Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 10, Sayı 1, 2005
ÇEVRE SICAKLIĞININ BİR KOMBİNE ÇEVRİM GÜÇ
SANTRALİNİN PERFORMANSINA ETKİSİ
Ümit ÜNVER∗
Muhsin KILIÇ∗
Özet: Bu çalışmada doğal gaz yakıtlı bir kombine çevrim güç santralinin çevre sıcaklığına bağlı olarak performans
parametrelerinin değişimi ve değişim miktarları termodinamiğin birinci ve ikinci kanunları kullanılarak analiz edilmiştir. Çalışmada sistemi oluşturan her bir ünitedeki faydalı güç, tersinir güç ve tersinmezlik miktarları tespit edilmiş
ve sistemin genel verimleri hesaplanmıştır. Sistemin birinci kanun verimi ve ikinci kanun verimi çevre sıcaklığının
42ºC lik artışında sırasıyla %4 ve %5 oranında azaldığı hesaplanmıştır. Atmosferik hava sıcaklığındaki artışın sistemin genel verimini olumsuz olarak etkilediği sıcaklığın 42ºC artması santral net güç çıkışını %22 oranında azalttığı
ve özgül yakıt sarfiyatını %9 oranında arttırdığı görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Kombine Çevrim, Termodinamik Analiz, Enerji, Kullanılabilirlik, Ekserji.
Effect of the Ambient Temperature on the Performance of a
Combined Cycle Power Plant
In this study, an analysis based on the first and second laws of thermodynamics, considering different environmental
temperature, are performed for a natural gas fired combined cycle power plant. The variations of the performance
parameters and their magnitudes are studied. The useful power, reversible power and irreversibility are obtained for
each component which constitutes the plant, and overall efficiencies of the plant are also calculated. With a rise of 42
o
C in the environmental temperature, the overall first and the second law efficiencies of the plant decreases about 4%
and 5% , respectively. By the increase of environmental temperature from 0oC to about 42oC, the results indicated that
both the reversible work and power out put of the system decrease about 22%, whereas specific fuel consumption
increases about 9%.
Key Words: Combined Cycle, Thermodynamic Analysis, Energy, Availability, Exergy.
SİMGELER
h
: Entalpi, kJ/kg
I&
Q&
S&
: Birim zamandaki tersinmezlik, kW
: Isıl güç, kW
s, S
T
: Birim zamanda gerçekleşen entropi transferi, kW/K
: Birim kütle başına entropi, kJ/kgK; Entropi, kJ/K
: Sıcaklık, oC
W&
: Birim zamanda üretilen/tüketilen iş, Kw
ALT SİMGELER
: Ölü hal, Atmosferik şartlarda
o
: Termodinamiğin İkinci Kanunu
II
: Buhar kazanı
BK
: Buhar türbini
BT
: Çıkan akışkana ait
ç
∗
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Görükle, Bursa.
49
çev
g
: Çevre
: Giren akışkana ait
ALT SİMGELER (devam)
: Gaz türbini çevrimi
GT
: Kontrol hacmi
kh
: i ünitesi
i
: Pompa
p
: Isıl
t
:
Tersinir
tr
: Faydalı
u
: Yakıt
y
YUNAN HARFLERİ
: Birim zamandaki ekserji miktarı, kW
Ψ
: Verim
η
Σ
: Toplam
KISALTMALAR
BT : Buhar türbini, Buhar türbin jeneratör ünitesi
BK : Buhar kazanı, (Heat Recovery Steam Generator) Isı geri kazanımlı buhar üreticisi
GT : Gaz türbini çevrimi
1. GİRİŞ
Enerji üretim ve tüketiminde, ekonomik ve sosyal gelişimi destekleyecek, çevreyi en az düzeyde
kirletecek, minimum maliyette enerji arzı hedef alınmak durumundadır. Bu açıdan, birincil enerji kaynaklarının mümkün olan en verimli şekilde kullanılabilmesi için, enerjinin yalnızca dönüşümünün değil, kullanılabilirliğinin de araştırılması gerekir. Rosen ve Dinçer (1996) Türkiye’nin değişik sektörleri için enerji
ve ekserji etkinliğinin çıkarılması ve sektörel enerji kullanımı için bir model geliştirilmesi konusunu ele
almışlar ve bu sektörlere enerji ve ekserji analizi uygulamışlardır. Isıtma, iş üretimi, elektrik üretimi ve
kinetik enerji üretimi için verim ifadeleri çıkarılmış, yapılan analizlerin enerji-kullanım analizleri için faydalı bir yöntem olduğu belirtilmiştir. Termik santrallerde ekserji analiz metotları detaylı olarak Kotas
(1995) tarafından verilmiştir. Enerji sektöründe temel amaç, artan nüfusun ve gelişen ekonominin enerji
ihtiyaçlarının sürekli, kesintisiz bir şekilde ve mümkün olan en düşük maliyetlerle, güvenli bir arz sistemi
içinde karşılanabilmesidir. Bu kapsamda, diğer enerji kaynaklarına göre kolay temin edilebilen ve çevreye
etkisi daha az olan doğalgazın ülkemizde birincil enerji kaynağı olarak kullanımı giderek artmaktadır.
