BİR TERMİK SANTRALDE ENTROPİ ÜRETİMİNİN ENERJİ
advertisement
BİR TERMİK SANTRALDE ENTROPİ ÜRETİMİNİN ENERJİ VERİMLİLİĞİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ Sebile BAYRAK YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ HAZİRAN 2013 ANKARA Sebile Bayrak tarafından hazırlanan “BİR TERMİK SANTRALDE ENTROPİ ÜRETİMİNİN ENERJİ VERİMLİLİĞİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ” adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Doç. Dr. Adem ACIR …………………………. Tez Danışmanı, Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makine Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Doç. Dr. Kurtuluş BORAN …………………………. Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü Doç. Dr. Adem ACIR …………………………. Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü Yrd. Doç. Dr. Ömer ASAL …………………………. İmalat Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü Tez savunma tarih: 05/06/2013 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü ………………………………. TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Sebile BAYRAK iv BİR TERMİK SANTRALDE ENTROPİ ÜRETİMİNİN ENERJİ VERİMLİLİĞİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Sebile BAYRAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Haziran 2013 ÖZET Bu çalışmada Muğla’da 420 MW kurulu güç ile çalışan Yeniköy termik santralinin 210 MW gücündeki bir ünitesi için termodinamik analiz yapılmıştır. Her bir santral bileşeni için ve santralin tamamı için enerji kayıpları, tersinmezlikler ile birinci ve ikinci yasa verimleri hesaplanmıştır. Yapılan analiz sonucunda en yüksek enerji kaybı 180109 kW ile kondenserde meydana gelmiştir. En yüksek tersinmezlik ise 240506 kW ile yüksek sıcaklıkta yanmanın olduğu kazanda meydana gelmiştir. Termik santralin birinci yasa verimi %38,90 ikinci yasa verimi %32,21 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca değişen çevre sıcaklıklarının santralde ve bileşenlerinde oluşan tersinmezliklere ve ikinci yasa verimine etkisi incelenmiştir. Bunlara ek olarak santralde oluşan ısıl kayıpların ve tersinmezliklerin azaltılması için önerilerde bulunulmuştur. Bilim Kodu Anahtar Kelimeler Sayfa Adedi Tez Yöneticisi : 708, 1.131 : Enerji ve ekserji, termik santral, tersinmezlik, rankine : 90 : Doç. Dr. Adem ACIR v INVESTIGATION OF THE EFFECT ON ENERGY EFFICIENCY OF ENTROPY GENARATION IN A THERMAL POWER PLANT (M.Sc. Thesis) Sebile BAYRAK GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES June 2013 ABSTRACT In this study, Muğla, working with 420 MW of installed power of 210 MW thermal power plant Yeniköy thermodynamic analysis has been done for a unit. For each component of a power plant energy losses and for the whole plant, with the first and second law efficiency was calculated irreversibilities. 180,109 kW of energy loss as a result of the analysis, with the highest occurred in the condenser. The highest irreversibility is 240,506 kW boiler with a hightemperature combustion has occurred. The first law, the second law efficiency of thermal power plant efficiency 38.90% 32.21% respectively. In addition to changing environmental temperatures irreversibility and the second law efficiency of the plant and its components were investigated. In addition, the thermal power plants in order to reduce losses and irreversibility have been proposed. Science Code : 708, 1.131 Key Words : Energy, Exergy, Thermal power plant, Irreversibility, rankine Page Number : 90 Adviser : Assoc. Prof. Dr. Adem ACIR vi TEŞEKKÜR Tüm çalışmalarım boyunca her zaman bilgi ve deneyimleriyle yolumu açan hocam Doç. Dr. Adem ACIR’a teşekkürlerimi sunarım. Laboratuvar çalışmalarım boyunca, istatiksel analizlerin faydalandığım Alptuğ yapılması Kazım ve yorumlanması BİLGİNSOY’a. aşamasında Ayrıca bilgilerinden çalışmam sırasında yardımlarını esirgemeyen yeniköy termik santral çalışanlarına teşekkürlerimi sunarım. vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET........................................................................................................................... iv ABSTRACT ................................................................................................................ .v TEŞEKKÜR ................................................................................................................vi İÇİNDEKİLER .......................................................................................................... vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ ....................................................................................... ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ ............................................................................................ ..xi SİMGELER VE KISALTMALAR................................................................................ xiii 1. GİRİŞ .......................................................................................................................1 2. KAYNAK TARAMASI ..........................................................................................3 3. ENERJİ’YE GENEL BAKIŞ ...................................................................................8 3.1. Küresel Ölçekte Enerji ......................................................................................9 3.2. Türkiye İçin Enerji ..........................................................................................18 4. TERMODİNAMİK ANALİZ ................................................................................24 4.1. Enerji Temel Varsayımları ..............................................................................25 4.2. Ekserji Temel Varsayımları ............................................................................25 4.3. Kelvin Planck İfadesi ......................................................................................31 4.2. Clausius Eşitsizliği ..........................................................................................32 5. MEVCUT TERMİK SANTRALE EKSERJİ VE ENERJİ ANALİZİ UYGULAMASI .....................................................................................................33 5.1. Termik Santraller ............................................................................................34 5.2. Rankine Çevrimi .............................................................................................36 viii Sayfa 5.3. Rankine Çevriminin Verimini İyileştirmek İçin Tedbirler .............................37 5.3.1. Kondenser basıncını düşürmek .............................................................38 5.3.2. Buharın kızdırılması .............................................................................39 5.3.3. Kazan Basıncının Yükseltilmesi ..........................................................40 5.3.4. Rankine Çevrimi Dışında Yapılabilecek İyileştirmeler .......................41 5.4. Termik Santral Hakkında Genel Bilgiler ........................................................42 5.5. Termik Santral’e Enerji Analizi Uygulanması ................................................46 5.6. Termik Santral’e Ekserji Analizi Uygulanması ..............................................56 6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ...............................................................................71 6.1. Sonuçlar...........................................................................................................71 6.2. Öneriler ...........................................................................................................83 KAYNAKLAR ..........................................................................................................86 ÖZGEÇMİŞ ...............................................................................................................90 ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 3.1. 2008 ve 2009 yılları itibariyle dünya üzerinde kalan petrol, doğalgaz ve kömür rezervleri ...............................................................................13 Çizelge 3.2. Kanıtlanmış dünya petrol rezervleri.......................................................14 Çizelge 3.3. Kanıtlanmış dünya doğalgaz rezervleri .................................................14 Çizelge 3.4. 2009 yılı itibariyle bölgelere göre kanıtlanmış kömür rezervleri ..........16 Çizelge 3.5. Ülkeler bazında kanıtlanmış kömür rezervleri .......................................16 Çizelge 3.6. Türkiye için birincil enerji arzı ..............................................................19 Çizelge 3.7. Türkiye’nin birincil enerji kaynakları rezervi (2010 Yılı) ....................20 Çizelge 3.8. Türkiye elektrik üretiminin kaynaklara göre dağılımı (2010 yılı) .........22 Çizelge 3.9. Türkiye elektrik üretiminin kaynaklara göre dağılımı (2010 yılı) .........22 Çizelge 5.1. Türkiye’de kurulu olan termik santrallerin kapasiteleri.........................34 Çizelge 5.2. Termik santraldeki kritik noktalar için termodinamik özelikler ............45 Çizelge 5.3. Termik santralde kullanılan yakıtın özelikleri ve çalışma parametreleri .........................................................................................46 Çizelge 5.4. Santraldeki 35 kritik nokta için toplam ekserji değerleri .......................57 Çizelge 6.1. Termik santralde meydana gelen enerji kayıpları ..................................71 Çizelge 6.2. Santralde meydana gelen yüzde enerji kayıpları ve birinci yasa verimleri ........................................................................................72 Çizelge 6.3. Termik santralde oluşan tersinmezlikler. ...............................................76 Çizelge 6.4. Değişen çevre sıcaklığının tersinmezlik üzerindeki etkisi. ....................77 Çizelge 6.5. Değişen çevre sıcaklığının yüzde ekserji kaybı üzerindeki etkisi .........78 Çizelge 6.6. Termik santralin değişen çevre sıcaklıklarında ikinci yasa verimi. .......79 x Çizelge Sayfa Çizelge 6.7. Değişen çevre sıcaklıklarının santralin ve bileşenlerinin tersinmezlikleri, ikinci yasa verimleri ve entropi üretimi üzerindeki etkisi . ....................................................................................................81 xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 3.1. Dünya enerji talebi .....................................................................................10 Şekil 3.2. 2035 yılı dünya birincil enerji talebi ..........................................................11 Şekil 4.1. İkinci yasanın Kelvin-Planck ifadesine aykırı bir ısı makinesi .................31 Şekil 5.1. İdeal rankine çevrimi .................................................................................36 Şekil 5.2. İdeal rankine çevrimi için T-s diyagramı ...................................................37 Şekil 5.3. İki kademeli türbin ve tek besleme suyu ısıtıcılı bir rankine çevrimi ve T-s diyagramı ...........................................................................38 Şekil 5.4. Kondenser basıncının düşürülmesinin sistem performansı üzerindeki etkisi .........................................................................................39 Şekil 5.5. Buharın kızdırılmasının sistem performansı üzerindeki etkisi ..................40 Şekil 5.6. Buharın basıncının yükseltilmesinin sistem performansı üzerindeki etkisi .........................................................................................40 Şekil 5.7. Ara buhar alma işlemi için T-s diyagramı. ................................................41 Şekil 5.8. Termik santralin buhar akış şeması............................................................44 Şekil 5.9. Kazan için giren ve çıkan enerjiler ............................................................46 Şekil 5.10. Türbin için giren ve çıkan enerjiler ..........................................................47 Şekil 5.11. Kondenser için giren ve çıkan enerjiler ...................................................48 Şekil 5.12. RH 10 için giren ve çıkan enerjiler ..........................................................49 Şekil 5.13. Degazör için giren ve çıkan enerjiler ......................................................53 Şekil 5.14. RH 50 için giren ve çıkan enerjiler ..........................................................54 Şekil 5.15. Kazan için giren ve çıkan ekserjiler .........................................................58 Şekil 5.16. Türbin için giren ve çıkan ekserjiler ........................................................60 xii Şekil Sayfa Şekil 5.17. Kondenser için giren ve çıkan ekserjiler ..................................................61 Şekil 5.18. RH 10 için giren ve çıkan ekserjiler ........................................................62 Şekil 5.19. Degazör için giren ve çıkan ekserjiler ....................................................66 Şekil 5.20. RH 50 için giren ve çıkan ekserjiler ........................................................67 Şekil 6.1. Termik santralde meydana gelen enerji kayıpları ......................................73 Şekil 6.2. Sisteme verilen enerjiye göre yüzde enerji kayıpları .................................73 Şekil 6.3. Çevrimin ve bileşenlerin birinci yasa verimleri .........................................74 Şekil 6.4. Enerji denge diyagramı ( Sankey diyagramı) ............................................75 Şekil 6.5. Değişen çevre şartlarının santralde oluşan tersinmezlikler üzerindeki etkisi ...........................................................................................................77 Şekil 6.6. Değişen çevre şartlarının yüzde ekserji kaybına etkisi. .............................79 Şekil 6.7. Değişen çevre sıcaklıklarının ikinci yasa verimine etkisi ..........................80 Şekil 6.8. Değişen çevre sıcaklıklarının enerji kaybı ve tersinmezliğe etkisi ............82 Şekil 6.9. Değişen çevre sıcaklıklarının birinci ve ikinci yasa verimine etkisi .........83 Şekil 6.10. Yeniköy termik santrali için h-s diyagramı .............................................84 Şekil 6.11. Ekserji denge diyagramı ( Grassman diyagramı).....................................85 xiii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama . Ex Ekerji (kW) Ex d Ekserji kaybı(tersinmezlik) (kW) ex Fiziksel ekserji I Tersinmezlik (kW) h Entalpi (kJ/kg) . m Kütle akış oranı (kg/s) P Basınç (kPa) T Sıcaklık (°C or K) s Entropi (J/kgK) . W . S . İş oranı (W) Entropi üretimi (kW/K) Q Isı transferi (kW) Verim g Giren ç Çıkan I Birinci yasa II İkinci yasa 0 Referans değeri xiv Kısaltmalar Açıklama ABD Amerika Birleşik Devletleri ABI Alçak basınç ısıtıcısı ABT Alçak basınç türbini EİE Elektrik İşleri Etüd İdaresi EÜAŞ Elektrik Üretim A.