KONSEP PEDOMAN DESAIN PLTA SKALA KECIL

Silahkan Klik Topik Lainnya :

Kegiatan Lingkungan dan Fakultas Teknik,  Wisata Padang Sumatra Barat,  Umroh Makkah Madinah,  Wisata Singapore,  Wisata Phuket Thailand,  Wisata Karimunjawa,  Wisata Malang Bromo,  Wisata Ende Flores,  Wisata Tidung Kepulauan Seribu,  Wisata Pangandaran,  Wisata Bandung, Wisata Malang Batu,  Wisata Melaka Kuala Lumpur, Wisata Penang Malaysia

Bagian I  :  Pendahuluan

Konsep Pedoman desain teknik pembangkit listrik tenaga air skala kecil ini disusun sebagai salah satu acuan panduan teknik bagi pihak-pihak yang berminat untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga air skala kecil

Dalam konsep pedoman ini dijelaskan tentang syarat-syarat teknis yang harus dipenuhi dalam perencanaan, pembangunan dan pengoperasian PLTA Skala Kecil tersebut.

Adapun yang dimaksud dengan Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil pada konsep ini adalah Pembangkit Listrik Tenaga Air yang mempunyai kapasitas daya terpasang netto maksimal  1.000 kW.

Pemilihan kapasitas terpasang pada pembangkit listrik skala kecil tersebut diserahkan kepada pihak-pihak yang akan membangunnya, yaitu setelah memperhitungkan faktor-faktor teknis, ekonomi dan sumber daya tenaga air yang ada.

Mudah-mudahan konsep ini dapat bermanfaat bagi pengembangan pembangkit listrik tenaga air skala kecil di Indonesia.

Pipa pesat, trafo, power house PLTM

Bagian II :  Pembangkit Listrik Tenaga Air

Pada dasarnya Tenaga Air bekerja dengan memanfaatkan energi potensial yang timbul jika air mengalir dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang rendah. Pada PLTA energi air tersebut dimanfaatkan untuk memutar turbin air yang menggerakkan generator penghasil tenaga listrik.

Untuk dapat memanfaatkan energi potensial air tersebut maka air dari posisi yang lebih tinggi ke posisi yang lebih rendah tersebut dialirkan melalui pipa yang biasa disebut sebagai pipa pesat. Besar energi yang dapat dibangkitkan pada pembangkit listrik tenaga air ditentukan oleh 2 (dua) faktor, yaitu :

1. Beda ketinggian antara bagian atas aliran air sebelum masuk pipa pesat dengan ketinggian air saat keluar pipa pesat, atau lazim disebut sebagai Head. Satuannya meter (m).
2. Debit aliran air yang mengalir melalui pipa pesat  dan menggerakkan turbin. Satuannya meter kubik per detik (m³/s)

Daya teoritis (P) yang dapat dihasilkan oleh laju aliran air dan ketinggian tertentu berbanding lurus (proporsional) dengan head H dan laju aliran (Q), sebagai berikut :

             P  =   ρ x  g  x  Q  x  H   x  η

dimana     :  

             P    =   daya yang dihasilkan          ( kW )

             ρ    =   berat jenis air                ( kg / m³ )

             g    =   percepatan gravitasi        ( m / s² )

             Q   =    debit aliran air                 ( m³ /s )

             H    =   tinggi jatuh, head                 ( m )

              η    =  efisiensi total

Bagian  III  :   Bagian-Bagian  PLTA Skala Kecil Sampai 1.000 KW

 Susunan Bangunan

Pada dasarnya suatu pembangkit listrik tenaga air berfungsi untuk mengubah potensi tenaga air yang berupa aliran air (sungai) yang mempunyai debit dan tinggi jatuh (head) untuk menghasilkan energi listrik. Untuk dapat memanfaatkan potensi alam akan listrik tenaga air tersebut maka dibangun suatu PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air) yang mencakup bangunan sipil dan peralatan elektromekanikal.

