Plta Renun [PDF]

Citation preview

BAB II PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA) RENUN



2.1



Sejarah Singkat PLTA Renun Perusahaan listrik Negara (PLN) adalah sebuah perusahaan yang



bergerak dibidang kelistrikan untuk menyediakan listrik di Indonesia.Penyediaan listrik di Indonesia sangatlah kurang, terutama untuk daerah-daerah terpencil yang belum ada penyaluran listrik ke daerah tersebut. Oleh karena itu PT PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera Bagian Utara (SUMBAGUT) yang mempunyai tujuh sektor pembangkitan salah satunya adalah Sektor Pembangkitan Pandan yang terletak di Sibolga Sumatera Utara yang membangun sebuah pembangit listrik yang memanfaatkan tenaga air. Sektor Pembangkitan Pandan mempunyai dua unit pembangkit yang memanfaatkan air sebagai bahan baku utama, yaitu PLTA Renun dan PLTA Sipan Sihaporas dengan masing-masing pembangkit berkapasitas 2 x 41 MW dan 50 MW. Penyediaan listrik dengan daya besar dapat dilakukan dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), dengan gas (PLTG), tenaga diesel (PLTD) dan tenaga air (PLTA). Energi listrik disalurkan melalui jaringan transmisi (biasanya bertegangan tinggi) menuju para pemakai listrik. Sebelum mencapai konsumen, tegangan listrik akan diturunkan ke level tegangan yang digunakan konsumen. PLTA Renun dibangun oleh PLN yang bekerjasama dengan Overseas Economic Cooperation Fund (OECF)diatas lahan seluas



3ha.PLTA. Renun



yang memanfaatkan air sebagai bahan baku utama, mulai dibangun pada tahun 1993 dan mulai beroperasi pada tahun 2005 dengan kapasitas pembangkit 2 x 41 MW. PLTA ini berlokasi di Propinsi Sumatra Utara, Kabupaten Dairi, Desa Silalahi. Sumber air yang diperoleh adalah dari 11 aliran sungai, 8 aliran sungai di tampung dalam satu waduk, dan 3 aliran sungai yang lain langsung di alirkan ke penstock. Power House di isi oleh 2 unit turbin francis, berporos vertikal dengan 5



total daya yang terpasang 82 MW. Daya yang dibangkitkan dari pusat daya yaitu 150 KV. Dikirim ke transmisi tegangan tinggi dan disambung pada subtation Berastagi dan subtation Sidikalang. PLTA Renun terletak di Propinsi Sumatera Utara, sekitar 100 km di sebelah selatan Medan dan meliputi bagian hulu Renun dan Danau Toba. PLTA ini membangkitkan tenaga listrik secara ekonomis dengan mengalihkan sekitar 22 m3/detik dari Sungai Renun dan 11 anak sungai (tributary intake) ke Danau Toba. Dengan debit air rata-rata 11 m3/det untuk masing-masing turbin dan tinggi jatuh efektif air 434.6 m diharapkan akan menghasilkan energi sebesar 313.5 GWh/tahun. 2.2



Komponen PLTA Renun Secara garis besar komponen – kompnen PLTA berupa bangunan



pembawa air (water way), turbin air, generator, transformator dan alat bantu. Adapun penjelasan beberapa macam komponen PLTA tersebut disajikan dalam penjelasan berikut ini : 2.2.1



Bangunan Pembawa Air (Water Way) Water Way merupakan bagian konstruksi dari suatu PLTA yang terdiri



dari bangunan pengambilan (intake tructure) sampai ke saluran pembuangan akhir (Tail Race), yang merupakan suatu bagian utama dari PLTA.Water Way berfungsi sebagai jalan air dari sumber air.



