teknologi mekanikal dan elektrikal dalam pltmh c

7/22/2019 Teknologi Mekanikal Dan Elektrikal Dalam Pltmh c

1/80

Prajitno 1

TEKNOLOGI MEKANIKAL DAN

ELEKTRIKAL DALAM PLTMH


2/80

Prajitno 2

DAFTAR ISI

Pemilihan Jenis Turbin Air Ukuran Utama Turbin

Kavitasi dan Penempatan Turbin

Layout Turbin

Pemilihan Generator

Pengaturan

Estimasi Biaya Pekerjaan Mekanikal dan Elektrikal


3/80

Prajitno 3


4/80

Prajitno 4

Variations of Cross-Flow Turbines


5/80

Prajitno 5

Pemilihan Jenis Turbin Air

Pemilihan jenis turbin ditentukan ditentukan oleh : Net Head (Head efektif), m

Debit aliran per unit, m3/s

Efisiensi turbin

Putaran turbin, rpm Kecepatan spesifik


6/80

Prajitno 6

Head Turbin Air

Gross Head adalah selisih elevasi muka air antara forebay

dan tail race (untuk turbin reaksi), atau selisih elevasi antaramuka air antara forebay dengan sumbu nosel (untuk turbinimpuls).

Net Head adalah Gross Head dikurangi dengan kerugianhead dari intake sampai dengan inlet turbin. Kerugian head

ditentukan oleh kecepatan aliran pada penstock (3 4) m/s. Rated Head adalah Net Head pada pembukaan valve penuh

untuk menghasilkan Rated Output. Minimum Head adalah Net Head ketika elevasi muka air

forebay minimum dengan semua turbin beroperasi pada

bukaan valve penuh. Maximum Head adalah Net Head ketika elevasi muka air

pada forebay maksimum tanpa terjadi limpasan padaspillway dan satu unit turbin beroperasi tanpa beban.


7/80

Prajitno 7

Skema PLTMH

Ho,

Gross

Head

hf

1

z1

Hn,

NetHead

p1/

V2

/2g

V

Generator

Turbin

Draft tubeTail race

Forebay

f

2

eon h

g2VHH

Net Head

Prediksi

Hn = (Ho - 0,5)x0,95 m


8/80

Prajitno 8

Debit aliran

Debit aliran untuk tiap unit turbin ditentukan oleh debitandalan dan jumlah unit turbin

Debit andalan ditentukan berdasarkan Kurva Durasi Aliranatau Flow Duration Curve (FDC) yang dihasilkan dari surveidan analisis hidrologi dengan mempertimbangkan aliran

kompensasi lingkungan

Aliran kompensasi lingkungan dapat ditentukan sebesar 0,5x Q95%, atau 0,5 debit minimum pada musim kemarau.

Debit andalan dan jumlah turbin ditentukan berdasarkan

fluktuasi aliran atau kelandaian FDC untuk menghasilkanfaktor kapasitas (40 70)%.


9/80

Prajitno 9

Efisiensi Turbin

Efisiensi turbin ditentukan oleh jenis turbin danprosentase debit terhadap debit normalnya.


10/80

Prajitno 10

Part-flow efficiency of small hydraulic turbines

Cross-flow

Pelton

Kaplan

Francis Propeller

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Efficiency

t

Flow rate as proportion of design flow rate


11/80

Prajitno 11

Effisiensi Generator


12/80

Prajitno 12

Efisiensi Turbin dan Genarator


13/80

Prajitno 13

Daya yang Dihasilkan Turbin

tngQHP

dengan : = densitas air (1000 kg/m3)

g = percepatan gravitasi, m/s2

Q = debit per unit turbin, m3/sHn = Net Head, mt = efisiensi turbin

Watt

Konversi satuan :1 HP = 746 Watt1 PK = 736 Watt


14/80

Prajitno 14

Putaran Turbin

Putaran turbin ditentukan berdasarkan pertimbangan apakahturbin akan dikopel langsung dengan generator atau melaluitransmisi (roda gigi atau belt).

Jika turbin dihubungkan dengan generator melalui peralatantransmisi, putaran turbin dapat ditentukan bedasarkan

kecepatan spesifik turbin.

Jika turbin dikopel langsung dengan generator, putaranturbin dipilih berdasarkan putaran sinkron generator.

Putaran turbin reaksi mempengaruhi posisi penempatan

turbin agar tidak terjadi kavitasi.