Yüksek verim ve kısa zamanda işletmeye alma gibi avantajlarından dolayı doğalgaz yakıtlı kombine çevrim santralleri ülkemizde elektrik enerjisi üretiminde son yıllarda giderek artan bir oranda kullanılmaktadır.
Kombine çevrim santrallerinde gaz türbinleri ve buhar türbinleri birlikte kullanılmaktadır. Yakıt olarak
doğal gaz kullanılan gaz türbinlerinden elde edilen elektrik enerjisinin yanı sıra türbin egzozundan yüksek
sıcaklığa sahip egzoz gazlarının atık ısısının kazana verilmesiyle elde edilen buhar ile buhar türbinlerinden
de ek elektrik üretimi sağlanmaktadır. Bu santrallerde gaz türbinli çevrimlerin üst sıcaklığının yüksek olması ve buhar türbinli çevrimlerin alt sıcaklıklarının düşük olması avantajları birleştirilerek kombine çevrim verimi %60 civarında gerçekleştirilebilmektedir. Doğalgaz yakıtlı kombine çevrim termik santralleri
diğer fosil kaynaklı yakıt kullanan termik, nükleer ve hidroelektrik santrallerine göre daha düşük kurulum
maliyeti ile daha kısa sürede işletmeye alınabilmektedirler.
Yüksek verim ve güç elde imkanının yanında kombine çevrimler esnek işletme koşullarına uygun,
çabuk devreye alınabilme, tam yük ve değişken yük durumlarına kolay adapte olabilme, hatta değişken yük
durumlarında da yüksek verimle çalışma özelliklerine sahiptirler. Kombine çevrim türlerinin başlıcaları
“Ek yanmalı/yanmasız atık ısı geri kazanım buhar üreticili”, “Rejeneratörlü ve/veya besleme suyunun ısı50
tıldığı buhar üreticili”, “Çok basınç kademeli atık ısı geri kazanım buhar üreticili”, “Buhar çevriminde
besleme suyu ısıtması ile kapalı çevrim gaz türbin sistemi” olarak sıralanabilir. (EL-Wakil 1984)
Kombine çevrim performansları üzerine literatürde oldukça fazla çalışma mevcuttur. Bhargava ve
ark. (2002) mevcut bir gaz türbini ünitesine reküperasyon, ara soğutma ve tekrar ısıtma ünitelerinin uygulanması için dizayn metodu vermiştir. Çalışmada mevcut gaz türbininin modifiye edilmesi durumunda gaz
türbininden elde edilebilecek verimin, Brayton çevrimi ilaveli bir kombine çevrimden elde edilebilecek
verim değerine kadar yükseltilebileceği ve gaz türbininin termodinamik performansı ile üretilen gücün
artacağı saptanmıştır. Ayrıca yapılacak bir iyileştirmenin ekonomik boyutunun da cazip olduğu belirtilmiştir.
