Pembangkit Listrik Tenaga Air

Pembangkit Listrik Tenaga Air

Skema Bendungan

Reservoir

Intake

Pipa Pesat

Generator + Turbin, Surge tank

Spillway

2

Turbin

Suatu turbin dapat direncanakan dengan baik bila diketahui tinggi energi, yaitu tinggi mika air ditambah tinggi kecepatan tepat di muka turbin, namun hanya tinggi netto

Ada 2 (dua) macam turbin:

turbin Impuls, misal turbin PELTON dan turbin BANK I turbin Reaksi, misal FRANCIS, KAPLAN, dan PROPELLER

Perencanaan suatu turbin memerlukan pengertian – pengertian tinggi energi seperti: tinggi bruto atau tinggi tersedia

Jenis Klasifikasi Turbin

Turbin

Reaksi

Francis

Kaplan

Propeler

Sudu Tetap

Sudu dapat

diatur

Impuls

Pelton

Turbin

Bank I

Tipe Turbin PLTA

•

A. Turbin Kaplan (Propeler)

Ciri-ciri turbin Propeller menurut boyle

(1996:204-205) adalah : Turbin Kaplan (Propeler) Memerlukan

debit air yang sangat besar Ketinggian muka air

hanya beberapa meter Kecara teknis bentiknya lebih

sederhana tapi membutuhkan perubahan kekuatan

yang sangat besar untuk merubah sudut blade.

Model sudut dengan blade membelit dengan bagian

pusat. Prinsip kerjanya yaitu dimana sebuah turbin

Kaplan berlari secara penuh dibawah permukaan air

sehingga tekanan yang berbeda melewati

sudu-sudu.sedangkan model rumah turbin

4

•

B. Turbin Pelton

Ciri-ciri turbin Pelton secara umum adalah:

Roda terdiri dari mangkok-mangkok yang

dipasang pada pinggir roda

(kadir,1982:123). Membutuhkan debit air

yang kecil tetapi memerlukan tinggi muka

air yang tinggi yaitu lebih dari 200m

(anonym,2002). Ttipe ini pada dasarnya

beroperasi didalam atmosfer tekanan

udara normal (boyle,1996:205). Pada

poros mendatar memerlukan saluran

tertutup dengan di beton dan diameter

cukup besar dimana turbin ar berbentuk

sungkup supaya air tidak menyembur

keluar

•

C. Turbin Francis

ciri-ciri turbin Francis secara umum

adalah: Turbin Francis Memerlukan

volume air yang cukup banyak

dengan tinggi muka air antara

30-200m. Untuk poros vertical dengan

menggunakan rumah turbin model

spiral atau rumah keong. Bentuknya

lebih rumit karena memiliki berbagai

jenis sudu(sdu jalan,sudu atur dan

sudu tetap ). Sedangkan prinsip

kerjanya enurut boyle (1996:205)

adalah turbin bergerag secara penuh

dibawah permukaan air sehingga ada

tekanan yang berbeda ketika

Pilihan jenis Turbin dari besarnya putaran spesifik

Ns = 9 hingga 25, turbin PELTON dengan 1 pancaran

Ns = 25 hingga 60, turbin PELTON dengan lebih dari 1 pancaran Ns = 40 hingga 400, turbin FRANCIS

Ns = 260 hingga 860, turbin KAPLAN Ns = 340 hingga 680, turbin PROPELLER

Ciri – Ciri Mesin Hidraulik

No Turbin Bentuk NS (putaran/menit)

N11 (putaran/menit)

Q11 (m3_/detik)

H (efektif) Maks (m)

Pelahan Normal

50 sampai 100 100 sampai 150 150 sampai 190 190 sampai 250 250 sampai 300 240 sampai 450 330 sampai 560 390 sampai 690 490 sampai 750 570 sampai 920

6

Karakeristik Turbin

Rasio Kecepatan

Kecepatan Satuan

Debit Satuan

Daya Satuan

Kecepatan Spesifik

Diameter Spesifik

selain itu perlu diketahui beberapa pengertian sbb: 1.Efisiensi

P = µ . 9,8 . Q H_nettokW

Hnetto= Perbedaan tinggi muka air dikurangi kehilangan tinggi oleh friksi, tikungan dsb.

µ = efisiensi, perbandingan antara energi yang keluar turbin dengan energi yang masuk turbin (yang diberikan aliran air (kira – kira sebesar 80 – 95%)).

