STUDI PERENCANAAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR RUN OF RIVER (PLTA ROR) BALIEM KABUPATEN JAYAWIJAYA Henu Satya Aliputa, Suwanto Marsudi, Mohammad Taufiq Jurusan Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jalan Mayjen Haryono 167 Malang 65145 -Telp (0341)567886 Email: satyaliputa@gmail.com ABSTRAK Salah satu solusi untuk memenuhi kebutuhan energi listrik di Jayawijaya adalah dengan membangun PLTA ROR di Sungai Baliem. Konsep dari PLTA ROR adalah memanfaatkan aliran sungai langsung tanpa menampungnya di tampungan (waduk). Studi ini dilakukan untuk mengetahui besarnya debit andalan dan debit rancangan, hidraulika dan dimensi bangunan air, besarnya energi listrik yang dibangkitkan, dan stabilitas bangunan bendung. Langkah awal studi ini adalah analisa debit. Setelah melakukan analisa debit, kemudian analisa hidraulika dan dimensi bangunan air. Langkah selanjutnya adalah analisa energi listrik yang dibangkitkan. Langkah akhir dari studi ini adalah analisa stabilitas bendung. Hasil kajian menunjukan debit andalan Q 85% =104,443 m 3 /dt, Q 90% =89,021 m 3 /dt, dan Q 95% =44,178 m 3 /dt. Debit rancangan Q 50th =1174,180 m 3 /dt dan Q 100th =1255,471 m 3 /dt. Debit pembangkitan listriknya Q pembangkit =79,290 m 3 /dt. PLTA dibangun dengan bangunan utama bendung pelimpah meliputi: mercu, pembilas, dan kolam olak. Bangunan tengah meliputi: pintu intake, saluran pengantar, kantong lumpur, pelimpah, pembilas, pintu power intake, dan bak penenang. Bangunan pembawa meliputi: terowongan, pipa pesat, dan tangki gelombang. Bangunan pembangkitan meliputi: turbin dan hidromekanikal. Bangunan pembuang meliputi: tailrace. Dengan Q pembangkit =79,290 m 3 /dt dapat dibangkitkan energi tahunan sebesar 864251,61 MWh. Stabilitas bendung aman terhadap stabilitas geser, guling, daya dukung tanah, dan piping. Kata kunci: PLTA ROR, debit, dimensi, hidraulika, energi listrik, stabilitas bendung. ABSTRACT A solution to fill demand of electrical energy is to build hydropower ROR in Baliem river. The concept of hydropower ROR is using the river flow, without to storage in reservoir. The study was conducted to know minimum discharge and flood discharge, hidraulic and dimension waterworks, the value of electrical energy output, and stability of weir. The first step this study is discharge analysis. After discharge analysis, then analysis of hydraulic and dimension waterworks. The Next step is electrical energy output analysis The last step in this study is weir stability analysis. The goal of study is minimum discharge Q 80% = 124,835 m 3 /dt, Q 85% = 104,443 m 3 /dt, Q 90% = 89,021 m 3 /dt, and Q 95% = 44,178 m 3 /dt. Flood discharge Q 50th = 1174,180 m 3 /dt and Q 100th = 1255,471 m 3 /dt. Turbine rate discharge = 79,290 m 3 /dt. Hydropower main buildings are crest weir, sluice, energy dissapator. Middle building: intake gate, settling basin, spillway, sluice, power intake gate, and forebay. Barrier building includes: headrace tunnel, penstock, and surge tank. Energy building includes: turbine and hidromechanical. Tailrace building includes: tailtrace. Turbine rate discharge = 79,290 m 3 /dt can be raised energy annual of 864251,61 MWh. The weir stability is safe to sliding stability, overtuning stability, soil bearing capacity, and piping. Keywords: Hydropower ROR, Discharge, hydraulic, dimension, electrical energy, weir stabiliy.