Ş OBT Orta basınç türbini OECD Ekonomik Kalkınma ve İşbirliği Örgütü OPEC Petrol İhraç Eden Ülkeler Örgütü R.C Ara kızdırma S.H Kızdırma YBI Yüksek basınç ısıtıcısı YBT Yüksek basınç türbini 1 1.GİRİŞ Özellikle geçtiğimiz yüzyılın başlarından itibaren endüstrileşmenin giderek artması, küresel nüfustaki hızlı değişimler ve teknolojide yaşanan hızlı gelişmeler enerjiye olan talebi giderek arttırmıştır. Geçtiğimiz yüzyılın başları ile içinde bulunduğumuz yüzyılın başlarından itibaren enerjinin üretimi kadar verimliliği de önemini arttırmıştır. Bunun nedeni küresel enerji üretiminin büyük çoğunlukla fosil kaynaklara dayalı olmasıdır. Mevcut fosil kaynaklarının yakın gelecekte rezervlerinin tükenme tehlikesi insanlığı yeni arayışlara itmiştir. Bunlardan biri alternatif enerji kaynaklarının enerji üretiminde yaygınlaştırılmasıdır. Fakat ülkeler bazında birinci seçeneğin uygulanması zaman ve maliyet açısından birçok dezavantajı beraberinde getirmektedir. Diğer bir yaklaşım ise fosil yakıt kaynaklı enerji üretim tesislerinin daha verimli ve çevreye duyarlı hale getirilmesidir. Ülkemiz gibi gelişmekte olan enerji alanında atılımlar gerçekleştiren ülkelerde alternatif kaynaklara geçiş belirli bir zaman ve maliyet gerektirmektedir. Bu nedenle mevcut enerji üretim tesislerinin daha verimli hale getirilmesi bir gereklilik halini almıştır. Mevcut fosil yakıt rezervlerinin günümüz itibariyle hızla azalması ve bu fosil yakıtların neden olduğu küresel ısınma gibi problemler, yeni enerji kaynaklarının araştırılması ve bulunan enerji kaynaklarının daha verimli kullanılabilmesi gibi daha ciddi çalışmalar yapmayı zorunlu kılmıştır. Buna bağlı yapılan enerji tasarrufu ve mevcut sektörlerdeki kayıp enerjinin tekrar geri dönüşümü amacıyla birçok çalışmada enerji ve ekserji analizine ağırlık verilmiştir. Bu analizler, endüstrideki üretim tesislerinde enerji verimliliğini yükseltecek ve atık enerjinin geri kazandırılmasını sağlayacaktır. Aynı zamanda da işletme giderlerini azaltmakla kalmayıp ülke ekonomisi ve çevresel problemler açısından önem taşıyacaktır. Son yıllarda bilim adamları ve araştırmacılar tarafından enerji üretim tesislerinde gerek çevre kirliliği gerekse enerjinin daha verimli kullanılması ile ilgili çalışmalarda bir artış meydana gelmiştir. Genel olarak yapılan bu çalışmalarda; enerjinin daha verimli kullanılması ve bunun bir sonucu olarak ekonomik yapıdan faydalanabilmek amacı ile farklı yöntemlerle elde edilen (doğal gaz, petrol, vs.) enerjinin ekserji 2 analizi modellemeleri yapılmıştır. Bunlara bağlı olarak endüstriyel tesislerin üretim birimlerindeki enerji kayıplarının tespiti ve ekonomik iyileştirmeler ekserji analizleri sonucu elde edilen veriler aracılığıyla belirlenebilmektedir. Termik santrallere enerji ve ekserji analizinin uygulaması sistemin yapısının enerji kaybına müsait olmasından dolayı daha da önemli hale gelmiştir. Kullanılan kömürün özellikleri göz önüne alınarak daha verimli ve çevreyle uyumlu şekilde kullanılması sistemde yapılacak düzenlemeler ile mümkündür. Bu düzenlemeler sistemin çalışma prensipleri ışığında yapılacak olan termodinamik analizler göz önüne alınarak yapılmalıdır. Bu nedenle enerji ve ekserji analizi uygulaması sistemlerin geliştirilebilmesi gerekli olan en önemli parametrelerden biridir. Enerji analizi alanında en önemli konulardan biride termik santrallerin termodinamik analizidir. Termik sistemlerde oluşan tersinmezliklerin belirlenmesi enerjinin korunumu ve yönetimine birçok katkıda bulunur. Enerji yönetimi ve tüketimi fosil yakıt kaynaklarının giderek tükenmesi ve elektrik üretim fiyatının giderek artması nedeniyle oldukça önemli hale gelmiştir. Bu nedenle sanayi sektöründe yapılan enerji analizi çalışmaları yakın gelecekte ekonomiklik ve verimlilik konularında katkıda bulunur. Termik sistemlerde enerji analizi büyük ölçüde verimlilik analizi ve performans değerlendirilmesi için kullanılır. Ekserji açıkça verimlilik iyileştirmeleri ve daha sürdürülebilir sistemler için termodinamik kayıpların azalması olarak tanımlanabilir [1-3]. Enerji analizi termodinamiğin birinci yasasına dayanmasına rağmen ekserji analizi termodinamiğin ikinci yasasına bağlıdır. Ekserji, enerjinin kullanılabilirlik potansiyeli ya da kalitesi olarak tanımlanabilir. Termik santrallerde sürdürülebilir kalite değerlendirmesi yapmak için ekserji analizi yönteminden yararlanılabilir [3]. 3 2.KAYNAK TARAMASI Özellikle son yıllarda enerji ve ekserji alanında yapılan bilimsel çalışmalarda büyük bir artış gözlemlenmektedir. Yapılan çalışmaların büyük çoğunluğu kullandıkları yakıt cinsi sebebiyle enerji üretim tesislerinin termodinamik analizleridir. Bu çalışmalarda sabit referans çevre şartlarında santralde meydana gelen tersinmezlikler, enerji kayıpları, termik ve ekserjik verimlilikler incelenmiştir. Ayrıca değişen referans sıcaklıklarının santral verimi üzerindeki etkilerinin de incelendiği gözlemlenmektedir. Sengupta ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, 210 MW kurulu güce sahip kömür yakan bir termik santralin termodinamik analizi incelenmiştir. Belirlenen çevre sıcaklığı ışığında santralde meydana gelen tersinmezlikler bulunmuş ve bu işlem santralin tüm bileşenlerine ayrı ayrı uygulanmıştır. Tesisin genel ikinci yasa verimi hesaplanmıştır [4]. Ganapathy ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, yakıt olarak linyit kömürü kullanan bir santralin termodinamik analizi yapılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda santralde en yükse ısıl kaybın %39 ile kondenserde en yüksek ekserji kaybı ise %57,34 ile kazanda meydana gelmiştir. Çevrimin ikinci yasa verimi ise %26,95 olarak hesaplanmıştır [5]. Mitrović ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, Sırbistan da kurulu bulunan Kostalac isimli termik santrale enerji ve ekserji analizi uygulanmıştır. Belirlenen referans sıcaklıkları ışığında santrale uygulanan termodinamik analizin sonucunda en yüksek enerji kaybının %79,35 ile kondenserde en yüksek tersinmezliğin ise kazan da oluştuğu gözlemlenmiştir. Çevrimin birinci yasa verimi %39 olarak hesaplanırken ikinci yasa verimi %35,77 olarak hesaplanmıştır [6]. Hussein ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, 120 MW gücündeki bir termik santrale ekserji analizi uygulamışlardır. Referans çevre şartlarında santralin ve 4 bileşenlerinin ikinci kanun verimi, tersinmezlikleri ve yüzde ekserji kayıpları hesaplanmıştır [7]. Oktay tarafından yapılan çalışmada, Türkiye de kurulu olan termik santraller hakkında araştırmalar yapılmış olup örnek olarak seçilen Çan Termik Santralinin termodinamik analizi yapılmıştır. Ayrıca Türkiye de mevcut bulunan termik santrallerin karşılaştırmalı bir kıyaslaması yapılmıştır. Ekserji analizi çalışması sonucunda çevrimin ve bileşenlerinin ayrı ayrı tersinmezlikleri ve ikinci kanun verimleri belirlenmiştir. Çalışmanın sonunda santralin performansının geliştirilebilmesi için önerilerde bulunulmuştur [8]. Erdem ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, termik santrallerin termodinamik kanunlar ışığında karşılaştırmalı analizi yapılmıştır. Türkiye de kurulmuş üretim halinde olan dokuz adet termik santral için termodinamik analiz uygulanmıştır. Yapılan analizde kurulum değerleri ile simülasyon değerleri arasındaki farka dikkat çekilmiştir. Her bir bileşen için birinci ve ikinci kanun analizleri tasarım verileri ve simülasyon verileri için uygulanmış ve aradaki hata miktarı belirlenmiştir [9]. Rosen tarafından yapılan çalışmada, kullanılan yakıtın cinsine bağlı olarak kömür ve nükleer kaynaklı enerji üretim tesislerinde termodinamik prensipler ışığında karşılaştırmalar yapılmıştır. Santrallerde mevcut bulunan üniteler için ve santralin tamamı için birinci ve ikinci kanun uygulanmış olup kıyaslamalar yapılmıştır. Kömür kullanan santral için en yüksek tersinmezlik kazanda meydana gelirken nükleer yakıtlı tesiste ise en yüksek tersinmezlik reaktörde meydana gelmiştir [10]. Rosen ve Dinçer tarafından yapılan araştırmada, termik sistemlerde değişen ölü hal özelliklerinin ekserji ve enerji analizi üzerindeki gerçek etkileri incelenmiştir. Ekserji ve enerji analizinin sonuçlarının değişen bu özellikler için duyarsız olduğunu gösterilmiştir [11]. Regulagadda ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, henüz yapım aşamasında olan bir santralin kurulum değerleri ışığında termodinamik analizi incelenmiştir. 5 Sistemin genelinin ve bileşenlerinin ayrı ayrı farklı parametler ışığında performansındaki değişimler incelenmiştir [12]. Acır ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, Türkiye de bulunan 160 MW kurulu güce sahip olan bir termik santralin termodinamik analizi incelenmiştir. Sitemin ve bileşenlerinin tersinmezlikleri, enerji kayıpları, entropi üretimleri, birinci ve ikinci kanun verimlilikleri belirlenmiştir. Ayrıca bu değerler değişen çevre şartlarına göre de incelenmiş olup çevre şartlarında ki değişimin sistem performansına etkisi incelenmiştir [13]. Acır ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, çeşitli çalışma koşulları ve değişen parametreler ışığında sistem performansı incelenmiştir. Çevre sıcaklığı, kondenser basıncı ve buhar sıcaklığındaki değişimlerin sistem performansı üzerindeki etkileri belirlemiştir. Parametrik değerleri optimize etmek ve en iyi çalışma koşullarının belirlenmesi için Taguchi tasarım yönetimi kullanılmıştır [14]. Kopac ve Hilalci tarafından yapılan çalışmada, Türkiye’de bulunan Çatalağzı termik santrali için ortam sıcaklığının ekserji ve enerji analizine etkileri incelenmiştir. En fazla ekserji kaybının olduğu yer kazan olarak bulunurken en fazla enerji kaybının kondenserde gerçekleştiği belirtilmiştir [15]. Aljundi tarafından yapılan çalışmada, Ürdün de kurulu bulunan bir termik santralde değişen çevre sıcaklıklarının sistem performansına etkileri incelenmiştir. Maksimum ekserji kaybının kazan ile onu takiben türbinde bulunmuş, oysaki maksimum enerji kaybı kondenserde oluştuğu belirtilmiştir. Ayrıca referans ölü hal sıcaklıklarının etkisini de hesaplamıştır. Değişen ölü hal sıcaklıkları ile santralin ünitelerindeki ekserji veriminin hafif değişimine dikkat çekmiştir [16]. Ameri ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, Hamedan termik santrali üzerinde ekonomik fayda ve yüksek verimlilik imkânı sağlamak için eksergoekonomik analiz yapılmıştır. Değişen yüklemelerin ve değişen ortam sıcaklığının etkisi belirlenmiş ve güç santralinin farklı yük ve değişen ortam sıcaklığında kritik ünitelerindeki ekserji 6 verimliliğini araştırmışlarıdır. Ayrıca santralde mevcut bulunan her bir bileşen için termodinamik prensipler ışığında ekserji kaybının maliyetinin hesaplanması için eksergoekonomik analiz yapılmıştır [17]. Zhao ve Chai tarafından yapılan çalışmada, 300 MW kapasite ile çalışan bir termik santralin ekserji analizi yapılmış ve değişen çevre sıcaklığı ile sistemin ekserji verimliliğindeki değişimleri incelenmiştir. Çalışma sonucunda artan çevre sıcaklığına bağlı olarak sistemin ekserji veriminde azalma olduğu ortaya konmuştur [18]. Guoqiang ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, 300 MW gücündeki Xiaolongton termik santralinin ekserji ve enerji analizi yapılmıştır. Belirli çalışma koşulları altında değişen çevre sıcaklıkları ile tüm sistemdeki ekserji verimliliğinin aynı kaldığı belirtilmiştir [19]. Kausik ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, farklı termik santrallerin ekserji ve enerji analizi hakkında ayrıntılı bir inceleme yapılmıştır. Rankine çevrimi için genel t-s diyagramları ve genel ifadelerden bahsedilmiştir. Termik santral için teorik birinci ve ikinci kanun analizi çevrim ve bileşenleri için uygulanmıştır. Maksimum ekserjik kaybın yanma ünitesinde olduğu ve maksinum enerji kaybının ise buharlaşma ünitesinde olduğu belirlenmiştir [20]. Cihan ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, kombine çevrimli güç santrallerinde enerji-ekserji analizi ve modernizasyonu için birtakım öneriler sunulmuştur. Birinci ve ikinci kanun analizi örnek bir tesise uygulanmış ve sonuçlar ışığında doğal gaz santrali için modernizasyon önerileri sunulmuştur [21]. Krakow tarafından yapılan çalışmada, ekserji analizinde referans(ölü) halin tanımlanması üzerine çalışma yapılmış ve ekserji analizinin gerçek termik sistemler ile ideal sistem performansının tam bir karşılaştırması olduğunu belirtilmiştir. Gerçek termik sistemler ile ideal performansı ekserjik ve enerjik açıdan kararlaştırılmış ve ölü(referans) hal bu veriler ışığında tanımlanmaya çalışılmıştır [22]. 7 Wepfer ve Gaggioli tarafından yapılan çalışmada, kimyasal çevrimlerin ekserji analizinin genellikle değişen çevre sıcaklığı(T0) ve basınçlarına(P0) duyarsız olduğu bildirmiştir. Ölü hal özelliklerinde makul ve küçük değişikliklerin sistem performansı üzerinde çok az bir etkiye neden olduğuna dikkat çekilmiştir [23]. Vasoogh ve Hajidavalloo tarafından yapılan çalışmada, süper kritik bir termik santralin farklı çevre koşulları altında ekserji ve enerji verimliliği üzerine bir çalışma yapmışlardır. Kazan ekserji verimliliğinin artan ortam sıcaklığı ile azaldığını, aksine türbin ekserji verimliğinin biraz arttığını belirtmişlerdir [24]. Bu çalışma da ise Türkiye’de Muğla Milas mevkiin de kurulu olan 420 MW gücündeki Yeniköy termik santralinin 210 MW güce sahip 2 numaralı ünitesi için termodinamik analiz yapılmıştır. Sistemin tamamı için ve sistemde bulunan her bir bileşen için tersinmezlik, enerji kaybı, birinci ve ikinci kanun verimleri hesaplanmıştır. Ayrıca değişen çevre sıcaklıklarının sistemin genel performansı ve bileşenlerin tersinmezlik ve buna bağlı olarak ikinci yasa verimlilikleri üzerindeki etkileri belirlenmiştir. 