STUDI EKSPERIMEN PENGARUH JUMLAH PIPA SALURAN …

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2018 ISSN: 1979-911XYogyakarta, 15 September 2018

A-229

STUDI EKSPERIMEN PENGARUH JUMLAH PIPA SALURAN TERHADAP PERFORMA

TURBIN FRANCIS

Afif Nur Ayu Shadrina1, Joke Pratilastiarso2, Achmad Bahrul Ulum3

1,2 Program Studi D4 Sistem Pembangkit Energi Departemen Teknik Mekanika dan Energi Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

e-mail :[email protected],[email protected],[email protected]

ABSTRACTThe large population growth requires Indonesia to continue to build new power plants by utilizing the

diversity of energy resources in Indonesia. PLTA is an integrated power system in a dam by utilizing the mechanical energy of the water flow to rotate the turbine. The francis turbine is one of the important components of hydropower that serves to convert or convert the potential energy form that water possesses into mechanical energy. Water flowing from the pipeline from a certain height can convert to pressure energy before entering the guide vane and some of the pressure energy is converted into kinetic energy as it passes through the guide vane. Some of that energy will drive the shaft or runner. The pipeline that serves to direct the flow before entering the spiral case can be varied by the number of single pipes up to three pipelines. The francis turbine is designed in a laboratory scale with a runner dimension of 30 cm and the number of 10 blades has a pipe dimension of 8.9 cm. The test results show that the trendline when using 2 pipelines is better than the other pipeline variation with the highest efficiency value of 6.2%.

Keywords : francis turbine, number of pipes, performance

INTISARIBesarnya pertumbuhan penduduk menuntut Indonesia untuk terus membangun pembangkit listrik baru dengan

memanfaatkan keanekaragaman sumber energi di Indonesia. PLTA merupakan suatu sistem pembangkit listrik yang terintegrasi dalam bendungan dengan memanfaatkan energi mekanis aliran air untuk memutar turbin. Turbin francis merupakan salah satu komponen penting pada PLTA yang berfungsi untuk mengkonversikan atau mengubah bentuk energi potensial yang dimiliki air menjadi energi mekanik. Air yang mengalir pada pipa saluran dari ketinggian tertentu, dapat merubah menjadi energi tekanan sebelum memasuki guide vane dan sebagian energi tekanan diubah menjadi energi kinetik saat melewati guide vane. Sebagian energi tersebut yang akan menggerakkan poros atau runner. Pipa saluran yang berfungsi untuk mengarahkan aliran sebelum memasuki spiral case dapat divariasikan dengan jumlah satu pipa saluran hingga tiga pipa saluran. Turbin francis yang dirancang dalam skala laboratorium dengan dimensi runner sebesar 30 cm dan jumlah sudu 10 buah memiliki dimensi pipa saluran sebesar 8,9 cm. Hasil pengujian menunjukkan bahwa trendline bila menggunakan 2 pipa saluran lebih baik dibandingkan variasi pipa saluran yang lain dengan nilai efisiensi tertinggi sebesar 6,2%.

Kata kunci : turbin francis, pipa saluran, performa

1. PENDAHULUAN

Pertumbuhan penduduk yang kuat dan pesat membutuhkan energi dalam jumlah besar. Sebanyak 237,6

juta penduduk pada tahun 2010 mengalami peningkatan menjadi 256,5 juta penduduk padat tahun 2015 [1].

Kondisi ini menyebabkan Indonesia menduduki posisi keempat dengan jumlah penduduk terbanyak di dunia dan

menduduki posisi pertama di Asia Tenggara. Jumlah penduduk di Indonesia diproyeksikan akan mencapai 296,4

juta penduduk pada tahun 2030. Dengan kata lain, akan ada penambahan sebanyak 40,9 juta penduduk.

Besarnya pertumbuhan penduduk ini menuntut Indonesia untuk terus membangun pembangkit listrik baru

dengan memanfaatkan keanekaragaman sumber energi di Indonesia. Terdapat dua jenis sumber energi yang

dapat digunakan yaitu energi konvensional dan energi terbarukan. Energi konvensional adalah energi yang

diambil dari sumber yang bahannya hanya tersedia terbatas. Salah satu energi konvensional yang mengalami


A-230

peningkatan terbesar adalah minyak solar, dimana pada tahun 2000 mengalami peningkatan sebesar 38,7%.

Sedangkan untuk energi terbarukan adalah sumber energi yang berasal dari sumber daya alam yang terus ada

[2]. Ada beragam jenis energi terbarukan yaitu tenaga surya, tenaga angin, biomassa dan tenaga air. Salah satu

sumber daya alam yang paling banyak di Indonesia adalah air, dimana pada luas perairan yang dimiliki

Indonesia sebesar 3,1 juta kilometer persegi. Sehingga dengan banyaknya luas perairan yang dimiliki tersebut,

telah banyak perkembangan energi terbarukan menggunakan pembangkit listrik tenaga air atau PLTA.

