Proceeding Seinar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarasin, 7-8 Oktober 2015 SIMULASI TURBIN AIR KAPLAN PADA PLTMH DI SUNGAI SAMPANAHAN DESA MAGALAU HULU KABUPATEN KOTABARU Akhad Syarief, Hajar Isworo 1 Progra Studi Teknik Mesin Universitas Labung Mangkurat Jalan : A. Yani k 36 Banjarbaru, Kaliantan Selatan Eail : hajarisworo@gail.co Abstrak : Provinsi Kaliantan Selatan eiliki potensi energi air sebesar 353,4 W dari hasil survey dengan debit antara 0,06-11 3 /detik. Hal ini perlu endapat perhatian khusus bagi Peerintah Daerah Kaliantan Selatan agar dapat eaksialkan potensi tersebut untuk dipergunakan dala upaya engurangi penggunaan batubara dan inyak bui dala ebangkitkan tenaga listrik elalui Pebangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). Di Desa Magalau Hulu Kabupaten Kotabaru yang sebagian penduduknya belu endapatkan listrik, dapat diatasi dengan ebangun Turbin Air Kaplan sebagai PLTMH eanfaatkan arus Sungai Sapanahan yang engalir dengan debit sekitar 1,8 3 /detik. Berdasarkan hasil penelitian ini didapatkan Turbin Kaplan yang telah direncanakan eanfaatkan arus sungai tersebut dapat bekerja dari debit 1,79 3 /detik hingga 1,86 3 /detik dengan daya turbin yang dibangkitkan sekitar 52,52 kw hingga 55,54 kw. Kata Kunci : Turbin kaplan, PLTMH, Mikrohidro, Siulasi. Abstract : South Kaliantan province has a potential energy of water at 353.4 W with a discharge survey between 0.06 to 11 3/sec. This needs special attention to South Kaliantan Regional Governent in order to axiize the potential to be used in an effort to reduce the use of coal and oil in power generation through icro hydro power plant (MHP). In the village of Upper Magalau Kotabaru district that soe of the population is not getting electricity, can be overcoe by constructing a Kaplan Water Turbine MHP Sapanahan utilize current flowing river with a discharge of about 1.8 3/sec. Based on the results of this study, a Kaplan turbine is planned utilizing the river flow can work fro discharge of 1.79 3/sec to 1.86 3/sec with a power turbine that generated approxiately 52.52 kw to 55.54 kw. Keywords : Kaplan turbine, PLTMH, icro-hydro, Siulation. PENDAHULUAN Seiring berjalannya waktu, kebutuhan anusia akan listrik seakin eningkat. Julah pelanggan listrik akin bertabah setiap tahunnya. Seentara itu, Perasalahan yang ada saat ini adalah terbatasnya suplai energi untuk eperoleh tenaga listrik. Misalnya batubara untuk bahan bakar tenaga uap serta inyak bui untuk bahan bakar diesel yang ketersediaanya seakin sedikit. Sehingga perlu adanya energi lain yang bisa enjadi pilihan sebagai alternatif. Di Desa Magalau Hulu saat ini sedang direncanakan sebuah turbin air Kaplan yang nantinya akan digunakan sebagai salah satu bagian dari Pebangkit Listrik Tenaga Mikrohidro. Di desa tersebut terdapat 33 Kepala Keluarga yang tidak endapat aliran listrik dari total 274 Kepala Keluarga disana. Sehingga untuk ewujudkan rencana tersebut aka perlu adanya referensi iliah yang engkaji hal ini sehingga dapat terealisasi nantinya. Seentara itu, teknologi yang berkebang diasa odern ini telah endorong para ahli untuk ebuat kajian aliran dala pipa yang
Proceeding Seinar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarasin, 7-8 Oktober 2015 lebih praktis dan efisien. Bukan hal yang baru lagi apabila kita endapatkan paket-paket penyelesaian asalah aliran fluida dala bentuk progra-progra koputer yang disebut software. Sebagai contoh, dala perhitungan kerugian-kerugian (losses), perhitungan kecepatan, debit, drop tekanan, dan lain-lain, keseuanya dapat diolah dala progra yang telah tersedia. Sehingga tergantung data yang tersedia dan apa yang hendak dihitung agar nantinya efisiensi dari turbin itu dapat didapat aksial.. Disaping itu bahwa dala penyusunan dan pebuatan software - software tersebut tidak terlepas dari persaaan dasar yang telah diteukan sebelunya oleh para peneliti. Sehingga pertanyaannya sekarang adalah sejauh ana tingkat akurasi dari paket-paket data elalui sebuah siulasi. Metode yang dapat evisualisasikan kajian aliran dala pipa sangat diperlukan, terutaa untuk engheat biaya instalasi perpipaan secara keseluruhan. Sehingga dari paparan di atas aka penulis tertarik untuk elakukan penelitian engenai Siulasi Turbin Air Kaplan pada PLTMH di Sungai Sapanahan Desa Magalau Hulu Kabupaten Kotabaru. Pengaatan Kecepatan Aliran Air Sungai Pengukuran Peilihan Turbin Air Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin air dikelopokkan enjadi tiga kelopok yaitu: 1. Low head, dengan tinggi jatuh air dibawah 10, 2. Mediu head, dengan tinggi jatuh air antara 10 sapai 50, dan 3. High head, dengan tinggi jatuh air diatas 50.. Tabel 1 Daerah Operasi Turbin Air (Rali Kadir. 