per en canaan plt mh

5/27/2018 Per en Canaan Plt Mh

1/46

55

SKRIPSI

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

BAB II

DASAR TEORI

1. Pengertian PLTA Skala PikoBerdasarkan output yang dihasilkan, pembangkit listrik tenaga air dibedakan

atas :

1. Large-hydro : lebih dari 100 MW

2. Medium-hydro: antara 15100 MW

3. Small-hydro : antara 115 MW

4. Mini-hydro : Daya diatas 100 kW, tetapi dibawah 1 MW

5. Micro-hydro : antara 5 kW100 kW

6. Pico-hydro : daya yang dikluarkan kurang dari atau sama dengan 5 kW


2/46

Pembangkit listrik tenaga air skala piko merupakan pembangkit

listrik yang menghasilkan keluaran daya listrik tidak lebih dari 5 kW.

Pembangkit ini memiliki beberapa keunggulan, diantaranya :

1. Biaya pembuatannya relatif murah.

2. Bahan-bahan pembuatannya mudah ditemukan di pasaran.

3. Ramah lingkungan karena tidak menggunakan bahan bakar fosil.

4. Pembangunannya dapat dipadukan dengan pembangunan jaringan irigasi.

5. Perkembangan teknologinya relatif masih sedikit, sehingga cocok digunakan dalamjangka waktu yang lama.

6. Tidak membutuhkan perawatan yang rumit dan dapat digunakan cukup lama.7. Ukurannya yang kecil, cocok digunakan untuk daerah pedesaan yang belum

terjangkau jaringan aliran listrik PLN.

2.2 Prinsip Pembangkitan Tenaga Air

Pembangkitan tenaga air adalah suatu bentuk perubahan energi dari energi air

dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi energi listrik, dengan menggunakan turbin

air dan generator.


3/46

Gambar 2.1. Perubahan energi pada instalasi turbin air

Air yang mengalir melalui saluran mempunyai energi dan energi tersebut dapat

diubah bentuknya (gambar 2.1), adapun perubahan bentuk energinya oleh Bernoulli

dirumuskan sebagai berikut :

W=m.g.z+mp+mc22(Nm) (2.1)

Jadi selama mengalir, energi potensial bisa berubah bentuk menjadi bentuk lainya yaitu

energi potensial, energi tekanan, dan energi kecepatan.

Apabila ruas kanan dan kiri dibagi dengan mg, maka persamaan diatas menjadi

persamaan tinggi jatuh atau head ;

H=z+p.g+c22g= konstan (2.2)

dimana :

H = tinggi jatuh air atau head total (m)

Z = tinggi tempat atau head potensial (m)


4/46

p.g= tinggi tekan atau head tekan (m)

c22g= tinggi kecepatan atau head kecepatan (m)

Pada tiap saat dan posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa akan

mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan, dan kecepatan yang sama

besarnya. Persamanan bernoulli umumnya ditulis dalam bentuk persamaan :

z1+p1.g+c122g= z2+p2.g+c222g(2.3)

Aliran air akan mempunyai kecepatan dan tekanan tertentu, perubahan energi

terjadi karena terjadi perubahan penampang. Karena luas penampang menjadi kecil,

kecepatan aliran airnya naik, sedangkan tekanannya menjadi turun.

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya

head dan debit air. Head adalah beda ketinggian antara muka air pada tempat

penampungan atas dengan poros turbin air. Ada beberapa kategori head tersedia yang

diklasifikasikan sebagai berikut (gambar 2.2) :

Head tinggi (lebih dari 240 m) Head sedang (30 m240 m) Head rendah (kurang dari 30 m)


5/46

Gambar 2.2 Tingkat head sumber air

Total energi yang tersedia dari tempat penampungan atas adalah merupakan

energi potensial air yaitu :

E = m.g.h(2.4)

dengan

m = Massa air (kg)

h = Head turbin(m)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

Daya merupakan energi tiap satuan waktu (E/t) dan mensubstitusikan Q terhadap

(m/t) maka :

P = .Q.h.g (2.5)

Dimana :


6/46

P = daya keluaran secara teoritis (watt)

= massa jenis fluida (kg/m3)

Q = debit air (m3/s)

h = ketinggian efektif (m)

g = gaya gravitasi (m/s2)

Daya yang keluar dari generator dapat diperoleh dari perkalian efisiensi turbin dan

generator dengan daya yang keluar secara teoritis. Sebagaimana dapat dipahami dari

rumus tersebut di atas, daya yang dihasilkan adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit

air. Oleh karena itu, berhasilnya pembangkitan tenaga air tergantung daripada usaha

untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis.

Selain memanfaatkan air jatuh, hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar.

Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik yaitu :

E = mv2(2.6)

v= kecepatan aliran masuk pipa (m/s)

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :

P = Qv2

(2.7)

atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Q =Av maka :

P = Av3(2.8)

dengan :

A = luas penampang pipa (m2)


7/46

2.3 Prinsip Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Piko

Pembangkit listrik tenaga air skala piko pada prinsipnya memanfaatkan beda

ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai,

air terjun atau penampungan. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga

menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik ini yang selanjutnya menggerakkan

generator dan karena terjadi putaran generator maka akan menghasilkan arus listrik.yang

mana arus listrik ini nantinya diharapkan bias juga menjadi penerangan ataupun yang

lainya.

