Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
BAB III PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
Perencanaan Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Penulis mengambil contoh perencanaan pembangunan PLTMH Hutaraja yang memanfaatkan potensi tenaga air sungai Aek Silang di Desa Hutaraja, Kecamatan
Dolok Sanggul Kabupaten Humbang Hasundutan 3.1 Umum
Desain dasar bangunan utama PLTM dimaksudkan untuk menghitungmemperkirakan bentuk serta dimensi dari bangunan-bangunan utama
PLTM Hutaraja ,dalam hal ini akan dibahas perencanaan bangunan-bangunan sipil yang menjadi penunujang PLTM Hutaraja yang meliputi, :
• Bendung Weir
• Saluran pembawa Head race
• Pipa pesat Penstock
Desain dasar ini dibuat untuk mendapatkan besaran volume pekerjaan dan perkiraan biaya konstruksi, sehingga secara garis besar hasil perhitungan-perhitungan sudah
dapat dipergunakan untuk melakukan evaluasi terhadap PLTM, baik teknis maupun ekonomis.
3.2 Desain dasar pekerjaan sipil
A. Bendung
Bendung PLTM Hutaraja direncanakan sebagai bendung tetap tipe pelimpah dari pasangan batu lapis beton.
Debit banjir rencana Design Flood
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Debit banjir rencana pada sungai Hutaraja menggunakan data hidrograf banjir rancangan kala ulang 50 tahun dengan menggunakan metode hidrograf satuan
Nakayasu. .
3 ,
6 ,
3
3 ,
T T
CxAxR Q
P p
+ =
Pada kasus di Hutaraja, sungai Aek Silang memiliki panjang alur sungai L = 31 km Luas DAS = 218,3 km
2
Hutaraja termasuk daerah pengaliran biasa yang memiliki = 2 Maka didapat
tg = 0,4 + 0,058.L
= 0,4 + 0,058.31 = 2,20
Waktu yang diperlukan oleh penurunan debit, dari debit puncak sampai menjadi 30 dari debit puncak.
T
0,3
= .tg = 2 x 2,20
= 4,40 Waktu dari permulaan hujan sampai puncak banjir
tr = 0,9. tg
= 0,9 x 2,20 = 1,98
t
p
= tg + 0,8.tr = 4,40 + 0,8 x 1,98
= 3,78
Debit puncak banjir Qp
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
. 3
, 6
, 3
3 ,
T T
CxAxR Q
P p
+ =
. 3
, 6
, 3
3 ,
T T
CxAxR Q
P p
+ =
= 4
, 4
78 ,
3 .
3 ,
6 ,
3 3
, 218
+ xCxR
= 10,97x Cx R Selanjutnya perhitungan debit banjir dilakukan dengan tabel, dengan memasukkan
nilai hujan satuan jam-jaman dan memasukkan angka koreksi. Lampiran 1 Sehingga didapat debit banjir rencana kala ulang 50 tahun sebesar 755 m
3
detik.
a Lokasi bendung
Bendung PLTM Hutaraja berada di Palung Aek Silang pada elevasi dasar sungai + 1266 m, dengan pintu pengambilan Intake sebelah kanan aliran. Lebar
rata-rata sungai di sekitar lokasi bendung adalah 15 m, talud 1 : m adalah 1:1,5. Gambar rencana bendung dapat dilihat pada lampiran 2
b Elevasi mercu bendung
Berdasarkan kondisi topografi dan fungsi bendung untuk memperoleh tinggi jatuh yang direncanakan, maka tinggi bendungmercu ditetapkan p= 5 m. Sehingga
Elevasi mercu adalah + 1271 m c
Lebar bendung Lebar bendung PLTM Hutaraja diambil 1,2 kali lebar normal Aek Silang pada
debit penuh Q
50
sebelum adanya bendung yaitu sebagai berikut - Kedalaman air di sungai
h = 2,2 m
- JagaanFree Board w
= htot = 3,7 m
1,5 m
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Jadi lebar bendung B = 1,20 Bn = 1,20 b+m.h total Lebar bendung = Lebar rata-rata sungai x 1,2
= 15 + 1,5 x 3,7 x 1,2 = 24,66 m
Lebar efektif bendung pilar yang digunakan 2 buah dengan lebar pilar bendung sebesar 1,5 m,
dengan bentuk ujung pilar bulat, dari tabel 2.2. didapat k
p
= 0,01 , dan dari tabel 2.3. didapat harga koefisien kontraksi K
a
= 0,1. Dihubungkan dengan lebar mercu yang sebenarnya B
, maka lebar effektif bendung B
e
dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut : B
e
= B
1
– 2 nKp + Ka H
1
B
1
= B – 2.b
pilar
= 24,66 – 2.1,5 = 21,66
Gambar 3.1 : Penampang rata-rata sungai aek silang
W Bn
b MA Banjir
h M = 1,5
1
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
B
e
= 21,66 – 2 2.0,01+0,1 H
1
= 21,66 – 0,24H
1
Dari rumus debit bendung, muka air rencana dapat ditentukan
2 3
1
. .
