Studi Transien Turbin

Salah satu cara pendistribusian beban listrik adalah dengan menggunakan sistem interkoneksi antar berbagai pusat pembangkit listrik. Pembangkit listrik tersebut terdiri dari berbagai macam, yaitu Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU), Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD), Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP), Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN), dan lain-lain.

Dalam sistem interkoneksi, untuk memenuhi permintaan beban konsumen yang selalu berubah-ubah maka karakteristik yang harus diperhatikan pada kesemua pusat pembangkit listrik adalah kemampuan untuk mengubah-ubah daya output. Pada PLTU, PLTD, PLTN, dan PLTGU perubahan daya output itu terbatas hanya pada jangkauan relatif kecil. Sedangkan pada PLTA variasi daya output yang dihasilkan relatif lebih besar sehingga output dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Karena krakteristik ini, maka PLTA dapat dimanfaatkan sebagai cadangan yang bisa diandalkan pada sitem interkoneksi antar berbagai pusat pembangkit listrik. Pada PLTA dapat diatur variasi beban dari beban nol sampai dengan beban maksimum sehingga dapat memenuhi permintaan beban konsumen yang bervariasi.

Pada PLTA, frekuensi lsitrik yang dihasilkan sebanding dengan putaran generator, dan putaran generator sendiri sebanding dengan putaran turbin air. Putaran turbin air ini dipengaruhi oleh daya output yang diinginkan dan debit air. Bila terjadi perubahan beban listrik, sedangkan debit air konstan maka putaran turbin akan berubah yang akhirnya akan mengubah frekuensi litrik yang dihasilkan. Fluktuasi perubahan frekuensi listrik yang terlalu besar akan mengakibatkan kerusakan pada alat-alat listrik.

Pengaturan putaran turbin pada PLTA dilakukan dengan cara mengatur suplai debit air yang masuk ke turbin dengan menggunakan governor. Governor ini akan mengatur bukaan katup wicket gate pada sisi masuk turbin. Namun demikian perubahan bukaan katup ini akan menimbulkan efek water hammer, yaitu fenomena befluktuasinya gelombang tekanan dalam saluran tertutup akibat percepatan atau perlambatan aliran fluida. Water hammer yang berlebihan dapat membahayakan instalasi pemipaan dan peralatan yang terdapat pada instalasi PLTA. Untuk itu perlu dilakukan pengaturan yang sesuai sehingga fenomena water hammer yang terjadi selama masa transien masih berada dalam batas toleransi dan karakteristik pengaturannya pun sesuai dengan governor yang digunakan.

Penyebab Keadaan Transien
Keadaan transien pada suatu sistem pembangkit listrik mikrohidro terjadi disebabkan oleh adanya perubahan kondisi tunak dari sistem. Gangguan ini disebabkan oleh berbagai perubahan, baik itu yang direncanakan maupun tidak.
Berikut ini penyebab terjadinya kondisi transien:
1. Perubahan posisi katup
2. Perubahan permintaan daya pada turbin
3. Perubahan elevasi reservoir
4. Adanya gelombang pada permukaan reservoir
5. Ketidakstabilan karakteristik sistem

Analisis water hammer pada pembangkit mikrohidro selalu melibatkan analisis persoalan pemipaan dengan satu atau lebih kondisi batas diatas.

Sebagai studi kasus yang akan dianalisis respon transien dengan memakai program simulasi adalah sebuah sistem pembangkit mikro hidro yang terdiri dari sebuah reservoir air di bagian hulu , head race tunnel, penstok dengan dua buah percabangan, dan tiga buah turbin francis yang identik, serta sistem pengaturan menggunakan governor dashpot. Diasumsikan air yang keluar dari turbin mengalir ke dalam draft tube yang pendek sehingga dapat diabaikan. Sketsa sistem tersebut diperlihatkan dalam gambar berikut berikut:

Data Untuk Simulasi Transien
A. Konfigurasi Instalasi
•Jumlah turbin = 3 buah
•Jumlah percabangan = 2 (tanpa menggunakan tangki sentak)
= 3 (menggunakan tangki sentak)
B. Data Pipa
• Panjang pipa:
o LAB = 35 m
o LBC = 120 m
o LCF = 7,2 m
o LDG = 7,2 m
o LDH = 14,4 m
• Diameter pipa:
• DAB = 2.0 m
• DBC = 1,14m
• DCF = 0,798 m
• DCD = 1,14 m
• DDG = 0,798 m
• DDH = 0,798 m
• Koefisien gesek seluruh pipa, f = 0,012
C. Data Turbin
• Jenis = Francis
• Head rated, HR = 40 m
• Kecepatan putar rated, NR = 1500 RPM
• Laju aliran Rated, QR = 3,0 m3
• Momen torsi rated, TR = 14171 N-m
D. Data Governor
• Konstanta waktu promtitude, T = 0,325 s
• Lama waktu penutupan katup, Tg = 6,5 s
• Permanent speed drop,  = 0,05

Analisis Umum
Pelepasan atau penerimaan beban pada sistem pembangkit hidro akan menyebabkan timbulnya fenomena transien pada aliran fluida di pemipaan. Keadaan ini akan mengakibatkan kenaikan head sistem. Kenaikan head akan semakin tinggi dengan mengecilnya waktu penutupan katup.