Gambar 2.3 Proses PLTA skala piko

Pada saluran irigasi ini terdapat penyaringan sampah untuk menyaring kotoran

yang mengembang di atas air, kolam pengendap untuk mengendapkan kotoran, saluran

pembuangan untuk membuang kelebihan air yang mengalir melalui saluran akibat banjir

melalui pintu saluran pembuangan. Akhir dari saluran ini adalah sebuah kolam penenang

(forebay tank) yang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar

kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu kolam penenang ini berfungsi juga

untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa pesat. Pipa pesat


8/46

(penstock) ini akan mengalirkan air ke rumah pembangkit (power house) yang terdapat

turbin dan generator di dalamnya. Besar volume air yang masuk ke pipa pesat diatur

melalui pintu pengatur.

Turbin pada proses pembangkitan listrik ini berputar karena adanya pengaruh

energi potensial air yang mengalir dari pipa pesat dan mengenai sudu-sudu turbin.

Berputarnya turbin kemudian akan mengakibatkan generator juga berputar sehingga

generator dapat menghasilkan listrik sebagai keluarannya.

Besarnya daya sebelum masuk ke turbin secara matematis dapat dituliskan

sebagai berikut:

Pin turbin = .Q.h.g (2.9)

Sedangkan besar daya output turbin adalah sebagai berikut :

Pout turbin= x Q x h x g x turbin(2.10)

Sehingga secara matematis daya real yang dihasilkan dari pembangkit adalah

sebagai berikut :

Preal = x Q x h x g x turbinx generator x tm (2.11)

Dimana :

Pin turbin = daya masukan ke turbin (kW)

Pout turbin= daya keluaran dari turbin (kW)

Preal= daya sebenarnya yang dihasilkan (kW)

= massa jenis fluida (kg/m3)


h = ketinggian efektif (m)

g = gaya grafitasi (m/s2)

massa aliran dapat dihitung dengan persamaan :

m=Q.dimana = laju aliran massa (kg/dtk)


9/46

Perhitungan daya persamaan diatas bisa diubah menjadi

P=.g.H.Tatau

P=.Y.T

Y = kerja spesifik (J/kg)

Y = g . H (2.12)

dari perumusan terlihat bahwa daya turbin sangat tergantung dari besar kapasitas

aliran air dan tinggi jatuh air.

Secara sederhana bisa dinyatakan bahwa semakin tinggi jatuh air, dengan

kapasitas aliran sama, akan mempuyai energi potensial yang lebih besar dibandingkan

dengan tinggi jatuh air yang lebih rendah. Logika tersebut juga berlaku sebaliknya, yaitu

untuk tinggi jatuh air yang sama, energi potensial yang dimiliki akan lebih besar apabila

kapasitas aliran air juga besar.

Untuk menentukan luas penampang saluran aliran air masuk turbin dapat

dihitung dengan persamaan kontinuitas yaitu :

Q=A .v sehingga A=Qv(2.13)

Dimana :

A = luasan penampang saluran (m2)

v = kecepatan aliran air (m/s)

Kecepatan aliran air akan semakin besar pada penampang yang semakin kecil, pada kapasitas

aliran air yang sama.

2.4 Komponen-komponen PLTA Skala Piko


10/46

Komponen PLTA skala piko sama dengan komponen pada PLTA mikohidro,

yang secara umum terdiri dari :

1. BANGUNAN SIPIL1. Bendung

Bendung adalah bangunan yang berfungsi untuk menaikkan elevasi muka air

di sungai sehingga air dapat mengalir ke arah intake untuk selanjutnya dialirkan

ke arah saluran pembawa khususnya pada musim kemarau. Bendung dilengkapi

dengan pintu air penguras yang berfungsi mengendalikan jumlah air yang masuk

ke dalam intake sekaligus sebagai pintu penguras untuk menggelontor endapan-

endapan lumpur (sedimen) yang cepat atau lambat akan berkumpul di hulu

bendung. Pada musim hujan khususnya pada kondisi banjir bendungan dilengkapi

pelimpas (spill way) untuk membuang kelebihan air yan masuk pada saluran

pembawa dan pintu bending harus dalam keadaan terbuka agar tekanan air yang

menimpa badan bendung dapat dikurangi.

2. IntakeIntake adalah bangunan di sisi kiri atau kanan bendung yang berfungsi untuk

mengalirkan air ke saluran pembawa, sesuai dengan debit yang telah

direncanakan. Intake dirancang agar selalu mampu mengalirkan air sesuai dengan

debit perencanaan pada kondisi debit sungai yang bagaimanapun. Pada intake

dilengkapi saringan kasar untuk mencegah sampah dan kayu-kayu yang masuk ke

dalam saluran pembawa.

