BAB II
LANDASAN TEORITIS
2.1. Proses Pembangkitan Energi Listrik
Pembangkitan tenaga listrik sebagaian besar dilakukan dengan cara memutar generator sinkron sehingga didapat tenaga listrik dengan tegangan bolak balik tiga fasa. Energi mekanik yang diperlukan untuk memutar generator sinkron didapat dari mesin penggerak generator atau penggerak mula (prime mover). Mesin penggerak generator dalam praktiknya banyak digunakan : mesin diesel, turbin uap, turbin air dan turbin gas. Energi yang didapat mesin-mesin penggerak generator ini didapat dari
1. Proses pembakaran bahan bakar ( untuk mesin-mesin termal ) 2. Air terjun ( untuk turbin air )
Dengan demikian mesin penggerak generator sesungguhnya melakukan konversi energi primer menjadi energi mekanik penggerak generator.
Gambar 2.1. Diagram alir proses pembangkitan energi listrik
2.2. Potensi Tenaga Air
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :
mgh
E ... (2.1) dengan
m adalah massa air h adalah head [m]
g adalah percepatan gravitasi [m/ s ] 2 Daya merupakan energi tiap satuan waktu
t E
, sehingga persamaan (2.1) dapat dinyatakan sebagai : gh t m t E
Dengan mensubsitusikan P terhadap
t E dan mensubsitusikan Q terhadap t m maka : h g Q P . . . ………..(2.2) dengan :
P adalah daya [watt]
Q adalah kapasitas aliran [m3/s]
adalah densitas air [kg/m3]Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik
2 2 1 mv E ... (2.3) dengan
v adalah kecepatan aliran air [m/s]
2 2 1 Qv P ... (2.4) atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas
Q
Av
maka3
2 1
Av
P ... (2.5)
dengan A adalah luas penampang aliran air [m2]
2.3. Pembangkit Listrik Tenaga Air
Dalam PLTA, potensi air dikonversikan menjadi tenaga listrik, mula-mula potensi air dikonversikan menjadi tenaga mekanik dalam turbin air, kemudian turbin air memutar generator yang membangkitkan energi listrik.
Gambar 2.2. menggambarkan secara skematis bagaimana potensi tenaga air, yaitu sejumlah air yang terletak pada ketinggian tertentu diubah menjadi tenaga mekanik dalam turbin air.
Gambar 2.2.. Proses konversi energi dalam PLTA / PLTMH Perhitungan daya yang dibangkitkan adalah :
Daya teoritis P = k . H. Q [kW]...(2.6) Daya turbin P = k . t . H . Q [kW]...(2.7)
H(m) Q(m3/det)
Daya generator P = k . tg . H .Q [ kW]...(2.8) dimana :
P = daya [kW]
H = tinggi jatuh efektif maksimum [meter] Q = debit maksimum turbin [m3/s]
t
= efisiensi turbin g
= efisisensi generator k = konstanta
Konstanta k dihitung berdasarkan pengertian bahwa 1 daya kuda = 75 kgm/detik dan 1 daya kuda = 0,736 kW sehingga apabila ingin dinyatakan dalam kW, sedangkan tinggi terjun H dinyatakan dalam meter dan debit air dinyatakan dalam m3/s, maka, konstanta k = det 3 m 3 1000 m kg m det 75 1 kgm dk 0.736 dk kW = 9,813 = 9,8
2.4. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro (PLTMH)
Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.
Biasanya Mikrohidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang memadai. Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flow capacity) sedangan beda ketingglan daerah aliran sampai ke instalasi dikenal dengan istilah head. Mikrohidro juga dikenal sebagai white resources dengan terjemahan bebas bisa dikatakan "energi putih". Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini mengunakan sumber daya yang telah disediakan oleh alam dan ramah lingkungan. Suatu kenyataan bahwa alam
memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan teknologi sekarang maka energi aliran air beserta energi perbedaan ketinggiannya dengan daerah tertentu (tempat instalasi akan dibangun) dapat diubah menjadi energi listrik,
Seperti dikatakan di atas, Mikrohidro hanyalah sebuah istilah. Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam, prakteknya istilah ini tidak merupakan sesuatu yang baku namun bisa dibayangkan bahwa Mikrohidro, pasti mengunakan air sebagai sumber energinya. Yang membedakan antara istilah Mikrohidro dengan Minihidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikrohidro menghasilkan daya lebih rendah dari 1 MW, sedangkan untuk minihidro daya keluarannya berkisar antara 1 sampai 5 MW. Secara teknis, Mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dari ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin / power house ). Di rumah instalasi air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri, dipastikan akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban).
Gambar 2.3. Skema PLTMH
Kebanyakan PLTMH dibangun dengan sistim run off river, tidak dengan kolam tando ( reservoir ) dimana air sungai dialihkan dengan menggunakan dam yang dibangun memotong aliran sungai, sehingga daya yang dibangkitkan tergantung dari debit air sungai. Akan tetapi biaya pembangunan run off river lebih ekonomis dibandingkan dengan sistim reservoir yang memerlukan bedungan yang besar dan area genangan yang luas.
2.5. Komponen-komponen PLTMH
Kompoen-komponen besar dari Skema PLTMH terdiri dari : 1. Intake ( Bendungan Pengalih )
Bendung didefinisikan sebagai bangunan yang berada melintang sungai yang berfungsi untuk membelokkan arah aliran air. Konstruksi bendung bertujuan untuk menaikkan dan mengontrol tinggi air dalam sungai secara signifikan sehingga elevasi muka air cukup untuk dialihkan ke dalam pembangkit mikrohidro. Bendungan pengalih berfungsi untuk mengalihkan air melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungai (‘Intake’ pembuka) ke dalam sebuah bak pengendap (Settling Basin).
Konstruksi bendung dilengkapi dengan bangunan pengambilan yang berfungsi mengarahkan air dari sungai masuk ke dalam saluran pembawa .