8 3.ENERJİ’YE GENEL BAKIŞ Hızla gelişen teknoloji ve endüstrileşmenin yaygınlaşmaya başladığı 20.yy başlarından itibaren enerjiye olan talep giderek artmaktadır. Dünya nüfusundaki hızlı artışlar bireysel teknoloji kullanımının artması hem kişi başına elektrik tüketimini hem de toplam elektrik tüketimini hızla arttırmaktadır. Ayrıca enerjinin tasarruflu ve verimli kullanılamaması da mevcut enerji kaynaklarının hızla tükenmesine yol açmaktadır. Enerji kullanımındaki diğer bir sorun ise kullanılan enerji kaynaklarının çevreye duyarlı olarak kullanılmamasıdır. Bu nedenle günümüzde enerji, gerek insan hayatının gerekse ekonominin en temel ihtiyaçlarından biri haline gelmiştir. Ülkelerin enerji ihtiyacı; nüfus, sosyal ve ekonomik gelişme düzeyi, sanayileşme, kentleşme, teknolojik gelişmişlik gibi birçok sosyo-ekonomik faktöre bağlı olarak şekillenmektedir. Sosyo-ekonomik kalkınmanın en önemli girdilerinden biri olan elektrik enerjisinin zamanında, kaliteli ve yeterli miktarda, ekonomik şartlar ve çevre etkileri de dikkate alınarak temini büyük önem taşımaktadır. Dünya üzerinde var olan mevcut enerji kaynaklarının daha yüksek verimlilik ile kullanılması son yıllarda önemini giderek arttırmıştır. Bunun nedeni dünya genelinde enerji üretiminin büyük oranda fosil kaynaklı olması ve fosil kaynakların rezervlerinin tükenme tehlikesi ile karşı karşıya olmasıdır. Alternatif ve yenilenebilir kaynaklı enerji üretimi son yıllarda yaygınlaşmasına rağmen hem kurulum hem de ekonomik geri dönüt sağlama gibi kısa vade de dezavantajları olması sebebiyle fosil kaynakların önemi giderek artmaktadır. Enerjinin verimsiz ve düzensiz kullanımının diğer bir sonucu da iklim değişikliğidir. Mevcut olan enerji kaynaklarının çevreye duyarlı olarak kullanılmamasının bir sonucu olarak gösterilebilir. İklim değişikliği, bu günlerde küresel anlamda en büyük problemlerden biri olarak görülmektedir. Gelinen nokta itibariyle iklim değişikliği; fiziksel ve tabii çevre, şehir hayatı, kalkınma ve ekonomi, teknoloji, tarım ve gıda, temiz su ve sağlık olmak üzere hayatımızın her safhasını etkilemekte ve ülkelerin bu konularda çözüm çabalarını arttırmalarını zorunlu kılmaktadır. 9 İnsan kaynaklı sera gazı salınımında en büyük payın enerji sektöründe olduğu bilinmektedir. Bu durum iklim değişikliği konusunda alınacak önlemlerin ve uygulanacak politikaların öncelikle enerji sektöründe yoğunlaştırılması gerekliliğini göstermektedir. 3.1.Küresel Ölçekte Enerji Yaygın olarak bilindiği üzere enerji; hayat kalitesini iyileştiren, sosyal ve ekonomik yönde gelişmeyi sağlayan en önemli unsurdur. Küresel nüfusta sürekli artış yaşanmaktadır ve bu durum yakın gelecekte de bu yönde devam edecektir. 2009 yılı verilerine göre 6,8 milyar olan dünya nüfusunun 2035 de 8,6 milyar olması beklenmektedir. Dünya nüfusundaki hızlı artış ve teknolojide yaşanan hızlı gelişimlere rağmen dünya elektrik kullanımında büyük farklılıklar ortaya çıkmaktadır. Bugün dünya nüfusunun %19’una karşılık gelen 1,3 milyar insan halen elektriğe kavuşmuş değildir. Dünya nüfusunun yaklaşık %39’u olan 2,7 milyar insan ise yemek pişirmek için geleneksel yöntemlerle biokütle enerjisinden yararlanmaktadır. Bu insanların büyük kısmı Orta ve Güney Afrika, Hindistan ve gelişmekte olan Asya ülkelerinde (Çin hariç) yaşıyor olacaktır. Bu ülkelerdeki açlık ve yoksullukla mücadelenin başarılı olması, enerjiye erişim konusunda önemli ilerlemeler kaydedilmesine bağlı olup, bu ilerlemelerin sağlanması için 2030 yılına kadar her yıl 48 milyar ABD doları harcama yapılmasına ihtiyaç bulunmaktadır [25]. 2008 yılında başlayan küresel mali krizin etkisiyle kısa vadede ekonomik büyüme öngörülerinde oluşan belirsizliklere rağmen orta ve uzun vadede, dünyadaki nüfus artışı, uzun dönemde ortalama %3,5 büyümesi beklenen dünya ekonomisi, sanayileşme ve kentleşme, doğal kaynaklara ve enerjiye olan talebi önemli ölçüde arttırmaktadır. Yapılan projeksiyon çalışmaları [25,26], mevcut enerji politikalarının devamı halinde, 2035 yılında dünya enerji talebinin, ortalama yıllık %1.6’lık artışlarla, 2009 yılına göre % 51 (12,132 milyon ton eşdeğeri petrolden (Mtoe) 18,302 Mtoe’ye) daha fazla olacağına işaret etmektedir [25]. Talep artışı miktarının 10 %86,2’sinin, 2009-2035 döneminde ekonomik büyüme oranları yüksek (yıllık ortalama %4.9) öngörülen ve hızlı nüfus artış oranına (yıllık ortalama %1) sahip OECD-dışı ülkelerde (özellikle Çin ve Hindistan’da), yıllık ortalama %2,3’lük bir değerle, oluşacağı hesaplanmaktadır. Aynı dönemde yıllık gayrisafi yurt içi hasıla (GSYH) artış ortalaması %2,2 olarak öngörülen OECD ülkelerinde ise yıllık ortalama %0,5’lik artışlar beklenmektedir. 2015–2035 yılları arasında Çin’in, dünyanın en fazla enerji tüketen ülkesi konumunda olacağı, hatta 2035 yılında ABD’nin tüketeceği enerjiden %70 daha fazlasını tüketeceği, yine 2035 yılında Hindistan’ın sırasıyla Çin, ABD ve Avrupa Birliği’nin ardından dördüncü büyük enerji tüketicisi olması beklenmektedir. Söz konusu dört büyük tüketici, 2020 yılında dünya toplam enerji arzının %56,3’ünü, 2035 yılına gelindiğinde ise %55,5’ini tüketmekte olacaktır. Bu talep artışının sürdürülebilir koşullarda karşılanabilmesi için ise, 2011–2035 döneminde, enerji sektöründe yaklaşık 37,9 trilyon ABD doları (2010 rakamlarıyla) değerinde yatırım yapılmasına ihtiyaç duyulduğu hesaplanmaktadır [25]. Şekil 3.1. Dünya enerji talebi [31]. Türkiye’nin girmeye aday olduğu Avrupa Birliği (AB) ise 2009 yılında, Çin ve ABD’nin ardından en büyük üçüncü enerji tüketicisi konumunda yer almıştır. AB genelinde birincil enerji talebi artışı 1990–2009 döneminde düşük hızlarda 11 seyretmiştir (yılda ortalama %0,07). 2009’dan 2035 yılına kadar artış yönünde bir miktar hızlanma beklenmekte olup, rakamların yıllık ortalama %0,36 artış değerini göstereceği düşünülmektedir [25]. AB genelinde birincil enerji arzında 2008’de %54,7 ve 2009 yılında %53,9 düzeyinde olan ithalat bağımlılığı oranının (doğalgazda %64,2 petrolde %83,6 ve katı yakıtlarda %41,1) 2030 yılına kadar olan dönemde %59,1’e ulaşması beklenmektedir [27,28]. Tüm dünyada son 25 yılda talebin çok fazla yoğunlaştığı elektriğin, 2035 yılına kadar en hızlı büyüyen (%2,7) son kullanıcı enerji formu olması, nihai enerji tüketimindeki payının 2008’deki %17,3 düzeyinden 2020’de %20’ye, 2035’te ise %23,5’e çıkması beklenmektedir. 2009 yılında yaşanan ekonomik durgunluğun etkisiyle düşen elektrik talebi 2010 yılında toparlanmış ve %6 oranında artmıştır [25]. Şekil 3.2. 2035 yılı dünya birincil enerji talebi [25]. Uluslararası Enerji Ajansı tarafından hazırlanan ve mevcut politikaların devamını öngören senaryo çalışmasına göre (WEO2011) elektrik üretiminin, 2009’da 20,043 TWh’den ortalama %2,6’lık artışlarla 2020’de 28,569 TWh’ye, 2030’da 35,468 12 TWh’ye ve 2035’de de 39,368 TWh’ye yükselmesi beklenmektedir. Bu rakamlar 2009–2035 döneminde %96,4’lük artışa işaret etmektedir [25]. Benzer şekilde, ABD Enerji Bilgi İdaresi (EIA) tarafından hazırlanan Referans Senaryo Çalışması’na (IEO 2011) göre ise 2008’de 19,100 TWh olan elektrik üretiminin 2020’de 25,500 TWh’ye yükselmesi beklenmektedir. 2008 – 2035 döneminde ise toplam %84,3’lük bir artışla (yıllık %2,3’lük artışlarla), 2035’de üretimin 35,200 TWh’ye yükseleceği hesaplanmaktadır [26]. Özellikle gelişmekte olan ülkelerde görülen büyük ekonomik gelişmeler elektrik talebinin de bu ülkelerde artmasına sebep olmaktadır. Kişi başına gelirin artmasıyla yaşam standartları artmakta, bu da endüstri, aydınlatma ve ev aletleri için olan elektrik talebini arttırmaktadır. Bunun sonucu olarak, WEO2011 çalışmasındaki elektrik üretiminde öngörülen bu 19,325 TWh’lik artışın büyük kısmının (%81,7’sinin), 2009–2035 arasında ortalama yıllık %1,1 oranında artış beklenen Türkiye’nin de aralarında bulunduğu OECD üyesi ülkelerden ziyade, %3,8 oranında kuvvetli bir artış beklenen OECD üyesi olmayan ülkelerde gerçekleşeceği hesaplanmaktadır. Tüm dünyada elektrik enerjisi kurulu güç kapasitesinin 2009– 2035 döneminde brüt 4,081 GW artması beklenmektedir. Bu bağlamda elektrik sektörünün, Uluslararası Enerji Ajansı tarafından hazırlanan Yeni Politikalar Senaryosu’na göre 2011–2035 döneminde yapılması beklenen 37,9 trilyon dolarlık enerji yatırımlarındaki payının tek başına 16,9 trilyon dolar (2010 $ fiyatlarıyla) olacağı öngörülmektedir. Bu miktarın %58’inin yeni güç santralleri yatırımlarına, %31’inin dağıtım, %11’inin de iletim ağlarına harcanması planlanmaktadır. Geriye kalan 21 trilyon dolarlık yatırımın 10 trilyonunun petrol, 9,5 trilyonunun doğal gaz ve 1,2 trilyonunun da kömür sektöründe yatırıma dönüşeceği hesaplanmaktadır. Bu yatırımların %62,6’sının, talep ve üretimin en hızlı arttığı OECD-dışı ülkelerde (tek başına Çin 5,8 trilyon dolar ve Rusya 2,5 trilyon dolar) yapılması beklenmektedir [25].Enerji kaynakları açısından incelendiğinde, birincil enerji arzında, petrol, doğalgaz ve kömürden oluşan fosil kaynaklı yakıtların ağırlıklı konumunun önümüzdeki yıllarda da devam etmesi beklenmekte ve enerji talebindeki artışın (2009–2035 dönemi) yüzde 77,8’lik bölümünün bu kaynaklardan karşılanması öngörülmektedir. Biokütle ve çöp için bu oran %7,7, diğer yenilenebilirler için %6,2, 13 nükleer için%5,7, hidrolik için ise %2,6’dır [25]. Bu rakamlar nükleerde artışın bir önceki yıl (2008–2035 dönemi) öngörülerine göre daha düşük kalacağını göstermektedir. Öngörüler 2008–2035 döneminde nükleerin enerji talep artışındaki payının %6,4 olacağı yönünde idi. 2020 yılında birincil enerji arzındaki en büyük paya (%29,6) sahip olacağı hesaplanan petrolün, 2035 yılında ilk sıradaki yerini kömüre (%29,6) bırakacağı düşünülmektedir. Doğal gazın ise elektrik üretimindeki payını koruması (2009’da yaklaşık %21,45) beklenmektedir. 2009–2035 döneminde elektrik üretiminde ise kömür ve doğalgazın en önemli kaynaklar olmaya devam edeceği, kömürün payının %40,5’den %43’e, doğal gazın payının %21,4’ten %21,7’ye yükseleceği; petrolün payının ise %5,1’den %1,5’e, hidroliğin payının %16,2’den %13,1’e, nükleerin payının da %13,5’den %10,3’e düşeceği öngörülmektedir. En büyük yüzdelik artış ise rüzgârda beklenmektedir. Aynı dönemde rüzgârın %1,4’lük payının %5,1’e yükseleceği öngörülmektedir [25]. Çizelge 3.1. 2008 ve 2009 yılları itibariyle dünya üzerinde kalan petrol, doğalgaz ve kömür rezervleri [30]. Yıl Kaynak Kalan Rezerv (yıl) 2008 Petrol 42 Doğalgaz 60 Kömür 122 Petrol 46 Doğalgaz 63 Kömür 119 2009 Dünyada ekonomik durgunluk sebebiyle elektrik talebinde 2009 yılında %0,7 düşüş gerçekleşmiştir. Bu düşüş 1970’lerden bu yana ilk kez yaşanmıştır. Ancak 2010’da hızlı bir şekilde %6 oranında artmış, özellikle OECD-dışı ülkelerde %9,5’lik artışlar görülmüştür [25, 26]. Dünya genelinde enerji kaynakları olarak 1 Ocak 2012 itibariyle petrol ve doğal gaz rezervlerinin dağılımına bakıldığında (Çizelge3.2. ve Çizelge3.3.), kanıtlanmış petrol rezervlerinin (1,523 milyar varil) %52,5’inin Ortadoğu’da bulunduğu görülmektedir [29]. 14 Çizelge 3.2. Kanıtlanmış dünya petrol rezervleri [29]. Sıra Ülkeler 1 Ocak 2012 1 Ocak 2011 (milyar varil) (milyar varil) 1. Suudi Arabistan 264,52 260,10 2. Venezuela 211,17 211,17 3. Kanada 173,63 175,21 4. İran 151,17 137,5. 5. Irak 143,10 115,00 6. Kuveyt 101,50 92,20 7. B.Arap Emirlikleri 92,20 92,20 8. Rusya 60,00 60,00 9. Libya 47,10 46,42 10. Nijerya 37,20 37,20 1 523,23 1 469,61 Dünya Toplam Çizelge 3.3. Kanıtlanmış dünya doğalgaz rezervleri [29]. Sıra Ülkeler 1 Ocak 2012 1 Ocak 2011 (milyar ft3) (milyar ft3) 1. Rusya 1 680,000 1 680,000 2. İran 1 168,000 1 045,670 3. Katar 890,000 895,800 4. Suudi Arabistan 283,000 275,200 5. ABD 272,509 244,656 6. Türknemistan 265,000 265,000 7. B.Arap Emirlikleri 200,000 200,000 8. Venezuella 195,100 1 78,860 9. Nijerya 180,460 186,880 10. Cezayir 159,000 159,000 6 746,751 6 647,341 Dünya Toplam 15 Yapılan bir çalışmada, 2010 sonu rakamlarıyla, dünya genelinde bir değerlendirme yapıldığında, mevcut kanıtlanmış petrol rezervlerinin 46, doğal gaz rezervlerinin 59, kömür rezervlerinin de 118 yıllık ömre sahip olduğu hesaplanmaktadır. Bu rakamlar aynı kaynakta, 2009 sonu itibariyle petrol için 46, doğal gaz için 63 ve kömür için 119 yıl olarak ilan edilmişti [30]. Tüketim tarafına bakıldığında ise mevcut politikaların devamı halinde, en hızlı artışın doğalgaz tüketiminde olacağı hesaplanmaktadır. Doğalgaz tüketiminin ortalama yıllık %2’lik artışlarla 2035 yılında 2009 yılına göre % 65,6 artması beklenmektedir. Aynı dönemde petrol tüketiminin ortalama %0,9’luk artışlarla %25,2, hidrolik-dışı yenilenebilir enerji kaynakları tüketiminin %1,94’lük artışlarla %64,6 ve kömür tüketiminin ise %1,9’luk artışlarla %64,5 artacağı öngörülmektedir [25]. Bu dönemde fosil yakıt fiyatlarının yüksek seyredeceği ve hükümetlerin fosil yakıtlara alternatif enerji kaynaklarına yöneliminin artacağı tahmin edilmektedir. 2009’da Çin, ABD, Avrupa Birliği, Hindistan, Rusya ve Japonya dünya kömür tüketiminin %84,3’ünü gerçekleştirmişlerdir. 2009 yılında dünya enerji tüketiminde kömürün payı %27,2 iken, bu payın 2035 yılında %29,6’lara ulaşması beklenmektedir. Kömür tüketimindeki bu artışın tamamının sorumlusunun OECDdışı ülkelerin (Çin, Hindistan) olacağı [25,26] ve kömürün elektrik üretimindeki payının ise %40,5’den (2008) %43’e (2035) yükseleceği beklenmektedir. Kömür tüketiminin en fazla düşmesi beklenen yerler; elektrik talep artışı düşük ve nüfus artış hızı yavaş olan OECD’deki Avrupa ülkeleridir [25]. Dünyada her ne kadar kömür üretimi geniş alanlarda ve pek çok ülkede mümkün olsa da, 2010 sonu itibariyle, toplam kömür rezervlerinin %75’i 5 ülkede bulunmaktadır. Bunlar ABD (%27,6), Rusya (%18,2), Çin (%13,3), Avustralya (%8,9), Hindistan (%7)’dır [6]. Bu ülkeler toplam üretimin de 2010 yılı verilerine [30] göre %79,1’ini karşılamışlardır. 2008 yılında dünyada üretilen kömürün %60’ı elektrik üretim sektörüne aktarılmakta iken %36’sı ise endüstriyel tüketime gitmektedir [26]. 