PERENCANAAN PUSAT LISTRIK TENAGA MINI HIDRO PERKEBUNAN ZEELANDIA PTPN XII JEMBER DENGAN MEMANFAATKAN ALIRAN KALI SUKO

Transkripsi

1 PERENCANAAN PUSAT LISTRIK TENAGA MINI HIDRO PERKEBUNAN ZEELANDIA PTPN XII JEMBER DENGAN MEMANFAATKAN ALIRAN KALI SUKO Taufan Andrian Putra, Nadjadji Anwar, Abdullah Hidayat. Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya taufan_andrian@yahoo.com Abstrak Aliran air yang mengalir dari dataran tinggi menuju dataran yang lebih rendah memiliki energi potensial yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif. Salah satunya adalah aliran air Kali Suko yang merupakan wilayah dari perkebunan Zeelandia PTPN XII, Jember. Penerapan teknologi mini hidro sebagai pembangkit listrik merupakan solusi untuk memanfaatkan potensi tersebut. Kondisi eksisting Kali Suko yang akan dimanfaatkan sebagai Pusat Listrik Tenaga Minihidro memiliki daerah aliran sungai (DAS) seluas 17.9 Km, dengan panjang kurang lebih 10.5 km. Perencanaan ini merupakan proyek Pusat Listrik Tenaga MiniHidro kedua dari afdeling kali suko, dimana perencanaan ini nantinya akan dilaksanakan mulai elevasi +40. Perencanaan akan dilakukan pada lingkup bangunan sipil, dimulai dari analisa hidrologi, perencanaan bangunan pembangkit, estimasi kehilangan energi, hingga perhitungan energi listrik yang dihasilkan. Dengan memanfaatkan data hujan selama 1 tahun, untuk mencapai debit andalan serta kondisi topografinya, dihasilkan debit andalan sebesar 0.8m 3 /dt, dan tinggi energi m. Dengan menggunakan turbin pelton dan generator sinkron, tenaga air ini dapat berubah menjadi energi listrik sebesar kwh/tahun. Kata Kunci: Bangunan pembangkit, debit andalan, energi potensial, listrik, minihidro BAB I PENDAHULUAN Perkebunan Zeelandia PT Perkebunan Nusantara XII Jember, merupakan Badan Usaha Milik Negara dengan status Perseroan Terbatas. Perkebunan ini terletak di Desa Patemon, Kecamatan Tanggul Kabupaten Jember Jawa Timur.Perkebunan Zeelandia mempunyai 6 afdeling, yaitu Zeelandia, Langsap, Kali Suko, Sumber Ayu, Sumber Bulus, dan Gondang. Afdeling Kali Suko merupakan bagian dari PT PN XII, dimana Produk utama yang dihasilkan dari keenam afdeling ini adalah karet, kecuali afdeling Kali Suko dan Langsap terdapat sedikit kopi. Selama ini suplai tenaga listrik yang dipergunakan untuk proses produksi di suplai dari Mini-Hydro Power (MHP) Kali Suko I, Diesel Genset dan kekurangan kebutuhan listrik dipenuhi oleh PLN. Daerah aliran sungai (DAS) Kali Suko memiliki luas kurang lebih 17,90 km dengan panjang sungai 10,50 km. Dengan kondisi topografi Kali Suko yang curam serta tipe sungainya yang perennial maka kondisi ini dimanfaatkan oleh PT PN XII untuk membangun Pusat Listrik Tenaga Mini hidro (PLTMH) ke-dua untuk dapat menunjang kebutuhan listrik. Pada titik yang direncanakan untuk membangun intake memiliki debit minimum sebesar m 3 /dt pada elevasi +40 dari permukaan laut (dpl). Lokasi yang selanjutnya akan digunakan sebagai Surge tank berada pada elevasi m dpl dan untuk Power House