rancangan turbin air cross flow

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 2450 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 pembangkit-

pembangkit 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 Power Output

Besar

Menengah

Kecil

Mini

Mikro

Piko

> 100 MW

10 100 MW

1 10 MW

100 kW 1 MW

5 100 kW

< 5 kW

2.4 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, Jn 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 Air

Turbin Impuls

Turbin Reaksi

Turbin Turgo

Turbin Cross

Flow

Turbin Prancis

Turbin Kaplan

Turbin Pelton

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 bahan-

bahan 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 Range head (m)

Kaplan dan Propeller

Francis

Pelton

Michel-banki atau Crossflow

Turgo

2

2.5.2 Parameter-Parameter Turbin Air Cross-Flow

Parameter-parameter dalam perhitungan turbin air cross flow :

1) Perhitungan Head net (Hn)

Persamaan head net dapat dihitung dengan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :

n g tlH H H (2.1)

Dimana :

Hn = Head net (m)

Hg = Head gross, merupakan jarak vertikal antara permukaan air dari

intake menuju turbin. (m)

Htl = Head total losses, merupakan jumlah losses pada open channel,

trash back, intake, penstock, dan gate or value. Biasanya 6% dari

Head gross. (m)

2) Perhitungan Debit (Q)

Debit dapat diketahui dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :

Q v A (2.2)

Dimana :

Q = Debit air (m3/s)

v = Kecepatan air (m/s)

A = Luas penampang (m2)

3) Daya Turbin (Pt)

Daya turbin dapat diketahui dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk.,

1949) :

t nP g H Q (2.3)

Dimana :

Pt = Daya (kW)

= Massa jenis air (kg/m3)

Q = Debit (m3/s)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

Hn = Perbedaan ketinggian (m)

= Efisiensi total yaitu efisiensi dari turbin, generator, gearbox dan

transformer.

4) Efisiensi Turbin (t)

Efisiensi maksimum pada turbin dapat dihitung dengan persamaan

(Mockmore, C. A. dkk., 1949) :

2 20,5 (1 )t C cos (2.4)

Dimana :

C = Koefisien nozel

= Koefisien kekasaran blade (0.98)

= Sudut serang (asusmsi 16o)

Dari persamaan (2.4) di atas dapat dilihat bahwa semakin kecil sudut serang

maka semakin tinggi efisiensi turbin.

5) Kecepatan Putar Turbin (n)

Hubungan kecepatan putar spesifik dan kecepatan putar turbin pada turbin

cross-flow (Layman., 1998) :

0.505 513.25 / nNs H (2.5)

5/4 t

n

N PNs

H (2.6)

Dari persamaan (2.5) dan (2.6) diatas dapat diketahui kecepatan putar turbin,

yaitu :

0.745513.25 n

t

HN

P (2.7)

Dimana :

N = Kecepatan putar turbin (rpm)

Ns = Kecepatan spesifik

6) Diameter luar runner (Do)

Saat efisiensi maksimum, kecepatan tangensial pada runner didapat dengan

persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :

0.5 2 cost nv C g H (2.8)

2 2 120

o ot

D N Dv w

(2.9)

Dari persamaan (2.8) dan (2.9) diatas dapat dihitung diameter luar runner

yaitu :

40 noH

DN

(2.10)

Dimana :

vt = Kecepatan tangensial (m/s)

Do = Diameter luar runner (m)

7) Jarak Blade (tb)

Ketebalan dari jet entrance (te) dapat dihitung dengan persamaan


e ot K D (2.11)

Jarak tangensial blade adalah (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :

0 11/ sin( )

sin

eh

tt K D

(2.12)

tb = 0.173 Do (2.13)

Dimana :

te = Ketebalan jet entrance (m)

K = Konstanta (0.087)

1 = Blade inlet angle (30o)

tb = Jarak tangensial blade (m)

8) Lebar radial rim (a)

Merupakan perbedaan antara radius luar (ro) dan radius dalam (ri) pada

runner turbin, dan sama dengan jarak tangensial blade yaitu (Mockmore, C.

A. dkk., 1949) :

a = 0.173 Do (2.14)

9) Jumlah blade (n)

Banyaknya jumlah blade dapat dihitung dengan persamaan (Mockmore, C.

