t.c. sÜleyman demİrel Ünİversİtesİ fen …tez.sdu.edu.tr/tezler/tf03407.pdft.c. sÜleyman...
TRANSCRIPT
T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
BİR KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ
MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI
Danışman Yrd. Doç. Dr. Ahmet COŞKUN
YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
ISPARTA - 2016
© 2016 [MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI]
i
İÇİNDEKİLER
Sayfa İÇİNDEKİLER ......................................................................................................................... i ÖZET ......................................................................................................................................... iii ABSTRACT .............................................................................................................................. iv TEŞEKKÜR .............................................................................................................................. v ŞEKİLLER DİZİNİ ................................................................................................................. vi ÇİZELGELER DİZİNİ ............................................................................................................ vii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ .......................................................................... viii 1. GİRİŞ..................................................................................................................................... 1
1.1. Enerji Santralleri ve Türleri ............................................................................... 3 1.1.1. Rüzgâr santralleri ......................................................................................... 3 1.1.2. Termik santraller .......................................................................................... 6 1.1.3. Jeotermal güç santralleri ........................................................................... 8 1.1.4. Güneş santralleri ........................................................................................... 8 1.1.5. Hidroelektrik santraller ............................................................................. 11 1.1.6. Nükleer santraller ........................................................................................ 11
2. KAYNAK ÖZETLERİ ........................................................................................................ 13 3. MATERYAL VE METOT ................................................................................................. 20
3.1. Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santrali Tanıtımı ............. 20 3.1.1. Aliağa gaz türbinleri ve kombine çevrim santrali çalışma prensibi ............................................................................................................ 21
3.2. Termodinamik Analizler ..................................................................................... 25 3.2.1. Enerji ve ekserji............................................................................................. 25 3.2.2. Termodinamik analiz sistemleri ............................................................ 26 3.2.3. Açık akışlı sistemlerde enerji korunumu ........................................... 28
3.2.4. Termodinamiğin II. yasası ve entropi .................................................. 29 3.2.5. Ekserji analizi ................................................................................................ 32 3.2.5.1. Kinetik ekserji ...................................................................................... 32 3.2.5.2. Potansiyel ekserji ............................................................................... 33 3.2.5.3. Fiziksel ekserji ..................................................................................... 33 3.2.5.4. Kimyasal ekserji .................................................................................. 34
3.2.6. Kullanılabilirlik .............................................................................................. 36 3.2.7. Tersinir iş ve tersinmezlik ......................................................................... 37 3.2.8. Birinci ve ikinci yasa verimi ...................................................................... 39
4. ALİAĞA GAZ TÜRBİNLERİ VE KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNİN ENERJİ 39 4. VE EKSERJİ ANALİZİ ...................................................................................................... 43
4.1. Kompresörün Enerji ve Ekserji Analizi ......................................................... 45 4.2. Yanma Odasının Enerji ve Ekserji Analizi .................................................... 47 4.3. Gaz Türbinin Enerji ve Ekserji Analizi ........................................................... 57 4.4. Isı Kazanının Enerji ve Ekserji Analizi ........................................................... 61 4.5. Yüksek Basınç Buhar Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi.................... 64 4.6. Alçak Basınç Buhar Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi ...................... 66 4.7. Yoğuşturucunun Enerji ve Ekserji Analizi ................................................. 68 4.8. Yoğuşturucu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi .................................. 69 4.9. Deniz Suyu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi ................................ 70 4.10. Degazörün Enerji ve Ekserji Analizi ............................................................ 72 4.11. Degazörün Birinci Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi ..................... 73
ii
4.12. Degazo ru n I kinci Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi ....................... 75 4.13. Yüksek Basınç Buhar Domunun Enerji ve Ekserji Analizi ................... 76 4.14. Yüksek Basınç Buhar Domu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi . 77 4.15. Santralin І. ve ІІ. Yasa Verimi ........................................................................... 79
5. ARAŞTIRMA BULGULARI ............................................................................................. 81 6. SONUÇ VE ÖNERİLER .................................................................................................... 89 KAYNAKLAR .......................................................................................................................... 92 ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................................... 96
iii
ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
BİR KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ
MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI
Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Makine Mühendisliği Anabilim Dalı
Danışman: Yrd. Doç. Dr. Ahmet COŞKUN
Gelişmekte olan ülkelerin enerji ihtiyaçları artarak devam etmektedir. Enerjiye olan talep, enerji santrallerine yapılan yatırımlarla sağlanabilmektedir. Yatırımlara ilave olarak, mevcut santrallerin performans iyileştirilmesine de gidilmektedir. Mevcut santrallerin performansının iyileştirilmesi için santrallere yeni üniteler eklenmektedir. Ayrıca iyileştirmeler, mevcut santrallerin çalışma parametrelerinin optimum değerlere getirilmesi ile sağlanabilmektedir. Bu sebeple, elektrik enerjisi üreten mevcut santrallere belirli iyileştirmeler uygulanarak verimleri arttırılmalı, santrallerin her bir ünitesindeki kayıplar da en aza indirilmelidir. Bu çalışmada, Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santraline termodinamiğin І. ve ІІ. yasası aracılığıyla, enerji ve ekserji analizi uygulanmıştır. Santralin akış şemasına bağlı olarak her bir ünitenin giriş ve çıkış noktaları belirlenmiştir. Belirlenen noktaların termodinamik özellikleri (Sıcaklık, basınç ve kütlesel debi) santralden anlık olarak alınmıştır. Alınan bu özellikler ile her bir noktanın entalpileri, entropileri ve ekserjileri sayısal olarak EES (Engineering Equation Solver) paket programı yardımıyla hesaplanmıştır. Yapılan hesaplamalar sonunda santralin I. ve II. yasa verimleri sırasıyla % 32.8 ve % 43.4 olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak; her bir üniteye enerji ve ekserji analizleri uygulanarak santralde en fazla ekserji kaybının sırasıyla yanma odası, ısı kazanı, yoğuşturucu, ünitelerinde olduğu, diğer ünitelerde ise ekserji kaybının düşük bir şekilde meydana geldiği belirlenmiştir. Santraldeki ekserji kayıplarının azaltılması ile verimde artışın sağlanacağı ön görülmektedir. Verim artışına paralel olarak enerji maliyetleri azalacak ve çevreye salınan zararlı emisyonlarda düşüş meydana gelecektir. Anahtar Kelimeler: Ekserji, güç santrali, ısıl verim, doğal gaz santrali, gaz türbini, kombine çevrim. 2016, 95 sayfa
iv
ABSTRACT
M.Sc. Thesis
ENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF COMBINED POWER PLANT CYCLE
MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI
Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences
Department of Mechanical Engineering
Supervisor: Asst. Prof. Dr. Ahmet COŞKUN
The energy needs of the developed countries are continuously increased. This demand can be achieved by investments in power plants. As well as by the investments which are made to improve the performance of existing power plants. The new units of power plants are added to improve the performance of existing plants. Also, improvements can be achieved with the introduction of the optimum value of the operating parameters of the existing power plants. Therefore, applying certain electrical energy efficiency improvements in existing power plants produce, should be increased, losses in each unit of the plant should be minimized. In this study, by using the first and second law of thermodynamics the energy and exergy analysis has been applied to the Aliağa gas turbines and combined power plant cycle. Depending on the power plant flow charts diagram the input and output point of each unites have been determined. For specified point the thermodynamic properties (temperature, pressure and mass flow rate) momentarily was taken from power plant cycle. By the properties was taken from power plant. The enthalpy, entropy and exergies quantity was founded for each point with using EES (Engineering Equation Solver) programs. At the end of the calculations done the first and second law of thermodynamics efficiency is 32.8 % and 43.4 % respectively. As a result; when the energy and exergy analyses was applied for each unit of power plant, the maximum exergy lost was in the combustion chamber, boiler, condenser respectively and the exergy losses in other units was determined in decline form to occur. When reducing the exergy loses the efficiency of power plant is increased. The efficiency increased is parallel with energy cost decreased and harmful released into the environment decline in emissions will occur. Keywords: Exergy, power plant, thermal efficiency, natural gas power plant, gas turbine, combined cycle. 2016, 95 pages
v
TEŞEKKÜR
Bu tez konusunun seçiminde ve çalışmam boyunca beni yönlendiren, karşılaştığım zorlukları bilgi ve tecrübesi ile aşmamda yardımcı olan ve hiçbir zaman esirgemeyen, değerli Danışman Hocam Yrd. Doç. Dr Ahmet COŞKUN’a teşekkürlerimi sunarım. Santrale ait verilerin sağlanmasındaki katkılarından dolayı Aliağa Doğalgaz Kombine Çevrim Santrali İşletme Müdür Yrd. Makine Yüksek Müh. İsmail ŞEN’e teşekkür ediyorum. Hayatım boyunca beni anlayan, her anımda yanımda hissettiğim, beni bu konuma getiren, her şekilde ve her zaman göstermiş oldukları maddi ve manevi desteklerinden dolayı aileme teşekkürlerimi ve sonsuz sevgilerimi sunarım. Ayrıca, her zaman yanımda olarak, her türlü fedakarlığı sevgiyle yapmış ve en büyük gizli destekçim sevgili eşime çok teşekkür ederim.
MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI
ISPARTA, 2016
vi
ŞEKİLLER DİZİNİ
Sayfa Şekil 1.1. Enerji üretim dağılımı ..................................................................................... 2 Şekil 1.2. Yatay eksenli rüzgâr türbini ......................................................................... 4 Şekil 1.3. Yatay eksenli rüzgâr türbini uygulamaları ............................................. 5 Şekil 1.4. Üç kanatlı rüzgâr türbininin içyapısı ........................................................ 5 Şekil 1.5. Fotovoltaik ya da güneş pilleri .................................................................... 10 Şekil 1.6. Güneşin ısı enerjisinden elektrik üretimi .............................................. 10 Şekil 3.1. Santralin üsten görülüşümü ......................................................................... 21 Şekil 3.2. Aliağa gaz türbinleri ve kombine çevrim santralinin tesis şaması 22 Şekil 3.3. Kapalı sistem ...................................................................................................... 26 Şekil 3.4. Açık Sistem .......................................................................................................... 27 Şekil 3.5. Adyabatik (yalıtılmış) Sistem ...................................................................... 28 Şekil 4.1. Kompresörün şematik gösterimi ............................................................ 47 Şekil 4.2. Yanma odasının şematik gösterimi ......................................................... 52 Şekil 4.3. Gaz türbinin şematik gösterimi ............................................................... 58 Şekil 4.4. Isı kazanının şematik gösterimi ................................................................ 62 Şekil 4.5. Yüksek basınç buhar türbinin şematik gösterimi ................................ 65 Şekil 4.6. Alçak basınç buhar türbinin şematik gösterimi .................................. 66 Şekil 4.7. Yoğuşturucunun şematik görünüşü .......................................................... 68 Şekil 4.8. Yoğuşturucu pompasının şematik gösterimi ......................................... 69 Şekil 4.9. Deniz suyu pompasının şematik görünüşü .......................................... 71 Şekil 4.10. Degazörün şematik gösterimi ................................................................... 72 Şekil 4.11. Degazörün birinci pompasının şematik gösterimi............................ 73 Şekil 4.12. Degazörün ikinci pompasının şematik gösterimi .............................. 75 Şekil 4.13. Yüksek basınç buhar domunun şematik gösterimi ...................... 76 Şekil 4.14. Yüksek basınç buhar domu pompasının şematik gösterimi ......... 78 Şekil 5.1. Ünitelerin ikinci yasa verimi ........................................................................ 85 Şekil 5.2. Ünitelerin ekserji kayıpları ........................................................................... 87 Şekil 5.3. Santralin ekserji akış diyagramı ................................................................. 88
vii
ÇİZELGELER DİZİNİ
Sayfa Çizelge 3.1. Kombine çevrimde kullanan ünitelerin ikici yasa verimi ........ 40 Çizelge 4.1. Kombine çevrimin noktalardaki özellikleri ve ekserji Çizelge 4.1. miktarları………. ............................................................................................ 43 Çizelge 4.2. Yakıtların giren ve çıkan bileşenlerine ait katsayılar .................... 48 Çizelge 4.3. Yanma reaksiyonunda girdilerin ve ürünlerin oluşum. Çizelge 4.3. entalpileri ve değer entalpiler ............................................................ 53 Çizelge 4.4. Reaksiyona giren ve çıkanların entropi değerleri ........................... 55 Çizelge 4.5. Bazı gazların molar standart kimyasal ekserjileri .......................... 56 Çizelge 4.6. Gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının Çizelge 4.6. termodinamik özellikleri .......................................................................... 59 Çizelge 5.1. Santraldeki bazı ünitelerin birinci yasa verimleri (%) ................. 84 Çizelge 5.2. Ünitelerin entropi üretilen değerleri (kW/K) ................................. 86
viii
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ A.B.T. Alçak buhar türbini Enerji (kW) ex Özgül ekserji (kJ/kg) Kimyasal ekserji (kJ/kmol) Fiziksel ekserji (kJ/kg) Kinetik ekserji (kJ/kg) Potansiyel ekserji (kJ/kg) Ekserji (kW) Fiziksel ekserji (kW) Kinetik ekserji (kW) Potansiyel ekserji (kW) g Yer çekimi ivmesi (m/s2) G.T. Gaz türbini h Entalpi (kJ/kg) Entalpi (kJ/kmol)
Oluşum entalpi (kJ/kmol) Hu yakıtın alt ısı değeri ID Isı değiştirici İ Tersinmezlik(kW) K Kompresör KO Karışım odası Kütlesel debi (kg/s) M Mol kütlesi (kg/kmol) P Basınç (kPa) Ru Gaz sabiti (kJ/kmolK) s Özgül entropi (kJ/kgK) Entropi (kJ/kmolK) Sistemin toplam entropi değişimi (kW/K) T Sıcaklık (K) Hız (m/s) Y.B.B.D. Yüksek basınç buhar domu Y.B.T. Yüksek buhar türbini Karışım mol oranı Y.O. Yanma odası z Yükseklik (m) Birim zamanda ısı geçişi (kW) Birim zamanda yapılan iş (kW) Birim zamanda yapılan tersinir iş (kW) Net güç (kW) Ekserji kaybı (kW) Isıl verim Ekserji verimi (ikinci yasa verimi) Katı fosil yakıtın kimyasal ekserjisi Sıvı yakıtın kimyasal ekserjisi ρ Yoğunluk
ix
Alt İndisler :
ç Çıkış fay Faydalı g Giriş 0 Ölü hal p Pompa t Türbin tr Tersinir ü Yanma ürünleri y Yakıt Yoğuşturucu
1
1. GİRİŞ
Toplumun yaşam standartlarının arttırılabilmesi için önemli icatlar
keşfedilmiştir. Şüphesiz ki bu keşiflerden en önemlisi modern zamanda bağımlı
olunan elektriktir. Elektriğin laboratuvar duvarlarını aşıp, sanayideki ve günlük
yaşamdaki yerini alma süreci 19. yüzyılın ikinci yarısında Zénobe-Théopline
Gramme tarafından elektrik enerjisinin havai hatlar aracılığıyla etkin bir
biçimde iletilebileceğini göstermesiyle başlamıştır.
Elektrik enerjisi gelişen teknoloji ile birçok farklı kaynaktan elde
edilebilmektedir. Farklı yöntemler vasıtasıyla fosil kökenli yakıtlar, nükleer
enerji, güneş, rüzgâr ve jeotermal gibi enerji kaynaklarından elektrik enerjisi
üretilebilmektedir. Elektrik enerjisi üretiminde, fosil kökenli yakıtların ağırlıklı
konumunu önümüzdeki yıllarda da devam ettirmesi beklenmektedir (Yazıcı ve
Selbaş, 2011).
Dünyadaki enerji üretiminde öncelikli kaynaklar petrol, doğalgaz ve kömür gibi
yenilenemeyen ve çevreyi kirleten enerji kaynaklarıdır. Fakat, doğalgazın
çevreyi daha az kirletmesinden dolayı enerji üretimindeki payı gün geçtikçe
artmaktadır. Şekil 1.1'de görüldüğü üzere, dünyanın en çok kullanılan enerji
kaynağı petroldür. İkinci sırada kullanımı gittikçe azalan maden kömürü ve
üçüncü sırada ise üretim ve tüketimi hızla artan doğalgaz bulunmaktadır. Her
dönemde farklı enerji kaynakları önem kazanmış olmasına karşın, değişen
dönem koşullarına göre tercih edilen enerji kaynağı da yerini bir başka enerji
kaynağına bırakmıştır. Kömür yerini zaman içinde petrole bırakmış ve ilerleyen
yıllarda doğalgaz da önem kazanmıştır. Önümüzdeki yıllarda ise alternatif enerji
kaynaklarının değer kazanacağı tahmin edilmektedir (Bilgiustam, 2016).
2
Şekil 1.1. Enerji üretim dağılımı
Enerji gün geçtikçe hayatımızın daha da önemli bir parçası olmaktadır. Sınırlı
doğal kaynaklardan elde edilen bu enerjiler, talep artışına bağlı olarak daha
değerli hale gelmektedir. Enerji talebinin büyük kısmı gelişmekte olan
ülkelerden kaynaklanmaktadır. Bu talebin 2030 yılına kadar günümüze göre %
60 daha fazla olacağı beklenmektedir. Fosil enerji kaynaklarının artan talep
karşısında bugünde olduğu gibi gelecekte de önemini koruması beklenmektedir
bu sebeple Bu kaynakların değerlendirilmesinde son kullanım noktasındaki
makinelerin verimi ne kadar önemli ise elde edilirken ki enerji dönüşümleri de
okadar önemlidir (Sevilgen, 2004).
