TUGAS SARJANA
BIDANG KONVERSI
PERENCANAAN INSTALASI PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA AIR KAPASITAS...KEC. KUANTAN
KAB. SIJUNJUNG
Diajukan Untuk Memenuhi persyaratan Dalam Menyelesaikan Program Strata Satu (S1) Pada Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta
Oleh :
MUHAMAD SAUKI
0810017211005
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UNIVERSITAS BUNG HATTA
PADANG
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. LATAR BELAKANG
Wilayah Sumatera Barat terkenal berelief kasar yang terdiri dari
pegunungan (perbukitan) serta adanya lembah. Lembah ini umumnya merupakan
daerah aliran sungai (DAS) yang bisa dimanfaatkan untuk pembangkit energi
listrik, untuk mengganti energi alternatif PLTN yang sudah mengalami defisit
dalam beberapa tahun terakhir karena adanya permintaan akan energi listrik yang
terus meningkat.
Ada beberapa daerah aliran sungai yang sudah dimanfaatkan oleh
masyarakat hanya untuk sekledar kebutuhan penerangan dengan memakai
teknologi sederhana.
Selain itu beberapa PLTMH (pembangkit listrik mini hidro) juga telah
dibangun, namun demikian sekitar 80% PLTMH yang ada sudah tidak beroperasi
lagi karena sudah masuknya jaringan PLN dan teknologi secara sederhana.
Kapasitas pembangkit energi listrik sampai tahun 2028 diperkirakan
sebesar 9.757.507.038 KVA terdiri untuk kebutuhan domestik sebesar
7.392.050.786 KVA dan untuk prasarana umum 2,36 MW.
Untuk bahan pertimbangan ada beberapa potensi energi listrik tenaga air
2 Tabel 1.1. Potensi Energi Listrik Air Yang Tersebar Di Sumatera Barat
No Kabupaten Jumlah
(Unit)
Daya (KVA) Total Daya
(KVA)
1 Agam 27 3-60 317
2 50 Kota 8 3-10 51
3 Pasaman 30 2-60 280
4 Solok 14 3-60 338
5 Pesisir Selatan 8 2-40 85
6 SWL Sijunjung 2 5-30 35
7 Tanah Datar 4 3-15 26
Total 93 2-60 1.132
Dalam hal ini kita akan memakai istilah Pembangkit Listrik Tenaga Air
yang dipergunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang menggunakan energi
air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources)
penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dan
instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggian dari instalasi maka
semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.
Biasanya pembangkit listrik tenaga air yang dibangun berdasarkan kenyataan
bahwa adanya air yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian
yang memadai. Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air
persatuan waktu (flow capacity), sedangkan beda ketinggian daerah aliran sampai
3 Ada beberapa daerah yang memiliki sungai dan dapat dimanfaatkan untuk
pembangkit listrik tenaga air seperti dibawah ini :
Tabel 1.2. Lokasi, Nama Sungai, Luas dan Besar Kapasitas Energi Listrik Yang
Dihasilkan Yang Tersebar Di Sumatera Barat
4
Sumber : Data Dinas ESDM Provinsi Sumatera Barat, 2012
Dilihat dari tabel diatas, akan dilakukan study pemanfaatan sumber energi
yang menjadi energi alternatif nantinya yaitu pembangkit listrik tenaga air. Dari
5 Feseability study ini nantinya akan digunakan untuk rencana pembangunan
pembangkit listrik tenaga air, dimana kapasitas debit air yang dihasilkan akan
membedakan apa yang akan dibangun nantinya seperti dibawah ini, antara lain :
a. Large Hydro : diatas 100 MW.
b. Medium Hydro : 15 MW – 100 MW.
c. Small Hydro : 1 MW – 15 MW (klasifikasi ini sudah termasuk PLTA).
d. Mini Hydro : 100 KW – 1 MW.
e. Micro Hydro : 5 KW – 100 KW.
f. Pico Hydro : ratusan Watt – 5 KW.
Dilihat dari klasifikasi diatas yang akan diusulkan untuk dilakukan dalam
Feseability Study adalah dalam Kategori Mini Hydro dengan kapasitas listrik
yang akan dihasilkan berkisar 100 KW – 1 MW.
Kabupaten Sijunjung adalah salah satu kabupaten di Sebelah Timur
Propinsi Sumatera Barat, di sebelah Barat Negara Kesatuan Republik Indonesia
dengan sebagian besar penduduknya bersuku minangkabau dengan falsafah adat,
pola pikir, tatanan budaya serta norma yang khas.
Kabupaten Sijunjung memiliki luas wilayah 3.130,80 Km2 atau sekitar
313.080 Hektar. Kabupaten Sijunjung terbentang pada posisi geografis 0o18’ 43”
LS – 1o41’ 46” LS & 101o30’ 52” BT – 100o37’ 40” BT.
Di sebelah Utara, Kabupaten Sijunjung berbatasan dengan Kabupaten
Tanah Datar dan Kota Sawahlunto, di sebelah selatan berbatasan dengan
6 Singingi, Propinsi Riau dan di sebelah barat dengan Kabupaten Solok. Kabupaten
Sijunjung berada pada ketinggian sekitar 118 meter sampai 1.335 meter dari
permukaan laut.
Kondisi dan topografi Kabupaten Sijunjung bervariasi antara bukit,
bergelombang dan dataran. Kabupaten Sijunjung memiliki sekitar 8 sungai besar
dan kecil. Dari pantauan alat pengukur pada sejumlah daerah, curah hujan pada
tahun 2008 rata-rata sebesar 231,81 mm. Curah hujan paling tinggi terjadi pada
bulan Januari, sebesar 431,00 mm. Berdasarkan hasil dari stasiun pemantauan,
Sungai Lansek merupakan daerah dengan rata-rata curah hujan tertinggi mencapai
320 mm rata-rata selama tahun 2008.
1.2. RUMUSAN MASALAH
Dengan adanya latar belakang yang telah diuraikan di atas, maka beberapa
rumusan masalah dalam penyusunan perencanaan ini adalah :
1. Kecamatan Kuantan Kabupaten Sijunjung mempunyai banyak potensi
tenaga air. Dengan demikian, bagaimana upaya yang digunakan untuk
memanfaatkan sumber daya air yang melimpah di Kecamatan Kuantan
Kabupaten Sijunjung.
2. Secara nasional terjadi krisis energi, terutama tenaga listrik, bahkan
Kabupaten Sijunjung terkena imbasnya. Maka, bagaimana agar krisis
listrik tersebut bisa dijawab.
3. Kecamatan Kuantan di Kabupaten Sijunjung yang tidak Semua
7 Kabupaten, bagaimana agar kecamatan tersebut dapat disuplai energi
listrik.
4. Sistim pembangkit tenaga listrik yang dibangun bagaimana kemudian
harus memenuhi standar perencanaan yang telah ditetapkan.
1.3. TUJUAN
Penelitian ini dilakukan dengan tujuan mengatasi permasalahan yang ada
seperti krisis energi listrik, dengan memanfaatkan potensi sumber daya alam yang
ada di daerah tersebut, dalam hal ini di perlukan suatu konsep yang akan di
aplikasikan dalam perencanaan penelitian ini, adapun tujuan penelitian di bedakan
menjadi dua kategori;
1. Tujuan Umum
a. Merencanakan pusat listrik tenaga air.
b. Memanfaatkan potensi alam yang tersedia di daerah tersebut.
c. Mengatasi krisis energi listrik yang sedang terjadi
2. Tujuan Khusus
a. Tinjauan kapasitas PLTM
b. Perencanaan bangunan sipil
i. Bangunan Pengambil (Intake)
ii. Bangunan pengendap
iii. Saluran pembawa dan pembuang
iv. Bak penenang
c. Pipa pesat (Penstock)
8 e. Perencanaan generator
1.4. BATASAN MASALAH
Pada prinsipnya, dalam pelaksanaan perencanaan maupun pembangunan
pusat listrik tenaga air pekerjaannya sangat kompleks. Pada tulisan ini hanya akan
dibahas mengenai perhitungan serta kriteria-kriteria yang mendasari desain dari
suatu bangunan pusat listrik tenaga air dan turbin air. Pembahasan tersebut
meliputi :
1. Perhitungan kapasitas penyediaan air.
2. Perencanaan tinggi jatuh efektif
3. Perhitungan daya turbin
4. Perencanaan bangunan sipil
a. Bangunan Pengambil (Intake)
b. Bangunan pengendap
c. Saluran pembawa dan pembuang
d. Bak penenang
5. Perencanaan pipa pesat (penstock)
6. Perencanaan turbin
7. Perencanaan draftub/rumah turbin
8. Perencanaan poros turbin
9. Perencanaan generator
9
1.5.LOKASI PERENCANAAN
Bangunan pusat pembangkit listrik tenaga air ini terletak pada Daerah
Aliran Sungai Kuantan yang berada pada :
Nagari : Durian Gadang
Kecamatan : Sijunjung
Kabupaten : Sijunjung
Gambar 1.1 Peta Kabupaten Sijunjung
1.6. SISTEMATIKA PENULISAN
Tugas Akhir ini disusun dalam 3 (tiga) bagian yang mencakup bagian
pendahuluan, bagian pembahasan dna bagian Penutup. Bagian pendahuluan terdiri
10 daftar isi, daftar gambar, daftar tabel dan daftar lampiran. Sedangkan bagian
pembahasan terdiri dari studi pustaka, metodologi penelitian dan perencanaan.
