Jurnal: Elektrika Borneo (JEB) Vol.
No.
April 2026, hlm.
p-ISSN 2443-0986
e-ISSN 2685-001X
OPTIMALISASI KAPASITAS DAYA MELALUI UPRATING RUNNER
TURBIN PADA PLTA PLENGAN
Fadli Kurnia1.
Dhany Harmeidy Barus2 Institut Teknologi PLN.
Jakarta Barat.
DKI Jakarta.
Indonesia 1fadli2310580@itpln.
2dhany@itpln.
PENDAHULUAN
Pembangkit energi baru terbarukan (EBT) merupakan pembangkit dengan biaya pokok produksi yang relatif rendah karena pembangkit ini memanfaatkan energi secara cuma Ae cuma menjadi energi listrik.
Salah satu energi terbarukan yang tersedia sangat melimpah terutama di Indonesia adalah energi potensial air yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik atau yang biasa dikenal sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA).
PLTA adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan energi potensial dan kinetic air sebagai penggerak turbin, yang kemudian menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.
Salah satu PLTA yang ada di Indonesia yang nantinya akan menjadi objek dari penelitian ini yaitu PLTA Plengan.
PLTA Plengan merupakan Pusat Listrik Tenaga Air yang terletak di Jl.
Raya Pangalengan.
Pulosari.
Kec.
Pangalengan.
Kabupaten Bandung Jawa Barat.
Jenis turbin yang digunakan adalah francis turbin dengan daya terpasang 1600 Kw.
Unit ini merupakan unit relokasi dari PLTA Susukan.
Terdapat 5 unit pembangkit yang masih beroperasi dibawah PLTA Plengan UP Saguling.
PT Indonesia Power, dengan total daya output A 6,7 MW.
AbstractAi The Plengan Hydroelectric Power Plant is located in Pulosari Village.
Pangalengan District.
Bandung Regency.
West Java.
There are 5 hydro power plants still operating under the Plengan Hydroelectric Power Plant.
The current problem lies in unit 5, which is a relocation unit from the Susukan Hydroelectric Power Plant with an installed capacity of 1600 kW.
The performance of this unit has decreased so that it is only able to produce 1000 kW of power.
This is suspected to be due to the specifications of the installed turbine not being in accordance with the actual conditions in the new location, especially in the head and water discharge This study aims to improve the efficiency of the power plant through the reverse engineering process and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation to uprate the turbine runner.
The results of the design and simulation show that the efficiency has increased from 62% to 90% so that the output power can be increased to 1600 kW with an operating discharge parameter of 2.
07 mA/s.
From a financial perspective, it increases annual revenue from 3.
15 billion to 4,7 billion with cheaper production costs than third parties.
This study shows that optimizing turbine design based on actual data can significantly improve the efficiency and performance of the power plant unit.
KeywordsAi Plengan Hydroelectric Power Plant.
Reverse Engineering.
Turbine Runner Uprating.
CFD Simulation.
Efficiency II.
LANDASAN TEORI
IntisariAiPLTA Plengan terletak didesa Pulosari.
Kecamatan Pangalengan.
Kabupaten Bandung.
Jawa Barat.
Terdapat 5 unit pembangkit hidro yang masih beroperasi dibawah PLTA Plengan.
Masalah yang terjadi saat ini terletak pada unit 5 yang merupakan unit relokasi dari PLTA Susukan dengan daya terpasang 1600 kW.
Kinerja dari unit ini mengalami penurunan sehingga hanya mampu menghasilkan daya sebesar 1000 kW.
Hal ini disinyalir akibat dari spesifikasi dari turbin yang terpasang tidak sesuai dengan kondisi aktual ditempat yang baru khusus nya pada parameter head dan debit air.
Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan efesiensi dari pembangkit melalui proses reverse engineering dan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk melakukan uprating runner turbin.
Hasil dari desain dan simulasi menunjukkan efesiensi meningkat dari 62% menjadi 90% sehingga daya output dapat ditingkatkan menjadi 1600 kW dengan parameter debit operasi 2,07 mA/s.
