artikel ilmiah

PENGARUH BUKAAN GUIDE VANE TERHADAP UNJUK KERJA

TURBIN CROSS FLOW TIPE C4-20 PADA INSTALASI PLTMH

ANDUNGBIRU Moch. Asief Rosyidin., Djoko Sutikno., Sugiarto

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya

Jl. MT. Haryono 167, Malang 65145, Indonesia

E-mail : [email protected]

ABSTRAK

Turbin cross flow, merupakan salah satu jenis turbin yang sering digunakan untuk PLTMH, dimana selain

mudah proses fabrikasi, untuk perawatan juga termasuk mudah. Untuk karakteristik dari turbin ini sangat

dipengaruhi oleh head dan debit yang tersedia di lapangan, yang bisa berubah sesuai musim yang sedang

terjadi. Maka dari itu perlu dilakukan penelitian tentang hubungan antara head dan debit turbin dengan

mengatur bukaan guide vane sehingga ditemukan karakteristik dari turbin untuk pengoperasian PLTMH. Pada

penelitian ini head divariasikan 13,75 m, 13,55 m, dan 13,35 m sedangkan debit diatur dengan variasi

prosentase bukaan guide vane yaitu 20%, 40%, 60%, 80% dan 100% (terbuka penuh). Metode penelitian yang

digunakan yaitu metode eksperimental nyata (true experimental research) yang secara langsung dikenakan

pada obyek yang akan diteliti. Dari penelitian ini didapatkan bahwa perubahan guide vane pada head yang

berbeda-beda berpengaruh terhadap unjuk kerja dari turbin air cross flow. WHP terbesar 25,0957 kWatt dan

BHP tertinggi 7,7679 kWatt didapatkan pada bukaan guide vane 80%,tinggi head 13,75 m dengan debit yaitu

0,2880 m3/s. Efisiensi terbesar terdapat pada bukaan guide vane 80%, tinggi head 13,55 m dengan debit 0,2759

m3/s yaitu sebesar 31,42 %.

Kata kunci : mikro hidro, turbin air, cross flow, guide vane, unjuk kerja.

PENDAHULUAN

Distribusi energi listrik dari PLN yang

belum mencangkup seluruh wilayah

Indonesia, memaksa penduduk pedesaan

menggunakan generator berbahan bakar

solar atau bensin. Bahan bakar tersebut

tidak ramah lingkungan dan merupakan

sumber energi yang tidak terbarukan

sehingga setiap tahun akan mengalami

kenaikan harga dan semakin sedikit

jumlahnya sehingga nantinya akan habis.

Oleh karena itu, perlu dikembangkan

sumber energi yang terbarukan, serta

ramah lingkungan. Pembangkit Listrik

Tenaga Mikrohidro (PLTMH) merupakan

salah satu solusi yang digunakan untuk

mengatasi masalah ini. PLTMH memiliki

banyak keunggulan selain merupakan

sumber energi yang terbarukan, biaya

pembangkitan energi listrik yang

kompetitif, teknologi pada PLTMH ini

cukup sederhana sehingga dapat dikelola

dan dioperasikan oleh masyarakat

setempat.

Pada PLTMH energi potensial air

diubah menjadi energi mekanik pada

turbin yang selanjutnya ditransmisikan ke

generator pembangkit listrik. Pemilihan

jenis turbin disesuaikan dengan debit air,

head, dan kondisi geografis wilayah

tersebut. Sebagai contoh pada PLTMH di

Desa Andungbiru, Kecamatan Tiris,

Kabupaten Probolinggo ini menggunakan

turbin cross flow tipe C4-20. Turbin ini

digunakan untuk memutar generator yang

nantinya akan menghasilkan energi listrik.

Energi listrik dari PLTMH inilah yang

menjadi sumber energi listrik dibeberapa

dusun yang ada di Desa Andungbiru.

Debit air dipengaruhi oleh musim

yang sedang berjalan. Pada saat musim

penghujan, suplai air ke PLTMH akan

melimpah, sedangkan pada musim

kemarau debit PLTMH menurun.

Perbedaan debit ini akan berpengaruh

terhadap ketinggian air pada bendungan

penampung sehingga mempengaruhi

kinerja dari turbin dan generator yang

nantinya berdampak pada produksi listrik.

