BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pengertian dan Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Air

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR

2.1.1 Pengertian dan Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Air

Tenaga air merupakan sumberdaya terpenting setelah tenaga uap/panas, pemanfaatan energi air sebagai sumber energi sudah lama dilakukan, salah satunya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Air. Hampir 30% dari seluruh kebutuhan tenaga di dunia dipenuhi oleh pusat – pusat listri tenaga air. Sebagai contoh Pembangkit Listrik Tenaga Air di India dimulai pada tahun 1897 berupa listrik mikro-hidro. Pembangkit Listrik Tenaga Air adalah suatu pembangkit yang memanfaatkan energi potensial dan energi kinetik air dimana oleh turbin keduanya diubah menjadi energi mekanik. Prinsip sederhananya adalah air yang jatuh dari ketinggian sehingga mempunyai kecepatan kemudian air bertekanan tersebut menabrak sudu – sudu turbin sehingga turbin dapat berputar. Putaran turbin diikuti poros turbin yang dihubungan dengan generator sehingga menghasilkan energi listrik.

Pembangkit Listrik Tenaga Air diklasifikasikan menurut besarnya kapasitas daya yang dihasilkan. Pembagian PLTA dengan kapasitas kecil pada umumnya adalah sebagai berikut:

1. PLTA Pico Hidro 5 kW 2. PLTA Mikro Hidro 5 -100 kW 3. PLTA Mini Hidro 100 - 999 4. PLTA Small Hidro 1 - 15 MW 5. PLTA Medium Hidro 15 - 100 MW 6. PLTA Large Hidro > 100 MW

Berdasarkan kapasitasnya di atas Pembangkit Listrik Mini Hidro merupakan Pembangkit Listrik Tenaga Air yang memiliki kapasitas 100 – 999 kW. Pembangkit Listrik Mini Hidro sangat cocok diterapkan di lokasi – lokasi yang memiliki tinggi jatuh sedang dan aliran air yang cukup namun dengan debit yang tidak terlalu besar.

2.2 PENGERTIAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINI HIDRO

Suatu pemanfaatan aliran air berskala kecil sebagai sumber tenaga untuk pembangkit listrik berkapasitas 100 kW – 999 kW. Arti keseluruhan adalah pembangkitan listrik daya kecil yang digerakkan oleh tenaga air. Tenaga air beasal dari aliran sungai kecil atau danau yang dibendung dan kemudian dari ketinggian tertentu dan memiliki debit yang sesuai akan menggerakkan turbin yang dihubungkan dengan generator listrik[5]. Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro biasanya dibuat dengan sistem run of river karena tidak membutuhkan debit yang besar. Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro sangat cocok di daerah pedalaman yang memiliki ketinggian seperti daerah perbukitan atau pegunungan sehingga manfaat dari energi listrik yang dihasilkan dapat disalurkan untuk penerangan penduduk setempat baik kebutuhan peralatan rumah tangga, kegiatan pertanian maupun kegiatan home industri di daerah setempat.

Secara teknis PLTM memiliki tiga komponen utama yaitu air (Hidro), turbin, dan generator. Prinsip kerja dari PLTM sendiri pada dasarnya sama dengan PLTA hanya saja PLTM kapasitasnya tidak begitu besar. PLTM pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian atau sudut kemiringan dan jumlah debit air per detik yang ada pada saluran irigasi, sungai, serta air terjun. Aliran air akan memutar turbin sehingga akan menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik turbin akan memutar generator dan generator menghasilkan listrik. Berikut skema prinsip kerja PLTM dapat dilihat pada gambar sebagai sebagai berikut:

Gambar 2.1 Skema prinsip kerja PLTM

Untuk lebih detailnya, prinsip kerja dari Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) adalah sebagai berikut:

1. Aliran sungai dibendung agar mendapatkan debit air (Q) dan tinggi jatuh air (H), kemudian air yang dihasilkan disalurkan melalui saluran penghantar air menuju kolam penenang.

2. Kolam penenang dihubungkan dengan pipa pesat, dan pada bagian paling bawah di pasang turbin air.

3. Turbin air akan berputar setelah mendapat tekanan air (P), dan perputaran turbin dimanfaatkan untuk memutar generator.

4. Setelah mendapat putaran yang konstan maka generator akan menghasilkan tegangan listrik, yang dikirim ke konsumen melalui saluran kabel distribusi.

2.4 KOMPONEN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINI HIDRO

Ada tiga aspek yang terdapat pada komponen PLTM diantaranya adalah:

2.4.1 Bangunan Sipil

Fasilitas untuk bangunan sipil PLTM terdiri dari: a. Bendung (weir)

Bendung berfungsi untuk menaikkan/mengontrol tinggi air dalam sungai secara signifikan sehingga memiliki jumlah air yang cukup untuk dialihkan ke dalam intake pembangkit mini hidro.

b. Bangunan penyadap air (intake)

Tujuan dari bangunan penyadap air (intake) adalah untuk memisahkan air dari sungai atau kolam untuk dialirkan ke dalam saluran pembawa, penstock, serta ke bak penampungan.

c. Saluran pembawa (head Race)

Saluran pembawa (head race) mengikuti kontur permukaan bukit untuk menjaga energi dari aliran air yang disalurkan.

d. Penyaring (trashrack) dan Bak penenang (forebay)