Konstruksi intake bertujuan mengambil air dari sungai atau kolam untuk dialirkan ke saluran, bak penampungan dan pipa pesat. Masalah utama dari bangunan intake adalah ketersediaan debit air, baik dari kondisi debit rendah maupun banjir dan seringkali adanya lumpur, pasir dan kerikil atau dahan/cabang pohon tumbang dari sekitar sungai yang terbawa aliran. Beberapa hal yang menjadi pertimbangan dalam memilih lokasi bendung dan bangunan intake, antara lain :
a. Aliran Sungai
lokasi bendung intake dipilih pada sungai yang terjamin ketersediaan airnya, alirannya stabil, terhindar banjir dan pengikisan akibat aliran sungai. b. Stabilitas Lereng
Pemilihan lokasi PLTMH sangat mempertimbangkan perbedaan ketinggian air jatuh (head) untuk mendapatkan potensi daya, maka umumnya lokasi berada di lereng atau bukit yang curam. Pertimbangan pemilihan lokasi bendung dan intake hendaknya mempertimbangkan stabilitas atau struktur tanahnya.
c. Pemanfaatan Infrastruktur Saluran Irigasi
Pemanfaatan saluran irigasi dapat dipertimbangkan efisiensi biaya konstruksi, karena banyak sungai di pedesaan telah ada bangunan sipil untuk saluran irigasi.
d. Pemanfaatan topografi alami seperti kolam dan lain-lain
Pemanfaatan kondisi alami kolam untuk lokasi intake dapat memberikan keefektifan yang cukup tinggi untuk mengurangi biaya. Selain itu juga membantu menjaga kelestarian alam tata ruang sungai dan ekosistem sungai. Hal yang perlu diperhatikan adalah keberlanjutan kolam dan pergerakan sedimen.
e. Level/Tinggi Bendung dan Muka Air Banjir
Pembangunan bendung umumnya di bagian sempit dari alur sungai, maka elevasi muka air banjir pada daerah itu lebih tinggi sehingga diperlukan daerah bagian melintang bendung yang diperbesar dimensinya untuk kestabilan.
f. Penentuan Lokasi Bangunan Pengambilan
Pertimbangan lokasi bangunan pengambilan selalu pada sisi
luar dari lengkungan sungai sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 6. Hal ini dilakukan untuk memperkecil pengendapan sedimen di dalam saluran pembawa. Konstruksi umumnya dibuat pintu air untuk melakukan pembilasan sedimen.
intake
(Intake) (intake)
intake
2. Feeder Canal ( Saluran pembawa )
Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan.
3. Forebay ( Bak Penenang )
Fungsi dari bak penenang adalah untuk mengatur perbedaan keluaran air antara sebuah penstock dan headrace, dan untuk pemisahan akhir kotoran dalam air seperti pasir, kayu-kayuan.
4. Penstock ( Pipa Pesat )
Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang (forebay tank).
5. Power House ( Rumah Pembangkit ).
Gambar 2.4. Komponen-komponen utama PLTMH
2.6. Pipa pesat ( penstock )
Perencanaan pipa pesat mencakup pemilihan material, diameter, tebal dan jenis sambungan (coordination point). Pemilihan material berdasarkan pertimbangan kondisi operasi, aksesibility, berat, sistem penyambungan dan biaya. Diameter pipa pesat dipilih dengan pertimbangan keamanan, kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material dan tingkat rugi-rugi (friction losses) seminimal mungkin. Ketebalan penstock dipilih untuk menahan tekanan hidrolik dan surge pressure yang dapat terjadi.
Gambar 2.5. Pemasangan penstock 2.6.1. Rugi-rugi (losses) dan ketebalan Steel Penstock1
Untuk mengetahui Tinggi jatuh efektif ( Head net ) dan efisiensi penstock maka maka dapat dipergunakan persamaan-persamaan empiris berikut :
Velocity in penstock : V = 1273 2 d Qt [m/s ]………...……..(2.9) Friction head loss in penstock :
1 Sumber : http://hydro spec/ibex/version:pen.2feb98 PENSTOCK STEEL LOSSES & THICKNESS CALCULATION
L (panjang penstock) H (Head )
2 9 . 0 2 . 8 . 93 1 37 1 log 1 . 8 , 12 d V d d L V Hf [m]...(2.10)Net Head at end of pensctock :
f t
g n H H H H [m]……….…..(2.11) t H adalah turbulence losses, dimana rugi ini tergantung pada material dan konstruksi pemasangan penstock.
Penstock efficiency : 100 g n pen H H [%]………..……….(2.12) dimana : t Q = Discharge / Flow g H = Gross Head L = Penstock length
d = Penstock internal diameter Wave velocity in penstock :
) 100 ( . 10 1 , 2 8 d t t Vwave [m/s]…..…..…… (2.13)
Penstock critical time :
wave crit
V L
T 2 [s]…………....….(2.14)
Surge head for Tclose Tcrit :
980 . . Vz V H wave surge [m]…………..…..(2.15) atau
2 . 980 . . close g c T H V z L K
Surge head for Tclose Tcrit :
4 2 . 2 c c c g surge K K K H H [m]…………..…(2.16)
Total head at surge : g surge
tot H H
H [m]………..……(2.17)
Required penstock thickness : cor tot tot req t SF d H t 83700 . . [mm]……..…….(2.18) dimana : t = Penstock thickness z = % o flow stopped close
T = Valve closure time cor
t = Corrosion allowance tot
SF = Overall safety factor
Persamaan tersebut diatas megacu pada nilai konstanta sebagai berikut :
Grafity [g] 9.8 m/s
Bulk modulus of water [Kw] 2.1 KN/
2
mm Density of water [ro] 1000 Kg/m 3 Kinematic viscosity of water (5 C) [nu] 0 1.53 cSt
Penstock roughness coefficient [k] 0.1 mm Penstock Young’s Modulus [Ep] 210
2
/ mm KN Penstock UTS [ult] 410 N/
2
mm
Diameter minimum pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan
1875 . 0 2 . 2 . . 3 . 10 H L Q n D [mm] ………..(2.19) dimana:
n = koefisien kekasaran (roughness) Q = debit desain sebesar [m /3 s] L = panjang penstock [m ]
H = tinggi jatuhan air (gross head) [m]
Tabel 2.1. Material Pipa Pesat
Material Young's modulus of elasticity E (N/m 2 )E9 linear expansion a (n/m QC)E6 Ultimate tensile strength (N/m 2 )E6 n Welded steel 206 12 400 0.012 Polyethylene 0.55 140 5 0.009 Polyvinyl chloride (PVC) 2.75 54 13 3,009
Asbestos cenent n.a 8.1 na 0.011
Cast iron 78.5 10 140 0.014
Dutiie iron 16,7 11 340 0.015
2.7. Turbin Air
Turbin air adalah turbin dengan air sebagai fluida kerja. Air mengalir dari tempat yang lebih tinggi menuju tempat yang lebih rendah. Dalam hal tersebut air memiliki energi potensial. Dalam proses aliran di dalam pipa, energi potensial berangsur-angsur berubah menjadi energi kinetik. Di dalam turbin energi kinetik air diubah menjadi energi mekanis, dimana air memutar roda turbin.
2.7.1. Jenis turbin
Turbin air dibedakan dalam dua golongan utama, yaitu dipandang dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya,
1. Turbin impuls 2. Turbin reaksi
Gambar 2.6. Cara kerja turbin Impuls
Gambar2.7. Cara kerja turbin Reaksi
2.7.1.1.Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air ( yang terdiri dari energi potensial + tekanan + kecepatan ) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir. Contoh turbin jenis impuls adalah turbin Pelton dan turbin Turgo.
NRAES- Small Hydoelectric plant NRAES- Small Hydoelectric plant
Gambar 2.8. Turbin Pelton
Sumber : http://rise.org.au/info/tech/hydro/large.html
Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.
Gambar 2.8a. Nozle
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
Gambar 2.8b. Nozle
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.
