PKMT-2-16-1 RANCANG BANGUN TURBIN PELTON UNTUK SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO-HIDRO DENGAN VARIASI BENTUK SUDU Pamungkas Irwan N, Franciscus Asisi Injil P, Karwanto, Samodra Wasesa Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Semarang, Semarang ABSTRAK Pada umumnya Turbin Pelton mempunyai bentuk Sudu Mangkok sedemikian rupa. Maka pada kesempatasn ini dibuatlah bentuk sudu yang berbeda, yaitu bentuk Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua. Pembuatan Turbin Pelton untuk sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro (PLTMH) dengan bentuk Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua mempunyai tujuan apakah efisiensi dan daya yang dihasilkan turbin serta generator dimungkinkan dapat meningkat. Selain itu memberikan pemahaman yang jelas tentang pembangkit listrik tenaga mikrohidro dari energi potensial fluida menjadi energi listrik. Metode yang digunakan oleh penulis dalam penelitian ini adalah metode studi lapangan, metode perancangan, metode pembuatan, serta metode pengujian. Dalam pengujian ini dilakukan perbandingan antara sudu mangkok dan Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua. Pada putaran yang sama 1500 Rpm dimana tegangan dipertahankan 220 Volt, maka Sudu Mangkok menghasilkan Daya Hidrolik; P h = 685,33 Watt, Daya kinetik; P k = 627,69 Watt, Daya Turbin; P t = 612,49 Watt dan Daya Generator; P g = 189,17 Watt. Sedangkan untuk Sudu Silinder Dibelah Dua daya maksimal yang dihasilkan ; P h = 742,40 Watt, P k = 627,52 Watt, P t = 612,97 Watt, dan P g = 206,77 Watt. Untuk efisiensi, nilai tertinggi pada Sudu Silinder Dibelah Dua, yaitu 97,67 % selisih 0,1 % lebih besar untuk Efisiensi Turbin dan 27,85 % selisih 0,83 % lebih besar untuk Efisiensi Sistem. Dengan demikian sudu dengan bentuk Sudu Silinder Dibelah Dua lebih efisien digunakan untuk PLMH. Kata Kunci : Sisitem Pembagkit Tenaga, Turbin Pelton, Efisiensi, Sudu Mangkok, Sudu Silinder Dibelah Dua. PENDAHULUAN Salah satu pembangkit listrik tenaga air yang digunakan untuk memanfaatkan tenaga air dan yang bisa dibuat adalah turbin air. Salah satu peralatan pokok dalam suatu pembangkitan listrik tenaga air ialah turbin air Pelton yang berfungsi mengubah Energi Potensial berupa energi kecepatan oleh Nozel menjadi Energi Mekanik berupa putaran pada poros turbin, untuk mendapatkan Energi Listrik maka poros turbin dikopel dengan generator. Dengan melihat latar belakang tersebut kami membuat simulasi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro- Hidro (PLTMH) dengan bentuk sudu yang berbeda yaitu Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua. Didasari dengan alasan diatas pembuatan simulasi PLTMH mempunyai tujuan utama, yaitu membandingkan karakteristik daya dan efisiensi kedua sudu tersebut pada turbin serta dari generator. Diharapkan dengan penelitian ini masyarakat pada umumnya bisa menggunakan jenis sudu ini karena dilihat dari kontruksinya lebih mudah pengerjaannya.