Gambar 2.1



General layout Water Way PLTA Renun 6



PLTA Renun memiliki Water Way sepanjang ± 21 km yang terdiri dari terowongan Upstream Headrace Tunnel (Penghantar Bagian Hulu) yang berfungsi untuk mengalirkan air dari Main Intake, beserta Tributary Intake sebanyak 8 unit ke Regulating Pond (Kolam Tando) sepanjang ± 8,8 km.Lalu terowongan Downstream Headrace Tunnel (Penghantar Bagian Hilir) yang berfungsi untuk mengalirkan air dari Regulating Pond, beserta Tributary Intake sebanyak 3 unit dengan Penstock



(Pipa Pesat) sepanjang ± 11,3 km, dan



Penstock yang berfungsi untuk mengalirkan air dari DHT ke turbin. Simulasi Water Way Unit PLTARenun dilihat pada gambar 2.1 dan 2.2.



Gambar 2.2



Water Way PLTA Renun



Sumber air di unit PLTA Renun ini bersumber dari Sungai Renun dan 11 anak sungainya. Air mengalir dari sumber-sumber air melalui UHT, DHT, dan Penstock



disebabkan oleh gaya dorong berupa gaya grafitasi dimana gaya



tersebut terjadi karena perbedaan elevasi antara UHT dengan DHT, dan DHT dengan penstock.



7



Gambar 2.3



2.2.1.1



Elevasi Water Way



Main Intake Main Intake adalah bangunan pada PLTA yang berfungsi sebagai



pintu utama yang mengalirkan airmenuju Regulating Pond. Sumber utama di Unit PLTA Renun didapat dari Sungai Renun yang dialirkan melalui Main Intake yang terletak 28 km dari Base Camp PLTA Renun yaitu di desa Pangaringan. Luas daerah tangkapan air pada Main Intake yang berasal dari Sungai Renun seluas 139 km2 dengan debit rata-rata air sebesar 5.63 m3/detik. Gambar Main Intake dapat dilihat pada gambar 2.4.



Sungai Renun



Gambar 2.4



Main Intake



8



2.2.1.2



Upperstream Headrace Tunnel (UHT) Upperstream Headrace Tunnel (UHT) merupakan terowongan yang



menyalurkan air dari Main Intake menuju Regulating Pond.Terdapat 1-8 Tributary Intake disepanjang UHT. Tributary Intake adalah saluran anak sungai yang berfungsi untuk menambah debit air. Gambar UHT dapat dilihat pada gambar 2.5. Data spesifikasi alat: Tipe



: Bentuk lingkaran dengan kekuatan permukaan



beton dan garis



lengkung beton dan bagian terbalik kondisi aliran bebas. Diameter/panjang



: 3,4 m / 8,718 km



Gambar 2.5



2.2.1.3



Upperstream Headrace Tunnel (UHT)



Tributary Intake Selain dari sungai Renun, sumber air yang digunakan Unit PLTA



Renun diperoleh dari 11 anak sungai yang disalurkan melalui Tributary Intake. Tributary Intake no. 1-8 terdapat di sepanjang UHT dan Tributary Intake no. 9-11 di sepanjang Downstream Headrace Tunnel (DHT).Data Catchment Area (Jangkauan Air) pada setiap Tributary Intake dapat dilihat pada table 2.2.Data debit aliran sungai, rata-rata tiap bulan baik Main Intake maupun Tributary Intake selama 2 tahun dari tahun 2008 sampai dengan 2010 dapat dilihat pada tabel 2.1. No



Keterangan



Hasil Analisa



Satuan



Acuan Metode 9



1. 2. 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13



Main Intake Regulatng Pond Tributary Intake 1 Tributary Intake 2 Tributary Intake 3 Tributary Intake 4 Tributary Intake 5 Tributary Intake 6 Tributary Intake 7 Tributary Intake 8 Tributary Intake 9 Tributary Intake 10 Tributary Intake 11 Tabel 2.1



