Prinsip Dasar Aliran Turbin Air

Indonesia mempunyai potensi sumber daya alam yang besar yang dapat dimanfaatkan, khususnya sumber daya air yang sangat berlimpah. Air yang tersimpan di danau, waduk atau yang mengalir di sungai, mempunyai energi potensial yang besar dan bisa dimanfaatkan untuk menggerakan turbin air gambar 1, 2, 3.

Dengan membangun bendungan-bendungan pada tempat-tempat yang tinggi, misalnya di pegunungan-pegunungan, air bisa diarahkan dan dikumpulkan pada suatu tempat, tempat tersebut dinamakan waduk atau danau buatan. Dengan memanfaatkan beda tinggi, air bisa dialirkan melalui saluran saluran ke turbin air, yang dipasang dibawah waduk.

Sebagai contoh pada gambar 4 terlihat di bawah waduk dibangun rumah pusat tenaga, di dalam rumah tersebut terdapat turbin pelton dengan sudu-sudunya, yang menerima semprotan air dari nosel-nosel, sehingga roda turbin berputar.

Air dari turbin kemudian dialirkan ke sungai. Air waduk mempunyai beda tinggi H, sehingga air mempunyai energi potensial, yang akan mengalir sampai ke turbin air. Pada sudu-sudu turbin, energi aliran diubah menjadi energi mekanik yaitu putaran roda turbin. Apabila roda turbin dihubungkan dengan poros generator listik, maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrik pada generator.

Dari uraian diatas, dapat ditarik kesimpulan bahwa turbin air akan mengubah dari energi kinetik air menjadi sebuah energi mekanik, yaitu putaran roda turbin. Pada kondisi aktual, tidak semua energi potensial air bisa diubah menjadi energi mekanik dalam turbin, pasti pada proses perubahan terdapat kerugian-kerugian.

Dari hal tersebut dapat didefinisikan efisiensi dari turbin yaitu perbandingan daya pada turbin dengan daya air pada waduk.

Adapun perumusannya adalah ;



Air dari waduk akan mengalir dengan kapasitas tertentu dalam saluran yang menuju turbin. Pada turbin air terdapat pengaturan kapasitas untuk memvariasi kapasitas aliran. Pengaturan kapasitas aliran masuk turbin dimaksudkan untuk merespon beban dan perubahan head. Perubahan head pada waduk terjadi karena curah hujan tidak sama sepanjang tahun.

Di Indonesia yang beriklim tropis terdapat dua musim yaitu musim kemarau dan penghujan. Pada musim kemarau head pada kondisi paling rendah dan sebaliknya pada musim penghujan head paling tinggi. Disamping turbin pelton untuk pembangkitan seperti diatas, dapat digunakan jenis turbin air lainnya. Dengan menggunakan dasar mekanika fluida kita bisa menentukan energi potensial aliran, daya turbin, dan karakteristik turbin air lainnya.

Contoh Soal No.1

Dengan kapasitas tertentu dan head tertentu sebuah pembangkit listrik tenaga air mempunyai daya air sebesar P = 180000 KW, sedangkan daya yang dihasilkan turbin adalah P = 160000 KW.

Hitung efisiensi turbin tersebut !.

Jawab :
Efisiensi turbin adalah perbandingan daya turbin dengan daya air. Dari rumus efisiensi
turbin yaitu =

Instalasi Pembangkit Tenaga Air

Sebelum melakukan pembangunan pusat pembangkit listrik tenaga air, diperlukan uji kelayakan terhadap sumber air yang akan dimanfaatkan energi potensialnya. Terutama ketersedian head dan kapasitas terpenuhi dari bendungan atau waduk untuk beban yang dirancang.

