pemanfaatan beda energi pada dam padi pomahan...
TRANSCRIPT
1
PEMANFAATAN BEDA ENERGI PADA
BANGUNAN TERJUN UNTUK PEMBANGKIT
LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (STUDI
KASUS BANGUNAN TERJUN (BPT2-BPT4)
PADA SALURAN IRIGASI PADI POMAHAN, D.I
PADI POMAHAN, DESA PADI, KECAMATAN
GONDANG, KABUPATEN MOJOKERTO) Nama Mahasiswa : Galih Eko Putra NRP : 3107 100 104 Jurusan : Teknik Sipil, FTSP-ITS Dosen Pembimbing :Ir.Abdullah Hidayat,SA.MT Abstrak
Aliran air yang mengalir dari dataran tinggi menuju dataran yang lebih rendah memiliki energi potensial yang bisa dimanfaatkan sebagai sebuah sumber energi baru. Salah satunya adalah aliran air pada bangunan terjun yang terdapat dalam bangunan irigasi. Penerapan teknologi mikrohidro sebagai pembangkit listrik merupakan solusi yang tepat untuk memanfaatkan potensi tersebut. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro dapat dibangun dengan syarat perbedaan ketinggian minimal 2 meter dan debit selalu tersedia, karena yang digunakan hanya energi potensialnya, sehingga debit air masih dapat dimanfaatkan untuk pengairan.
Saluran primer Padi Pomahan yang terletak di desa Padi, Kecamatan Gondang, Kabupaten Mojokerto memiliki 3 bangunan terjun dengan beda elevasi total setinggi 6,31 meter dan debit minimum 0,363 m3/dt. Sehingga dapat dimanfaatkan sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH).
Dengan debit andalan 1,05 m3/dt dari data debit selama 10 tahun dan tinggi efektif sebesar 5,899 meter serta menggunakan turbin Cross Flow T-15 500 maka, kehilangan energi akibat bangunan terjun pada saluran irigasi primer Padi Pomahan berpotensi menghasilkan daya sebesa 43,105 kW dan energi 351.228,24 kWh per tahun yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik sekitar PLTMH.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Desa Padi merupakan salah satu dari beberapa desa yang termasuk wilayah kecamatan Gondang, kabupaten Mojokerto. Desa Padi berada di dataran tinggi yang sejuk. Pada umumnya, sebagian besar mata pencaharian masyarakat adalah petani, di antaranya petani padi, palawija dan sayuran. Untuk mencukupi kebutuhan para petani, di Desa Padi terdapat Dam Padi Pomahan yang berasal dari aliran sungai Pikatan dan berfungsi sebagai pengairan irigasi
Dam Padi Pomahan memiliki Daerah Irigasi seluas 4341 ha yang memiliki beragam bangunan irigasi. Setiap bangunan irigasi tersebut memiliki potensi yang belum termanfaatkan. Salah satunya adalah bangunan terjun, kehilangan energi pada bangunan terjun terjadi akibat adanya perbedaan ketinggian di hulu dan di hilir saluran. Beda ketinggian dan debit yang mengalir akan menghasilkan energi, namun hal ini belum dimanfaatkan. Padahal kehilangan energi tersebut dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik dengan tenaga air.
Saluran primer Padi Pomahan memiliki beberapa bangunan terjun, namun yang dijadikan studi adalah 3 bangunan terjun (BT2-BT4) yang bila dijumlahkan memiliki beda ketinggian ±6,31 meter dan debit yang mengalir terus sepanjang tahun, sehingga menyebabkan kehilangan energi yang cukup besar. Kehilangan energi akibat bangunan terjun yang terdapat pada saluran primer Padi Pomahan dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga mikrohidro, sehingga dapat memberikan nilai tambah pada bangunan terjun tersebut.
Gambar 1.1. Peta Sematik DI Padi Pomahan dan Lokasi Bangunan
Terjun
BT 2
BT 4
BT 3
BT 1
BPA3
BPA2
2
Gambar 1.2. Lokasi Desa Padi
Gambar 1.3. Saluran Primer Padi Pomahan
Mikrohidro memiliki kelebihan dari
energi lain, diantaranya : bersih lingkungan, renewable energi (terbarukan), tidak konsumtif terhadap pemakaian air, mudah dioperasikan, biaya operasi rendah, sesuai untuk daerah terpencil dll. Dengan demikian teknologi mikrohidro merupakan solusi terbaik untuk memanfaatkan kehilangan energi pada bangunan terjun.
1.2 Rumusan Masalah
1. Berapa besar debit andalan yang dapat direncanakan?
2. Berapa besar ketinggian (head) yang dapat dimanfaatkan?
3. Berapa besar angkutan sedimen yang diperbolehkan ?
4. Bagaimana desain bangunan pembangkit yang sesuai untuk PLTMH tersebut?
5. Berapa besarnya daya listrik yang dapat dihasilkan dari bangunan terjun (BT2-BT4) pada saluran irigasi primer Padi Pomahan?
6. Bagaimana analisa ekonomi dari pembangunan PLTMH tersebut?
1.3 Tujuan
1. Dapat diketahui besar debit andalan yang dapat digunakan
2. Dapat diketahui besar ketinggian (head) yang dapat digunakan
3. Dapat diketahui besarnya angkutan sedimen yang diperbolehkan
4. Dapat menentukan desain yang sesuai di lokasi PLTMH tersebut
5. Mengetahui daya listrik yang dihasilkan dari bangunan terjun (BT2-BT4) pada saluran primer Padi Pomahan
6. Dapat diketahui manfaat yang didapat secara ekonomi
1.4 Batasan Masalah
1. Masalah kerusakan saluran yang akan mempengaruhi debit tidak dibahas
2. Tidak dilakukan perhitungan secara detail pada konstruksi sipil hanya sebatas dimensi bangunan
3. Tidak dilakukan perhitungan secara detail pada perangkat pembangkit
4. Perhitungan bangunan pembangkit hanya menghitung satu bangunan saja
5. Tidak merencanakan pendistribusian listrik
1.5 Manfaat
Dengan pembangunan PLTMH, maka kehilangan energi akibat bangunan terjun (BT2-BT4) pada saluran irigasi primer Padi Pomahan dapat termanfaatkan.
Diharapkan hasil dari laporan ini dapat dijadikan sebagai referensi dalam mendesain PLTMH.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Analisa Data
Debit yang tersedia merupakan debit pada saluran irigasi. Pengaruh pola tanam dan alam menyebabkan debit yang terjadi dapat berubah-ubah, namun perubahan yang terjadi tidaklah besar. Sehingga perlu diperhatikan untuk penyesuaian dari pola penggunaan pembangkit listrik ke pola tanam yang berlaku di daearah tersebut.
Debit andalan adalah debit yang dapat diperhitungan untuk keperluan tertentu ( irigasi, air minum, PLTA ) sepanjang tahun dengan resiko yang telah diperhitungkan. Untuk data-data debit pada saluran irigasi sebaiknya minimal selama 10 tahun dan merupakan data terbaru.
Untuk penyajian data akan digunakan analisa statistik sebagai gambaran dari kecenderungan penyediaan debit selama satu tahun. Langkah-langkah yang dilakukan adalah :
1. Merangking data dari urutan yang
terbesar sampai yang terkecil 2. Mencari selisih data terkecil dan
terbesar sebagai jarak data (R) 3. Mencari jumlah data (n) 4. Mencari jumlah kelas data (k) K = 1 + 3,3 log n
5. Mencari kelas interval (i) i = R / k
3
6. Dibagi k kelas dalam jarak interval kelasi i dan disajikan dalam tabel
7. Menghitung banyaknya tiap kelas sesuai dengan intervalnya
8. Menghitung probabilitas tiap kelas dengan perumusan California
P =
(2-1) dimana : P = probabilitas
m = frekwensi komulatif data kelas
n = jumlah data total Selanjutnya data debit tersebut disajikan dalam
bentuk hubungan debit dengan probabilitas yang disebut dengan duration curve. Dalam perencanaan PLTMH debit yang digunakan adalah debit andalan 80%. Yaitu besar debit minimal yang terjadi dalam kurun waktu 80% dari satu tahun.
Dalam penentuan debit andalan perlu diperhatikan mengenai debit minimum yang mampu menggerakkan turbin ini bertujuan agar turbin dapat bekerja sepanjang tahun. Setiap turbin memiliki karakteristik debit minimum yang berbeda-beda yang ditentukan dalam besaran persentase dari debit andalan. 2.2. Perencanaan Kemampuan Tenaga Air
Kapasitas PLTMH ditentukan dari debit yang dialirkan pembangkit dan tinggi jatuh efektif yang ada. Debit yang mengalir yang diambil merupakan debit andalan yang sudah dianalisa sebelumnya. Tinggi jatuh diusahakan semaksimal mungkin berdasarkan kondisi medan, struktur bangunan dan muka air pada saluran dimana PLTMH direncanakan. Sehingga akan didapat daya yang maksimal.
2.2.1. Tinggi jatuh efektif
Tinggi jatuh air efektif diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh air bruto dengan kehilangan tinggi pada saluran air, dapat dirumuskan : Heff = Hbruto – Hlosses (2-2) dimana :
Hbruto = perbedaan tinggi muka air di hulu dan di hilir
Hlosses = tinggi dari tekanan air yang hilang
2.2.2. Daya yang dihasilkan
Daya yang dihasilkan dapat menjadi estimasi awal yang dihitung dari tinggi jatuh efektif , debit andalan dan massa jenis air dan beberapa efisiensi alat. Untuk efisiensi alat tergantung dari jenis turbin yang digunakan, sehingga untuk turbin yang berbeda akan memberikan hasil daya yang berbeda pula.
P = 9,8 x Qandalan x Heff (2-3) dimana :
P = daya yang dihasilkan (kW) Qandalan = debit andalan (m3/dt)
Heff = tinggi efektif (m) (O.F. Patty. “Tenaga Air”, Erlangga,
Jakarta, 1995) 2.3. Perencanaan Bangunan Pembangkit
2.3.1. Perhitungan muka air
Penggunaan grafik hubungan kedalaman muka air dengan debit yang disebut dengan rating curve dapat digunakan untuk menentukan tinggi muka air. Namun perlu diketahui kecepatan saluran rata-rata, yang dapat diketahui dari luas penampang basah dan debit yang mengalir.
