PERANCANGAN TURBIN FRANCIS PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO SISTEM PENDINGIN DENGAN VARIASI PUTARAN KOMPRESOR

Transkripsi

1 PERACAGA TURBI FRACIS PEMBAGKIT LISTRIK TEAGA MIKRO HIRO SISTEM PEIGI EGA VARIASI PUTARA KOMPRESOR Studi Kau i ea Manggian Kecamatan Tanggul Kabupaten Jember Ade Wira K Program Sarjana Juruan Teknik Mein, Intitut Teknologi Sepuluh opember, Surabaya awix_i_ready@yahoo.com Abtrak Energi potenial air merupakan alah atu energi yang dapat terbaharui. Energi terebut dapat diolah menjadi energi litrik ecara makimal. Sehingga kita tidak perlu lagi bergantung pada energi dari bahan bakar foil yang mengalami krii keterediaan akhir-akhir ini. Salah atu bentuk energi potenial air yang belum termanfaatkan adalah air terjun di Sungai Antrokan di uun Sungai Tengah, ea Manggian, Kecamatan Tanggul, Kabupaten Jember. Sungai terebut memiliki tinggi jatuh air meter dan debit air 0, m /. Sehingga dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan energi litrik dengan menggunakan turbin air untuk memenuhi kebutuhan energi penduduk di ekitarnya. Perancangan turbin diawali dengan pemilihan jeni turbin berdaarkan data head (H dan kapaita (Q yang diperoleh. Setelah diketahui jeni turbin yang euai maka dapat dilakukan perancangan terhadap roda turbin (runner, udu pengarah (guide vane, rumah turbin (piral caing, erta draft tube. Pada perancangan ini dihailkan deain dari pentock, roda turbin (runner, udu diam (guide vane, rumah turbin (piral caing, draft tube, paak, dan bearing. Kata kunci : mikro hidro power, head, debit, roda turbin, udu diam, rumah turbin, draft tube I. Latar Belakang Saat ini energi litrik merupakan alah atu umber energi vital bagi kehidupan manuia, baik ektor rumah tangga, komerial, publik maupun indutri. Penyediaan energi litrik udah merupakan alah atu infratruktur yang wajib dipenuhi agar perekonomian uatu daerah dapat ditingkatkan. i ii lain, ketidakterediaan akan energi litrik merupakan alah atu indikator daerah tertinggal atau kemikinan. Sumber energi yang digunakan untuk pembangkit energi litrik aat ini ebagian bear beraal dari bahan bakar foil eperti minyak, ga dan batu bara. engan ketergantungan terhadap bahan bakar foil terebut mengakibatkan menipinya cadangan umber energi terebut, ketidaktabilan harga akibat laju permintaan yang lebih bear, polui ga buang, erta efek rumah kaca yang diebabkan dari pembakaran bahan bakar foil. Oleh karena itu pengembangan dan implementai umber tenaga terbarukan yang ramah lingkungan eperti tenaga air perlu mendapatkan perhatian eriu dari berbagai pihak. Berbagai kebijakan atau peraturan telah dikeluarkan oleh pemerintah untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar foil. Kebijakan Umum Bidang Energi (KUBE tahun 980 dan Keputuan Menteri Pertambangan dan Energi o. 996.K//MPE/999 tentang priorita penggunaan bahan bakar terbarukan untuk produki litrik yang hendak dibeli PL. Peraturan Preiden RI o. Tahun 00 tentang penugaan kepada PT. PL untuk melakukan percepatan pembangunan pembangkit tenaga litrik yang menggunakan energi terbarukan. Akan tetapi kebijakan terebut belum dilakanakan ecara makimal ehingga tidak dapat memenuhi kebutuhan yang diharapkan. Hal ini terbukti dari data propori penggunaan energi ebagai pembangkit tenaga litrik pada tahun 00 yang menunjukkan propori penggunaan energi batu bara ebear 7%, ga %, pana bumi 7%, tenaga air ebanyak 8%, dan BBM ebear % ebagai umber tenaga. Sehubungan dengan peningkatan kebutuhan energi litrik erta keterbataan pemerintah (PL dalam penyediaan energi litrik, eungguhnya di Indoneia khuunya di Jawa Timur memiliki poteni umber energi terbarukan dalam jumlah yang banyak. Sumber energi ini berupa terjunan air dimana alah atunya adalah poteni dari Sungai Antrokan di uun Sungai Tengah, ea Manggian, Kecamatan Tanggul, Kabupaten Jember. Sumber energi terebut dapat dimanfaatkan untuk pembangkit litrik tenaga mikro hidro dengan menggunakan turbin air untuk memenuhi kebutuhan energi penduduk di ekitarnya.