Trashrack digunakan untuk menyaring muatan sampah dan sedimen yang masuk, umunya penyaring direncanakan dengan menggunakan jeruji besi. Sedangkan fungsi dari bak penenang adalah sebagai penyaring terakhir seperti settling basin untuk menyaring benda-benda yang masih tersisa dalam aliran air, dan merupakan tempat permulaan pipa pesat (penstock) yang mengendalikan aliran menjadi minimum sebagai

antisipasi aliran yang cepat pada turbin tanpa menurunkan elevasi muka air yang berlebihan dan menyebabkan arus baik pada saluran.

e. Saluran Pelimpas (spill way canal)

Spillway adalah sebuah lubang besar di dam (bendungan) yang sebenarnya adalah sebuah metode untuk mengendalikan pelepasan air untuk mengalir dari bendungan atau tanggul ke daerah hilir.

f. Pipa pesat (penstock)

Pipa pesat (penstock) berfungsi untuk menyalurkan dan mengarahkan air ke cerobong turbin.

g. Rumah Pembangkit (power house)

Rumah pembangkit merupakan tempat peralatan di mana terdapat komponen elektrikal dan mekanik terpasang. Pada bangunan ini komponen yang ada di dalamnya adalah turbin, generator dan peralatan control.

h. Saluran pengeluaran (tail race)

Saluran pengeluaran (tail race) berfungsi untuk mengalirkan air dari rumah pembangkit (housepower) setelah digunakan untuk memutar turbin ke saluran asal. Konstruksi yang digunakan harus memiliki kemiringan dan dimensinya karena nantinya dapat berpengaruh pada besarnya debit yang dialirkan ke dalam saluran air.[5]

2.4.2 Mekanikal

Untuk komponen-komponen mekanikalnya yang utama pada perencanaan pembangunan PLTM ini terdiri dari:

a. Turbin

Pesawat yang digunakan untuk mengkonversi energi potensial menjadi mekanik berupa putaran pada sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) disebut turbin. Putaran poros turbin ini ditransmisikan ke generator untuk membangkitkan listrik. b. Sistem Transmisi

Sistem Transmisi yang digunakan adalah menggunakan sabuk dan puli. Sistem transmisi berfungsi untuk menaikkan putaran dari putaran turbin ke putaran generator. Bagian sistem transmisi terdiri dari:

 Puli adalah roda berbentuk lingkaran yang digunakan untuk menempatkan sabuk. Puli sebanyak 2 buah yaitu puli penggerak di turbin dan puli yang digerakkan di generator.

 Poros transmisi digunakan untuk menopang puli di antara bantalan.  Sabuk (belt) berfungsi sebagai pemindah daya dari turbin ke generator.

 Bantalan pada sistem transmisi digunakan sebagai tempat berputarnya poros puli.  Kopling berfungsi untuk menghubungkan daya dari poros turbin ke puli penggerak

dan dari poros puli ke poros generator yang digerakkan. Kopling juga digunakan untuk memisahkan turbin dan generator dari sistem transmisi apabila akan dilakukan perbaikan.

2.4.3 Elektrikal

Komponen yang utama dari elektrikal adalah generator dan panel Kontrol. Secara rinci komponen elektrikal untuk sebuah PLTM yaitu:

a. Generator

Generator adalah alat pengubah tenaga mekanik yang berupa putaran yang dihasilkan turbin menjadi energi listrik.

b. Panel Kontrol

Panel Kontrol merupakan tempat peralatan untuk mengontrol dan memonitor listrik yang dibangkitkan untuk memenuhi standard kualitas listrik yang berlaku.

2.5 TURBIN AIR

2.5.1 Pengertian Umum Turbin Air

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik.. Turbin air mengubah bentuk energi potensial air menjadi bentuk energi

mekanis. Bentuk energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi bentuk energi listrik. Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida (air). Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak yaitu “asembli rotor-blade”. Fluida yang bergerak menjadikan sudu-sudu (blade) berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Dalam pembangkit listrik tenaga air (PLTA) turbin air merupakan komponen utama selain generator. Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

2.6 FUNGSI TURBIN AIR

Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator.[6]

2.7 JENIS – JENIS TURBIN AIR

Turbin air dikelompokkan menjadi dua yang sesuai dengan fungsinya diantaranya sebagai berikut :

2.7.1 Turbin Impuls

Semua energi potensial air pada turbin ini dirubah menjadi menjadi energi kinetik sebelum air masuk/ menyentuh sudu-sudu runner oleh alat pengubah yang disebut nozel. Yang termasuk jenis turbin ini antara lain : Turbin Pelton dan Turbin Cross-Flow.

2.7.2 Turbin Reaksi

Pada turbin reaksi, seluruh energi potensial dari air dirubah menjadi energi kinetik pada saat air melewati lengkungan sudu- sudu pengarah, dengan demikian putaran runner disebabkan oleh perubahan momentum oleh air. Yang termasuk jenis turbin reaksi diantaranya : Turbin Francis, Turbin Kaplan dan Turbin Propeller.

Gambar 2.2 Empat Macam Turbin Konvensional

2.8 PRINSIP KERJA TURBIN AIR

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan sebuah alat generator listrik menjadi energi listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Aliran air yang

mempunyai energi potensial akan disemprotkan ke sudu-sudu turbin oleh nozzle. Putaran dari sudu-sudu tersebut akan mengakibatkan poros turbin ikut bergerak dan kemudian putaran poros turbin akan diteruskan ke generator listrik untuk diubah menjadi energi listrik.

