Journal of Science and Technology http://journal.trunojoyo.ac.id/rekayasa Rekayasa. 2019; 12(1): 36-42 ISSN: 0216-9495 (Cetak) ISSN: 2502-5325 (Online)
Article History: Received: Oktober 2018; Accepted:  Januari 2019 ISSN: 2502-5325 (Online) Terakreditasi Peringkat 4 oleh
Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi (ARJUNA), berdasarkan Keputusan Direktur Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan Nomor: 21/E/KPT/2018 tanggal 9 Juli 2018
Cite this as: Munadhif, I., Rinato, N., & Afiqi, M. (2019). Pengendalian
Otomatis Cooling Water System pada Proses  Pendinginan Turbin Gas. Rekayasa, 12(1), 36-42. doi:http://dx.doi. org/10.21107/rekayasa.v12i1.4389 © 2019 Universitas Trunojoyo Madura

## Pengendalian Otomatis Cooling Water System pada Proses Pendinginan Turbin Gas
Ii Munadhif 1) , Noorman Rinato 2) , Muhammad Afiqi 3) 1,2,3) Program Studi Teknik Otomasi Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya 1) iimunadhif.its@gmail.com, 2) noorman.rinanto@gmail.com, 3) fiqiotomasi@gmail.co.id DOI: http://dx.doi.org/10.21107/rekayasa.v12i1.4389

## ABSTRAK
Di dalam pembangkit listrik tenaga gas, terdapat proses pendinginan turbin gas yang disebut Cooling water system (CWS). Sistem ini berfungsi mendinginkan minyak pelumas pendingin turbin yang saat suhu tinggi dapat menyebabkan shut down pada pembangkit listrik. Proses pendinginannya yang manual menyebabkan sistem tersebut kurang optimal. Oleh karena itu, penelitian ini mengusulkan sebuah inovasi purwarupa CWS otomatis. Perangkat kendalinya terdiri dari dua sensor thermocouple, sebuah papan kendali arduino, pompa air, 18 buah ki- pas sebagai pendingin dan heater sebagai perangkat gangguan saat pengujian. Sistem ini dilengkapi perangkat antarmuka untuk memudahkan dalam mengendalikan dan memonitor- ing sistemnya. Terdapat dua mode pengendalian sistem, yaitu mode manual dan mode otom- atis. Kipas dapat dinyalakan sesuai kebutuhan pada mode manual, sedangkan mode otomatis sistem pendingin menyalakan sejumlah kipas berdasarkan tingkat kenaikan suhu. Suhu 35 o C dipilih sebagai setpoint pada sistem ini. Pengujian sistem menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu inlet pada CWS, maka semakin lama waktu yang diperlukan untuk menstabilkan sistem. Kata Kunci: cooling water system, turbin gas, pengendali otomatis, suhu, antarmuka, kipas.

## Automatic Control Cooling Water System for Gas Turbine Cooling Process ABSTRACT
In the gas power plant, there is a cooling process of gas turbine called Cooling water system (CWS). It is used to cool the lube oil cooler which at the high temperatures will cause shut down of the plant. A manual cooling process on this system, induce its performance to be less than optimal. Therefore, this research proposes an innovation of prototype automatic control of CWS. This system consists of the two thermocouples, an Arduino board, the water pump, 18 fans for cooler actuator and a heater as an annoying system.  An interface is implanted in this system to facilitate control and monitoring system. There is two modes of control, manual mode, and automatic mode. In manual mode, the operator can turn on the fan as they need- ed. The system turns on the number of fans according to the level of detected temperature in automatic. 35 o C is set to be a setpoint value. The system testing shows that the higher value of inlet temperature in CWS, the longer it takes to reach the setpoint. Keywords: cooling water system, gas turbine, automatic controller, temperature, interface, fan.