Q = V x A (2-4) A = (b+zh)h (2-5) V =
(2-6)
Q =
x (b+zh)h (2-7) dimana : A `= luas penampang basah (m3) b = lebar dasar saluran (m) z = kemiringan tebing h = kedalaman muka air (m) Q = debit dalam saluran (m3/detik) v = kecepatan aliran air (m/detik)
Dari rating curve dapat diketahui beberapa muka air yang nantinya akan digunakan dalam perhitungan maupun menjadi batasan muka air.
2.3.2. Perencanaan bangunan pengatur
tinggi muka air
Bangunan pengatur tinggi muka air terletak melintang pada saluran dan berada di depan pintu pengambil debit/ intake. Bangunan ini berfungsi untuk mengatur tinggi mukai air di saluran depan intake sehingga debit yang masuk intake sesuai dengan perencanaan yaitu debit andalan. Bangunan pengatur tinggi muka air direncanakan dengan skot balok. Skot balok diletakkan melintang saluran setinggi rencana dan debit yang berlebih akan melimpah melalui atas balok ke saluran.
2.3.3. Perencanaan saluran pengarah
Saluran pengarah digunakan untuk mengarahkan air yang akan masuk menuju ke saluran terbuka PLTMH, saluran tersebut direncanakan merupakan saluran terbuka berbentuk persegi yang mengalirkan debit sebesar debit andalan. Direncanakan : Q = v x A (2-8) Q =
(2-9)
(O.F. Patty. “Tenaga Air”, Erlangga, Jakarta, 1995) Dimana : Q = debit (m3/dt) v = kecepatan aliran (m/dt) A = luas penampang (m2) R = jari-jari hidrolis (m)
4
S = kemiringan dasar saluran n = koefisien kekasaran manning 2.3.4. Perencanaan pintu pengambilan
(intake)
Pintu pengambilan (intake) berfungsi untuk memasukkan debit rencana dari saluran. Pintu intake direncanakan dengan tipe pintu pengambilan aliran tidak tenggelam. Rumus yang digunakan :
Q = (2-10)
Dimana :
Q = debit aliran (m3/dt) μ = koefisien debit = 0,8 b = lebar pintu (m) h = tinggi bukaan pintu (m) z = selisih tinggi muka air di
hulu dan hilir pintu akibat kehilangan energi
2.3.5. Perencanaan pelimpah samping
Dalam perencanaan untuk mendapatkan debit rencana akan digunakan pelimpah samping untuk mengalihkan kelebihan debit yang tidak digunakan. Pelimpah samping dibuat di saluran existing untuk mendapatkan debit rencana.
Metode numeris didasarkan pada cara pemecahan masalah analitis yang diperkenalkan oleh Marchi. Debit rencana pelimpah harus sebesar 50% dari kapasitas maksimum bangunan di sebelah hilir pelimpah, sehingga :
Qpelimpah = 50% x Qrencana (2-11) dimana:
Qpelimpah = debit rencana pelimpah samping Qrencana = debit andalan
Nilai debit yang melimpah didapat
dengan mengetahui debit tiap segmen sejarak Δx yang dihitung dari sebelah hilir ke hulu bangunan pelimpah. Koefisien debit untuk mercu pelimpah harus diambil 5% lebih kecil daripada koefisien untuk mercu tegak.
Gambar 2.1 Sketsa definisi untuk saluran dengan pelimpah samping
(2-12) (2-13) (2-14)
(2-15)
Dengan cara yang sama dapat disusun dalam tabel dengan nilai Q0 dan h0 diganti dengan nilai Qx dan hx perhitungan sebelumnya.
2.3.5. Perencanaan bangunan ukur
Bangunan ukur diperlukan untuk mengukur banyaknya debit air yang akan digunakan sebagi PLTMH. Bangunan ukur direncanakan mampu mengukur sampai debit minimum. Direncanakan menggunakan bangunan ukur tipe drempel dengan perhitungan sebagai berikut :
Q = (2-16)
=
(2-17)
=
(2-18)
L = 1,95 (2-19) r = 0,2 (2-20)
Gambar 2.2 Bangunan ukur Drempel
2.3.6. Analisa Sedimen
Dalam perencanaan PLTA salah satu yang perlu diperhatikan adalah sedimen yang diijinkan masuk melewati turbin. Batasan diameter sedimen ditentukan menurut jenis PLTA yang akan direncanakan yaitu:
0,2 – 0,5 mm untuk PLTA tekanan rendah 0,1 – 0,2 mm untuk PLTA tekanan sedang 0,01 – 0,05 mm untuk PLTA tekanan tinggi
(O.F. Patty. “Tenaga Air”, Erlangga, Jakarta, 1995)
Jadi air yang dimanfaatkan untuk PLTMH
maksimum memiliki diameter butiran sedimen sebesar 0,5 mm, karena PLTMH termasuk pada kategori PLTA tekanan rendah.
2.3.7. Perencanaan bak pengendap
Bak pengendap diperlukan apabila besarnya dimensi butir sedimen yang terangkut pada saluran existing lebih besar daripada dimensi butir sedimen maksimum yang diijinkan. Hal ini perlu diperhatikan untuk melindungi turbin dari kerusakan akibat sedimen. Untuk mengetahui ukuran butir sedimen yang terkandung dalam aliran didapat dengan mengambil
5
sampel sedimen pada saluran yang ditinjau. Setelah didapat ukuran butir sedimen yang terkandung, langkah berikutnya adalah mencari kecepatan jatuh sedimen (ω).
Gambar 2.3 Grafik kecepatan turun butir
Perhitungan dimensi bak penyaring digunakan perumusan Welikanov yaitu : Panjang bak pengendap
(L)=
(2-21) Lebar Bak Pengendap (B)=
(2-22)
Volume Bak (V) = L x B x h (2-23) Kontrol : Waktu turun butir (t) =
(2-24)
Volume Bak (V) = Q x t (2-25)
(O.F.Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995) dimana:
L = Panjang bak pengendap (m) B = Lebar bak pengendap (m) = Kecepatan turun butir (m/dt) Q = Debit rencana (m3/dt) h = tinggi muka air dalam bak (m) umumnya diambil sebesar 1,5-4 meter λ = didapat dari grafik Welikanov
Gambar 2.4 Grafik Welikanov
v = kecepatan aliran air dalam bak (m/detik) kecepatan air tidak boleh melebihi kecepatan kritis, yaitu kecepatan yang akan menyeret butir sedimen yang telah mengendap pada dasar bak, menurut Camp adalah :
(2-26)
dimana : d = diameter butir (mm) a = 36 bila d > 1 mm
44 bila 1 mm > d > 0,1 mm 51 bila d < 0,1 mm
2.3.8. Perencanaan kantong pasir
Kantong penangkap pasir merupakan bagian dari bak pengendap sedimen yang berfungsi untuk menampung endapan sedimen yang mengendap dalam bak pengendap sedimen. Rumusan yang digunakan dalam perencanaan dimensi kantong pasir adalah:
A = b.h (2-27)
(2-28)
dimana:
A = luas penampang basah saluran (m2) b = lebar dasar saluran (m) h = ketinggian muka air (m) v = kecepatan aliran air (m/detik) i = kemiringan kantong pasir
Agar pembilasan dapat dilakukan dengan baik maka kecepatan harus tetap dijaga dalam kondisi sub kritis.
(2-29)
Dari diagram Camp efisiensi
kantong lumpur untuk berbagai diameter sedimen dapat ditentukan, dengan panjang (L) dan kedalaman air rencana (h), serta kecepatan bak pengendap (v) , maka kecepatan endap rencana dapat disesuaikan:
(2-30)
Untuk menghitung efisiensi
pembilasan dapat digunakan grafik efisiensi pembilasan.
Gambar 2.5. Grafik efisiensi pembilas
2.3.9. Perencanaan periode pengurasan
Secara periodik bak penyaring harus dibersihkan dari bahan endapan dan
6
pekerjaan ini tidak boleh menghalangi kegiatan PLTMH. Hal ini dapat dilakukan dengan cara:
Menggunakan lebih dari satu bak Bak dibersihkan tetapi air tetap jalan Memakai saluran samping
Untuk menghitung volume sedimen yang tekandung dalam aliran, maka diambil sampel dari saluran. Dari hasil uji laboratorium didapat kandungan sedimen per liter dan Gs, sehingga diketahui volume sedimen per hari.
Untuk mengetahui volume tampungan kantong pasir digunakan rumus: V =
(2-31) dimana:
V = volume kantong pasir (m3) b = lebar dasar kantong pasir (m) L = panjang kantong pasir (m) is = kemiringan dasar kantong pasir is = kemiringan dasar bak pengendap
Dengan demikian periode pengurasan didapat dengan rumusan:
(2-32)
2.3.10. Perencanaan Pipa Pesat
Pipa pesat adalah suatu pipa tekan yang berfungsi untuk mengalirkan air dari forebay atau langsung dari head race tunnel ke turbin. Selain itu juga untuk menjaga besarnya debit yang mengalir agar tetap konstan. Saluran pipa tekan adalah nama umum untuk dasar terowongan yang digunakan menempatkan pipa pipa pesat dan blok angker yang akan menahan pipa pesat tersebut.
Dalam perencanaan pipa pesat ini hal – hal yang perlu diperhatikan adalah:
a. Diameter pipa pesat b. Tebal pipa pesat c. Posisi pengambilan d. Tegangan – tegangan yang
terjadi pada pipa pesat a. Perencanaan diameter pipa pesat
Untuk menghitung diameter pipa pesat digunakan perumusan USBR. Dari perumusan USBR didapat bahwa kecepatan air yang melalui pipa pesat adalah :
(2-33) (O.F. Patty. “Tenaga Air”, Erlangga, Jakarta,
1995) dimana :
v = kecepatan aliran (m/dt) g = percepatan gravitasi (m/dt²) Heff = tinggi jatuh efektif (m) Kecepatan dalam pipa pesat diambil
2 – 3 m/detik. Sehingga dengan kecepatan awal yang
ditentukan didapat diameter pipa pesat:
(2-34)
dimana: D = diameter pipa pesat USBR
Qandalan = debit andalan (m3/dt) v = kecepatan aliran (m/dt)
Diameter pipa yang didapat disesuaikan dengan diameter yang tersedia di pasar.
Selanjutnya diameter tersebut, disesuaikan dengan nilai kecepatan aliran air dalam pipa pesat yaitu dengan rumus :
(2-35) dimana:
v = kecepatan aliran dalam pipa pesat (m/dt) Q = debit rencana (m3/dt)
A = luas penampang pipa (m2) D = diameter (m)
b. Perencanaan tebal pipa pesat
Dalam penentuan tebal pipa pesat diperhitungkan gaya akibat tekanan air dalam pipa yang arahnya tegak lurus aliran air. Perhitungan pipa pesat dirumuskan :
o .