Gambar 2.9. Sudu turbin Turgo dan nozle
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
2.7.1.2. Turbin Reaksi
turbin reaksi adalah turbin air dengan cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu :
1. Jenis Francis, contoh : Turbin Francis 2. Jenis Propeller
a. Sudu tetap ( fixed blade ), turbin jenis ini merupakan turbin generasi pertama dari jenis ini. Karena sudu tidak dapat diatur, maka efisiensinya berkurang jika digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu dikembangkan jenis dengan sudu yang dapat diatur agar efisiensi tetap tinggi walaupun kisaran debitnya lebar.
b. Sudu dapat diatur ( adjustable blade ), contoh turbin ini : Turbin Kaplan, Nagler, Bulb, Moody.
Gambar 2.10. Turbin Francis
Sumber : http://rise.org.au/info/tech/hydro/large.html
Gambar 2.11. Turbin Kaplan
Sumber : http://rise.org.au/info/tech/hydro/large.html
2.7.1.3. Turbin Crossflow
Turbin crossflow adalah turbin jenis impuls, 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 liter/detik hingga 10 m3/detik dan head antara 1 s/d 200 m.
Gambar 2.12. Turbin Crossflow
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
Turbin crossflow 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.
Gambar 2.13. Sudu Turbin Crossflow
Tabel 2.2. Pengelompokan Turbin
High head Medium head Low head
Impulse turbines Pelton
Turgo
Cross-flow
Multi-jet Pelton
Turgo
Cross-flow
Reaction turbines Francis Propeller
Kaplan
2.7.2. Karakteristik turbin
Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam buah konstanta yaitu : 1. Rasio Kecepatan ()
2. Kecepatan Satuan (Nu ) 3. Debit satuan (Qu) 4. Daya satuan (Pu) 5. Kecepatan spesifik(Ns) 6. Diameter spesifik (Ds)
2.7.2.1 Rasio Kecepatan ()
Rasio Kecepatan ()adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier turbin pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air melalui curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun ( Hnetto) yang bekerja pada turbin.
gH Vlinier 2 60 D N Vlinier maka : H ND 6 . 84 ...(2.20) dimana :
D adalah diameter karakteristik turbin [m], umumnya diameter nominal H adalah tinggi terjun netto/sffektif [m]
2.7.2.2. Kecepatan satuan (Nu )
Kecepatan satuan (Nu) adalah kecepatan putar turbin yang mempunyai putar turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
Dari persamaan rasio kecepatan diperoleh korelasi :
D H N 84.6
Dengan memasukan nilai D = 1 m dan H = 1 m, maka : 6 . 84 Nu
dan didapat persamaan :
H ND
Nu ...(2.21)
2.7.2.3 Debit satuan (Qu)
Debit yang masuk turbin secara teoritis dapat diandaikan sebagai debit yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun (Hnetto) yang bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang melalui turbin dapat dinyatakan sebagai :
gH D
C
Q d 41 2 2
= CdD2 H Cd= koefisien debit
Debit satuan (Qu) adalah debit turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
g C Qu d 14 2 maka : H D Q Qu 2 ...(2.22)
Daya (P) yang dihasilkan turbin dapat dinyatakan sebagai
QH P . .
QuD2 H.H dimana : QuD2 H adalah Q
maka : 2 3 2 H QuD P dimana : Qu adalah Pu
Dengan adalah efisiensi turbin, adalah berat jenis air [ lb/ft3] 62,5 lb/ft3
Daya satuan (Pu) adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
maka : 2 3 2 H D P Pu ...(2.23) 2.7.2.5 Kecepatan spesifik (Ns)
Elimiasi diameter (D) dari Nu dan Pu menghasilkan korelasi :
P H PuNU
N 4
5
dimana PuNu adalah Ns
maka : 4 5 H P N Ns ...(2.24)
Kecepatan spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang menghasilkan daya sebesar satuan daya pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
Kecepatan spesifik (Ns) dapat dinyatakan dalam sistim metrik maupun sistim Inggris, korelasi dari kedua sistem tersebut dinyatakan dalam
Ns (metrik) = Ns (Inggris) x 4.42
Catatan : Satuan daya yang digunakan dalam persamaan di atas adalah daya kuda (DK) atau horse power (HP).
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head.
Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.
2.7.2.6. Diameter spesifik (Ds)
Dari persamaan Pu diperoleh korelasi :
4 3 1 H P Pu D dimana Pu 1 adalah Ds
Diameter spesifik (Ds) adalah diameter turbin yang menghasilkan daya sebesar satuan daya pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
maka : P DH Ds 4 3 ...(2.25)
Rumus empiris2 untuk menghitung diameter spesifik dari diameter debit (discharge diameter, D3) untuk turbin reaksi adalah sebagai berikut :
Turbin Francis 3 0.37 85 . 567 s s N D [cm] Turbin propeller 3 0.34 72 . 475 s s N D [cm]
Untuk turbin reaksi, jika diameter spesifiknya telah dihitung dengan persamaan-persamaan di atas, maka diameter debit dapat dihitung dari persamaan
4 3 1 H P Pu D ...(2.26)
Diameter debit sangat berguna untuk penentuan dimensi pipa spiral dan pipa isap. 2.7.3. Seleksi awal jenis turbin
2 Dikutip dari buku Hydro Power Engineering, A Textbook for Civil Engineers, James J. Donald, D.Sc., The Ronald Press company, New York, 1984, hal.77.
Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu kecepatan paling tepat dilakukan degan menggunakan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.3. disajikan nilai kecepatan spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.3. dapat digunakan sebagai panduan awal pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai NS tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam tabel bukan nilai eksak.
Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan kecepatan spesifik yang sesuai. Menurut Moody3 korelasi empiris antara tinggi terjun (H) dan kecepatan spesifik (NS) sebagaimana disajikan di bawah ini :
Turbin Francis, 84 75 . 9 6803 H Ns ...(2.27) Turbin Propeller, 155 75 . 9 9431 H Ns ...(2.28)
Untuk turbin Francis dapat juga mempergunakan korelasi empiris sebagai mana disarankan White4 :
H
Ns1542 ...(2.29)
Dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik metrik.
3
Dikutip dari buku Hydroelectric Handbook, William P. Creager and Joel D. Justin, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1959, hal.826.
4 Dikutip dari buku Water Power Enginnering, H.K. Barrows, S.B., Third Edition, Fourth Impression, McGraw-Hill Bokk Company, Inc., New York and London, 1943, hal.244.
