PEMANFAATAN BEDA ENERGI PADA BANGUNAN TERJUN UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO, STUDI KASUS SALURAN SEKUNDER GONDANG, DERAH IRIGASI PADI
POMAHAN, DESA PADI, KECAMATAN GONDANG, KABUPATEN MOJOKERTO Nama Mahasiswa : Alfi Fadhli
NRP : 3107 100 108
Jurusan : Teknik Sipil, FTSP- ITS Dosen Pembimbing :
Ir. Abdullah Hidayat,SA.MT Abstrak
Pembangkit listrik mikrohidro adalah pembangkit listrik tenaga air skala kecil. Daya listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga mikrohidro kurang dari 100 kW.
Jika dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga air skala besar, mikrohidro memerlukan biaya yang relatif tidak terlalu besar. Oleh karena itu penggunaan pembangkit listrik tenaga mikrohidro sangat cocok diterapkan pada daerah pelosok desa dan menghasilkan listrik untuk menerangi satu desa/wilayah skala kecil.
Daerah irigasi (DI) Padi Pomahan terdiri dari saluran primer Padi dengan saluan sekunder Gondang dan saluran sekunder Jemanik. Saluran sekunder Gondang memiliki debit minimum sebesar 53
liter/detik pada musim kemarau dan debit maksimum sebesar 795 liter/detik pada musim hujan. Pada saluran sekunder Gondang terdapat 6 bangunan terjun yang terletak berdekatan, dengan beda elevasi 15 meter untuk saluran sepanjang 180 meter. Dengan beda elevasi saluran dan debit sebesar itu, maka saluran sekunder Gondang berpotensi untuk digunakan sebagai pambangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH).
Dari data operasional saluran irigasi selama 10 tahun terakhir dan daftar elevasi bangunan terjun didapat debit andalan sebesar 175 liter/detik dan tinggi efektif 13,741 meter. Untuk menyalurkan debit air yang tersedia dari saluran ke turbin digunakan pipa pesat dengan diameter 14” dan ketebalan 8mm. Turbin yang digunakan adalah turbin jenis cross flow T15 300, sehingga dihasilkan daya maksimum 16,378 kW dengan energi per tahun sebesar 136.794,99 kWh. Dengan adanya PLTMH diharapkan mampu memberikan manfaat dan nilai tambah terhadap lingkungan sekitar saluran. Lebih jauh lagi diharapkan daerah sekitar saluran mampu mandiri dalam hal kebutuhan listrik.
Kata kunci: Saluran irigasi, potensi, debit, elevasi, mikrohidro
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Bendung Padi Pomahan terletak di Desa Padi, Kecamatan Gondang, Kabupaten Mojokerto. Bendung Padi Pomahan terletak di aliran sungai Pikatan dan memiliki fungsi utama untuk memenuhi kebutuhan irigasi daerah sekitar sungai. Pada bendung Padi Pomahan terdapat satu intake pengambilan debit sungai untuk mengaliri kebutuhan irigasi pada daerah irigasi(DI) Padi Pomahan. DI Padi Pomahan terdiri dari saluran primer Padi dengan saluran sekunder Gondang dan sekunder Jemanik.
Gambar 1.1 Peta lokasi Sungai Pikatan
Saluran sekunder Gondang memiliki debit minimum sebesar 53 liter/detik pada musim kemarau dan debit maksimum sebesar 795 liter/detik pada musim hujan dengan luas daerah pengairan sebesar 472 ha.
Gambar 1.2 Skema jaringan irigasi DI Padi Pomahan
Pada saluran sekunder Gondang terdapat 6 bangunan terjun yang terletak berdekatan dengan beda elevasi sekitar 15 meter untuk saluran sepanjang 180 meter. Dengan beda elevasi saluran dan debit saluran primer sebesar itu, maka saluran sekunder Gondang berpotensi untuk digunakan sebagai pambangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH).
Bila PLTMH dapat terealisasi maka listrik yang dihasilkan dapat digunakan untuk menerangi desa sekitar saluran
serta digunakan untuk hal yang bermanfaat. Maka judul tugas akhir yang akan saya angkat adalah
“Pemanfaatan Beda Energi Pada Bangunan Terjun untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro, Studi Kasus Saluran Sekunder Gondang, Daerah Irigasi Padi Pomahan, Desa Padi, Kecamatan Gondang, Kabupaten Mojokerto”.
1.2 Perumusan Masalah
Bagaimana mencari debit andalan untuk memenuhi syarat mikrohidro?
Berapa beda tinggi jatuh efektif yang tersedia?
Bagaimana menghitung angkutan sedimen yang diperbolehkan terkandung dalam aliran?
Bagaimana menentukan dimensi pipa pesat?
Bagaimana menentukan desain turbin dan generator agar menghasilkan listrik yang efektif?
Berapa tenaga listrik yang mampu dihasilkan?
Berapa manfaat ekonomi yang dihasilkan dari pembangunan pembangkit listrik tenaga mikrohidro ini?
1.3 Batasan Masalah
Tidak merencanakan penyaluran listrik yang dihasilkan
Tidak menyertakan bangunan sekitar saluran
Air yang mengalir diasumsikan terbebas dari benda hanyutan
Perencanaan bangunan sipil hanya sebatas dimensi bangunan
Tidak menghitung struktur konstruksi sipil bangunan 1.4 Tujuan Perencanaan
Mendapatkan debit andalan
Mendapatkan tinggi jatuh efektif
Mendapatkan jumlah angkutan sedimen yang terkandung dalam aliran
Mendapatkan dimensi pipa pesat
Mendapatkan desain turbin dan generator agar dapat menghasilkan daya listrik yang efektif
Mengetahui besar tenaga listrik yang mampu dihasilkan
Mengetahui manfaat ekonomi yang didapat dari pembangkit listrik tenaga mikrohidro
1.5 Manfaat Perencanaan
- Dapat memanfaatkan kehilangan energi pada bangunan terjun sebagai pembangkit listrik.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Analisa Debit
Dalam perencanaan PLTMH, hal yang mutlak dilakukan pertama kali adalah mencari debit andalan. Debit andalan adalah jumlah debit yang mampu tersedia pada saluran tersebut sepanjang tahun. Hal ini dilakukan agar pembangkit mampu beroperasi sepanjang tahun tanpa terganggu dengan perubahan debit yang masuk pada saluran.Untuk menghitung andalan, data debit yang digunakan adalah data debit operasional harian selama 10 tahun.
Langkah-langkah untuk menghitung debit andalan adalah:
Merangking data debit dari yang terkecil sampai yang terbesar
Mencari selisih antara debit terbesar dan debit terkecil (R)
Mencari jumlah data
Mencari jumlahkelas K = 1 + 3,333 log n
Mencari interval kelas i = R/K
Membagi kelas dengan jarak interval i dari data yang terbesar sampai yang terkecil
Memasukkan data debit yang tersedia berdasarkan kelas- kelas yang telah dibagi
Menghitung banyaknya data tiap kelas
Menghitung probability tiap kelas
Menampilkan dalam bentuk kurva (duration curve)
Menghitung debit andalan Karena direncanakan PLTMH berada pada saluran irigasi, maka debit yang digunakan adalah debit andalan 80%.
2.2 Perencanaan Kemampuan Tenaga Air
Setelah didapat debit andalan yang tersedia, langkah berikutnya adalah menghitung kemampuan tenaga air. Hal yang paling menentukan dalam perhitungan kemampuan tenaga air adalah debit air dan tinggi jatuh air. Debit air didapat dari perhitungan debit andalan yang telah dianalisa.
