BAB IV
HASIL YANG DICAPAI DAN POTENSI KHUSUS
1.1 KETERSEDIAAN DEBIT AIR PLTM CILEUNCA
Sebelum melakukan perhitungan maka alangkah baiknya kita mengetahui dulu ketersediaan debit air di situ Cileunca dan situ Cipanunjang terlebih dahulu. Sumber energi air yang akan dimanfaatkan PLTM Cileunca merupakan sumber energi air untuk PLTA Plengan, Lamajan dan Cikalong. Besaran air yang melalui sungai Playangan ini ditentukan oleh pengoperasian PLTA Plengan, sehingga walaupun sumber air PLTM Cileunca berasal dari bendungan yang besar, pengoperasiannya bersifat “run of river”.
Data aliran sungai Playangan diperoleh dari catatan harian pengoperasian PLTA Plengan. Data harian ini meliputi antara lain debit sungai Plengan, tinggi muka air Situ Cileunca dan Situ Cipanunjang.. Penentuan debit ditentukan oleh operator PLTA Plengan dengan mengukur bukaan katup bendungan yang dapat dikonversikan menjadi debit.
Untuk menguji kesahihan, data ini telah diklarifikasikan dengan pengukuran langsung di lapangan yang umumnya menghasilkan angka – angka debit aliran yang
lebih tinggi. Untuk mendapatkan data yang sahih, koreksi diperlukan untuk rentang bukaan keseluruhan pada berbagai tinggi muka air. Tetapi mengingat pengoperasian PLTA Plengan tidak dapat diganggu untuk waktu yang lama, penyusunan faktor koreksi terpaksa ditangguhkan dan diharapkan dilakukan nantinya dengan penambahan peralatan pencatat debit otomatik bersamaan dengan pengoperasian PLTM Cileunca. Berikut alat yang digunakan oleh PT. CTE dan alat yang digunakan oleh PT. IP UBP Saguling.
Gambar 4.1 Flowmeter type 12.400
Gambar (4.1) di atas adalah alat milik PT. CTE yang digunakan dalam pengukuran debit di sepanjang aliran sungai Playangan.
Gambar 4.2 Flowmeter Model C.N.C 200
Gambar (4.2) di atas adalah alat milik PT. IP UBP Saguling yang digunakan dalam pengukuran debit di sepanjang sungai Playangan.
Sungai Playangan adalah saluran pelepasan dari Dam Playangan yang berfungsi menyalurkan air Situ Cileunca menuju PLTA Plengan. Mengingat saluran ini sepenuhnya harus menunjang operasi PLTA Plengan, maka pengaturan debit saluran Playangan ditentukan oleh:
a. Debit operasi kebutuha riel PLTA Plengan
b. Debit limpahan Dam Playangan untuk menjanga tinggi muka air Situ c. Operasi Situ Cipanujang dan Cileunca
Mengingat ketentuan operasional di atas, dalam studi siklus aliran air unutuk PLTM Cileunca telah dipakai data – data yang ada yang diperoleh dari PLTA Plengan dan Lamajang. Studi PLTM Cileunca dengan demikian harus memperhatikan pola aliran air yang terbentuk dari kebutuhan PLTA Plengan dan pola aliran air untuk kesetimbangan Situ Cipanunjang dan Cileunca. Data – data penggunaan air Situ Cileunca yang tersedia didapat dari data operasional PLTA Plengan, terdiri dari data tahun 1997 sampai dengan tahun 2000 yang menganut pencatatan data – data harian tertinggi dan terendah dan data - data tambahan tahun 1997 sampai dengan 2002 yang memberikan data – data harian yang lebih mendetail.
Dari data – data pengamatan yang diperoleh, saluran Playangan Situ Cileunca yang memperoleh pasokan air dari Situ Cipanunjang yang mempunyai debit maksimum 7,5m3/dt. Berdasarkan hasil pengukuran di dapat data sebagai berikut:
1) Debit rata – rata harian dan keseluruhan 1997 – 2000 tertinggi adalah ±5,9m3/s dan terendah adalah ±2m3/s.
