BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 HASIL SURVEY PERLENGKAPAN MEKANIKAL ELEKTRIKAL PLTMH NENAN KENAGARIAN SANIANG KABUPATEN 50 KOTA 3.1.1 Pipa Pesat
Untuk menentukan diameter pipa pesat pada umumnya ditentukan berdasarkan perbandingan dengan biaya kehilangan headnya. Diameter juga bisa ditentukan berdasarkan sudut rata-rata pipa pesat dan debit airnya. Secara singkat, pada kasus desain debit (Qd)=0.50 m3/s, panjang penstock (Lp)=60m, ketinggian dari bak penenang ke power house (Hp)=15m, sudut rata-rata(Ap)=15/60=0.25, velositas optimum(Vopt) ditentukan sekitar 2.32. oleh karena itu diameter pipa penstock adalah :
d = 1.273 x (Qd/Vopt)0.5 = 0,59 m
Diameter pipa pesat yang direncanakan untuk PLTMH Nenan adalah 580 mm menggunakan besi plat mild steel 4 mm yang diroll dan dilas ditempat. Pipa ini sepanjang 100 m akan diletakan pada struktur pondasi berupa anchor block yang terdiri dari coran beton tumbuk. Pada bagian ujung penstock terdapat pipa reducer. Sebagai finishing bagian luar diberi cat untuk melindungi dari karat.
3.1.2 Turbin
Pemilihan turbin didasarkan pada grafik pada gambar 3.1. Karena debit rencana 1 m3/detik, digunakan dua turbin, sehingga masing-masing turbin menggunakan aliran 0.5 m3/detik, untuk debit 0.5 m3/detik dengan net head 17.54 m, maka jenis turbin yang dapat digunakan adalah crossflow, H-shaft Francis, reverse pump dan H-shaft propeller. Akan tetapi untuk kondisi PLTMH di Nenan jenis turbin yang cocok adalah jenis crossflow , karena turbin ini cocok digunakan untuk debit dan net head yang sedang. Sedangkan tipe turbin crossflownya adalah tipe T14 karena tipe ini mempunyai tingkat efisiensi yang lebih baik dan banyak dibuat di Indonesia.
Gambar 3.1. Jenis Penggunaan (Seleksi) Turbin
3.1.3 Sistem Tranmisi Mekanik
Sistem transmisi mekanik berfungsi untuk meneruskan energi mekanik putaran poros turbin ke generator sekaligus menaikkan putaran sesuai spesifikasi generator. Desain transmisi mekanik PLTMH Nenan menggunakan flat belt siegling extremultus GT 28, 4049 x 120 mm. lebar kedua pulley adalah 147 mm, sedangkan jarak antara pusat
poros turbin dengan pulley adalah 1.150 mm. Sistem transmisi pada kedua sisi (sisi turbin dan sisi generator) dilengkapi plummer block bearing untuk menumpu poros pulley. Koneksi pulley menggunakan kopling fleksibel.
3.1.4 Generator
Generator AC dapat dikelompokan menjadi generator synchronous dan generator Induction. Generator induksi disiapkan tanpa exiter dari rotor (tipe squirrel cage). Biasanya digunakan untuk jaringan dengan sumber listrik lain. Kadang-kadang digunakan untuk jaringan independen dengan tamabahan kapasitor untuk yang kurang dari 25 kW tetapi tidak direkomendasikan untuk jaringan independen karena kesulitan dalam mengontrol voltase dan masa waktu penggunaan dari kapaistor meskipun mengilhami pengadaan simpanan biaya. Sedangkan generator sinkron mempunyai exiter independent dari rotor untuk setiap unit sehingga dapat digunakan untuk independen dan jaringan listrik yang ada. Dengan pertimbangan tersebut maka generator yang cocok untuk PLTMH Nenan adalah generator sinkron.