akan dibangun pada elevasi+ 45 m dpl, hal ini didasarkan pada hasil yang telah dirumuskan pada Feasibility Study PLTMH Kali Suko Kebun Zeelandia. Meliputi : Bangunan Intake Saluran Pengarah Bak Pengendap Meliputi : Bak Penenang Pipa Pesat Tangki Peredam BAB II METODOLOGI START Survey Pendahuluan dan Studi Literatur Pengumpulan Data : Intensitas Hujan Elevasi sungai Penampang sungai pada Intake Kondisi topografi tanah Analisa Debit dan Beda Ketinggian Perencanaan Bangunan I PLTMH Perencanaan Bangunan II PLTMH Kehilangan Energi< 10% Perencanaan Turbin dan Generator Gambar.1. Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir Y Analisa Tenaga Listrik FINISH N 1

2 BAB III ANALISA DAN PERENCANAAN 3.1 Analisa Hidrologi Perhitungan debit limpasan Data yang digunakan dalam analisa mengacu pada Intensitas hujan 1 tahun pada satu pos hujan. Q = 0,78 C.I.A (m 3 /dt) Dimana: Q : debit limpasan (m 3 /dt) C : koefisien limpasan lahan (0,10) I : intensitas hujan (mm/jam) A : luas DAS (km ) Untuk debit rata-rata harian bulan Januari tahun 1999 adalah: Q = 0,78 C.I.A/30hari (m 3 /dt) = 0,78 x 0,10 x 103x 17,90/30 = m 3 /dt Untuk selanjutnya perhitungan diterapkan untuk debit setiap bulan selama 1 tahun. Tabel 3.1 Rekapitulasi Data Debit Dalam 1 Tahun RR KK = m 3 /dt Diolah dengan menggunakan metode FJ. Mock. Hasil perhitungan menjadi: Tabel 3. Perhitungan Interval Debit Metode Mock. Dari perhitungan tabel 3. tersebut dibentuk menjadi duration curve (gambar 3.): Gambar 3. Duration Curve Debit akibat hujan selanjutnya ditambah aliran dasar sebsar 0.303m 3 /dt. Sehingga debit Januari 1999: Q gabungan = Q hujan + Q base flow = =.01 Sehingga grafik debit yang dihasilkan dari penjumlahan Debit akibat hujan pada tabel 3.1 Debit andalan akan diambil 80% nilai debit dari duration curve yaitu pada debit 0.8 m 3 /dt Perhitungan debit banjir rencana Pada perencanaan ini digunakan debit banjir rencana 50 tahun dengan metode gumble. Dari perhitungan curah hujan efektif, dihitung Intensitas hujan maksimum sebagai berikut: I 1999 = Intensitas curah hujan harian selama bulan januari desember = 130 mm/jam Intensitas hujan rata-rata didapat: I r = ΣΣΣΣ nn = 1833 = 15.7 mm/jam 1 Selanjutnya dilakukan perhitungan terhadap intensitas hujan rata-rata dengan metode gumble. Tabel 3.3 Perhitungan Intensitas Hujan Rata-rata Gambar 3.1 Debit Gabungan Akibat Hujan dan Aliran Dasar Selama 144 Bulan 3.1. Perhitungan duration curve Untuk menentukan duration curve Kali Suko Interval debit ditentukan dari nilai : RR KK Dengan : R = Q max - Q min = = K = 1 + 3,33 log n = 1 + 3,33 log 144 = n = jumlah data (1 tahun = 144 bulan ) Dimana Yn = ΣY = 6.04 = , dan nn 1 S = ΣΣ(II IIII) (nn 1) = = mm/jam