Sedangkan tinggi jatuh air didapat dari data elevasi saluran dan peta topografi serta analisa-analisa sehingga didapat tinggi jatuh yang maksimal
2.2.1 Tinggi jatuh efektif Tinggi jatuh bruto adalah perbedaan elevasi muka air di hulu saluran dengan elevasi muka air pada hilir saluran yang ditinjau. Tinggi jatuh bruto didapat dari data elevasi saluran. Sedangkan tinggi jatuh efektif diperoleh dari tinggi jatuh bruto dikurangi dengan kehilangan energi saluran yang dikonversikan menjadi
kehilangan tinggi pada saluran air. Sehingga perumusannya dapat ditulis:
Heff = Hbruto – Hlosses. (2-1) dimana:
Heff = Tinggi jatuh efektif
Hbruto = Tinggi jatuh bruto
Hlosses = Kehilangan tinggi
akibat tekanan air yang hilang
2.2.2 Daya yang dihasilkan
Setelah
mendapatkan debit andalan dan tinggi jatuh efektif, maka dapat dihitung daya yang dapat dihasilkan. Perhitungan ini menjadi estimasi awal dalam perencanaan daya yang mampu dihasilkan, karena faktor yang digunakan dalam perhitungan awal ini hanya debit andalan, tinggi jatuh efektif, berat jenis air, dan efisiensi beberapa alat.
Rumusan perhitungan daya adalah:
P = Qandalan . . g . Heff (watt) = 9,8 . Qandalan . Heff (kW)
(2-2)
(O.F.Patty.”TenagaAir”,Erlan gga,Jakarta,1995)
dimana:
P= daya yang dihasilkan (kW)
Qandalan = debit andalan
(m3/detik)
= massa jenis air (1000 kg/m3)
g = percepatan gravitasi Heff = tinggi jatuh efektif (m)
2.3 Perencanaan Bangunan Pengambilan Air
2.3.1 Perhitungan muka air Perhitungan muka air adalah menentukan tinggi muka air saluran pada debit tertentu. Hal ini berguna untuk
menentukan posisi
pengambilan air untuk PLTMH dan penentuan batas terendah muka air. Perhitungan muka air bisa didapat dari rating curve, yaitu grafik perbandingan debit dengan ketinggian muka air.
A = (b+zh)h (2-3) P = b + 2.h
(2-4) (2-5)
dimana:
A = luas penampang basah saluran (m2)
P = keliling basah saluran (m) b = lebar dasar saluran (m) z = kemiringan tebing saluran h = ketinggian muka air (m) v= kecepatan aliran air (m/detik)
2.3.2 Perencanaan
bangunan pengatur tinggi muka air
Bangunan pengatur tinggi muka air terletak melintang pada saluran dan berada di depan pintu pengambilan debit/ intake.
Bangunan ini berfungsi untuk mengatur tinggi muka air di saluran depan intake sehingga debit yang masuk intake sesuai
dengan debit yang
direncanakan, yakni debit andalan. Bangunan pengatur tinggi muka air direncanakan dengan skot balok. Skot balok diletakkan melintang saluran setinggi debit rencana dan debit yang berlebih akan melimpah melalui atas balok ke saluran.
2.3.3 Perencanaan pintu pengambilan
(intake)
Pintu pengambilan (intake) berfungsi untuk memasukkan debit rencana dari saluran. Pintu intake direncanakan dengan tipe pintu pengambilan aliran tidak tenggelam, sehingga menggunakan rumusan:
(2-6) dimana:
Q= debit aliran (m3/detik) µ= koefisien debit = 0,8 h= tinggi bukaan pintu (m)
b= lebar bukaan pintu (m) z= selisih tinggi muka air di hulu dan hilir pintu akibat kehilangan energi
Pada perencanaan, pintu intake akan dibuka setinggi muka air pada saatdebit andalan, sehingga debit maksimal yang melalui pintu intake sebesar debit andalan. Sedangkan debit yang berlebih secara otomatis akan melimpah melalui skot balok.
2.3.4 Perencanaan saluran pengarah
Saluran pengarah adalah saluran yang menghubungkan antara intake dan bak pengendap.
Perencanaan dimensi saluran pengarah menggunakan rumusan:
A = (b+zh)h (2-7) P = b + 2.h
(2-8) (2-9) dimana:
A= luas penampang basah saluran (m2)
P = keliling basah saluran (m) b = lebar dasar saluran (m) z = kemiringan tebing saluran h = ketinggian muka air (m) v = kecepatan aliran air (m/detik)
2.3.5 Perencanaan pelimpah samping
Pelimpah samping berfungsi untuk melimpahkan debit berlebih sehingga debit yang masuk pada saluran pengarah tidak melebihi dbit rencana. Debit yang dilimpahkan ke pelimpah samping nantinya akan dikembalikan ke saluran eksisiting. Dimensi pelimpah samping akan direncanakan sebatas dimensi mulut pelimpah. Debit yang akan dilimpahkan yaitu sebesar:
Qpelimpah= 50% x Qandalan
(2-10)
Debit yang berada pada hilir pelimpah samping adalah debit yang diijinkan masuk ke pipa pesat, yaitu sebesar Qandalan . Dengan kecepatan aliran pada saluran pengarah akan didapatkan tinggi energi:
Ho= ho + (2-11)
Nilai debit yang melimpah didapat dengan mengetahui debit tiap segmen sejarak Δx yang dihitung dari hilir ke hulu bangunan pelimpah. Korfisien debit (µ) untuk mercu pelimpah harus diambil 5% lebih kecil daripada koefisien mercu
tegak. Rumusan yang digunakan adalah:
qx= (2-12)
Qx = Qo + qx
(2-13) Ax = ho.b
(2-14) hx = Ho - (2-15)
2.3.6 Perencanaan alat ukur
Alat ukur terletak pada saluran pengarah. Alat ukur ini digunakan untuk mengukur debit air pada saluran dan memastikan bahwa debit yang masuk tidak melebihi debit andalan.
Rumusan yang digunakan:
Q = 1,71 B.H3/2 (2-16) H1 = h1+ (2-17) r = 0,2 . H1
(2-18) L = r + 1,75 H1
(2-19) dimana:
Q= debit (m3/detik) B= lebar alat ukur (m)
h= tinggi air di atas ambang (m) H1= tinggi energi
r= jari-jari lengkung drempel L= panjang drempel (m)
2.3.7 Perhitungan angkutan sedimen
Perhitungan
angkutan sedimen diperlukan untuk menghitung jumlah sedimen yang terangkut oleh aliran. Hal ini perlu diperhatikan untuk melindungi turbin dari kerusakan akibat sedimen. Beberapa turbin memiliki batasan jumlah angkutan sedimen yang diperbolehkan masuk turbin.
Apabila jumlah angkutan sedimen yang terkandung dalam aliran melebihi jumlah angkutan sedimen yang diijinkan maka diperlukan bangunan pengendap sedimen.
Diameter maksimum sedimen yang diijinkan masuk ke dalam turbin bergantung pada jenis PLTA yang direncanakan, yaitu:
0,2 – 0,5 mm untuk PLTA tekanan rendah
0,1 – 0,2 mm untuk PLTA tekanan sedang
0,01 – 0,05 mm untuk PLTA tekanan tinggi.