## PENDAHULUAN
Dewasa ini teknologi semakin berkembang dan telah memberikan banyak manfaat di berbagai aspek, salah satunya adalah industri Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) untuk menunjang kelangsungan hidup manusia. Pada PLTG, terdapat Cooling water system (CWS) pada pendinginan gas turbin. Sistem ini merupakan salah satu terpenting dalam PLTG. Sebelum start turning gas turbin, sistem pendingin mulai mendinginkan pada lube
oil cooler dan bergerak menuju generator air pendingin. Lube oil cooler adalah suatu sistem pendingin pada gas turbin menggu- nakan minyak sekaligus sebagai pelumas. Dengan panasnya minyak yang dihasilkan maka sangat diperlukan sebuah pendingin lube oil cooler untuk gas turbin melalui pipa air yang dingin. Sistem pendingin ini meng- gunakan sistem proses penukaran panas yaitu heat exchanger, dimana fluida yang di - dinginkan adalah oli atau udara, sedangkan fluida  yang  mendinginkan  adalah  air.  Pada
kondisi operasional didapatkan bahwa suhu oli keluar dari lube oil cooler masih cukup tinggi. Hal ini dapat menyebabkan turbin gas shut down (Sumarno,2015). Suhu lube oil cooler yang tinggi otomatis akan didinginkan oleh CWS. Air pendingin pada CWS ini dilalui oleh pipa-pipa yang saling  menghubungkan satu sama lain menuju masing masing lube oil cooler pada setiap gas turbin. Sistem pendingin air ini menggunakan kipas yang berputar. Input air pendingin yang akan di- dinginkan berkisar antara 60 0 C - 75 0 C dan output air pendingin setelah didinginkan yai- tu ≤35 0 C. Jumlah kipas yang beroperasi harus dikendalikan sesuai dengan suhu lingkungan. Jika suhu dari CWS telah diketahui lebih dari 40 0 C, operator akan menambah jumlah kipas yang berputar di CWS agar mencapai suhu ≤35 0 C. Jika suhu dari CWS lebih rendah dari 35 0 C, operator akan mematikan kipas agar dapat meminimalisasi pemakaian listrik. Jadi peningkatan sistem dalam proses pengen- dalian CWS merupakan hal yang penting di industri pembangkit listrik tenaga gas. Oleh karena itu diperlukan suatu alat pengenda- lian kipas agar dapat bekerja secara maksi- mal. Alat pendingin yang terdiri dari sensor
thermocouple sebagai pendeteksi suhu, dan arduino sebagai pengendali, serta pompa, 18 kipas dan pemanas sebagai aktuator. Sistem ini dilengkapi interface untuk memudahkan dalam mengendalikan dan memonitoring. Terdapat dua mode pengendalian kipas, yaitu manual dan otomatis. Mode otomatis menerapkan pengendalian perhitungan level suhu untuk menyalakan jumlah kipas sesuai suhu yang terbaca oleh sensor agar menca- pai setpoint.

## METODE PENELITIAN Perancangan Sistem
Gambar 1 menunjukkan diagram blok peran- cangan sistem. Pada diagram tersebut memi- liki tiga bagian yaitu masukan berupa data dari dua sensor thermocouple. Proses beru- pa pengendali arduino dan keluaran berupa 18 kipas dan 2 pompa air serta heater. Sen- sor thermocouple 1 sebagai pendeteksi suhu pada inlet CWS, Sensor thermocouple 2 se- bagai pendeteksi suhu outlet CWS. Perbedaan data dari sensor thermocouple tersebut akan diproses oleh arduino untuk menyalakan atau mematikan 18 kipas.
Gambar 1. Diagram blok perancangan sistem
Gambar 2. Perancangan hardware
Pompa 1 untuk memberikan air baru dari sumber air dan pompa 2 untuk mensirku- lasikan air menuju CWS kembali. Sedangkan heater untuk memanaskan turbin gas sebagai asumsi bahwa gas turbin bekerja. Sistem ini dilengkapi human machine interface untuk memudahkan proses pengendalian dan mon- itoring bagi operator.

