BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Transkripsi

1 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian dan pengambilan data dilakukan selama 2 hari pada tanggal 1-2 Februari 2016 di PLTA TanggaPT. Inalum Power Plant (IPP) di Paritohan, Kecamatan Pintu Pohan Meranti, Kabupaten Tobasa, Sumatera Utara. 3.2 Alat dan Bahan Alat Alat ukur yang digunkan untuk memperoleh data yang akan dihitung di PLTA TanggaPT. Inalum Power Plant (IPP) yaitu sebagai berikut: Guide Vane Meter, digunakan untuk mengukur besarbukaan sudu pengarah (Guide Vane Opening/GVO) pada turbin. Pembacaan data dilakukan secara manual di Turbin Pit yang ditampilkan dalam skala mm. Gambar 3.1 di bawah ini menujukkan gambar guide vane meter. Gambar 3.1Guide Vane Meter

2 (Sumber: Foto suvei lapangan PLTA Tangga PT IPP) Ultrasonic Flowmeter, digunakan untuk mengukur debit airyang masuk ke turbin. Besarnya debit aliran yang dibaca oleh Ultrasonic Flowmeterdisampaikan kedischarge Meter Tunnel yang berfungsi mengubah data dalam bentuk digital. Ultrasonic Flowmeterditunjukkan pada Gambar 3.2 di bawah ini. Gambar 3.2 Ultrasonic Flowmeter (Sumber: e.pdf) Spesifikasi dari alat ini yaitu sebagai berikut: Tipe : UFP-700B Pembuat : TOKIMEC No. Manajemen : 1024R Frekuensi : 0,4 MHz Metode : Z-Method

3 Power Meter, digunakan untuk mengukur besarnya daya yang dihasilkan oleh generator. Setiap unit turbin memiliki Power Meter dan data yang dihasilkan akan dibaca di Local Control Room (LCR). Spesikasi dari alat ini yaitu sebagai berikut: Tipe : 3331 Pembuat : HIOKI Termometer, digunakan untuk mengukur suhu air yang masuk ke turbin. Hasil pengukuran dilakukan secara manual dan disampaikan ke Turbin Pit. Gambar 3.4 berikut ini adalah Precise Mercury Thermometer. Gambar 3.4 Precise Mercury Thermometer (Sumber:

4 Spesikasi dari alat ini yaitu sebagai berikut: Tipe No. Manajemen : Precise Mercury Thermometer : IG408 Alat yang digunakan untuk mengolah data dari PLTA TanggaPT. Inalum Power Plant (IPP) yaitu sebagai berikut: Laptop, digunakan untuk mengolah data dari alat pengukur dengan menggunakan software yang sudah dipasang pada laptop. Gambar 3.5 berikut ini adalah laptop yang digunakan penulis. Gambar 3.5 Laptop Spesifikasi dari alat ini adalah sebagai berikut: Tipe :N43S Pembuat : Asus Sistem Operasi:Windows 7 Ultimate 32-bit (6.1, Build 7600) CPU : Intel Core i5-2450m 2.5 GHz Memory : 4 GB

5 Software Microsoft Office Excel 2010, digunakan untuk mengolah data yang disajikan dalam bentuk tabel dan grafik. Software ini digunakan penulis untuk mengolah data penelitian (head losses dan kavitasi) karena dapat lebih mudah dalam melakukan penghitungan data, terutama dalam bentuk tabel dan grafik. Gambar 3.6 ini adalah tampilanscreenshotsoftware Microsoft Office Excel 2010 yang dipakai penulis. Gambar 3.6 Screenshot Software Microsoft Office Excel 2010 Software Pipe Flow Expert V 6.39, digunakan untuk menghitung head losses pada pipa dan komponen-komponen pendukungnya pada \turbin.adapun metode penghitungan yang digunakan program ini yaitu sebagai berikut: a. Memakai prinsip persamaan kontinuitas aliran dan hukum konservasi energi. b. Head Losses dihitung dengan menggunakan persamaan Darcy- Weisbach c. Faktor gesekan dihitung dengan menggunakan persamaan Colebrook-White

6 Gambar 3.7 berikut ini adalah gambar Screenshot Software Pipe Flow Expert V Gambar 3.8. Pipe Flow Expert V Bahan Bahan yang digunakan adalah data yang diperoleh dari Departemen Operasi (Seksi PTE/Power Techincal Development & Engineering) dan Departemen Maintenance (Seksi PMN/Power Maintenance) di PLTA Tangga P.T. Inalum Power Plant (IPP) di Paritohan, Kecamatan Pintu Pohan Meranti, Kabupaten Tobasa, Sumatera Utara, serta pustaka-pustaka yang mendukung penelitian. Data yang digunakan dalam pengujian ini terbagi menjadi dua, yaitu: a. Data primer, merupakan data yang diperoleh dari di PLTA Tangga P.T. Inalum Power Plant (IPP), seperti: spesifikasi lengkap turbin Francis vertikal (gambar kerja), head maksimum, debiat air masuk turbin, suhu, dan tekanan di sisi masuk pipa isap turbin.