Fischi ve Manfrida (1998) yarı kapalı kombine gaz türbini çevriminin ekserji tabanlı olarak analizini gerçekleştirmişlerdir. Değişik işletme şartlarında her bir eleman için ekserji kaybı hesaplanmış ve çevrimin kritik üniteleri tespit edilmiştir. Çalışmada yanma, atık ısı kazanı, su püskürtme/karıştırma ve su geri
kazanım sistemleri kayıpların oluştuğu ana bölgeler olarak belirtilmiş ve toplam ekserji kaybının %80’den
fazlasını teşkil ettiği tespit edilmiştir. Kim ve ark. (2001) çift basınç kademeli kombine çevrim santrallerinde buhar çevriminin geçici rejim davranışlarını incelemişlerdir. Sistemin ayrıntılı modelini oluşturabilmek için, her bir ünitedeki tek boyutlu geçici rejim korunum denklemlerini vermişlerdir. Ayrıca simülasyonda su seviyesi ve türbin gücü etkileri de hesaplara yansıtılmıştır. Erdem ve ark. (2001) çevre sıcaklığının performansa etkilerini incelemiş ve iklim bölgelerine göre gaz türbinindeki performans kayıplarının
azaltılması ya da kazançların arttırılması için dizayn parametrelerinin olası büyüklük aralıklarını belirlemişlerdir. Bhargava ve Meher-Homji. (2002) değişik gaz türbinlerinde buharlaştırma ve spreyleme metotlarıyla giriş havası nemlendirilmesinin, gaz türbini performans parametreleri üzerine etkilerini araştırmışlardır. Çalışmada nemlendirme işleminin gaz türbini verimini olumlu etkilediği belirtilmiş, ancak atmosferik bağıl nemin %0-100 arasında değiştiği durumlarda türbin parametrelerindeki değişimin %1’in altında
kaldığı ifade edilmiştir. Nixdorf ve ark. (2002) gaz türbininden elde edilen faydalı iş miktarını arttırmaya
yönelik olarak, şartlandırılmış farklı türbin giriş havası sıcaklıkları için elde edilen faydalı iş miktarının ne
şekilde değiştiğini, atmosfer sıcaklığı değişimlerinin kompresör giriş havası sıcaklığı ve değişik soğutma
ünitelerinin ısı yükleri üzerine etkilerini incelemişlerdir. Ayrıca önerilen sistemlerin termo-ekonomik analizleri de maliyet optimizasyonu tabanlı olarak gerçekleştirilmiştir.
Güç santrallerinin dizaynında performans kriterleri çevrim performansını en üst düzeyde tutacak
şekilde seçilir. Çevrim maksimum sıcaklığı gaz türbini sisteminde kullanılan malzemeye bağlı olarak seçilir. Performansa etki eden diğer bir etken ise çevre koşullarıdır. Santral elemanlarının dizaynında santralin
tam yükte çalıştığı ve çevre koşulları olarak da genellikle deniz seviyesinde, %60 bağıl nem ve 101kPa
atmosfer basıncı (ISO koşulları) baz alınır. Santralin işletmesi esnasında çevre koşullarını santralinin bulunduğu yerdeki ortam basıncı, sıcaklığı ve bağıl nem oluşturur, bu parametreler ise dizayn koşullarından
bağımsızdır. Dolayısıyla çevre koşullarının dizayn koşullarından farklı olmasına bağlı olarak santralin performansı artar yada azalır. Basınç ve bağıl nemin değişiminin santral performansı üzerindeki etkisi genel
olarak sıcaklığın etkisi yanında ihmal edilebilecek düzeydedir (Ünver, 2004). Çevre sıcaklığının dizayn
sıcaklığından yüksek olduğu durumlarda santralin genel performansı olumsuz etkilenmekte santralin net
gücü azalırken, ısıl verimi düşmekte ve özgül yakıt sarfiyatı artmaktadır. Buna karşılık dizayn sıcaklığının
altındaki çevre sıcaklığında performans değerleri iyileşmektedir. Eğer santral çevre sıcaklığının dizayn
sıcaklığından yüksek olduğu saatlerde pik yük talebi ile kullanılıyorsa net güç, dolayısıyla elektrik üretimi,
azalacağından çevre sıcaklığı parametresi ayrıca önem kazanır. Bu saatlerde üretim maliyeti artacaktır.
Bu çalışmada, çevre sıcaklığındaki değişimin sistemin performansını hangi oranlarda etkilediği çalışan bir santralin verileri kullanılarak analiz edilmiştir. Uygulama merkezi olarak 1999 yılında kurulan
Bursa / Ovaakça Doğalgaz Kombine Çevrim Santrali tercih edilmiştir. Analizlerde, sistem çevre ve üretimyakıt ilişkileri, kullanılabilir enerji miktarının tespiti, tersinmezliklerin tespiti, enerji kalitesi, buhar kalitesi,
kayıplar ve ürünün maliyeti gibi bir çok parametreyi birlikte inceleme olanağı verdiğinden, termodinamiğin birinci ve ikinci kanunları birlikte uygulanmıştır.
