analisis pengaruh beban operasi terhadap tingkat kavitasi

i

ANALISIS PENGARUH BEBAN OPERASI TERHADAP TINGKAT KAVITASI TURBIN FRANCIS VERTIKAL DI PT PLN (PERSERO) UNIT PENGENDALIAN

PEMBANGKITAN BENGKULU, UNIT III PLTA MUSI

TUGAS AKHIR

Disusun untuk Memenuhi Syarat Kurikulum dalam Menyelesaikan Pendidikan Strata 1 pada Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

Wistra Galih Rakha Siwi 1702220526.P

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS TRIDINANTI PALEMBANG 2020

ii

iii

iv

v

vi

vii

viii

ix

x

xi

xii

ABSTRAK

PLTA Musi merupakan PLTA dengan kapasitas 3 x 70 MW merupakan salah satu pembangkit yang dikelola oleh PT PLN (Persero). PLTA Musi merupakan PLTA tipe run of river. Sejak tahun 2006, PLTA Musi memenuhi ketersediaan listrik yang digunakan untuk rumah tangga , pertokoan dan industri yang ada di Sumatera Bagian Selatan. Hal ini menyebabkan PLTA Musi dituntut untuk dapat terus beroperasi sehingga ketersedian listrik terjamin, baik pada saat beban dasar atau pun saat beban puncak. Kavitasi menjadi salah satu permaslahan yang dihadapi oleh PLTA Musi. Kavitasi yaitu proses terbentuknya gelembung-gelembung air pada turbin karena tekanan air pada turbin turun menjadi tekanan uap jenuh yang menyebabkan getaran, pengikisan dan penurunan performasi. Fenomena kavitasi dapat diprediksi dan dihindari dengan menghitung nilai tingkat kavitasi yang berasal dari perbandingan angka Thoma aktual dan kritis. Tingkat kavitasi yang diteliti yaitu pada instalasi Turbin Francis Vertikal Unit III PLTA Musi. Tingkat kavitasi sebagai variabel terikat diteliti pengaruhnya dengan beban operasi sebagai variabel bebas. Besar beban operasi yang digunakan dalam penelitian ini ada empat variasi yaitu sebesar 28 MW; 50 MW; 60 MW dan 70 MW. Berdasarkan penelitian ini diperoleh nilai tingkat kavitasi pada setiap beban operasi. Tingkat kavitasi yang paling besar pada penelitian ini yaitu sebesar 1,429 pada beban operasi 70 MW, sedangkan tingkat kavitasi terkecil sebesar 1,385 pada beban 28 MW. Berdasarkan data yang diperoleh kenaikan tingkat kavitasi pada beban 50 MW menuju 60 MW sebesar 0,397%, sedangkan kenaikan tingkat kavitasi dari beban 60 MW menuju 70 MW adalah sebesar 0,675%. Nilai tingkat kavitasi yang terjadi pada tiap beban diketahui bahwa tingkat kavitasi terbesar terjadi pada beban 70 MW.

Sebaiknya pengoperasian di beban terbesar di hindari untuk menghindari resiko tingkat kavitasi yang tinggi. Dimana dalam strategi pengoperasian lebih baik pengoperasian unit dilakukan menggunakan unit yang lebih banyak dengan beban rendah dari pada hanya dengan satu unit namun dengan beban operasi beban terbesar.

Kata kunci : Turbin Francis Vertikal, Beban Operasi, Tingkat Kavitasi, Angka Thoma

xiii

ABSTRACT

PLTA Musi is The Hydroelectric Power Plant with 3 x 70 MW of capacity, which is one of the hydroelectric power plants managed by PT PLN (Persero). PLTA Musi is run of river hydro power plant. Since 2006, PLTA Musi has met the availability of electricity used for households, shops and industries in Southern Sumatra. This causes the Musi Hydroelectric Power Plant to continue to operate so that electricity availability is guaranteed, both during base load and during peak loads. The cavitation is one of the problems faced by PLTA Musi. The cavitation is the process of forming water bubbles in the turbine caused by the water pressure in the turbine drops to saturated vapor pressure which causes vibration, erosion and decreased performance. The phenomenon of cavitation can be predicted and avoided by calculating the value of the cavitation rate derived from the comparison of actual and critical Thoma Numbers.