2) Debit rata – rata tahunan air masuk ke Situ Cipanunjang dan Cileunca tahun 1997 – 2000 adalah 3,84m3/s.
3) Tahun 1997 terjadi kemarau panjang sehingga debit masuk situ sangat kecil.
Kemarau panjang ini mempengaruhi pemasukan kedua situ untuk tahun 1998.
Berdasarkan data hasil pengukuran tersebut, studi optimasi penggunaan debit air sungai Playangan untuk PLTM dapat dilakukan untuk menentukan target penghasilan daya pembangkit. dapat disimpulkan bahwa produksi energi yang ideal :
a. Skim 1, menggunakan 2 turbin dengan kapasitas 3 – 3,25 m3/dt dan daya 900 - 1000 kW
b. Skim 2, menggunakan 2 turbin dengan kapasitas 1,5 – 1,625 m3/dt dan daya 450 - 900 kW
c. Skim 3, menggunakan 2 turbin dengan kapasitas 1 – 1,12 m3/dt dan daya 300 - 330 kW
1.2 TINGGI JATUH (HEAD) PLTM CILEUNCA
Untuk menentukan head (tinggi terjun) yang dapat dimanfaatkan, data tersedia antara tahun 1997 sampai dengan 2000 akan dipergunakan. Data ini akan dikombinasikan dengan data yang lebih mendetai dari 1997 sampai dengan 2002.
Data hasil pengukuran tersebut sebagai berikut:
Gross Head :45 m
Nett Head :43 m
Minimum net head :40 m Maximum net head :45 m
Penstock Length total :565 m Tunnel side penstock :130 m
Penstock size :1200 mm & 800 mm Penstock material : HDPE100 PN 6.3 & Steel
1.3 PERENCANAAN JENIS TURBIN PLTM CILEUNCA
Seperti sudah dijelaskan pada bagian uraian di atas bahwa dalam pemilihan jenis turbin yang akan digunakan pada Pembangkit Listrik Mini Hidro (PLTM) Cileunca ini adalah mengacu pada faktor – faktor sebagai berikut:
a. Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit air. Untuk tinggi jatuh sesuai data teknis PLTM Cileunca dengan gross Head 45 m dan Net Head 42.32 m.
b. Faktor daya (Power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. Dalam perencanaan ini PLTM Cileunca dapat membangkitkan tenaga listrik pada kisaran 2 x 500 kW.
c. Faktor kecepatan (Putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator.
Kecepatan turbin yang direncanakan dapat mencapai ± 1000 rpm.
Dalam perencanaan ini jenis turbin yang akan digunakan jenis turbin reaksi yaitu turbin Francis. Untuk membuktikan dan memastikan kecocokan jenis turbin tersebut maka dibutuhkan analisa perhitungan sesuai data yang didapat dan menggunakan rumus - rumus dari referensi di atas. Setelah itu akan dibandingkan dengan data teknis yang didapat dan data referensi yang sudah ditulis pada tinjauan pustaka.
1.4 ANALISA PERHITUNGAN
Turbin yang digunakan untuk perencanaan Pembangkit Tenaga Mini Hidro ini adalah jenis turbin reaksi yaitu turbin Francis. Daya yang dihasilkan oleh Turbin berdasarkan data di atas adalah dimana besar effisiensi turbin 85% dan besar effisiensi generator 95%, gravitasi 98.1 m/s2 besarnya debit design air/unit 1.59 m3/s, besar debit minimal/unit 0.48 m3/s dan tinggi headnya (gross head) adalah 45m.