16 Çizelge 3.4. 2009 yılı itibariyle bölgelere göre kanıtlanmış kömür rezervleri [30]. Bölge Taşkömürü Linyit (milyon ton) (milyon ton) Kuzey Toplam Toplamdaki (milyon ton) Payı (%) 1 13281 132816 246097 29,8 6964 8042 15006 1,8 102042 170204 272246 33 33225 174 33399 4 155809 103444 259253 31,4 411321 414680 826001 100 Amerika Güney ve Orta Amerika Avrupa& Avrasya Orta Doğu ve Afrika Asya-Pasifik Toplam Çizelge 3.5. Ülkeler bazında kanıtlanmış kömür rezervleri [30]. Ülke Taşkömürü Linyit Toplam Toplamdaki (milyon ton) (milyon ton) (milyon ton) Payı (%) ABD 108950 129358 238308 28,9 Rusya 49088 107922 157010 19,0 Çin 62200 52300 114500 13,9 Kazakistan 28170 3130 31300 3,8 Türkiye - 1814 1814 0,2 Ukrayna 15351 18522 33873 4,1 Hindistan 54000 4600 58600 7,1 G. Afrika 30408 - 30408 3,7 Almanya 152 6556 6708 0,8 Toplam 411321 414680 826001 100 17 Dünyada kömür rezervleri pek çok ülkeye ve geniş bir alana yayılmış olsa da 2009 sonu itibariyle toplam kömür rezervinin büyük bir bölümü Asya-Pasifik(%31,4), Kuzey Amerika (%29,8), Avrupa ve Avrasya’da (%33) toplanmıştır [30]. Çizelge 3.4 de 2009 yılı sonu itibariyle bölgelere ayrılmış kömür rezervlerinin dağılımı görülmektedir. Ülkeler açısından kömür rezervlerine bakıldığında toplam dünya rezervinin yaklaşık %78’i 5 ülkede bulunmaktadır. Bunlar ABD (%28,9), Rusya (%19), Çin(%14), Avustralya (%9,2), Hindistan (%7,1)’dır. Bu ülkeler toplam üretiminde 2009 sonu itibariyle yaklaşık %78,5’ini karşılamışlardır. Bu bağlamda yine aynı araştırmada Türkiye kömür rezervi 1814 milyon ton rezerv ile dünya toplam rezervinin %0,2 sine karşılık gelmektedir [30]. Kömür yakıtlı elektrik üretiminin 2035 yılına kadar ortalama yılda %2,9 artması beklenmektedir [25]. Ancak kömürden elektrik üretimi ile ilgili projeksiyonlar, sera gazı emisyonlarını azaltmaya veya sınırlamaya yönelik ulusal mevzuatların veya uluslararası anlaşmaların yürürlüğe girmesine ve sabit karbon vergisi veya emisyon ticareti gibi maliyet arttırıcı uygulamalara, yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelen ulusal politikalara göre önemli ölçüde değişebilir. Bu tarz kısıtlamalar olmadığı takdirde, özellikle Çin, Hindistan, Endonezya ve Vietnam gibi zengin kömür yataklarına sahip yerlerde, daha pahalı yakıtların yerine kömürün kullanılacağı düşünülmektedir [26]. Doğalgaz yakıtlı elektrik üretiminin ise 2030 yılına kadar yıllık %2,7’lik bir oranda artması öngörülmektedir [25]. Özellikle ABD ve diğer ülkelerde bulunan kaya gazından (shale gas) yararlanılmaya başlanmasıyla doğalgaz fiyatlarının arz artışı sebebiyle orta vadede düşük kalacağı ve pek çok ülkede doğalgaz kullanımını arttıracağı ifade edilmektedir [26] Her ne kadar rekabet edebilirlik konusunda sorunları devam etse de yüksek fosil yakıt fiyatları ve fosil yakıtların çevresel etkileri üzerine duyulan endişeler, dünyanın pek çok ülkesinde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının arttırılmasına 18 yönelik verilen teşvikler, yenilenebilir enerji kaynaklarının daha geniş oranda kullanımının yolunu açmaya devam etmektedir [26]. 2035 yılına kadar dünya genelinde hidroelektrik ve diğer yenilenebilir enerji kaynaklarının tüketiminde IEA’ya göre [25] yıllık %3,3’lük, EIA’ya göre [26] %3,1’lik artışlar beklenmektedir. Hidrolik dışında yenilenebilir enerji kaynaklarının kurulu güçteki oranı 2008’de %4 iken, bu oranın 2020 yılında %11,7’ye, 2035’te de %15,8’e yükseleceği, hidroelektriğin ise aynı dönemde %20’den %17’ye gerileyeceği öngörülmektedir. Yenilenebilir kaynaklardaki artışa en büyük kurulu güç katkısı (693 GW) ise rüzgâr enerjisinden gelecektir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik üretiminde kullanım payının %19,5 (2009) seviyesinden 2020 yılında %22,1 ve 2035 yılında da %23,2’ye ulaşacağı düşünülmektedir [25]. 3.2.Türkiye İçin Enerji Dünya enerji piyasasındaki hızlı gelişmeler, enerji-çevre ilişkisinin dünyada önemini giderek arttırması Türkiye gibi fosil yakıt kaynakları dünya rezervleri ile karşılaştırıldığında çok daha sınırlı olan ülkelerde ki bu dışa bağımlılık demektir. Bu durum, yeni enerji politikaları geliştirilmesini bir zorunluluk haline gelmiştir. Türkiye günümüzde kullandığı elektriğin yaklaşık %45’ini yerli kaynaklardan karşılamakta ve arta kalan ihtiyacını (%55) ithal etmektedir. Bu durum her ne kadar son yıllarda enerji sektöründe önemli yatırımlar yapılsa da hala enerjide dışa bağımlı kalındığını göstermektedir. Ülkemizin kalkınma, toplumsal refah ve sanayi sektörünü uluslararası alanda rekabet edebilecek bir düzeye çıkarma hedeflerini gerçekleştirme çabaları beraberinde enerji talebinin hızlı artışını getirmekte ve önümüzdeki yıllarda da bu eğilimin devam edeceği hesaplanmaktadır. 2010 yılında 109,27 milyon ton petrol eşdeğerini (milyon tep) geçen yıllık enerji arzı bir önceki yıla nazaran yaklaşık %3’lük bir artışa tekabül etmektedir. 2015 yılında 170 milyon tep, 2020 yılında ise 222 milyon tep düzeyine ulaşacağı beklenmektedir [32]. En son açıklanan verilere göre (2010 yılı) enerji arzında %31,9 ile doğalgaz en 19 büyük payı alırken, bunu %30,7 ile kömür, %26,7 ile petrol izlemiş, geri kalan %10,7’lik bölüm ise başta hidrolik olmak üzere yenilenebilir ve diğer kaynaklardan (odun) karşılanmıştır (Çizelge3.6). 2009 yılıyla kıyaslandığında 2010’da doğalgazın kömürün yerini alarak enerji arzında birinci sıraya yükseldiği görülmektedir. Çizelge 3.6. Türkiye için birincil enerji arzı [32]. 2008 2008 2009 2009 2010 2010 (bin tep) % (bin tep) % (bin tep) % Kömür 31,391 29,5 32,913 31,0 33,531 30,7 Doğalgaz 33,807 31,8 32,775 30,9 34,907 31,9 Petrol 31,784 29,9 30,656 28,8 29,221 26,7 Hidrolik 2,861 2,7 3,092 2,9 4,454 4,1 Odun 3,679 3,5 3,530 3,3 3,392 3,1 Jeo.Isı, Diğer ısı 1,011 0,9 1,250 1,2 1,391 1,3 Hayv. ve Bit.Atık 1,134 1,1 1,036 1,1 1,166 1,1 Jeotermal 140 <0,1 375 0,3 575 0,5 Güneş 420 0,4 429 0,4 432 0,4 Rüzgar 73 <0,1 129 0,1 251 0,2 Toplam 106,338 100 106,138 100 109,266 100 Sanayinin temel girdileri arasında yer alan enerji sektöründe büyüme rakamları, gelişmiş ülkelerinkine kıyasla oldukça yüksektir. Son 10 yılda Türkiye elektrik ve doğalgaz tüketim artış oranları bakımından Avrupa’da ilk, dünyada ise Çin’den sonra ikinci sırayı almaktadır [33]. 2010 itibariyle 74 milyon nüfusa sahip olan Türkiye’de kişi başına enerji tüketiminin %1,3 artışla 1482 kep, elektrik tüketiminin ise %8,56 artışla 2347 kWh olduğu hesaplanmıştır[32]. 20 Çizelge 3.7. Türkiye’nin birincil enerji kaynakları rezervi (2010 Yılı) [32]. Görünür Muhtemel Mümkün Toplam 534,6 431,5 368,4 1334,6 Elbistan 4917,9 - - 4917,9 Diğer 4.920,0 1345,0 262,0 6527,0 Toplam 9837,9 1345,0 262,0 11444,9 40,7 29,5 7,3 77,5 1 641,4 - - 1641,4 GWh/Yıl 129388 - - 129388 MW/Yıl 36603 - - 36603 Ham Petrol (milyon ton) 44,3 - - 44,3 Doğalgaz (milyar m3) 6,2 - - 6,2 - - 9129 - - 9129 380000 - - 380000 Elektrik 98 - 512 600 Termal 3348 - 28152 31500 Elektrik - - - - Isı - - - 32,6 Elektrik (MW) - - - 48000 Isı - - - - Elektrik - - - 2,6 Isı - - - 6,0 Kaynaklar Taşkömürü (milyon ton) Linyit (milyon ton) Asfaltit (milyon ton) Bitümler (milyon ton) Hidrolik Nükleer Kaynaklar (ton) Tabii Uranyum Toryum Jeotermal (MW/Yıl) Güneş (Milyon Tep) Rüzgâr Biokütle (Milyon TEP) 21 Enerji kaynakları bakımından net ithalatçı ülke konumunda olan Türkiye’de 2010 yılında enerji arzının petrolde %93, doğalgazda %98, taş kömüründe %90 olmak üzere toplamda %72,9’luk bölümü ithalat ile karşılanmıştır [32]. 2010 yılında ithal edilen doğalgazın yaklaşık %46’sı Rusya (2009’da %51), %24’ü İran (2008’de %16), %14’ü Azerbaycan (2009’da %15), %12’si Cezayir (2008’de %14) ve %4’ü de Nijerya’dan (2009’da %3) temin edilmektedir. İthal edilen doğalgazın %56,5’i elektrik üretiminde (2009’da %52,9) %21,4’ü konutlarda (2009’de %25,4), %20,1’i ise sanayide (2009’da %19,5) kullanılmaktadır. Türkiye’nin doğal gaz tüketimi 2002 yılındaki 17,4 milyar m3 düzeyinden, 2008 yılında 36,1 milyar m3 ile zirveye ulaşmışken, önce 2009 yılında 32,4 milyar m3’e sonra da 2010 yılında 31,6 milyar m3 seviyesine inmiştir. 2010 yılında bir önceki yıla göre %2,5 oranında bir azalma olmuştur. 2010 yılında doğalgazın, miktar olarak, sanayi ve elektrik sektöründe kullanımı azalırken konutlarda kullanımı artmıştır [34]. Türkiye’de mevcut elektrik üretim tesislerinin kaynaklara göre kurulu güçlerine bakıldığında 16112,16 MW ile doğalgaz kaynaklı tesisler başta gelmektedir. Doğalgazı sırası ile 15831,25 MW kurulu güç ile hidrolik, 8139,67 MW kurulu güç ile linyit, 3751 MW kurulu güç ile ithal kömür ve asfaltit izlemektedir. Yenilebilir ve atık kaynaklı tesisleri ise toplam kurulu gücün % 3,06 sına karşılık gelmektedir [35]. Türkiye’de elektrik üretimin kaynaklara göre dağılımına bakıldığında ise yine doğalgaz kaynaklı üretimin 98143,7 GWh ile toplam üretimin %46,47’sini karşıladığı görülmektedir. Hidrolik ise 51795,5 GWh ile toplam üretimin %24,52’sini karşılarken bu rakamlar linyit için 35942,1 GWh (%17,02), Taş kömürü ve asfaltit için 19104,3 GWh (%9,05) olarak belirtilmiştir. Fosil kaynaklı olmayan rüzgâr enerjisi 2916,4 GWh ile toplam üretimin % 1,38’ine karşılık gelirken jeotermal enerjinin toplam üretimin 668,2 GWh ile % 0,32’sine karşılık geldiği belirtilmiştir [35]. 22 Çizelge 3.8. Türkiye elektrik üretiminin kaynaklara göre dağılımı (2010 yılı) [34]. Kurulu Güç Toplamdaki Oranı MW (%) Doğalgaz 16112,16 32,53 Hidrolik 15831,25 31,97 Linyit 8139,67 16,43 İthal kömür+Taş kömürü+Asfaltit 3751,00 7,57 Çok yakıtlı 2652,65 5,36 Sıvı Yakıtlı 1526,11 3,08 Rüzgâr 1320,15 2,67 Yenilenebilir + Atık 96,87 0,20 Jeotermal 94,20 0,19 49542,06 100 Kaynaklar Toplam Çizelge 3.9. Türkiye elektrik üretiminin kaynaklara göre dağılımı (2010 yılı) [35]. Üretim Toplamdaki Oranı GWh (%) Doğalgaz 98143,7 46,47 Hidrolik 51795,5 24,52 Linyit 35942,1 17,02 İthal kömür+Taş kömürü+Asfaltit 19104,3 9,05 Rüzgâr 2916,4 1,38 Sıvı Yakıtlı 2180,0 1,03 Jeotermal 668,2 0,32 Yenilenebilir + Atık 457,5 0,22 211207,7 100 Kaynaklar Toplam 23 Özellikle son yıllarda ülkemizde gerçekleştirilen enerji yatırımları giderek artmıştır. Bunun nedeni enerjide dışa bağımlılığı azaltmak ve ekonomik fayda sağlamak olarak gösterilebilir. Fosil yakıt kaynakları bakımından fakir olan ülkemiz coğrafyası alternatif ve yenilenebilir enerji kaynakları bakımından ise oldukça yüksek bir potansiyele sahiptir. Yenilenebilir enerji analında her ne kadar son yıllarda yatırımlar giderek artsa da bunların ihtiyaca cevap verebilecek seviyeye gelmesi uzun vadede mümkün olacaktır. Bunun nedeni hem ekonomik maliyetler hem de işletme zorlukları olarak gösterilebilir. Türkiye şu ana kadar olduğu gibi yakın gelecekte de enerji üretimini fosil kaynaklı üretim tesislerinden gerçekleştirecektir. Mevcut kömür, doğalgaz ve petrol rezervlerimiz göz önüne alındığında enerji yönetimi ve enerji tasarrufu konusunun ülkenin en önemli sorunlarından biri olduğu kabul edilmektedir. Ülkemizde enerji kaynaklarını daha verimli kullanarak, kullanılan enerjinin belirli oranda geri dönüştürülmesi sağlanarak ekonomik ve çevresel fayda sağlanabilir. Enerji tasarrufu ve verimliliği gibi kavramların öneminin günden güne arttığı günümüzde enerji üretimi için gerekli olan kaynaklar ve bu kaynakların kullanım yoğunluğu göz önüne alındığında, gelecekte bu kaynakların enerji talebini ne ölçüde karşılayacağı tartışma konusudur. Bu bağlamda insanoğlunun gelecekte de yaşamını sürdürebilmesi için enerji kaynaklarını çevre ile uyumlu bir şekilde yüksek verimlilik ile kullanılması gerekliliği hem ülkemiz hem de dünyamız adına kaçınılmaz bir gerçektir. 24 4. TERMODİNAMİK ANALİZ Enerji genel bir tanımla termodinamik bir sistemin iş ve ısı verme kabiliyetidir. Isı ve iş alan bir sistemin enerjisi artmıştır veya enerjisi yüksek olan bir sistemden ısı ve iş alınabilir. Enerjinin bu tarifinden de anlaşılacağı üzere ısı ile iş arasında bir benzerlik mevcuttur. Bu sebeple ısı ile iş arasında bir bağıntı olması ve bunların birinden diğerine geçilebilmesi gereklidir. Termodinamik prensipler ışığında çalışan sistemlerin daha yüksek verimlilik sağlanabilmesi için yapılan ve termodinamiğin birinci yasasına dayanan analize enerji analizi denilir. Termodinamiğin birinci kanununa göre enerji korunur yok edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Bir sistemin herhangi bir çevrimi için çevrim sırasında ısı alışverişi ile iş alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim sistemlerinde ise birbirlerine orantılı olmak zorundadır. Birinci kanun analizi sadece nicelik açısından bir fikir vermektedir. Ancak bir sistemin performansının değerlendirilebilmesi için nicelik tek başına yeterli olmamaktadır. Burada da karşımıza ikinci yasa analizi çıkmaktadır. Ekserji analizi; termodinamiğin ikinci yasasına dayanır ve enerjinin niceliğinin yanı sıra enerji niteliğini de dikkate alınarak yapılır. Güç üreten sistemlerin termodinamik analizinde hem birinci hem de ikinci yasa analizinin kullanılması yapılan analizlerin etkinliğini ve hassasiyetini arttıracaktır. Ekserji, bir enerji kaynağının iş yapabilme potansiyelidir. Enerji kaynağının ne kadarının yararlı işe dönüştürülebileceği yani belirli bir halde ve miktarda enerjinin iş yapabilme potansiyeli kullanılabilirliği ekserjidir [39]. Bir sistemden en fazla işi elde edebilmek için, hal değişimi sonunda sistemin ölü halde olması gerekir. Sistemin ölü halde olması, çevresi ile termodinamik denge 25 içersinde olması demektir. Sistem çevresi ile aynı sıcaklık ve basınçta olup çevresine göre kinetik ve potansiyel enerjiye sahip değildir ve çevresi ile tepkimeye girmez. Özellikle belirtilmediği durumlarda ölü hal sıcaklık ve basınç değeri T0 ve P0 için 298,15 K ve 101,325 kPa olarak verilmiştir. Bir sistemin ölü hal durumunda kullanılabilirliği sıfır olarak belirtilmiştir [39]. 