Tabel 2.3. Jenis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifiknya (Ns)
Jenis Turbin Ns (metrik)
1. Turbin Impuls a. Satu jet (turbin Pelton) b. Banyak jet (turbin Doble)
4-30 30-70 2. Turbin Reaksi a. Francis
Ns rendah Ns normal Ns tinggi Ns Express b. Propeller
Sudu tetap (turbin Nagler)
Sudu dapat diatur (turbin Kaplan)
50-125 125-200 200-350 350-500 400-800 500-1000
Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan dengan spesifik sebagaimana persamaan 2.24 di atas, atau menurut referensi yang lain :
4 5 2 1 . H P n ns [rpm]...(2.30) dimana : ns = putaran spesifik [rpm] n = putaran turbin [rpm] P = daya turbin [Bhp] H = tinggi terjun efektif [m]
Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang dapat dijelaskan sebagai berikut :
ns = 4 7 jenis turbin Pelton ns = 80 430 jenis turbin Perancis
ns = 300 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler
Pemilihan putaran spesifik ini sangat berhubungan dengan dimensi peralatannya, yang berarti juga mempengaruhi konstruksi dan harga.
Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan juga pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran.
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.
2.7.4. Dimensi dasar Turbin Cross Flow5
Dimensi dasar dari turbin cross flow selain batasan Hnett dan Q seperti pada gambar garfik 2.14, juga tergantung pada runner inlet width (Bt) dan runner diameter (Dt).
Persamaan untuk mencari runner inlet width :
nett t H Q D q B 1 . . max 11 ………..(2.31) dimana : t
B = runner inlet width [m]
m ax 11
q = unit discharge (flow)
Sedangkan untuk kecepatan putar dapat mempergunakan persamaan : nett H D n n 11. ……….(2.32) dimana :
n = Kecepatan putar ( rotational speed ) [rpm]
11
n = Unit speed [rpm]
2.7.5. Efisiensi Turbin
Eisiensi turbin tidak tetap nilainya, tergantung dari keadaan beban dan jenis turbinnya. Kinerja dari suatu turbin dapat dinyatakan dalam beberapa keadaan, yaitu : tinggi terjun maksimum, tinggi terjun minimum, tinggi terjun normal, tinggi terjun rancangan. Pada tinggi terjun rancangan turbin akan memberikan kecepatan terbaiknya sehingga efisiesinya mencapai maksimum. Dalam tabel 2.2 disajikan efisiensi turbin untuk berbagai kondisi sebagai gambaran mengenai kisaran nilai efisiensi terhadap beban dan jenis turbin.
5 Study on Rural Energy Supply with Utilization of Renewable Energy in Rural Areas in the republic of Indonesia. Manual for Micro-hydro power Development, chapter 6 ANNEX 1.
Tabel 2.4. Efisiensi turbin untuk berbagi kondisi beban6
Jenis Turbin Ns % efisiensi pada
% beban pada
beberapa kondisi beban efisiensi
0.25 0.50 0.75 1.00 max maximum Impuls (Pelton) 22 81 86 87 85 87.1 70 Francis 75 62 83 88 83 88 75 Francis 110 60 85 90 84 90.2 80 Francis 220 59 83 90 85 91.5 85 Francis 335 54 82 91 86 91.0 87.5 Francis 410 47 71.5 85 87 91.5 92.5 Francis 460 55 74.5 86.5 86 92.5 92
Propeller (sudu tetap) 690 45 70 84.5 82 91.5 92
Propeller (sudu tetap) 800 32 59 78 84 88 96
Propeller (sudu dapat di atur) 750 83.5 91 91.5 87 91.6 70
Gambar2.15.. Grafik efisiensi beberapa jenis turbin terhadap debit air 2.8. Generator Sinkron
Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk
6 Dikutip dari buku Hydroelectric Handbook, William P. Creager and Joel D.Justin, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1950, hal.832.
mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung dari kebutuhan.
2.8.1. Konstruksi Generator Sinkron
Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk mengahasilkan medan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator.
Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor silinder). Pada kutub salient kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada kutub non salient konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub, sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub.
Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor 130 silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu.
Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:
1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana slip ring dan sikat. 2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada batang rotor
Gambar 2.16. (a) rotor Non-salient (rotor silinder), (b) penampang rotor
2.8.2. Prinsip Kerja Generator Sinkron
Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnet homogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada tipe mesin ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator). Pada generator tipe ini, energi listrik dibangkitkan pada rotor kumparan rotor. Hal ini menyebabkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi.
Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator). Pada tipe ini, medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor. Kemudian tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan
konstan. Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi sinusoidal ini.
Suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan.
Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal dengan tiga kumparan stator yang diset pada sudut 120°.
Gambar 2.17.Pembangkitan tegangan 3 fasa
2.8.3. Kecepatan Putar Generator Sinkron
Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah :
120 .P n fe m ………(2.33) dimana : e f = frekuensi elektrik [Hz] m
n = kecepatan medan magnet = kecepatan putar rotor [rpm] P = jumlah kutub
Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi elektrik yang dihasilkan. Daya listrik dibangkitkan pada 50 atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetap tergantung pada jumlah kutub mesin. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub rotor harus berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub rotor harus berputar pada 1500 rpm.
2.8.4. Alternator tanpa beban
Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), tegangan (Ea) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator.
cn Ea ………..…… (2.34) dimana : c = konstanta mesin n = putaran sinkron
= fluks yang dihasilkan oleh If
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If). Apabila arus medan (If) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Easeperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut.
2.8.5. Alternator Berbeban
Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs) Persamaan tegangan pada generator adalah:
jIXs Ra I V Ea . ...(2.35) Xs = Xm + Xa ...(2.36) yang mana:
Ea = tegangan induksi pada jangkar V = tegangan terminal output Ra = resistansi jangkar
Xs = reaktansi sinkron
Karakteristik eksitasi alternator tanpa beban dan beban penuh pada faktor kerja 0,8 terbelakang dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.19. Karakteristik eksitasi alternator
2.8.6. Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron
Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada fasa generator sinkron. Tegangan ini biasanya tidak sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator. Tegangan induksi sama dengan tegangan output terminal hanya ketika tidak ada arus jangkar yang mengalir pada mesin. Beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara tegangan induksi dengan tegangan terminal adalah:
1. Distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada stator, disebut reaksi jangkar.
2. Induktansi sendiri kumparan jangkar. 3. Resistansi kumparan jangkar.
4. Efek permukaan rotor kutub sepatu.
Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.20. Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa
2.8.7. Daya Elektromagnetik dan Torsi
Jika mesin sinkron dioperasikan sebagai generator dengan diputar oleh prime mover, dalam keadaan steady state torsi mekanik pada prime mover seimbang dengan torsi elektromagnetik yang dihasilkan generator ditambah rugi-rugi torsi mekanik ( rugi gesek dan rugi angin ) :
loss pm T T
T ...(2.37) Dengan persamaan torsi di atas, maka diperoleh persamaan daya :
los em pm P P P ...(2.38) dimana : syn pm pm T
syn
em T
P ( daya elektromagnetik generator ) syn
loss loss T
P ( rugi-rugi daya dalam sistem )
Sedangkan untuk konversi daya elektromagnetik menjadi daya listrik dalam lilitan stator tiga fasa adalah : a aI E a a syn em T E I P 3 cos ...(2.39) dimana : a aI E
adalah sudut phasor Ea dan Ia
Gambar2.21. Mesin sinkron yang beroprasi sebagai generator
Pada generator sinkron, jika Ra diabaikan karena sangat kecil, maka berlaku hubungan : a
s a
a E jX I
V ...(2.40) Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada diagram phasor di bawah ini :
Dari diagram di atas diperoleh persamaan :
cos
sin s a
a X I
E ...(2.41)
Jika resistansi lilitan fhasa di abaikan, daya output sama dengan daya elektomagnetik, atau :
cos 3 a a out em P V I P ...(2.42) Sehingga, sin 3 s a a em X V E P dan sin 3 s syn a a syn em X V E P T ...(2.43) dimana adalah sudut antara tegangan Va dan emf (Ea).
