1
BAB 11 TURBIN AIR
Mata kuliah Sistem PLTA
2
11.1. Fungsi Turbin AirGambaran Umum.
Dikembangkan mulai abad 19 dan secara luas digunakan untuk tenaga industri.
Sekarang lebih umum dipakai untuk penggerak mula PLTA.
Memanfaatan tenaga air yang merupakan sumber energi yang
dapat diperbaharui.
Gbr.11.1 Turbin air dari PLTA Mikro Kanada Selatan
3
Sudu dan poros turbin terhubung dengan poros
generator. Poros generator menggerakkan rotor, yang selanjutnya bergerak di kumparan stator generator. (gbr.11.1).
Air mengalir melalui turbin, memberi tenaga pada sudu turbin (blade) dan membuatnya berputar. Akibatnya tenaga mekanik poros akan diubah menjadi tenaga listrik.
Turbin air adalah jantung PLTA, dan membentuk komponen biaya terbesar PLTA.
Posisi turbin air sebagai penggerak mula (prime mover) PLTA dan komponen lain sepeti dam, pipa pesat (penstock), reservoir atas dan bawah, dan generator ditunjukkan gambar 11.2
4
Penggerak Mula (Turbin Air) Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air
PotentialEnergy
KineticEnergy
ElectricalEnergy
MechanicalEnergy
Electricity
11.2. Turbin air/penggerak mula, jantung PLTA
5
Tipe Turbin Bertenaga Air
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
6
11.2. Klasifikasi Turbin Air
1. Berdasarkan tekanan2. Berdasarkan tinggi tekan (head)3. Berdasarkan arah aliran4. Berdasarkan debit5. Berdasarkan tenaga6. Berdasarkan kecepatan spesifik
7
11.2.1. Klasifikasi Berdasarkan Tekanan Terdiri : A.Turbin Impuls B.Turbin Reaksi A.Turbin Impuls, disebut juga turbin tanpa tekanan
Jatuh tekanan terjadi di difuser atau nosel Mengubah energi kinetik jet air yang menubruk sudu turbin
(bucket) dan keluar pada tekanan atmosfer Tidak ada jatuh tekanan melintas turbin tidak ada sisi bawah isapan, aliran air keluar melalui rumah
turbin setelah menubruk air Aplikasi head tinggi, debit rendah. Jenisnya : Turbin Pelton, aliran silang (crossflow) dan Turgo Gambaran Gaya impuls ditunjukkan gambar 11.3 dan
gambar 11.4
8Gbr.11.3 Analogi manusia-perahu untuk gambaran gaya impuls - reaksi
9Gbr.11.4 Gambaran gaya impuls dan gaya reaksi
10
a. Roda Pelton (Pelton Wheels)
Nosel mengalirkan arus air langsung dengan kuat menumbuk rangkaian bucket yang terpasang di sekeliling roda.
Setiap bucket membalikkan aliran air dan daya dorong ini memutar turbin.
Gbr.11.5 Runner roda pelton, bucket ada di keliling diameter
11
a. Roda Pelton (lanjutan…)
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
Gbr.11.6.Turbin roda Pelton (a) Potongan vertikal; (b) aliran air telihat dari sudu yang berpindah; (c) gerak aktual air dan sudu
12
a. Roda Pelton (lanjutan…) Cocok untuk head yang
tinggi dan lokasi dengan debit rendah
Unit terbesar dapat mencapai hingga 200 MW.
Dapat beroperasi dengan head sekecil 15 meter dan setinggi 1.800 meter.
Gbr.11.7. Desain kuno turbin Pelton
13
b.Turbin Aliran Silang (Cross Flow) Berbentuk drum Mulut nosel segi
empat memanjang,mengarah langsung sudu-lengkung di runner bentuk silinder
Blower “sangkar tupai”
aliran air melewati blade dua kali
Gbr. 11.8 Bagian-bagian turbin aliran silang (a) dan pola alirannya (b)
(b)
(a)
14
b. Turbin Aliran Silang (lanjutan ..) Laluan pertama: air mengalir dari sisi luar
sudu (blade) ke bagian dalam Laluan kedua: dari sisi dalam dalam arah
mundur Aliran air lebih besar dan head lebih
rendah daripada Pelton.
15
c. Turbin Turgo
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
16
11.2.1. Klasifikasi Berdasarkan Tekanan (lanjutan)
B. Turbin Reaksi Atau Turbin Tekan Daya didapat dari jatuh tekanan melintas turbin Aksi gabungan tekanan dan perpindahan air Secara total terbenam di air, arus tidak
menumbuk setiap blade seperti turbin pelton Gerak putar dan linier dikonversi menjadi daya
poros Jenisnya : Francis, Turbin Propeler, Kaplan, dan
Deriaz Head lebih rendah dan aliran lebih tinggi
dibanding dengan turbin impuls.
