”RENOVASI PLTA SKALA KECIL DENGAN TURBIN CROSS-FLOW ”

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

Antara tahun 1970 an sampai 1990 an PLN banyak membangun PLTASK (Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil), yaitu PLTA dengan kapasitas terpasang di bawah 1 Mega Watt. Menurut data yang ada (Subari Rudi, Tonny Sarief dan Sriyanto, 2002) PLTASK terpasang milik PLN, termasuk yang dibangun sebelum tahun 1970-an dan yang ada sejak zaman Belanda, sebanyak 64 buah. Dari 64 buah PLTASK tersebut, hanya 4 PLTASK yang kapasitasnya di atas 1 MW. Yang menarik  cukup banyak PLTASK tersebut yang tidak beroperasi, dengan berbagai sebab antara lain : kerusakan EM (elektromekanik), dam retak, masalah air, direlokasi, longsor.

Dalam hal penyebab tidak beroperasinya PLTASK akibat masalah air memang merupakan hal yang banyak ditemukan karena dengan rusaknya lingkungan hutan maka air yang mengalir untuk menggerakkan turbin PLTA tidak mencukupi lagi, demikian juga jika sumber air untuk PLTASK  yang dipakai bersama-sama dengan keperluan lain seperti irigasi atau air minum, akan timbul kesulitan jika jumlahnya terbatas sehingga keperluan untuk irigasi dan air minum lebih diprioritaskan dibanding sebagai penggerak tenaga listrik.

Namun jika penyebab tidak beroperasi PLTASK tersebut adalah karena kerusakan elektromekanik, maka terdapat peluang untuk melaksanakan renovasi dan perbaikan sehingga dapat beroperasi kembali. Lebih-lebih lagi dengan semakin tingginya harga BBM, maka dengan melaksanakan renovasi sehingga PLTASK-PLTASK tersebut dapat beroperasi kembali merupakan langkah efisiensi yang cukup berarti. Tentunya dengan melakukan survey dan studi terlebih dahulu untuk menentukan apakah suatu PLTASK layak secara teknis dan ekonomis untuk direnovasi, atau akan lebih efisien jika tidak direnovasi.

Pada kesempatan ini penulis ingin membahas perbandingan antara turbin Francis yang umumnya dipakai pada PLTASK yang mengalami kerusakan elektromekanik dengan turbin Cross-flow, serta melihat peluang untuk melakukan renovasi PLTASK tersebut dan  mengganti turbinnya menjadi  type Cross-Flow.

Jenis-Jenis Turbin Air

Turbin mempunyai fungsi untuk mengubah energi ketinggian air menjadi daya putaran poros. Pemilihan jenis turbin air yang dipakai pada PLTMH tergantung pada karakteristik site tempat lokasi PLTMH tersebut, terutama tinggi head serta besar aliran air yang ada.

Setiap turbin mempunyai kecepatan putar tertentu, dimana turbin tersebut akan beroperasi dengan efisiensi terbaik pada kombinasi head dan debit tertentu. Turbin air dapat dibagi atas head tinggi, head menengah dan head rendah. Sedang dari segi beroperasinya turbin air dibedakan atas turbin impuls dan turbin reaksi.

Berdasarkan head dan jenisnya turbin air dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

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

Masing-masing jenis turbin di atas mempunyai daerah operasinya  sesuai dengan head dan debit air. Kisaran daerah operasi yang cocok untuk masing-masing turbin air, dapat dilihat pada grafik gambar berikut :

 

Grafik Debit air Vs Head netto Kisaran Operasi Turbin Air(British Hydro Association)

Grafik di atas memperlihatkan kisaran operasi turbin air sesuai dengan tinggi jatuh (Head) dan debit. Dari grafik tersebut terlihat bahwa kisaran daerah turbin Francis banyak yang overlap dengan daerah operasi turbin jenis cross-flow. Hal tersebut berarti  suatu PLTASK yang jenis turbinnya Francis memungkinkan untuk diganti dengan turbin jenis lain seperti Cross-flow jika kombinasi head dan debitnya berada pada kisaran daerah turbin yang bersangkutan pada grafik di atas.

Turbin Francis merupakan jenis turbin reaksi yang dalam operasinya sudu putar (runner)  terendam oleh air dan bertekanan. Sudu runner mempunyai profil sehingga perbedaan tekanan antara satu sisi dengan sisi lainnya sehingga menimbulkan gaya, seperti sayap pesawat terbang. Gaya tersebut yang menyebabkan runner berputar.

Sedangkan pada turbin Cross-flow yang merupakan jenis turbin impuls terjadi hal yang sebaliknya, runner turbin  beroperasi di udara (tidak terendam air), runner tersebut diputar oleh adanya semprotan (jet)  air. Pada kondisi tersebut tekanan air sama dengan tekanan udara luar (atmosfir) baik sebelum maupun sesudah mendorong sudu turbin.

Kurva efisiensi

Masing-masing jenis turbin memiliki kurva efisiensi yang berbeda jika beroperasi pada bermacam debit aliran air. Sebuah turbin biasanya didesain untuk beroperasi pada atau di dekat titik efisiensi terbaiknya  (best operating point) yang biasanya terletak pada laju aliran air (debit) sebesar 80 % laju aliran maksimum.

Jika turbin beroperasi pada debit yang lebih rendah atau lebih tinggi dari titik efisiensi terbaiknya  maka efisiensi hidrauliknya akan turun. Hal tersebut dapat dilihat dari diagram efisiensi berbagai jenis turbin air pada berbagai debit pada gambar 2.

