Perancangan PLTMH

PERANCANGAN PLTMH

I. Penentuan Lokasi

Kriteria lokasi yang cocok adalah lokasi/ daerah yang belum dialiri listrik dari PLN dan dekat dengan sungai yang akan menjadi sumber pembangkitnya. Lokasi yang sesuai adalah Desa Onohondro, Kab. Teluk Dalam, Nias Selatan. Desa ini masih menggunakan lampu dari Genset, belum dari PLN. Ini dikarenakan desa ini sangat menjunjung tinggi adat dan budaya, sehingga lambat berkembang. Padahal desa yang memiliki 115 kepala keluarga ini merupakan salah satu tempat wisata di Nias yang sering didatangi oleh wisatawan asing dari manca negara.
Desa ini dekat dengan sungai yang bernama Sungai Zumali Guma, yang berjarak sekitar 100 m dari desa tersebut. Aliran sungai ini 50 liter/ detik yang memiliki head efektif 60 m dengan aliran 0,6 – 0,8 m/s.


II. Perancangan Elektrikal dan Mekanikal

a. Perencanaan Elektrikal

• Turbin

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:
v Turbin Impuls (Cross-Flow, Pelton & Turgo)

Untuk jenis ini, tekanan pada setiap sisi sudu geraknya lrunnernya – bagian turbin yang berputar – sama.
v Turbin Reaksi ( Francis & Kaplan Propeller)
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 power plant: 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
Hnet ≥ 100 (Q)-113
Dimana:
Hnet = head efektif (m) Q = desain debit (m3/s)
Jenis Turbin Variasi Head (m)
Kaplan dan Propeller 2 < H < 20
Francis 10 < H < 350
Pelton 50 < H < 1000
Cross-Flow 6 < H < 100
Turgo 50 < H < 250
Hasil survei lapangan mendapatkan potensi pengembangan PLTMH dengan tinggi jatuhan (head) 60 m, yang dapat dikategorikan pada head rendah dan medium.




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 :
v Faktor tinggi jatuhan air efektif (Head Net) 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.
v Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia.
v Kecepatan (putaran) turbin 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 Turbin Cross-Flow 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 P x 51W x 21
Dimana :
Ns = kecepatan putaran turbin (rpm)
P = maksimum turbin output (kW)
Hnet = head efektif (m)
Output turbin dihitung dengan formula:
P = 9,81 x Q x Hnet x ηTb
Dimana:
Q = debit air (m3/s)
Hnet = efektif head (m)
ηTb = efisiensi turbin
= 0,8 – 0,85 untuk turbin Pelton
= 0,8 – 0,9 untuk turbin Francis
= 0,7 – 0,8 untuk turbin Cross-Flow
= 0,8 – 0,9 untuk turbin Kaplan Propeller
Turbin Pelton 12≤Ns≤25
Turbin Francis 60≤;Ns≤300
Turbin Crossflow 40≤Ns≤200
Turbin Propeller 250≤Ns≤ 1000
Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut:



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 Cross-Flow 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 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 Cross-Flow 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 Cross-Flow T-14 telah terbukti handai di lapangan dibandingkan jenis Cross-Flow lainnya yang dikembangkan oleh berbagai pihak (lembaga penelitian, pabrikan, import). Putaran turbin baik propeller open flume head rendah dan turbin Cross-Flow 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 Flatbelt diperhitungkan 0.98. Sementara pada sistem transmisi mekanik turbin Propeller open flume menggunakan sabuk V, dengan efisiensi 0.95.
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
Cross-Flow 100-1000 1.8-2
Turgo 600-1000 2
Tabel Run-away speed Turbin, N maks/N














Grafik aplikasi dari turbin


• Generator
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
Efisiensi generator secara umum adalah
v Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0.7 – 0.8
v Aplikasi 10 – 20 KVA efisiensi 0.8 – 0.85
v Aplikasi 20 – 50 KVA efisiensi 0.85
v Aplikasi 50 – 100 KVA efisiensi 0.85 – 0.9
v Aplikasi > 100 KVA efisiensi 0.9 – 0.95


Jumlah Pole (kutub) Frekuensi, 50 Hz
2 3000
4 1500
6 1000
8 750
10 600
12 500
14 429









b. Perancanaan Mekanikal
• Rugi-rugi head (Head Losses).
Rugi-rugi head (head losses) diberikan oleh faktor:
a) Kerugian karena gesekan saat aliran air melewati trashrack
b) Kerugian gesekan aliran fluida di dalam pipa
c) Kerugian karena turbulensi aliran yang dipengaruhi belokan, bukaan katup, perubahan penampang aliran
Reduksi head losses dapat dilakukan dengan cara :
1) Penggunaan diameter pipa yang lebih besar (harus mempertimbangkan biaya)
2) 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 = P x L x V 2 / 2 x g x D
Dimana:
P = Koefisien gesekan berdasarkan diagram Moody, bilangan Reynolds dan koefisien kekasaran material
L = Panjang penstock (m) g = Percepatan gravitasi (m/s2)
V = Kecepatan rata-rata (m/s) D = Diameter pipa pesat (m)
III. Komponen-Komponen PLTMH