PKMT-2-16-2 METODE PENELITIAN Waktu pembuatan simulasi sampai dengan penelitian adalah 6 bulan (Maret- Agustus 2005). Sedang tempat pengujian berada di Laboratorium Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Semarang. Metode yang digunakan dalam pembuatan penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Metode Studi Lapangan Melaksakan pengujian dan observasi secara langsung dari pompa untuk mengetahui head dan debit, serta merancang dan membuat instalasi dari PLTMH. Selain itu dilakukan peninjauan bentuk sudu dimana perhitungan sudu digunakan sebagai dasar untuk menghitung kekuatan pemilihan bahan melalui leteratur yang berhubungan dengan PLTMH. 2. Metode Perancangan Dengan cara merencanakan segala sesuatu yang terkait dalam pembuatan Turbin Pelton ini misalnya perhitungan dimensi, kekuatan bahan dan jenis bahan yang digunakan. 3. Metode Pembuatan Pelaksaan pembuatan simulasi ini melibatkan proses-proses pengerjaan pengecoran, pemotongan, pengeboran, penyambungan, dan lainnya dengan menggunakan kikir, gerinda, mesin-mesin perkakas, dan alat-alat penunjang lainnya hingga sampai proses finising. 4. Metode Pengujian Metode pengujian meliputi pelaksanan pengambilan data, pengolahan data, dan analisa hasil data pengujian dari hasil pembuatan PLTMH. Dasar perhitungan pembuatan sudu : 1. Kecepatan nominal Runner ; v (m/det) v = 0,44 ( 2.g.H )... (Modi & Seith, 1979 ; 975) Dimana H = Head total pompa (m) 2. Diameter nominal turbin; D t (m) D = 60.v t... (Sunarto & Einsering, 1994 ; 09) π.n Dimana n = Kecepatan putran turbin (Rpm) 3. Jumlah sudu ; Z D t Z = 5,4... (Modi & Seith, 1979 ; 976) d n Dimana d n = Diameter pancaran Nozel (m) 4. Lebar sudu ; B s (mm) B s =( 4 5 ) x d n... (Modi & Seith, 1979 ; 976) 5. Kedalaman mangkok ; C s (mm) C s = ( 0,81 1,05 ) x d n... (Modi & Seith, 1979 ; 976) 6. Lebar bukaan mangkok ; M (mm) M = ( 1,1 1,25 ) x d n... (Modi & Seith, 1979 ; 976)
PKMT-2-16-3 7. Panjang sudu ; L s (mm) L s = ( 2,4 3,2 ) x d n... (Modi & Seith, 1979 ; 976) 8. Jarak pusat pancaran jet ke ujung sudu ; l (mm) l = ( 1,2 1,9 ) x d n... (Modi & Seith, 1979 ; 976) Gambar 1. Desain Dimensi Sudu. Data yang diperlukan dalam pengujian ini adalah : 1. Beda tekanan pada orifismeter. 2. Tekanan discharge pompa. 3. Tekanan input Nozel. 4. Besarnya arus yang mengalir saat pembebanan pada generator. 5. Besarnya nilai putaran generator. 6. Besarnya nilai tegangan generator. 7. Suhu air pada saat pengujian. Peralatan yang digunakan untuk pengujian simulasi PLTMH dengan Turbin Pelton Silinder Dibelah Dua yaitu : 1. Simulasi turbin dan perlengkapannya. 2. Beban berupa lampu pijar Secukupnya 3. Voltmeter 1 buah 4. Amperemeter 1 buah 5. Tachometer 1 buah 6. Termometer 1 buah 7. Manometer pipa U 1 buah 8. Kabel Banana Secukupnya 9. Kabel Spadle Secukupnya
PKMT-2-16-4 Langkah-langkah pengujian : 1. Persiapkan Simulasi PLTMH dengan Turbin Silinder Tertutup Dibelah Dua dan perlengkapannya. 2. Lakukan pengecekan alat-alat yang akan digunakan dalam pengambilan data. 3. Buat tabel untuk mencatat hasil pengujian. 4. Ukur temperatur air. 5. Persiapkan Pompa dan perlengkapannya. 6. Hidupkan pompa dengan meng-on-kan saklar kemudian tarik handle pada motor bensin sampai pompa hidup. 7. Buka katup-katup Manometer Pipa U manometer input Nozel. 8. Buka katup buangan / bypass agar tekanan pada pipa tidak terlalu tinggi akibat tekanan output air pada pompa. 9. Buka katup masukan Nozel, sehingga air akan menumbuk sudu dan mengakibatkan runner berputar. 