3.1.5 Sistem Kontrol Dan Proteksi
Sistem kontrol bertugas mengatur kompensasi beban untuk menyeimbangkan beban dengan daya output generator. Sistem ini melindungi generator dan turbin dari run away speed apabila terjadi beban putus atau drop. Sistem kontrol yang digunakan adalah Electronic Load Control (ELC) dengan rating 72 kW. Sistem kontrol ini menyatu dengan panel kontrol listrik dan bekerja secara otomatis.
Sebagai penyeimbang beban digunakan ballast load air heater. Kapasitas ballast load didesain berlebih (over) sebesar minimum 25% sehingga ditetapkan sebesar 83 kW, sehingga selalu bekerja pada kondisi yang aman dibawah rating kapasitas ballast load. Hal ini mempengaruhi umur penggunaan ballast load. Sebagai pelengkap, sistim ketenaga listrikan PLTMH diproteksi dengan penggunaan Arrester dan sistem pentanahan.
3.2 HASIL SURVEY PERLENGKAPAN MEKANIKAL ELEKTRIKAL PLTMH DI KENAGARIAN RANGKIANG LULUIH KECAMATANTIGO LURAH KABUPATEN SOLOK
3.2.1 Pipa Pesat
Pipa pesat (penstock) berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang menuju turbin, sehingga terjadi proses konversi energi dari energi potensial hidrolik menjadi energi kinetik yang akan diubah menjadi energi mekanik oleh turbin. Tinggi Head yang tersedia adalah 61 m, namun head yang digunakan adalah 60 m. Sudut kemiringan rata-rata tanah dasar dilokasi penstock sebesar 20 derajat dari bidang horizontal, sehingga diperoleh panjang penstock sebesar 191 m. Pipa pesat terbuat dari pipa baja dengan diameter 0.38 mdan tebal 4 mm. Kemiringan pipa terbagi atas 3 segmen, yaitu kemiringan ½,2 sepanjang 123,3 m dari bak penenang, kemiringan 1/6,6 sepanjang 60,7 m dan kemiringan 1/14 sepanjang 7 m. Pipa dicat pada bagian luarnya untuk antisipasi terhadap karat, struktur pondasi berupa coran beton tumbuk.
Ada beberapa pertimbangan dalam pemilihan pipa pesat; material, diameter, tebal dinding dan jenis sambungan. Material dipilih berdasarkan kondisi tanah, kemudian mencapai lokasi dan jenis sambungan yang akan digunakan.
Selama pengaliran dari bak penenang ke turbin terjadi kerugian head yang disebabkan oleh rugi gesekan, belokan, fitting dan rugi turbulensi. Jika diameter pipa pesat dipilih kecil, maka biaya akan lebih murah tapi rugi head bertambah besar, sehingga perlu optimalisasi. Nilai optimal diameter dalam kegiatan ini diadapat dengan membandingkan harga efektif penstock pada diameter-diameter disekitar diameter yang didapat dari persamaan Fahlbusch.
Nilai rugi head karena rugi gesekan dan rugi-rugi minor pada penstock juga dibatasi masksimal sebesar 4% dari head yang tersedia, karena dari pengalaman, ukuran penstock yang ekonomis selalu berada pada rugi maksimal sebesar 4%. Ukuran penstock yang digunakan pada kegiatan ini adalah 0.375 m yaitu pada rugi gesekan 2,5 %. Dengan menggunakan penstock berdiameter 0,0375 dan rugi head sekitar 2,5 %, head bersih yang tersedia 57,3 m.
Ketebalan dinding dipilih agar saluran dapat menahan tekanan fluida dalam saluran termasuki tekanan surging transien (transient surge pressure) yang mengakibatkan terjadinya water hammer, pertimbangan pengurangan ketebalan karena pengaruh korosi dan pipa harus cukup kaku untuk mencegah deformasi selama pemakain. Efek dari tekanan surging transient hanya akan penting jika nilai LV/H > 3 m, efek tersebut diperlukan dalam perancangan ini.