8,2378 14,5360 1,3997 1,5722 2,0482 2,3893 2,7762 2,2936 2,6712 0,3187 0,3706



m3/det m3/det m3/det m3/det m3/det m3/det m3/det m3/det m3/det m3/det m3/det



Perhitungan Perhitungan Perhitungan Perhitungan Perhitungan Perhitungan Perhitungan Perhitungan Perhitungan Perhitungan Perhitungan



2,7122



m3/det



Perhitungan



2,2078 m3/det Perhitungan Debit rata-rata Main Intake & Tributary Intake (TI)



Laporan implementasi pengelolaan lingkungan dan pemantauan lingkungan PLTA Renun 2008-2010



Tabel 2.2



Catchment Area



Tributary Intake



Catchment Area (km2)



TI-1 Lae Mbara



4,3



TI-2 Lae Mbontar



6,4



TI-3 Lae Simbara



7,9



TI-4 Lae Simartaban



5,7



TI-5 Lae Lembam



9,8



TI-6 Lae Sipatonga



7,1



TI-7 Lae Singilang



11,1



TI-8 Lae Patuak



19,7



TI-9 Lae Sipaha



8,6



TI-10 Lae Pinagar



24,1



TI-11 Lae Manaisai



17,4



10



2.2.1.4



Regulating Pond Regulating Pond merupakan suatu kolam yang mengatur aliran air



sungai guna keperluan harian atau mingguan.Regulating Pond juga berfungsi sebagai kolam pengendap lumpur dan pasir yang terbawa oleh aliran air. Pada saat beban puncak aliran air perlu dapat diatur selama kira-kira lima sampai enam jam lamanya.



Gambar 2.6



Regulating Pond



Regulating Pondterletak di Desa Sileuleu dengan luas area 100.000 m2, dengan bentuk lonjong yang memiliki kedalaman ± 5 m dengan kapasitas air sebanyak 500.000 m3dengan elevasi maksimum 1.370 m. Data spesifikasi Regulating Pond : Type : Galian berbentuk lonjong dengan perlindungan galian yang diserong. Kapasitas



: Volume efektif 500.000 m3 dengan luas area 100.000 m2



Level Air



: Level Air Max 1.370 m dan Min 1.365 m



Pada Regulating Pond terdapat:



11



1.



Control Room (Ruang Kontrol) Ruang control berfungsi untuk mengatur operasional dari Intake Gate



Regulating Pond, dan memonitoring ketinggian atau level air di Regulating Pond. 2.



Intake Gate Regulating Pond Pada Regulating Pond, terdapat satu buah Intake Gate Regulating Pond



(Pintu Pengatur Kolam ), adapun sepesifikasinya adalah sbb : Type



: Fixel Wheel Gate



Clear Span



: 3,3 m



Clear Height



: 3,3 m



Quantity



: 3 set



Hoisting Speed



: 0,5 m/menit ± 10 %



Gate Weight



: 6,9 ton



Tahun Pembuatan



: 2000



Manufacturer



: PT. Boma Bisma Indra



2.2.1.5



Spillway Spillway atau bangunan pelimpah yang terletak disudut bagian utara



dari Regulating Pond berfungsi untuk mengalirkan atau membuang air dari Regulating Pond pada saat ketinggian air pada Regulating Pond diatas 1.370 m diatas permukaan laut. Tipe bangunan pelimpah pada Spillway adalah type aliran tanpa pintu dengan lebar 40 m dan Discharge Spillway adalah 24,6 m3/s



Intake UHT



DHT Spillwa y



12



Gambar 2.7



2.2.1.6



Spillway



Downstream Headrace Tunnel (DHT) Downstream Headrace Tunnel (DHT) merupakan terowongan saluran



air yang menghubungkan Regulating Pond dengan Penstock Tunnel (Pipa Pesat). Gambar DHT dapat dilihat pada gambar 1. Tipe



: Berbentuk garis lingkaran dengan kekuatan permukaan beton pada kondisi aliran tekanan.