2.8.8. Menentukan Parameter Generator Sinkron
Harga Xs diperoleh dari dua macam percobaan yaitu percobaan tanpa beban dan percobaan hubungan singkat. Pada pengujian tanpa beban, generator diputar pada kecepatan ratingnya dan terminal generator tidak dihubungkan ke beban. Arus eksitasi medan mula adalah nol. Kemudian arus eksitasi medan dinaikan bertahap dan tegangan terminal generator diukur pada tiap tahapan. Dari percobaan tanpa beban arus jangkar adalah nol (Ia = 0) sehingga V sama dengan Ea. Sehingga dari pengujian ini diperoleh kurva Ea sebagai fungsi arus medan ( If ). Dari kurva ini harga yang akan dipakai adalah harga liniernya (unsaturated). Pemakaian harga linier yang merupakan garis lurus cukup beralasan mengingat kelebihan arus medan pada keadaan jenuh sebenarnya dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar.
Pengujian yang kedua yaitu pengujian hubung singkat. Pada pengujian ini mula-mula arus eksitasi medan dibuat nol, dan terminal generator dihubung singkat melalui ampere meter. Kemudian arus jangkar Ia (= arus saluran) diukur dengan mengubah arus eksitasi medan. Dari pengujian hubung singkat akan menghasilkan hubungan antara arus jangkar ( Ia ) sebagai fungsi arus medan ( If ), dan ini merupakan garis lurus. Gambaran karakteristik hubung singkat alternator diberikan di bawah ini.
Gambar 2.23. Karakteristik hubung singkat alternator
Ketika terminal generator dihubung singkat maka tegangan terminal adalah nol. Impedansi internal mesin adalah:
Ia Ea Xs
Ra
Zs 2 2 ...(2.44) Oleh karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi:
hs OC Ia V Ia Ea Xs ...(2.45)
Jika Ia dan Ea diketahui untuk kondisi tertentu, maka nilai reaktansi sinkron dapat diketahui. Tahanan jangkar dapat diukur dengan menerapkan tegangan DC pada kumparan jangkar pada kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y), kemudian arus yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada kumparan dapat diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai berikut.
DC DC I V Ra . 2 ...(2.46)
Penggunaan tegangan DC ini adalah supaya reaktansi kumparan sama dengan nol pada saat pengukuran.
2.8.9.Diagram Fasor
Diagram fasor memperlihatkan bahwa terjadinya pebedaan antara tegangan teminal V dalam keadaan berbeban dengan tegangan induksi (Ea ) atau tegangan pada saat tidak berbeban. Diagram dipengaruhi selain oleh faktor kerja juga oleh besarnya arus jangkar ( Ia ) yang mengalir. Dengan memperhatikan perubahan tegangan V untuk faktor kerja yang berbeda-beda, karakteristik tegangan teminal V terhadap arus jangkar diperlihatkan pada gambar 2.24.
Ea V (a) Ea jXs Ia Ia Va Ia Ra (b) Ea jXs Ia Va Ia Ra Ia (c) Ia Ea jXs Ia Ia Ra Va (d)
Gambar 2.24.Diagram fasor generator sinkron (a) kondisi floating (b) faktor daya satu (c) faktor daya lagging (d) faktor daya leading.
2.8.10.Pengaturan Tegangan (Regulasi Tegangan)
Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal alternator antara keadaan beban nol (VNL) dengan beban penuh (VFL). Keadaan ini memberikan gambaran batasan drop tegangan yang terjadi pada generator, yang dinyatakan sebagai berikut.
% 100 x V V V VR FL FL NL ………....(2.47)
2.8.11. Kerja Paralel Alternator
Penggabungan alternator dengan cara mempararelkan dua atau lebih alternator pada sistem tenaga dengan maksud memperbesar kapasitas daya yang dibangkitkan pada sistem. Selain untuk tujuan di atas, kerja pararel juga sering dibutuhkan untuk menjaga kontinuitas pelayanan apabila ada mesin (alternator) yang harus dihentikan, misalnya untuk istirahat atau reparasi, maka alternator lain masih bisa bekerja untuk mensuplai beban yang lain. Untuk maksud mempararelkan ini, ada beberapa persaratan yang harus dipenuhi, yaitu:
1. Harga sesaat ggl kedua alternator harus sama dalam kebesarannya, dan bertentangan dalam arah, atau harga sesaat ggl alternator harus sama dalam kebesarannya dan bertentangan dalam arah dengan harga efektif tegangan jala-jala.
2. Frekuensi kedua alternator atau frekuensi alternator dengan jala harus sama 3. Fasa kedua alternator harus sama
BAB III
STUDI KELAYAKAN ( FEASIBILITY STUDY ) PLTMH
3.1. Letak geografis
secara visual mempunyai potensi sebagai PLTMH dilihat dari letak geografis dari lokasi yang akan dibangun PLTMH, sehingga layak untuk dikaji dan didesain sebagai pembangkit tenaga listrik.
3.2. Survey Potensi Daya (Potensial Site Survey)
Pekerjaan Survey Potensi Daya ini berupa kunjungan langsung ke lapangan (site visit) untuk melakukan:
1. Site Assessment, yaitu kunjungan lapangan untuk dasar perhitungan dan penafsiran engineering secara kasar bedasarkan pengalaman yang telah dilakukan untuk menentukan apakah suatu lokasi secara teknik layak untuk dibangun PLTMH. Setelah dilakukan tahap site assessment diambil kesimpulan bahwa lokasi curug malela dinyatakan layak secara teknik untuk dijadikan PLTMH.
2. Preliminary Selection, dari perhitungan kasar site assessment lokasi ini dinilai layak secara teknik, maka dilakukan perkiraan posisi untuk: bendung dan intake, saluran pembawa, bak penenang, lintasan penstock dan rumah pembangkit. Penentuan posisi di atas dengan mempertibangkan aspek: teknik hidrolika, keselamatan bangunan terhadap banjir dan longsor, serta kemudahan pelaksanaan konstruksi.