15/80

Prajitno 15

Putaran sinkron Generator


16/80

Prajitno 16

KECEP T N SPESIFIK

Kecepatan spesifik adalah kecepatan putar turbin yang sejenissecara geometris untuk menghasilkan satu satuan dayadengan satu satuan head pada efisiensi maksimum

Secara matematis kecepatan spesifik dinyatakan dengan

persamaan

4

5

21

H

NPNsT

N = rpmP = HP, kW

H = m,ft


17/80

Prajitno 17

KECEP T N SPESIFIK Dietzel(1988) menggunakan definisi kecepatan spesifik

dimensional seperti pada pompa sentrifugal, yaitukecepatan turbin yang bekerja pada head 1 m dankapasitas 1 m3/s

43

21

H

NQNqT

dengan :N = kecepatan putar (rpm)Q = kapasitas aliran (m3/s)H = head atau tinggi jatuh (m)


18/80

Prajitno 18

KECEP T N SPESIFIK Kecepatan spesifik dapat juga dinyatakan dalam bentuk

non-dimensional yaitu

43

21

gH

Q

s

= kecepatan sudut (rad/s)g = percepatan gravitasi (m/s2)

Q = kapasitas aliran (m3

/s)H = Head (m)

atau dalam bentuk lain

45

21

21

gH

NPKsT


19/80

Prajitno 19

Kecepatan Spesifik

nQE

gH

Qnn

Kecepatan spesifik nondimensi juga dapat dinyatakan dengan

persamaan :

dengan :n = kecepatan putar (putaran/s)g = percepatan gravitasi (m/s2)Q = kapasitas aliran (m3/s)H = Head (m)

Korelasi :

NS = 995 nQE dan NQT = 333 nQE


20/80

Prajitno 20

Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan

Head dan Kecepatan Spesifik


21/80

Prajitno 21

Turbin pelton (1 jet) Ns = 85.49/H0.243 (Siervo & Lugaresi, 1978)

Turbin Francis Ns = 3763/H0.854 (Schweiger & Gregory, 1989)

Turbin Kaplan Ns = 2283/H0.486 (Schweiger & Gregory, 1989)

Turbin Crossfiow Ns = 513.25/H0.505 (Kpordze & Wamick, 1983)

Turbin Propeller Ns = 2702/H0.5 (USBR, 1976)

45

21

H

NPNsT (rpm,m,kW)




22/80

Prajitno 22




23/80

Prajitno 23


Head dan Debit Aliran


24/80

Prajitno 24

Average Turbine Performance Characteristics


25/80

Prajitno 25

Ukuran Utama Runner

Turbin


26/80

Prajitno 26

Kecepatan Spesifik dan Geometri

Turbin Pelton

45

2

1

H

NPNsT P = gQHH

1

2

V4

dQ

214

5

21

21

23

21

21

2v

v

H1sT

V

gC2

C8

Vd

D

UN

21

21

23

41

21

45

H1

vsTD

d

V

UC

2

gN

Untuk U/V1

= 0,46, Cv

= 0,97, dan h

= 0,85,

NsT 105 d/D

NsT= 4 16, maka D/d = 6 26

gH2CV v1


27/80

Prajitno 27

Efisiensi ditentukan oleh NsT

dan U/V1

Kecepatan spesifik meningkat jika D/d kecil, tetapi efisiensiberkurang karena jumlah sudu maik banyak dan jarak makinrapat

Sebaiknya D/d = 14 16

nb = 15 + 53/NsT

Ukuran bucket :

Panjang = 2,3 kali diameter jet

Lebar = 4 kali diameter jet Kedalaman = 0,8 kali diameter jet.

Jumlah nozel dibatasi = 4 6


28/80

Prajitno 28

dengan : n = putaran turbin (rps)

njet = jumlah nozelDe = diameter nozel (m)D1 = diameter rotor (m)B2 = lebar mangkuk (m)

D1

Ukuran Utama Turbin Pelton


29/80

Prajitno 29

Ukuran Utama Turbin PeltonAlternatif:


30/80

Prajitno 30

Ukuran Utama Turbin PeltonAlternatif:


31/80

Prajitno 31

Ukuran Utama Turbin Cross Flow

nHn

819,39D

Diameter runner :

Panjang runner ditentukan oleh debit dan lebar bukaan nosel

360

singH2DBQ 1n

dengan :Hn = net Head, mn = putaran turbin, rpm = sudut bukaan nosel1 = sudut serang kecepatan pancarang, 16

o

m

m3/s


32/80

Prajitno 32

nHBD2787,1Q

Jika sudut bukaan nosel diambil 120o, maka debit dapatdinyatakan dengan persamaan

Panjang runner dapat juga dihitung dengan persamaan

nH

Q623,3B

dengan :