Dari sisi finansial menaikkan revenue tahunan dari 3,15 miliar menjadi 4,7 miliar dengan ongkos produksi lebih murah dibanding pihak ketiga.
Penelitian ini menunjukkan bahwa optimalisasi desain turbin berbasis data aktual dapat meningkatkan efesiensi dan kinerja unit pembangkit secara signifikan Air dapat dimanfaatkan dalam berbagai hal, salah satunya untuk pembangkit tenaga.
Contohnya kincir air.
Teknologi kincir air ini telah dikenal di Iggris sekitar 900 tahun yang lalu.
Perkembangannyha semakin pesat memasuki abad XIX, dimana pada waktu itu jumlah kincir air yang beroperasi di Inggris mencapai 20.
000 unit.
Dikawasan Eropa.
Asia dan sebagian Afrika, kincir air digunakan untuk menggerakkan mesin.
Selanjutnya, teknologi kincir air berkembang menjadi turbin air.
Turbin bertenaga air ini telah memiliki kemampuan untuk berputar dalam kecepatan yang sangat Dari sini munculah tenaga air .
ydro powe.
, yang memiliki kelebihan ramah lingkungan dan terbarukan yang bersumber dari alam Kata KunciAi PLTA Plengan.
Reverse Engineering.
Uprating Runner Turbin.
Simulasi CFD.
Efesiensi Gambar 1.
Siklus PLTA Fadli Kurnia, dkk.
Optimalisasi Kapasitas Daya melalui A 7 Turbin air bekerja berdasarkan prinsip konversi energi potensial menjadi energi kinetic yang akhirnya akan menjadi energi mekanik putar pada poros.
Proses ini terjadi karena interaksi air yang mengalir terhadap komponen turbin khususnya runner.
Efisiensi dari proses ini sangat bergantung pada bentuk orientasi sudu, serta kesesuaian desain terhadap ketersediaan sumber energi setempat seperti head dan debit.
maka dari itu dilakukanlah perhitungan ulang potensi yang tersedia di PLTA Plengan untuk menjadi acuan utama saat redesain runner turbin.
POTENSI
TERSEDIA
DAYA OUTPUT
TIDAK OPTIMAL
HEAD TIDAK
SESUAI
DEBIT TIDAK
SESUAI
TIDAK BISA
DITAMBAH
ELEKTRICAL
FAILURE
GENERATOR
LOSSES
SISTEM
KONVERSI
2000 Kva
EFISIENSI
TURBIN
MECHANICAL
FAILURE
METODE PENELITIAN
TIDAK BISA
DIRUBAH
ROTATING
FRICTION
LOSSES FLUIDA
Penelitian ini merupakan applied research .
, karena berfokus pada penerapan teori dan teknologi untuk penyelesaian masalah nyata dilapangan, yaitu penurunan efisiensi turbin air pada PLTA Plengan unit 5 yang menyebakan kinerja dari pembangkit tidak optimal.
Pendekatan yang digunakan adalah pendekatan kuantitatif, karena seluruh proses analisa dan evaluasi dilakukan berdasarkan pada data numerik, baik dari pengukuran lapangan .
ead, debi.
, hasil simulasi .
ekanan, kecepatan, efisiens.
, maupun perhitungan teknis lainnya.
Kemudian data-data tersebut diolah dan dibandingkan secara objektif untuk mengambil kesimpulan ilmiah.
Metode yang digunakan dalam penelitian ini berbasis reverse engineering untuk mendapatkan geometri awal runner turbin.
Tahapan reverse engineering yang dilakukan yaitu :
Pengumpulan data primer .
engukuran head dan Reverse engineering desain lama menggunakan 3D Simulasi CFD pada runner eksisting dan runner hasil redesain Analisis yang meliputi distribusi tekanan, kecepatan fluida, dan efisiensi Interpretasi dari hasil analisa dan simulasi serta rekomendasi desain final Gambar 2.