3. Pengukuran topografi calon lokasi PLTMH, meliputi:
a. Peta situasi pada lokasi pembangkit meliputi: bendung dan intake, saluran pembawa, bak penenang, penstock, rumah pembangkit dan jalur kabel transmisi dari pembangkit ke desa (konsumen).
b. Potongan melintang (cross-section) dan potongan memanjang (long-section) pada bendung dan intake ,saluran pembawa, bak penenang, penstock dan rumah pembangkit.
c. Alat ukur yang digunakan dalam pengukuran ini adalah: Digital Theodolit Leica TS-01, Digital Pressure Gauge Ashcroft D1005PS, GPS eTrex Vista Garmin dan roll meter.
4. Pengukuran hidrologi calon lokasi PLTMH untuk menentukan Debit Disain. Adapun pekerjaan yang dilakukan meliputi:
a. On spot flow measurement, yaitu pengukuran debit pada beberapa titik sebagai dasar untuk menentukan debit disain. Apabila aliran sumber air (sungai atau saluran irigasi) yang hendak diukur bersifat laminar dengan penampang aliran homogen, maka debit akan diukur dengan metoda propeller dan metoda salt gulp dilution sebagai pembanding. Sementara bila aliran sumber air bersifat turbelen dengan kondisi penampang sungai berbatu-batu, sehingga tidak dimungkinkan pengukuran dengan metoda propeller maka pengukuran hanya dilakukan dengan metoda salt gulp dilution.
b. Estimasi karakter pola debit pada musim kemarau dan pola debit pada musim hujan, dengan mengamati jejak pola tinggi muka air pada musim kemarau dan pada musim hujan pada penampang sungai. Estimasi ini juga menggunakan informasi dari penduduk setempat sebagai referensi dan sumber informasi sekunder.
c. Evaluasi terhadap kandungan air yang terkait dengan perencanaan PLTMH khususnya menyangkut: tingkat keasaman air (PH) dan tingkat sedimentasi.
d. Evaluasi terhadap penggunaan air yang akan dipakai sebagai dasar debit disain, yaitu perkiraan debit konservasi yang harus tetap dialirkan ke aliran sungai semula, apabila tipikal lokasi adalah sungai alami dengan bendung (weir) dan intake sebagai diverting structure untuk membelokan aliran air ke arah saluran pembuka.
e. Evaluasi terhadap debit desain yang diijinkan untuk digunakan sebagai penggerak turbin, khususnya pada saluran irigasi dimana keberadaan PLTMH akan merubah pola aliran air untuk kebutuhan irigasi. Evaluasi ini tidak diperlukan apabila penggunaan air untuk PLTMH tidak akan merubah pola aliran. Pada kondisi ini hanya dibutuhkan mekanisme pelimpah dimana apabila turbin berhenti beroperasi karena keperluan perbaikan atau sengaja diberhentikan, pola aliran tidak berubah dan kebutuhan air untuk irigasi tetap terjamin. f. Apabila kondisi lokasi dan sumber daya manusia setempat memungkinkan maka akan
dipasang weir measurement untuk memonitor debit secara berkala (debit diukur setiap 2 hari sekali oleh penduduk setempat). Apabila kondisi medan sungai tidak memungkinkan pemasangan weir measurement maka akan dipasang rod gauge level untuk memonitor ketinggian muka air sungai. Level air akam diukur secara bekala 2 hari sekali oleh penduduk setempat. Data debit dari weir measurement atau data ketinggian muka air sungai dari rod gauge level akan dipakai sebagai referensi dan cross check data hasil on spot flow measurement pada saat calon lokasi PLTMH ini jadi dibangun. Hal ini penting sekali dilakukan untuk menghindari kesalahan dalam menentukan debit disain.
g. Alat ukur yang digunakan dalam pengukuran debit ini adalah: MiniAir20 untuk pengukuran debit dengan metoda propeller, Conductivity Meter CD 4030 atau instrument setara untuk pengukuran debit dengan metoda salt gulp dilution, PH meter untuk mengukur tingkat keasaman air, sampling air dan sampling sedimen untuk menentukan jenis sedimentasi, weir
profile (rectangular atau triangular) sesuai dengan perkiraan debit dan rod gauge level. Baik weir profile maupun rod gauge level akan dilengkapi dengan tabel ukur untuk pencatatan hasil pengukuran secara berkala.
a. Pekerjaan Survey Potensi Ekonomi, Sosial dan Lingkungan.
Survey potensi ekonomi, sosial dan lingkungan ini bertujuan sebagai pelengkap data data teknis dan non teknis yang dibutuhkan sebagai acuab dalam membuat rencana anggaran biaya pembangunan dan prakiraan biaya perawatan . Selain itu survey ini juga bertujuan untuk mendapatkan gambaran yang nyata tentang keadaan sosio structural masyarakat setempat, sehingga dalam pelaksanaan pembangunan kendala non teknis dapat diminimalisir. Survey yang dilakukan meliputi:
1. Survey kondisi ekonomi masyarakat 2. Survey kondisi sosial masyarakat 3. Survey kondisi lingkungan
a. Survey Kondisi Ekonomi Masyarakat
Survey ini terkait dengan kondisi perekonomian lokal termasuk sumber pendapatan masyarakat, pola pemukiman yang ada, fasilitas umum dan fasilitas sosial, tingkat pendidikan, keterampilan, jumlah rumah yang membutuhkan listrik dan aspek lain yang mungkin terkait dengan keberadaan PLTMH. Faktor lain yang juga perlu diketahui misalnya masalah sumber daya manusia, harga tenaga kerja lokal, transportasi material , harga material lokal.
b. Survey Kondisi Sosial Masyarakat
Survey ini terkait dengan kondisi sosial masyarakat yang meliputi pola hidup, pola pemukiman, faktor sumber daya manusia lokal untuk mendukung pelaksanaan proyek.
c. Survey Kondisi Lingkungan
Survey ini terkait dengan pengumpulan data kondisi lingkungan dilokasi pembangkit dan sekitarnya. Faktor faktor yang diamati meliputi pola aliran sungai, penggunaan air untuk keperluan lain, kandungan material air, ketersediaan material lokal, pemahaman kelestarian lingkungan masyarakat.
d. Analisa Dampak Lingkungan
Analisa ini merupakan kajian teoritik yang dilihat dari sudut pandang ekonomi, sosial dan lingkungan berdasarkan pengamatan lapangan . Analisa ini penting untuk memperkirakan dampak yang akan timbul pada saat persiapan, pelaksanaan proyek maupun operasional PLTMH.