Dengan ketinggian muka air pada

bendungan penampung yang berbeda, dan

untuk menghasilkan energi listrik yang

stabil maka perlu dilakukan suatu

penelitian dengan mengatur bukaan guide

vane yang akan diketahui posisi bukaan

guide vane tertentu sehingga dapat kita

mengetahui karakteristik dari turbin air.

PLTMH adalah istilah yang digunakan

untuk instalasi pembangkit listrik yang

mengunakan energi air yang mempunyai

kapasitas daya yang dihasilkan bawah 100

kW. Prinsipnya memanfaatkan beda

ketinggian dan jumlah debit air yang ada

pada aliran air saluran irigasi, sungai atau

air terjun. Aliran air ini akan memutar

poros turbin sehingga menghasilkan energi

mekanik. Energi ini selanjutnya

menggerakkan generator dan

menghasilkan listrik. Beberapa komponen

yang digunakan dalam PLTMH baik

komponen utama maupun bangunan

pendukung lainnya:

A. Bangunan sipil

Bangunan sipil digunakan mulai dari

pemisahan air pada sungai, penyaringan

sampah dan lumpur, sampai pengatur

ketinggian air yang akan masuk pipa

pesat yang akan menghubungkan sampai

ke turbin. Bangunan sipil meliputi

bendung (weir), bangunan penyadap

(intake), saluran pembawa (head

race),bak penenang (fore bay), pipa pesat

(penstock) sampai rumah turbin (power

house).

B. Peralatan Elektrikal

Dimulai dari generator, kontrol panel,

ballast load/main load, sampai dengan

kabel transmisi disebut sebagai peralatan

elektrikal. Terjadi proses perubahan

energi pada generator dari energi

mekanik sampai dengan menjadi energi

listrik yang selanjutnya akan

ditransmisikan kepada konsumen melelui

kabel transmisi.

C. Peralatan Mekanik

Peralatan mekanik berupa turbin air

sampai dengan sistem transmisi yang

menghubungkan turbin dengan generator.

Turbin air digunakan untuk mengubah

energi potensial air menjadi energi

mekanik yang nantinya ditransmisikan

melalui sistem transmisi untuk memutar

generator. Jenis turbin dan sistem

trasmisi yang digunakan adalah turbin air

dengan sistem transmisi menggunakan v-

belt.

Turbin air adalah mesin konversi

energi yang berfungsi untuk

merubah/mengkonversi energi potensial

(head) yang dimiliki oleh air ke bentuk

energi mekanik pada poros turbin.

Sebelum diubah menjadi energi mekanik

pada turbin maka energi potensial perlu

diubah menjadi energi kinetik terlebih

dahulu.

Turbin air dapat diklasifikasikan

dalam beberapa cara namun yang paling

umum adalah berdasarkan perubahan

momentum fluida kerjanya, berdasarkan

klasifikasi ini turbin air dapat dibedakan

menjadi 2 golongan yaitu :

1) Turbin Impuls

Turbin Impuls adalah turbin yang

mana proses aliran fluida kerjanya

(penurunan tekanan) hanya terjadi

pada sudu-sudu tetapnya. Pada sudu-

sudu geraknya tidak terjadi penurunan

tekanan. Pada turbin impuls, seluruh

energi yang tersedia di dalam

alirannya diubah oleh nozzle menjadi

energi kinetik pada tekanan atmosfer

sebelum fluida menyentuh sudu-sudu

bergerak. Contoh tubin impuls

merupaka turbin pleton dan turbin

michael banki.

2) Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin air

yang mana proses ekspansi fluida

kerjanya (penurunan tekanan) terjadi

pada sudu tetap dan sudu geraknya.

Ciri khas dari turbin reaksi adalah

mempunyai sudu-sudu yang bisa

diatur sehingga bisa mengkonversikan

energi air dengan baik. Contoh dari

turbin reksi adalah turbin francis,

turbin kaplan dan turbin propeler.

Turbin Cross flow

Turbin cross flow merupakan

turbin impuls yang berporos horisontal

bekerja dengan cara tekanan air

dikonversikan menjadi energi kinetik

di inlet adaptor. Aliran air yang

menyebabkan berputarnya runner

setelah berbenturan pertama dengan

sudu turbin, kemudian menyilang

(cross flow) mendorong sudu tingkat

kedua.