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel di bawah ini:
Tabel 4.1 Data teknis spesifikasi turbin
Turbine type Reaction Turbine-Francis with spiral casing
Axis orientation Horizontal
Inlet position Below Axis
Draft tube type Elbow and Bell shape draft tube Shaft arrangement Turbine shaft with bearing
Gross Head 45m
Net Head 42.32m
Turbine shaft speed 1000 Rpm Maximum runaway speed 1895 Rpm
Flow at runaway 1100 l/s
No load speed flow 240 l/s
Runner diameter 505 mm
Wicket gate height 142 mm
Maximum output performance 647 kW (max net head) Minimum output performance 581 kW (min net head) Tail water to centerline 1500 mm
Inlet diameter 610 mm
Peak efficiency 92,1
Debit maximum 3 m3/s
Debit maximum tiap turbin 1.5 m3/s Debit minimum tiap turbin 0.48 m3/s
Effisiensi turbin 85%
Effisiensi Generator 95%
Unit turbin 2
Design Cap 560 kW
Installed Cap 1.120 kW
• Daya Turbin
Dari data tabel yang didapat daya minimum turbin yang dihasilkan 581 kW dan daya maximumnya 647 kW. Dengan total daya rencana yang diinginkan 1000 kW atau 1 MW dari dua unit turbin yang tersedia. Sehingga dengan data head (gross head) dan debit yang tersedia maka didapat daya turbin dengan dibuktikan persamaan (2.1):
Pt = Q x H x g x ηt
m3 m
Pt = 3 s x 45m x 9.81 s2 x 0.85 Pt = 1125 kW
• Daya Pembangkit
Untuk menghitung daya keluaran pembangkit maka putaran generator akan berpengaruh pada daya yang dihasilkan. Oleh karena itu effisiensi generator diperhitungkan dalam daya output yang dihasilkan pembangkit, sehingga dapat dihitung dengan persamaan (2.2):
Pt = Q x Heff x g x ηt x ηg
m3 m
Pt = 3 s x 42.32 m x 9.81 s2 x 0.85 x 0.95
Pt = 1005.1 kW
• Putaran Turbin
Berdasarkan data yang didapat bahwa putaran turbin dapat mencapai 1000 rpm namun tidak salahnya perancang akan membuktikan hasil tersebut. Untuk menghitung putarannya akan menggunakan persamaan (2.5):
N = (862/D) x H1/2 dimana diameter turbin D = 610 mm = 0.61 cm
N = (862/0.61) x 42.321/2
N = 1413.12 x 6.5
N= 918.53 rpm
Jadi putaran yang dapat dihasilkan turbin dapat mencapai 918.53 rpm atau ± mencapai 1000 rpm.
• Kecepatan Spesifik Turbin
Seperti sudah dijelaskan pada tabel di atas bahwa kecepatan spesifik turbin Francis Antara 60 – 300 rpm. Berdasarkan data yang didapat kecepatan spesifik turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.4):
ns =
n.NeHeffS/4 l/2
ns =
918.53 rpm x 1125kW42.32mS/4 l/2
ns = 285.44 rpm
• Kecepatan putaran Generator
Generator yang terpasang dalam perencanaan ini adalah memiliki 4 pasang kutub - kutub, dimana biasanya besar nilai frekuensi 50 Hz. Sehingga kecepatan generator dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.3):
60 f
N = p N = 60 x 50
4
N = 750 rpm
• Perhitungan kecepatan keliling optimal (u1)
Untuk dapat menghitung kecepatan keliling optimal maka dapat menggunakan persamaan (2.7):
U1 = ku(2gH)1/2
Dimana nilai ku = [0.72-0.76]
Maka:
U1 = 0.76 (2 x 9.8 m/s2 x 45 m)1/2
U1 = 22.57 m/s
• Perhitungan diameter lingkaran runner
Diameter lingkaran runner dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.8):
D1 = 60 x nN 22.57 m/s U1 D1 = 60 x 3.14 x 918.53rpm D1 = 0.47 m = 0.5 m
• Perhitungan torsi poros turbin
Nilai torsi pada poros turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.6):
60. P T = 2rrN
60 x 1125 kW T = 2 x 3.14 x 918.53rpm
T = 11.7 Nm = 11701 Nmm
)
• Perhitungan kavitasi untuk turbin Francis
Kavitasi kritis yang terjadi pada turbin Francis dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.10):
acrit = 0.0318 ( Ns 2
)
100 2
acrit = 0.0318 (285.44 100 σcrit = 0.259
1.5 ANALISA HASIL PERHITUNGAN
Berdasarkan hasil - hasil perhitungan di atas, maka penulis dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut:
• Daya yang dihasilkan oleh turbin sebesar 1.125 kW. Dimana daya rencana yang akan dihasilkan sebesar 1000 kW dengan instalasi capasitas sebesar 1.121 kW.