e. Pekerjaan Desain Teknik (Technical Design), Gambar desain (Desain Drawing) dan Estimasi Anggaran biaya Pembangunan (Estimate Bill of Quantity)
Dari hasil pekerjaan Survey Potensi Daya akan dilakukan pekerjaan desain teknik, gambar disain dan estimasi anggaran biaya yang akan menghasilkan dokumen teknik sebagai acuan apabila calon PLTMH yang telah disurvey ini jadi dibangun. Adapun lingkup pekerjaan disain teknik, gambar desain dan estimasi anggaran biaya ini adalah sebagai berikut :
f. Desain Teknik (Technical Design)
Desain Teknik, yaitu untuk melakukan perhitungan engineering untuk menentukan daya yang dapat dibangkitkan oleh calon lokasi PLTMH yang telah disurvey yang meliputi criteria desain utama sebagai berikut:
1. perhitungan debit desain sesuai dengan potensi yang tersedia dengan memperhitungkan kebutuhan daya calon pengguna PLTMH
2. Perhitungan tinggi jatuh efektif (head set) dengan memperhitungkan rugi-rugi tinggi jatuh (head losses) sesuai dengan desain penstock
3. Perhitungan bangunan sipil meliputi: bendung (weir), intake, saluran pembawa (head race), bak pngendap (silting basin), saluran pelimpah (spill way), bak penenang (fore bay), sliding block dan thrust block pada penstock, rumah pembangkit (power house) serta saluran pembuang (tail race). Perhitungan ini meliputi aspek hidrolika dan kekuatan bangunan. 4. Perhitungan penstock meliputi pemilihan diameter optimal rugi gesek (friction losses), rugi
turbelen (turbulent losses), factor keselamatan (safety factor), dan pemuaian penstock akibat perubahan temperature (temperature expansion).
5. Perhitungan daya terbangkit berdasarkan turbin yang sesuai meliputi: jenis, dimesi dasar, efisiensi, torsi dan kecepatan putar turbin yang dipilih serta syarat teknis lain yang berkaitan turbin.
6. Perhitungan system transmisi mekanik yang sesuai meliputi: jenis, dimesi dasar, speed ratio, efisiensi effective pull dan shaft load serta syarat teknis lain yang berkaitan dengan transmisi mekanik.
7. Pemilihan generator yang sesuai meliputi: merk yang direkomendasikan, rating daya dan factor daya, rating tegangan dan system koneksi, rating arus, kecepatan putar dan frekuensi, insulation class, system bearing dan jenis AVR yang direkomendasikan.
8. Pemilihan pengkabelan rumah pembangkit (power house wiring) yang sesuai meliputi: jenis dan ukuran kabel daya utama (main power cable) yang direkomendasikan, system untuk
grounding, penerangan rumah pembangkit, dan system lightning arrester yang direkomendasikan.
9. Rekomendasi untuk suku cadang mekanik, suku cadang elektrik, tool kit dan perlengkapan operator yang harus disediakan.
10. Rekomendasi untuk tata cara uji coba dan commissioning pembangkit serta metoda pelatihan operator.
11. Pemilihan jaringan distribusi listrik yang sesuai meliputi: perhitungan rugi daya (losses) dan jatuh tegangan (voltage drop), jenis dan ukuran kabel yang direkomendasikan, jenis tiang dan aksesorinya serta system pembagian jalur.
12. Rekomendasi untuk instalasi listrik di konsumen meliputi: daya terpasang, rating MCB dan jumlah titik lampu.
3.4. Gambar desain (Desain Drawing)
Dari hasil perhitungan disain teknik akan dituangkan dalam bentuk gambar disain yang meliputi :
1. Gambar Sipil
2. General Plan of View
3. Gambar denah bendung & intake
4. Gambar potongan memanjang dan melintang bending & intake 5. Gambar Detail struktur Bendung dan intake
6. Gambar denah bak penenang ( forebay )
7. Gambar potongan melintang dan memanjang forebay 8. Detail struktur forebay
10. Gambar penstock
11. Gambar potongan penstock
12. Gambar detail pembesian thrust block 13. Gambar denah power house
14. Gambar potongan memanjang dan melintang power house 15. Detail pembesian pondasi turbin
16. Detail kusen ballast load. 17. Gambar Elektrikal dan Mekanikal
1. Gambar arrangement turbin dan generator 2. Gambar single line diagram
3. Gambar lay out panel control 4. Gambar ballast load
5. Gambar wiring diagram
6. Gambar instalasi lay out power house 18. Gambar Transmisi
1. Gambar peta jaringan
2. Gambar konstruksi tiang pada lintasan lurus 3. Gambar konstruksi tiang pada lintasan belok 4. Gambar konstruksi tiang pada percabangan 5. Gambar konstruksi tiang pada ujung jaringan
3.5. Estimasi Anggaran biaya Pembangunan (Estimate Bill of Quantity)
Estimasi Anggaran Biaya Pembangunan, dari hasil perhitungan desain teknik dan gambar disain akan disusun estimasi anggaran biaya pembangunan serta analisis harga satuan untuk
item-item yang terkait dengan pembangunan PLTMH yang telah didisain tersebut. Angaran meliputi :
1. Daftar harga dasar peralatan mekanikal, elektrikal dan jaringan 2. Daftar harga dasar material dan alat kerja
3. Daftar harga satuan rupiah 4. Analisa harga satuan pekerjaan
5. Analisa perhitungan rencana anggaran biaya ( bil of quantity ) pembangunan. Anggaran biaya pembangunan PLTMH dibagi menjadi tiga item pekerjaan.
A. Pekerjaan Sipil
1. Pekerjaan Bendung 2. Pekerjaan Intake
3. Pekerjaan Saluran Pembawa 4. Pekerjaan Forebay dan Spillway 5. Pekerjaan Penstock
6. Pekerjaan Power House 7. Pekerjaan tail race
B. Pekerjaan Elektrikal dan Mekanikal
1. Pengadaan Turbin Generator, perlengkapan mekanikal dan elektrikal termasuk pemasangan .
2. Pengujian system, training operator. C. Pekerjaan Saluran Transmisi
1. Pengadaan dan Pemasangan Tiang Listrik 2. Pengadaan dan Pemasangan kondukto
3. Pengadaan dan Pemasangan Pembumian D. Dokumentasi
Dokumentasi hasil survey disajikan dalam bentuk gambar, foto, lembar angket, dan catatan catatan hasil wawancara sebagai berikut:
1. Dokumentasi teknis
a. Foto kegiatan pengukuran ( topografi, debit air, pemasangan alat ukur, dll).
b. Foto lokasi rencana bangunan sipil ( bending, itake, forebay, head race, penstock, power house, tail race )
c. Foto sekitar lokasi bangunan sipil d. Peta desa
2. Dokumentasi ekonomi, social dan lingkungan, meliputi :
a. Foto kondisi social dan lingkungan masyarakat yang akan memanfaatkan PLTMH b. Daftar isian angket yang disebar dan telah diisi oleh masyarakat
c. Daftar harga bahan pokok dan material di pasaran setepat
d. Rekaman atau catatan hasil wawancara dengan masyarakat / tokoh masyarakat / aparat desa
e. Foto pola permukiman yang ada di desa setempat
f. Dokumen tertulis dalam bentuk surat perjanjian, komitmen dengan masyarakat, dan persyaratan-persyaratan yang diajukan oleh masyarakat tentang pembangunan PLTMH untuk dijadikan sebagai data penunjang dan akan dilampirkan sebagai bab rekomendasi dalam buku laporan.
