Perencanaan Sipil PLTMH

~ Perencanaan Sipil PLTMH
Perencanaan Sipil

• Saluran penghantar (head race)
Saluran penghantar berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria:
• Nilai ekonomis yang tinggi
• Efisiensi fungsi
• Aman terhadap tinjauan teknis
• Mudah pengerjaannya
• Mudah pemetiharaannya
• Struktur bangunan yang memadai
• Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil
Perencanaan hidrolis
Dimensi saluran dihitung menggunakan formula untuk perhitungan aliran seragam (uniform flow) pada saluran terbuka. Proses perencanaan hidrolis saluran pembawa dilakukan menggunakan software engineering hydraulic Flow Pro. 2. Pada perencanaan ini ditetapkan slope saluran pembawa sebesar 0.001 dengan koefisien Manning 0.012.

1. Kecepatan aliran
Kecepatan aliran pada saluran penghantar direncanakan sedemikian rupa untuk mencegah sedimentasi akibat kecepatan rendah maupun pengerusan tanah akibat kecepatan tinggi. Kecepatan aliran yang diCiinkan dalam saluran ditetapkan dengan asumsi ukuran butir material sedimen 0.2 - 0.3 mm
Kecepatan aliran yang diijinkan pada perencanaan ini adalah :
• Kecepatan maksimum : 2 m/det, saluran pasangan batu tanpa plesteran
• Kecepatan minimum : 0.3 m/det, saluran pasangan batu plesteran
0.5 m/det, saluran tanpa pasangan/plesteran
Kecepatan rata aliran yang diijinkan pada perencanaan ini berkisar 0.5 - 0.7 m/det.
Tabe15.1 Perhitungan Saluran Pembawa, Flow Pro 2
U-SHAPED CHANNEL
SI Units
U-shaped Channel
Discharge Diameter Manning's n Slope Control Depth
0.75 1.2 0.012 0.001 1,000
Normal Depth XSee Area Crit. Depth XSec Area Flow Type
0,546 0,656 0,342 0,410 Subcritical
Distance Depth Energy Area Velocity
36,900 0,970 0,991 1,164 0,644
74,486 0,940 0,962 1,128 0,665
112,876 0,909 0,934 1,091 0,687
150,000 0,881 0,907 1,057 0,709
• Bak penenang dan pengendap (head tank)
Konstruksi bak penenang dalam perencanaan ini adalah sebagaimana ditampilkan pada gambar 5.4. Perhitungan dimensi bak penenang dilakukan dengan beberapa kriteria, yaitu :
• Volume bak 10 - 20 kali debit yang masuk untuk menjamin aliran steady di pipa pesat dan mampu meredam tekanan balik pada saat penutupan aliran di pipa pesat.
• Bak penenang direncanakan dengan menetapkan kecepatan vertikal partikel sedimer 0.03 m/det.
• Pipa pesat ditempatkan 15 cm di atas dasar bak penenang untuk menghindarkan masuknya batu atau benda-benda yang tidak diijinkan terbawa memasuki turbin, karena berpotensi merusak runner turbin.
• Pipa pesat ditempatkan pada jarak minimum 4 x D (diameter pipa pesat) dari muka air untuk menjamin tidak terjadi turbulensi dan pusaran yang memungkinkan masuknya udara bersama aliran air di dalam pipa pesat
• Bak penenang dilengkapi trash rack untuk mencegah sampah dan benda-benda yang tidak diinginkan memasuki pipa pesat bersama aliran air.
• Pipa penguras ditempatkan di bak pengendap dan bak penenang sebagai kelengkapan untuk perawatan (pembuangan endapan sedimen).
• Bak penenang diiengkapi pelimpas yang direncanakan untuk membuang kelebihan debit pada saat banjir. Bangunan bak penenang dan saluran pembawa direncanakan terjaga ketinggian permukaan pada saat banjir sampai maksimum 25% dari debit desain.
• Konstruksi bak penenang dan pengendap berupa pasangan batu diplester dengan dasar bak berupa cor-an beton tumbuk (tanpa tulangan) kedap air.
