Landasan Teori PLTA

BAB III Landasan Teori 3.1 Tinjauan Umum A. Definisi Turbin Air Turbin air adalah turbin dengan media kerja air. Secara umum turbin adalah alat mekanik yang terdiri atas poros dan sudu sudu. Sudu tetap atau stasionary blade, tidak ikut berputar bersama poros, dan berfungsi mengarahkan aliran fluida. Sedangkan sudu putar atau rotary blade, mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehingga timbul gaya memutar poros. Air biasanya dianggap sebagai fluida tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan. Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata whirling (putaran) atau vortex (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impulse yang tidak membutuhkan putaran air. Gambar 3.1 Macam Sudu Turbin –dari kiri ke kanan– Turbin Banki/Crossflow; Turbin Francis; Turbin Pelton; Turbin Turgo; Turbin Kaplan 14 B. Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan jenis turbin, maka turbin air diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Berdasarkan Tekanan 4. Berdasarkan Debit 2. Berdasarkan Tinggi Tekan 5. Berdasarkan Kecepatan Spesifik 3. Berdasarkan Arah Aliran 6. Berdasarkan Efisiensi Penjelasan mengenai klasifikasi turbin air adalah sebagai berikut: 1. Berdasarkan Tekanan Turbin impuls atau turbin aksi disebut turbin tak bertekanan karena sudunya beroperasi pada tekanan atmosfer. Banyak turbin jenis impuls yang telah dibuat, namun yang paling banyak ditemukan pada saat sekarang adalah Turbin Pelton dengan bentuk bucket yang terbelah tengah. Posisi poros dapat dibuat tegak (vertical) atau mendatar (horizontal) (Wibowo Paryatmo, 2007). Sedangkan ciri utama turbin jenis rekasi adalah bahwa sebagian tekanan jatuh terjadi pada sudu tetap dan sebagian lagi pada sudu berputar. Persamaan kontinuitas dapat digunakan pada perhitungan aliran melalui sudu berputar, karena seluruh fluida kerja memenuhi seluruh saluran sudu. Karena fluida masuk memenuhi seluruh seksi sudu, maka untuk daya dan putaran sama, diameter nominalnya relative lebih kecil dibandingkan dengan turbin impuls (Wibowo Paryatmo, 2007). 2. Berdasarkan Tinggi Tekan, Arah Aliran, Debit dan Kecepatan Spesifik Kecepatan Jenis Tinggi Arah Debit Turbin Tekan (m) Aliran (m3/s) Kaplan 2 – 50 Aksial 2 – 80 300 – 1700 Francis 10 – 350 Radial 0.2 – 20 60 – 400 Pelton 50 – 1300 Tangensial 0.02 – 7 4 – 70 Spesifik (rpm) Tabel 3.1 Jenis Turbin Berdasarkan Tinggi Tekan, Arah Aliran, Debit dan Kecepatan Spesifik 15 3. Berdasarkan Efisiensi Berdasarkan efisiensinya, masing-masing turbin mempunyai karakteristiknya sendiri, dapat dilihat pada grafik 3.1 berikut ini: Grafik 3.1 Grafik Jenis Turbin berdasarkan efisiensi C. Karakteristik Turbin Karakteristik turbin digunakan untuk mengetahui kinerja turbin. Rumus yang digunakan untuk mengetahui karakteristik turbin Pelton Sub Unit PLTA Ketenger adalah sebagai berikut:     Head Efektif Efisiensi Turbin Daya mekanik � �� = � Kebutuhan Air Spesifik = − � . . .� = � .� . ��� = % .� .� .