## Perancangan Hardware
Perancangan hardware pada gambar 2 men- jelaskan tentang beberapa komponen yang digunakan dan alur kerja sistem. Komponen hardware yang digunakan meliputi sebuah water tank, 2 buah pompa air, 18 kipas DC, 2 buah sensor thermocouple, dan sebuah heat- er sebagai asumsi pemanas turbinnya.
Alur kerja sistem pada penelitian ini adalah mu- la-mula pompa menyala dan mengalirkan air dari water tank melalui pipa kemudian melalui cubing-cubing radiator menuju pendingin CWS. Setpoint suhu untuk air pendingin gas turbin yaitu ≤35℃. Namun jumlah operasi ki - pas tergantung pada suhu lingkungan di area sistem pendingin tersebut. Jika suhu di atas 35℃ maka jumlah operasi kipas yang menya - la harus bertambah banyak dari sebelumnya. Jika suhu di bawah 35℃ Jumlah operasi kipas yang menyala harus berhenti. 2 buah sensor termokopel mendeteksi suhu inlet dan outlet kemudian mengirim perbedaan data tersebut ke arduino untuk menggerakkan jumlah kipas yang sesuai suhu secara real time dengan ce- pat. Setelah air dapat didinginkan sesuai set- point, maka air dapat diproses untuk mendin- ginkan gas turbin yang sedang beroperasi. Pompa 2 untuk mensirkulasikan air menuju sistem pendingin kembali.

## Perancangan Pengendalian
Gambar 3 menunjukkan diagram blok pen- gendalian suhu, pengendali akan mengatur jumlah kipas yang menyala berdasarkan error. Error adalah selisih setpoint (SP) dengan pres- ent value (PV) dari pembacaan sensor pada inlet sistem. Jika suhu di sistem pendingin se- suai SP, maka pengendali menjaga kestabilan sistem. Pengendali menyalakan/ mematikan kipas melalui relay dari keluaran digital. Kipas yang dipakai adalah kipas 24 volt DC. Kipas membutuhkan supply tegangan 24 volt dari luar karena arduino hanya mampu mengelu-
arkan tegangan 5 volt. Di dalam pengendali arduino terdapat logika pengendalian kipas dengan perhitungan level suhu.
Algoritma pengendalian CWS dengan meng- hitung level suhu yang diusulkan seperti di- tunjukkan diagram alur pada gambar 4.
Proses pengendalian seperti ditunjukkan pada gambar 4, diawali dengan inisialisasi nilai set- point suhu (SP) = 35℃, nilai batas atas suhu atau Maximum Value (MaxV) = 53℃, nilai error (E) =0, dan jumlah fan yang aktif Fan ON = 0. Kemudian dicek nilai suhu sekarang Present Value (PV) apakah masuk dalam range 35℃ < PV < 53℃? Jika benar maka proses selanjutn - ya adalah dengan menghitung E dari selisih nilai PV dengan SP. Apabila nilai PV melebihi MaxV, maka nilai PV disamakan dengan nilai MaxV. Selanjutnya, nilai E dibulatkan untuk mendapatkan nilai bilangan bulat dan jumlah fan yang aktif Fan ON adalah sama dengan nilai E. Nilai ini kemudian dijadikan acuan un- tuk meng-aktifkan fan-fan yang terdapat da- lam CWS.
Gambar 3. Diagram blok pengendalian
Gambar 4. Diagram alur pengendali CWS
Perancangan Thermocouple Gambar 5 adalah perancangan sensor ther- mocouple ke arduino. Sensor thermocouple K max 6675 adalah salah satu jenis sensor analog yang mengeluarkan tegangan analog sebagai representasi suhu untuk diteruskan ke arduino. Sensor ini mampu mendeteksi suhu -200°C sampai 1200°C dengan resolusi pembacaan sensor sebesar 41µV setiap 1°C. Sensor aktif membaca suhu karena mendapat sumber tegangan 5 volt dari arduino. Peruba- han suhu yang dibaca oleh sensor dikonversi menjadi tegangan 0-5 volt dan dikirim ke ar- duino melalui pin analog 9 dan 10.