7 b. Data sekunder, merupakan data yang bersumber dari pustaka-pustaka yang mendukung penelitian, seperti: resistance coefficient untuk penghitungan kerugian head mayor, roughness coefficient untuk penghitungan kerugian head minor, tabel physical properties of water untuk memperoleh nilai massa jenis, viskositas kinematik, tekanan penguapan pada air yang yang mengalir ke turbin, sertarumus-rumus (Hazen-Williams, rumus kerugian head minor) yang dipakai untuk perhitungan di penelitian. 3.3 Instalasi Penelitian Turbin yang diteliti dalam instalasi penelitian ini adalah Turbin Francis Vertikal Unit-4 PLTA Tangga PT. Inalum Power Plant (IPP). Unit 4 dipilih dari total 4 unit lainnya dimana unit turbin ini memiliki spesifikasi sebagai berikut: Permbuat : Toshiba (2010) Standarisasi : JEC Tipe : VF-IRS (Vertical Shaft Francis) Kecepatan Putaran : 333 rpm Head Maksimum : 245,9 m Head Normal : 241,4m Head Minimum : 214,2 m Daya Turbin Maksimum : 83 MW Daya Turbin Normal : 81 MW Daya Turbin Minimum : 71 MW Gambar sederhana 3 dimensi instalasi penelitian pada skripsi ini ditunjukan pada gambar 3.9 berikut ini.

8 Gambar 3.9. Gambar Sederhana Instalasi Turbin Tangga 3.4 Metode Pengolahan Data Metode pengolahan data yang dipakai dalam penelitian ini terbagi menjadi dua, yaitu: a. Metode Analisis Perhitungan Metode analisis perhitungan ini menggunakan rumus-rumus yang bersumber dari pustaka. Adapun rumus yang dipakai seperti: Persamaan Hazen-Williams, rumus head losses minor, dan persamaan kontinuitas. Penghitungan dengan menggunakan rumus-rumus tersebut dilakukan di Software Microsoft Office Excel 2010 sehingga data hasil perhitungan dapat ditampilkan dalam tabel dan grafik. b. Metode Simulasi Metode simulasi dilakukansebagai pembanding dengan hasil dari metode analisis perhitungan sehingga diperoleh nilai galat. Metode simulasi dalam

9 penelitian ini menggunakan dua software, yaitu Software Pipe Flow Expert V 6.39 (simulasi head losses). 3.5 Prosedur Penelitian Prosedur penelitian dalam skripsi ini dibagi menjadi dua diagram alir (Flow Chart), yaitu sebagai berikut: a. Diagram alir penelitian (Metode Analisis Perhitungan) b. Diagram alir penelitian (Metode Simulasi dengan Software Pipe Flow Expert V Gambar 3.10 berikut ini adalah diagram alir penelitian (Metode Analisis Perhitungan). Mulai Survey Lapangan di PLTA Tangga Unit 4 Pengambilan Data Besar bukaan sudu pengarah: GVO (mm) Debit aliran air masuk turbin tiap GVO: Qt (m 3 /s) Koefisien kekasaran pipa: C Diameter pipa: D (m) Dihitung Roughness Coefficient tiap komponen pipa: K Dihitung: Kerugian head minor tiap GVO: hm(m) Kerugian head total tiap GVO: h (m)

10 Jaringan pipa disimulasikan menggunakan software Pipe flow Expert Data dianalisa untuk memperoleh ralat kerugian head Dihitung daya air (WHP) dan daya turbin (BHP) Dihitung efisiensi Trbin Francis Vertikal Unit 4 PLTA Tangga Kesimpulan Selesai Gambar 3.10 Diagram Alir Penelitian (Metode Analisis Perhitungan) Adapun diagram alir penelitian (Metode Simulasi dengan Expert V 6.39) dapat kita lihat pada gambar 3.11 berikut ini Software Pipe Flow Mulai Pengaturan satuan (Unit: Metrik) Suhu fluida: T( o C) Tekanan fluida: p(bar g) Massa jenis: ρ (kg/m 3 ) Tekanan uap jenuh: pv (kpa) Surface pressure: p (bar g)

11 Pembuatan sistem instalasi pipa (Add Pipes): Head Race Tunnel, Penstock #1, #2, #3, dan #4 Panjang pipa (Length) (m) Internal diameter (m) Pembuatan kelengkapan pipa (Add Fittings): Entrance, Gate Valve, Wye Branch, Bending 90 o, Elevasi tiap pipa (Elevation of joint): EL (m) Debit aliran alir masuk turbin Klik Calculate Tidak Result Ya View Result Drawing: Kerugian Head Mayor: hf(m) Selesai Gambar 3.11 Diagram Alir Penelitian Simulasi Software Pipe Flow Expert V 6.39

12 BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISISHASIL PERHITUNGAN 4.1 Hubungan Antara Bukaan Sudu Pengarah (GVO) Terhadap Debit Air Masuk Turbin Data bukaan sudu pengarah (Guide Vane Opening/GVO) terhadap debit air masuk turbin (QT) di bawah ini merupakan hasil pengujian Turbin Francis Vertikal Unit-4 PLTA Tanggayang dilakukan oleh P.T. Inalum Power Plant (Persero) pada tanggal 13 Agustus 2012 (lampiran 2). Bukaan sudu pengarah (GVO) yang dipakai ada sembilan variasi, yaitu sebesar 102 mm; 132 mm; 161 mm; 168 mm; 176 mm; 183 mm; 186 mm; 191 mm; dan 195 mm. Adapun angka-angka tersebut didapat dari Guide Vane Meter, dan pembacaan data dilakukan secara manual di Turbin Pit yang ditampilkan dalam skala mm. Hubungan antara bukaan sudu pengarah (GVO) dengan debit air masuk turbin (QT) ditunjukkan pada tabel 4.1 di bawah ini. Tabel 4.1Hubungan bukaan sudu pengarah (GVO)dan debit air masuk turbin (QT) GVO (mm) QT (m 3 /s) , , , , , , , ,385