The Phenomenom of cavitation was studied on Francis Turbine Vertical installation at Unit No.III of the Musi Hydroelectric Power Plant. The effect of the cavitation rate as the dependent variable was examined with the operating load as the independent variable. There are four variations of the operating load used in this study, load at 28 MW; 50 MW; 60 MW and 70 MW. Based on this research, the value of the cavitation level at each operating load was obtained. The largest cavitation level in this study is 1.429 at 70 MW operating load, while the smallest cavitation level is 1.385 at 28 MW load. Based on the data obtained, the increase in the level of cavitation rate from load of 50 MW to 60 MW is 0.397%, while the increase in the cavitation rate from load of 60 MW to 70 MW is 0.675%. The value of the level of cavitation that occurs at each load shows that the largest level of cavitation occurs at a load of 70 MW.

So, It is recommended for avoid operating at the greatest load to minimize the risk of high levels of cavitation. Where in the operating strategy it is better to operate the unit using more units with a lower load than with just one unit but with the largest operating load.

Key words : Francis Turbine Vertical, Load, The level of cavitation, Thoma numbers

xiv

KATA PENGANTAR

Puji dan Syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat, hidayah serta kekuatan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini tepat pada waktunya. Pembuatan Tugas Akhir ini merupakan persyaratan untuk menyelesaikan pendidikan strata 1 pada program studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tridinanti Palembang, dengan judul “ Analisis Pengaruh Beban Operasi Terhadap Tingkat Kavitasi Turbin Francis Vertikal Di PT PLN (Persero) Unit Pengendalian Pembangkitan Bengkulu, Unit III PLTA Musi ”. Pada kesempatan ini pula, penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada semua pihak yang telah banyak membantu, terutama kepada :

1. Ibu Dr. Ir. Hj. Manisah, MP. Selaku Rektor Universitas Tridinanti Palembang.

2. Bapak Ir. H. Ishak Effendi, MT. Selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Tridinanti Palembang.

3. Bapak Ir. H. M. Ali, MT. Selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tridinanti Palembang.

4. Bapak Ir. Abdul Muin, MT. Selaku Sekretaris Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tridinanti Palembang.

5. Bapak Ir. H. M. Ali, MT. Selaku Dosen pembimbing I yang membantu dan membimbing dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

6. Bapak Heriyanto R, ST. PG.Dip. MT Selaku dosen pembimbing II yang membantu dan membimbing dalam penyelesaikan Tugas Akhir ini

7. Staf Dosen dan karyawan Fakultas Teknik Universitas Tridinanti Palembang.

8. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebut satu persatu yang telah membantu dalam penyelesaian penulisan naskah Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan dan jauh dari kesempurnaan. Maka dari itu, kritik dan saran yang membangun sangat kami harapkan demi terciptanya Tugas Akhir yang lebih baik selanjutnya. Dan semoga dengan hadirnya Tugas Akhir ini dapat memberi manfaat bagi pembaca sekalian.

