Upload
vukien
View
253
Download
5
Embed Size (px)
Citation preview
Perancangan, Pembuatan, dan Pengujian Purwarupa Turbin Aliran Aksial Untuk
Pembangkit Energi Listrik Mikro Hidro Head Rendah di Aceh
Irwansyah1, Hamdani
1, Razali
2, Pribadyo
2,Anwar
3
1) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh, Aceh
2) Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh, Aceh
3) JurusanTeknikMesin, PoliteknikNegeriLhokseumawe, Aceh Utara, Aceh
e-mail : [email protected]
Abstrak
Pemanfaatan turbin air aliran aksial pada pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) head rendah di
Aceh, masih sangat terbatas. Umumnya, PLTMH yang dibangun oleh lembaga pemerintah atau non-
pemerintah menggunakan turbin air jenis impuls aliran melintang (crossflow). Penggunaan turbin jenis ini
menghendaki tinggi jatuh air yang tinggi (head tinggi), akan tetapi tidak semua daerah di Aceh yang belum
terjangkau layanan listrik memiliki sungai dengan head tinggi. Disamping itu turbin aliran melintang tidak
dapat berputar cepat pada head rendah. Menyikapi hal tersebut, turbin aliran aksial diajukan sebagai turbin
alternatif yang digunakan untuk PLTMH head rendah. Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya mengenai
pemanfaatan turbin aliran aksial pada head rendah, ditemukan bahwa masih terdapat kekurangan pada
efisiensi unjuk kerja turbin. Hal ini disebabkan oleh salah satunya adalah belum optimal rancangan sudu
turbin aliran aksial. Pada penelitian ini, peningkatan efisiensi turbin aliran aksial dilakukan dengan
merancang beberapa variasi turbin aliran aksial, membuat purwarupa dan melakukan pengujian skala
laboratorium. Parameter perancangan sudu turbin yang dievaluasi adalah sudut sudu turbin. Berdasarkan
hasil pengujian diperoleh daya luaran turbin yang hasilkan 3 kW dengan besar efisiensi 54 %.
Kata Kunci: PLTMH head rendah; turbin aliran aksial; sudu turbin; daya , efisiensi turbin
DaftarSimbol
H Head turbin (m)
N Kecepatan putaran turbin (rev/min)
Ns Kecepatan spesifik
P Daya
Pr Daya rasio (site/reference)
Q Laju alir (m3/det)
S
g
Luaspenampang tubular
Densitas fluida Percepatan gravitasi (m/det
2)
u
α
re
ri
Vektor absolut Kecepatan sudu relatif Kecepatan putar (rad/det) Sudut sudu turbin Radius
ujung sudu Radius
pangkal hub sudu
Sebahagian besar pembangkit listrik tenaga
mikro hidro (PLTMH) yang beroperasi di kawasan
propinsi Aceh menggunakan turbin impuls aliran
jenis aliran melintang (crossflow) sebagai alat pengkonversi energi. Pemilihan untuk menggunakan
turbin jenis ini mensyaratkan bahwa
pembangunan PLTMH hendaknya berada pada
lokasi yang memiliki tinggi jatuh air yang tinggi
(head tinggi). Namun demikian, tidak semua daerah
terpencil di Aceh yang belum terjangkau aliran listrik
memiliki sumber air dengan tinggi jatuhnyayang
tinggi (Hamdani, et al. 2009).Disampingitu, beberapa
sumber air di daerah Aceh seperti saluran-saluran
irigasi tradisional dan sungai dengan head rendah belum termanfaatkan secara optimal sebagai sumber penggerak pembangkit listrik tenaga hidro.
Dengan demikian perlu kiranya dipertimbangkan
pemilihan dan penggunaan jenis turbin yang dapat
bekerja pada daerah aliran air dengan titik jatuh air
rendah (head rendah). Menurut Ramos et al, [2009],
hingga saat ini masih sangat sedikit kajian-kajian
yang dilakukan mengenai kerja turbin aksial atau
propeller sebagai turbin pembangkit listrik tenaga
mikro. Khususnya, untuk menyelesaikan
permasalahan rendahnya daya luaran yang
diakibatkan oleh ketidaksesuaian perancangan,
efisiensi, ukuran dan ketidakstabilan operasi.