(O.F. Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995) 2.3.8. Perencanaan bak
pengendap sedimen Setelah didapat diameter maksimal yang diijinkan masuk ke dalam turbin, maka langkah berikutnya adalah menghitung
kecepatan kritis diameter sedimen tersebut. Besar kecepatan kritis menurut Camp adalah:
(2-20)
(O.F. Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995)
dimana:
d = diameter butiran (mm) a = 36 bila d > 1 mm a = 44 bila 1 mm > d > 0,1 mm a = 51 bila d < 0,1 mm
Apabila kecepatan pada saluran lebih besar daripada kecepatan kritis sedimen, maka diameter sedimen yang terkandung dalam aliran lebih besar daripada batasan diameter sedimen yang diijinkan masuk turbin. Oleh sebab karena itu dibutuhkan bak pengendap sedimen untuk mengendapkan sedimen agar sedimen tidak masuk ke turbin dan merusak turbin.
Untuk menghitung dimensi bak pengendap
menggunakan rumus
Welikanow:
(2-21)
Q=B.h.v (2-22)
(O.F. Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995)
dimana:
Q = debit yang akan diambil dari sungai (m3/detik)
B = lebar bak penyaring (m) L = panjang bak penyaring (m) = kecepatan turun butir v = kecepatan aliran air dalam bak (m/detik) kecepatan air tidak boleh melebihi kecepatan kritis, yaitu kecepatan yang akan menyeret butir sedimen yang telah mengendap pada dasar bak
h = tinggi muka air dalam bak (m) 2.3.9. Perencanaan kantong pasir
Kantong penangkap pasir merupakan bagian dari bak pengendap sedimen yang berfungsi untuk menampung endapan sedimen yang mengendap dalam bak pengendap sedimen. Rumusan yang digunakan dalam perencanaan dimensi kantong pasir adalah:
A = b.h (2-23) (2-24) dimana:
A = luas penampang basah saluran (m2)
b = lebar dasar saluran (m)
h = ketinggian muka air (m) v = kecepatan aliran air (m/detik)
Agar pembilasan dapat dilakukan dengan baik maka kecepatan harus tetap dijaga dalam kondisi sub kritis.
(2-25)
Dari diagram Camp efisiensi kantong lumpur untuk berbagai diameter sedimen dapat ditentukan, dengan panjang (L) dan kedalaman air rencana (h), serta kecepatan bak pengendap (v) , maka kecepatan endap rencana dapat disesuaikan:
(2-26)
Untuk menghitung efisiensi pembilasan dapat digunakan grafik efisiensi pembilasan.
Gambar 2.1. Grafik efisiensi pembilasan
2.3.10. Perencanaan periode pengurasan
Secara periodik bak penyaring harus dibersihkan dari bahan endapan dan pekerjaan ini tidak boleh menghalangi kegiatan PLTMH. Hal ini dapat dilakukan dengan cara:
Menggunakan lebih dari satu bak
Bak dibersihkan tetapi air tetap jalan
Memakai saluran samping
Untuk menghitung volume sedimen yang tekandung dalam aliran, maka diambil sampel dari saluran.
Dari hasil uji laboratorium didapat kandungan sedimen per liter dan Gs, sehingga diketahui volume sedimen per hari.
Untuk mengetahui volume tampungan kantong pasir digunakan rumus:
V = (2-27) dimana:
V = volume kantong pasir (m3) b = lebar dasar kantong pasir (m) L = panjang kantong pasir (m) is = kemiringan dasar kantong pasir
is = kemiringan dasar bak pengendap
Dengan demikian periode pengurasan didapat dengan rumusan:
(2-28)
2.3.11. Perencanaan saringan kasar
Saringan kasar berfungsi untuk menahan benda-benda hanyutan agar tidak masuk ke dalam pipa pesat. Kehilangan energi akibat saringan kasar dapat dirumusakan:
(2-29)
(O.F. Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995) dimana:
hr= kehilangan energi (m) = koefisien profil
s= lebar profil dari arah aliran (m) b= jarak antar profil saringan (m) v= kecepatan aliran (m/detik) g= percepatan grafitasi (9,8 m/detik2)
= sudut kemiringan saluran Besarnya menurut profilnya adalah sebagai berikut:
Tabel 2.1 Nilai koefisien profil saringan
Profil a b c d e f g
Φ 2,42 1,83 1,67 1,03 0,92 0,76 1,79
Gambar 2.2 Posisi dan bentuk profil saringan
2.4 Perencanaan Bangunan Pembangkit
2.4.1 Perencanaan pipa pesat
Pipa pesat adalah
sebuah pipa yang
menghubungkan antara saluran dengan turbin. Pipa pesat berfungsi untuk mengalirkan debit air menuju turbin sehingga turbin bisa berputar dan menghasilkan tenaga listrik. Selain itu pipa pesat juga berfungsi untuk mempertahankan tekanan jatuh air sehingga energi di dalam gerakan air tidak terbuang.
Langkah-langkah dalam perencanaan pipa pesat yaitu:
a. Perencanaan diameter pipa pesat
Dalam perencanaan pipa pesat digunakan perumusan USBR.
Dalam perhitungan kecepatan aliran digunakan rumusan :
(2-30)
dimana :
v = kecepatan aliran (m/detik) g = percepatan gravitasi (9,8 m/detik2)
Heff = tinggi jatuh efektif (m) Setelah kecepatan aliran diperoleh, maka didapat diameter pipa pesat menggunakan rumusan :
(2-31)
(2-32)
dimana :
Qandalan= debit andalan (m3/detik) D= diameter pipa pesat (m) v= kecepatan aliran (m/detik) A= luaspenampangpipa (m2) b. Perencanan posisi pengambilan
Jarak muka air dengan posisi pipa pesat disebut Minimum Operational Level (MOL). Menurut O.F.Patty, untuk menghitung MOL, maka jarak MOL diukur dari sisi atas pipa dengan rumusan:
(2-33) Karena bentuk mulut pengambilan pipa tidak didesain stream line, maka dibutuhkan tambahan 0 , sehingga rumusan yang digunakan menjadi:
(2-34)
dimana :
MOL= Minimum Operational Level (m)
D= diameter pipa pesat (m) v= kecepatan aliran di pipa pesat (m/detik2)
c. Perencanaan tebal pipa
Kekuatan pipa
umumnya dapat ditetapkan berdasarkan pipa tipis, yaitu bahwa tegangan tangensial terbagi rata pada tebal pipa.
Pipa dinamakan tipis bila : (2-35) (O.F.Patty.”TenagaAir”,Erlang ga,Jakarta,1995)
dimana :
d = diameter pipa = tebal pipa
Tebal pipa dapat direncanakan menggunakan rumusan :
(2-36)
dengan Po = x Heff
(2-37)
(O.F.Patty.”TenagaAir”,Erlang ga,Jakarta,1995)
dimana :
= tebal pipa pesat (m)
Po= tekanan yang terjadi pada pipa (kg/m2)
= beratjenis air (kg/m3) d = diameter pipa (m)
baja = tegangan ijin baja (kg/m2) Heff = tinggi jatuh efektif air (m) = koefisien kekuatan sambungan
untuk las = 0.85-0.95 untuk paku keling
( = diameter paku ; e = jarak paku) Karena pipa terbuat dari baja, maka tebal pipa harus ditambah 1-3 mm sebagai cadangan apabila pipa mengalami korosi.