• Diversion Weir and Intake (Dam/ Bendungan Pengalih dan Pembuka)
Dam pengalih yang berfungsi untuk mengalihkan air dari sebuah pembuka dibagian sisi sungai (Intake pembuka) kedalam sebuah bak pengendap (Settling Basin).
• Settling Basin (Bak Pengendap)
Bak pengendap digunakan untuk memindahkan partikel-partikel pasir dari air. Berfungsi untuk melindungi komponen-komponen berikutnya dari dampak pasir.
• Headrace (Saluran Pembawa)
Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan.

• Headtank (Bak Penenang)
Bak penenang berfungsi untuk mengatur perbedaaan keluaran air antara sebuah penstock dan headrace, dan untuk pemisahan akhir kotoran dalam air seperti pasir, kayu-kayuan, dan lain-lain.

• Penstock (Pipa Pesat)
Penstock dihubungkan untuk sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah roda air, turbin. 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.


a) Pemilihan pipa pesat
Perhitungan pipa pesat:
1. Material pipa pesat menggunakan plat baja diroll dan dilas (welded rolled steel). Hat ini dipilih sebagai alternatif terbaik untuk mendaotkan biaya terkecil.
2. Head losses pada sistem pemipaan (Penstock) diasumsikan sekitar 4% terhadap head gross.
3. 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
4. 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.
b) Diameter pipa pesat
Diameter minimum pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan
D = ( 10,3 x N x 2Q x 2L/ Hnet) 0,1875
Dimana:
N = Koefisien kekasaran (roughness)
Q = Debit air sebesar (m3/s)
L = Panjang penstock, (m)
Hnet = Tinggi jatuhan air (Gross Head) (m)

Material Modulus Kelenturan
E (N/m 2 )E9 Panjang Pemuaian a(n/m QC)E6 Kekasaran Material
(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 - 8,1 - 0,011
Cast iron 78,5 10 140 0,014
Dutiie iron 16,7 11 340 0,015
Tabel 5. 2 Material Pipa Pesat
• Saddles Support (Tumpuan Pipa Pesat)
Tumpuan pipa pesat, baik pondasi anchor block, saddle support, berfungsi untuk mengikat dan menahan penstock. Jarak antar tumpuan ditentukan oleh besarnya defleksi maksimum penstock yang diijinkan. Jarak antar tumpuan pipa pesat rata-rata adalah 4 m.
• Rumah Pembangkit
Rumah pembangkit merupakan tempat peralatan elektrikal dan mekanik terpasang. Lokasi rumah pembangkit 150 m dari sisi bendungan. Rumah pembangkit yang berukuran 4 m x 4 m yang sudah dilengkapi dengan ruang operator ini memiliki struktur dengan dinding semen, pada bagian lantai diperkuat struktur pondasi coran beton bertulang dengan lantai menggunakan keramik, dan pondasi dudukan untuk dudukan turbin.


• Transmisi Mekanik

Sistem transmisi mekanik berfungsi meneruskan energi mekanik putaran poros turbin ke generator sekaligus menaikkan putaran sesuai spesifikasi generator. Desain transmisi mekanik PLTMH menggunakan sabuk V, untuk menaikan putaran dari 1400 rpm menjadi 1500 rpm. Sistem transmisi pada sisi turbin dan sisi generator dilengkapi Plummer Block Bearing untuk menumpu poros pulley. Koneksi pulley menggunakan kopling fleksibel.

• Sistem Kontrol
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
Fasilitas 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)

IV. Perencanaan

1) Penentuan Turbin dan Generator

- Turbin yang digunakan adalah Turbin Pleton dengan definisi :
Efisiensi : 0,8 – 0,85
Ns (Kecepatan Spesifik) : 85.49/H0.243
Kecepatan putaran turbin : 1400 – 1500 rpm
Output turbin : P = 9,81 x Q x Hnet x ηTb
P = 9,81 x 50 m3/s x 60 m x 0,8
P = 23544 W = 23,5 kW
- Generator yang digunakan adalah Generator Mecc Alte Spa CT3-LA/4 rating 10 kVA tanpa sikat (Brushless Exitation) dengan definisi :
Efisiensi : 0,8 – 0,85
Kecepatan putaran generator : 1500 rpm
Frekuensi : 50 Hz