17
a. Turbin Francis
Lubang masuk (inlet) berbentuk spiral.
Sudu pengarah secara langsung memberi gaya tangensial air ke sudu jalan (runner).
Aliran radial ini beraksi pada sudu runner menyebabkan runner berputar.
Sudu pengarah (guide vanes atau wicket gate) memungkinkan disetel agar operasi turbin efisien pada kondisi kisaran debit air.
18
a.Turbin Francis (lanjutan…) Paling diharapkan untuk lokasi
dengan debit tinggi dengan head rendah hingga sedang.
Efisiensi 90%. Mahal didesain, pembangunan
dan pemasangan tetapi beroperasi hingga puluhan tahun.
19
Potongan Melintang Turbin Francis
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
20
Skema Turbin Francis
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
21
a. Turbin Francis (lanjutan …)
"Water Turbine," Wikipedia.com
Gbr, 11. Turbin Francis di Dam Grand Coulee, perhatikan ukuran manusia dengan Ukuran turbin
22
Turbin Francis– Grand Coulee
23
Turbin Francis Kecil Poros Horisontal
24
25
b.Turbin Baling-baling (Propeller) Runner mempunyai 3 – 6 sudu. Air bersinggungan dengan semua
sudu air dengan tetap. Tekanan air di pipa selalu konstan Sudu propeler – tetap atau dapat
digerakkan / diatur-atur. Rumah turbin berbentuk gulungan
(Scroll case), wicket gates, dan draft tube
Tipe: Kaplan, turbin Bulb, Straflo, turbin Tube,
26
b. Turbin Baling-baling (Propeler) Pitch-Tetap
"Water Turbine," Wikipedia.com
27
c. Turbin Kaplan Jenis khusus dari turbin propeler,
karena sudu pengarah dan sudu runner dapat diatur (controlable pitch propeller)
Saluran masuk (inlet) adalah tabung berbentuk gulungan ( scroll-shaped tube) yang mengelilingi sudu pengarah (wicket gate).
Air diarahkan secara tangensial melewati wicket gate, dan bentuk spiral runner akan menyebabkan putaran propeler.
Saluran buang (outlet) adalah draft tube bentuk khusus yang membantu perlambatan aliran dan merubahnya menjadi energi kinetik.
28
c. Turbin Kaplan - Skema
"Water Turbine," Wikipedia.com
29
c. Turbin Kaplan - Potongan Melintang
"Water Turbine," Wikipedia.com
30
c. Turbin Kaplan- Poros Vertikal
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
31
c. Turbin Kaplan – Poros Horizontal
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
32
c. Turbin Kaplan – Perbaikan (Suspended Power, Sheeler, 1939)
33
34
d. Turbin Bulb Turbin dan generator
adalah satu unit tersegel (kedap air) diletakkan secara langsung di arus air.
35
36
Turbin Jenis Lain Straflo : generator diletakkan langsung di
sekeliling turbin. turbin tabung (tube turbin): pipa pesat
belok tepat sebelum atau setelah sudu jalan (runner), memungkinkan hubungan garis lurus dengan generator
37
38
Dapat Mengenali Jenis turbin ? Yang Mana Turbin Francis ? Dan Turgo ?
39
11.2.2. Klasifikasi Berdasarkan Tinggi Tekan (Head) Head
Air harus jatuh dari elevasi lebih tinggi ke sisi yang lebih rendah guna melepaskan potensi energi tersimpannya.
Perbedaan antara kedua elevasi (beda tinggi air di forebay dan tailbay) dinamakan head
40
Klasifikasi Tinggi Tekan Klasifikasi tinggi tekan bermacam-macam
diantaranya : - Tinggi Tekan (Head) rendah 2-15 m - Tinggi Tekan (Head) sedang 16- 70 m - Tinggi Tekan (Head) tinggi 71 -700 m - Tinggi Tekan sangat tinggi > 500 m
(MM Dandekar, PLTA UI Press 1991)
41
Definisi Head
42
43
Rekomendasi Desain Turbin
Tekanan Head (Head Pressure)
Tinggi (High) Sedang (Medium) Rendah (Low)
Impuls PeltonTurgo
Multi-jet Pelton
CrossflowTurgo
Multi-jet Pelton
Crossflow
Reaksi FrancisPump-as-Turbine
PropellerKaplan
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
44
Turbine Design Ranges
Kaplan Francis Pelton Turgo
2 < H < 40 10 < H < 350 50 < H < 1300 50 < H < 250
(H = head in meters)
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
45
Aplikasi Kisaran Turbin
Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
46
11.2.3. Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Arah aliran sejajar
poros disebut aksial Arah aliran tegak lurus
poros disebut tangensial
Rah aliran meninggalkan poros disebut arah radial
Arah bersiku dengan poros , arah diagonal
Jenis Turbin Arah Aliran
Francis Radial atau gabungan
Pelton Tangensial
Propeler/Ka-plan
Aksial
Deriaz Diagonal
47
a.Turbin Aliran Gabungan (mixed)
48
b. Turbin Aliran Aksial (Axial Flow)
49
11.2.4. Klasifikasi Berdasarkan Debit Pembagian ini adalah
terminologi kualitatif Terbagi menjdi : -Turbin debit rendah -Turbin debit sedang -Turbin debit tinggi
Jenis Turbin Debit Aliran
Pelton Rendah
Francis Sedang
Propeler/Ka-plan
Tinggi
50
11.2.5. Klasifikasi Berdasarkan Tenaga Tenaga tergantung dengan debit, head
dan efisiensi pembangkit Dari bagan kisaran aplikasi turbin maka
potensi tenaga terbesar berturut-turut : T. Francis > T. Pelton > T. Kaplan
51
Kisaran Aplikasi Turbin
52
11.2.5. Klasifikasi Berdasarkan Kecepatan Spesifik Kecepatan Spesifik Turbin (Ns) adalah
kecepatan pada keadaan dimana mesin menghasilkan daya 1 BHP pada head 1 meter (Kothadaraman, Basic Power Plant Engineering)
Kecepatan Spesifik Turbin (Ns):
Ns = N (P)1/2 / H5/4 , Ns antara 4 s.d 1100 Ns berbanding langsung dengan kecepatan
(N), sehingga Ns makin rendah menunjukkan adalah runner yang makin lambat.