Penstock dibuat dari material baja yang mudah dipasaran yaitu St 37. ketebalan penstock yang didapat dari hitungan dibandingkan dengan standar ASME untuk ketebakan minimum pipa, jika ketebalan yang didapat rendah dari standar ASME, ketebalan berdasarkan ASME digunakan.
3.2.1.1 Pertimbangan Ekonomis Dalam Pemilihan Dimensi Penstok Rugi gesekan pada penstock dihitung dengan persamaan Darcy-Weisbach:
Dg LV f hl 2 2 = ... (3.1)
L adalah panjang penstock dan D adalah diameter dalam penstock. Koefisien gesekan Darcy-Weisbach f dihitung dari persamaan Celebrook :
+ − = f R D f 523 . 2 7 . 3 / ln 869 . 0 1 ε ... (3.2) dimana R adalah bilangan Reynolds.
Untuk mendapatkan penstock yang ekonomis perlu pertimbangan biaya konstruksi, biaya perawatan, dan biaya yang berhubungan dengan rugi gesekan. Semua biaya tersebut bervariasi dengan waktu dan tempat. Pertimbangan-pertimbangan tersebut digunakan Fulbusch untuk menurunkan persamaan untuk mendapatkan diameter ekonomis penstock adalah :
12 . 0 45 . 0 / 12 . 1 Q H
D = (untuk pipa baja) ... (3.3)
Karena perbedaan tempat dan waktu yang digunakan Fulbusch dalam penurunan rumus, maka nilai diameter yang didapat tidak dapat langsung digunakan.
Diameter tersebut sebaiknnya hanya dijadikan acuan untuk mendapatkan diameter ekonomis. Dari pengalaman diketahui bahwa diameter ekonomis yang digunakan di Indonesia berada sekitar diameter Fulbusch. Syarat lain yang dipertimbangkan dalam pemilihan diameter adalah rugi head pada penstok dibatasi sekitar 5 % dari head yang tersedia.
Tebal pipa terutama ditentukan oleh tekanan yang dialami pipa dan material pipa : k e k PD e= + σ 2 ... (3.4)
P adalah tekanan yang dialami pipa yang berasal dari tekanan hidrostatik dan tekanan
surging sebagai akibat dari water hammer, σ adalah tegangan maksimum yang
dibolehkan pada pipa k adalah efisiensi las, e1adalah penambahan ketebalan karena korosi.
Efek water hummer dapat diabaikan jika : LV / D < 3.3 m
Pipa juga cukup kaku untuk mencegah deformasi, untuk itu tebal pipa dijaga sesuai standar ASME untuk ketebalan minimum pipa.
3.2.2 Turbin Air
Dari data dan rancangan penstock diketahui debit aliran 0.25 m, head adalah 57.3 m. berdasarkan data tersebut ada tiga pilihan turbin yang mungkin yaitu turbin pelton, turgo atau banki. Turbin banki (crossflow) mempunyai kekurangan dibandingkan dengan roda pelton atau turgo terutama menyangkur efisiensi yang relative lebih rendah dan efisiensi tersebut sangat sensitive terhadap perubahan debit Namun turbin banki mempunyai harga lebih murah, mudah dalam perawatan, pengoperasian dan sudah diproduksi dalam negeri.
Putaran adalah variabel yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan turbin. Putaran turbin harus disesuaikan dengan putaran generator. Jika butuh dikopel langsung dengan generator putaran turbin harus dibuat sama dengan putaran generator, namun hal ini seringkali tidak dapat dilakukan karena memaksa turbin
turbin bekerja tidak pada putaran seperti pada sabuk atau roda gigi diperlukan untuk menghasilkan putaran yang dibutuhkan generator. Turbin banki dalam hal ini lebih menguntungkan dibanding pelton karena turbin tersebut beroperasi pada putaran yang relative lebih tinggi sehingga lebih dekat dengan putaran generator, dengan demikian rugi transmisi pada perubah putaran lebih rendah.
Pertimbangan efek kavitasi dalam rancanngan berpengaruh pada pemilihan ketinggian turbin dari permukaan air pada kolam buangan, sudut serang sudu pada turbin reaksi dan bahan yang digunakan untuk membuat turbin.
Biaya adalah faktor lain yang harus dipertimbangkan selain dari aspek teknik. Turbin yang dimaksud untuk memberdayakan kehidupan dan kesejahteraan masyarakat, dan turbin juga dioperasikan dan dirawat oleh masyarakat, agar hal ini dapat mencapai sasaran biaya tidak dapat dijadikan satu satunya dasar pengambilan keputusan. Perlu ada pertimbangan kemudahan pengoperasian dan perawatan, pertimbangan manfaat dan usaha pemanfaatan sumber daya yang ada semaksimal mungkin.
Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan diatas diusulkan untuk menggunakan tubin banki yang sudah dibuat didalam negeri adalah tipe T15. berdasarkan informasi pabrik pembuatnya turbin tersebut dapat beroperasi dengan efisiensi 76% dan ukuran raner relative kecil yaitu 0.3 m.
3.2.2.1 Faktor efisiensi dalam pemilihan turbin
Pada saat ini telah banyak dikembangkan jenis-jenis turbin. Karena perbedaan dalam tujuan dan pertimbangan-pertimbangan rancangannya, efisiensi maksimum masing-masing turbin terjadi pada daerah putaran spesifik yang berbeda. Turbin Impuls seperti pelton dan banki mempunyai efisiensi maksimum pada kecepatan spesifik yang relative rendah dibandingkan turbin Francis atau Axial. Nilai efisiensi ini sering kali jadi pertimbangan utama dalam pemilihan turbin, karena menjaga efisiensi ini pada nilai tinggi berarti menghemat jumlah rupiah yang besar selama operasinya.
Variabel kecepatan spesifik dalam kriteria pemilihan turbin seringkali diganti dengan variabel head dan debit dengan mensubsitusikan putaran dalam persamaan
kecepatan spesifik dengan persamaan untuk putaran optimum turbin, dihasilkan kurva jenis pada berbagai head dan debit. Kecepatan spesifik turbin dihitung dengan persamaan berikut : 4 / 5 H P n ns= ... (3.5)
dimana n adalah putaran turbin, P adalah daya keluaran turbin dan H adalah head turbin.
Diameter turbin dihitung dari persamaan : gH
D 2
2φ
=
Ω ... (3.6)
dimana φ adalah koefisien kecepatan, φ=u1 / 2gH dengan u1 adalah kecepatan runner. Nilai optimum φ pada kegiatan ini dipilih 0.5 yaitu nilai optimum pada kebanyakan turbin Impuls.
3.2.3 Komponen Peubah Kecepatan
Beberapa komponen peubah kecepatan seperti roda gigi, flat belt atau V belt dipertimbangkan untuk digunakan. Peubah kecepatan jenis belt dipilih dibanding roda gigi karena butuh biaya lebih murah dan mudah dalam hal perawatan. Flat belt dipilih dibandingkan V belt karena pada V belt perlu membatasi range putaran pada kisaran 1000 ft/min dan 5000 ft/min untuk mencegah getaran. Disamping itu V belt hanya dapat digunakan pada daerah poros yang terbatas.
Flat belt dengan material polymide dengan lebar 18 inci di usulkan untuk digunakan sebagai peubah kecepatan dalam pembangkit yang direncanakan di Kenagarian rangkiang Luluih.