4.1. Enerji Temel Varsayımları Termodinamik prensiple çalışan sistemlere termodinamik analiz uygulanırken genel olarak kütle, enerji, ekserji ve entropi dengesi gibi eşitliklerden faydalanılır. Sabit hal durumundaki bir kontrol hacmi için genel denge denklemleri aşağıdaki gibidir. Kütle dengesi genel olarak aşağıdaki gibi ifade edilir. g m ç m (4.1) Burada m kütle akış oranını ifade etmektedir. Genel olarak enerji dengesi denklemi aşağıdaki gibi ifade edilir. . E g . g . . Q Eç W (4.2) ç 4.2. Ekserji Temel Varsayımları Genel bir ifade ile kontrol hacmi içinde bulunan bir sistemin ekserji dengesi aşağıdaki gibi ifade edilir. 26 . Ex . g . . . Ex Q Ex ç W Ex d g (4.3) ç . Burada Ex Q ısı geçişi ile ekserjiyi temsil etmektedir. Isı enerjisinin yalnızca bir kısmı işe dönüştürülebilir. Bunun nedeni ısının enerjinin düzenli olmayan bir hali olmasıdır. Isının işe dönüştürülebilen kısmı enerjinin düzenli halidir. Isı geçişi sırasında mutlaka bir ekserji geçişi de meydana gelmektedir. . . E xQ (1 T0 / T ) Q (4.4) Burada; T mutlak sıcaklık, T0 çevre (referans) sıcaklık ve Q ise belli bir yerdeki ısı geçişini ifade etmektedir. Termodinamik sistemlerde sürekli akış halinde bulunan bir sistem için mevcut toplam ekserjisi, sistemde oluşan elektrik ve yüzey gerilme ekserjileri ile nükleer ve manyetik ekserjileri ihmal edildiği var sayılırsa potansiyel ekserji, fiziksel ekserji ve kimyasal ekserjilerinin toplamı olarak ifade edilmektedir. . . . . . Ex Ex kin Ex pot Ex fiz Ex kim (4.5) Birim kütle başına ekserji aşağıdaki biçimde yazılabilir. . . . . e ekin e pot e fiz ekim . . . . (4.6) Burada ekin , e pot , e fiz , ekim sırasıyla kinetik, potansiyel, fiziksel ve kimyasal ekserjileri ifade etmektedir. 27 Bir sistemin kinetik ekserjisi çevre sıcaklığı ve basınç ne olursa olsun sistemin kinetik enerjisine eşittir. Bunun nedeni kinetik enerjinin mekanik enerjinin bir çeşidi olması ve tamamen işe dönüştürülebilir olmasıdır. Bir sistemin kinetik enerjisi aşağıdaki gibi ifade edilebilir, . . Ex kin m V2 T (4.7) Burada V , sistemin bulunduğu ortama göre hızıdır. Genel bir ifade ile mekanik enerjinin tamamen işe dönüştürülebildiği bilinmektedir. Mekanik enerjini bir çeşidi olan potansiyel enerji de tıpkı kinetik enerji gibi tamamen işe çevrilebilir. Potansiyel ekserji denklemi aşağıdaki gibi ifade edilebilir. . . Ex pot m gz (4.8) Burada g yerçekimi ivmesi, z ise sistemin bulunduğu ortamın referans düzleme göre yüksekliğidir. Fiziksel ekserji, çevresi ile termodinamik etkileşim halinde bulunan sürekli akış halindeki kararlı madde referans şartları olan T0 ve P0 haline geldiği zaman elde edilebilen maksimum iş potansiyeli olarak tanımlanır. . E x fiz (h h0 ) T0 ( s s 0 ) (4.9) 28 Kimyasal ekserjiden elde edilebilecek maksimum iş, sistemin ya da maddenin sınırlı denge halinden denge haline geçmesiyle mümkündür. Çevre dengesi(T0 ve P0) iken saf bileşenlerin T0 ve P0 yoğunlaşmalarının kısmi basınçlarından (P∞,i) gidilerek her bir bileşenin kimyasal ekserjileri aşağıda verilen genel denklem yardımıyla hesaplanır. ex kim ex 0kim Ru To ln xi (4.10) Burada xi mol kesrini ve ex kim ise referans sıcaklıkta molar ekserjiyi ifade etmektedir. Katı yakıtın kimyasal ekserjisi aşağıdaki gibi hesaplanabilir, ex chfuel .(LHV ) (4.11) Yakıtın alt ısıl değerine dayalı ekserji faktörü (β) aşağıdaki gibi ifade edilmiştir [40,41], h c o c n c 1.0437 0.1882 ( ) 0.0610 ( ) 0.0404 ( ) Yukarıda verilen denklemde (4.12) h o n , ve yakıt bileşenleri arasındaki kütlesel oranları c c c temsil etmektedir. (h, c, o, ve n sırasıyla hidrojen, karbon, oksijen ve nitrojen olarak ifade edilmiştir) . Kontrol hacmi içerisindeki toplam ekserji oranı ( Ex ) genel bir ifade ile aşağıdaki gibi verilmiştir. . . Ex m(ex) Burada ex spesifik ekserjiyi ifade etmektedir. (4.13) 29 Termik santrallerin Birinci kanun verimi (enerji verimi) gösterilen şekilde hesaplanabilir. . I Wnet (4.14) . E yakıa . . . Burada W net ve E fuel sırasıyla net iş ve kontrol hacmine giren enerji miktarı ( LHV . m yak. ) olarak verilmiştir. Termik santralin ikinci yasa verimi ise gösterildiği gibi hesaplanabilir, . Wnet II (4.15) . E x fuel Kontrol hacmi içerisindeki entropi dengesi denklemi aşağıda verilmiştir, . . . . Q Q g S g T S üretim ç S ç T . (4.16) Entropi, sistemdeki düzensizliğin bir ölçüsü olarak tanımlanabilmektedir. Sistemde düzensizlik arttıkça entropi de artar. Örneğin bir gaz ısıtıldığında moleküllerinin hareketleri hızlandığından ve düzensizleştiğinden, entropisi artar. Eğer bir sistem tam olarak düzenli ise, entropisi sıfır olabilir. Enerjinin aksine, entropi korunan bir özellik değildir ve gerçek tüm işlemlerde sistemin ve çevrenin entropi değişimlerinin toplamı daima pozitiftir. Entropi üretimi genel bir ifade ile gösterilen şekilde hesaplanabilir, . S üretim dQ T0 Burada, T0 çevre sıcaklığını dQ ise sistemdeki kaybı ifade etmektedir. (4.17) 30 Özellikle termik santrallerin termodinamik analizleri yapılırken çevrimin bütünü ve her bir bileşeni için ayrı olarak birinci ve ikinci kanun uygulanır. Bu şekilde santralde yapılması gereken iyileştirme çalışmaları daha detaylı ve doğru şekilde yapılmış olur. Termik santrallerin ana bileşenleri için genel ikinci yasa verim denklemleri sırasıyla gösterilmiştir. Kazan için ikinci yasa verimi, . . II , kazan 1 . E xç E x g (4.18) . E x yak Pompa için ikinci yasa verimi, . . I pompa II , pompa 1 (4.19) . W pompa Besleme suyu ısıtıcıları için ikinci yasa verimi, . II ,ısıtıcı 1 . I ısıtıcı (4.20) . E xg Türbin için ikinci yasa verimi, . . II ,türbin 1 I türbin . . E x g E xç Kondenser için ikinci yasa verimi, (4.21) 31 . II ,kondenser 1 . (4.22) I kondenser . E xg 4.3. Kelvin Planck İfadesi Termodinamiğin ikinci yasasının dayandığı en önemli ifadelerden biri Kelvin Planck ifadesidir. Kelvin Planck ifadesine göre Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir makinenin, yalnızca bir kaynaktan ısı alıp net iş üretmesi olanaksızdır [39]. Hiçbir ısı makinesinin ısıl verimi % 100 olamaz veya bir güç santralinin sürekli çalışabilmesi için iş akışkanının hem kazanla, hem de çevreyle ısı alışverişinde bulunması gerekir [39]. Bir ısı makinesinin yüzde 100 ısıl verime sahip olamamasının, sürtünmeler veya diğer kayıplardan kaynaklanmadığı vurgulanmalıdır. Çünkü bu sınırlama gerçek ısı makineleri kadar, ideal ısı makineleri için de geçerlidir. Şekil 4.1. İkinci yasanın Kelvin-Planck ifadesine aykırı bir ısı makinesi [39]. 32 4.4. Clausius Eşitsizliği Termodinamiğin ikinci yasasında eşitsizlikler kullanılarak anlatım yapılabilir. Bunun en iyi örneği tersinmez bir ısı makinesinin veriminin tersinir bir makinenin verimine eşit ve ondan büyük olamayacağıdır. Soğutma makineleri ve ısı pompaları için de durum aynıdır [39]. Termodinamikte önemli bir yer tutan eşitsizlik de Clausius Eşitsizliğidir. Bu eşitsizlik şöyle ifade edilir, dQ T 0 (4.23) 0 Burada dQ ’nin tersinir veya tersinmez termodinamik bir çevrim üzerinde integrali T0 sıfırdan küçük veya sıfırdır. Bu da diferansiyel ısı geçişinin sıcaklığına bölümlerini çevrim boyunca toplarsak sıfır veya sıfırdan küçük bir değer elde edilebileceğini göstermiş olur. Clausius eşitsizliğine göre, dQ bağıntısının sıfırdan küçük ya da sıfıra eşit olması T0 aşağıdaki durumlarla ifade edilmektedir, dQ T 0 …genel hal (4.24) 0 …tersinir çevrim (4.25) 0 …tersinmez çevrim (4.26) 0 dQ T 0 dQ T 0 33 5. MEVCUT TERMİK SANTRALE EKSERJİ VE ENERJİ ANALİZİ UYGULAMASI Özellikle kullanılan yakıtın cinsi ve sistemin temel çalışma prensipleri göz önüne alındığında termik santraller için termodinamik analizlerin yapılması önemini arttırmıştır. Sistem performanslarının değerlendirilmesi, sistemin daha yüksek verimlilik ile çalışması ve gerekli düzenlemelerin yapılması enerji ve ekserji analizi sonuçlarının değerlendirilmesi ile mümkündür. Bir ısıl sistemde termodinamik analiz yapılabilinmesi belli aşamaları içermektedir. Bu aşamalar temel varsayımlara uygun ve kendi içerisinde belirli bir sıra ile yapılmalıdır. Bir termik santralin termodinamik analizi yapılırken öncelikle hangi ünitelerin analizi yapılacaksa bu üniteler için uygun görülen ve birbiri ile eşit olan sınırlar belirlenmelidir. Belirli yöntemler kullanılarak mevcut üniteler ve santralin tamamının modellemesi yapılır. Belirlenen model üzerinde kabul edilen sınırlar dikkatlice incelenmelidir. Çünkü Model üzerinde yapılan kabuller termodinamik analiz sonuçlarını doğrudan etkilemektedir. Santralin kurulu bulunduğu bölgenin iklim koşulları göz önüne alınarak gerçeğe en yakın çevre şartları kabul edilmelidir. Santralde mevcut üniteler ve sistemin tamamı için ısı dönüşüm sistemleri belirlenmelidir. Daha sonra kütle, enerji ve entropi denge durumları incelenir. Her bir kütle ve enerji geçişleri için ekserji debileri hesaplanır. Sistem için belirlenen sınırlardan çıkan ve sisteme giriş yapan enerjiler belirlenir. Termodinamiğin temel varsayımları ışığında sistemin bütünü ve her bir ünite için enerji ve ekserji analizi uygulanır. Termodinamik analiz sonuçları önceden belirlenmiş referanslar ile karşılaştırılarak analizin doğruluğu sorgulanır. Analiz sonucu oluşan tersinmezlikler, enerji kayıpları ve sistemin verimliliği santralde yapılması gereken iyileştirmeler ve düzenlemeler hakkında öneriler sunabilir. 34 5.1. Termik Santraller Termik santraller ana işleticinin buhar tahrikli olduğu güç santrallerindendir. Termik santrallerde elektrik üretimi belirli aşamalarda enerji dönüşümleri ile yapılmaktadır. Kazanda yakıtın yanması sonucu elde edilen ısı suya transfer edilerek kızgın buhar elde edilir yüksek basınçta kızgın buhar türbin kanatçıklarının döndürmeye başlar. Kanatçıkların bağlı olduğu türbin mili belirli bir devire (ortalama 3000 dev/dak) ulaştığında mile bağlı jeneratörden elektrik üretimi başlar. Daha sonra türbinden çıkan buhar kondensere (yoğuşturucu) iletilip yeniden kızdırıcıya gönderilir. Çevrimin işleyişi göz önüne alındığında bir Rankine çevrimi olduğu görülmektedir. Termik santrallerde gerçekleşen enerji dönüşümleri kimyasal enerjinin ısı enerjisine ısı enerjisinin mekanik enerjiye son olarak mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi basamaklarını içerir. Çizelge 5.1. Türkiye’de kurulu olan termik santrallerin kapasiteleri [32]. YAKIT CİNSİ VE SANTRALIN ADI Toplam Kurulu Proje Üretimi Güç (MW) (MW) Çatalağzı 300,0 1950,0 Taşkömürü Toplam 300,0 1950,0 Afşin Elbistan A 1355,0 8807,5 Afşin-Elbistan B 1440,0 8807,5 Orhaneli 210,0 1365,0 Seyitömer 600,0 3900,0 Tunçbilek A 65,0 422,0 Tunçbilek B 300,0 1950,5 Kangal 457,0 2970,5 18 Mart Çan 320,0 2240,0 Soma-A 44,0 286,0 TAŞKÖMÜRÜ LİNYİT 35 Çizelge 5.1. (Devam) Türkiye’de kurulu olan termik santrallerin kapasiteleri [32]. Soma-B 990,0 6435,0 Yatağan 630,0 4095,0 Yeniköy 420,0 2730,0 Kemerköy 630,0 4095,0 Linyit Toplam 7421,0 49376,0 Ambarlı 457,0 2970,5 Hopa 320,0 2240,0 680,0 4760,0 1,04 - 1,04 - Ambarlı D.Gaz 1350,9 9456,3 Bursa D.Gaz 1432,0 10024,0 Aliağa GT+KÇ 180,0 1260,0 Hamitabat 1120,0 7840,0 Doğalgaz Toplam 4082,9 28580,3 Türkiye Toplam 12524,9 84666,8 FUEL-OİL Fuel-Oil Toplam MOTORİN Çukurca Motorin Toplam DOĞALGAZ Türkiye de kurulu olan termik santrallerin kurulu güçleri ve proje üretimi değerleri çizelge 5.1 de gösterilmiştir. Özellikle mevcut kurulu gücün en fazla doğalgaz olduğu görülmektedir. Doğalgazdan sonra kurulu güçteki en büyük pay linyit kaynaklı santrallere aittir. Linyiti sırasıyla fuel-oil, taş kömürü ve motorin yakıtların kullanıldığı santraller izlemektedir. Mevcut kurulu santrallerin proje üretimlerine bakıldığında ise en büyük payın 84666,8 MW toplam güç ile yine doğalgaz da olduğu görülmektedir. Doğalgazı 49376,0 MW güç kapasitesi ile linyit takip etmektedir. 36 5.2. Rankine Çevrimi Buhar çevrimleri içerisindeki en yüksek verim ile çalışan Carnot çevrimidir. Fakat carnot çevrimin uygulanmasında bazı sorunlar meydana gelmektedir. Meydana gelen bu sorunlar kazanda suyun kızgın buhar haline getirilmesi ve yoğuşturucuda doymuş sıvı haline getirilmesi ile çözülebilir. Oluşan bu çevrim, güç santralleri için en ideal çevrim olan rankine çevrimidir. Rankine çevriminin adımları dört aşama ile gösterilir, her adımda çalışma akışkanının hal değişimleri ifade edilir. Burada çevrimin ideal şartlarda olduğu varsayılır. Ama gerçek şartlarda çevrimin pompa ile sıkıştırma ve türbinde genişleme aşamaları izentropik değildir. Bu aşamalarda izentropide artış meydana gelir. Bundan dolayı gerçekte pompa için gereken güç ihtiyacı artar ve türbinden elde edilen iş azalır. Şekil 5.1. İdeal rankine çevrimi. 37 Şekil 5.2. İdeal rankine çevrimi için T-s diyagramı Şekil 5.2 incelenecek olursa 4–1 çalışma akışkanı, düşük basınçtan yüksek basınca pompalanır. İdeal şartlarda pompalama için güç girişine ihtiyaç vardır. 1–2 de Yüksek basınçlı sıvı bir ısıtıcıya girer, bir dış ısı kaynağı ile sabit basınçta kızdırılmış buhar halini alana kadar ısıtılır. Genelde ısı kaynağı olarak, kömür, doğalgaz veya nükleer güç kullanılır. 2–3 de ise kızgın buhar, türbin boyunca genişler ve güç çıkışı oluşturur. İdeal şartlarda, bu genişleme izentropiktir. Bu olay buharın basınç ve sıcaklık kaybetmesine sebep olur. 3–4 aşaması incelenecek olursa buhar daha sonra kondensere girer, doymuş sıvı halini alana kadar soğutulur. Bu sıvı daha sonra tekrar pompaya girer ve çevrim tekrar eder. 5.3. Rankine Çevriminin Verimini İyileştirmek İçin Tedbirler Termik santraller de verim, tüketilen yakıtın yüzde olarak kullanılabilir enerjiye çevrilen kısmını ifade etmektedir. Genellikle verim %33 ile %48 arasındadır. Bu limitler tüm ısı makineleri için termodinamik kanunlar ile belirlenmiştir. Geriye kalan enerji ısı halinde çevrimden çıkmaktadır. Çevrimden çıkan bu atık ısı kondenser üzerinden soğutma kulelerine gönderilerek çeşitli şekilde geri dönüşümleri sağlanabilir. Bu yönteme kojenerasyon denilmektedir. Böylelikle sisteme yakıt ile giren enerjiden daha fazla fayda sağlanıp genel bir verimlilik artışı sağlanabilir. 38 Şekil 5.3. İki kademeli türbin ve tek besleme suyu ısıtıcılı bir rankine çevrimi ve T-s diyagramı. Rankine çevrimi tıpkı Carnot çevrimi gibi sıcak kaynak ve soğuk kaynağa bağlıdır. Bu nedenle bunlardan birincisini yükseltmek ve ikincisi azaltmak verimi iyileştirecektir. 