Diagram Alur Proses Penelitian EFISIENSI 95% EFISIENSI
TURBIN 62,5 %
PADA DEBIT
2,07
m^3/S ROTATING
FRICTION
SEBESAR 1%
LOSSES FLUIDA
SEBESAR 3%
Gambar 3.
Analisa Penyebab Masalah Data Runner Eksisting Gambar 4.
Turbin PLTA Plengan Unit 5 Tabel I Data Turbin PLTA Plengan Unit 5 Uraian Spesifikasi Jenis Turbin Francis Head Posisi Poros Horizontal RPM Operasi 600 rpm Kapasitas Penstock 3,9 mA Daya Output 1610 kW Debit A 2 mA/s Kapasitas Penstock Penstock PLTA Plengan unit 4 & 5 mempunyai diameter 1300 mm, dengan panjang penstock 195 m.
Pada grafik dibawah menunjukkan kapasitas daya yang bisa dibangkitkan oleh turbin PLTA Plengan pada berbagai rentang debit yang melewati penstock.
IV.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Penyebab Masalah Output daya dari generator dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain efesiensi turbin, efesiensi generator, gaya gesek komponen rotating, dan losses yang terjadi pada Dari beberapa potensi penyebab diatas, diketahui point terbesar dari permasalahannya terletak pada efisiensi dari kinerja turbin.
Hal ini disebabkan karena unit 5 ini adalah sebuah unit PLTA relokasi dari PLTA Susukan yang mana desain debit dari runner turbin eksiting unit ini tidak sesuai dengan debit yang tersedia di PLTA Plengan.
UPRATING
DESAIN
RUNNER
Gambar 5.
Simulasi Kapasitas Penstock Fadli Kurnia, dkk.
Optimalisasi Kapasitas Daya melalui A 8 Permodelan Runner Eksisting Untuk mendapatkan data geometri runner eksisting dilakukan pengukuran menggunakan 3D Scanner.
Hasil pengukuran 3D scanner berupa point cloud, seperti terlihat pada gambar berikut :
Gambar 6.
Hasil Pemindaian 3D Runner Eksisting Berdasarkan hasil pemindaian 3D scanner, dilakukan rekonstruksi model 3D dari runner eksisting.
Proses rekonstruksi dilakukan dengan metode gabungan antara solid modelling dan surface modelling, hingga diperoleh model 3D runner PLTA Plengan unit 5.
Simulasi dilakukan dengan kondisi batas inlet spiral casing 8,5 Bar dan tekanan outlet 2.
943 Pa dengan asumsi draft tube terendam 30 cm, diperoleh pada bukaan 20A turbin mampu mengalirkan debit air sebesar 2,887 mA/s dan mampu menghasilkan daya poros 2.
142 kW dengan efisiensi turbin sebesar 89,0794%.
Rincian parameter turbin dapat dilihat pada table berikut :
Tabel II Parameter Turbin Eksiting Discharge 2,88719 mA/s Inlet 86,64771 m In Runner 83,25464 m Out Runner 2,211386 m Out Draft Tube 16.
1,719511 m
H Sistem
84,9282 m
H Runner
81,04325 m
t Runner
Rotational Rad/s Speed
Power
142,761
Eff Runner
93,3496
Eff System
89,0794
Hasil simulasi runner eksisting menunjukkan terindikasi akan mengalami kavitasi ketika beroperasi pada bukaan penuh.
Hal ini terlihat pada nilai kevakuman pada suction side trailling edge blade runner, seperti terlihat pada gambar :
Gambar 7.
Drawing Runner Eksisting Simulasi CFD Runner Eksisting Hasil simulasi pada runner eksiting dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 9.
Area Yang Berpotensi Kavitasi Gambar 8.
Pressure Contour Turbin Eksisting Simulasi runner eksisting menunjukkan bahwa runner PLTA Plengan yang saat ini terpasang adalah runner yang mempunyai kapasitas yang besar, terbatasnya debit air pada hulu sungai menyebabkan runner selalu bekerja dibawah debit desain optimalnya.