Sementara bagian penutup terdiri dari kesimpulan, saran serta daftar pustaka.
Tiga bagian tersebut akan disistematiskan dalam 5 (lima) bab, dengan
susunan sebagai berikut :
BAB I adalah pengenalan yang menjelaskan pentingnya penelitian. Yang
menyajikan latar belakang penelitian, masalah penelitian, tujuan penelitian,
metodologi penelitian ruang lingkup, serta system matik penulisan.
BAB II menyajikan tinjauan literatur yang mendasari suatu tujuan dalam
perencanaan, Tinjauan tersebut berfokus pada penelitian dan perancangan instalasi
pembangkit listrik tenaga air yang berkapasitas 1 (satu) MW di Kecamatan
Kuantan, Kabupaten Sijunjung.
BAB III menyajikan prosedur perencanaan sistim pembangkit listrik
tenaga air. Bab ini menjelaskan peralatan yang digunakan dalam dan
variabel-variabel dalam melakukan perencanaan. Berbagai instrumen yang diperlukan dan
menjelaskan instrumen yang digunakan.
BAB IV menyajikan hasil analisa perencanaan dan perancangan dengan
dasar teori teori yang mendukung dan menuangkan dalam bentuk sebuah gambar
kerja dengan dimensi yang tepat dari hasil analisa perencanaan.
BAB V menyajikan kesimpulan dari penelitian dan hasil pengolahan data
11 menyajikan saran yang membangun dalam dalam perencanaan sebuah sistim
12
BAB II TEORI DASAR
2.1. Tinjauan Umum Sistem Pembangkit
Pembangkitan listrik tenaga air adalah suatu bentuk perubahan energi dari
air dengan ketinggian dan debit tertentu (energi potensial menjadi energi
mekanik) dengan bantuan turbin. Dengan bantuan turbin air dan generator daya
yang di hasilkan adalah suatu persentase hasil perkalian tinggi terjun air dan debit
air. Oleh karena itu keberhasilan dalam perencanaan sistim pembangkitan listrik
tenaga air tergantung dengan debit dan tinggi jatuh nya potensi air sebagai
pembangkit secara produktiv.
Sebagai perbandingan dengan pemanfaatkan potensi yang ada maka
sebuah sungai pada umumnya kemiringan di hulu sungai lebih curam dan
memiliki tinggi terjun yang besar, sedangkan di hilir sungai tinggi terjun rendah
dan memiliki debid yang besar. Adapun faktor yang menentukan ukuran, dimensi
dan peralatan mesin adalah debit air. Sedangkan untuk tinggi terjun air tinggi dan
debit kecil memerlukan peralatan, permesinan dan dimensi yang kecil pula, dan
untuk tinggi terjun air yang rendah dan debit besar memerlukan peralatan,
permesinan dan dimensi yang besar. Maka dari itu bagian hulu sungai sebagai
lokasi yang efektif dan ekonomis di bandingkan hilir sungai.
Sistim pembangkitan listrik tenaga air yang di dapat dari sebuah
bendungan pada prinsipnya sebgai peneyedia tekanan yang cukup untuk
13 konstan untuk waktu tertentu. Oleh karena itu perlu adanya sebuah waduk sebagi
penampung air dari sungai yang dapat di manfaatkkan secara optimal.
Dalam perencanaaya sistem pembangkit listrik tenaga air dapat di
golongkan berdasarkan daya yang di bangkitkan, adapun kriteria sistem
pembangkit di golongkan sebagai berikut :
a. Large Hydro : diatas 100 MW.
b. Medium Hydro : 15 MW – 100 MW.
c. Small Hydro : 1 MW – 15 MW (klasifikasi ini sudah
termasuk PLTA).
d. Mini Hydro : 100 KW – 1 MW.
e. Micro Hydro : 5 KW – 100 KW.
f. Pico Hydro : ratusan Watt – 5 KW.
Dari kriteria di atas sebuah sistem pembangkit di tentukan berdasrkan
besar kecilnya daya yang di bangkitkan oleh potensi yang ada, oleh karan itu perlu
dilakukanya survei untuk mendapatkan data – data yang dapat di olah dalam
perencanaan sitem pembangkit itu sendiri, sehingga dapat di tentukan kriteria
sistem pembangkit berdasarkan kapasitas yang di bangkitkan.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber tenaga air bergantung
pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka
head adalah beda tinggi antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar
pada turbin. Total daya yang terbangkitkan dari suatu turbin air adalah merupakan
14 P= Q x g x h x ηturbin x ηgenerator ... (2.1)
Dengan:
P = daya (watt)
Q = Debit (m3/s)
g = gaya gravitasi
h = tinggi jatuh efektif (m)
η = efisiensi (%)
2.2. Data Hidrologi
Pada perencanaan pembangunan sistem pembangkit listrik tenaga air ini,
data hidrologi digunakan untuk memperhitungkan daya dan dimensi struktur
bangunan sipil yang diperlukan. Data hidrologi yang diperlukan guna
merencanakan PLTM antara lain:
2.2.1. Debit Andalan
Guna mendapatkam kapasitas PLTM, tidak terlepas dari perhitungan
berapa banyak debid air yang dapat diandalakan untuk membangkitkan sistem
pembangkit listrik tenaga air. Debit andalan adalah debit minimum (terkecil) yang
masih dimungkinkan untuk keamanan operasional suatu bangunan air, dalam hal
perencanaan sistem pembangkit listrik tenaga air.
Teori diatas di anggap teori sedehana dalam perencanaan sistem
pembangkit listrik tenaga air untuk mendapatkan debid, kecepatan aliran, yang di
15
2.3. Bangunan Sipil
Dalam sebuah instalasi sistim PLTM tidak terlepas dari bangunan –
bangunan yang berhubungan dengan ilmu sipil, peran bangunan itu sendiri sangat
berpengaruh bagi PLTM dan tidak dapat dipisahkan keduanya, bangunan yang
berhubungan dengan ilmu sipil itu sendiri antara lain :
1. Dam atau Weir
2. Saluran Pengambil (Intake)
3. Saluran Penegendap (Sedimen trap)
4. Saluran Pembawa
5. Bangunan Pelimpah
6. Bak Penenang (Forebay)
7. Pipa Pesat/Penstock Pipe
8. Power House
2.3.1. Bendungan (Weir)
Bendungan didefinisikan sebagai bangunan yang berada melintang sungai
yang berfungsi untuk membelokan arah aliran air. Konstruksi bendungan
bertujuan untuk menaikkan dan mengontrol tinggi air dalam sungai secara
signifikan sehingga elevasi muka air cukup untuk dialihakan kedalam Intake
16 Konstruksi bendungan di lengkapi dengan bangunan pengambil
(intake) yang berfungsi mengarahkan air dari sungai masuk kedalam saluran
pembawa Headrace channel).
Sumber : Jurnal Ari Wibisono1, Pitojo Tri Juwono2, Prima HadiWicaksono2
Gambar 2.1 Skema Bendungan
2.3.2. Bangunan Pengambil I (Intake)
Dalam perencaan nya bangunan pengambil Intake berfungsi mengambil
air sungai atau kolam untuk di alirkan ke saluran, bak penampungan dan pipa
pesat. Masalah utama dari bangunan intake adalah ketersediaan debid air, baik
dari kondisi debid rendah maupun banjir dan seringkali adanya lumpur, pasir dan
kerikil atu dahan/ranting pohon tumbang dari sekitar sungai yang terbawa aliran.
Penentuan lokasi Bangunan intake pada pedoman studi kelayakan sipil
Direktorat Jendral Listrik dan Pemanfaatan Energi (buku 2B) bangunan Intake
direncanakan dibuat disebelah kanan aliran sungai dan sejajar.
17 ... (2.2)
Dimana Q adalah debit rencana sebesar 30% dari debit yang
tersedia. Untuk keperluan pembilasan di bak Pengendap debit air yang masuk ke
intake ditambah sebesar 20% dari debit rencana. Konstanata merupakan
koefisien debit yang berfungsi untuk mengakomodir pengaruh penyempitan arus
masuk pada intake. Dalam keperluan praktis nilai diambil 0.8. Untuk
menghalangi sedimen dan benda-benda yang melayang dipermukaan sungai
masuk kesaluran pengarah maka dasar intake direncanakan sesuai dengan kondisi
lapangan atau kontur sungai tersebut. Pada bukaan dilengkapi dengan saringan
kasar yang terbuat dari batang baja seperti pada (Gambar 2.2) dibawah ini.
