## 1. PENDAHULUAN
PLTA  Batang  Agam  merupakan  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Air  tertua  di  Sumatera  Barat  yang terletak  di  Kabupaten  Lima  Puluh  Kota[1].  PLTA  ini  mulai  digunakan  pada  tahun  1976[2].  Putaran turbin  generator  pada power  house memanfaatkan  potensi  air  sungai  Batang  Agam  yang  dibendung dan  dialirkan  menuju  kolam  tando  dan  diteruskan  melalui  terowongan headrace  tunnel sepanjang 1.080 m . PLTA Batang Agam terdiri dari 3 Unit mesin pembangkit dengan daya terpasang 10,5 MW. Peralatan utama PLTA Batang Agam berupa: Turbin, Generator dan Transformator.
Volume 2, Nomor 2, Oktober 2021, hlm 78-87 JTTM: Jurnal Terapan Teknik Mesin p ISSN 2721-5377 | e ISSN  2721-7825

## Analisis Tingkat Kavitasi Turbin Francis di PLTA Batang Agam

## Analysis of Francis Turbine Cavitation Rate at Batang Agam Hydroelectric Power Plant
Rizki Hamdani Putra 1 , Rudi Kurniawan Arief 2 , Muchlisinalahuddin 3*
1,2,3* Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Sumatera Barat
1,2,3 Jl. By Pass Aur Kuning No. 1 Bukittinggi, 26111 Indonesia *Koresponden Email: muchlisinalahuddin.umsb@gmail.com
Artikel dikirim: 19/09/2021 Artikel direvisi: 19/10/2021
Artikel diterima: 26/10/2021
Abstrak. Penelitian ini membahas bagaimana tingkat kavitasi pada runner turbin yang terjadi di PLTA Batang Agam.  Tujuan  dalam  penelitian  ini  menganalisis  tingkat  kavitasi  yang  terjadi  pada  pipa  saluran  input  runner turbin.  Metode  penelitian  yang  dilakukan  menggunakan  metode  analisis  data  dengan  menggunakan  beberapa persamaan yang bersumber dari pustaka. Hasil penelitian menunjukkan bahwa head efektif berbanding terbalik dengan debit air yang masuk ke turbin. Head efektif tertinggi pada 100,55 m dengan debit 0,9 m3/s. Sedangkan head efektif terendah berada pada 96,26 m dengan debit 4,8 m3/s. Koefisien kavitasi yang diperoleh berbanding lurus dengan aliran air yang masuk ke turbin. Koefisien kavitasi terbesar ditunjukkan oleh nilai 0,111157 dengan debit sebesar 4,8 m3/s. Sedangkan koefisien kavitasi terkecil adalah 0,106414 dengan debit 0,9 m3/s. Koefisien kavitasi yang diperoleh berbanding lurus dengan kecepatan spesifik. Koefisien kavitasi terbesar adalah 0,111157 dengan  kecepatan  spesifik  147.158  rpm.  Sedangkan  koefisien  kavitasi  terkecil  dengan  nilai  0.106414  dengan kecepatan spesifik 62.318 rpm. Unit turbin 3 PLTA Batang Agam mengalami kavitasi berdasarkan analisis yang ditunjukkan dengan nilai koefisien kavitasi dan kecepatan spesifiknya.
Kata kunci: K avitasi, Pembangkit Listrik Tenaga Air, Turbin Francis
Abstract.  This  study  discusses  how  the  cavitation  level  in  the  turbine  runner  occurs  at  the  Batang  Agam hydropower  plant.  The  purpose  of  this  study  is  to  analyze  the  level  of  cavitation  that  occurs  in  the  turbine runner  input  line  pipe.  The  research  method  was  carried  out  using  data  analysis  methods  using  several equations  sourced  from  the  library.  The  results  show  that  the  effective  head  is  inversely  proportional  to  the flow  of  water  entering  the  turbine.  The  highest  effective  head  is  at  100.55  m  with  a  discharge  of  0.9  m3/s. While the lowest effective head is at 96.26 m with a discharge of 4.8 m3/s. The cavitation coefficient obtained is directly proportional to the flow of water entering the turbine. The largest cavitation coefficient is indicated by a value of 0.111157 with a discharge of 4.8 m3/s. While the smallest cavitation coefficient is 0.106414 with a discharge of 0.9 m3/s. The cavitation coefficient obtained is directly proportional to the specific velocity. The largest cavitation coefficient is 0.111157 with a specific speed of 147,158 rpm. While the smallest cavitation coefficient with a value of 0.106414 with a specific speed of 62,318 rpm. Turbine unit 3 PLTA Batang Agam cavitation based on the analysis indicated by the value of the cavitation coefficient and specific speed.