Pelepasan Beban (Load Rejection)

1. Kenaikan head akibat efek water hammer dalam kondisi pelepasan beban    total, yaitu ketiga unit turbin yang sedang bekerja pada beban penuh, ditutup secara serempak dengan penutupan katup 3,0 detik adalah sebesar 3,6 kali head awal (144 m). Dari perhitungan sebelumnya diperoleh kenaikan head kritis sistem adalah 162 m. Terlihat head maksimum yang terjadi masih berada dibawah head kritis

2. Kenaikan head yang terjadi sepanjang pipa pada sistem percabangan mempunyai pola yang identik. Kesamaan periode dan arah osilasi ini diakibatkan karena timbulnya impuls gelombang tekanan diakibatkan oleh penutupan katup secara serempak. Kenaikan head tertinggi terjadi pada ujung hilir pipa cabang 3

3. Kenaikan head yang terjadi pada kondisi pelepasan beban sebagian (partial load rejection) tidak sebesar pada pelepasan beban penuh. Pada penutupan katup salah satu turbin akan mengkibatkan kenaikan head maksimum terjadi pada pipa cabang yang bersangkutan

4. Pada kondisi pelepasan beban, putaran poros turbogenerator naik diatas putaran rated nya. Semakin besar pelepasan beban maka putaran liar (run away speed) yang terjadi akan semakin tinggi. Absorbsi energi generator “jatuh” dari harga kondisi operasi tunak akibat pelepasan beban pada generator, akibatnya energi poros dikonsumsi secara keseluruhan oleh sistem massa turbogenerator dan menghasilkan putaran liar tersebut.

5. Dalam pelepasan beban sebagian (partial load rejection) kenaikan putaran yang terjadi lebih kecil dibandingkan pada kasus pelepasan beban total.

6. Semakin besar pelepasan beban yang dilakukan maka performasi sistem semakin menurun. Hal ini bisa dilihat dari pola head, posisi katup wicket gate, dan torsi poros turbogenerator

Penerimaan Beban (Load Acceptance)
Dalam kondisi penerimaan beban (load acceptance), putaran poros turbogenerator mengalami penurunan. Demikian juga dengan head dan torsi poros. Kebutuhan energi absorbsi generator secara mendadak akan meyebabkan efek roda gila (fly wheel) “jatuh” dari harga operasi. Bersamaan dengan hal itu bukaan katup wicket gate dan debit aliran naik. Hal ini adalah wajar karena kebutuhan energi listrik mengharuskan turbin untuk menyuplai lebih banyak energi

Pengaruh  Penggunaan Surge Tank
Penggunaan tangki sentak (surge tank) pada sistem pemipaan akan menyebabkan penurunan head maksimum yang terjadi. Head maksimum yang terjadi pada sistem pemipaan yang menggunakan tangki sentak pada bagian hulu akan mengakibatkan kenaikan head maksimum sebesar tiga kali dari head awal.
Penggunaan tangki sentak juga akan mengurangi waktu kestabilan operasi sistem sehingga sistem akan lebih cepat stabil dibandingkan tanpa menggunakan tangki sentak.

Perhitungan Ketebalan Pipa
Dari hasil running program diperoleh besar head maksimum dari tiap-tiap segmen pipa sehingga dapat dihitung tebal pipa minimum yang harus digunakan. Apabila material pipa yang digunakan adalah baja rol (rolled steel for welded structure) dengan:
• Modulus elastisitas, E = 2,1.1011 N/m2
• Kekuatan tarik, u = 40 kg/mm2 = 392.106 N/m2
Apabila diambil safety factor sebesar 2, maka diperoleh tebal pipa untuk tiap seksi perhitungan sebagai berikut:

Tebal Penstock dengan Menggunakan Surge Tank:

Tebal Penstock tanpa Menggunakan Surge Tank:

Kurva Karakteristik WH(x) Turbin:

Kurva Karakteristik WB(x) Turbin:

Kurva Karakteristik head akibat kondisi transien dalam kasus total load rejection dengan penutupan katup 6,5 detik untuk ketiga unit masing-masing bekerja pada beban penuh (1,3725 MW):

Catatan:

  • Simulasi ditulis dalam bahasa pemrograman Compaq Visual Fortran
  • Tulisan selengkapnya merupakan tugas akhir sarjana S1 Departemen Teknik Mesin ITB tahun 2003
Iklan

12 tanggapan untuk “Studi Transien Turbin

  1. mas,gmn rumus dan cranya menghitung momen torsi pada turbin pelton?soalnya q ngmbl skripsi tentang trbin pelton.
    1 lg mas, bku dan blog tentang turbin pelton/ turbin air itu apa mas?
    Trims mas.

    1. Coba buku ini mas: Hydraulic and comprssible flow turbomachines tulisan A.T. Sayers.
      Rasanya di buku ini dibahas cukup panjang lebar tentang turbin pelton.
      Kl kesulitan mendapatkan buku ini saya ada 1 buah copynya.
      Tks.

  2. Ass wr wb
    Bisa bantu saya buku tentang studi transient untuk mikrohidro?
    Saya ndak punya referensi sama sekali.. sebelumnya terimakasaih..

  3. mas… saya boleh minta informasi yang lebih lagi tentang water hammer… saya rencana akan mengambil topik TA tentang Water hammer… trima kasih seblumnya…

    1. Coba cari buku ini:
      1. Fluid Transients karangan Wylie dan Streeter
      2. Applied Hydraulic Transients karangan Chaudry
      di situ dibahas dengan lengkap ttg fenomena water hammer.
      Dulu untuk penulisan skripsi saya juga ambil referensi dari situ.
      Bukunya memang langka (sulit didapat), kl ga ketemu bisa japri saya,,
      Sukses yaa,,

    1. Biasanya tiap plta lain-lain sistemnya mas, tergantung pabrikannya.
      Tp pada dasarnya sama saja, yaitu fungsinya sebagai kontrol governor dan menggerakkan alat-alat yang digerakkan oleh oli bertekanan, misalnya:pembukaan/penutupan inlet valve,,
      Tks

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s