3. Saluran Pembawa (Head Race)Saluran yang berfungsi untuk mengalirkan air dari intake ke bak penenang

sehingga pada bak penenang selalu akan diperoleh supply air sesuai dengan debit


11/46

yang telah direncanakan. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada

kriteria :

Nilai ekonomis yang tinggi Efisiensi tinggi Aman terhadap tinjauan teknis Mudah pengerjaannya Mudah pemeliharaannya Struktur bangunan yang memadai Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil.4. Bak Penenang (Fore Bay tank)

Bak penenang berfungsi untuk menampung air sekaligus mengendalikan

kecepatan air yang masuk dari saluran pembawa sehingga tidak terjadi turbulensi

pada saat air masuk ke dalam pipa pesat (penstock), untuk dapat membangkitkan

daya yang optimal. Pada bak penenang dilengkapi dengan saringan (trash rack),

bak pengendap dimaksudkan agar air yang masuk ke dalam turbin bebas dari

benda-benda keras yang dapat merusak runner turbin, sedangkan saluran pelimpah

(spill way) berfungsi untuk membuang kelebihan air terutama pada musim hujan.

5. Pipa Pesat (Penstock)Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang berfungsi untuk mengalirkan air dari

bak penenang (forebay tank). Perencanaan pipa pesat mencakup pemilihan

material, diameter penstock, tebal dan jenis sambungan (coordination point).

Pemilihan material berdasarkan pertimbangan kondisi operasi, aksesibility, berat,

system penyambungan dan biaya. Diameter pipa pesat dipilih dengan

pertimbangan keamanan, kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material dan

tingkat rugi-rugi (friction losses) seminimal mungkin. Ketebalan penstock dipilih

untuk menahan tekanan hidrolik dan surge pressure yang dapat terjadi.


12/46

6. Pintu PengaturPintu pengatur berfungsi untuk mengatur volume air yang akan masuk dari

kolam penenang ke pipa pesat.

7. Rumah Pembangkit (Power House)Pada rumah pembangkit ini terdapat turbin, generator dan peralatan lainnya.

Bangunan ini menyerupai rumah dan diberi atap untuk melindungi peralatan dari

hujan dan gangguan-gangguan lainnya. Di bawah rumah pembangkit terdapat

saluran buang (tail race) yang berfungsi untuk mengalirkan kembali air ke saluran

setelah melalui turbin.

2. PERALATAN MEKANIKAL1. Turbin Air

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk

pembangkit tenaga listrik. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi

energi mekanis. Energi mekanis dirubah dengan generator listrik menjadi tenaga

listrik.

Pengelompokkan Turbin

Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air

menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin

impuls dan turbin reaksi.


13/46

Tabel 2.1 menunjukkan pengelompokan turbin.

High Head Medium Head Low Head

Turbin Impuls Pelton

Turgo

Crossflow

Multi-Jet

Pelton

Turgo

Crossflow

Turbin Reaksi Francis Propeller

Kaplan

1. Turbin ImpulsEnergi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle.

Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu

turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah

sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda

turbin akan berputar. Turbin impuls adalah sama dengan turbin tekanan

karena aliran air yang keluar dari nozle tekanannya adalah sama

dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dantekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi

kecepatan.

1. Turbin PeltonTurbin Pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton

terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaranair yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang


14/46

disebut nozle. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis

turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin

yang cocok digunakan untuk head tinggi. Bentuk sudu

turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk

sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-

tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke

kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan

baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping

sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi

mekanis. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar

membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk

skala mikro head 30 meter sudah mencukupi. Gambar 2.4

merupakan bentuk dari turbin pelton.

Gambar 2.4 Turbin Pelton

2. Turbin Turgo


15/46

Turbin turgo dapat beroperasi pada head 30 m s/d 300 m.

Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi

sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada

sudut 20o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin

pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke

generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus

menurunkan biaya perawatan. Pada Gambar 2.5 menunjukkan

bentuk turbin turgo.

Gambar 2.5 Turbin Turgo

3. Turbin CrossflowTurbin Crossflow merupakan jenis turbin yang dikembangkan

oleh Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan

Fritz Ossberger (Jerman). Michell memperoleh hak paten atas

desainnya pada 1903. Turbin jenis ini pertama-tama diproduksi


16/46

oleh perusahaan Weymouth. Turbin ini juga sering disebut sebagai

turbin Ossberger, yang memperoleh hak paten pertama pada 1922.

Perusahaan Ossberger tersebut sampai sekarang masih bertahan

dan merupakan produsen turbin crossflow yang terkemuka di

dunia. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s

hingga 10 m3/s dan head antara 1 m s/d 200 m. Turbin crossflow

menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan

lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu

sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis.

Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya

(lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan

turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang

pada sepasang piringan paralel. Gambar 2.6 merupakan bentuk

turbin crossflow.

Gambar 2.6 Turbin crossflow


17/46

Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan

dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro

hidro 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 Cross-Flow lebih kecil dan

lebih kompak dibanding kincir air. Diameter kincir air yakni roda

jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter

Turbin Cross-Flow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan-

bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa

lebih murah.

Dari kesederhanaannya jika dibandingkan dengan jenis turbin

lain, maka Turbin Cross-Flow yang paling sederhana. Sudu-sudu

Turbin Pelton misalnya, bentuknya sangat pelik sehigga

pembuatannya harus dituang. Demikian juga runner Turbin

Francis, Kaplan dan Propeller pembuatannya harus melalui proses

pengecoran/tuang. Tetapi runner Turbin Cross Flow dapat dibuat

dari material baja sedang (mild steel) seperti ST.37, dibentuk

dingin kemudian dirakit dengan konstruksi las. Demikian juga

komponen-komponen lainnya dari turbin ini semuanya dapat

dibuat di bengkel-bengkel umum dengan peralatan pokok mesin

las listrik, mesin bor, mesin gerinda meja, bubut dan peralatan

kerja bangku, itu sudah cukup.