Maka pembuktian perhitungan ini tercapai.
• Daya yang dihasilkan oleh pembangkit sebesar 1005.1 kW. Daya rencana yang diinginkan yang dihasilkan pembangkit sebesar 1000 kW
• Putaran turbin yang dihasilkan dengan kecepatan 918.53 rpm. Pada data teknis putaran turbin dapat mencapai 1000 rpm. Maka hasil perhitungan tercapai.
• Kecepatan spesifik turbin sebesar 285.44 rpm. Dimana range kecepatan spesifik turbin Francis Antara 60 – 300 rpm. Jadi kecepatan spesifik turbin hampir 300 rpm.
• Kecepatan putaran Generator sebesar 750 rpm
• Perhitungan kecepatan keliling optimal sebesar 22.57 m/s
• Diameter lingkaran runner sebesar 0.47 m = 0.5 m
• Nilai torsi poros sebesar 11.7 Nm = 11701 Nmm
• Kavitasi kristis 0.259
1.6 ANALISA BERDASARKAN KRITERIA PEMILIHAN TURBIN
• Analisa di lihat dari Head jatuhnya
Pada tabel (2.5) turbin yang memiliki head jatuh paling tinggi adalah turbin Pelton dan head jatuh yang paling rendah adalah turbin Kaplan dan Propeller.
Sedangkan turbin Francis head jatuhnya pada kisaran menengah. Secara grafik dapat dilihat di bawah ini:
Gambar 4.3 Grafik potensial head turbin air
Pada grafik (4.3) di atas, maka potensial head yang masuk ke dalam range potensial head PLTM Cileunca 42.32 – 45 m adalah turbin Francis karena range potensial head turbin Francis antara 10 – 100 m. Dengan demikian turbin Francis masuk dalam kriteria pemilihan ini.
• Analisa di lihat dari kecepatan spesifiknya
Berdasarkan tabel (2.4) maka kecepatan spesifik yang sesuai dengan nilai hasil perhitungan mengacu kepada kecepatan spesifik turbin Francis yaitu antara 60 – 300 rpm. Tabel (2.4) secara grafik dapat digambarkan sebagai berikut:
20 00
3 00 2 11000 2
5 00
0 410 5 0 00
Potensial Head Turbin Air
2500 Head Min Head Max
2000 1500 1000 500 0
0 1 2 3
Jenis Turbin 4 5 6
Head Turbin
Gambar 4.4 Grafik kecepatan spesifik turbin air
Pada grafik (4.4) di atas menjelaskan gambaran kecepatan spesifik turbin air.
Dari hasil analisa perhitungan di atas nilai kecepatan spesifik turbin yaitu 285.44 rpm, jika melihat pada grafik di atas nilai turbin Francis lah yang masuk dalam kriteria ini. Dengan demikian pilihan jatuh pada turbin Francis.
Sudah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa turbin Francis dapat menghasilkan kecepatan spesifik antara 60 – 300 rpm. Namun tingkat kecepatan turbin Francis dibagi ke dalam tiga tingkatan yaitu kecepatan lambat, sedang dan cepat. Untuk lebih jelasnya mari kita lihat tabel berikut ini:
Tabel 4.2
No Kecepatan Turbin Francis Kecepatan spesifik (Ns)
1 Kecepatan lambat 60 - 120
2 Kecepatan sedang 120 - 180
3 Kecepatan cepat 180 - 300
Klasifikasi kecepatan turbin Francis
10 00
35 60 3 00 3 00
5 6 0
1
Kecepatan Spesifik Turbin Air
Kecepatan Spesifik (rpm) Kecepatan Spesifik (rpm) 1200
1000 800
400 200 0
0 3
0 1 2 3 4 5
Jenis Turbin
Spesific Speed (rpm)
Dari tabel (4.2) di atas kecepatan spesifik turbin Francis jika dibandingkan dengan nilai kecepatan spesifik hasil perhitungan di atas adalah 285.44 rpm.