Ada beberapa kategori head tersedia yang diklasifikasikan sebagai berikut [gambar 3];

1. head tinggi ( lebih dari 240 m)
2. head sedang ( 30 m sampai 240 m)
3. head rendah ( kurang dari 30 m )

Setelah mengetahui ketersedian head yang ada, selanjutnya menentukan jenis turbin dan beban yang terpasang. Beban yang terpasang atau daya keluaran yang direncanakan tidak boleh melampaui dari ketersedian energi potensial air, karena efisiensi maksimum operasi tidak akan tercapai dan dari segi ekonomis merugikan.

Berikut ini klasifikasi dari jenis pembangkit dilihat dari daya keluaran turbin ;

1. Large-hydro yaitu daya keluaran sampai dari 100 MW
2. Medium-hydro yaitu daya keluaran mulai dari 15 - 100 MW
3. Small-hydro yaitu daya keluaran mulai dari 1 - 15 MW
4. Mini-hydro yaitu daya keluaran mulai dari 100 kW- 1 MW
5. Micro-hydro yaitu daya keluaran mulai dari 5kW - 100 kW
6. Pico-hydro yaitu daya keluaran sampai dengan 5kW

Adapun bagian bagian yang penting dari instalasi dari pembangkit listrik tenaga air adalah sebagai berikut [gambar 4] ;

A. Pintu air

Bagian ini terletak pada pinggir bendungan dan akan mengontrol kondisi air yang akan dialirkan. Air yang keluar harus dijamin bersih dari sampah-sampah seperti batang dan ranting pohon, batu dan kerikil atau lainnya yang dapat membahayakan instalasi. Pada pintu air juga harus bisa menghentikan laju aliran air, apabila saluran harus dikosongkan.

B. Saluran air atau conduit system

Bagian ini berfungsi menyalurkan air dari bendungan menuju turbin. Bentuk saluran disini dapat berbentuk saluran terbuka, tunnel, pressure shaft atau penstock. Saluran ini dibuat dengan cara penggalian atau pengeboran, dindingnya dengan dinding batu. Material penstock dari baja

C. Turbin

Turbin disini berfungsi untuk mengubah energi potensial fluida menjadi sebuah energi mekanik yang kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator.

Komponen-komponen turbin yang penting adalah sebagai berikut ;

• Sudu pengarah, biasanya bisa diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin
• Roda jalan atau runner turbin, pada bagian ini terjadi peralihan dari energi potensial fluida menjadi energi mekanik
• Poros turbin, dalam poros turbin ini terdapat runner dan ditumpu dengan bantalan radial dan bantalan axial
• Rumah turbin, ini biasanya berbentuk seperti keong atau spiral, dan berfungsi untuk mengarahkan aliran masuk sudu pengarah
• Pipa hisap, yaitu unutk mengalirkan air yang keluar turbin menuju ke saluran luar

Energi Potensial Aliran Air

Air yang mengalir melalui saluran mempunyai energi dan energi tersebut dapat diubah bentuknya [gambar 5.], adapun perubahan bentuk energinya oleh Bernoulli dirumuskan sebagai berikut ;



Jadi selama mengalir, energi potensial bisa berubah bentuk menjadi bentuk lainya yaitu energi potensial, energi tekanan, dan energi kecepatan. Apabila ruas kanan dan kiri dibagi dengan mg, maka persamaan diatas menjadi persamaan tinggi jatuh atau head ;



dimana
H = tinggi jatuh air atau head total (m)
z = tinggi tempat atau head potensial (m)
= tinggi tekan atau head tekan (m)
= tinggi kecepatan atau head kecepatan (m)

Pada tiap saat dan posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan, dan kecepatan yang sama besarnya.

Persamaan bernoulli umumnya ditulis dalam bentuk persamaan ;



Arti dari persamaan diatas adalah pada posisi satu pada gambar 5. aliran air akan mempunyai kecepatan dan tekanan tertentu, perubahan energi terjadi karena terjadi perubahan penampang. Karena luas penampang menjadi kecil, kecepatan aliran airnya naik, sedangkan tekanannya menjadi turun. Jadi posisi dua energi kecepatannya lebih besar dari pada posisi satu, dan energi tekanan pada posisi 2 lebih kecil dibanding posisi satu.

