Pelaksanaan Turbin Air

Pelaksanaan Turbin Air

Pelaksanaan Elektrikalmekanikal

1. Pemilihan Turbin
Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerjanya , turbin air dibagi menjadi dua kelompok:
 Turbin impuls (cross-flow, pelton & turgo)
untuk jenis ini, tekanan pada setiap sisi sudu geraknya lrunnernya - bagian turbin yang berputar - sama.
 Turbin reaksi ( francis, kaplanlpropeller)
Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif 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 Keller2 dikelompokkan menjadi:
Low head powerplant: dengan tinggi jatuhan air (head) :S 10 M3
Medium head power plant:: dengan tinggi jatuhan antara low head dan high-head High head power plant: dengan tinggi jatuhan air yang memenuhi persamaan
H ≥ 100 (Q)0-113
dimana, H =head, m Q = desain debit, m 31s
Secara umum hasil survey lapangan mendapatkan potensi pengembangan PLTMH dengan tinggi jatuhan (head) 6 - 60 m, yang dapat dikattegoirikan pada head rendah dan medium.
Tabel Daerah Operasi Turbin
Jenis Turbin Variasi Head, m
Kaplan dan Propeller 2 < H < 20 Francis 10 < H < 350 Peiton 50 < H < 1000 Crossfiow 6 < H < 100 Turgo 50 < H < 250 2. Kriteria Pemilihan Jenis Turbin 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 untuk operasi 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 ang 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 x P0.51W .21 dimana : N = kecepatan putaran turbin, rpm P = maksimum turbin output, kW H = head efektif , m Output turbin dihitung dengan formula: P=9.81 xQxHx qt (2) dimana Q = debit air, m 3 ldetik H = efektif head, m ilt = efisiensi turbin = 0.8 - 0.85 untuk turbin pelton = 0.8 - 0.9 untuk turbin francis = 0.7 - 0.8 untuk turbin crossfiow = 0.8 - 0.9 untuk turbin propellerlkaplan Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut: Turbin pelton 12≤Ns≤25 TurbinFrancis 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. Beberapa formula yang dikembangkan dari data eksperimental berbagai jenis turbin dapat digunakan untuk melakukan estimasi perhitungan kecepatan spesifik turbin, yaitu : 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) Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan). Pada perencanaan PLTMH ini, pilihan turbin yang cocok untuk lokasi yang tersedia adalah : 1. Turbin propeller tipe open flume untuk head rendah s.d 6 m 2. Turbin crossflow 1 banki-mithell untuk head 6 m < H < 60 m. Pemilihan jenis turbin tersebut berdasarkan ketersediaian teknologi secara lokal dan biaya pembuatan/pabrikasi yang lebih murah dibandingkan tipe lainnya seperti pelton dan francis. Jenis turbin crosstlow yang dipergunakan pada perencanaart ini adalah crossfiow T-14 dengan diameter runner 0.3 m. Turbin tipe ini memiliki efisiensi maksimum yang baik sebesar 0.74 dengan efisiensi pada debit 40% masih cukup tinggi di atas 0.6. Sementara untuk penggunaan turbin propeller open flume pabrikasi lokal ditetapkan efisiensi turbin sebesar 0.75. Penggunaan kedua jenis turbin tersebut untuk pembangkit tenaga air skala mikro (PLTMH), khususnya crossfIlow T-14 telah terbukti handai di lapangan dibandingkan jenis crossfiow lainnya yang dikembangkan oleh berbagai pihak (lembaga penelitian, pabrikan, import). Putaran turbin baik propeller open flume head rendah dan turbin crossflow memiliki kecepatan yang rendah. Pada sistem mekanik turbin digunakan transmisi sabuk flatbelt dan pulley untuk menaikkan putaran sehingga sama dengan putaran generator 1500 rpm. Efisiensi sistem transmisi mekanik flat belt diperhitungkan 0.98. Sementara pada sistem transmisi mekanik turbin propeller open flume menggunakan sabuk V, dengan efisiensi 0.95. Diagram Aplikasi berbagai jenis Turbin (Head Vs Debit) Tabel Putaran Generator Sinkron (rpm) Jumlah Pole (kutub) Frekuensi , 50 Hz 2 3000 4 1500 6 1000 8 750 10 600 12 500 14 429 Tabel Run-away speed Turbin, N maks/N Jenis Turbin Putaran Nominal, N (rpm) Runaway speed Semi Kaplan, single regulated 75-100 2-2.4 Kaplan, double regulated 75-150 2.8-3.2 Small-medium Kaplan 250-700 2.8-3.2 Francis (medium & high head) 500-1500 1.8-2.2 Francis (low head) 250-500 1.8-2.2 Pelton 500-1500 1.8-2 Crossflow 100-1000 1.8-2 Turgo 600-1000 2 2. Pemilihan Generator dan Sistem Kontrol Generator adalah suatu peralatan yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Jenis generator yang digunakan pada perencanaan PLTMH ini adalah :  Generator sinkron, sistem eksitasi tanpa sikat (brushless exitation) dengan penggunaan dua tumpuan bantalan (two bearing).  Induction Motor sebagai Generator (IMAG) sumbu vertikal, pada perencanaan turbin propeller open flume Spesifikasi generator adalah putaran 1500 rpm, 50 Hz, 3 phasa dengan keluaran tegangan 220 V/380 V. Efisiensi generator secara umum adalah  Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0.7 - 0.8  Aplikasi 10 - 20 KVA efisiensi 0.8 - 0.85  Aplikasi 20 - 50 KVA efisiensi 0.85  Aplikasi 50 - 100 KVA efisiensi 0.85 - 0.9  Aplikasi >. - 100 KVA efisiensi 0.9 - 0.95
Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan PLTMH ini menggunakan pengaturan beban sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan beban. Apabila terjadi penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut akan dialihkan ke sistem pemanas udara (air heater) yang dikenal sebagai ballast load/dumy load.
Sistem pengaturan beban yang digunakan pada perencanaan ini adalah
 Electronic Load Controller (ELC) untuk penggunaan generator sinkron
 Induction Generator Controller (IGC) untuk penggunaan IMA
Sistem kontrol tersebut telah dapat dipabrikasi secara lokal, dan terbukti handal pada penggunaan di banyak PLTMH. Sistem kontrol ini terintegrasi pada panel kontrol (switch gear).
Fasillitas operasi panel kontrol minimum terdiri dari
 Kontrol start/stop, baik otomatis, semi otomatis, maupun manual
 Stop/berhenti secara otomatis
 Trip stop (berhenti pada keadaan gangguan: over-under voltage, over-under frekuensi.
 Emergency shut down, bila terjadi gangguan listrik (misal arus lebih)
Notes:
Keller, S.: Triebwasserweg und spezifische Probleme von Hochdruckanlagen. In: Kleinwasserkraftwerke, Projektierung und Entwurf Published by Prof. Dr. S. Radler, University for Soil Culture, Intitute for Water Management, Vienna, 1981