Sehingga perlu didesain runner baru dengan kapasitas yang sesuai dengan debit yang tersedia sehingga mampu beroperasi secara Desain Runner Baru Selanjutnya, runner pengganti PLTA Plengan didesain dengan parameter sebagai berikut :
Fadli Kurnia, dkk.
Optimalisasi Kapasitas Daya melalui A 9 ycO1 = yaycuyceycyc Debit desain Rpm turbin Gravitasi = 85 m = 2,15 mA/s = 600 rpm = 9,81 m/sA ycO1 = ycI1 ycu yui Oo2 ycu yci ycu ya Dimana :
ycO1 = Kecepatan keliling sudu pada radius ycI1 .
ycI1 = Radius sudu pada sisi masuk .
yui = Kecepatan sudut .
yci = Percepatan gravitasi .
/sA) ya = Head Parameter Cm1 Cm2 Sudut Serang 1 C1u=U1 Cos 1 Out let C2=Cm2 2 Cos 2 Section 1 5,69143 m/s 5,34671 m/s 0,4275 m/s 19499 m/s 26,85052 m/s 12,25138 m/s 11,95332 deg 25,12705 m/s 25,68491 m/s 5,599231 m/s 0,309609 71,95436 deg 5,34671 m/s 23,57692 deg 0,916524 m/s 13,36745 m/s 5,34671 m/s 40,85 .
Selanjutnya :
10 ycycu 12 yc= ycO ycn Dimana :
z = Jumlah sudu 10 Ae 12 adalah konstanta empiris .
ergantung desain turbi.
Maka :
yc = 0,615 = 16,26 .
yc = 0,615 = 19,51 .
Berdasarkan perhitungan diatas, maka didapatkan estimasi jumlah sudu ideal untuk runner adalah antara 16 Ae 19 sudu.
Selanjutnya, dengan mempertahankan dimensi utama runner eksisting, didapatkan parameter desain blade runner baru, seperti terlihat pada table :
Tabel i Parameter Blade
Section 2
Section 3
5,70745 m/s 5,74609 m/s 6,46509 m/s 6,96122 m/s 0,4275 m/s 0,4275 m/s 0,22511 m/s 0,25648 m/s 26,86062 m/s 26,86062 m/s 14,14408 m/s 16,11511 m/s 11,99602 deg
12,07486 deg
25,12705 m/s 25,12705 m/s 2568802 m/s 25,69556 m/s 5,613483 m/s 5,647873 m/s 0,308822 0,306942 72,01172 deg
72,12496 deg
6,46509 m/s 6,96122 m/s 24,56458 deg
23,36282 deg
0,909493
0,918012
15,5516 m/s 17,55436 m/s 6,46509 m/s 6,96122 m/s Proses modelling blade runner baru berpatokan pada parameter desain blade pada table diatas.
Proses modelling dilakukan dengan metode kombinasi antara solid modelling dan surface modelling.
Gambar 10.
3D Modelling Runner Baru .
= 0,615 Maka :
ycI1 = Berkisar antara 0,3 Ae 0,5 meter untuk aplikasi turbin skala sedang.
ycu ycu 2yuU 600 ycu 2yuU yui = 60 = 60 = 62.
832 ycycaycc/yc .
Oo2 ycu yci ycu ya = Oo2 ycu 9,81 ycu 85 = 40,85 0,4 ycu 62.
Section 4
5,77907 m/s 7,17581 m/s 0,4275 m/s 0,29011 m/s 26,86062 m/s 18,22815 m/s 12,14211 deg
25,12705 m/s 25,70203 m/s 5,677244 m/s 0,305354 72,22053 deg
7,17581 m/s 21,48789 deg
0,930495
19,58973 m/s 7,17581 m/s Section 5
5,96704 m/s 7,18774 m/s 0,4275 m/s 0,32769 m/s 26,86062 m/s 20,58937 m/s 12,52477 deg
25,12705 m/s 25,73959 m/s 5,84493 m/s 0,296594 72,74587 deg
7,18774 m/s 19,24407 deg
0,944123
21,80793 m/s 7,18774 m/s Simulasi Runner Baru Gambar 11.