� 36 16 D. Bagian Utama dan Pendukung Operasional Turbin Pelton Gambar 3.2 Turbin Pelton Unit 2 Sub Unit PLTA Ketenger beserta Generator Merk Type No. Seri Daya Putaran Head Debit Tahun Operasi Charmilles , SA Geneve Pelton Horizontal dengan 2 jarum pancar 1479 5040 [PK] / 366 [MW] 600 [rpm] 267,5 [m] – 272,5 [m] 1600 – 1615 [L/detik] 1939 Tabel 3.2 Spesifikasi Data Pabrik Turbin Pelton Unit 2 1. Casing Turbin Gambar 3.3 Casing Turbin Pelton Unit 2 Sub Unit PLTA Ketenger Casing Turbin memiliki 2 fungsi yaitu mengarahkan pancaran air yang telah lepas dari runner untuk diteruskan ke pipa pelepas dan menutup runner. Casing memiliki bagian penutup & man-hole yang dapat dilepas saat akan ada perbaikan ataupun inspeksi. 17 2. Nozzle Nozzle pada turbin berfungsi untuk memancarkan air dan mengatur debit air ke sudu – sudu dengan mengatur pembukaan jarum nozzle yang digerakkan oleh batang penggerak jarum nozzle. Batang penggerak ini berfungsi meneruskan gerakkan dari servomotor ke jarum nozzle. Untuk turbin ini mempunyai 2 jarum nozzle, maka pengaturan pembukaan jarum nozzle secara serempak dapat dilakukan dengan menggunakan satu buah servomotor yang masing-masing mengggerakkan batang penggerak jarum nozzle. Gambar 3.4 Jarum Nozzle Turbin Pelton 3. Runner/Sudu Gambar 3.5 Sudu Turbin Pelton Sudu – sudu pada turbin berfungsi sebagai alat konversi energi kinetik pancaran air yang keluar dari nozzle menjadi tenaga mekanik berupa daya putar pada poros turbin yang kemudian akan memutar rotor generator. 4. Shaft & Bearing Turbine Gambar 3.6 -Dari kiri ke kanan- Poros Turbin tercouple dengan Poros Generator ; Bantalan (Bearing) dan Fly wheel menopang poros Turbin 18 Poros (Shaft) pada Turbin berfungsi untuk meneruskan daya putar yang diperoleh dari runner ke poros generator melalui coupling. Pemasangan Bantalan (Bearing) pada poros turbin bertujuan untuk menahan gaya-gaya radial dan aksial dari poros turbin. Antara poros dan bantalan terdapat celah/clereance. Celah ini akan terlapisi lapisan minyak pelumas/oil-film pada saat operasi untuk mencegah terjadinya gesekan di kedua bidang permukaan. 5. Generator Gambar 3.7 Generator Unit 2 Sub Unit PLTA Ketenger Pada bagian rotor generator terdapat poros yang di-couple dengan poros turbin, sehingga jika runner turbin berputar maka rotor generator pun ikut berputar. Generator berperan dalam konversi energi mekanik menjadi energi listrik (GGL Induksi). E. Prinsip Kerja Turbin Pelton Aliran air dialirkan dari Kolam Penampung/Kolam Tando ke Rumah Pembangkitan melalui pipa penstock. Pada ujung penstock terdapat butterfly valve sebagai katup masuknya aliran air ke dalam turbin. Aliran air selanjutnya akan memutar sudu – sudu turbin. Setelah memutar sud – sudu turbin, aliran air ini akan keluar melalui draft tube hingga akhirnya menuju tail race. Daya putar turbin ini tergantung dari besarnya laju aliran air dan ketinggian air, dengan menggunakan rumus mekanika fluida, daya putar air ke dalam turbin dapat ditentukan dengan rumus : Dimana: = � .� .� . [ ���] = Daya air untuk memutar turbin [watt] � � � = Berat jenis air [kg/m3] = Besar gravitasi bumi [m/detik2] = Ketinggian air jatuh = Debit air [m3/detik] 19 Daya keluaran turbin yang berupa putaran digunakan untuk memutar generator, sehingga daya mekanik putaran diubah menjadi daya listrik. Daya keluaran generator dan efisiensi turbin � dengan demikian total daya listrik keluaran dapat ditentukan sebagai berikut : Dimana : � � = Efisiensi turbin dipengaruhi efisiensi generator � = � .