Gambar 2.3 Diagram alir prinsip kerja turbin

Dari gambar di atas bahwa turbin air berputar (kerja turbin) mengubah beberapa proses energi dari semula energi potensial diubah menjadi energi kinetis kemudian menjadi energi mekanis dan akhirnya menjadi energi listrik. Berikut proses alur dari prinsip kerja turbin air.

Tabel 2.1 Prinsip kerja turbin

Turbin Air

E. Potensial E. Kinetis E. Mekanis E. Listrik Saat air berada

di BEND, (H)

Saat air melalui pipa penstok

Air keluar dari Nozzle mendorong sudu, Disc,Poros Poros dihubungkan dengan poros generator, LISTRIK

Dari tabel di atas menjelaskan bagaimana proses perubahan energi dan terjadi pada saat di komponen apa perubahan energi tersebut terjadi sehingga preses akhir mejadi energi listrik. Berikut gambar siklus air yang mengalami beberapa proses perubahan energi.

Energi

Potensial Energi Kinetis

Energi

Gambar 2.4 Siklus aliran air mendorong sudu turbin pada PLTM

Gambar 2.4 memberikan gambaran bagaimana aliran air mendorong sudu turbin dengan energi potensialnya dan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi, berikut tabel pengelompokan turbin air.

Tabel 2.2 Kelompok turbin air

Kelompok turbin High head Medium head Low Head

Impuls Turbines Pelton Turgo

Cross-flow

Multi-jet Pelton Turgo

Cross-flow

Reaction Turbines Francis Propeller

Kaplan

Berdasarkan tabel di atas kelompok turbi air di bagi menjadi dua yaitu turbin Impuls dan Turbin Reaksi. Jenis – jenis turbin dari kedua kelompok tersebut dibagi berdasarkan level tinggi jatuhnya (head) yaitu level high head, medium head dan low head.

2.9 KLASIFIKASI TURBIN AIR

Turbin merupakan komponen penting dari sistem mini hidro yang menerima energi potensial dari air dan mengubahnya menjadi energi putaran (mekanik). Kemudian energi

mekanik ini akan memutar sumbu turbin pada generator. Terdapat beberapa jenis turbin menurut teknologinya, antara lain :

1. Turbin Tradisional, biasanya terbuat dari bambu atau kayu.

2. Turbin Modern, biasanya digunakan pada proyek – proyek PLTM berdana besar. Turbin jenis ini yang paling banyak digunakan adalah turbin jenis Kaplan, Francis,

Cross Flow, dan Pelton.

3. Turbin Modifikasi, dibuat dengan memodifikasi jenis turbin yang telah ada.

Dengan kemajuan ilmu Mekanika fluida dan Hidrolika serta memperhatikan sumber energi air yang cukup banyak tersedia di pedesaan akhirnya timbulah perencanaan-perencanaan turbin yang divariasikan terhadap tinggi jatuh (head) dan debit air yang tersedia. Dari itu maka masalah turbin air menjadi masalah yang menarik dan menjadi objek penelitian untuk mencari sistem, bentuk dan ukuran yang tepat dalam usaha mendapatkan effisiensi turbin yang maksimum. Pada uraian berikut akan dijelaskan pengklasifikasian turbin air berdasarkan

beberapa kriteria.

2.9.1 Berdasarkan Tenaga

Besar daya yang dihasilkan oleh suatu turbin tergantung seberapa besar tinggi jatuh (head) dan debit, tinggi jatuh (head) dan debit merupakan dua hal faktor yang untuk menghasilkan daya dan merupakam reaksi dari total daya yang dibangkitkan seperti pada persamaan di bawah ini:[8]

P = ρ.g.Q.H.ηt (2.1)

Dimana:

P = daya turbin (Watt) ρ = massa jenis air (m3/s) Q = debit air, (m3/detik) H = head efektif, (m)

ηt = effisiensi turbin (%) g = percepatan gravitasi (m/s2)

Namun daya yang dihasilkan oleh turbin setelah dihubungkan dengan generator disebut daya pembangkit. Maka dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

P = ρ.g.Q.H.ηt.ηg

(2.2)

Dimana:

ηg = effisiensi generator[3]

2.9.2 Berdasarkan Kecepatan

Semenjak generator dan turbin digabungkan, rata-rata kecepatan dari turbin sama dengan kecepatan generator, dinyatakan sebagai:[8]

=

(2.3) Di mana:

N = kecepatan (rpm)

f = frekuensi, biasanya 50 hertz

= 50 ppd (putaran per detik)

p = nomor dari pasangan kutub generator

2.9.3 Berdasarkan Model Aliran Air Masuk Runner

Berdasarkan model aliran air masuk runner, maka turbin air dapat dibagi menjadi tiga tipe yaitu:

a. Turbin aliran tangensial

Pada kelompok turbin ini posisi air masuk runner dengan arah tangensial atau tegak lurus dengan poros runner mengakibatkan runner berputar,

Gambar 2.5 Turbin Pelton aliran tangensial[9]

b. Turbin aliran aksial

Pada turbin ini air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner,

Turbin Kaplan atau Propeller adalah salah satu contoh dari tipe turbin ini.

c. Turbin aliran aksial - radial

Pada turbin ini air masuk ke dalam runner secara radial dan keluar runner secara aksial sejajar dengan poros. Turbin Francis adalah termasuk dari jenis turbin ini.