3 Adapun untuk menghitung Intensitas hujan rencana dengan periode ulang T adalah: IIII = II rr + ( YY TT YY nn )SS xx SS nn II 50 = II 50 = SS nn = Σ(YY YY nn) = =.36 (nn + 1) 13 YY 50 = 3.9 Setelah Intensitas hujan rencana didapatkan, dimasukkan dalam perhitungan debit dengan metode rasional: Q = 0,78 C.I.A (m 3 /dt) = 0,78 x 0,1x (06.6/4)x17,9 = 4.85 m 3 /dt Ditambahkan dengan aliran dasar menjadi: Q gabungan = Q hujan + Q base flow = = m 3 /dt 3. Perencanaan Bangunan Pembangkit Bangunan Pengatur Tinggi Muka Air digunakan bangunan bendung tetap dengan mercu ogee yang dimodifikasi dengan menambahkan lubang saluran berbentuk persegi di puncaknya. Lebar dasar saluran = 1 m Lebar mercu bendung = 10 m Lebar pintu pembilas = m Kemiringan dinding = 1:1 Q 50 = m 3 /dt Q andalan = 0.8 m 3 /dt Q Sisa = 3.79 m 3 /dt Tinggi mercu rencana = 1.5 m Koefisien debit bentuk segi empat panjang (c): 0.8 Dari data tersebut direncanakan bendung: A. Tinggi energi di atas mercu saat debit andalan Q = b.c.h = x 10 x 0.8 x h 1 h 1 = 0.15 m didapat tinggi energi 0.15 m dari mercu bendung, dan kecepatan aliran V= Q/A = 0.80/(10 x 0.1) = 0.67 m/dt B. Dimensi saluran pengambilan Saluran pengambilan yang terbentang di sepanjang puncak bendung direncanakan untuk dapat mengakomodir debit andalan Kali Suko sebesar 0.80 m 3 /dt. Direncanakan: Koefisien manning n = 0.0 m Lebar saluran b = 0.6 m Tinggi saluran h = 0.75 m Kemiringan I = 1% Kecepatan V = 1 n R I 1/ = 1.79 m/dt Dari perhitungan tersebut didapat Q saluran > Q andalan dan V saluran sebesar.6x V di atas mercu. C. Tinggi energi di atas mercu saat debit banjir 50 tahun Q = b.c.h = x 10 x 0.8 x h 1 h 1 = 0.4 m didapat tinggi energi 0.4 m dari mercu bendung dan kecepatan aliran V= Q/A = 3.79/(10 x 0.8) = 1.37 m/dt D. Perencanaan kolam peredam energi Pada Perencanaan ini akan digunakan kolam peredam energi tipe USBR. Adapun data-data yang dibutuhkan Q 0 = 3.79 m 3 /dt B = 10 m Z = 1.5 m h = 0.4 m V 1 = (g(z+0.5h)) 0.5 = (x9.81( x0.4)) 0.5 = 5.79 m/dt Q 0 = AxV 1 = (Bxd 1 )xv d 1 = 10xx5.79 Dari data-data diatas didapat Froude number (Fr): VV Fr = 1 = 5.79 (gggg dd 1 ) 0.5 (9.81xx0.065) 0.5 = 7.3 Sehingga dipilih kolam olak USBR tipe III dimana: Q < 18.5 m 3 /dt V < 18 m/dt Fr > 4.5 maka besarnya d dan L ditentukan melalui grafik pada gambar 3.3 dan didapatkan nilai L/d =.6 Gambar 3.3 : Grafik L/d dan Froude Number Sehingga: d = FFFF 1 xxdd 1 = xx7.3 1 xx0.065= 0.64 m L =.6xxdd =.6xx0.64 = 1.66 m Sehingga panjang kolam olak minimum yang dapat dipakai adalah 1.66 m 3... Perencanaan kekuatan trash rack Trash rack direncanakan untuk memikul beban akibat banjir 50 tahun dalam kondisi tersumbat penuh. menggunakan profil bulat berdiameter 10 mm dengan jarak 50 mm, dengan kemiringan 30 0 (gambar 3.4). Gambar 3.4: Gaya yang Bekerja pada Saringan Perhitungan pembebanan: H saat banjir 50 tahun = 0.8 m W q = HHHHγγ aaaaaa = 33.3 kg/m cos αα = W x b = 33.3 x 0.05= kg/m = 0.8xx1000 cos

