rancang bangun turbin pelton untuk sistem pembangkit listrik tenaga

PKMT-2-16-1
RANCANG BANGUN TURBIN PELTON UNTUK SISTEM
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO-HIDRO DENGAN
VARIASI BENTUK SUDU
Pamungkas Irwan N, Franciscus Asisi Injil P, Karwanto, Samodra Wasesa
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Semarang, Semarang
ABSTRAK
Pada umumnya Turbin Pelton mempunyai bentuk Sudu Mangkok sedemikian
rupa. Maka pada kesempatasn ini dibuatlah bentuk sudu yang berbeda, yaitu
bentuk Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua. Pembuatan Turbin Pelton untuk
sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro (PLTMH) dengan bentuk Sudu
Silinder Tertutup Dibelah Dua mempunyai tujuan apakah efisiensi dan daya yang
dihasilkan turbin serta generator dimungkinkan dapat meningkat. Selain itu
memberikan pemahaman yang jelas tentang pembangkit listrik tenaga mikrohidro
dari energi potensial fluida menjadi energi listrik. Metode yang digunakan oleh
penulis dalam penelitian ini adalah metode studi lapangan, metode perancangan,
metode pembuatan, serta metode pengujian. Dalam pengujian ini dilakukan
perbandingan antara sudu mangkok dan Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua.
Pada putaran yang sama 1500 Rpm dimana tegangan dipertahankan 220 Volt,
maka Sudu Mangkok menghasilkan Daya Hidrolik; Ph = 685,33 Watt, Daya
kinetik; Pk = 627,69 Watt, Daya Turbin; Pt = 612,49 Watt dan Daya Generator;
Pg = 189,17 Watt. Sedangkan untuk Sudu Silinder Dibelah Dua daya maksimal
yang dihasilkan ; Ph = 742,40 Watt, Pk = 627,52 Watt, Pt = 612,97 Watt, dan Pg
= 206,77 Watt. Untuk efisiensi, nilai tertinggi pada Sudu Silinder Dibelah Dua,
yaitu 97,67 % selisih 0,1 % lebih besar untuk Efisiensi Turbin dan 27,85 % selisih
0,83 % lebih besar untuk Efisiensi Sistem. Dengan demikian sudu dengan bentuk
Sudu Silinder Dibelah Dua lebih efisien digunakan untuk PLMH.
Kata Kunci : Sisitem Pembagkit Tenaga, Turbin Pelton, Efisiensi, Sudu
Mangkok, Sudu Silinder Dibelah Dua.
PENDAHULUAN
Salah satu pembangkit listrik tenaga air yang digunakan untuk
memanfaatkan tenaga air dan yang bisa dibuat adalah turbin air. Salah satu
peralatan pokok dalam suatu pembangkitan listrik tenaga air ialah turbin air Pelton
yang berfungsi mengubah Energi Potensial berupa energi kecepatan oleh Nozel
menjadi Energi Mekanik berupa putaran pada poros turbin, untuk mendapatkan
Energi Listrik maka poros turbin dikopel dengan generator. Dengan melihat latar
belakang tersebut kami membuat simulasi Pembangkit Listrik Tenaga MikroHidro (PLTMH) dengan bentuk sudu yang berbeda yaitu Sudu Silinder Tertutup
Dibelah Dua. Didasari dengan alasan diatas pembuatan simulasi PLTMH
mempunyai tujuan utama, yaitu membandingkan karakteristik daya dan efisiensi
kedua sudu tersebut pada turbin serta dari generator. Diharapkan
dengan
penelitian ini masyarakat pada umumnya bisa menggunakan jenis sudu ini karena
dilihat dari kontruksinya lebih mudah pengerjaannya.
PKMT-2-16-2
METODE PENELITIAN
Waktu pembuatan simulasi sampai dengan penelitian adalah 6 bulan (MaretAgustus 2005). Sedang tempat pengujian berada di Laboratorium Teknik
Konversi Energi Politeknik Negeri Semarang. Metode yang digunakan dalam
pembuatan penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Metode Studi Lapangan
Melaksakan pengujian dan observasi secara langsung dari pompa untuk
mengetahui head dan debit, serta merancang dan membuat instalasi dari
PLTMH. Selain itu dilakukan peninjauan bentuk sudu dimana perhitungan
sudu digunakan sebagai dasar untuk menghitung kekuatan pemilihan bahan
melalui leteratur yang berhubungan dengan PLTMH.
2. Metode Perancangan
Dengan cara merencanakan segala sesuatu yang terkait dalam pembuatan
Turbin Pelton ini misalnya perhitungan dimensi, kekuatan bahan dan jenis
bahan yang digunakan.