Gambar 2.7 Turbin Francis aliran aksial – radial

Penggolongan klasifikasi turbin di lihat berdasarkan alirannya yang masuk melalui runner dapat dilihat sebagai berikut ini:

Tabel 2.3 Klasifikasi turbin air berdasarkan arah aliran masuk runner

No Jenis turbin Arah aliran

1 2 3 4

Francis

Pelton & Crossflow Kaplan & Propeller Deriaz Aksial-Radial Tangensial Aksial Diagonal (Sumber : R.S. Khurmi, 1982 : 616)

Dari tabel 2.3 turbin Francis merupakan jenis turbin dimana arah aliran air masuk runner secara Aksial-Radial. Turbin Francis satu-satunya turbin yang

mempunyai arah aliran kombinasi sehingga paling umum digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro.

2.9.4 Berdasarkan Kecepatan Spesifiknya

Yang dimaksud kecepatan spesifik suatu turbin ialah kecepatan putaran runner yang dapat dihasilkan daya efektif untuk setiap tingginya sebagai pedoman untuk mengetahui daya yang dapat dihasilkan pada studi kelayakan pembangunan PLTM, secara umum dapat dipakai pedoman rumus persamaan atau diagram sebagai berikut:[8]

s =

.

/

/

(2.4)

Dimana:

ns = kecepatan spesifik turbin n = kecepatan putaran turbin (rpm) Heff = tinggi jatuh effektif (m)

N = daya turbin effektif

Setiap turbin air memiliki kecepatan spesifik masing – masing, pada tabel 2.4 menjelaskan batasan kecepatan spesifik untuk beberapa jenis turbin konvensional.

Tabel 2.4 Klasifikasi turbin air berdasarkan kecepatan spesifik No Kecepatan spesifik (rpm) Type / Jenis turbin

1 2 3 4 10 sampai 35 35 sampai 60 60 sampai 300 300 sampai 1000

Turbin Pelton dengan Nozzel tunggal Turbin Pelton dengan dua Nozzel atau lebih Turbin Francis

Turbin Kaplan

Putaran spesifik kenal dalam konstruksi mesin turbin untuk memberikan penjelasan tentang karakteristik dari sifat-sifat hidrolik dari suatu mesin turbin menyangkut putaran dan kapasitas yang dipindahkan untuk dibandingkan dengan bermacam - macam tipe dari turbin dan runners (roda turbin). Putaran spesifik ialah kecepatan berputar dari suatu turbin dalam seri-seri yang ditentukan, yang mempunyai daya N = 1 HP dengan H = 1 meter.[7]

Biasanya putaran spesifik dihitung untuk daya keluaran rata-rata dari suatu turbin di bawah head yang sudah dihitung dan putaran normal. Dalam pengembangan turbin hidrolik sering dinaikkan putaran spesifiknya. Untuk daya dan head yang tinggi diketahui suatu kenaikan putaran spesifik yang diizinkan untuk turbin yang lebih kecil dimensinya dan lebih putarannya. Putaran spesifik dari suatu turbin tergantung dari keadaan airnya yang mengalir. Hal itu juga tergantung pada jumlah dan bentuk dari sudu-sudu. Bila putaran spesifik naik, maka dimensi dari runner turbin akan turun dan sebaliknya.

2.9.5 Berdasarkan Ketinggian Jatuh (head) Maka Turbin Dibagi Atas:

a. Turbin Pelton (200 - 2000 m)

Untuk turbin Pelton dengan daya yang kecil bisa diatur dengan hanya menggeser kedudukan jarum sudu. Untuk instalasi turbin Pelton yang besar harus menggunakan dua buah system pengaturan, maksudnya untuk menghindari adanya tekanan tumbukan yang besar di dalam pipa saluran (pipa pesat) yang timbul akibat penutupan nosel tiba-tiba. Tekanan statis dari tinggi air jatuh menghasilkan tekanan dinamis yang bekerja di aliran berupa energi kecepatan ini berubah menjadi tekanan tumbukan. Untuk menghindari tekanan tumbukan ini, kerja jarum nosel dibantu dengan suatu perlengkapan yang disebut dengan pembelok pancaran. Pada saat beban turbin berkurang dengan tiba-tiba pembelok pancaran akan berayun ke muka jarum nosel lebih dahulu, sehingga arah pancaran air dari nosel ke sudu jalan menjadi belok. Kemudian jarum nosel bergeser memperkecil penampang keluar nosel, pembelok pancaran akan tetap berada di pinggir pancaran air. Selanjutnya nosel rem yang sudah dipersiapkan memancarkan air ke arah sebelah belakang ember sudu yang

berguna untuk memperlambat putaran turbin sampai di dalam batas yang diizinkan bila arus listrik dari generator diputuskan. Turbin Pelton, bekerja pada ketinggian air jatuh yang sangat tinggi yaitu antara 200-2000 m.

Gambar 2.8 Turbin Pelton

Gambar 2.10 Nozzle Turbin Pelton

b. Turbin Francis (10 - 100 m)

Diciptakan oleh James Francis Bichensdari Inggris. Termasuk jenis turbin reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Pada umumnya turbin ini di desain dengan posisi porosvertikal untuk menjaga agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan bantu lainnya. Turbin Francis, bekerja pada head yang sedang yaitu antara 10-100 m. Turbin Francis akan dijelaskan lebih lanjut pada bagian bawah selanjutnya.

c. Turbin Crossflow (1 - 200 m)

Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi (impulse turbine).Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Cross-Flow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air.