A. dkk., 1949) :

n = Do / tb (2.15)

10) Ketebalan water jet (tj)

Dapat didefiniskan sebagai lebar nozel yang dihitung dengan persamaan


0.233

2

jjj

n n

QvA Q Q

tL L C g H L L H

(2.16)

Dimana :

tj = Ketebalan water jet (m)

Aj = Area jet (m2)

L = Panjang runner (m)

vj = Kecepatan jet sebelum masuk (m/s)

11) Panjang runner (L)

Panjang runner dapat dihitung dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk.,

1949) :

0.81 o

n

QL D

H (2.17)

Subsitusi persamaan (2.10) ke (2.17) :

L = Q N / 50 Hn (2.18)

Subsitusi persamaan (2.18) ke (2.16) :

11.7 nj

Ht

N (2.19)

Kemudian subsitusi persamaan (2.10) ke (2.19) :

tj = 0.29 Do (2.20)

12) Jarak antara water jet dan the center of runner shaft (y1)

Dengan persamaan (Mockmore, C. A. dkk., 1949) :

y1 = 0.116 Do (2.21)

Dimana :

y1 = Jarak antara water jet dan shaft center (m)

13) Jarak antara water jet and the inner periphery of runner (y2)


y2 = 0.05 Do (2.22)

Dimana :

y2 = Jarak antara water jet and the inner periphery of runner (m)

14) Diameter dalam runner (Di)


Di = Do 2a (2.23)

Dimana :

Di = Diameter dalam runner (m)

15) Radius blade curvature (rc)


rc = 0.163 Do (2.24)

2.6 Generator

Generator berfungsi sebagai alat pengubah energi mekanik menjadi energi

listrik. Generator dipilih berdasarkan standarisasi yang sudah ditetapkan. Generator

yang digunakan memiliki jumlah kutub 2 pasang dan putaran 1500 rpm. Pada

perancangan ini daya dan putaran dari poros turbin dikopel langsung ke putaran

generator, sehingga putaran turbin sama dengan putaran generator. Generator yang

digunakan mempunyai faktor daya (cos ) sebesar 0,85 (literatur 10). Besarnya

daya yang dihasilkan generator berdasarkan persamaan :

G t gen trN P (2.25)

Dimana :

NG = Daya generator (kVA)

Pt = Daya turbin (W)

gen = Efisiensi generator

tr = Efisiensi transmisi

Daya generator dalam satuan kW adalah :

GN k V A Cos (2.26)

Dimana :

Cos = Faktor daya

2.7 Diameter Pipa Penstock

1 Q A C (2.27)

1 2vC C gh (2.28)

Dimana :

C1 = kecepatan absolut fluida pada sisi masuk / kecepatan fluida keluar

dari nozel. (m/s)

Cv = Koefisien kecepatan nozel.

A = Luas penampang pipa penstock.

BAB III

TINJAUAN PUSTAKA

3.1 Metodologi Penelitian

Mulai

Studi Literatur

Survei Lokasi

PLTMH

Pengukuran Debit Sungai,

Kedalaman Sungai, Lebar Sungai

Perancangan PLTMH

Revisi

Hasil berupa kapasitas turbin air,

jumlah turbin, sudut serang, dan

sudut buang

Selesai

Ya

Tidak

Perancangan PLTMH Bangkinang

Data Awal Hasil Survey

Gambar 1 Peta Rupa Bumi Desa Sipungguk

(Bakorsultanal)

Gambar 2 Posisi Rencana dan Data GPS untuk Saluran Sungai Menuju Intake

Data GPS (Hulu)

Latitude = 0o 22 23.61 N

Longitude = 100o 57 46.82 E

Altitude = 62.5 m

Position Accuracy = 30.33 m

Altitude Accuracy = 47 m

Gambar 3 Posisi Rencana dan Data GPS untuk Lokasi Rumah Pembangkit

Luas Anak Sungai

Kampar

9.8 meter

2.3

meter

Gambar 4 Sketsa Anak Sungai Kampar

Data-data tersebut ditujukan untuk digunakan sebagai data awal pembuatan

diagram curah hujan (flow duration curve) berikut juga dilampirkan data curah

hujan daerah bangkinang selama 10 tahun terakhir dan lokasi pembangkit dalam

peta rupa muka bumi bangkinang sebagai acuan.