3 2
3 2
H Be
g Cd
Q =
755 =
2 3
1 1
. 24
, 16
, 23
. 8
, 9
3 2
3 2
H H
Cd −
755 = 1,705 Cd. 23,16 – 0,24H
1
.H
1 32
Jari-jari mercu bendung r = H2 Misalkan Cd = 1,08
Dengan cara coba-coba diambil H = 7,15 m 755 = 1,705.1,08 23,16 – 0,24.6,85 .6,85
32
755 = 754,941 OK
Cek nilai Cd apakah sama harganya dengan harga pemisalan. Untuk PH
1
= 57,15 = 0,699 Dengan menggunakan grafik dari gambar 2.7., 2.8., dan gambar 2.9.
Didapat : dari grafik gammbar 2.7. didapat C = 1,13
dari grafik gammbar 2.8. didapat C
1
= 0,95 dari grafik gammbar 2.9. didapat C
2
= 1,005 Cd = C
x C
1
x C
2
= 1,13 x 0,95 x 1,005 = 1,078 = 1,08
Dengan demikian tinggi H
1
= 7,15 m, dan jari-jari mercu bendung adalah 7,152 = 3,575 m
Menghitung tinggi air di atas mercu bendung h
1
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
H
1
= h
1
+
g V
. 2
2 1
H
1
= Tinggi energi di atas bendung m h
1
= Tinggi air di atas bendung m V
1
= Kecepatan air di atas bendung mdetik V
1
=
1
h P
B Q
+ Q = Debit banjir rencana m
3
detik B = Lebar total bendung m
P = Tinggi bendung m V
1
=
1
5 66
, 24
755 h
+ = 30,615+h
1
H
1
= h
1
+
g V
. 2
2 1
7,15 = h
1
+
8 ,
9 .
2 5
61 ,
30
2 1
+ h
7,15 = h
1
+
6 ,
19 5
61 ,
30
2 1
+ h
dengan cara coba-coba didapat h
1
= 6,82 m, jadi tinggi air banjir rencana di atas mercu adalah 6,82 m
Maka, tinggi elevasi muka air maksimum dari dasar hulu bendung = P + h
1
= 5 + 6,82 = 11,82 m
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Maka, lebar efektif bendung Be Be = 21,66 – 0,24H
1
Be = 21,66 – 0,24 x 7,15 = 19,95 m
d Mercu bendung
Bendung PLTMH Hutaraja direncanakan sebagai bendung tetap tipe pelimpah dari pasangan batu dengan tinggi pelimpahmercu adalah mercu bulat.
Bentuk mercu pelimpah direncanakan tipe bulat dengan jari-jari tunggal. Kemiringan permukaan mercu bagian hilir adalah 1 : 1. Untuk menghindari biaya
kavitasi lokal, tekanan minimum pada mercu pasangan batu dibatasi sampai - 1 m tekanan air.
Dari perhitungan didapat :