Keywords: Cavitation, Hydroelectric Power Plant, Francis Turbine
Menurut  fakta  di  lapangan  pada  saat  PLTA  Batang  Agam  beroperasi  di  beban  tertentu menyebabkan  tingkat  vibrasi  tinggi,  salah  satu  indikasi  vibrasi  pada  turbin  generator  terjadinya kavitasi. Kavitasi adalah gelembung-gelembung air yang yang menyebabkan pengikisan, suara bising dan  getaran  pada  komponen  turbin[3].  Fenomena  kavitasi  tersebut  dapat  diprediksi  dengan menghitung  angka Thoma (σ)  agar  tidak  melewati  angka  kritis  yang  sudah  ditentukan  sesuai spesifikasi turbinnya[4].
Penelitian  mengenai  analisa  kavitasi  turbin  Francis  sebelumnya  pernah  dilakukan  pada  tahun 2016  di  PLTA  Soedirman  dan  hasil  penelitian  ini  ditemukan  bahwa  tingkat  kavitasi  pada  turbin Francis  dipengaruhi  oleh  besar  bukaan guide  vane [5].  Dengan  semakin  besarnya  bukaan  guide  vane pada  turbin  Francis  maka  diperlukan  lebih  banyak  debit  air  yang  mengalir  untuk  mendapatkan head yang ditentukan[6][7]. Sementara penelitian lainnya pada tahun 2011 menunjukkan bahwa penyebab tingkat kavitasi yang terjadi pada turbin air semakin meningkat adalah karena semakin tingginya nilai head [8] . Hasil  penelitian  menyebutkan  bahwa  sebaiknya  pengoperasian  turbin  francis  di  beban terbesar  dihindari  untuk  mengurangi  resiko  tingkat  kavitasi  yang  tinggi[9].  Dimana  dalam  strategi pengoperasian lebih baik pengoperasian unit dilakukan menggunakan unit yang lebih banyak dengan beban rendah dari pada hanya dengan satu unit namun dengan beban operasi tinggi[4][10].
Tujuan  dari  penelitian  ini  melakukan  analisis  tingkat  kavitasi  yang  terjadi  pada  Pembangkit Listrik Tenaga Air yang berada di Batang Agam.

## 2. METODE.
Metode pengolahan data yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode analisis perhitungan dengan  menggunakan  persamaan-persamaan  yang  bersumber  dari  pustaka,  persamaan  yang digunakan.
a) Persamaan bernoulli
Persamaan energi dari selisih antara tinggi air atas dengan air bawah pada suatu aliran air di dalam pipa[11].
𝑊 = 𝑚. 𝑔. 𝑧 + 1 2 𝑚. 𝑣 2 + 𝑝. 𝑉 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 (1)
b) Persamaan head efektif
Head  efektif  disini  adalah  tinggi  air  jatuh  efektif  (tinggi  air  jatuh  bersih)  suatu  turbin  air  yang merupakan selisih dari head air atas dengan head air bawah. Head di sini adalah penjumlahan head tekanan, head kecepatan dan head elevasi. Persamaan head efektif diperoleh dari selisih persamaan ketinggian dalam persamaan Bernoulli[12].
𝐻 𝑒𝑓𝑓 = [𝑍 1 + 𝑃 1 𝜌𝘨 + 𝑣 1 2 2𝘨 ] − [𝑍 2 + 𝑃 1 𝜌𝘨 + 𝑣 1 2 2𝘨 ] (2)
c) Persamaan kecepatan spesifik.
Analisis Tingkat Kavitasi Turbin Francis di PLTA Batang Agam
Kecepatan spesifik turbin merupakan kecepatan turbin dimana dapat dihasilkan untuk setiap tinggi air jatuh[13].
(𝐻)𝑛 𝑠 = 𝑛√𝑃 (𝐻) 5/4 (3)
d) Persamaan koefisien kavitasi.
Koefisien  kavitasi  adalah  suatu  nilai  yang  menunjukkan  bahwa  apakah  suatu  turbin  memasuki daerah  bahaya  kavitasi  atau  daerah  aman  kavitasi.  Sehingga  nantinya  bisa  dibandingkan  dengan kecepatan  spesifik  untuk  mengetahui  tingkat  kavitasi[14].  Koefisien  kavitasi  dinotasikan  dengan bilangan Thoma (σ)[15].
