bab 11. turbin air

1

BAB 11 TURBIN AIR

Mata kuliah Sistem PLTA

2

11.1. Fungsi Turbin AirGambaran Umum.

Dikembangkan mulai abad 19 dan secara luas digunakan untuk tenaga industri.

Sekarang lebih umum dipakai untuk penggerak mula PLTA.

Memanfaatan tenaga air yang merupakan sumber energi yang

dapat diperbaharui.

Gbr.11.1 Turbin air dari PLTA Mikro Kanada Selatan

3

Sudu dan poros turbin terhubung dengan poros

generator. Poros generator menggerakkan rotor, yang selanjutnya bergerak di kumparan stator generator. (gbr.11.1).

Air mengalir melalui turbin, memberi tenaga pada sudu turbin (blade) dan membuatnya berputar. Akibatnya tenaga mekanik poros akan diubah menjadi tenaga listrik.

Turbin air adalah jantung PLTA, dan membentuk komponen biaya terbesar PLTA.

Posisi turbin air sebagai penggerak mula (prime mover) PLTA dan komponen lain sepeti dam, pipa pesat (penstock), reservoir atas dan bawah, dan generator ditunjukkan gambar 11.2

4

Penggerak Mula (Turbin Air) Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air

PotentialEnergy

KineticEnergy

ElectricalEnergy

MechanicalEnergy

Electricity

11.2. Turbin air/penggerak mula, jantung PLTA

5

Tipe Turbin Bertenaga Air

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

6

11.2. Klasifikasi Turbin Air

1. Berdasarkan tekanan2. Berdasarkan tinggi tekan (head)3. Berdasarkan arah aliran4. Berdasarkan debit5. Berdasarkan tenaga6. Berdasarkan kecepatan spesifik

7

11.2.1. Klasifikasi Berdasarkan Tekanan Terdiri : A.Turbin Impuls B.Turbin Reaksi A.Turbin Impuls, disebut juga turbin tanpa tekanan

Jatuh tekanan terjadi di difuser atau nosel Mengubah energi kinetik jet air yang menubruk sudu turbin

(bucket) dan keluar pada tekanan atmosfer Tidak ada jatuh tekanan melintas turbin tidak ada sisi bawah isapan, aliran air keluar melalui rumah

turbin setelah menubruk air Aplikasi head tinggi, debit rendah. Jenisnya : Turbin Pelton, aliran silang (crossflow) dan Turgo Gambaran Gaya impuls ditunjukkan gambar 11.3 dan

gambar 11.4

8Gbr.11.3 Analogi manusia-perahu untuk gambaran gaya impuls - reaksi

9Gbr.11.4 Gambaran gaya impuls dan gaya reaksi

10

a. Roda Pelton (Pelton Wheels)

Nosel mengalirkan arus air langsung dengan kuat menumbuk rangkaian bucket yang terpasang di sekeliling roda.

Setiap bucket membalikkan aliran air dan daya dorong ini memutar turbin.

Gbr.11.5 Runner roda pelton, bucket ada di keliling diameter

11

a. Roda Pelton (lanjutan…)

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

Gbr.11.6.Turbin roda Pelton (a) Potongan vertikal; (b) aliran air telihat dari sudu yang berpindah; (c) gerak aktual air dan sudu

12

a. Roda Pelton (lanjutan…) Cocok untuk head yang

tinggi dan lokasi dengan debit rendah

Unit terbesar dapat mencapai hingga 200 MW.

Dapat beroperasi dengan head sekecil 15 meter dan setinggi 1.800 meter.

Gbr.11.7. Desain kuno turbin Pelton

13

b.Turbin Aliran Silang (Cross Flow) Berbentuk drum Mulut nosel segi

empat memanjang,mengarah langsung sudu-lengkung di runner bentuk silinder

Blower “sangkar tupai”

aliran air melewati blade dua kali

Gbr. 11.8 Bagian-bagian turbin aliran silang (a) dan pola alirannya (b)

(b)

(a)

14

b. Turbin Aliran Silang (lanjutan ..) Laluan pertama: air mengalir dari sisi luar

sudu (blade) ke bagian dalam Laluan kedua: dari sisi dalam dalam arah

mundur Aliran air lebih besar dan head lebih

rendah daripada Pelton.

15

c. Turbin Turgo

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

16

11.2.1. Klasifikasi Berdasarkan Tekanan (lanjutan)

B. Turbin Reaksi Atau Turbin Tekan Daya didapat dari jatuh tekanan melintas turbin Aksi gabungan tekanan dan perpindahan air Secara total terbenam di air, arus tidak

menumbuk setiap blade seperti turbin pelton Gerak putar dan linier dikonversi menjadi daya

poros Jenisnya : Francis, Turbin Propeler, Kaplan, dan

Deriaz Head lebih rendah dan aliran lebih tinggi

dibanding dengan turbin impuls.