10. Sambil mengatur bukaan katup, tambah gas untuk pompa dengan cara menggeser tuas gas searah jarum jam sampai gas setengah penuh, apabila putaran masih belum 1500 Rpm maka gas ditambah hingga putaran mencapai 1500 Rpm dan pada generator menunjukkan tegangan sampai 220 Volt. 11. Catat nilai penunjukkan Tachometer, Amperemeter, Voltmeter, Manometer input Nosel, dan Manometer Pipa U ( x). 12. Berikan variasi beban dengan menggunakan lampu pijar pada generator maka putarannya akan turun, atur bukaan katup sehingga penunjukkan voltmeter kostan pada nilai 220 Volt catat nilai parameter seperti nomor 11. 13. Setelah data didapat, turunkan beban lampu pijar secara satu persatu, diiringi dengan penutupan katup sampai turbin berhenti dan kurangi gas pada motor bensin bersamaan penutupan katup. 14. Setelah itu katup tutup penuh dan matikan pompa dengan penggerak motor bensin dengan meng-off-kan saklar pada motor bensin. 15. Lepas peralatan dan kembalikan peralatan ke tempat semula. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengujian Tabel 1. Pengujian Sudu Mangkok No Lampu ( W ) n (Rpm) Tegangan (V) Arus (A) P ( Kgf/cm 2 ) Δx (cm) Torsi (Nm) 1 0 1500 220 0 1,1 17 0,78 2 25 1500 220 0,1 1,1 17,5 0,86 3 50 1500 220 0,21 1,2 18 1,06 4 75 1500 220 0,32 1,2 18,5 1,24 5 100 1500 220 0,42 1,2 19 1,41 6 125 1500 220 0,52 1,3 20 1,58 7 150 1500 220 0,64 1,4 21 1,77 8 175 1500 220 0,75 1,4 22 1,99 9 200 1500 220 0,86 1,4 22,5 2,2
PKMT-2-16-5 Tabel 2. Pengujian Sudu Silinder Dibelah Dua No Lampu ( W ) n (Rpm) Tegangan (V) Arus (A) P (Kgf/cm 2 ) Δx (cm) Torsi (Nm) 1 0 1500 220 0 1,05 16 0,35 2 25 1500 220 0,11 1,1 17 0,94 3 50 1500 220 0,21 1,2 17,5 1,1 4 75 1500 220 0,32 1,2 18,5 1,29 5 100 1500 220 0,43 1,3 19,5 1,48 6 125 1500 220 0,54 1,3 20 1,65 7 150 1500 220 0,65 1,4 21 1,85 8 175 1500 220 0,75 1,45 22,5 2,04 9 200 1500 220 0,86 1,5 23 2,21 Pengujian yang diperoleh seperti pada tabel hasil pengujian selanjutnya diolah melalui perhitungan untuk memperoleh besarnya Daya Hidrolik, Daya Kinetik, Daya Turbin, Daya Generator, Efisiensi Turbin dan Efisiensi Sistem. Contoh perhitungan yang dilakukan dengan mengambil data pengujian Sudu Silinder Dibelah Dua pada beban kosong (nomor 1) diketahui : Dimeter dalam pipa ; A 1 = 1,256.10-3 m 2 Diameter Oriffice ; A 2 = 8,038.10-4 m 2 Percepatan Gravitasi ; g = 9.81 m/det 2 Massa jenis air ; ρ = 996,74 kg/m 3 Berat jenis air raksa ; S Hg = 13,61 Berat jenis air ; S air = 1 Head Tabung Bourdon ; H = 1,1 kgf/cm 2 = 11 m Beda ketinggin Manometer U ; x = 17 cm = 0,17 m Kecepatan putaran Turbin ; n = 1500 Rpm Arus output Generator ; I = 0 Amper Tegangan output Generator ; V = 220 Volt Sehingga perhitungan didapat : Besarnya debit yang mengalir ; Q ( m 3 /det ) dihitung : Q = cd Q = 0,64 A 1.A 2 s HG 2.g.Δx 1... (Streeter, 199 ;336) A 2 A 2 s air 1 2 1,256 x10 3 (m).8,038x10 4 (m) 2.9,81(m / det). 0,17(m ) 13,6 1 (1,256x10 3 (m)) 2 (8,038x10 4 (m)) 2 1 Q = 4,2 x 10 --3 m 3 /det Kecepatan pancaran jet keluar nosel ; V ( m/det) dihitung : V = Q A n