𝜎 = 𝐻 𝑎𝑡𝑚 −𝐻 𝑣 −𝐻 𝑠 𝐻 (4)
Tahapan penelitian ini sesuai dengan diagram alir yang ditunjukan pada gambar 1.
a) Observasi dan studi pustaka.
b) Pengumpulan data yang dibutuhkan untuk analisis perhitungan.
c) Setelah data yang dikumpulkan cukup dilakukan analisis data yang telah dikumpulkan.
d) Data hasil analisis dibuatkan ke dalam laporan.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN.

## 3.1 Data hasil observasi lapangan
Tabel 1. Data hasil observasi di PLTA Batang Agam.
Data Nilai Massa jenis air (  air ) 997,1 kg/m 3 Percepatan gravitasi (g) 9,81 m/s Luas permukaan Waduk (A 1 ) 45000 m 2 Diameter inlet draft tube (D 2 ) 810 mm (0.81 m) Debit permukaan air waduk (Q 1 ) 0 m 3 /s Debit air masuk turbin (Q 2 )
700 kW 1800 kW 2000 kW 2300 kW 2500 kW 2800 kW 3000 kW 3500 kW 0.9 m 3 /s 2.4 m 3 /s 2.7 m 3 /s 3.1 m 3 /s 3.4 m 3 /s 3.7 m 3 /s 4.1 m 3 /s 4.81 m 3 /s
Tekanan permukaan air waduk (p 1 ) 0 N/m 2
Tekanan pada draft tube (p 2 ) -0,4 kg/cm 2 (-4000 N/m 2 )
Elevasi permukaan air waduk (z 1 ) 683.00 Mdpl
Elevasi sensor tekanan draft tube (z 2 ) 582.70 dpl
3.2 Data perhitungan head efektif.
Perhitungan Head efektif beban 700 kW.
𝐻 𝑒𝑓𝑓 = [𝑍 1 + 𝑃 1 𝜌𝘨 + 𝑣 1 2 2𝘨 ] − [𝑍 2 + 𝑃 1 𝜌𝘨 + 𝑣 1 2 2𝘨 ] 𝐻 𝑒𝑓𝑓 = [ 0 − (−4000) 997.1 × 9.81 ] + [ 0 2 − 1.7476 2
2 × 9.81 ] + (683.00 − 582.70)
𝐻 𝑒𝑓𝑓 = [ 4000 9781.551 ] + [ 0 − 3.054 219.620 ] + (100.30) 𝐻 𝑒𝑓𝑓 = (0.4089) = (−0.1557) + (100.30)
𝐻 𝑒𝑓𝑓 = 100.55 𝑚
3.3 Data perhitungan kecepatan spesifik
Beban 700 kW
Analisis Tingkat Kavitasi Turbin Francis di PLTA Batang Agam
𝑛 𝑠 = 𝑛√𝑃 (𝐻) 5/4
𝑛 𝑠 = 750√700 (100.55) 5/4
𝑛 𝑠 = 750 × 26.547 318.403
𝑛 𝑠 = 62.318 𝑟𝑝𝑚
3.4 Data perhitungan koefisien kavitasi.
Beban 700 kW.
𝜎 = 9.62 − 0.32 − (−1.4) 100.55 = 0.106414 3.5 Perbandingan hasil perhitungan head efektif dan debit air masuk turbin. Tabel 2. Data perbandingan debit air masuk turbin dan head efektif. No. Q (m 3 /s) H eff (m) 1 0,9 100,55 2 2,4 99,60 3 2,7 99,31 4 3,1 98,86 5 3,4 98,49 6 3,7 98,08 7 4,1 97,48 8 4,8 96,26
Gambar 2. Grafik perbandingan debit air masuk turbin dan head efektif.
Berdasarkan  Gambar  2  dapat  diketahui head efektif  menurun  jika  debit  naik  dan  berlaku sebaliknya. Head efektif  tertinggi  berada  di  100,55  m  dengan  debit  pada  0,9  m 3 /s.  Sedangkan head efektif terendah berada pada 96,26 m dengan debit sebesar 4,8 m 3 /s.

## 3.6 Perbandingan hasil perhitungan koefisien kavitasi dan debit air masuk turbin.
Tabel 3. Data perbandingan koefisien dan debit air masuk turbin No. σ Q (m 3 /s) 1 0,106414 0,9 2 0,107429 2,4 3 0,107745 2,7 4 0,108233 3,1 5 0,108643 3,4 6 0,109094 3,7 7 0,109768 4,1 8 0,111157 4,8
Gambar 3. Grafik perbandingan koefisien kavitasi dan debit air masuk turbin
Berdasarkan  gambar  3  dapat  diketahui  koefisien  kavitasi  meningkat  saat  debit  naik  dan  berlaku sebaliknya. Koefisien kavitasi terbesar ditunjukan oleh nilai 0,111157 dengan debit air masuk turbin 4,8 m 3 /s. Sedangkan koefisien kavitasi terkecil pada 0,106414 dengan debit sebesar 0,9 m 3 /s.