Sumber :Jurnal Ari Wibisono1, Pitojo Tri Juwono2, Prima HadiWicaksono2
Gambar 2.2 Bangunan Pengambil (Intake)
Dalam perencanaanya lokasi bangunan pengambilan (Intake) selalu pada
posisi luar dari lengkungan sungai sebagaimana di perlihatkan pada Gambar
2.3.nhal ini di lakukan untuk memper kecil pengendapan sedimen di dalam
saluran pembawa. Konstruksi Intake umumnya di buat pintu air untuk melakukan
18
Sumber :Pedoman Study Kelayakan Sipil Dirjen ESDM 2009
Gambar 2.3. Contoh free intake dengan bendungan sederhana
2.3.3. Bak Pengendap (Sedimen Trap)
Walaupun telah ada usaha untuk mencegah masuknya sedimen kedalam
saluran pembawa, masih ada banyak partikel – partikel halus yang masuk pada
system saluran. Untuk mencegah agar sedimen ini tidak mengendap diseluruh
saluran pembawa maka perlu sebuah bak pengendap. Bak pengenap berfungsi
19 Sumber :Kriteria Perencanaan Bangunan utama (KP-02)
Gambar 2.4 Bentuk Saluran Pengendap
Untuk ukuran sedimen minimum yang harus diendapkan pada bak sangat
berfariasi seperti, pasir, tanah, dan partikel – partikel lainya, untuk ukuran ukuran
sedimen yang di endapkan pastinya memiliki ukuran dan yang berbeda beda,
dalam menentukan ukuran sedimen tersebut di tentukan pada grafik di bawah ini.
Sumber :Kriteria Perencanaan Bangunan utama (KP -02)
20 Arah vektor kecepatan endap (w) adalah kebawah sehingga luas
permukaan bak pengendap (Ah) dapat ditentukan dengan persamaan sebagai
berikut ;
dan ... (2.3)
Dimana Q adalah debit rencana dan Ah = panjang bak (L) x Lebar
rata-rata bak (B).Untuk mencegah terjadinya aliran meander pada bak, maka
diisyaratkan L=8B Kecepatan aliran air dibak pengendap saat eksplorasi normal
(Vn) diambil sebesar 0.3 m/s. Jika kecepatan terlalu lambat maka akan dapat
tumbuh vegetasi, Sebaliknya jika terlalu cepat maka sedimen akan melayang
dalam bak. Arah vektor kecepatan air dibak adalah kehilir sehingga luas basah
penampang melintang (Av) dapat ditentukan sebagai berikut ;
dan ... (2.4)
Dimana Q adalah debit rencana dan Av adalah air di Bak (h) x Lebar
rata-rata bak (B).
Untuk keperluan pembilasan maka debit air yang masuk ke bak harus
ditambah 20 % agar kebutuhan air di turbin tetap terjaga .Kantong Bak didisain
berdsarkan kecepatan pembilasan dalam hal ini kecepatan pembilasan di
rencanakan. Kecepatan pembilasan yang efektif ini harus dibawah kecepatan kritis
yaitu sebesar 3 m/s, sehingga tidak terjadi aliran yang sangat deras
sekali.Kemiringan dasar bak (Sn) dan kemiringan kantong lumpur (Ss)
21 ... (2.5)
2.3.4. Saluran Pembawa Dan Pembuang
Saluran pembawa berfungsi mengalirkan air dari saluran pengendap dan
pembilas ke bak penenang (forebay). Dalam perencanaanya saluran pembawa
mengunakan saluran terbuka yang terbuat dari pasangan batu, untuk dimensi
saluran pembawa dan pembuang di tentukan dengan kondisi topografi atau
kondisi lapangan,
Sumber :Pedoman Study Kelayakan Sipil Dirjen ESDM 2009
Gambar 2.6 Saluran pembawa
Untuk panjang saluran pada saluran pembawa ini dapat di rencanakan
sesuai dengan perencanaan dan kondisi tropografi. Penampang saluran pada
saluran pembawa direncanakan berupa saluran terbuka berbentuk trapesium
terbuat dari pasangan batu. Lebar dan tinggi air disaluran diperoleh dengan
mengunakan formula Manning berikut ;
22 Untuk mencegah tumbuhnya vegertasi dan aliran yang terlalu deras di Bak
penenang maka kecepatan air disaluran harus rendah dan dijaga berkisar antara
0.3 – 2 m/s.
Tabel 2.1 Nilai Kecepatan Saluran Pembawa
NO Tipe Saluran Kecepatan maksimum
(m/s)
Kecepatan Minimum
(m/s)
1 Soil 0.6 0.3
2 Stone Masonry 2 0.3
3 Concrete 3 0.3
Kriteria untuk mendapatkan penampang saluran yang paling ekonomis
maka haruslah keliling basah saluran (P) bernilai minimium atau;
... (2.7)
Dimana:
H : Tinggi air disaluran.(m)
P : Keliling basah saluran (m2)
Untuk saluran berbentuk trapesium maka proses differensialisasi diatas
akan menghasilkan aturan, ” panjang sisi miring = ½ kali lebar atas trapesium dari
23
2.3.5. Bak Penenang
Bak Penenang direncanakan untuk mereduksi arus turbin sebelum aliran
masuk kedalam pipa pesat (penstock). Kolam penenang juga berfungsi sebagai
saringan akhir sebelum air masuk kedalam penstock dan akhirnya masuk turbin.
Sumber :Pedoman Study Kelayakan Sipil Dirjen ESDM 2009
Gambar 2.7 Contoh rencana bak penenang(forebay)
Beberapa kriteria yang perlu diperhatikan dalam perhitungan dimensi bak
penenang sebagai berikut:
1. Untuk mendapatkan tinggi air dibak penenang, dilakukan terlebih dahulu
perhitungan jarak sisi atas pipa pesat ke muka air normal (y). Perhitungan
jarak (y) ini diperlukan untuk mengantisipasi positif dan negative surge
akibat penutupan dan pembukaan pipa pesat diturbin. Formula emperis
24 Untuk pipa pesat yang tegak lurus aliran air
... (2.10)
Untuk pipa pesat yang searah aliran air
... (2.8)
Diamana :
D = Diameter pipa pesat (m),
Q = debit desain (m3/s)
y = diameter dalam (m)
2. Secara Praktis nilai y berkisar sekitar 2 kali diameter pipa pesat.
Selanjutnya kapasitas bak penenang (vol) ditentukan dengan formula
berikut ini ;
... (2.9)
3. Untuk menentukan tinggi air di bak penenang dengan mengunakan
hubungan persamaan berikut ;
H= y + dia pipa pesat + 0.6 (m)... (2.10)
Konstanta 0.6 berasal dari perkiraan 2 x lebar penstock + jarak sisi bawah
penstock ke dasar bak (sekitar 1 m).
4. Lebar bak diambil minimum sebesar 2 kali lebar rata-rata saluran
pembawa. Lebar bak harus sama dengan saringan halus yang dipasang
didepan lubang masuk pipa pesat. Bak penenang direncanakan terbuat dari
25 5. Kecepatan partikel sedimen di Bak Penenang ditetapkan 0.03 m/s
6. Untuk keperluan pembuangan endapan sedimen , kolam penenang
dilengkapi dengan pintu penguras
7. Kolam penenang juga dilengkapi dengan pelimpah yang direncanakan
untuk membuang kelebihan debit pada saat banjir.
8. Kontruksi kolam penenang dan sand trap berupa pasanangan batu diplester
dengan dasar bak berupa coran beton.
2.4. Pipa Pesat (Penstock)
Pipa pesat adalah pipa yang berfungsi untuk mengalirkan air dari kolam
penenang (forebay). Perencanaan pipa pesat mencakup pemilihan material,
diameter pipa, tebal dan jenis sambungan. Pemilihan material didasarkan pada
pertimbangan operasi, aksesbility, berat, sistim penyambungan, dan biaya.
Diameter pipa pesat dipilih dengan pertimbangn keamanan, kemudahan
proses pembuatan, ketersediaan material dipasaran dan friksion losses seminimal
mungkin. Ketebalan pipa dipilih untuk menahan tekanan hidrolik dan surge
pressure yang terjadi dalam pipa.
Dalam menentukan suatu material dalam perencanaan pipasat (penstock)
harus mempertimbangkan beberapa faktor yang mendasari dalam perencanaan
pipa pesat, adapun jenis material dan nilai kekasaran pipa pesat di tunjukan pada
26 Tabel 2.2 Material & Nilai Kekasaran Pipa
Sumber :Mekanika Fluida Bruce R. Muson dkk 2003
Dalam perencanaan instalasi pipa penstock di rancang dan di sesuaikan dengan kondisi topografi karna hal tersebut akan mempengaruhi tipe pipa yang akan di rencanakan, adapun contoh instalasi pipa penstock di tunjukan pada gambar di bawah .