Hamdani et al, [2009], melakukan penelitian
mengenai pengembangan turbin aliran aksial untuk
pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH)
head rendah. Terangkum dari hasil penelitian
menyatakan bahwa potensi sumber energi air yang
terdapat di Aceh cukup layak dimanfaat untuk
pengembangan PLTMH dengan menggunakan
turbin head rendah (2–5 m). Berdasarkan penelitian
tersebut ditemukan bahwa efisiensi turbin hasil
rancangan jauh lebih kecil dibandingkan efisiensi
yang diasumsi pada perancangan ukuran utama
turbin. Sehingga perlu dilakukan kajian lanjut
terutama mengenai geometri bentuk sudu turbin
yang belum optimal dan realibilitas unjuk kerja
elemen-elemen mesin menerima tekanan fluida
selama turbin beroperasi. Perbaikan rancangan
turbin dilakukan dengan menelaah literatur
mengenai turbin tenaga air yang sesuai untuk head
rendah, memperkecil dan mengoptimalkan geometri
sudu turbin. Perilaku turbin aliran aksial sangat
dipengaruhi oleh kondisi aliran fluida dan
konfigurasi sudu-sudu turbin, terutama pada aliran
masuk dan keluar serta bentuk turbin itu sendiri.
Berdasarkan hal tersebut, untuk meningkatkan
daya luaran turbin yang dipengaruhi oleh faktor
perancangan, efisiensi, ukuran dan ketidakstabilan
operasi turbin. Maka, penelitian ini dilakukan
dengan melakukan perancangan sudu turbin aliran
aksial menggunakan program aplikasi komputer
CAD/CAE dan pengujian prestasi turbin. Sehingga
diperoleh sebuah purwarupa turbin aliran aksial
dengan efisiensi yang baik berkisar 75% sampai
dengan 80%. Sejalan dengan tujuan penelitian ini
adalah untuk mencapai optimalisasi efisiensi turbin
aliran aksial pada PLTMH head rendah.
Konsep Desain
Teori dasar perancangan turbin hidro head rendah memiliki permasalahan yang berbeda dengan turbin hidro head tinggi. Permasalahanu tamayang
ditemukan pada turbin head rendah adalah kecepatan turbin yang rendah. Hal ini akan berdampak pada kemampuan turbin menggerak kan generator dengan kecepatan putar yang cukup sehingga mampu menghasilkan listrik berfrekuensi standar. Pengurangan head biasanya diikuti dengan menurunnya kecepatan fluida, maka kecepatan benda bergerak dalam hal ini generator juga akan ikut turun. Demikian juga halnya bila head berkurang,
laju alir fluida akan menurun. Untuk mendapatkan daya yang sama dengan turbin berhead tinggi,
maka laju alir fluida harus ditingkatkan. Sebagai akibatnya diameter turbin juga akan ikut bertambah besar dan berdampak pada kecepatan putar turbin
yang akan menurun.
Jenis Turbin
Penentuan jenis turbin pada umumnya didasarkan pada kondisi pengoperasiannya. Namun demikian,
jenis turbin juga dapat dikelompokkan menurut kecepatan spesifiknya. Kecepatan spesifik turbin hidro dapat ditentukan sesuai persamaan 1.
√
…………………………………. 1
Diantara beberapa jenisturbin yang memiliki kecepatan spesifik yang besar adalah turbin aliran aksial atau turbin propeller. Hal ini dikarenakan,
sudu turbin jenis ini bergerak memotong arah aliran fluida. Dimana, kecepatan sudu turbin lebih besar dibandingkan kecepatan aliran fluida, sebagaimana ditunjukkan pada diagram kecepatan untuk turbin aliran aksial berikut:
Gambar1. Diagram kecepatan untuk turbin aliran aksial
Turbin aliran aksial pada umumnya memiliki geometri sudu dengan kurva yang rumit. Sehingga,
turbin jenis ini membutuhkan biaya inggi pada
proses perancangan dan pembuatan. Turbin liran aksial lebih sesuai untuk digunakan pada sistem pembangkit yang besar. Beberapa penelitian sebelumnya, kebanyakan mengacu pada bagaimana menyederhanakan perancangan turbinaliran aksial dan penyesuaian sistem turbin untuk dipergunakan pada sistem pembangkit berskala kecil. Namun demikian, sangat sedikit informasi mengenai hasil penelitian yang memberikan gambaran mengenai pengaruh perancangan geometri sudu terhadap prestasi kerja turbin.