4 Gaya yang diterima tumpuan: ΣM = RRRRRRRR qqqqqqqq ll = 0 Rb = qqqqqqqq ll ll Momen maksimum yang terjadi: = 16.17xx0.6xx = 4.85 kg X 1 = Rb/q = 4.85/16.17 = 0.3 m Mmax = RbxX 1 0.5qxX 1 = 4.85 x x x 0.3 = 0.77 kgm Sehingga trash rack harus direncanakan untuk mampu menahan momen sebesar 0.77 kgm Didapat (h) sebesar 0.65 m (I) 1.4% dan (n) 0.0. Agar pembilasan dapat dilakukan dengan baik, kecepatan aliran dijaga agar tetap subkritis atau Fr < 1 V Fr = = 1.8 = 0.79 < 1 ggggh 9.81xx Saluran pengarah Setiap bangunan dihubungkan oleh saluran pengarah sesuai alur kontur dengan spesifikasi: Tabel 3.4 Spesifikasi Saluran Pintu pengambilan intake Kapasitas pintu pengambilan 110% debit rencana: Debit Q 110 = 110% x 0.80 = 0.88 m 3 /dt Koefisien debit µ = 0.85 Tinggi bukaan α = m Head lost z = 0.15 m Dengan menggunakan rumus Q = µ x b x h gggg ; didapatkan lebar pintu b sebesar 0.8 m Perhitungan pelimpah samping Pelimpah samping direncanakan satu alur dengan saluran sebelum bak pengendap sedimen: Koefesien debit Cd = 1,03 tinggi Head H = 0.3m Dengan perhitungan Q = Cd 3 ( 3 g)0.5 bh 1,5 didapat lebar pelimpah samping b sebesar.8 m Perhitungan bak pengendap sedimen Butiran ijin PLTA tekanan tinggi adalah mm. Direncanakan bak pengendap dengan dimensi dan spesifikasi yang sama Perhitungan kecepatan kritis V cr = aa dd = = 11.4 cm/dt = m/dt d = diameter butir (5 mm) a = 36 bila d > 1 mm 44 bila 1mm > d > 0.1 mm 51 bila d < 0.1 mm Perhitungan Kecepatan Aliran Dalam Bak Pengendap Direncanakan lebih kecil dari kecepatan kritis, dipakai (V n ) = 0.11 m/dt Perhitungan dimensi bak pengendap Koefesien manning n = 0.0 Tinggi air rencana h = 1.3 m Kecepatan turun butir ω = 0.01 m/dt Dimana ω nilai yang didapat dengan grafik kecepatan turun butir. Sehingga didapatkan: Lebar bak b = 3.4 m Panjang bak L = V.h/ω = 0.11x 1.3 / 0.01 = 14.3 m Perhitungan dimensi kantong pasir Kecepatan aliran pembilas direncanakan m/dt. Dan lebar dasar 0.6 m. Sehingga: A s = QQ = 0.80 = 0.4 m VV Perhitungan pipa pesat Perhitungan diameter pipa pesat Dalam perhitungan diameter pipa pesat digunakan perumusan USBR, namun sebelum perhitungan diameter, diperlukan perencanaan kecepatan aliran: V= 0.15 gg h = = 6.9 m/dt kecepatan dalam pipa pesat dibatasi -3 m/dt, sehingga: D = QQ 0.8 = = xxxxxxxx 0.5xxxxxx Direncanakan pipa dengan diameter D = 0.7, sehingga: QQ V = = xxxxxx DD 0.5xxxxxx 0.7 =.08 m/dt Perhitungan tebal pipa pesat Sehingga tebal pipa pesat adalah δδ = PP 0xxxx xx 0.7 = xxxxxx σσ bbbbbbbb xx0.9xx4xx106 = mm =.5 mmmm PP 0 = γγ xx h eeeeee = 1000 xx 157 = kkkk/mm φφ = koefisien kekuatan sambungan las (0.9) σσ bbbbbbbb = tegangan ijin baja Fe 360 = 40 MPa Namun untuk pipa dengan diameter kurang dari 0.8m disyaratkan untuk menggunakan pipa dengan diameter 5 mm, termasuk lapisan karat 1-3 mm Perhitungan posisi pengambilan Minimum Operation Level (MOL) harus memenuhi kriteria sebagai berikut: MOL = DD VV.08 = = 1.03 m gg xx9.81 Namun sebagai antisipasi, diperhitungkan MOL apabila kondisi Q 100 sebesar 0.5 m 3 /dt. QQ V = = xxxxxx DD 0.5xxxxxx 0.7 = 1.3 m/dt Dari Kecepatan tersebut didapatkan MOL: MOL = DD VV 1.3 = = 0.83 m gg xx9.81 Bak penenang berbentuk persegi sepanjang 10 m dengan lebar dasar 0.8 m dan kedalaman 1.98 m. Kecepatan aliran 0.5 m/dt saat debit andalan Q 80, dan kedalaman saat debit minimum Q 100 sebesar 1.31m dengan kecepatan aliran 0.48 m/dt.

