus dibawah ini :
. besarnya sudut belokan, radius belokan dan diameter pipa
V =kecepatan aliran
2. Kehilangan Tinggi Tekan pada Katub Pipa Penstock
Pemasangan katub pada instalasi ini berfungsi untuk menutup aliran bilamana turbin tidak beroperasi ataupun penutupan aliran tiba – tiba kalau ada kerusakan pada turbin.
Menurut rumus kerugian tekan akibat pemasangan main inlet valve adalah:
.
3. Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Penyimpangan (Constraction)
60 hl=
g V Kc
2 .
2
...3.7 dimana : Kc = koefisien reducer
V = koefisien aliran rata – rata
4. Perhitungan Head Losses Pemasangan Pipa Cabang Dua (Bifuraction) dan Reduksi Pemasangan
Dapat dihitung dengan rumus berikut :
hlb = k .
g V
2
2
...3.8 Dimana : K = Koefisien bifuraction
61 BAB IV
PERENCANAAN INSTALASI
4.1 Perencanaan Pipa Pengantar Atas ( Head Race)
Perencanaan head race dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan dimensi pipa yang sesuai untuk mengalirkan air sebesar 22 m3/s. Reservoir sampai dengan surge tank, sesuai dengan kondisi lapangan head race panjangnya 11205 m dari regulating pond sampai ke surge tank.
4.1.1 Perhitungan Pipa
Untuk menghitung dimensi perpipaan yang dibutuhkan terlebih dahulu ditentukan kecepatan aliran pada pipa secara teoritis dapat dihitung dengan persamaan
h g
V = 2. .
...4.1 dimana : V = Kecepatan aliran ( m/s)
g = Percepatan gravitasi bumi ( 9,81 m/s) h = Perbedaan elevasi ( head tekan )
4.2 Perencanaan Pipa Penstock
Perencanaan pipa pesat dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan dimensi yang sesuai untuk mengalirkan air sebesar 22,1 m3
4.2.1 PerencanaanPanjang dan Diameter Pipa Penstock
/s dari surge tank ke turbin.
62 jalur bercabang menjadi dua jalur mendatar. Sesuai dengan bentuk topografi dan geologi daerah tersebut untuk instalasi perpipaan adalah sebagai berikut :
19 m
291,1 m
127,3 m
H = 467,6 m 258,5 m
125,4 m
Gambar4.1 Profil PLTA Renun
Pipa Panjang (m) Diameter (m)
L1 19 3,0
L2 291,1 2,8
L3 127,3 2,5
L4 258,5 2,3
L5 125,4 2,0
63 4.3 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) pada pipa
Penghantar Aliran
Dari hasil survey yang diperoleh sesuai dengan topografi dan geologi, bahwa elevasi muka air tinggi operasi pada reservoir adalah 1370 m dan elevasi tail race (muka air rendah) adalah 902,4 m berarti tinggi jatuh air H = 467,6 m. 4.3.1 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan pada Kisi Sampah (Trash
Rack)
Kehilangan tinggi tekan akibat trash track dapat dihitung dengan persamaan : d = 1,2 inch (sesuai data dilapangan) V = 0,5 − 1,25 m/s
4.3.2 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Pemasukan
64 Kehilangan tinggi tekan akibat pemasukan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
g
ke = koefisien kehilangan tinggi tekan karena pemasukan
= 0,04 (sesuai data dilapangan) V = Kecepatan aliran pada pemasukan = 2,43 m/s
g = Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/s
4.3.3 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Gesekan
Kehilangan tinggi tekan akibat gesekan (friction loss) dihitung dengan menggunakan rumus :
65
Besarnya koefisien gesek (f) tergantung terhadap bilangan raynold, bilangan reynold dapat dihitung dengan rumus :
...4.5 Dimana :
R = Bilangan reynold D = diameter head race = 3,4 m
V = 2,43 m/s
υ= Vikositas kinematik air pada temperatur 210C
= 0,985 . 10-6 Bilangan reynold :
R = 8,3878 .10
= 0,3 s/d 3,0 = 2,0 diambil
6
66
Sehingga dengan menggunakan diagram moddy diperoleh harga koefisien gesek f = 0,0182. Dengan demikian diperoleh head loss karena gesekan sebesar :
= 18,05 m
4.3.4 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Pemasangan Pintu Air pada Saluran Atas
Kerugian tinggi tekan akibat pemasangan pintu air ( sluice gate valve ) dapat dihitung dengan rumus :
g
K = koefisien kerugian tinggi tekan katub = 0,182(sesuai data dilapangan) V = kecepatan aliran
67 Total kerugian yang terjadi pada saluran arus adalah :
Σhl = 0,0964 + 0,012+ 18,05 + 0,054
= 18,2124 m
4.4 Perhitungan Kehilangan Tinggi Tekan (Head Losses) pada Pipa Penstock
Bahan Pipa penstock direncanakan terbuat dari baja yang dikeling dengan koefisien kekasaran mutlak
ɛ
sebesar 0,9 mm-9,0 mm (2 mm direncanakan).4.4.1 Kehilangan tinggi tekan akibat gesekan
Kehilangan tinggi tekan karana gesekan sepanjang pipa L1 : Dimana :
Hl1 = head loss sepanjang pipa L1 karena gesekan
L1= panjang pipa
= 19 m
D = diameter pipa penstock = 3,3 m – 1,2 m
= 3,0 m (direncanakan) V1= kecepatan aliran pada pipa
68 = 0,055 m.