3. Metode Pembuatan
Pelaksaan pembuatan simulasi ini melibatkan proses-proses pengerjaan
pengecoran, pemotongan, pengeboran, penyambungan, dan lainnya dengan
menggunakan kikir, gerinda, mesin-mesin perkakas, dan alat-alat penunjang
lainnya hingga sampai proses finising.
4. Metode Pengujian
Metode pengujian meliputi pelaksanan pengambilan data, pengolahan data,
dan analisa hasil data pengujian dari hasil pembuatan PLTMH.
Dasar perhitungan pembuatan sudu :
1. Kecepatan nominal Runner ; v (m/det)
v = 0,44 2.g.H ........................................................ (Modi & Seith, 1979 ; 975)
Dimana H = Head total pompa (m)
(
)
2. Diameter nominal turbin; Dt (m)
60.v
........................................................... (Sunarto & Einsering, 1994 ; 09)
Dt =
π.n
Dimana n = Kecepatan putran turbin (Rpm)
3. Jumlah sudu ; Z
Dt
................................................................. (Modi & Seith, 1979 ; 976)
Z = 5,4
dn
Dimana dn = Diameter pancaran Nozel (m)
4. Lebar sudu ; Bs (mm)
Bs =( 4 – 5 ) x dn ..........................................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
5. Kedalaman mangkok ; Cs (mm)
Cs = ( 0,81 – 1,05 ) x dn ........................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
6. Lebar bukaan mangkok ; M (mm)
M = ( 1,1 – 1,25 ) x dn .............................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
PKMT-2-16-3
7. Panjang sudu ; Ls (mm)
Ls = ( 2,4 – 3,2 ) x dn ................................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
8. Jarak pusat pancaran jet ke ujung sudu ; l (mm)
l = ( 1,2 – 1,9 ) x dn ...................................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
Gambar 1.
Desain Dimensi Sudu.
Data yang diperlukan dalam pengujian ini adalah :
1. Beda tekanan pada orifismeter.
2. Tekanan discharge pompa.
3. Tekanan input Nozel.
4. Besarnya arus yang mengalir saat pembebanan pada generator.
5. Besarnya nilai putaran generator.
6. Besarnya nilai tegangan generator.
7. Suhu air pada saat pengujian.
Peralatan yang digunakan untuk pengujian simulasi PLTMH dengan Turbin
Pelton Silinder Dibelah Dua yaitu :
1. Simulasi turbin dan perlengkapannya.
2. Beban berupa lampu pijar
Secukupnya
3. Voltmeter
1 buah
4. Amperemeter
1 buah
5. Tachometer
1 buah
6. Termometer
1 buah
7. Manometer pipa U
1 buah
8. Kabel Banana
Secukupnya
9. Kabel Spadle
Secukupnya
PKMT-2-16-4
Langkah-langkah pengujian :
1. Persiapkan Simulasi PLTMH dengan Turbin Silinder Tertutup Dibelah Dua
dan perlengkapannya.
2. Lakukan pengecekan alat-alat yang akan digunakan dalam pengambilan data.
3. Buat tabel untuk mencatat hasil pengujian.
4. Ukur temperatur air.
5. Persiapkan Pompa dan perlengkapannya.
6. Hidupkan pompa dengan meng-On-kan saklar kemudian tarik handle pada
motor bensin sampai pompa hidup.
7. Buka katup-katup Manometer Pipa U manometer input Nozel.
8. Buka katup buangan / bypass agar tekanan pada pipa tidak terlalu tinggi akibat
tekanan output air pada pompa.
9. Buka katup masukan Nozel, sehingga air akan menumbuk sudu dan
mengakibatkan runner berputar.
10. Sambil mengatur bukaan katup, tambah gas untuk pompa dengan cara
menggeser tuas gas searah jarum jam sampai gas setengah penuh, apabila
putaran masih belum 1500 Rpm maka gas ditambah hingga putaran mencapai
1500 Rpm dan pada generator menunjukkan tegangan sampai 220 Volt.
11. Catat nilai penunjukkan Tachometer, Amperemeter, Voltmeter, Manometer
input Nosel, dan Manometer Pipa U (∆x).
12. Berikan variasi beban dengan menggunakan lampu pijar pada generator maka
putarannya akan turun, atur bukaan katup sehingga penunjukkan voltmeter
kostan pada nilai 220 Volt catat nilai parameter seperti nomor 11.
13. Setelah data didapat, turunkan beban lampu pijar secara satu persatu, diiringi
dengan penutupan katup sampai turbin berhenti dan kurangi gas pada motor
bensin bersamaan penutupan katup.
14. Setelah itu katup tutup penuh dan matikan pompa dengan penggerak motor
bensin dengan meng-Off-kan saklar pada motor bensin.