2. TEORİ
Kombine güç çevrimleri, gaz ve buhar türbinlerinin birlikte kullanıldığı çevrimlerdir. Kombine
çevrim fikri basit Brayton çevriminin verimini, yüksek sıcaklıklarda çalışmasının sağladığı kazançlardan
yararlanmak ve egzoz gazlarıyla atılan ısı enerjisini geri kazanarak bu enerjiyi buharlı güç çevrimi gibi bir
alt çevrimde ısı kaynağı olarak değerlendirmek fikrinden hareketle ortaya çıkmıştır. Kombine güç çevrimleri geçen yüzyılın başından beri tasarlanan sistemler olmasına rağmen ilk kombine çevrim santralinin
51
1950’de kurulmuş olup, daha sonra hızla artan uygulamaları ile günden güne gelişim göstermektedir. Şekil
1’de kombine çevrimlerin şematik gösterimi ve Şekil 2’de T-s diyagramları görülmektedir. Bu çevrimde
egzoz gazlarının enerjisinden, bir ısı değiştiricisi yardımıyla, alt çevrimde buhar üretiminde faydalanılır.
Alt çevrimde ara ısıtma ve ara buhar alma işlemleri de yapılabilir (Çengel ve Boles 2002).
Gaz türbini çevrimi;
Güç santrallerinin enerji analizi, termodinamiğin birinci kanunu olan, enerjinin korunumu prensibine dayanır. Enerjinin korunumu denklemleri, sistem ile çevre arasında gerçekleşen iş ve ısı etkileşimlerinin net etkisinden türetilir. Birinci kanun, enerji dengesi şeklinde birden çok giriş ve çıkışı olan sürekli
akışlı bir kontrol hacmi için şu şekilde yazılır;
Q&− W&u = ∑ m&ç (hç +
ç
Vç
2
2
+ gz ç ) − ∑ m&g (hg +
g
Vg
2
2
+ gz g )
(1)
(1) nolu denklemde ısı transferi terimi yok edilir, potansiyel ve kinetik enerji farkları ihmal edilirse
adyabatik bir gaz türbini çevriminde üretilen güç aşağıdaki denklemle bulunabilir.
Şekil 1.
Kombine çevrimin şematik gösterimi
Şekil 2.
Kombine çevrim için T-s diyagramı
52
W> = ( W&u )GT = ∑ m&g hg − ∑ m&ç hç
g
(2)
ç
Bu ifade aynı zamanda gaz türbini çevriminde birim zamanda yapılan gerçek işe eşittir.
Çevresel parametreler referans durum olarak kabul edildiğinde, belirlenen durumdan çevresiyle
dengede olduğu duruma gelinceye kadar, bir sistemden tersinir bir proseste elde edilebilecek maksimum
güç, sistemin faydalı güç potansiyelidir ve ekserji diye adlandırılır. Ekserji analizi, termodinamiğin ikinci
kanununa dayanmaktadır. Birden çok giriş ve çıkışı olan sürekli akışlı bir proses, Po sabit basınç ve To sabit
sıcaklığında bir ısı kaynağı gibi davranan çevreyle ısı alışverişinde bulunabilir. Bu tür bir proses için ikinci
kanun yazılacak olursa;
Q&çev
S&üretim = ∑ m&ç s ç − ∑ m&g s g +
To
ç
g
(3)
Burada S&üretim birim zamandaki entropi üretimidir.
∑ m& s
g
g
g
ve
∑ m& s
ç ç
sırayla birim zamanda
ç
kontrol hacminin içine ve dışına gerçekleşen entropi transferleridir. Q&çev = −Q& anlık çevre sıcaklığının To
olduğu durumda sistem sınırlarından olan zamana bağlı ısı transferi miktarıdır ve son olarak Q&çev / To ısı
transferi yoluyla gerçekleşen entropi transferinin toplamıdır. (1) ve (3) nolu denklemlerden ısı transferi
terimi yok edilir, potansiyel ve kinetik enerji farkları ihmal edilirse aşağıdaki denklem elde edilir.
W&kh = W&u ≅ ∑ m&g (hg − To s g ) − ∑ m&ç (hç − To sç ) − To S&üretim
g
(4)
ç
Bu ifade, proses esnasında gerçekleşen işi vermektedir. Aynı zamanda sürekli akışlı ünitelerin sınırlarının sabit olduğu, çevreye iş yapılmadığı durum için faydalı gücü veren ifadedir.
(4) denkleminde entropi üretimi sıfır olursa, bu takdirde denklem birim zamandaki maksimum faydalı gücü (tersinir güç) verir.