Koefisien kavitasi yang yang tinggi menandakan tingkat kavitasi kecil, maksudnya kemungkinan terjadinya  kavitasi  semakin  rendah.  Sebaliknya  koefisien  kavitasi  yang  tinggi  menandakan  tingkat kavitasi besar, maksudnya kemungkinan terjadinya kavitasi semakin lebih tinggi.
3.7 Perbandingan hasil perhitungan koefisien kavitasi dan kecepatan spesifik
Analisis Tingkat Kavitasi Turbin Francis di PLTA Batang Agam
Tabel 4. Data perbandingan koefisien kavitasi dan kecepatan spesifik
No. σ n s (rpm) 1 0,106414 62,318 2 0,107429 101,126 3 0,107745 106,990 4 0,108233 115,385 5 0,108643 120,866 6 0,109094 128,578 7 0,109768 134,115 8 0,111157 147,158
Gambar 4. Grafik perbandingan koefisien kavitasi dan kecepatan spesifik.
Pada  Gambar  4  dapat  dilihat  kecepatan  spesifik  berbanding  lurus  dengan  koefisien  kavitasi. Koefisien kavitasi terbesar berada di nilai 0,111157 dengan kecepatan spesifik sebesar 147,158 rpm. Sedangkan  koefisien  kavitasi  terkecil  dengan  nilai  0,106414  dengan  kecepatan  spesifik  62,318  rpm. Kesimpulan  yang  didapatkan  adalah  tingginya  tingkat  kavitasi  dipengaruhi  oleh  koefisien  kavitasi yang kecil, sehingga kemungkinan memasuki bahaya kavitasi lebih besar dan berlaku sebaliknya.
Berdasarkan gambar 4 didapatkan hasil bahwa dalam pengoperasiannya PLTA Batang Agam unit 3  hampir  memasuki  daerah  bahaya  kavitasi  sehingga  kemungkinan  mengalami  vibrasi.  Hal  ini dibuktikan dengan turbin generator yang juga mengalami vibrasi akibat adanya kavitasi turbin[16].
Tabel 5. Data hasil pengukuran vibrasi
Beban (kW) Velocity Horizontal (mm/s rms) Velocity Vertikal (mm/s rms) Velocity Aksial (mm/s rms) 0 0,474 0,483 0,618 750 0,588 0,568 0,596 1800 0,480 0,442 0,543 2200 0,635 0,536 0,605 3500 0,474 0,697 0,713
Gambar 5. Grafik data hasil pengukuran vibrasi

## 4 SIMPULAN
Berdasarkan  hasil  perhitungan  dan  analisa  yang  telah  dilakukan  maka  dapat  disimpulkan,  Nilai head efektif berbanding terbalik dengan debit air yang masuk ke dalam turbin. Head efektif tertinggi berada di 100,55 m dengan debit pada 0,9 m 3 /s. Sedangkan head efektif terendah berada pada 96,26 m dengan debit sebesar 4,8 m 3 /s. Koefisien kavitasi yang didapatkan berbanding lurus dengan debit air masuk turbin. Koefisien kavitasi terbesar ditunjukan oleh nilai 0,111157 dengan debit air masuk turbin 4,8  m 3 /s.  Sedangkan  koefisien  kavitasi  terkecil  pada  0,106414  dengan  debit  sebesar  0,9  m 3 /s. Koefisien  kavitasi  yang  didapatkan  berbanding  lurus  dengan  kecepatan  spesifik.  Koefisien  kavitasi terbesar  berada  di  nilai  0,111157  dengan  kecepatan  spesifik  sebesar  147,158  rpm.  Sedangkan koefisien kavitasi terkecil dengan nilai 0,106414 dengan kecepatan spesifik 62,318 rpm. Turbin unit 3 PLTA  Batang  Agam  telah  mengalami  kavitasi  berdasarkan  analisa  yang  ditunjukkan  oleh  nilai koefisien  kavitasi  serta  kecepatan  spesifiknya.  Tingkat  kavitasi  kecil  atau  masih  dalam  daerah  aman kavitasi sehingga tidak mengakibatkan kerusakan yang besar terhadap runner dan turbin.

## REFERENSI
[1] H. Hariadi, M. Muchlisinalahuddin, and M. Meilisa, “ANALISIS PERBANDINGAN UNJUK KERJA  TURBIN  PLTA  BATANG  AGAM  TERHADAP  KONDISI  PADA  SAAT KOMISIONING,” Rang Tek. J. , vol. 4, no. 2, 2021, doi: 10.31869/rtj.v4i2.2667.