Diameter



: 3,3 m



Panjang



: 11.205 m



13



Gambar 2.8



2.2.1.7



Downstream Headrace Tunnel (DHT)



Penstock Tunnel Penstock



Tunnel merupakan terowongan saluran air yang



menghubungkan DHT dengan Power House serta berfungsi untuk mengalirkan air dari Regulating Pond atau langsung dari Intake Structur ke turbin. Tipe



: Pipa steel mengelilingi di dalam beton



Diameter pipa : 3,3 m dan 3,0 m di atas sisi horizontal, 2,8 m di atas sisi kemiringan, 2,5 m di tengah sisi horizontal 2,3 m di bawah sisi kemiringan 2,2 m dibawah sisi horizontal Panjang



:Total panjang 821,3 m



14



dia. 3.0m dia. 2,8 m



dia. 2,5 m



dia. 2,3



dia. 2,2 m



Gambar 2.9



2.2.1.8



Penstock Tunnel



Surge Tank (Tangki Pendatar) Surge Tank



merupakan suatu bangunan yang berfungsi sebagai



peredam tekanan berlebih yang diakibatkan oleh penutupan Main Inlet valve pada Penstock Tunnel sehingga tidak terjadi pecahnya Penstock Tunnel akibat tekanan yang berlebih dan juga berfungsi agar Main Inlet Valve tidak rusak akibat water hammer. Tipe



: Tipe lubang pembatas



Diameter



: 8,0 m



Tinggi



: 57,55 m



15



Gambar 2.10



2.2.2



Surge Tank



Turbin Air Dalam suatu sistem PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan



utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengkonversikan energi air menjadi energi gerak dalam bentuk putaran. 2.2.2.1



Klasifikasi Turbin Air Ditinjau dari kedudukan porosnya Turbin air dibagi menjadi dua jenis:



1.



Turbin Horizontal



2.



Turbin Vertical Ditinjau dari fluida kerjanya dibagi menjadi dua jenis



1.



Turbin Reaksi Turbin reaksi ialah Turbin dimana air yang melewati runner



mengalami penurunan tekanan baikpada sudu pengatur maupun pada runner. Beberapa jenis Turbin Reaksi adalah Turbin Francis,Turbin Propeller,dan Turbin Kaplan.



16



2.



Turbin Impuls Turbin implus ialah Turbin dimana proses penurunan tekananairnya



terutama terjadi didalamdiatributor / nozelnya dan tidak terjadi pada sudu-sudu jalannya. Salah satu jenis Turbin Implus adalah Turbin Pelton.



Vertikal



Horizontal (a)



(b)



(c) Gambar 2.11



KlasifikasikedudukanPorosTurbin (a) Turbin Kaplan, (b) Turbin Pelton, (c) Turbin Francis



17



Ditinjau dari arah aliran air : 1.



Turbin Radial Turbin radial ialah turbin dimana aliran air yang melewati runner



dalam arah radial.Salah satu jenis turbin radial adalah Turbin Pelton. 2.



TurbinAksial Turbin aksial ialah turbin dimana aliran air yang melewati runner



dalam arah aksial. Salah satu jenis turbin Aksial adalah Turbin proppeler,dan Turbin kaplan. 3.



Turbin Radial Aksial Turbin radial aksial ialah Turbin dimana air yang masuk ke runner



dalam arahradial dan setelah keluar dari runner dalam arah aksial.Salah satu jenis Turbin radial aksial adalahTurbin Francis. Pada pembangkit listrik tenaga air, turbin air diklasifikasikan menjadi High Head, Medium Head,dan Low Head. Tidak ada batasan pasti yang dapat ditetapkan untuk masing-masingkelas namun umumnya adalah sebagai berikut: Low Head umumnya untuk tinggi jatuh lebih kecil dari 100 feet. Medium Head untuk tinggi jatuh antara 100 - 800 feet. High Head untuk tinggi jatuh diatas 800 atau 1000 feet. Jenis Turbin yang digunakan untuk pembangkitan tergantung pada jumlah air headyang ada dan faktor ekonomi.