Q = Debit, liter/sHn = Net Head, m

Ukuran Utama Turbin Cross Flow

Kecepatan Spesifik Turbin


33/80

Prajitno 33

Kecepatan Spesifik Turbin

Reaksi

45

2

1

H

NPNsT

P = gQHH

NsT = N (gQHH)1/2 H-5/4

N = Vm1 (cotg 1+ cotg 1)/(D1)

H = (Vm2)2[1 + 2 ctg 1 (ctg 1+ ctg 1)]

432

1

21

45

43

111111

HsT ctgctgctg21ctgctgD

Bg2N

Q = Vm1 D1B


34/80

Prajitno 34

Kecepatan Spesifik dan Geometri

Tipe rotor NsT(rpm,HP,m)

1 1 B/D1

Kec. rendah 60 120 15 - 25 90- 120 1/25 1/30

Kec. normal 120 180 25 - 32,5 90 1/8 1/4

Kec. tinggi 180 300 32,5 - 37,5 60 90 1/4 - 1/2

Rotor DUBS 280

525 37,5 - 40 45- 60 1/2Rotor Kaplan 300 - 1000 < 90 < 90


35/80

Prajitno 35

Dimensi runner Turbin Francis

m

m

nQE > 0.164m;

D1 = D2 nQE < 0.164,


36/80

Prajitno 36

Dimensi runner Turbin Kaplan

m

m


37/80

Prajitno 37

lternatif Diameter runner turbin

Francis

Diameter runner turbin

Propeller

32

s3 n0211,0

n

H47,84D21

n33

32

s3 n0233,0

n

H47,84D

21

n33

dengan :D3 = Diameter runner pada sisi keluar, m

Hn = Net Head, mn = Kecepatan putar turbin, rpmns = Kecepatan spesifik turbin (rpm, m, PK)3 = Perbandingan kecepatan pada D3


38/80

Prajitno 38

Runaway speeds of turbines


39/80

Prajitno 39

Penempatan turbin

Penempatan turbin reaksi harus memperhatikan kemungkinanterjadinya kavitasi jika tekanan pada sisi keluar turbin mencapaitekanan uapnya.Kavitasi dikarakterisasi dengan bilangan Thoma yang didefinisikan dengan persamaan :

ngH

NPSE

dengan :

Patm

= tekanan atmosfer, PaPv = tekanan uap, Pa = massa jenis air, kg/m3

V = kecepatan air keluar m/sg = percepatan gravitasi, m/s2

Hs = Suction Head, m


40/80

Prajitno 40

Agar tidak terjadi kavitasi, maka penempatan turbin paling tinggidi atas muka tailrace adalah

Jika Hs positif, artinya penempatan turbin di atas tailrace, danjika Hs negatif, artinya penempatan turbin di bawah tailrace

Batas kavitasi :

Turbin Francis :

Turbin Kaplan :

Powerhouse Turbin Pelton atau


41/80

Prajitno 41

Powerhouse Turbin Pelton atau

Turgo poros horizontal


42/80

Prajitno 42

Powerhouse Turbin Crossflow


43/80

Prajitno 43

Layout Turbin Crossflow

Powerhouse Turbin Francis


44/80

Prajitno 44


Horizontal


45/80

Prajitno 45

Instalasi Turbin Openplum


46/80

Prajitno 46

Powerhouse Turbing Tabung



47/80

Prajitno 47


Horizontal



48/80

Prajitno 48


Horizontal



49/80

Prajitno 49


Horizontal



50/80

Prajitno 50


Horizontal



51/80

Prajitno 51


Horizontal



52/80

Prajitno 52


Horizontal


53/80

Prajitno 53

Turbin Archimedean Screw


54/80

Prajitno 54

Turbin Archimedean Screw


55/80

Prajitno 55

Turbin Submersible


56/80

Prajitno 56

Aplikasi Turbin Submersible


57/80

Prajitno 57

Contoh Kinerja Turbin Submersible

M T G


58/80

Prajitno 58

Model Turbin Gorlov

M T A


59/80

Prajitno 59

Model Turbin Archad


60/80

Prajitno 60

Model Turbin :- Diamater : 27 cm- Tinggi : 36 cm

- Jumlah Sudu : 3 buah- Sudut Helical : 60 derajad- Profil sudu : NACA 0020


61/80

Prajitno 61

Hasil Penelitian

y = 401.26x - 35.944y = 401.26x - 35.944

0

50

100

150

200

250

0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000

PutaranTurbin(rpm)

Kecepatan Aliran (m/s)