5.3.1. Kondenser basıncını düşürmek Serbest eksozlu makinelerde hem soğuk kaynak sıcaklığı yüksektir, hem de daima yeni su eklemek gerekir. Bu sebeple önemli tesislerin hemen hepsinde Kondenser bulunmaktadır. Kondenser içindeki basıncı azaltmak sureti ile yoğuşma sıcaklığını düşürmek ve Rankine verimini iyileştirmek imkânı vardır. Kondenser içindeki boşluk bir vakum pompası yardımı ile yapılır. Vakum pompası bir miktar iş yapar, ayrıca yoğuşan buhar sıcaklığı düştükçe kondensere devrettirilen su miktarı artar. Buna rağmen verimin iyileşmesi ile de değerlendirilebilir bir kar sağlanmış olur. 39 Kondenser basıncının düşürülebileceği belirli sınırlar vardır. Kondenser basıncı soğutucu ortamın sıcaklığına karşı gelen doyma basıncından daha düşük olmamalıdır. Şekil 5.4. Kondenser basıncının düşürülmesinin sistem performansı üzerindeki etkisi [39]. 5.3.2. Buharın kızdırılması Buhara ısının verildiği ortalama sıcaklık, kazan basıncı yükseltilmeden buharın kızgın buhar bölgesinde daha yüksek sıcaklıklara yükseltilmesi ile arttırılabilir. Şekil 5.3 de buharın kızdırılmasının çevrim verimine etkisi açıkça gösterilmektedir. Buharın kızdırılması ile türbin çıkışındaki buhar kuruluk derecesinde artış gözlemlenmektedir. Buharın kızdırılabileceği maksimum sıcaklık belirli ölçütlere göre belirlenmektedir. Türbin ve kazan da kullanılan malzeme sistemin geneline etkileri incelendiğinde şu anki teknoloji ile buhar sıcaklığı 620 ºC dolaylarına yükseltilebilinmektedir [39]. 40 Şekil 5.5. Buharın kızdırılmasının sistem performansı üzerindeki etkisi [39]. 5.3.3. Kazan basıncının yükseltilmesi Çevrime ısı girişi sırasında ortalama sıcaklığın yükseltilmesinin diğer bir yolu ise kazan çalışma basıncının yükseltilmesidir. Kazan basıncının yükseltilmesi ile buharlaşmanın gerçekleşeceği sıcaklıkta kendiliğinden yükselmiş olur. Böylelikle buhara ısının verildiği ortamdaki ortalama sıcaklık ve çevrim verimi yükseltilmiş olur. Şekil 5.5 de kazan basıncının yükseltilmesinin çevrim verimine etkisi görülmektedir [39]. Şekil 5.6. Buharın basıncının yükseltilmesinin sistem performansı üzerindeki etkisi [39]. 41 Türbin giriş sıcaklığının sabit tutulması durumunda çevrimin sola doğru kaydığı ve türbin çıkışında buharın kuruluk derecesinin azaldığı gözlemlenmektedir. 5.3.4. Rankine çevrimi dışında yapılabilecek iyileştirmeler Rankine çevrimi dışında da bazı tedbirler alınarak buhar tesisatının verimini iyileştirmenin yolları vardır. Son yıllarda alınan bazı tedbirler sayesinde Kilowattsaat başına kömür tüketimi %50 oranında azalmıştır. Bu tedbirlerden biri regeneratif besleme suyu ısıtmasıdır. Kondenser suyu kazana basıldığı zaman, soğuk su ile kazandaki sıcak su karışır ve bu karışıma aksedilebilir olmadığı gibi kullanılabilir ısıyı azaltmak suretiyle verimi düşürür. Besleme suyunun kazana verilmeden önce ısıtılması verimi yükseltmektedir. Buhar türbini ile çalışan büyük termik santrallerde ekonomik çalışmaya imkan sağlayan bu yöntem, türbinden ara buhar almak sureti ile besleme suyunu önceden ısıtmaktadır. Bu yönteme regeneratif yöntem denilmektedir. Diğer taraftan rankine çevrimini carnot çevriminden ayıran bir nokta da rankine çevriminde Şekil 5.7 de gösterilen EA boyunca eklenen ısıdır. Bu da ilave bir entropi değişimi meydana getirir ve kullanılabilir enerji miktarını azaltır. Şekil 5.7. Ara buhar alma işlemi için T-s diyagramı. 42 5.4. Termik Santral Hakkında Genel Bilgiler Yeniköy Termik Santrali Muğla Sekköy İkizköy Havzasında bulunan düşük kalitedeki kömürden faydalanılması amacıyla 1986 yılında üretime başlamıştır. Santral 2x210 MW gücündeki iki adet ünite ile üretim yapmaktadır. Santralde bulunan 1. ünite 1986 2. ünite ise 1987 yılında üretime başlamıştır. Santralin buhar akış şeması Şekil 5.8 de gösterilmiştir. Santralde mevcut olan ana bileşenler kazan, kondenser, yüksek basınç türbini (YBT), orta basınç türbini (OBT), alçak basınç türbini (ABT), besleme suyu ısıtıcıları ve pompalardır. Buhar akış şeması üzerinde oluşturulan kritik noktalar için termodinamik özellikler Çizelge 5.2 de verilmiştir. Ayrıca santralin çalışma koşulları ve kullanılan linyitin özellikleri Çizelge 5.3 de belirtilmiştir. Çizelge 5.2 ve 5.3 de verilen değerler 8 Ağustos 2011 tarihinde santralde bulunan kumanda odasından ve mahalde bulunan ölçüm cihazlarından alınmış olup anlık çalışma değerleridir. Termik santral 1600 – 2400 kcal/kg değerinde yılda 3 400 000 ton linyit kömürü yakma kapasitesine sahiptir. Santral için gerekli kullanma ve katma suyu, Dereköy su kaynağı ile Geyik Barajından temin edilmektedir. Termik santralde söz konusu linyit kömürü yakılarak yılda 2,7 milyar kWh elektrik üretimi yapılabilir. Üretilen elektrik enerjisi 154 ve 380 kV’lik enerji nakil hatları ile enterkonnekte sisteme verilmektedir. Santralde Kazan’a 11 numaralı düğüm noktasından 243°C sıcaklık 15,7 MPa basınç ve 636000 kg/h kütlesel debi ile giren su ilk kızdırma sonucu 12 numaralı düğüm noktasından 536°C sıcaklık ve 13 MPa basınç ile kızgın buhar olarak çıkıp yüksek basınç türbinine gönderilmektedir. Buhar, 13 numaralı düğüm noktasından 330°C sıcaklık, 2,7 MPa basınç ve 536000 kg/h kütlesel debi ile yüksek basınç türbininden çıkıp tekrar kızdırma işlemi için kazana gönderilmektedir. Kazanda tekrar kızdırılan buhar 14 numaralı düğüm noktasından 535°C sıcaklıkla, 2,4 MPa basınç ve 536000 kg/h kütlesel debi ile orta basınç türbinine gönderilmektedir. Kazanda yakılan yakıtın miktarı 3500 ton/gün ve alt ısıl değeri ise yaklaşık 2300 kcal/kg dır. Ayrıca yakıtın yanması için gerekli hava miktarı 770000 m3/h dır. Yanma sonucu bacadan 1063000 m3/h egzoz gazı atılmaktadır. 43 Kazandan çıkan kızgın buhar 12 ve 14 numaralı hatlardan sırsı ile yüksek basınç ve alçak basınç türbinlerine giriş yapmaktadır. Atık buhar 16 numaralı hattan 41°C sıcaklık, 0,007 MPa basınç ve 417000 kg/h kütlesel debi ile çıkıp kondensere gönderilmektedir. Ayrıca yüksek basınç türbininden 18 ve 19 numaralı hatlar vasıtası ile yüksek basınç besleme suyu ısıtıcılarına ara buhar alınmaktadır. Ayrıca türbinin orta basınç kademesinden 20, 21 ve 22 numaralı hatlardan sırasıyla yüksek basınç besleme suyu ısıtıcılarına, degazöre ve alçak basınç belsem suyu ısıtıcılarına ara buhar alınmaktadır. Türbinin orta basınç ve alçak basınç kademelerinden sırasıyla 23, 24 ve 25 numarlı hatlardan alçak basınç besleme suyu ısıtıcılarına da ara buhar alınmaktadır. Türbinden 16 numaraları hatla çıkan buhar kondensere girmekte ve buradan 17 numaralı hatla kondenser besleme pompalarına iletilmektedir. Pompalarda sıkıştırılan doymuş su 1 numaralı hat üzerinden alçak basınç ısıtıcılarına iletilmektedir. 1 numaralı hat ile alçak basınç ısıtıcılarına iletilen doymuş su 6 numaralı hat ile degazöre gönderilmektedir. Buradan 7 numaralı hat üzerinden kazan besleme pompalarına gönderilmektedir. Pompalar da basıncı yükseltilen doymuş su ön ısıtma için yüksek basınç besleme suyu kademesine gönderilir. Burada su önce 16 MPa basınç 636000 kg/h ile 220°C sıcaklığa ulaşır. Daha sonra suyun sıcaklığı 15,7 MPa basınçta 636000 kg/h kütlesel debide 243°C sıcaklığa yükseltirlersek kazana gönderilir. Şekil 5.8. Termik santralin buhar akış şeması. 44 45 Çizelge 5.2. Termik santraldeki kritik noktalar için termodinamik özelikler. To = 298,15 K, Po =101,3 kPa Nokta T (0C) P (MPa) m (t/h) h S Enerji ex (kj/kg) (kj/kg.K) (kj/kg) (kj/kg) Toplam Ekserji 1 40 2,0 417,0 167,6 0,5725 19410 177 16467 2 60 2,0 417,0 251,1 0,8312 29089 922 17212 3 102 2,0 417,0 427,5 1,3293 49516 4147 20437 4 102 2,0 417,0 427,5 1,3293 49516 4147 20437 5 122 2,0 417,0 512,2 1,5491 59332 6372 22662 6 143 2,0 417,0 602,0 1,7701 69735 9142 25432 7 158 16,0 636,0 666,9 1,9226 117814 17366 42212 8 160 16,0 636,0 675,6 1,9427 119347 17841 42686 9 182 16,0 636,0 772,1 2,1589 136401 23506 48352 10 220 16,0 636,0 943,7 2,5178 166713 34914 59760 11 243 15,7 636,0 1 051,7 2,7289 185797 42879 67724 12 536 13,0 636,0 3 429,5 6,6555 605871 256127 280972 13 330 2,7 536,0 3 074,2 6,7215 457716 160032 180972 14 535 2,4 536,0 3 541,6 7,4403 527297 197706 218645 15 170 0,120 430,0 2 814,7 7,6355 336196 64833 81631 16 41 0,007 417,0 2 503,9 8,0096 290034 13955 30246 17 40 0,8 417,0 167,6 0,5725 19414 181 16471 18 358 4,0 31,0 3 111,9 6,6120 26797 9861 11072 19 313 2,6 47,0 3 036,5 6,6743 39643 13724 15560 20 485 1,5 32,0 3 440,5 7,5257 30582 10679 11928 21 443 1,2 23,0 3 353,4 7,5058 21425 7157 8055 22 327 0,5 13,0 3 120,1 7,5530 11267 3152 3659 23 260 0,3 17,0 2 987,9 7,5537 14110 3497 4160 24 180 0,2 28,0 2 832,8 7,5809 22033 4489 5583 25 65 0,0 13,0 272,1 0,8935 982 37 545 26 215 4,0 31,0 920,6 2,4714 7928 1623 2833 27 195 2,6 78,0 830,0 2,2835 17983 3333 6379 28 175 1,2 23,0 741,2 2,0909 4735 782 1680 29 120 0,5 36,0 503,7 1,5276 5037 529 1935 30 95 0,3 53,0 398,0 1,2500 5859 441 2511 31 75 0,2 81,0 313,9 1,0155 7063 355 3519 32 75 0,5 81,0 318,1 1,0274 7158 370 3534 33 40 0,0 13,0 167,6 0,5725 605 5 513 34 22 0,4 11 000,0 92,3 0,3250 282088,9 219 429951 35 29 0,4 1 1000,0 122,1 0,4247 373205,6 507 430240 46 Çizelge 5.3. Termik santralde kullanılan yakıtın özelikleri ve çalışma parametreleri. Yakıt Bileşenleri Değer, (%) Çalışma Parameteleri Değer C S H N O W A V LHV 41,5 3,5 2,25 0,66 9,0 14,73 28,6 26,4 2300 kcal/kg Yakıtın Kütlesi Yakma Havası Miktarı Buhar Akış Oranı Buhar Sıcaklığı Buhar Basıncı Baca Gazı Çıkış Debisi Atık Gaz Sıcaklığı Besleme Suyu Sıcaklığı 3500 t/h 770000 m³/h 636 ton/h 535 ºC 13,63MPa 1063000 m³/h 145 ºC 243 ºC 5.5. Termik Santral’e Enerji Analizi Uygulanması Kazan için enerji analizi, S3 12 S1 14 S2 13 11 Şekil 5.9. Kazan için giren ve çıkan enerjiler Kazan için kütle dengesi, g m ç m 11 m 13 m 12 m 14 m Kazan için enerji dengesi, 47 . E . g . . . Q Eç W (Kazanda iş üretimi olmadığı için W 0 alınır.) g ç . . Q Q kazan Kazanda meydana gelen ısıl kayıp, . . . . . . . . Q kazan m yak .H u m hava .hhava m11 .h11 m13 .h13 m12 .h12 m14 .h14 m yu . h yu denklemi ile elde edilir. Türbin için enerji analizi, 12 14 20 13 16 18 19 21 22 23 24 25 Şekil 5.10. Türbin için giren ve çıkan enerjiler Türbin için kütle dengesi, g m ç m 12 m 14 m 13 m 16 m 18 m 19 m 20 m 21 m 22 m 23 m 24 m 25 m denklemi ile elde edilir. Türbin için enerji dengesi, 48 . . . . Q türbin W m h m h ç . . g . . Q türbin W m h m h ç g Türbinde meydana gelen enerji kaybı, . . . . . . . . m13 .h13 m18 .h18 m19 .h19 m 20 .h20 m 21 .h21 m 22 .h22 m 23 .h23 m 24 .h24 Q türbin W . . m 25 .h m16 .h 25 16 . . . . m12 .h12 m14 .h14 denklemi ile elde edilir. Kondenser için enerji analizi, 16 34 35 33 17 Şekil 5.11. Kondenser için giren ve çıkan enerjiler Kondenser için kütle dengesi, g m ç m 16 m 33 m 34 m 17 m 35 m 49 denklemi ile elde edilir. Kondenser için enerji dengesi, . . . . . Q W m h m h ( Kondenserde iş üretimi olmadığı için W 0 alınır.) ç g Kondenserde meydana gelen enerji kaybı, . . Q Q kondenser . . . . . . Q kondenser = m16 .h16 m 33 .h33 m 34 .h34 m17 .h17 m 35 .h35 denklemi ile hesaplanabilir. Alçak basınç ısıtıcıları için enerji analizi, 25 1 2 33 Şekil 5.12. RH 10 için giren ve çıkan enerjiler RH 10 için kütle dengesi, g m ç m 1 m 25 m 2 m 33 m 50 denklemi ile elde edilir. RH 10 için enerji dengesi, . . . Q mh mh ç . g . . . . Q W m h m h (Isıtıcıda iş üretimi olmadığı için W 0 alınır.) ç g RH 10 da meydana gelen enerji kaybı, . . Q Q RH 10 . . . . . Q RH 10 m1 .h1 m 25 .h25 m 2 .h2 m 33 .h33 denklemi ile hesaplanır. RH 20 için kütle dengesi, g m ç m 2 m 24 m 30 m 3 m 31 m denklemi ile elde edilir. RH 20 için enerji dengesi, 51 . . . Q mh mh ç . g . . . . Q W m h m h (Isıtıcıda iş üretimi olmadığı için W 0 alınır.) ç g RH 20 de meydana gelen enerji kaybı, . . Q Q RH 20 . . . . . . Q RH 20 m 2 .h2 m 24 .h24 m 30 .h30 m 3 .h3 m 31 .h31 denklemi ile hesaplanır. RH 30 için kütle dengesi, g m ç m 4 m 23 m 29 m 5 m 30 m denklemi ile elde edilir. RH 30 için enerji dengesi, . . . Q mh mh ç . g . . . . Q W m h m h (Isıtıcıda iş üretimi olmadığı için W 0 alınır.) ç g 52 RH 30 da meydana gelen enerji kaybı, . . Q Q RH 30 . . . . . . Q RH 30 m 4 .h4 m 23 .h23 m 29 .h29 m 5 .h5 m 30 .h30 denklemi ile hesaplanır. RH 40 için kütle dengesi, g m ç m 5 m 22 m 28 m 6 m 29 m denklemi ile elde edilir. RH 40 için enerji dengesi, . . . Q mh mh ç . g . . . . Q W m h m h (Isıtıcıda iş üretimi olmadığı için W 0 alınır.) ç g RH 40 da meydana gelen enerji kaybı, . . Q Q RH 40 53 . . . . . . Q RH 40 m 5 .h5 m 22 .h22 m 28 .h28 m 6 .h6 m 29 .h29 denklemi ile hesaplanır. Degazör için enerji analizi uygulaması, 8 21 27 7 Şekil 5.13. Degazör için giren ve çıkan enerjiler Degazör için kütle dengesi, g m ç m 6 m 21 m 27 m 7 m denklemi ile elde edilir. Degazör için enerji dengesi, . . . Q mh mh ç . g . . . . Q W m h m h (Isıtıcıda iş üretimi olmadığı için W 0 alınır.) ç g 54 Degazör de meydana gelen enerji kaybı, . . Q Q Degazör . . . . . Q Degazör m 6 .h6 m 21 .h21 m 27 .h27 m 7 .h7 denklemi ile hesaplanır. Yüksek basınç ısıtıcıları için enerji analizi, 9 20 8 28 Şekil 5.14. RH 50 için giren ve çıkan enerjiler RH 50 için kütle dengesi, g m ç m 8 m 20 m 9 m 28 m denklemi ile elde edilir. RH 50 için enerji dengesi, 55 . . . Q mh mh ç . g . . . . Q W m h m h (Isıtıcıda iş üretimi olmadığı için W 0 alınır.) ç g RH 50 de meydana gelen enerji kaybı, . . Q Q RH 50 . . . . . Q RH 50 m8 .h8 m 20 .h20 m 9 .h9 m 28 .h28 denklemi ile hesaplanır. RH 60 için kütle dengesi, g m ç m 10 m 18 m 11 m 26 m denklemi ile elde edilir. RH 60 için enerji dengesi, . . . Q mh mh ç . g . . . . Q W m h m h (Isıtıcıda iş üretimi olmadığı için W 0 alınır.) ç g 56 RH 60 da meydana gelen enerji kaybı, . . Q Q RH 60 . . . . . Q RH 60 m10 .h10 m18 .h18 m11 .h11 m 26 .h26 denklemi ile hesaplanır. 5.6. Termik Santral’e Ekserji Analizi Uygulanması Ekserji analizinin yapılabilmesi için çevre şartları olarak To = 298,15 K, Po =101,3 kPa referans olarak alınmıştır. Her bir santral bileşeni için tersinmezlikler, yüzde ekserji kayıpları ve ikinci yasa verimleri hesaplanmıştır. Ayrıca 5ºC ile 30ºC arasında değişen 6 ayrı sıcaklık değeri için bu değerler hesaplanmış ve çevre sıcaklığının değişiminin sistem performansına etkileri incelenmiştir. Öncelikle santralde belirlenen 35 kritik nokta için ekserjiler hesaplanmalıdır. 