Gambar 2.12 Runner Turbin Kaplan



18



Gambar 2.13 Runner Turbin Francis Jenis turbin reaksi merupakan jenis yang paling sering digunakan. Tipe turbin reaksi Kaplan dan Francis yang paling banyak digunakan. 2.2.2.2



Bagian-Bagian Utama Pada Turbin Air



1.



Main Inlate Valve (MIV) Main Inlate Valve (MIV) sering juga disebut katup induk. MIV ialah



katup yang dipasang antara ujung bawah penstock dan sisi masuk turbin yang berfungsi untuk menutup aliran air masuk ke turbin disaat turbin tidak beroperasi dan pada PLTA tertentu katup ini juga berfungsi sebagai pengaman dalam menghentikan turbin bila tekanan minyak hilang.



MIV dilengkapi dengan katup



bypass yang fungsinya untuk menyamakan tekanan air pada kedua sisi katup sebelum katup utama dioperasikan. Biasanya jenis katup yang digunakan adalah : 1. Katup kupu-kupu (Buterfly valve) 2. Katup sorong (Slince gate) 3. Katup putar (rotary valve)



Gambar 2.14 Main Inlate Valve



19



2.



Spiral case Spiral Case berfungsi untuk mengumpulkan, mendistribusikan dan



mengarahkan aliran air kearah guide vane dan selanjutnya ke arah sudu-sudu pada runner untuk menghasilkan daya keluaran turbin yang optimal. Bentuk dari spiral case ini seperti rumah keong yang dimaksudkan agar distribusi tekanan dan kecepatan air akan selalu sama di seluruh guide vane. Spiral case mempunyai satu manhole dengan diameter 500mm dan tutupnya dirancang agar membuka kearah luar. Gantungan luar tutup manhole dan kaki-kaki gantungan terbuat dari baja. Disekeliling tutup manhole dilapisi karet dengan diamater ketebalan 6mm dan menyatu dengan bolts dan nuts untuk keperluan sealing. Saat tutup manhole dibuka untuk pemeliharaan, karet pelapis tutup harus diganti dengan yang baru waktu tutup dipasang kembali untuk menjaga kekuatan seal yang baik.Bentuk spiral case dapat dilihat pada gambar 2.15.



Gambar 2.15 3.



Spiral Case



Stay vane Stay vane berfungsi sebagai sudu pengarah dan mendistribusikan



aliran air secara merata menuju guide vane. 20



4.



Guide vane Guide vane berfungsi untuk mengatur air yang masuk ke runner



turbine dari debit maksimal sampai debit nol.



Gambar 2.16 Guide Vane



5.



Regulating ring Regulating Ring berfungsi untuk merubah gerakan translasi dari



servomotor menjadi rotasi yang dapat memutar guide vane secara bersamaan.



Gambar 2.17 Regulating Ring



21



Motor Servo



Gambar 2.18 Regulating Ring



6.



Runner Runner berfungsi untuk mengubah energi kinetik air menjadi energi



mekanis yang digunakan kemudian untuk memutar generator.



Gambar 2.19



7.



Runner



Shaft Turbin Shaft turbin berfungsi untuk mentransfer putaran dari runner ke



generator melalui kopling.



22



Gambar 2.20



8.



Shaft Turbin



Guide bearing Guide bearing berfungsi sebagai bantalan untuk menahan beban radial



akibat putaran poros. 9.



Draft tube Draft Tube berfungsi untuk menghubungkan spiral case ke tail race.



23



10.



Tail Race Tail race berfungsi sebagai tempat pembuangan air dari yang melalui



draft tube.