5 Perhitungan elevasi MOL Tabel 3.5 Perhitungan Elevasi Bak Penenang Di dapatkan posisi MOL berada pada elevasi dan dasar pipa berada pada elevasi Kehilangan energi sebelum tangki peredam Kehilangan energi karena saringan kasar Dengan menggunakan profil baja bulat dengan diameter (s) 1cm dan jarak antar profil (b) 5cm, kehilangan energi yang terjadi adalah: h r = φφ( ss bb )4 3xx VV xxxxxxxxxx gg = 1.79( )4 3xx.08 xxxxxxxx90= 0.04 m xx9.81 φφ = koefisien profil = 1.79 α = sudut pemasangan saringan = Kehilangan energi pada entrance Dengan entrance berbentuk circular bellmouth, dengan (K e ) sebesar 0.05, sehingga kehilangan: H e = KK ee xx vv 1.57 = 0.05xx = m gg xx9.81 v = V pipa V bak penenang = = 1.57 m/dt Kehilangan akibat gesekan sepanjang pipa Angka reynold (Re) dari aliran, dimana: Re = DD.VV 6 = E = 0.7xx.08 vv 1.01xx10 = KKKK DD = =6.43x10-5 Dari diagram moody didapat f = 0.01 Sehingga kehilangan energi: H f = f. L. v = = 0.1 m D g 0.7 x9.81 Dengan : Ks = Koefisien kekasaran pipa baja = f = Koefisien gesek pipa Diketahui kehilangan energi total yaitu: H total = H r +H e +H f = = 0.17 m Perhitungan tangki peredam Kriteria penggunaan tangki peredam L/H >5 = Menggunakan tangki peredam 1746/157 = 11.1 > 5 Karena L/H>5, maka perlu digunakan tangki peredam Perhitungan tangki peredam metode Parmakian A. Menghitung diameter minimum A st = 1.6AA.LL = 1.6xx0.385xx31.4 = 0.06 m gg.cc.hh 0 xx9.81xx0.1xx156.8 D = (A st /0.5π) 0.5 = 0.8 Direncanakan dengan diameter 1 m B. Menghitung tinggi jagaan Dalam menghitung tinggi jagaan kita perlu menghitung elevasi muka air maksimum (bo) 0.5 bo =HHHHHH( AAAAAAAA LL )0.5/QQ 0 =0.39xx 0.785xx AA Hf = Losses pada pipa + (V 0 /g) = (.08 /x9.81) = 0.39 m As = Luas tangki peredam L = panjang pipa sampai tangki peredam Sehingga tinggi jagaan didapat: Upswing Sa = 1.05xbo xhf = 1.05x x0.39 =.15 m Downswing Sb = 0.88xbo xhf = 0.88x x0.39 = 1.98 m /0.8 = 0.15m Kehilangan energi setelah tangki peredam Kehilangan karena gesekan sepanjang pipa Desain serupa dengan pipa sebelum tangki peredam, sehingga nilai f = Sehingga: Tabel 3.10: Losses karena Gesekan Pipa Tiap Segmen Kehilangan energi karena belokan pipa Direncanakan: R = 7xD = 4.9 m K b untuk R/D = 7 adalah 0.08 Sehingga kehilangan energi : H l = K b. V = = g x9.81 Dengan 4 belokan sejenis, maka kehilangan energi: H l = 4 x = 0.07m Estimasi kehilangan energi total H total = Sb + H f + H l = = 8.58 m Estimasi tinggi efektif H eff = Elevasi MOL Elevasi Turbin - H total = m 3.3. Perencanaan Power House Pemilihan tipe turbin Pemilihan tipe turbin sebagai berikut: Gambar 3.5: Kriteria Pemilihan Tipe Turbin 5