PENDAHULUAN Kabupaten Jayawijaya telah memiliki pembangkit listrik PLN dengan dengan kapasitas terpasang 3.040 KW (BPS Kabupaten Jayawijaya, 2008). Kondisi saat ini PLN masih belum dapat melayani kebutuhan listrik penduduk Jayawijaya selama 24 jam. Berdasarkan hasil Hydro Power Potentials Study (HPPS) yang dilakukan tahun 1999, sepanjang Sungai Baliem memiliki potensi untuk membangkitkan energi lisrik sebesar 880 Megawatt (MW) (http://www.tambangnews.com). Dengan potensi sumber daya air yang besar di sungai Baliem, maka upaya yang memungkinkan dilakukan untuk membantu penyediaan energi listrik di Kabupaten Jayawijaya adalah dengan membangun Pembangkit Listrik Tenaga Air Run Of River (PLTA ROR). PLTA ROR sangat cocok untuk daerah pedalaman, selain itu PLTA ini tidak membutuhkan tampungan berupa waduk sehingga biaya pembangunannya relatif lebih murah. PLTA ini bersifat mengambil air dari sungai dalam debit tertentu dengan menggunakan bendung dengan cara membelokkan air ke intake, setelah melewati intake kemudian air dialirkan menuju pembangkit listrik (power house) melalui pipa pesat (penstock). Studi ini bertujuan untuk menganalisa debit desain bangunanan, dimensi bangunan, daya yang dihasilkan, dan keamanan dari bangunan bendung. PUSTAKA DAN METODOLOGI Klasifikasi PLTA Klasifikasi pembangkit listrik menurut Dandekar dan Sharma dapat ditentukan dari beberapa faktor yakni (Dandekar,1991:118): 1. Berdasarkan Tujuan: Single Purpose Multi Purpose 2. Berdasarkan keadaan hidraulik: PLTA konvensional (Run of River) PLTA dengan pemompaan kembali air ke kolam penampungan PLTA pasang surut PLTA yang ditekan 3. Berdasarkan kapasitas PLTA: Kapasitas kecil (<5 MW) Kapasitas menengah (5-100 MW) Kapasitas tinggi (101-1000 MW) Kapasitas paling tinggi (>1000 MW) 4. Berdasarkan ketinggian tekanan air: Tekanan air rendah (< 15 m) Tekanan air menengah (15-70 m) Tekanan air tinggi (71-250 m) Tekanan air sangat tinggi (> 250m) 5. Berdasarkan bangunan utama: Pembangkit listrik pada aliran sungai Pembangkit listrik dengan bendungan di lembah Pembangkit listrik pada pengalihan terusan Pembangkit listrik dengan pengalihan ketinggian tekanan air yang tertinggi PLTA Run Of River (PLTA ROR) PLTA ROR adalah suatu PLTA dengan sistem penggerak turbin menggunakan aliran sungai langsung, tanpa menggunakann tampungan bulanan (waduk). Aliran sungai dibelokkan dengan menggunakan bendung dan intake yang dibangun memotong sungai, air sungai kemudian diarahkan ke power house kemudian dikembalikan ke sungai kembali. Gambar 1. Skema PLTA Run Of River Debit Andalan Debit andalan adalah besarnya debit yang tersedia sepanjang tahun
dengan resiko kegagalan yang telah diperhitungkan. Dalam perencanaan debit desain perlu diperhatikan target keluaran energi yang bisa dihasilkan dari debit tersebut (Patty,1995:14). Jika debit direncanakan dengan menggunakan keandalan 100% (debit tersedia selama 365 hari) maka energi listrik akan selalu tersedia dengan daya tertentu namun akan ada debit yang terbuang pada aliran sungai dan hal ini jelas kurang menguntungkan. Dan jika debit didesain dengan keandalan 10% (debit tersedia dalam 36 hari) maka energi yang dihasilkan akan jauh lebih besar namun kemungkinan kejadian terjadi akan menurun dan desain bangunan akan menjadi tidak ekonomis. Simulasi Debit Metode Tank Model Sugawara Prosedur perhitungan Tank Model: 1.Buatlah susunan tangki lengkap dengan karakteristiknya yang diasumsikan bisa mewakili atau menggambarkan karakteristik DAS yang dimodelkan. 2.Perhitungan pertama, tambahkan curah hujan periode ini pada tampungan periode sebelumnya, kemudian dikurangi evaporasi pada periode tersebut. Pengurangan evaporasi hanya dilakukan terhadap tangki teratas saja (tangki 1), tetapi jika pengurangan dari tangki teratas belum cukup maka kekurangan tersebut dipikul oleh tangki dibawahnya. 3.Perhitungan limpasan dan infiltrasi dilakukan menurut tinggi tampungan yang diperoleh dalam langkah dua. Besarnya limpasan dan infiltrasi diperoleh dari perkalian koefisien lubang dengan tinggi tampungan terhadap lubang bersangkutan. 