Enerji talebindeki artış, yeni enerji santrali yatırımlarıyla da
karşılanabilmektedir. Bunun yanı sıra, mevcut santralların performanslarının
iyileştirilmesi yönüne gidilerek, artan talebin bir bölümünü karşılamak
mümkündür. Özellikle az bir yatırım ile sağlanacak kapasite artışı, pik yüklerin
karşılanmasında önemli bir avantaj sağlayabilmektedir. Hali hazırda bulunan
santrallerin performansına etki eden en önemli faktörler çevre havasının
sıcaklığı ve nemi, katı yakıtlı santrallerde ise yakıt kalitesi ve santralin yaşı
olduğu bilinmektedir. Mevcut sistemler içerisinde performans açısından çevre
şartlarından en çok etkilenen sistem ise gaz türbinleridir (Rahim, 2011).
3
1.1. Enerji Santralleri ve Türleri
Elektrik insanların günlük yaşantısında vazgeçilemez bir yer edinmiş hatta
günümüzde hayati etkileri olan bir enerji türüdür. Doğadaki başka bir enerji
türünü elektrik enerjisine dönüştüren kuruluşlara santral adı verilmektedir.
Elektrik santralleri, başka enerji biçimlerini (termik, nükleer, hidrolik,
jeotermal, güneş, rüzgâr, vb.) elektrik enerjisine dönüştürmek amacıyla bir
araya getirilmiş donanımlardan oluşan işletmelerdir. Sanayi ile ilgili
donanımların çoğunluğu, hidrolik ve termik (klasik ve nükleer) santrallerden
meydana gelmektedir. Elektrik santrallerinin tümü, temel olarak bir enerji
kaynağını mekanik enerjiye dönüştürmektedir. Dönüştürülen mekanik enerji ise
hareketlendirici bir aygıt, bir alternatör ve bir dönüştürme istasyonundan
meydana gelen jeneratör vasıtasıyla elektrik enerjisini elde etmemizi
sağlamaktadır.
1.1.1. Rüzgâr santralleri
Dünyada; rüzgâr enerjisinden elektrik üreten ilk türbin, 1891’de modern
aerodinamiğin önemli mühendisi olan Paulla Cour tarafından Danimarka’da inşa
edilmiştir. Elektrik birim fiyatının yüksek olması sebebiyle mucitleri yeni üretim
metotlarını aramaya itmiştir. 1980–1981 yıllarında, endüstriyel ve teknolojik
gelişmeler sonucu 55 kW kapasiteli türbinler yapılmış ve üretimine
başlanmıştır. Risoe National Laboratuarı yardımı ile Avrupa Rüzgâr Atlasının
gelişmesi ve aynı zamanda yeni teknolojilerinde geliştirilmesiyle elektrik
enerjisinin birim fiyatında büyük düşüşler yaşanmıştır (Çolak ve Demirtaş,
2008).
Akın ve Zeybek, 2005’de yaptıkları çalışmada, Türkiye’nin rüzgâr enerji
potansiyeli üzerinde bazı hesaplamalar yapmışlardır. 10 hektar arazi için, 1 MW
kapasiteli bir türbinin yılda yaklaşık 2500000- 3000000 kW-saat enerji ürettiği
belirtilmiştir. Toplam yılda yaklaşık 200 milyar kWh enerji üretiminin olacağı
tahmin edilmektedir (Akın ve Zeybek, 2005).
4
Hava jeneratörlü santral, rüzgâr enerjisinden yararlanılarak elektrik üretilen
elektrik santrali türüdür. Hava jeneratörlü santrallerin en büyük eksikliği rüzgâr
hızının belirli olduğu aralıklarda çalışabilmesidir. Elde edilebilen enerji, yaklaşık
olarak rüzgâr hızının küpüyle orantılıdır. Saniyede 6 m, yani saatte 21,6 km'den
daha düşük hızlarda rüzgâr enerjisi çoğu zaman yetersiz kalır. Özel ihtiyaçlar
için, akümülatörlerle düzenlilik verilen küçük hava jeneratörleriyle elektrik
üretme tekniği nispeten isteneni verir. Fakat 10 kW'ı geçen makinelerin
üretimini elverişli şekilde düzenleme çaresi henüz bulunamamıştır.
Rüzgâr türbinleri mekanik olarak incelenecek olursa, türbinler dönme eksenine
göre yatay eksenli, dikey eksenli ve eğik eksenli olarak, rüzgâr alış yönlerine
göre de rüzgârı önden alan ve rüzgârı arkadan alan türbinler olarak
sınıflandırılmaktadır. Şekil 1.2'de yatay eksenli rüzgâr türbinlerine ait resimler
sunulmuştur.
Şekil 1.2. Yatay eksenli rüzgâr türbini
Türbin üreticisi firmalar, değişik model ve yapıda türbinleri dünyanın çeşitli
bölgelerinde deneysel olarak çalıştırmakta, en verimli ve bakım masrafı az olan,
ekonomik türbin yapısını tercih etmektedirler. Şekil 1.3'te değişik yapıdaki
rüzgâr türbinlerine ait örnekler verilmiştir.
5
Şekil 1.3. Yatay eksenli rüzgâr türbini uygulamaları
Büyük güçlerdeki rüzgâr türbinlerinden oluşan “rüzgâr çiftliği” adı verilen
yapılarda şebekeyle direkt bağlantı yapabilen, akü veya yedek bir besleme
kaynağı ihtiyacı duymayan, alternatör ve dişli kutusundan meydana gelen iki
veya üç kanatlı türbin yapıları kullanılmaktadır. Şekil 1.4’te ise üç kanatlı ve
yatay eksenli bir rüzgâr türbininin iç yapısı görülmektedir (Çolak ve Demirtaş,
2008).
Şekil 1.4. Üç kanatlı rüzgâr türbininin içyapısı
6
1.1.2. Termik santraller
Termik santrallerde yanma bir kazan ya da buhar üretecinde
gerçekleştirilmekte ve suyun buhara dönüştürülmesini, daha sonrada bunun
yüksek basınç altında (135 bar), yüksek sıcaklıkta (535 °C) ısıtılmasını
sağlamaktadır. Buhar, önce yüksek basınçlı türbinde ve ara ısıtma işleminden
sonra orta ve alçak basınçlı türbinlerde genişlemektedir. Birbirini izleyen bu
genişlemeler sırasında ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüşür. Yoğuşturucuda
yoğuşturulan buhar tekrar su haline döner; türbinden alınan ara buharla kazan
besleme suyu tekrar ısıtılıp, kazana gönderilir. Buhar ve su bir kapalı devre
halinde dolaştığından dolayı, bu çevrim sonsuza kadar yenilenir.
Duman, kazan çıkışında büyük oranda ısı kaybetmekte ve elektro filtreden
sonra havaya verilmektedir. Böylece yanma olayı gerçekleşmektedir. Bu arada
türbinde yaratılan mekanik enerji bir alternatöre iletilmekte ve burada elektrik
enerjisine dönüştürülmektedir. Turbo-alternatör gurubunun uzunluğu 600 MW
bir güç için bazen 50 m'yi aşmakta, verilen elektrik akımıysa 20000 voltluk bir
gerilim altında 19200 ampere ulaşmaktadır. Modern bir termik santralinin ısılı
verimi yaklaşık % 40 civarındadır.
Termik santralin bilançosu incelendiğinde, üretilen bir kW için 4000 kJ’ den
fazla bir enerjinin soğutma suyuna verildiği anlaşılmaktadır. Su, bir akarsudan
alınırsa, bu suyun en çok 7-10 0C arasında ısıtılmasına izin verilmektedir. Bu
durum büyük bir kütlesel gerektirmektedir. 600 MW’lık bir enerji grubunda
soğutma için saniyede 22 m3 su gerekmektedir. Bu nedenlerden dolayı, büyük
santraller büyük akarsuların üzerinde ya da deniz kıyısında kurulmaktadır.
Bununla birlikte, termik santrallerin yol açtığı ısı artışı, su bitkileri ve hayvanları
için ciddi sorunlar yaratır. Suyun az, santrallerin çok sayıda bulunduğu
bölgelerde, genellikle hiperbol biçiminde büyük kulelerden oluşan havalı
(atmosferik) soğutma sistemlerinden yararlanılır. Termik santrallerde
kullanılan yakıtlar mazot, gaz ve kömürdür. Mazot için gerekli olan tesisler basit
tesislerdir; mazot 30000-40000 m3 hacimli, silindir biçiminde metalik
depolarda saklanır. Depolardan alınıp ısıtılan mazot püskürtülerek brülörlere
7
aktarılır. Gaz kullanımı için gerekli olan donanımlar çok az sayıdadır. Gaz
brülörlere gönderilmeden önce genişletilmekte, filtreden geçirilerek
ısıtılmaktadır. Termik santrallerde kömür kullanımı için gerekli olan tesisler gaz
ya da mazota oranla çok daha önemli ve büyüktür. Burada özellikle kömürün
demiryolu, akarsu ya da deniz yoluyla santrale getirilmesi, boşaltılması,
depolanması, santral alanı içinde dolaştırılması ve kazana verilmesi için gerekli
tesisler yapılmalıdır. Kömür önce toz haline getirildikten sonra, önceden
mazotla 500 °C’ye kadar ısıtılmış olan yanma odalarının brülörlerine kuvvetli
bir hava akımıyla gönderilmektedir. Bu odaların birkaç yüz metreküpü bulan bir
hacmi ve birkaç bin metrekare büyüklüğünde bir ısıtma alanı vardır. Büyük bir
termik santralinin kömür tüketimi günde 5000 tonu aşmaktadır.
Klasik santrallerde buhar, kömür, fuel-oil ve nadiren doğalgaz veya yüksek fırın
gazı yakılarak üretilir. Termik santrallerin, büyük debili akarsu yakınında veya
deniz kıyısına kurulması gerekmekte ve böylece santralde üretilen ısının
yarısını boşaltan yoğuşturucunun suyla beslenmesi sağlanmaktadır. Sıcak su
ırmağa doğrudan boşaltıldığı gibi (açık devre soğutma) büyük soğutma
kulelerine yollanabilir; burada havayla temas ederek kısmen buharlaştıktan
sonra yoğuşturucuya basılmaktadır (Kapalı devre soğutma). Bu yöntem
pahalıdır, ancak su alma işlemini ve ırmak sularının ısınmasına bağlı çevre
sorunlarını azaltma olanağı sağlamaktadır. Malzemelerin üretim maliyeti
sınırlamak ve işletimi kolaylaştırmak için santraller standart ve özerk üretim
birimleri halinde gerçekleştirilir. Her ünitede bir buhar kazanı, bir buhar üretici,
bir türbo alternatör grubu ve iletişim şebekesine bağlı, gerilim yükseltici bir
trafo (transformatör) bulunur. Daha düşük güçteki termik santraller, su buharı
çevriminden geçmeden elektrik üretir. Bunlar uçak motorlarının çalışma
ilkesine dayanan gaz türbinleridir ve doğrudan doğruya bir alternatörü veya
elektrojen dizel gruplarını çalıştırır. Bu türbinler belirli zamanlarında devreye
alınmak üzere tasarlanmış ve güçleri 100 MW' geçmemektedir (Deneysan,
2015).
8
1.1.3. Jeotermal güç santralleri
Jeotermal santraller, yeraltı kaynaklarının sahip olduğu ısı enerjisinden
faydalanarak elektrik üretilen santrallerdir. Jeolojik yapıya bağlı olarak
yerkabuğu ısısının etkisiyle sıcaklığı sürekli olarak bölgesel atmosferik yıllık
ortalama sıcaklığın üzerinde olan, çevresindeki sulara göre daha fazla miktarda
erimiş madde ve gaz içerebilen su, buhar ve gazların enerjisini elektrik
üretiminde kullanılmaktadır.
Yer altından kuyu yardımıyla çıkarılan yüksek sıcaklıktaki akışkandan
seperatörler vasıtasıyla ayrıştırılan yüksek sıcaklıktaki buhar, türbine
gönderilerek ısı enerjisinin mekanik enerjiye dönüşümünü sağlamaktadır. Elde
edilen mekanik enerji jeneratör vasıtasıyla elektrik enerjisine
dönüştürülmektedir.
Jeotermal santrallerde çevrim sonrası elde edilen çürük buhar, farklı teknikler
ile tekrar çevrime sokularak enerji üretimine ilave edilebilir.
Çevrimde görevini tamamlayan iş akışkanı gerek tarım alanlarını tahribata
uğratmasından dolayı, jeotermal kaynakların devamlılığı için tekrar yer altı
rezervuarlarına sıvı fazla gönderilmektedir. Jeotermal santrallerde baz işleme
"Reinjeksiyon" adı verilmektedir.
1.1.4. Güneş santralleri
Enerji üretilmesi için kullanılan yöntemler oldukça çeşitli olup, küresel ısınma
sebebiyle daha çok yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretilmesi
yöntemleri günümüzde özel ilgi çekmektedir.
Yenilenebilen enerji kaynaklarının en önemlisinden biri güneş enerjisidir. Temiz
ve masrafsız bir enerji kaynağından güneş enerjisinin en önemli özelliği bol ve
sınırsız olmasıdır. Kullanımı giderek artan güneş enerjisinden önceleri ısı
9
enerjisi olarak son yıllarda ise gelişen teknoloji ile beraber güç üretimi de
yapılmaktadır.
Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile (hidrojen gazının
helyuma dönüşmesi) açığa çıkan ışıma enerjisidir. Dünya atmosferinin dışında
güneş enerjisinin şiddeti, yaklaşık olarak 1370 W/m² değerindedir. Ancak,
yeryüzüne ulaşan miktarı atmosferden dolayı 0-1100 W/m2 değerleri arasında
değişim gösterir. Bu enerjinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın
mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma
konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi
sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşüş göstererek
çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Dünya
ile Güneş arasındaki mesafe 150000000 km'dir. Dünya'ya güneşten gelen enerji,
Dünya'da bir yılda kullanılan enerjinin 20000 katıdır. Güneş ışınımının tamamı
yer yüzeyine ulaşamaz. Güneş ışınımının % 30'u atmosfer tarafından geriye
yansıtılır. Güneş ışınımının % 50'si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır.
Güneş enerjisinden faydalanılarak elektrik enerjisi elde etmek için iki yol vardır
(Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, 2012).
Birincisi; fotovoltaik ya da güneş pilleri kullanarak, doğrudan güneş enerjisini
fotovoltaik piller ile elektrik enerjisine dönüştürmektir. Güç çıkışını artırmak
için çok sayıda güneş pili birbirine paralel veya seri bağlanarak bir yüzey
üzerine monte edilir. Bu yapıya, güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül adı
verilmektedir. Şekil 1.5'te fotovoltaik ya da güneş pilleri gösterilmiştir.
İkinci yol ise; güneşin ısı enerjisinden elektrik üretimidir. Güneş enerjisi ile su
buharı veya sıcak gaz üretilmesi sonrasında ise buhar veya gaz türbinine
gönderilmesi amaçlanmaktadır. Türbinde elde edilen mekanik enerji ise
jenaratör tarafından elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Güneşin ısı
enerjisinden elektrik üretiminin birkaç türü Şekil 1.6'da gösterilmektedir
(Salbaş vd., 2003).
10
Şekil 1.5. Fotovoltaik ya da güneş pilleri
Şekil 1.6. Güneşin ısı enerjisinden elektrik üretimi
11
1.1.5. Hidroelektrik santraller
Hidroelektrik santraller suyun akış enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmeye
yarayan santral türüdür. Akan su içindeki enerji miktarını suyun debisi
belirlemektedir. Debisi yüksek bir nehirde akan su büyük miktarda enerji
taşımaktadır. Ya da su çok yüksek bir noktadan düşürüldüğünde de potansiyel
enerji farkından yararlanılarak yüksek enerji miktarlarına ulaşılabilmektedir.
Her iki yolla da kanal ya da borular içine alınan su, türbinlere doğru alınmakta
ve elektrik üretimi için pervane gibi kolları olan türbinlerin dönmesini
sağlamaktadır. Türbinler jeneratörlere bağlı olup, mekanik enerjiyi elektrik
enerjisine dönüştürmektedirler (Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, 2012).
Hidroelektrik santrallerinin kurulabileceği bölgeler doğal kaynaklara bağlıdır.
Bu sebeple üretilen enerjinin nakli yüksek maliyet içermekte ve genellikle tüm
hallerde kuruluş masrafları, termik santrallere oranla daha yüksektir. Fakat,
hidroelektrik santralinin işletme maliyetini düşüren en büyük etken iş akışkanın
enerji maliyetinin olmayışıdır. İşletme ve bakım masrafları, termik santralden
daha azdır. Hidroelektrik bir tesisin, işletme ekonomisi kuruluş masraflarını
karşılarsa, elverişli şartlara sahip olduğu düşünülmektedir (Wikipedia, 2015).
1.1.6. Nükleer santraller
Bütün enerjilerinin kaynağı olduğu kabul edilen güneşteki enerjinin nükleer
reaksiyonlar sonucu ortaya çıktığı bilinmektedir. Nükleer reaksiyonlarda atom
çekirdeği içinde bulunan proton ve nötron sayılarındaki değişimler söz
konusudur. Kimyasal reaksiyonlarda ise sadece elektron alış verişi olmasıyla
birlikte kütle değişimi söz konusu değildir. Nükleer reaksiyonlarda belirli bir
kütle azalmasına eşdeğer enerji ısı olarak açığa çıkar. Bu enerji; E=mc2 (m: kütle,
c: ışık hızı) ile hesaplanabilir.
Kütlenin enerjiye dönüşümü, fisyon ve füzyon tepkimeleri ile olmaktadır. Fisyon
için uranyum gibi bazı ağır çekirdekler nötronlarla bombardıman edilirse yeni
ve tamamen farklı iki çekirdeğe bölündüğü yani ayrışmanın gerçekleştiği
12
görülmektedir. Enerji üretimi ise, çekirdeklerin birbirinden hızla ayrılma
esnasında öteki çekirdeklere sürtünmesiyle ortaya çıkan ısı enerjisini
oluştururlar. Füzyon ise küçük çekirdeklerin kaynaşarak daha büyük
çekirdekler oluşturması ve bu arada büyük bir ısı enerjisinin açığa çıkmasıdır.
