Fachrul Hidayat: Mechanical

Thursday 5 September 2019

Sumber Cooling Water PLTA dari Penstock, Efektif kah?

Fachrul Hidayat September 05, 2019 2 comments

Hydropower Plant adalah salah satu metode untuk menghasilkan energi listrik dengan memanfaatkan potensi tenaga air. Di Indonesia, metode ini lebih dikenal dengan nama Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA). PLTA mengandalkan ketinggian jatuh air (head) dan jumlah aliran air (debit) untuk menggerakkan sudu-sudu Turbin dan memutar Generator sehingga menghasilkan listrik.

Selain Turbin dan Generator sebagai komponen utama, PLTA terdiri dari beberapa sistem mekanis luar yang mendukung kinerja Turbin dan Generator. Sistem tersebut dalam PLTA dikenal dengan istilah Mechanical Balance of Plant (MBOP) Sistem. MBOP ini menyuplai kebutuhan Turbin dan Generator seperti Lubricating Oil, Cooling Water, Fire Hydrant, Oil Mist Collector, dll.

Cooling Water System atau air pendingin adalah salah satu bagian yang krusial pada PLTA. Sistem ini yang menyediakan air pendingin pada bagian-bagian Turbin dan Generator sesuai tekanan dan debit tertentu melalui jaringan pipa. Untuk mencapai kinerja Cooling Water yang efektif, salah satu hal yang perlu dipertimbangkan dalam perecanaannya adalah sumber Cooling Water itu sendiri.

Suplai Cooling Water harus tersedia pada saat Turbin PLTA beroperasi. Air tersebut bisa didapatkan dari beberapa sumber yaitu:

a. Dialirkan dari Head Tank

b. Dipompa dari Tailrace

c. Diambil dari Turbin Cover

d. Disambung dari Penstock

Tulisan ini akan mengulas salah satu sumber Cooling Water yang banyak digunakan PLTA, yaitu dari Penstock.

Sumber Cooling Water dari Penstock

Mengambil Cooling Water dari Penstock adalah metode yang paling banyak digunakan, dan ini adalah sumber Cooling Water terbaik untuk PLTA head menengah. Kita cukup menyambungkan pipa ke Penstock yang terdekat dan mengalirkan ke sistem Turbin yang membutuhkan Cooling Water.

Keunggulan cara ini adalah jalur sistem perpipaan yang pendek, dan ketersediaan tekanan yang stabil. Namun untuk PLTA head menengah keatas, menggunakan cara ini harus melalui perhitungan yang baik. Umumnya tekanan Penstock lebih besar dari tekanan kebutuhan Cooling Water. Untuk itu dibutuhkan Pressure Reducing Valve (PRV). Menggunakan PRV pada head tinggi dapat menyebabkan kavitasi pada air dan memicu terjadinya korosi pada komponen tersebut, terlebih jika kandungan airnya kotor. Kavitasi juga menimbulkan bunyi dan getaran disekitar PRV yang dapat merusak komponen lain dalam sistem perpipaan. Untuk mengurangi kavitasi, beberapa cara dapat dilakukan:

a. Memilih PRV yang sesuai dengan kondisi aliran dan dilengkapi dengan sistem anti kavitasi;

b. Menggunakan PRV secara bertingkat pada satu jalur, agar penurunan tekanan terjadi secara perlahan-lahan;

Perlu dipertimbangkan pula kemampuan PRV untuk menahan tekanan Water Hammer Penstock yang jauh lebih besar dari tekanan normal. Dari aspek aliran dalam pipa tidak ada potensi masalah yang berarti. Hanya perlu diperhatikan bahwa kecepatan aliran didalam Pentock harus dipastikan tidak menciptakan tekanan air yang lebih rendah dari tekanan dimana outlet pipa Cooling Water ini tersambung. Tekanan yang demikian malah dapat menyebabkan aliran balik ke dalam Penstock. Pada beberapa perhitungan dan simulasi software yang saya lakukan, dengan perbandingan diameter Penstock & pipa Cooling Water yakni 4100 mm : 273 mm, maka didapatkan bahwa kecepatan aliran dalam penstock tak boleh lebih dari 15 m/s. Pada kecepatan 15 m/s tekanan air didalam Penstock akan lebih rendah dari tekanan outlet Cooling Water dan akan menyebabkan arah aliraan berubah. Kondisi seperti ini tentu sangat sulit terjadi mengingat bahwa Turbin telah menetapkan dibit air yang tertentu sehingga kecepatan aliran akan terkontrol dari bukaan Turbine Guide Vane.