2. Faktor Kecepatan (Speed factor = )

n

2gH

turbin (m/det) μ Putaran Kecepatan





µ = Wr

W = kecepatan sudut (radian/detik) r = jari – jari turbin (bagian yang berputar) atau dapat dengan :

n

H

84,6

permenit

putaran

x

diameter





n

H

84,6

N

D



N = banyaknya putaran turbin permenit

D = Diameter

n

3. Kecepatan Satuan (Unit Speed)

Kecepatan Satuan adalah kecepatan turbin (bagian yang berputar) yang geometris serupa (homologous) pada H_netto= 1 meter dan D = 1 meter

Maka :

4. Debit Satuan (Unit Discharge)

Debit satuan adalah debit (m3_{/detik) turbin yang geometris serupa (homologous) pada H} netto= 1

meter dan D = 1 meter

Rasio Kecepatan

•

Rasio kecepatan (Φ) adalah perbandingan antara keliling linear turbin

8

Kecepatan Satuan (Nu)

n

5. Daya Satuan (Unit Power)

Daya satuan adalah daya yang dibangkitkan oleh turbin yang geometris serupa (homologous) pada H_netto= 1 meter dan D = 1 meter

dari

3/2

n

6. Putaran Spesifik (Spesific Speed)

10

Daya Satuan

12

Operasi Reservoir

Reservoir Operation Applied

to Hydropower Systems

Pipa Pesat

Perencanaan Pipa Pesat

• Untuk membawa air dari bak penenang ke turbin diperlukan pipa yang mampu menahan tekanan yang cukup tinggi, pipa ini disebut juga pipa pesat. Dasar perancangan pipa pesat ini adalah sama dengan perencanaan tangki dan vessel (bejana tekan); akan tetapi karena governor kontrol dan katup operasi turbin dapat mengakibatkan tekanan tiba tiba seperti water hammer maka perencanaannya perlu diperhatikan.

• Apabila jarak antara bak penenang dan turbin pendek, pipa pesat yang digunakan satu batang pipa untuk satu turbin. Sedangkan untuk pembangkit yang mempunyai head yang tinggi atau jarak antara turbin dan bak penenang panjang maka digunakan satu batang pipa khusus untuk melayani beberapa turbin.Ada beberapa jenis dan bahan pipa pesat yaitu:

• Pipa Carbon (Pipa baja)

• Pipa spiral welded steel (Pipa baja spiral) • Pipa PVC

14

Kriteria Perencanan Pipa Pesat

•

Tekanan Hidrostatik

•

Perhitungan Diameter Dalam Pipa

•

Perhitungan Tebal Pipa Pesat

•

Perhitungan Gaya Hidrolika

Perhitungan mayor losees

.

Perhitungan minor loses

•

Perhitungan Head Efektif

•

Perhitungan Daya Keluaran dan pemilihan Turbin

Δt

V

m.

Δt

V

V

m.

Δt

ΔV

m

m.a

F

_

_

_

2



1

_



PERHATIAN KEJADIAN PADA PERHITUNGAN PIPA:

- Katup turbin ditutup tiba – tiba

- Bila air diam, katub dibuka dengan tiba – tiba

a. Bila air dalam turbin mempunyai kecepatan V dan katup turbin tiba – tiba ditutup

(arah gaya berlawanan dengan arah aliran)

dengan: A = luas penampang

= massa jenis

l = panjang pipa/kolom air yang terhenti selama t

.V

l.A.

? t

l Tam bahan p

Katup

Tambahan tekanan :

h tambahan :

ternyata : makin kecil t makin besar tambahan tekanan.

Bila _{adalah kecepatan tambahan tekanan (kecepatan gelombang yang hendak}

timbul)

Bila pipa ditutup sebagian maka: h tambahan =

V = kecepatan pada waktu permulaan

r = resultan perpanjangan spesifik

16

Er

r





d

δ

Es.

1

Ew

1

Er

1

_

_

dan Er = resultan modulus elastisitas

Ew = modulus elastisitas air = 2.07Gpa

Es = Modulus elastisitas bahan pipa = 215Gpa (unt baja)

= tebal pipa

d = diameter dalam pipa

harga ekstreem

Er

1

diperoleh dengan mengabaikan term kedua

P Ew ρ Er

ErP ρ

P ρεrP

Vp  

1400m/det

1000

2,07.10

9







jadi Er diambil sebesar Ew maka =

Tambahan tekanan diusahakan agar tidak melebihi: 50 persen pada H sampai 50 m

Bila waktu penutupan turbin lebih panjang maka diperlukan alat penatur tekanan. Pengatur tekanan dibuat sedemikian rupa shg:

Tambahan tekanan sebesar 20 – 25% H < 250 m Tambahan tekanan sebesar 15 – 20% H > 250 m

A

Tekanan tambah an

Tekanan Hidrostatis

Pipa Pes_at

Turbin B

C

20 - 25 % H

H

Lebih berbahaya lagi bila pembukaan tiba – tiba vakum

Kejadian ini dalam praktek jarang timbul kecuali pada kasus tertentu sbb:

a.alat penutup pecah

b.pipa pecah

18

1. tegangan tangensial 2. tegangan searah as pipa

a. momen akibat perletakan pipa b. perubahan temperatur c. tegangan tangensial d. berat kosong pipa

e. pergeseran antara pipa dan perletakkan f. pergeseran pada sambungan pemuaian (balutan) g. gaya tekan pada pipa disambungan pemuaian h. perkecilan pipa

i. gaya seret pipa akibat aliran j. tegangan searah jari – jari pipa k. tegangan resultan