Ancak bu çekirdeklerin kaynaşabilmesi bir kaç milyon derece sıcaklıktaki
plazma ortamına ihtiyaç vardır. Bu ortam, ohmik ısıtma, lazerle ısıtma ve hızlı
elektron demetiyle ısıtma yöntemleriyle yapay olarak hazırlanabilmektedir.
Kullanılan hafif çekirdekler ise helyum ve izotoplarıdır.
Nükleer tepkimeler sonucu açığa çıkan ısı enerjisinin reaktör kalbinden
alınmasına göre; reaktörler, gaz soğutmalı, ağır su soğutmalı, hafif su soğutmalı
ve hızlı üretken reaktörler olarak sınıflandırılabilirler. Reaktör kalbinde
uranyum yakıt çubukları, zincirleme reaksiyonu kontrol eden kontrol çubukları
ve moderatör olarak kullanılan sıvı bulunur.
Nükleer santrallerde uranyum, toryum ve plütonyum atomları kontrollü olarak
parçalanması ile zincirleme reaksiyon başlatılır. Reaksiyonla beraber yüksek
miktarda ısı enerjisi ortaya çıkar. Ortaya çıkan ısı, reaktör içerisindeki suyu
ısıtmakta ve su, eşanjör vasıtasıyla soğutularak tekrar reaktöre
gönderilmektedir. Eşanjörde reaktör suyunu soğutan suyu, soğutma yüksek
sıcaklıklara ulaşarak buhar fazına geçer ve buhar türbini vasıtasıyla ısı enerjisini
mekanik enerjiye dönüştürür. Türbine bağlı alternatörler vasıtası ile elektrik
enerjisi elde edilir. Etkisi azalmış buhar, akarsu veya denizden alınan soğuk su
ile soğutma kulelerinde yoğuşturulan su, çevrime tekrar katılır (Deneysan,
2016).
13
2. KAYNAK ÖZETLERİ
Kwak vd. (2003), 500 MW’lık kombine güç santralinin ekserji ve
termoekonomik analizini yapmışlardır. Santralin her bir ünitesine ekserji ve
ekserji maliyet denklemleri uygulanmıştır. Santralin maliyetlerinin
belirlenebilmesi için bir bilgisayar programı geliştirilmiştir.
Çetin (2006), açık çevrimli gaz türbini modelini esas alarak termodinamik analiz
yapılmıştır. Çevrinin kompresör basınç oranı, türbin giriş sıcaklığı, izentropik
verim ve basınç kayıpları gibi parametrelerinin net güç ve ısıl verimi üzerine
olan etkilerini incelemiştir. Visual Basic programlama dilinde yazılan programla
oluşturulan model çözümlenmiş ve maksimum çevrim performansını veren
optimum tasarım parametreleri belirlenmiştir. Açık çevrimli gaz türbin
sisteminin net gücü ve termik verimi üzerinde en önemli etkiye sahip olan
parametrenin türbin giriş sıcaklığı ile türbin ve kompresör izentropik
verimlerinin olduğu, basınç kayıplarının ise çok fazla etkisinin olmadığı
belirlenmiştir. Her parametre için, net gücü ve termik verimi maksimum yapan
iki farklı kompresör basınç oranının olduğu görülmüştür. Türbin giriş
sıcaklığının ve izentropik verimlerin artmasıyla termik verim ve net gücün
arttığı ve buna bağlı olarak da optimum kompresör basınç oranının yükseldiği
belirlenmiştir.
Çubuğuuzun (2006), mevcut bir gemide Brayton çevrimine göre çalışan LM
2500 gaz türbinini ele almıştır. Bu türbinin kompresör giriş, yanma odası giriş,
türbin giriş ve egzoz sıcaklıklarını kontrol paneli üzerinden DDI (Digital Display
Indicator) vasıtasıyla tespit etmiştir. Bulunan değerler ile kompresör giriş ve
çıkışındaki havanın, yanma odası giriş ve çıkışındaki hava yakıt karışımının ve
yanma odasına girişte yakıtın fiziksel ve kimyasal ekserji değerlerini sayısal
olarak hesaplamıştır. Öncelikli olarak hal noktalarının ekserji değerlerini
hesaplayarak daha sonra toplam ekserji üretimini bulmuştur. Daha sonra, hal
noktalarının ekserji kayıplarını sayısal olarak hesaplamıştır. DDI sisteminden
elde ettiği değerlere göre havayı mükemmel gaz olarak kabul ederek sistemde
yakıt olarak metan gazı kullanmış ve hava yakıt oranı yüzde iki olarak kabul
14
etmiştir. Sistemin termodinamik analizini yaparak, birim zamanda akan akışkan
miktarından bağımsız kompresör işini, türbin işini, sisteme giren ısıyı,
sistemden çıkan ısıyı, çevrimin ısısal verimini ve geri iş oranlarını bulmuştur.
Şen (2006), yaptığı çalışmada linyit yakıtını kullanan mevcut akışkan yatak
kazan teknolojili bir termik santralinin ikinci yasa analizini yapmıştır. Termik
santral sistemin meydana getiren her bir ünite için yaralı güç, tersinir güç ve
tersinmezlik değerler tespit edilmiş ve sistemin genel verimleri bulunmuştur.
Çalışmada, mühendislik sistemlerinde ekserji analizinin uygulanmasının
sistemlerin ilk dizaynı ve ekonomik analizlerinin yapılması açısından önemli
veriler sunacağı vurgulanmaktadır.
Balli ve Aras (2007), Eskişehir’de çalışan bir kombine güç santralinin enerji
analizini yapmışlardır. Kombine güç santralinin ünitelerine kütle ve enerji
denklemleri uygulanmıştır. Toplam enerji çıktısı göz önüne alınarak; gaz türbini
çevrimi, ısı geri kazanımlı buhar jeneratörü, buhar çevrimi ve kombine güç
santralinin ısıl verimlerini sırasıyla; % 95.3, % 83.56, % 76.7 ve % 79.3 olarak
hesaplanmıştır.
Ust vd. (2007), tersinmez bir rejeneratörlü gaz türbini kojenerasyon sisteminin
ekserjetik performans katsayısına göre optimizasyonunu ve performans
analizini yapmışlardır. Santralin toplam ekserji çıktısına göre optimum tasarım
ve performans parametreleri araştırılmıştır.
Aljundi (2009), mevcut bir güç santralinin enerji ve ekserji analizini
gerçekleştirmiştir. Yapılan çalışmada, sistemin her bir ünitesinin ayrı arı olarak
enerji ve ekserji kayıplarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Ayrıca, analizler
üzerine çevre şartlarının etkisi de sunulmuştur. Kazan ve yoğuşturucu da enerji
kayıpları sırasıyla 13 MW ve 134 MW olarak belirlenmiştir. Toplam ekserji
kaybının % 77’si kazanda meydana gelirken, türbinde % 13, yoğuşturucu ise %
9 olarak hesaplanmıştır. Isıl ve ekserjetik verimler ise % 26 ve % 25 olarak
hesaplanmıştır.
15
Erdem vd. (2009), çalışmalarında Türkiye’de bulunan mevcut termik santralleri
enerji ve ekserji bakımından kıyaslamışlardır. Yapılan çalışmada, mevcut
santraller düşük kaliteli kömür yakıtlı santrallerdir. Santraller için
termodinamiksel modeller I. ve II. yasa esas alınarak geliştirilmiştir. Santraller;
ısıl verim, ekserjetik verim, ekserji kaybı ve ekserji performans katsayısı
bakımından karşılaştırılmıştır.
Ersoy (2010), çalışmasında, kurulmakta olan 220 MWe ve 160 MWth güce sahip
bir kombine çevrim kojenerasyon santralinin kısaca tanıtımını yapmıştır. Daha
sonra bu tesise ait ekserji, ekonomi ve ekserjoekonomik analizleri yapılmıştır.
Birim maliyetleri, hem belirli bir değere getirilmiş maliyet analizi yöntemiyle
hem de ekserjoekonomik analiz yöntemiyle hesaplamıştır. Isı maliyetini buhar
türbininden çekilen ara buharın türbinde meydana getirdiği güç kaybı farkını
göz önüne alarak bulmuştur.
Kaushik vd. (2011), kömür ve gaz yakıtlı güç santrallerini enerji ve ekserji
analizleri esas alınarak kıyaslamışlardır. Analiz sonuçları değerlendirilerek, bazı
ünitelerde iyileştirmelerin yapılması gerektiği belirtilmiştir. Kömür ve gaz
yakıtlı güç santrallerinde kazan ünitesinde en yüksek enerji v ekserji kaybının
olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, ünitelerin iyileştirmeleri yapılırken mutlaka
ekonomik açıdan da değerlendirilmesi gerektiği vurgulanmıştır.
Dere (2012), çalışmasında dizel ve hidrojen yakıt karışımlarını kullanan bir
dizel motorunun enerji ve ekserji analizini yapmıştır. Çalışmasında ilk olarak
diğer alternatif yakıtlara göre hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanımının
önemini vurgulamış ve çalışma konusu olan dizel ve hidrojen yakıtlarının
özelliklerinden bahsetmiştir. Enerji ve ekserji analiziyle ilgili açıklamalarda
bulunarak, ekserji analizi ile ilgili yapılmış deneysel bir çalışmanın verilerini
referans almıştır. Deneyde; dizel ve farklı hidrojen miktarlarından (150 cc, 300
cc, 450 cc, 600 cc dolgu ilaveli) oluşan yakıt karışımları kullanmıştır. Motorun
bir çalışma koşullarındaki deney verilerine bağlı olarak örnek hesaplamalar
yapmıştır. Hesaplamalar dahilinde hazırladığı bilgisayar programının sonuçları
grafikler halinde değerlendirmiştir. Çalışmasının sonuçlarını özetleyerek
16
önerilerde bulunmuştur. Çalışmasında yapılan enerji ve ekserji analizine göre
en iyi sonuçlar 600 cc hidrojen ilaveli dizel dolgulu yakıt karışımının
kullanımında elde etmiştir.
Ersayın (2012), çalışmasında bir kombine çevrim güç tesisinin performans
analizini, gerçek çalışma verisine göre yapmış ve tesisi termodinamiğin I. ve II.
Yasalarına göre incelemiştir. Sistemi oluşturan ekipmanlar bazında ekserji
verimlerini ve ekserji kayıp oranlarını bulmuştur. Yaptığı hesaplamalar
sonucunda kombine çevrimin I. yasa verimi % 63.4, II. yasa verimi ise % 59.8
olarak hesaplamıştır. Sistem üzerinde en fazla ekserji kaybının bulunduğu
üniteyi ise yanma odası olarak bulmuştur. Çalışmada elde edilen sonuçlara göre
sistem üzerinde yapılabilecek iyileştirme önerilerini de belirtmiştir.
Ilık (2012), doğalgaz yakıtı ile çalışan bir trijenerasyon sisteminin enerji ve
ekserji analizini yapmıştır. Her bir nokta için entalpi, entropi, basınç ve sıcaklık
değerleri termodinamik tablolarından bularak tablolar halinde sunmuştur. Yine
her bir ünite için tersinmezlik, entropi üretimi, kayıp kullanılabilir enerji ve
ikinci yasa verimleri hesaplanmıştır. Kojenerasyon sisteminin termodinamik
analizi sonucunda en fazla ekserji kaybının üniteleri yoğuşturucu (% 32), yanma
odası (% 25), atık ısı kazanında (% 23) olduğu görülmüştür. Absorbsiyon
soğutma sisteminde ise en fazla ekserji kaybının yaşandığı üniteler yoğuşturucu
(% 37), generatör (% 31) ve evaporatörde (% 18) olduğunu tespit etmiştir. 91
MW elektrik enerjisi üreten kojenerasyon sisteminin ısıl verimini %32, ekserji
verimini ise % 39 olarak hesaplanmıştır. Absorbsiyonlu soğutma sisteminde ise
ısıl verimi % 63, ekserji verimini % 11 soğutma performans katsayısını ise
0.753 olarak hesaplamıştır.
Güngör (2013), bir dizel motorlu kombine çevrim santralinin ekserji analizini
yapmıştır. Bunun için 13 dizel motordan ve bir buhar türbininden oluşan bir
kombine çevrim santralini, temel bileşenlerine indirgemiştir. Bu bileşenlerin
giriş ve çıkış noktalarında sıcaklık, basınç ve debi değerleri kullanılmıştır. Bu
değerler vasıtasıyla termodinamik özelikleri, termodinamik özelikler vasıtasıyla
da noktaların ekserji değerleri hesaplanmıştır. En yüksek ekserji kaybının,
17
bileşenler için hesaplanan tüm kayıpların % 70’i ile dizel motorlarda
oluştuğunu, 2. en yüksek kaybın yaklaşık % 7’si ile turbo kompresöründe, 3. en
yüksek kaybın ise yaklaşık % 6’sı ile sülfürden arındırma ünitesinde oluştuğunu
hesaplamıştır. Santrale giren birim yakıt ekserjisinin % 43-44’ünün güç
üretiminde kullanıldığını, % 44-46’sının motor bloğu ve ona bağlı ekipmanlarda
tüketildiği saptanmıştır. Bu tüketimin en yüksek oranda, toplam yakıt
ekserjisinin yaklışık % 35’i ile motorlarda gerçekleştiği belirlenmiştir. Yakıt
ekserjisinin % 3’ünün buhar çevrimindeki ekipmanlarda, % 5’inin egzoz
arındırma bölümlerinde, kalan % 2-4’ünün ise bu çalışmada ihmal edilen diğer
ekipmanlarda kaybedildiğini değerlendirmiştir. Son olarak santralde atık
ısıların değerlendirilmesi için soğuk günler ve sıcak günler için iki öneride
bulunarak bu önerileri çeşitli hesaplarla kabaca tartışmıştır.
Durmusoglu ve Ust (2014), çalışmalarında tersinmez bir rejeneratif kapalı
Brayton çevriminin termoekonomik analizini yapmışlardır. Çevrimi net çıkış
gücü ve toplam maliyet oranına göre optimize etmişlerdir. Toplam maliyet
oranı; yakıt, yatırım, çevre, işletme ve bakım maliyeti oranlarını içermektedir.
Elde edilen sonuçların pratikte kullanılan Brayton çevrimleri için faydalı olacağı
belirtilmiştir.
Goodarzi vd. (2014), yaptıkları çalışmada rejeneratörlü Brayton ve ters Brayton
çevrimlerini rejeneratörsüz bir çevrime göre ısıl verimlilik bakımından
kıyaslamışlardır. Rejeneratörlü Brayton ve ters Brayton çevrimleri, rejeneratöre
giren havanın kısmi olarak by-pass edilmesiyle iyileştirilmiştir. Kompresör
basınç oranları esas alınarak, by-pass edilen havanın kütlesel debisinin
çevrimlerin performansına olan etkileri analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlara
göre, birinci kompresörün basınç oranı arttıkça ısıl verim ve net güç
artmaktadır.
Uludağ (2014), çalışmasında, kurulmakta olan güç santrali (Ege Elektrik Üretim
A.Ş.) için ekserji analizi ve ASPEN Plus simülasyon programı kullanılarak ısı ve
güç entegrasyonunun, farklı basınç kademeli atık ısı kazanlarındaki
performansları değerlendirilmiştir. Üç farklı tip atık ısı kazanı ekserji kaybı
18
bakımından kıyaslandığında, her birinin ekserji kaybının neredeyse birbiriyle
aynı olduğu gözlemlermiştir. Ekserji kaybının birbirine yakın olmasının
sebebinin, bacadan atılan ısının göz ardı edilmesinden kaynaklandığı
belirtilmiştir. Enerji üretimi ve verimlilikleri açısından karşılaştırma yaptığında,
üç basınç kademeli atık ısı kazanının, tek ve çift basınç kademeli atık ısı
kazanlarına göre daha verimli olduğu görülmüştür. Tek basınç kademeli atık ısı
kazanında enerji üretim miktarını yaklaşık olarak 507 MW, çift basınç kademeli
atık ısı kazanında enerji üretim miktarını yaklaşık olarak 530 MW, üç basınç
kademeli atık ısı kazanında enerji üretim miktarını yaklaşık olarak 598 MW
olarak hesaplamıştır. Sırasıyla tek, çift ve üç basınç kademeli atık ısı
kazanlarında ekserji verimliliğini yaklaşık olarak % 46, % 62 ve % 77 olarak
hesaplamıştır. Ayrıca baca çıkış sıcaklıklarını sırasıyla, tek basınç kademeli atık
ısı kazanında 380 °C, çift basınç kademeli atık ısı kazanında 163 °C, üç basınç
kademeli atık ısı kazanında 147 °C olarak hesaplamıştır.
Bolatturk vd. (2015), Çayırhan termik santralinin termodinamik ve
eksergoekonomik analizlerini yapmışlardır. Santralin her bir ünitesinin giriş ve
çıkış noktalarının termodinamik özellikleri belirlenmiştir. Elde edilen özellikler
yardımıyla, santralin ısıl ve ekserjetik verimleri sırasıyla % 38 ve % 53 olarak
bulunmuştur. Santralde en yüksek ekserji kayıpları sırasıyla kazan, türbin
grupları, yoğuşturucu, ısıtıcı grubu ve pompa grupları olarak belirlenmiştir.
Ekserji maliyetleri kaybı ise sırasıyla kazan, türbin grubu ve yoğuşturucu olarak
görülmektedir. Eksergoekonomik faktörler incelendiğinde, en yüksek faktör
türbin grubunda hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, santral ünitelerinin
iyileştirilmesi için çözüm önerileri sunulmuştur.
Çınar ve Çakır (2015), çalışmalarında, Zonguldak ilinde faaliyet gösteren ve her
biri 600 MW gücündeki iki üniteden oluşan kömür yakıtlı bir süperkritik termik
santral olan Eren Elektrik Üretim A.Ş. Termik Santrali’ nin enerji ve ekserji
analizini yapmışlardır. Ekserji kaybının yüksek olduğu üniteler tespit ederek
geliştirme potansiyelleri saptamış ve verimlilik arttırıcı çözüm önerileri
sunulmuştur. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, santral ünitesinin enerji ve
ekserji verimleri sırasıyla % 41.12 ve % 38.46 olarak hesaplanmıştır. En yüksek
19
ekserji kaybının 846.05 MW ve % 88.72 değeri ile kazanda meydana geldiğini
tespit etmişlerdir. Buna paralel olarak en düşük ekserji veriminin % 61.08 ile
kazanda olduğunu görmüşlerdir. Dolayısıyla 457.79 MW ile geliştirme
potansiyeli en yüksek ekipmanın kazan olduğu görülmüştür. Yoğuşturucudan
soğutma suyu ile denize atılan ısının ise enerji analizine göre miktar olarak fazla
olmasına rağmen, ekserji veriminin (% 77.32) daha yüksek olduğunu
belirlemişlerdir.
Vandani vd. (2015), çalışmalarında İran’daki mevcut bir santralin enerji ve
ekserji analizi yapmışlardır. Yapılan çalışmada santrale uygulanacak olan ısı geri
kazanımı ünitesinin santralin performansına olacak etkileri araştırılmıştır.
Santralin verimindeki artışın belirlenebilmesi için iki farklı optimizasyon
algoritması oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre; eklenecek olan sistem
ile net güçte % 0.72, enerji ve ekserjetik verimlerde ise sırasıyla % 23 ve % 22
oranında artış sağlanacağı belirtilmiştir.
20
3. MATERYAL VE METOT
Dünyada enerjiye olan talebin artmasına paralel olarak enerji üretiminde amaç;
kaliteli, güvenilir ve ekonomik enerji üretimi olmalıdır. Ülkelerin enerji
politikalarındaki amaç, sürdürülebilir enerji üretimi olmalıdır. Bu sebeple güç
üretim sistemlerinde enerji kayıplarının yerinin ve büyüklüğünün saptanması
büyük önem kazanmaktadır. Mühendislikte, termodinamiğin 2. kanununa
dayanan ekserji analizi; enerji kayıplarının yerini ve büyüklüğünü,
kullanılamayan enerjiyi ve doğal kaynakların verimsiz şekilde kullanılmalarını
başarıyla tespit etmektedir. Bu amaçla tez çalışmasında, Aliağa Gaz Türbinleri
ve Kombine Çevrim Santrali üzerinde, alınan gerçek datalar doğrultusunda
enerji ve ekserji analizi uygulanmıştır. Uygulanan analizlerle, tesisteki ünitelerin
enerji ve ekserji kayıplarının yerleri ve büyüklükleri tespit edilmiştir. Tespit
edilen sonuçlara göre, santralin ünitelerinde uygulanması gereken iyileştirmeler
belirlenmiştir. Tez çalışmasında belirlenen iyileştirmeler çözüm önerileri
halinde sunulmuştur.
3.1. Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santrali Tanıtımı
1974 yılında 4x30 MW gücünde gaz türbinlerinin tesisi planlanmış olup, 1. ve 2.
üniteler 1975 yılında, 3. ve 4. üniteler ise 1976 yılında işletmeye alınmıştır.
Ayrıca bu ünitelerin 500 0C sıcaklığında baca gazından yararlanarak
çalıştırılmak ve kurulmuş olan ünitelerin verimini arttırarak, üretim maliyetini
büyük oranda azaltmak amacıyla 1976 yılında 2x30 MW gücünde buhar çevrim
ünitesi montajı planlanarak işletmeye alınmıştır. Santralin toplam kurulu gücü
180 MW, nominal yıllık üretim kapasitesi ise 1.266.000.000 kWh'tır.
Şekil 3.1'de görüldüğü gibi, 4 adet gaz türbini 2 şerli gruplar halinde iki ayrı
binaya yerleştirilmiştir. Birinci ve ikinci gaz türbini (GT1-2) işaret ile yeri
gösterilmiştir. Üçüncü ve dört üncü gaz türbini (GT3-4) işaret ile yeri
gösterilmiştir. Ayrıca 2 adet olan buhar türbini binalarının her biri de gaz
türbini binalarının yanına tesis edilmiştir.
21
Şekil 3.1. Santralin üsten görülüşümü
Santralin daha ucuz ve çevreyi kirletmeden enerji üretebilmesi amacıyla, yakıt
olarak doğalgazın kullanılmasına karar verilmiştir. Gerekli rehabilitasyon
çalışmaları sonucu birincil yakıt olarak doğalgaz kullanılmaya başlanmıştır.
Tesiste ana yakıt olarak kullanılan doğalgaz, BOTAŞ’tan boru hatları vasıtası ile
temin edilmektedir. Yine tesiste yakıt olarak kullanılan motorin ise TÜPRAŞ
rafinerisinden boru hattı vasıtasıyla alınarak akaryakıt tanklarında
depolanmakta, buradan da gaz türbinlerine verilmektedir.
3.1.1. Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santralin Çalışma Prensibi
Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santralinin tesis şaması Şekil 3.2'de
gösterilmiştir. Çevrim santrali 4 adet gaz türbini ve gaz türbinlerinden çıkan
egzoz gazı ile ısıtılan 4 adet atık ısı kazanı, 2 adet buhar türbini ve gerekli yan
sistemlerinden oluşmaktadır.
G.T. 1-2
KÇ12
G.T. 3-4
KÇ 34
22
Şekil 3.2. Aliağa gaz türbinleri ve kombine çevrim santralinin tesis şaması
23
Buhar kazanı, egzoz gazı ile ilk temas eden kısımda kızdırıcı sonra buharlaştırıcı
(yüksek basınç evaporatörü), ekonomizer ve daha sonra alçak basınç
evaporatörü bölümlerinden oluşmaktadır. Egzoz gazları 2 adet baca gaz kapağı
ile istenirse atmosfere atılmakta, istenirse atık ısı kazanına girmektedir.
Kapaklardan birisi by-pass ile gaz türbini baca girişine diğer kapak ise atık ısı
kazanı girişindeki kanala yerleştirilmiştir. By-pass kapağı kapanıp kanal
girişindeki kapak açıldığında atık ısı kazanına gelen 500 °C sıcaklığındaki egzoz
gazları, kazandaki suyu 29 bar basınç ve 460 °C’ ye kadar ısıtarak kızgın buhar
haline dönüştürülmektedir.
Santralde bulunan kazan; buhar domlu kazan olup, kızdırıcı, yüksek basınç
evaporatörü, ekonomizer ve yüksek basınç evaporatörü olmak üzere 4
kademeden oluşmaktadır. Kazanın devreye alma işlemi için gerekli olan saf su
besleme pompalarıyla kazan besleme tankına degazör üzerinden alınır. Degazör
bu aşamada su içerisindeki istenmeyen gazları tasfiye eder. Kazan besleme
tankına gelen su; kazan besleme pompaları yardımı ile ekonomizere basılır.
Ekonomizere basılan su yüksek basınç buhar domuna gönderilir. Bu aşamadaki
su akışı için gerekli basınç besleme suyu pompası basıncıyla sağlanır. Yüksek
basınç domundaki su-buhar karışımı yüksek basınç sirkülasyon pompaları
vasıtasıyla yüksek basınç evaporatörüne basılır. Kazan besleme tankındaki su,
alçak basınç sirkülasyon pompalarıyla alçak basınç evaporatöründen geçirilerek
sıcaklığı yükseltilip tekrar kazan besleme tankına gönderilir. Yüksek basınç
evaparatöründen elde edilen basınçlı doymuş buhar yüksek basınç buhar domu
üzerinden kızdırıcı kademesine geçerek kuru buhar halinde türbine
gönderilmeye hazır hale getirilir. Buhar türbinine gönderilen kuru buhar, türbin
kanatlarına hareket vererek türbin devrinin 3000 d/d ya gelmesi sağlanır.
Türbin kanatlarına çarparak hareket veren kuru buhar yoğuşturucuya düşerek
yoğuşma sağlanır ve kapalı çevrim sirkülasyon pompasıyla tekrar make-up
tankına gönderilerek proses tekrarlanır. Kapalı çevrim ile belirli bir entalpi
değerine sahip suyun tekrar kullanılması sağlanarak enerji tasarrufu sağlanır.
Buhar türbinini 0 d/d dan 3000 d/d ya gelinceye kadar gelen aşamada öncelikle
yatak yağlama pompaları çalıştırılarak yatak yağlama basıncının en az 1.8 bar'a
getirilmesi sağlanır. Daha sonra 1.8 bar değerindeki yağ basıncı ile ana stop
24
valfleri açılmakta ve türbin ısıtma şartları sağlandıktan sonra reglaj valfleri
açılarak buhar türbinine yol verilmektedir. Buhar türbini 3000 d/d ya
geldiğinde ikaz sistemi jeneratörü ikazlanarak jeneratör voltajı 10500 V'a
getirilerek, sistem frekansı ile jeneratör frekansı eşitlenerek enterkonnekte
sisteme girilir. Buhar türbini devreye girerek elektrik üretimi sağlanır. Buhar
türbinin belirtilen şartlarda çalıştırılması için gerekli buhar basıncı 30 bar ve
her MW için 3 ton kuru buhara ihtiyaç vardır.
Kazanlarda ilave bir yakıt söz konusu değildir. Kızgın buhar ana buhar
borularıyla 120 ton/h kapasiteli türbine gönderilmekte olup, burada mekanik
enerjiye, türbin miline bağlı olan jeneratörde ise elektrik enerjisine
dönüştürülmektedir.
Her paket ünitenin 2 adet gaz türbini tam kapasite ile çalıştırıldığında, buhar
türbininde tam kapasite ile çalışması mümkün olmaktadır. Böylece bir paket
ünitenin toplam gücü 90 MW’a ulaşmaktadır. Her bir kazanın tam kapasiteli
buhar üretimi, buhar santrali jeneratöründe 15 MW’lık elektriksel güce
dönüşmektedir.
Kombine çevrim santralinin yoğuşturucusunda, soğutma suyu olarak deniz suyu
kullanılmaktadır. Santral sahasına 800 m uzaklıkta TÜPRAŞ sınırları içinde olan
deniz suyu, pompa istasyonundaki pompalarla yoğuşturucuya
gönderilmektedir. Gönderilen deniz suyu, çürük buharın ısısını aldıktan sonra
yaklaşık 10 °C’lik bir sıcaklık artışı ile tekrar denize verilmektedir.
Yoğuşturucudan çıkan sıvı su ise tekrar kazana verilmektedir. Kazanlarda
kullanılan su, TÜPRAŞ’ tan temin edilen ham suyu işleyen su tasfiye ünitesinden
sağlanmaktadır. Soğutma suyu istasyonunda 3 adet pompa bulunmaktadır.
Deniz suyu, soğutma suyu istasyonundan boru hattıyla kondersere gelmektedir.
Konderser için gerekli olan soğutma suyu miktarı 7700 m³/h ve soğutma
suyunun pompa çıkış basıncı en az 2.2 bar olarak tasarlanmıştır. Yoğuşturucu
ise içerisinde bulunan toplam 6500 adet boru ile türbinden gelen buharı
yoğuşturma görevini üstlenmiştir.
25
3.2. Termodinamik analizler
3.2.1. Enerji ve ekserji
Thomas Young tarafından 1807’de enerji terimi ortaya atılmış ve 1852'de Lord
Kelvin tarafından termodinamikte kullanımı önerilmiştir( Çınar ve Çakır, 2015).
Termodinamik, enerji bilimi olarak tanımlanabilir. Termodinamiğin birinci
yasasına göre enerji vardan yok, yoktan var edilemez, ancak enerji şekil
değiştirebilir, transfer edilebilir. Enerjinin tüm bu faaliyeti esnasında toplam
enerji her zaman sabit kalır.
Sistemle çevresinin etkileşimi sırasında, sistem tarafından kazanılan enerji,
çevre tarafından kaybedilen enerjiye eşit olmak zorundadır. Fakat etkileşim
esnasında hal değişimleri belirli bir yönde gerçekleşirken, tersi yönde
gerçekleşmez. Oysa birinci kanun, hal değişimlerinin yönü üzerine bir kısıtlama
koymaz. Birinci yasanın bu yetersizliği termodinamiğin ikinci kanunu ile
kapatılır (Ersoy, 2010).
Termodinamiğin ikinci yasası, enerjinin niceliğinin yanında niteliğinin de
olduğunu vurgulayarak termodinamik hal değişimlerinin hangi yönde
gerçekleşebileceğini belirler. Enerjinin niteliğini koruyabilmek mühendislerin
başlıca amaçlarından bir tanesidir. Bir enerji kaynağının işe dönüşme
potansiyeli bulunan faydalı kısmını ifade eden ekserji olgusu, bu niteliğin ölçüsü
durumunda ve ekserji tahrip edilebilmekte ve bu tahribat, sistem içindeki
tersinmezliklerin sonucu olarak meydana gelmektedir (Güngör, 2013).
Ekserji terimi, 1824 yılında Carnot tarafından kullanılmıştır. Kelimenin kökeni
Yunanca olup ex (dış) ve argon (kuvvet ve iş) kelimelerinden türetilmiştir.
(Wall, 1998). Ekserji analizi konusundaki çalışmalar ise Gouy ve Stodala ile
başlamıştır. Bu yüzyılın başlarında, Jouguet, Lewiss ve Randall, DeBaufre,
Darrieus, Keenan, Lerberghe ve Glansdorf gibi bilim adamlarının
termodinamiğin ve ekserji kavramının gelişimine büyük katkıları olmuştur.
1935’de Bosnjakovic, ekserji kavramının sistemlerin termodinamik
analizlerinde uygulama çalışmalarını başlatmıştır (Ersoy, 2010).
26
Termodinamik sistemlerin analizinde termodinamiğin birinci ve ikinci
kanunları birlikte değerlendirilerek analizlerinin yapılması gerekmektedir.
Birinci kanun enerji dengesini, ikinci kanun ise tersinmezlik, entropi üretimi ve
daha ileri aşamada ekserji analizini ele almaktadır.
3.2.2. Termodinamik analiz sistemleri
Termodinamik sistemler kütle ve enerji alışverişine göre ikiye ayrılmaktadır:
1. Kapalı Sistem: Kütle alışverişine kapalı, yalnızca enerji alışverişi açık
olan sistemlerdir. Kapalı bir sistemin görünümü Şekil 3.3'te
gösterilmiştir.
Şekil 3.3. Kapalı sistem
2. Açık Sistem: Şekil 3.4'te gösterilen açık sistemde, sistem ile ortam
arasında hem enerji hem de kütle alışverişi yapabilmektedir (Akdağ,
2009).
27
Şekil 3.4. Açık sistem
Açık sistem aynı zamanda iki sınıfa ayrılmaktadır.
Düzgün akışlı dengeli açık sistemde (DADAS); akışkanın kontrol
hacminden giren veya çıkan verilen noktanın kapasite veya şiddet
özellikleri zamanla değişmektir.
Sürekli akışlı açık sistemde (SAAS); akışkanın kontrol hacminden sürekli
bir akışı var olmakla beraber bir zaman süresince sisteme giren veya
çıkan, verilen bir noktanın kapasite veya şiddet özellikleri zamanla
değişmez.
∑ ∑
28
Kapalı ve açık sistemler Şekil 3.5'te görüldüğü gibi adyabatik olabilmektedirler.
Sistemle ortam arasında ısı alışverişi olmamaktadır.
Şekil 3.5. Adyabatik (yalıtılmış) sistem
3.2.3. Açık sistemlerde enerji korunumu
Termodinamiğin Birinci Yasası, enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasını ifade
etmekte ve enerjinin termodinamikle ilgili bir özellik olduğunu
vurgulamaktadır.
Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasına göre, enerji yok edilemez veya
yoktan var edilemez, ancak değişik fiziksel ve kimyasal işlemlerle bir enerji
biçiminden diğer enerji biçimine dönüşür. Bu dönüşüm sırasında enerjinin
miktarı sabit kalır (Dere, 2012). Böylece sürekli akışlı açık sistemde, kontrol
hacmine ısı, iş kinetik, potansiyel veya kütle akışı olarak giren ve çıkan toplam
enerji eşittir:
∑ (
)
∑ (
)
29
Burada, girişi, ç çıkışı göstermekte olup, ve sırasıyla, sisteme giren ve
çıkan ısıdır. ve , giren ve çıkan kütlesel debisi, ise açık akışlı sistemdeki
giriş ve çıkıştaki entalpi değerleridir.
sisteme giren ve çıkan kinetik
enerjidir. Potansiyel enerji ise ile gösterilmiştir. Enerji denklem ifadesinde
kinetik ve potansiyel enerjiler ihmal edilirse:
∑ ∑
elde edilir. Sisteme aktarılan birim zamandaki , sistemin ürettiği biliniyor
ise enerji dengesi,
∑ ∑
şeklinde yazılabilir. Bir girişli ve bir çıkışlı sürekli akışlı açık sistem için (3.9)
no’lu denklem kütle debisi " " ile bölünürse,
şeklinde elde edilir (Çengel ve Boles, 2008).
3.2.4. Termodinamiğin II. yasası ve entropi
Bir hal değişiminin gerçekleşebilmesi için termodinamiğin birinci ve ikinci
yasalarının sağlanması zorunludur. Termodinamiğin ikinci yasası, enerjinin her
zaman daha kullanışlı formdan, daha kullanışlı forma dönüşeceğini ifade eder.
Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyle tanımlanabilir:
Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir makinenin,
yalnızca bir kaynaktan ısı alıp net iş üretmesi olanaksızdır (Kelvin
Planck).
30
Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan ve düşük sıcaklıktaki
bir cisimden aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir cisme aktarmak dışında
hiçbir enerji etkileşiminde bulunmayan bir makine tasarlamak
olanaksızdır (Clausius).
Termodinamiğin ikinci kanunu ile yapılan çalışmalar neticesinde % 100 verimle
çalışan makinalar bulunmamaktadır. Makinelere verilen enerjinin bir kısmı,
makina içi sürtünmeler vasıtasıyla ısıya dönüşmektedir. Kaybolan ısı ise hiç bir
zaman enerji olarak tekrar elde edilemez.
Termodinamiğin ikinci yasasının en önemli özeliği entropidir. Entropi terimini
ilk kez Clausius’un tarafından kullanılmıştır. Bu yasayla; enerjinin sürekli, daha
çok kullanılabilir bir formdan daha az kullanılabilir bir yapıya doğru değiştiği
ifade edilmektedir. Bir sisteme veya bir sistemden olan entropi geçişi iki şekilde
gerçekleşmektedir. Bunlar; ısı geçişi ve kütle akışıdır. Her hangi bir sisteme olan
ısı geçişi, o sistemin entropisini arttırır. Bu neden ile moleküler düzensizlik veya
rastgelelik artarken bir sistemden olan ısı geçişi ise bunu azaltır.
Bir termodinamik özelik olan entropi "s" ile gösterilir ve aşağıdaki gibi
tanımlanır;
(
)
Q/T’nin boyutu, bir sisteme ısı geçişinin eşlik ettiği entropi geçişini ifade
etmektedir. Entropi geçişinin yönü, mutlak sıcaklık her zaman pozitif bir
büyüklük olduğundan ısı transferi yönü ile aynıdır. Isı ile entropi geçişi,
adyabatik sitemler için sıfırdır.
Bir sistemin entropi ve enerji içerikleri de kütle ile orantılıdır. Bir sisteme veya
bir sistemden dışarı doğru olan entropi ve enerji geçişi, madde akımları ile
gerçekleşmektedir. Ayrıca, sistem içine ya da sistem dışına entropi ve enerji
taşınma hızları, kütle akış hızı ile orantılıdır. Kütle akışı ile gerçekleşen entropi
geçişi (Coşkun, 2011),
31
ile hesaplanmaktadır. Açık sistemler için genel entropi dengesi, aşağıdaki
şekilde ifade edilmektedir;
∑
∑ ∑
Kombine çevrim santrallerinde, kompresörler, türbinler, ısı değiştiricileri gibi
ünitelerinde kontrol hacmin entropisinde değişim meydana gelmez. Bu nedenle,
sürekli akışlı hal değişimi için entropi dengesi aşağıdaki gibi yazılabilir:
∑ ∑ ∑
Eğer sistemde tek bir giriş ve çıkış var ise, entropi dengesi, (Çengel ve Boles,
2008).
( )
ile hesaplanır.
3.2.5. Ekserji analizi
Ekserji; bir sistemin referans bir çevreyle denge haline gelinceye kadar, madde
veya enerji akışıyla üretilebilecek maksimum miktarda iş olarak
tanımlanmaktadır. Ayrıca ekserji, referans çevreye göre tamamen kararlı
dengede olmamanın sonucu olarak, değişime neden olan akış ya da sistemin iş
yapabilme potansiyelinin bir ölçüsüdür. Ekserji, herhangi bir termodinamik
yasasına karşı gelmeden bir düzeneğin verebileceği işin miktarındaki üst sınırı
temsil etmektedir. Bir sistemde üretilen veya dağıtılan gerçek iş ile ekserji
arasında küçük veya büyük miktarlarda her zaman bir fark oluşacağı gibi, bu
32
fark sistemlerin geliştirilmesi ya da iyileştirilmesi için mühendislerin sahip
olduğu olanağı temsil etmektedir.
Ekserji sadece sistemin değil, sistem - çevre birleşiminin bir özelliğidir. Bir
enerji kaynağından alınabilecek kullanılabilir iş, kaynağın bulunduğu çevrenin
durumuna bağlıdır. Kaynak ve çevre arasındaki fark ne kadar büyükse
sistemden alınacak iş de o kadar büyük olur (Rosen vd, 2004). Bu sebeple,
çevreyi değiştirmek ekserjiyi arttırmanın diğer bir yoludur (Çınar ve Çakır,
2015).
Sistemden elde edilebilecek en çok işi elde edebilmek için hal değişimi sonunda
sistemin ölü halde olması gerekir. Bir sistemin ölü halde olması, çevresiyle
termodinamik dengede bulunması anlamına gelir. Ölü haldeyken sistem, çevre
sıcaklığında ve basıncındadır. Başka bir deyişle, çevreyle ısıl ve mekanik
dengededir. Ayrıca, sistemin çevresine göre kinetik ve potansiyel enerjileri
sıfırdır. Bu durum, hızın ve bir referans noktasına göre yüksekliğin sıfır olması
anlamına gelmektedir.
Ekserji, nükleer, manyetik, elektriksel ve yüzey gerilme etkilerinin olmaması
durumunda; fiziksel, kinetik, potansiyel ve kimyasal ekserji bileşenlerinden
oluşmaktadır.
(3.16) no'lu denklemde görüldüğü, fiziksel ekserji, kinetik ekserji,
potansiyel ekserji, kimyasal ekserji terimlerini göstermektedir. Aynı
zamanda bu terimler ekserji türlerini belirlemektedir.
3.2.5.1. Kinetik ekserji
Mekanik enerjinin bir şekli olup, madde akışının kinetik ekserjisi, düzenli bir
enerji formudur. Kinetik ekserji, çevrenin sıcaklık ve basınç değerlerinden
bağımsızdır. Bundan dolayı da tamamen işe dönüştürülebilir. Kinetik enerji
33
değeri, çevresel referans düzeyine göre hesaplanırsa kinetik ekserji değerine
eşit olur.
(3.18) no'lu denklemde, , kütlesel debi (kg/s), V /s adde akışının hı ıdır
3.2.5.2. Potansiyel ekserji
Mekanik enerjinin bir şekli olup, sıcaklık ve basınç değerlerinden bağımsızdır.
Bu nedenle potansiyel enerjinin tümü işe dönüştürülebilir. Potansiyel ekserji,
düzenli bir enerji formudur,
(3.20) no'lu denklemde, yerçekimi ivmesini, z (m) ise sistemin bulunduğu
ortamdaki referans düzlemine göre göreceli yüksekliği göstermektedir.
3.2.5.3. Fiziksel ekserji
Fiziksel ekserji, sıcaklık ve basıncı bilinen bir sistemin, çevre şartları (P0,T0) ile
dengeye getirildiğinde elde edilecek maksimum iş olarak tanımlanır (Kotas,
1985). Bir akımın özgül fiziksel ekserjisi;
34
olarak yazılabilir. Burada, h ve s sırasıyla mevcut durumdaki entalpi ve entropi,
0 indisi ise ölü halı göstermektedir. Bir akış sırasındaki iki nokta arasındaki
fiziksel ekserji farkı ise aşağıdaki denklemlerle;
( ) ( )
[( ) ( )]
ifade edilmektedir (Güngör, 2013).
3.2.5.4. Kimyasal ekserji
Kimyasal ekserji; bir kütlenin çevre ile kimyasal dengeye (ölü hal) gelinceye
kadar ısı transferi ve kütle alışverişinden dolayı elde edilebilecek maksimum iş
olarak tanımlanır (Çınar ve Çakır, 2015). Elde edilebilecek maksimum iş,
sistemin ya da maddenin sınırlı denge halinden, denge haline geçmesiyle
mümkündür. Çevre dengesi ( , ) iken saf bileşenlerin konsantrasyonlarının
kısmi basınçlar aracılığıyla ( ), her bir bileşenin kimyasal ekserjileri ideal gaz
için aşağıda verilen (3.24) no'lu denklemle hesaplanır (Özgener ve Hepbaşlı,
2015).
(
)
Burada; R üniversal gaz sabiti (8.314 kJ/kmolK) olup, P00,i ise, ideal gazın kısmi
basıncı göstermektedir. Gaz karışımlarının kimyasal ekserjileri de standart
kimyasal ekserji değerleri kullanılarak (3.25) no'lu denklem ile
hesaplanmaktadır;
∑ ∑
35
Burada, yakıtın özgül kimyasal ekserjisi. yakıtın standart özgül
kimyasal ekserjisi. Yakıtların kimyasal ekserjileri, yakıtı oluşturan bileşenlere
bağlı olarak hesaplanmaktadır. Bu sebeple bir yakıtın kimyasal ekserjisi, yakıt
ekserjisinin yakıtın alt ısıl değerine oranı olarak (Szargut vd., 1988),
hesaplanmaktadır. (3.26) no'lu denklemde, yakıtın özgül kimyasal
ekserjisi, LHV ise yakıtın alt ısı değerini göstermektedir. Katı bir fosil yakıt için
kullanılan kimyasal ekserji denklem,
şeklindedir. (3.27) no'lu denklemde olan, y değerleri karbon, hidrojen, oksijen
ve azotun yakıt içerisindeki kütlesel oranını ifade etmektedir. Bu ifade yukarıda
belirtilmiş olan O/C oranını sağlayan odun haricindeki katı fosil yakıtların
büyük bir bölümü için ±%1 sapma ile uygulanabilmektedir (Güngör, 2013).
Odunun O/C oranı “2,67 > O/C >0,667” aralığında bulunan nem içermeyen fosil
katı yakıtlar için ise aşağıdaki ifade yine ±%1 sapma ile uygulanabilir;
(
)
şeklinde ifade edilmektedir. Kükürt’ün etkisi de dikkate alınarak sıvı yakıtlar
için kimyasal ekserji oranı ise ±%0.38 sapma ile aşağıdaki gibi
hesaplanmaktadır:
(
)
36
3.2.6. Kullanılabilirlik
Herhangi bir enerji kaynağı kullanılacağı zaman, ilk yapılan işlemlerden biri
kaynakta bulunan enerjinin miktarını yaklaşık olarak belirlemektir. Asıl
bilinmesi gereken, kaynağın iş potansiyeli veya kaynağın iş yapma olanağıdır.
Başka bir deyişle, kaynakta var olan enerjinin ne kadarının kullanılabilir işe
dönüştürülebileceğinin bilinmesi gerekir. Enerjinin geri kalanı veya işe
dönüştürülemeyen bölümü, sonuçta atık ısı olarak çevreye verileceği için önem
taşımamaktadır.
Bir sistemden elde edilebilecek en çok iş, sistem belirli bir başlangıç halinden,
tersinir bir hal değişimiyle çevrenin bulunduğu hale (ölü hale) getirilirse elde
edilir. Bu değer, sistemin verilen başlangıç halinde, yararlı iş potansiyelini veya
iş yapma olanağını göstermekte ve kullanılabilirlik olarak adlandırılmaktadır
(Coşkun, 2011).
Herhangi bir akışın kullanılabilirliği:
ile ifade edilebilir. Bu denklemde kinetik ve potansiyel enerjiler ihmal edilirse,
akışın kullanılabilirliği fiziksel ekserjiye denklem (3.21)'de görüldüğü gibi eşit
olacaktır.
Kayıp kullanılabilir enerji, sürekli açık akışlı bir sistem (SAAS) için;
(
) ∑ ∑ ∑
şeklinde ifade edilir. Burada sürekli akışlı açık sistemlerin sınırları sabit olup
çevre işi söz konusu olmadığından sistemde yapılan gerçek iş faydalı işe eşittir.
37
(
)
Sürekli açık akışlı sistemlerde (
) , Ayrıca herhangi bir andaki kayıp
kullanılabilir enerji tersinmezliğe eşittir.
3.2.7. Tersinir iş ve tersinmezlik
Tersinirlik, bir yönde gerçekleştikten sonra, çevrede herhangi bir iz bırakmadan
tersi yönde gerçekleştirilebilen bir hal değişimi olarak tanımlanır. Başka bir
deyişle, ters yöndeki hal değişimi gerçekleştikten sonra hem sistem hem de
çevre ilk haline geri dönmektedir. Bu durum, her iki yöndeki hal değişimleri
sonunda, sistem ve çevresi arasındaki net ısı ve iş etkileşiminin sıfır olması
durumunda olanaklıdır (Çengel ve Boles, 2008).
Açık akışlı sistemlerde tersinir iş, belirli iki hal arasında elde edilebilecek en çok
yararlı iş diye tanımlanmakta,
∑ (
)
∑ (
)
ile ifade edilmektedir. (3.34) no'lu denklemde kinetik ve potansiyel enerjileri
ihmal edilirse,
∑ ( ) ∑ ( )
haline gelmektedir. Açık bir sistem için tersinir güç,
38
formülü ile hesaplanmaktadır. (3.36) no'lu denklem birim kütle için,
ile ifade edilebilir. Bir hal değişiminin tersinmez olmasına neden olan etkenlere
tersinmezlik adı verilmektedir. Tersinmezlik, tersinir iş ile gerçek iş arasındaki
farktır. Güç üreten bir sistem için hal değişimi esnasında birim zamanda oluşan
tersinmezlik,
ile hesaplanmaktadır. Güç tüketen bir sistem için tersinmezlik,
şeklinde ifade edilmektedir. Tersinmezlik, (3.40) no'lu denklemde görüleceği
gibi üretilen entropiyle doğru orantılıdır:
3.2.8. Birinci ve ikinci yasa verimi
Isı makineleri, soğutma makineleri ve ısı pompaları gibi makinelerin çalışma
etkinliklerinin bir ölçüsü olarak verim ifadesi tanımlanmaktadır. Isı makinesine
girilen ısıl enerjinin net işe dönüşebilen bölümü her zaman girilen ısıl enerjiden
daha küçüktür. Isıl verim, birinci yasaya göre sisteme verilen herhangi bir
enerjiye karşı (ısı, güç, enerji vb.) elde edebildiğimiz kazanç olarak açıklanabilir:
Isı makineleri için ısıl verim,
39
ile belirlemektedir. (3.42) no'lu denklemde bulunan ifadesi,
şeklinde yazılmaktadır. İkinci yasa verimi genel bir tanımlama ile
ş
şeklinde ifade edilmektedir. Birinci yasa verimi, en iyi ölçü olarak alamadığı için
yanlış değerlendirmelere yol açabilir. Bu yetersizliği gidermek için ikinci yasa
veriminin tanımlanmasına ihtiyaç duyulmaktadır. İkinci yasa verimi, ısı
makineleri için gerçek ısıl verimin aynı koşullarda olabilecek en yüksek
(tersinir) ısıl verime oranıdır (Coşkun, 2011).
Bir sistemde ikinci yasa verimi, iş üreten makineler için makineden elde edilen
faydalı işin elde edilebilecek en fazla işe (tersinir) oranı olarak da
tanımlanabilir:
Aynı anda ikinci yasa verimi, iş tüketen makineler kompresörler ve soğutma
makineleri gibi için de tanımlanabilir. İkinci yasa verimi gerekli en az işin
(tersinir), yapılan yararlı işe oranıdır:
40
Bir kombine santralinde kullanılan kompresör, türbin, ısı değiştirici, karışım
odası, pompa ve yoğuşturucu gibi üniteler için birinci ve ikinci yasa verimleri,
Çizelge 3.1'de sunulmuştur.
Çizelge 3.1. Kombine çevrimde kullanan ünitelerin ikici yasa verimi
Üniteler Birinci ve ikinci yasa verimi
T0, P0
Sıcak akış
Soğuk akış
1 2
4 3
sıcakm
soğukm
Adyabatik
Isı değiştirici
41
Sıcak akış
Soğuk akış
Karışım odası
1m
2m3m
Adyabatik T0, P0
Pompa
Yoğuşturucu
42
43
4. ALİAĞA GAZ TÜRBİNLERİ VE KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALİNİN ENERJİ VE
4. EKSERJİ ANALİZİ
Bu bölümde, Türkiye'de bulunan Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim
Santralinin ünitelerin enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Kompresör, yanma
odası, gaz türbinleri, degazör, yüksek basınç buhar domu, buhar türbinleri,
yoğuşturucu ve pompalar ayrı ayrı olarak incelenip, analizler yapılmıştır.
Analizlerde ünitelerin ürettikleri ve tükettikleri güçler, ısı geçişleri, I. yasa ve II.
yasa verimleri, ekserji kayıpları ayrı ayrı hesaplanmıştır. Ayrıca çevrimin enerji
ve ekserji analizleri için önceki bölümde belirtilen formüller yardımıyla
termodinamik özellik fonksiyonlarını içeren bir bilgisayar programı
(Engineering Equation Solver) kullanılmıştır (Klein, 2008).
Santraldeki ünitelerin giriş ve çıkışındaki akışkanların basınç, sıcaklık ve
kütlesel debi değerleri aracılığıyla herbir noktanın entalpi, entropi ve ekserjisi
hesaplanarak Çizelge 4.1'de sunulmuştur.
Çizelge 4.1. Kombine çevrimin noktalardaki özellikleri ve ekserji miktarları.
NO. Akışkan Faz Sıcaklık [K]
Basınç [kPa]
Entalpi [kJ/kg]
Entropi [kJ/kgK]
Debi [kg/s]
Ekserji [kW]
0 Hava Ölü Hal 293.15 100 293.4 6.85 - -
0' Su Ölü Hal 293.15 100 84 0.30 - -
0" Baca gazı Ölü Hal 288.15 100 -2542 7.148 - -
1 Hava - 293.15 100 293.4 6.85 170 0
2 Hava - 652.15 990 662.7 7.01 170 54788
3 Baca gazı Gaz 1184.15 990 -1459 8.134 172.5 138008
4 Baca gazı Gaz 763.15 100 -1996 8.259 172.5 39076
5 Baca gazı Gaz 413.15 100 -2405 7.546 172.5 4046
6 Hava - 293.15 100 293.4 6.85 170 0
7 Hava - 652.15 990 662.7 7.01 170 54788
8 Baca gazı Gaz 1184.15 990 -1459 8.134 172.5 138008
9 Baca gazı Gaz 763.15 100 -1996 8.259 172.5 39076
44
10 Baca gazı Gaz 413.15 100 -2405 7.546 172.5 4046
11 Su K. Buhar 718.15 2900 3335 7.09 33.2 41842
12 Su K. Buhar 533.15 400 2985 7.42 33.2 26990
13 Su K. Buhar 533.15 400 2985 7.42 16.6 13495
14 Su K. Buhar 383.15 20 2705 8.18 16.6 5166
15 Su K. Buhar 533.15 400 2985 7.42 16.6 13495
16 Su K. Buhar 383.15 20 2705 8.18 16.6 5166
17 Su K. Buhar 383.15 20 2705 8.18 33.2 10332
18 Su Sıvı 293.15 100 84 0.30 2130 0
19 Su Sıvı 293.15 300 84.2 0.30 2130 419
20 Su D. Sıvı 303.15 100 125.8 0.44 2130 1478
21 Su D. Sıvı 383.15 20 251.4 0.83 33.2 345.9
22 Su Sıvı 383.15 240 251.8 0.83 33.2 353.9
23 Su Sıvı 383.15 240 251.8 0.83 16.6 176.9
24 Su D. Sıvı 394.90 210 511.3 1.55 16.6 1007.7
25 Su Sıvı 396.15 4000 519.2 1.56 16.6 1092
26 Su D. Sıvı 393.15 210 511.3 1.55 3.3 197.4
27 Su Sıvı 393.15 270 511.5 1.55 3.3 198
28 Su K. Buhar 410.15 270 2736 7.07 3.3 2170.4
29 Su Sıvı 423.15 4000 634.4 1.84 16.6 1635
30 Su D. Sıvı 708.15 3000 1008 2.65 16.6 3912
31 Su D. Buhar 708.15 3300 1009 2.65 16.6 3921
32 Su K. Buhar 718.15 3000 3334 7.07 16.6 20981
33 Su K. Buhar 718.15 3000 3334 7.07 16.6 20981
34 Su K. Buhar 733.15 3000 3367 7.12 16.6 21315
35 Su Sıvı 383.15 240 251.8 0.83 16.6 176.9
36 Su D. Sıvı 394.90 210 511.3 1.55 16.6 1007.7
37 Su Sıvı 396.15 4000 519.2 1.56 16.6 1092
38 Su D. Sıvı 393.15 210 511.3 1.55 3.3 197.4
39 Su Sıvı 393.15 270 511.5 1.55 3.3 198
40 Su K. Buhar 410.15 270 2736 7.07 3.3 2170.4
41 Su Sıvı 423.15 4000 634.4 1.84 16.6 1635
Çizelge 4.1. (devam)
45
42 Su D. Sıvı 708.15 3000 1008 2.65 16.6 3912
43 Su D. Buhar 708.15 3300 1009 2.65 16.6 3921
44 Su K. Buhar 718.15 3000 3334 7.07 16.6 20981
45 Su K. Buhar 718.15 3000 3334 7.07 16.6 20981
46 Su K. Buhar 733.15 3000 3367 7.12 16.6 21315
4.1. Kompresörün Enerji ve Ekserji Analizi
Kompresörün şematik görünümü Şekil 4.1'de gösterilmiş olup, sürekli akışlı bir
kompresöre giren hava miktarı çıkan hava miktarına eşittir.
Şekil 4.1. Kompresörün şematik gösterimi
∑ ∑
Giren ve ıkan havanın k tlesel debisi
= = 170 kg/s
şeklindedir Ko presörde t ketilen
= 62774 kW
Kompresör
2
1
Çizelge 4.1. (devam)
46
olarak hesaplanır Ko presör n adyabatik veri i
şeklinde bulunur. Kompresör için tersinir güç;
k
olarak bulunur Ko presör n ekserji kaybı veya tersin e li i
k
kW/K
şeklinde hesaplanır Ko presör n II yasa veri i ise
olarak belirlenir.
47
4.2. Yanma Odasının Enerji ve Ekserji Analizi
Yanma odası için gerekli olan oksijenin kaynağı havadır. Hava; oksijen azot, su
buharı ve diğer gazlardan oluşmaktadır. Hava içerisinde hacimsel olarak % 79
azot ve % 21 oksijen bulunmaktadır.
Bu çalışmada yapılan yanma analizlerinde reaksiyona giren ürünler arasında su
buharı alınmamıştır. Çünkü, su buharının hava içerisindeki hacimsel olarak
yüzdesi oldukça düşüktür. Yapılan yanma analizinde yakıtın tamamen yandığı
ve yakıtta bulunan tüm karbonun CO2'e, hidrojenin ise H2O'ya dönüştüğü kabul
edilmiştir. Bu nedenle; yanma ürünlerinde serbest O2 bulunmamaktadır. Yanma
ürünleri ideal gaz olarak kabul edilmiştir. Yanma odasına giren doğal gaz
yakıtının % 93'ü CH4 ve % 7'sinin C2H6 olduğu santralden bilgi olarak alınmıştır.
Doğal gazın sıcaklığı (Ty) : 288.15 K
Doğal gazın basıncı (Py) : 1600 kPa
değerlerinde olduğu temin edilmiştir santralden.
Karbon ve hidrojenin mol kütleleri ise,
kg/kmol
k /k ol
olarak bilinmektedir. Hava fazlalık katsayısını 1.2 kabul ederek; kullanılan doğal
gazın yanma denklemi,
x1 CH4 + x2 C2H6 +1.2 a th (O2 + 3.76 N2) x CO2 + y H2O + z N2 + w O2
olarak elde edilmektedir. Bu yanma reaksiyonu ile ilgili yakıtlara giren ve çıkan
ürünlerin bileşenlerine ait katsayılar ise aşağıdaki Çizelgede 4.2'de
gösterilmektedir.
48
Çizelge 4.2. Yakıtların giren ve çıkan bileşenlerine ait katsayılar
Doğal gaz, hava ve yanma ürünlerin tipi
Semboller Katsayılar Mol kütleleri kg/kmol
CH4 x1 0.93
C2H6 x2 0.07
O2
1.2a th 2.526 31.999
w 0.421
N2 z 9.498
CO2 x 1.07
H2O y 2.07
Yakıtın, yakma havasının ve baca gazlarının mol kütleleri sırasıyla;
(
)
k /k ol
(
)
k /k ol
(
)
y
k /k ol
olarak hesaplanmıştır. Baca gazların karışım mol oranları ise,
49
şeklinde elde edilmiştir. Yanma gazının (yakıtın), havadaki oksijen, azotun
karışım mol oranları;
olarak bulunmuştur. Reaksiyona girdileri ve ürünlerin ölü hal entalpi ve
entropileri, EES paket programı aracılığıyla;
50
k /k ol
k /k ol
k /k ol
k /k ol
k /k ol
k /k ol
k /k olK
k /k olK
k /k olK
k /k olK
k /k olK
k /k olK
olarak belirlenmiştir. Baca gazının ve yakıtın ölü hal entalpileri ise,
k /k ol
k k ⁄
olarak hesaplan ıştır Baca a larının ve yakıtın öl hal entropileri Çi el e
4.2'de bulunan katsayıların yardımıyla;
51
(
)
/
k /k olK
/
k /k olK
/
k /k olK
/
k /k olK
k /k olK
k /k K
/
k /k olK
/
k /k olK
kabul edilerek,
ln
/
k /k olK
52
kabul edilerek,
ln /
k /k olK
k /k olK
k k K⁄
şeklinde hesaplanmıştır. Yanma odasının şematik görünümü Şekil 4.2'de
gösterilmiş olup, kütle korunumuna göre yanma odasına giren hava ve yakıtın
toplam debisi çıkan baca gazının debisine eşittir.
Y
Şekil 4.2. Yanma odasının şematik gösterimi
172.6 kg/s
Termodinamiğin birinci yasasına göre enerjinin korunumu,
∑ ∑
şeklinde ifade edilir. Yanma odasının adyabatik olmasından dolayı, yanma
işle inde elde edilen ısı
3 2 Yanma Odası
53
Ç ∑ ∑
şeklinde elde edilir Yan a reaksiyonuna iren ve elde edilen r nlerin oluşu
entalpileri Çizelge 4.3'te sunulmuştur. Ayrıca, Çizelge 4.3'te kompresörden
çıkan oksijen ve azotun entalpisi girdilerin ve ürünlerin yakıt sıcaklığındaki
entalpileri, yanma sonu gazlarının entalpileri EES paket programı aracılığıyla
belirlenmiştir.
Çizelge 4.3. Yanma reaksiyonunda girdilerin ve ürünlerin oluşum entalpileri ve Çizelge 4.3. değer entalpiler
Madde
kJ/kmol
kJ/kmol
kJ/kmol
kJ/kmol
CH4 -74850 - -74952 -
C2H6 -84680 - -84370 -
O2 0 10966 -292 29171
N2 0 10484 -290.7 27557
CO2 -393520
- -393854 -349926
H2O -241820 - -242148 -207966
Yanma işleminden çıkan ısı,
Ç [(
) (
)
(
)] [ (
) ( )
( ) (
)]
Ç= 582209 kJ/kmol
54
olarak hesaplanmıştır. Yakıtın birim zamandaki mol sayısı,
= 0.1527 kmol/s
olarak elde edilmiştir. Yanmadan çıkan ısı (kW) olarak,
= 88914 kW
elde edilmiştir. Yanmaya giren ve çıkan ürünlerin entropileri,
(
)
ile hesaplanmıştır. (4.24) no'lu denklem yardımıyla girdilerin ve çıktıların
entropileri Çizelge 4.4'te sunulmuştur.
199.1 kJ/kmolK
226.7 kJ/kmolK
Yanma odasında entropi üretimi,
= 519.2 kJ/kmolK
55
= 79.29 kW/K
olarak hesaplanmıştır.
Çizelge 4.4. Reaksiyona giren ve çıkanların entropi değerleri
Madde yi
kJ/kmolK
(
)
kJ/kmolK
CH4 0.93 185.1 22.45 162.7
C2H6 0.07 227.4 0.9422 226.5
O2 0.21 229.2 6.085 223.1
N2 0.79 214.7 16.41 198.3
CO2 0.0819 278.6 -1.744 280.4
H2O 0.1585 239.9 3.746 236.2
N2 0.727 233.8 16.41 217.3
O2 0.032 249.5 -9.557 259.1
Yanma odasında meydana gelen ekserji kaybı ise,
22849 kW
şeklinde bulunmuştur. Yanma odasına giren ve çıkan gazlarının kimyasal
ekserjisi için standart kimyasal ekserjiler Çizelge 4.5'te sunulmakta;
Çizelge 4.5'te bulunan değerler ve (4.27) no'lu denklemin yardımıyla, yakma
havanın ve yanma sonu gazlarının (Baca gazlarının) kimyasal ekserjileri,
56
Çizelge 4.5. Bazı gazların molar standart kimyasal ekserjileri (Szargut, 1988).
Madde Simge (kJ/kmol)
Oksijen O2(g) 3970
Azot N2(g) 720
Su H2O(g) 9500
H2O(Sıvı) 900
Karbon Dioksit CO2(g) 19870
Metan CH4(g) 831650
Etan C2H6(g) 1495840
∑ ∑
Aşağıdaki denklemlerde bulunan değerleri Çizelge 4.4'te sunulmuştur.
k /k ol
k /k ol
k /k ol
k /k
k
57
[ ( ln
) ( ln
) ( ln
)
( ln
) ]
k /k ol
k /k
k
olarak bulunmuştur. Yakıtın ekserjisi,
kcal/
k
değerinde hesaplanmıştır. Yanma odasının II. yasa verimi ise,
elde edilmiştir.
4.3. Gaz Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi
Gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının termodinamik özellikleri
Çizelge 4.6'te sunulmuştur. Gaz türbinin şematik görünümü ise Şekil 4.3'te
58
gösterilmiş olup, gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının kütlesel
debileri eşittir:
Şekil 4.3. Gaz türbinin şematik gösterimi
Çizelge 4.6'nın yardımıyla gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının
entalpisini hesaplanmıştır.
=
+
(4.32)
-40660 kJ/kmol
k /k
=
k /k ol
k k ⁄
olarak hesaplanmıştır.
3
4
G.T.
59
Çizelge 4.6. Gaz türbinine giren ve çıkan yanma sonu gazlarının termodinamik ……….. özellikleri………………………………………………………………………………..
Sıcaklık Basınç Madde
Entalpi ve
entropi
T (K) Po (kPa) CO2 N2 H2O O2
(kJ/kmol) 288.15 100 -393854 -290.7 -242148 -292
(kJ/kmolK) 212.5 190.6 187.7 204.1
(kJ/kmol) 1184.15
100 -349935 27552 -207973 29166
(kJ/kmolK) 278.6 233.8 239.9 249.5
(kJ /kmol) 763.15 100 -372536 13908 -225246 14628
(kJ/kmolK) 255.1 219.6 222 234.4
Ayrıca, yanma sonu gazlarının entropileri ise,
/
k /k olK
/
k /k olK
/
k /k olK
/
k /k olK
60
k /k olK
k /k K
/
k /k olK
/
k /k olK
/
k /k olK
/
k /k olK
k /k olK
k k K⁄
değerlerinde bulunmuştur. Gaz türbininin üreteceği güç,
= 92731 kW
olarak bulunmuştur. Gaz türbininin tersinir gücü ise,
61
[ ]
k
olarak hesaplanmıştır. Gaz türbininin toplam entropi üretimi,
k K⁄
olarak hesaplanmıştır. Gaz türbininin ekserji kaybı ve II. yasa verimi sırasıyla;
k
değerlerinde hesaplanmıştır.
4.4. Isı Kazanının Enerji ve Ekserji Analizi
Santralde bulunan ısı kazanının görünümü Şekil 4.4'te gösterilmiş olup, ısı
kazanına giren ve çıkan yanma sonu gazlarının kütlesel debileri eşittir.
Isı kazanına giren yanma sonu gazlarının entalpisi ve entropisi gaz türbini
analizinde hesaplanmıştır.
Isı kazanından çevreye atılan yanma sonu gazları 413.2 K sıcaklık ve 100 kPa
basıncında olup, baca gazın bileşenlerinin EES program ile bulunan entalpi
değerleri:
62
Şekil 4.4. Isı kazanının şematik gösterimi
k /k ol
k /k ol
k /k ol
h k /k ol
olarak belirlenmiştir. Baca gazın aynı noktadaki entalpisi,
k k ol⁄
k k ⁄
şeklinde bulunmuştur. Baca gazı birleşenlerinin aynı basınç ve sıcaklıktaki
entropileri,
33
31
32
29
25
27
28
34
4
5
63
k /k olK
k /k olK
k /k olK
k /k olK
/
k /k olK
/
k /k olK
/
k /k olK
/
( )
k k olK⁄
değerlerindedir. Baca gazının aynı noktadaki entropisi
k /k olK
k k K⁄
değerinde bulunmuştur. Isı kazanında yanma sonu gazlarından çıkan ısı miktarı,
[ ] [
(4.37)
k
64
olarak hesaplan ıştır Isı ka anında topla retilen entropi ise
[ ] [
] /
k K⁄
de erindedir Ekserji kaybı ise
k
de erinde bulun uştur Isı ka anının ikinci yasa veri i ise
olarak elde edil iştir
4.5. Yüksek Basınç Buhar Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi
Yüksek basınç buhar türbinin şematik görünümü Şekil 4.5'te gösterilmiş olup,
türbine giren ve çıkan su buharının termodinamik özellikleri Çizelge 4.1'de
sunulmuştur.
k s⁄ (4.41)
65
Şekil 4.5. Yüksek basınç buhar türbinin şematik gösterimi
Y ksek basın buhar t rbinine ter odina i in birinci yasası uy ulandı ında
(4.42)
k
değerinde bulunmuştur. Yüksek basınç buhar türbininin adyabatik verimi ise,
4
olarak bulun uştur Y ksek basınç buhar tu rbininden elde edilecek tersinir gu ç
ve meydana gelen ekserji kaybı,
[ ]
k
k /K
11
12
Y.B.T.1.
66
k
değerlerinde bulunmuştur. Yüksek basınç buhar türbininin ІІ. yasa verimi,
= 0.7823
olarak hesaplan ıştır
4.6. Alçak Basınç Buhar Türbininin Enerji ve Ekserji Analizi
Alçak basınç buhar türbininin şematik görünümü Şekil 4.6'da sunulmuş olup,
giren ve çıkan su buharının termodinamik özellikleri hesaplanmıştır.
Şekil 4.6. Alçak basınç buhar türbinin şematik gösterimi
k s⁄ (4.48)
Alçak basınç buhar türbininden elde edilen güç,
(4.49)
k
13
14
A.B.T.1
67
de erinde hesaplan ıştır Al ak basın buhar t rbininin adyabatik veri i
olarak bulun uştur Al ak basın buhar t rbininin tersinir c ve eydana
elen ekserji kaybı
k
k
şeklinde belirlenmiştir. Alçak basınç buhar türbinin ІІ. yasa verimi ve üretilen
entropi;
k K⁄
olarak bulunmuştur.
68
4.7. Yoğuşturucunun Enerji ve Ekserji Analizi
Şekil 4.7'de gösterilen yoğuşturucuya giren ve çıkan akışkanların termodinamik
özellikleri Çizelge 4.1'de sunulmuştur.
Şekil 4.7. Yoğuşturucunun şematik görünüşü
Deniz suyu için giren ve çıkan kütlesel debileri,
k /s
şeklindedir. Su buharı için giren ve çıkan kütlesel debiler,
k /s
olarak te in edil iştir Yo uşturucu nitesinde suya transfer edilen ısı
k
değerindedir. yoğuşturucuda meydana gelen toplam entropi üretimi ve ekserji
kaybı,
21 17
19
20
69
k /K
k
olarak elde edilmiştir. yoğuşturucunun ikinci yasa verimi ise,
değerinde elde edilmiştir.
4.8. Yoğuşturucu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi
Yoğuşturucu pompasına giren ve çıkan akışkanların kütlesel debileri Şekil
4.8'de görüldüğü gibi eşittir.
Şekil 4.8. Yoğuşturucu pompasının şematik gösterimi
Yoğuşturucu pompasına enerjinin korunumu ilkesi uygulanırsa,
= 13.28 kW
21
22
70
olarak belirlen iştir Po panın І yasa veri i ise
de erindedir Po panın t ketece i tersinir ve retilen topla entropi
= 9.387 kW
0.01328 kW/K
olarak hesaplan ıştır Po pada eydana elen ekserji kaybı
k
Pompanın ІІ. yasa verimi,
şeklinde elde edilmiştir.
4.9. Deniz Suyu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi
Şekil 4.9'da gösterilen deniz suyu pompasına giren ve çıkan suyun debileri
eşittir.
71
k /s
Şekil 4.9. Deniz suyu pompasının şematik görünüşü
Pompanın tükettiği güç,
= 569.3 kW
olarak bulunmuştur. Pompanın І. yasa verimi ile tersinir gücü,
= 419.3 kW
şeklinde belirlen iştir. Pompada meydana gelen ekserji kaybı ve toplam
entropi üretimi,
= 0.512 kW/K
18
19
72
k
deg erinde bulunmuştur. I kinci yasa verimi pompada aşag ıdaki ifadeler
yardımıyla hesaplanmaktadır.
şeklindedir.
4.10. Degazörün Enerji ve Ekserji Analizi
Şekil 4.10'da degazör-1'in şematik görünümü sunulmuş olup,
Şekil De a ör n şe atik österi i
şeklindedir. Degazörden çevreye olan ısı kaybı,
ö
ö k
de erindedir De a örde topla retilen entropi ve kaybolan ekserji
Degazör-1
23
26 24
28
73
k /K
k
olarak hesaplan ıştır De a ör n ІІ yasa veri i;
şeklinde bulun uştur
4.11. Degazörün Birinci Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi
Degazörün birinci pompasına giren ve çıkan akışkanların kütlesel debileri Şekil
4.11'de görülüğü gibi eşittir.
Şekil 4.11. Degazörün birinci pompasının şematik gösterimi
k /s
24
25
74
Degazörün birinci pompasında tüketildiği güç,
=131.14 kW
olarak bulun uştur Po panın birinci yasa veri i ile tersinir c
ö
ö
= 82.477 kW
şeklinde hesaplanmıştır. Pompada meydana gelen ekserji kaybı ve toplam
entropi üretimi,
= 0.16 kW/K
48.66 kW
değerinde bulunmuştur. Pompanın ikinci yasa verimi ise,
ö
ö
olarak elde edilmiştir.
75
4.12. Degazörün İkinci Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi
Degazörün ikinci pompasına giren ve çıkan akışkanların kütlesel debileri Şekil
4.12'de görüldüğü gibi eşittir.
Şekil 4.12. Degazörün ikinci pompasının şematik gösterimi
k /s
Degazörün ikinci pompasında tüketilen güç,
= 0.65 kW
olarak bulunmuştur. Pompanın birinci yasa verimi ile tersinir gücü,
ö
ö
= 0.459 kW
26
27
76
şeklinde bulun uştur Po pada eydana elen topla entropi reti i ve
ekserji kaybı,
k /K
k
değerinde hesaplanmıştır. Pompanın ikinci yasa verimi ise,
ö
ö
olarak hesaplanmıştır.
4.13. Yüksek Basınç Buhar Domunun Enerji ve Ekserji Analizi
Yüksek basınç buhar domunun şematik görünümü Şekil 4.13'te gösterilmiş
olup, giren ve çıkan akışkanların debileri eşittir.
Şekil 4.13. Yüksek basınç buhar domunun şematik gösterimi
Yüksek basınç
Buhar Domu 1
29 33 32
30
77
k /s
Ka andan adyabatik y ksek basın buhar do una iren ısı
k
de erinde hesaplan ıştır Adyabatik y ksek basın buhar do unda topla
retilen entropi ve ekserji kaybı
k /K
k
olarak elde edil iştir Y ksek basın buhar do unun ikinci yasa veri i
de erinde bulun uştur
4.14. Yüksek Basınç Buhar Domu Pompasının Enerji ve Ekserji Analizi
Yüksek basınç buhar domunun pompasının şematik görünümü Şekil 4.14'te
sunulmuştur.
k /s
78
Yüksek basınç buhar domu pompasının tüketeceği güç,
= 16.6 kW
olarak bulunmuştur.
Şekil 4.14. Yüksek basınç buhar domu pompasının şematik gösterimi
Pompanın birinci yasa verimi ile tersinir gücü
= 11.734 kW
şeklinde belirlenmiştir. Pompada meydana gelen ekserji kaybı ve toplam
entropi üretimi,
0.0166 kW/K
30
31
79
= 4.866 kW
değerinde bulunmuştur. Pompanın ikinci yasa verimi ise,
şeklindedir.
4.15. Santralin І. ve ІІ. Yasa Verimi
Santralde kullanılan yakıt 12000 Sm3/h şeklindedir. Kullanılan yakıt doğal gaz
olduğu için yakıtın mol kütlesi,
k /k ol
olarak hesaplan ıştır Yakıtın k tlesel debisi erekli dön ş lerle (kg/s)
birimiyle,
kg/s
şeklinde belirlen iştir Santralin topla nitelerinde retilen net ise
MW
Doğalgaz yakıtının alt ısıl değeri 8500 kcal/Nm3 değerindedir. Gerekli
dönüşümlerle alt ısıl değeri,
��𝑛𝑒𝑡 ��𝐺 𝑇 ��𝑌 𝐵 𝑇 ��𝐴 𝐵 𝑇 – ��𝐾 ��𝑦𝑜 𝑝𝑜𝑚𝑝 ��𝑑𝑒𝑛𝑖𝑧 𝑠𝑢𝑦𝑢 𝑝𝑜𝑚𝑝
��𝑑𝑒𝑔𝑎𝑧ö𝑟 𝑝𝑜𝑚𝑝 ��𝑑𝑒𝑔𝑎𝑧ö𝑟 𝑝𝑜𝑚𝑝 ��𝑌 𝐵 𝐷 𝑝
80
Hu = 11213.2 kcal/kg
olarak hesaplan ıştır Santralin tersinir veri i
TL = .15 K
TH K
𝐿
0.757
olarak belirlen iştir Santralin ikinci yasa veri i ise
olarak hesaplanmıştır.
81
5. ARAŞTIRMA BULGULARI
Bu çalışmada, Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim Santraline
termodinamiğin І. ve ІІ. yasası aracılığıyla, santrale enerji ve ekserji analizi
uygulanmıştır. Bu analizler için tez çalışması esnasında Aliağa Gaz Türbinleri ve
Kombine Çevrim Santrali ziyaret edilmiş olup, ünitelerin giriş ve çıkışlarına ait
basınç, sıcaklık ve kütlesel debi değerleri santralden temin edilmiştir. Santralin
üniteleri üzerinde 46 adet düğüm noktasının termodinamik özellikleri EES
(Engineering Equation Solver) paket programı aracılığıyla bulunmuştur.
Santralin yanma odasından gerçekleşen yanma işleminin reaksiyonu kurulmuş
olup, gaz türbinlerinin girişinde ve çıkışında yanma sonu gazlarının entalpileri
ve entropileri hesaplanmıştır. Bu değerler aracılığıyla gaz türbinlerinin ürettiği
güçler belirlenmiştir. Çalışmada; ünitelerin ІІ. yasa verimleri ve meydana gelen
ekserji kayıpları hesaplanmış, elde edilen değerlere göre yapılabilecek
iyileştirmeleri sunulmuştur.
Bu çalışmada uygulanan enerji ve ekserji analizlerinde çevrenin havanın ölü hal
basıncı 100 kPa ve referans sıcaklığı ise 20 °C (293.15 K) olarak kabul
edilmiştir. Doğalgazın ölü hal basıncı ve sıcaklığı sırasıyla 100 kPa ve 15 °C
(288.15 K) olarak belirlenmiştir.
Kompresöre giren hava öncelikle filtrelere girmektedir. Filtreler aracılığıyla
alınan hava 293.15 K sıcaklıkta ve 100 kPa basınçtadır. Kompresörde 990 kPa
basınca kadar sıkıştırılmaktadır. Sıkıştırma sonu sıcaklık 652.15 K olarak elde
edilmektedir. Kompresörde harcanan birim zamandaki iş miktarı 62774 kW
olarak hesaplanmıştır. Kompresörün birinci ve ikinci yasa verimleri sırasıyla %
73.74 ve % 87.28 olarak bulunmuştur. Kompresördeki tersinir güç 54788 kW ve
ekserji kaybı ise 7986 kW olarak hesaplanmıştır.
Yanma odasına giren yakıt doğalgaz olup, mol oranı olarak metan ve etan
yüksek olduğu için sadece yakıtın metan ve etandan oluştuğu kabul edilmiştir.
Metan ve etanın mol oranları sırasıyla % 93 ve % 7 olduğu belirlenmiştir.
Doğalgaz yanma odasına 288.15 K sıcaklıkta ve 1600 kPa basınçta girmekte,
82
hesaplarda da bu değerler kullanılmıştır. Yanma sonunda yanma odasından
çıkan gazlar, 1184.15 K sıcaklık ve 990 kPa basınçta gaz türbinine girmekte, 100
kPa basınca kadar genişleyerek gaz türbinde 92731 kW olarak güç elde edildiği
hesaplanmıştır. İkinci yasa analizine göre, gaz türbinindeki tersinir güç 98932
kW, ekserji kaybı 6201 kW, ikinci yasa verimi ise % 83.14 olarak bulunmuştur.
Gaz türbininde genişleyen atık gazlar atık ısı kazanına 763.15 K sıcaklık ve 100
kPa basınçta girmekte ve 413.15 K sıcaklıkta çevreye atılmaktadır.
Termodinamiğin ІІ. yasasına göre ekserji kaybı 15120 kW olarak
hesaplanmıştır. Isı kazanında baca gazlarının sıcaklığından faydalanılarak
degazör ve yüksek basınç buhar domu suyunun ısıtılmasını sağlanmaktadır.
Yoğuşturucudan gelen su, degazöre 383.15 K sıcaklık ve 240 kPa basınçta
girmektedir. Degazörün ilk çıkışındaki su 393.15 K sıcaklık ve 210 kPa basınçta
degazörün ikinci pompasına girmektedir. Pompadan çıkan su 393.15 K sıcaklık
ve 270 kPa basınçta ısı kazanına verilmektedir. Isı kazanına giren su ısıtılmakta
ve degazöre 410 K sıcaklık ve 270 kPa basınçta tekrar girmektedir. Bu
pompanın bu aralıktaki güç miktarı 0.65 kW olarak hesaplanmıştır. Pompanın
birinci ve ikinci yasa verimleri sırasıyla % 37.10 ve % 70.62 olarak
hesaplanmıştır. Pompadaki tersinir güç ise 0.459 kW, ekserji kaybı 0.191 kW
değerinde hesaplanmıştır.
Degazörün diğer çıkışındaki su 394.9 K sıcaklık ve 210 kPa basınçta degazörün
birinci pompasına girmektedir. Pompa aracılığıyla basıncı artan su 396.15 K
sıcaklık ve 4000 kPa basınçta ısı kazanına verilmektedir. Isı kazanına verilen su,
aldığı ısıyla 423.15 K sıcaklık ve 4000 kPa basınçta yüksek basınç buhar
domuna gönderilmektedir. Burada kullanılan degazörün birinci pompasının
gücü 131.14 kW olarak hesaplanmıştır. Pompanın birinci ve ikinci yasa verimler
sırasıyla % 50.63 ve % 63.59 olarak bulunmuştur. Pompadaki tersinir güç
82.477 kW, ekserji kaybı ise 48.66 kW değerinde hesaplanmıştır.
Yüksek basınç buhar domundan gelen su, 708.15 K sıcaklık ve 3000 kPa
basınçta yüksek basınç buhar pompasına girmektedir. Pompada 708.15 K
83
sıcaklık ve 3300 kPa basınca kadar basıncı yükselmektedir. Daha sonra su, ısı
kazanına girmekte ve ısı kazanında ısıtılarak tekrar yüksek basınç buhar
domuna gönderilmektedir. Bu prosesi gerçekleştirmek için pompada tüketilen
güç miktarı 16.6 kW olarak hesaplanmıştır. Pompanın birinci ve ikinci yasa
verimleri sırasıyla % 69.28 ve % 70.69 olarak bulunmuştur. Pompadaki tersinir
güç 11.734 kW ve ekserji kaybı ise 4.866 kW olarak hesaplanmıştır. Yüksek
basınç buhar domunun diğer çıkışından çıkan buhar 718.15 K sıcaklık ve 3000
kPa basınçta aynı ısı kazanına girmektedir. Isı kazanından çıkan kızgın buhar
733.15 K sıcaklık, 3000 kPa basınçta yüksek basınç buhar türbinine
gönderilmektedir.
Yüksek basınç buhar türbinine giren buhar, 533.15 K sıcaklık ve 400 kPa
basınca kadar genişlenmektedir. Bu genişleme esnasında türbinden elde edilen
güç ise 11620 kW olarak hesaplanmıştır. İkinci yasa analizine göre, yüksek
basınç buhar türbinindeki tersinir güç 14851.8 kW, ekserji kaybı 3231.8 kW
olarak bulunmuştur. І. ve ІІ. yasa verimleri sırasıyla % 68.14 ve % 78.23 olarak
bulunmuştur. Genişleyen buharın sıcaklığı ve basıncı yüksek olduğu için alçak
basınç buhar türbinine gönderilmekte ve tekrar bu buharın enerjisinden
faydalanılarak güç üretilmektedir.
Alçak basınç buhar türbinine giren buhar, 383.15 K sıcaklık ve 20 kPa basınca
kadar genişlemektedir. Genişleyen buhar yoğuşturucuya gönderilmekte ve
üretilen güç ise 4648 kW olarak bulunmuştur. İkinci yasa analizine göre, alçak
basınç buhar türbinindeki tersinir güç 8337.27 kW, ekserji kaybı 3689 kW
olarak hesaplanmıştır. І. ve ІІ. yasa verimleri sırasıyla % 51.95 ve % 55.75
olarak bulunmuştur. Yoğuşturucuden çıkan su ise degazöre gönderilmekte ve
böylece kombine çevrim tamamlanmaktadır.
Aliağa gaz türbinleri ve kombine çevrim santralinin üniteleri için hesaplanan
birinci yasa verimleri Çizelge 5.1'de sunulmuştur. En yüksek birinci yasa
veriminin % 73.74 ile kompresörde, en düşük verimi ise degazörün ikinci
pompasında % 37.10 olduğu görülmektedir. Birinci yasa verimlerine genel
olarak bakıldığında kompresör dışındaki diğer ünitelerde oldukça düşük olduğu
84
görülmektedir. Bunun sonucunda buhar türbinlerinin düşük güç ürettiği,
pompaların ise yüksek güç tüketiminin olduğu belirlenmiştir. Bu durum
santralin ürettiği net gücü düşürmektedir. Bu sebeple bu ünitelerde
iyileştirmelerin öncelikle yapılması gerektiği görülmektedir.
Çizelge 5.1 Santraldeki bazı ünitelerin birinci yasa verimleri (%)
Üniteler Birinci yasa verimi (%)
Kompresör 73. 74
Yüksek buhar türbini 68.14
Alçak basınç buhar türbini-1 51.95
Degazörün birinci pompası 50.63
Deniz suyu pompası 73.08
Alçak basınç buhar türbini-2 51.95
Yoğuşturucu pompası 61.36
Degazörün ikinci pompası 37.10
Yüksek basınç buhar domu pompası 69.28
Santralin ünitelerinin ІІ. yasa verimleri ayrı ayrı olarak hesaplanmış olup, Şekil
5.1'de sunulmuştur. Şekil 5.1'e göre ikinci yasa verimi en yüksek olan ünite %
87.29 değer ile kompresör olup ve en düşük ünitenin % 20 değeri ile
yoğuşturucu olduğu görülmektedir. Kompresörün ІІ. yasa veriminin yüksek
değerde olmasının sebebi, kompresörde üretilen entropinin ve kompresörün
tükettiği gücün az olmasından kaynaklanmaktadır.
Yanma odasının ІІ. yasa verimi yaklaşık % 84.6 civarında hesaplanmış olup,
düşük bir değer olmadığı görülmektedir. Yanma odasında meydana gelen
ekserji kaybı bazı ünitelere göre yüksektir. Ancak, yanma odasında meydana
gelen ekserji kaybı, yakıt ve havanın ekserjilerine göre daha az olduğu için ІІ.
yasa verimi makul bir değerde elde edilmiştir.
85
Şekil 5.1. Ünitelerin ikinci yasa verimi
Gaz türbininin ikinci yasa verimi % 83.14 iken, yüksek basınç buhar türbini ve
alçak basınç buhar türbininin ІІ. yasa verimleri sırasıyla % 78.23 ve % 55.75
olarak hesaplanmıştır. Yüksek basınç buhar türbininden alçak basınç buhar
türbinine doğru ІІ. yasa veriminde azalma meydana gelmektedir. Bu durum;
yüksek buhar türbininde enerjiden daha fazla faydalanıldığını göstermektedir.