W&tr = W&u ,maks = ∑ m&g (hg − To s g ) − ∑ m&ç (hç − To sç )
g
(5)
ç
Bir akışın ekserji akışı, potansiyel ve kinetik ekserji farklarının olmaması halinde şu şekilde yazılır;
Ψ ≅ m&[(h − ho ) − To ( s − s o )]
(6)
(5) ve (6) numaralı denklemler birlikte ele alındığında gaz türbini çevrimi için birim zamandaki
tersinir iş, birim zamanda gaz türbini çevrimine giren ve çıkan ekserji akış miktarlarının farklarına eşittir.
W&tr ,GT = ∑ Ψg − ∑ Ψç
g
(7)
ç
Diğer yandan, gaz türbini çevrimindeki birim zamandaki tersinmezlik şu şekilde yazılabilir.
I> = ∑ Ψg − ∑ Ψç − W>
g
(8)
ç
Buhar türbininde genişleme işlemi;
Birinci kanun uygulamasından adyabatik buhar türbininde üretilen güç;
W&BT = W&u , BT = ∑ m&g hg − ∑ m&ç hç
g
(9)
ç
Bu ifade aynı zamanda genişleme işleminde elde edilen net güce eşittir. Diğer yandan, türbindeki
genişleme işlemindeki tersinmezlik şu şekilde yazılabilir.
I&BT = ∑ Ψg − ∑ Ψç − W&BT
g
(10)
ç
Bu prosesteki tersinir iş, türbine giren ve çıkan ekserjilerin farklarına eşittir.
W&tr , BT = ∑ Ψg − ∑ Ψç
g
(11)
ç
53
Pompalarda basınçlandırma işlemi;
Birinci kanun uygulamasıyla izantropik sıkıştırma işi için pompa gücü şu şekilde hesaplanabilir;
W&p = m&g hg − m&ç hç
(12)
Pompada gerçekleşen basınçlandırma işleminde birim zamanda meydana gelen tersinmezlik;
I&p =
∑Ψ − ∑Ψ
g
ç
g
.
− Wp
(13)
ç
Buhar Kazanı ve Kondenserdeki Isı Transferi İşlemi;
Bu ünitelerde birim zamanda meydana gelen tersinmezlikler, gaz ve buhar türbinlerinde olduğu gibi ısı transferi sırasında güç üretimi olmadığından, tersinir güce eşittir;
I&i = W&tr ,i − W&u ,i = W&tr ,i = ∑ Ψg − ∑ Ψç
g
(14)
ç
Bir Blok İçin Verimlerin Hesaplanması
Bir blok için termodinamiğin birinci ve ikinci kanunları esas alınarak verimler şu şekilde hesaplanabilir.
ηt =
∑ W&
∑ Q&
u
(15)
g
ve
∑W&
∑ W&
Burada ∑ Q& sisteme giren enerjiler toplamıdır.
η II =
u
(16)
tr
g
Santralin özgül yakıt sarfiyatı
ÖYS =
3600m&y
W&
(17)
u
denklemiyle hesaplanabilir.
3. SANTRALİN TANITIMI
Bu çalışmada Bursa/Ovaakça bölgesinde bulunan 1400 MW gücündeki doğal gaz kombine çevrim
santralinin, termodinamiğin birinci ve ikinci kanunları esaslı analizleri gerçekleştirilmiştir. Santralde her
biri 700 MW gücünde iki kombine çevrim bloğu, her blokta iki adet gaz türbin-jeneratör ünitesi ile bir adet
buhar türbin–jeneratör ünitesi bulunmaktadır. Kondenserde soğutma suyu kapalı çevrimde, kuru tip, doğal
çekişli, hiperbolik soğutma kuleleri vasıtasıyla soğutulmaktadır. Ayrıca santralde gaz türbinlerine bağlı
dört adet buhar üreten ilave yanmasız (HRSG: Heat recovery steam generator) ısı geri kazanım buhar üretim ünitesi (çalışmanın bundan sonraki kısımlarında “buhar kazanı” olarak anılacaktır) ile diğer yardımcı
tesisler bulunmaktadır. Santralin şematik bir gösterimi Şekil 3 de verilmiştir. Santral aşağıda belirtilen
ünite ve sistemlerden oluşmaktadır.
• Gaz türbin – jeneratör üniteleri
• Buhar kazanı
• Buhar türbin – jeneratör üniteleri
•
•
•
•
54
Soğutma suyu ve buhar yoğuşma sistemi
Su arıtma (demineralizasyon) sistemi
Şalt ve elektrik sistemleri
Kontrol ve kumanda sistemleri
4. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE BULGULAR
Metot bölümünde tanıtılan analiz yönteminin Bursa/Ovaakça doğal gaz kombine çevrim santraline
uygulanması ile elde edilen bulgular bu bölümde sunulacaktır.