15. Lepas peralatan dan kembalikan peralatan ke tempat semula.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pengujian
Tabel 1. Pengujian Sudu Mangkok
No
Lampu
(W)
n
(Rpm)
Tegangan
(V)
Arus
(A)
P
( Kgf/cm2 )
Δx
(cm)
Torsi
(Nm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
25
50
75
100
125
150
175
200
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
220
220
220
220
220
220
220
220
220
0
0,1
0,21
0,32
0,42
0,52
0,64
0,75
0,86
1,1
1,1
1,2
1,2
1,2
1,3
1,4
1,4
1,4
17
17,5
18
18,5
19
20
21
22
22,5
0,78
0,86
1,06
1,24
1,41
1,58
1,77
1,99
2,2
PKMT-2-16-5
Tabel 2. Pengujian Sudu Silinder Dibelah Dua
No Lampu
n
Tegangan
Arus
(W)
(Rpm)
(V)
(A)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
25
50
75
100
125
150
175
200
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
220
220
220
220
220
220
220
220
220
P
(Kgf/cm2)
1,05
1,1
1,2
1,2
1,3
1,3
1,4
1,45
1,5
0
0,11
0,21
0,32
0,43
0,54
0,65
0,75
0,86
Δx
(cm)
Torsi
(Nm)
16
17
17,5
18,5
19,5
20
21
22,5
23
0,35
0,94
1,1
1,29
1,48
1,65
1,85
2,04
2,21
Pengujian yang diperoleh seperti pada tabel hasil pengujian selanjutnya diolah
melalui perhitungan untuk memperoleh besarnya Daya Hidrolik, Daya Kinetik,
Daya Turbin, Daya Generator, Efisiensi Turbin dan Efisiensi Sistem. Contoh
perhitungan yang dilakukan dengan mengambil data pengujian Sudu Silinder
Dibelah Dua pada beban kosong (nomor 1) diketahui :
Dimeter dalam pipa ;
A1 = 1,256.10-3 m2
Diameter Oriffice ;
A2 = 8,038.10-4 m2
Percepatan Gravitasi ;
g = 9.81 m/det2
Massa jenis air ;
ρ = 996,74 kg/m3
Berat jenis air raksa ;
SHg = 13,61
Berat jenis air ;
Sair = 1
Head Tabung Bourdon ;
H = 1,1 kgf/cm2 = 11 m
Beda ketinggin Manometer U ; ∆x = 17 cm = 0,17 m
Kecepatan putaran Turbin ;
n
= 1500 Rpm
Arus output Generator ;
I
= 0 Amper
Tegangan output Generator ; V
= 220 Volt
Sehingga perhitungan didapat :
Besarnya debit yang mengalir ; Q ( m3/det ) dihitung :
Q = cd
A1 .A2
A1 − A2
2
Q = 0,64
2
⎛s
⎞
2.g.Δx⎜ HG − 1⎟ ................................ (Streeter, 199 ;336)
⎝ s air
⎠
1,256 x10 −3 (m) .8,038x10 −4 (m)
(1,256x10 −3 (m)) 2 − (8,038x10 −4 (m)) 2
⎛ 13,6 ⎞
2.9,81(m / det) . 0,17(m)⎜
− 1⎟
⎝ 1
⎠
Q = 4,2 x 10--3 m3/det
Kecepatan pancaran jet keluar nosel ; V ( m/det) dihitung :
Q
V=
An
PKMT-2-16-6
4,2 x10 −3 (m 3 / det )
π
.( 0,02 (m)) 2
4
= 13,37 m/det
V=
Kecepatan keliling nominal turbin ; v ( m/det ) dihitung :
π .D.n
v=
60
π . 0,11(m.).1500 (rpm)
v=
60
= 8,635 m/det
Perhitunga Daya :
a. Daya Hidrolis ; Ph (Watt) yang masuk ke nosel, dimana besarnya head diukur
sebelum masuk Nozel yaitu :
H = 11 m
Ph = ρ.g.Q.H
= 996,74 (kg/m3) . 9,81 (m/det2) . 4,2 x 10-3 (m3/det) .11 (m)
= 432,7 Watt
b. Daya Kinetik jet air ; Pk (Watt) dihitung :
1
3
Pk = ⋅ ρ . A ⋅ V
2
1
π
= . 996,74 (kg/m3) . ( 0,02 m )2 . 13,37 (m/det ) 3
2
4
= 374,84 Watt
c. Daya Turbin ; Pt (Watt) dihitung :
θ = 15 o
Pt = ρ . A.V.( V – v ).( 1 + cos θ ).v
= 996,74 (kg/m3) . 3,14x10-4(m) . 13,37(m/det) . (13,37 (m/det) - 8,635
(m/det)) . (1 + cos15 o) . 8,635 (m/det)
= 335,31 Watt
d. Daya Listrik (Daya Generator) ; Pg (Watt) dihitung :