• Pipa pesat (penstock)
Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang 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, sistem penyambungan dan biaya. Diameter pipa pesat dipilih dengan pertimbangan keamanan, kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material dan tingkat rugirugi (fiction losses) seminimal mungkin. Ketebalan penstock dipilih untuk menahan tekanan hidrolik dan surge pressure yang dapat terjadi.
• Pemilihan pipa pesat
Data dan asumsi awal perhitungan pipa pesat:
• Material pipa pesat menggunakan plat baja diroll dan dilas (welded rolled steel. Hat ini dipilih sebagai alternatif terbaik untuk mendaotkan biaya terkecil. Material yang digunakan adalah mild steel (St 37) dengan kekuatan cukup.
• Head losses pada sistem pemipaan (penstock) diasumsikan sekitar 4% terhadap head gross.
• Diameter pipa pesat
Diameter minimum pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan
D=( 10.3 n 2 Q 2 L / hf ) 0.1875
Di mana:
n = koefisien kekasaran (roughness) untuk welded steel, 0.012
Q = debit desain sebesar m 3 /S
L = panjang penstock, m
H = tinggi jatuhan air (gross head), m
Tabel 5. 2 Material Pipa Pesat
Material Young's modulus
of elasticity
E (N/m 2 )E9 linear expansion
a (n/m QC)E6 Ultimate
tensile strength
(N/m 2 )E6 N
Weleded steel 206 12 400 0.012
Polyethylene 0.55 140 5 0.009
Polyvinyl chloride (PVC) 2.75 54 13 3,009
Asbestos cenent n.a 8.1 na 0.011
Cast iron 78.5 10 140 0.014
Dutiie iron 16,7 11 340 0.015
• Tebal plat
Perhitungan tebal plat dapat menggunakan persamaan
tp = (P i .D/ 2sf.Kf)+ts
dimana :
ts = adalah penambahan ketebalan pipa untuk faktor korosi
P1 = tekanan hidrostatik, kNi P mm 2
D = diameter dalam pipa
Kf = faktor pehgelasan sebesar 0.9 untuk pengelasan dengan inspeksi x-ray faktor pengelasan sebesar 0.8 untuk pengelasan biasa
sf = desaintegangan pipa yang diijinkan
Pendekatan paling sederhana menggunakan rekomendasi ASME untuk tebal penstock minimum (mm) adalah 2,5 kali diameter pipa (m) di tambah 1,2 mm.
t min = 2.5D + 1.2 mm
Rekomendasi lain adalah
t min =(D+508)/1400
• Waterhammer
Pada saat penutupan inlet valve dapat terjadi tekanan gelombang aliran air di dalam pipa yang dikenal sebagai waterhammer. Tekanan baiik akibat tertahannya aliran air oleh penutupan katup akan berinteraksi dengan tekanan air yang menuju inlet valve sehingga terjadi tekanan tinggi yang dapat merusak penstock. Besarnya tekanan tersebut dipengaruhi oleh faktor
• Kecepatan gelombang tekanan ( pressure wave speed ), c yang besarnya
C= [ 10 -3 K/(1+ KD/Et)] 0.5
Dimana :
K = modulus bulk air, 2.1 x 10' N/m 2
E = modulus elastilk material, untuk welded steel 2.1 x 11C N/m 2
D = diameter pipa (mm)
t = tebal pipa (mm)
• Surge pressure pada pipa, Ps (m kolom air)
P S = c.?V/g
di mana :
?V = kecepatan aliran air didalam pilpa adalah 4Q/ ? D 2
g = percepatan gravitasi m/det 2
Tekanan total (tekanan kritis) di dalam pipa adalah sebesar, Pc:
Pc = PO + PS
= (0.96 Hgross) + PS
dimana Po adalah tekanan hidrostatik dalam pipa dengan asumsi headloss 4% Sementara itu tegangan yang terjadi pada dinding pipa adalah
s = Pc. D/2.t
Tegangan pada dinding pipa tersebut dibandingkan dengan kekuatan tarik material dan tegangan yang diijinkan. Apabila tegangan pada dinding pipa lebih besar maka penentuan diameter dan ketebalan pipa diulang (iterasi) sampai diperoleh kondisi yang aman. Perhitungan rinci kekuatan dan keamanan pipa dilampirkan pada setiap lokasi rencana pengembangan PLTMH.