(2-36)
(O.F. Patty. “Tenaga Air”, Erlangga,
Jakarta, 1995) dan Po adalah:
o γ . Heff (2-37) dimana :
δ = Tebal pipa pesat (m) Po = Tekanan yang terjadi pada
pipa (kg/m2) Γ = massa jenis air (kg/m³) d = Diameter pipa (m) φ = Koefisien kekuatan sambungan
las (0,9) σbaja = tegangan ijin baja (kg/m2)
Tebal pipa harus ditambah sekitar 1
– 3 mm untuk cadangan karena karat pada pipa. Syarat minimum tebal pipa perlu
diperhatikan dimana : Sampai dengan diameter 0,8
m .... 5 mm Sampai dengan diameter 1,5
m .... 6 mm Sampai dengan diameter 2,0
m .... 7 mm (O.F. Patty. “Tenaga Air”, Erlangga,
Jakarta, 1995)
7
c. Perencanaan posisi pengambilan
Aliran air pada saluran terbuka menuju ke saluran pipa jika tidak memiliki kedalaman yang cukup, maka bisa terjadi pusaran air. Pusaran air ini akan menyebabkan adanya gelembung udara yang masuk pipa dan akan mengganggu kinerja turbin. Sehingga perlu direncanakan jarak antara muka air dengan pipa.
Jarak muka air dengan posisi pipa pesat disebut dengan minimum operational level (MOL).
Menurut O.F.Patty, untuk menghitung MOL, maka jarak MOL diukur dari sisi atas pipa dengan rumusan:
(2-38)
Karena bentuk mulut pengambilan pipa didesain stream line, rumusan yang digunakan menjadi:
(2-39)
(O.F.Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995)
dimana : MOL = Minimum operational level (m) D = diameter pipa pesat (m) v = kecepatan di saluran(m/detik) g = percepatan gravirasi (m/detik2)
Karena terjadi perubahan nilai debit
sepanjang tahun maka nilai muka air sepanjang tahun juga akan berubah. Sehingga sebagai acuan menggunakan muka air dengan debit minimum.
d. Tegangan yang terjadi pada pipa
pesat
d.1. Perletakan
Pada perletakan akan terjadi momen maksimum karena berat dari pipa dan air sepanjang jarak dari perletakan. Sehingga dari perencanaan diusahakan agar nilai dari jarak perletakan tidak akan memberikan tegangan yang melebihi tegangan ijin baja. Momen maksimum pada pipa diambil sebesar :
s ) . ( (2-40)
Dengan : s .π{( δ)² - ²} . γbaja
Gw = .π . ². γw
Gambar 2.6. Skema perletakan pipa pesat baja (O.F.Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995) dimana : M = momen maksimum (kgm) b = jarak perletakan (m) Gs = berat pipa sepanjang b (kg/m) γw = massa jenis air 1000 (kg/m³)
Gw = berat air sepanjang b (kg/m) γbaja = massa jenis baja 7850 (kg/m³) P = sudut kemiringan
Momen perlawanan potongan pipa adalah :
δ)
( )
δ)
(2-41)
(O.F.Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995) dimana :
S = momen perlawanan (cm3) I = momen Inersia pipa (cm4) D = diameter pipa (cm) δ = tebal pipa pesat (m)
Tegangan yang terjadi pada pipa adalah:
(2-42)
d.2. Perubahan temperatur
Tegangan ini terjadi akibat perubahan suhu yang timbul dari pipa, dan bila pipa tersebut terikat pada dua blok angker dan tidak mempunyai sambungan muai, maka tegangan yang terjadi dirumuskan dengan :
σ . λ . t σ (2-43)
(O.F.Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995)
dimana : E = modulus elastis baja (2,1x106 kg/cm2)
λ = 1,2 . 10-5/°C t = perubahan temperatur
d.3. Pergeseran pipa dan perletakan
Perubahan temperatur menyebabkan pipa akan berubah menjadi lebih panjang atau pendek yang menimbulkan pergerakan (bergeser) pada perletakannya.
8
Gaya geser maksimum terjadi bila benda pada keadaan hendak bergerak dan selama bergerak. Perumusan yang digunakan adalah :
σ
. a
(2-44)
( s ) (2-45)
π (2-46)
a . s n
(2-47)
Ѳ = 0,5 sudut perletakan
Gambar 2.7. Titik tangkap gaya geser (O.F.Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995) dimana :
F = gaya geser pada perletakan (kg) f = koefisien gesek pipa A = luas tebal pipa (m2) a = titik tangkap gaya geser (m) S = momen perlawanan (kgm) D = diameter pipa (m) δ = tebal pipa pesat (m) R = jari – jari pipa (m)
Untuk penentuan koefisien gesekan dapat dilihat
pada tabel dibawah ini:
Tabel 2.1 Nilai koefisien gesek (O.F. Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995)
d.4. Berat pipa kosong
Karena pipa miring menekan pada blok angker, sehingga penampang pipa di tempat ini mendapat tegangan tekan. Perumusan tegangan yang dipakai adalah :
σ s δ
(2-48) (O.F.Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995)
dimana :
Gs = berat pipa sepanjang b (kg/m) δ = tebal pipa (m) D = diameter pipa (m) β = sudut kemiringan
d.5. Expantion joint
Tekanan air mengakibatkan gaya tekan pada expantion joint, yaitu pada alat sambungan. Perumusan tegangan ini adalah :
σ δ
a π e
δ
a eδ
(2-49) (O.F. Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995)
Gambar 2.8. Gaya pergesekan pada pipa di bangunan muai
dimana :
f = faktor koefisien diambil sebesar 0,25 e = lebar packing Pa tekanan a r γw .Heff (kg/m2) δ = tebal pipa (m)
d.6. Gaya tekan pada pipa sambungan
Perumusan tegangan yang diakibatkan gaya ini adalah :
σ
δ
(2-50)
(O.F.Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995)
Gambar 2.9. Gaya tekan air pada bagian muai
dimana : Pa = tekanan air γ w .Heff (kg/m2) δ(bruto) δ(netto) (m) δ(netto) = tebal pipa (m)
2.3.12. Perencanaan Turbin
Turbin merupakan penyalur energi potensial air yang dialirkan pada ketinggian tertentu dengan mengubah tekanan air menjadi putaran turbin yang berupa energi kinetik, selanjutnya menggerakkan poros generator dan menghasilkan energi listrik.
Pipa Perletakan Koefisien Gesek
Baja Beton/pasangan batu 0,45 – 0,5 Besi Cor Beton 0,5 – 0,75 Baja Baja (tanpa pelicin) 0,3 – 0,5 Baja Baja (dilicin dengan grafit) 0,2 – 0,22 Baja Baja (dilicin dengan gemuk) 0,12 – 0,15 Memakai roda (rol) diatas baja 0,05 – 0,1
9
Secara umum turbin dapat digolongkan menjadi dua kelompok yaitu :
1. Turbin Impuls
Turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial, tekanan, kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin. Turbin impuls paling sering digunakan pada aplikasi turbin tekanan sangat tinggi. Yang termasuk jenis turbin ini antara lain : Turbin Pelton dan Turbin Cross-Flow.
Gambar 2.10. Turbin Pelton dan Turbin Cross-flow
2. Turbin Reaksi
Turbin reaksi digerakkan dengan air, yang merubah tekanan sehingga melewati turbin dan menaikkan energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau mereka harus sepenuhnya terendam dalam aliran air. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. Yang termasuk jenis turbin reaksi antara lain : Turbin Francis, Turbin Kaplan, Turbin Propeller.
Gambar 2.11. Turbin Kaplan dan Turbin Francis
a. Pemilihan jenis turbin
Dalam penentuan pemilihan jenis turbin yang digunakan, maka hal yang perlu diperhatikan adalah besarnya tinggi jatuh efektif dan debit rencana. Untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro bisa menggunakan berbagai macam jenis turbin dengan kapasitas yang disesuaikan. Pemilihan jebis
turbin berdasarkan tinggi jatuh efektif dan jumlah debit :
Head yang rendah (h<40 m) tetapi debit air besar, maka turbin Kaplan atau Propeller cocok digunakan pada kondisi ini.
Head yang sedang (30<h<200 m) dan debit relatif cukup, maka digunakan turbin Francis atau Cross Flow.
Head yang tinggi (h>200 m) dan debit sedang, maka digunakan turbin Pelton.
b. Putaran spesifik dan putaran jenis turbin
Semenjak generator digunakan dan turbin digabungkan, rata – rata kecepatan dari turbin sama dengan kecepatan generator yang dinyatakan dengan :
(2-51)
(2-52) ( Lal, Jagdish, 1975 ) dimana: Ns = putaran spesifik turbin (rpm) N = putaran jenis turbin (rpm) P = daya listrik (HP) Heff = tinggi jatuh efektif (m) f = frekuensi p = nomor dari pasangan katup generator
Kecepatan turbin ditentukan oleh kecepatan generator yang digunakan. Hal ini merupakan ketentuan dasar pengguna turbin .
Daftar standar kecepatan putar
sinkron generator seperti tabel dibawah ini:
Tabel 2.2 standar kecepatan sinkron Jml.Katup 50 (Hz) 60 (Hz)
6 1000 1200 8 750 900 10 600 720 12 500 600 14 429 514 16 375 450 18 333 400 20 300 360 24 250 300 28 214 257 32 188 225 36 167 200 40 150 180 48 125 150 56 107 129 64 94 113 72 83 100 80 75 90 88 68 82
10
2.4. Estimasi Kehilangan Energi
Estimasi kehilangan energi / head losses ini dipergunakan untuk mengontrol kehilangan energi yang terjadi selama air melalui bangunan pembangkit yang telah direncanakan. Kehilangan energi dapat terjadi akibat perubahan penampang pipa, gesekan sepanjang pipa, entrance maupun belokan pada pipa pesat.
