Rancangan Turbin Air Cross Flow [PDF]

Citation preview

ENERGI TERBARUKAN Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Berkapasitas 3  318 kW di Desa Sipungguk, Kecamatan Bangkinang Seberang, Kabupaten Kampar, Propinsi Riau Menggunakan Turbin Air Jenis Cross Flow dengan Sudut Serang Sudu 14o dan Sudut Buang Sudu 26.5o



Oleh : Jossy Kolata



(1007121681)



Jufrianto



(1007113700)



Fakhru Rozi Z



(1007113665)



Devri Naldy



(1007113689)



M. Amuh Muhidin



(1007113751)



PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN S1 FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS RIAU 2013



KATA PENGANTAR



Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya kepada penulis, sehingga dalam melakukan proses perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan kapasitas 2  450 kW yang berlokasi di desa sipungguk dapat terselesaikan dengan baik meskipun masih perlu diadakan proses review dan tinjauan kembali mengenai proses perancangan agar hasil menjadi lebih baik. Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah membimbing dan membantu serta memyumbangkan jasanya dalam proses Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Ucapan terima kasih penulis di haturkan kepada : 1. Dr. Awaludin Martin, S.T., M.T, selaku dosen pembimbing perancangan turbin air jenis cross flow serta dosen pengampu mata kuliah energi terbarukan. 2. Romi, S.T., M.T selaku dosen pengampu mata kuliah energi terbarukan. 3. Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Bandara Sultan Syarif Kasim - Pekanbaru. 4. Badan Wilayah Sungai (BWS) Propinsi Riau. 5. Badan Koordinasi Survey dan Pemetaan Nasional (Bakorsultanal). 6. Kelompok kerja perancangan mahasiswa Teknik Mesin S1. 7. Seluruh masyarakat desa Sipungguk. Dalam proses perancangan lebih lanjut, penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang bertujuan untuk membangun perbaikan dalam perancangan dan dalam penulisan laporan berikutnya. Semoga laporan ini dapat diterima dan bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. Pekanbaru, 20 Oktober 2013



Penulis



BAB I PENDAHULUAN



1.1



Latar Belakang Sejalan dengan perkembangan sosial, budaya dan ekonomi serta informasi,



maka listrik telah menjadi salah satu kebutuhan pokok bagi masyarakat terpencil khususnya masyarakat



perdesaan. Terbatasnya



kemampuan PLN dalam



menyediakan tenaga listrik kepada masyarakat Indonesia, berdasarkan data Direktorat Jenderal Listrik dan Pemanfaatan Energi (DJLPE) pencapaian rasio elektrifikasi baru mencapai 64 % dan rasio desa berlistrik mencapai 88 % dari total sekitar 66.000 desa pada tahun 2008. Salah satu daerah di propinsi riau yang memerlukan tenaga listrik adalah desa Sipungguk yang berada di kecamatan Bangkinang Seberang, kabupaten Kampar. Listrik yang didistribusikan oleh PT. PLN (Perusahaan Listrik Negara) telah masuk ke desa Sipungguk, akan tetapi dengan kapasitas listrik yang di suplai untuk propinsi Riau tidak mencukupi untuk keseluruhan daerah, maka sering terjadinya pemadaman listrik yang dilakukan oleh pihak PLN dan pemadaman inilah yang sering mengganggu pekerjaan masyarakat. Di sisi lain, desa Sipungguk dilalui salah satu anak sungai kampar yang melintas di sepanjang desa. Pada saat sekarang ini, sungai ini dipergunakan untuk mengaliri saluran irigasi persawahan. Aliran sungai ini juga berpotensi untuk dijadikan sumber Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Penulis melihat potensi ini sebagai salah satu peluang yang baik agar desa Sipungguk dapat menjadi desa yang mandiri akan kebutuhan tenaga listrik. Selain itu, Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) ini juga merupakan salah satu penerapan dari energi yang baru dan terbarukan dengan kapasitas daya yang dihasilkan adalah masih dalam jangkauan rendah sampai menengah. Sehingga sangat cocok untuk diterapkan di daerah-daerah pedesaan, dan diharapkan dapat meningkatkan perekonomian di daerah tersebut.



1.2



Identifikasi Masalah Pemadaman listrik yang dilakukan oleh PT. PLN di daerah Riau merupakan



salah satu akibat dari kurangnya pasokan listrik milik PT. PLN, akan tetapi hal ini bertentangan dengan kebutuhan masyarakat akan penggunaan listrik yang selalu meningkat. Daerah-daerah di propinsi Riau harus memiliki pembangkit sendiri untuk dapat terus memenuhi kebutuhan sehari-hari. Pembangkit listrik tenaga mikro hidro merupakan salah satu alternatif energi terbarukan yang dapat membantu permasalahan listrik di propinsi Riau. Anak sungai Kampar yang melintasi desa Sipungguk memiliki aliran yang baik, sehingga sumber daya air dari anak sungai kampar ini dapat dimanfaatkan untuk sumber pembangkit tenaga listrik mikro hidro. Sumber tenaga listrik berasal dari sungai secara alami dan tersedia terus menerus sehingga mampu menciptakan pembangkit listrik yang murah dan ramah lingkungan.