Jari-jari mercu bendung h
= 3,575 m
Tinggi air di atas mercu bendung h
1
= 6,82 m
Tinggi energi di atas mercu bendung h
1
= 7,15 m
Koefisien debit h
d
= 0,8
Lebar efektif bendung B
e
= 19,95 m H1
= 7.150
M Ha
= 0.330
M h1
= 6.820
M Elevasi Mercu
= 1271.000
M El. M. A. atas Mercu
= 1277.820
M El. Tinggi Energi
= 1278.150
M
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Elevasi Dekser =
1278.820 M
Sketsa profil banjir
1278.150 1277.820
1271.000
1266
Gambar 3.2 : Sketsa profil banjir
B. Saluran Pembawa Saluran pembawa direncanakan berbentuk trapesium dari pasangan batu.
Kapasitas saluran dihitung berdasarkan debit 1,20 Q
desain
= 7,2 m
3
det. Dari peta situasi dan peta rencana saluran pembawa lampiran 2,
Direncanakan Panjang total saluran pembawa
= 1250 m Panjang saluran tanah L
U
= 300 m Panjang saluran lining L
L
= 900 m Panjang saluran talang pipa gantung L
A
= 50 m Head
= 20,5 m Dimensi saluran didapatkan sebagai berikut
1266
P He
Hd
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Dari tabel 2.6. didapat harga kecepatan : V
U
= 1,8 mdetik V
L
= 2,0 mdetik V
A
= 2,0 mdetik. Saluran berbentuk trapesium. Dari tabel 2.7. didapat harga kemiringan samping
N
U
= 1 N
L
= 0,58 N
A
= 0 Dari tabel 2.5., didapat koefisien hambatan
n
U
= 0,02 n
L
= 0,02 n
A
= 0,015 Faktor jagaan yang diizinkan F, biasanya bernilai 1,3
Luas penampang saluran A
=
v F
Q.
A
U
= 8
, 1
3 ,
1 2
, 7 x
= 5,2 m
2
A
L
= ,
2 3
, 1
2 ,
7 x
= 4,68 m
2
A
A
= ,
2 3
, 1
2 ,
7 x
= 4,68 m
2
Dimensi Saluran; tinggi H, lebar bawah B dan lebar atas T
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Untuk saluran berbentuk trapesium, dipakai suatu indeks X yang berhubungan dengan N.
X = xN
N 2
1 2
2
− +
X
u
= 2
1 .
2 1
1
2
− +
= 0,83 X
L
= 2 58
, .
2 58
, 1
2
− +
= 1,15 X
A
= 2
. 2
1
2
− +
= 2 Tinggi Saluran
H = N
X A
+
H
U
=
1 83
, 2
, 5
+
= 1,68 m = 1,7 m
H
L
=
58 ,
15 ,
1 68
, 4
+
= 1,64 m = 1,65 m
H
A
= 2
68 ,
4 +
= 1,53 m = 1,55 m Lebar Bawah
B = H x X B
U
= 1,7 x 0,83 = 1,41 = 1,45 m B
L
= 1,65 x 1,15 = 1,9 = 1,9 m B
A
= 1,55 x 2 = 3,1 = 3,1 m Lebar Atas
T = B + 2 x H x N T
U
= 1,45 + 2 x 1,7 x 1 = 4,85 m T
L
= 1,9 + 2 x 1,65 x 0,58 = 3,85 m T
A
= 3,1 + 2 x 1,55 x 0 = 3,1 m
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Keliling Basah P = B +
1 2
2
N xH
+ P
U
= 1,45 + 2.1,7
2
1 1
+
= 6,26 m P
L
= 1,9 + 2.1,65
2
58 ,
1 +
= 5,71 m P
A
= B + 2.H = 3,1 + 2. 1,55 = 6,2 m Lingkaran Hidrolis
R =
P A
R
U
= 26
, 6
2 ,
5 = 0,831
R
L
= 71
, 5
68 ,
4 = 0,82
R
A
= 2
, 6
68 ,
4 = 0,755
Kemiringan Dasar S =
2 667
,
R nxv
S
U
=
2 667
,
831 ,
8 ,
1 02
,
x
= 1,66 x 10
-3
S
L
=
2 667
,
82 ,
2 016
,
x
= 1,33 x 10
-3
S
A
=
2 667
,
755 ,
2 015
,
x
= 1,31 x 10
-3
Head Loss HL HL = L x S
HL
U
= 300 x 1,66 x 10
-3
= 0,498 m
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
HL
L
= 900 x 1,33 x 10
-3
= 1,20 m HL
A
= 50 x 1,31 x 10
-3
= 0,055 m HL
Total
= 1,753 m Kehilangan =
saluran loss
H H
x 100
= 5
, 20
753 ,
1 x 100
= 8,55 E
saluran
= 1.0 - panjang saluran × 0.002 H
gross
= 1,0 – 1250 x 0,00220 = 0,875
C. Pipa Pesat Penstock Pipa pesat direncanakan dengan menggunakan pipa baja ringan galvanis dengan
panjang pipa 430 m dan beda tinggi dari saluran pembawa ke turbin sebesar 90 m. Direncanakan Q
net
= 6 m
3
detik Panjang pipa pesat L
pipa
secara horizontal = 420 m Beda tinggi pipa H
pipa
, dimana harga H
pipa
merupakan harga H
gross
= 90 m Panjang pipa pesat, didapat dengan menggunakan rumus trigonometri
L
pipa
=
2 2
gross Horizontal
H L
+
=
2 2
90 420
+
= 429,53 m Kecepatan optimum dengan menggunakan rumus United State Bureau of Reclamation
USBR
gH V
2 125
, =
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
= 0,125
90 .