2.4.1. Kehilangan energi karena saringan kasar
Saringan kasar digunakan untuk menghindarkan sampah maupun benda-benda lain yang ikut dalam aliran air yang berpotensi menyumbat pipa pesat dan mengganggu kerja turbin. Saringan akan mengurangi energi yang tergantung dari profil, jarak dan sudut kemiringan yang digunakan. Sehingga dapat digunakan perumusan :
(2-53)
(O.F. Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995) dimana : Hr = Kehilangan energi sepanjang pipa ( m ) θ = Koefisien profil s = Lebar profil dari arah aliran (m) b = Jarak antar profil saringan ( m ) v = Kecepatan aliran ( m/dt ) g = Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt² α = Sudut kemiringan saringan
Gambar 2.12. Posisi dan bentuk profil saringan
Tabel 2.3 Nilai koefisien profil saringan
2.4.2. Kehilangan energi pada entrance
Perumusan yang digunakan untuk menghitung kehilangan energi pada entrance ialah :
(2-54)
(R.S. Varsney,”Hidro Power Structure”, 2nd edition, New Chand & Brosoorkee,1977)
dimana : He = Kehilangan energi pada entrance ( m ) Ke = Koefisien bentuk mulut entrance Δv = Selisih kecepatan sebelum dan sesudah entrance ( m/dt ) g = Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt²
Nilai dari koefisien masukan dari bentuk mulut entrance dapat dilihat dibawah ini:
Tabel 2.4 Nilai koefisien bentuk entrance
2.4.3.Kehilangan energi karena gesekan
sepanjang pipa
Pada dinding-dinding pipa terdapat gesekan yang dapat memperkecil energi. Besarnya kehilangan energi selain dari panjang pipa juga tergantung dari nilai lainnya. Sehingga diambil rumusan:
(2-55)
(Ir. Angrahini M.Sc, “Hidrolika”) dimana : Hf = Kehilangan energi sepanjang pipa ( m ) F = Koefisien gesek pipa v = Kecepatan pada pipa ( m/dt ) g = Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt² D = Diameter pipa ( m ) Untuk menentukan nilai f ( koefisien gesek ) dapat digunakan diagram moddy. Sebelum menentukan harga f terlebih dahulu harus dicari angka Reynold ( Re ) dari aliran tersebut yang dapat dirumuskan;
, dan koefisien
kekasaran bahan ( ε ).
Gambar 2.13. Diagram koefisien gesek
Dalam hal ini angka kekasaran bahan diambil 46. 10-6 m. v adalah viskositas yang harganya tergantung dari suhu air yang ada. Dalam perhitungan ini dianggap bahwa suhu air adalah 25° C sehingga harga viskositas kinematisnya 0,89.10-6 m²/dt.
profil A B c d e F g
Φ 2,42 1,83 1,67 1,03 0,92 0,76 1,79
No. Entrance Condition Loss Condition Ke
Max. Min. Average
1 Gate in thin wall unsuppressed
contraction 1.80 1.00 1.50
2 Gate in thin wall-bottom and side
suppressed 1.20 0.50 1.00
3 Gate in thin wall-corners rounded 1.00 0.10 0.50
4 Square cornered entrances 0.70 0.40 0.50
5 Stighly rounded entrances 0.60 0.18 0.25
6 Fully rounded entrance r/D ≥ 0.15 0.27 0.08 0.10
7 Circular bellmouth entrances 0.10 0.04 0.05
8 Square bellmouth entrances 0.20 0.07 0.16
9 Inward projecting entrances 0.93 0.56 0.80
Sumber :(R.S. Varsney,”Hidro Power Structure”, 2nd edition, New Chand & Brosoorkee,1977)
Sumber :(O.F. Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995)
11
2.4.4.Kehilangan energi akibat belokan pipa
Pada bagian-bagian tertentu terdapat belokan pipa yang bertujuan untuk menyesuaikan dengan kontur maupun geometri dari tempat pemasangan pipa pesat. Kehilangan energi pada bagian ini dapat dirumuskan :
(2-56)
( Ir. Angrahini M.Sc, “Hidrolika”) dimana : Hl= Kehilangan energi karena belokan pipa ( m) V = Kecepatan aliran pada pipa ( m/dt ) g = Gravitasi bumi ( 9,81 m/dt² ) Kb = Koefisien kehilangan energi yang nilainya tergantung seperti pada dibawah ini
Tabel 2.5 Nilai koefisien pada belokan
2.5. Perhitungan Energi Listrik
Perhitungan energi listrik didapat dari besarnya daya listrik dikalikan dengan waktu. Besarnya daya listrik tergantung dari tinggi jatuh yang ada, debit serta head losses yang terjadi.
E = ηtot . P . t (2-57) = ηt . ηg . ηtr . g . Q . Heff . t (2-58)
(O.F. Patty.“Tenaga Air”,Erlangga,Jakarta, 1995) dimana : E = Energi Listrik ( KWH ) P = daya yang dihasilkan generator ( KW ) ηt = effisiensi turbin ηg = effisiensi generator ηtr = effisiensi transformator g = gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt² Q = Debit ( m³/dt ) Heff = Tinggi jatuh efektif ( m ) t = waktu ( jam )
Gambar 2.14. Grafik perbandingan debit dan efisiensi turbin (Sumber : Haimerl, L.A., 1960)
2.6. Analisa Perhitungan Ekonomi
Analisa ekonomi dihitung dari harga satuan listrik per kWh dan nilai kelayakan investasi sebuah pembangkit bila sudah dioperasikan secara kontinyu.
2.6.1. Harga satuan listrik
Harga satuan listrik bergantung pada besar biaya dan besar daya yang mempu dihasilkan selama satu tahun. Besarnya investasi berasal dari modal sendiri dan peminjaman dari bank yang nantinya akan dikembalikan dalam jangka waktu tertentu dengan nilai suku bunga tertentu. Biaya per tahun berasal dari biaya operasional dan biaya perawatan selama satu tahun.
Dalam perhitungan harga satuan listrik, hal yang perlu diperhatikan adalah efisiensi penyerapan listrik oleh konsumen. Efisiensi penyerapan listrik oleh konsumen adalah besarnya listrik yang mampu dinikmati oleh konsumen dibagi dengan besarnya energi listrik yang dihasilkan dari pembangkit. Besarnya nilai efisiensi penyerapan didapat dari pola pemakaian listrik pada suatu daerah tertentu.
Biaya per kWh didapatkan dari rumusan: Biaya pengembalian pinjaman per tahun : = (CRF) x (Biaya Pembangunan) (2-59)
Biaya pengeluaran per tahun: = (biaya pengembalian pinjaman) x (biaya operasional dan perawatan) (2-60)
Energi per tahun: =(efisiensi jaringan)x(energy kom) x(total hari) (2-61)
Biaya per kWh:
(2-62)
2.6.2. Metode NPV (Nett Present Value)
Metode NPV adalah salah satu metode untuk menghitung kelayakan suatu proyek pembangunan untuk direalisasikan. Prinsip metode NPV adalah menghitung selisih antar nilai sekarang investasi dengan nilai sekarang penerimaan kas bersih dan nilai sisa di masa yang akan dating. Untuk menghitung nilai sekarang dari penerimaan kas bersih dan nilai sisa bergantung pada besarnya tingkat bunga yang ditetapkan. Apabila nilai dari selisih tersebut positif, maka proyek layak untuk direalisasi. Namun bila nilai dari selisih di atas negative, maka proyek tersebut tidak layak untuk direalisasikan.
BAB III
METODOLOGI
Metode yang dipakai dalam studi ini berdasarkan pada beberapa pokok pikiran, teori, dan rumusan empiris yang ada pada beberapa literatur yang diharapkan dapat memperoleh cara untuk mendesain
Bentuk belokan
Harga koefisien kehilangan tinggi energi
r/D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Kb 0,30 0,16 0,12 0,11 0,09 0,09 0,08 0,08
Sumber : (Ir. Angrahini M.Sc, “Hidrolika”)
D
(b)
R
12
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro yang tepat. Adapun langkah-langkah yang akan dilakukan adalah sebagai berikut :
3.1. Survey Pendahuluan
Survey pendahuluan dilakukan untuk mengetahui dan mengidentifikasi seluruh permasalahan yang ada di lapangan sehingga dapat mengambil langkah-langkah selanjutnya. Survey pendahuluan dapat dilakukan dengan cara :
o Meninjau daerah studi Hal ini dilakukan untuk mengetahui kondisi sebenarnya daerah yang akan digunakan untuk studi.
o Wawancara petugas dan warga sekitar tentang kondisi dan sejarah bangunan irigasi
Langkah ini dilakukan untuk mengetahui lebih jelas dan lengkap mengenai daerah studi.
3.2. Studi Literatur
Studi literatur ini dilakukan sebagai acuan untuk mengetahui langkah-langkah yang pernah dilakukan atau terkait dengan studi, agar mendapatkan acuan yang tepat dalam penyusunan Tugas Akhir ini. Bahan acuan didapat dari berbagai buku dan sumber referensi lain yang mendukung.
3.3. Pengumpulan Data
Pengumpulan data dilakukan untuk menyelesaikan permasalahan yang ada di daerah studi. Adapun data-data tersebut adalah :
o Skema DI Padi Pomahan
Digunakan untuk mengetahui pembagian saluran irigasi Padi Pomahan dan mengetahui letak saluran yang digunakan untuk studi.
o Data debit minimal 10 tahun pada saluran irigasi
Digunakan untuk mengetahui berapa besar debit andalan yang dapat dihasilkan.
o Data elevasi saluran
Digunakan untuk mengetahui elevasi saluran yang di tinjau.
o Data dimensi saluran dan bangunan terjun
Digunakan untuk mengetahui dimensi saluran yang di tinjau dan detail bangunan terjun.
o Kondisi Existing
Digunakan untuk mengetahui kondisi daerah studi, yang mempengaruhi desain dan komponen-komponen mikrohidro yang dibutuhkan seperti bangunan intake, pipa pesat, bangunan pembangkit dll.
3.4. Analisa Data dan Proses Perhitungan
Tahapan analisa data dan proses perhitungan yang meliputi : o Analisa debit andalan
Analisa debit andalan meliputi perhitungan debit andalan yang dapat dipakai untuk PLTMH ( Lihat pada bab II – 2.1).
o Menghitung kemampuan tenaga air Kemampuan tenaga air dihitung untuk mengetahui daya yang dihasilkan ( Lihat pada bab II – 2.2 ).
o Menentukan desain dan merencanakan bangunan pembangkit
Kegiatan ini meliputi perhitungan dan perencanaan pipa pesat, turbin, serta estimasi head losses yang terjadi (Lihat pada bab II – 2.3).
o Menghitung besarnya kehilangan energi Pada praktek di lapangan, head yang tersedia mengalami kehilangan energi. Kehilangan energi yang diperhitungkan antara lain : kehilangan energi akibat entrance, kehilangan energi akibat gesekan sepanjang pipa, kehilangan energi akibat belokan pipa ( Lihat pada bab II – 2.4 ).
o Menghitung produksi listrik yang dapat dihasilkan
Dari data-data yang sudah diolah akan dapat dihitung produksi listrik yang dihasilkan dari perencanaan PLTMH ini ( Lihat pada bab II – 2.5 ).
o Menghitung perhitungan ekonomi Untuk mengetahui apakah pembuatan PLTMH tersebut layak untuk dilaksanakan ( Lihat pada bab II – 2.6 ).