Sumber :Pedoman Study Kelayakan Sipil Dirjen ESDM 2009
Gambar 2.8 Contoh Pipa Pesat (penstock pipe) 2.4.1 Diameter Penstock
Diameter penstock ditentukan berdasarkan sudut rata-rata penstock dan
debit rencana dengan mengunakan hubungan persamaan sebagai berikut:
27 Dimana :
D=Diameter penstock (m)
Q=Debit rencana (m3/s)
Vopt=kecepatan optimum air (m/s)
Kecepatan optimum diambil dari table dibawah ini:
Gambar 2.9 Penentuan Kecepatan Optimum
Sudut rata-rata penstock diperoleh dengan membagi beda tinggi antara
forebay dengan rumah turbin dengan panjang penstock, atau ditulis :
... (2.12)
Dimana :
Ap= sudut rata-rata penstock
28 Lp= panjang pipa penstock
2.4.2. Tebal Pipa Pesat (Penstok Pipe)
Ketebalan pipa perlu ditambah dengan faktor korosi (fk). Ketebalan korosi
yang diizinkan untuk pipa pesat 1-3 mm, sehingga tebal pipa adalah ;
tmin= t + fk... (2.16)
Standar Tebal minimum pipa pesat adalah
Sampai dengan diameter 0.8 m, tebal minimum adalah 5 mm Sampai dengan diameter 1.5 m, tebal minimum adalah 6 mm Sampai dengan diameter 2.1 m, tebal minimum adalah 12 mm
Menurut standar ASME ketebalan minimum pipa dapat dihitung dengan
mengunakan hubungan 2.5 kali diameter pipa ditambah 1.2 mm: tmin =2.5D+1.2.
Standar minimum yang diambil adalah 12 mm.
2.4.3. Rugi Aliran Sepanjang Pipa Pesat (Penstock Pipe Losses)
Kerugian energi (head losses) yang terjadi di dalam pipa dapat di
kelompokkan atas dua bagian :
1. Kerugian terjadi sebagai akibat dari gesekan air disepanjang pipa (Head
losses mayor), menurut Strickler kerugian ini dapat dihitung dengan
persamaan
k = Angka gesek Strickler
29 (Suryono, 1991:34)
Tabel 2.3 Angka Gesek Stricker
Angka Gesek, k
Sumber : Suryono, 1991 :39
Secara empiris head losses mayor ini dapat dicari dengan persamaan 2.18
Hazen – Williams :
C = Koefisien kekasaran
30 Tabel 2.4 Angka koefisien (C) Hazen – Wiliams
No Bahan Pipa C
Beton (tidak terpengaruh oleh umur) Besi Tuang
Baru
Umur 5 Tahun Umur 20 Tahun
Baja Las, Baru, Papan Kayu (tidak terpengaruh oleh umur)
Lempung, Baja Keling, baru Gorong – gorong Beton
Sumber : Ray K. Linsley,1985: 270
2. Kerugian yang terjadi diawal pipa, belokan pipa, perubahan penampang,
dan lain – lain (Head losses minor). Kerugian ini dapat dinyatakan
f = Total koefisien kerugian (Suryono,1991:40)Sumber : Sularso, 1987 : 34
31
(i) f = 0.5
(ii) f = 0.25
(iii) f = 0.06 (untuk r kecil) sampai 0.005 (untuk r besar)
(iv) f = 0.56
(v) f = 3.0 (untuk sudut tajam) sampai 1.3 (untuk sudut 450)
(vi) f = f1 + 0.3 cos θ+ 0.2 cos2θ
3 3
0,25 0,31
Sambungan
Jumlah sambungan
0
15 22,50 300 450 600 900
1 1 2 2
0,08 0,10 0,12 0,18
Sumber: Suryono, 1991 :41
Gambar 2.11 Koefisien kerugian pada belokan pipa
2.5. Pemilihan Jenis Turbin
Jenis turbin yang digunakan sangat tergantung dari besarnya debit air (Q)
dan tinggi jatuh air yang tersedia, besarnya harga dari debit dan tinggi jatuh air ini
didapat dari hasil survey ke lapangan. Secara teoritis dalam perencanaan
pemilihan jenis turbin ditentukan berdasarkan kecepatan spesifik (ns) dan tinggi
jatuh air efektif (He).
2.5.1. Berdasarkan Kecepatan Spesifik
Yang dimaksud dengan kecepatan spesifik dari suatu turbin ialah
kecepatan putaran runner yang dapat dihasilkan daya effektif 1 BHP untuk setiap
32 ... (2.20)
Dimana
ns : Kecepatan Spesifik Turbin (rpm)
n : Kecepatan Putaran Turbin (rpm)
Hefs : Tinggi Jatuh Spesifik (m)
Sumber :Turbin Pompa dan Kompresor. Fritz Dietzel 1980.
Gambar 2.12 Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik
Untuk setiap turbin air memiliki nilai kecepatan spesifik, tabel 2.5 Pada
tabel tersebut menjelaskan batasan kecepatan spesifik sebuah turbin konvensional.
33 Tabel : 2.5 Batas Kecepatan Spesifik Pada Turbin
No Jenis Turbin Kecepatan Spesifik
1 Pelton dan kincir air 10-35 rpm
2 Francis 60-300 rpm
3 Cross-Flow 70-80 rpm
4 Kaplan dan propeller 300-1000 rpm
2.5.2. Berdasarkan Head dan Debit
Dalam pengaplikasianya turbin akan di sesuaikan dengan potensi yang ada
di sekitar, seperti debit air, dan head hal tersebut bertujuan agar turbin berfungsi
secara maksimal dan sesuai dengan hal yang di inginkan. Adpun klasifikasi turbin
berdasarkan Head dan Debit sebagai berikut.
Grafik 2.13 Effisiensi Turbin Berdasarkan Debit Sebagai Variabel
Head yang rendah yaitu dibawah 40 meter tetapi debit air yang besar,
maka Turbin Kaplan atau propeller cocok digunakan untuk kondisi seperti
34 Head yang sedang antara 30 sampai 200 meter dan debit relatif cukup,
maka untuk kondisi seperti ini gunakanlah Turbin Francis atau
Cross-Flow.
Head yang tinggi yakni di atas 200 meter dan debit sedang, maka
gunakanlah turbin impuls jenis Pelton.
Adapun bentuk kontruksi empat macam runner turbin konvensional.
Seperti gambar di bawah ini. (Haimerl, L.A., 1960).
Sedangkan menurut Keller pada dasarnya daerah kerja operasi turbin
dikelompokkan menjadi tiga yaitu :
1. Low head powerpalnt dengan tinggi jatuhan air (head)
2. Medium head powerplant dengan tinggi jatuhan antara low head
dan high head.
3. High head powerplant dengan tinggi jatuhan air yang memenuhi
persamaan
H > 100 (Q) ... (2.21)
Dimana :
H = Tinggi terjunan (head)
Q = Debit desain (m3/det)
2.6. Komponen Transmisi Daya
Komponen transmisi daya ini berfungsi untuk mentransmisikan daya yang
dihasilkan oleh roda turbin ke generator pembangkit listrik. Komponen tersebut
antara lain poros turbin, dimana putaran yang dihasilkan oleh roda turbin
diteruskan ke poros turbin, untuk memindahkan daya dari poros turbin ke poros
35 atau roda gigi. Komponen tambahan yang digunakan harus disesuaikan dengan
jenis turbin dan berapa besar daya yang di transmisikan.
2.6.1. Poros Turbin
Sebagaimana yang telah dijelaskan di atas bahwa poros turbin berfungsi
untuk memindahkan daya dari putaran turbin. Beban yang diterima oleh poros
turbin antara lain beban puntir dan beban lentur, sehingga dengan adanya beban
ini maka akan terjadi tegangan puntir dan tegangan lentur sebagai akibat dari
adanya momen puntir dan momen lentur (Sularso, 1994 17). Momen puntir pada
turbin dapat dinyatakan dengan persamaan.
Mp = w P
... (2.22)
Dimana :
Mp = Momen puntir (N.mm)
P = Daya yang ditransmisikan (KW)
w = Kecepatan sudut (rpm)
w = 2.π.n ... (2.23)
n = Kecepatan putaran turbin (rpm)
36
2.6.2. Pemilihan Bahan Poros Penggerak
Pemilihan suatu bahan yang akan digunakan dapat ditentukan dengan
menghitung momen puntir (momen torsi rencana) yang dialami poros. Setelah di
ketahui harga dar momen puntir, untuk material dapat di tentukan dengan teabel
dibawah :
Dalam pemilihan bahan perlu diperhatikan beberapa hal seperti pada tabel
berikut, dan kita dapat menyesuaikan dengan yang kita butuhkan.