2 Seperti diketahui bahwa turbin air adalah uatu mein yang menghailkan energi mekanik berupa putaran poro dengan memanfaatkan energi potenial air. Energi ini elanjutnya diubah menjadi bentuk energi lain eperti energi litrik. Pada perancangan turbin, jeni dan dimeni angat tergantung dari kondii head dan kapaita yang teredia. Agar diperoleh efiieni optimum, maka turbin air yang beroperai pada uatu lokai tertentu akan mempunyai deign yang peifik (tipe maupun dimeni yang bebeda di tiap lokai. Melihat kondii di ata maka akan angat bermanfaat bila dalam tuga akhir ini dilakukan uatu perancangan turbin air ebagai pembangkit litrik tenaga mikro hidro euai dengan kondii lokai. II. Tinjauan Putaka Secara ederhana Turbin Air adalah uatu alat penggerak mula dengan air ebagai fluida kerjanya yang berfungi mengubah energi hidrolik dari aliran air menjadi energi mekanik dengan cara mengubah moment of momentum aliran menjadi moment puntir (tori poro, ehingga menghailkan energi mekanik poro. Perangkat turbin terdiri dari beberapa bagian, diantaranya roda turbin yang merupakan unit yang bergerak (rotor dan unit diam (tator yang terdiri dari udu diam, rumah turbin, dan draft tube. ari energi mekanik yang dihailkan di poro akan ditranmiikan ke generator untuk mendapatkan energi litrik. Untuk membedakan jeni turbin dilakukan penggolongan berdaarkan beberapa faktor pembeda. alam hal ini egi-egi hidrolik angat berperan, diantaranya adalah: a. perubahan tekanan b. arah aliran c. tinggi jatuh air d. kapaita aliran /ebit (Q e. daya ( f. putaran peifik ( Faktor-faktor di ata akan diuraikan ebagai berikut: A. Penggolongan Berdaarkan Perubahan Tekanan [] Berdaarkan tekanan turbin dibagi menjadi dua tipe, yaitu :. Turbin Impul / Turbin Aki (tanpa tekanan Turbin impul / aki memanfaatkan energi kecepatan (energi kinetik berupa pancaran air melalui nozzle dengan kecepatan tinggi. Turbin jeni ini diebut turbin tanpa tekanan, karena perubahan tekanan hanya terjadi pada nozzle aja dan udu geraknya beroperai pada tekanan atmofir.. Turbin Reaki (dengan tekanan Turbin reaki memanfaatkan perubahan tekanan dimana perubahan tekanan terjadi pada guide vane dan runner. Pemanfaatan perubahan energi kinetik juga ada, namun kurang mendominai. Turbin reaki beroperai terendam di dalam air. Oleh karena itu pada ii mauk dan keluar turbin mempunyai tekanan lebih bear daripada tekanan udara luar. Contoh turbin reaki adalah Turbin Franci, Turbin Propeler dan Turbin Kaplan. B. Penggolongan Berdaarkan Arah Aliran [] Penggolongan turbin berdaarkan arah aliran mauk dan keluar roda turbin dalam hubungannya dengan poro, tanpa menghiraukan arah aliran irkular (circular flow air di ekitar poro, yaitu:. Turbin aliran akial : aliran air ejajar terhadap umbu poro, mialnya Turbin Propeller.. Turbin aliran radial keluar : aliran air melalui roda jalan tegak luru terhadap poro dari dalam keluar, mialnya Turbin Fourneynon.. Turbin aliran radial ke dalam : aliran air melalui roda jalan tegak luru terhadap poro dari luar ke dalam, mialnya Turbin Franci putaran rendah.. Turbin aliran berubah (mixed flow : aliran air berubah dalam ruang roda jalan dari radial ke akial, mialnya Turbin Franci.. Turbin aliran tangenial : aliran tegak luru terhadap jari-jari, mialnya Turbin Pelton. C. Penggolongan Berdaarkan aya, Tinggi Jatuh, dan ebit yang mengalir Berdaarkan daya yang dihailkan, tinggi jatuh air, dan debit yang