1 numaralı kritik noktası için ekserji değeri, Nokatanın kimyasal ekserjisi, . . y P e xkim RT0 l n i Pd Denklemi yardımıyla hesaplanır. Burada Pd 0,0317bar , yi 0,0088 , Pd 1bar olarak belirtilmiştir. Daha sonra aynı noktanın termomekaniksel ekserjisi, . e xterm (h h0) T0 ( s s 0) 57 . e xterm (h1 h0 ) T0 ( s1 s0 ) denklemleri ile hesaplanır, Kritik noktanın toplam ekserjisi ise . . . e xtop1 e xkim e xterm . . y P e xtop1 (h1 h0 ) T0 ( s1 s0 ) RT0 l n i Pd . . . E xtop1 e xtop .m1 denklemleri ile hesaplanır. Çizelge 5.4. Santraldeki 35 kritik nokta için toplam ekserji değerleri. Nokta 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Toplam Ekserji, kW 278,15 K 283,15 K 288,15 K 293,15 K 298,15 K 303,15 K 17275 18619 22998 22998 25732 29014 48213 48759 55189 67865 76575 303697 200320 240134 99336 48282 17278 17010 18205 22295 22295 24902 28056 46617 47145 53384 65743 74267 297920 195402 234681 94845 43711 17014 16789 17834 21636 21636 24115 27142 45088 45598 51645 63688 72025 292210 190540 229284 90399 39182 16793 16608 17503 21016 21016 23368 26267 43619 44111 49968 61693 69844 286560 185730 223938 85994 34694 16612 16468 17213 20438 20438 22662 25433 42212 42687 48353 59761 67725 280973 180972 218646 81631 30246 16471 16369 16964 19900 19900 21998 24640 40868 41325 46800 57891 65669 275448 176267 213405 77311 25840 16372 58 Çizelge 5.4. (Devam) Santraldeki 35 kritik nokta için toplam ekserji değerleri. 12172 17245 13227 8986 4189 4853 6727 593 3221 7272 1919 2196 2813 3876 3896 539 436115 442496 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 11893 16816 12897 8750 4055 4677 6437 579 3119 7037 1856 2126 2730 3774 3793 530 432917 437775 11616 16393 12571 8516 3922 4503 6150 567 3021 6811 1795 2059 2652 3682 3699 523 430867 434202 Kazan için ekserji analizi, S3 12 S1 14 S2 13 11 Şekil 5.15. Kazan için giren ve çıkan ekserjiler Kazan’a giren ekserjiler, . . . E x g E x11 E x13 S1 S 2 . S1 E x yakıa 11343 15974 12248 8285 3790 4331 5865 555 2926 6591 1737 1995 2579 3597 3613 518 429869 431681 11072 15560 11929 8055 3660 4161 5583 545 2834 6380 1681 1936 2511 3519 3535 513 429952 430241 10805 15151 11612 7828 3531 3992 5304 536 2745 6176 1627 1879 2449 3450 3464 510 431116 429881 59 . S 2 E xhava . . . . . E x g E x11 E x13 E x yak E xhava denklemleri ile hesaplanır. Kazan’dan çıkan ekserjiler, . . . . E xç E x12 E x14 S 3 E xQ,kazan . S 3 E x yu . . . . . E xç E x12 E x14 E x yu E xQ,kazan denklemleri ile hesaplanır. Kazan’da oluşan tersinmezlik, . . . I kazan E x g E xç denklemi ile hesaplanır. Kazanın ikinci yasa verimi ise, . . II ,kazan 1 . E xç E x g . E x yak 60 Formülü ile hesaplanır. Türbin için ekserji analizi, 20 13 16 18 21 22 19 23 24 25 Şekil 5.16. Türbin için giren ve çıkan ekserjiler Türbin’e giren ekserjiler, . . . E x g E x12 E x14 Türbin’den çıkan ekserjiler, . . . . . . . . . . . E xç E x13 E x16 E x18 E x19 E x20 E x 21 E x22 E x 23 E x 24 E x 25 . . W t E x Q ,t denklemleri ile hesaplanır. Türbinde meydana gelen tersinmezlik ise, . . . I türbin E x g E xç denklemi ile hesaplanır. Buradan Türbinin ikinci yasa verimi ise, 61 . . II ,türbin 1 I türbin . Wnet denklemi ile hesaplanır. Kondenser için ekserji analizi, 16 34 35 17 33 Şekil 5.17. Kondenser için giren ve çıkan ekserjiler. Kondensere’e giren ekserjiler, . . . . E x g E x16 E x33 E x34 denklemi ile bulunur. Kondenser’den çıkan ekserjiler, . . . . E xç E x17 E x35 E xQ,kondenser denklemleri ile hesaplanır. Kondenserde meydana gelen tersinmezlik ise, 62 . . . I kondenser E x g E xç denklemi ile hesaplanır. Buradan Kondenserin ikinci yasa verimi ise, . . II ,kondenser 1 I kondenser . E xg denklemi ile hesaplanır. Alçak basınç ısıtıcıları için ekserji analizi, 25 1 2 33 Şekil 5.18. RH 10 için giren ve çıkan ekserjiler RH10’a giren ekserjiler, . . . E x g E x1 E x25 denklemi ile bulunur. RH10’dan çıkan ekserjiler, . . . . E xç E x2 E x33 E xQ, RH 10 63 denklemleri ile hesaplanır. RH10’da meydana gelen tersinmezlik ise, . . . I RH 10 E x g E xç denklemi ile hesaplanır. Buradan RH10’ un ikinci yasa verimi ise, . . II , RH 10 1 I RH 10 . E xg denklemi ile hesaplanır. RH20’ye giren ekserjiler, . . . . E x g E x2 E x24 E x30 denklemi ile bulunur. RH20’den çıkan ekserjiler, . . . . E xç E x3 E x31 E xQ, RH 20 denklemleri ile hesaplanır. RH20’de meydana gelen tersinmezlik ise, 64 . . . I RH 20 E x g E xç denklemi ile hesaplanır. Buradan RH20’ nin ikinci yasa verimi ise, . . II , RH 20 1 I RH 20 . E xg denklemi ile hesaplanır. RH30’a giren ekserjiler, . . . . E x g E x4 E x23 E x29 denklemi ile bulunur. RH30’dan çıkan ekserjiler, . . . . E xç E x5 E x30 E xQ, RH 30 denklemleri ile hesaplanır. RH30’da meydana gelen tersinmezlik ise, . . . I RH 30 E x g E xç denklemi ile hesaplanır. 65 Buradan RH30’ un ikinci yasa verimi ise, . . II , RH 30 1 I RH 30 . E xg denklemi ile hesaplanır. RH40’a giren ekserjiler, . . . . E x g E x5 E x22 E x28 denklemi ile bulunur. RH40’dan çıkan ekserjiler, . . . . E xç E x6 E x29 E xQ, RH 40 denklemleri ile hesaplanır. RH40’da meydana gelen tersinmezlik ise, . . . I RH 40 E x g E xç denklemi ile hesaplanır. Buradan RH40’ un ikinci yasa verimi ise, . . II , RH 40 1 I RH 40 . E xg 66 denklemi ile hesaplanır. Degazör için ekserji analizi, 8 21 27 7 Şekil 5.19. Degazör için giren ve çıkan ekserjiler Degazör’e giren ekserjiler, . . . . E x g E x6 E x21 E x27 denklemi ile bulunur. Degazör’den çıkan ekserjiler, . . . E xç E x7 E xQ,dea denklemleri ile hesaplanır. Degazör’de meydana gelen tersinmezlik ise, . . . I deg azör E x g E xç denklemi ile hesaplanır. 67 Buradan Degazör’ün ikinci yasa verimi ise, . . II ,deg azör 1 I deg azör . E xg denklemi ile hesaplanır. Yüksek basınç ısıtıcıları için ekserji analizi, 9 20 8 28 Şekil 5.20. RH 50 için giren ve çıkan ekserjiler RH50’ye giren ekserjiler, . . . E x g E x8 E x20 denklemi ile bulunur. RH50’den çıkan ekserjiler, . . . . E xç E x9 E x28 E xQ, RH 50 denklemi ile hesaplanır. 68 RH50’de meydana gelen tersinmezlik ise, . . . I RH 50 E x g E xç denklemi ile hesaplanır. Buradan RH50’nin ikinci yasa verimi ise, . . II , RH 50 1 I RH 50 . E xg denklemi ile hesaplanır. RH60’a giren ekserjiler, . . . E xg E x10 E x18 denklemi ile bulunur. RH60’dan çıkan ekserjiler, . . . . E xç E x11 E x26 E xQ,RH 60 denklemi ile hesaplanır. RH60’da meydana gelen tersinmezlik ise, . . . I RH 60 E x g E xç , Denklemi ile hesaplanır. 69 Buradan RH60’ın ikinci yasa verimi ise, . . II , RH 60 1 I RH 60 . E xg denklemi ile hesaplanır. Alçak basınç ısıtıcıları için toplam tersinmezlik ise, . . . . . . . E xg ,Toplam E xg RH 10 E xg RH 20 E xg RH 30 E xg RH 40 . . . E xç,Toplam E xç RH 10 E xç RH 20 E xç RH 30 E xç RH 40 Buradan, . . . I Toplam, ABI E x g ,Toplam E xç,Toplam denklemi ile hesaplanır. Alçak basınç ısıtıcılarının toplam ikinci yasa verimi ise, . . II ,Toplam, ABI 1 I Toplam, ABI . E x g ,Toplam denklemi ile hesaplanır. Yüksek basınç ısıtıcıları için toplam tersinmezlik ise, 70 . . . . . . . . . E x g ,Toplam E x g RH 50 E x g RC 50 E x g RH 60 . E xç,Toplam E xç RH 50 E xç RC 50 E xç RH 60 Buradan, . I Toplam,YBI E x g ,Toplam E xç ,Toplam Yüksek basınç ısıtıcılarının toplam ikinci yasa verimi ise, . . II ,Toplam,YBI 1 I Toplam,YBI . E x g ,Toplam denklemi ile hesaplanır. 71 6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER 6.1 Sonuçlar Linyit yakan Yeniköy Termik Santraline termodinamik analiz uygulanmıştır. Enerji ve ekserji analizi sonuçları bu bölümde ayrıntılı olarak değerlendirilecektir. Öncelikle sistemin her bir bileşeni için ve çevrimin bütünü için enerji kayıpları, yüzde enerji kayıpları ve birinci yasa verimleri hesaplanmıştır. Yapılan enerji analizi sonucunda en fazla enerji kaybı 180109 kW ile kondenserde meydana gelmiştir. Kondenseri 42616 kW ile kazan takip etmektedir. Türbinde meydana gelen enerji kaybı 8581 kW iken bu değer alçak basınç ısı değiştiricileri için 1215 kW’dır. Yüksek basınç ısı değiştiricilerinde oluşan enerji kaybı 3432 kW, degazörde meydana gelen kayıp ise 487 kW olarak hesaplanmıştır. Sistemin bütününde meydana gelen toplam enerji kaybı 237967 kW olarak hesaplanmıştır. Çizelge 6.1 de sisteme giren, çıkan ve meydana gelen enerji kayıpları gösterilmiştir. Çizelge 6.1. Termik santralde meydana gelen enerji kayıpları. Ünite Giren Enerji, kW Çıkan Enerji, kW Enerji Kaybı, kW Kazan 1205877 1163261 42616 Türbin 1133169 1124588 8581 Kondenser 572728 392619 180109 A.B.I 71555 70340 1215 Y.B.I 207212 203780 3432 Degazör 118300 117814 487 Pompalar 137227 138757 1530 Toplam 3446068 3211160 237968 Sistemdeki mevcut üniteler içinde en fazla enerji kaybının kondenserde meydana gelmesinin sebebi kondenserin sistemden ısı atan bileşen olmasıdır. Kazanda meydana gelen enerji kaybının nedeni ise yüksek sıcaklıkta yanma olayıdır. 72 Sistemde meydana gelen enerji kayıplarının sisteme verilen enerjiye göre yüzde oranlarına bakıldığında ise en yüksek yüzde kayıp kondenserde %46,24 olarak görülmektedir. Kazan da meydana gelen yüzde kayıp ise %10,94 olarak hesaplanmıştır. Çizelge 6.2 de sistemde meydana gelen yüzde kayıplar gösterilmiştir. Çizelge 6.2. Santralde meydana gelen yüzde enerji kayıpları ve birinci yasa verimleri Ünite Giren Çıkan Enerji Yüzde Birinci Enerji, Enerji, Kaybı, Enerji Yasa kW kW kW Kazan 1205877 1163261 42616 10,94 89,06 Türbin 1133169 1124588 8581 2,20 88,90 Kondenser 572728 392619 180109 46,25 68,55 A.B.I 71555 70340 1215 0,31 98,30 Y.B.I 207212 203780 3432 0,88 98,34 Degazör 118300 117814 487 0,12 99,60 Pompalar 137227 138757 1530 0,39 98,90 Toplam 3446068 3211160 237968 61,10 38,90 kaybı,(%) Verimi,(%) Sistemin ve sistem bileşenlerinin birinci yasa verimlerine bakıldığında ise en yüksek verimlerin en az enerji kayıplarının olduğu bileşenlerde olduğu görülmektedir. Alçak basınç ısı değiştiricilerinin birinci yasa verimi %98,30, yüksek basınç ısıtıcılarının verimi, %98,34, degazörün birinci yasa verimi ise %99,60 olarak hesaplanmıştır. En yüksek ısı kaybının meydana geldiği kondenserin birinci yasa verimi %68,55 iken yüksek sıcaklıkta yanmanın meydana geldiği kazanın birinci yasa verimi, %89,06 olarak hesaplanmıştır. Santralin ana işleticisi olan türbinin birinci yasa verimi ise %88,9 olarak hesaplanmıştır. Şekil 6.1, Şekil 6.2 ve Şekil 6.3 de sırasıyla meydana gelen enerji kayıpları, yüzde enerji kayıpları ve birinci yasa verimleri gösterilmektedir. 73 Enerji Kaybı, kW 1000000 100000 10000 1000 100 10 1 Kazan Türb. Kond. A.B.I Y.B.I Dea. Pomp. Toplam Şekil 6.1. Termik santralde meydana gelen enerji kayıpları. Şekil 6.1 de gösterildiği gibi en yüksek enerji kaybı kondenserde oluşmuştur. Kondenseri sırasıyla kazan, türbin ve besleme suyu ısıtıcıları izlemektedir. Sisteme giren enerjiye göre yüzde kayıplara bakıldığında yine en yüksek yüzde değerin kondenserde olduğu belirlenmiştir. Yüzde Enerji Kaybı, % 100 10 1 0 Kazan Türb. Kond. A.B.I Y.B.I Dea. Pomp. Toplam Şekil 6.2. Sisteme verilen enerjiye göre yüzde enerji kayıpları. 74 Birinci Yasa Verimi, % 100 80 60 40 20 0 Kazan Türb. Kond. A.B.I Y.B.I Dea. Pomp. Toplam Şekil 6.3. Çevrimin ve bileşenlerin birinci yasa verimleri. Sistemde meydana gelen enerji kayıplarının azaltılması verimin yükselmesini sağlayacaktır. Bu nedenle enerji analizi sonuçlarının çevrimin genelinden ziyade her bir bileşen için ayrı değerlendirilmesi gerekir. Sistem veriminin arttırılması gerekli düzenlemelerin yapılabilmesi için enerji analizi sonuçları tek başına yeterli olmamakla birlikte bir ölçüde genel bir yargı oluşturabilir. Kazana giren enerjiye göre sistemde meydana gelen enerji kayıplarını sistemin çalışma sırasına göre veren Sankey diyagramı Şekil 6.4 de verilmiştir. Genel bir ifade ile Sankey diyagramlarında kullanılan okların genişliği akış miktarı ile orantılı olarak kullanılır. Genel olarak sistemde meydana gelen kayıplardan oluşan maliyeti hesaplamada yardımcı olarak kullanılırlar. Yaygın olarak Sankey diyagramları bölgesel ve ulusal düzeyde enerji hesapları ve malzeme akış oranını belirlemek için kullanılır. Sankey diyagramları bir sistemdeki önemli transferlere ve akımlara görsel vurgu yapan iki boyutlu akış diyagramlarıdır. Şekil 6.4. Enerji denge diyagramı ( Sankey diyagramı) To = 298,15 K, Po = 101,3 kPa I(Kazan), II(Türbin), III(Kondenser), IV(Isıtıcılar), V(Pompalar) 75 76 Termodinamik analizin ekserji analizi bölümünde çevre şartları To = 298,15 K, Po = 101,3 kPa olarak referans alınmıştır. Referans çevre şartlarında santralde ve bileşenlerinde oluşan tersinmezlik hesaplanmıştır. Hesaplanan tersinmezliklerle birlikte yüzde ekserji kayıpları, ikinci yasa verimleri ve entropi üretim değerleri de hesaplanmıştır. Ayrıca değişen çevre şartlarının ekserji analizi üzerindeki etkileride incelenmiştir. Çizelge 6.3 de santralde bulunan bileşenler için giren ve çıkan ekserjiler ile oluşan tersinmezlikler verilmiştir. Çizelge 6.3. Termik santralde oluşan tersinmezlikler. Ünite Giren Ekserji, kW Kazan 673275 432769 240506 Türbin 499619 481784 17835 Kondenser 460712 446712 14000 A.B.I 29871 25946 3925 Y.B.I 77375 75785 1590 Degazör 43741 42212 1529 Pompalar 58684 59155 471 1843277 1564364 279856 Toplam Çıkan Ekserji, kW Tersinmezlik, kW Santralde ve bileşenlerinde meydana gelen tersinmezliklere değişen çevre sıcaklığının etkisi incelendiğinde ise çevre sıcaklığındaki artışın toplam tersinmezliği arttırdığı görülmüştür. Ayrıca bileşenlerdeki tersinmezliklerin de çevre sıcaklığının artışı ile arttığı görülmektedir. Çevre sıcaklığı 5ºC iken santralde oluşan toplam tersinmezlik 274738 kW iken çevre sıcaklığı 30ºC ye çıkarıldığında toplam tersinmezlik 282173 kW olmaktadır. Bileşenler içinde durum farklı değildir. Kazanda çevre sıcaklığı 5ºC iken tersinmezlik 232227 kW iken çevre sıcaklığı 30ºC olduğunda tersinmezlik 242726 kW olmaktadır. Türbinde ise sırasıyla 5ºC ve 30ºC için tersinmezlikler 17236 kW ve 17988 kW olarak hesaplanmıştır. Diğer tüm bileşenler için bu durum aynı iken kondenserde bir farklılık gözlemlenmiştir. Bunun nedeni kondenserin sistemden ısı atan bileşen olması ve dış ortamdan yüksek akış 77 oranıyla soğutma suyu alması olarak gösterilebilir. Şekil 6.5 de değişen çevre şartlarının tersinmezlikler üzerindeki etkisi gösterilmiştir. Kazan Türbin Kondenser Isıtıcılar Pompalar Toplam 298 303 1000000 Tersinmezlik, kW 100000 10000 1000 100 278 283 288 293 Çevre Sıcaklığı, K Şekil 6.5. Değişen çevre şartlarının santralde oluşan tersinmezlikler üzerindeki etkisi. Besleme suyu ısıtıcılarında değişen çevre şartları altın tersinmezliğe bakıldığında Şekil 6.5 de görüldüğü gibi 5ºC de 6187 kW olan tersinmezlik 30ºC de 7242 kW dır. Pompalar için de değişim aynıdır. Çizelge 6.4 de santral ve bileşenlerinin tersinmezliklerine değişen çevre sıcaklıklarının etkisi daha ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Çizelge 6.4. Değişen çevre sıcaklığının tersinmezlik üzerindeki etkisi. Çevre Sıcaklığı, K 278 283 288 293 298 303 234206 236246 238346 240506 242726 Türbin 23222 7 17236 17383 17533 17683 17835 17988 Kondenser 18661 16869 16078 15288 14000 13712 Isıtıcılar 6187 6411 6628 6839 7044 7242 Pompalar 427 437 457 464 471 504 27473 275306 276941 278620 279856 282173 Ünite, (kW) Kazan Toplam 78 Santralde meydana gelen tersinmezliklerden ve santrale giren toplam ekserjiden faydalanılarak hesaplanan yüzde ekserji kaybına bakıldığında santralin toplam yüzde ekserji kaybı %67,79 olarak hesaplanmıştır. Yine bileşenler içinde en fazla yüzde kayıp %58,26 ile kazanda oluşmuştur. Kazanı % 4,32 ile türbin ve % 3,39 ile kondenser takip etmektedir. Çizelge 6.5 de değişen çevre sıcaklıklarında yüzde kayıplar ayrıntılı olarak verilmiştir. Çizelge 6.5. Değişen çevre sıcaklığının yüzde ekserji kaybı üzerindeki etkisi. Çevre Sıcaklığı, K 278 283 288 293 298 303 Kazan 56,25 56,73 57,23 57,74 58,26 58,80 Türbin 4,18 4,21 4,25 4,28 4,32 4,36 Kondenser 4,52 4,09 3,89 3,70 3,39 3,32 Isıtıcılar 1,50 1,55 1,61 1,66 1,71 1,75 Pompalar 0,10 0,11 0,11 0,11 0,11 0,12 Toplam 66,55 66,69 67,08 67,49 67,79 68,35 Ünite, (%) Çizelge 6.5 de görüldüğü üzere çevre sıcaklığındaki artış yüzde ekserji kaybında da artışa neden olmaktadır. Bu durum verimin düşmesinin nedenidir. 