Syarat tebal minimum pipaadalah:
sampai dengan diameter hingga 0,8 m ………5mm
sampai dengan diameter hingga 1,5m
……….6mm
sampai dengan diameter hingga 2m
……….7mm
(O.F.Patty.”TenagaAi r”,Erlangga,Jaka rta,1995)
d. Tegangan yang terjadi pada pipa pesat
d.1. Momen akibat perletakan pipa
Momen maksimum pada perletakan pipa dapat diambil sebesar :
(2-38)
dengan
Gs = 0.25.π.[(D+2 )2-D2]. baja.b (2-39)
Gw = 0.25.π.D2. air.b (2-40)
(O.F.Patty.”TenagaAir”,Erlangg a, Jakarta,1995)
dimana:
M = momen maksimum (kgm) b = jarak perletakan (m) Gs = berat pipa sepanjang b (kg)
Gw = berat air sepanjang b (kg) D = diameter pipa (m) = tebal pipa (m)
= sudut kemiringan pipa
baja = berat jenis baja (kg/m3) air = berat jenis air (kg/m3) Momen perlawanan potongan pipa adalah:
(2-41)
(O.F.Patty.”TenagaAir”,Erlang ga,Jakarta,1995)
dimana :
S = Momen perlawanan pipa (m3)
= tebal pipa (m) D = diameter pipa (m)
Tegangan yang terjadi pada pipa harus memenuhi persyaratan:
(2-42) d.2. Perubahan temperatur Tegangan akibat perubahan temperatur timbul bila pipa terikat pada 2 blok angker dan tidak memiliki sambungan muai. Hal ini dirumuskan dengan:
= E . . t < baa (2-43) (O.F.Patty.”TenagaAir”,Erlangga Jakarta,1995)
dimana :
E = modulus elastisitas baja( 2,1 x 105 MPa)
= 1,2 x 10-5/o C
t = perubahan temperatur (C) maka didapat rumusan:
= 2,52 t Mpa d.3. Berat pipa kosong
Tegangan akibat berat sendiri pipa kosong terjadi akibat posisi pipa yang miring sehingga penampang pipa mendapat gaya tekan.
Tegangan yang terjadi dihitung dengan perumusan:
(2-44) (O.F.Patty.”TenagaAir”,Erlangga ,Jakarta,1995)
dimana:
= sudut kemiringan pipa Gs= berat pipa sepanjang b (kg) = tebal pipa (m)
d = diameter pipa (m)
d.4.Pergeseran antara pipa dan perletakan
Karena perubahan temperatur, maka pipa mengalami perubahan panjang. Akibatnya pada perletakan pipa terjadi pergeseran yang mengakibatkan gaya geser yang besar. Gaya geser maksimum terjadi bila benda berada pada kondisi hendak bergerak dan selama bergerak.
Perhitungan gaya geser pipa menggunakan perumusan:
(2-45)
dengan
(2-46)
(2- 47)
a r . sin (2-48)
Ѳ = 0,5 sudut perletakan
(O.F.Patty.”TenagaAir”,Erlangga , Jakarta,1995)
dimana:
F = gaya geser pada seluruh perletakan (N)
= tebal pipa (m) d = diameter pipa (m) f1 = koefisien gesek pipa Gs = berat pipa sepanjang b (kg) Gw= berat air sepanjang b (kg) = 0.5 sudut busur perletakan = sudut kemiringan pipa A = luas tebal pipa (m2) a = titik tangkap gaya geser (m) S = momen perlawanan (kgm) r = jari – jari pipa (m)
Besarnya koefisien gesek f antara pipa dan perletakan dapat dilihat dari tabel di bawah ini:
Tabel 2.2.Nilai koefisien gesek
(O.F.Patty((O.F.Patty.”TenagaAir”,Erl angga, Jakarta,1995)
d.5. Expantion joint
Expantion joint adalah pergeseran pada alat sambungan akibat gaya tekan air.
Perumusan yang digunakan yakni:
(2-49) dengan
(2-50) Po = x Heff (2-51) (O.F.Patty.”TenagaAir”,Erlangga,Jaka rta,1995)
dimana:
f2 = faktor koefisien, diambil sebesar 0,25
F2= Gaya geser pipa (N) Po= tekanan air (kg/m2) = tebalpipa (m) e= lebar packing
Pipa Perletakan Koefisien
Gesek Baja Beton/pasangan batu 0,45 - 0,5
Besi Cor Beton 0,5 - 0,75
Baja Baja (tanpa pelicin) 0,3 - 0,5 Baja Baja (dilicin dengan
grafit) 0,2 - 0,22
Baja Baja (dilicin dengan
gemuk) 0,12-
0,15 Memakai
roda (rol)
diatas baja 0,05 - 0,1
d.6. Gaya tekan pada pipa sambungan
Perumusan tegangan yang diakibatkan gaya ini adalah:
(2-52)
(O.F.Patty.“TenagaAir”,Erlangga ,Jakarta, 1995)
dimana :
Pa = tekanan air = γw .Heff
(kg/m2)
δ(bruto)= 2.δ(netto) (m) δ(netto) = tebal pipa (m) 2.4.2. Pemilihan Turbin
Turbin merupakan alat yang mengubah energi potensial air yang melalui turbin menjadi energi kinetik, yang selanjutnya akan menggerakan generator dan mengubahnya menjadi energi listrik.
Klasifikasi turbin dapat digolongkan berdasarkan beberapa kriteria:
1. Berdasarkan model aliran air masuk runner
Berdasarkan model aliran masuk runner, turbin dapat dibagi menjadi tiga tipe, yaitu:
Turbin aliran tangensial Pada kelompok turbin ini, posisi air masuk runner dengan arah tangensial atau tegak lurus dengan poros runner mengakibatkan runner berputar.
Contohnya turbin Pelton dan turbin Cross Flow.
Turbin aliran aksial
Pada turbin ini air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner. Turbin yang masuk dalam kriteria ini diantaranya adalah turbin Kaplan atau Propeller.
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 dalam turbin jenis ini.
Gambar 2.3 Turbin aliran tangensial (Sumber: Haimerl, L.A.,1960)
Gambar 2.4 Turbin aliran aksial (Sumber:
Haimerl, L.A.,1960)
Gambar 2.5.Turbin aliran aksial-radial (Sumber: Haimerl, L.A.,1960)
2. Berdasarkan perubahan momentum fluida kerjanya Berdasarkan perubahan momentum fluida kerjanya, turbin dibagi atas dua tipe, yaitu:
Turbin impuls
Semua energi potensial air pada turbin ini diubah menjadi energi kinetis sebelum air masuk/
menyentuh sudu-sudu runner oleh alat pengubah yang disebut nozel. Yang termasuk turbin jenis ini antara lain: turbin Pelton dan turbin Cross Flow.
Turbin reaksi
Pada turbin reaksi, seluruh energi potensial dari air diubah menjadi energi kinetis pada saat air melewati lengkungan sudu- sudu pengarah. Dengan demikian putaran runer disebabkan oleh perubahan momentum oleh air. Yang termasuk jenis turbin reaksi diantaranya: turbin Francis, turbin Kaplan, dan turbin Propeller.
a. Pemilihan jenis turbin Dalam penentuan jenis turbin, hal yang diperhatikan adalah besarnya tinggi jatuh efektif dan debit yang tersedia.Selain itu pemilihan jenis turbin harus
diperhatikan kapasitas tubin.