Desain Turbin
Perancangan turbin yang optimal dilakukan untuk mendapatkan hasil desain turbin dengan tingkat efisiensi (Best Efficiency Point/BEP) dan daya (Best
Power Point/BEP). Salah satu variabel
yang patut dipertimbangkan untuk mendapatkan efisiensi yang baik yaitu modifikasi desain sudu turbin. Pada dasarnya suduturbin, hub dan poros merupakan satu kesatuan dari bagian yang berputar atau dikenal dengan runner turbin. Pencapaian efisien siturbin melalui modifikasi geometri sudu turbin di lakukan dengan tetap mengacu kepada konstruksi sudu turbin yang sederhana. Sebagaimana diketahui, bentuk sudu turbin sangat komplek sehingga mempengaruhi proses pembuatan.
Sudutsuduturbin ()
Kecepatansuduturbin (r)
Kece
patan
aliran
air Kecepatan air relatifterhadapsuduturbin
BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT
Perancangan turbin dengan bentuk sudu sederhana
menjadi perhatian. Penentuan efisiensi turbin dapat
dihitung menggunakan persamaan 2.
…………………………………. 2
Ramos et al, [2012], menyatakan bahwa
modifikasi desain turbin untuk mengoptimalkan
efisiensi turbin mengacu pada penentuan orientasi
sudu turbin terbaik. Proses identifikasi orientasi sudu
turbin dapat dikalkulasikan baik menggunakan
simulasi komputasi maupun eksperimental. Gambar2,
menunjukkan vektor-vektor yang bekerja pada sudu
turbin.
Gambar 2.Vektor kecepatan sudu
turbin propeller [Ramos et al, 2012]
Kecepatan putar sudu dapat ditentukan
berdasarkan persamaan 3.
c1 = c2 = ×r …………………………………. 3
Sedangkan kecepatan absolut turbin ditentukan oleh
laju alir fluida yang melalui sudu-sudu turbin,
sebagaimana ditunjukkan pada persamaan 4.
1 = 2s =
………………..…….…. 4
Sudut sudu turbin α1dan α2padamasukan (inlet)
dan luaran (outlet) aliran fluida ditentukan mengikuti
persamaan berikut,
………………..…….…. 5
=
(
)….….. 6
Perubahan sudut sudu turbin pada masukan
menuju luaran mengakibatkan aliran fluida
menumbuk sudu turbin menghasilkan putarandan
selanjutnya bergerak keluar turbin, seperti terlihat
pada diagram kecepatan runner turbin [Alexander et
al, 2009].
Gambar 3.Diagram kecepatan runner turbin
[Alexander et al, 2009]
Daya mekanik turbin dihitung dengan
mempertimbangkan torsi, kecepatan putar sudu,
densitas massa fluida, debit dan konstanta free-vortex.
…………7
Manufaktur Turbin
Penerapan program aplikasi komputer CAD/CAE pada proses perancangan konstruksi turbin aliran aksial membantud alam mewujudkan bentuk tiga
dimensi turbin aliran aksia l, sebagaimana terlihat
pada gambar4.
Gambar4. Hasil rancangan turbin aliran aksial
Sudu turbin aliran aksial biasanya dibuat
menggunakan toknologi pengecoran. Akan tetapi
penerapan teknik ini menghendaki biaya produksi
yang tinggi. Sehingga harga sudu turbin menjadi
mahal.Terkecuali bila proses pembuatannya
dilakukan dalam jumlah yang massal. Disamping
itu karena turbin aliran aksial ini diperuntukkan
sebagai pengkonversi energi pada pembangkit mikro
hidro yang biasanya diaplikasikan didaerah
pedesaaan. Maka, konstruksi sudu turbin juga harus
dapat dikerjakan oleh sumber daya lokal dan
memanfaatkan bahan baku serta teknologi
yang tersedia. Berikut ini gambar konstruksi turbin
dan sudu turbin aliran aksial yang telah dikerjakan
oleh perbengkelan sederhana.