1.3



Maksud dan Tujuan Maksud dari perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro



(PLTMH) ini adalah mengkaji potensi tenaga air yang terdapat di desa Sipungguk, kecamatan Bangkinang kabupaten Kampar, kemudian memilih alat atau teknologi yang cocok untuk diterapkan sebagai pembangkit listrik sesuai dengan debit dan head serta keadaan topografi di wilayah tersebut. Tujuan dari perencanaan PLTMH ini adalah memberikan penanganan masalah pemenuhan kebutuhan listrik di daerah pedesaan. Kebutuhan yang dapat dipenuhi oleh listrik di pedesaan, khususnya di Desa Sipungguk antara lain : 1. Penerangan, 2. Sumber tenaga untuk alat-alat elektronik, 3. Industri kecil dan rumah tangga, 4. Industri perikanan, dan peternakan.



1.4



Batasan Masalah Ruang lingkup pembatasan masalah dalam perancangan ini dibatasi pada



masalah perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) di desa Sipungguk, Bangkinang, yang mencakup hal-hal sebagai berikut : 1. Menggunakan peta topografi rupa muka bumi melalui data Bakorsultanal dan data untuk menentukan lokasi perencanaan PLTMH. 2. Pembangkit listrik yang digunakan adalah turbin air jenis cross flow. 3. Data curah hujan yang digunakan sebagai perhitungan adalah data 10 tahun terakhir dan membuat Flood Duration Curve (FDC). 4. Debit air yang digunakan adalah debit anak sungai kampar yang terletak di desa sipungguk. 5. Variasi sudut serang dimulai dari 14o hingga 30o.



1.5



Lokasi Studi Dalam proses perancangan PLTMH direncanakan untuk pembangkit listrik



di desa sipungguk, kecamatan Bangkinang Seberang, kabupaten Kampar yang mengambil sumber energi potensial aliran anak sungai.



Gambar 1.1 Lokasi Studi di desa Sipungguk, kecamatan Bangkinang, kabupaten Kampar.



BAB II TINJAUAN PUSTAKA



2.1



Elektrifikasi Pedesaan Elektrifikasi pedesaan merupakan sebuah proses penyediaan layanan listrik



untuk daerah pedusunan/pedesaan. Pada umumnya daerah dengan tingkat populasi masyarakat yang sedikit dimana mata pencaharian mereka dominannya adalah pertanian, peternakan, dan perkebunan. Elektrifikasi Pedesaan ini akan sangat mensejahterakan masyarakat pedalaman/pedesaan, dimana akan meningkatkan kualitas hidup mereka dan juga akan meningkatkan tingkat keamanan, produktifitas, informasi, kesehatan, hiburan, dan pendidikan. seperti yang telah kita ketahui bahwa di negara Indonesia ini, masih banyak daerah-daerah terpencil yang belum pernah menikmati penerangan, ini karena kemampuan pembangkitpembangkit listrik yang masih terbatas dan jauhnya jarak antara populasi dengan pembangkit listrik sehingga listrik tidak bisa sampai ke pedalaman/pedesaan.



2.2



Desa Sipungguk, (Bangkinang Seberang, Kabupaten Kampar)



2.2.1



Kondisi Desa Perancangan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) ini dirancang



berdasarkan sumber energi potensial air yang berada di desa Sipungguk. Sumber energi potensial air ini adalah energi dari anak sungai kampar yang memiliki beda ketinggian pada bagian hulu dan hilirnya. Desa Sipungguk merupakan salah satu desa yang ada di kecamatan Bangkinang Seberang, Kabupaten Kampar. Mata Pencaharian masyarakat desa Sipungguk adalah dibagian pertanian, perikanan, peternakan, dan sebagian kecil berwirausaha lainnya.