17

a. Turbin Francis

Lubang masuk (inlet) berbentuk spiral.

Sudu pengarah secara langsung memberi gaya tangensial air ke sudu jalan (runner).

Aliran radial ini beraksi pada sudu runner menyebabkan runner berputar.

Sudu pengarah (guide vanes atau wicket gate) memungkinkan disetel agar operasi turbin efisien pada kondisi kisaran debit air.

18

a.Turbin Francis (lanjutan…) Paling diharapkan untuk lokasi

dengan debit tinggi dengan head rendah hingga sedang.

Efisiensi 90%. Mahal didesain, pembangunan

dan pemasangan tetapi beroperasi hingga puluhan tahun.

19

Potongan Melintang Turbin Francis

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

20

Skema Turbin Francis

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

21

a. Turbin Francis (lanjutan …)

"Water Turbine," Wikipedia.com

Gbr, 11. Turbin Francis di Dam Grand Coulee, perhatikan ukuran manusia dengan Ukuran turbin

22

Turbin Francis– Grand Coulee

23

Turbin Francis Kecil Poros Horisontal

24

25

b.Turbin Baling-baling (Propeller) Runner mempunyai 3 – 6 sudu. Air bersinggungan dengan semua

sudu air dengan tetap. Tekanan air di pipa selalu konstan Sudu propeler – tetap atau dapat

digerakkan / diatur-atur. Rumah turbin berbentuk gulungan

(Scroll case), wicket gates, dan draft tube

Tipe: Kaplan, turbin Bulb, Straflo, turbin Tube,

26

b. Turbin Baling-baling (Propeler) Pitch-Tetap

"Water Turbine," Wikipedia.com

27

c. Turbin Kaplan Jenis khusus dari turbin propeler,

karena sudu pengarah dan sudu runner dapat diatur (controlable pitch propeller)

Saluran masuk (inlet) adalah tabung berbentuk gulungan ( scroll-shaped tube) yang mengelilingi sudu pengarah (wicket gate).

Air diarahkan secara tangensial melewati wicket gate, dan bentuk spiral runner akan menyebabkan putaran propeler.

Saluran buang (outlet) adalah draft tube bentuk khusus yang membantu perlambatan aliran dan merubahnya menjadi energi kinetik.

28

c. Turbin Kaplan - Skema

"Water Turbine," Wikipedia.com

29

c. Turbin Kaplan - Potongan Melintang

"Water Turbine," Wikipedia.com

30

c. Turbin Kaplan- Poros Vertikal

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

31

c. Turbin Kaplan – Poros Horizontal

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

32

c. Turbin Kaplan – Perbaikan (Suspended Power, Sheeler, 1939)

33

34

d. Turbin Bulb Turbin dan generator

adalah satu unit tersegel (kedap air) diletakkan secara langsung di arus air.

35

36

Turbin Jenis Lain Straflo : generator diletakkan langsung di

sekeliling turbin. turbin tabung (tube turbin): pipa pesat

belok tepat sebelum atau setelah sudu jalan (runner), memungkinkan hubungan garis lurus dengan generator

37

38

Dapat Mengenali Jenis turbin ? Yang Mana Turbin Francis ? Dan Turgo ?

39

11.2.2. Klasifikasi Berdasarkan Tinggi Tekan (Head) Head

Air harus jatuh dari elevasi lebih tinggi ke sisi yang lebih rendah guna melepaskan potensi energi tersimpannya.

Perbedaan antara kedua elevasi (beda tinggi air di forebay dan tailbay) dinamakan head

40

Klasifikasi Tinggi Tekan Klasifikasi tinggi tekan bermacam-macam

diantaranya : - Tinggi Tekan (Head) rendah 2-15 m - Tinggi Tekan (Head) sedang 16- 70 m - Tinggi Tekan (Head) tinggi 71 -700 m - Tinggi Tekan sangat tinggi > 500 m

(MM Dandekar, PLTA UI Press 1991)

41

Definisi Head

42

43

Rekomendasi Desain Turbin

Tekanan Head (Head Pressure)

Tinggi (High) Sedang (Medium) Rendah (Low)

Impuls PeltonTurgo

Multi-jet Pelton

CrossflowTurgo

Multi-jet Pelton

Crossflow

Reaksi   FrancisPump-as-Turbine

PropellerKaplan

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

44

Turbine Design Ranges

Kaplan Francis Pelton Turgo

2 < H < 40  10 < H < 350 50 < H < 1300 50 < H < 250

(H = head in meters)

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

45

Aplikasi Kisaran Turbin

Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

46

11.2.3. Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Arah aliran sejajar

poros disebut aksial Arah aliran tegak lurus

poros disebut tangensial

Rah aliran meninggalkan poros disebut arah radial

Arah bersiku dengan poros , arah diagonal

Jenis Turbin Arah Aliran

Francis Radial atau gabungan

Pelton Tangensial

Propeler/Ka-plan

Aksial

Deriaz Diagonal

47

a.Turbin Aliran Gabungan (mixed)