Gambar 2.11 Bagian - bagian Turbin Crossflow

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.

Gambar 2.12 Turbin Crossflow

Turbin Zcrossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat

masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

d. Turbin Turgo (50 - 300 m)

Turbin turgo Dapat beroperasi pada head 50 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Keuntungan dan kerugian juga sama. Pancaran air dari nozzle membentuk sudut 20°. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menrurukan biaya perawatan.

Gambar 2.13 Sudu Turbin Turgo dan Nozzle

e. Turbin Kaplan Propeller (< 40)

Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling (propeller). Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur (adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu perubahan debit air. Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan spesifiknya. Turbin Kaplan ini memiliki kecepatan spesifik tinggi (high spesific speed). Turbin kaplan bekerja pada kondisi head rendah dengan debit besar . Pada perancangan turbin Kaplan ini meliputi perancangan komponen utama turbin Kaplan yaitu sudu gerak (runner), sudu pengarah (guide vane), spiral casing , draft tube dan mekanisme pengaturan sudut bilah sudu gerak.

Tabel 2.5 Klasifikasi turbin air berdasarkan Potensial Head[8] No Tipe/Jenis Turbin Potensial Head (m)

1 Kaplan dan Propeller < 40

2 Francis 30 – 100

3 Cross Flow 1 – 200

4 Turgo 50 – 300

5 Pelton 200 – 2000

Pengertian dan Hnet adalah head potensial yang disebabkan oleh beda ketinggian permukaan air yang bersih (netto) dari suatu sumber tenaga air, yang efektif dapat diubah oleh turbin menjadi energi mekanis putaran poros. Dalam proses perubahan energi di dalam turbin ini, terjadi kerugian hidrolisis (Hr(hid)), sehingga tidak seluruhnya dapat dikonversikan menjadi putaran poros (Hconv), dengan demikian:

2.9.6 Berdasarkan Tekanan

Air yang mengalir melalui pipa-pipa selalu mempunyai tinggi tekan, di samping sebuah tinggi kinetik. Pada pintu pemasukan ke penggerak turbin (turbin runner), tinggi tekan ini dapat secara lengkap diubah menjadi tinggi kinetik dalam keadaan tekanan jet air keluar dari satu atau lebih mulut pipa pemancar (Nozzles) dan mengenai sudu-sudu roda. Dalam kasus ini, pancaran jet bebas akan menjadi tekanan atmosfer. Turbin-turbin di mana suatu desain telah ditentukan (such a design is adopted) dikenal sebagai turbin tanpa tekanan atau turbin impuls. Roda Pelton dan roda Turgo-impuls termasuk jenis ini.

Di lain pihak, sebuah turbin dapat juga dibuat untuk memutar, di bawah aksi dari gerak air di bawah tekanan melalui penggerak. Aliran pada beberapa turbin, pipa pesat, lorong pintu pemasukan ke penggerak, ruang antara sudu-sudu penggerak, semua bentuk lintasan air menerus untuk aliran air di bawah tekanan yang mengecil secara teratur dari pintu pemasukan ke pintu keluaran. Penggerak turbin secara langsung mengubah tenaga kinetic juga tenaga tekanan secara bersamaan menjadi tenaga mekanik. Turbin semacam ini disebut turbin reaksi atau turbin tekan. Contohnya adalah turbin Francis, Baling-baling dan

Kaplan juga turbin Deriaz. Perbedaan tekanan antar pintu masuk dan pintu keluar dari penggerak disebut sebagai kelebihan tekanan (over pressure) dari turbin.

2.9.7 Berdasarkan Debit

Turbin dapat juga disebut sebagai turbin debit rendah, sedang dan tinggi, hal ini hanya merupakan terminology kualitatif. Turbin Pelton untuk ukuran perbandingan adalah turbin dengan debit relative rendah. Turbin Kaplan merupakan turbin dengan debit tinggi, sementara turbin Francis menempati kedudukan pertengahan.

2.10 KOMPONEN TURBIN AIR

2.10.1 Rotor

Rotor merupakan komponen dari turbin yang bergerak (berputar). Bagian - bagian dari rotor (bagian sistem yang berputar) yaitu terdiri dari:

a. Sudu-sudu, berfungsi untuk menerima beban pancaran yang disemprotkan oleh nozzle.

b. Poros, berfungsi untuk meneruskan aliran tenaga yang berupa gerak putar yang dihasilkan oleh sudu. Gerak poros turbin mengikuti putaran turbin, untuk menghitung kecepatan putaran turbin maka dapat menggunkan persamaan sebagai berikut:[2]

N = (862/D) x H1/2

(2.5)

Dimana:

N = kecepatan putaran turbin (rpm) D = diameter turbin (m)

Berikut persamaan matematis yang berlaku pada poros turbin.[8]

T =

. (2.6) Dimana: T = Torsi P = daya turbin N = putaran turbin

c. Roda jalan atau runner turbin pada bagian ini berfungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanaik.

d. Bantalan, berfungsi sebagai perapat-perapat komponen-komponen dengan tujuan agar tidak mengalami kebocoran pada sistem.