Tablo 1. %100 yük durumu ve 0 oC, 15 oC ve 42 oC çevre sıcaklıkları için sistemdeki her bir ünite
için tersinmezlik, tersinir güç ve faydalı gücü göstermektedir. Tablo santraldeki ikiz iki bloktan birine ait
analiz değerlerini yansıtmaktadır. Tablo 1.’de çevre sıcaklığındaki 42 oC’lik artışla santralin genel
tersinmezliğinin 0 oC’deki değerlerine göre %5, faydalı gücün %22 ve tersinir gücün %14 civarında azaldığı görülmektedir. Dolayısıyla sıcaklığın artması, tersinmezliği oran olarak arttırmakta ve faydalı güç
azalmaktadır. Sıcaklığın en fazla faydalı güç üzerinde etki ettiği burada açıkça görülmektedir. Gaz türbin
grubunda sıcaklığın artmasıyla güçteki azalmanın sebebi kompresöre giren havanın özgül hacminin artmasıdır. Bu durumda artan sıcaklık ile gaz türbini çevrimine giren havanın kütlesel debisi dolayısıyla türbinden alınabilecek güç miktarı azalmaktadır. Ayrıca, kompresör kısmında sıkıştırma işi için gereken güç de
artmaktadır. Dolayısıyla gaz türbini çevriminden üretilen net elektrik gücü azalmaktadır. Havanın kütlesel
debisindeki azalma egzoz gazlarının da kütlesel debisinde bir azalmaya neden olmakta ve bunun sonucu
olarak buhar kazanına daha az güç verildiğinden buhar türbininden de alınan net güç azalmaktadır.
Tablo 1.
0oC, 15oC ve 42oC atmosfer sıcaklığı için bir blokta hesaplanan birim
zamandaki tersinmezlik, faydalı güç ve tersinir güç.
&
W
tr
& [MW]
W
u
&
I [MW]
[MW]
Ünite
0 oC
15 oC
42 oC
0 oC
15 oC
42 oC
0 oC
15 oC
42 oC
Gaz Türbini Çevrimi
Buhar Türbini
Buhar Kazanı
Kondenser
Pompalar
Genel Top.
102.1
191.7
334.6
32.1
0.8
661.3
85.8
157.0
354.2
31.1
0.7
628.8
83.2
129.7
384.5
27.4
0.8
625.6
523.0
243.4
478.0
237.5
400.4
196.8
-0.6
765.8
-0.7
716.2
-0.7
596.5
625.1
435.1
334.6
32.1
-1.4
1425.5
563.8
394.5
354.2
31.1
-1.4
1342.2
483.6
326.4
384.5
27.4
-1.5
1220.6
Şekil 3.
Santralin şematik gösterimi
Şekil 4’de üç farklı atmosfer sıcaklığı için, üretilen net elektriksel gücün dağılımı ünitelere göre
verilmiştir. Sistemdeki iki ünite elektrik gücü üretebilmektedir. Bunlar gaz türbin jeneratör grubu ve buhar
türbin jeneratör grubu üniteleridir. Diğer ünitelerde ise sırasıyla, buhar kazanında ısı transferi, kondenserde
ısı ve kütle transferi, pompalarda ise güç tüketerek basınçlandırma işlemleri gerçekleşmektedir. Ancak
55
pompalarda sıkıştırma işlemi için birim zamanda harcanan güç çok küçük olduğundan ihmal edilebilir
seviyededir. Şekil 4’e göre bir blokta en fazla elektrik gücü, gaz türbini çevrimlerinde üretilmektedir. Bir
blok, bir buhar türbin jeneratör grubu ve iki gaz türbini jeneratör grubundan oluşmaktadır. Bu yüzden, sistemi bir bütün olarak analiz edebilmek için gaz türbini çevrimine ait hesaplamalarda iki gaz türbin jeneratör grubunun toplamı kullanılmıştır.
Şekil 4.
Ünitelere göre üretilen net elektriksel gücün dağılımı
Şekil 5.