Gambar 2 :  Diagram efisiensi Turbin Air

(Sumber : British Hydro Association)

Dari kurva di atas terlihat bahwa untuk turbin jenis Pelton dan Kaplan efisiensi hidrauliknya tetap tinggi meskipun beroperasi pada debit yang lebih rendah dari debit nominalnya.  Namun untuk turbin air jenis Francis dan aliran silang (cross-flow), tingkat efisiensi hidraulik akan turun secara tajam jika beroperasi pada debit dibawah 70 % debit nominal. Sedangkan untuk turbin propeller tipe sudu yang fixed (tidak dapat diatur), tingkat efisiensi akan turun sangat tajam jika beroperasi di bawah 90 % debit nominal.

Turbin Francis

Turbin Francis dapat berupa volute-case ataupun type open-flume. Konstruksi rumah keong (spiral case) memungkinkan air terdistribusi secara uniform sepanjang perimeter dari runner dan guide vane menyalurkan air tersebut pada sudut yang tepat.  Sudu runner merupakan profil yang kompleks dan terendam air. Dorongan air ke sudu runner memindahkan energi air ke runner sebelum air tersebut keluar turbin lewat draft tube.

Turbin Francis biasanya mempunyai guide-vane yang dapat diatur (adjustable). Gerakan guide-vane ini mengatur aliran air yang masuk ke runner dan biasanya dihubungkan dengan system governor yang mengatur besar laju aliran air. Jika aliran air berkurang maka efisiensi turbin juga turun.

Potongan Turbin Francis (Sumber : PLN Udiklat Padang)

Turbin Cross-flow

Turbin aliran silang atau cross-flow ini disebut juga sebagai turbin Michell-Banki yang menjadi penemu turbin jenis ini. Turbin ini  juga sering disebut sebagai turbin Ossberger, yaitu nama perusahaan di Eropa yang telah memproduksinya sejak lebih dari 50 tahun yang lalu.   Turbin ini mempunyai runner yang berbentuk  seperti drum yang mempunyai 2 atau lebih piringan paralel yang masing-masingnya dihubungkan oleh susunan sudu yang berbentuk lengkung.

 

  Turbin air type Cross-Flow   (Sumber : PLN Jasa & Produksi)

Turbin cross-flow mempunyai keunggulan dimana dapat diatur agar agar efisiensinya tetap tinggi meskipun aliran air yang mengalir sangat kecil sekali, misalnya hanya seperempat atau 25 % dari debit aliran penuh / nominal. Hal tersebut dapat dilihat pada  gambar, dimana runner turbin cross-flow tersebut dilengkapi piringan (disc) ditengah-tengah piringan yang ada, sehingga runner turbin menjadi 3 (tiga) bagian. Dengan cara tersebut maka jika aliran air (debit) yang ada sedang rendah, maka air dapat dialirkan hanya pada dua pertiga maupun sepertiga dari runner, dengan demikian efisiensinya turbin secara keseluruhan tetap tinggi meskipun aliran air yang ada hanya sebesar 25 % debit nominal. .

Efisiensi aliran sebagian  turbin cross-flow ( www.microhydropower.net)

Mengganti Francis dengan Cross-Flow

Turbin cross-flow ini banyak dipakai pada PLTA skala kecil dengan kisaran head yang sama (overlapping) dengan turbin jenis Kaplan, Francis dan Pelton. Kisaran operasinya meliputi debit antara 20 liter sampai 10 m3 per detik, serta head antara 1 sampai 200 meter. Turbin cross-flow  ini selalu mempunyai sumbu runner yang horizontal (tidak seperti turbin Pelton,dan Turgo yang dapat horizontal maupun vertical). Dengan demikian karena mempunyai kisaran head yang sama dengan jenis turbin lainnya, khususnya turbin Francis, maka turbin cross-flow ini dapat dipakai untuk mengganti turbin Francis yang rusak pada PLTASK.

Mengingat kisaran operasi antara turbin Francis dan Cross-flow yang overlap tersebut, penulis menyarankan agar untuk PLTASK yang rusak dikaji kemungkinannya mengganti dengan turbin jenis cross-flow, dengan pertimbangan berikut :

1. Langkah awal tentunya melakukan asesmen pada kondisi PLTASK yang tidak beroperasi. Jika kondisi turbin generator relatif baik dan dapat direkondisi maka tidak perlu dilakukan penggantian turbin. Namun untuk PLTASK yang rusak parah maka turbin cross-flow harus dipertimbangkan penggunaannya.
2. Turbin cross-flow yang merupakan jenis turbin impul harganya lebih murah dari turbin reaksi karena tidak memerlukan casing yang mampu menahan tekanan tinggi, juga tidak memerlukan clearance yang sangat teliti.
3. Kisaran operasi  turbin cross-flow cukup fleksibel pada berbagai head dan debit, khususnya untuk daya sampai 1 MW.
4. Desain turbin cross-flow lebih fleksibel, dimana untuk kisaran debit dan head yang berbeda ukuran diameter turbin air tetap sama, manufacturer tinggal mengatur lebar turbin dan transmisi mekanik yang sesuai. Dengan demikian memungkinkan untuk produksi massal tanpa harus memesan desain khusus.
5. Turbin Francis yang banyak dioperasikan pada PLTASK dan sekarang kondisinya rusak umumnya merupakan desain khusus yang tidak diproduksi lagi, sehingga kalau sekarang kita ingin menggantinya dengan type yang sama maka harus memesan secara khusus dengan harga mahal.
6. Turbin type cross-flow saat ini telah banyak diproduksi di dalam negri sehingga terbuka untuk memperoleh dengan harga lebih murah dan mutu yang baik.

Demikianlah usul yang dapat penulis sampaikan, mudah-mudahan menjadi pertimbangan  untuk merenovasi dan mengoperasikan kembali aset-aset PLTASK  yang rusak sehingga memberi manfaat yang optimal dan meningkatkan efisiensi.

-----------------------------------------------