2.10.2 Stator

Stator yaitu bagian yang diam (statis) pada system. Bagian - bagian yang termasuk dalam komponen stator terdiri dari :

a. Pipa pengarah / nozzle yang berfungi untuk meneruskan aliran fluida sehingga tekanan dan kecepatan fluida yang digunakan didalam sistem besar.

b. Pipa hisap berfungsi mengalirkan air yang keluar turbin ke saluran luar.

c. Rumah turbin, berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen-komponen turbin.

2.11 KRITERIA PEMILIHAN JENIS TRBIN AIR

Ada beberapa faktor yang dijadikan kriteria dalam pemilihan Turbin Air. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu :

a. Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit air yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis

turbin, sebagai contoh: turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin proppeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.

b. Faktor daya (Power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. c. Faktor kecepatan (Putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator.

Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi. Ketiga faktor (net head, power,putaran) di atas seringkali diekspresikan sebagai ”kecepatan spesifik, Ns.” [1]

2.12 PEMILIHAN JENIS TURBIN AIR

Dengan kriteria di atas serta mengetahui kecepatan spesifik turbin maka dalam perencanaan pemilihan jenis turbin akan sangat mudah sehingga dapat ditentukan jenis turbin yang sebaiknya digunakan agar dapat diperoleh efisiensi maksimum. Agar dapat menjamin kerja turbin di sekitar daerah efisiensi maksimum serta untuk mencegah terjadinya kavitasi maka biasanya tinggi air jatuh yang diperbolehkan harus dibatasi. Misalnya dengan deviasi beberapa persen saja dari tinggi air jatuh yang direncanakan, sesuai dengan jenis turbin yang dipergunakan. Oleh karena itu pula hendaknya dapat diketahui terlebih dahulu variasi tinggi air jatuh sepanjang tahun periode operasi turbin. Hal tersebut angat erat hubungannya dengan curah hujan selama setahun atau pengaturan tinggi air jatuh yang dapat dilaksanakan. Variasi tinggi air jatuh yang diperbolehkan, agar turbin masih dapat bekerja dalam daerah efisiensi yang tinggi dan untuk mencegah terjadinya kavitasi yang berlebihan, harus diusahakan ada dalam batas - batas H yang minimum dan maksimum. Untuk suatu H tertentu dapat dipilih salah satu jenis turbin, tetapi pemilihannya harus dilaksanakan dengan cermat. Boleh dikatakan bahwa turbin dengan kecepatan spesifik yang lebih tinggi akan lebih ekonomis.

Dalam perencanaan ini penulis akan merencanakan penggunaan turbin jenis turbin reaksi yaitu turbin Francis. Sehingga dalam tugas akhir ini lebih banyak menjelaskan tentang turbin Francis.

2.13 TURBIN REAKSI

Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik. Turbin jenis ini adalah turbin yang paling banyak digunakan. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

Turbin ini adalah jenis turbin reaksi yang menggabungkan konsep aliran radial dan aliran aksial. Turbin reaksi disebut juga dengan turbin tekanan lebih karena tekanan air sebelum masuk roda turbin lebih besar dari pada tekanan air saat keluar roda turbin. Secara umum dapat dikatakan bahwa aliran air yang masuk keroda turbin mempunyai energi penuh, kemudian energi ini dipakai sebagian untuk menggerakkan roda turbin dan sebagian lagi dipergunakan untuk mengeluarkan air kesaluran pembuangan. Jenis turbin reaksi yang sering digunakan antara lain, turbin francis, turbin propeler atau kaplan.

2.13.1 Turbin Francis

Turbin Francis dikembangkan oleh James B. Francis di Lowell, Massachusetts Turbin ini adalah jenis turbin reaksi yang menggabungkan konsep aliran radial dan aliran aksial.Turbin Francis merupakan salah satu jenis turbin reaksi dapat bekerja secara efisien di bawah berbagai kondisi operasi. Turbin dipasang diantara sumber air yang bertekanan tinggi di bagian masuk dan air yang bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah, sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial, sudu pengarah pada turbin Francis ini dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air, penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

Untuk mengetahui kecepatan keliling optimal turbin Francis. maka dapat menggunakan persamaan sebagai berikut:

Persamaan kecepatan keliling turbin.[8]

U1 = ku(2gH)1/2

(2.7)

Dimana:

Ku = koefisien faktor geseran (0.72-0.76)

g = gravitasi (m/s) H = tinggi head (m)

Air mengalir masuk ke dalam roda jalan turbin Francis semuanya melalui sudu pengarah, yang bisa digerakkan membuka dan menutup dengan memakai pertolongan cincin pengatur yang digerakkan regulator melalui tuas penggerak. Dengan memakai alat ini, selain kapasitas air, arah (α) arus air yang masuk ke roda jalan bisa diubah. Pada instalasi turbin yang besar, system pengaturan di atas dilengkapi dengan katup pelepas, melalui saluran ini sebagian dan kapasitas air dengan cepat bisa dibelokkan untuk dibuang dengan melewati saluran pembuangan, maksud dari sistem ini adalah untuk menghindari kenaikan tekanan di dalam pipa saluran (pipa pesat) dan menghindari kenaikan kecepatan putaran turbin bila beban turbin turun dengan tiba-tiba. Turbin Francis ada tiga jenis yaitu turbin putaran rendah ( sesuai untuk beda ketinggian 280 sampai 400 meter), turbin putaran sedang (sesuai untuk beda ketinggian 100 sampai 280 meter) dan turbin putaran tinggi (sesuai untuk beda ketinggian 10 sampai 100 meter).[6]