Dari kesederhanaannya itulah maka Turbin Cross-Flow dapat

dikelompokan sebagai teknologi tepat guna yang

pengembangannya di masyarakat pedesaan memiliki prospek


18/46

cerah karena pengaruh keunggulannya sesuai dengan kemampuan

dan harapan masyarakat.

2. Turbin ReaksiSudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang

menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.

Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner

(bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja

berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner

turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah

turbin.

1. Turbin FrancisTurbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin

dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan

air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis

menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air

masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin Francis dapat

merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah

yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai

kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur

merupakan pilihan yang tepat. Gambar 2.7 menunjukkan sketsa

dari turbin francais.


19/46

Gambar 2.7 Sketsa turbin francis

2. Turbin Kaplan & PropellerTurbin kaplan dan propeller merupakan turbin reaksi aliran

aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.

Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.

Gambar 2.8 merupakan bentuk dari turbin Kaplan.

Gambar 2.8 Turbin Kaplan


20/46

Pemilihan Turbin

Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relative spesifik. Pada beberapa

daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan

jenis turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan

yang lebih mendalam. Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin menurut

Keller dikelompokkan menjadi :

Low head power plant Medium head power plant High head power plant

Tabel 2.2 merupakan daerah operasi turbin.

Jenis Turbin Variasi Head

(m)

Kaplan dan Propeller 2


21/46

Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan

kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat

spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan

mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem

operasi turbin, yaitu :

Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untukoperasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin,

sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin

propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.

Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. Kecepatan (putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai contoh

untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah,

sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara

turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan

menyebabkan sistem tidak beroperasi.

Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai "kecepatan spesifik,

Ns", yang didefinisikan dengan formula :

Ns=N . 6H5/4(rpm) (2.14)

Dimana :

Ns = kecepatan spesifik


22/46

N = kecepatan putaran turbin (rpm)

P = maksimum turbin output (kW)

H = head efektif (m)

Output turbin dihitung dengan formula :

P=9.81 x x Q x H x turbin(2.15)

Dimana :

P = daya turbin (kW)


H = efektif head (m)

turbin= efisiensi turbin

= 0.8 - 0.85 untuk turbin pelton

= 0.8 - 0.9 untuk turbin francis

= 0.7 - 0.8 untuk turbin crossflow

= 0.8 - 0.9 untuk turbin propeller/Kaplan

Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu

berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air

ditunjukkan pada Tabel dibawah ini:


23/46

Tabel 2.3 Kecepatan spesifik beberapa turbin

Turbin Pelton 12 Ns 25

Turbin Francis 60 Ns 300

Turbin Crossflow 40 Ns 200

Turbin Propeller 250 Ns 1000

Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin maka perencanaan dan

pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah. Dengan mengetahui besaran

kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).

Pada Gambar 2.9 menunjukkan diagram aplikasai berbagai jenis turbin.


24/46

Gambar 2.9 Diagram aplikasi berbagai jenis turbin (head vs debit)

Effisiensi Turbin Air

Effisiensi turbin air dapat dibedakan menjadi dua macam :

1. Hydraulic Effisiensi2. Mechanical Effisiensi

Hydraulic Effisiensi

Hydraulic Effisiensi adalah perbandingan antara head

sesungguhnya dengan head teoritis. Head sesungguhnya ternyata lebih

kecil daripada head teoritis. Hal ini disebabkan karena adanya losses

dalam aliran air selama melewati turbin, misalnya : karena bergesekan

selama melewati saluran, karena adanya variasi penampang aliran dan

sebagainya.

Dalam bentuk rumus umum dapat dinyatakan :

h=HhH(2.16)

dimana :

h = hydraulic effisiensi

Hh = hydraulic head (actual head)


25/46

H = head teoritis

Mechanical Effisiensi

Mechanical Effisiensi adalah perbandingan antara daya effective

output dengan daya hydraulic yang dihasilkan secara teoritis. Daya

effective output lebih kecil daripada daya hydraulic output karena

adanya kerugian akibat gesekan antara sudu dengan air di

sekelilingnya, akibat adanya gesekan antara poros dan bantalan turbin.

Mechanical Effisiensi dapat dinyatakan dengan rumus sebagai

berikut :

m=NefNh(2.17)

dimana :

m = mechanical effisiensi

Nef = daya effective turbin (HP)

Nh = daya hydraulic (HP)


26/46

2. Transmisi MekanikTransmisi mekanik terdiri : pulley turbin, flat belt, plummer block,

flexible couplings dan pulley generator. Pulley dikuncikan pada poros dengan

keyway (spi). Pulley berefungsi untuk menaikkan putaran (speed reducer)

sehingga putaran generator sesuai dengan putaran daerah kerjanya. Belt

berfungsi untuk mentransmisikan daya poros turbin ke poros generator. Belt

harus cukup tegang sesuai dengan jenis dan ukurannya. Belt dikencangkan oleh

baut penarik pada chasis generator. Belt yang kendor akan menyebabkan slip,

sementara belt yang terlalu kencang akan cepat merusakkan bearing turbin atau

bearing plummer block.