Gambar 2.21



2.2.2.3



Bagian-Bagian Turbin



Prinsip Kerja Turbin Air Bagian-bagian utama yang berperan untuk menghasilkan putaran pada



turbin yaitu : Main Inlate Valve (MIV),Spiral case, Stay vane,Governor, Regulating Ring, Servo Motor, Link Regulator, Guide Vane. Air masuk dari penstock dengan head 434.6 m, kemudian air tersebut menuju main inlate valve (open), dari main inlate valve air didistribusikan ke komponen turbin yaitu spiral case,di dalam spiral case aliran air akan didistribusikan kembali menuju Guide Vane. Aliran air yang mengalir pada stay vane diarahkan oleh guide vane. Guide vane akan membuka tutup sesuai perintah governor (sudut untuk membuka dan mentutup guide vane adalah 0º-15°) melalui servo motor. Servo motor akan menggerakan regulating ring. Regulating ring berhubungan langsung dengan guide vane melalui link regulating. 24



Dengan adanya gerakan servo motor tersebut akan terjadi proses buka tutup pada guide vane. Aliran air yang melalui guide vane akan mendorong runner turbin sehingga terjadi putaran pada shaft turbin dengan kecepatan 750 rpm (standar). Air yang melalui runner akan dibuang ke danau toba melalui Tail race dan Draft Tube. Pada saat turbin berputar terjadi gaya mekanik pada turbin yang diteruskan ke shaft generator melalui kopling, sehingga merubah energi mekanik menjadi energi listrik (terjadi dalam komponen generator). Pada setiap generator renun mampu membangkitkan daya listrik sebesar 41 MW. Energi listrik tersebut didistribusikan kepada pelanggan.Unit PLTA Renun menggunakan turbin air dengan turbin Francis dengan kapasitas daya terpasang sebesar 41 MW baik pada Unit 1 maupun Unit 2. Berikut ini adalah data spesiifikas dari turbin yang dipakai di Unit PLTA Renun: Type



: Francis Turbin



Runner Nominal Diameter



: 1000 mm



Inlet Diameter



: 1696 mm



Number of Blades



: 30



Weight ( runner Only )



: 2.5 Kgs



Shaft Orientation



: Vertical



Syncronous Speed



: 750 rpm



Runaway Speed



: 1275 rpm



Rated Head



: 434.6 m



Rated Output



: 42 mW



Rated Flow



: 10.42 m3/s



Min. Head for rated P max.



: 430.3 m



Max. Output



: 41 MW 25



Thrust Toward Suction Cone Normal



: 25 Tonnes



Runaway



: 43.6 Tonnes



Max



: 43.6 Tonnes



Min



: -4.4 Tonnes



Load Rejection Max Spiral Pressure



: 582 m



Max Speed



: 1087.5 m



Max Speed Rise



: 45 %



Guide Closing Rate



: 6.0 Initial 14.0 Second



Opening Rate



: 25.0



2.2.2.4



Karateristik Turbin Untuk dua turbin atau lebih yang mempunyai dimensi yang berlainan



disebut homologius jika kedua turbin atau lebih tersebut sebangun geometri dan mempunyai karakteristik yang sama. Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam buah konstanta yaitu : 1.



Rasio Kecepatan (ɸ)



2.



Kecepatan Satuan (Nu)



3.



Debit Satuan (Qu)



4.



Daya Satuan (Pu)



5.



Kecepatan Spesifik (Ns)



6.



Diameter Spesifik (Ds)



26



1.



Rasio Kecepatan Rasio Kecepatan(ɸ) adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier



turbin pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air melalui curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun (Hnetto) yang bekerja pada turbin. ɸ=



𝑁𝑁𝑁𝑁 ɸ = ............................(2.1) �2𝑔𝑔𝑔𝑔 84,6 √H 𝑉𝑉



Vlinier



=



𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 60



Dengan N adalah putaran turbin rpm (rotasi per menit), D adalah diameter karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter nominal, H adalah tinggi terjun netto/efektif (m). 2.