Kecepatan Putaran versus Kecepatan Aliran

y = 376.13x - 76.944

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0.2 0.4 0.6 0.8

PutaranTurbin(RPM)

Kecepatan Aliran (m/s)

Putaran Turbin vs Kecepatan Aliran

A. Turbin Gorlov B. Turbin Achard

61


62/80

Prajitno 62

y = -0.0793x2 + 0.3745x + 0.0117

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 2 4 6

EfisiensiTurbin

Tip Speed Ratio (TSR)

Efisiensi Turbin vs TSR

Series1

Poly. (Series1)

A. Turbin Gorlov B. Turbin Achard

y = -0.1557x2 + 0.4994x + 0.0008

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 1 2 3 4

Efisiensi(x100%)

Tip Speed Ratio (TSR)

Efisiensi vs TSR

62

Hasil Penelitian

S te Ke t PLTMH


63/80

Prajitno 63

Sistem Kelistrikan PLTMH

Sistem kelistrikan pada umumnya menggunakan

sistem kelistrikan AC : Satu fasa untuk daya < 5 kW :

Instalasi sederhana

Sistem pengaturan beban lebih murah

Ukuran generator ditentukan berdasarkan kebutuhandaya maksimum

Tiga fasa untuk daya > 5 kW

Ukuran generator dan motor induksi lebih kecil untuk

kapasitas yang sama Harga generator dan motor induksi lebih murah

Pemakaian penghantar lebih hemat

Ef s e s Ge e to


64/80

Prajitno 64

Efisiensi Generator

Aplikasi < 10 kVA, efisiensi 0,70 0,80

Aplikasi 10 - 20 kVA, efisiensi 0,80 0,85 Aplikasi 20 - 50 kVA, efisiensi 0,85

Aplikasi 50 - 100 kVA, efisiensi 0,85 0,90

Aplikasi > 100 kVA, efisiensi 0,90 0,95

Jenis generator yang digunakan pada perencanaan PLTMH

ini adalah : Generator sinkron sistem eksitasi tanpa sikat

Generator asinkron berupa Induction Motor As Generator(IMAG)

Pemilihan Generator

Generator Sinkron


65/80

Prajitno 65

Kecepatan putar generator sinkron :

rpmp

f120Ns

dengan :

f = frekuensi jaringan listrik, Hzp = jumlah kutub

Kecepatan putar generator asinkron :

Nr= Ns (1-s)

dengan s adalah slip

Generator Sinkron

Kapasitas dipilih dengan tambahan angka keamanan (25

90) %Kecepatan untuk generator sinkron ditentukan jumlah kutubdan frekuensi. Semakin tinggi kecepatannya ukuran menjadisemakin kecil dan harganya juga lebih murah.

Generator Asinkron


66/80

Prajitno 66

Generator Asinkron

Keunggulan generator asinkron terhadap generator sinkron

antara lain : Harga lebih murah dibandingkan generator sinkron Produk memenuhi standar industri sehingga daya tahan

lebih terjamin Tersedia dalam beberapa ukuran mulai dari 1kW -

100kW Tersedia dengan 3 ukuran putaran 1000, 1500, dan 3000

rpm sehingga lebih mudah untuk disesuaikan denganputaran turbin

Pada generator induksi IMAG , tegangan akan turun dengan

cepat pada saat beban bertambah sehingga perlu adanyapengaturan tegangan dan putaran.

Saat ini untuk instalasi mikrohidro dengan menggunakanmotor induksi sebagai generator tersedia sistem pengaturanIGC(induction generator controller)

Perbandingan Generator Sinkron dan Asinkron


67/80

Prajitno 67




68/80

Prajitno 68



69/80

Prajitno 69


Sistem off grid dan on grid


70/80

Prajitno 70

Sistem off-grid dan on-grid

Sistem off-grid atau stand alone dapat menggunakan

generator asinkron atau generator sinkron denganmempertimbangkan aspek ekonomis, pemeliharaan, danketersediaan generator dan sistem kontrolnya.

Penggunaan generator sinkron dengan menggunakan

electronic load controller (ELC) dengan dummy loaddipilihuntuk mempertahankan sistem beroperasi pada frekuensiyang konstan sehingga tidak memerlukan turbin dengangovernor yang cukup mahal untuk mengontrol kecepatan.


71/80

Prajitno 71

Apabila motor asinkron dengan tambahan kapasitor yang

sesuai dengan kebutuhan operasional sebagai generatorasinkron yang dipilih untuk stand alone generation dilengkapidengan induction generator control (IGC) tegangan padasistem konstan dan frekuensi juga konstan selama faktordaya beban diatas 0,8.