48

b. Turbin Aliran Aksial (Axial Flow)

49

11.2.4. Klasifikasi Berdasarkan Debit Pembagian ini adalah

terminologi kualitatif Terbagi menjdi : -Turbin debit rendah -Turbin debit sedang -Turbin debit tinggi

Jenis Turbin Debit Aliran

Pelton Rendah

Francis Sedang

Propeler/Ka-plan

Tinggi

50

11.2.5. Klasifikasi Berdasarkan Tenaga Tenaga tergantung dengan debit, head

dan efisiensi pembangkit Dari bagan kisaran aplikasi turbin maka

potensi tenaga terbesar berturut-turut : T. Francis > T. Pelton > T. Kaplan

51

Kisaran Aplikasi Turbin

52

11.2.5. Klasifikasi Berdasarkan Kecepatan Spesifik Kecepatan Spesifik Turbin (Ns) adalah

kecepatan pada keadaan dimana mesin menghasilkan daya 1 BHP pada head 1 meter (Kothadaraman, Basic Power Plant Engineering)

Kecepatan Spesifik Turbin (Ns):

Ns = N (P)1/2 / H5/4 , Ns antara 4 s.d 1100 Ns berbanding langsung dengan kecepatan

(N), sehingga Ns makin rendah menunjukkan adalah runner yang makin lambat.

53

Tabel Kecepatan SpesifikPenggerak Kecepatan Spesifik

Lambat Sedang Cepat

PeltonFrancisKaplan

4 –15 16 - 30 31-7060 - 150 151-250 251-400300- 450 451- 700 701-1100

54

11.3 Evolusi Kincir Air ke Turbin Air

1. Kincir air dengan sudu-sudu tercelup air yang mengalir, dipekerjakan di Mesir kuno, Cina, dan Assyria.

2. Kincir air muncul di Yunani di abad 2 SM dan di sepanjang kerajaan Romawi abad 1 SM

3. Kincir air diameter 7 ft di Monte Cassino digunakan oleh orang-orang Roma menumbuk jagung sebanyak 150 kg per jam,

4. Kincir air di Arle menggiling 320 kg jagung per jam

5. Buku hari kiamat (The Doomsday Book) , berdasarkan survei yang diperintah oleh William sang penakluk, menandakan ada 5.624 kincir penumbuk gandum di Inggris di tahun 1086.

55

6. Disamping untuk menumbuk gandum ,

kincir air juga dipakai untuk menggerakkan pompa air dan mengoperasikan mesin

7. Agricola (1494–1555) menunjukkan ilustrasi bagaimana kincir air dapat dipakai memompa air dari tambang dan menghancurkan biji di abad ke 16 M

8. Di tahun 1685 Louis XIV mempunyai 221 piston pompa terpasang di Marly, Perancis, guna memasok 3.200 m3 air sungai Seine per hari ke mata air Istana Versailles .

9. Pompa digerakkan oleh 14 kincir air , masing-masing berdiameter 12 m yang berputar dengan dorongan arus sungai Seine.

56

10.Kincir air yang efisiensinya hanya 30% dipergunakan hingga akhir abad ke 18 M

11.Kincir air ini digantikan di abad 19 dengan alat yang melebihi kincir air dengan efisiensi 70 s.d. 90%.Di tahun 1850, turbin hidraulik mulai menggantikan kincir air.

12.PLTA pertama di Jerman di tahun 1891, menggunakan kincir air dgn generator DC

13.Selanjutnya kincir air tergantikan oleh turbin hidraulik dgn generator AC.

57

11.4. Apa yang Baru Dengan Turbin

Pemakaian Teknologi komputer berdampak penting pada tingkat tampilan desain turbin air dan pada bisnis turbin selama 20 tahun ini.

CAD menghasilkan geometri turbin secara otomatis

CFD untuk analisa aliran FEA untuk analisa

mekanik

58

Teknologi Ramah Terhadap Ikan

59

Ciri-ciri Desain Sudu Aerating Runner

Sudu runner berlobang dengan lubang atau lubang kecil di bagian tepi sudu (lihat gambar) guna membuang udara

60

Keuntungan Potensial Teknologi Turbin Modern Mengurangi kematian ikan yang lewat turbin

hingga < 2 %, dibanding 5 – 10 % turbin terbaik yang ada, dan 30 % atau lebih dari turbin lain

Meningkatkan pemenuhan mutu air standar dgn menjaga level oksigen terlarut air buangan paling sedikit 6 mg/L yang memenuhi mutu air standar.

Teknologi ramah lingkungan turbin membantu membalikkan pandangan tentang penurunan kualitas pembangkitan listrik PLTA, mengurangi emisi CO2 dan emisi gas rumah kaca karena pembakaran bahan bakar fosil

61

62