Pressure Contour Turbin dengan Runner Baru Fadli Kurnia, dkk.
Optimalisasi Kapasitas Daya melalui A 10 Proses simulasi dilakukan dengan parameter yang sama dengan runner eksisting.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada bukaan guide vane maksimal, turbin mampu mengalirkan debit sebesar 2,59 mA/s dengan output daya poros 1900 kW dan efisiensi turbin 87,89%.
Tabel IV Parameter Blade Discharge 2,58945 mA/s 012 Pa Inlet In Runner 506 Pa Out Runner 402,7 Pa Out Draft Tube 14.
913,3 Pa
H Sistem
098,7 Pa
H Runner
103,3 Pa
t Runner
239,9 Nm
Rotational Speed 63
Rad/s Power
1900,029 kW
Eff Runner
93,6987 %
Eff Sistem
87,8648 %
Hasil simulasi menunjukkan pada debit operasi turbin sebesar 2,07 mA/s, turbin mampu menghasilkan daya poros sebesar 1578 kW dengan efisiensi turbin sebesar 90,27%.
Parameter turbin dapat dilihat pada table berikut :
Tabel V
Parameter Turbin pada Debit 2,07 mA/s Discharge 2,07 mA/s 86,6475 83,84363 4,016585 1,520214 85,12729 79,82704 Inlet
86,64159
In Runner
82,5949
Out Runner
1,630703
Out Draft Tube 7.
191,04
0,733032
H System
85,90856
H Runner
80,9642
t Runner
Rotational Rad/s Power
578,543
Eff Runner
95,7896
Eff System
90,2765
Speed Hasil simulasi menunjukkan bahwa runner tidak terindikasi akan mengalami kavitasi, terlihat tingkat kevakuman pada runner yang masih dalam rentang aman.
Ketika turbin beroperasi pada debit 2,07 mA/s, runner tidak terindikasi mengalami kavitasi, hal ini terlihat pada kontur tekanan pada runner mempunyai tingkat kevakuman pada rentang aman.
Gambar 12.
Pressure Contour Runner Baru Simulasi Pada Debit Operasi 2,07 mA/s Keterbatasan debit pada PLTA Plengan akan menyebabkan runner hanya dapat bekerja pada debit 2,07 mA/s.
untuk mengetahui performa dari runner baru pada debit ini, dilakukan simulasi CFD dengan parameter operasi tersebut.
Hasil simulasi dapat dilihat pada gambar Gambar 13.
Pressure Contour Turbin Pada Debit 2,07 mA/s Gambar 14.
Pressure Contour Runner Pada Debit 2,07 mA/s Perbandingan Desain Baru dan Eksisting Desain runner eksisting mempunyai bentuk sudu yang sederhana dengan trailing edge yang tajam, serta sudut keluar fluida yang tidak sejajar dengan arah aliran.
Hal ini menyebabkan terjadinya aliran turbulen dan potensi kavitasi yang cukup signifikan terutama pada bagian trailing edge sudu.
Permukaan sudu hasil pengecoran yang cenderung kasar, yang juga mempengaruhi performa Sebaliknya, desain runner baru menggunakan pendekatan perhitungan berdasarkan data actual head dan debit eksisting.
Pada redesain awal, jumlah sudu dikurangi Fadli Kurnia, dkk.
Optimalisasi Kapasitas Daya melalui A 11 menjadi 15 buah dengan tetap mempertahankan dimensi utama dari runner eksisting, namun hasil simulasi menunjukkan output daya yang dihasilkan belum tercapat.
Selanjutnya, dilakukan redesain dengan jumlah sudu dioptimalkan yang awalnya berjumlah 17 buah menjadi 19 buah dengan bentuk sudu yang lebih ramping dan trailing edge yang lebih membulat.