4.Perhitungan sisa tinggi tampungan dengan mengurangi tinggi tampungan yang diperoleh dari langkah dua dengan limpasan dan infiltrasi. 5.Perhitungan untuk tangki yang kedua dan seterusnya prosedurnya hampir sama dengan tangki yang pertama tetapi masukannya diganti dengan tinggi infiltrasi dari tangki sebelumnya 6.Total aliran adalah penjumlahan dari semua keluaran pada lubang kanan (limpasan). Berikut ini adalah persamaan menghitung limpasannya: q = (H - h1).f Gw = H. b dimana : q = limpasan (mm) H = tinggi muka air pada tangki (mm) h1 = tinggi lubang limpasan (mm) f = koefisien lubang limpasan Gw = infiltrasi (mm) b = koefisien lubang infiltrasi Debit Banjir Rancangan Debit banjir rancangan adalah debit yang akan direncanakan pada suatu bangunan dengan kala ulang tertentu yang dianalisa statistika dari data-data dalam periode tertentu. Debit banjir rancangan yang dialirkan tidak boleh membahayakan bangunan yang akan dialirkan dengan debit tersebut. Hidrograf Satuan Sintetik Metode Nakayasu Penggunaan metode inimemerlukan beberapa karakteristik parameter daerah alirannya sebagai berikut: Tenggang waktu dari permulaan hujan sampai puncak hidrograf Tenggang waktu dari titik berat hujan sampai titik berat hidrograf Tenggang waktu hidrograf Luas daerah tangkapan air Panjang alur sungai utama terpanjang Koefisien pengaliran. Rumus dari hidrograf satuan sintetik Metode Nakayasu adalah : Qp = A.R o 3,6 0.3T T p 0,3 dengan: Qp = debit puncak banjir (m3/det) Ro = hujan satuan (mm) Tp = tenggang waktu dari permulaan hujan sampai puncak banjir (jam) T 0,3 = waktu yang diperlukan oleh
penurunan debit, dari puncak sampai 30% dari Qp A = luas daerah aliran sungai (km2) Perencanaan Bangunan Air Dalam perencanaan pembangkit listrik tenaga air (PLTA) maka harus direncanakan bangunan air untuk berjalannya sistem PLTA, dalam studi ini dimulai dari bangunan utama, bangunan tengah, bangunan pembawa air, bangunan pembangkitan listrik, bangunan pembuang dan bangunan pelengkap. Bangunan Utama Bangunan utama dalam studi ini adalah bendung pelimpah tetap. Perencanaan bangunan utama meliputi: mercu, pembilas (pintu sorong), dan kolam olak. Mercu Bendung Berikut ini adalah persamaan untuk menghitung profil aliran diatas mercu: Q = Cd.Be.He 1,5 Dengan: Q = debit diatas mercu (m 3 /dt) Cd = koefisien debit limpahan Be = lebar efektif mercu (m) He = tinggi energi tekan (m) Kolam Olak Berdasarkan bilangan Froude, dapat dibuat pengelompokan-pengelompokan berikut dalam perencanaan kolam (KP- 04, 1986: 152): a. Untuk Fr 1,7 tidak diperlukan kolam olak b. Bila 1,7 < Fr 2,5 maka kolam olak diperlukan untuk meredam energi secara efektif. c. Jika 2,5 < Fr 4,5 maka akan timbul situasi yang paling sulit dalam memilih kolam olak yang tepat. Tipe yang digunakan adalah USBR IV d. Kalau Fr 4,5 ini akan merupakan kolam yang paling ekonomis. karena kolam ini pendek. Tipe ini, termasuk kolam olak USBR III Perencanaan Bangunan Tengah Bangunan tengah adalah bangunan yang posisinya terletak pada tengah formasi bangunan PLTA. Dalam studi ini bangunan tengah meliputi pintu intake, saluran pengantar, kantong lumpur, pembilas, pelimpah, penyaring dan pintu power intake, dan bak penenang. Pintu Intake Desain pintu pembilas dihitung dengan persamaan (KP-04,1986:55): Untuk aliran bebas: Q = Untuk aliran tenggelam: Q = Dengan: Q = debit (m 3 /det) K = faktor aliran tenggelam μ = koefisien debit (0,5 0,7) a = bukaan pintu (m) b = lebar pintu (m) g = percepatan gravitasi (m/det 2 ) h1 = kedalaman air di hulu pintu (m) h2 = kedalaman air di hilir pintu (m) Kantong Lumpur Rumus yang digunakan untuk menghitung dimensi (KP-02,1986:166). V = 5.10-4.Q.T dengan: V = volume kantong lumpur (m 3 ) Q = debit saluran (m 3 /det) T = jarak waktu pembilasan (det) H = kedalaman aliran saluran (m) w = kecepatan endap sedimen (m/det) L = panjang kantong lumpur (m) v = kecepatan aliran air (m/det) = B = lebar kantong lumpur (m) Bak Penenang Menurut AHEC,2011 bak penampung diusahakan untuk memiliki tampungan sebesar debit operasi dikalikan dengan waktu 2 menit atau 120Qp untuk menjaga kestabilan turbin akibat governor. Bangunan Pembawa Bangunan pembawa merupakan bangunan yang berfungsi untuk mengantarkan air atau membawa air mulai dari bangunan tengah menuju ke rumah pembangkit. Dalam studi ini
