VOLUME 1, NOMOR 3, APRIL 2010 JURNAL AUSTENIT

28 dq

STUDI AWAL PERENCANAAN SISTEM MEKANIKAL DAN KELISTRIKANPIPA PENSTOCK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MINI-HIDRO

PADA DESA PENYANDINGAN KAB. OKU SELATAN

H. AzharuddinJurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri SriwijayaJl.Srijaya Negara Bukit Besar Palembang 30139

Telp: 0711-353414, Fax: 0711-453211E-mail: amienromlie@yahoo.com

RINGKASAN

Perkembangan listrik pedesaan yang belum terjangkau oleh jaringan listrik PLNmasih tergantung pada pemakaian mesin diesel. Minat terhadap mesin diesel telahmengalami penurunan akhir-akhir ini, karena biaya operasional terutama hargabahan bakar yang terus meningkat dan kekurangan- kekurangan lainnya yang tidakdapat diabaikan misalnya ; pemadaman berkala, biaya kebutuhan pemeliharaan dankesulitan yang dialami oleh para staf dalam melakukan pengiriman bahan bakaryang disebabkan oleh keadaan jalan desa yang belum memadai dan jarak yangcukup jauh dari agen penyuplai. Stasiun Pembangkit Listrik Tenaga Mini-Hidro(PLTMH) merupakan salah satu bentuk energi alternative yang sangat mungkinuntuk dikemangkan di Negara-negara dengan sumber air yang tersebar luas,misalnya Indonesia. Untuk melaksanakan pembangunan PLTMH diperlukan suatuperencanaan yang matang sehingga perlu disurvey tentang potensi sungai dankondisi desa tersebut. Di daerah pedesaan umumnya terdapat saluran irigasi yangutama berfungsi untuk mengairi sawah dan juga berpotensi untuk digunakan sebagaipembangkit tenaga listrik. Studi awal perencanaan bagian-bagian PLTMH dari segimekanikal dan kelistrikan meliputi, turbin, powerhouse, generator dari PLTMH yangdirencanakan, berdasarkan hasil pembahasan saluran irigasi di Desa PenyandinganKab. OKU Selatan memiliki potensi energy energy listrik sebesar 318,30 Kw.

Kata kunci : PLTH, penstock, turbin, generator, social benefit.

PENDAHULUANTenaga merupakan suatu unsurepenunjang yang sangat penting bagipengembangan secara menyeluruhsuatu bangsa. Pemanfaatan secaratepat guna akan merupakan suatu alatyang ampuh untuk merangsangpertumbuhan perekonomian negara.Berdasarkan alas an tersebut, dapatdimengerti apabila pada akhir-akhir inipermintaan akan pembangkit tenagasemakin meningkat di negara-negaraseluruh dunia. Secara garis besardapat dikatakan bahwa, ditinjau darisegi kebutuhan tenaga, hamper dapatdipastikan semua negara di dunia

benar-benar sedang mengalami “krisisenergy” dan berbagai kesibukandilakukan untuk menjajagi pemanfaatanberbagai alternative pembengkit energyuntuk memenuhi kebutuhan yang terusmeningkat.

Tenaga listrik memegang perananpenting dalam pengembangan ekonomidan pembangunan suatu bangsa.Kebutuhan tenaga listrik padaumumnya akan naik, dengan lajupertumbuhan berkisar 3-20 % pertahun,terutama tergantung pada pertumbuhanekonomi dan laju perkembanganindustry suatu negara. Hal ini

JURNAL AUSTENIT VOLUME 1, NOMOR 3, APRIL 2010

dq 29

berpengaruh terhadap penyediaanenergy listrik. Semakin jelas bahwaharus ada suatu gagasan barumengenai sumber-sumber penghasilenergy dan rumusan program-programpelaksanaan dengan efisiensimaksimal.

Penyediaan tenaga listrik bagikeperluan sektoral sampai saat inidibangkitkan dengan minyak. Investasipembangkit listrik dengan bahan bakarminyak mahal, sehingga hal inimembuka kesempatan bagi upayadiversifikasi, dengan pemakaian minyakpada sektoral dapat digantikan denganpemakaian tenaga listrik yangdibangkitkan oleh energy non minyak.