2010) Jenis turbin Head () Kaplan dan Propeller 2 20 Francis 10 350 Pelton 50 1000 Crossflow 6 100 Turgo 50 250 Gabar 1 Kondisi Sungai Sapanahan Prinsip Kerja Turbin Air Kaplan Prinsip kerja turbin kaplan adalah air yang engalir dari water intake (kanal) ula-ula easuki spiral casing (ruah spiral). Keudian akibat bentuk volute dari spiral casing, air diarahkan untuk easuki guide
Proceeding Seinar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarasin, 7-8 Oktober 2015 vane (sudu arah) secara tangensial. Setelah keluar dari guide vane aliran air bergerak ke arah aksial karena pengaruh whirl chaber (ruang pusar) keudian air akan easuki runner (sudu gerak). Pada runner, aliran air engalai perubahan oentu yang enyebabkan tibulnya putaran pada poros turbin. Air selanjutnya keluar dari turbin elalui draft tube (saluran pebuangan). akibat geoetri benda yang ruit dapat diselesikan dengan udah. METODE PENELITIAN Lokasi sungai Sapanahan Desa Magalau hulu, Kecaatan Kelupang Barat, Kabupaten Kota Baru. Dengan profil sungai sebagai berikut: LS = 2,6597º BT = 116, 6597º H = 85 (diatas perukaan laut) START Studi Literatur Gabar 2 Koponen Utaa Turbin Air Jenis Kaplan Keterangan Gabar 2. sebagai berikut: 1. Spiral casing (ruah spiral), 2. Guide vane (sirip pengarah), 3. Runner (sudu gerak), 4. Blade (sudu), dan 5. Draft tube (saluran pelepasan). Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak Fluent FLUENT adalah progra koputer yang eodelkan aliran fluida dan perpindahan panas dala geoetri yang kopleks. FLUENT erupakan salah satu jenis progra CFD (Coputational Fluid Dynaics) yang enggunakan etode No Besaran Sibol Nilai 1 Diaeter penstock 0,99 Satuan Survei data (head dan Debit) Pengupulan data Pebuatan Model: Penstock Spiral Case Guide Vane Runner Draftube Siulasi Kesipulan SELESAI 2 Panjang penstock 4,02 3 Tebal penstock 9,9 diskritisasi volue hingga. FLUENT eiliki fleksibilitas esh, sehingga kasus-kasus aliran fluida yang eiliki esh tidak terstruktur
Proceeding Seinar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarasin, 7-8 Oktober 2015 HASIL DAN PEMBAHASAN Jadi rata-rata kecepatan aliran air sungai adalah: ( ) ( ) ( ) Jadi rata-rata debit aliran air sungai adalah: Siulasi enggunakan progra Ansys Fluent Terlihat pada gabar 3 siulasi pada pipa penstok, terjadi kecepatan tinggi pada dua titik yaitu titik pertaa yang dekat dengan inlet (lingkaran 1) serta titik kedua sekitar outlet pipa (lingkaran 2). Pada titik (1) terjadi kecepatan tinggi dikarenakan head air yang tinggi pada bagian tersebut. Pada titik (2) terjadi kecepatan tinggi dikarenakan karena pesatnya aliran air yang turun enuju outlet oleh gaya gravitasi. Spiral Case Pada spiral case, kecepatan air di dala spiral case eiliki nilai inlet velocity= 3,057 /s, serta outlet velocity= 3,533 /s dapat dilihat enggunakan siulasi seperti gabar 4 berikut: Sebelu elakukan siulasi, data-data yang perlu diketahui adalah sebagai berikut : 1. Dari pengaatan diperoleh bahwa pada aliran sungai, debit rata-rata yang engalir adalah Q = 1.89 3 /s. Sehingga didapatkan besar kecepatan aliran asuk (v) yang asuk kedala pipa penstock adalah 2,556 /s (diperoleh dari perhitungan). 2. Gaya grafitasi sebesar g = 9.8 /s. 3. Air yang digunakan diasusikan adalah air biasa dengan suhu rata-rata 25 o C dan nilai ρ= 998,2 kg/³ Penstok kecepatan air di dala pipa penstok eiliki nilai inlet velocity= 2,556 /s, serta outlet velocity= 3,057 /s dapat dilihat enggunakan siulasi seperti gabar 8 berikut: No Besaran Sibol Nilai 1 Diaeter luar runner 0,72 2 3 4 5 Diaeter leher poros Lebar runner Diaeter tengah runner Tinggi sudu pengarah (guide vane) 0,29 0,22 0,51 0,30 6 Julah blade 10 7 Jarak antar blade 0,091 Satuan buah Gabar 3 kecepatan Aliran pada Penstok Gabar 4 Kecepatan Aliran pada Spiral Case Terlihat pada gabar 4 siulasi pada pipa spiral case, terjadi kecepatan tinggi pada titik