3.5. Kesimpulan dan Saran
Merupakan hasil dari analisa data, perencanaan dan jawaban atas permasalahan yang ada.
13
Meliputi :- Bangunan Intake - Saluran Pengarah (Head Race)- Bak Pengendap (Settling Basin)- Bak Penenang (Forebay)- Pipa Pesat (Penstok)- Turbin dan Generator
3.6. Diagram Alir
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Analisa Debit
Data yang akan digunakan dalam analisa merupakan data debit 10 harian selama 10 tahun. Langkah – langkah yang akan diambil adalah:
1. Merangking data dari yang terbesar sampai terkecil
2. Mencari selisih data terkecil dan terbesar sebagai jarak data (R) R= 4,332 – 0,363 = 3,959 m3/detik
3. Mencari jumalah data yaitu n = 360 4. Mencari jumlah kelas data (k)
1 + 3,3 log n = 1+ 3,3 log 360 = 9,436 ≈ 9 5. Mencari kelas interval (i)
i = R / k = 3,959 / 9 = 0,4399 ≈ 0,440 6. Dibagi 9 kelas dalam jarak interval kelas
0,440 7. Menghitung banyaknya data tiap kelas sesuai
dengan intervalnya 8. Menghitung probabilitas tiap kelas dengan
perumusan California
dimana : P = probabilitas m = frekwensi komulatif data kelas n = jumlah data total
Gambar 4.1. Duration Curve untuk mencari debit andalan
Untuk mendapatkan nilai debit andalan akan
diambil 80% yaitu pada letak debit 1,050 m3/dt. Nilai terkecil yang masih sanggup menggerakan turbin mikrohidro yang dipakai yaitu Cross Flow T15 adalah nilai 20% dari debit andalan, yaitu : Qmin = 20% x 1,050 = 0,210 m3/dt Dari data debit diketahui debit minimal adalah 0,363 m3/dt. Sehingga debit rencana dapat digunakan untuk pembangkit listrik mikrohidro sepanjang tahun dengan turbin Cross Flow T 15. 4.2 Perencanaan Kapasitas Tenaga Air
Kapasitas daya ditentukan oleh debit yang mengalir dalam saluran dan tinggi jatuh yang ada.
4.2.1. Tinggi jatuh efektif Tinggi jatuh efektif didapat dengan
memperhitungkan kehilangan energi. Dalam perencanaan awal akan diambil kehilangan energi sebesar 10% dari tinggi bruto sebagai asumsi awal. HBruto =elevasi upstream BT 2 – elevasi downstream BT 4 = (±297,52) – (±291,21) = 6,31 m Hlosses = 10% x HBruto
= 10% x 6,31 = 0,631 m
Sehingga perkiraan awal tinggi jatuh efektif akan diperoleh sebesar
Heff = HBruto - Hlosses
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
De
bit
(m3/d
t)
Probabilitas (%)
Duration Curve
1,050 Q80
Gambar 3.1. Flow Chart Pengerjaan Tugas Akhir
NO
YES
Tabel 4.1. Rekapitulasi data debit dalam 10 tahun Interval (m
3/dt)
Nilai Tengah
Frekuensi Frekuensi Komulatif
Probabilitas (%)
4,332 - 3,882 4,102 6 6 1,667
3,881 - 3,441 3,661 11 17 4,722
3,440 - 3,000 3,220 22 39 10,833
2,999 - 2,559 2,779 39 78 21,667
2,558 - 2,118 2,338 39 117 32,500
2,117 - 1,677 1,897 43 160 44,444
1,676 - 1,236 1,456 52 212 58,889
1,235 - 0,795 1,015 82 294 81,667
0,794 - 0,354 0,574 66 360 100,000
14
= 6,31 – 0,631 = 5,679m dimana : Heff = tinggi jatuh efektif Hbruto = tinggi bruto Hlosses = tinggi kehilangan energi
4.2.2. Daya yang dihasilkan Dari data debit andalan (gambar 4.1) dan
tinggi jatuh efektif akan didapat daya yang dihasilkan.
P = 9,81 x Qandalan x Heff
= 9,81 x 1,05 x 5,679 = 58,497 kW = 78,4 HP dimana: P = daya yang dihasilkan generator (kW) Qandalan = debit andalan (m3/dt) Heff = tinggi efektif (m)
4.3. Perencanaan Bangunan Pembangkit
4.3.1. Perhitungan muka air
Dari data existing di lapangan dapat dihitung tinggi muka air saat debit rencana yaitu sebesar debit andalan. Diketahui :
Lebar dasar saluran (B) = 6 meter Kemiringan dasar saluran (S) = 0,000367 Koefisien manning (n) = 0,02 Untuk menghitung kecepatan aliran
dan debit saluran digunakan rumus : P = b +2h R = A/P v =
Q = v x A Sehingga didapat perbandingan kedalaman
muka air dan debit sebagai berikut :
Tabel 4.2. Hubungan h dan Q
dimana : h = ketinggian mukaair (m)
A = Luas (m2) Q = Debit (m³/detik)
Gambar 4.2. Rating Curve untuk mencari tinggi muka air Muka air waktu debit andalan yaitu Qandaalan = 1,050 m3/detik adalah 0,37 meter
4.3.2. Perencanaan bangunan pengatur tinggi
muka air
Bangunan pengatur tinggi muka air dipasang melintang pada saluran dan berada di depan pintu pengambil debit/ intake. Bangunan ini berfungsi untuk mengatur tinggi muka air di saluran depan intake sehingga debit yang masuk intake sesuai dengan perencanaan yaitu debit andalan. Bangunan pengatur tinggi muka air yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah skot balok. Dari grafik rating curve didapat tinggi muka air pada saat Qandalan sebesar 0,37 meter, sehingga elevasi muka air di depan pintu intake adalah +298,52 + 0,37 = +298,89. Tinggi skot balok disesuaikan dengan yang ada dipasaran yaitu (20cm x 10cm) sehingga dipasang 2 skot balok, jadi tinggi skot balok 0,4 meter dari dasar saluran.
4.3.3. Perencanaan saluran pengarah
Saluran pengarah digunakan untuk mengarahkan air yang akan masuk menuju bak pengendap, saluran tersebut direncanakan merupakan saluran terbuka berbentuk persegi yang mengalirkan debit sebesar debit andalan yaitu 1,050 m3/dt.
Direncanakan :
Saluran terbuka berbentuk segiempat dari pasangan beton dengan data berikut : Q = 1,050 m3/dt b = 2h v = 0,5 m/dt n = 0,015 (pasangan beton) Maka : Q = v x A
1,05 = 0,5 x A A = 2,1 m2 Jadi : A = b x h 2,1 = 2h2
0 0 6 0 0,00 0,000
0,1 0,6 6,2 0,097 0,21 0,126
0,2 1,2 6,4 0,188 0,33 0,393
0,3 1,8 6,6 0,273 0,42 0,757
0,4 2,4 6,8 0,353 0,50 1,199
0,5 3 7 0,429 0,57 1,705
Q (m3/dt)
h (m)
A (m2)
P (m)
R (m)
v (m/dt)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20
h (m
)
Q ( m3/dt )
Rating Curve
1,05
0,37
15
h2 = 1,05 h = 1,02 m ≈ 1 m b = 2(1,02) = 2,04 m ≈ 2 m P = 2h + b = 2(1) + 2 = 4 m Maka : v =
=
0,5 =
=
= S = 0,000144
Tabel 4.3. Data teknis saluran pengarah
4.3.4. Perencanaan pintu pengambilan (intake)
Pintu pengambilan (intake) berfungsi untuk memasukkan debit rencana dari saluran existing. Pintu direncanakan dibuka setinggi 0,37 meter, yaitu setinggi muka air debit rencana. Karena pintu selalu dibuka setinggi 0,37 meter, maka debit air maksimum yang masuk pada pintu sebesar Qandalan, yaitu sebesar 1,05 m3/dt dan debit yang melebihi Qandalan akan kembali ke saluran existing dan melimpah di atas skot balok. Maka kehilangan energi akibat pintu:
Q = 1,05 = 0,8 x 2 x 0,37 x 1,05 = 0,592 x z = 0,16 m
4.3.5. Perencanaan pelimpah samping
Penggunaan air untuk menggerakkan turbin dari saluran irigasi tentunya akan dipengaruhi oleh pola irigasi. Sehingga untuk mengatasi hal tersebut dibuat pelimpah samping pada saluran existing untuk mengalihkan kelebihan sejumlah debit air. Namun kelebihan air tersebut akan dikembalikan kembali ke saluran irigasi tanpa mengganggu pola irigasi yang sudah ada. Dimensi pelimpah samping yang akan direncanakan sebatas dimensi mulut pelimpah. Sehingga akan direncanakan yaitu:
Qpelimpah = 50% x Qandalan = 0,5 x 1,05 = 0,525 m3/dt
Karena debit di sebelah hilir bangunan pelimpah sebesar debit rencana yaitu 1,05 m3/dt, sehingga tinggi
muka air sebesar 0,37 m. Dengan kecepatan 0,48 m/dt akan didapat nilai tinggi energi yaitu:
= 0,382 m
Nilai debit yang melimpah didapat dengan mengetahui debit tiap segmen sejarak Δx yang dihitung dari hilir ke hulu bangunan pelimpah. Koefisien debit (μ) untuk mercu pelimpah harus diambil 5% lebih kecil daripada koefisien untuk mercu tegak. Koefisien debit (μ) untuk pelimpah yang dipilih adalah 0,5. Nilai tinggi mercu c diambil 0,17 m. Sehingga didapat perhitungan:
= 0,094 m3/detik = 1,144 m3/detik = 2,220 m2
= 0,3685 m Dengan cara yang sama dapat disusun dalam tabel
dengan nilai Q0 dan h0 diganti dengan nilai Qx dan hx perhitungan sebelumnya.
Tabel 4.4. Hasil perhitungan bangunan pelimpah samping
Sehingga dimensi bangunan pelimpah samping yang digunakan dengan tinggi mercu 0,17 m dan panjang 3 m dengan kapasitas melimpah 0,541 m3/detik.