## Perancangan Kipas DC
Kipas DC 24 volt diaktifkan oleh relay yang aktif atas perintah pengendali untuk mendin- ginkan air di CWS dan dibantu radiator un- tuk penukar panas. Kipas ini membutuhkan sumber tegangan 24 v dan arus 0,07 ampere. Gambar 6 adalah perancangan kipas dari arduino. Kipas 24 v mendapatkan sumber tegangan luar, arduino memerintahkan relay untuk mengubah posisi normaly open men- jadi normaly close jika kipas ingin dinyalakan, dan juga sebaliknya jika ingin mematikan kip- as maka relay tidak diaktifkan kembali
Gambar 5. Perancangan thermocouple ke arduino
Gambar 6. Perancangan kipas 24V dari a rduino

## Perancangan Heater dan Pompa
Aktuator heater digunakan sebagai pemanas tangki gas turbin yang menandakan turbin beroperasi dengan suhu tinggi hingga 70oC. Kemudian air hasil pemanasan dipompa kem- bali menuju sistem CWS untuk didinginkan. Heater ini juga diaktifkan oleh relay. Heater mendapatkan sumber tegangan luar 24V, ar- duino memerintahkan relay untuk mengubah posisi normaly open menjadi normaly close jika sistem diaktifkan. Heater ini terus diak- tifkan selama proses berlangsung. Pada pe- nelitian ini terdapat 2 pompa. Pompa 1 digu- nakan untuk menyalurkan air dari water tank dan pompa 2 untuk mensirkulasikan air dari turbin menuju CWS. Pompa air membutuhkan sumber tegangan 12 volt dan diaktifkan oleh arduino melalui driver saat proses dimulai. Gambar 7 adalah adalah perancangan heater dari arduino.

## Perancangan Software
Perancangan software digunakan untuk pembuatan Human machine interface (HMI) agar memudahkan operator memantau dan mengendalikan sistem secara manual dan otomatis dan untuk mengaktifkan/memati- kan sistem. Software yang digunakan adalah software visual studio 2013. Gambar 8 adalah perancangan HMI dengan visual studio 2013. Pada gambar 8 terdapat menu koneksi un- tuk menyambungkan software visual dengan hardware arduino. Menu monitoring suhu in- let dan outlet untuk mengetahui perubahan suhu. 18 Kipas dengan indikator gelap jika mati dan terang jika hidup. Menu tombol on off  manual  untuk  mengoperasikan  kipas  se - cara manual dan arah pergerakan air dengan tanda panah berwarna biru putih. Sedang- kan pipa merah adalah indikator air dalam keadaan panas
.
Gambar 7. Perancangan heater dari arduino

## Gambar 8.  Perancangan HMI
Gambar 9. Antarmuka sensor thermocouple ke arduino
Tabel 1. Perbandingan data sensor thermo- couple dengan termometer
Pengujian ke- Suhu pada serial   monitor ( o c) Suhu pada alat ukur ( o c) Error (%) 1 29.25 29.04 0.7 2 32.00 31.80 0.62 3 35.00 34.80 0.57 4 37.25 37.10 0.4 5 40.05 39.60 1,12 6 45.50 45.40 0.21 7 52.25 52.00 0.47 8 55.00 54.80 0.36 9 62.00 62.09 0.14 10 73.75 73.20 0.74 Rata-rata error 0,53