3. PERALATAN ELEKTRIKALPeralatan Elektrikal meliputi Generator Sinkrun dan Jaringan Distribusi.

1. Generator SinkrunGenerator sinkrun merupakan mesin listrik arus bolak-balik yang berfungsi

untuk merubah energi mekanik dalam membentuk putaran menjadi energi listrik

arus bolak-balik. Generator sinkron mempunyai dua bagian pokok, yaitu bagian

stator atau bagian dari generator sinkron yang tidak bergerak dan bagian rotor

atau bagian generator sinkron yang berputar atau bergerak. Pada generator

sinkron yang berukuran besar, bagian stator dipergunakan sebagai tempat belitan

medan magnet.

Prinsip dasar Generator Sinkrun

Generator sinkron bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetik.

Generator sinkron mempunyai belitan jangkar yang merupakan elemen


27/46

diam pada stator dan belitan eksitesi itu dimagnetisasikan oleh arus searah

yang dipasok oleh sumber arus searah dari luar atau dari generator itu

sendiri dengan jalan mengambil sebagian arus yang keluar dari stator lalu

diserahkan sebagai penguat.

Jika stator generator sinkron diputar pada suatu kecepatan tertentu

yang disebut dengan putaran sinkron, belitan medan magnet pada rotor

tersebut dialiri arus searah, sehingga menghasilkan fluksi yang turut

berputar dan memotong belitan jangkar yang terdapat pada bagian stator.

Akibat adanya perubahan fluksi persatuan waktu yang dirasakan oleh

belitan jangkar, maka pada belitan jangkar akan terjadi tegangan induksi.

Konstruksi Generator Sinkrun

Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan

konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin sinkron.

Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar

kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC

(membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi) dan sebuah

kumparan (biasa disebut jangkar) tempat dibangkitnya GGL arus bolak

balik arus bola-balik.

Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator

yang diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan

DC pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar

melaui slipring dan sikat arang.

Suatu generator sinkron secara umum terdiri dari :


28/46

1. Stator adalah bagian dari mesin yang diam dan berbentuk silinder2. Rotor adalah bagian dari mesin yang berputar juga berbentuk silinder3. Celah udara adalah ruangan antara stator dan rotor

1. StatorSecara umum stator terdiri dari kerangka stator, inti stator

dan slot.

a. Rangka StatorRangka stator berfungsi sebagai tempat melekatnya

stamping jangkar dan kumparan jangkar. Pada rangka stator

terdapat lubang pendingin dimana udara dan gas pendingin

disirkulasikan. Rangka stator biasanya dibuat dari besi

campuran baja atau plat baja giling yang dibentuk sedemikian

rupa sehingga diperoleh rangka yang sesuai dengan kebutuhan.

b. Inti StatorInti stator melekat pada rangka stator dimana inti ini

terbuat dari laminasi-laminasi besi khusus atau campuran baja.

Hal ini diperbuat untuk memperkecil rugi arus Eddy. Tiap

laminasi diberi isolasi dan diantaranya dibentuk celah sebagai

tempat aliran udara.

c. Slot


29/46

Slot adalah tempat konduktor berada yang letaknya pada

bagian dalam sepanjang keliling stator. Bentuk slot ada 3 yaitu

Slot Terbuka, Slot Setengah Terbuka, Slot Tertutup.

2. RotorSebagai tempat belitan penguat yang membentuk

kemagnetan listrik kutub Utara-Selatan pada inti rotor. Ada 2

macam bentuk rotor, yaitu :

a. Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor)Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak.

Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub

diberi laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh

arus Eddy, kumparan-kumparan medannya terdiri dari bilah

tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan rotor

berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek.

Gambar 2.10 menunjukkan bentuk rotor kutub menonjol.

Gambar 2.10 Rotor kutub menonjol


30/46

b. Rotor kutub tak menonjol (Rotor Silinder)Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang

mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena

adanya slot-slot dan juga kumparan medan yang terletak pada

rotor maka jumlah kutub pun sedikit yang dapat dibuat.

Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya

sangat panjang. Konstruksi ini memberikan keseimbangan

mekanis yang lebih baik karena rugi-rugi anginnya lebih kecil

dibandingkan rotor kutub menonjol (salient pole rotor).

Gambar 2.11 merupakan bentuk rotor kutub silinder.

Gambar 2.11 Rotor kutub silinder

Prinsip Kerja Generator Sinkrun

Prinsip kerja generator sinkron berdasarkan induksi elektromagnetik.

Setelah rotor diputar oleh penggerak mula (prime mover), dengan demikian

kutub-kutub yang ada pada rotor akan berputar. Jika kumparan kutub diberi

arus searah maka pada permukaan kutub akan timbul medan magnet (garis-


31/46

garis gaya fluks) yang berputar, kecepatannya sama dengan putaran kutub.