Sudut keluar fluida disesuaikan agar parallel dengan arah aliran sehingga mampu mengurangi kerugian energi potensial yang ada serta dapat meningkatkan efisiensi dari kinerja turbin dan mengoptimalkan kapasitas daya output yang dihasilkan PLTA Plengan unit 5.
Berdasarkan hasil pengukuran juga didapat kan besaran berat untuk runner eksisting adalah 517 kg, sementara berat runner hasil redesign adalah 525 kg dengan material SS 304.
Perbandingan hasil redesign runner baru dengan runner eksisting dapat dilihat pada table berikut :
titik operasi optimal.
Hal ini juga dapat menyebabkan terjadinya kavitasi pada aliran fluida yang masuk ke area turbin yang akan menyebabkan kerusakan akibat erosi dan getaran pada runner.
Desain runner baru dirancang sesuai dengan parameter actual yang tersedia di PLTA Plengan, sehingga menghasilkan desain yang lebih efisien, adaptif, dan lebih meminimalisir loss karena terjadinya kavitasi.
Hal ini akan berdampak pada peningkatan performa dari turbin sehingga kapasitas daya output PLTA Plengan unit 5 akan lebih optimal sesuai dengan potensi yang tersedia.
Nilai Capasity Factor Nilai dari Capacity Factor didapatkan dengan menganalisa data operasi pada PLTA Plengan unit 5.
Berdasarkan hasil perhitungan terhadap sample data operasi unit 5, didapatkan lah rata-rata nilai dari Capacity Factor adalah sebesar 60%.
Tabel V Perbandingan Desain Parameter Jumlah sudu Runner Eksisting 17 sudu Berat Runner 517 kg Runner Baru 19 sudu 525 kg Geometri trailing edge Sudu lurus, trailing Sudu melengkung, edge tajam .
udut trailing edge Disesuaikan Tidak paralel dengan sudut dengan arah aliran Ramping & Siku dan tajam Permukaan Hasil cor lama.
Bentuk sudu Sudut keluar Halus, hasil CAD & simulasi Runner eksiting menghasilkan daya sebesar 1000 kW pada debit actual 2,07 mA/s, dengan efisiensi 62,5%.
Pada simulasi CFD, runner eksiting disimulasikan dengan debit maksimal sebesar 2,887 mA/s.
Didapatkan efisiensi dari turbin sebesar 89,08%.
Namun, hasil simulasi menunjukkan potensi terjadinya kavitasi pada trailing edge akibat kevakuman yang berlebih pada runner.
Sementara pada runner baru, ketika diuji pada debit actual sebesar 2,07 mA/s, mampu menghasilkan daya sebesar 1578 kW dengan efisiensi turbin sebesar 90,27 %.
Tidak ditemukan adanya potensi kavitasi pada kontur tekanan runner baru.
Hal ini menunjukkan perbaikan yang signifikan dalam aspek desain.
Perbaikan ini tidak hanya berdampak terhadap peningkatan efisiensi dari kinerja turbin dan optimalisasi kapasitas daya, namun juga menurunkan potensi terjadinya kerusakan akibat kavitasi dan memperpanjang umur operasional turbin.
Kesesuaian Desain Dan Dampak Teknis Runner eksisting didesain untuk debit yang lebih besar (A 3 mA/.
, sementara debit actual hanya sebesar A 2,07 mA/s.
Hal ini menyebabkan runner selalu bekerja diluar Gambar 15.
Data Operasi Desember Fadli Kurnia, dkk.
Optimalisasi Kapasitas Daya melalui A 12 Implementasi metode Reverse Engineering berbasis simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD) tebukti menjadi strategi efektif dan ekonomis dalam melakukan uprating system PLTA tanpa perlu melakukan penggantian besar-besaran terhadap komponen utama lainnya.
Optimasi ini berpotensi memberikan dampak langsung yang cukup besar terhadap peningkatan kinerja PLTA Plengan unit 5, penghematan biaya pemeliharaan jangka panjang secara signifikan.
REFERENSI