bangunan pembawa terdiri dari terowongan, pipa pesat, dan tangki gelombang. Terowongan Persamaan Mosonyi,D = 0,62.Q 0,48 Persamaan Sarkaria,D = 0,62.(P 0,43 / H 0,65 ) PersamaanFahlbush,D=0,52.H 0,17.(P/H) 0,4 Dengan: D = diameter terowongan (m) Q = debit dalam pipa (m 3 /det) P = daya yang dibangkitkan (KW) H = tinggi jatuh bruto (m) V = kecepatan aliran (m/det) A = luas penampang pipa (m 2 ) Pipa Pesat PersamaanSarkaria, ( ) Persamaan ESHA, D = ( ) Persamaan Dolands, D = 0,176.(P/H) 0,466 Dengan: D = diameter penstock (m) Q = debit pada penstock (m 3 /det) P = tenaga (HP) H = tinggi jatuh (m) n = koef kekasaran pipa hf = kehilangan tinggi tekan total (m) Tangki gelombang Berikut ini adalah persamaan untuk menghitung luas Surge Tanks (Thoma): A st = (2-75) D st = (2-76) Dengan : A st = Luas Surge Tanks (m 2 ) D st = Diameter Surge Tanks (m) Lt = panjang terowongan (m) A t = Luas penampang Terowongan (m 2 ) H = Gross Head (m) g = percepatan gravitasi (m 2 /s) c = koefisien thoma Bangunan Pembuang Saluran pembuang difungsikan untuk membuang aliran debit dari draft tube menuju area pembuangan (sungai). Bentuk desain dari saluran pembuang bisa bermacam macam tergantung dari kondisi topografi dan dengan memperhatikan aspek penempatan titik pusat turbin, apakah turbin ditempatkan lebih tinggi dari tail water level atau lebih rendah dari tail water level. Tinggi Jatuh Efektif Persamaan tinggi jatuh efektif adalah: Heff = EMAW TWL hl dengan: Heff = tinggi jatuh efektif (m) EMAW= elevasi muka air waduk (m) TWL = tail water level (m) hl = total kehilangan tingi tekan (m) Turbin Hidraulik Dalam pemilihan jenis turbin harus diperhatikan karakteristik dari masing masing turbin, turbin reaksi biasa digunakan untuk pembangkit listrik dengan tinggi jatuh sedang kecil sedangkan turbin impuls digunakan untuk tinggi jatuh besar, faktor lain yang perlu diperhatikan adalah tentang putaran dan kecepatan spesifik turbin, karena kecepatan spesifik turbin merupakan karakteristik yang mendasari dalam perencanaan turbin. Gambar 2. Grafik Pemilihan Tipe Turbin Menurut ESHA ESHA menggunakan standar internasional IEC 60193 dan 60041 untuk menentukan besarnya nilai kecepatan spesifik turbin, Formula untuk menghitung besarnya kecepatan spesifik adalah (Penche,2004:168):
N QE = dengan: NQE= kecepatan spesifik(tak berdimensi) Q = debit desain (m 3 /dt) E = enegi hidraulik spesifik didapat dari = H x g (j/kg) n = Putaran dasar turbin (t/s) Setelah itu maka putaran dasar turbin (n) dan jumlah kutub generator (p) bisa direncanakan berdasarkan kecepatan spesifik coba coba (NQE ), ESHA memberikan kisaran nilai kecepatan spesifik untuk tiap turbin adalah sebagai berikut (Penche,2004:169): turbin francis: 0,05 NQE 0,33 turbin propeller, Kaplan dan bulb: 0,19 NQE 1,55 turbin pelton: 0,005 NQE 0,025 turbin pelton dengan (n) nozzle: 0,005 n0,5 NQE 0,025n0,5 Titik Pusat Turbin Penentuan titik berat turbin atau elevasi pusat turbin dapat dinyatakan dalam persamaan berikut: Z = TWL + Hs + b Dengan: Z = titil pusat turbin (m) TWL= elevasi tail water level (m) Hs = Tinggi hisap turbin (m) b = perbedaan tinggi antar pusat turbin dengan outlet runner Energi yang Dihasilkan Produksi energi tahunan dihitung berdasarkan tenaga andalan. Tenaga andalan dihitung berdasarkan debit andalan yang tersedia untuk pembangkitan energi listrik yang berupa debit outflow dengan periode n harian.(arismunandar,2005:19) E = 9,8 x H x Q x ηg x ηt x 24 x n dengan: E = Energi tiap satu periode (kwh) H = Tinggi jatuh efektif (m) Q = Debit outflow (m 3 /dtk) ηg,ηt= efisiensi turbin dan generator n = jumlah hari dalam satu periode. Stabilitas Bendung Dalam analisa stabilitas bendung pada studi ini digunakan 4 kontrol kestabilitasan. 