Gambar 1 Skema konstuksi dan bagan

kecepatan aliran turbin

Sumber : Dietzel., 1996

Bagian-bagian utama dari turbin

cross flow terdiri dari rotor, rumah

turbin, guide vane, pulley, adapter dan

base frame seperti yang terlihat pada

gambar dibawah ini.

Gambar 2 Model Rakitan Turbin Cross-

Flow

Sumber : Haimerl, L.A., 1960

1. Adapter 6. Rangka pondasi

2. Poros guide vane 7. Rumah turbin

3. Guide vane 8. Tutup turbin

4. Nozel 9. Poros runner

5. Runner

Teori dan Persamaan Pada Turbin

Persamaan Kontinuitas

Persamaan dasar berpangkat satu

dari persamaan kontinuitas mempunyai

bentuk

1 = 2

1 .1 = 2.2 ( 2.1 )

Dengan:

A = Luas potongan permukaan dari

aliran ( 2 )

V = Kecepatan rata-rata berturut-turut

pada titik 1 dan 2 ( )

Bilangan Reynold

= .

( 2.2 )

Dengan:

V = Kecepatan Fluida ( )

D = Diameter Pipa (m)

= Viskositas Kinematik (2

)

Kecepatan Teoritis

= 2.. ( 2.3 )

Dengan :

Vt = Kecepatan teoritis fluida ( )

= Percepatan gravitasi ( 2 )

= Head (m)

Besar head losses karena gesekan

1 =

.2

2. ( 2.4 ) ( 2.3 )

Dengan:

f = Koefisien gesekan pipa

L = Panjang pipa (m)

Dp = Diameter Pipa (m)

V = Kecepatan Air ( )

g = Gravitasi Bumi ( 2 )

Besar head losses karena adanya

belokan.

2 = .2

2. ( 2.5 )

Dengan:

k = Koefisien Belokan

V = Kecepatan air ( )

Besar head losses karena adanya

nozzle.

3 = ( 1 1 )

2

2. ( 2.6 )

Dengan:

= Koefisien kecepatan

Water Horse Power (WHP)

= ... ( kW ) ( 2.7 )

Daya Generator

= ... . (kW) (2.8)

Brake Horse Power (BHP)

=

( kW ) ( 2.9 )

Efisiensi Turbin

=

( kW ) ( 2.10 )

Dengan:

= Berat jenis air (

22 )

Q = Debit air ( 3

)

= Effisiensi turbin air ( % )

METODOLOGI PENELITIAN

Metodologi penelitian yang dilakukan

adalah dengan menggunakan metode

eksperimental nyata (true experimental

research).

1. Alat-alat Penelitian 1.1.1 Alat Utama

Turbin cross flow

Generator ADK

Current meter

Panel kontrol

Meteran 1.1.2 Seksi uji Turbin air yang digunakan adalah

jenis cross flow, dengan diameter runner

= 200 mm, dan panjang runner = 300

mm. Bentuk dari seksi uji dapat dilihat

pada gambar dibawah ini:

Gambar 3 Turbin Cross flow

2. Instalasi penelitian

Gambar 4 Instalasi PLTMH Andungbiru

Keterangan :

A. Tempat pengukuran kecepatan air B. Tempat pengaturan bukaan guide

vane turbin

C. Tempat pengukuran kecepatan putar turbin

D. Tempat pengukuran kecepatan putar generator

E. Tempat pengamatan arus dan tegangan listrik

1. Bendung 2. Intake 3. Saluran Pembawa 4. Bak Penenang 5. Pipa Pesat 6. Rumah Pembangkit 7. Turbin Cross Flow C4-20 8. Generator ADK 9. Kontrol Kelistrikan 10. Rumah Penduduk 11. Ballas Load 12. Saluran Irigasi

HASIL DAN PEMBAHASAN

1. Grafik Hubungan antara Bukaan Guide Vane terhadap

Daya Air (WHP)

Gambar 5 Grafik Hubungan antara

Bukaan Guide Vane terhadap Daya Air

(WHP)

Dari gambar 5 dapat dilihat bahwa

pada bukaan guide vane yang sama,

grafik head sistem yang tinggi memiliki

WHP yang besar dari pada grafik head

sistem yang rendah. Hal ini dikarenakan

WHP berbanding lurus dengan head

turbin (H). Head turbin merupakan head

sistem setelah dikurangi oleh head losses

yang terjadi. Sehingga semakin tinggi

head sistem, maka debit (Q) yang

mengalir semakin besar. Seperti pada

rumus dibawah apabila dilihat pada

gamma () yang tetap maka kenaikan pada H dan Q akan menyebabkan

kenaikan pada WHP.