Perhitungan kekuatan pipa baja

Kekuatan pipa diasumsi berdasarkan pipa tipis yaitu tegangan tangensial terbagi rata pada tebal pipa

Tegangan tangensial Ambil elemen seluas du. dz N = P. du. dz

P = H. . g

H = tinggi hidrostatis ditambah pengaruh pukulan air Tegangan menimbulkan gaya sebesar  dz

R

(kekuatan las) Bila menggunakan paku keling:

Tambahan tebal untuk karat akan menambahkan kekuatan pipa :

3)mm

Untuk perhitungan angkutan dan montase diambil berdasarkan tebal minimum. Tebal minimum untuk pipa adalah :

s/d diameter 0,80 m adalah 5 mm s/d diameter 1,50 m adalah 6 mm s/d diameter 2,00 m adalah 7 mm

pada pipa yang lebih besar diberikan perkuatan untuk keperluan angkutan dan montase. Bila pipa tipis tapi diameter besar, bahaya timbul bila pipa berisi sebagaian air yaitu pada kejadian pipa sedang diisi/dikosongkan.

tidak dapat dipakai lagi, tetapi digunakan rumus untuk pipa tebal, yaitu rumus empiris:

20

3 3

24

3

d

EI

r

EI

p

_o









2

.

d

p



tekanan air di dalam pipa. Hal ini timbul bila garis muka air terletak lebih rendah dari pipa. Bila tekanan dari luar p_olebih besar, maka menurut mayer :

Rumus tidak dapat digunakan karena ada bahaya lipatan pada pipa tipis. I = momen inersia pelat dengan tebal dan panjang l, terhadap as simetrisnya = 1/12.l.3 Dengan faktor keamanan sebesar n maka: 3 ₃ o

o

_n

1

2E(

_d

δ

)

sehingga

δ

d

np

_2E

p





Dengan : n = 2 untuk pipa tertutup tanah n = 4 untuk pipa diluar

pada keadaan vakum po = tekanan udara = 0,1 Mpa dan E = modulus elastisitas = 200 Gpa dan n = 4 Diperoleh:

0,01d

dx10

2x2x10

4x10

d

δ

2

5 1







 

TEGANGAN SEARAH PIPA

H’ _H H”

B1 L2’

B2 L2”

B3

L3’

L3”

L1’

L1”

Bag. 2

H’, H dan H” adalah Tinggi tekanan pada tempat ybs

Panjang pipa seluruhnya = L Panjang bagian L1 = L1’ + L1’’ Jarak perletakkan b1

Berat sendiri sepanjang b1 = Go Berat sendiri sepanjang L1’= Go’ Berat sendiri sepanjang L1”= Go”

a. moment akibat perletakkan pipa Mmax : M = 1/12 (Gs + Gw) b cos 

b = jarak perletakkan Gs = berat pipa sepanjang b Gw = berat air sepanjang b

= sudut kemiringan

1/2d

1/64R(d

2δδ

1/64Rd

Momen perlawanan potongan pipa dengan tebal = dan diameter luar = d adalah:

Term memakai 2_{atau pangkat lebih tinggi diabaikan}

22

mempunyai sambungan muai

(= koef. Muai, t = kenaikan temp.)

= Et dengan = 1,2 x 10-5_/o_{C ; E = 210 Gpa}

Maka: = 2,5t MPA t dalam derajat celcius

t

l

AE

Fl

_

_

c. Tegangan Tangensial

Tegangan tangensial mengakibatkan diameter pipa menjadi lebih besar. Hal ini akan menimbulkan tegangan searah as pipa, bila pipa ini terikat pada 2 blok angker

_a=  _t, dengan = angka poison, dan untuk pipa baja = 0,3 maka _a= _t= 0,3_t

d. Berat kosong pipa

Berat pipa miring ini menekan pada blok angker sehingga penampang pipa ditempat ini mendapat tegangan tekan. Gaya tekan F_o= Gs sin 

(Gs = berat pipa antara 2 perletakkan) = berat pipa dari blok angker sampai sambungan pemuaian

δ

d

R

Gs

ε

sinβ

τ



e. Pergeseran antara pipa dan perletakkan

Perubahan temperatur perubahan panjang (terjadi pergeseran) Pergeseran melalui perletakkan sehingga timbul gaya pergeseran Gaya pergeseran max. adalah f . N

Terjadinya pada keadaan hendak bergerak dan selama benda bergerak. B adalah jarak 2 perletakkan

Gs berat pipa Gw berat air Gaya geser F1= f1(Gs + Gw) cos 

Total gaya geser pada seluruh perletakkan

F₁= f₁(Gs + Gw) cos 

Terjadi pada bagian pipa dan blok angker sampai pada sambungan pemuaian. Gaya geser adalah gaya eksentrik, dengan titik berat pada titik berat busur perletakkan

f. Gaya tekan pada pipa di sambungan pemuaian Gaya tekan air adalah F3 = p . R. 