1. Stabilitas terhadap piping 2. Stabilitas terhadap guling 3. Stabilitas terhadap geser 4. Stabilitas terhadap daya dukung tanah Tekanan air harus dianalisa dalam dua kondisi,yaitu kondisi normal dan kondisi banjir. Kondisi normal adalah kondisi dimana muka air hanya setinggi mercu bendung, air di hilir bangunan dianggap kosong. Kondisi banjir adalah kondisi dimana muka air setinggi debit banjir rencana, di hilir bendung muka air juga setinggi debit banjir rencana. Setiap kondisi dibagi lagi menjadi sub-keadaan. Berikut ini adalah sub-kondisi yang dimaksud: Tanpa gempa dan tanpa lumpur Tanpa gempa dan penuh lumpur Gempa dan penuh lumpur HASIL DAN PEMBAHASAN Debit Andalan Tabel 1. Debit dengan Keandalannya m P=m/(n+1) Durasi (hari) Q diurutkan (m 3 /dt) 1 5,00% 18,250 685,680 2 10,00% 36,500 576,096 3 15,00% 54,750 500,666 4 20,00% 73,000 450,698 5 25,00% 91,250 412,315 6 30,00% 109,500 373,150 7 35,00% 127,750 346,019 8 40,00% 146,000 310,779 9 45,00% 164,250 283,665 10 50,00% 182,500 259,112 11 55,00% 200,750 229,504 12 60,00% 219,000 205,070 13 65,00% 237,250 185,014 14 70,00% 255,500 165,145 15 75,00% 273,750 145,847 16 80,00% 292,000 124,835 17 85,00% 310,250 104,443 18 90,00% 328,500 89,021 19 95,00% 346,750 44,178 20 99,93% 364,747 6,350
Debit Rancangan Debit rancangan beserta kala ulang: Q10th = 981,89 m3/dtk Q25th = 1092,28 m3/dtk Q50th = 1174,18 m3/dtk Q100th = 1255,47 m3/dtk Q200th = 1336,47 m3/dtk Debit Desain Pembangkitan Berdasarkan dari suatu studi kelayakan PLTA Baliem milik PT PLN (Perusahaan Listrik Negara) daya yang akan dibangkitkan oleh PLTA Baliem ditargetkan P = 50 MW. Q desain untuk pembangkitan energi = (P/(9,8.ŋT.ŋG.Heff))x1,1 =(50000/ (9,8.0,7.0,7.144,452) ) x 1,1 = 79,290 m3/det Hasil dari analisa debit pembangkitan energi harus sesuai dengan debit andalan yang digunakan untuk PLTA. Menurut Limantara, 2010 debit andalan untuk PLTA adalah 85-97%. Dari hasil analisa, debit andalan 85-97% adalah 31,90-104,44 m3/det. Debit pembangkitan sesuai dengan debit anadalan untuk PLTA. Dimensi Bendung Tipe mercu = Ogee tipe I Lebar sungai rencana (b) = 64 m Jumlah pilar (n) =2 Tebar pilar =1m Tebal dinding pangkal = 0,5 m Debit desain Q100th = 1255,471 m3/det Tinggi mercu bagian hulu (P) = 5 m Elevasi lantai bendung = 1480 Tabel 2. Profil Aliran diatas Mercu Be C Q 1487.5 3 m m m /det 0,500 60,880 2,196 47,262 1,000 60,760 2,192 133,158 1,500 60,640 2,187 243,679 2,000 60,520 2,183 373,714 2,500 60,400 2,179 520,254 3,000 60,280 2,175 681,235 3,500 60,160 2,171 855,116 4,000 60,040 2,167 1040,683 4,500 59,920 2,163 1236,946 5,000 59,800 2,158 1443,072 1486.5 a = 0,4 m 1485.5 a = 1,2 m 1484.5 a = 2,0 m 1483.5 a = 2,8 m 1482.5 a = 3,6 m 1481.5 Elv MA He Gambar 3. Mercu Tipe Ogee I Dimensi Kolam Olak Sedimen di sungai Baliem memuat boulder (batu besar), selain itu kecepatan aliran pada sungai Baliem sangatlah tinggi. Karena kondisi tersebut, batu besar akan dapat hanyut dan terbawa ke kolam olak. Tipe kolam olak yang tepat dengan kondisi tersebut adalah kolam olak tipe Bucket. Berikut dimensinya: Lebar kolam olak (B) = 63 m Jari kelengkungan (R) = 6 m Elv dasar kolam olak = 1474,41 Dimensi Pintu Intake Dasar pintu intake diletakkan 1,5 m lebih tinggi dari dasar bendung. depan pintu intake dipasang trashrack dengan sumbu batang vertikal. Debit desain = 95,148 m3/det Elv. dasar pintu = 1481,50 Bukaan max. pintu = 4 m (rencana) Lebar pintu (b) = 4 m (rencana) Jumlah Pintu = 8 pintu (rencana) Perhitungan kapasitas 1 pintu intake: Q = = = 66,29 m3/det 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 Debit (m3/dt) Gambar 4. Kurva Kapasitas 1Pintu Intake
Dimensi Kantong Lumpur Q desain = 95,148 m 3 /det Koef. Manning (n) = 0,025 Slope pembilasan = 0,0039 Dmin sedimen diendapkan = 0,06 mm Dari grafik, dengan D = 0,06 mm dan uhu rata-rata di Indone ia 20 didapatkan kecepatan endap (w) = 0,005 m/det. L.B = Q / W = 95,148 / 0,005 = 19000,000 m 2 Dengan nilai L.B= 19000,000 m 2 maka ditentukan nilai L= 400 m dan B= 47,5 m Pembilasan kantong lumpur direncanakan setiap seminggu sekali, maka kantong lumpur direncanakan dapat menampung sedimen selama 1 minggu. T = 7.24.60.60 = 604800 detik V = 0,0005.Q.T = 0,0005.95,148.604800 = 28772,755 m 3 Bak Penenang Menurut AHEC,2011 bak penampung diusahakan untuk memiliki tampungan sebesar debit operasi dikalikan dengan waktu 2 menit atau 120Q untuk menjaga kestabilan turbin akibat governor. Berikut ini adalah perhitungannya: Volume (V) = Q.120 = 79,290.120 = 9514,800 m3 Lebar (B) = 13,750 m Tinggi (H) = 15 m Panjang (L) = 39 m Gambar 5. Bak Penenang Dimensi Terowongan Debit desain = 79,290 m3/det Daya PLTA = 50000 KW Tinggi jatuh bruto = 161,20 m Panjang terowongan (L)= 3068,10 m Persamaan Mosonyi D = 5,058 m, maka didapat : A = 20,097 m 2 V = 3,945 m/det Persamaan Sarkaria D = 2,389 m, maka didapat : A = 4,481 m 2 V = 17,693 m/det Persamaan Fahlbush D = 2,583 m, maka didapat : A = 5,241 m 2 V = 15,130 m/det Dari ketiga persamaan empiris diatas hanya persamaan mosonyi yang memenuhi kecepatan izin di dalam terowongan (2 4,5 m/det), maka hasil persamaan mosonyi yang dipakai. Sehingga diameter terowongan 5,1 m. Dimensi Pipa Pesat Panjang pipa pesat = 602,7 m Tinggi jatuh = 161,20 m Koefisien manning (n)= 0,015 Jumlah pipa pesat = 1 buah Daya yang dibangkitkan = 50000 KW Debit desain = 79,290 m 3 /dt Persamaan Sarkaria D = 4,215 m, maka: A = 13,955 m 2 V = 5,682 m/det Persamaan Dolands D = 2,550 m, maka : A = 5,109 m 2 V = 15,521 m/det Persamaan Diameter Ekonomis ESHA D = 3,869 m, maka A = 11,760 m 2 V = 6,743 m/det Dari ketiga persamaan diatas diketahui bahwa metode Sarkaria dan metode ESHA bisa dipergunakan namun perlu dilakukan analisa pengaruh diameter terhadap beberapa faktor seperti kehilangan energi. Tabel 3. Kehilangan Tinggi Tekan diameter Luas kecepatan Hf total (m) (m2) (m/dt) (m) 3,869 11,75 6,744 11,259 4,215 13,95 5,682 7,030
Karena kehilangan tinggi tekan persamaan sarkaria kecil, maka yang digunakan adalah persamaan sarkaria. Diameter pipa pesat adalah 4,2 m. Dimensi Tangki Gelombang Diameter tangki gelombang perlu direncanakan sedemikian rupa agar mampu mereduksi tekanan akibat Water Hammer pada pipa pesat. Rumus yang digunakan dalam merencanakan tangki gelombang adalah sebagai berikut : Ast =.SF =.1,2 = 396,344 m 2 Dst = (A t/0,25,π)0,5 = (396,344/(0,25.3,14))0,5 = 22,464 m Tinggi Jatuh Efektif Dalam studi ini kehilangan tekan yang dihitung adalah kehilangan pada terowongan dan pipa pesat. Dari analisa sebelumnya didapatkan kehilangan tinggi tekan pada terowongan adalah = 13,411m dan pada pipa pesat = 7,040 m. Maka total kehilangannya adalah = 20,451 m. Tinggi jatuh effektif adalah tinggi jatuh kotor dikurangi kehilangan tinggi tekan. Maka tinggi jatuh effektifnya = 161,201 20,451 = 140,75 m Tabel 4. Perhitungan Tinggi Jatuh Efektif Kehilangan Pada Terowongan Akibat Gesekan 13,373 Inlet 0,038 Kehilangan Pada Pipa Pesat Gesekan 4,166 Inlet 0,836 Belokan 1,838 Outlet 0,200 Total Kehilangan 20,451 Elevasi Muka Air Elevasi TWL 1325,000 Elevasi M.A. Forebay 1486,201 Tinggi Jatuh (Head) Gross Head 161,201 Net Head 140,75 Turbin Air Dalam studi ini digunakan 10 turbin untuk pembangkitan daya listrik. Debit yang dialirkan oleh pipa pesat bercabang menjadi 10 bagian dan kemudian mengalir ke masing-masing turbin. Jadi debit yang dialirkan oleh terowongan dan pipa pesat terbagi menjadi 10 bagian. Debit desain (Q)= 7,929 m 3 det Net head (H) = 140,75 m Berdasarkan Gambar 2. maka tipe turbin yang digunakan adalah turbin tipe Francis. Pada umumnya posisi poros turbin francis ada 2 posisi, yaitu poros vertikal dan horizontal. Dalam studi ini dipakai turbin francis tipe horizontal. Menurut Schweiger dan Gregory dalam Penche,2004 kecepatan spesifik coba-coba (trial specific speed) turbin Francis dihitung sebagai berikut: N QE = = n = = 0,153 = = 12,28 t/s = 737,05 rpm Turbin direncanakan dengan menggunakan generator tipe sinkron dengan frekuensi 50 Hz maka kecepatan sinkron generator sama dengan keceparan putar turbin maka kecepatan sinkron generator dihitung sebagai berikut: n = (120.f) / p 737,05 = (120.50) / p p = 8,141 Dikarenakan nilai kutub generator (p) harus memiliki nilai genap dan tidak berbentuk bilangan desimal. p = 8 n = (120.50) / 8 = 750 rpm N QE = 0,156