Proceeding Seinar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarasin, 7-8 Oktober 2015 pertaa yang dekat dengan outlet (lingkaran 1). Pada titik (1) terjadi kecepatan tinggi dikarenakan aliran air yang berasal dari penstok engalai perbedaan luas penapang yang engecil pada bagian tersebut. Guide Vane Pada guide vane, kecepatan air di pada sudu guide vane eiliki nilai inlet velocity= 3,533 /s, serta outlet velocity= 4,008 /s dapat dilihat enggunakan siulasi seperti gabar 10 berikut: Gabar 5 Kecepatan Aliran pada Guide Vane Terlihat pada gabar 5 siulasi pada sudu guide vane, terjadi kecepatan tinggi pada titik pertaa yang dekat dengan inlet (lingkaran 1). Pada titik (1) terjadi kecepatan tinggi dikarenakan aliran air yang keluar dari penstok elewati celah sepit sudu pada bagian tersebut. Runner Pada runner, kecepatan air di pada sudu runner eiliki nilai inlet velocity= 4,008 /s, serta outlet velocity= 7,553 /s dapat dilihat enggunakan siulasi seperti gabar 11 berikut: Gabar 6 Kecepatan Aliran Pada Sudu Runner Terlihat pada gabar 6 siulasi pada sudu runner, terjadi kecepatan tinggi pada titik pertaa dekat inlet yang berada dibawah sudu (lingkaran 1). Pada titik (1) terjadi kecepatan tinggi dikarenakan aliran air yang keluar dari guide vane jatuh dan terbelah enjadi dua enyusuri bagian atas dan bawah sudu runner yang eiliki sudut keiringan pada bagian tersebut. Pada titik (1) erupakan ujung paling bawah dari sudu sehingga karena perbedaan ketinggian enyebabkan kecepatannya eningkat Draftube Pada draftube, kecepatan air di pada pipa draftube eiliki nilai inlet velocity= 7,553 /s, outlet 1 velocity= 2,2969 /s, serta outlet 2 velocity= 2,32079 /s dapat dilihat enggunakan siulasi seperti gabar 12 berikut: Gabar 7 Kecepatan Aliran Pada Draftube
Proceeding Seinar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarasin, 7-8 Oktober 2015 Terlihat pada gabar 7 siulasi pada pipa draftube, terjadi kecepatan tinggi pada titik pertaa dekat inlet yang berada di bagian atas draftube (lingkaran 1). Pada titik (1) terjadi kecepatan tinggi dikarenakan aliran air yang berasal dari runner jatuh bebas sebelu keudian dipisahkan kedala dua outlet yang diiliki draftube, sehingga kecepatannya enurun setelah alirannya terbagi. KESIMPULAN Dari hasil siulasi Turbin Air Kaplan di Sungai Sapanahan Desa Magalau Hulu Kabupaten Kotabaru diperoleh kesipulan berikut : 1. Kecepatan air di dala pipa penstok eiliki nilai inlet velocity= 2,556 /s, serta outlet velocity= 3,057 /s 2. Pada spiral case, kecepatan air di dala spiral case eiliki nilai inlet velocity= 3,057 /s, serta outlet velocity= 3,533 /s. 3. Pada titik spiral case terjadi kecepatan tinggi dikarenakan aliran air yang berasal dari penstok engalai perbedaan luas penapang yang engecil pada bagian tersebut. 4. Pada guide vane, kecepatan air di pada sudu guide vane eiliki nilai inlet velocity= 3,533 /s, serta outlet velocity= 4,008 /s. 5. Pada runner, kecepatan air di pada sudu runner eiliki nilai inlet velocity= 4,008 /s, serta outlet velocity= 7,553 /s. 6. Pada draftube, kecepatan air di pada pipa draftube eiliki nilai inlet velocity= 7,553 /s, outlet 1 velocity= 2,2969 /s, serta outlet 2 velocity= 2,32079 /s. DAFTAR PUSTAKA [1]. Ansys Inc. Ansys Fluent Docuentation. Ansys Inc. [2]. Ansys Fluent Theory Guide. (2014).(http://ansys.co) [3]. Dietzel, Fritz. (1990). Turbin, Popa dan Kopresor. Erlangga: Jakarta [4]. Hendri. (2009). Turbin Air Pebangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro, (http://hendri168.files.wordpress.co/ 2009/02/turbin-air-utk website.doc), diakses 8 Februari 2014. [5]. Munson, Bruce. (2005). Mekanika Fluida, Edisi Keepat Jilid 2. Jakarta: Erlangga [6]. Warnick. C. C. (1984). Hydropower Engineering. Professor of Civil Engineering. University of Indaho Moscow, Indaho