•

Tekanan hidrostatik dihitung berdasarkan persamaan

24

Fungsi :

• Menghilangkan tambahan tekanan pada terowongan tekan akibat penutupan

turbin tiba-tiba. Cara peredaman dengan gelombang yang hendak timbul dapat keluar dalam tangki peredam.

• Mengurangi tambahan tekanan pada pipa pesat akibat penutupan turbin tiba –

tiba.

• Memberi tambahan debit supaya bila beban bertambah debit selalu dapat

dipenuhi dengan mengambil dari tangki peredam.

Pemakaian listrik oleh para konsumen tidak tetap dalam sehari, sehingga menyebabkan perubahan debit dalam terowongan tekan berpengaruh pada adanya gerakan turun – naik dalam tangki peredam (surge tank). Fluktuasi muka air di dalam tangki peredam sangat terlihat bila pemakaian listrik menjadi nol karena hantaran tegangan tinggi dari gedung sentral tiba – tiba putus.

Keadaan demikian di dalam terowongan tekan air masih tetap mengalir, sehingga air di dalam tangki peredam naik lebih tinggi dari pada ketinggian pada keadaan seimbang. Kemudian air di dalam tangki peredam turun. Keadaan demikian disebabkan adanya kelembaman (inersia) air didalam terowongan. Kemudian naik lagi. Turun dan seterusnya hingga pada suatu saat terdapat keadaan seimbang. Muka air dalam tangki peredam diam. Pada keadaan seimbang debit menjadi nol, tinggi muka air dalam tangki sama dengan tinggi muka air pada tempat pemasukan.

Dalam perencanaan suatu tangki peredam harus diperhatikan tinggi muka air maximum harus lebih tinggi dari muka air tertinggi di tempat pemasukkan. Tinggi muka air terendah dalam tangki lebih rendah dari muka air terendah di tempat pemasukan.

P1/?g

P2/?g

Perhitungan Tangki Peredam Sederhana

2g

Panjang terowongan L

Ditinjau titik 1 berpindah ke keadaan titik 2 dengan jarak ds dengan massa air sebesar dm. Menurut mekanika fluida, persamaan Bernoulli :

26

Karena kelembaman air kecepatan air dalam terowongan tidak segera dapat disesuaikan dengan pemakaian debit menurut kebutuhan yang dikehendaki pada waktu itu, sehingga:

h)

Menurut persamaan kontinuitas: qt = V . A . t + z . As

q = debit dalam pipa pesat

As = Luas penampang tangki peredam A = Luas penampang terowongan

z diambil positif bila muka air dalam tangki peredam turun

As

VA)ΔA

(q

Contoh perhitungan tangki peredam: Data PLTA SAGULING JAWA BARAT : Panjang Terowongan Tekan L = 4667,68 m Diameter Terowongan Tekan = 5,8 m Diameter Surge Tank = 12,0 m

Debit maksimum dalam terowongan tekan = 112 m3/detik Maka:

Luas penampang Surge Tank As = 1/4π122 = 113,10 m2 Luas penampang terowongan tekan A = 1/4π5,82 = 26,42 m2 Jari – jari hidrolis terowongan tekan R = d/4 = 5,8/4 = 1,45m Faktor Kekasaran n = 0,011

Faktor Saringan = 0,80

Percepatan gaya berat g = 9,81 m/det2 Waktu t diambil 5 detik

Menurut Manning – Strickler

2/3

Kehilangan tinggi karena saringan =

g

28

Baris Pertama:

Pada saat permukaan V = 0 dan h = 0, sehingga dengan rumus z.As = qt – V.A t didapat :

Baris Kedua : V diambil dari V baris pertama V = 0 dan V = 0,05203 VAt = 0,05203 . 26,42 . 5 = 6,873

z . As = qt – V A t = 112 . 5 – 0,05203 . 26,42 . 5 = 560 – 6,873 = 553,127

z = 553,127/113,10 = 4,891

Z = Z pada keadaan sebelumnya (Z = 0) disuperposisi dengan z = 4,951 sebesar 4,951 (tanda plus berarti muka air di dalam surge tank turun)

Baris ketiga:

Bila cara baris kedua digunakan pada baris ke tiga, maka di dapat angka – angka seperti tercantum pada baris sbb, perhitungan dapat dipermudah dengan menggunakan komputer.