8 ,
9 .
2
= 5,25 mdetik Diameter Pipa pesat
A =
V Q
V Q
d =
2
. .
4 1
π
0,785.d
2
= 25
, 5
6
D = 1,207 m Material yang digunakan adalah pipa baja ringan galvanis.
Diameter dalam pipa : t =
40 80
+ D
=
40 80
7 ,
120 +
= 5,175 cm Maka, diameter dalam pipa adalah 120,7 – 5,175 = 115,525 cm = 46” = 1168,4 mm
Kehilangan Akibat Gesekan Dari tabel 2.7 didapat koefisien ‘k’ untuk pipa baja ringan galvanis dengan umur
kondisi 20 tahun 15 tahun adalah 0,5 kd
= 4
, 1168
5 ,
= 4,279 x 10
-4
1,2 Qd = 168
, 1
6 2
, 1
= 6,16
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Melalui grafik pada gambar 2.12. kehilangan akibat gesekan didapat faktor gesekan fL sebesar = 0,016
H
kehilangan pada dinding
=
5 2
. 08
, .
. d
Q L
fL
pipa
=
5 2
168 ,
1 6
08 ,
53 ,
429 016
, x
x x
= 9,105 m Dari tabel 2,9 didapat faktor kehilangan akibat gerakan turbulen aliran pada pipa,
diasumsikan pipa pesat tidak membengkok, namun terdapat putaran pada bukaan klep K
Valve
= 0,1dan ketajaman sudut masuk K
entrance
= 0,8. tabel 2.8 Maka, harga kehilangan head pada turbin adalah :
H
kehilangan pada turbin
= .
2
2 entrance
valve
K K
g V
+
= 8
, 1
, 8
, 9
. 2
25 ,
5
2
+
= 1,267 m Kehilangan kibat gesekan H
kehilangan akibat gesekan
H
kehilangan akibat gesekan
= h
kehilangan pada dinding
+ h
kehilangan pada turbin
= 9,105 + 1,267 = 10,372 m
Kehilangan =
gross loss
H H
x 100
=
90 372
, 10
x 100 = 11,52
Efisiensi penstock =
Hgross - Hloss Hgross
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
=
90 372
, 10
90 −
= 0,885
D. Daya dan Energi P net = h x Q x 9,81 x e
kW Dimana :
H = head meter Q = Debit air m
3
detik Dalam pekerjaan mikrohidro diperlukan faktor koreksi. Diantaranya :
Power Output = e saluran x e pipa pesat x e turbin x e generator x e trafo x e transmisi x power input
Eo = E
saluran
× E
penstock
× E
turbin
× E
generator
× E
sistem kontrol
× E
jaringan
× E
trafo
Biasanya E
saluran
: 1.0 - panjang saluran × 0.002 ~ 0.005 H
gross
E
penstock
: 0.90 ~ 0.95 tergantung pada panjangnya E
turbin
: 0.70 ~ 0.85 tergantung pada tipe turbin E
generator
: 0.80 ~ 0.95 tergantung pada kapasistas generator E
jaringan
: 0.90 ~ 0.98 tergantung pada panjang jaringan E
trafo
: 0.98
PLTM Hutaraja memilki Hgross sebesar 90 m Setelah dilakukan perhitungan,didapat
efisiensi pada saluran = e
1
= 0,875 efisiensi pada pipa pesat = e
2
= 0,885 Sementara untuk efisiensi pada turbin, generator, sistem kontrol dan jaringan dengan
mengambil nilai asumsi.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
efisiensi pada turbin multi jet pelton = e
3
= 0,75 efisiensi pada generator = e
4
= 0,8 efisiensi pada trafo = e
5
= 0,98 efisiensi pada jaringan = e
6
= 0,92 Daya yang dapat dihasilkan oleh PLTM Hutaraja :
P
net
= e
1
x e
2
x e
3
x e
4
x e
5
x e
6
x H
gross
x Q
net
x g = 0,875 x 0,885 x 0,75 x 0,8 x 0,98 x 0,93 x 90 x 6 x 9,81
= 2.525,1 Kwatt PLTM direncanakan memilki 2 buah turbin sehingga daya yang dapat dihasilkan
P
net
= 2 x 2.525,1 Kwatt = 5.050.2 Kwatt
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
BAB IV PERKIRAAN BIAYA DAN ANALISA FINANSIAL