Tabel 3.1 Spesifikasi teknis peralatan elekto mekanikal DATA TEKNIK HEAD Head Bersih m 60 TURBIN Pendekatan Aliran rancangan m3/s 0,25 Daya output kW 57,3
Jenis turbin Banki T15
Effisiensi % 76 Kecepatan turbin rpm 917 Kecepatan spesifik rpm 56,6 Diameter runner m 0,3 PESTOCK Material St 37 σ material N/m2 370.106 Diameter m 0,375 Tebal dinding mm 4 Panjang m 191 BELT Jenis Flat
Diameter puli inci 10 dan 16
Putaran puli rpm 917:1500
jarak poros inci 60
Daya HP 151
efisiensi transmisi % 95
Bahan polymiade
Spesifiksi A4
lebar belt inci 18
berdasarkan Integrated Microhydro Development and Application Program,”Pedoman Study Kelayakan PLTMH”,Direktorat Jendal listrik dan Pemamfaatan Energi dan Sumber Daya Mineral,2008.
3.2.4 Generator dan Sistem Kontrolnya
Generator berfungsi mengkonversikan energi mekanik, yang ditransfer oleh turbin air melalui transmisi mekanik menjadi energi listrik. Ada dua jenis generator yang dapat digunakan untuk PLTMH, yaitu generator sinkron dan generator induksi. Generator sinkron penggunaannya sudah demikian luas pada PLTMH, sedangkan pada generator induksi teknologinya masih baru berkembang sehingga belum begitu luas diketahui trik-trik pengoperasiannya oleh masyarakat. Didasarkan itu maka dalam perencanaan ini digunakan generator sinkron.
Hasil perhitungan daya output turbin pada table 3.2 adalah 106,7 kW, maka besarnya daya output generator dapat diselasaikan sebagai berikut :
generator transmisi
generator
output x x
P ( )=106,7 η η ... (3.7)
Dari table 3.1 juga diketahui efiesiensi transmisi mekanik generator masing-masing 95% dan 90%, sehingga besar daya (output) generator adalah :
kW x
x
Pm=106,7 0,95 0,92 =93,3
Asumsi factor daya = 0,8 maka kVA generator dapat ditentukan sebagai berikut : kVA kVAgenerator 116,6 8 , 0 3 , 93 ) ( = =
Tabel 3.2 Spesifikasi teknis generator dan sistem kontrolnya
DATA TEKNIK
GENERATOR satuan pendekatan
Daya kW 100
kVA generator kVA 120
Jenis Sinkron Efisiensi % 92 Kecepatan rpm 1500 Rated voltage V 400/230 Rated current A 174 Frekuensi Hz 50 Faktor daya 0.8 PERALATAN KONTROL
Jenis dummy load pendingin udara
Kapasitas kW 120
Untuk pengontrolan tegangan output generator mengunakan AVR, yang biasanya sudah sepaket dengan generator. Selain itu, pada paket generator yang juga dilengkapi dengan komponen proteksi standar untuk generator. Sedang pengontrolan perubahan frekuensi sebagai akibat perubahan beban atau fluktuasi debit digunakan dummy laod yang dikontrol dengan electronic load control (ELC). Sebagai Dummy Load digunakan tipe pendingin udara. Kapasitas dummy load yang didesain 120 kW. Generator menggunakan hubungan Y dengan netral ditanahkan.
Sistem elektrikal pembangkit juga dilengkapi dengan main panel pembangkit,. Panel dilengkapi dengan dengan CB, lampu indicator, NFB dan fuse untuk masing-masing cabang distribusi. Disamping itu panel juga dilengkapi alat-alat ukur seperti, 3 buah ampermeter yang dilengkapi CT, Voltmeter yang dilengkapi selector switch, frekuensimeter, KWh meter dan Hoursmeter. Panel dan dummy load dipasang pada lantai rumah pembangkit dengan diberi bantalan semen setebal 30 cm.
Pada rumah pembangkit terdapat sistem pentanahan, yaitu pentanahan sistem dan pentanahan penangkal petir. Tahanan pentanahan sistem tidak boleh lebih dari 3 ohm, sedangkan tahanan pentanahan untuk penangkal petir tidak boleh lebih dari 1 ohm.