Data GPS (Hilir)

Latitude = 0o 22 01.06 N

Longitude = 100o 58 05.55 E

Altitude = 47.5 m

Position Accuracy = 29.9 m

Altitude Accuracy = 33.5 m

Mesin pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) masih dapat

beroperasi pada debit minimum. Dimana debit minimum adalah 40% dari debit

normal, sehingga debit normal adalah :

3

min= ( 100%)/40 3,381 m /snormalQ Q

Berdasarkan kondisi monografi desa, daerah lingkungan tempat PLTMH

memiliki 100 Kepala Keluarga dengan asumsi konsumsi daya sebesar 900

Watt/KK. Di dusun tersebut juga terdapat industri perikanan dan industri

pengembangbiakan bibit ikan. Dalam melakukan operasi di industri memerlukan

daya masing-masing adalah 500 kW. Sehingga daya total yang dibutuhkan oleh

masyarakat desa sipungguk adalah :

100 900W 2 400kWDaya yang dibutuhkan

90kW 800kW 890kW

3.2 Pemilihan Jenis Turbin

3.2.1 Net Head

Diketahui head yang didapatkan adalah 15 meter, maka jenis turbin

yang dapat digunakan adalah berdasarkan tabel berikut 1.1 ini :

Tabel 1.1 Net Head Pada Beberapa Jenis Turbin Air

Jenis turbin Range head (m) Keterangan

Kaplan dan propeller 2 < H < 40 Good

Francis 10 < H < 350 Good

Pelton 50 < H < 1300 Not good

Michel-banki atau

crossflow 3 < H < 250 Good

Turgo 50 < H < 250 Not good

3.2.2 Debit Rencana

Jenis turbin terpilih adalah :

A. Francis

15 m

3,381 m3/s

B. Cross flow

Pada kedua model pemilihan jenis turbin maka yang terpilih adalah turbin

air jenis cross flow. Turbin air jenis cross flow dipilih karena cross flow merupakan

jenis turbin yang paling cocok untuk diterapkan pada turbin kapasitas rendah. Pada

pembangkit listrik skala mikro, turbin cross flow sangat baik digunakan.

3.3 Perhitungan Turbin Cross Flow

3.3.1 Perhitungan Head net (Hn)

n g tlH H H

Dimana :

Hg = 15 meter

Htl = 6% * Hg = 0,06 * 15 meter = 0,9 meter

Maka head net adalah :

n g tlH H H

15 0,9 14,1 nH m m m

3.3.2 Daya Turbin (Pt)

t nP g H Q

Dimana :

= 1000 kg/m3

Q = 3,381 m3/s

g = 9,81 m/s2

Hn = 14,1 m

gen trans turbx x

= 0,80 x 0,95 x 0,895 = 0,6802

3 2 31000 / 9,81 / 14,1 3,381 / 0,6802tP kg m x m s x m x m s x

= 318104,5 Watt = 318,1046 KW

3.3.3 Efisiensi turbin (t)

2 1 1 2 1 1 1 1 2 / 1 cos / /e C u V cos cos u V

1 2

1 1tan 2 tan

2 2

1 0.5 (1 )t C cos

Dimana :