Tabel 2.6 Batang baja karbon yang difinis dingin (Standar JIS)
Lambang Perlakuan
Tabel 2.7. Batang baja karbon yang difinis dingin (Lanjutan)
37
(Sularso, “Dasar-dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Pradya
Pramita, Jakarta 1994)
2.6.3. Diameter Poros
Perencanaan untuk diameter poros dapat diperoleh dari rumus:
dp =
Mp = momen puntir yang ditransmisikan (Nm).
Cb = faktor koreksi untuk terjadinya kemungkinan terjadinya
beban lentur, dalam perencanaan ini diambil 1,2-2,2 karena diperkirakan tidak
akan terjadi beban lentur
2.7. Rumah Turbin (Power House)
Rumah pembangkit (powerhouse) berfungsi untuk menyediakan tempat
38 transmisi mekanik, generator, panel control dan ballas load terpasang didalam
bangunan ini. Power house direncanakan berupa bangunan semi permanen.
Selain sebagai tempat yang menyediakan peralatan elektrikal dan
mekanikal rumah pembangkit juga di fungsikan sebagai pelindung perelatan
elektrikal dan mekanikal. Beberapa pertimbangan dalam memilih lokasi dan
bangunan rumah pembangkit, antara lain:
a. Konstruksi harus berada diatas struktur tanah yang sangat stabil,
tidak di lereng yang curam dan umumnya di pinggir badan sungai
yang relatif rendah dan rendah untuk mempermudah aliran di tail
race.
b. Memiliki jalan yang cukup untuk transportasi peralatan elektrikal
mekanikal yang akan di pasang dan mempermudah akses untuk
perawatan sesuai penjadwalan.
c. Lokasi yang relatif rata, kering dan relatif luas sehingga dapat di
gunakan untuk tempat kerja seperti perbaikan dan perawatan.
d. Elevasi lantai harus berada diatas elevasi muka air saat banjir yang
paling besar.
e. Harus memiliki ventilasi udara, dan jendela untuk pencahayaan
yang senantiasa untuk menjaga kenyamanan dalam rumah
39 f. Ruangan yang di bangun harus menyediakan ruangan yang di
pergunakan untuk penyimpanan peralatan (tools) serta suku cadang
perelatan elektrikal dan mekanikal.
g. Kondisi pondasi harus cukup kuat untuk menahan pemasangan
beberapa peralatan yang memiliki berat cukup besar.
Sumber :Pedoman Study Kelayakan Sipil Dirjen ESDM 2009
Gambar 2.14 Contoh Rumah Pembangkit (Power House)
2.8. Generator
Dalam hal ini, putaran generator turbin adalah merupakan fungsi
hubungan daripada frekuwensi dengan jumlah pasang kutub dari generator itu
sendiri. Sedangkan frekwensi yang umumnya dipakai di Indonesia adalah 50 hz
maka dalam bentuk persamaan dapat di tulis :
Ng = 120 x F/P ... (2.25)
Dimana :
Ng = Putaran Generator (rpm)
40 P = Pole
Kecepatan putar generator untuk beberapa kondisi dapat dilihat pada table
.3. berikut;
Tabel 2.8 Scedule generator berdasarkan Julah Kutub (Pole)dan Putaran
Jumlah Kutub 50 ( Hz ) 60 ( Hz )
Putaran (rpm) Putaran (rpm)
6 1.000 1.200
Dari table di atas terlihat bahwa makin banyak jumlah kutub makin rendah
putaran generator, sebaiknya jumlah kutub sedikit putaran generator makin tinggi.
Putaran generator perlu dipertimbangkan didalam pemilihan sebagai berikut ;
Jika Putaran Tinggi :
o Jumlah kutub sedikit, maka generator akan semakin
ringan/kecil dan lebih kompak dan ekonomis.
41 o Jika turbin dan generator kecil maka, pembuatannya akan
lebih mudah namun membutuhkan bahan material yang
lebih kuat.
Jika Putaran Rendah ;
o jumlah kutub banyak maka, generator akan lebih berat dan
tidak ekonomis.
o Turbin dan generator relative besar, maka pasangan kutub
akan lebih banyak.
42
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Prosedur Penelitian
Dalam perencanaan sebuah PLTM (Pembangkit Listrik Mini Hidro)
penulis mencoba tahapan – tahapan yang harus di lakukan dalam penelitian
perencanaan sebuah PLTM, dimana thapan - tahapan itu mencakup berbagai
aspek.
1. Mulai
2. Studi literatur
3. Peralatan
4. Survei lokasi & Pengumpulan data
Pengumpulan data Primer
Pengumpulan data skunder
5. Pengolahan data
6. Perencanaan
Perencanaan Bangunan Sipil
Perencanaan Peralatan Mekanikal (Turbin) & Elektrikal
(generator)
7. Penyusunan Laporan
8. Selesai
3.2. Studi literatur
43 sistim pembangkit di rencanakan, pada studi literatur ini sebuah penelitian akan di
tentukan pokok – pokok pengumpulan data yang menjadi sumber pengolahan data
seperti, Penentuan tinggi jatuh efektif /head (H), Debid (Q) Kecepatan aliran (V)
dan kondisi Topografi yang menjadi dasar perencanaan bangunan sipil.
3.3. Peralatan
Sebelum melakukan survei pada sebuah lokasi yang telah di tetapkan
pada perencanaan sistim pembangkit ada beberapa peralatan yang di gunakan
untuk pengumpulan data, adapun alat yang di gunakan sebagai berikut :
1. Curent Meter
Fungsi curent meter digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida
pada saluran terbuka
Gambar 3.2 Current meter
2. Teodolit
Sebuah alat yang di gunakan untuk menentukan, ketinngian, kedataran
44 Gambar 3.3 Theodolit
3. Stopwat
Stop wat digunakan sebagai penentuan waktu saat menentukan
pengukuran kecepatan rata – rata aliran sungai
Gambar 3.4 Stopwatt
4. Mistar Gulung
45 area tertentu, dalam penelitian ini meteran di gunakan untuk menentukan luas
sungai dan jarak saat pengambilan nilai tinggi jatuh efektif menggunakan
teodolit.
Gambar 3.5 Mistar Gulung
3.4. Survei Lokasi
Dalam pelaksanaan perencanaan PLTM dalam suatu wilayah sebaiknya
harus dilakukan survei dimana lokasi tersebut berpotensi untuk di bangun sebuah
pembangkit, beberapa foktor yang sangat perlu di perhatikan dalam penentuan
lokasi sebuah sisitim pembangkit di suatu wilayah, diantaranya potensi alam,
sosial, ekonomi, dan yang terpenting kebutuhan energi listrik di suatu daerah itu
sendiri.
Adapun pengumpulan data yang harus di lakukan saat survei lokasi yang
46
3.4.1. Data Sungai
Debid Sungai
Tinggi Jatuh Head
Kecepatan Aliran Sungai Luas Sungai
Kedalaman Sungai
3.4.2. Data Topografi
Data topografi di perlukan dalam perencanaan PLTM dimana dalam
perencanaan PLTM tidak terlepas dari bangunan – bangunan sipil, bangunan
tersebut membutuhkan perencanaan yang matang dan penempatan yang sesui
dengan kondisi di lapangan, data topografi antaralain meliputi perencanaan dan
penempatan bangunan sipil yang digunakan pada sisitem PLTM.
3..5. Pengolahan Data
Setelah mendapatkan sejumlah data hasil survei, yang telah memenuhi
persyaratan yang di rancang dalam konsep perencanaan PLTM tersebut,
selanjutnya data – data yang di peroleh tersebut, baik itu data Sungai maupun
data topografi, utuk dilakukan pengolahan data. Dalam pengolahan data tersebut
dibagi menjadi dua kategori :
1. Perencanaan bangunan sipil
Dalam perencanaanya bangunan sipil yang digunakan dalam perencanaan
PLTM ini meliputi:
i. Bangunan Pengambil (Intake)
47 iii. Saluran Pembawa & Pembuang
iv. Bank Penenang
v. Perencanaan pipa penstock
2. Perencanaan Peralatan Mekanikal & Elektrikal
a) Perencanaan Turbin
i. Daya Turbin
ii. Putaran Turbin
iii. Kecepatan Spesifik Turbin
iv. Diameter Runner Turbin
v. Jumlah Sudu (Blade) Turbin
vi. Diameter Poros Turbin
b) Perencanaan Peralatan Elektrikal
i. Perencanaan Putaran Generator
ii. Perencanaan Daya Generator
iii. Perencanaan Jumlah Pole Generator
Setelah melui tahapan – tahapan yang di laksanakan dalam perencanaan
PLTM baik itu, studi literatur, survei lokasi, peralatan yang digunakan,
pengolahan data, setelah semua hasil perencanaan tersebut di anggap memenuhi
kriteria, langkah selanjutnya menuangkan hasil analisa tersebut dalam sebuah
48
3.6. Flowchart Prosedur Perencanaan
Gambar : 3.1 Bagan Alir Penelitian
Mulai
Studi Literatur
Peralatan
Survei, Pengumpulan Data
Data Sungai
Debid, Head, Kecepatan Aliran,Luas, Kedalaman
Data Topografi
Perencanaan Penempatan Lokasi Bangunan Sipil
Input Data :
Perencanaan Peralatan Mekanikal (Turbin) Daya Turbin,Putaran Spesifik,Diameter Runner,Jumlah Sudu, Diameter Poros
Perencanaan Fasilitas Sipil
Bangunan Pengambil,Bangunan Pengendap, Saluran Pembawa, Bak Penenang,Pipa Pesat
Memenuhi Persyaratan
Penyusunan Laporan
49
BAB IV
ANALISA PERENCANAAN
4.1 Data Lapangan
4.1.1 Perencanaan Debid (Q)
Seperti kita ketahui sunagai batang kuantan yang terletak di desa Kuantan
Kab. Seijunjung memiliki potensi yang cukup dalam perencanaan sistim
pembangkit, dari data survey di peroleh data sebagai berikut :
4.1 Tabel perhitungan Debid,Luas,dan Kecepatan Aliran Air
Data
Formula
Nilai
Debid Q Q=A*V 26.93 m3/s
Head H
Hasil pengukuran
dengan Teodolit
15.00 m
keceptan Aliran V V= (2*g*H)½ 17.16 m/s
Luas Permukaan Sungai A A=Q/V 1.57 m
Grafitasi G satuan 9.81 kg/s2
Dari hasil perhitungan di atas debid sungai yang sudah di dapatkan tidak
digunakan sepenuhnya dalam perencanaan sisitim pembangkit, dalam
perencanaan sistim pembangkit ini debid yang ada di manfaatkan sebesar 30%
dari debid sungai, selebihnya digunakan sebagai keperluan pertanian dan
masyarakat lainya.