mengalir per detiknya, jeni-jeni turbin [] dapat digolongkan ebagai berikut : a. Turbin Mini Mikrohidro, contohnya kincir air. b. Turbin Mikrohidro, untuk Head rendah contohnya Turbin Kaplan dan Turbin Franci putaran rendah. Untuk Head tinggi, contohnya Turbin Pelton. c. Turbin Hydropower, adalah turbin air dengan daya tinggi yang mampu menghailkan daya diata 0 MW tiap unit. Contohnya Turbin Kaplan dan Pelton.. Penggolongan Berdaarkan Putaran Speifik Putaran peifik merupakan putaran turbin model (turbin yang bentuknya ama tetapi dengan kala yang berbeda yang menghailkan daya atu Hore Power (Hp untuk head atu meter kolom air yang bekerja pada efiieni makimum. Putaran peifik ( dapat dihitung menggunakan peramaan berikut : n. [6], ( H

3 Tabel.. Jeni Turbin Berdaar Putaran Speifik. Turbin Franci merupakan turbin jeni reaki yang bekerja karena tekanan pada roda turbin yang menyebabkan roda turbin berputar dimana aliran air melalui rumah keong yang diarahkan dengan udu pengarah menuju udu jalan dari roda turbin aya yang dihailkan oleh turbin dapat diatur dengan cara mengatur poii udu diam, ehingga aliran air yang menumbuk roda turbin dapat diatur. Prinip kerja dari turbin franci ialah memanfaatkan energi tinggi jatuh air untuk memutar roda turbin. Roda turbin berputar akibat dari cairan yang ada diantara udu roda turbin yang memiliki energi mekani, partikel cairan ini memiliki kecepatan keliling U yang arahnya menyinggung lingkaran. Akibat dari kecepatan keliling ini menimbulkan gaya entrifugal, dengan meningkatnya gaya entrifugal membuat partikel cairan bergerak menuju puat dari roda turbin dengan kecepatan relative W yang arahnya menyinggung permukaan udu. Sedangkan kecepatan abolute C merupakan penjumlahan geometri dari U dan W. Tahapan dalam uatu perancangan dari Turbin Franci digunakan beberapa metode yaitu dengan menggunakan metode empirik pada rumah turbin dan draft tube yang dirumukan oleh desiervo dan deleva (976 erta menggunakan metode point by point pada roda turbin. III. Metodologi.. Perancangan Pentock Pada perancangan pentock yang digunakan untuk perancangan Turbin Franci Mikro Hidro Power ini menggunakan pipa PVC. alam pemilihan dimeni pentock ini dikarenakan dua factor berikut ini, yaitu : Bata kecepatan aliran di dalam pipa berbahan PVC adalah m/. Berdaarkan dimeni pipa PVC yang umum teredia di paaran... Pemilihan Jeni Turbin ari data inputan yang diperlukan untuk merancang turbin, telah didapatkan debit aliran (Q, ketinggian jatuh ( Z, efiieni perancangan (η t, dan putaran turbin yang dibutuhkan untuk menggerakkan generator (n. Serta propertie lain yang didapat dari tabel tandardiai dan beberapa ukuran yang telah ada pada literatur. Maka dapat diuraikan langkah-langkah perhitungan untuk mendapatkan putaran peifik ( guna menentukan jeni turbin yang akan dirancang. Gambar. berikut ini adalah diagram alir untuk menghitung putaran peifik ( turbin : Mulai panjang pentock (l, diameter internal pentock (, debit (Q, perbedaan ketinggian (?Z, loe coefficent fitting perpipaaan (K, Le/ fitting perpipaan, maa jeni air tawar (?, efiieni turbin (?t, vikoita kinematik air tawar (µ Friction Head Head Lo Mayor h l f l Kecepatan Aliran Rata-rata dalam Pentock Q V π Head Turbin H Z h + h + h + h + h ( l lme lmpb lmg lmel aya Turbin Q H ρ g η Putaran Speifik nturbin / H Seleai Gambar.. Flowchart Perhitungan Putaran Speifik (.. Perancangan Runner (Roda Turbin Setelah didapat nilai putaran peifik dari perhitungan di ata, maka dapat ditentukan jeni dari turbin dengan melihat tabel. [ 6] Jeni turbin berdaarkan putaran peifik. Apabila telah diketahui jeni dari turbin yang akan dirancang maka kita dapat mencari dimeni dari runner atau roda turbin. Gambar. berikut ini adalah diagram alir untuk menghitung dimeni runner atau roda gerak turbin yang dirancang : t Head Lo Minor Entrance V h lm K g Head Lo Minor Pipe Bend Le V h lmpb f g engan f berdaarkan perhitungan hl Head Lo Minor Gate Valve V h lmg K g Head Lo Minor iffuer V h lmd K g

4 Mulai (daya turbin, (putaran peifik, Q (debit, H (head turbin, n (putaran turbin Mulai Putaran peifik (, iameter Keluaran ( A G 96, 0,89 + Perkiraan diameter poro h, Kt Cb T τ a iameter hub h (,,h Q dari gambar. iameter outlet Q Q H iameter inlet treamline entral A, ß, dari gambar. untuk tertentu ' B/ dari gambar.7 Lebar Roda Turbin B B / A 9,, B,, + 8 C 9,, + 8,, + 8 E 6. 0, F, + I L M 0, + 0,0006 0,88 + 0,0009 0,6 + 0,0000 Menggambar Spiral Caing (Rumah Turbin Seleai Menentukan A dengan menggunakan metode grafi pada oftware autocad KC m dan KC m dari gambar.8 Kecepatan Meredional C Kc g H m / m/ engan mengaumikan ß dan menggunakan metode tabel didapatkan (r, C m, ß, Mt,? untuk etiap treamline. A Gambar.. Flowchart Perhitungan imeni Rumah Turbin.. Perancangan Guide Vane (Sudu iam Perancangan udu diam dilakukan berdaarkan dimeni rumah turbin yang telah dilakukan ebelumnya. Hal ini dilakukan karena udu diam merupakan bagian dari rumah turbin atau piral caing. Junlah udu roda turbin r m β + β Z in( e Menggambar Runner (Roda Turbin Seleai Gambar.. Flowchart Perhitungan imeni Roda Turbin.. Perancangan Spiral Caing (Rumah Turbin Pada perancangan rumah turbin, digunakan metode empirik yang dirumukan oleh desiervo dan deleva (976 dengan berdaar pada putaran peifik ( dan diameter keluaran turbin (. imeni dari rumah turbin dapat ditentukan dengan peramaan pada gambar. berikut:

5 Mulai imeni Rumah Turbin (G iameter inlet ring guide vane (G iameter outlet ring guide vane ( Jumlah Guide Blade Z ' + ( 6 Grafik The Guide Vane Maximum Angle a 0 at Full Load Fungi Putaran Speifik ( iameter peletakkan Guide Vane Shaft (0,9 0 Ω +,07 Menentukan penampang dari guide blade Menggambar Guide Vane Mulai Putaran peifik ( iameter keluaran ( P 0., + O 0, 0,8+ 7 S T,7 0,0006 Q, 0,8 + 6 R 0,, U 0,, + 0,0009 0, 0,0007 V,,0 + 7 Z.,6 + 8 Menggambar raft Tube Seleai Gambar.. Flowchart Perhitungan imeni raft Tube Seleai Gambar.. Flowchart Perancangan Sudu iam.6. Perancangan raft Tube Pada perancangan draft tube juga digunakan metode empirik eperti halnya pada perancangan rumah turbin..7. Perancangan Paak Pada perancangan paak jeni paak yang digunakan adalah quare key. Bila poro berputar dengan tori (T tertentu akan menghailkan gaya F yang bekerja pada diameter terluar dari poro. Sehingga gaya F inilah yang akan bekerja pada paak. Gaya F inilah yang menimbulkan tegangan geer dan tegangan komprei pada paak. Syarat paak dikatakan aman Syp terhadap tegangan geer adalah S. Sedangkan f yarat paak dikatakan aman terhadap tegangan Scyp komprei adalah S c. Berdaarkan tabel dimeni f untuk quare dan flat taper tock key dari buku eutchman, Aaron., Michel, Walter J., and Wilon, Charle E. Machine eign theory and practice, untuk diameter poro ebear h maka paak memiliki dimeni lebar (W tinggi (H tertentu.

