ANALISIS UNJUK KERJA TURBIN AIR KAPASITAS 81,1 MW UNIT 1 PADA BEBAN NORMAL DAN BEBAN PUNCAK DI PT INDONESIA ASAHAN ALUMINIUM POWER PLANT LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik Oleh : Muhammad Hafizh Ridho NIM : 1205051031 JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2015
INTI SARI Turbin air adalah salah satu mesin penggerak yang mana fluida kerjanya adalah air. Energi kinetik air diubah menjadi energi mekanik oleh sudu turbin, selanjutnya energi mekanik diubah menjadi putaran pada poros turbin. Energi mekanik ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. Turbin air diklasifikasikan berdasarkan arah aliran air masuk runner, berdasarkan perubahan momentum fluida kerja, berdasarkan kecepatan spesifik dan berdasarkan tinggi jatuh air (head). Turbin Francis merupakan salah satu jenis turbin air yang banyak digunakan dalam pembangkit tenaga listrik. Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke runner, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Di PLTA Tangga PT Indonesia Asahan Aluminium Power Plant, turbin Francis merupakan turbin yang digunakan di PLTA tersebut dengan menghasilkan daya output rata-rata 70.763,30 kw pada beban normal dan 78.660,38 kw pada beban puncak. Dan efisiensi turbin pada beban normal adalah 85,8 % serta pada beban puncak 89 %. Sehingga turbin air di PT Indonesia Asahan Aluminium Power Plant memiliki unjuk kerja yang lebih baik pada saat beban puncak. Kata kunci : energi, runner, daya, efisiensi. v
ABSTRACT Water turbine is one of prime mover which its working fluid is water. The kinetic energy of water is changed to be mechanic energy by the turbine s blades, furthermore the mechanic energy is changed to be rotation on turbine s shaft. This mechanic energy subsequently changed to be electric energy by a generator. Water turbines are classified based on the flow path of water into runner, based on the changes in momentum of working fluid, based on the spesific velocity and based on head of water. Francis turbine is one of most kind of water turbine that is used in power plant. Francis turbine works by using more pressure process. When the water is into runner, a part of head energy has flowed in the guide vanes to be changed as inlet velocity. At Tangga Hydroelectric Power Plant, PT Indonesia Asahan Aluminium Power Plant, Francis turbine is the kind of water turbine that is used in the Power Plant by generating 70,763.30 kw average output power at normal load and 78,660.38 kw at peak load. And turbine s efficiency is 85.8 % at normal load and 89 % at peak load. So that the water turbines in PT Indonesia Asahan Aluminium Power Plant will have better performance at peak load. Key word : energy, runner, power, efficiency. vi
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan kasih sayang-nya penulis mampu menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini dengan segenap kemampuan dan pemahaman yang penulis miliki. Laporan Tugas Akhir ini berjudul Analisis Unjuk Kerja Turbin Air Kapasitas 81,1 MW Unit 1 Pada Beban Normal dan Beban Puncak di PT Indonesia Asahan Aluminium Power Plant. Tujuan pembuatan Laporan Tugas Akhir ini adalah sebagai syarat menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III pada Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan. Di dalam Laporan Tugas Akhir ini penulis membahas tentang Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) beserta komponen-komponennya, turbin air beserta prinsip kerja dan klasifikasinya, serta analisis unjuk kerja turbin air terhadap beban normal dan puncak pada generator. Selama proses penulisan Laporan Tugas Akhir ini, penulis mendapatkan bantuan dari berbagai pihak berupa material, spiritual, informasi maupun bantuan dalam administrasi. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. M. Syahruddin, S.T., M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan; 2. Idham Kamil, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan; 3. Ir. Abdul Razak, M.T., selaku Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik Politeknik Negeri Medan sekaligus dosen pembimbing Tugas Akhir penulis; 4. Bapak/Ibu Dosen dan Staf Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan; 5. PT Indonesia Asahan Aluminium (Persero), atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk melaksanakan survei dan pengambilan data untuk keperluan riset Tugas Akhir penulis; 6. Keluarga penulis yang selama ini mendoakan, menyemangati, dan memberikan dukungan materi dan moril kepada penulis; 7. Seluruh teman-teman mahasiswa kelas EN-6B. vii
Penulis menyadari Laporan Tugas Akhir ini masih belum sempurna. Untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca Laporan Tugas Akhir ini. Disamping itu penulis tetap berharap semoga Laporan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi para pembaca dan dapat menjadi bahan referensi mengenai Pembangkit Listrik Tenaga Air khususnya turbin air. Medan, Agustus 2015 Hormat Penulis Muhammad Hafizh Ridho viii
DAFTAR ISI SPESIFIKASI TUGAS AKHIR... LEMBAR PERSETUJUAN... LEMBAR PENGESAHAN... LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR... INTI SARI... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR LAMPIRAN... i ii iii iv v vi vii ix xii xiv xv BAB I PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang... 1 B. Batasan Masalah... 2 C. Tujuan... 2 D. Manfaat Tugas Akhir... 3 E. Metode Pengumpulan Data... 3 BAB II LANDASAN TEORI... 4 A. Potensi Tenaga Air... 4 B. Pembangkitan Tenaga Air... 5 1. Penentuan tinggi Jatuh Efektif... 8 2. Penentuan Debit Turbin... 9 3. Daya yang Dihasilkan Pembangkit Listrik Tenaga Air... 10 ix
C. Turbin Air... 10 1. Klasifikasi Turbin Air... 10 a. Berdasarkan Arah Aliran Air Masuk Runner... 11 b. Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerja... 12 c. Berdasarkan Kecepatan Spesifik (n s )... 14 d. Berdasarkan Head dan Debit... 15 2. Performansi Turbin Air... 15 3. Komponen-Komponen Pada PLTA... 19 a. Pipa pesat (penstock)... 19 b. Inlet valve... 19 c. Turbin air... 19 d. Servomotor... 19 e. Bantalan (bearing)... 20 f. Poros... 20 g. Generator... 20 h. Pipa hisap (draft tube)... 20 i. Sistem oli bertekanan (pressure oil supply system)... 20 j. Governor... 20 k. Sistem udara bertekanan (pressure air supply system)... 21 l. Sistem pelumasan (lubrication system)... 21 m. Sistem air pendingin (colling water supply system)... 21 n. Sistem pembuangan (drainage system)... 21 D. Turbin Francis... 21 1. Pengertian dan Cara Kerja... 21 2. Konstruksi Turbin Francis... 23 E. Generator Listrik... 24 x
BAB III ANALISIS UNJUK KERJA TURBIN AIR... 28 A. Pembangkit Listrik Tenaga Air Tangga... 28 1. Bendungan Tangga... 28 2. Stasiun Pembangkit Listrik Tangga... 28 B. Turbin Air... 29 1. Turbin Air PLTA Tangga... 29 2. Komponen-Komponen Turbin Air... 30 a. Roda jalan (runner)... 30 b. Spiral case... 30 c. Sudu tetap (stay vane)... 31 d. Sudu pengarah (guide vane)... 31 e. Turbine guide bearing... 31 f. Tutup turbin (head cover) & cincin penyangga (bottom ring)... 31 g. Poros (shaft)... 31 C. Generator... 32 1. Generator PLTA Tangga... 32 2. Karakteristik Generator... 32 3. Konstruksi Generator... 33 BAB IV ANALISIS DATA... 35 A. Data Operasi PLTA Tangga Unit 1... 35 B. Perhitungan Unjuk Kerja Turbin Air... 38 C. Pembahasan... 