4.3.6. Perencanaan bangunan ukur
Bangunan ukur diperlukan untuk mengukur banyaknya debit air yang akan digunakan sebagi PLTMH. Bangunan ukur direncanakan mampu mengukur sampai debit minimum. Direncanakan menggunakan bangunan ukur tipe drempel dengan perhitungan sebagai berikut :
Qandalan = 1,050 m3/dt B = 2 m v = 0,5 m/dt p = 0,3 m
16
Dari data – data tersebut diolah untuk mendapatkan desain alat ukur drempel.
Q80% = 1,050 m3/dt Q =
1,05 = 1,71 x 2 x
= 0,307
h = 0,455 m > 5 cm (OK) vo =
=
=
= 0,695 m/dt =
=
= 0,480 m L = 1,95 = 1,95 x 0,480 = 0,936 m ≈ 1m r = 0,2 = 0,2 x 0,480 = 0,096 m ≈ 0,1 m
Setelah didapat desain drempel, maka dikontrol menggunakan debit minimum saluran yang masuk, yaitu :
Q20% = 0,210 m/dt Q =
0,210 = 1,71 x 2 x
= 0,061
h = 0,16 m > 5 cm (OK) Dari perencanaan bangunan drempel tersebut
didapatkan bahwa bangunan drempel mampu mengukur sampai debit minimum yang masuk ke saluran. Hasil perencanaan bangunan ukur drempel sebagai berikut :
Tabel 4.5. Data teknis bangunan ukur drempel
4.3.7. Perhitungan angkutan sedimen
Perhitungan angkutan sedimen diperlukan untuk menghitung jumlah sedimen yang terangkut pada aliran. Beberapa turbin memiliki batasan diameter sedimen yang diijinkan masuk. Adapun diameter sedimen yang diijinkan masuk ke turbin bergantung pada jenis PLTA yang direncanakan, yaitu:
0,2-0,5 mm untuk PLTA tekanan rendah
0,1-0,2 mm untuk PLTA tekanan sedang
0,01-0,05 mm untuk PLTA tekanan tinggi Untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro
maka diambil diameter maksimum yang diijinkan masuk ke dalam turbin sebesar 0,2 mm.
4.3.8. Perencanaan bak pengendap
Direncanakan ukuran bak pengendap sedimen berdasarkan :
Qandalan = 1,05 m3/dt Vsaluran = 0,5 m/dt h = 1,5 m Diameter sedimen = 0,2 mm Kecepatan turun butir ω = 3 cm/dt = 0,03 m/dt
Kecepatan kritis butir (vkritis) = v = 44 = 19,68 cm/dt = 0,197 m/dt < 0,5 m/dt
Karena kecepatan saluran lebih besar daripada kecepatan kritis, maka diameter butiran sedimen yang terangkut pada saluran lebih besar daripada diameter butiran sedimen yang diijinkan masuk ke turbin sehingga diperlukan bak pengendap.
Setelah didapat kecepatan kritis butiran maka direncanakan kecepatan air dalam bak dan tidak boleh melebihi kecepatan kritis, yaitu sebesar 0,18 m/dt.
Kecepatan dalam bak (vn) = 0,18 m/dt
Perhitungan dimensi bak penyaring digunakan perumusan Welikanov yaitu :
Lebar Bak Pengendap (B) =
=
= 3,9 m ≈ 4 m Sehingga didapat B = 4 m dan h = 1,46 m Dengan harga W = 97% Dari grafik didapat λ= 1,5 Panjang bak pengendap
(L) =
=
= 10,96 m ≈ 11m Volume Bak (V) = L x B x h
= 11 x 4 x 1,46 = 64,24 m3
Kontrol : Waktu turun butir (t) =
=
= 48,7 dt Volume Bak (V) = Q x t = 1,.050 x 48,7 = 51,14 m3 < 64,24 m3 …OK
17
Kemiringan energi : Luas penampang (A) = h x b = 1,46 x 4 = 5,84 m2 Keliling penampang basah (P) = b + 2h = 4 + (2 x 1,46) = 6,92 m Jari-jari hidrolis (R) =
Koefisien manning (n) = 0,015 (beton) Kemiringan bak pengendap (in) =
=
= 0,0000092
Tabel 4.6. Data teknis bak pengendap
4.3.9. Perencanaan kantong pasir
Untuk asumsi awal dalam menentukan kemiringan energi di kantong pasir (is), kecepatan aliran untuk pembilas diambil 1 m/dt. Debit diambil 50% Qandalan = 0,525 m3/dt Luas permukaan (As) =
0,525 m2
Lebar dasar (bs) = 3 m Maka, kemiringan dasar kantong pasir adalah As = bs x hs 0,525 = 3 x hs hs = 0,175 m Rs =
m
n = 0,015 (beton) is =
=
= 0,0027
Agar pembilasan dapat dilakukan dengan baik, kecepatan aliran harus dijaga agar tetap subkritis atau Fr < 1
Fr =
…. Ok
Diameter sedimen yang terbilas dicari dengan menghitung tegangan geser kritisnya:
η = x g x hs x is = 1000 x 9,81 x 0,175 x 0,0027 = 4,63 N/m2
Dari diagram Shields dapat diketahui bahwa partikel – partikel yang lebih kecil dari 5 mm akan terbilas saat pembilasan.
Gambar 4.3. Kemiringan kantong pasir
Tabel 4.7. Data teknis kantong pasir
4.3.10. Perencanaan periode pengurasan
Volume tampungan ari bak pengendap tergantung pada banyaknya sedimen yang masuk dan mengendap sehingga dapat dihitung periode pengurasannya. Hasil analisa laboratorium terhadap sample sedimentasi adalah sebagai berikut :
Konsentrasi sedimen = 176 ppm = 176 mg/l Vol Sedimen = Kons Sedimen x Qandalan
= 176 mg/l x 1050 l/dt = 184800 mg/dt
Diket Gs = 2,713 γs = Gs x γw
= 2,713 x 1000 kg/m3 = 2713 kg/m3 Vol =
=
= 6,81 x 10-5 m3/dt
Volume Sedimen yang terjadi dalam satu hari : = Vol x 1 hari = 6,81 x 10-5 m3/dt x ( 24 x 3600 ) = 5,88 m3/hari
Tabel 4.8. Hasil analisa Suspended Load
Berdasarkan hasil analisa sedimen di atas, maka volume sedimen pada saat debit rencana 1,050 m3/dt , diperkirakan sebesar 5,88 m3/hari atau 176,4 m3/bulan.
Dari Standart Perencanaan Irigasi KP – 02 diketahui kedalaman kantong pasir di bawah saluran pengendap pasir bervariasi antara 1-10 m untuk jaringan kecil (sampai 10 m3/dt), sedangkan lebar bagian bawah kantong bervariasi berdasarkan rencana. Volume kantong pasir dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
Parameter Notasi Nilai Satuan
Debit rencana Q 1,050 m3/dt
Kecepatan dalam bak vn 0,18 m/dt
Kecepatan kritis vcr 0,197 m/dt
Lebar bak pengendap B 4 m
Panjang bak pengendap L 11 m
Tinggi air dalam bak h 1,46 m
Volume bak pengendap V 64 m3
Kemiringan dasar in 0,0000092 -
koefisien manning n 0,015 -
Konstruksi Saluran persegi dengan pasangan beton
Parameter Notasi Nilai Satuan
Lebar kantong pasir bs 1 m
Panjang kantong pasir L 11 m
Tinggi kantong pasir hs 0,175 m
Luas permukaan As 0,525 m2
Kemiringan dasar is 0,0027 -
koefisien manning n 0,015 -
Konstruksi Saluran persegi dengan pasangan beton
18
V =
V =
V = 33,49 m3
Dengan demikian periode pengurasan adalah
t =
=
= 5,7 hari ≈ 6 hari 4.3.11. Efisiensi pengendapan kantong pasir
Dari diagram Camp efisiensi kantong lumpur untuk berbagai diameter sedimen dapat ditentukan, dengan panjang (L) 11,5 meter dan kedalaman air rencana (h) 1,5 meter, serta kecepatan 0,18 m/dt, maka kecepatan endap rencana dapat disesuaikan:
dengan ω0 = 0,0234 dari gambar 2.2 diameter yang sesuai adalah 0,19 mm.
Fraksi rencana 0,2 mm dengan kecepatan endap (ω) 0,03 m/dt.Efisiensi pengendapan fraksi 0,2 mm dapat dihitung sebagai berikut :
ω = 0,03 m/dt ω0 = 0,0234 m/dt vn = 0,18 m/dt
=
= 1,28
=
= 0,17
Dari grafik Camp, diperoleh efisiensi 0,97
4.3.12. Perencanaan pipa pesat (penstock)
Penggunaan pipa pesat dalam perencanaan mikrohidro selain untuk mengarahkan debit air menuju turbin, juga untuk menjaga besarnya debit yang mengalir. Ada beberapa besaran yang harus dicari untuk memastikan agar pipa pesat dapat bekerja secara optimal.