• Tumpuan pipa pesat (saddles support)
Tumpuan pipa pesat, baik pondasi anchor block, saddle support, berfungsi untuk mengikat dan menahan penstock. Jarak antar tumpuan (L) ditentukan oleh besarnya defleksi maksimum penstock yang diijinkan. Jarak maksimum dudukan pondasi penstok dapat dihitung dengan formula:
L = 182.61 x {[(D + 0.0147) 4 - D 4 ]/ p} 0.333
Dimana.
D = diameter dalam penstock (m)
P = berat satuan dalam keadaan penuh berisi air (kg/m).
Berat satuan pipa pesat dihitung dengan formula
W pipa = ? D x t x l x ?baja
Di mana
W pipa = kg 1 m pipa pesat
D = diameter pipa, m
t = tebal pipa, m
pbaja= 7860 kg/M3
Berat air di dalam pipa dihitung sebesar:
Di mana:
W air = kg 1 m pipa pesat
D = diameter pipa, m
1 = panjang pipa satuan, 1 m
p air = 1000 kg/m3
W air = 0.25nD 2 x 1 x pair
Berat satuan pipa berisi penuh air adalah, P = W pipa + W air . Pada perencanaan
PLTMH ini, jarak antar tumpuan pipa pesat rata-rata adalah 4 m,
• Rugi-rugi head (Head Losses).
Rugi-rugi head (head losses) diberikan oleh flaktor:
• Kerugian karena gesekan saat aliran air melewati trashrack
• Kerugian gesekan aliran fluida di dalam pipa
• Kerugian karena turbulensi aliran yang dipengaruhi belokan, bukaan katup, perubahan penampang aliran
Reduksi head losses dapat dilakukan dengan cara :
• Penggunaan diameter pipa yang lebih besar (harus mempertimbangkan biaya)
• Mengurangi belokan pada penstock dan pemilihan dimensi yang terbaik untukmendapatkan rugi-rugi yang kecil.
Besarnya rugi-rugi pada pipa pesat terdiri dari:
Rugi-rugi karena gesekan selama aliran didalam pipa, hfriction
Hfriction = ?.L.V 2 / 2.g.D
Di mana ;
? = koefisien gesekan berdasarkan diagram Moody, bilangan Reynolds dan koefisien kekasaran material
L = panjang penstock, m
V = kecepatan rata-rata, m/det
G = percepatan gravitasi, m/det 2
D = diameter pipa pesat, m
Persamaan empiris lainnya yang dapat digunakan untuk menghitung rugi-rugi gesekan ini adalah:
(Hf 1 L) = 10.29 n 2 Q21 D5 .333
dimana:
Hf head losses karena gesekan aliran di dalam pipa, m L panjang pipa, m n koefisien kekasaran Manning, 0.012 untuk material welded steel Q debit, m 31S
D diameter penstock, m
Kerugian karena gesekan pada aliran metalui trashrack dapat dihitung dengan formula Kirchmer sebagai berikut
t pr27sin lb 2g
dimana ;
Kt = koefisien gesekan bentuk pelat trashrack
t = tebal plat trashrack
b = jarak antar plat trashrack
Vo = kecepatan aliran air
g = percepatan gravitasi
0 = sudut jatuhan trashrack dengan horisontal
Kerugian karena turbulensi, HI
HI total. V2 1 2g
Di mana, koefisien losses, ~ total besarnya adalah
~ total = Onlet loss + ~ belokantelbow + ~inlet valve + ~reducer/difusor + ~draf'Lube
Berdasarkan perhitungan menggunakan form. ula-formula di atas, maka pada perencanaart PLTM ini ukuran pipa pesat distandarisasi untuk memudahkan aplikasi di lapangan, sebagaimana dapat dilihat di tabel 5.3. Diameter standar pipa dibuat dari plat ukuran 120 cm x 240 cm yang diroll dan dilas.
Tabel 5.3 Standard Penggunaan Pipa Pesat
Tabel 5.6 Koefisier, Kekasaran Manning beberapa material Penstock
Wdded~1 pc~yiem (M) PVC Adx~c~nt 0~kw cam hw V~-~(m,vi) CweffiM, ~ f~ m~ 1~)
(1. 01 2_ TWO 0." (1.011 (1,015 0.014: (1.012