Palembang, Oktober 2020 Penulis,

Wistra Galih R

xv

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PERSETUJUAN ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... ..iii

HALAMAN PENGESAHAN PENGUJIAN SKRIPSI ... iv

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS SKRIPSI ... v

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi

ABSTRAK ... xii

KATA PENGANTAR ... xiv

DAFTAR ISI... xv

DAFTAR GAMBAR ... xviii

DAFTAR TABEL ... xix

DAFTAR NOTASI... xx

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ...1

1.2. Rumusan Masalah ...3

1.3. Batasan Masalah ...3

1.4. Tujuan Penelitian ...3

1.5. Manfaat Penelitian...4

1.6. Sistematika Penulisan ...4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1. Turbin Francis ...6

2.2. Komponenen Utama Turbin Francis ...8

2.3. Prinsip Kerja Turbin Francis ...9

xvi

2.4. Kavitasi pada Turbin Francis ...10

2.4.1 Faktor Pemicu Terjadinya Kavitasi ...11

2.4.2 Penyebab Kavitasi ...12

2.4.3 Akibat Kavitasi ...13

2.4.4 Langkah Mencegah Kavitasi ...13

2.5. Persamaan Teori Dasar Hidrolika ...14

2.5.1 Persamaan Kontinuitas ...14

2.5.2 Perasamaan Bernoulli ...15

2.5.3 Kerugian Head (Head Losses) ...17

2.6. Faktor Kavitasi ...27

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 31

3.1 Diagram Alir Penelitian ...31

3.2 Metode Penelitian ...32

3.2.1. Metode Studi Pustaka ...32

3.2.2. Metode Studi Lapangan ...32

3.3 Rancangan Penelitian. ...33

3.4 Alat dan Bahan ...35

3.4.1. Alat yang Digunakan ...35

3.4.2. Bahan yang Diperlukan ...36

3.5 Prosedur Penelitian ...37

3.6 Tempat dan Waktu Penelitian ...38

3.6.1. Tempat Penelitian ...38

3.6.2. Waktu Penelitian ...38

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 40

4.1. Data Hasil Penelitian...40

xvii

4.2. Contoh Perhitungan Instalasi Turbin Francis Vertikal di Unit III PLTA Musi ..41

4.2.1. Contoh Perhitungan Kecepatan Aliran ...41

4.2.2. Contoh Perhitungan Bilangan Reynold ...42

4.2.3. Contoh Perhitungan Kerugian Gesek dalam Pipa ...42

4.2.4. Contoh Perhitungan Kerugian Minor Pipa ...43

4.2.5. Contoh Perhitungan Total Kerugian Head ...44

4.2.6. Contoh Perhitungan Angka Thoma ...45

4.2.7. Contoh Perhitungan Tingkat Kavitasi ...46

4.3. Data Hasil Perhitungan ...47

4.4. Analisa dan Pembahasan...50

4.4.1 Pengaruh Beban Operasi terhadap Head Efektif...50

4.4.2 Pengaruh Beban terhadap Angka Thoma ...52

4.4.3 Pengaruh Beban terhadap Tingkat Kavitasi ...53

BAB V PENUTUP... 55

5.1 Kesimpulan ...55

5.2 Saran ...56 DAFTAR PUSTAKA

lAMPIRAN

xviii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Power house ... 1

Gambar 2. 1 Turbin Francis yang mempunyai daya besar...6

Gambar 2. 2 Irisan perspektif suatu turbin... 8

Gambar 2. 3 Contoh akibat kavitasi pada runner vane PLTA musi ... 11

Gambar 2. 4 Contoh Peletakan Turbin yang Rawan Kavitasi ... 14

Gambar 2. 5 Kerugian gesek pada pipa lurus ... 19

Gambar 2. 6 Berbagai bentuk ujung masuk pipa ... 22

Gambar 2. 7 Keofisien kerugian mulut lonceng atau corong pada pipa isap ... 23

Gambar 2. 8 Koefisien kerugian pada belokan ... 24

Gambar 2. 9 Percabangan dan pertemuan pipa ... 26

Gambar 2. 10 Diagram Skematik dari Instalasi Turbin Reaksi ... 28

Gambar 3. 1 Diagram Alir Penelitian Metode Penelitian...31