6 IV. PERACAGA TURBI.. ata Input Perancangan ata awal yang dipakai ebagai parameter dalam perancangan Turbin Franci ini diantaranya ebagai berikut :. Tata letak lokai rencana PLTMH uun Sungai Tengah, ea Manggian, Kecamatan Tanggul, Kabupaten Jember.. Pipa peat dengan peifikai : a Material : Thermoplatic PVC (Polyvinyl Chloride pipe Schedule 80 [6] b Panjang : 0 m c iameter : External diameter : inch Internal diameter :,8 inch (berdaarkan tandard dimenion and weight of PVC - Polyvinyl Chloride - and CPVC - Chlorinated Polyvinyl Chloride - pipe according [6] ASTM 78. ebit Q 0, m /. Ketinggian jatuh air (Gro Head Z m []. Efiieni turbin η t 0, 8 6. Putaran turbin n 7 rpm 7. Fluida kerja air tawar, dengan propertie : T C [9] ρ 997, kg/ m µ 8,9.0 / m Aumi yang digunakan : a Incompreible flow b Steady flow.. Pemilihan Jeni Turbin Pemilihan jeni turbin didaarkan pada putaran peifik (. Untuk mendapatkan nilai putaran peifik maka dilakukan perhitungan berdaarkan daya turbin (, Head netto turbin (H, dan putaran turbin (n. Adapun tahapan perhitungan untuk mendapatkan putaran peifik adalah ebagai berikut :. Perhitungan netto Head Turbin (H : a. Perhitungan Head lo mayor pada pipa peat alam perancangan Turbin Franci ini, dimeni, bahan, dan debit yang mengalir pada pipa peat telah ditentukan ebelumnya. Maka perhitungan untuk Head lo mayor didaarkan pada tabel friction lo and flow velocity in PVC and CPVC pipe Schedule 80 yang terdapat pada lampiran. ari tabel terebut untuk debit ebear 0, m / dan diameter luar pipa inch dapat diperoleh :. Kecepatan aliran (V 7,0 ft/, m/. Friction Head 0,9 Panjang pipa ft 0 m 6, 0 ft 0,08m Head lo mayor 0, 08m h l 6,0 ft 0,9 ft h l 0, 776m b. Perhitungan Head lo minor pada pipa peat H lm h lme + h lmpb + h lmg + h lmel imana : h lme : head lo minor pada entrance, dengan K 0, h lmpb : head lo minor pada pipe bend, Le dengan h lmg : head lo minor pada gate valve, dengan K 0, h lmd : head lo minor pada diffuer, dengan K 0, Sehingga : Head lo minor Le V K + f + K + K g dimana untuk mendapatkan nilai friction factor (f didapatkan dari perhitungan Head lo mayor ebelumnya : l V h l f g 0m (,m / 0,776m f 0,m 9,8m / f 0,07 maka : Head lo minor 0, + 0,07 + 0, ( ( + 0, ( (,806 ( 0,78 m,m / 9,8m /,m / 9,8m /

7 P V P V + + Z H + + Z + hl γ g γ g P P V V + + Z Z hl γ g dimana : P P P atm V V 0 m/ ehingga akan didapatkan : H Z Z hl H Z ( h l + Σhlm H m (0,776m + 0,78m H,7 m H. iameter hub ( h (,, h h 08. iameter keluaran roda turbin ( Q Q' H 0,78m. Perhitungan daya yang dapat dihailkan oleh turbin: Q H ρ g ηt 0,m /,7m 997,kg / m 9,8m / 060,6 Watt 0,606 kwatt. ilai putaran peifik dari turbin : n (H 7rpm 0,60 (,7m 69, Perancangan Runner (Roda Turbin. iameter Poro ( h /, h K t Cb T τ a 0,8. iameter maukan central treamline ( A β 90. > A > A 790. Lebar roda turbin (B B < B B / 7,0 6. iameter keluaran central treamline ( A imana : K t : faktor koreki ;,- C b :,, τ : 6, kg/ a h,,, 6967,8 6, 77,7 80 / A,866.