Sistem on grid digunakan jika energi yang dibangkitkandisalurkan melalui sistem jaringan transmisi yang tersediadengan tujuan komersialisasi

Komersialisasi ini sebaiknya menggunakan generator

sinkron sistem 3 fasa 4 kawat.


72/80

Prajitno 72

Sistem Kontrol Sistem kontrol berfungsi untuk menyeimbangkan energi

input dan energi output dengan cara mengatur input(flow)atau mengatur output listrik sehingga sistem akan seimbang.

Berdasarkan media yang dikontrol sistem kontrol dalamPLTMH dibagi menjadi 2 yaitu :

flow control, yaitu mengatur debit air yang masuk turbinmenggunakan guide vane

load control, yaitu mengatur beban generator agar tidak

terjadi runaway speed jika terjadi pengurangan atau

pelepasan beban.

Typical sistem flow control


73/80

Prajitno 73

mikrohidro (cross flow turbine)

flow control


74/80

Prajitno 74

flow control

Konstruksi rumit dan mahal

Reaksi lambat, sehinggatidak sesuai untukperubahan beban yangbesar.

Pipa penstock tahanterhadap waterhammer jikaterjadi penutupan katupsecara cepat akibat terjadi

pelepasan beban. Generator tahan terhadap

overspeedakibat bebansudah lepas tetapi guide

vane belum menutup.

UNIT

PEMBANGKIT

GOV.

RUGI-

RUGI

INPUT OUTPUTBEBAN

Pengendalian menggunakangovernor

Kontrol Daya Listrik


75/80

Prajitno 75

Kontrol Daya Listrik

Bagian utama dari sistem kontrol ini terdari dari panel kontrol

dan ballast load Prinsip pengaturannya adalah menyeimbangkan antara daya

yang dihasilkan generator dengan beban daya konsumen

Saat beban konsumen berkurang kelebihan daya yang

dihasilkan generator akan dipindahkan ke ballast load Sistem pengaturan beban yang digunakan pada

perencanaan ini adalah

Electronic Load Controller (ELC) untuk penggunaangenerator sinkron

Induction Generator Controller (IGC) untuk penggunaanIMAG

Sistem kontrol ini terintegrasi pada panel kontrol (switch gear)

Pengendalian menggunakan


76/80

Prajitno 76

ELC/IGC

UNIT

PEMBANGKIT

RUGI-

RUGI

INPUT OUTPUTBEBAN

ELC/

IGC

BEBAN

PENYEIMBANG

switch gear


77/80

Prajitno 77

switch gear

Fasillitas panel kontrol minimum terdiri atas :

Kontrol start/stop, baik otomatis, semi otomatis, maupunmanual

Stop/berhenti secara otomatis

Trip stop, berhenti pada keadaan gangguan: over-undervoltage, over-under frekuensi.

Emergency shut down, bila terjadi gangguan listrik (misalarus lebih)

Estimasi Biaya Pekerjaan M&E


78/80

Prajitno 78

Estimasi Biaya Pekerjaan M&E

Komponen-komponen biaya M & E,

antara lain : Pengadaan Peralatan, misalnya :

Turbin

Generator

Governor

Inlet Valve

Excitation System

Switchgears

Power & Control cables

AC and DC System Control monitoring and

Protection

Outdoor elecrical

equipment Drawing Water System

Pressure Air System

Transformer

Spare Part

Accessories

Jaringan transmisi dandistribusi

Biaya pengiriman dan

pemasangan Pajak bea-masuk (jika import)

Commissioning dan uji coba

Capital Cost for Small High Head


79/80

Prajitno 79

Hydro Plants (1980)

Capital Expenditure Approximate Cost ($/kW)

Turbine- generator 400 - 800

Civil work, canal, sand trap,headwork, penstock

300 - 500

Powerhouse 200 - 300

Electrical eqpt. 100

Engineering 100 - 200

Contingency 100 - 200

Referensi


80/80

Referensi

Fritz J.J., 1984, Small an Mini Hydropower System,

McGrawHill Book Co., N-Y. Warnic C.C., dkk.,1984, Hydropower Engineering,

Prentice Hall, Inc., New Jersey.

IMIDAP, 2009, Buku 2C PEDOMAN STUDI KELAYAKAN

MEKANIKAL ELEKTRIKAL,Cetakan 1, DirektoratJenderal Listrik dan Pemanfaatan Energi DepartemenEnergi dan Sumber Daya Mineral.

ESHA, 2004, Guide on How to Develop a Small Hydropower

Plant , Part-1 and Part-2.

teknologi mekanikal dan elektrikal dalam pltmh c

Documents