V ib ra si (m m /s) Beban (kW) Vibrasi Horizontal Vibrasi Aksial Vibrasi Vertikal
Analisis Tingkat Kavitasi Turbin Francis di PLTA Batang Agam
[2] E. Kurniawan et al. , “Kajian Potensi Peningkatan Daya Terpasang PLTA Sebagai Pemanfaatan Surplus  Debit  Air  Unit  PLTA  Batang  Agam  PLN  PUSLITBANG,  PT  PLN  (PERSERO),” Rotasi , vol. 23, no. 1, pp. 32–38, 2021.
[3] J. Delly, “Pengaruh Temperatur terhadap Terjadinya Kavitasi pada Sudu Pompa Sentrifugal,” Dinamika , vol. 1, no. 1, pp. 21–28, 2009.
[4] Μ. Μ. Μ. ΘΕΟΔΩΡΟΥ, G. B. Paz, and A. A. B. Ruíz, “No 主観的健康感を中心とした在宅 高齢者における 健康関連指標に関する共分散構造分析 Title,” vol. 3, no. 2017, pp. 54–67, 2020.
[5] X. Huang and X. Escaler, “Added mass effects on a Francis Turbine runner with attached blade cavitation,” Fluids , vol. 4, no. 2, 2019, doi: 10.3390/fluids4020107.
[6] U. G. Mada, “ANALISA KAVITASI YANG TERJADI PADA TURBIN FRANCIS DI PLTA PB SOEDIRMAN TRIHARDIKA BIANTORO, Ir. Soeadgihardo Siswantoro, MT,” 2016.
[7] P.  P.  Gohil  and  P.  Saini,  “Cavitating  turbulent  flow  study  for  low  head  francis  turbine  by transient  analysis,” Int.  J.  Fluid  Mach.  Syst. ,  vol.  12,  no.  1,  2019,  doi: 10.5293/IJFMS.2019.12.1.022.
[8] E.  Thriana,  K.  Muhajir,  and  G.  Badrawada,  “Pengaruh  Laju  Aliran  Massa  Terhadap  Daya Turbin Air Francis Pada Sub Unit Plta Jelok Semarang,” J. Teknol. IST AKPRIND , vol. 1, no. 1, pp. 9–13, 2008.
[9] P.  P.  Gohil  and  R.  P.  Saini,  “Unsteady  simulation  of  cavitating  turbulent  flow  for  low  head Francis turbine,” in IOP Conference Series: Earth and Environmental Science , 2019, vol. 240, no. 2, doi: 10.1088/1755-1315/240/2/022007.
[10] T. C. K. Watt, D. Kp, and M. Jawa, “Rancang Bangun Pembangkit Listrik Turbin Air Mikro Hidro,” no. Dl, pp. 76–83.
[11] BPSDM  Kementrian  PU, “Perencanaan Jaringan  Pipa Transmisi  dan  Distribusi  Air  Minum,” Perenc. Tek. Air Minum Dengan Menggunakan Progr. Apl. Pengenalan Progr. Epanet , pp. 1– 16, 2018.
[12] M. Z. Arifin, “Analisa Unjuk Kerja Dan Tingkat Kavitasi Pada Turbin Francis Di PT PJB Unit Pembangkitan Brantas UNIT PLTA Sutami,” pp. 8–14, 2017.
[13] D. Sugiyanto, “Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Turbin Kaplan Dengan Variasi Debit Air,” J. Kaji. Tek. Mesin , vol. 1, no. 1, pp. 31–42, 2016, doi: 10.52447/jktm.v1i1.331.
[14] Q.  Chatenet,  E.  Remy,  M.  Gagnon,  M.  Fouladirad,  and  A.  S.  Tahan,  “Modeling  cavitation erosion using non-homogeneous gamma process,” Reliab. Eng. Syst. Saf. , vol. 213, 2021, doi: 10.1016/j.ress.2021.107671.
[15] E. Yohana and M. F. Majiid, “ANALISIS NUMERIK DAN VALIDASI KASUS KAVITASI POMPA  SENTRIFUGAL  MISSION  MAGNUM  I  MENGGUNAKAN  CFD,” ROTASI ,  vol. 18, no. 3, 2016, doi: 10.14710/rotasi.18.3.89-92.
[16] P. Szulc and A. MacHalski, “The flow deteriorations in course of the partial load operation of the middle specific  speed Francis turbine,” Open Eng. , vol. 9, no. 1, 2019, doi: 10.1515/eng- 2019-0035.