Pertimbangan lain dari penggunaan cara ini yaitu bahwa air yang keluar dari penstock adalah air yang mengurangi daya Turbin, meskipun angkanya sangat kecil. Misalkan, sebuah PLTA pada head 100 m dengan daya yang dibangkitkan 100 MW, membutuhkan Cooling Water sekitar 150 l/s. Air sejumlah tersebut mengurangi daya sekitar 130 kW dari daya yang seharusnya dibangkitkan.

Beberapa PLTA yang mengambil suplai Cooling Water dari Penstock sbb:

a. Vidraru HPP di Romania, head 290 m, flow rate 22,5 m3/s, 4x55 MW.

Cooling Water di Vidraru HPP dialirkan dari water tank yang diletakkan di lantai selevel machine hall (Groud Floor). Water tank tersebut diisi dari Tailrace melalui sistem pompa yang sekaligus menjadi suplai utama Cooling Water. Sebagai back up, water tank bisa diisi dari penstock dengan menggunakan 4 pipa paralel yang masing-masing melalui PRV. Kapasitas PRV adalah 0,1 m3/s, maksimum inlet pressure 40 bar dan outlet pressure 5,5 bar.

Source: researchgate.net

b. Middle Marsyangdi HPP di Nepal, 2x35 MW

Suplai Cooling Water Utama diambil langsung dari Penstock, dialirkan ke Turbin setelah melalui Heat Exchanger. Sebagai back up, suplai bisa diambil dari Turbine Draft Tube melalui 2 unit pompa.

Source: globaljournals.org

c. PLTA Sutami, Brantas, Indonesia

Menggunakan water tank sebagai penampungan, suplai air untuk water tank diperoleh dari penstock. Tekanan inlet 9 bar dan tekanan outlet 6 bar setelah melalui PRV.

Kesimpulan

Sumber Cooling Water dari Penstock adalah cara yang paling banyak dipakai pada PLTA di seluruh dunia, terutama untuk head menengah, baik sebagai suplai utama maupun sebagai back up. Menggunakan cara ini pada head tinggi pun tidak masalah asal diperhatikan tentang pemilihan PRV yang sesuai dari aspek ukuran, kapasitas, tingkat kavitasi, serta tentunya nilai ekonomis. Sebaiknya dibuat jalur by pass yang juga dilengkapi dengan PRV agar sistem tetap dapat bekerja jika ada maintenance PRV pada jalur utama. Pemilihan sumber Cooling Water yang baik sangat menentukan performa Turbin dan Generator pada PLTA.

Thursday 19 March 2015

Beban pada Sistem Perpipaan

Fachrul Hidayat March 19, 2015 2 comments

Jika anda bekerja di desain sistem perpipaan, tentu tak asing lagi dengan istilah stress analysis. Sebuah desain sistem perpipaan yang telah dibuat pasti akan dihitung tegangan (stress) yang terjadi pada sistem tersebut sebelum dilanjutkan pada proses konstruksi. Mengapa stress pada sistem perpipaan wajib dihitung?

Pertama, untuk memastikan stress yang terjadi sepanjang pipa tidak melebihi allowable stress atau tegangan maksimum yang diizinkan. Allowable stress yang dimaksud ditentukan dalam ASME B31.1 atau ASME B31.3 sesuai jenis proyek perpipaan yang sedang kita hitung. Kedua, memastikan gaya dan momen pada nozzle dari equipment yang berhubungan dengan pipa tidak melebihi allowable stress untuk nozzle tersebut.

Ketiga, sebagai dasar untuk menghitung rancangan pada penyangga/support agar tidak melebihi batasan beban yang di ijinkan. Keempat, untuk menghitung displacement atau perpindahan pipa terbesar agar tidak terjadi gesekan antar pipa yang berdekatan. Yang terakhir, memastikan flange conection tidak bocor.