Gambar 3. 2 Gambar Layout Instalasi Turbin Francis Vertikal PLTA Musi ... 33

Gambar 3. 3 Pressure Gauge pada Panel TCC (Turbine Control Center) ... 36

Gambar 3. 4 Operation Station (OPS) PLTA Musi ... 36

Gambar 3. 5 Turbin pit Unit 3 PLTA Musi ... 38

Gambar 4. 1 Hubungan antara Beban Terhadap Kerugian Head Total...50

Gambar 4. 2 Hubungan antara Beban Terhadap Head Efektif ... 51

Gambar 4. 3 Hubungan antara Beban terhadap Angka Thoma Aktual dan Kritis ... 52

Gambar 4. 4 Hubungan antara Beban terhadap Tingkat Kavitasi ... 53

xix

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1 Kondisi pipa dan harga C ... 21

Tabel 2. 2 Koefisien kerugian belokan pipa ... 25

Tabel 2. 3 Koefisien kerugian bagian pipa dengan pengecilan penampang secara tiba-tiba ... 25

Tabel 2. 4 Nilai N𝑠 dan σc pada turbin francis... 29

Tabel 3. 1 Data Headrace tunnel...34

Tabel 3. 2 Data Spesifikasi Penstock A1 ... 34

Tabel 3. 3 Data Spesifikasi Penstock A2 ... 34

Tabel 3. 4 Data Spesifikasi Penstock B ... 34

Tabel 3. 5 Data Spesifikasi Penstock C ... 35

Tabel 3. 6 Rencana pelaksanan penelitian ... 39

Tabel 4. 1 Data Hasil Observasi Saluran Pengahantar...40

Tabel 4. 2 Data Pengukuran Unit 3 PLTA Musi ... 41

Tabel 4. 3 Data Perhitungan Kerugian Gesekan dalam Pipa ... 47

Tabel 4. 4 Data Perhitungan Kerugian Head Minor ... 48

Tabel 4. 5 Data Perhitungan Head Efektif ... 49

Tabel 4. 6 Data Perhitungan Angka Thoma... 49

Tabel 4. 7 Data Perhitungan Tingkat Kavitasi ... 49

xx

DAFTAR NOTASI

Notasi Deskripsi Satuan

A1 Luas penampang pipa 1 (m²)

A2 Luas penampang pipa 2 (m²)

B.H.P Daya Turbin/Brake Horse Power (watt)

C Resistance Coefficient -

D Diameter pipa (m)

f Koefisein kerugian -

f1 Koefisein kerugian di 1 -

f2 Koefisien kerugian di 2 -

fv Koefisien kerugian katup -

g

Percepatan gravitasi (m/s2)

H Head efektif (m)

hf Kerugian head akibat gesekan (m)

hL Total Kerugian head (m)

hm 1-3 Kerugian head cabang 1 ke 3 (m)

hm 1-2 Kerugian head cabang 1 ke 2 (m)

hm Kerugian head minor (m)

xxi

hv Kerugian head katup (m)

Hs Jarak vertikal antara sumbu pusat runner dan tail watel level (m)

L Panjang pipa (m)

Ns Kecepatan Spesifik -

N Kecepatan Putaran (RPM)

Patm Tekanan Atmosfer (m)

Pmin Tekanan minimum pada titik yang diteliti (m)

Pv Tekanan Uap Jenuh Fluida (m)

p1 Tekanan pada titik 1 (kPa)

p2 Tekanan pada titik 2 (kPa)

Q1 Debit aliran di titik 1 (m³/s)

Q2 Debit aliran di titik 2 (m³/s)

R Jari-jari hidrolik (m)

Re Bilangan Reynolds -

S Gradien Hidrolik -

v1 Kecepatan aliran di titik 1 (m/s)

v2 Kecepatan aliran di titik 2 (m/s)

z Head ketinggian (m)

γ Berat Jenis fluida (kN/m3)

μ Viskositas kinematic zat cair (m²/s)

xxii

θ Sudut belokan (derajat)

Ʃhf Total kerugian head mayor (m)

Ʃhm Total kerugian head minor (m)

σc Angka Thoma Kritis -

σa Angka Thoma Aktual -

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pada saat ini listrik menjadi salah satu kebutuhan yang utama bagi kehidupan manusia. Selain menjadi kebutuhan, tingkat ketersediaan listrik yang berkualitas mejadi salah satu indikator kemajuan suatu negara. Oleh sebab itu PT PLN (Persero) secara umum dituntut untuk selalu menyediakan listrik yang handal dan berkualitas.