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini, hasil pembuatan mas- ing-masing komponen dilakukan untuk men- getahui kemampuannya dalam mengatasi permasalahan yang diusulkan. Pembuatan dan pengujian dari sistem ini meliputi: pem- buatan dan pengujian sensor thermocouple k Max6675 dengan arduino, pembuatan dan pengujian pompa air dengan driver L298N, pembuatan dan pengujian kipas berdasarkan suhu inlet.
Pembuatan dan Pengujian Sensor Thermo- couple Setelah perancangan, dilakukan pembua- tan dan pengujian kemampuan sensor da- lam mendeteksi suhu. Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengetahui keakuratan dari sensor suhu yang digunakan pada penelitian ini. Keakuratan sensor tersebut, dapat menen- tukan berhasil tidaknya penelitian ini. Kare- na hasil keluaran dari sistem CWS ini dapat dipertanggung jawabkan.
Gambar 9 adalah hasil antarmuka sensor ther- mocouple ke arduino. Dengan menggunakan perangkat tersebut, kemudian data suhu hasil pembacaan thermocouple dibandingkan den- gan alat ukur termometer digital untuk meng- etahui besar error yang dihasilkan. Dari selisih persen kesalahan tersebut dapat diketahui, apakah sensor tersebut baik atau tidak? Atau apakah hasil pembacaan sensor tersebut per- lu dikalibrasi atau tidak?. Hasil dari pengujian sensor thermocouple ini seperti ditunjukkan pada tabel 1.
Dari tabel 1 dapat disimpulkan bahwa sensor thermocouple memiliki error berkisar 0,53 % sehingga sensor tersebut merupakan sensor suhu yang cukup akurat untuk mewakili nilai suhu pada sistem.

## Pembuatan dan Pengujian Pompa Air
Setelah perancangan, dilakukan pembuatan dan pengujian kemampuan pompa air 12 volt. Pompa ini disambungkan dengan driver L298N agar dapat mengatur kecepatan atau daya hisap pompa. Gambar 10 adalah rang- kaian arduino, driver L298N dengan pom- pa dan gambar 11 adalah hasil pembuatan dan pengujian pompa. Keluaran dari arduino mengirimkan sinyal kepada driver, keluaran driver mengaktifkan pompa untuk menyalur- kan air dari water tank dan mensirkulasikan dari turbin menuju CWS.
Dari gambar 11 dapat dijelaskan bahwa keti- ka pwm motor bernilai 45 maka tegangan ke motor adalah 3,05 volt dan ketika pwm ber- nilai 100 maka tegangan ke motor adalah 4,7 volt. Semakin besar nilai pwm maka semakin besar tegangan yang dikeluarkan. Pwm ada- lah pulse width modulation, di dalam pemro- graman arduino, peneliti menggunakan 8 bit dalam pengoperasian sinyalnya.
Gambar 10. Rangkaian arduino, driver dengan  pompa
Gambar 11. Hasil pembuatan dan penguji- an pompac. Pembuatan, Pengujian Kipas, dan Pengendalian Berbasis Level Suhu
Setelah perancangan, dilakukan pembuatan dan pengujian kemampuan kipas pendin- gin pada CWS. Pengoperasian kipas dapat dilakukan dengan mode manual dan otoma- tis. mode manual dilakukan melalui HMI dan mode otomatis berdasarkan pembacaan suhu inlet CWS dan pengendalian kipas berbasis level suhu di dalam program arduino. Gambar 12 dan Gambar 13 adalah hasil pembuatan ki- pas.
Hasil eksperimen dilakukan pada jumlah kipas yang aktif sesuai algoritma program terhadap suhu pada CWS, t ke SP dan daya kipas/jam dan daya kipas sesuai t ke SP.
Dimana P per jam adalah daya kipas per jam(W), n adalah jumlah kipas, V adalah tegangan kipas (V), I adalah arus kipas (am- pere). Nilai V adalah 24V dan I adalah 0,07 A.
Dimana t ke SP dalam satuan sekon dan 3600 memiliki satuan sekon. Eksperimen dilakukan dengan suhu pada CWS adalah 35 o C sampai 60 o C. Hasil eksper- imen ditunjukkan pada tabel 2.
Gambar 12. Hasil pembuatan kipas
Gambar 13. Hasil pembuatan kipas pada cubing radiator CW
42 | Munadhif, I., dkk, Pengendalian Otomatis Cooling Water System ...