Dalam penerapannya di lapangan antara PLTA besar dengan PLTA Skala kecil perbedaan utamanya adalah dari segi ukuran atau dimensinya, dimana ukuran atau dimensi PLTA besar jauh lebih besar, sementara pada PLTA skala kecil sesuai dengan kapasitas daya listrik yang dihasilkan, maka dimensinya jauh lebih kecil. Disamping itu dari sisi kerumitannya PLTA Skala Kecil lebih sederhana, misalnya peralatan kontrolnya, ataupun pada bangunan sipil yang biasanya tidak dilengkapi oleh waduk (reservoir).

Air yang mengalir di sungai dibelokkan alirannya oleh Weir (bendung), sehingga aliran air tersebut mengalir lewat bangunan sadap (Intake) . Pada intake terdapat bak pengendap (settling basin) yang berfungsi untuk menghendapkan butir-butir pasir dan lumpur dari air.  Dari bak penenang air dialirkan melewati saluran pembawa (head race) menuju bak penenang. (forebay).

Bak penenang (forebay) berfungsi untuk menenangkan atau menurunkan kecepatan air sebelum masuk ke penstock. Bak penenang ini juga biasanya berfungsi sebagai bak pengendap, yaitu mengendapkan sisa-sisa partikel-partikel pasir dan lumpur yang masih terbawa lewat saluran penghantar. Dari forebay air mengalir lewat saluran pipa tertutup yang disebut pipa pesat (penstock).

Pada ujungnya di sebelah bawah pipa pesat disambung dengan turbin yang berfungsi untuk mengubah energi potensial yang ada pada air menjadi energi mekanik. Poros turbin dihubungkan dengan generator, baik dikopel secara langsung sehingga putaran turbin dan generator sama, maupun dengan memakai sistem transmisi mekanik lain jika putaran antara turbin dan generator tidak sama. Putaran generator tersebut selanjutnya menghasilkan energi listrik.

Bagian IV  :  Bangunan Sipil

Bangunan sipil yang ada pada Pembangkit Listrik Skala Kecil kapasitas sampai 1.000 kW umumnya adalah sebagai berikut  :

1.      Bendung (weir) dan intake

2.      Saluran penghantar

3.      Kolam pengendap (settling basin)

4.      Bak penenang (forebay tank)

5.      Pipa pesat (penstock).

6.      Bangunan Power House

7.      Saluran Pembuang (tail race)

Namun susunan bangunan sipil seperti di atas tidak merupakan sesuatu yang baku, kolam pengendap dan kolam penenang misalnya mempunyai fungsi yang hampir sama. Jika kondisi air yang akan dialirkan ke turbin melalui pipa pesat telah cukup bersih dan tenang, bisa saja kolam penenang dan bak pengendap tersebut disatukan.

Contoh lain adalah pipa pesat, pada PLTA skala kecil yang mempunyai Head sangat rendah maka pipa pesat mungkin saja dihilangkan.

Dengan adanya berbagai variasi tersebut maka pengembang PLTA Skala Kecil dapat memperhitungkan desain bangunan sipil yang cocok dengan mempertimbangkan faktor teknis, ekonomi, lingkungan dan keselamatan kerja.

Secara umum faktor-faktor teknis yang harus dipertimbangkan / diperhitungkan dalam desain Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil sampai 1.000 kW, antara lain  adalah sebagai berikut :

1.      Pemakaian head yang tersedia,

2.      Perubahan/ variasi laju aliran air.

3.      Sedimentasi atau pengendapan Lumpur

4.      Kondisi air banjir,

Bendung (Weir) Dan Intake

Pada suatu PLTA Skala Kecil,  air yang mengalir untuk menggerakkannya haruslah andal dan dapat dikendalikan, baik pada saat ketinggian air pada sungai tersebut sedang tinggi (banjir) maupun pada saat sungai airnya berkurang (surut). Bendung (weir) berfungsi untuk menaikkan permukaan air sungai sehingga pasokan air ke intake dapat terjaga constant. Kadang–kadang hal tersebut dapat dicapai tanpa membangun bendung. Misalnya kolam permanen pada sungai dapat berfungsi menggantikan weir.

Bangunan sadap (intake) dirancang untuk membelokkan sebagian aliran sungai baik sebagian atau sampai 100 % aliran air dipakai untuk menggerakkan Pembangkit Listrik.