Kehilangan tinggi tekan karena gesekan pada pipa tekan sepanjang L2 :
2
D = diameter pipa penstock = 2,8 m
= kecepatan aliran pada pipa 2 = 3,57 m/s
f = koefisien gesekan = 0,0170
= 0,88 m
Maka tinggi tekan karena gesekan pada pipa tekan sepanjang L3 :
69 = 127,3 m
D = diameter pipa penstock = 2,5 m
= kecepatan aliran pada pipa 3 = 4,48 m/s
f = koefisien gesekan = 0,016
= 0,8334 m
Maka tinggi tekan karena gesekan pada pipa tekan sepanjang L4 :
4
D = diameter pipa penstock = 2,3 m
V4
= 0,014
= kecepatan aliran pada pipa 4 = 5,3 m/s
70
Maka tinggi tekan karena gesekan pada pipa tekan sepanjang L5 :
5
D = diameter pipa penstock = 2 m
= kecepatan aliran pada pipa 5 = 7 m/s
f = koefisien gesekan = 0,0175
= 2,84 m
4.4.2 Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Belokan ( Elbow)
71 pada besarnya sudut belokan, radius belokan dan diameter pipa
r/d Φ = 15° Φ= 30° Φ= 45° Φ=60 ° Φ=75 ° Φ=90 °
Tabel 4.2 Nilai Koefisien Gesek Untuk Tikungan Halus Sumber : Autographie I, ETH
Untuk Elbow I :
hl total Elbow adalah :
72 4.4.3 Kehilangan Tinggi Tekan pada Katub Pipa Penstock
Pemasangan katub pada instalasi ini berfungsi untuk menutup aliran bilamana turbin tidak beroperasi ataupun penutupan aliran tiba – tiba kalau ada kerusakan pada turbin.
Menurut rumus kerugian tekan akibat pemasangan main inlet valve adalah :
k = koefisien kerugian tinggi tekan pada katub = 0,19
4.4.4 Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Penyimpangan (Constraction)
Dalam menghitung kerugian tinggi tekan akibat penyimpitan penampang dapat dihitung dengan rumus berikut :
73
4.4.5 Kehilangan Tinggi Tekan Akibat Pemasangan Pipa Cabang Dua (Bifuraction)
Dapat Dihitung dengan rumus berikut :
hlb = k . g
K = Koefisien bifuraction = 0,4
74 total kerugian tekanan pada pipa penstock
Σhl = 6,8614 + 0,426 + 0,91 +0,03 + 1,0
= 9,2274 m
Σhl = kehilangan tinggi tekan pada saluran penghantar atas + kehilangan tinggi tekan pada pipa penstock.
= 18,2124 + 9,2274 = 27,4398 m
Maka tinggi tekan efektif (head efektif) adalah :
Hef = head - Σhl
75 BAB V
DAYA KELUARAN
5.1 Perhitungan Daya Hidrolisis
Untuk menghitung daya hidrolisis yang dihasilkan menggunakan rumus sebagai berikut :
P h = ρ.g.Q.Heff...5.1
Dimana :
Ph : Daya Hidrolisis (Watt)
ρ : massa jenis air (��
�3
� )
g : Percepatan gravitasi (���2)
Q : Debit air ( �3/�) H efektif : Tinggi jatuh efektif (m)
Maka daya hidrolisisnya :Ph = ρ.g.Q.Heff
Ph = 996 �� �3
� x 9,8���2 x 11 �3/� x 440 m
Ph = 47242272 Watt
Ph = 47 MW
5.2 Perhitungan Daya Keluaran Turbin
76 P t = P h x
η
turbin ...5.2Maka daya Turbin :
P t= 47242272 x 87%
P t =41100776,64 Watt
P t = 41 MW
5.3 Perhitungan Daya Keluaran Generator
Dengan mengasumsikan bahwa efisiensi generator adalah sebesar juga 98 % maka didapatkan daya keluaran Generator adalah sebesar :
P g =P t x
η
generator ...5.3Maka daya Turbin :
P g= 41100776,64 x 98%
P g =40278761,10
P g = 40 MW
5.4 Perbandingan Daya Keluaran Generator Sebelum dan Sesudah Modifikasi
Dari data pembanding pada bab II diperoleh data-data sebagai berikut : H efektif : 434,6 m
Q : 11 �3/�
Dengan mengasumsikan bahwa efisiensi turbin dan generator masing-masing 90% maka diperoleh daya keluaran generator sebesar :
77 P g ‘ = 996��
�3
� x 9,8 ���2 x 11 �3/� x 434,6 x 0,87 x 0,98
P g‘ =39784430,85 Watt
Maka selisih daya terbangkit sebelum dan sesudah modifikasi dapat diperoleh adalah sebagai berikut :
ΔP g = P g – P g ‘
ΔP g = 40278761,10 - 39784430,85 ΔP g = 494330,25 Watt
ΔP g = 494 KW
5.5 Persentase Peningkatan Daya
Setelah mengetahui besar daya terbangkit setelah dan sebelum modifikasi, dan juga mengetahui selisih kenaikan daya terbangkitnya maka dapat dihitung persentase peningkatan daya terbangkit yakni :
% Peningkatan Daya = ΔP g
P g ‘x 100%
= 494 ��
39784 ,430 kWx 100%