PLTA merupakan suatu sistem pembangkit listrik yang terintegrasi dalam bendungan dengan

memanfaatkan energi mekanis aliran air untuk memutar turbin yang kemudian akan diubah menjadi tenaga

listrik oleh generator. Dimana pada turbin air dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis turbin yaitu turbin impuls

dan turbin reaksi. Perbedaan antara turbin impuls dan turbin reaksi adalah perubahan momentum atau ekspansi

dari fluida tersebut. Pada turbin impuls terjadi perubahan pada nozzle atau di luar roda sudu, sedangkan pada

turbin reaksi terjadi perubahan pada permukaan lengkung sudunya. Contoh dari turbin impuls adalah turbin

pelton dan turbin crossflow, sedangkan contoh dari turbin reaksi adalah turbin kaplan dan turbin francis.

Turbin francis merupakan jenis turbin yang memanfaatkan proses tekanan berlebih. Pada saat air masuk

ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh bekerja dalam sudu pengarah kemudian diubah sebagai kecepatan

masuk. Sedangkan untuk sisa energi tinggi jatuh, dimanfaatkan sebagai sudu jalan yang dapat bekerja

maksimum dengan menggunakan pipa isap atau pipa saluran.

Pada penelitian kali ini, dilakukan variasi dengan menambahkan jumlah pipa saluran pada turbin

francis. Penambahan pipa saluran ini mengacu pada variasi penambahan jumlah nozzle pada turbin pelton yang

dari hasil penelitian tersebut didapatkan bahwa adanya peningkatan penyebaran aliran air ke bagian titik sudu

runner akan memberikan efek putaran poros menjadi lebih tinggi (Stamatelos et al, 2014). Kemudian adanya

penambahan jumlah nozzle turbin pelton juga dapat meningkatkan daya listrik yang dihasilkan. Peningkatan

daya listrik ini dipengaruhi oleh aliran air yang masuk menuju sudu runner semakin cepat sehingga memberikan

gaya tumbukan searah dengan perubahan gaya terhadap setiap putaran rotasi poros sudu turbin (Zhang, 2009).

Untuk membuktikan hal tersebut, maka akan dilakukan penelitian pengaruh jumlah pipa saluran terhadap

peforma turbin francis.

2. METODE PENELITIAN

2.1 Alat Penelitian

Instalasi mesin uji prestasi turbin francis terdiri dari komponen utama diantaranya bak penampung air,

pipa, pompa air, turbin francis, vfd inverter dan fitting. Alat ukur yang digunakan dalam pengujian meliputi

flowmeter, pressure gauge, tachometer (sensor proximity) dan torquemeter. Setelah melakukan perancangan,

maka dilakukan proses fabrikasi dengan baik agar dapat melakukan pengambilan data yang terkait dengan

penelitian. Ditentukan nilai diameter luar runner sebesar 30 cm, diameter tengah runner sebesar 12 cm, jumlah

sudu 10 dan dimensi pipa saluran sebesar 8,9 cm.


A-231

Gambar 1. Diagram Skematik Turbin Francis

Gambar 2. Sistem Turbin Francis

2.2 Sistem Pengujian

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Energi Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Pengujian

sistem dengan variasi jumlah pipa saluran dilakukan dengan cara pengecekan peralatan yang digunakan apakah

sudah sesuai dengan yang diharapkan seperti pada pompa, alat ukur sensor proximity, torsi dan membuka valve

pada variasi pipa saluran yang akan diuji. Kemudian menyiapkan parameter yang akan diukur. Parameter yang

diukur yaitu :

1. Tekanan discharge dan suction

2. Kecepatan aliran fluida

3. Kecepatan putar turbin

4. Torsi

Setelah semua disiapkan, selanjutnya yaitu menyalakan pompa dengan menekan push button dan

pengkondisian debit air yang dilakukan dengan cara mengatur frekuensi inverter. Air yang mengalir dari pipa

saluran akan memasuki spiral case dan memutar turbin. Selanjutnya menunggu waktu kurang lebih 1 menit agar

keadaan turbin berputar dalam kondisi steady. Setelah kondisi turbin steady, dilakukan pengambilan data.


A-232

Kemudian pengujian dilakukan kembali namun dengan jumlah pipa saluran yang berbeda.

Gambar 3. Diagram Alir Sistem Pengujian

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses penelitian dengan melakukan pengujian turbin francis untuk mengetahui peforma turbin francis.