Ünitelere göre tersinir gücün dağılımı
Şekil 5’te üç farklı atmosfer sıcaklığında Denklem (7), (11) ve (14) yardımıyla hesaplanan tersinir
gücün ünitelere göre dağılımı verilmiştir. Görüldüğü gibi tersinir gücün en yüksek olduğu ünite gaz türbini
ünitesidir. Daha sonra sırasıyla buhar türbini, kondenser ve pompalar gelmektedir. Diğer yandan buhar
kazanı haricinde bütün ünitelerde tersinir güç azalmaktadır. Ancak buhar kazanı ünitesinde özel bir durum
söz konusudur. Bu ünitede atmosfer sıcaklığının artmasıyla tersinir güç artmaktadır. Ayrıca 0 ve 15
o
C’lerde buhar kazanı için hesaplanan tersinir güç buhar türbini için hesaplanan tersinir güçten azken 42
o
C’de daha fazla olmaktadır.
Şekil 6.
Ünitelere göre meydana gelen tersinmezliğin dağılımı
56
Şekil 6’da Denklem (8), (10), (13) ve (14) yardımıyla hesaplanan tersinmezliğin dağılımı verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi bir blokta meydana gelen tersinmezliklerin en çok olduğu ünite buhar kazanı
ünitesidir. Buhar kazanından sonra buhar türbini gaz türbini kondenser ve pompalar gelmektedir. Buhar
kazanında meydana gelen tersinmezliğin, kendisine en yakın olan, buhar türbini ünitesinde meydana gelen
tersinmezliğin yaklaşık iki katı kadardır. Buhar kazanında iş üretimi olmadığından meydana gelen
tersinmezliğin aynı zamanda tersinir işe eşittir. Tersinir iş de ünitenin giriş ve çıkış noktalarındaki ekserji
akış miktarları arasındaki farktan hesaplanır. Dolayısıyla, bu ünitede meydana gelen tersinmezliklerin fazla
olmasının sebebi, gaz tarafında yanma ürünü gazların buhar kazanının giriş ve çıkış noktalarındaki ekserji
akış miktarları arasındaki farkın, buhar tarafı giriş ve çıkış noktalarındaki ekserji akış miktarları arasındaki
farktan tersinmezlik miktarı kadar fazla olmasıdır. Bu noktada yanma ürünü gazlarının bacayı terk etme
sıcaklıklarının, yoğuşma olmaması için, 100 oC’nin altına inmemesi gerektiği göz önüne alınmalıdır. Yani
atmosfer sıcaklığı ile 100 oC arasındaki sıcaklıklarda bu ünitedeki akışın kullanılabilir enerjisi aslında ünitenin yapısı gereği kullanılamamaktadır. Bu durumda ünitedeki tersinir gücün, dolayısıyla tersinmezliğin
miktarı fazla olmaktadır.
Tablo 2’de üç farklı atmosfer sıcaklığında bir blok için denklem (15) ve (16) yardımıyla hesaplanan verimler ve denklem (17) ile hesaplanan özgül yakıt sarfiyatı (ÖYS) verilmiştir. Santral için ele alınan
sıcaklık değerleri içinde en yüksek verim değerleri 0 oC atmosfer sıcaklığında hesaplanmıştır, bu sıcaklık
değerinde birinci kanun verimi % 56 ikinci kanun verimi ise % 54 olarak bulunmuştur. Ayrıca atmosfer
sıcaklığının 42 oC artmasıyla birinci kanun veriminin %4 ikinci kanun veriminin ise % 3 oranında azaldığı
tespit edilmiştir. Bu azalmanın sebebi buhar kazanı hariç bütün ünitelerde tersinmezliğin atmosfer sıcaklığının artması ile azalmasıdır. Böylece hesaplanan toplam faydalı güç ile tersinir iş arasındaki fark azalmakta, dolayısıyla ikinci kanun verimi azalmaktadır. Santralde özgül yakıt sarfiyatının ise artan sıcaklık ile
arttığı görülmektedir. Atmosfer sıcaklığında 42 oC artış özgül yakıt sarfiyatını yaklaşık olarak %9 arttırmıştır.
Tablo 2.
Üç farklı atmosfer sıcaklığında santralin tümü için hesaplanan
verimler ve özgül yakıt sarfiyatı
Çevre Sıcaklığı
0 oC
15 oC
42 oC
ηı
56
56
52
ηıı
54
0.222
53
0.227
49
0.241
ÖYS (kg/kWh)
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Bu çalışmada Bursa/Ovaakça bölgesinde bulunan doğal gaz kombine çevrim santralinin termodinamik analizi gerçekleştirilmiş ve faydalı güç, tersinir güç ve tersinmezlikler gibi büyüklüklerin ünitelere
göre değişimleri hesaplanmıştır. Hesaplamalar, santralde bulunan ikiz bloklardan bir tanesi için, santralin
dizayn değerleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular grafikler halinde sunularak yorumlanmıştır.