Kecepatan Satuan (Nu) Kecepatan Satuan (Nu) adalah kecepatan putar turbin yang mempunyai



diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang. Dari pers (2.1) diperoleh Korelasi : N = 84,6 ɸ



√𝐻𝐻 𝐷𝐷



..............................................................(2.2)



Dengan memasukkan nilai D = 1 m dan H = 1 m, maka pers (2.2) menjadi : Nu = 84,6ɸ....................................................................(2.3) Akhirnya pers (2.2) dapat ditulis sebagai : Nu = 3.



Debit Satuan (Qu)



𝑁𝑁𝑁𝑁 √𝐻𝐻



........................................................................(2.4)



Debit yang masuk turbin secara teoritis dapat diandaikan sebagai debit yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun (Hnetto)



27



yang bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang melalui turbin dapat dinyatakan sebagai : 2



1



Q = Cd4 𝜋𝜋 𝐷𝐷 �2𝑔𝑔𝑔𝑔.............................................................(2.5) = C 𝐷𝐷 2 √H



Dengan Cdadalah koefisien debit.



Debit Satuan (Qu) adalah debit turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang. 1



Qu = Cd4 𝜋𝜋 �2𝑔𝑔..................................................................(2.6)



Akhirnya pers (2.5) dapat ditulis sebagai : Qu = 4.



Daya Satuan (Pu)



𝑄𝑄



𝐷𝐷 2 √𝐻𝐻



..................................................................(2.7)



Daya (P) yang dihasilkan turbin dapat dinyatakan sebagai : P = ɳ Q H ɣ = ɳ Qu𝐷𝐷 2 √𝐻𝐻 H ɣ



P = ɳ ɣ Qu𝐷𝐷 2 𝐻𝐻3/2 .................................................(2.8)



Dengan ɳ adalah efisiensi turbin, ɣ adalah berat jenis air.



Daya Satuan (Pu) adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang. Akhirnya pers (2.8) dapat ditulis sebagai : Pu=



𝑃𝑃



𝐷𝐷 2 𝐻𝐻 3/2



.....................................................(2.9)



28



5.



Kecepatan Spesifik (Ns) Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak



berhubungan dengan ukurannya.Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang sudah diketahui.Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head.Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru.Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian - bagian turbin dapat dihitung dengan mudah. Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi. Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah. Eliminasi diameter (D) dari pers (2.4) dan pers (2.9) menghasilkan korelasi :



Atau :



N = √𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑁𝑁𝑁𝑁



Ns =



𝑁𝑁√𝑃𝑃



𝐻𝐻 5/4



𝐻𝐻 5/4 √𝑃𝑃



..........................................................................(2.10)



29



Atau :



...............................................................(2.11) Kecepatan spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang menghasilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang. Kecepatan spesifik (Ns) dapat dinyatakan dalam sistem metrik maupun sistem Inggris, korelasi dari kedua sistem tersebut dinyatakan dalam ; Ns (metrik) = Ns (Inggris) x 4,42.......................................................(2.12) Catatan : Satuan daya yang digunakan dalam rumus diatas adalah daya kuda (HP) 6.



Diameter Spesifik (Ds) Dari pers (2.9) diperoleh korelasi : D=



1



√𝑃𝑃𝑃𝑃



𝑥𝑥



√𝑃𝑃



𝐻𝐻 3/4



.............................................................(2.13)



Diameter Spesifik (Ds) adalah diameter turbin yang menghasilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang. Akhirnya pers (2.12) dapat ditulis sebagai : Ds =



2.2.3



𝐷𝐷 𝐻𝐻 3/4 √𝑃𝑃



.................................................................(2.14)



Generator Generator pada unit Pembangkitan adalah suatu alat yang berfungsi



merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Pada dasarnya, listrik dapat dibangkitkan apabila terpenuhinya 3 syarat yaitu:



30



1.