Jadi dalam perencanaan instalasi sistim pembangkit di dapat debid
50 Tabel 4.2 Tabel Perencanaan Debid
Data Perencanaan Debid Rencana Masuk Saluran Pengambil
Data
Formula
Nilai
Debid Q 30% * Q 8.08 m3/s
4.1.2 Perncanaan Head (H)
Head diukur sebagai tinggi jatuh air dari bak penenang sampai keposisi
rumah turbin. Pada bagian sebelumnya tinggi jatuh head diukur dengan
menggunakan GPS dan koreksi data sekunder, namun pengkuran tinggi jatuh
(head) dilakukan kembali guna mendapatkan hasil yang lebih akurat. Pengukuran
tinggi jatuh tersebut dilakukan dengan mengunakan theodolit, dan diperoleh head
aktual sebesar 15 meter. Panjang saluran penghantar terukur lebih kurang 100 m
hingga sampai ke bak penenang.
Tabel 4.3. Perencanaan Head dan Panjang Saluran Pembawa
Data Perencanaan
Data
Formula
Nilai
Debid H menggunakan Teodolit 15 m3/s
Panjang Saluran L Rencana 100 m
4.2 Perencanaan Fasilitas Sipil
4.2.1 Perencanaan Bangunan Pengambil (Intake)
Bangunan intake direncanakan dibuat disebelah kanan aliran sungai.
51 Dimana Q adalah debit rencana diambil 8,1 m3/s. Untuk keperluan pembilasan di
bak Pengendap debit air yang masuk ke intake ditambah sebesar 20% dari debit
rencana. Konstanata merupakan koefisien debit yang berfungsi untuk
mengakomodir pengaruh penyempitan arus masuk pada intake. Dalam keperluan
praktis nilai diambil 0.8. Untuk menghalangi sedimen dan benda-benda yang
melayang dipermukaan sungai masuk kesaluran pengarah maka dasar intake
direncanakan setinggi 2.5 m dari dasar sungai (lihat gambar dibawah ini). Pada
bukaan dilengkapi dengan saringan kasar yang terbuat dari batang baja.
Gambar 4.1 Desain Bangunan Pengambil
Adpun perencanaan luas bukaan pengambil (intake) di berikan pada
52 Tabel 4.4 Tabel Perencanaan (Intake)
Perencanaan luas bukaan pengambil (intake)
Data
Formula
Nilai
Luas Bukaan A A=Q/V 1.08 m
Debid Q Q+20% 8.28 m3/s
Kecepatan Aliran V V=(2*9.81*h)½ 7.67 m/s
Penambahan debid % 20 m
konstanta μ 0.8
Ketinggian h Direncanakan 3 m
4.2.2 Perencanaan Bak Pengendap (Sedimen Trap)
Walaupun telah ada usaha untuk mencegah masuknya sedimen kedalam
saluran pembawa, masih ada banyak partikel – partikel halus yang masuk pada
system saluran. Untuk mencegah agar sedimen ini tidak mengendap diseluruh
saluran pembawa maka perlu sebuah bak pengendap. Bak pengenap berfungsi
untuk mengendapkan sedimen-sedimen yang terbawa oleh aliran air dari intake.
Sumber :Kriteria Perencanaan Bangunan utama (KP-02) Gambar 4.2 Kriteria Bak Pengendap
Untuk PLTM Seijunjung dengan tekanan sedang (heat 15 m), ukuran
53 endap (w) untuk sedimen ukuran ini diambil sebesar 0.03 m/s.data diambil berasal
dari gambar dibawah ini;
Gambar 4.3 Standar Ukuran Sedimen
Arah vektor kecepatan endap (w) adalah kebawah sehingga luas
permukaan bak pengendap (Ah) dapat ditentukan dengan persamaan sebagai
berikut ;
dan
Dimana Q adalah debit rencana dan Ah = panjang bak (L) x Lebar
rata-rata bak (B).Untuk mencegah terjadinya aliran meander pada bak, maka
diisyaratkan L=8B Kecepatan aliran air dibak pengendap saat eksplorasi normal
54 tumbuh vegetasi, Sebaliknya jika terlalu cepat maka sedimen akan melayang
dalam bak. Arah vektor kecepatan air dibak adalah kehilir sehingga luas basah
penampang melintang (Av) dapat ditentukan sebagai berikut ;
Proses dan hasil perhitungan bak pengendap diberikan pada tabel berikut
ini :
Tabel 4.5 Perhitungan Desain Bak Pengendap
Perkiraan luas rata rata bak Formula Nilai
Debid Desain Data Q+20% 8.3 m3/s
koefisien kekasaran Data n 0.02
Kecepatan Partikel ukuran > 0,2 Gbr kp 0,2 w 0.03 m/s
Perkiraan luas rata rata bak H/w = L/v LxB
Lebar rata rata bak pengendap yg di perlukan L/B >8 B 6 m
Lebar rata rata bak pengendap yg di Gunakan Direncanakan B 6 m
Panjang Bak Pengendap L = 8*B L 48 m
Slop Horizontal Bak Pengendap Direncanakan m 1 m
Kondisi ekplorasi normal kantong sedimen hampir penuh
kecepatan aliran air di bak
0,2 m/s sd 0,3
m/s Vn 0.3 m/s
Luas basah potongan melintang aliran An =Q/Vn An 27.67 m
Tinggi air di bak h=An/B h 4.61 m
Kondisi Pembilasan, Sedimen Kosong
Debid pembilasan Qs =1.2 * Q Qs 9.96 m3/s
Kecepatan aliran di bak saat pembilasan Direncanakan Vs 2.00 m/s
55 Resume Hasil Perhitungan
Lebar rata-rata bak pengendap 6 m
Panjang bak pengendap 48 m
Tinggi air di bak 4.61 m
Tinggi Pelimpah 0.3 m
Tinggi bak 4.91 m
Lebar kantong bak 3.69 m
Tinggi kantong bak 2.70 m
Untuk keperluan pembilasan maka debit air yang masuk ke bak harus
ditambah 20 % agar kebutuhan air di turbin tetap terjaga .Kantong Bak didisain
berdsarkan kecepatan pembilasan dalam hal ini diambil sebesar 2 m/s.Kecepatan
ini dibawah kecepatan kritis yaitu sebesar 3 m/s, sehingga tidak terjadi aliran yang
sangat deras sekali.Kemiringan dasar bak (Sn) dan kemiringan kantong lumpur
(Ss) masing-masing dapat ditentukan dengan formula Manning berikut;
4.2.3 Perencanaan Saluran Pembawa dan Pembuang
Saluran pembawa direncanakan mengunakan saluran terbuka yang terbuat dari
pasangan batu. Kondisi Topografi daerah sepanjang saluran berupa bukit. Panjang
saluran pembawa 1.150 m Penampang saluran direncanakan berupa saluran
terbuka berbentuk trapesium dengan kemiringan 1:0.5. Saluran direncanakan
terbuat dari pasangan batu. Lebar dan tinggi air disaluran diperoleh dengan
56 dan Q = A . V
Untuk mencegah tumbuhnya vegertasi dan aliran yang terlalu deras di Bak
penenang maka kecepatan air disaluran harus rendah dan dijaga berkisar antara
0.3 – 2 m/s.