Atmosfer sıcaklığının artmasıyla, sistemi oluşturan her bir ünitenin giriş ve çıkış noktalarında enerji ve ekserji akış miktarları azalmaktadır. Buna bağlı olarak tersinir güç, faydalı güç ve tersinmezlikler de
azalmaktadır. Bir blokta en yüksek tersinmezlik buhar kazanında meydana gelmekte ve bunu sırasıyla buhar türbini, gaz türbini çevrimi ve kondenser takip etmektedir.
Çevre sıcaklığının artmasıyla gaz türbini çevrimine giren havanın kütlesel debisi azalmakta ve bu
santral elemanlarının tümünü etkileyerek elde edilen net gücün düşmesine neden olmaktadır. Ele alınan
bütün durumlarda birinci ve ikinci kanun verimleri orantılıdır. Sistemin bütününün ısıl verimi ve ikinci
kanun verimi atmosfer sıcaklığının artmasıyla azalmaktadır. Atmosfer sıcaklığının 42 oC artması ile birinci
kanun veriminin %4 ikinci kanun veriminin ise % 3 oranında azaldığı hesaplanmıştır. Çevre sıcaklığındaki
42 oC’lik artışla santralin genel tersinmezliğinin 0 oC’deki değerlerine göre %5, faydalı gücün %22 ve tersinir gücün %14 civarında azaldığı görülmektedir. Bu değişimle bağlantılı olarak özgül yakıt sarfiyatı 42
o
C sıcaklık artışında yaklaşık olarak %9 arttırmıştır.
Sonuç olarak çevre sıcaklığının artışıyla oluşan performans düşümüne karşı gerekli tedbirler alınarak yada yeni teknolojiler geliştirilerek kombine çevrim santralleri iyileştirilebilir. Bu konuda, buhar püs57
kürtmeli gaz türbini çevrimleri, tri-jenerasyon sistemleri yada ilave yanmalı sistemler örnek olarak gösterilebilir. Ayrıca santralin dizaynında çevre havası sıcaklık değeri olarak daha yüksek sıcaklıkların seçilmesinin getireceği yararlar da araştırılmalıdır.
6. KAYNAKLAR
1. BHARGAVA,R., M.BIANCHI., A.PERETTO. and P.R.SPINA. 2002. A fisibility study of existing gas turbines
for recuperated intercooled and reheat cycle. ASME TURBO EXPO 2002, Amsterdam, June 3-6 2002.
2. BHARGAVA,R. and C.B.MEHER-HOMJI. 2002. Parametric analysis of existing gas turbine with inlet
evaporative and over spray fogging. ASME TURBO EXPO 2002, Amsterdam, June 3-6 2002.
3. ÇENGEL,Y. and M.A.BOLES, 2002. Thermodynamics An Engineering Approach. Mc Graw Hill, 4th Edition,
Boston. 930 s.
4. EL-WAKIL,M.M. 1984. Power plant Technology. Mc Graw Hill, International Edition, New York.861 p.
5. ERDEM,H.H., S.H.SEVİLGEN., A.V.AKKAYA. ve A.DAĞDAŞ. 2003 Gaz türbinli sistemlerde çevre sıcaklığının performansa etkisi. 14. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi. Isparta, ULIBTK’03, 3-5 Eylül 2003.
6. FISCHI,D. and G.MANFRIDA. 1998. Exergy analysis of semi-closed gas turbine combined cycle (SCGT/CC).
Energy Conv. and Management, Vol.39,No.16-18, pp1643-1652.
7. KIM,T.S., H.J.PARK. and S.T.RO 2001. Characteristic of trasient operation of a dual-pressure bottoming system
for combined cycle power plant. Energy, 26: 905-918.
8. KOTAS,T.J. 1995. The exergy method of thermal plant analysis. Krieger. Malabar, Florida.328p.
9. NIXDORF,M., A.PRELIPCEANU and D.HEIN. 2002. Thermo economic analysis of inlet air conditionnig
methods. ASME TURBO EXPO 2002, Amsterdam, June 3-6 2002.
10. ROSEN,M.A. and I.DINCER. 1996. Energy and Eksergy analysis of sectoral energy utilisation an application for
Turkey. The Fist Trabzon International Energy and Environment Symposium, KTU Trabzon, 29-31 July 1996.
11. ÜNVER.Ü., 2004. Doğalgaz çevrim santralinin meteorolojik şartlara bağlı olarak termodinamik analizi. Doktora
Tezi. Bursa.165s.
58
View publication stats