Turbin francis adalah turbin hidrolik yang paling popular dipergunakan oleh PLTA. Turbin ini adalah jenis yang paling diandalkan untuk pembangkit listrik tenaga air. Turbin Francis telah menyumbang sekitar 60 persen dari kapasitas PLTA global, terutama karena dapat bekerja secara efisien di bawah berbagai kondisi operasi Di samping itu turbin ini

dapat beroperasi pada head (tinggi jatuh) Antara 10 – 100 meter, dapat menghasilkan daya kisaran antara 10 - 750 MW dengan Ns (specific speed) 60 – 300 rpm.[6]

2.13.2 Prinsip Kerja Turbin Francis

Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada saat air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh (head) telah bekerja di dalam sudu pengarah yang diubah sebagai kecepatan air masuk. Sisa energi tinggi jatuh (head) digunakan dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh (head) bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin.

Turbin yang dikelilingi dengan sudu - sudu pengarah semuanya terbenam dalam air. Air masuk ke dalam turbin yang dialirkan melalui pengisian air dari atas turbin (schact) atau melalui sebuah rumah yang berbentuk spiral (rumah keong). Semua roda jalan selalu bekerja. Daya yang dihasilkan oleh turbin diatur dengan cara merubah posisi pembukaan sudu pengarah. Pembukaan sudu pengarahnya dapat dilakukan dengan tangan atau dengan pengatur dari oli tekan (gobernor tekanan oli), dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam roda turbin bisa diatur dengan cara diperbesar atau diperkecil.

Pada sisi sebelah luar roda jalan terdapat tekanan kerendahan (kurang dari 1 atmosfir) dan kecepatan aliran yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan alirannya akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air di bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. Pipa isap pada turbin ini mempunyai fungsi mengubah energi kecepatan menjadi energi tekan.

Kisaran kecepatan turbin francis adalah 83-1000 rpm. Gerbang gawang di sekitar bagian luar berputar dimana runner turbin mengontrol laju aliran air melalui turbin untuk level daya keluaran yang berbeda. Turbin francis hampir selalu dipasang dengan poros vertikal untuk menjaga air dari generator yang melekat dan untuk memudahkan instalasi serta akses pemeliharaan turbin.

2.13.3 Bagian - Bagian Turbin Francis

Turbin Francis merupakan turbin hidrolik paling popular dan yang paling dapat diandalkan untuk pembangkit listrik tenaga air. Turbin Francis dapat bekerja secara efisien di bawah berbagai kondisi operasi terutama digunakan untuk produksi listrik. Kisaran kecepatannya adalah 83-1000 rpm, gerbang gawang yang berada di sekitar bagian luar putaran runner turbin berfungsi mengontrol laju aliran air melalui turbin untuk kapasitas daya keluaran berbeda. Untuk memudahkan instalasi dan tingkat pemeliharaan, turbin Francis hampir selalu dipasang dengan poros vertikal. Turbin ini mempunyai tiga bagian utama yaitu runner, guide vane (sudu pengarah), rumah turbin (casing).

a. Runner

Adalah bagian yang dapat berputar yang berfungsi mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik, bagian ini terdiri dari poros dan sudu turbin. Untuk mengukur diameter runner maka dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

D1 = 60 x (2.8)

Dimana:

D1 = diameter runner (m)

U1 = kecepatan keliling optimal (m/s) N = putaran turbin (rpm)

Berikut gambar runner turbin Francis: b. Casing

Adalah bagian yang menyerupai rumah siput (keong) dengan bentuk penampang melintang lingkaran yang berfungsi menampung fluida yang terletak keluar guide vane dan memaksimalkan energi tekanan.

c. Guide Vane

Merupakan bagian yang berfungsi sebagai pengarah aliran air dari katup pengatur kapasitas dari casing ke runner serta dapat menaikkan kecepatan aliran air sebelum menuju runner.

d. Fluid Inlet

Adalah bagian yang berfungsi untuk meneruskan air yang akan masuk ke casing. e. Fluid Outlet

Merupakan komponen yang berfungsi untuk meneruskan aliran air ke saluran pembuangan.

f. Volute Casing

Merupakan komponen yang berfungsi untuk menurunkan kecepatan aliran (flow) fluida yang masuk ke dalam turbin.

2.13.4 Perawatan Turbin Francis

Sebuah turbin yang terus – menerus digunakan untuk suatu keperluan membutuhkan perawatan, sebab dengan perawatan ini diharapkan kita bisa mempertahankan kualitas dan life time dari komponen -komponen turbin agar dapat dicapai efisiensi dan kinerja maksimum dari turbin tersebut. Untuk keperluan perawatan tersebut kita bisa menempuh beberapa cara:

1. Inspeksi, yaitu melakukan yang akan terjadi pada bagian-bagian turbin mengenai kerusakan dan kemungkinan yang akan terjadi pada sudu-sudu poros, motor penggerak dan lain-lain.

2. Preventiv, yaitu melakukan perawatan pada komponen-komponen turbin sesuai dengan prosedur-prosedur dan petunjuk - petunjuk perawatan untuk menghindari kerusakan seperti pelumasan dan lain - lain.