Dewasa ini minyak bumi (bahan bakarfosil) merupakan sumber utamapemakaian energy di dalam negeri.Penggunaannya terus meningkat,sedang jumlah persediaan terbatas.Oleh karena itu perlu diambil langkah-langkah penghematan minyak bumi(bahan bakar fosil) di satu pihak dan dipihak lain pengembangan-pengembangan sumber energy lainnya,seperti PLTMH (Pembangkit ListrikTenaga Mini-Hidro).

Di Indonesia salah satu programpemerintah adalah listrik masuk Desa.Untuk desa terpencil di daerahpegunungan, pembangunan PLTMHmerupakan salah satu jawaban atasprogram pemerintah tersebutdisamping kebutuhan tenaga listrikyang semakin meningkat. Karenamenghubungkan desa ini denganhantaran tegangan tinggi tidaklahekonomis.

Kelebihan dan kelemahan PLTMH

- PLTMH mempunyai beberapakelebihan, yaitu :

1. Bahan bakar PLTU adalah batubara. Berdasarkan pengertian yangsama, kita dapat mengatakanbahwa bahan bakar untuk PLTAadalah air (batu bara putih).

Keunggulan bahan bakar untukPLTA ini sama sekali tidak habisterpakai ataupun berubah menjadisesuatu yang lain dan merupakansuatu sumber yang abadi. PLTAtidak menghadapi masalahpembuangan limbah berupa abubatu bara.

2. Biaya pengoperasian danpemeliharaan PLTA sangat rendahjika dibandingkan dengan PLTUatau PLTN. Pada PLTU, disampingpengeluaran biaya untuk batu bara,perlu diperhitungkan pula biayatransportasi bahan bakar tersebut.

3. Turbin – turbin pada PLTA biasdioperasikan atau dihentikanpengoperasiannya setiap saat.

4. PLTA, cukup sederhana untukdimengerti dan cukup mudah untukdioperasikan. Ketangguhansistemnya dapat lebih diandalkandibandingkan dengan sumber-sumber daya yang lainnya.

5. Pralatan PLTA yang mutakhir,umumnya memiliki peluang yangbesar untuk bisa dioperasikanselama lebih dari 50 tahun. Hal inicukup bersaing jika dibandingkandengan umur efektif dari PLTNyang sekitar 30 tahun.

6. Dengan teknik perencanaan yangmutakhir, pembangkit listrik dapatmenghasilkan tenaga denganefisien yang sangat tinggi meskipunfluktuasi beban cukup besar.

7. Perkembangan mutakhir yang telahdicapai pada pengembangan turbinair, telah dimungkinkan untukmemanfaatkan jenis turbin yangsesuai dengan keadaan setempat.

8. Pengembangan PLTA denganmemanfaatkan arus sungai denganmenimbulkan juga manfaat lainseperti misalnya; pariwisata,perikanan dan lain-lain, sedangkanjika diperlukan waduk untukkeperluan tersebut dapatdimanfaatkan pula misalnyasebagai irigasi dan pengendalibanjir.

VOLUME 1, NOMOR 3, APRIL 2010 JURNAL AUSTENIT

30 dq

- Kelemahan-kelemahan PLTMH1. Sebagaimana yang telah

disebutkan diatas, hamper semuaPLTA merupakan proyek padatmodal. Seperti padat modal yanglain, laju pengembalian modalproyek PLTA adalah rendah.

2. Masa persiapan suatu proyek PLTApada umumnya memakan waktuyang cukup lama.

3. PLTA sangat tergantung padaaliran sungai secara alamiah,sehingga pada umumnya tenagaandalan atau tenaga mantap akansangat kecil jika dibandingkandengan kapasitas totalnya.

PRINSIP KERJA PLTMHPembangkit tenaga air adalah suatubentuk perubahan tenaga air denganketinggian dan debit tertentu menjaditenaga listrik, dengan menggunakanturbin air dan generator. Daya (power)yang dihasilkan dapat dihitung denganrumus :

P = 9,81 Q H Kw

Daya yang keluar dari generator dapatdiperoleh dari perkalian efisiensi turbindan generator dengan daya yangkeluar secara otomatis. Bentukpembangkit tenaga mini-hidro adalahbervariasi, tetapi prinsip kerjanyaadalah sama, yaitu: “Perubahan tenagapotensial air menjadi tenaga elektrik(listrik)”. Perubahan memang tidaklangsung, tetapi berturut-turut melaluiperubahan sebagai berikut :

- Tenaga Potensial…Tenaga Kinetik

- Tenaga Kinetik …Tenaga mekanik

- Tenaga Mekanik …Tenaga listrik

Tenaga potensial adalah tenaga airkarena berada pada ketinggian.Tenaga kinetic adalah tenaga airkarena mempunyai kecepatan. Tenagamekanik adalah tenaga kecepatan airyang terus memutar kincir / turbin.Tenaga elektrik adalah hasil dari

generator yang berputar akibatberputarnya kincir / turbin.