Setelah pengujian dilakukan, diketahui grafik perbandingan peforma turbin francis yang meliputi kecepatan

putar, daya mekanik dan efisiensi tiap variasinya.

3.1 Analisis Debit terhadap Kecepatan Putar Turbin

Gambar 3. Grafik Debit terhadap Kecepatan Putar Turbin (rpm)


A-233

Dari grafik di atas dapat diketahui bahwa variasi jumlah pipa saluran memiliki pengaruh terhadap

kecepatan putar yang dihasilkan. Pengaruh kecepatan putar dapat dilihat dari nilai debit yang fluktuatif pada

setiap variasinya. Seperti pada pengambilan data ketiga dan keempat dimana pada 3 pipa saluran, nilai debit

yang dihasilkan menurun dibandingkan dengan 1 pipa saluran dan 2 pipa saluran. Hal ini dikarenakan terjadinya

kekurangan volume air pada bak penampung yang menyebabkan aliran fluida pada pipa saluran tidak stabil.

Secara keseluruhan, perubahan pada kecepatan putar turbin tertinggi terjadi bila menggunakan 3 pipa saluran

dengan nilai kecepatan putaran turbin sebesar 158 rpm. Dari nilai tersebut, dapat diketahui bahwa dengan

adanya penambahan pipa saluran akan mempengaruhi kecepatan putar turbin karena menambah daerah serang

pada runner sehingga putaran turbin semakin meningkat.

3.2 Analisis Debit terhadap Daya Mekanik

Gambar 4. Grafik Debit terhadap Daya Mekanik

Dari grafik di atas dapat diketahui bahwa nilai kecepatan putar turbin tertinggi terjadi bila

menggunakan 2 pipa saluran dengan nilai daya mekanik sebesar 94,2 watt. Dengan adanya perubahan debit yang

terjadi, nilai daya mekanik juga berubah yaitu semakin tinggi debit maka daya mekanik juga semakin tinggi.

Akan tetapi, pada pengambilan data keempat dan kelima didapatkan trend nilai yang berbeda yaitu mengalami

penurunan apabila dibandingkan dengan 1 pipa saluran dan 2 pipa saluran. Pada pengambilan data keempat dan

kelima, nilai daya mekanik sebesar 44,6 watt dan 85,7 watt. Hal ini disebabkan karena aliran air yang terlalu

besar sehingga air yang seharusnya mendorong runner untuk berputar tidak termanfaatkan dengan baik dan

menyebabkan gaya pengereman yang terjadi kurang maksimal sehingga nilai torsi juga berubah setiap

variasinya.

3.3 Analisis Debit terhadap Efisiensi

Berdasarkan dari grafik di atas, dapat diketahui bahwa efisiensi tertinggi terjadi bila menggunakan 2

pipa saluran. Trendline yang dimiliki pada perbandingan debit terhadap efisiensi ini berbeda tiap variasinya,

seperti pada 1 pipa saluran dan 2 pipa saluran sama dengan trendline pada perbandingan debit terhadap

kecepatan putar. Nilai daya mekanik sangat berpengaruh terhadap nilai kecepatan putar, semakin tinggi


A-234

kecepatan putar yang dihasilkan maka semakin tinggi pula daya mekanik pada tiap variasi. Semakin tinggi daya

mekanik, maka efisiensi yang dihasilkan juga semakin tinggi.

Gambar 5. Grafik Debit terhadap Efisiensi

4. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil pengujian dan analisis data, dapat disimpulkan bahwa :

1. Variasi jumlah pipa saluran akan berpengaruh terhadap peforma turbin francis.

2. Pada pengujian 3 pipa saluran dapat menghasilkan nilai kecepatan putar turbin yang paling tinggi, nilai

kecepatan putar turbin sebesar 158 rpm dengan debit 0,025 m3/s.

3. Pada pengujian 2 pipa saluran dapat menghasilkan nilai daya mekanik dan efisiensi yang paling tinggi,

nilai daya mekanik yang dihasilkan sebesar 94,2 watt dan efisiensi yang dihasilkan sebesar 6,16%

dengan debit 0,024 m3/s. Hal ini disebabkan karena aliran air yang terjadi pada saat menggunakan 3

pipa saluran terlalu tinggi sehingga air tidak termanfaatkan dengan baik.

4. Penerapan studi eksperimen pengaruh jumlah nozzle pada turbin pelton bisa diterapkan dalam jumlah

pipa saluran pada turbin francis, akan tetapi hasilnya tidak semaksimal pada turbin pelton dimana

terdapat perbedaan antara turbin pelton yang dimana memiliki nozzle sebagai komponen yang

mengarahkan aliran air langsung menuju ke turbin.