Titik Pusat Turbin Analisa titik pusat turbin sangat berpengaruh terhadap gejala kavitasi, penempatan turbin yang tidak tepat akan menyebabkan kavitasi terjadi pada turbin. Data perencanaan sebagai berikut: Elevasi TWL = 1325 Tinggi jatuh efektif = 140,75 m Kecepatan spesifik (N QE ) = 0,156 Suhu air = 20 o Tekanan atmosfer (atm) = 86,392 kpa Tekanan uap air (Pw) = 2,3 kpa Kecepatan setelah runner (V) = 2 m/dt Berikut ini adalah perhitungan titik pusat turbin: Koef. Thoma kriti (σc) σc = 1,2715. N QE 1,41+ σc = 1,2715. 0,156 1,41+ σc = 0,094 Tinggi hisap kritis (Hs) Hs = Hs = Hs = -4,391 m Nilai minus dari hasil perhitungan menunjukkan bahwa posisi turbin berada dibawah elevasi TWL (tenggelam). Kavitasi akan terjadi jika nilai tinggi hisap (Hs) berada pada nilai diatas -4,391 m. Sehingga tinggi hi ap rencana (H ) akan direncanakan sebesar -4,886 m. Dikarenakan turbin memiliki nilai tinggi hisap minus maka turbin berada pada kondisi tenggelam sehingga nilai b dapat diabaikan b = 0, sehingga titik pusat turbin adalah: Z = (1325) + (-4,886) Z = 1320,114 Tabel 5. Kepekaan Kavitasi terhadap berbagai debit operasi debit (m 3 /det) Elv. TWL σ Hs (m) σ ket 7,93 1325,00-4,89 0,096 aman 5,55 1324,77-4,65 0,094 aman 4,76 1324,68-4,57 0,093 kavitasi Tabel 6. Rangkuman Spesifikasi Turbin No Uraian Nilai 1 Frekuensi (Hz) 50 2 kecepatan putar (n) (t/s) 12,500 3 kecepatan putar (n) (rpm) 750 4 jumlah kutub generator (p) 8 5 kecepatan sinkron (rpm) 750 6 kecepatan spesifik (Nqe) 0,156 7 kecepatan spesifik (Ns) 154,737 8 faktor kecepatan (m/dt) 0,328 9 diameter maks. turbin (m) 0,931 10 koefi ien kavita i kriti (σc) 0,094 11 tinggi hisap kritis (Hs) (m) -4,391 12 tinggi hisap rencana (Hs') (m) -4,886 13 elv pusat turbin (Z) 1320,114 14 koefi ien kavita i aktual (σa) 0,096 15 kontrol kavitasi aman 16 tinggi total spiral case (m) 3,38 17 diameter intake spiral case (m) 1,00 18 tinggi draft tube (m) 2,66 19 panjang draft tube (m) 5,26 Saluran Pembuang Jumlah tailrace= 10 buah Debit desain = 79,290 / 10 = 7,929 m 3 /det Elevasi TWL = 1325 (direncanakan) Lebar saluran = 4 m (direncanakan) Bentuk saluran= persegi Aliran air dari saluran pembuang akan dialirkan melalui ambang pada ujung saluran dengan data perencanaan: Bentuk ambang = ogee tipe I Lebar ambang (B) = 4 m Tinggi ambang (P) = 2 m Energi Listrik Yang Dibangkitkan Debit desain = 79,290 m 3 /dt Jumlah turbin = 10 buah turbin Debit 1 turbin = 7,929 m 3 /dt Effisiensi turbin = 93% Effisiensi generator = 97% Sistem operasi = central grid Elv. pusat turbin = 1320,114 Elv. tailrace = 1321,892 Elv. ambang tailrace = 1323,892
Headloss total = 20,451 m Head efektif = 140,75 m Beberapa asumsi atau aturan operasi yang dipergunakan dalam analisa pembangkitan energi adalah sebagai berikut: 1. Sistem PLTA tidak memiliki tampungan andalan. 2. Operasi dilakukan selama 24 jam tanpa memperhatikan operasi peak load dan base load 3. Jumlah hari operasi pembangkitan memperhatikan faktor hidrologi 4. Pembangktian energi tahunan dihitung berdasarkan tiap alternatif debit desain Sehingga daya yang dapat dihasilkan berdasarkan debit desain adalah: P = 9,8 x H x Q x ηg x ηt = 9,8 x 140,75 x 79,290 x 0,97 x 0,93 = 98658,86 kw Energi yang dihasilkan dalam satu hari adalah: E = 9,8 x H x Q x ηg x ηt x 24 jam E = 9,8x140,75x79,290x0,97x 0,93x24 E = 2367812,63 kwh Tabel 6. Hasil Pembangkitan Energi Harian Tiap Alternatif Alternatif Debit Operasi Daya Energi Harian (m 3 /dt) (kw) (kwh) 1 79,29 98658,86 2367812,63 2 55,503 73638,30 1767319,21 Tabel 7. Hasil Pembangkitan Energi Tahunan Tiap Alternatif Alternatif Debit Desain Daya Energi Tahunan (m 3 /dt) (kw) (MWh) 1 79,29 98658,86 864251,61 2 55,503 73638,30 645071,51 Stabilitas Bendung Berdasarkan hasil analisa stabilitas bendung, kontrol terhadap piping, stabilitas guling, stabilitas geser, dan daya dukung tanah hasilnya aman terhadap semua kondisi (aliran normal, banjir, gempa, dan penuh sedimentasi). KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Berdasarkan hasil analisa dan perhitungan yang telah dilakukan dengan memperhatikan rumusan masalah, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Berdasarkan