55 BAB V PENUTUP... 58 A. Kesimpulan... 58 B. Saran... 58 DAFTAR PUSTAKA xi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Ilustrasi sebuah PLTA... 6 Gambar 2.2. Grafik curah hujan di Pulau Sumatera... 7 Gambar 2.3. Bentuk energi pada aliran air dalam pipa... 8 Gambar 2.4. Turbin aliran tangensial... 11 Gambar 2.5. Turbin aliran aksial... 11 Gambar 2.6. Turbin aliran aksial-radial... 12 Gambar 2.7. Turbin Pelton... 13 Gambar 2.8. Turbin Kaplan... 13 Gambar 2.9. Gaya pada aliran air... 16 Gambar 2.10. Segitiga kecepatan masuk dan keluar turbin Francis... 16 Gambar 2.11. Momen puntir yang bekerja pada runner turbin Francis... 18 Gambar 2.12. Efisiensi beberapa turbin air... 19 Gambar 2.13. Inlet valve... 19 Gambar 2.14. Bantalan (a) dan poros (b)... 20 Gambar 2.15. Turbin Francis... 22 Gambar 2.16. Konstruksi turbin Francis... 23 Gambar 2.17. Bagian-bagian generator... 25 Gambar 2.18. Prinsip kerja generator AC... 26 Gambar 3.1. Rancangan runner turbin Francis PLTA Tangga... 30 Gambar 4.1. Grafik efisiensi vs waktu operasi turbin Francis PLTA Tangga unit 1 (1)... 50 Gambar 4.2. Grafik efisiensi vs waktu operasi turbin Francis PLTA Tangga unit 1 (2)... 51 xii
Gambar 4.3. Grafik efisiensi vs waktu operasi turbin Francis PLTA Tangga unit 1 (3)... 52 Gambar 4.4. Grafik efisiensi vs waktu operasi turbin Francis PLTA Tangga unit 1 (4)... 53 Gambar 4.5. Grafik efisiensi vs waktu operasi turbin Francis PLTA Tangga unit 1 (5)... 54 xiii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Potensi ekonomis tenaga air untuk listrik beberapa negara di dunia... 5 Tabel 2.2. Turbin air berdasarkan perubahan momentum fluida kerja... 14 Tabel 2.3. Kecepatan spesifik turbin air... 14 Tabel 3.1. Data turbin air PLTA Tangga... 29 Tabel 3.2. Data runner PLTA Tangga... 30 Tabel 3.3. Data poros turbin air PLTA Tangga... 31 Tabel 3.4. Data generator PLTA Tangga... 32 Tabel 3.5. Rugi-rugi generator pada faktor daya 0,9 (dalam kilowatt)... 32 Tabel 3.6. Rugi-rugi generator pada faktor daya 1 (dalam kilowatt)... 33 xiv
DAFTAR LAMPIRAN 1. Spesifikasi turbin, generator dan governor PLTA Tangga 2. MINI MIMIC xv
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Kondisi alam yang sangat beragam di muka bumi memberikan manfaat tersendiri kepada manusia. Dengan adanya berbagai sumber daya alam yang tersedia telah memacu manusia untuk memanfaatkan potensi alam yang beragam. Satu diantaranya ialah air. Air memiliki banyak kegunaan di dalam kehidupan manusia, diantaranya untuk minum, mandi, mencuci dan sebagainya. Selain manfaat-manfaat tersebut ternyata air juga menyimpan potensi sebagai sumber energi, yaitu dengan memanfaatkan alirannya untuk menghasilkan tenaga. Dalam kemajuan teknologi saat ini banyak dibuat peralatan-peralatan inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam teknik mesin adalah terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan tenaga air yang bisa digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik. Pembangkitan tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga dari tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik. Keberadaan Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) di Indonesia sudah cukup banyak jumlahnya. Pemanfaatan tenaga air menjadi tenaga listrik sudah sedemikian maju dengan berbagai inovasi teknologi dalam bidang pembangkitan tenaga air khususnya bidang mekanik. Salah satu contohnya adalah penggunaan berbagai jenis turbin air untuk suatu keadaan tertentu. Turbin-turbin tersebut memiliki bentuk dan tipe tersendiri yang disesuaikan dengan keadaan pembangkit listrik tersebut, misalnya tinggi jatuh (head), debit aliran dan beberapa pertimbangan lainnya. Dengan melihat parameter-parameter dalam suatu prinsip pembangkitan tenaga air dan usaha untuk mendapatkan tenaga potensial air yang semaksimal mungkin, maka sekarang telah banyak diciptakan berbagai macam bentuk dan ukuran turbin air. Pengembangan terhadap kinerja turbin air masih dan akan terus dilakukan untuk memperbaiki dan meningkatkan efisiensi baik dari segi teknik maupun ekonomi. 1