α1(
u1V1
c1
u2 V2 V2s
V2t c2
α2 (
1
3
4
2
5
6
Ket:
1.Puli
2.Penstock
3.PorosTurbin
4.Bantalanporos
5.Suduturbin
6.Draft Tube
P
Gambar 5. Hasil pembuatan konstruksi turbin aliran axial
Purwarupa turbin aliran aksial dirancang bangun
dengan diameter 260 mm serta diperuntukkan bekerja pada head efektif 7 m dan debit desain 0,025 m3/s.
PengujianKarakteristikTurbin
Pengujian karakteristik purwarupa turbin aliran aksial dilakukan pada fasilitas uji di desa Darul Makmur, Kota Subulussalam, Aceh. Diawalidengan debit pengukuran air menggunakan alat Propeller
devicescurrent meters. Hasil pengukuran diperoleh
debit air sementara sebesar 0,05 m3/s dengan debit
desain Qd sebesar 0,025 m3/s. Pada simulasi,debit
yang digunakan divariasikan pada 0,015 m3/s, 0,02
m3/s dan 0,025 m
3/s. Besarnya daya turbin yang
diperoleh berdasarkan perubahan sudut sudu dan
perubahan debit air diperlihatkan dalamg ambar6.
Gambar6. Pengaruh sudut sudu terhadap daya
dengan debit berbeda
Pada gambar6 terlihat bahwa daya turbinakan
meningkat berbanding lurus dengan membesarnya
sudut sudu turbin, sedangkan pada kapasitas yang
besar terlihat kenaikan daya turbin yang
cenderung linier. Hal ini menunjukkan
bahwa peningkatan debit akan mampu meningkatkan
daya turbin. Putaran turbin yang diperoleh
berdasarkan perubahan sudut sudu dan debit air diperlihatkan dalam gambar 7.
Gambar7.Pengaruh sudut sudu terhadap putaran
turbin dengan debit berbeda
Putaran turbinakan meningkat seiring perubahan
sudut sudu turbin dari 20 menjadi 25, dan akan
menurun bila sudut sudu diperbesar menjadi 30 dan
35. Hal ini menunjukkan bahwa adanya titik optimal
sudut sudu untuk memperoleh putaran turbin yang
mampu menghasilkan putaran generator.
Efisiensi turbin dapat ditentukan dengan
membandingkan daya air yang tersedia dengan daya
turbin hasil pengukuran.Maka, efisiensi turbin 50%
diperoleh pada perubahan sudut sudu 30 untuk
berbagai perubahan debit. Efisiensi terbaik dihasilkan
pada perubahan sudut sudu turbin dengan debit
terbesar yaitu mencapai 80%. Hal ini menunjukkan
bahwa adanya titik optimal sudut sudu untuk
memperoleh efisiensi turbin yang baik.
Kesimpulan
Mengacu pada hasil penelitian dapat disimpulkan
bahwa telah berhasil dikembangkan satu jenis turbin
aksial head rendah untuk digunakan pada
Pembangkit Tenaga Listrik Mikrohidro.Berdasarkan
hasil rancangan dan simulasi diperoleh bahwa turbin
aliranaksial dengan sudut sudu 30memberikan
kecepatan, dayadanefisiensi yang lebih baik
dibandingkan sudut sudu turbin lainnya.
DaftarPustaka
Hamdani,Mahidin, Irwansyah, 2009. “Pengembangan turbin aliran aksial untuk
pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH)
Head rendah di desa Ramiti Sungai Mas Aceh
Barat”. Laporan penelitian Hibah Kompetitif
Penelitian Sesuai Prioritas Nasional. Lembaga
Penelitian Universitas Syiah Kuala.
Helena M. Ramos, Mariana Simao and Kayolan N.
Kenov., 2012, “Low-Head Energy Conversion:
A Conceptual Design and Laboratory
Investigation of A Micro tubular Hydro
Propeller. ISRN Mechanical Engineering.
Helena M. Ramos, Borga, A., Simao, M. 2009.
“New design solutions for low-power energy
production in water pipe systems”. Water
Science and Engineering, 2 (4):69-84.
K.V. Alexander, E.P. Gidden, A.M. Fuller., 2009,
=30
“Axial-Flow Turbines for Low Head Microhydro
Systems. Renewable Energy Journal, Vol. 34,
35-47.
BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT