LAPORAN AKHIR
APLIKASI KOMPUTER DALAM SISTEM TENAGA LISTRIK
(TEL 541)
“SISTEM MONITORING DAN CONTROLLING PADA GAS BUANG
UNTUK COGENERATION”
Disusun Oleh :
REZA ALFAUZI
(31494)
EKO NUGRAHA
(31976)
DIKO PRAMAYUDHA
(32114)
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS GADJAH MADA
Cogeneration ( Kogenerasi )
Sistim kogenerasi adalah serangkaian atau pembangkitan secara bersamaan beberapa bentuk energi yang berguna (biasanya mekanikan dan termal) dalam satu sis tim yang terintegrasi. Sistim CHP terdiri dari sejumlah komponen individu – mesin penggerak (mesin panas), generator, pemanfaatan kembali panas, dan sambungan listrik – tergabung menjadi suatu integrasi. Jenis peralatan yang menggerakkan seluruh sistim (mesin penggerak) mengidentifikasi secara khusus sistim CHPnya.
Mesin penggerak untuk sistim CHP terdiri dari mesin reciprocating, pembakaran atau turbin gas, turbin uap, turbin mikro dan sel bahan bakar. Mesin penggerak ini dapat membakar berbagai bahan bakar, yaitu gas alam, batubara, minyak bakar, dan bahan bakar alternatif untuk memproduksi daya poros atau energi mekanis. Meskipun umumnya energi mekanis dari mesin penggerak digunakan untuk menggerakkan generator untuk membangkitkan listrik, tetapi dapat juga digunakan untuk menggerakkan peralatan yang bergerak seperti kompresor, pompa, dan fan. Energi termal dari sistim dapat digunakan untuk penerapan langsung dalam proses atau tidak langsung untuk memproduksi steam, air panas, udara panas untuk pengeringan, atau air dingin/ chilled water untuk proses pendinginanan.
Gambar 1 menunjukkan efisiensi energi canggih CHP dibandingkan dengan stasiun pusat pembangkit listrik konvensional dan pembangkit boiler. Sistim CHP hanya menggunakan energi tiga perempat bagian dari energi yang digunakan jika sistim panas dan daya terpisah. Penurunan konsumsi bahan bakar primer ini merupakan keuntungan utama sistim CHP, karena jika pembakaran lebih efisien atau kebutuhan bahan bakar lebih sedikit, berarti emisi akan lebih sedikit untuk hasil yang sama.
Keuntungan Kogenerasi
Seperti sudah digambarkan diatas, keuntungan penggunaan sistim kogenerasi adalah sebagai berikut:
1. Meningkatkan efisiensi konversi energi dan penggunaannya.
2. Emisi lebih rendah terhadap lingkungan, khususnya CO2, gas rumah kaca utama. 3. Dalam beberapa kasus, digunakan bahan bakar biomas dan beberapa limbah seperti
limbah pengolahan minyak bumi, limbah proses dan limbah pertanian (dengan digester anaerobik atau gasifikasi). Bahan ini akan menjadi bahan bakar pada sistim kogenerasi, meningkatkan efektivitas biaya dan mengurangi tempat pembuangan limbah.
4. Penghematan biaya yang besar menjadikan industri atau sektor komersial lebih kompetitif dan juga dapat memberikan tambahan panas untuk pengguna domestik. 5. Memberikan kesempatan lebih lanjut untuk membangkitkan listrik lokal yang
didesain sesuai kebutuhan konsumen local dengan efisiensi tinggi, menghindari kehilangan transmisi dan meningkatkan fleksibilitas pada sistim penggunaan. Hal ini khususnya untuk penggunaan bahan bakar gas alam.
6. Suatu kesempatan untuk meningkatkan diversifikasi plant pembangkit, dan menjadikan persaingan pembangkitan. Kogenerasi menyediakan sesuatu kendaraan terpenting untuk promosi pasar energi yang liberal.
Bagian ini mencakup berbagai jenis sistim kogenerasi: sistim kogenerasi turbin uap, sistim kogenerasi turbin gas, dan sistim kogenerasi mesin reciprocating. Dalam bagian ini juga menyangkut klasifikasi sistim kogenerasi atas dasar urutan energi yang digunakan.
Sistim Kogenerasi Turbin Uap
Turbin uap merupakan salah satu teknologi mesin penggerak yang multi guna dan tertua yang masih diproduksi secara umum. Pembangkitan energi dengan menggunakan turbin uap telah berlangsung sekitar 100 tahun, ketika alat tersebut menggantikan mesin steam reciprocating karena efisiensinya yang tinggi dan biayanya yang murah. Kapasitas turbin uap dapat berkisar dari 50 kW hingga ratusan MWs untuk plant utilitas energi yang besar. Turbin uap digunakan secara luas untuk penerapan gabunag panas dan daya (CHP). Siklus termodinamika untuk turbin uap merupakan siklus Rankine. Siklus merupakan dasar bagi stasiun pembangkitan daya konvensional dan terdiri dari sumber panas (boiler) yang mengubah air menjadi steam tekanan tinggi. Dalam siklus steam, air pertama-tama dipompa ke tekanan sedang hingga tinggi, kemudian dipanaskan hingga suhu didih yang sesuai dengan tekanannya, dididihkan (dipanaskan dari cair hingga uap), dan kemudian biasanya diberikan panas berlebih/superheated (dipanaskan hingga suhu diatas titik didih). Turbin multi tahap mengekspansi steam bertekanan sampai ke tekanan rendah dan steam kemudian dikeluarkan ke kondensor pengembun pada kondisi vakum atau menuju sistim distribusi suhu menengah yang mengirimkan steam ke penggunaan industri atau komersial. Kondensat dari kondensor atau dari sistim penggunaan steam dikembalikan ke pompa air umpan untuk keberlanjutan siklus.
Dua jenis turbin uap yang banyak digunakan adalah jenis tekanan balik dan ekstraksikondensasi. Pemilihan diantara keduanya sangat tergantung pada besarnya panas dan daya, kualitas panas dan faktor ekonomi. Titik ekstraksi steam dari turbin dapat lebih dari satu, tergantung pada tingkat suhu dari panas yang diperlukan oleh proses.
1. Turbin Steam Tekanan Balik
atmosfir, yang tergantung pada kebutuhan beban panas. Hal ini yang menyebabkan digunakannya istilah tekanan balik. Dengan cara ini juga memungkinkan mengekstraksi steam dari tahap intermediate turbin uap, pada suhu dan tekanan yang sesuai dengan beban panas. Setelah keluar dari turbin, steam diumpankan ke beban, dimana steam ini akan melepaskan panas dan kemudian diembunkan. Embun kondensat kembali ke sistim dengan laju alir yang dapat lebih rendah dari laju alir steam, jika steam digunakan dalam proses atau jika terdapat kehilangankehilangan sepanjang jalur pipa. Air make-up
digunakan untuk menjaga neraca bahan.
Gambar 1.2 Turbin Steam Tekanan Bali
Sistim tekanan balik memiliki keuntungan-keuntungan sebagai berikut: 1. Rancangannya sederhana dengan hanya beberapa komponen
2. Biaya tahapan tekanan rendah yang mahal dihindarkan. 3. Modalnya rendah
4. Kebutuhan air pendingin berkurang atau bahkan tidak ada.
5. Efisiensi totalnya tinggi, sebab tidak terdapat pembuangan panas ke lingkungan yang melalui kondensor
Sistim tekanan balik memiliki kerugian-kerugian sebagai berikut:
1. Turbin uap lebih besar untuk keluaran energi yang sama, sebab turbin ini beroperasi pada perbedaan entalpi steam yang lebih rendah.
langsung keluaran listrik terhadap beban listrik. Oleh karena itu, terdapat kebutuhan bagi hubungan dua arah jaringan listrik untuk pembelian listrik tambahan atau penjualan listrik berlebih yang dihasilkan. Untuk meningkatkan produksi listrik dapat dilakukan dengan cara membuang steam secara langsung ke atmosfir, namun cara ini sangat tidak efisien. Hal ini akan mengakibatkan dihasilkannya limbah air boiler yang sudah diolah dan, kemungkinan besar, nilai ekonomis dan kinerja energinya yang buruk
Salah satu cara pengaplikasian sitem kogenerasi ada pada pemanfaatan gas buang dari hasil pemansan air pada pembangkit-pembangkit litrik tenaga termal. Pembangkit listrik tenaga termal banyak yang menggunakan boiler untuk mengkonversi air menjadi uap untuk memutar turbin. Dalam operasinya, boiler harus selalu dimonitor keadaannya, salah satu variabel yang penting untuk diamati adalah temperatur.
Proses monitoring suhu tidak mungkin dilakukan local atau berdekatan dengan boiler sehingga proses ini perlu dilakukan dengan device dan dari jarak yang tertentu, tidak berdekatan dengan boiler.Untuk memudahkan pengguna dalam memonitor, didesain suatu mekanisme interaksi antara user (manusia) dengan mesin dengan tampilan tertentu atau Human Machine Interface yang memungkinkan pengguna dapat mengetahui banyak keadaan atau status device yang diawasi dengan mudah.
Agar pengaturan kogenerasi dapat dilakukan, pada sisi keluaran boiler ditambahkan katub yang secara otomatis dapat dibuka dan ditutup. Untuk itu diperlukan suatu system yang dapat memonitor dan melakukan fungsi kendali otomatis dalam pemanasan boiler.
II. TUJUAN
Tujuan dari pembuatan perangkat ini adalah:
Mendesain sistem monitoring dan controlling suhu dengan hardware akuisisi data yang reliable
Aplikasi ini diharapkan mampu memberikan indikator akan ketersediaan energi
panas pada gas buang pada suatu pembangkit termal dan juga mampu mengontrol energi panas yang ada agar tidak merusak peralatan yang ada
Aplikasi ini diharapkan dapat memberikan pemahaman lebih dalam mengenai
teknologi cogeneration dan sensor suhu kaitannya dengan ketenagalistrikan.
Perangkat digital thermometer yang dibuat tidak hanya akan menghasilkan tegangan output untuk kemudian sebagai bentuk “monitoring” yang ditampilkan dalam computer namun juga sebagai bentuk “controlling”. Baik dari sisi hardware maupun software dapat dilihat bentuk controlling nya. Dari hardware akan diindikasikan dari penyalaan LED sedangkan pada software akan disimulasikan dengan buka-tutup katub.
Blok Diagram
Bentuk blok diagram dari perangkat yang akan dirancang adalah sebagai berikut:
Gambar 3.1 blok diagram rancangan perangkat
Sensor suhu akan mengukur suhu air yang mendidih sebagai objek yang diukur. Keluaran dari sensor suhu akan menghasilkan sinyal analog yang berupa level tegangan. Semakin panas air yang didihkan dalam proses pembangkitan, maka level tegangan juga akan meningkat. Tegangan output tersebut kemudian akan menjadi input dari interface soundcard dan juga transistor sebagai trigger switch otomatis secara parallel.
Interface Sound Card komputer berupa Jack Microphone. Outputnya akan diteruskan langsung ke computer untuk kemudian diolah dengan Labview. Pada Labview data akan dimasukkan ke suatu fungsi yang akan menunjukkan suhu terukur dari sensor, kemudian batasan-batasan suhu diatur dimana jika melewati batas suhu tertentu akan muncul alarm peringatan atau suatu mekanisme lain tertentu. Dalam simuliasi akan dibuat bila melewati batasnya, katub dari wadah pemanasan air akan terbuka sebagai bentuk
sensor suhu
interface
soundcard labview
simulasi cogeneration. Data pembacaan suhu dapat disimpan (di-record) guna pengolahan lebih lanjut.
Tegangan output dari sensor suhu juga masuk ke basis transistor. Bila telah mencapai titik batas tertentu akan menaikkan tegangan basis-emmiter sehinngga relay dapat aktif. Sedangkan fungsi relay disini sebagai pencatu saklar yang merepresentasikan pengendalian buka-tutup katub. Disimulaikan dalam hardware bila suhu belum melewati batas tegangan minimum untuk mengaktifkan relay, maka LED tidak menyala. Dan bila telah mencapai tegangan tertentu dari hasil peningkatan suhu, maka relay aktif dan LED akan menyala.
IV. PERANCANGAN
IV.1 HARDWARE
Secara umum hardware yang dirancang berfungsi sebagai transducer yang mengubah besaran panas menjadi besaran listrik berupa level tegangan. Level tegangan akan berubag seiring dengan perubahan panas yang terjadi di dekat sensor panas. Sensor panasnya sendiri digunakan IC LM 35.
Output dari hardware akan menjadi input ke software dan juga secara parallel juga menjadi input untuk simulasi secara hardware dari bentuk controlling system. Bentuknya diindikasikan dengan menggunakan indicator berupa nyala LED.
Alat Dan Bahan Yang Diperlukan Dalam Pengujian
Alat:
1. Menyiapkan bejana , thermometer, heater 2. Merebus air secukupnya sesuai yang diperlukan
3. Menempatkan sensor suhu (IC LM 35) pada bejana,sehingga memungkinkan perpindahan panas yang terjadi secara konveksi(pada air) mengalir menuju sensor
4. Mengubah variable bebas dengan cara mengatur level suhu pada air (dengan memanaskan air sampai suhu tertentu yang ingin diamati)
Gambar Rangkaian
Gambar 4.1 Skema Rangkaian
Dari gambar 4.1 dapat dilihat bahwa dalam pendesainan hardware menggunakan beberapa alat elektronis. Setiap komponen memliki fungsi masing-masing dalam sistem ini yaitu:
Regulator 7805
diturunkan hingga 5 volt dan dijaga agar tetap 5 volt, yakni dengan menggunakan regulator tipe 7805. Dengan menggunakan komponen seperti ini, dengan mudah dapat dibuat rangkaian catu daya yang sangat baik regulasi tegangan keluarannya. Namun, komponen 7805 hanya bisa efektif mencatu arus sampai 1 A saja. Catu daya 5 volt umumnya banyak sekali digunakan untuk mencatu berbagai aplikasi, sehingga kadang kala catu arus 1A tidak cukup.
Gambar 4.2 Regulator 7805
LM35
LM35 merupakan IC yang digunakan sebagai sensor suhu. IC tersebut mengubah kondisi suhu lingkungan disekitarnya menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik keluaran LM35 ini memiliki nilai yang sebanding dengan suhu lingkungan dalam bentuk derajat Celcius (ºC). Karakteristik dari sensor suhu LM35 ini adalah perubahan nilai tahanannya akan semakin besar apabila suhu lingkungannya semakin rendah dan nilai tahanannya akan menjadi kecil apabila suhu lingkungannya semakin tinggi. Bentuk LM 35, seperti ditunjuk pada Gambar 4.3, memiliki 3 kaki yang merepresentasikan tegangan source (Vs), tegangan output (Vo), dan ground.
Beberapa fasilitas yang dimiliki LM35 adalah sebagai berikut : 1. Dikalibrasi secara langsung dalam º Celcius.
2. Ketelitian pengukuran LM35 sangat tinggi mencapai ± ½ ºC pada suhu kamar 3. Jangkauan temperatur dari -55ºC sampai +150ºC
4. Setiap perubahan 1ºC akan mempengaruhi perubahan tegangan keluaran sensor sebesar 10mV
5. Arus yang mengalir kurang dari 60mA
Skema rangkaian sensor suhu yang digunakan adalah sebagai berikut :
Gambar 4.4 skema rangkaian LM35
C945
C945 merupakan transistor jenis NPN yang digunakan sebagai saklar otomatis pada rangkaian. Tegangan Vbe minimal agar transistor ini aktif yaitu 0,7 volt. Dalam pengmbilan data diperoleh bahwa arus sebesar ini akan setara dengan suhu 700 C. Selama tegangan kurang dari 0,7 volt, maka tidak ada arus yang menuju kaki common. Dengan begitu rangkaian relay tidak akan aktif.
Dioda
semikonduktor dengan tipe P dan satu sisinya yang lain adalah tipe N. Dengan struktur demikian arus hanya akan dapat mengalir dari sisi P menuju sisi N.
Pemasangan diode pada rangkaian berada jalur menuju jack microphone. Tegangan anode nya berasal dari output dari output dari LM35 dan katoda akan menuju input jack microphone.
Gambar 4.5 simbol dan struktur dioda
Relay
Relay digunakan sebagai penghasil tegangan yang besar untuk mengaktifkan indicator LED.
Gambar 4.6 struktur relay
LED
Gambar 4.7 struktur dan simbol LED
Dengan penempatan pada rangkaian, ketika switch dari relay aktif maka akan ada arus menuju LED sehingga LED akan menyala. Nyala lampu LED akan bertahan selama relay aktif.
Cara Kerja Rangkaian
Gambar 4.8 rangkaian penstabilan Vin
Tegangan input awal sebesar 9 volt. Kemudian dengan menggunakan regulator 7805 dibuat tetap stabil pada level tegangan 5 volt. Tegangan ini akan menjadi masukan untuk sensor suhu LM35 dan relay nantinya.
Proses sensoring
Gambar 4.9 rangkaian sensoring
Dengan Vs= 5 volt, LM 35 sudah dapat diaktifkan. Cara pemakaiannya dengan memanaskan IC atau didekatkan dengan sumber panas. Tegangan basis akan berubah seiring dengan perubahan suhu. Hubungan perubahannya adalah berbanding lurus, yang berarti ketika suhu naik maka tegangan akan naik.
Monitoring
Gambar 4.10 rangkaian monitoring
soundcard akan ada tegangan keluaran yang bergantung pada suhu namun tidak linear. Agar tidak merusak rangkaian, maka dipasang diode diantaranya. Dengan begitu tegangan dari soundcard-rangkaian akan bernilai 0 volt dan rangkaian tetap dapat bekerja dengan baik. Dari sini sisi hardware sudah selesai.
Trigger Controlling
Transistor C945 tidak akan melewati tegangan input yang masuk ke relay selama transistor belum aktif atau dengan kata lain dibawah 0,7 volt. tegangan input dari relay sebesar 5 volt dari parallel dengan input dari LM35. Ketika suhu dinaikkan dan tegangan keluaran LM 35 sudah mencapai 0,7 volt maka akan mengaktifkan C945. Transistor C945 yang sudah aktif ini akan mentrigger relay untuk aktif. Relay aktif maka switch akan ON.
Gambar 4.11 trigger controlling
Gambar 4.11 Indicator Controlling
Switch relay yang ON akan menyebabkan arus melewati LED. Arus ini masih terlalu besar sehingga harus dibagi dengan resistor sebesar 1 k Ohm. Dengan arus dalam level mikro ampere maka LED akan menyala dengan baik sebagai bentuk indicator pengendalian.
Metode Pengujian Hardware
Pembuatan perangkat digital thermometer menggunakan komponen utama berupa sensor panas IC LM 35. Sebelum dimasukkan dalam computer melalui jack microphone telah dilakukan pengujian terhadap tingkat akurasi dan sensitivitas alat (sensor suhu). Yaitu dengan mengukur perubahan tegangan pada kutub-kutub jack untuk setiap perubahan suhu.
Dari hasil pengamatan diperoleh hasil yang reliable antara perubahan tegangan akibat perubahan suhu yang terjadi. Selain itu, ketika sudah mencapai suhu sekitar 700 C atau tegangan Vbe telah mencapai sekitar 0,7 volt, maka relay aktif dan LED menyala. Ini menunjukkan bahwa secara hardware alat sudah siap dan benar untuk kemudian dimasukkan datanya ke dalam computer dan dimonitor untuk setiap suhunya.
Alat kami ini menggunakan LAB VIEW 8.2 sebagai aplikasi yang digunakan, Sinyal dari sensor suhu diteruskan ke soundcard untuk dapat diolah datanya sehingga dapat menampilkan suhu dan kondisinya pada proses cogeneration.Kami membuat dua jenis aplikasi di labview yaitu saat mendapat input dari sensor suhu dan simulasi input dari labview itu sendiri Tampilan pada labview untuk yang mendapat input dari alat adalah sebagai berikut :
Gambar 4.13 Block diagram
Gambar 4.14 Blok Acquire sound
Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa sinyal sensor akan dihubungkan ke komputer melalui soundcard. Dan blok pembacaan sinyal telah disediakan oleh Labview 2009 sehingga untuk membaca sinyal tidak diperlukan cara yang rumit, namun hanya menggunakan satu blok khusus yaitu Acquire Sound. Dengan blok ini sinyal telah dapat dihubungkan ke komputer untuk selanjutnya diolah. Nilai yang didapatkan lalu ditampilkan melalui sebuah indikator yang berbentuk seperti termometer seperti gambar di bawah ini:
Gambar 4.15 Indikator Suhu
suhu apakah sudah siap untuk proses cogeneration atau belum dengan menampilkannya melalui LED pada Front Panel Labview 2009. Berikut ini adalah indikatornya :
Gambar 4.16 panel condition
Gambar 4.17 LED condition
Gambar 4.18 Blok kalibrasi
Gambar 4.19 Front panel HI Labview Simulation
Gambar 4.20 Block Diagram Simulation
Gambar 4.21 Simulate Signal DC
Komponen diatas digunakan untuk mensimulasi input berupa tegangan DC yang konstan. Nilai dan pengaturan tersebut dapat diatur dengan meng-klik dua kali komponen itu.
Gambar 4.22 Integrator
Input yang masuk ke komponen integrator diatas akan selalu bertambah sesuai dengan fungsi integral yang menam tiap menambah tiap satu satuan waktu. Kita menggunakan komponen ini karena ingin mensimulasikan kenaikan suhu yang ada di boiler yang memang akan terus naik tiap satuan waktu.
Gambar 4.23 Katup
Katup pada Front panel dapat dibuat dengan blok diagram diatas baik itu katup air maupun katup gas.
Gambar 4.24 Pemanas (heater)
Gambar 4.25 Boiler
Sedangkan tampilan boiler dapat menggunakan blok diagram diatas.
Proses yang terjadi pada simulasi yang kita buat dapat kita uraikan sebagai berikut:
1.Simulate DC 1(bawah) aktif dan masuk ke integrator sehingga tegangannya naik terus sampai batas 4000 (dapat diubah). Ini menunjukkan proses pengisian air pada boiler yang ada.
2.Setelah itu signal tadi diinvert dibuat dua cabang yang satu ke relay 2 dan satunya ke relay 1. Pada relay 2 signal diinvert sehinnga relay menutup dan proses pengisian air berhenti. Signal relay 2 ini terhubung dengan rangkaian katup yang ada sehingga katup menutup saat air berhenti mengalir
3.Signal yang ke relay 1 menghubungkannya ke simulate DC signal 2 , simulate DC signal 2 dihubungkan ke integrator sehingga panas akan terus naik seiring waktu.
4. Setelah sampai pada suhu 1200 C maka signal akan dihubungkan ke katup dan masuk ke simulate DC signal 3 yang bernilai negatif sehingga suhu turun sampai pada batas tertentu lalu naik kembali.
5.Begitu seterusnya
Pada simulasi ini suhu dibawah 800 C maka indikator akan menunjukkan not ready dan diatas 800 C gas buang siap digunakan untuk digunakan.
V. HASIL PENGAMATAN DAN ANALISA
82 0.819
Sehingga dapat dikatakan bahwa kenaikan suhu linier dengan kenaikan tegangan. Dan untuk software labview hasilnya seperti berikut :
Gambar 4.26 Simulasi not ready
Gambar 4.27 simulasi ready
Pada saat suhu mencapai 800 C maka indikator akan menunjukkan bahwa gas buang ”ready” untuk digunakan.
Pada saat suhu lebih 1200 C maka katup akan membuka dan suhu akan turun sampai 1110 C dan suhu akan naik lagi begitu seterusnya. Indikator akan tetap
menunjukkan ready. Dapat dikatakan bahwa aplikasi labview nya berjalan dengan baik
VI. KESIMPULAN
1. Aplikasi sistem monitoring dan controlling gas buang untuk cogeneration ini sangat berguna untuk efisiensi energi yang saat ini sedang dilakukan oleh semua kalangan.
2. Dengan menggunakan komputer, aplikasi ini dapat dijadikan salah satu penginderaan jauh pada pembangkit termal.
3. Dari sisi software maupun hardware dapat dikatakan alat ini bekerja dengan baik. 4. Aplikasi ini dapat menjadi pendorong untuk munculnya aplikasi-aplikasi lain di