PKMT-2-16-6 4,2 x10 3 (m 3 / det ) V = π.( 0,02 (m)) 2 4 = 13,37 m/det Kecepatan keliling nominal turbin ; v ( m/det ) dihitung : v = π.d.n 60 π. 0,11(m.).1500 (rpm) v = 60 = 8,635 m/det Perhitunga Daya : a. Daya Hidrolis ; P h (Watt) yang masuk ke nosel, dimana besarnya head diukur sebelum masuk Nozel yaitu : H = 11 m P h = ρ.g.q.h = 996,74 (kg/m 3 ). 9,81 (m/det 2 ). 4,2 x 10-3 (m 3 /det).11 (m) = 432,7 Watt b. Daya Kinetik jet air ; P k (Watt) dihitung : P k = 1 ρ. A V 3 2 = 1. 996,74 (kg/m 3 ). ( π 0,02 m ) 2. 13,37 (m/det ) 3 2 4 = 374,84 Watt c. Daya Turbin ; P t (Watt) dihitung : θ = 15 o P t = ρ. A.V.( V v ).( 1 + cos θ ).v = 996,74 (kg/m 3 ). 3,14x10-4 (m). 13,37(m/det). (13,37 (m/det) - 8,635 (m/det)). (1 + cos15 o ). 8,635 (m/det) = 335,31 Watt d. Daya Listrik (Daya Generator) ; P g (Watt) dihitung : Cos ϕ = 1 V = 220 volt I = 0 amper P g = V. I. Cosϕ = 220(Volt). 0(Amper). Cos 1 = 0 Watt Perhitungan Efisiensi : a. Efisiensi SuduTurbin ; η t η = P t st P. 100% k 335,31 (Watt) η =. 100% st 374,84 (Watt)
PKMT-2-16-7 = 89,45 % b. Efisiensi Sistem ; η s η s P = g Ph. 100% η s = 0 (Watt) 432,7 (Watt). 100%, η s = 0 % Hasil perhitungan pengujian sudu pada tegangan konstan Tabel 3. Hasil Perhitungan Sudu Mangkok P h (Watt) P k (Watt) P t (Watt) P g (Watt) η t (%) η s (%) 468,06 709,47 368,58 0 90,01 0 474,89 430,21 399,38 21,99 92,83 4,63 525,41 447,96 416,99 46,19 93,08 8,79 532,66 478,93 452,94 70,38 94,57 13,21 539,81 484,89 460,64 92,38 94,99 17,11 599,98 523,80 487,57 116,38 93,08 19,11 662,09 565,84 550,49 140,77 97,28 21,26 667,67 605,44 589,32 164,97 97,33 24,34 685,33 627,69 612,49 189,17 97,57 27,02 Tabel 4. Hasil perhitungan Sudu Silinder Dibelah Dua P h (Watt) P k (Watt) P t (Watt) P g (Watt) η t (%) η s (%) 432,70 374,84 335,31 0 80,94 0 467,20 409,47 367,90 24,20 90,33 5,20 517,18 456,64 427,05 46,20 93,52 8,90 531,75 463,39 431,15 70,39 93,04 13,20 591,42 505,25 479,32 94,59 94,86 15,90 598,96 521,84 497,41 118,78 95,31 19,80 660,90 562,6 541,47 142,98 96,23 21,60 708,60 624,23 607,26 164,97 97,28 23,30 742,40 627,52 612,97 206,77 97,67 27,85 KESIMPULAN Dari perhitungan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : Besarnya daya yang dihasilkan oleh sistem dipengaruhi oleh head (H), debit (Q), percepatan grafitasi (g) dan pembebana generator pada tegangan yang konstan. Karena itu pada tiap pengujian akan didapat daya semakin besar dengan kenaikan debit dan head dan beban generator. Pada pemberian tegangan konstan 220 Volt dan putaran 1500 Rpm, Daya Kinetik pada Sudu Mangkok lebih tinggi dari Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua dengan selisih 0,17 Watt, tetapi Daya Hidrolik, Daya Turbin, dan Daya Generator terlihat lebih tinggi pada Sudu Silinder Dibelah Dua, selisih dayanya sebesar 57,07 Watt, 0,48 Watt, dan 17,60 Watt. Sedang untuk efisiensi, value tertinggi pada Sudu
PKMT-2-16-8 Silinder Dibelah Dua, dengan selisih 0,1 % untuk Efisiensi Turbin dan 0,83 % untuk Efisiensi Sistem. Daya dan efisiensi yang dihasilkan Turbin dipengaruhi oleh faktor-faktor tertentu, seperti peralatan pendukung, sifat fluida, kekasaran permukaan sudu, kontruksi instalasi, human error dan faktor lain yang tidak bisa diprediksi. Secara umum terlihat bahwa Sudu Silinder tertutup Dibelah Dua lebih unggul dari pada Sudu Mangkok. DAFTAR PUSTAKA Dietzel F. 1993. Turbin Pompa Dan Kompresor, Jakarta: Erlangga. M. Edy Sunarto, Markus Eisenring. 1994. Turbin Pelton Mikro, Yogyakarta: MHPG ANDI OFFSET. Niemann G. 1986. Elemen mesin Jilid 1,Jakarta: Erlangga. Sularso. 1993. Dasar Pemilihan dan Perencanaan Elemen Mesin. Jakarta: Pradnya Paramita. Sasongko, Gjoko. 1996. Teknik Sumber Daya Air. Jakarta: Erlangga. Sato GT. 1993. Menggambar Mesin Menurut Standar I.S.O. Jakarta: Pradnya Paramita. Streerter, Viktor L. 1988. Mekanika Fluid. Jakarta: Erlangga.
PKMT-2-16-9