C = 0,98

= 0.98

1 = Berada pada rentang 14o hingga 30o

Sudut Serang Sudut Buang

1 cos 1 1 Cos 1 2 Cos 2 C Efisieinsi turbin

14 0,970296 26,5 0,89491 26,503 0,89491 0,98 0,98 0,89514952

15 0,965926 28,19 0,88141 28,187 0,88141 0,98 0,98 0,887104745

16 0,961262 30 0,86603 30 0,86603 0,98 0,98 0,878558369

17 0,956305 31,44 0,85315 31,444 0,85315 0,98 0,98 0,869520804

18 0,951057 33,02 0,83851 33,017 0,83851 0,98 0,98 0,860003061

19 0,945519 34,55 0,8236 34,553 0,8236 0,98 0,98 0,850016736

20 0,939693 36,05 0,80848 36,052 0,80848 0,98 0,98 0,839573996

21 0,93358 37,51 0,7932 37,514 0,7932 0,98 0,98 0,828687564

22 0,927184 38,94 0,7778 38,94 0,7778 0,98 0,98 0,817370702

23 0,920505 40,33 0,76233 40,33 0,76233 0,98 0,98 0,8056372

24 0,913545 41,68 0,74683 41,684 0,74683 0,98 0,98 0,793501352

25 0,906308 43 0,73132 43,003 0,73132 0,98 0,98 0,780977944

26 0,898794 44,29 0,71583 44,288 0,71583 0,98 0,98 0,768082234

27 0,891007 45,54 0,7004 45,541 0,7004 0,98 0,98 0,754829933

28 0,882948 46,76 0,68505 46,76 0,68505 0,98 0,98 0,741237188

29 0,87462 47,95 0,66979 47,949 0,66979 0,98 0,98 0,727320558

30 0,866025 49,11 0,65465 49,107 0,65465 0,98 0,98 0,713097

3.3.4 Kecepatan putar turbin (N)

=513.25

0.745

N = 513,25 x (14,1 m)0,745 / (318,1046 KW)0,5

= 207 rpm

=

5/4

Ns = 207 rpm x (318,1046 KW)0,5 / (14,1 m)5/4

= 135 rpm

3.3.5 Diameter luar runner (Do)

= 40

Do = 40 x (14,1 m)0,5 / 207 rpm

= 0,73 m

3.3.6 Jarak blade (tb)

tb = 0,173 Do

tb = 0,173 x 0,73 m = 0,13 m

3.3.7 Lebar radial rim (a)

a = 0.173 Do

a = 0,173 x 0,73 m = 0,13 m

3.3.8 Jumlah blade (n)

n = Do / tb

n = 3,14 x 0,73 m / 0,13 m = 18 buah

3.3.9 Ketebalan water jet (tj)

tj = 0,29 Do

tj = 0,29 x 0,73 m = 0,21 m

3.3.10 Panjang runner (L)

L = Q N / 50 Hn

L = 3,381 m3/s x 207 rpm / 50 * 14,1 m = 0,99 m = 1 m

3.3.11 Jarak antara water jet dan the center of runner shaft (y1)

y1 = 0.116 Do

y1 = 0,116 x 0,73 m = 0,084 m

3.3.12 Jarak antara water jet and the inner periphery of runner (y2)

y2 = 0.05 Do

y2 = 0,05 x 0,73 m = 0,036 m

3.3.13 Diameter dalam runner (Di)

Di = Do 2a

Di = 0,73 m (2 x 0,13 m) = 0,47 m

3.3.14 Radius blade curvature (rc)

rc = 0.163 Do

rc = 0,163 x 0,73 m = 0,118 m

3.3.15 Radius blade curvature (rc)

rc = 0.163 Do

rc = 0,163 x 0,73 m = 0,118 m

3.4 Analisis Hasil Data yang Didapatkan

Setelah dilakukan perhitungan untuk mencari parameter-parameter yang

dibutuhkan pada perancangan turbin melalui data survey dan data bakorsultanal.

Maka didapatkan turbin yang akan digunakan adalah jenis cross flow dengan

kapasitas 318 kW. Karena kebutuhan masyarakat diatas kapasitas turbin yaitu

sebesar 890 kW, maka di bangun jumlah turbin lebih dari satu buah. Dengan hasil

pembagian antara kebutuhan dan kapasitas maka didapatkan jumlah turbin yang

dibutuhkan adalah sebanyak 3 buah.

Dimensi turbin juga menjadi faktor yang harus diperhatikan, setelah melalui

perhitungan didapatkan dimensi turbin dengan efisiensi maksimum yang

didapatkan sebesar 89,5% yaitu :

1. Sudu serang = 14o

2. Sudu buang = 26,5o

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari perhitungan yang dilakukan dalam perancangan ini dapat ditampilkan

sebagai berikut :

5.1.1 Turbin

1) Jumlah : 3 buah

2) Jenis turbin : turbin Cross Flow

3) Daya turbin : 318 KW

4) Putaran turbin : 207 rpm

5) Putaran spesifik : 135 rpm

6) Tinggi jatuh air : 14,1 m

7) Debit aliran : 3,381 m3/s

8) Posisi poros : horizontal

9) Jenis rumah : turbin tertutup

10) Efisiensi turbin : 89,5%

11) Sudut serang : 14o

12) Sudut buang : 26,5o

5.1.2 Generator

1) Daya generator : 242 KW

2) Putaran generator : 207 rpm

5.1.3 Pipa penstock

1) Panjang : 1,392 km

2) Diameter : 50 cm

5.1.4 Runner

1) Diameter dalam roda runner : 0,48 m

2) Diameter luar roda runner : 0,73 m

3) Jumlah sudu : 18 buah

4) Tebal water jet : 0,21 m

5) Jarak antar sudu : 0,125 m

6) Lebar radial : 0,125 m

7) Jarak antar water jet dan tengah poros runner : 0,084 m

8) Jarak antar water jet, inner periphery runner : 0,036 m

9) Panjang runner : 1 m

10) Radius blade curvature : 0,118 m

Daya keluaran turbin ini sangat dipengaruhi oleh berbagai kerugian seperti

kerugian pada generator, transmisi dan turbin itu sendiri, atau dapat dikatakan

efisiensinya. Efisiensi turbin ini terutama dipengaruhi oleh sudut serang saat

perancangan blade, semakin kecil sudut serang turbin maka efisiensi turbin akan

semakin meningkat dan sebaliknya.

5.2 Saran

Dari hasil perancangan, penulis dapat memberi saran agar pada pembuatan

turbin sudut serang turbin harus diperhatikan dengan baik, agar efisiensi yang

didapat lebih tinggi.

rancangan turbin air cross flow

Documents