3. Korektif, hal ini dapat dilakukan dengan cara:

a. Perbaikan, langkah ini dilakukan untuk komponen turbin yang mengalami kerusakan dan memungkinkan untuk diperbaiki serta harga penggantiannya yang cukup mahal. b. Penggantian, langkah ini dilakukan untuk komponen - komponen turbin yang rusak

dan biayanya yang relative murah

4. Perawatan Darurat, yaitu perawatan yang dilakukan pada turbin secara tiba-tiba dan bersifat urgent jika terjadi gangguan atau kerusakan dan melangsungkan pengoperasiannya seperti membersihkan sudu – sudu, poros dan lain sebagainya.

2.13.5 Keuntungan dan Kelebihan Turbin Francis

Turbin Francis mempunyai beberapa keuntungan dibanding dengan jenis turbin lainnya diantaranya sebagai berikut:

1. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi.

2. Turbin Francis dapat digunakan pada head jatuh yang rendah namun dapat menghasilkan putaran tinggi seperti jenis yang digunakan pada PLTM ini.

3. Dapat bekerja secara efisien di bawah berbagai kondisi operasi. 2.14 KAVITASI

Pada dasarnya air yang mengalir ke sudu turbin akan menimbulkan kavitasi. Kavitasi adalah suatu peristiwa terjadinya gelembung-gelembung uap di dalam cairan (air) yang mengalir apabila tekanan di tempat tersebut sama dengan tekanan uapnya.[7] Gelembung tersebut akan terbawa arus. Apabila gelembung tersebut kemudian sampai di suatu daerah dimana tekanannya melebihi tekanan uapnya, maka gelembung akan pecah dengan tiba-tiba. Pecahnya gelembung-gelembung tersebut bukan saja menimbulkan bunyi berisik dan getaran, tetapi dapat menyebabkan lubang-lubang kikisan pada permukaan dinding saluran atau bagian-bagian turbin, misalnya pada permukaan sudu-sudu, rumah turbin dan dinding bagian atas dari saluran isap. Kavitasi yang berlebihan dapat pula mengurangi daya dan efisiensi turbin.

Jika turbin dioperasikan dalam keadaan kavitasi secara terus-menerus dalam kurun waktu yang cukup lama maka permukaan dinding saluran sekitar aliran yang berkavitasi akan termakan dan mengalami kerusakan (erosi) yang berupa kupasan kulit sehingga menjadi berlubang-lubang.

Peristiwa erosi kavitasi sebagai akibat dari tumbukan gelombang uap yang parah pada dinding secara berulang - ulang. Karena kavitasi sangat merugikan yaitu berdampak turunnya performansi, timbulnya suara kebisingan dan getaran, serta rusaknya turbin, maka gejala ini harus dicegah dengan segala cara. Oleh karena itu diusahakan agar tidak terjadi kavitasi.

Dalam upaya mendapatkan kriteria perencanaan, Thoma menyusun suatu parameter hubungan, σ, yang untuk turbin dinyatakan sebagai berikut:

σ =

(2.9)

dimana:

hb = tinggi tekanan barometer pada lokasi instalasi hv = tekanan uap

hs = tinggi penempatan turbin di atas permukaan air (tail race) h = tinggi tekan pada turbin

Sehubungan dengan Thoma, sebuah turbin akan agak bebas dari perlubangan, bila parameter pelubangan ini melebihi suatu nilai yang pasti σcrit untuk suatu turbin reaksi diberikan.

σ ≥ σcrit

Nilai dari σcrit akan tergantung pada jenis turbin dan selanjutnya dapat dihubungkan dengan kecepatan spesifik, Ns, jadi untuk turbin Francis nilai σcrit dapat dihitung:[8]

σ = 0.0318 2

(2.10)

Dimana:

σcrit = Thoma kritis

ns = kecepatan spesfik (rpm)

2.15 CARA PENANGGULANGAN KAVITASI

Kavitasi pada dasarnya dapat dicegah dengan membuat NPSH yang tersedia lebih besar daripada NPSH yang diperlukan . Dalam perencanaan instalasi pompa ,hal-hal berikut ini harus diperhatikan untuk menghindari kavitasi :[7]

1. Memasang turbin pada tempat yang sebaik-baiknya, yaitu memperkecil jarak vertikal antara roda turbin dan permukaan air bawah (memperkecil tinggi isap, Hs). Dalam hal tersebut diusahakan tekanan air tidak lebih rendah dari tekanan uapnya. 2. Ketinggian letak pompa terhadap permukaan zat cair yang diisap harus dibuat

seserendah mungkin agar head isap menjadi rendah pula .

3. Pipa isap harus dibuat sependek mungkin . Jika terpaksa dipakai pipa isap yang panjang sebaiknya diambil pipa isap yang berdiameter satu nomor lebih besar untuk mrngurangi kerugian gesek .

4. Sama sekali tidak dibenarkan untuk memperkecil laju aliran dengan menghambat disisi isap .

5. Jika pompa memiliki head total yang berlebihan , maka pompa akan bekerja dengnan kapasitas aliran yang berlebihan pula ,sehingga kemungkinan akan terjadi kavitasi menjadi lebih besar . Karena itu head total pompa harus ditentukan sedemikian sehingga sesuai dengan yang diperlukan pada kondisi operasi yang sesungguhnya .

6. Memperbaiki konstruksi dan mengusahakan agar tidak terdapat belokan-belokan atau bentuk-bentuk yang tajam.

Kerusakan akibat kavitasi dapat dicegah dengan jalan menggunakan material yang kuat, terutama untuk bagian-bagian dimana diperkirakan dapat terjadi kavitasi.