Generator sinkron berdasarkan induksi elektromagnetik. Setelah rotor

diputar oleh penggerak mula (prime mover), dengan demikian kutub-kutub

yang ada pada rotor akan berputar. Jika kumparan kutub diberi arus searah

maka pada permukaan kutub akan timbul medan magnet (garis-garis gaya

fluks) yang berputar, kecepatannya sama dengan putaran kutub.

Garis-garis gaya fluks yang berputar tersebut akan memotong

kumparan jangkar distator, sehingga menimbulkanEMF atau GGL atau

tegangan induksi, yang besarnya :

E=-Nddt(2.18)

Kecepatan Putaran Generator Sinkrun

Kecepatan putaran suatu generator sinkron tergantung kepada

penggerak mulanya, Seperti pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA),

penggerak mulanya berupa turbin. Jadi apabila putaran turbinnya tinggi,

maka putaran pada generator juga akan tinggi. Dan jika sebaliknya, jika

putaran turbin rendah maka putaran pada generator juga akan rendah.

Putaran pada generator selalu dijaga konstan agar frekuensi dan tegangan

yang dihasilkan generator sinkron tetap konstan. Untuk menentukan

besarnya frekuensi yang dihasilkan oleh generator dapat dicari berdasarkan

besarnya jumlah putaran dan banyaknya jumlah pasang kutub pada

generator sinkron, sehingga diperoleh hubungan :

F=P.n120 (2.19)

Dimana :


32/46

F = frekuensi listrik (Hz)

P = jumlah kutub pada rotor

n = kecepatan putaran rotor (rpm)

Umumnya frekuensi listrik yang dihasilkan suatu generator sinkron di

Indonesia 50 Hz. Ini berarti untuk generator sinkron yang mempuyai satu

pasang kutub diperlukan sebanyak 25 putaran setiap detik atau sama

dengan 60 x 25 = 1500 putaran per menit.

Untuk menjaga frekuensi yang dihasilkan generator sinkron sebesar

50 Hz dan untuk generator sinkron yang mempunyai jumlah kutub pada

rotornya lebih dari satu pasang maka jumlah putarannya ini disesuaikan

dengan persamaan di atas.

Kecepatan putaran juga sangat berpengaruh terhadap tegangan yang

dihasilkan generator sinkron. Jika putarannya turun, maka tegangan

generator sinkron juga akan turun dan apabila putarannya bertambah maka

akan mengakibatkan bertambahnya tegangan yang dihasilkan oleh

generator. Jadi jika putaran generator sinkron bertambah maka akan

mengakibatkan bertambahnya kemampuan pembangkitan daya dari

generator sinkron. Tetapi biasanya dalam pengoperasiannya jumlah putaran

generator sinkron dijaga konstan dan yang diatur biasanya adalah arus

penguat medannya.

Daya yang dihasilkan Generator Sinkrun

Generator untuk pembangkit listrik tenaga air skala piko

menggunakan generator sinkron 1 phasa. Generator ini memiliki kecepatan


33/46

rata-rata antara 701500 rpm. Daya yang dihasilkan oleh generator 1

phasa dihitung dengan persamaan :

P=V.I.cos (2.20)

Dimana :

P = daya yang dihasilkan generator (watt)

V = tegangan terminal generator (volt)

I = arus (ampere)

cos = faktor daya

2. Jaringan Distribusi

Jaringan distribusi terdiri dari kawat penghantar, tiang, isolator dan

transformator. Jaringan tersebut dapat menggunakan kawat penghantar berbahan

aluminium atau bahan campuran lain. Pada jaringan distribusi tegangan rendah

biasanya digunakan kawat penghantar berisolasi. Tiang pada saluran distribusi

dapat berupa tiang baja, beton atau kayu. Isolator digunakan untuk memisahkan

bagian-bagian yang aktif atau bertegangan jika penghantar yang digunakan

merupakan konduktor tanpa isolasi.

a. Penghantar


34/46

Jaringan distribusi dapat menggunakan kawat penghantar jenis ACSR

(Aluminium Conductor Steel Reinforced), tembaga atau bahan campuran

antara aluminium dan tembaga. Ukuran kawat penghantar dipilih berdasarkan

faktor ekonomi, arus beban dan jatuh tegangan yang dapat ditimbulkan serta

faktor keamanan pendistribusian daya listrik. Rugi-rugi daya dalam saluran

satu phasa dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini :

Ploss=I2 x L x ((RP/km)+(RN/km)) (2.21)

Dimana :

Ploss = Daya rugi dalam saluran (watt)

I = Arus beban (ampere)

L = Panjang penghantar (km)

RP/km = Tahanan kabel phasa per km (/km)

RN/km = Tahanan kabel netral per km (/km)

Efisiensi saluran dihitung dengan persamaan di bawah ini :

=PoutPin x 100%(2.22)

Dimana :

= efisiensi saluran

Pout = Daya penerima (watt)

Pin = Daya pengirim (watt)


35/46

Tegangan jatuh pada saluran satu phasa dapat dihitung dengan persamaan

di bawah ini :

Vd = 2 x I x L x (R/km cos + X/km sin )(2.23)

Dimana :

Vd = Tegangan jatuh satu phasa (volt)

I = Arus beban satu phasa (ampere)