Baca juga:

Salah satu bagian yang paling berpengaruh dalam stress yang dialami pipa adalah beban atau load dari sistem pipa itu sendiri. Suatu sistem perpipaan pipa akan menerima beban yang bersumber dari berat pipa, berat fluida, tekanan dalam , temperature , berat fitting, berat insulasi, tekanan luar, angin, gempa dan lain lain. Beban yang diterima akan ditahan oleh pipa sesuai kemampuan pipa yang tergantung pada material pipa. Beban pipa bisa dikategorikan menjadi dua macam yaitu:

Beban Statik

Yaitu beban yang diam atau tidak bergerak namun beban ini terus menerus ada. Beban statik terdiri dari tekanan, temperature, dan berat pipa.

a. Pressure atau tekanan

Tekanan adalah gaya persatuan luas yang tegak lurus dengan arah gaya. Tekanan pada sistem perpipaan bisa berasal dari dalam maupun dari luar. Tekanan dari dalam bisa dari tekanan operasi kemudian tekanan dari luar bisa berupa saat kondisi vacum/hampa.

b. Temperature

Temperature pada pipa dapat menyebabkan thermal expansion yaitu pemuaian atau pengerutan akibat temperatur yang besarnya dipengaruhi oleh sifat material pipa. Pada pemuaian dan pengkerutan pipa akan menimbulkan defleksi dan beban pada support.

c. Berat pipa

Berat pada pipa berasal dari pipa itu sendiri dan semua yang ditambahkan pada pipa seperti insulasi, fitting atau sambungan, fluida, dan kondisi lingkungan(salju, pasir, tanah).

Macam – macam jenis berat pada pipa yaitu:

- Berat mati, yaitu berat pipa persatuan panjang ditambah berat insulasi, berat fitting dan berat komponen komponen yang terpasang,

- Berat operasi yaitu berat mati pipa ditambah berat fluida yang mengalir dalam pipa,

- Berat ocosional yaitu berat yang ada pada kondisi tertentu saja seperti berat salju berat pasir.

Beban Dinamik

Yaitu beban yang bergerak yang menyebabkan pipa bergerak/ bergetar. Umumnya getaran itu disebabkan oleh equipment yang terhubung dengan system penggerak seperti motor, turbin, pompa dan lain lain. Pada beban dinamik bisa di kelompokkan kedalam tiga jenis yaitu random, harmonic dan impulse.

a. Random

Beban random adalah beban akibat dari alam sehingga tidak bisa diprediksi kapan akan terjadi dan berapa kali terjadi. Sumber beban random ini berasal dari angin dan gempa bumi.

b. Harmonic

Beban ini akan berjalan terus sepanjang waktu operasi disebabkan oleh equipment yang bergetar.

c. Impulse

Beban akibat aliran fluida yang menyebabkan getaran akibat tidak teraturnya aliran seperti perubahan tekanan yang biasanya terjadi di PSV, aliran turbulensi, water hammer dan aliran dua fase/slug flow.

Penggabungan dari beban beban di atas kemudian menjadi load case untuk melakukan analisa pada sistem perpipaan. Load case yang sering digunakan adalah:

a. Sustained load : Adalah case untuk beban akibat berat mati pipa + berat occosional

b. Operating load : Adalah case untuk beban akibat berat mati pipa + berat operasi

c. Expansion load : Adalah case untuk beban akibat ditahannya pemuaian.

d. Occasional load : Adalah case untuk beban akibat berat dinamik yang disebabkan dari beban random seperti angin dan gempa.

Baca juga:

Itulah berbagai jenis beban atau load yang bekerja pada sebuah sistem perpipaan yang digunakan untuk menganalisa stress yang terjadi pada sistem tersebut. Saat ini sudah banyak sekali software canggih yang memudahkan para engineer menghitung stress pada pipa, misalnya Caesar II, Autopipe, dll. Meski demikian, sangat penting untuk memahami dasar dari pipe stress itu sendiri, salah satunya dari beban penyebabnya. Tulisan ini saya buat dengan bantuan beberapa referensi dan sedikit pengalaman mengerjakan proyek perpipaan. Semoga bermanfaat bagi yang membutuhkan.

Terima kasih telah berkunjung, jika ingin memberi tanggapan atau berbagi ilmu silahkan meninggalkan komentar.