a. Perencanaan diameter pipa pesat
Perhitungan diameter dilakukan dengan perhitungan menggunakan perumusan dari USBR. Nilai dari kecepatan dalam pipa pesat adalah sebagai berikut: v = 0,125
= 0,125 = 1,319 m/detik
dimana : v = kecepatan aliran (m/dtk) g = percepatan gravitasi (m/dtk²) Heff= tinggi jatuh efektif (m)
Kecepatan dalam pipa pesat diambil nilai 2 – 3 m/detik. Sehingga dengan diambil nilai 2,5 m/detik didapat diameter pipa pesat :
=
=
dimana: D = diameter pipa pesat Qandalan = debit andalan (m3/dt) v = kecepatan aliran (m/dtk)
Nilai diameter pipa baja yang diambil disesuaikan dengan diameter yang tersedia di pasaran. Sehingga diameter yang diambil adalah 30 inchi atau sebesar 0,762 meter. Sehingga kecepatan aliran dalam pipa pesat yang terjadi adalah :
b. Perencanaan posisi pengambilan
Jarak muka air dengan posisi pipa pesat disebut dengan minimum operational level (MOL). Menurut O.F Patty, untuk menghitung MOL maka jarak MOL diukur dari sisi bawah pipa dengan perumusan :
Karena bentuk mulut pengambilan pipa stream line, maka jarak MOL :
= 1,17 m Nilai MOL yang dipakai diukur dari muka air saat
debit minimum Qmin = 0,210 m3/detik yaitu 0,14 meter. Sehingga perlu dicari nilai selisih dari ketinggian muka air minimum dan muka air saat debit andalan, yaitu:
Δh = handalan - hmin =1– 0,33 = 0,67 meter
Sehingga jika diukur dari muka air debit andalan, dibutuhkan ketinggian:
hMOL= Δh + MOL = 0,67 + 1,17 = 1,84 meter
Elevasi muka air pada posisi pengambilan pipa pesat adalah:
z1 (akibat pintu) z = 0,16 meter
z2 (kemiringan saluran pengarah sebelum drempel) z = L . 0,000144
= 17 . 0,000144 = 0,00245 meter
z3 (akibat alat ukur drempel) z = 1/3 H
= 1/3 . 0,455 = 0,152 meter
z4 (kemiringan saluran pengarah setelah drempel) z = L . 0,000144
= 9 . 0,000144 = 0,0013 meter
19
z5 (kemiringan bak pengendap) z = L . i = 11 . 0,0000092 = 0,0001 meter
z6 (akibat saringan kasar) z = 0,0036
= 0,0036 m
Maka elevasi muka air pada posisi pengambilan pipa pesat adalah:
MA= MA pada intake - z1 - z2 - z3 - z4 - z5- z6 = +298,00 - 0,16 - 0,00245 - 0,152 - 0,0013 – 0,0036 = +297,68
Sehingga elevasi sisi bawah pipa pengambilan adalah:
= +297,68 – 1,84 = +295,84
Berdasarkan muka air pada posisi pengambilan pipa maka didapat beda tinggi bruto sebesar:
Hbruto = elevasi upstream -elevasi downstream = (+297,68) - (+291,21) = 6,47 meter
Hlosses = 10% x Hbruto = 10% x 6,47 = 0,647 meter
Sehingga didapat tinggi jatuh efektif sebesar Heff = Hbruto - Hlosses
= 6,47 – 0,647 = 5,823 meter
c. Perencanaan tebal pipa pesat
Dalam perencanaan tebal pipa pesat data yang digunakan sebagai berikut : Heff = 5,679 m
ζ baja = 16.106 kg/m2 (Fe = 360) θ = Koefisien kekuatan sambungan las (0,9) D = 0,762 m Po = γ . Heff
= 1.000 x 5,679 = 5.679 kg/m
Sehingga tebal pipa didapat:
Po . D
. 0,
= 0,0001503 m = 0,150 mm
Tebal pipa harus ditambah sekitar 1 – 3 mm untuk cadangan karena karat pada pipa.
Syarat minimum tebal pipa perlu diperhatikan dimana :
Sampai dengan diameter 0,8 m .... 5 mm Sampai dengan diameter 1,5 m .... 6 mm Sampai dengan diameter 2,0 m .... 7 mm
(O.F. Patty. “Tenaga Air”, Erlangga, Jakarta, 1995) Sehingga diambil ketebalan pipa minimum yaitu 5
mm. Dengan penambahan penebalan pipa, sehingga tebal pipa rencana didapat:
δ = 5 + 3 = 8 mm
Sehingga memenuhi syarat pipa tipis, yaitu:
≥20
≥20
95,25 ≥20 …OK d. Tegangan yang terjadi pada pipa pesat
d.1. Perletakan
Pada perletakan akan terjadi momen maksimum yang terjadi karena berat dari pipa dan air sepanjang jarak dari perletakan. Sehingga dari perencanaan diusahakan agar nilai dari jarak perletakan tidak akan memberikan tegangan yang melebihi tegangan ijin baja.
Untuk berat pipa per meter adalah: Gs = 0,25π{(D+2δ)² - D²} . γbaja
= 0,25π{(0,762+2 . 0,007)² - 0,762²} 7.850 = 132,753 kg/m Untuk air per meter adalah:
Gw = 0,25π x D² x γw = 0,25π x0,762² x 1.000
= 456,037 kg/m Sehingga momen maksimum yang didapat adalah:
M=
Gs + Gw) . ( b
=
) . (
= 7.046,127 kgm
dimana : M = Momen maksimum (kgm) B = jarak perletakan (12 m) Gs = Berat pipa per meter (kg/m) γw = massa jenis air (1000 kg/m³) Gw = Berat air per meter (kg/m) γbaja = massa jenis baja (7850 kg/m³) = sudut kemiringan
Momen perlawanan yang terjadi :
S = D + 2δ)
(D)
D + 2δ)
=
(0, )
0, + 2. 0,00 )
= 0,00322 m3 dimana : S = Momen perlawanan (m3) I = Momen Inersia pipa (m4) D = Diameter pipa (m) δ = Tebal pipa pesat (m)
Sehingga tegangan yang terjadi adalah : M
2 kg/m2...OK
d.2. Perubahan temperatur
Tegangan yang terjadi karena perubahan temperatur adalah : ζ = E . λ . t ζ = 2,1. 106 . 1,2 . 10-5 .
20
= kg/cm2 kg/cm2……..OK dimana : E = Modulus elastis baja (2,1. 106 kg/cm2) λ = 1,2 . 10-5/°C
t = perubahan temperatur (dianggap suhu di kamar = 25°C)
d.3. Pergeseran pipa dan perletakan
Pergeseran disebabkan karena terjadinya pemuaian dan penyusutan pada bagian perletakan. Sebelum mendapatkan nilai tegangan yang terjadi perlu dicari nilai yang lain, yaitu: Gaya geser pada perletakan = 293,992 kg Luas tebal pipa A =
π D
=
π 0,762 = 0,0169 m2
Titik tangkap gaya geser a = R . 2R sin
R
= 0,381 . sin45
= 0,006 m dimana : F = Gaya geser pada perletakan (kg) f = Koefisien gesek pipa A = Luas tebal pipa (m2) a = Titik tangkap gaya geser (m) S = Momen perlawanan (kgm) D = Diameter pipa (m) δ = Tebal pipa pesat (m) R = Jari – jari pipa (m) Ѳ = 0,5 sudut perletakan Sehingga tegangan yang terjadi adalah :
ζ = FA
F . a
=
= kg/m2 kg/m2…OK
d.4. Berat pipa kosong
Tegangan tekan yang diakibatkan dari pipa miring adalah:
ζ = Gs Dδ
=
. 0,7 .
= kg/m2 kg/m2...OK dimana :
Gs = Berat pipa per meter (kg/m) δ = Tebal pipa (m) D = Diameter pipa (m) = Sudut kemiringan
d.5. Expantion joint
Tegangan yang diakibatkan tekanan air pada expantion joint adalah:
ζ = F Dδ
f Pa π D e
Dδ
f Pa eδ
= 0,00
= 40.564 kg/m2 kg/m2 ..OK
dimana : f = Faktor koefisien diambil sebesar 0,25 e = Lebar packing Pa = Tekanan air = γw .Heff (kg/m2) δ = Tebal pipa (m)
d.6.Gaya tekan pada pipa sambungan
Tegangan pada pipa sambungan ini dapat diketahui, yaitu:
ζ = D
Dδ
=
= 11.358 kg/m2 kg/m2.....OK dimana : Pa = Tekanan air = γw .Heff (kg/m2) δ(bruto) = 2 δ(netto) (m) δ(netto) = Tebal pipa (m)
4.3.13. Perencanaan turbin
a. Pemilihan jenis turbin
Pada saat merencanakan jenis turbin, faktor yang paling menentukan adalah besar debit dan beda tinggi yang tersedia. Dengan debit andalan sebesar 1,05 m3/dt dan tinggi jatuh efektif 5,679 meter, maka jenis turbin yang digunakan adalah Cross Flow T-15 500 yang memiliki spesifikasi dengan tinggi jatuh efektif 5 – 100 meter dan debit 300 – 2.000 liter/detik.
Gambar 4.4 Grafik turbin T15-500
b. Putaran spesifik dan putaran jenis
turbin
Turbin jenis Cross Flow T-15 diusahakan bekerja dengan menggunakan putaran spesifik turbin 120. Karena menurut penelitian dari Entec Consulting & Engineering Switzerland nilai putaran spesifik ini adalah yang terbaik untuk jenis T-15.
21
Gambar 4.5. Grafik efisiensi puncak turbin T15
Sehingga dari rumus putaran spesifik (Ns),
dapat diketahui nilai putaran jenis turbin (N), yaitu : Ns = N P
120 = N
120 = N N =
dimana : Ns = Putaran spesifik turbin (rpm) P = Daya Listrik (HP) N = Putaran jenis turbin (rpm) Heff = tinggi jatuh efektif (m)
Dengan putaran jenis turbin yang telah diketahui dan dari daftar standar kecepatan putar sinkron, jumlah katup dan frekwensi yang digunakan yaitu:
N = 120 f
p
119 = 120 fp
0,992 = fP
Dengan cara coba-coba dari daftar standar kecepatan putaran didapat nilai frekwensi (f) 50 Hz dan jumlah katup (P) 52.
dimana : N = Kecepatan putaran jenis (rpm) F = Frekuensi (Hz) p = Nomor dari pasangan katup generator
4.4. Estimasi kehilangan Energi
4.4.1. Kehilangan energi karena saringan
kasar
Posisi saringan kasar berada sebelum pipa pesat, sehingga kehilangan energi yang terjadi tidak mengurangi tinggi yang ada. Hanya saja nilai ini digunakan untuk memberikan gambaran tentang pengaruh dari saringan kasar terhadap muka air di hulu. Dengan digunakan profil bulat dengan diameter 1 cm dan jarak 5 cm, kehilangan energi yang terjadi adalah:
= 0,0036 m dimana : hr = Kehilangan energi sepanjang pipa ( m )
θ = Koefisien profil s = Lebar profil dari arah aliran (m) b = Jarak antar profil saringan ( m ) v = Kecepatan aliran ( m/dt ) g = Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt² α = Sudut kemiringan saringan
Gambar 4.6. Posisi dan bentuk profil saringan
Tabel 4.9. Nilai koefisien profil saringan
Profil A b c d e f g
θ 2,42 1,83 1,67 1,03 0,92 0,76 1,79
4.4.2.Kehilangan energi pada entrance
Kehilangan energi pada entrance ini tergantung dari bentuk mulut. Nilai dari koefisien masukan dari bentuk mulut entrance dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Tabel 4.10. Nilai koefisien bentuk mulut entrance
Direncanakan bentuk mulut adalah circular bellmouth entrances dengan koefisien rata-rata sebesar 0,05 Sehingga nilai kehilangan energi adalah:
= 0.007 m
dimana : He = Kehilangan energi pada entrance ( m ) Ke= Koefisien bentuk mulut Δv= Selisih kecepatan sebelum dan sesudah entrance ( m/dt ) g= Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt²
22
4.4.3.Kehilangan energi karena gesekan
sepanjang pipa
Untuk menentukan nilai f ( koefisien gesek ) dapat digunakan diagram moddy. Sebelum menentukan harga f terlebih dahulu harus dicari angka Reynold ( Re ) dari aliran tersebut yang dapat dirumuskan;
, dan koefisien
kekasaran bahan ( ε ). Dalam hal ini angka kekasaran bahan diambil 46. 10-6m, sedangkan v adalah viskositas yang harganya tergantung dari suhu air yang ada. Dalam perhitungan ini
dianggap bahwa suhu air adalah 20° C sehingga harga viskositas kinematisnya 1,002.106 m²/dt.