Tabel 4.6 Nilai Kecepatan Saluran Pembawa
NO Tipe Saluran Kecepatan maksimum
(m/s)
Kecepatan Minimum
(m/s)
1 Soil 0.6 0.3
2 Stone Masonry 2 0.3
3 Concrete 3 0.3
Kriteria untuk mendapatkan penampang saluran yang paling ekonomis
maka haruslah keliling basah saluran (P) bernilai minimium atau;
0
Dimana “h” adalah tinggi air disaluran. Untuk saluran berbentuk trapesium
maka proses differensialisasi diatas akan menghasilkan aturan, ” panjang sisi
miring = ½ kali lebar atas trapesium dari penampang saluran.Proses dan
perhitungan saluran diberikan pada tabel dibawah ini;
Tabel 4.7 Perhitungan Saluran Pembawa dan Pembuang (Saluran Terbuka)
Resume Hasil Perhitungan
Tinggi air salura 1 m
tinggi jagaan 0.25 m
Tinggi total saluran 1.25 m
57
Bak Penenang direncanakan untuk mereduksi arus turbin sebelum aliran
masuk kedalam pipa pesat (penstock). Kolam penenang juga berfungsi sebagai
saringan akhir sebelum air masuk kedalam penstock dan akhirnya masuk turbin.
Beberapa kriteria yang perlu diperhatikan dalam perhitungan dimensi bak
penenang mengacu ke teori yang ada di tunjukan sebagai berikut:
Tabel 4.8 Perhitungan Desain Bak Penenang
Perhitungan Desain Bak Penenang
Parameter Data Formula Nilai
Diameter Penstock D=(1.273*Q/Vop)½ D 1.92 m
Debid desain Perencanaan Q 8.1 m3/s
Jarak dari sisi atas penstock ke muka air Untuk penstock yang searah aliran y=(0.69+Q)/(d⅕) y 3.31 m untuk penstock yang tegak lurus
aliran y=(0.89+Q)/(d⅕) y 3.38 m
luas permukaan yang diperlukan A=Vol/H A 13.73 m2 Lebar bak penenang B> 3 x Lebar saluran Bmin 12 Lebar bak penenang yang di gunakan Direncanakan L 12 m Panjang Bak Penenang yang
digunakan Direncanakan L 36 m
Kecepatan air dibak V=Q/(BxH) V 0.11 m/s
58
Lebar bak 12 m
Panjang Bak 36 m
Tinggi Bak 6.20 m
Tinngi pelimpah 0.3 m
tinggi air di bak 5.90 m
Jarak sisi atas penstock muka air 0.3 m
4.3 Pipa Pesat (Penstock)
Ketebalan pipa perlu ditambah dengan faktor korosi (fk). Ketebalan korosi
yang diizinkan untuk pipa pesat 1-3 mm, sehingga tebal pipa adalah ;
tmin= t + fk
Standar Tebal minimum pipa pesat adalah
Sampai dengan diameter 0.8 m, tebal minimum adalah 5 mm
Sampai dengan diameter 1.5 m, tebal minimum adalah 6 mm
Sampai dengan diameter 2.1 m, tebal minimum adalah 12 mm
Menurut standar ASME ketebalan minimum pipa dapat dihitung dengan
mengunakan hubungan 2.5 kali diameter pipa ditambah 1.2 mm: tmin =2.5D+1.2.
Standar minimum yang diambil adalah 12 mm
Table 4.9 Tabel perhitungan kecepatan aliran dalam pipa penstock
Perhitungan kecepatan aliran dalam penstock
Debit Rencana(Q) = 8.1 m3/s
Luas Penampang (A) = 2.89 m
Kecepatan air dipenstock (Vop) = 2.80 m/s
59 Tabel 4.10 Tabel Perencanaan Pipa Pesat
Perencanaan pipa pesat (penstock)
Parameter Data Formula Nilai
Panjang Pipa Direncanakan LP 40 m
Diameter D=(1.273*Q/Vop)½ D 1.92 m
Ketebalan minimum t = 2.5*D+1.2 t 6 mm
Beda Ketinngian Direncanakan HP 16 m
Sudut rata rata penstock Ap=HP/LP Ap 0.40
Menurut standar ASME
Ketebalan minimum t = 2.5*D+1.2 t 1 mm
Pada pipa pipa yang tersedia secara komersial kekasaran tidak begitu
seragam dan terdefinisi dengan baik seperti pada pipa pipa dengan kekasaran
artificial yang digunakan nikuradse. Namun demikian, sebuah ukuran kekasaran
relative efektif dari pipa pipa tersebut tetap mungkin didapatkan dengan demikian
dapat diperoleh factor gesekan. Nilai nilai kekasaran yang khas untuk berbagai
permukaan pipa deiberikan pada table dibawah ini :
Tabel 4.11 Tabel Kekasaran Ekivalen Untuk Pipa Baru
Tabel Kekasaran Ekivalen Untuk Pipa Baru
[(mody reff.7 dan Colebrook (reff.8)]
Pipa kekasaran ekivalen,ɛ
Feet milimeter
Paku baja 0.003-0.03 0.9-9.0
beton 0.001-0.01 0.3-3.0
kayu diamplas 0.0006-0.003 0.18-0.9
besi tuang 0.00085 0.26
besi galvanis 0.0005 0.15
besi komesial/tempa 0.00015 0.45
pipa saluran 0.000005 0.0015
plastik,gelas 0.0 halus 0.0 halus
60 Dengan diketahui variable dalam perencanaan dapat di tentukan penurunan tekanan dalam pipa sepanjang 40 m dan menentukan jenis aliran apakah laminar dan turbulen.
Table 4.11Tabel perhitungan head loses,jenis aliran
Perhitungan head losses
Panjang pipa Lp 40 m
Kecepatan aliran dalam pipa V 2.80 m²/s
Luas penampang A 2.89 m2
debit in penstok Qin 8.1 m³/s
Diameter penstok 2 Dp 1.92 m
JENIS PIPA KOMERSIL
faktor kekasaran e 0.00085 m
Diameter penstok D 6.299 feet
Head losess hl 0.10 m
e/D 1.3 x 10 ¯⁴ 0.00013
RE Re =p*V*D/μ 5x10⁶
kekasaran relatif f 0.012
Penurunan Tekanan sepanjang pipa ΔP =f*l/D*1/2*ρV² 1.21 kPa
loses belokan kl=(hl*2g)/V² 0.25
Total losess Hltot=kl+ΔP+hl 1.56
4.4Perencanaan Fasilitas Elektrikal – Mekanikal
4.4.1 Perencanaan Turbin
Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energy potensial, tekanan
dan energy kinetic) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin.
Putaran poros tadi akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Ada banyak
pilihan turbin yang digunakan untuk kondisi tertentu nya. Secara umum biasanya
ada dua jenis turbin yaitu turbin impulse dan turbin reaksi. Untuk mendapatkan
pilihan yang tepat dari jenis turbin yang akan digunakan perlu ditetapkan kriteria
61 o Head
o Kecepatan Spesifik
o Kavitasi
o Biaya
Dari data pengukuran lapangan diperoleh head aktual 15 m dan debit Q =
8.1 m3/s. Berdasarkan data tersebut pilihan turbin yang mungkin dapat dilihat
pada tabel dibawah ini.
Tabel 4.12 Jenis Turbin berdasarkan head
Jenis Turbin Range Ketinggian/head ( m)
Kaplan dan propeler 2 < H < 40
Francis 10 < H < 350
Pelton 50 < H < 1300
Banki/Cross Flow 3 < H < 250
Turgo 3 < H < 2500
Penentuan jenis turbin dapat pula berdasarkan putaran spesifik (ns).
Kecepatan spesifik merupakan suatu istilah yang dipakai untuk mengelompokan
turbin-turbin atas dasar unjuk kerja dan ukuran perimbangnya. Rumus kecepatan
spesifik yang dipergunakan adalah:
Dimana n adalah putaran turbin (Rpm), Q = debit (m3/s) dan Head =
tinggi jatuh air (m). Putaran adalah variable lain yang perlu dipertimbangkan
62 generator. Jika turbin dikopel langsung dengan generator putaran turbin harus
dbuat sama dengan putaran generator, namun hal ini seringkali tidak dapat
dilakukan karena memaksa turbin bekerja tidak pada putaran yang menghasilkan
efisiensi maksimal. Sehingga perlu perubah putaran seperti sabuk atau sistim roda
gigi. Turbin Francis lebih menguntungkan karena turbin tersebut beroperasi pada
putaran yang relatif lebih smooth sehingga lebih dekat dengan putaran generator.
Lihat gambar Gambar.4.4 diabwah ini tentang Perbandingan Putaran Spesifik
dengan Tinggi jatuh air.