Kumparan,



2.



Medan magnet



3.



Putaran. Proses konversi energi mekanik menjadi energi listrik pada generator



adalah dengan memutar medan magnet di dalam kumparan sehingga terjadi perpotongan garis-garis medan magnet (fluksi) oleh kumparan dan terjadi GGL (Gaya Gerak Listrik) dan mengalirkan elektron pada kumparan.



Gambar 2.22 2.2.3.1



Bagian-Bagian Generator



PrinsipKerja Suatu Generator Suatu generator pada dasarnya terdiri dari kumparan yang berputar di



sekitar medan magnet. Akibat putaran tersebut maka terjadi perpotongan garisgaris medan magnet oleh kumparan sehingga terjadi induksi pada kumparan yang menimbulkan GGL (Gaya Gerak Listrik).Jadi saat rotor diputar dan kumparan pada rotor diberi tegangan DC (Direct Current) maka rotor akan menimbulkan medan magnet sehingga terjadi GGL pada kumparan stator, karena kumparan 31



pada stator memotong garis-garis medan magnet stator sehingga diperoleh medan magnet putar dan medan magnet inilah yang menginduksi tegangan AC 3 Fasa ke belitan stator.



Sinusoidal Stator



Slip-ring Brush



Rotor Medan Magnet Gambar 2.23 Simulasi Prinsip kerja generator



Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi dapat dilihat pada Gambar 2.22. Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh kumparan pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2.23. (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.23.(b),akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidakadanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.



32



Gambar 2.24 Pembangkitan Tegangan Induksi. Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120. Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain bentuk sepatu kutub.Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor



33



menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan. 2.2.3.2



Kecepatan Putar Generator Sinkron Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron



dengan kecepatan putar generator.Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC.Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:



f = np/120……………………………………………………………..…(2.15) yang mana: f = frekuensi listrik (Hz) n = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm) p = jumlah kutub magnet Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm.Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.



2.2.3.3



Alternator Tanpa Beban Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi



arus medan (IF), maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.



Ea = c.n.φ .............................................................................................................(2.16) yang mana:



34



c = konstanta mesin n = putaran sinkron φ = fluks yang dihasilkan oleh IF Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF). Apabila arus medan (IF) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Ea seperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut.



Gambar 2.25



2.2.3.4



Karakteristik Tanpa Beban Generator Sinkron



Alternator Berbeban Dalam



keadaan



berbeban



arus



jangkar



akan



mengalir



dan



mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm ) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs) . Persamaan tegangan pada generator adalah: Ea = V + I.Ra + j I.Xs ………………………………………………………(2.17) Xs = Xm + Xa ……………………………………………………………….(2.18) yang mana:



35



Ea = tegangan induksi pada jangkar V = tegangan terminal output Ra = resistansi jangkar Xs = reaktansi sinkron Karakteristik pembebanan dan diagram vektor dari alternator berbeban induktif (faktor kerja terbelakang) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :



Gambar 2.26



2.2.3.5



Karakteristik Alternator berbeban Induktif



Pengaruh perubahan Daya Input Mekanis terhadap Generator Sinkron Anggap bahwa Generator Sinkron membagikan daya input ke infinite



busbar pada kondisi stabil, maka sebuah sudut daya (power angle) δtetap diantara V dan E dan E mendahului (leading) V. Phasor diagram situasi ini adalah sebagai berikut : E -jIaXs



δ



V



φ Ia



36



Sekarang anggap bahwa excitasi dari generator dijaga konstan dan daya input ke prime movernya ditambah. Penambahan pada daya input akan cenderung untuk mempercepat putaran rotor dan E akan bergerak lebih keatas terhadap V (yaitu besar sudut daya δakan semakin besar). Penambahan besar sudut daya menghasilkan Ia yang lebih besar dimana : Ia =



𝐸𝐸−𝑉𝑉 𝑋𝑋𝑋𝑋



dan memperkecil