Syarat-syarat intake adalah sebagai berikut :

a.       Dapat mengalirkan air untuk menggerakkan Pembangkit Listrik.

b.      Sedapat mungkin tidak atau sedikit memerlukan pekerjaan pemeliharaan.

c.       Harus dapat mencegah masuknya material besar ke saluran.

d.      Dapat membuang sediment yang ada secara periodic.

e.       Dilengkapi dengan spillway untuk melimpahkan air yang berlebih.

 Dari syarat-syarat di atas maka pengembang dapat memilih jenis dan ukuran weir dan intake, sesuai dengan pertimbangan teknis dan ekonomis, yang antara lain adalah :

1.Side Intake without Weir :

2.      Side Intake with Weir

3.      Bottom Intake 

 Kolam Pengendap  (Settling Basin)

Air yang mengalir dari sungai untuk mennggerakkan turbin biasanya membawa larut partikel-partikel kecil. Larutan ini terdiri dari material abrasive seperti pasir yang dapat merusak sudu turbin. Untuk memisahkan material ini dari air, aliran air harus dipelankan melewati settling basin sehingga material lumpur (silt) tersebut dapat mengendap (settled) pada dasar kolam. Tumpukan lumpur yang mengendap secara periodik dapat dicuci / gelontor  (flushed away).

Dari ukuran terkecil partikel yang diijinkan masuk ke pipa pesat, maka kecepat air maksimum yang mengalir pada settling basin dapat dihitung. Semakin kecil kecepatan air pada settling basin maka semakin sedikit partikel yang masuk ke pipa pesat.

Saluran Terbuka.

Saluran terbuka mengalirkan air dari intake atau kolam pengendap (settling basin) ke bak penenang (forebay). Panjang saluran bervariasi tergantung lokasi site nya. Pada satu kondisi kombinasi saluran yang panjang dan pipa pesat yang pendek lebih cocok dan lebih murah. Sedang untuk PLTA Skala Kecil yang lain lebih cocok kombinasi saluran terbuka yang pendek dan pipa pesat yang panjang.

Ukuran dan bentuk saluran biasanya merupakan kompromi antara biaya dan berkurangnya head.

Spillway (Pintu Pelimpah)

Spillway dirancang untuk mengijinkan limpahan (overflow) pada beberapa titik tertentu bangunan air. Pada PLTA Skala Kecil , spillway dapat dibangun pada beberapa titik sesuai dengan kebutuhannya, misalnya pada bendung, kolam pengendap, saluran air  dan bak penenang. Spillway harus cukup untuk membuang kelebihan aliran air jika terjadi banjir.

Bak Penenang (Forebay Tank)

Bak penenang (Forebay tank) menghubungkan antara saluran terbuka dengan pipa pesat. Tujuan utama dari forebay tank ini adalah agar partikel-partikel yang masih ada pada air dapat turun dan tidak memasuki pipa pesat.  Forebay ini juga dapat berfungsi sebagai reservoir (kolam tando) untuk menyimpan air.

Sebuah pintu air (sluicy gate) biasanya dipasang sehingga dapat menutup aliran sebelum masuk pipa pesat. Di depan pipa pesat biasanya juga dipasang saringan (trashrack) untuk mencegah benda-benda besar memasuki pipa pesat.

Bak penenang harus dilengkapi spillway yang dimensinya cukup untuk melimpahkan kelebihan air.

Pipa Pesat

Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang mengalirkan air bertekanan dari bak penenang (forebay tank) ke turbin.

Untuk memperoleh head yang tinggi sehingga kapasitas PLTA Skala Kecil juga, maka diameter pipa pesat dapat dinaikkan sehingga losses nya berkurang, namun hal tersebut  akan menaikkan biaya konstruksi khususnya pipa pesat. Dengan demikian maka harus dilakukan kompromi antara biaya dan kapasitas PLTA Skala Kecil.

Dalam pemilihan material maka pihak Developer / pengembang PLTA Skala Kecil harus mempertimbangkan persyaratan teknis dan ekonomis, dengan tidak mengorbankan factor keamanan.

Desain Pipa Pesat

Pipa pesat ditentukan sifat-sifatnya berdasarkan material, diameter , ketebalan serta jenis penyambungan.

-          Material pipa pesat dipilih.

-          Diameter pipa pesat dipilih pada diameter yang dapat mengurangi frictional losses aliran air di dalam pipa pesat sampai pada tingkat yang dapat diterima.