Cos ϕ = 1
V = 220 volt
I = 0 amper
Pg = V. I . Cosϕ
= 220(Volt) . 0(Amper) . Cos 1
= 0 Watt
Perhitungan Efisiensi :
a. Efisiensi SuduTurbin ; ηt
P
ηst = t . 100%
Pk
335,31 (Watt)
ηst =
. 100%
374,84 (Watt)
PKMT-2-16-7
= 89,45 %
b. Efisiensi Sistem ; ηs
Pg
ηs =
. 100%
Ph
0 (Watt)
ηs =
. 100%, η s = 0 %
432,7 (Watt)
Hasil perhitungan pengujian sudu pada tegangan konstan
Tabel 3. Hasil Perhitungan Sudu Mangkok
Ph (Watt) Pk (Watt)
Pt (Watt)
Pg (Watt)
ηt (%)
468,06
474,89
525,41
532,66
539,81
599,98
662,09
667,67
685,33
90,01
92,83
93,08
94,57
94,99
93,08
97,28
97,33
97,57
0
4,63
8,79
13,21
17,11
19,11
21,26
24,34
27,02
Tabel 4. Hasil perhitungan Sudu Silinder Dibelah Dua
Ph (Watt) Pk (Watt)
Pt (Watt)
Pg (Watt)
ηt (%)
ηs (%)
432,70
467,20
517,18
531,75
591,42
598,96
660,90
708,60
742,40
709,47
430,21
447,96
478,93
484,89
523,80
565,84
605,44
627,69
374,84
409,47
456,64
463,39
505,25
521,84
562,6
624,23
627,52
368,58
399,38
416,99
452,94
460,64
487,57
550,49
589,32
612,49
335,31
367,90
427,05
431,15
479,32
497,41
541,47
607,26
612,97
0
21,99
46,19
70,38
92,38
116,38
140,77
164,97
189,17
ηs (%)
0
24,20
46,20
70,39
94,59
118,78
142,98
164,97
206,77
80,94
90,33
93,52
93,04
94,86
95,31
96,23
97,28
97,67
0
5,20
8,90
13,20
15,90
19,80
21,60
23,30
27,85
KESIMPULAN
Dari perhitungan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
Besarnya daya yang dihasilkan oleh sistem dipengaruhi oleh head (H), debit (Q),
percepatan grafitasi (g) dan pembebana generator pada tegangan yang konstan.
Karena itu pada tiap pengujian akan didapat daya semakin besar dengan kenaikan
debit dan head dan beban generator.
Pada pemberian tegangan konstan 220 Volt dan putaran 1500 Rpm, Daya Kinetik
pada Sudu Mangkok lebih tinggi dari Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua dengan
selisih 0,17 Watt, tetapi Daya Hidrolik, Daya Turbin, dan Daya Generator terlihat
lebih tinggi pada Sudu Silinder Dibelah Dua, selisih dayanya sebesar 57,07 Watt,
0,48 Watt, dan 17,60 Watt. Sedang untuk efisiensi, value tertinggi pada Sudu
PKMT-2-16-8
Silinder Dibelah Dua, dengan selisih 0,1 % untuk Efisiensi Turbin dan 0,83 %
untuk Efisiensi Sistem.
Daya dan efisiensi yang dihasilkan Turbin dipengaruhi oleh faktor-faktor
tertentu, seperti peralatan pendukung, sifat fluida, kekasaran permukaan sudu,
kontruksi instalasi, human error dan faktor lain yang tidak bisa diprediksi.
Secara umum terlihat bahwa Sudu Silinder tertutup Dibelah Dua lebih unggul dari
pada Sudu Mangkok.
DAFTAR PUSTAKA
Dietzel F. 1993. “Turbin Pompa Dan Kompresor”, Jakarta: Erlangga.
M. Edy Sunarto, Markus Eisenring. 1994. ”Turbin Pelton Mikro“, Yogyakarta:
MHPG ANDI OFFSET.
Niemann G. 1986. “Elemen mesin Jilid 1”,Jakarta: Erlangga.
Sularso. 1993. ”Dasar Pemilihan dan Perencanaan Elemen Mesin”. Jakarta:
Pradnya Paramita.
Sasongko, Gjoko. 1996. Teknik Sumber Daya Air. Jakarta: Erlangga.
Sato GT. 1993. “Menggambar Mesin Menurut Standar I.S.O”. Jakarta: Pradnya
Paramita.
Streerter, Viktor L. 1988. ”Mekanika Fluid”. Jakarta: Erlangga.
PKMT-2-16-9