UCAPAN TERIMA KASIH

1. Ayah, Umi yang selalu memanjatkan doa, memberikan semangat, motivasi, dukungan dengan sepenuh

hati sehingga penulis diberikan kemudahan dalam memecahkan permasalahan dan kelancaran dalam

menyelesaikan proyek akhir ini serta perjuangan yang beliau curahkan demi mewujudkan impian

penulis.

2. Bapak Dr. Zaenal Arief, S.T., M.T. selaku Direktur PENS.

3. Bapak Raden Sanggar Dewanto, S.T.,M.T.,Ph.D. selaku Kepala Departemen Teknik Mekanika dan

Energi PENS.


A-235

4. Bapak Ir. Joke Pratilastiarso, M.T. Sebagai Ketua Program Studi Sistem Pembangkit Energi – PENS,

sekaligus dosen pembimbing 1 yang telah memberi ilmu, masukan dan dengan sabar membimbing

selama pengerjaan proyek akhir.

5. Bapak Achmad Bahrul Ulum, S.T. selaku dosen pembimbing 2 yang telah meluangkan waktu dan

membimbing penulis hingga proyek akhir ini dapat terselesaikan.

6. Ibu Fifi Hesty Sholihah, S.ST., M.T., selaku koordinator tugas akhir, yang selalu ada, siap, dan sabar

membimbing secara materil dan moril 23 mahasiswa angkatan 2014.

7. Bapak dan Ibu Dosen Penguji, yang telah memberikan koreksi dan saran yang membangun kepada

penyusun.

8. Seluruh dosen pengajar Program Studi Sistem Pembangkit Energi, yang telah banyak memberikan ilmu

pengetahuan kepada penulis.

9. Megananda Agsetin Wahyu Pradana, Ainun Fitra Darmawan dan Fernanda Islamiyah sebagai teman

dalam TIM PROYEK AKHIR SISTEM PENGUJIAN TURBIN AIR yang tidak pernah menyerah

dalam menghadapi permasalahan yang datang, terus menemani penulis hingga tercapainya proyek akhir

dengan memuaskan.

10. Teman-teman angkatan Sistem Pembangkit Energi 2014, yang sudah penulis anggap sebagai keluarga,

selalu memberikan semangat dan bantuan dalam menjalani Proyek Akhir ini serta selalu membantu dan

setia menemani penulis dalam keadaan susah maupun senang sehingga penulis dapat melewati 4 tahun

masa perkuliahan yang cukup berat.

11. Seluruh kalangan yang mendukung dan membantu penulis dalam mengerjakan Proyek Akhir yang

tidak dapat disebutkan satu per satu.

DAFTAR PUSTAKA

Asrori, Yudiyanto Eko. 2011. Perencanaan Turbin Air Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro. D3 Teknik Mein

Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya

Assauri, Sufyan dkk. Pengaruh Variasi Jumlah Nozzle terhadap Daya Listrik yang dihasilkan pada Prototype

Turbin Pelton. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Islam Malang.

Bawono, Agi Noto. Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Miktrohidro Studi Kasus Di sungai Suku Bajo,

Desa Malanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT. D3 Teknik Mesin Fakultas

Teknik Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya

Dietzel, Fritz, Dakso Sriyono. 1996. Turbin Pompa dan Kompresor. Jakarta : Erlangga

Dwi Kusuma, Dimas. 2011. Karakteristik Unjuk Kerja Turbin Francis Pada Pembangkit Listrik Tenaga

Mikrohidro (PLTMH) Terhadap Perubahan Kapasitas Aliran. S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Jember

Nurindiyono, Ardanto Kusuma. 2016. Studi Eksperimen Turbin Francis Skala Laboratorium. D4 Sistem

Pembangkit Energi Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Surabaya.


A-236

Rozaki, Muhammad. 2016. Studi Eksperimen Turbin Air Pelton dengan Variasi Bucket untuk mengetahui Unjuk

Kerja Turbin. D4 Sistem Pembangkit Energi Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Surabaya

Salim, E dkk. 2015. Peningkatan Jumlah Penduduk Indonesia disertai Penurunan LPP. Jakarta : UNFPA

Indonesia

Stamatelos, F.., J.S. Anagnostopoulos and D.E. Papantonis. 2011. Performance Measurements on a Pelton

Turbin Model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and

Energy Vol. 225: 351-362

Sugiyono, Agus dkk. Outlook Energi Indonesia 2016. Jakarta

Zhang, Zh. 2009. Inlet Flow Condition and the Jet Impact Work in a Pelton Turbine. Proceedings of the

Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy Vol. 225: 589-596

Documents

STUDI EKSPERIMEN PENGARUH JUMLAH PIPA SALURAN …