Penelitian dan pengembangan turbin air seyogianya harus tetap dilakukan mengingat bertambahnya kebutuhan akan tenaga listrik secara tidak langsung akan mempengaruhi keandalan suatu turbin sebagai bagian dari komponen di dalam pembangkit tenaga listrik. Selain itu juga permasalahan yang terjadi pada turbin seiring waktu juga memerlukan pemecahan yang lebih baik lagi. Atas dasar itulah penulis memilih judul Analisis Unjuk Kerja Turbin Air Kapasitas 81,1 MW Unit 1 Pada Beban Normal dan Beban Puncak di PT Indonesia Asahan Aluminium Power Plant. Dalam tugas akhir ini akan dibahas mengenai turbin air jenis turbin Francis yang terdapat di PT Inalum Power Plant untuk mengetahui kinerja yang mampu dicapai oleh turbin tersebut dalam kondisi beban yang berbeda. Beban yang dimaksud adalah beban listrik yang terdapat di pusat beban (konsumen tenaga listrik). B. Batasan Masalah Dalam hal menganalisis kinerja turbin air ini akan cukup banyak masalah yang akan dihadapi, maka penulis membatasi ruang lingkup pembahasan dan disesuaikan dengan permasalahan utama yang akan timbul secara garis besar, antara lain : 1. Pengertian turbin air dan komponen-komponennya; 2. Bagaimana prinsip kerja dan proses konversi energi turbin air; 3. Bagaimana menghitung daya listrik pada kondisi beban normal dan beban puncak; 4. Bagaimana kinerjaturbin air terhadap beban listrik normal dan puncak. C. Tujuan Tujuan dari pembuatan tugas akhir ini adalah mampu menganalisis dan menjelaskan unjuk kerja turbin air dengan baik, diantaranya meliputi : 1. Secara Teknis a. Mengetahui pengertian turbin air beserta komponen-komponennya; b. Mengetahui prinsip kerja dan proses konversi energi pada turbin air; c. Mengetahui besar daya listrik pada kondisi beban normal dan beban puncak; 2
d. Mengetahui efisiensi turbin air terhadap beban listrik normal dan beban puncak. 2. Secara akademis a. Untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III Politeknik Negeri Medan; b. Menerapkan ilmu yang diperoleh selama mengikuti perkuliahan baik teori maupun praktikum di Politeknik Negeri Medan; c. Mampu menganalisis unjuk kerja atau suatu turbin air pada suatu Pembangkit Listrik Tenaga Air dengan kondisi beban listrik yang berbeda. D. Manfaat Tugas Akhir Tugas akhir ini diharapkan bermanfaat bagi : 1. Penulis sendiri, yang mana dengan tugas akhir ini menambah pengetahuan dan wawasan penulis tentang Pembangkit Listrik Tenaga air umumnya dan kinerja turbin di pembangkit listrik tersebut secara khusus; 2. Politeknik Negeri Medan khususnya Jurusan Teknik Mesin sebagai bahan kajian tambahan di dalam pengajaran mata kuliah Mesin Fluida dengan topik turbin air; 3. Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin sebagai bahan masukan dan bahan perbandingan mengenai turbin air. E. Metode Pengumpulan Data Teknik pengumpulan data yang dilakukan penulis dalam penyusunan tugas akhir ini adalah : 1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari beberapa buku dan artikel terkait; 2. Survei lapangan dan pengambilan data terhadap turbin air di PT Indonesia Asahan Aluminium Power Plant; 3. Diskusi, berupa konsultasi dan bimbingan dari dosen pembimbing, staf engineering perusahaan dan pihak-pihak yang terkait. 3