Turbin yang akan digunakan harus memiliki kapasitas yang sesuai dengan kebutuhan debit dan beda tinggi yang tersedia agar daya yang dihasilkan optimal.
b. Putaran spesifik dan putaran jenis turbin
Yang
dimaksud dengan kecepatan spesifik dari suatu turbin ialah kecepatan putaran runner yang dapat dihasilkan daya efektif 1 HP untuk setiap tinggi jatuh 1 meter.Kecepatan turbin dan generator dapat dirumuskan dengan:
(2-53)
(2-54)
dimana:
Ns= putaran spesifik turbin (rpm)
N = putaran jenis turbin (rpm) P = daya listrik (HP)
Heff= tinggi jatuh efektif (m) f = frekuensi
p= nomor dari pasangan katup generator
Kecepatan turbin ditentukan oleh kecepatan
generator yang digunakan. Daftar standard kecepatan putaran sinkron generator seperti tabel di bawah ini:
Tabel 2.3. Standar kecepatan sinkron Jmlh.
Katup 50 (Hz) 60 (Hz)
6 1000 1200
8 750 900
10 600 720
12 500 600
14 429 514
16 375 450
18 333 400
20 300 360
24 250 300
28 214 257
32 188 225
36 167 200
40 150 180
48 125 150
56 107 129
64 94 113
72 83 100
80 75 90
88 68 82
2.5 Estimasi Kehilangan Energi Estimasi kehilangan energi / head losses adalah kehilangan energi yang terjadi selama air melalui bangunan pembangkit yang telah direncanakan. Kehilangan energi dapat terjadi pada entrance, gesekan sepanjang pipa, maupun belokan pada piap pesat.
2.5.1. Kehilangan energi pada entrance
Kehilangan energi pada entrance bergantung kepada bentuk mulut pemasukkan pipa. Nilai dari
koefisien masukan dari bentuk mulut entrance dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Tabel 2.4. Nilai koefisien bentuk mulut entrance
Entrance Condition Loss Condition Ke Max. Min. Average Gate in thin wall-
contraction 1,80 1,00 1,50
Gate in thin wall-bottom
and side suppressed 1,20 0,50 1,00 Gate in thin wall-
corners rounded 1,00 0,10 0,50 Square cornered entrances 0,70 0,40 0,50 Stighly rounded entrances 0,60 0,18 0,25
Fully rounded
entrance r/D ≥ 0.15 0,27 0,08 0,10 Circular bellmouth
entrances 0,10 0,04 0,05
Square bellmouth
entrances 0,20 0,07 0,16
Inward projecting
entrances 0,93 0,56 0,80
Untuk menghitung kehilangan energi pada entrance digunakan rumusan:
(2- 55) dimana :
He = Kehilangan energi pada entrance ( m )
Ke= Koefisien bentuk mulut Δv= Selisih kecepatan sebelum dan sesudah entrance ( m/dt )
g= Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt²
2.5.2. Kehilangan energi karena gesekan sepanjang pipa
Pada dinding-dinding pipa terdapat gesekan yang dapat memperkecil energi. Besarnya kehilangan energi selain dari panjang pipa juga tergantung dari nilai lainnya. Sehingga diambil rumusan:
(2-56)
(Ir. Angrahini M.Sc,
“Hidrolika”) dimana :
Hf = Kehilangan energi sepanjang pipa ( m )
f = Koefisien gesek pipa v = Kecepatan pada pipa ( m/dt g = Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt²
D = Diameter pipa ( m )
Untuk menentukan nilai f ( koefisien gesek ) dapat digunakan diagram moddy. Sebelum menetukan harga f terlebih dahulu harus dicari angka Reynold ( Re ) dari aliran tersebut yang dapat dirumuskan; dan koefisien kekasaran bahan ( ε ).
Gambar 2.6. Diagram koefisien gesek
Dalam hal ini angka kekasaran bahan diambil 0,46. 10-6.v adalah viskositas yang harganya tergantung dari suhu air yang ada.
Dalam perhitungan ini dianggap bahwa suhu air adalah 20° C sehingga harga viskositas kinematisnya 1,007.10-6 m²/dt.
2.5.3 Kehilangan energi karena belokan pipa
Pada bagian-bagian tertentu terdapat belokan pipa yang bertujuan untuk menyesuaikan dengan kontur maupun geometri dari tempat pemasangan pipa pesat. Kehilangan energi pada bagian ini dapat dirumuskan :
(2-57) ( Ir. Angrahini M.Sc,
“Hidrolika”) dimana :
Hl = Kehilangan energi karena belokan pipa ( m )
v = Kecepatan aliran pada pipa ( m/dt )
g = Gravitasi bumi ( 9,81 m/dt² ) Kb =Koefisien kehilangan energi
Tabel 2.5. Nilai koefisien pada belokan
Bentuk belokan
Harga koefisien kehilangan tinggi energi
r/D 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Kb 0,30 0,16 0,12 0,11 0,09 0,09 0,08 0,08 0,08
D
(b) R
2.6. Perhitungan Energi Listrik
Setelah mendapatkan kehilangan energi total, maka langkah selanjutnya adalah menghitung energi listrik yang dihasilkan. Perhitungan energi listrik didapatkan dari perhitungan daya dikalikan waktu dalam satu tahun.
Perhitungan energi dapat dirumuskan:
E = P .t
= η . 9,8 . Qandalan .Heff .t (kWH) (2-58) (O.F. Patty.”Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta,1995) η= η t . ηg .ηtr (2-59) dimana:
E= energi listrik (kWH) P= daya yang dihasilkan (kW) η= efisiensi total
ηt= efisiensi turbin ηg= efisiensi generator ηtr= efisiensi transformator
Qandalan=debit andalan (m3/detik)
=massa jenis air (1000 kg/m3)
g = percepatan gravitasi (9,8 m/detik2)
Heff= tinggi jatuh efektif (m) t = waktu (1 jam = 3600 detik)
Untuk mendapatkan efisiensi turbin digunakan grafik perbandingan antara debit dan efisiensi turbin di bawah ini.
Gambar 2.7. Grafik perbandingan debit dan
efisiensi turbin (Sumber : Haimerl, L.A., 1960) 2.7 Analisa Perhitungan
Ekonomi
Analisa ekonomi dihitung dari harga satuan listrik per kWh dan nilai kelayakan investasi sebuah pembangkit bila sudah dioperasikan secara kontinyu.
2.7.1 Harga satuan listrik Harga satuan listrik bergantung pada besar biaya dan besar daya yang mempu dihasilkan selama satu tahun.
Besarnya investasi berasal dari modal sendiri dan peminjaman dari bank yang nantinya akan dikembalikan dalam jangka waktu tertentu dengan nilai suku bunga tertentu. Biaya per tahun berasal dari biaya operasional dan biaya perawatan selama satu tahun.
Dalam perhitungan harga satuan listrik, hal yang perlu diperhatikan adalah efisiensi penyerapan listrik oleh konsumen. Efisiensi penyerapan listrik oleh konsumen adalah
besarnya listrik yang mampu dinikmati oleh konsumen dibagi dengan besarnya energi listrik yang dihasilkan dari pembangkit.
Besarnya nilai efisiensi penyerapan didapat dari pola pemakaian listrik pada suatu daerah tertentu.