WHP = Q = A x V

= 2 g Untuk semua variasi head tampak

bahwa, semakin besar bukaan guide vane

maka daya air yang dihasilkan akan naik

sampai bukaan 80% dan kemudian turun.

WHP meningkat dari bukaan guide vane

20% - 80%, hal ini disebabkan karena

semakin besar bukaan guide vane maka

luasan nozzle yang terbentuk pada turbin

semakin besar sehinga debit air (Q) yang

mengalir semakin besar. Karena semakin

besar debit yang mengalir dengan

penampang pipa yang tetap, maka akan

mengakibatkan kecepatan air yang

meningkat, kecepatan air yang tinggi akan

mengakibatkan head losses yang besar

yang nantinya akan mengurangi head

sistem untuk mendapatkan head turbin.

WHP berbanding lurus dengan debit air

(Q) serta head turbin (H), apabila

pertambahan debit lebih besar dari head

losses yang terjadi akan menyebabkan

WHP yang semakin meningkat.

Sedangkan penurunan terjadi mulai dari

bukaan guide vane 80% sampai 100%, hal

ini disebabkan. Pertambahan debit (Q)

lebih kecil dari pada head losses yang

terjadi, sehingga menyebabkan head

turbin berkurang meskipun terjadi

kenaikan debit dan akan menyebabkan

WHP turun, karena WHP berbanding

lurus dengan head turbin dan debit seperti

pada rumus diatas.


Daya Poros (BHP)


Bukaan Guide Vane terhadap Daya Poros

(BHP)

Dari gambar 6 diketahui bahwa untuk

semua variasi head, dengan meningkatnya

bukaan guide vane, dari 20%-80%

menyebabkan daya poros turbin juga

semakin meningkat. Hal ini disebabkan

karena semakin besar bukaan guide vane

maka debit yang dihasilkan akan semakin

besar. Debit yang besar dengan kecepatan

yang aliran yang besar dan menyebabkan

head losses yang nantinya mengurangi

head sistem untuk mendapatkan head

turbin. Pada hal ini pertambahan debit

lebih besar dari pada head losses yang

terjadi sehingga menyebabkan BHP

semakin meningkat karena BHP

berbanding lurus dengan debit (Q) dan

head. Sedangkan pada bukaan 80%-100%

(terbuka penuh) terjadi penurunan yang

disebabkan semakin besar debit yang

mengalir menyebabkan head losses yang

semakin besar, dan perbandingan

kenaikan debit lebih kecil dari head losses

yang terbentuk sehingga menyebabkan

daya yang dihasilkan generator

berkurang. Sesuai dengan rumus berikut :

=

(kW) atau

= = Pada bukaan guide vane yang sama

dengan head sistem yang berbeda dapat

diketahui bahwa BHP yang dihasilkan

oleh head sistem yang tinggi lebih besar

dari pada head sistem yang rendah.

Berdasarkan rumusan diatas daya yang

dihasilkan generator berbanding lurus

dengan head (H), garis head sistem yang

tinggi diatas garis head sistem yang

rendah.


Efisiensi Turbin


Bukaan Guide Vane terhadap Efisiensi

Dari gambar diatas dapat ketahui

bahwa semakin besar bukaan guide vane,

maka efisiensi turbin akan semakin

meningkat. Efisiensi turbin merupakan

perbandingan antara BHP dengan WHP.

Untuk mendapatkan BHP daat diketahui

dengan rumus:

= . . . Namun karena daya yang dihasilkan

generator akan sebanding dengan daya

yang dihasilkan turbin, maka BHP juga

dapat dirumuskan :

=

Daya yang dihasilkan generator dapat

diketahui arus listrik dengan tegangan

listrik yang dapat dilihat pada panel

kontrol, serta dikalikan dengan cos agar didapatkan daya aktif dengan satuan Watt.