Prinsip kerja PLTM yang paling utamaadalah memanfaatkan semaksimalmungkin energy air yang dapatditangkap oleh peralatan utamanyayang disebut turbin / kincir air. Efisiensikincir air yang dipilih untuk menangkapenergy air tersebut menentukanbesarnya energy mekanik atau energyporos guna memutar generator listrik.

PERENCANAAN PENSTOCK,TURBIN DAN GENERATOR

- Perencanaan PenstockHal yang perlu diperhatikan dalampemilihan penstock untuk PLTM adalahdiameter dimana semakin kecildiameter maka kecepatan air dalampenstock akan semakin naik untukdebit yang sama, rugi-rugi padapenstock disebabkan debit air dantinggi jatuh yang relative kecil danketersediaan material di daerah local.Di bawah ini perhitungan daripenampang pipa saluran (penstock)dengan menggunakan pipa beton :

Diketahui data yang diperoleh untuk Q= 2,26 m3/det, dan C = 1,76 m/det.

A = ¼ π . d2

Q = A x CA = Q / CA = 2,26 m3det-1/ 1,76 mdet-1 = 1,28 m2

D = √4 A / π = √ 1,656 = 1,28 m

Jadi diperoleh diameter pipa sebesar1,28 m.

Dalam perencaaan pembangkit ini,direncanakan menggunakan pipa pesatatau penstock terbuat dari pipa betondengan diameter 1,28 m dan tebal 6m dibuat lurus untuk mengurangi rugi-rugi pusaran dan rugi gesekan.Dimisalkan tekanan air pada kepalapipa adalah 1,76 kg/cm2 dan adakemungkinan terjadi peningkatantekanan sebesar 20 %. Tekanan desaindan efisiensinya diperkirakan sebesar

JURNAL AUSTENIT VOLUME 1, NOMOR 3, APRIL 2010

dq 31

1020 kg/cm2 dan 85 %. Panjang pipa ±64 m dengan kemiringan 45o terhadaptinggi jatuh turbin.

Untuk mengurangi rugi-rugi pusaran airpada sisi masuk penstock maka harusditentukan jarak minimum intakepenstock dari permukaan air forebay,untuk debit 2,26 m3/det maka :

- Jarak minimum batang pipa daripermukaan penampang air :

V = Q / 3,14 (0,64)2 = 2,26 m3det-1 =1,76 mdet-1

V = 1,76 / √g.d = 0,5 / √9,8.1,28s/d = 0,9 / 1,28 = 0,7 m

sehingga sisi masuk penstockdiletakkan 0,7 dibawah permukaan airpenampung (forebay).

- Ketebalan pipa adalah :P = 1,76 + [20/100 x 17,6 ]

= 21,12 kg/cm2

S = 1020 kg/cm2

ή = 85 %R= 64 cm

- Ketebalan dinding batang pipaadalah :

t = P.R / S.ή- 0,6 P + 0,15= 21,12.64 / 1020,85 – 0,6.21,12 + 0,5= 1,73 cm

PERENCANAAN MESIN TURBINDari pengukuran diperoleh Hn = 20,51m dengan Q = 2,26 m3/det digunakanturbin impuls aliran radial yaitu turbinCrossFlow ( gambar 2.14 ), dengankonversi :Hn = 20,51 m = 67,30 ftQ = 2,26 m3/det = 79,78 ft3/det

Gambar 1. Jalan Air pada turbin Crossflow

- Lebar dan Diameter RunnerDengan konstanta tetapan C = 0,98dan k = 0,087 maka;

L = 144.QN / (862) (0,98) (0,087)(2g) 1/2H

= 0,244.QN/H

DenganN = (862 / D1) H ½

MakaL = 144.Q / (0,98) (0,087) (2g) 1/2 D1H

½

= 210,6.Q / D1H½

SehinggaLD1 = (210,6) (79,78) (67,30) ½

= 2047, 98

Untuk mencari lebar turbin :