Biaya per kWh didapatkan dari rumusan:
Biaya pengembalian pinjaman per tahun :
= (Capital Recovery Factor)x(Biaya
Pembangunan) (2-60) Biaya pengeluaran per tahun:
=(biaya pengembalian pinjaman)+(biaya operasional dan perawatan) (2-61) Energi per tahun:
=(efisiensi jaringan)x(energi kom)x(total hari) (2-62) Biaya per kWh:
(2-63)
2.7.2 Metode NPV (Nett Present Value)
Metode NPV adalah salah satu metode untuk menghitung kelayakan suatu proyek pembangunan untuk direalisasikan.
Prinsip metode NPV adalah menghitung selisih antar nilai sekarang investasi dengan nilai sekarang penerimaan kas bersih dan nilai sisa di masa yang akan datang. Untuk menghitung nilai sekarang dari penerimaan kas
bersih dan nilai sisa bergantung pada besarnya tingkat bunga yang ditetapkan. Apabila nilai dari selisih tersebut positif, maka proyek layak untuk direalisasi.
Namun bila nilai dari selisih di atas negatif, maka proyek tersebut tidak layak untuk direalisasikan.
BAB III METODOLOGI
Langkah-langkah yang dilakukan dalam penyelesaian tugas akhir ini adalah:
3.1 Survei Lokasi
Melakukan survei pendahuluan ke daerah studi
Survei pendahuluan dilakukan untuk mengetahui secara langsung kondisi lapangan yang akan dijadikan objek tugas akhir.
Melakukan wawancara kepada petugas atau dinas terkait
Wawancara kepada petugas atau dinas terkait perlu dilakukan untuk mendapatkan informasi lebih banyak mengenai kondisi lapangan dan masalah-masalah yang dihadapi terkait pengerjaan tugas akhir.
Mengumpulkan informasi terhadap bangunan yang akan ditinjau
Pengumpulan informasi bisa didapat dari sumber-sumber yang terkait dengan objek tugas akhir, seperti internet, dinas terkait, dan lain-lain.
Melakukan studi literatur Studi literatur dilakukan unuk mengetahui metode dan tahapan-tahapan yang tepat dalam pengerjaan tugas akhir ini.
3.2 Pengumpulan Data
Data-data yang
dibutuhkan untuk pengerjaan tugas akhir :
Data debit operasional harian saluran selama 10 tahun Data debit operasional harian saluran selama 10 tahun terakhir dapat didapat dari unit pelaksana teknis (UPT) setempat. Data ini digunakan untuk mencari debit andalan yang bisa selalu tersedia sepanjang tahun.
Skema saluran irigasi
Skema saluran irigasi digunakan untuk melakukan analisa mengenai saluran yang akan ditinjau.
Data elevasi saluran
Data elevasi saluran digunakan untuk menganalisa dan menentukan tinggi jatuh efektif yang dibutuhkan untuk perhitungan mikrohidro.
Denah dan potongan penampang saluran Denah dan potongan saluran berguna untuk mengetahui detail saluran yang akan ditinjau
3.3 Analisa Data dan Proses Perhitungan
Langkah-langkah yang dikerjakan :
Menghitung debit andalan dan beda ketinggian elevasi air Untuk menghitung debit andalan digunakan rumus pada bab 2.1 dan 2.2.1. Perhitungan debit andalan dan beda ketinggian elevasi air digunakan untuk mengetahui jumlah debit yang tersedia sepanjang tahun dan tinggi jatuh efektif air.
Menghitung kemampuan air untuk menghasilkan daya dan energi listrik
Untuk menghitung kemampuan air digunakan rumus pada bab 2.2.2.
Menghitung bangunan
pengambilan air
Perhitungan bangunan pengambilan air meliputi:
Perhitungan muka air Untuk menghitung tinggi muka air digunakan rumusan pada bab 2.3.1
Perencanaan bangunan pengatur tinggi muka air Bangunan pengatur tinggi muka air berguna untuk mengatur tinggi muka air agar sesuai dengan tinggi yang diharapkan.
Perhitungan ini
menggunakan rumus pada bab 2.3.2
Perencanaan pintu pengambilan(intake) Untuk menghitung intake digunakan rumusan pada bab 2.3.3
Perencanaan saluran pengarah
Berfungsi untuk menghubungkan intake dan bak pengendap.
Rumusan yang digunakan terdapat pada bab 2.3.4
Perencanaan pelimpah samping
Berfungsi untuk melimpahkan debit yang berlebih pada saluran pengarah. Perhitungan pelimpah samping menggunakan rumusan pada bab 2.3.5
Perencanaan alat ukur
Berguna untuk
mengetahui debit yang lewat pada saluran.
Rumus yang digunakan terdapat pada bab 2.3.6
Perhitungan angkutan sedimen
Rumus yang digunakan terdapat pada bab 2.3.7
Perencanaan bak pengendap
Berfungsi untuk mengendapkan sedimen yang terkandung pada aliran. Perhitungan bak pengendap menggunakan rumus pada bab 2.3.8
Perencanaan kantong pasir
Kantong pasir berfungsi untuk menampung endapan sedimen pada
bak pengendap.
Perhitungan kantong pasir menggunakan rumusan pada bab 2.3.9
Perencanaan periode pengurasan
Bertujuan untuk merencanakan periode pengurasan kantong pasir.
Perhitungan periode pengurasan menggunakan rumusan pada bab 2.3.10
Perencanaan saringan kasar
Bertujuan untuk melindungi turbin dari benda hanyutan dan diameter sedimen yang berukuran besar.
perhitungan saringan kasar menggunakan rumus pada bab 2.3.11
Menentukan desain bangunan pembangkit listrik
Langkah-langkah untuk
mendesain bangunan
pembangkit meliputi:
Perencanaan pipa pesat Perencanaan pipa pesat meliputi perencanaan diameter pipa, tebal pipa, perencanaan posisi pengambilan, serta kontrol terhadap gaya
yang terjadi pada pipa.
Pada perhitungan perencanaan pipa pesat digunakan rumusan pada bab 2.4.1
Pemilihan turbin
Pemilihan turbin ditentukan berdasarkan pada jumlah debit yang tersedia dan tinggi jatuh efektif air. Rumus yang digunakan terdapat pada bab 2.4.2
Menghitung besarnya kehilangan energi
Estimasi kehilangan energi meliputi kehilangan energi pada entrance, gesekan sepanjang pipa, dan karena belokan pipa. Untuk menghitung besarnya kehilangan energi digunakan rumusan pada bab 2.5
Menghitung tenaga listrik yang mampu dihasilkan
Perhitungan tenaga listrik yang dihasilkan mengguanakan rumus pada bab 2.6
Analisa perhitungan ekonomi Analisa perhitungan ekonomi meliputi harga satuan listrik, kelayakan nilai jual listrik, dan analisa
kelayakan proyek
menggunakan metode NPV.
Perhitungan analisa perhitungan ekonomi
menggunakan rumus pada bab 2.7
3.4 Kesimpulan dan Saran
Kesimpulan yang dihasilkan adalah hasil perhitungan dan perencanaan bangunan.
STAR
T SURVEI PENDAHULUAN
DAN STUDI LITERATUR INPUT DATA ANALISA DEBIT
DAN BEDA KETINGGIAN
MENGHITUNG KEMAMPUAN TENAGA AIR MENENTUKAN
DESAIN PEMBANGKIT
LISTRIK
MENGHITUNG TENAGA LISTRIK YANG MAMPU
DIHASILKAN
Meliputi:
Data debit harian saluran selama 10 tahun
Skema saluran irigasi
Data elevasi saluran
MENGHITUN G KEHILANGA
N ENERGI 10%
NOT OK
O K
Meliputi:
Perhitungan tinggi muka air saluran
Perencanaan pipa pesat
Perencanaan bak penyaring
Perencanaan turbin ANALISA
ANGKUTAN SEDIMEN
MENGANALISIS KELAYAKAN
FINANSIAL FINIS
H
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Analisa Debit
Untuk menghitung debit andalan, data yang digunakan adalah data debit harian selama 10 tahun.