-          Tebal dinding pipa pesat dipilih untuk menahan maximum internal hydraulic pressure. Termasuk transient surge pressure yang terjadi.

Diameter dan Tebal Pipa Pesat

Pada dasarnya untuk menentukan diameter pipa pesat harus dilakukan kompromi atau trade-off antara harga pipa pesat dengan kehilangan daya hidraulik (losses) pada saat air mengalir melalui pipa pesat. Karena secara umum jika diameter pipa pesat diperbesar maka akan berakibat losses menjadi turun, namun pada sisi lain jika diameter diperbesar maka harga pipa pesat akan naik.

Sedangkan tebal pipa pesat harus diperhitungkan sedemikian rupa sehingga dapat menahan tekanan air yang ada di dalamnya, baik tekanan statis maupun dinamis.

Pipa pesat dapat berada di permukaan tanah ataupun ditimbun di dalam tanah. Hal tersebut antara lain tergantung atas material pipa, keadaan / kemiringan permukaan tanah , lingkungan dan ekonomis.

Rumah Pembangkit (Power House)

            Rumah pembangkit atau power house adalah bangunan tempat memasang mesin pembangkit  yaitu turbin, generator, panel kontrol, peralatan pendukung, serta ruang untuk operator. Power house didesain untuk melindungi mesin pembangkit dan peralatan lainnya dari perubahan cuaca.

Dalam pembangunan Power House harus diperhatikan kekuatan fondasi, terutama fondasi turbin yang akan menahan gaya potensial dan kinetik dari air yang mengalir melalui pipa pesat dan turbin.

Standar minimal bangunan Power house harus  dilengkapi dengan  ruang mesin, ruang operator, kantor dan kamar mandi.

Contoh spesifikasi teknik power house  adalah :

No.	Uraian	Spesifikasi
1.	Fondasi	Batu kali 1 : 2
2.	Fondasi turbin	Beton bertulang
3.	Dinding	Pasangan bata merah 1 : 4
4.	Rangka	Besi
5.	Kusen	Kayu
6.	Lantai	Keramik
7.	Atap	Genting
8.	Pintu	Kayu profil
9.	Jendela	Kayu profil dan kaca

Dimensi  Power House

Dimensi power house harus memperhitungkan persyaratan-persyaratan teknis, serta keselamatan kerja dan lingkungan yang ada.

Saluran Pembuang (Tailrace)

Saluran Pembuang (Tail race) adalah saluran tempat menyalurkan air setelah melewati turbin, yang selanjutnya kembali mengalir ke sungai semula.

Konstruksi tail race : pasangan batu dan beton pada bagian lantai penutup.

Dimensi tailrace harus sedemikian rupa sehingga cukup untuk menampung aliran air maksimal yang keluar dari turbin sehingga tidak terjadi banjir.

 Bagian  V  :  Peralatan  Mesin Dan Listrik (Turbin, Transmisi Mekanik, Generator, Kontrol, Trafo Dan Transmisi)

  

Turbin

Turbin mempunyai fungsi untuk mengubah energi ketinggian air menjadi daya putaran poros.

Setiap turbin mempunyai daerah operasi sendiri sehingga mampu mengasilkan energi listrik dengan efisiensi yang memadai. Daerah operasi optimal tersebut ditentukan oleh besar head operasi turbin air tersebut. Turbin air dapat dibagi atas head tinggi, head menengah dan head rendah. Disamping itu dari segi beroperasinya turbin air dibedakan atas turbin impuls dan turbin reaksi.

	Head tinggi	Head Menengah	Head rendah
Turbin impuls	Pelton Turgo	Cross-flow Multi-jet pelton Turgo	Cross-flow
Turbin reaksi		Francis	Propeller Kaplan

Para pengembang dapat memilih sendiri jenis dan ukuran turbin yang akan dipakai pada PLTM/ PLTMH, dengan memperhitungkan factor teknis, ekonomis.