� .� . . � . � [ ���] = Efisiensi Generator Dengan mengontrol laju aliran dengan sudu – sudu pengatur, maka dapat diatur pula daya keluaran turbin. Pengontrolan sudu – sudu pengaturan ini dilakukan secara otomatis oleh governor. F. Konstruksi Sub Unit PLTA Ketenger Dalam menunjang proses operasional pembangkitan energi listrik tenaga air, Sub Unit PLTA Ketenger memiliki konstruksi utama, yaitu : 1. Reservoir dan Kolam Tando Fungsi dari reservoir adalah sebagai sumber pasokan kebutuhan air yang nantinya dialirkan masuk ke dalam kolam tando. Sub Unit PLTA Ketenger memanfaatkan mata air yang bersumber dari aliran Sungai Sorobadag, Kali akar 1 – 3 dan Sungai Banjaran. Gambar 3.8 Reservoir Sub Unit PLTA Ketenger –dari kiri ke kanan– Saluran Surobadag; Kali Akar 1; Kali Akar 2; Kali Akar 3 Semua mata air yang bersumber dari aliran sungai ini kemudian di tampung di kolam penampungan / tando. Kolam ini merupakan komponen penting dari suatu pusat pembangkitan tenaga air dimana berfungsi untuk menyimpan air untuk menggerakkan turbin air. Sub Unit PLTA Ketenger memiliki 2 Kolam Tando untuk 20 mensuplai kebutuhan air, yaitu Kolam Tando Harian Muntu dan Kolam Tando Harian 4. Berbeda dengan Kolam Tando Harian Muntu yang memanfaatkan aliran sungai, Kolam Tando Harian 4 memfungsikan aliran air buangan dari unit 1 – 3 untuk ditampung dan digunakan untuk kebutuhan operasional Unit 4. Gambar 3.9 Kolam Tando Harian Muntu dan Dam Jepang 2. Bendungan / Dam Berfungsi untuk menaikkan permukaan air sungai untuk menciptakan tinggi jatuh air. Selain sebagai penyimpan air, pembangunan bendungan ditujukan pula sebagai penyimpan energi potensial air karena adanya perbedaan ketinggian permukaan air sungai. Dam Jepang digunakan Sub Unit PLTA Ketenger sebagai pensuplai air untuk menggerakkan Turbin Unit 3 3. Penstock / Pipa Pesat Sumber air yang berasala dari Kolam Tando dan Bendungan dialirkan ke Power House dengan menggunakan penstock. Penstock secara mekanis mengubah tenaga potensial menjadi energi kinetik karena kecepatan alirannya. Gambar 3.10 Pipa Pesat 21 4. Surge Tank Pada suatu instalasi pembangkit listrik tenaga air harus mempehitungkan kemungkinan bahaya yang timbul pada saluran pipa, misalnya terjadinya water hammer akibat penutupan katup secara cepat. Water hammer ini dapat menimbulkan peningkatan tekanan pada pipa pesat, sehingga dapat menyebabkan pecahnya pipa pesat apabila tekanan dalam pipa pesat melebihi batas kemampuan pipa pesat. Surge tank memiliki fungsi utama untuk mengurangi terjadinya water hammer akibat perubahan beban, menampung air saat beban mendadak turun. Gambar 3.10 Surge Tank 5. Power House Seperti namanya Power House merupakan suatu konstruksi berupa rumah pembangkitan yang didalamnya terdapat utilitas penunjang proses operasional, seperti Turbin, Generator, Transformator dan Main Control Panel. Power house Sub Unit PLTA Ketenger berjumlah dua, satu diantaranya memuat Unit kerja 1 – 3 dan satu lainya memuat Unit Kerja 4. Gambar 3.11 Power House Unit 1 – 3 dan Power House Unit 4 22