53
Tabel Kecepatan SpesifikPenggerak Kecepatan Spesifik
Lambat Sedang Cepat
PeltonFrancisKaplan
4 –15 16 - 30 31-7060 - 150 151-250 251-400300- 450 451- 700 701-1100
54
11.3 Evolusi Kincir Air ke Turbin Air
1. Kincir air dengan sudu-sudu tercelup air yang mengalir, dipekerjakan di Mesir kuno, Cina, dan Assyria.
2. Kincir air muncul di Yunani di abad 2 SM dan di sepanjang kerajaan Romawi abad 1 SM
3. Kincir air diameter 7 ft di Monte Cassino digunakan oleh orang-orang Roma menumbuk jagung sebanyak 150 kg per jam,
4. Kincir air di Arle menggiling 320 kg jagung per jam
5. Buku hari kiamat (The Doomsday Book) , berdasarkan survei yang diperintah oleh William sang penakluk, menandakan ada 5.624 kincir penumbuk gandum di Inggris di tahun 1086.
55
6. Disamping untuk menumbuk gandum ,
kincir air juga dipakai untuk menggerakkan pompa air dan mengoperasikan mesin
7. Agricola (1494–1555) menunjukkan ilustrasi bagaimana kincir air dapat dipakai memompa air dari tambang dan menghancurkan biji di abad ke 16 M
8. Di tahun 1685 Louis XIV mempunyai 221 piston pompa terpasang di Marly, Perancis, guna memasok 3.200 m3 air sungai Seine per hari ke mata air Istana Versailles .
9. Pompa digerakkan oleh 14 kincir air , masing-masing berdiameter 12 m yang berputar dengan dorongan arus sungai Seine.
56
10.Kincir air yang efisiensinya hanya 30% dipergunakan hingga akhir abad ke 18 M
11.Kincir air ini digantikan di abad 19 dengan alat yang melebihi kincir air dengan efisiensi 70 s.d. 90%.Di tahun 1850, turbin hidraulik mulai menggantikan kincir air.
12.PLTA pertama di Jerman di tahun 1891, menggunakan kincir air dgn generator DC
13.Selanjutnya kincir air tergantikan oleh turbin hidraulik dgn generator AC.
57
11.4. Apa yang Baru Dengan Turbin
Pemakaian Teknologi komputer berdampak penting pada tingkat tampilan desain turbin air dan pada bisnis turbin selama 20 tahun ini.
CAD menghasilkan geometri turbin secara otomatis
CFD untuk analisa aliran FEA untuk analisa
mekanik
58
Teknologi Ramah Terhadap Ikan
59
Ciri-ciri Desain Sudu Aerating Runner
Sudu runner berlobang dengan lubang atau lubang kecil di bagian tepi sudu (lihat gambar) guna membuang udara
60
Keuntungan Potensial Teknologi Turbin Modern Mengurangi kematian ikan yang lewat turbin
hingga < 2 %, dibanding 5 – 10 % turbin terbaik yang ada, dan 30 % atau lebih dari turbin lain
Meningkatkan pemenuhan mutu air standar dgn menjaga level oksigen terlarut air buangan paling sedikit 6 mg/L yang memenuhi mutu air standar.
Teknologi ramah lingkungan turbin membantu membalikkan pandangan tentang penurunan kualitas pembangkitan listrik PLTA, mengurangi emisi CO2 dan emisi gas rumah kaca karena pembakaran bahan bakar fosil
61
62
Top Related