## Tabel 2.  Hasil eksperimen pengendalian pada CWS
No. Suhu inlet ( o c) Jumlah kipas aktif t ke SP (sekon) P / jam (W) P sesuai t ke SP (W) 1 35 0 0 0 0 2 36 1 50 1.68 0.023333333 3 37 2 88 3.36 0.082133333 4 38 3 102 5.04 0.1428 5 39 4 121 6.72 0.225866667 6 40 5 146 8.4 0.340666667 7 41 6 173 10.08 0.4844 8 42 7 204 11.76 0.6664 9 43 8 267 13.44 0.9968 10 44 9 378 15.12 1.5876 11 45 10 495 16.8 2.31 12 46 11 546 18.48 2.8028 13 47 12 623 20.16 3.4888 14 48 13 688 21.84 4.173866667 15 49 14 704 23.52 4.599466667 16 50 15 756 25.2 5.292 17 51 16 787 26.88 5.876266667 18 52 17 805 28.56 6.386333333 19 53 18 823 30.24 6.9132 20 54 18 845 30.24 7.098 21 55 18 866 30.24 7.2744 22 56 18 900 30.24 7.56 23 57 18 943 30.24 7.9212 24 58 18 978 30.24 8.2152 25 59 18 1023 30.24 8.5932 26 60 18 1050 30.24
8.82
Gambar 14 .  Grafik t ke SP terhadap suhu inlet
Gambar 15. Grafik daya kipas sesuai t ke SP terhadap suhu inlet
Dari tabel 2 dapat dijelaskan bahwa semakin tinggi suhu inlet, maka semakin lama t ke SP dan semakin besar daya kipas sesuai t ke SP yang dipakai untuk menstabilkan sistem. Na- mun saat suhu inlet di atas 53 o C, daya kip- as setiap jam cenderung konstan dan waktu yang diperlukan untuk mendinginkan sistem menjadi lebih lama.

## KESIMPULAN
Pengendalian CWS pada pendingin gas turbin berdasarkan masukan suhu inlet dan keluaran berupa 18 kipas 24 Volt DC, heater, dan pom- pa telah berhasil dilakukan. Pengujian dilaku- kan pada kemampuan sensor thermocouple yang memiliki error sebesar 0,53% dari ter- mometer. Pengujian pompa yang semakin be- sar pwm diberikan maka semakin besar daya hisapnya. Pengujian heater yang aktif karena relay on saat sistem diaktifkan. Pengujian kip- as berdasarkan masukan suhu dan pengendali CWS berbasis level suhu disimpulkan bahwa semakin tinggi suhu inlet, maka semakin lama t ke SP dan semakin besar daya kipas sesuai t ke SP yang dipakai untuk menstabilkan sistem.

## DAFTAR PUSTAKA
Sumarno, G. (2015). Perpindahan Panas pada Gas Turbine Closed Cooling Water Heat. Jurnal Teknik Energi.1(1): 85-86. Turang, D. A. O. (2015). Pengembangan
Sistem Relay Pengendalian Dan Penghe- matan Pemakaian Lampu Berbasis Mo- bile. Seminar Nasional Informatika 2015 UPN Veteran Yogyakarta   (p. 78)
Alam, H. S., Sasso, J., & Djunaedi, I. (2016). An Illustration of Thermodynamic  Model- ing and Economic Analysus of Inlet Air Chilling System for Gas  Turbine Power Augmentation.
Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Bergman, T. L., & Lavine, A. S. (2007).  Fundamentals of Heat and Mass Transfer (6th ed.). Asia: John Wiley &  Sons Handoyo, E. A. (2000). Pengaruh Kecepatan Aliran Terhadap  Efektivitas Shell and Tube Heat exchanger.  Jurnal Teknik Me- sin. II (2) : 86-90.
Gas Power Systems. (2011). In M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, & M.B. Bailey, Fundamentals of Engineering Thermo- dynamics (pp. 509-520).  United States of America: John Wiley & Sons, Inc.
Boyce, M. P. (2002).  Gas Turbine Engineering Handbook. Texas: Houston.