Isı kazanının ІІ. yasa verimi % 56.84 olarak hesaplanmış olup, kazanın veriminin
düşük olduğu görülmektedir. Bunun sebebi, soğuk akışkanların
kullanılabilirliğindeki artışın az olmasından kaynaklanmaktadır. Aynı zamanda,
ısı kazanının içerisinde su buharı borularının yeterince fazla olmaması da
görülmüştür. Bu da ısı transfer yüzey alanının yeterli olmadığını
göstermektedir.
Yoğuşturucunun ІІ. yasa verimi ise yaklaşık % 20.03 olarak bulunmuştur.
Yoğuşturucuda meydana gelen ekserji kaybı ile giren ekserjilerin toplamı
birbirine yakın olduğu için, ІІ. yasa verim değerinin oldukça düşük olduğu
görülmüştür.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
İkin
ci y
asa
ve
rim
i (%
)
86
Çizelge 5.2'de santralin ünitelerinin toplam üretim değerleri verilmiştir. Bu
değerler yardımıyla ünitelerin ekserji kayıpları hesaplanmıştır.
Çizelge 5.2. Ünitelerin entropi üretilen değerleri (kW/K)
Üniteler Entropi üretimi (kW/K)
Kompresör 27.24
Yanma odası 79.29
Gaz türbini 21.52
Isı kazanı 50.82
Yüksek basınç buhar türbini 11.02
Alçak basınç buhar türbini-1 12.58
Alçak basınç buhar türbini-2 12.58
Yoğuşturucu 29.5
Yoğuşturucu pompası 0.02
Deniz suyu pompası 0.51
Degazör 3.90
Degazörün birinci pompası 0.16
Degazörün ikinci pompası 0.00
Yüksek basınç buhar domu 13.40
Yüksek basınç buhar domu pompası 0.02
Şekil 5.2'de santralin ünitelerinin ekserji kayıpları sunulmuştur. Santralin
ünitelerinde en fazla ekserji kaybının sırasıyla yanma odası, ısı kazanı,
yoğuşturucu ünitelerinde olduğu, diğer ünitelerde ise ekserji kaybının düşük bir
şekilde meydana geldiği görülmüştür. Yanma odasındaki ekserji kaybının çok
yüksek olmasının sebebi, üretilen entropinin fazla olmasından
kaynaklanmaktadır. Isı kazanındaki boruların sayısının az olmasından dolayı
yeterli miktarda ısı geçişi yoğuştrucudand gelen suya verilememektedir. Ayrıca,
ısı kazanından çevreye kaybolan ısının yüksek olması sebebiyle ısı kazanında
yüksek oranda ekserji kaybı meydana gelmektedir. Yoğuşturucudan çıkan
akışkanın doymuş sıvı olma zorunluluğu sebebiyle, deniz suyuna verilen ısı
87
kayıp olarak görülmektedir. Bu sebeple yoğuşturucude ekserji kaybı yüksek
olarak meydana gelmiştir.
Şekil 5.2. Ünitelerin ekserji kayıpları
Şekil 5.3'te santralin ekserji akışı ve ünitelerin grup olarak kayıpları
gösterilmektedir. Santrale giren ekserji 427843 kW değerinde olup, yaklaşık %
63'ünün ünitelerde kayba uğradığı görülmektedir. En yüksek ekserji kaybının
gaz türbini çevriminin yanma odası ünitelerinde olduğu belirlenmiştir. Santralin
performansını arttırılması için öncelikle yanma odası ünitelerinde iyileştirilmesi
gereklidir. Yanma odalarındaki yapılacak iyileştirmelerin ısı kazanlarını da
olumlu yönde etkilemesi beklenmektedir.
0
2500
5000
7500
10000
12500
15000
17500
20000
22500
25000
Ek
serj
i k
ay
bı
(kW
)
88
Şekil 5.3. Santralin ekserji akış diyagramı
89
6. SONUÇ VE ÖNERİLER
Nüfus artışına paralel olarak enerji tüketiminin ve maliyetlerin artması
enerjinin etkin bir şekilde kullanılmasını zorunlu hala getirmektedir. Bu amaçla,
enerji santrallerinde termodinamik analiz yöntemlerinden olan enerji ve ekserji
analizleriyle sistemin verimlilik açısından değerlendirilmesi yapılmaktadır. Bu
değerlendirmelerin neticesinde güç santrallerinde iyileştirmelere gidilerek
enerji ve ekserji kayıpları azaltılabilir. Böylece, enerji maliyetleri düşünülerek
enerji tasarrufu sağlanabilmektedir.
Bu çalışmada; doğal gaz ile çalışan Aliağa Gaz Türbinleri ve Kombine Çevrim
Santralinin üniteleri için santralden gerekli datalar temin edilmiş olup, herbir
ünite için kütle, enerji ve ekserji analizleri uygulanmıştır. Literatürde Aliağa Gaz
Türbinleri ve Kombine Çevrim Santrali ile ilgili bir çalışma bulunmamaktadır.
Ayrıca, santraldeki yanma reaksiyonları gerçekleştirilerek; literatürde az
rastlanan yanma sonu gazlarının gerçek datalar ile enerji ve ekserji analizleri
yapılmıştır.
Yapılan analizler sonucunda, Santralin ürettiği net güç 159.901 MW olarak
hesaplanmıştır. Santralin kurulu gücü ise toplam 180 MW'tır. Santralden alınan
gerçek datalar ile hesaplanan net güç değerinin düşük olmasının sebepleri,
santralin eski olması ve diş hava şartlarının etkilemiş olması sayılabilir. Ayrıca
santralin I. ve II. yasa verimleri sırasıyla % 32.8 ve % 43.4 olarak
hesaplanmıştır. Bu verim değerler, literatürde yer alan kombine çevrim
santrallerinin verim değerlerine göre oldukça düşük olduğu görülmüştür.
Santralin eski teknolojiyle üretilmesi ve ünitelerin yaklaşık olarak 40 yıllık
olması yani yaşlanmalar sebebiyle enerji üretim maliyetlerini yükselttiği tespit
edilmiştir. Ünitelerde gerek değişim gerekse yapılacak iyileştirmelerin santralin
ısıl verimini % 40'ın üzerine çıkaracağı öngörülmektedir.
Elde edilen sonuçlar incelendiğinde; santral ünitelerinin en yüksek ikinci yasa
veriminin kompresörde, en düşük ikinci yasa veriminin ise yoğuşturucuda
olduğu belirlenmiştir.
90
Gaz türbini ve yüksek basınç buhar türbininin II. yasa verimleri alçak buhar
türbinininkine göre yüksek olduğu görülmüştür. Özellikle buhar çevrimi
kısmındaki alçak buhar türbininin II. yasa verimi oldukça düşüktür. Alçak basınç
buhar türbinine yapılması gereken iyileştirmelerin öncelikli olması
gerekmektedir. Diğer türbinlere yapılacak iyileştirmeler maliyetleri
etkileyebilir. Bu sebeple, II. yasa verimini arttırmaya çalışırken maliyetlerin de
göz önünde bulundurulması gerekmektedir.
Atık ısı kazanında ise II. yasa veriminin düşük olduğu görülmüş olup, mutlaka
iyileştirmelerin bu ünitede yapılması gerekmektedir. Atık ısı kazanın
borularının iç ve dış yüzeylerinde tabakaların oluşumu en aza indirgenmelidir.
Kazanın yüksekliği arttırılmalıdır. Böylece boru sayısının artışına paralel olarak
yanma sonu gazlarında suya daha iyi bir ısı transferi sağlanmış olacaktır. Söz
konusu iyileştirmeler, atık ısı kazanının II. yasa verimini arttırarak santralin
performansına da olumlu yönde hatki sağlayacaktır. Yoğuşturucude II. yasa
veriminin çok düşük olduğu görülmektedir. Deniz suyuna verilen ısı kayıp
olarak görülmekte olup, pompaya gelen akışkanın sıvı olması zorunluluğu
bulunmaktadır. Yanma odası, atık ısı kazanı ve yoğuşturucu ünitelerinde
sırasıyla ekserji kayıplarının en yüksek olduğu görülmüştür. Yanma odasına
giren havanın fazla ya da düşük olması meydana gelen ekserji kaybını
arttırmaktadır. Havanın fazla olması durumunda yanma reaksiyona girmeyen
hava yüzdesini ve baca gazlarında ekserji kaybını arttırmaktadır. Havanın düşük
olması durumunda ise yakıtın yanmadan dışarı atılmasına, fazla miktarda CO
oluşumuna sebep olmaktadır. Bu durum kazandaki ısı transferini
düşürmektedir. Bu sebeple, yanma odasında iyi bir yanmanın sağlanması ekserji
kaybını azaltacaktır. Atık ısı kazanında da izolasyon ve ısı transferini artırıcı
iyileştirmeleri yapılmalıdır. Ayrıca, yoğuşturucuda atılan ısının bir miktarının
ısıtma veya başka bir proseste kullanılması ekserji kaybını azaltacaktır.
Sonuç olarak, santraldeki ekserji kayıplarının azaltılması ile verimde artışın
sağlanacağı görülmektedir. Verim artışına paralel olarak enerji maliyetleri
azalacak ve çevreye salınan zararlı emisyonlarda düşüş gözlenecektir. Bu
91
yüzden enerji üreten santrallerde enerji ve ekserji analizlerinin yapılması
santralin gerçek performansını yansıtması bakımından oldukça önemlidir.
92
KAYNAKLAR Akdağ, M., 2009. Temel Kavramları ile Mühendislik Termodinamiği. Qafqaz
Üniversitesi Yayınları, Yayın No: 34, Bakü 2009. Akın, S., Zeybek, O., 2005. Rüzgaedan Electric Üretimi. Balıkesir Üniversitesi Fen
Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü. Erişim Tarihi: 05.01.2016. http://www.emo.org.tr/ekler/
Aljundi, I.H., 2009. Energy and Exergy Analysis of a Steam Power Plant in Jordan.
Applied Thermal Engineering, 29, 324–328, 2009. Balli, O., ve Aras, H., 2007. Energetic Analyses of the Combined Heat and Power
(CHP) System. Energy Exploration & Exploitation, 25 · Number 1 · 2007 Bilgiustam, 2016. Dünyada Kullanılan Enerji Kaynakları. Erişim Tarihi:
14.03.2016. http://www.bilgiustam.com/dunyada-kullanilan-enerji-kaynaklari./
Bolatturk, A., Coskun, A., Geredelioglu, C., 2015. Thermodynamic and
Exergoeconomic Analysis of Cayırhan Thermal Power Plant. Energy Conversion and Management, 101, 371-378, 2015.
Coşkun, A., 2011. Türkiye'deki Jeotermal Kaynaklar için Güç Santrallerinin
Termodinamik Analizi ve Optimizasyonu. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enistitüsü, Doktora Tezi, Isparta 2012.
Çengel, A.Y., Boles, M.A., 2008. Termodinamik Mühendislik Yaklaşımı, 946s,
İstanbul. Çetin, B., 2006. Gaz Türbinlerinin Optimal Performans Analizi. Yıldız Teknik
Üniversitesi, Makine Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Doğuş Üniversitesi Dergisi, 7 (1) 2006.
Çınar, B.C., ve Çakır, C., 2015. Eren Enerji Elektrik Üretim A.Ş. Termik Santralinin
Enerji ve Ekserji Analizi. Yalova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği.
Çolak, İ., Demirtaş, M., 2008. Rüzgar Enerjisinden Elektrik Üretiminin
Türkiye'deki Gelişimi. Tübav Bilim Dergisi, Cilt:1, Sayı:2, Sayfa:55-62. Çubuğuuzun T., 2006. Gaz Türbinli Gemilerde Ekserji ve Termodinamik Analizi.
Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul.
Deneysan, 2015. Termik Santral Nedir ve Nasıl Çalışır. Erişim Tarihi:
05.11.2015. http://deneysan.com/Content/images/documents/es02_
93
Deneysan, 2016. Nükleer santraller. Erişim Tarihi: 17.1.2016. http://deneysan.com/Content/images/documents/es03_17775976.pdf
Dere, M.A., 2012. Çift Yakıtlı (Dizel+Hidrojen) Bir Dizel Motorunda Enerji ve
Ekserji Analizi. Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi.
Durmusoglu, Y., Ust, Y, 2014. Thermodynamic Optimization of an İrreversible
Regenerative Closed Brayton Cycle Based on Thermoeconomic Performance Criterion. Applied Mathematical Modelling, 38, 5174–5186, 2015.
Erdem, H.H., Akkaya, A.V., Cetin, B., Dagdas, A., Sevilgen, S.H., Sahin, B., Teke, I.,
Gungor, C., Atas, S., 2009. Comparative Energetic and Exergetic Performance Analyses for Coal-Fired Thermal Power Plants in Turkey. International Journal of Thermal Sciences 48, 2179–2186, 2009.
Ersayın E., 2012. Bir Kombine Çevrim Tesisinin Performans Analizi. Celal Bayar
Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Manisa. Ersoy S., 2010. Kombine Çevrim Santrallerinde ısı Maliyetinin Belirlenmesi.
Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul.
Goodarzi, M., Kiasat, M., Khalilidehkordi, E., 2014. Performance Analysis of a
Modified Regenerative Brayton and İnverse Brayton Cycle. Energy, 72, 35-43, 2014.
Güngör, A., 2013. Bir Kombine Çevrim Santralin Ekserji Analizi. İstanbul Teknik
Üniversitesi Enerji Enstitüsü, Yüksek lisans tezi. Ilık, A., 2012. Trijenerasyon Sistemlerinin Enerji ve Ekserji Analizi. Süleyman
Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enistitüsü,Yüksek Lisans Tezi, Isparta 2012.
Kaushik, S.C., Reddya, V.S., Tyagib, S.K., 2011. Energy and Exergy Analyses of
Thermal Power Plants: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, 1857–1872, 2011.
Klein, S.A., 2008. Engineering Equation Solver (EES). Academic Commercial
V8.208, F-Chart Software, www.fChart.com. Kotas, T. J., 1985. The Exergy Method of Thermal Analysis. Anchor Brendon Ltd.,
Tiptree, Essex,Great Britain. ISBN 0-408-01350-8. Kwak, H.Y., Kim, D.J., Jeon, J.S., 2003. Exergetic and Thermoeconomic Analysis of
Power Plant. Department of Mechanical Engineering, Chung-Ang University, Seoul 156-756, South Korea. Energy 28 (2003) 343–360.
94
Özgener, L., Hepbaslı, A., 2015. Hava Sistemlerinde Ekserji Analizinin Gerekliliği ve Uygulamaları. https://www.researchgate.net/publication/267368093 Resarchgate Feb 18, 2015.
Rahim, M.A., 2011. Gaz Türbinli Kombine Çevrim Santral Performansının
Yükseltilmesi. Makina Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Gazi Üniversitesi, Maltepe-Ankara. Cilt:4, Sayı:3, Sayfa:188-198 Tübav Bilim Dergisi.
Selbaş, R., Yakut, A.K., Şencan, A., 2003. Güneş Kulesi Modeli ile Elektrik Enerjisi
Üretimi için Bir Uygulama. Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Isparta. Mühandislik Bilimleri Dergisi 9,2,2003.
Sevilgen, S.H., 2004. Exergoeconomic Analysis of Cogeneration System. Yıldız
Teknik Üniversites , Makina Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Yıldız-İstanbul, Accepted 12.10.2004.
Szargut, J., Morris D., R. , and Steward F., R., 1988. Exergy Analysis of Thermal,
Chemical, and Metallurgical Processes. Hemisphere Publishing Corporation, New York.
Şen, İ., 2006. Buhar Çevrim santralinin Termodinamiğin 2. Kanununa göre
Analizi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Isparta.
Uludağ, O., 2014. Performance Assessment of Three Diffrent HRSG's in a
Combined Cycle Power Plant by Exergy Analysis. Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enistitüsü, Yüksek Lisans Tezi.
Ust Y., Sahin, B., Yilmaz, T., 2007. Optimization of a Regenerative Gas-Turbine
Cogeneration System Based on a New Exergetic Performance Criterion: Exergetic Performance Coefficient. Power and Energy, 221 Part A: J. January, 30, 2007.
Vandani, A.M.K., Bidi, M., Ahmadi, F., 2015. Exergy Analysis and Evolutionary
Optimization of Boiler Blow Down heat Recovery in Steam Power Plants. Energy Conversion and Management 106, 1–9, 2015.
Yazıcı, H., Selbaş, R., 2011. Bir Buharlı Güç Santralinin Enerji ve Ekserji Analizi.
Selçuk Üniversitesi ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 10, Number:1-2011 Teknik-Online Dergi Cilt 10, Sayı:1-2011 117.
Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, 2012. Güneş Enerjisi ve Teknolojileri.
Erişim Tarihi: 06.12.2015. http://www.eie.gov.tr/yenilenebilir/g_enj_tekno.aspx
95
Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, 2012. Hidroelektrik Enerjisi Nedir. Erişim Tarihi: 06.12.2015. http://www.eie.gov.tr/yenilenebilir/h_hidrolik_nedir.aspx
Wikipedia, 2015. Elektrik Santrali. Erişim Tarihi: 06.12.2015.
https://tr.wikipedia.org/wiki/Elektrik_santrali.
96
ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : MOHAMMED GHAZY HABBEB AL-TALABANI Doğum Yeri ve Yılı : Kerkük-Irak, 1982 Medeni Hali : Evli Yabancı Dili : İngilizce-Arapca E-posta : [email protected] Eğitim Durumu Lise : AL-Waleed Lisesi, 2001 Lisans : Kerkük Teknik Üniversitesi, Soğutma ve İklimlendirme Mühendisliği Bölümü Mesleki Deneyim Kerkük Teknik Üniversitesi 2007-…….. (halen)
Taranmış Fotoğraf
(3.5cm x 3cm)