Langkah-langkah untuk menghitung debit andalan adalah sebagai berikut:
Merangking data debit dari yang terkecil sampai yang terbesar
Mencari selisih antara debit terbesar dan debit terkecil (R).
R= 795-53= 742 liter/detik
Mencari jumlah data, yaitu n=
360 Mencari jumlah kelas
K= 1+3,33 log n= 1+3,33 log 360= 9,52 ≈ 10 kelas
Mencari interval kelas i= R/K= 742/9,52= 77,9≈ 78
Membagi kelas dengan jarak interval dari data yang terbesar sampai yang terkecil.
Memasukan data debit berdasarkan kelas-kelas yang telah dibagi, yaitu dalam10 kelas dengan interval kelas 78.
Menghitung banyaknya data dalam tiap kelas.
Menghitung probability tiap kelas dengan perumusan California
dimana :P= probabilitas
m=frekuensi komulatif data kelas n = jumlah data total
Tabel 4.1. Rekapitulasi data debit 10 tahun
kelas nilai
tengah frek frekuensi kumulatif
probability (%)
717-795 756 6 6 1.7
639-717 678 0 6 1.7
561-639 600 16 22 6.1
483-561 522 32 54 15.0
405-483 444 35 89 24.7
327-405 366 24 113 31.4
249-327 288 74 187 51.9
171-249 210 44 231 64.2
93-171 132 114 345 95.8
53-93 73 15 360 100.0
Dari data rekapitulasi debit akan diplot antara probability dan nilai tengah.
Gambar 4.1. Grafik duration curve
Untuk mendapatkan debit andalan maka diambil probability sebesar 80%
dengan nilai debit sebesar 175 liter/detik.
Dari brosur turbin Cross Flow T 15 didapat 0
200 400 600 800
0.0 50.0 100.0 150.0
Duration curve
Q(liter/detik)
Probability (%)
bahwa debit minimal yang dibutuhkan untuk memutar turbin adalah sebesar 20%
dari debit andalan. Debit minimal yang dibutuhkan untuk memutar turbin adalah:
Q = 20% x 175
= 35 liter/detik < Qmin saluran = 53 liter/detik Sehingga debit mampu digunakan untuk pembangkit listrik mikrohidro sepanjang tahun dengan menggunakan turbin Cross Flow T 15.
4.2. Perencanaan Kemampuan Tenaga Air
4.2.1. Tinggi jatuh efektif
Tinggi jatuh efektif adalah tinggi jatuh yang digunakan untuk menghitung kemampuan tenaga air.
Tinggi jatuh efektif didapat dari tinggi jatuh bruto dikurangi kehilangan energi. Untuk perkiraan awal kehilangan energi diambil sebesar 10%.
Hbruto = elevasi upstream BT10-
elevasi downstream BT15
= (+255.6) - (+240,54)
= 15,06 meter Hlosses = 10% x Hbruto
= 10% x 15,06
= 1,506 meter
Sehingga didapat perkiraan awal tinggi jatuh efektif sebesar
Heff = Hbruto - Hlosses
= 15,06 – 1,506
= 13,554 meter
4.2.2. Daya yang dihasilkan Setelah mendapatkan debit andalan dan tinggi jatuh efektif, maka dapat dihitung daya yang dihasilkan. Perhitungan ini menjadi estimasi awal dalam perencanaan daya yang mampu dihasilkan, sehingga faktor efesiensi tidak diperhitungkan.
P= 9,8 x Qandalan x Heff
= 9,8 x 0,175 x 13,554
= 23,245 kW dimana :
P= daya yang dihasilkan (kW)
Qandalan = debit andalan
(m3/detik)
Heff = tinggi jatuh efektif (m) 4.3. Perencanaan Bangunan
Pengambilan air
4.3.1. Perhitungan muka air Dari data saluran sekunder didapat data saluran sebagai berikut:
Lebar dasar saluran (B) = 2,5 meter
Kemiringan dasar saluran=
0,00038
Koefisian manning = 0,02 Untuk menghitung kecepatan aliran dan debit saluran digunakan rumusan
A = b.h
P = b+2.h R = A/P v = 1/n. R2/3.i1/2 Q = v.A
Sehingga didapat perbandingan kedalaman muka air dan debit sebagai berikut:
Tabel 4.2.Perbandingan h dan Q
h(m) A(m2) P(m) R(m) v(m/dtk) Q(m3)
0 0 2.50 0.000 0.000 0.000
0.1 0.25 2.70 0.093 0.199 0.050 0.2 0.5 2.90 0.172 0.302 0.151 0.3 0.75 3.10 0.242 0.378 0.284 0.4 1 3.30 0.303 0.440 0.440 0.5 1.25 3.50 0.357 0.491 0.613 0.6 1.5 3.70 0.405 0.534 0.801 0.7 1.75 3.90 0.449 0.571 1.000
Dari tabel di atas hasilnya diplot pada grafik rating curve,yaitu antara h dan Q.
Gambar 4.2. Grafik rating curve Dari grafik rating curve didapat kedalaman muka air pada saat
Qandalan sebesar 0,22 meter.
4.3.2.Perhitungan bangunan pengatur tinggi muka air
Bangunan pengatur tinggi muka air dipasang melintang saluran, yang bertujuan untuk mengatur tinggi muka air agar debit yang masuk pada intake sesuai dengan debit yang diharapkan. Bangunan pengatur tinggi muka air yang digunakan pada tugas akhir ini adalah menggunakan skot kayu. Dari grafik rating curve didapat tinggi muka air pada saat Qandalan
sebesar 0,22 meter, sehingga skot balok dipasang setinggi 0,22 meter dari dasar saluran. Sehingga elevasi muka air di depan pintu intake adalah +255,6 + 0,22 = +255,82
4.3.3.Perencanaan pintu pengambilan (intake)
Pintu pengambilan (intake) berfungsi untuk memasukkan debit rencana dari saluran. Pintu intake direncanakan dibuka setinggi tinggi muka air pada saat Qandalan, yaitu setinggi 0,22 meter . Karena pintu selalu dibuka setinggi 0,22 meter, maka debit air maksimum yang masuk pada pintu sebesar Qandalan, yaitu sebesar 0,175 m3/detik dan debit yang melebihi
Qandalan secara otomatis melimpah
melalui skot balok.