L= Panjang penghantar (km)

R/km = Tahanan penghantar per km (/km)

X/km = Reaktans penghantar per km (/km)

Sedangkan besar tegangan ujung penerima dapat dihitung dengan

persamaan di bawah ini :

Vpenerima = VsumberVd (2.24)

Dimana :

Vpenerima = tegangan pada ujung penerima (volt)

Vsumber = tegangan pada sumber (volt)

Vd = tegangan jatuh (volt)

Untuk menghitung persen jatuh tegangan pada saluran dapat digunakan

persamaan berikut ini :


36/46

%Vd=Vrnl-VrflVrfl x 100%(2.25)

b. TiangJenis tiang yang digunakan pada jaringan distribusi antara lain adalah :

Tiang baja Tiang beton Tiang kayu

Diantara ketiga jenis tiang tersebut yang paling sering digunakan adalah

tiang beton karena tidak memerlukan biaya pemeliharaan, sedangkan tiang

kayu dan baja membutuhkan biaya pemeliharaan yang besar seperti

pengecatan ulang.

5. Head LossesPerubahan tekanan dalam aliran fluida terjadi karena adanya perubahan

ketinggian, perubahan kecepatan akibat perubahan penampang dan gesekan fluida. Pada

aliran tanpa gesekan perubahan tekanan dapat dianalisa dengan persamaan Bernoulli yang

memperhitungkan perubahan tekanan ke dalam perubahan ketinggian dan perubahan

kecepatan. Sehingga perhatian utama dalam menganalisa kondisi aliran nyata adalah

pengaruh dari gesekan. Gesekan akan menimbulkan penurunan tekanan atau kehilangan


37/46

tekanan dibandingkan dengan aliran tanpa gesekan. Berdasarkan lokasi timbulnya

kehilangan, secara umum kehilangan tekanan akibat gesekan atau kerugian ini dapat

digolongkan menjadi 2 yaitu: kerugian mayor dan kerugian minor.

Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan aliran fluida pada

system aliran penampang tetap atau konstan. Kerugian mayor ini terjadi pada sebagian

besar penampang sistem aliran makanya dipergunakan istilah mayor. Sedangkan

kerugian minor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi pada katup-katup,

sambungan T, sambungan L dan pada penampang yang tidak konstan. Kerugian minor

meliputi sebagian kecil penampang sistem aliran, sehingga dipergunakan istilah minor.

Kerugian ini untuk selanjutnya akan disebutkan sebagai head loss.

Istilah Head Loss muncul sejak diawalinya percobaan-percobaan hidrolika abad

ke sembilan belas, yang sama dengan energi persatuan berat fluida. Namun perlu diingat

bahwa arti fisik dari head loss adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida.

Sehingga satuan head loss adalah satuan panjang yang setara dengan satu satuan energi

yang dibutuhkan untuk memindahkan satu satuan massa fluida setinggi satu satuan

panjang yang bersesuaian.

Untuk menentukan faktor gesekan (f ) dapat diperoleh dari

diagram moody dengan terlebih dahulu mengetahui bilanganReynold ( Re) dimana:

Re=Vd(2.26)

Dengan :

Re =Reynold number

= Viskositas kinematik, dimana harganya 1.02 x 10-6m2/s untuk tekanan 1

atm pada suhu 200C

V = kecepatan aliran masuk pipa (m/s)


38/46

d = Diameter pipa (m)

Berdasarkan percobaan aliran di dalam pipa, Reynolds menetapkan bahwa untuk

angka Reynolds di bawah 2000, gangguan aliran dapat diredam oleh kekentalan zat cair

maka disebut aliran laminar. Aliran akan menjadi turbulen apabila angka Reynolds lebih

besar dari 4000. Apabila angka Reynolds berada di antara kedua nilai tersebut (2000 < Re

< 4000) disebut aliran transisi. Angka Reynolds pada kedua nilai di atas (Re = 2000 dan

Re = 4000) disebut dengan batas kritis bawah dan atas.

1. Head Loses MayorDengan mempergunakan persamaan keseimbangan energi dan asumsi aliran

berkembang penuh (fully developed) sehingga koefisien energi kinetik 1 = 2 dan

penampang konstan maka :

p1-p2=gz2-z1+hl(2.27)

di mana :

hl: head loss mayor (m/s2)

Jika pipa horisontal, maka z2= z1, maka :

p1-p2= h1atau P/ = h1(2.28)

Jadi head loss mayor dapat dinyatakan sebagai kerugian tekanan aliran fluida

berkembang penuh melalui pipa penampang konstan.


39/46

Untuk aliran laminer , berkembang penuh, pada pipa horisontal, penurunan

tekanan dapat dihitung secara analitis, diperoleh :

p=128LQD4= 128LV(D24)D4=32LDVD(2.29)

dimana :

= kekentalan atau viskositas fluida

sehingga dengan memasukkan konsep angka Reynold maka head loss menjadi :

hlmayor = 32LDVD= LDV22 64VD= 64ReLDV22(2.30)

Untuk aliran turbulen, penurunan tekanan tidak dapat dihitung secara analitis

karena pengaruh turbulensi yang menimbulkan perubahan keacakan sifat fluida.