Dengan cos dan tegangan yang tetap maka daya yang dihasilkan geneator

sangat dipengaruhi oleh arus listrik seperti

pada rumus dibawah ini.

= cos Sedangkan untuk nilai WHP dapat

diperoleh dari rumus :

= . . Nilai WHP dipengaruhi oleh debit air

(Q) dan head (H), peningkatan nilai Q

akan diikuti juga oleh penurunan head

turbin sehingga WHP menurun. Namun

demikian perkalian antar keduanya

menghasilkan nilai efisiensi yang relatif

semakin naik dengan semakin besarnya

bukaan guide vane sampai dengan bukaan

80% dan kemudian tetap atau bahkan

cenderung turun. Sehingga besar kecilnya

efisiensi turbin sangat dipengaruhi oleh

BHP dan WHP.

Pada head sistem yang berbeda, head

sistem 13,55 m dan 13,75 m memiliki

kecenderungan efisiensi yang sama

sedangkan untuk head sistem 13,35

berada dibawah pada saat bukaan guide

vane rendah, hal ini dikarena WHP yang

cenderung terlalu besar sehingga

efisiensinya sedikit dibawah garis yang

lain.

Secara keseluruhan efisiensi dari

turbin ini didapatkan efisiensi akan naik

sampai dengan bukaan guide vane sebesar

80% dan selanjutnya cenderung tetap dan

sedikit mengalami penurunan.

III. KESIMPULAN 1. Kesimpulan

Dari penelitian yang telah

dilakukan, diperoleh kesimpulan

bahwa perubahan guide vane pada

head yang berbeda-beda berpengaruh

terhadap unjuk kerja dari turbin air

cross flow.

Pada operasi turbin dengan bukaan guide vane 80% dan head sistem

13,55 m diketahui debit yang

masuk adalah 0,2759 m/s, head

losses yang terjadi 4, 5549 m

sehingga head turbin menjadi 8,

9951 m didapatkan operasi dengan

efisiensi turbin yang maksimum

yaitu 31,42%.

Pada operasi turbin dengan bukaan guide vane 80% dan head sistem

13,75 m diketahui debit yang

masuk adalah 0, 2880 m/s, head

losses yang terjadi 4,8490 m

sehingga head turbin menjadi

8,9010 m didapatkan operasi

dengan WHP terbesar yaitu

25,0957 kWatt dan BHP terbesar

yaitu 7,7679 kWatt.

Semakin besar bukaan guide vane akan menyebabkan debit air (Q)

yang semakin besar, tetapi juga

meningkatkan head losses yang

menyebabkan WHP akan naik

sampai bukaan 80% kemudian

cenderung turun sampai pada

bukaan 100%.

Semakin besar head sistem akan menyebabkan WHP yang besar,

sehingga daya yang dibangkitkan

oleh generator (BHP) juga semakin

besar.

Nilai BHP turbin sangat dipengaruhi oleh daya yang

dikeluarkan oleh generator dan

juga nilai WHP dipengaruhi oleh

debit aliran air dan head, sehingga

perbandingan antara BHP dan

WHP berpengaruh terhadap

efisiensi turbin.

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar, Wiranto. 2002. Pengantar

Turbin Gas dan Motor Propulsi.

ITB, Bandung.

Dietzel, Fritz; 1996: Turbin, Pompa dan

Kompresor; Erlangga, Jakarta.

Haimerl, L.A. 1960. The Cross Flow

Turbine. Jerman Barat.

Sucipto; 2011; Petunjuk Operasional dan

Perawatan PLTMH Sampot; CV.

Hydro Cipta Mandiri, Lumajang.

Sutikno, Djoko; 1997: Turbin Air Banki;

Teknik Mesin Universitas

Brawijaya, Malang.

Triatmodjo, Bambang; 2011: Soal

Penyelesaian Hidraulika; Beta

Offset, Yogyakarta.

White, Frank M; 1994; Fluid Mechanic;

Mc Graw Hill, Singapore.

artikel ilmiah

Documents