2) Perencanan Daya PLTMH

Ph = Q x Hnet x g x η Tb x η Gnr x ηM

Dimana: Ph = Potensi daya Hidrolik (kW)
Q = Debit desain (50 m3/s)
Hnet = Head efektik (60 m)
g = Konstanta grafitasi (9,81 m/s2)
ηTb = Efisiensi turbin Pelton (0,8)
ηGnr = Efisiensi generator (0,8)
ηM = Efisiensi transmisi mekanik (0,95)


Maka: Ph = 50 m3/s x 60 m x 9,81 m/s2 x 0,8 x 0,8 x 0,95
= 17893,44 kW
= 17,9 MW
= 18 MW

3) Penentuan diameter pipa baja

D = ( 10,3 x N x 2Q x 2L / Hnet) 0,1875
= (10,3 x 0,012 x 2(50 m3/s) x 2(20 m) / 60 m) 0,1875
= 0,1545 m
Rugi-rugi karena gesekan selama aliran didalam pipa :
Hfriction = P x L x V2 / 2 x g x D
= 400 x 200 m x (0,6 m/s)2 / 2 x 9,81 m/s2 x 15,45 m
= 9,5

















4) Penentuan Biaya
Deskripsi Jumlah Biaya Total Dana
Peralatan Pembangkit
Turbin Pleton 1 buah Rp. 20.000.000,- Rp. 20.000.000,-
Generator Mecc Alte Spa CT3-LA/4 rating 10 kVA 1 buah Rp. 12.000.000,- Rp. 12.000.000,-

Swichgear/ kontrol 1 unit Rp. 10.000.000,- Rp. 10.000.000,-
Pipa Weleded steel
Ø 0,15 m 20 m Rp. 300.000,- Rp. 24.000.0000,-
Besi beton
Ø 10 mm 50 batang Rp. 33 000,-/ batang Rp. 165.000,-
Besi beton
Ø 16 mm 150 batang Rp. 115.000,-/ batang Rp. 17.250.000,-
Tiang besi 10 buah Rp. 3.000.000,-/buah Rp. 30.000.000,-
Perlengkapan jaringan - Rp. 50.000.000,- Rp. 50.000.000,-
Sub Total Rp. 163.415.000,-
Pekerjaan Sipil
Survei 2 Orang Rp. 3.000.000,- Rp. 2.000.000,-
Semen 150 sak Rp. 50.000,-/ sak Rp. 25.000.000,-
Batu kerikil 10 m3 Rp. 200.000,-/ m³ Rp. 2.000.000,-
Papan cor 50 lembar Rp. 100.000,-/ lembar Rp. 1.200.000,-
Pasir 20 m3 Rp. 250.000,-/ m3 Rp. 5.000.000,-
Batu bata 5000 biji Rp. 300,-/ biji Rp. 1.500.000,-
Pintu bendungan 1 x 0,5 m Rp. 1.500.000,- Rp. 7.500.000,-
Seng 10 lembar Rp. 50.000,-/ lembar Rp. 500.000,-
Mobilitas - Rp. 5.000.000,- Rp. 5.000.000,-
Biaya Variabel - Rp. 10.000.000,- Rp. 10.000.000,-
Pemasangan Jaringan - Rp. 20.000.000,- Rp. 20.000.000,-
Sub Total Rp. 79.700.000,-
Total Rp. 243.115.000,-





5) Penentuan jumlah besar produk yang akan diproduksi

Biaya tetapnya ( FC ) : Rp 400.000,-/ kW
Baiaya variabel ( V ) : Rp 100,-/ kW
Harga jual ( P ) : RP 700,- / kWh
Kapasitas produksi maksimal : 18.000 kW
BEP dalam unit


FC Rp 400.000,-
BEP = --------------- = ------------------------------- = 667 kW
P – V Rp 700,- – Rp 100,-

BEP dalam rupiah

FC Rp 400.000,-
BEP = ------------------ = ---------------------------------------------------
1 – ( TVC/S ) 1 – ( Rp 1.800.000,- / Rp 12.600.000,-)

= Rp 465.000,-


V. Perencanaan Proyek

1) Survei lokasi dilakukan oleh 2 orang.
2) Mobilitas penyaluran alat-alat dan bahan-bahan proyek PLTMH
3) Pembangunan PLTMH yaitu:
- Pembangunan bendungan/ dam
- Pembanguna bak pengendap
- Pembangunan rumah pembangkit
- Pemasangan pipa penstock beserta tumpuan pipa penstock dari bak pengandap ke turbin
- Pemasangan sistem kontrol










Jadwal Pelaksanaan Pembangunan PLTMH



























Gambar Perancangan PLTMH di Desa Onohondro,Nias Selatan