13 195 38,22 Berikut ini adalah grafik hubungan bukaan sudu pengarah (GVO)dan debit air masuk turbin (QT) yang ditunjukkan pada gambar GVO vs Q T QT (m3/s) GVO (mm) Gambar 4.1. Grafik Hubungan Antara Bukaan Sudu Pengarah (GVO) dan Debit Air Masuk Turbin (QT) Grafik pada gambar 4.1 menunjukkan bahwa semakin besar bukaan sudu pengarah (GVO) maka debit air masuk turbin (QT) akan semakin besar. Hal ini disebabkan oleh semakin besar GVO maka sudu pengarah (guide vane), yang menutup air yang masuk sebelum masuk ke turbin, semakin terbuka. Jika semakin besar bukaannya maka semakin banyak air yang masuk (debit air masuk/qt). 4.2 Perhitungan Kerugian Head pada Tiap GVO

14 Kerugian head yang dihitung dalam penelitian ini yaitu kerugian head dari gate valve sampai inlet valve Turbin Francis Vertikal Unit-4PLTA Tangga PT. Inalum Power Plant (IPP). Penulis menggunakan dua metode untuk menghitung kerugian head, yaitu menghitung kerugian head dengan metode analisis perhitungan dari persamaan Hazen-Williams dan dengan metode simulasi dari Software Pipe Flow Exper V Kerugian Head Mayor (Perhitungan) Perhitungan kerugian head mayorpada pipa di PLTA TanggaPT. Inalum Power Plant (IPP) digunakan persamaan Hazen-Williams, seperti yang dituliskan pada persamaan Pada penelitian ini tidak bisa digunakan persamaan Darcy- Weisbachkarena pada diagram Moody,yang digunakanuntuk mencari faktor gesekan dalam persamaan Darcy-Weisbach, tidak mencakup untuk pipa yang berdiameter sangat besar. Hal tersebut terbukti dari diagram Moody yang terbatas untuk interpolasi antara nilai relative roughness(ε/d= 0, sampai 0,05), bilangan Reynolds (Re= 10 3 sampai 10 8 ), dan faktor gesekan (f= 0,008 sampai 0,1). Diagram Moody dapat dilihat pada lampiran 1. Jadi digunakan persamaan Hazen- Williamsyang cocok untuk perhitungan kerugian head mayor di pipa di PLTA TanggaPT. Inalum Power Plant (IPP). Berikut ini adalah perhitungan untuk nilai bilangan Reynolds dan nilai relative roughness pada pipa di PLTA TanggaPT. Inalum Power Plant (IPP) yang diambil dari ukuran pipa terkecil dengan bukaan sudu pengarah (GVO) terkecil hingga ukuran pipa terbesar dengan GVO terbesar. Diketahui : Massa jenis air o C) = 996,5 kg/m 3 (dari lampiran 4) Viskositas air o C) = 8,88 x 10-4 Ns/m 2 (dari lampiran 4) Nilai kekasaran pipa (εs.steel) = 0, m (dari lampiran 3) Ditanya :Redanε/Ddari ukuran pipa terkecil dengan bukaan sudu pengarah (GVO) terkecil hingga ukuran pipa terbesar dengan GVO terbesar? Penyelesaian:

15 Bilangan Reynolds dan nilai relative roughness pada pipa di PLTA Tangga dengan diameter terkecil (D = 2,6 m) dan GVO terkecil (102 mm) (di Penstock #4) 4,251 Re = ρvd 996,8. ( μ = 0,785.2,62). 2,6 8, = ,77 ε D = 0, = 0, ,6 Bilangan Reynolds dan nilai relative roughness pada pipa di PLTA Tangga dengan diameter terbesar (D = 6,1 m) dan GVO terkecil (102 mm) (di Head Race Tunnel) 4,251 Re = ρvd 996,8. ( μ = 0,785.6,12). 6,1 8, = ,5085 ε D = 0, = 0, ,1 Bilangan Reynolds dan nilai relative roughness pada pipa di PLTA Tangga dengan diameter terkecil (D = 2,6 m) dan GVO terbesar (195 mm) (di Penstock #4) 42,14 Re = ρvd 996,8. ( μ = 0,785.2,52). 2,6 8, = ε D = 0, = 0, ,6 Bilangan Reynolds dan nilai relative roughness pada pipa di PLTA Tangga dengan diameter terbesar (D = 6,1 m) dan GVO terbesar (195 mm) (di Head Race Tunnel) 42,14 Re = ρvd 996,8. ( μ = 0,785.62). 6,1 8, = ε D = 0, = 0, ,1

16 Berdasarkan nilai bilangan Reynolds(Re) dan nilai relative roughness (ε/d)pada pipa di PLTA Tangga diketahui bahwa untuk GVO terkecil maka nilai friction factor (f) pada diagram Moody dapat diinterpolasikan, sedangkan untuk GVO terbesar tidak dapat diinterpolasikan karena tidak tercakup pada diagram Moody. Jadi dalam metode analisis perhitungan hanya dapat digunakan persamaan Hazen-Williams yang dapat menghitung kerugian head mayor pada GVO terkecil dan terbesar. Jika ingin menghitung kerugian head mayor pada GVO terkecil dan terbesar dengan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach dan Colebrook-White maka dapat digunakan Software Pipe Flow Expert V Persamaan Swamee-Jain, Hardy Cross, Manning dan Chezy tidak digunakan untuk perhitungan kerugian head mayor karena persamaan-persamaan tersebut adalah persamaan yang dikenalkan sebelum persamaan Hazen-Williams dan Darcy-Weisbach sehingga keempat persamaan tersebut belum diperbarui dan hasilnya tidak sebaik/seakurat dari persamaan Hazen-Williams dan Darcy- Weisbach. Selain itu parameter perhitungan dari persamaan Hazen-Williams dan Darcy-Weisbach lebih lengkap. Berikut ini adalah tabel-tabel yang menunjukkan perhitungan kerugian head mayor pada tiap GVO di setiap komponen pipa dengan menggunakan persamaan Hazen-Williams. Tabel 4.2 Kerugian Head Mayor pada GVO 102 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) C D (m) L (m) hf (m) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt hf (m)

17 Tabel 4.3 Kerugian Head Mayor pada GVO 132 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) C D (m) L (m) hf (m) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt hf (m) Tabel 4.4 Kerugian Head Mayor pada GVO 161 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) C D (m) L (m) hf (m) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt hf (m) Tabel 4.5 Kerugian Head Mayor pada GVO 168 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) C D (m) L (m) hf (m) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt

18 5 Penstock #4 Qt hf (m) Tabel 4.6 Kerugian Head Mayor pada GVO 176 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) C D (m) L (m) hf (m) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt hf (m) Tabel 4.7 Kerugian Head Mayor pada GVO 183 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) C D (m) L (m) hf (m) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt hf (m) Tabel 4.8 Kerugian Head Mayor pada GVO 186 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) C D (m) L (m) hf (m) 1 Head Race Tunnel 4Qt

19 2 Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt hf (m) Tabel 4.9 Kerugian Head Mayor pada GVO 191 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) C D (m) L (m) hf (m) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt hf (m) Tabel 4.10 Kerugian Head Mayor pada GVO 195 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) C D (m) L (m) hf (m) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt hf (m)

20 4.2.2 Kerugian HeadMinor (Perhitungan) Kerugian head minor dihitung dengan menggunakan persamaan kerugian head minor seperti yang dituliskan pada persamaan Di dalam persamaan tersebut terdapat nilai resistance coefficent (k), kecepatan aliran air (v), dan percepatan gravitasi (g). Untuk mendapatkan nilai kerugian head minor diperlukan ketiga nilai tersebut. Nilai K pada tabel di bawah ini bersumber dari lampiran 6, 7, 8, 9 dan 10. Tabel 4.11 di bawah ini adalah tabel resistance coefficent (K) pada kelengkapan pipa di PLTA TanggaPT. Inalum Power Plant (IPP). Tabel 4.11 Resistance Coefficent (K) pada Kelengkapan Pipa PLTA Tangga No. Komponen Kelengkapan Pipa K nk 1 Head Tunnel Race Entrance 0,25 Gate Valve 0,15 0,4 Entrance (Wye Branch) 0,5 2 Penstock #1 Bending 90 o (R/D=15/4) 0,17 Gradual Contraction (P#1 - P#2) 0,01 0,68 3 Penstock #2 Gradual Contraction (P#2 - P#3) 0,01 0,01 4 Penstock #3 Bending 90 o (R/D=12,5/3,5) 0,17 Spherical Branch 0,8 0,97 5 Penstock #4 Inlet Valve (Butterfly Valve) 0,5 0,5 Selain nilai K, diperlukan juga nilai kecepatan aliran air (v) pada kelengkapan pipa untuk menghitung kerugian head minor. Kecepatan aliran air diperoleh dari persamaan kontinuitas seperti yang dituliskan pada persamaan Berikut ini adalah contoh proses perhitungan kecepatan aliran pada GVO 102 mm di Head Race Tunnel.

21 Berikut ini adalah tabel-tabel hasil perhitungan kecepatan aliran pada tiap GVO di setiap komponen pipa. Tabel 4.12 Kecepatan Aliran Air pada GVO 102 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) D (m) A (m 2 ) v (m/s) 1 Head Race Tunnel 4Qt 64,5440 6,1 29,236 2, Penstock #1 2Qt 32,272 4,4 15,211 2, Penstock #2 2Qt 32,272 4,1 13,208 2, Penstock #3 2Qt 32,272 3,8 11,346 2, Penstock #4 Qt 16,136 2,6 5,311 3,03798 Tabel 4.13 Kecepatan Aliran Air pada GVO 132 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) D (m) A (m 2 ) v (m/s) 1 Head Race Tunnel 4Qt 92,544 6,1 29,236 3, Penstock #1 2Qt 46,272 4,4 15,211 3, Penstock #2 2Qt 46,272 4,1 13,208 3, Penstock #3 2Qt 46,272 3,8 11,346 4, Penstock #4 Qt 23,136 2,6 5,311 4,35589 Tabel 4.14 Kecepatan Aliran Air pada GVO 161 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) D (m) A (m 2 ) v (m/s) 1 Head Race Tunnel 4Qt 120,44 6,1 29,236 4, Penstock #1 2Qt 60,22 4,4 15,211 3, Penstock #2 2Qt 60,22 4,1 13,208 4, Penstock #3 2Qt 60,22 3,8 11,346 5,30773

22 5 Penstock #4 Qt 30,11 2,6 5,311 5,66891 Tabel 4.15 Kecepatan Aliran Air pada GVO 168 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) d (m) A (m 2 ) v (m/s) 1 Head Race Tunnel 4Qt 127,732 6,1 29,236 4, Penstock #1 2Qt 63,866 4,4 15,211 4, Penstock #2 2Qt 63,866 4,1 13,208 4, Penstock #3 2Qt 63,866 3,8 11,346 5, Penstock #4 Qt 31,933 2,6 5,311 6,01213 Tabel 4.16 Kecepatan Aliran Air pada GVO 176 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) D (m) A (m 2 ) v (m/s) 1 Head Race Tunnel 4Qt 134,984 6,1 29,236 4, Penstock #1 2Qt 67,492 4,4 15,211 4, Penstock #2 2Qt 67,492 4,1 13,208 5, Penstock #3 2Qt 67,492 3,8 11,346 5, Penstock #4 Qt 33,746 2,6 5,311 6,35347 Tabel 4.17 Kecepatan Aliran Air pada GVO 183 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) D (m) A (m 2 ) v (m/s) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt

23 3 Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt Tabel 4.18 Kecepatan Aliran Air pada GVO 186 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) D (m) A (m 2 ) v (m/s) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt Tabel 4.19 Kecepatan Aliran Air pada GVO 191 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) D (m) A (m 2 ) v (m/s) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt Tabel 4.20 Kecepatan Aliran Air pada GVO 195 mm No. Komponen Q Q (m 3 /s) D(m) A (m 2 ) v (m/s) 1 Head Race Tunnel 4Qt Penstock #1 2Qt

24 3 Penstock #2 2Qt Penstock #3 2Qt Penstock #4 Qt Tabel-tabel di atas menunjukkan bahwa nilai-nilai kecepatan aliran air pada tiap kelengkapan pipa akan semakin besar jika GVO semakin besar pula. Hal ini disebabkan karena nilai debit air masuk turbin (QT) yang semakin besar jika GVO semakin pula. Tabel-tabel tersebut membuktikan bahwa kecepatan aliran air (v) berbanding lurus debit air masuk turbin (QT). Hasil perhitungan nilai K dan v digunakan untuk menghitung kerugian head minor pada tiap GVO. Nilai percepatan gravitasi (g) yang dipakai yaitu sebesar 9,7796 m/s 2 sesuai dengan keadaan di PLTA Tangga PT. Inalum Power Plant (IPP). Berikut ini adalah contoh proses perhitungan kerugian head minor pada GVO 102 mm di Head Race Tunnel. Tabel-tabel berikut ini akan menunjukkan hasil perhitungan kerugian head minor pada tiap GVO di setiap komponen pipa. Tabel 4.21 Kerugian Head Minor pada GVO 102 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Tabel 4.22 Kerugian Head Minor pada GVO 132 mm

25 No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Tabel 4.22 Kerugian Head Minor pada GVO 132 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Tabel 4.22 Kerugian Head Minor pada GVO 132 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock #

26 hm (m) Tabel 4.23 Kerugian Head Minor pada GVO 161 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Tabel 4.24 Kerugian Head Minor pada GVO 168 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Tabel 4.25 Kerugian Head Minor pada GVO 176 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock #

27 3 Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Tabel 4.26 Kerugian Head Minor pada GVO 183 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Tabel 4.27 Kerugian Head Minor pada GVO 186 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Tabel 4.28 Kerugian Head Minor pada GVO 191 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m)

28 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Tabel 4.29 Kerugian Head Minor pada GVO 195 mm No. Komponen nk v (m/s) v 2 /2g (m) hm (m) 1 Head Race Tunnel Penstock # Penstock # Penstock # Penstock # hm (m) Kerugian Head Total (Perhitungan) Kerugian head total dihitung dengan menggunakan persamaan 2.31, dimana head total merupakan hasil penjumlahan dari Head mayor dan Head minor. Tabel 4.30 di bawah ini adalah hasil perhitungan kerugian head total dengan menggunakan persamaan Hazen-Williams dan persamaan kerugian head minor pada tiap GVO. Tabel 4.30Kerugian HeadTotal pada Tiap GVO GVO (mm) hf (m) hm (m) hl (m)

29 Grafik pada gambar 4.2 di bawah ini menunjukkan hubungan antara GVO dan kerugian headtotal Kerugian Head Total (m) GVO (mm) Gambar 4.2. Grafik Hubungan GVO dengan Kerugian HeadTotal

30 Berdasarkan grafik pada gambar 4.2 ditunjukkan bahwa semakin besar GVO maka semakin besar pula kerugian headtotal yang terjadi pada pipa dan kelengkapannya di PLTA Tangga PT. IPP. Hal ini disebabkan karena kerugian headtotal dipengaruhi oleh debit air yang masuk (QT). Semakin besar QT maka semakin besar kerugian headtotal dan kecepatan aliran yang terjadi. Jadi, semakin besar kecepatan aliran air (v) maka semakin besar kerugian headmayor dan minor Kerugian Head Mayor(Simulasi dan Galat) Hasil perhitungan kerugian headmayor di bawah ini merupakan hasil perhitungan dari Software Pipe Flow Expert V Nilai kerugian headmayor dari masing-masing komponen pipadan tampilan Software Pipe Flow Exper V 6.39 dilampirkan pada lampiran 11. Berikut ini adalah tabel 4.31 yang menunjukkan perbandingan hasil perhitungan antara kerugian headmayor dengan metode analisis perhitungan (persamaan Hazen-Williams) dan simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39) serta galatnya yang dinyatakan dalam persen. Berikut ini adalah contoh proses perhitungan galat kerugian head mayor antara metode analisis perhitungan dan simulasi pada GVO 102 mm. Tabel 4.31 Kerugian HeadMayor pada Tiap GVO (Perhitungan dan Simulasi). GVO (mm) hf perhitungan (m) hf simulasi (m) Galat (%)

31 Gambar 4.3 berikut ini adalah grafik yang menunjukan perbandingan hasil perhitungan antara kerugian headmayor dengan metode analisis perhitungan (persamaan Hazen-Williams) dan simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39) serta galatnya yang dinyatakan dalam persen. 6 GVO VS KERUGIAN HEAD MAYOR (PERHITUNGAN & SIMULASI) Kerugian Head Mayor (m) hl perhitungan (m) hl simulasi (m) GVO (mm) Gambar 4.3. Grafik Hubungan Kerugian HeadMayor dan GVO Berdasarkan tabel dan grafik di atas ditunjukkan bahwa galat antara metode analisis perhitungan dan simulasi menunjukkan nilai yang cukup besar karena metode penghitungan yang digunakan antara analisis perhitungan dan simulasi berbeda. Kerugian headmayor yang dihitung pada analisis perhitungan menggunakan persamaan Hazen-Williams, sedangkan pada simulasi menggunakan persamaan Darcy-Weisbach. Alasan dari perbedaan penggunan rumus ini sudah dijelaskan pada sub bab Kerugian HeadMinor (Simulasi dan Galat) Hasil perhitungan kerugian headminor berikut ini merupakan hasil perhitungan dari Software Pipe Flow Expert V Nilai kerugian headminor

32 dari masing-masing komponen pipadan tampilan Software Pipe Flow Expert V 6.39 dilampirkan pada lampiran 11. Berikut ini adalah tabel 4.32 yang menunjukan perbandingan hasil perhitungan antara kerugian headminor dengan analisis perhitungan (persamaan Hazen-Williams) dan simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39) serta galatnya yang dinyatakan dalam persen. Berikut ini adalah contoh proses perhitungan galat kerugian head minor antara metode analisis perhitungan dan simulasi pada GVO 102 mm. Tabel 4.32 Kerugian HeadMinor pada Tiap GVO (Perhitungan dan Simulasi) GVO (mm) hm perhitungan (m) hm simulasi (m) Galat (%) 102 0, ,908 1, , ,870 1, , ,167 1, , ,563 1, , ,979 1, , ,423 1, , ,663 1, , , , , Gambar 4.4 berikut ini adalah grafik yang menunjukan perbandingan hasil perhitungan antara kerugian headminor dengan analisis perhitungan (persamaan Hazen-Williams) dan simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39) serta galatnya yang dinyatakan dalam persen.

33 6 GVO VS KERUGIAN HEAD MINOR (PERHITUNGAN & SIMULASI) Kerugian Head Minor (m) H efektif perhitungan (m) H efektif simulasi (m) GVO (mm) Gambar 4.4. Grafik Hubungan Kerugian HeadMinor dan GVO (Perhitungan dan Simulasi) Berdasarkan tabel dan grafik di atas ditunjukkan bahwa galat antara metode analisis perhitungan dan simulasi menunjukkan nilai yang sangat kecil sehingga kedua kurva pada grafik berimpit. Hal itu disebabkan karena persamaan yang digunakan antara metode analisis perhitungan dan simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39) sama yaitu dengan menggunakan persamaan kerugian head minor Kerugian Head Total(Simulasi dan Galat) Kerugian head total di bawah ini adalah hasil dari penjumlahan kerugian head mayor dan minor dari metode simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39). Kerugian head total antara simulasi dan perhitungan dicari nilai galatnya. Berikut ini adalah contoh proses perhitungan galat kerugian head total antara metode analisis perhitungan dan simulasi pada GVO 102 mm.

34 Tabel 4.33 di bawah ini menunjukkan hasil perhitungan dan galat antara kerugian headtotal dengan menggunakan metode analisis perhitungan dan simulasi pada tiap GVO. Tabel 4.33 Kerugian HeadTotal (Simulasi dan Galat) pada Tiap GVO GVO (mm) hl perhitungan (m) hl simulasi (m) Galat (%) Berdasarkan tabel di atas diperoleh nilai galat dari 4, % hingga 7, %. Nilai galat terbesar terdapat pada GVO 102 mm dan terkecil pada GVO 195 mm. Gambar 4.5 di bawah ini adalah grafik yang menunjukkan perbandingan antara kerugian head total dengan menggunakan metode analisis perhitungan dan simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39). Gambar 4.5 di bawah ini merupakan grafik yang menunjukkan hasil perhitungan dan galat antara kerugian head total dengan menggunakan metode analisis perhitungan dan simulasi pada tiap GVO.

35 12 GVO VS KERUGIAN HEAD TOTAL (PERHITUNGAN & SIMULASI) Kerugian Head Total (m) hl perhitungan (m) hl simulasi (m) GVO (mm) Gambar 4.5 Grafik Kerugian HeadTotal pada Tiap GVO (Simulasi dan Galat) Berdasarkan grafik pada gambar 4.5 di atas ditunjukkan bahwa hasil perhitungan kerugian headdengan menggunakan metode analisis perhitungan lebih besar daripada menggunakan simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39). 4.3 Perhitungan Head Efektif pada Tiap GVO Head efektif yang dihitung pada penelitian ini merupakan head maksimum pada Turbin Francis Vertikal Unit-4 PLTA Tangga PT. IPP yang dikurangi dengan kerugian head total dari gate valve sampai inlet valve. Kerugian head total yang dipakai dalam penghitungan head efektif ini berasal dari penghitungan dengan menggunakan metode analisis perhitungan dan simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39) Head Efektif pada Tiap GVO (Perhitungan) Head efektif merupakan hasil pengurangan head maksimum dengan kerugian head total. Berikut ini adalah contoh proses perhitungan head efektif pada GVO 102 mm.

36 Tabel 4.34 berikut ini adalah hubungan head efektif pada tiap GVO dengan menggunakan kerugian head total yang dihitung dengan metode analisis perhitungan. Tabel 4.34 Head Efektif pada Tiap GVO (Perhitungan) GVO (mm) hmax (m) hl (m) hefektif (m) Gambar 4.6 berikut ini merupakan grafik hubungan head efektif pada tiap GVO dengan menggunakan metode analisis perhitungan.

37 Head Efektif (m) GVO VS HEAD EFEKTIF (PERHITUNGAN) GVO (mm) Gambar 4.6. Grafik Hubungan Head Efektif pada Tiap GVO (Perhitungan) Head Efektif pada Tiap Bukaan Sudu Pengarah (Simulasi dan Galat) Head efektif berikut ini memerupakan hasil pengurangan head maksimum dengan kerugian head total pada simulasi (Software Pipe Flow Expert V 6.39). Berikut ini adalah contoh proses perhitungan galat head efektif pada GVO 102 mm. Tabel 4.35 berikut ini adalah hubungan head efektif pada tiap GVO dengan menggunakan kerugian head total. Tabel 4.35 Head Efektif pada Tiap GVO (Simulasi dan Galat) GVO (mm) hefektif perhitungan (m) hefektif simulasi (m) Galat (%) 19,5 239, , ,0 237, ,74 0, ,0 234, ,272 0, ,5 234, ,525 0, ,0 233, ,74 0, ,0 232, ,902 0,

38 150,0 232, ,629 0, ,5 231, ,034 0, ,0 231, ,619 0, Gambar 4.7 di berikut ini merupakan grafik hubungan head efektif pada tiap GVO dengan berdasarkan simulasi. Head Efektif (m) GVO VS HEAD EFEKTIF (PERHITUNGAN & SIMULASI) GVO (mm) H efektif perhitungan (m) H efektif simulasi (m) Gambar 4.7. Grafik Hubungan Head Efektif pada Tiap GVO (Simulasi dan Galat) 4.4 Hubungan Antara GVO dandaya Air (Water Horse Power) Daya air dihitung dengan persamaan (2.35). dari persamaan tersebut menunjukkan bahwa daya air berbanding lurus dengan debit air masuk turbin dan head efektif yang bekerja pada turbin. Dari hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan di atas maka diperoleh daya air yang bekerja pada turbin francis. Tabel 4.36 berikut ini adalah besarnya daya air (WHP) pada masingmasing bukaan yang dihitung menggunakan persamaan diatas. Tabel 4.36 Hubungan GVO terhadap Daya Air (WHP)

39 Adapun hubungan bukaan sudu pengarah dengan daya air dapat dilihat pada gambar 4.8 berikut ini GVO(mm) Q (m 3 /s) ρ(kg/m 3 ) g(m/s 2 ) hefektif (m) WHP (watt) , ,5 9, , , , ,5 9, , , , ,5 9, , , , ,5 9, , , , ,5 9, , , , ,5 9, , , , ,5 9, , , , ,5 9, , , , ,5 9, , ,87

40 WHP (watt) GVO VS WHP GVO (mm) Gambar 4.8 Hubungan Bukaan Sudu Pengarah Dengan Daya Air Dari grafik di atas terlihat bahwa besarnya daya air akan semakin besar seiring dengan semakin besarnya bukaan sudu pengarah. Hal ini dikarenakan untuk menghitung daya air merupakan hasil perkalian antara daya, percepatan gravitasi, rapat jenis air dan head efektif yang bekerja. Debit air yang semakin besar akan berbanding terbalik dengan head efektif yang semakin kecil. 4.5 Hubungan Antara GVO dandaya Terbangkit Daya terbangkit berikut ini merupakan data hasil pembacaan pada Power Meter yang terletak di Local Control Room. Data yang ditampilkan berupa kapasitas arus yang berhasil dibangkitkan oleh system pembangkit. System pembangkit yang dimaksud adalah Turbin dan Generator. Data yang dihasilkan dapat dilihat pada table berikut ini. Tabel 4.37 Hubungan GVO Terhadap Daya Terbangkit GVO (mm) Daya Terbangkit (watt)

41 Data daya terbangkit hasil pembacaan Power Meter akan digunakan untuk menghitung daya turbin. Hal ini dikarenakan alat pembaca daya yang dihasilkan turbin tidak tersedia pada PT. Inalum. Oleh karena itu digunakan data daya terbangkit dan efisiensi generator.semakin besar bukaan sudu pengarah turbin francis maka daya terbangkit akan semakin besar seperti ditunjukkan oleh gambar 4.9 Berikut ini: GVO vsdaya Terbangkit Daya Terbangkit (watt) GVO (mm) Gambar 4.9 Hubungan Sudu Pengarah Terhadap Daya Terbangkit

42 Dari grafik diatas terlihat bahwa daya yang dibangkitkan oleh system mengalami nilai yang signifikan naik hingga bukaan 191 mm dan pada bukaan 195mm mengalami kenaikan tetapi tidak terlalu signifikan. 4.6.Hubungan Antara GVO dandaya Turbin Adapun daya turbin yaitu daya yang berhasil dihasilkan oleh turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin ditransmisikan melalui poros turbin. Untuk menghitung daya turbin digunakan persamaan (2.38) Tabel Hubungan GVO Terhadap Daya Turbin GVO (mm) Daya Terbangkit (watt) η G (%) Daya Turbin (watt) , , , , , , , , , , , , , , , , , ,59 Semakin besar bukaan sudu pengarah maka daya turbin akan semakin besar juga seperti yang ditunjukkan gambar berikut ini.