Prinsip Peralian Energi Aliran

Aliran zat cair akan mengalami perubahan energi dari bentuk satu kebentuk lainnya. Pada persamaan bernoulli terlihat aliran memiliki energi tempat, tekan dan energi kecepatan. Kemudian proses perubahan energi dari energi aliran menjadi energi mekanik dapat dilihat pada gambar 6. Dari gambar tersebut menunjukan model perubahan ada dua cara yaitu prinsip impuls dan prinsip reaksi.

Prinsip inpuls dapat dijelaskan sebagai berikut. Pada gambar 6 adalah sebuah papan beroda sehingga dapat berjalan, pada papan tersebut dipasang sudu. Apabila sudu disemprot air, aliran air akan menumbuk sudu dengan gaya impuls F, dan sudu akan terdorong dengan arah yang sama dengan gaya yang bekerja, maka papan akan berjalan searah gaya F. Jadi gerakan papan searah dengan gaya yang beraksi pada sudu. Ini adalah prinsip dasar dari turbin impuls.

Prinsip reaksi bisa dijelaskan sebagai berikut. Turbin akan berputar karena dilewati air dari bejana, artinya sudu turbin akan bereaksi dengan gaya yang berlawanan arah dengan gaya yang diberikan aliran air.

Daya Turbin

Bila diketahui kapasitas air dan tinggi air jatuh H, bisa ditentukan daya turbin P (kW) yaitu ;

P = Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H ⋅ η_T

dimana
P = daya turbin air (kW)
Q = kapasitas atau debit air (m3/dtk)
g = percepatan gravitasi (kg/m2)
H = tinggi jatuh air (m)
η_T = efisiensi turbin

massa aliran bisa dihitung dengan persamaan ;
= Q⋅ρ dimana = adalah laju aliran masa ( kg/dtk)

perhitungan daya persamaan diatas bisa diubah menjadi
P =  ⋅ g ⋅ H ⋅ η_T atau
P =  ⋅ Y ⋅ η_T
Y = kerja spesifik (J/kg) Y = g ⋅ H

dari perumusan terlihat bahwa daya turbin sangat tergantung dari besar kapasitas aliran air dan tinggi jatuh air. Secara sederhana bisa dinyatakan bahwa semakin tinggi jatuh air, dengan kapasitas aliran sama, akan mempunyai energi potensial yang lebih besar dibandingkan dengan tinggi jatuh air yang lebih rendah.

Logika tersebut juga berlaku sebaliknya, yaitu untuk tinggi jatuh air yang sama, energi potensial yang dimiliki akan lebih besar apabila kapasitas aliran air juga besar. Untuk menentukan luas penampang saluran aliran air masuk turbin dapat dihitung dengan persamaan kontinuitas yaitu ;

Q = A⋅ v sehingga

dimana
A = luasan penampang saluaran (m²)
v = kecepatan aliran air (m/dtk)

Kecepatan aliran air akan besar pada penampang yang semakin kecil, pada kapasitas aliran air yang sama.

Kecepatan Putar Turbin dan Kecepatan Spesifik

Kecepatan putar turbin harus diusahakan setinggi mungkin, karena dengan kecepatan putar turbin yang tinggi ukuran turbin menjadi kecil sehingga lebih menguntungkan. Kecepatan spesifik juga sangat penting dalam perancangan, karena dengan mengetahui nq kita dapat dengan mudah menentukan tipe roda turbin.

Adapun persamaan nq adalah sebagai berikut;



dimana
n_q = kecepatan spesifik (rpm)
n = kecepatan putar turbin (rpm)

Suatu turbin yang bekerja pada tinggi jatuh dan kapasitas air yang berbeda, dan bekerja pada putaran yang ditentukan, apabila mempunyai kecepatan spesifik yang sama, maka secara geometri bentuk turbin tersebut adalah sama.

Berbagi :