Gambar 1.1 Power house

PLTA Musi dengan kapasitas 3 x 70 MW merupakan salah satu pembangkit yang dikelola oleh PT PLN (Persero). PLTA Musi merupakan PLTA tipe run of river. Kapasitas bersih dari Intake Dam lebih dari 1.000.000 m³. Elevasi air minimal untuk pengoperasian PLTA adalah 578.0 mdpl dan elevasi maksimalnya adalah 579.10 mdpl. (KOEI,2006)

2 Demi kebutuhan akan ketersedian listrik untuk penduduk, khususnya penduduk Sumatera Bagian Selatan. Sejak tahun 2006, PLTA Musi memenuhi ketersediaan listrik yang digunakan untuk rumah tangga , pertokoan dan industri yang ada di Sumatera Bagian Selatan. Hal ini menyebabkan PLTA Musi dituntut untuk dapat terus beroperasi sehingga ketersedian listrik terjamin, baik pada saat beban dasar atau pun saat beban puncak. Perencanan pemeliharaan demi keandalan di perhitungakan secara matang. Harapannya adalah usia pakai yang lebih panjang dan unjuk kerja turbin air yang dapat terjaga, sehingga keandalan operasi PLTA Musi dapat tercapai.

Fakta di lapangan, pengoperasian yang berlangsung terus-menerus demi menjaga ketersediaan listrik lama-kelamaan akan menyebabkan penurunan unjuk kerja pada turbin tersebut. Sehingga hasil output daya yang tidak maksimal. Hal itu disebabkan beberapa faktor, yaitu debit air yang berubah-ubah, elevasi waduk yang berubah-ubah dan tingkat kavitasi pada turbin air. Maka dari itu, untuk menjaganya diperlukan perhitungan dan perencanaan yang handal agar diketahui unjuk kerja turbin sehingga dapat menjaga performa yang efektif dan menghasilkan output sesuai kapasitas dari pembangkit itu sendiri. Tugas akhir ini akan membahas mengenai turbin Francis yaitu mengenai permasalahan kavitasi yang terjadi ketika unit sedang beroperasi. Fenomena kavitasi ini dapat diprediksi dengan cara menghitung angka Thoma (σ) sehingga tidak melewati angka kritis yang telah ditentukan sesuai dengan spesifikasi turbin tersebut.

1.2. Rumusan Masalah

a. Bagaimanakah pengaruh beban operasi terhadap tingkat kavitasi Turbin Francis Vertikal di Unit 3 PLTA Musi PT PLN (Persero) ?

b. Variabel apakah yang berperan terhadap terjadinya tingkat kavitasi di turbin Francis Vertikal ?

1.3. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dari penelitian ini adalah :

a. Beban operasi sebagai variable bebas yang digunakan ada 4 variasi yaitu pada beban 28 MW, 50 MW, 60 MW, dan 70 MW

b. Tingkat kavitasi pada sisi pipa isap sebagai variabel terikat pada penelitian ini.

c. Turbin yang diteliti yaitu turbin Francis Vertikal di U n i t I I I PLTA Musi PT PLN (Persero).

1.4. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu sebagai berikut:

a. Untuk mengetahui pengaruh beban operasi terhadap tingkat kavitasi yang terjadi di turbin Francis Verstikal Unit III PLTA Musi PT PLN (Persero), Sehingga dapat menentukan beban operasi terbaik yang digunakan untuk menghindari tingkat kavitasi yang tinggi

3

4 b. Untuk mengetahui variable yang berperan terhadap tingkat kavitasi yang

terjadi pada turbin Francis Vertikal.

1.5. Manfaat Penelitian

Adapun ,manfaat penelitian ini adalah sebagai berikut :

a. Dapat mengetahui pengaruh beban operasi terhadap tingkat kavitasi pada turbin Francis Vertikal, sehingga menjadi pertimbangan unutk menghindari terjadinya kavitasi pada turbin Francis Vertikal Unit III PLTA Musi.

b. Dapat menjadi dasar perhitungan perencanaan dalam menjaga efisiensi turbin, mengoptimalkan usia pakai turbin dan mengurangi biaya pemeliharaan jika kavitasi dapat dihindari.

1.6. Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini dibagi dalam beberapa bab dengan beberapa sub bab yaitu sebagai berikut:

a. Bab I : Pendahuluan

Bab ini berisi latar belakang, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan.

b. Bab II : Tinjauan Pustaka

Bab ini merupakan landasan teori yang digunakan yaitu turbin air, teori dasar hidrolika dan kavitasi turbin

c. Bab III : Metodologi Penelitian

Bab ini berisi informasi mengenai tempat dan waktu, instalasi, alat dan bahan, prosedur penelitian serta, metode pengolahan data,.

d. Bab IV : Hasil dan Pembahasan

5 Bab ini mengenai data yang diambil di lapangan, perhitungan, dan pembahasan analisis hasil perhitungan dalam bentuk grafik.

e. Bab V : Kesimpulan dan Saran

Bab ini merupakan kesimpulan dan saran yang diperoleh dalam penelitian f. Daftar Pustaka

Daftar pustaka merupakan literatur yang digunakan menyusun laporan penelitian

g. Lampiran

Pada lampiran dapat dilihat hasil data yang diperoleh dari analisis hasil perhitungan dalam bentuk tabel, grafik, dan dan gambar.

.

DAFTAR PUSTAKA

Arifin,Moh Zaenal.2017.Analisa Unjuk Kerja dan Tingkat Kavitasi Pada Turbin Francis Di PT PJB Unit Pembangkitan Brantas Unit PLTA Sutami.Surabaya:Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Arismunandar, Wiranto. 2004. Penggerak Mula Turbin. Bandung: Penerbit ITB.

Borgnakke, Claus and Sonntag, Richard E. 2009. Fundamentals of Thermodynamics Seventh Edition.United States of America: John Wiley &

Sons, Inc.

Crittenden, John C.2012.MWH’s Water Treatment: Principles and Design, Third Edition. Goergia:John Wiley & Sons, Inc

Dietzel, Fritz. 1980. Turbin, Pompa, dan Kompresor. Jakarta: Erlangga.

Dixon, S.L. 2005. Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery Fifth Edition. Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann.

Dandekar, M.M. dan Sharma, K.N. 1991. Pembangkit Listrik Tenaga Air. Jakarta:

Penerbit Universitas Indonesia

M. White, Frank. 2016. Fluid Mechanics Eight Edition. Boston: McGraw-Hill Ryerson.

NIPPON KOEI.2006.Musi Hydroelectric Power Project Station Operation and Maintenance Manuals Generating Equipment.Bengkulu;Indah Karya

Rayan, Magdy Abou. 2009. A Textbook of Hydraulic Machines. Egypt:

Zagagig University.

Salomo P T,Sinaga.2016.Pengaruh Bukaan Sudu Pengarah pada Tingkat Kavtasi di Sisi Masuk Pipa Isap Turbin Francis Vertikal Unit 4 PLTA Tangga PT.

Inalum Power Plant.Medan:Universitas Sumatera Utara.

Sularso, dan Haruo Tahara.1996. Pompa dan Kompressor Pemlihan, Pemakaian dan Pemeliharaan.Bandung: Pradnya Paramita