2.2.2



Data Curah Hujan Sungai Sipungguk Desa Sipungguk merupakan daerah tropis yang memiliki iklim sebanyak



tiga musim yaitu musim hujan, musim kemarau, dan musim semi. Curah hujan desa Sipungguk sangat tergantung oleh musim yang terjadi. Data curah hujan desa



Sipungguk telah direkam selama 10 tahun terakhir oleh Badan Meteorologi, Klimatologi, dan Geofisika (BMKG) Bandara Sultan Syarif Kasim Pekanbaru. Hasil data curah hujan yang telah di rekam oleh BMKG merupakan data curah hujan bulanan selama 12 bulan penuh. 2.3



Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik



yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dan instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari istalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Ada beberapa klasifikasi pembangkit listrik berdasarkan Power Output yang dapat di hasilkan seperti terlihat pada tabel 2.1. Tabel 2.1 Klasifikasi Pembangkit Listrik Klasifikasi Besar Menengah Kecil Mini Mikro Piko



2.4



Power Output > 100 MW 10 – 100 MW 1 – 10 MW 100 kW – 1 MW 5 – 100 kW < 5 kW



Turbin Air Turbin air berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air



menjadi energi kinetik. Selanjutnya energi kinetik ini akan dirubah menjadi energi listrik melalui generator. Turbin air pada saat sekarang ini merupakan hasil pengembangan dari beberapa peneliti pada beberapa dekade hingga tercipta turbin air dengan efisiensi yang paling maksimal dan dengan desain turbin yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan. Sejarah singkat mengenai turbin air adalah sebagai berikut.



Pada tahun 1700, Ján Andrej Segner telah mengembangkan turbin air reaksi, dimana turbin yang diciptakannya mempunyai sumbu horizontal yang merupakan awal mula turbin air modern. Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini tingkat efisiensinya mencapai 80% yang bisa mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis dapat meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih banyak digunakan secara luas di dunia sampai sekarang. Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, merupakan tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis, turbin ini dapat dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil. Pada tahun 1866, Samuel Knight seorang warga California, menemukan sebuah mesin dengan konsep yang berbeda jauh dari turbine yang lainnya. Turbin ini disebut turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk di sekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan. Pada tahun 1879, Lester Pelton, mengembangkan turbine samuael Knight, Lester pelton membuat desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Pada tahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Lester Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat memanjang, dan membuat sebuah potongan didalamnya yang dapat menyemburkan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin Pelton yang saat



ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin impulse selanjutnya.



2.4.1 Jenis-Jenis Turbin Turbin air berfungsi untuk mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis akan diubah lagi menjadi energi listrik dengan bantuan generator. Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin reaksi dan turbin impuls.



Turbin Pelton



Turbin Impuls



Turbin Turgo



Turbin Cross Flow



Turbin Air



Turbin Prancis Turbin Reaksi Turbin Kaplan



Gambar 2.1 Jenis-Jenis Turbin Berdasarkan Prinsip Kerjanya 2.4.2



Turbin Cross Flow Turbin Cross flow atau disebut juga turbin Banki adalah salah satu turbin air



dari jenis turbin aksi (impulse turbine). Turbin ini ditemukan oleh seorang insinyur Australia yang bernama A.G.M. Michell pada tahun 1903 kemudian turbin ini dikembangkan dan di patenkan di Jerman Barat oleh Prof. Donat Banki sehingga turbin ini diberi nama turbin Banki atau Turbin Michell-Ossberger (Haimerl 1960).



Pemakaian jenis turbin Banki lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikrohidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran turbin Banki lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air. Diameter kincir air yakni roda jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter turbin Banki dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahanbahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa lebih murah. Untuk daya guna atau effisiensi rata-rata turbin Banki lebih tinggi dari pada daya guna kincir air. Hubungan antara effisiensi dengan pengurangan debit akibat pengaturan pembukaan katup yang dinyatakan dalam perbandingan debit terhadap debit maksimumnya. Untuk Turbin Banki dengan Q/Qmak = 1 menunjukan effisiensi yang cukup tinggi sekitar 80 %, disamping itu untuk perubahan debit sampai dengan Q/Qmax= 0,2 menunjukan harga efisiensi yang relatif tetap (Meier, Ueli,1981). Hasil pengujian laboratorium yang telah dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedang effisiensi turbin Banki mencapai 82 % (Haimerl 1960).



Gambar 2.2 Turbin Cross Flow Setiap unit dari turbin ini dapat dibuat sampai kekuatan kurang lebih 750 kW, dapat dipasang pada ketinggian jatuh antara 01 sampai 200 meter dengan debit air sampai 3.000 liter/detik. Cocok digunakan untuk PLTMH, penggerak instalasi pompa, mesin pertanian, workshop, bengkel dan lain sebagainya (Haimerl 1960).



2.5



Karakterisitik Turbin air Cross-Flow



2.5.1



Perbandingan karakteristik Turbin Perbandingan karakteristik jenis turbin dapat dlihat dari chart di bawah ini:



Gambar 2.3 Pemilihan Turbin Berdasarkan Debit Rencana Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini : Tabel 2.2 Penggunaan Turbin Berdasarkan Head Jenis Turbin Kaplan dan Propeller



Range head (m) 2