Pemilihan  Jenis Turbin

Faktor-faktor  yang mempengaruhi atau menjadi kriteria dalam memilih jenis turbin air yang dipakai pada tenaga air adalah sebagai berikut :

1. Tinggi jatuh netto  (Hnetto).
2. Debit air
3. Daya turbin (P)
4. Kecepatan putar turbin

Pengembang dapat memilih jenis turbin air  yang akan dipakai dengan memperhitungkan aspek teknis dan ekonomis.

Sistem Transmisi / Drive Sistem (System Penggerak)

Sistem penggerak meneruskan daya dari poros turbin ke poros generator atau poros lain yang dipakai untuk menggerakkan peralatan lain. Sistem transmisi tersebut juga berfungsi untuk mengubah kecepatan putar dari satu poros ke poros yang lain, jika kecepatan putar turbin berbeda dengan kecepatan generator atau peralatan lain yang harus diputarnya.

Berikut adalah jenis-jenis system penggerak / transmisi mekanik pada mikrohidro :

1. Penggerak langsung.
2. Flat belt dan pulley
3. V atau wedge belt dan pulley
4. Chain and sprocket
5. Gearbox

Pengembang Pembangkit Listrik Skala Kecil kapasitas sampai 1.000 kW dapat memilih system transmisi mekanik yang dipakai pada PLTM atau PLTMH yang bersangkutan, dengan mempertimbangkan factor teknis dan ekonomis.

Peralatan Listrik

Daya mekanik yang dihasilkan oleh turbin air dipakai untuk menghasilkan listrik dengan menggunakannya untuk menggerakkan generator yang akan mengubah energi mekanik menjadi enerfi listrik. Type generator yang sering dipakai adalah generator yang menghasilkan arus bolak balik yang dikenal sebagai alternator.

Mengulang teori listrik sederhana, aliran listrik atau arus (simbolnya I) mempunyai satuan amper (A), beda tegangan  (V) diukur dalam Volt (V). Daya (P) diukur dalam Watt (W) atau lebih sering dalam kilowatt ( 1 kW = 1000 W).

Tahanan ( R )  dari suatu rangkaian listrik  menunjukkan bagaimana baiknya listrik mengalir (konduktor yang jelek mempunyai tahanan yang tinggi). Tahanan diukur dalam Ohm (W) dan ekual dengan perbedaan potensial (voltage drop) dibagi arus. Kapasitansi ( C ) menunjukkan derajat dimana energi disimpan pada medan listrik dibandingkan yang dipakai untuk kerja, dan induktansi ( L ) sama dengan kapasitansi tetapi mengacu pada medan megnet..

Generator

Generator induksi dan generator sinkron menghasilkan arus bolak-balik (AC).  Keunggulan dari arus bolak-balik (AC) adalah dapat menyalurkan daya listrik pada jarak yang cukup jauh. Berlainan jika kita menggunakan arus searah yang hanya dapat menghasilkan listrik untuk penggunaan pada jarak yang sangat dekat atau pada power house. Dengan demikian maka arus bolak-balik cocok untuk proyek kelistrikan karena beban listrik biasanya tersebar dan sering jaraknya jauh dari generator.

Generator induksi mempunyai keunggulan dan sering dipakai untuk penyediaan tenaga listrik di daerah terpencil karena generator tersebut cukup kuat, kompak dan sangat andal.

Generator Sinkron :

Mempunyai rotor eksitasi yang terpisah, dipakai baik pada system terisolasi maupun interkoneksi dengan system tenaga listrik.

Generator Asinkron (induksi)

Tidak mempunyai rotor exiter, biasanya dipakai pada networks dengan sumber listrik yang lain. Pada system yang terisolasi atau independent, generator ini harus dihubungkan dengan kapasitor untuk menghasilkan listrik.

Kecepatan putar dan jumlah kutub Generator

Kecepatan putaran generator tergantung pada frekuensi jaringan tenaga listrik ( 50 atau 60 Hz, di Indonesia 50 Hz) serta jumlah pole (kutub) generator, sesuai rumus berikut :

Pada PLTA Skala Kecil sampai 1.000 kW ini maka pengembang harus memakai generator yang frekuensinya 50 Hz. Sedangkan kecepatan putar generator tersebut disesuaikan sesuai putaran turbin, perbandingan transmisi mekanik dan jumlah kutub (pole) generator.