hasil analisa hidrologi, besarnya debit andalan dan debit rancangan adalah: Debit andalan (Q 80% )= 124,835 m 3 /det Debit andalan (Q 85% )= 104,443 m 3 /det Debit andalan (Q 90% )= 89,021 m 3 /det Debit andalan (Q 95% )= 44,178 m 3 /det Debit rancangan(q 50th )=1174,18m 3 /det Debit rancangan(q 100th )=1255,47m 3 /det Q pembangkitan listrik ) = 79,290 m 3 /det 2. Berdasarkan hasil analisa hidraulika, besarnya dimensi setiap bangunan air adalah: a. Bangunan utama Mercu bendung: Tipe= Ogee II; lebar= 63 m; tinggi= 5 m Kolam olak: lebar= 63 m; kedalaman kolam= 1,041 m; jari-jari= 6 m Pintu bilas (3 pintu): lebar= 3 m, tinggi bukaan maks. pintu=1,1 m b. Bangunan tengah Pintu intake (8 pintu): bukaan maks. Pintu = 4 m; lebar = 4m Kantong lumpur: lebar= 47,5; panjang= 400 m; slope bilas= 0,00392 Pintu bilas (6 pintu): lebar= 2,5 m; bukaan maks. pintu= 2,5 m Mercu pelimpah: tinggi= 4,81m; lebar= 173 m Saluran samping pelimpah: lebar awal= 5 m; lebar akhir= 10 m; panjang= 173m Pintu power intake (4 pintu): lebar= 2,5 m; tinggi bukaan maks. pintu= 2,7 m Bak penenang: lebar= 13,75 m; tinggi= 15 m; panjang= 39 m c. Bangunan pembawa Terowongan: diameter= 5,1 m; panjang= 3068,1 m
Pipa pesat: diameter= 4,2 m; panjang= 602,7 m; tinggi jatuh= 161,2 m Tangki gelombang: diameter= 22,5 m d. Bangunan pembangkit (turbin francis poros horizontal) Jumlah turbin= 10 buah Runner: diameter runner max= 0,931 m, tinggi= 0,33 m Rumah siput: diameter intake=1 m; tinggi= 3,38 m Draft tube:: tinggi= 2,66 m; panjang= 5,26 m e. Bangunan pembuang Tailrace (10 buah): lebar= 4 m Ambang: tinggi= 2 m 3. Berdasarkan hasil analisa, dengan Q pembangkitan = 79,290 m 3 /det dapat membangkitkan energi listrik sebesar 864251,61 MWh. Sedangkan dengan Q pembangkitan = 55,503 m 3 /det dapat membangkitkan energi listrik sebesar 645071,51 MWh. 4. Berdasarkan hasil analisa stabilitas bendung, kontrol terhadap piping, stabilitas guling, geser, dan daya dukung tanah hasilnya aman terhadap semua kondisi (aliran normal, banjir, gempa, dan penuh sedimentasi). Saran Agar studi perencanaan PLTA bisa lebih baik, berikut ini adalah hal-hal yang perlu diperhatikan: Lebih baik menggunakan data debit observasi di lapangan (pengukuran AWLR). Hasil perencanaan harus ditinjau dengan studi kelayakan ekonominya. Jika terjadi kelebihan biaya, maka perlu dikaji ulang perencanaan bangunan. Hasil perencanaan perlu dilakukan uji model test untuk mengetahui apakah perencanaan sudah sesuai atau tidak. DAFTAR PUSTAKA AHEC. 2011. Standards /Manuals /Guidelines For Small Hydro Development. India : Alternate Hydro Energy Center Indian Institute of Technology Roorkee. Anonim. 1986. Standar Perencanaan Irigasi (Kriteria Perencanaan 02). Bandung : CV. Galang Persada. Anonim. 1986. Standar Perencanaan Irigasi (Kriteria Perencanaan 04). Bandung : CV. Galang Persada. Arismunandar A. dan Kuwahara S. 2004. Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik. Jakarta : PT Pradnya Paramita. Chow, Ven te. 1997. Hidraulika saluran terbuka. Jakarta : Erlangga Dandekar, MM dan K.N. Sharma. 1991. Pembangkit Listrik Tenaga Air. Jakarta : Universitas Indonesia. Limantara, L. M. 2010. Hidrologi Praktis. Bandung: Lubuk Agung. Masrevaniah, Aniek. 2012. Konstruksi Bendungan Urugan Volume II. Malang : CV. Asrori Malang. Mawardi, Eman dan Memed, Moch. 2010. Desain Hidraulik Bendung Tetap Untuk Irigasi Teknis. Bandung : Alfabeta. Mosonyi, Emil. 1963. Water Power Development Volume One Low Head Power Plant. Budapest : Akademiai Kiado Mosonyi, Emil. 1963. Water Power Development Volume Two High Head Power Plant. Budapest : Akademiai Kiado Patty, O.F. 1995. Tenaga Air. Erlangga : Surabaya. Penche, Celso. 2004. Guidebook on How to Develop a Small Hydro Site. Belgia : ESHA (European Small Hydropower Association). Priyantoro, Dwi. 1987. Teknik Pengangkutan Sedimen. Malang : Himpunan Mahasiswa Pengairan Universitas Brawijaya. Ramos, Helena. 2000. Guidelines For Design Small Hydropower Plants. Irlandia : WREAN (Western Regional Energy Agency & Network) and DED (Department of Economic Development).