6 Berdasarkan debit andalan yang digunakan sebesar 0.8 m 3 /dt dan tinggi jatuh efektif sebesar m, dipilih turbin pelton. Dan dengan menggunakan Grafik perbandingan debit dan efisiensi turbin (Gambar 3.6) didapatkan efisiensi turbin sebesar E = (PP 80+PP 90 ) xx 10%xx365xx4 = kwh E 3 = (PP 90+PP 100 ) xx 10%xx365xx4 = kwh Sehingga total energi yang diperoleh dalam 1 tahun: ΣE = E 1 + E + E 3 = kwh BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN Gambar 3.6 Grafik Debit dan Efisiensi Turbin Putaran spesifik dan putaran jenis turbin Dengan debit andalan 0.8 m 3 /dt, tinggi jatuh m, dan efisiensi pada turbin pelton sebesar 0.88, didapatkan daya sebesar: P = g x Q and x H eff x η T = 9.81 x 0.8 x x 0.88 = kw = HP Dari perhitungan tersebut, putaran jenis turbin didapat: Ns = NNNN PP HH eeeeee 5/4 N = rpm Umumnya frekuensi listrik generator sinkron di Indonesia 50 Hz. Sehingga jumlah katup didapat: N = 10ff pp pp = 8 Dengan jumlah katup (p) = 8 dan frekuensi (f) =50 Hz didapatkan kecepatan sinkron sebesar 14 rpm. Digunakan generator dengan rotor kutub sepatu Perhitungan energi listrik Total energi dihitung berdasarkan energi yang terdapat selama 80% dari 1 tahun Q 80, sebesar 10% dari rata-rata Q 80 dan Q 90, dan sisanya 10% dari rata-rata Q 90 dan Q 100 dari duration curve. Q 80 = 0.8 m 3 /dt Q 90 = 0.6 m 3 /dt Q 100 = 0.5 m 3 /dt Sehingga daya terpasang P 80 = ggggqq 80 xxhh eeeeee xx η = kw Ση = η t x η g x η tr = 0.79 η t = Efisiensi turbin = 0.88 η g = Efisiensi generator = 0.95 η tr = Efisiensi transformator = 0.95 Sehingga daya setiap debit disajikan dalam tabel Tabel 3.11 Daya yang Dihasilkan Maka energi yang diperoleh adalah E 1 = PP 80 xx 80%xx365xx4 = kwh 4.1 Kesimpulan Pusat Listrik Tenaga Minihidro merupakan alternatif yang sesuai untuk mengatasi kekurangan energi yang terjadi. Desain perencanaan PLTMH di afdeling Kali Suko, perkebunan Zeelandia PT PN XII, Jember adalah sebagai berikut: 1. Analisa debit Berdasarkan pengolahan data sekunder, data intensitas hujan bulanan rata-rata, didapat debit andalan yang akan digunakan sebagai PLTMH adalah sebesar 800 liter/detik.. Perencanaan bangunan pembangkit Bendung Material :Beton bertulang Tinggi : 1.5 m Panjang : 10 m Panjang kolam olak: 1.7 m Saluran pengambilan Kedalaman: 0.75 m Lebar : 0.6 m Kekasaran : 0.0 Kemiringan: 1% Pelimpah samping Lebar :.8 m Bak pengendap Kedalaman: 1.3 m Lebar : 3.4 m Kekasaran : 0.0 Panjang : 14.3 m Direncanakan menggunakan bak pengendap. 3. Kapasitas tenaga air Sesuai dengan beda elevasi pada topografi Kali Suko, dan telah dikurangi dengan kehilangan energi yang terjadi, maka didapat tinggi energi sebesar m dan menghasilkan energi sebesar kwh per tahun. DAFTAR PUSTAKA Kantong pasir Kedalaman: 0.65 m Lebar : 0.6 m Kemiringan: 1.4% Bak penenang Kedalaman: 1.98 m Lebar : 0.8 m Kekasaran : 0.03 Panjang : 10 m Pipa pesat Diameter : 0.7 m Tebal : 5 mm Turbin Jenis : Turbin Pelton Kecepatan spesifik : 11.4 Kecepatan jenis : 15 Generator Generator sinkron 50 Hz Jumlah katub: 8 Rotor : rotor kutub sepatu Anggrahini Hidrolika Saluran Terbuka. Surabaya:CV. Citra Media. Soekibat,R.S. 010.Sistim dan Bangunan Irigasi.Surabaya :Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Patty, O.F Tenaga Air. Jakarta:Erlangga. Ilyinykh, I Hydroelectric Stations. MIR Publisers Varsney, R.S.1977.Hidro Power Structure. nd edition. New Chand & Brosoorkee 6