4.3.4.Perencanaan saluran pengarah Saluran pengarah adalah saluran yang menghubungkan intake dengan bak pengendap. Debit yang mengalir pada saluran adalah sebesar debit andalan. Adapun perencanaan saluran pengarah direncanakan sebagai berikut:
Bentuk penampang saluran = segi empat
b= h
Q=0,175m3/detik n= 0,02
i= 0,0004
Dari data-data di atas maka saluran pengarah direncanakan:
A = b.h = b2 P = b+2.h = 3b R = A/P = Q = .R2/3.i1/2.A 0,175 = .( )2/3.(0,0004)1/2.b2 0,175 = b2/3.0,4807.b2
b8/3 = 0,3641 b = 0,685 m
Karena b = 0,685 m sulit dalam pelaksanaan, maka ambil b= 1 m A = b.h = h
P = b+2h= 1+2h R = A/P = Q = .R2/3.i1/2.A
0,175 = .( )2/3.(0,0004)1/2.h
)3/2 =
= 0,0732(1+2.h) = h5/2 0,0732+0,1464h= h5/2
Dari hasil coba-coba didapat h=
0,455 m. Jadi hasil perencanaan
saluran pengarah adalah sebagai berikut:
Tabel 4.3. Hasil perencanaan saluran pengarah
Debit saluran Q 0,175
m3/detik Kecepatan aliran v 0,385 m/detik Lebar dasar saluran b 1 m Kedalaman saluran h 0,455 m Kemiringan saluran i 0,0004 Koefisien manning n 0,02 4.3.5. Perencanaan pelimpah samping
Pelimpah samping berfungsi untuk melimpahkan debit berlebih sehingga debit yang masuk pada saluran pengarah tidak melebihi debit rencana. Debit yang dilimpahkan ke pelimpah samping nantinya akan dikembalikan ke saluran eksisiting.
Dimensi pelimpah samping akan direncanakan sebatas dimensi mulut pelimpah. Debit yang akan dilimpahkan yaitu sebesar:
Qpelimpah = 50% x Qandalan
= 0,5 x 0,175 = 0,0875 m3/detik Debit yang berada pada hilir pelimpah samping adalah debit yang diijinkan masuk ke pipa pesat, yaitu sebesar Qandalan = 0,175 m3/detik dan kedalaman air 0,22 m. Dengan kecepatan aliran 0,325 m/detik akan didapatkan tinggi energi:
Ho = ho + = 0,22 + = 0,225 m
Nilai debit yang melimpah didapat dengan mengetahui debit tiap segmen sejarak Δx yang dihitung dari hilir ke hulu bangunan pelimpah.
Korfisien debit (µ) untuk mercu pelimpah harus diambil 5% lebih kecil daripada koefisien mercu tegak.
Koefisien debit (µ) untuk pelimpah yang dipilih adalah 0,4. Nilai tinggi mercu (c) diambil 0,2 m. Maka didapat perhitungan:
qx =
=
= 0,0033 m3/detik Qx = Qo + qx
= 0,175 + 0,0033
= 0,1783 m Ax = ho.b
= 0,455. 2,5
= 0,5625 m2 hx = Ho -
= 0,2304-
= 0,2253 m
Dengan cara yang sama dapat disusun dalam tabel dengan nilai Qo dan ho
diganti dengan nilai Qx dan hx perhitungan sebelumnya.
Tabel 4.4. Hasil perhitungan bangunan pelimpah
ΔxQoHohoho-cqxQx= Qo+qxAxvxhxΣΔx mm3/detikmmmm3/detikm3/detikm2m/detikmm 0.50.17500.23040.22500.02500.00330.17830.56250.31700.22530.50 0.50.20000.24540.24000.04000.00670.20670.60000.34450.23931.00 0.50.30000.31540.31000.11000.03070.33070.77500.42670.30611.50 0.50.37500.35040.34500.14500.04640.42140.86250.48860.33822.00 Σqx0.0872
Sehingga dimensi bangunan pelimpah samping yang digunakan dengan tinggi mercu 0,2 m dan panjang 2 m dengan kapasitas melimpah 0,0872 m3/detik.
4.3.6. Perencanaan alat ukur
Alat ukur terletak pada saluran pengarah. Alat ukur berfungsi untuk mengukur debit pada saluran pengarah.
Dalam pengerjaan tugas akhir ini, alat ukur yang digunakan adalah drempel.
Adapun data yang digunakan untuk merencanakan alat ukur drempel adalah sebagai berikut:
b = 1 m
v = 0,385 m/detik Qandalan= 0,175 m3/detik p = 0,3 m
Dari data-data tersebut diolah untuk mendapatkan desain alat ukur drempel.
Q = 1,71 .b.h3/2 0,175= 1,71.1.h3/2 h3/2 = 0,102
h = 0,218 m > 5 cm (OK) vo =
=
=
= 0,338 m/detik H1 = h1+
= 0,218 +
= 0,224 m r = 0,2 . H1
= 0,2.0,224
= 0,045 m L = r + 1,75 H1
= 0,045 + 1,75.0,224
= 0,437 m ≈ 0,45 m
Setelah didapat desain drempel, maka dicek dengan menggunakan debit minimum saluran yang masuk, yaitu Qmin = 53 liter/detik
Q = 1,71 .b.h3/2 0,053 = 1,71.1.h3/2 h3/2 = 0,031
h = 0,099 m = 9,9 cm > 5 cm (OK)
Jadi kesimpulannya drempel yang didesain mampu membaca hingga debit minimum yang masuk ke saluran. Hasil perencanaan alat ukur drempel adalah sebagai berikut:
Tabel 4.5. Hasil perencanaan drempel
Debit saluran Q 0,175 m3/detik Kecepatan aliran saluran v 0,385 m/detik Kecepetan aliran pada di
atas drempel vo 0,338 m/detik
Lebar drempel b 1 m
Tinggi drempel p 0,3 m
Panjang drempel L 0,45 m
Jari-jari kelengkungan
drempel r 0,045 m
Tinggi muka air di atas
drempel h1 0,218 m
4.3.7.Perhitungan angkutan sedimen Perhitungan angkutan sedimen diperlukan untuk menghitung jumlah sedimen yang terangkut pada aliran.
Beberapa turbin memiliki batasan diameter sedimen yang diijinkan masuk.
Adapun diameter sedimen yang diijinkan
masuk ke turbin bergantung pada jenis PLTA yang direncanakan, yaitu:
0,2-0,5 mm untuk PLTA tekanan rendah
0,1-0,2 mm untuk PLTA tekanan sedang
0,01-0,05 mm untuk PLTA tekanan tinggi
Untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro maka diambil diameter maksimum yang diijinkan masuk ke dalam turbin sebesar 0,2 mm.
4.3.8. Perencanaan bak pengendap sedimen
Untuk perhitungan jumlah angkutan sedimen digunakan data sebagai berikut:
diameter sedimen d = 0,2 mm
Q = 0,175 m3/detik
vsaluran = 0,31 m/detik
h = 1 m
Besar kecepatan kritis menurut Camp adalah:
dimana: a= 44 bila 1 mm > d > 0,1 mm
= 19,68 cm/detik
= 0,197 m/detik < vsaluran = 0,31 m/detik
Karena kecepatan saluran lebih besar daripada kecepatan kritis, maka diameter butiran sedimen yang terangkut pada saluran lebih besar daripada
diameter sedimen yang diijinkan masuk ke turbin, sehingga diperlukan bak pengendap.
Setelah didapat kecepatan kritis butiran maka direncanakan kecepatan air dalam bak tidak boleh melebihi kecepatan kritis, yaitu sebesar 0,18 m/detik
Dari grafik perbandingan diameter butiran didapat besar = 2,1 cm/detik = 0,021 m/detik
Gambar 4.3.Grafik perbandingan diameter butiran dan kecepatan jatuh
butiran
Setelah didapat kecepatan turun butiran, maka langkah berikutnya adalah menghitung dimensi bak pengendap.
Menurut Welikanow, dengan menetapkan
W = 0,95 maka λ = 1,2, sehingga:
Q = b.h.v b =