Data data teknik hasil survey potensi daya ini meliputi tinggi jatuh ( Head gross) , panjang lintasan penstock dan debit desain sebagai data awal perhitungan sistem pembangkitan.
3.6.1. Tinggi jatuh / Head gross (Hg)
Dari hasil pengukuran tofografi dengan alat ukur yang digunakan dalam pengukuran ini adalah : dengan menggunakan Total Station Topcon GTS 239 S, Digital Theodolit Leica TS-01, Digital Pressure Gauge Ashcroft D1005PS, GPS eTrex Vista Garmin dan roll meter.
Gambar 3.1. Persiapan alat ukur topografi dengan menggunakan Total Station Topcon GTS 239 S
Gambar 3.7. Cara pengukuran head elevation
Sumber : McQuigan, Dermott. Harnessing Water Power for Home Energy, Garden Way Publishing, Charlotte, VT 0544
3.6.2. Panjang pipa penstock (Lp)
Dari hasil pengukuran panjang penstock dari bak penenang (forebay) sampai dengan turbin maka selanjutnya dilakukan perhitungan rencana jalur dan panjang penstock sepanjang dengan pembagian expansion.
Gambar.3.3.. Pengukuran rencana jalur penstock
3.6.3. Debit desain (Q)
Pengukuran debit (On spot flow measurement) dilakukan pada beberapa titik sebagai dasar untuk menentukan debit disain. Metoda pengukuran yang dipergunakan adalah metoda pelarutan ( salt gulp dilution ) karena air bersifat turbelen dengan kondisi penampang sungai berbatu-batu, sehingga tidak dimungkinkan pengukuran dengan metoda propeller maka pengukuran hanya dilakukan dengan metoda salt gulp dilution, alat ukur yang digunakan adalah Conductivity Meter CD 4030
Ada dua metoda pelarutan mengukur debit sungai berdasarkan konsentrasi bahan kimia yang dideteksi. (NaCl dan Na2Cr3O7).7
a. Pemberian terus menerus (Continous Injection)
1 ppb = 0,001 ppm = 0,001 mg/liter
Gambar 3.4 Cara pengukuran debit air sungai Continous Injection Pemberian serentak (Sudden Injection)
Gambar 3.5 Cara pengukuran debit air sungai Sudden Injection
7 Sumber : Laboratorium teknik pengendalian dan konservasi lingkungan jurusan teknik pertanian FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS JEMBER.
" c c q Q L m Laju injeksi = q (l/det)
Bahan Kimia
Konsentrasi C (ppb) Bahan Kimia
Konsentrasi C” (ppb)
L m
Konsentrasi Bahan Kimia C” (ppb) Berat bahan kimia
Cv (ppb)
t c c d c c Q V t t V " " 0
Dari hasil pengukuran dan analisa memakai metoda pemberian serentak (Sudden Injection) dengan langkah sebagai berikut : Pada stasiun hulu diberikan bahan kimia sebanyak 1 kg, kemudian dianalisa konsentrasi bahan kimia di stasiun hilir, dalam waktu 1 jam seperti pada tabel berikut :
Tabel 3.1 Pengukuran konsentrasi bahan kimia Waktu ∆ t Konsentrasi Bahan Kimia (C") C" ∆t
(Jam) (Jam) (ppb) 0 0 - 1 1 9,7 2 1 19,3 3 1 48,3 4 1 32,2 5 1 29,0 6 1 25,8 7 1 19,3 8 1 12,9 9 1 06,4 10 1 - 11 1 - 12 1 - JUMLAH 202,9
Data pengukuran waktu musim kemarau ( 11 September 2006 )
Maka diperoleh debit desain (Q) sebesar :
= jam ppb kg 9 , 202 1
PERENCANAAN SISTEM PEMBANGKITAN ENERGI LISTRIK 4.1.Perhitungan Daya kotor (P gross)
Sebuah skema hidro memerlukan dua hal utama yaitu debit air (flow)dan ketinggian jatuh (Head) untuk menghasilkan tenaga yang bermanfaat. Sebuah sistem konversi tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran, dan menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau
t c c d c c Q V t t V " " 0
daya mekanik. Tidak ada sistem konversi daya yang dapat mengirim sebanyak yang diserap, tetapi dikurangi sebagian daya hilang oleh sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas, suara dan sebagainya.
Persamaan konversinya adalah :
Daya yang masuk = Daya yang keluar + Kehilangan (Loss) atau,
Daya yang keluar = Daya yang masuk × Efisiensi konversi
Persamaan di atas biasanya digunakan untuk menggambarkan perbedaan yang kecil. Daya yang masuk, atau total daya yang diserap oleh skema hidro, adalah daya kotor, Pgross . Daya yang manfaatnya dikirim adalah daya bersih, Pnett . Semua efisiensi dari skema diatas disebut E0.
net
P = Pgross x E0
Daya kotor adalah head kotor (Hgross ) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga dikalikan dengan sebuah konstanta , persamaan teori dasar dari pembangkit listrik adalah sebagai mana persamaan 2.6.
P = k . H. Q [kW]
Data yang didapat pada survey potensi daya adalah : gross
H ( Head gross ) = 55,6 m Q ( debit terukur ) = 1369 liter/s dengan konversi 1 liter = 1000 cm = 3 10 m3 3
Q = 1,369 m /s 3
sehingga : 369 , 1 6 , 55 8 , 9 gross P = 745,9 kW
4.2. Perencanaan pipa pesat (Penstock)
Dalam perencanaan PLTMH perhitungan tinggi jatuh efektif (head net) dilakukan dengan memperhitungkan rugi-rugi tinggi jatuh (head losses) sesuai dengan desain penstock. Dalam perencanaan PLTMH ini direncanakan akan mempergunakan pipa baja spiral ( Spiral welded pipe ) dengan diameter didapat hasil perhitungan sebagai mana persamaan 2.19 :
1875 . 0 2 . 2 . . 3 , 10 H L Q n D
dimana n = koefisien kekasaran (roughness) untuk welded steel adalah 0,012 ( lihat table 2.1. ), sehingga : D = 6 , 55 390 2 369 , 1 2 012 , 0 3 , 10 0,1875 = 0,890 m = 890 mm = 35,03”
Dalam analisa perencanaan penstock ini dipergunakan pipa dengan diameter dalam 36” atau setara dengan 898 mm dan ketebalan 8 mm.
4.3.Analisa Steel penstock
Dengan penentuan penstock di atas, maka perhitungan rugi-rugi dan tinggi jatuh efektif (head net) dapat diketahui, dengan input data yang diperoleh dari hasil survey potensi daya, dan spesifikasi material yang akan dipergunakan, dimana :
Debit terukur (flow) Q = 1,369 m /s 3 Debit desain Qt = 1,700
3