43 GVO vs Daya Turbin Daya Turbin GVO (mm) Gambar 4.10 Hubungan Sudu Pengarah Terhadap Daya Turbin Dari grafik diatas bahwa turbin menghasilkan daya paling kecil pada bukaan 102 mm yaitu sekitar ,13 watt dan tertinggi pada bukaan 195 mm yaitu ,59 watt. Daya yang dihasilkan oleh turbin mengalami kenaikan yang signifikan dari bukaan 102 mm hingga bukaan 191 mm pada bukaan 195 mm mengalami kenaikan tetapi tidak terlalu signifikan. 4.7.Hubungan Antara GVO danefisiensi Turbin Hasil akhir dari studi ini yaitu mendapatkan besaran efisiensi turnbin francis vertical di PT. Inalum. Untuk mendapatkan efisiensi maka dengan melakukan perbandingan daya yang dihasilkan oleh turbin terhadap daya yang dimilki oleh air tersebut seperti pada terlihat pada persamaan (2.39). Tabel 4.39 Hubungan GVO Terhadap Efisiensi Turbin GVO (mm) Daya Turbin (watt) WHP (watt) η turbin (%) , ,1 85, , ,8 90,

44 , ,7 94, , ,2 94, , ,9 95, , ,4 95, , ,4 95, , , , ,9 95, Dari tabel diatas terlihat bahwa semakin besar bukaan sudu pengarah akan semakin besar pula efisiensi turbin tersebut sampai mencapai bukaan 191 mm dan kemudian akan berkurang pada bukaan maksimum yaitu 195 mm. Besarnya efisiensi yang dihasilkan oleh turbin juga karena pengaruh kualitas dari runner turbin tersebut. Runner pada unit 4 PLTA Tangga telah ganti baru (renewable/improvement) untuk meningkatkan efisiensinya yaitu tepatnya pada tahun Adapun grafik hubungan bukaan sudu pengarah dengan efisiensi turbin Francis vertical di unit 4 PLTA Tangga seperti terlihat pada gambar 4.11 berikut ini :

45 Efisiensi Turbin(%) GVO (mm) Gambar 4.11 Hubungan Sudu Pengarah Terhadap Efisiensi Turbin Pada bukaan maksimum turbin akan mengalami penurunan efisiensi, hal ini dikarenakan turbin berputar terlalu cepat dari kecepatan turbin maksimal. Disaat debit air yang sangat besar melalui turbin, justru malah ditolak oleh turbin. Sehingga turbin mengalami perlambatan kecepatan dan mengakibatkan energi yang dihasilkan oleh pembangkit listrik lebih rendah dari energi optimum yang dapat dihasilkan. Oleh Karena itu, pengontrolan kecepatan air diperlukan dengan cara cut out speed. Pengertian cut out speed ialah kecepatan dimana turbin air akan mengurangi kecepatannya untuk melindungi dari kecepatan yang berlebihan.

46 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari hasil penelitian dan data analisa Turbin Francis Vertikal diperoleh kesimpulan sebagai berikut: a. Pada Turbin Francis Vertikal Unit 4 PLTA Tangga PT. Inalum Power Plant semakin besar bukaan sudu pengarah maka akan berbanding lurus dengan besarnya kerugian head yang terjadi pada turbin tersebut. Pada bukaan terkecil yaitu 102 mm besarnya kerugian head yaitu 1, m kemudian akan terus naik, hingga pada bukaan maksimum 195 mm besarnya kerugian head mencapai 10, m. Semakin besarnya kerugian head yang terdapat pada turbin ini diakibatkan oleh semakin besarnya debit yang masuk turbin, juga karena semakin besarnya kecepatan aliran air di dalam instalasi turbin. b. Dengan analisa menggunakan software Pipe Flow Expert didapat nilai kerugian head juga berbanding lurus seiring dengan semakin besarnya bukaan sudu pengarah. Pada simulasi program Pipe Flow Expert didapat nilai head terkecil yaitu pada bukaan 102 mm yaitu sebesar 1,811 m dan kemudian akan naik hingga bukaan maksimum 195 mm sehingga didapat besarnya kerugian head sebesar 9,781 m. Perbandingan hasil perhitungan kerugian head minor teoritis dan simulasi didapat persen ralat yang sangat kecil, sedangkan pada kerugian head mayor terdapat persen ralat yang cukup besar. c. Semakin besarnya bukaan sudu pengarah maka akan semakin besar pula daya air dan daya turbin. Daya turbin minimum dihasilkan pada bukaan 102 mm yaitu sebesar ,13 watt dan akan terus naik secara signifikan hingga bukaan 191 mm didapat besarnya ,79 watt. Dan pada bukaan 195 mm daya turbin tetap naik tetapi tidak signifikan

47 yaitu hanya sebesar ,59 watt. Hal ini disebabkan oleh semakin besarnya debit air masuk turbin, dan juga karena headnya yang semakin kecil. Pada Turbin Francis Vertikal Unit 4 PLTA Tangga PT. Inalum Power Plant didapat efisiensi minimum terjadi pada bukaan 102 mm yaitu sebesar 85, %. Efisiensi akan terus naik seiring bukaan sudu pengarah hingga bukaan 191 mm, dan pada bukaan 195 mm efisiensi akan turun kembali. 5.2 Saran Adapun saran yang penulis berikan setelah melakukan analisis perhitungan dalam hasil perhitungan di penelitian ini yaitu sebagai berikut: a. Pada saat dilakukannya efficiency test di PT Inalum hendaknya diperlukan konsentrasi dalam pengamatan data sehingga keakuratan data dapat terjaga.. b. Pada saat pengolahan data menggunakan pipe flow perhatikan kmponen fitting dan bending agar tidak terjadi kesalahan data yang menyebabkan data eror. c. Pengolahan data untuk perhitungan sebaiknya dilakukan menggunakan Microsoft Excel karena akan memudahkan kita dalam penghitungan data yang akan disajikan.