8 7. Meredional Velocity (C m C K gh,96 m Cm Cm K Cm gh,9 8. Menentukan kelengkungan udu (θ Untuk mendapatkan udut kelengkungan (θ guna untuk membentuk profil lengkungan dengan menggunakan metode tabel yang diambil dari ouble Curvature Method 9. Menentukan jumlah udu (Z rm β + in β Z e Mt r m, dari ouble Curvature Method e Z 7,97 8 buah.. Perancangan Guide Vane (Sudu iam a Jumlah Guide Blade Untuk menghitung jumlah guide blade digunakan peramaan : Z l ' + ( 6 dimana ' + (0 00 ' (0 00 ' 80 maka, 80 + ( 6 Z l Z l, buah guide blade b Outlet Blade Angle outlet blade angle ebear,º. c iameter range peletakkan guide vane 0 (0,9Ω +,07 Ω ω Q. π. n ω 60 Q 0,m / 0,08 9,8m /,7m (0,9 (0,708 +,07 907,8 0.. Perancangan raft Tube 0,, + 79, ,7 a O 0,8 + O,6 P,7 0,0006. P 0,0 0 b (,6 c Q 0,8 + Q 706, ,00 d R,6 R,7 e S 9,8 + 0,. S 6667, f T (, + 0,0009. T 8,9 8 g U ( 0, 0,0007. U 60,9 6,7 h V, + V 6, 6,8 i Z,6 + Z 7, 8 V. Keimpulan

9 a. Kondii Operai. Pipa peat dengan peifikai : i. Panjang : 0 m ii. iameter : a External diameter : inch b I nternal diameter :,8 inch (berdaarkan tandard dimenion and weight of PVC - Polyvinyl Chloride - and CPVC - Chlorinated Polyvinyl Chloride - pipe according ASTM 78. ebit Q 0, m /. Ketinggian air jatuh (Gro Head Z m. Efiieni turbin η t 0, 8. Putaran turbin n 7 rpm 6. Fluida kerja air tawar, dengan propertie : ρ 997, kg/ m µ 8,9.0 / m 80 O P 0 Q 707 R S 6668 T 8 U 6 V 6 Z 8 e Poro. Panjang 60 cm. iameter (h 8 cm f Paak. Panjang (L cm. Lebar (W / inch. Tinggi (H /. Tipe Square Key b. Kontruki a Roda Turbin (Runner. iameter poro ( h 80. iameter hub ( h 08. iameter keluaran 78 runner (. iameter maukan 790 central treamline ( A. Lebar roda turbin (B 7,0 6. iameter keluaran,866 central treamline ( A 7. Jumlah udu turbin (Z 8 buah b Rumah Turbin (Spiral Caing A 7 F B 7 G 87 C 8 I 7 E 79 L 76 M 7 c Sudu iam (Guide Vane. Jumlah Guide Blade (Z l buah. Outlet Blade Angle (α 0.º. iameter range peletakkan guide vane ( 0 907, d raft Tube