Karena turbin Francis dengan nilai kecepatan spesifik yang cepat yaitu Antara 180 – 300 rpm. Maka dipilihlah jenis turbin Francis dengan kecepatan cepat.
• Analisa di lihat dari daya yang dihasilkan
Tabel 4.3 Klasifikasi daya output turbin air
No Jenis Turbin Air Daya Output (kW)
1 Pelton 245
2 Francis 750
3 Kaplan 220
Dari tabel (4.3) Turbin Francis mampu menghasilkan daya output 750 MW.
Desain kapasitas turbin Francis untuk PLTM Cileunca untuk satu unitnya dapat menghasilkan 560 kW. Maka masuk dalam range daya output yang dihasilkan turbin Francis.
• Analisa di lihat dari putaran jenis turbin Francis
Pada uraian BAB II menjelaskan bahwa, 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 30 sampai 100 meter).
No Putaran Turbin Francis Head Jatuh (m)
Tabel 4.4
Klasifikasi putaran turbin
Francis
Pada Tabel (4.4) Turbin Francis dengan putaran tinggi dengan head jatuh berkisar antara 30 – 100 m. Berdasarkan data teknis yang terdapat pada tabel (4.1) bahwa head jatuh PLTM Cileunca antara 42.32 – 45 m. Sehingga head jatuh PLTM Cileunca masuk pada jenis turbin Francis putaran tinggi.
Karena Pembangkit Mini Hidro Cileunca mengandalkan aliran sungai Playangan yang sewaktu waktu ketersedian debit air bersifat fluktuatif dengan dipengaruhi kondisi musiman. 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 sehingga sesuai dengan desain awal dalam perencanaan Pembangkit Listrik Mini Hidro kapasitas 2 x 500 kW dengan total daya yang dihasilkan dari dua unit sebanyak 1 MW.
Berikut tingkat kecepatan spesifik turbin Francis berdasarkan kecepatan geraknya:
• Analisa di lihat dari debit turbin turbin Francis
Setiap pembangkit menyesuaikan jenis turbin yang digunakan dengan kapasitas debit masuk turbin. Untuk lebih jelas mari lihat tabel berikut ini:
Tabel 4.5 Klasifikasi turbin air berdasarkan debit
No Jenis Turbin Air Debit m3/s
1 Putaran rendah 280 – 400
2 Putaran sedang 100 – 280
3 Putaran tinggi 30 – 100
1 Pelton 4 – 15
2 Francis 0.1 – 7
3 Kaplan 4 – 5
4 Cross Flow 5 – 10
Berdasarkan data teknis bahwa debit minimum masuk turbin 0.48 m3/s, debit maximum masuk turbin 1.5 m3/s dan debit air masuk penstock 3 m3/s. Apabila data tersebut disesuaikan dengan kapasitas debit turbin pada tabel (4.5), maka kapasitas debit turbin Francis sesuai dengan desain yang direncanakan.
Berdasarkan data – data hasil analisa di atas baik dari hasil perhitungan, analisa tinggi head jatuh turbin, analisa kecepatan spesifiknya, daya yang dihasilkan, putaran turbin yang dihasilkan dan berdasarkan debit turbin, maka Pembangkit Listrik Mini Hidro Cileunca Kapasitas 2 x 500 kW PT. Cogindo Daya Bersama untuk turbin operasionalnya memilih menggunakan turbin Francis tipe putaran tinggi dan dengan kecepatan spesifik yang paling besar diantara turbin Francis lainnya.