Perubahan sifat fluida yang acak tersebut belum dapat didekati dengan fungsi

matematis yang ada saat ini. Perhitungan head loss didasarkan pada hasil percobaan

dan analisa dimensi. Penurunan tekanan untuk aliran turbulen adalah fungsi dari

angka Reynold, Re, perbandingan panjang dan diameter pipa, L/D serta kekasaran

relatif pipa, e/D.

Head loss mayor dihitung dari persamaan Darcy-Weisbach :

hlmayor= fLDV22g(2.31)

dimana :

hlmayor= kerugian head karena gesekan (m)

f= Koefisien gesekan

L = Panjang pipa (m)

D = Diameter pipa (m)


40/46

V= kecepatan aliran masuk pipa (m/s)

g = Percepatan grafitasi (m/s2)

Dengan menggunakan hasil percobaan dari L.F. Moody yang memperkenalkan

Diagram Moody, yaitu diagram koefisien gesek fungsi angka Reynold dan

kekasaran relative pipa. Diagram Moody ditampilkan pada Gambar 2.12 berikut.

Gambar. 2.12. Diagram Moody


41/46

Nilai kekasaran relatif pipa merupakan fungsi diameter pipa dan bahan pipa

dapat ditentukan secara empiris dari grafik pada tabel 2.4 dibawah ini.

Pipe Material Equivalent Roughness,

(ft)

HazenWilliams

Coefficient, C

Brass, copper, aluminium 3.3 x 10- 140

PVC, plastic 5 x 10- 150

Cast Iron

New 8.0 x 10- 130

Old - 100

Galvanized iron 5.0 x 10- 120

Asphalted iron 4.0 x 10- -

Wrought iron 1.5 x 10- -

Commercial and welded

steel

1.5 x 10- 120

Riveted steel 60.0 x 10- 110

Concrete 40.0 x 10- 130

Wood stave 20.0 x 10- 120

Tabel 2.4. Nilai kekasaran dinding untuk berbagai pipa komersil

Diagram Moody telah digunakan untuk menyelesaikan permasalahan

aliranfluida di dalam pipa dengan menggunakan faktor gesekan pipa (f) dari rumus

DarcyWeisbach. Untuk dapat menentukan besarnya nilaif dari diagram Moody

harus diketahui besarnya bilangan Reynolds dan perbandingan antara kekasaran

dinding pipa dengan diameter pipa tersebut (D). Nilai kekasaran dinding pipa

diberikan pada Tabel 2. 1. Untuk aliran laminar dimana bilangan Reynold kurang


42/46

dari 2000, faktor gesekan dihubungkan dengan bilangan Reynold, dinyatakan

dengan rumus:

f=64Re(2.32)

Untuk aliran turbulen dimana bilangan Reynold lebih besar dari 4000, maka

hubungan antara bilangan Reynold, faktor gesekan dan kekasaran relative menjadi

lebih kompleks.

Faktor gesekan untuk aliran turbulen dalam pipa didapatkan dari hasil eksperimen,

antara lain:

1. Untuk daerah complete roughness, rough pipesyaitu :1f= -2,0log3.7 d(2.33)

2. Untuk pipa halus, hubungan antara bilangan Reynold dan factor gesekan dirumuskansebagai:

a. Blasius : f=0,3164Re0,25(2.34)untuk Re = 4000


43/46

4. Untuk pipa antara kasar dan halus atau dikenal dengan daerah transisi yaitu:CorelbrookWhite : 1f=-2log(d3.7+ 2.51Ref)(2.37)

2. Head Loses MinorBesarnya kerugian akibat adanya kelengkapan pipa dapat diperoleh dengan

persamaan (Ram S. Gupta,1989) :

hl minor= nKV22g(2.38)

Dimana :

hl minor= kerugian head akibat kelengkapan pipa spanjang jalur pipa isap

n = jumlah kelengkapan pipa

K = koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa

Besarnya nilai koefisien kerugian minor untuk beberapa kelengkapan pipa dapat

dilihat pada Tabel berikut.

Item Loss Coefficient, K

Entrance loss from tank to pipe

Flush connection 0.5

Projecting connection 1.0

Exit loss from pipe to tank 1.0

Sudden contraction ( R Sock)

2 1 0.05

1 0.08


44/46

0.135

d1/d2 = 2 0.37

d1/d2 = 4 0.45

d1/d2 = 10 0.48

Sudden enlargement

d1/d2 = 2 0.54

d1/d2 = 4 0.82

d1/d2 = 10 0.90

Fittings

90 bendscrewed 0.5-0.9

90 bendflanged 0.2-0.3

Tee 1.5-1.8

Gate valve (open) 0.19

Check valve (open) 3.00

Stop Kran (Glove valve open) 7.80

Butterfly valve (open) 0.30

Socket 0.04

Tabel 2. 5 Nilai koefisien kerugian untuk beberapa kelengkapan pipa

Head losses total didapat dari :

hl total= hl mayor+ hl minor(2.39)


45/46

Head efektif (head actual) turbin didapat dari pengurangan Head Statis turbin

terhadap Head losses total,

HT

= H -Hltotal

(2.40)


46/46

Edi Suryanto

02.2008.1.07844

Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya

per en canaan plt mh

Documents