L = 2047,98 / D

Dimana L dan D dalam inch, dan nilai Dmulai dari 50 cm sampai 100 cm

Tabel 4.7. Jarak diameter runner berdasarkanlebar turbin

L (inch) D (inch) L (cm) D (cm)

104,0694,5986,7180,0374,3169,3565,0261,2157,8054,7652,02

19,6921,6523,6225,5927,5629,5331,5033,4635,4337,4039,37

264,31240,23220,24203,28188,75176,05165,15155,45146,81139,07132,13

50556065707580859095

100

Dipilih L = 104,06” sehingga D1 =19,68”. Pemilihan lebar L turbin akanberpengaruh pada N, D1, SO, dan t.1. Putaran Turbin

N = ( 862 / D1) H 1/2 = (862 / 19,68)(67,30) 1/2

= 359 rpm

2. Tebal PancaranLuas pancaran dengan V adalahkecepatan absolute air :

VOLUME 1, NOMOR 3, APRIL 2010 JURNAL AUSTENIT

32 dq

A = Q/V= 79,78 / (0,98) [2(9,81) (67,30)]1/2

= 2,24 ft2

Sehingga tebal pancaran so :so = A/L = (2,24) (144) / 104,06

= 3,1 inch = 7,868 cm

3. Jarak Antar Sudus1 = kD1 = (0,087) (19,68)

= 1,71 inch = 4,34 cm

Makat = s1 / sin β1 = 1,71 / 0,5

= 3,42 inch = 8,68 cm

4. Jumlah SuduJika jarak antar sudu t, maka jumlahsudu n diperoleh :

N = π.D1 / t= π (19,68) (3,42) ≈ 18 buah

5. Lebar Keliling Radiala = 0,17.D1 = (0,17) (19,68)

= 3,35 inch = 8,5 cm

6. Kelengkungan Suduρ = 0,326.r1 = (0,326) (9,84)

= 3,21 inch = 8,15 cm

7. Jarak Pancaran dari Pusat Porosy1 = (0,1986 – 0,945.k) D1

= [ 0,1986 – 0,945 (0,087) ]19,68

= 2,29 inch = 5,82 cm

8. Jarak Pancaran dari Tepi DalamRunnery2 = (0,1314 – 0,945.k) D1

= [0,1314 – 0,945 (0,087) ] 19,68= 0,97 inch = 2,46 cm

9. Daya Output TurbinDari persamaan house power denganefisiensi maksimum turbin 0,87 :

HP= QHήt / 8,8= (79,78) (67,30) (0,87) / 8,8= 530, 82 HP

Dalam kWP = HP x 0,746 kW = 530,82 x0.746

= 395,99 kW10. Perhitungan PembandingDari persamaan umum daya output :P = ήt.9,81.QH = 0,87 (9,81) (2,26)

(20,51)= 395,61 Kw

PERENCANAAN GENERATORBerdasarkan perhitungan dalamperencanaan PLTH dengan potensisungai Danawari ini digunakangenerator dengan kapasitas 350 kW.Generator tersebut merupakangenerator sinkron 4 kutub (brussless)yang mempunyai kecepatan putar 1500rpm dengan tegangan keluaran220/380 volt, cos θ = 0,83 dan frekuensi output 50 Hz. Untukmenaikkan kecepatan sampai 1500rpm digunakan speed increaser dengangearing ratio :

150 / 359 = 4,2

Besarnya daya yang dapat dihasilkansetelah memperhitungkan besarnyaefisiensi turbin, efisiensi speedincreaser, efisiensi generator adalahsekitar 0,70 diperoleh :

P = ή. 9,81. QH = 0,7.9,81.2,26.20,51= 318,30 kW = 397,88 Kva

- Arus Generator SinkronI = S / √3. VLL.cosθ

= 31830 / √3. 380. 0,83= 58,27

- Dimensi Utama GeneratorS =1,11 x kω.π2.B.ac.D2.Ln x 10-3 kVA397,88 = 1,11 x 0,955.3,142.0,6.20000

x D2L x 1500 / 60 x 10-3

D2L = 3,11 x 106 mm3

Jika diambil panjang generatorL=1000mm, maka diameter generatorD=55,76 mm. Jika jumlah saluranadalah 3 buah dengan panjang masing-masing 10 cm maka panjang bersih intiarmature :