Sumber : Fritz Dietzel “Turbin Pompa dan Kompresor 1993
63 Setelah dilakukan perhitungan berdasarkan data dan litelatur yang di pakai
maka didapat hasil perhitungan untuk turbin sebagai berikut:
Table 4.13 Hasil Perencanaan Turbin
DAYA YANG DI BANGKITKAN
Debid Q 8.10 m3/s
BERDASARKAN TABEL BUKU (Fritz Dietzel) translate Dakso Sriyono
U1* tabel 1.12
Faktor penyempitan T 0.90
Data turbin
Kecepatan Spesifik Ns 112.02 rpm
Kecepatan aliran dalam penstock V 2.80 m/s
Kecepatan Tangensial Roda turbin sisi masuk U1 3.14 m/s
Kecepatan Tangensial Roda turbin sisi keluar U2a 3.28 m/s
Diameter Turbin D1 0.20 Φ
Kecepatan aliran masuk roda turbin Cu1 39.86 m/s
Aksial Komponen Cm1 0.76 m/s
kecepatan masuk C1 39.86 m/s
sudut kecepatan masuk Si α 0.02 m/s
sudut α α 1.09
64
b1 6.56 m
w1 W1 18.95 m
jumlah Sudu z
DATA PADA SISI KELEUAR TURBIN
Kecepatan tangensial pada roda turbin sisi keluar U2i 1.32 m/s
Diameter keluar roda turbin D2i 0.08 m
Kecepatan tangensial pada roda turbin sisi keluar C2 0.90 m/s
sisi keluar roda turbin U2a 3.28 m/s
Diameter keluar roda turbin D2a 0.21 m
Diameter rata rata D2 0.15 m
dari U2 rata rata U2 2.30 m
w2² 1.59 m
w2a 1.59 m
Dari hasil analisa perencanaan di atas, tipe turbin dapat di tentukan
berdasarkan kecepatan spesifik. Untuk tipe turbin yang digunakan yaitu “Turbin
Francis” berdasarkan data perencanaan debid (Q), head/tingi jatuh air (h),
kecepatan aliran (V) dan kecepatan spesifik turbin (ns).
4.5. Perencanaan Poros
Sebagaimana yang telah dijelaskan di atas bahwa poros turbin berfungsi
untuk memindahkan daya dari putaran turbin. Beban yang diterima oleh poros
turbin antara lain beban puntir dan beban lentur, sehingga dengan adanya beban
ini maka akan terjadi tegangan puntir dan tegangan lentur sebagai akibat dari
65 Berdasarkan data perencanaan pada Tabel 4.14 dengan di tetapkanya
debid (Q) serta putaran (n) sehingga perencanaan poros untuk sebuah turbin dapat
dilakukan :
Diketahui :
Daya (P) : 1 MW = 1000 kW
Putaran (n) : 300 rpm
Maka untuk meneruskan daya dan putaran ini, terlebih dahulu dihitung
daya perencanaannya (Pd).
Pd =fcP
dimana :
Pd = daya perencanaan (kW)
fc = faktor koreksi
P = daya masukan (kW)
Daya mesin (P) merupakan daya nominal output dari motor penggerak,
daya inilah yang ditransmisikan melalui poros dengan putaran tertentu.
Tabel 4.14. Jenis-jenis Faktor Koreksi Berdasarkan Daya yang akan Ditransmisikan
Daya Yang Akan Ditransmisikan fc
Daya rata-rata 1,2 – 2,0
Daya maximum 0,8 – 1,2
Daya Normal 1,0 – 1,5
(Sumber: Sularso,Kiyokatsu Suga, “ Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin
“)
Untuk perancangan poros ini diambil daya maksimum sebagai daya
66 pertimbangan bahwa daya yang direncanakan akan lebih besar dari daya
maksimum sehingga poros yang akan direncanakan semakin aman terhadap
kegagalan akibat momen puntir yang terlalu besar.
Pd = 1,2 x 1000 kW
= 1,200 kW
= 1,200,000 W
4.5.1 Pemilihan Bahan Poros Penggerak
Pemilihan suatu bahan yang akan digunakan dapat ditentukan dengan
menghitung momen puntir (momen torsi rencana) yang dialami poros. Momen
puntir rencana adalah:
Besarnya momen puntir yang dikerjakan pada poros dapat dihitung dari
n 2
d d
p
P P
M 60
n P
Mp d
30
dimana:
p
M = momen puntir (N.m)
Pd = daya rencana (W)
n = putaran (rpm).
Untuk daya perencana, Pd = 1,090,000 W dan putaran, n = 300 rpm maka
67
Dalam pemilihan bahan perlu diperhatikan beberapa hal seperti pada tabel
berikut, dan kita dapat menyesuaikan dengan yang kita butuhkan.
Tabel 4.15. Batang baja karbon yang difinis dingin (Standar JIS)
Lambang Perlakuan
Tabel 4.16. Batang baja karbon yang difinis dingin (Lanjutan)
Lamba
(Sularso, “Dasar-dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Pradya
68 Dalam pemilihan bahan perlu diketahui tegangan izinnya, yang dapat
dihitung dengan rumus:
untuk bahan S-C besarnya : 6,0.
Sf2 = faktor keamanan yang bergantung dari bentuk poros, dimana
harganya berkisar antara 1,3 – 3,0.
Untuk Sf2 diambil sebesar 1.4 maka tegangan geser izin bahan S55C-D
(AISI 1045), maka tegangan geser izin adalah:
2
4.5.2 Perencanaan diameter poros
Perencanaan untuk diameter poros dapat diperoleh dari rumus:
69 Cb = faktor koreksi untuk terjadinya kemungkinan terjadinya beban
lentur, dalam perencanaan ini diambil 1,2-2,2 karena
diperkirakan tidak akan terjadi beban lentur
Mp = momen puntir yang ditransmisikan (Nm).
Dalam hal ini faktor koreksi tumbukan pada range 1,5 – 3,0 diambil Kt =
1,5. Dan dalam mekanisme ini beban lentur yang terjadi kemungkinan adalah
kecil karena poros adalah relatif pendek, sehingga faktor koreksi untuk beban
lentur Cb = 1,3 , dan momen puntir yang terjadi Mp 32126.475 Nm,
Tabel 4.17. Perencanaan Poros Turbin
Perencanaan Diameter Poros
Daya Pd 1.008.771 watt
Putaran n 300 rpm
Diameter Poros Dp 281,91 mm
faktor koreksi fc 1.0
Momen puntir Mp 32.126,475 N/mm2
kekuatan tarik b 101 N/mm2
Faktor keamanan sf1 6
Faktor keamanan sf2 1,40
tegangan geser terjadi τa 12,02 N/mm2
momen puntir kt 1,50
momen lentur cb 1,30
tegangan izin geser tg 0,00731 N/mm2
Hasil diameter poros yang dirancang harus diuji kekuatannya.
Pemeriksaan dapat dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi
akibat tegangan puntir yang dialami poros. Jika tegangan geser lebih besar dari
70 Besar tegangan geser yang timbul pada poros adalah :
τg = 3
283.79 mm, maka perhitungan tegangan gesernya adalah sebagai berikut:
τg = 3
Menurut hasil yang diperoleh dari perhitungan diatas, terlihat bahwa tegangan
geser yang terjadi adalah lebih kecil daripada tegangan geser yang diizinkan τg < τa
(a 12.02/mm2). Dengan hasil ini maka dapat disimpulkan bahwa poros ini aman
untuk digunakan pada sproket yang dirancang untuk memindahkan daya dan putaran
yang telah ditentukan.
Gaya tangensial poros dapat dihitung dari:
71 Sf2 = Faktor keamanan yang tergantung pada bentuk poros dimana berkisar
antara 1,3-3,0.
Kita ambil Sf2 = 1,4, Maka:
F =
4 , 1 / 79 . 283
32126.47
= 122.29 N
Diperoleh gaya tangensial poros tersebut 122.29 N.
4.6. Perencanaan Generator
Generator berfungsi mengkonversikan energy mekanik yang ditransfer
oleh turbin melalui transmisi mekanik menjadi energi listrik. Ada dua jenis
generator yang dapat digunakan untuk PLTM, yaitu Generator Sinkron dan
generator induksi. Generator Sinkron pengunaanya sudah demikian luas pada
PLTM, sedangkan generator induksi masih baru berkembang sehingga belum
begitu luas diketahui pengoperasiannya oleh masyarakat. Didasarkan
pertimbangan tersebut maka dalam perencaanaan ini digunakan generator sinkron
dengan frekwensi 50 Hz dan Jumlah Pole (P)=12, putaran generator (ng) dapat
72 Tabel 4.18 Tabel Penentuan Jumlah Kutub (pole) dan Frequenzi
Jumlah Kutub 50 ( Hz ) 60 ( Hz )
Putaran (rpm) Putaran (rpm)
6
Daya listrik yang dhasilkan dari generator dihitung berdasarkan daya turbin
(1.008 kW) dikalikan dengan faktor efisiensi transmisi dan efisiensi generator
dengan mengunakan hubungan sebagai berikut :
Direncanakan efisensi transmisi dan efisiensi generator 95% dan 90% sehingga