Peralatan Kontrol

Dalam pengoperasiannya kecepatan turbin akan berubah jika beban listrik yang dilayani oleh generator berubah.  Sebagai contoh jika pada konsumen semakin banyak lampu penerangan yang dinyalakan, artinya beban konsumen bertambah,  maka kecepatan putar turbin akan turun. Karena adanya perubahan kecepatan tersebut akan menimbulkan pengaruh pada tegangan dan frekuensi listrik. Untuk menjaga agar tidak terjadi perubahan kecepatan putar turbin dan generator maka besar beban generator harus dijaga konstan (load control)  atau laju aliran air yang melewati turbin harus diatur (flow control) sesuai dengan perubahan beban yang ada.

Pengembang Pada PLTA Skala Kecil sampai 1.000 kW dapat memilih sendiri apakah akan memakai peralatan control dari jenis load control (dummy load) ataupun flow control (governor), sesuai dengan pertimbangan teknik dan ekonomi masing-masing..

Ballast  Load 

Ballast load merupakan bagian yang penting dari electronic control system. Ballast load terdiri dari 2 jenis, yaiti type pemanas udara (air heater) dan type pemanas air (water heater).

Pemanas udara

Pada PLTA skala kecil jenis Pico dengan kapasitas di bawah 10 kW type pemanas udara (air heater) ini sering dipakai dibandingkan dengan type pemanas air (water heater) karena biasanya sederhana.

Pemanas air,

Ballast load type pemanas air (water heater) ini sering dipakai untuk PLTA kecil dengan kapasitas di atas  100 kW.

eknis, ekonomis.

ungkan faktor ndiri jenis dan ukuran turbin yang akan dipakai pada PLTM/ PLTMHir yang ada di dalamnya, baik te

Speed Governor

Speed governor dipakai agar  kecepatan turbin tetap konstan karena kecepat tersebut akan berubah-ubah jika terjadi perubahan daya, head ataupun debit aliran air.

Fungsi governor adalah mengendalikan laju aliran air secara otomatis dengan pengoperasian guide-vane sesuai dengan beban yang ada.

Panel PLTA Skala Kecil Sampai 1.000 kW

Peralatan ukur minimum yang harus ada pada panel PLTA Skala Kecil sampai 1.000 kW adalah sebagai berikut :

1. Pengukur tekanan air pipa pesat
2. Volt meter dengan selector switch untuk mengukur keluaran generator.
3. Volt meter untuk mengukur tegangan ballast load (untuk yang memakai ballast load).
4. Amperemeter per fasa.
5. Frequensi meter
6. kVA meter
7. Pengukur waktu operasi.

Peralatan Proteksi (Pengaman)

Peralatan pengaman minimum yang harus ada pada Skala Kecil sampai 1.000 kW adalah sebagai berikut :

1. Pengaman kecepatan lebih dengan deteksi frekuensi (Over speed).
2. Pengaman tegangan kurang (under voltage).
3. Pengaman tegangan lebih (over voltage).
4. Pengaman arus lebih (over voltage).
5. Pengaman terhadap petir.

Trafo  Daya

Trafo daya berfungsi untuk menaikkan tegangan dari generator ke tegangan 20 kV untuk selanjutnya akan menyalurkan energi listrik PLTA Skala Kecil lewat jaringan Distribusi Tegangan Menengah 20 kV. Trafo daya harus menyesuaikan dengan jaringan Tegangan Menengah 20 kV yang ada.

Transmisi

Penyaluran listrik dari Trafo Daya ke jaringan 20 kV PLN yang terdekat memakai saluran tegangan 20 kV. Pengembang PLTA Skala Kecil kapasitas sampai 1.000 kW dapat memilih apakah memakai Saluran Udara Tegangan Menengah 20 kV atau memakai kabel 20 kV.

Metering

Untuk mengukur jumlah energi listrik (kWH) yang telah disalurkan oleh Pengembang Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil, maka pihak Pengembang Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil sampai 1.000 kW wajib menyediakan peralatan kWH meter. Titik pengukuran kWH meter tersebut berada pada Saluran Transmisi 20 kV  terdekat milik PLN.

 ------------------

Artikel Terkait Lainnya :

Renovasi PLTA Skala Kecil 

Turbin Cross-Flow 

Membangun PLTA Skala Kecil