Gambar 4.7. Grafik diagram moddy
= 0,532 m dimana : Hf = Kehilangan energi sepanjang pipa ( m )
F = Koefisien gesek pipa l = panjang pipa (m) v = Kecepatan pada pipa ( m/dt ) g = Gravitasi bumi, diambil 9,81 m/dt² D = Diameter pipa ( m )
4.4.4.Kehilangan energi karena belokan pipa
Nilai koefisien belokan tergantung dari jari-jari belokan (r) dan diameter pipa pesat (D) yang digunakan. Sehingga koefisien kehilangan energi yang terjadi adalah:
Tabel 4.11. Rekapitulasi belokan pada pipa pesat
= 0,032 m dimana :
Hl = Kehilangan energi karena belokan pipa ( m ) v = Kecepatan aliran pada pipa ( m/dt ) g = Gravitasi bumi ( 9,81 m/dt² ) Kb = Koefisien kehilangan energi yang nilainya tergantung seperti pada tabel 2.5
Dari perhitungan beberapa faktor kehilangan energi pada pipa pesat dapat diketahui kehilangan energi total, yaitu:
Htotal = He + Hf + Hl
= 0,007 + 0,532 + 0,032 = 0,571 meter
Nilai ini lebih kecil dari asumsi awal kehilangan energi sebesar 10% dari tinggi bruto sebesar 0,631 m. Sehingga perencanaan ini dapat digunakan.
4.5. Perhitungan Energi Listrik
Energi listrik total yang didapat dalam satu tahun dibagi dalam tiga perhitungan. Perhitungan pertama berdasarkan pada Q80 selama 80% dari satu tahun. Sedangkan 10% selanjutnya direncanakan diantara Q80 dan Q90, 10% sisanya diantara Q90 dan Q100. Sehingga pembagian tersebut pada duration curve adalah:
Gambar 4.8. Duration Curve untuk mencari debit andalan Dari grafik diketahui nilai Q yaitu : Q80 = 1,050 m3/detik Q90 = 0,560 m3/detik Q100 = 0,510 m3/detik
Gambar 4.9. Grafik efisiensi turbin
Efisiensi yang digunakan adalah : efisiensi turbin (ηt) = 0,786 efisiensi generator (ηg) = 0,95 efisiensi transformator (ηtr) = 0,95 sehingga efisiensi total yang digunakan adalah:
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
De
bit
(m3/d
t)
Probabilitas (%)
Duration Curve
1,050Q80
0.56
0.51
0,0125
23
ηtot = 0,786 x 0,95 x 0,95 = 0,7094 Dengan menggunakan
Heff = 6,47 – 0,571 = 5,899 m daya yang didapatkan adalah: D80 = 9,81 x ηtot x Q80 x Heff
= 9,81 x 0,7094 x 1,05 x 5,899 = 43,105 kW
D90 = 9,81 x ηtot x Q90 x Heff
= 9,81 x 0,7094 x 0,56 x 5,899 = 22,989 kW
D100= 9,81 x ηtot x Q100 x Heff
= 9,81 x 0,7094 x 0,51 x 5,899 = 20,937 kW Energi yang diperoleh adalah : E1 = D80 x 80% x 366 x 24 = 43,105 x 80% x 366 x 24 = 302.907,456 kWh E2 = (D80+D90)/2 x 10% x 366 x 24 = (43,105 + 22,989)/2 x 10% x 366 x 24 = 29.028,485 kWh E3 = (D90+D100)/2 x 10% x 366 x 24 = (22,989 + 20,937)/2 x 10% x 366 x 24 = 19.292,299 kWh Jadi energi keseluruhan yang diperoleh : Etotal= E1 + E2 + E3
= 302.907,456 + 29.028,485 + 19.292,299 = 351.228,24 kWh 4.6. Analisa Ekonomi
Analisa ekonomi dihitung dari harga satuan listrik per kWh dan nilai kelayakan investasi sebuah pembangkit bila sudah dioperasikan secara kontinyu.
Rencana anggaran biaya sebagai investasi awal untuk pembangunan PLTMH ini diperkirakan sebagai berikut:
Investasi awal akan digunakan dari pinjaman di bank dengan nilai suku bunga 10% dengan masa pengembalian selama 10 tahun. Sehingga nilai Capital Recovery Factor (CRF) yang digunakan yaitu
CRF =
=
= 0,12951
Faktor ini akan menjadi faktor pengembalian investasi di bank tiap tahunnya. Sehingga besarnya biaya pengembalian di bank tiap tahun adalah:
= = = Rp. 85.686.702,03
Biaya pengembalian investasi bank ditambahkan dengan biaya pengeluaran operasional dan perawatan, akan didapat biaya yang dikeluarkan per tahun. Selanjutnya akan disusun, sebagai berikut:
Tabel 4.13. Biaya pengeluran per tahun untuk mayarakat
Listrik yang dihasilkan PLTMH direncanakan
digunakan sendiri oleh penduduk sekitar PLTMH dan tidak dijual kepada PLN. Oleh karena itu listrik yang dihasilkan PLTMH dijual kepada masyarakat sekitar PLTMH. Berdasarkan Peraturan ESDM tahun 2010 tentang tarif dasar listrik yang disediakan oleh PLN, didapat besarnya tarif dasar listrik untuk rumah tangga dengan batas daya 1300 VA sebesar RP 790,00/kWH. Maka besarnya nominal yang dapat dihemat adalah: = harga per kWH x energi yang dihasilkan PLTMH
= 605,00 x 351.228,24 = Rp. 212.493.085,20/tahun
Sehingga neraca Cash Flow untuk mencari NPV adalah sebagai berikut:
Tabel 4.13. Neraca Cash Flow
24
Dari tabel Cash Flow dapat dilihat, walaupun masa pengembalian investasi sampai dengan 10 tahun namun pada baris nett present value (NPV) tahun ke-9 menunjukkan angka positif. Artinya bahwa investasi ini layak jika memakai masa investasi hanya sampai dengan tahun ke-9. Pada tahun ke-11 tidak akan terjadi pengembalian hutang ke bank dan pengeluran hanya operasional dan perawatan saja, sehingga biaya per kWH sebesar : = biaya perawatan / energi yang dihasilkan PLTMH
= Rp. 48.000.000,00 / 351.228,24 = Rp. 136,66 / kWH
Penghematan = Rp.605,00 – Rp.136,66 = Rp.468,34 =
x 100% = 77,41%
Sehingga dari perhitungan dapat diketahui bahwa
penggunaan teknologi PLTMH dapat menghemat biaya listrik, dibandingkan biaya listrik dari PLN terutama mulai tahun ke-11.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Pembangunan pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) merupakan salah satu alternatif untuk memanfaatkan kehilangan energi pada bangunan terjun. Adapun hasil perencanaan PLTMH pada bangunan terjun di saluran primer Padi Pomahan, Gondang, Mojokerto adalah sebagai berikut:
1. Analisa debit Dari data debit operasional irigasi
saluran primer Padi Pomahan selama 10 tahun terakhir didapat debit andalan yang bisa digunakan sebagai PLTMH adalah sebesar 1,05 m3/detik.
2. H bruto = 6,47 m Kehilangan energi : Akibat entrance = 0,007 m Akibat gesekan sepanjang pipa
= 0,532 m Akibat belokan pipa = 0,032 m
H losses = 0,0074 + 0,532 + 0,032 = 0,571 m H eff = H bruto – H losses = 6,47 – 0,571 = 5,899 m
3. Sedimen yang diperbolehkan terangkut dalam saluran maksimum berdiameter 0,2 mm dan diameter yang lebih besar diendapakan dalam bak pengendap.
4. Perencanaan bangunan pembangkit Saluran pengarah
Lebar = 2 m Kedalaman air = 1 m Panjang saluran = 27,5 m Kemiringan saluran = 0,000144
Pelimpah samping Qpelimpah = 0,541 m3/dt Tinggi pelimpah = 0,17 m Lebar pelimpah = 3 m
Alat ukur drempel Lebar = 2 m Tinggi drempel = 0,3 m Panjang drempel = 1 m Jari-jari kelengkungan = 0,1 m drempel
Bak pengendap Kedalaman air = 1,5 m Lebar bak = 4 m Panjang bak = 11,5 m Kemiringan dasar bak= 0,0000089
Kantong pasir Panjang kantong = 11,5 m Lebar kantong = 3 m Kemiringan dasar = 0,0012
Pipa pesat Diameter = 30” atau 0,762 m Kecepatan aliran = 2,302 m/detik Tebal pipa = 8 mm
Turbin Jenis turbin= Cross Flow T 15 500 Putaran spesifik = 120 rpm Putaran jenis turbin = 119 rpm Frekuensi = 50 Hz Jumlah katup = 52
5. Daya listrik yang dihasilkan Daya maksimum = 43,105 kW Energi listrik per = 351.228,24 kWh tahun
6. Perhitungan ekonomi Biaya pembangunan
= Rp 661.650.000,00
Biaya pengembalian pinjaman per tahun
= Rp 85.686.702,03 Biaya perawatan per tahun
= Rp 48,000,000.00 Pendapatan per tahun
= 605 x 351.470.309,60 = Rp. 212.493.085,20 Neraca Cas Flow
25
Harga satuan listrik: Sampai tahun ke 10 = Rp 605,00/kWh Setelah tahun ke 10 = Rp 136,66/kWh Pengehematan = Rp.605,00 – Rp.136,66 = Rp.468,34
=
x 100% = 77,41%
5.2. Saran
Beberapa batasan sengaja diambil agar tugas akhir perencanaan ini dapat diselesaikan dengan waktu yang terbatas, sehingga penulis berharap pembaca yang hendak menyusun Tugas Akhir bertema sama :
1. Perlu menggunakan literatur yang tebaru untuk menunjang pengerjaan
2. Melakukan perhitungan terperinci terhadap bangunan sipil yang lain dan strukturnya untuk melengkapi pengerjaan.
3. Melakukan perhitungan ekonomi secara terperinci agar bisa diketahui hasil yang lebih mendekati kenyataan.