Larm = 1000 – 3x10 = 970 mm

JURNAL AUSTENIT VOLUME 1, NOMOR 3, APRIL 2010

dq 33

KESIMPULANBerdasarkan hasil analisa yang tertulisdalam buku ini tentang studi awalperencanaan system mekanikal dankelistrikan Pembangkit Listrik TenagaMini-Hidro secara sederhana, makadapat diambil kesimpulan sebagaiberikut :1. Potensi energi air pada saluran

irigasi di Desa Penyandinganmemungkinkan dibangun PLTMHdengan konstruksi yang sederhana.

2. Perencanaan PLTMH sederhanadari segi makanikalnya di daerahPenyandingan Tegal tidakmenggunakan turbin berkapasitasbesar melainkan menggunakanturbin Crossflow yang di desainuntuk menggerakkan generator.

3. Pembangkit yang direncanakan didesa Penyandingan menggunakanturbin Crossflow dan generatorsinkron dengan kapasitas 350 kW.

4. Dari segi Finansial benefit adakecenderungan pembangunanproyek listrik kurang feasible untukdijalankan, tetapi dari segi socialbenefit memberikan dampak positifterhadap berbagai kegiatanmasyarakat sehingga layak untukdikembangkan.

5. Dintinjau dari mekanikal yang adapada Pembangkit Listrik TenagaMini-Hidro yang meliputi turbin, unitpenggerak putaran/unit penerusputaran (speed increaser), sertaadanya vernelling untuk pengaturankecepatan, maka syarat mekanikyang harus diperhatikan yaitu :

- Putaran turbin air harus sesuaikebutuhan, sehingga tenaga yangmenggerakkan generator listrikcukup stabil.

- Kekuatan mekanik dari turbin airsampai dengan penerus putarandapat diandalkan sehinggakeandalan kerja pembangkitandapat terjamin.

- Versnelling serta bagian-bagiannya cukup kokoh untukmengatur kecepatan air dalam

menggerakkan generator listrikyang melalui putaran turbin air.

DAFTAR PUSTAKA1. Arismunandar, Dr. dan Dr.

Susumumu Kuwahar,Pembangkitan denganArtono tenaga air, BukuPegangan Teknik TenagaListrik, Jilid I, PradnyaParamita, Jakarta : 1974.

2. Wiranto Arismunandar, Ir.Penggerak Mula Turbin,Universitas ITB, Bandung :1977.

3. W. Culp Archie, Jr., Ph. D.,Penerjemah Ir. DarwinSitompul, M.Eng, Prinsip-Prinsip Konversi Energi,Erlanggga, Jakarta : 1977.

4. Zuhal, Dasar Teknik Listrik,Universitas ITB, Bandung :1977.

5. Penembangan Produksi TurbinMikro Hydro, PT BeretaIndonesia, Lokakarya PLTMPeningkatan SwadayaMasyarakat DalamPengembangan MikroHydro, PLN PusatPenyelidikan MasalahKelistrikan, DirektoratJendral Listrik dan EnergiBaru, Jakarta ; 16-17 Januari1985.

6. Arismunandar A, Teknik TenagaListrik, Jilid I PembangkitanDengan Tenaga Air, PradnyaParamita, Jakarta : 1979.

7. Ramadhan Otto, PerencanaanPembangkit Listrik TenagaMikro-Hidro DenganMemanfaatkan KecepatanAliran Sungai, Tugas Akhir,Teknik Elektro UniversitasDiponegoro, Semarang :2003.

8. Arismunandar W, Turbin, PenerbitITB, Bandung : 1997.

9. Patty O. F., Tenaga Air, Erlangga,Jakarta : 1995.

VOLUME 1, NOMOR 3, APRIL 2010 JURNAL AUSTENIT

34 dq

10. PT. PLN (Persero) Jasdik,Pembangkitan : 1997.

11. Sharma, K. N. Pembangkit ListrikTenaga Air, Jakarta, UI-Press : 1991.

12. Wakil, M. M. EL, InstalasiPembangkit Daya, Erlangga,Jakarta : 1992.

13. Sulasno, Ir. Pusat PembangkitTenaga Lstrik, SatyaWacana, Semarang : 1992.