5ºC çevre sıcaklığında yüzde ekserji kaybı %66,55 iken 30ºC de %68,35 olarak hesaplanmıştır. Santralin bileşenleri içinde bu durum pek farklı değildir. Kazanda oluşan yüzde ekserji kaybı 5ºC ile 30ºC arasında %56,25 den %58,80 e çıkmaktadır. Türbine bakıldığında 30ºC de %4,36 olan yüzde kayıp 5ºC de %4,18 e düşmektedir. Fakat kondenserde tersinmezlikten dolayı tam tersi bir durum söz konusudur. Çevre sıcaklığındaki artış ile kondenserdeki yüzde kayıp azalmaktadır. 5ºC çevre sıcaklığında %4,52 olan yüzde kayıp 30ºC çevre sıcaklığında %3,32 olduğu görülmektedir. Isıtıcılarda ise çevre sıcaklığı 5ºC iken %1,50 olan yüzde kayıp çevre sıcaklığı 30ºC olduğunda %1,75 e yükselmektedir. Şekil 6.6 da değişen çevre sıcaklıklarının yüzde ekserji kaybına etkisi grafiksel olarak gösterilmiştir. 79 Kazan Isıtıcılar Türbin Pompalar Kondenser Toplam Yüzde Ekserji Kaybı,% 100 10 1 0 278 283 288 293 298 303 Çevre Sıcaklığı, K Şekil 6.6. Değişen çevre şartlarının yüzde ekserji kaybına etkisi. Termik santralin ikinci yasa verimi incelendiğinde santralin veriminin referans çevre şartlarında (To = 298,15 K, Po = 101,3 kPa) %32,21 olarak hesaplanmıştır. Santralde bulunan bileşenlerden kazanın ikinci yasa verimi yüksek sıcaklıkta yanmanın sebep olduğu tersinmezlikten dolayı %64,28 türbinin ikinci yasa verimi ise %91,51 olarak hesaplanmıştır. Kondenserin ikinci yasa verimi ise %96,96 dır. Çizelge 6.6 da santralin ve bileşenlerinin ikinci yasa verimleri ve değişen çevre sıcaklıklarının ikinci yasa verimine etkisi gösterilmiştir. Çizelge 6.6. Termik santralin değişen çevre sıcaklıklarında ikinci yasa verimi. Çevre Sıcaklığı, K 278 283 288 293 298 303 Kazan, (%) 66,66 66,08 65,49 64,89 64,28 63,66 Türbin, (%) 91,79 91,72 91,65 91,58 91,51 91,43 Kondenser,(%) 94,81 95,31 95,84 96,39 96,96 97,55 Isıtıcılar,( %) 96,35 96,11 95,86 95,60 95,33 95,06 Pompalar, (%) 72,38 71,78 70,47 70,01 69,54 67,45 Toplam, (%) 33,45 33,31 32,92 32,51 32,21 31,65 Ünite 80 Çizelge 6.6 da görüldüğü gibi çevre sıcaklığındaki artış tersinmezliklerin artmasına ve ikinci yasa veriminin düşmesine sebep olmaktadır. Başka bir deyişle çevre düşük çevre sıcaklığında sistem yüksek verimle çalışmaktadır. Çevre sıcaklığı 5ºC iken %33,45 olan ikinci yasa verimi 30ºC çevre sıcaklığında %31,65 e düşmektedir. Şekil 6.7 de çevre sıcaklığındaki değişimin ikinci yasa verimine etkisi grafiksel olarak gösterilmiştir. 100 İkinci Yasa Verimi, % 90 80 70 60 50 Kazan Isıtıcılar 40 Türbin Pompalar Kondenser Toplam 30 20 278 283 288 293 Çevre Sıcaklığı, K 298 303 Şekil 6.7. Değişen çevre sıcaklıklarının ikinci yasa verimine etkisi. Çevre sıcaklığının kazanın ikinci yasa verimine etkisine bakıldığında çevre sıcaklığındaki düşüşün ikinci yasa verimini arttırdığı görülmektedir. 5ºC de %66,66 olan kazan verimi 30ºC ise %63,66 ya düşmektedir. Türbinin ikinci yasa verimi 5ºC ile 30ºC arasında değişen 6 farklı sıcaklık için sırasıyla %91,79 ile % 91,43 arasında değişmektedir. Kondenserde ise oluşan tersinmezliklerden dolayı diğer bileşenlerin tam tersi bir davranış söz konusudur. 30ºC çevre sıcaklığında %97,55 olan ikinci yasa verimi 5ºC çevre sıcaklığında %94,81 e düşmektedir. Isıtıcıların ikinci yasa verimi 30ºC ile 5ºC arasında değişen çevre sıcaklıklarında %95,06 ile %96,35 arasında değişmektedir. Çizelge 6.7 de Çevre sıcaklığının tersinmezliklere ve ikinci yasa verimine etkisi daha detaylı olarak verilmiştir. 81 Çizelge 6.7. Değişen çevre sıcaklıklarının santralin ve bileşenlerinin tersinmezlikleri, ikinci yasa verimleri ve entropi üretimi üzerindeki etkisi. Çevre Sıcaklığı, ºC 5 ºC 10 ºC 15 ºC 20 ºC 25 ºC 30 ºC 232227 234206 236246 238346 240506 242726 66,66 66,08 65,49 64,89 64,28 63,66 834,90 827,14 819,87 813,05 806,66 800,68 17236 17383 17533 17683 17835 17988 91,79 91,72 91,65 91,58 91,51 91,43 61,97 61,39 60,85 60,32 59,82 59,34 18661 16869 16078 15288 14000 13712 94,81 95,31 95,84 96,39 96,96 97,55 67,09 59,58 55,80 52,15 46,95 45,23 6187 6411 6628 6839 7044 7242 96,35 96,11 95,86 95,60 95,33 95,06 22,24 22,64 23,00 23,33 23,63 23,89 274738 275306 276941 278620 279856 282173 33,45 33,31 32,92 32,51 32,21 31,65 987,73 972,30 961,10 950,43 938,64 930,80 Kazan Tersinmezlik, (kW) İkinci Yasa Verimi, (%) Entropi Üretimi,(kW/K) Türbin Tersinmezlik, (kW) İkinci Yasa Verimi, (%) Entropi Üretimi,(kW/K) Kondenser Tersinmezlik, (kW) İkinci Yasa Verimi, (%) Entropi Üretimi,(kW/K) Isıtıcılar Tersinmezlik, (kW) İkinci Yasa Verimi, (%) Entropi Üretimi,(kW/K) Toplam Tersinmezlik, (kW) İkinci Yasa Verimi, (%) Entropi Üretimi,(kW/K) 82 Termik santrale yapılan ekserji ve enerji analizi sonucunda en yüksek enerji kaybının 180109 kW ile kondenserde oluştuğu görülmektedir. Kondenseri kazan ve türbin takip etmektedir. Ekserji analizi sonucunda ise en yüksek tersinmezliğin kazanda oluştuğu görülmektedir. Değişen çevre sıcaklıkları enerji analizini etkilemezken artan çevre sıcaklığı tersinmezlikleri yükseltmektedir. Enerji Kaybı, kW Tersinmezlik, kW 300000 280000 260000 240000 220000 200000 278 283 288 293 298 303 Çevre Sıcaklığı, K Şekil 6.8. Değişen çevre sıcaklıklarının enerji kaybı ve tersinmezliğe etkisi. Sistemin birinci yasa verimi %38,90 olarak hesaplanmış olup birinci yasa veriminin sıcaklık değişiminden etkilenmediği görülmüştür. İkinci yasa verimi ise referans çevre şartları altında %32,21 olarak hesaplanmıştır. Birinci yasa veriminin aksine ikinci yasa verimi değişen çevre sıcaklıklarından etkilenmekte ve artan çevre sıcaklığında verim düşmektedir. Bu durum sistemin en iyi hangi çevre şartlarında yüksek performans gösterebileceğini bize göstermektedir. Ayrıca birinci ve ikinci yasa analizinin sonuçları birinci yasa analizinin bir termik sistemin performansının değerlendirilmesinde tek başına yeterli olmadığını da göstermektedir. Birinci ve ikinci yasa analizinin mutlaka birlikte değerlendirilmesi gerekmektedir. 83 Birinci yasa verimi, % İkinci yasa verimi, % 50 45 40 35 30 25 20 278 283 288 293 298 303 Çevre Sıcaklığı, K Şekil 6.9. Değişen çevre sıcaklıklarının birinci ve ikinci yasa verimine etkisi. 6.2 Öneriler Yapılan termodinamik analiz sonuçları sistem performansının geliştirilmesi için ve santral veriminin yükseltilmesi için kullanılabilir. Santralde kullanılan yakıttan tasarruf sağlanabilir ve ekonomik faydaya çevrilebilir. Santralin bakım, onarım ve işletme maliyetlerinin düşmesi de sağlayacaktır. Ayrıca santralin yapım yılı göz önüne alındığında sistemdeki bileşenlerin ve sistemin eski olması ısıl kayıpların artmasına yol açmaktadır. Bu durum sistemin daha sık revize edilmesine de neden olmaktadır. Termik santrallerde verimin yükseltilmesinin çeşitli yolları vardır. Buharın kızdırılması, yoğuşturucu basıncının düşürülmesi ve buhar basıncının buhar sıcaklığı sabit tutularak yükseltilmesi verimde artışı sağlayacaktır. Rankine çevrimi için verimin arttırılması Bölüm 5’te ayrıntılı olarak incelenmiştir. Özellikle tersinmezliğin fazla olduğu kazanda yüksek olan tersinmezliğin düşürülmesi hem kazan verimini, hem de santrali verimini arttıracaktır. Bu yüzden 84 kazan üzerinde bakım ve revizyonların belirli periyotlarla tekrarlanması gerekmektedir. Bilindiği üzere termik santraller Rankine çevrimi ile çalışmaktadır. Fakat en yüksek verim ile çalışan çevrimin Carnot olduğu bilinmektedir. Bu yüzden termik santrallerde verimi yükseltmek için bir başka deyişle verimi Carnot verimi seviyesine yükseltmek için ara buhar alma işlemi yapılır. Ara buhar alma işlemi türbinde genişleyen buharın bir bölümünün belirli noktalardan türbinden dışarı almaktır. Böylece genişleyerek iş yapabilecek buhar kazan besleme suyunu ısıtmak için kullanılmış olur. Ara buhar alma, çevrim verimini yükseltmenin yanı sıra, kazan besleme suyuna yoğuşturucuda karışmış olan havanın atılması için de uygun ortam oluşturur. Su buharına karışan havanın atılması kazanda paslanmanın önlenmesi açısından gereklidir. Ara buhar almanın bir başka yararı da türbindeki genişlemenin son aşamalarında özgül hacimdeki artıştan dolayı oluşan yüksek hacimsel debileri denetim altında tutmaktır. Bu nedenlerle ara buhar alma, buharlı güç santrallerinde uygulanmaktadır. h[kj/kg] QS.H QR.C 11 ∆hS.H 10’’ 17 18 13 12 ∆hR.C 20 21 22 ∆heco 10’ 10 23 24 24 16 15 Şekil 6.10. Yeniköy termik santrali için h-s diyagramı. S[kj/kg K] Ayrıca Şekil 6.11 da sistemde oluşan yüzde ekserji kayıplarını kazana giren ekserjiye göre gösteren 2 boyutlu bir akış şeması olan ekserji denge diyagramı(Grasssman diyagramı) verilmiştir. Şekil 6.11. Ekserji denge diyagramı ( Grassman diyagramı) To = 298,15 K, Po = 101,3 kPa I(Kazan), II(Türbin), III(Kondenser), IV(Isıtıcılar), V(Pompalar) 85 86 KAYNAKLAR 1. Wall, G., “Exergy – Auseful Concept”, PhD thesis, Chalmers Univercity of Technology, Göteborg, Sweden, 5-11 (1986). 2. Wall, G., “Exergy Flows in Indistrual Processes”, Energy, 13 (2): 197- 208 (1998). 3. Dinçer, I., “The Role of Exergy in Energy Policy Making”, Energy Policy, 30 (2): 137-149 ( 2002). 4. Sengupta, S., Data, A. and Duttagupta, S.,”Exergy Analysis of a Coal-based 210MW Thermal Power Plant”, Int. J. Energy Res., 31: 14–28 (2007). 5. Ganapathy, T., Alagumurthi, N., Gakkhar, R.P. and Murugesan, K., “Exergy Analysis of Operating Lignite Fired Thermal Power Plant”, J.Eng. Sci. Technol. Rev., 2 (1):123-130 (2009). 6. Mitrović, D., Zivkovic, D., Laković, M. S.,“Energy and Exergy Analysis of a 348.5 MW Steam Power Plant”, Energy Sources Part A, 32: 1016–1027 (2010). 7. Hussuein, I.B., Yusoff, M. Z. and Boosroh, M. H., “Exergy Analysis of a 120 MW Thermal Power Plant”, Proc. BSME-ASME Int. Conf. On Thermal Engineering’, Dhaka, Bangladesh, December, 177–182 (2001). 8. Oktay, Z., “Investigation of Coal Fired Power Plants in Turkey and a Case Study: Can Plant”, Applied Thermal Engineering, 29: 550–557 (2009). 9. Erdem, H.H., Akkaya, A.V., Cetin B., Dagdas, A., Sevilgen, S.H., Sahin, B., Teke, I., Gungor, C., Atas, S., “Comparative Energetic and Exergetic Performance Analyses for Coal-fired Thermal Power Plants in Turkey”, International Journal of Thermal Sciences, 48: 2179–2186 (2009). 10. Rosen, M.A.,“Energy and Exergy-based Comparison of Coal-fired and Nuclear Steam Power Plants,” International Journal of Exergy, 1 (3):180– 192 (2001). 11. Rosen, M., Dincer, I.,”Effect of Varying Dead-state Properties on Energy and Exergy Analyses of Thermal Systems”, International Journal of Thermal Sciences, 43: 121–133 (2004). 12. Regulagadda, P., Dincer, I., Naterer, G.F., “Exergy Analysis Of a Thermal Power Plant With Measured Boiler and Turbine Losses”, Applied Thermal Engineering, 30: 970–976 (2010). 87 13. Acır, A., Bilginsoy, A.K., Coşkun, H., “Investigation of the Effect of Varying Dead State Temperatures on Energy And Exergy Efficiencies in a Thermal Power Plant”, Journal of Energy Institute, 85 (1): 14-21 (2012). 14. Baysal, E., Bilginsoy, A. K., Acır, A., “Parametric Optimization on Exergy Analysis of a Thermal Power Plant Using Taguchi Design Method”, Energy Education Science and Technology Part A: Energy Science and Research, 29 (2): 1313–1326 (2012). 15. Kopac, M., and Hilalci, A.,”Effect of Ambient Temperature on the Efficiency of the Regenerative and Reheat Catalagzı Power Plant in Turkey”, Applied Thermal Engineering, 27:1377–1385 (2007). 16. Aljundi, I.H., “Energy and Exergy Analysis of a Ateam Power Plant in Jordan”, Applied Thermal Engineering, 29: 324–328 (2009). 17. Ameri, M., Ahmadi, P., and Hamidi, A., “Energy, Exergy and Exergoeconomic Analysis of a Steam Power Plant: A Case Study”, Int. J. Energy Res., 33: 499–512 (2009). 18. Zhao, H., and Chai, Y., “Eksergy Analysis of a Power Cycle System With 300 MW Capacity”, Proc. Int. Conf. on Advaces in Energy Engineering, Beijing, China, 247-250 (June 2010). 19. Guoqiang, L., Hua, W., Wenhui M., and Chunwei, Y., “Energy and Exergy Analysis for 300 MW Thermal System of Xiaolongton Power Plant”, Proc. Int. Conf. on Computer distrubuted control and intelligent enviromental monitoring, Changsa, China, February, 180–184 (2011). 20. Kaushik, S. C., Reddy, V. S. and Tyagi, S. K., “Energy and Exergy Analysis of Thermal Power Plants: a Review”, Renewable Sustainable Energy Rev., 15: 1857–1872 (2011). 21. Cihan, A., Hacıhafizoglu, O., Kahveci, K., “Energy-Exergy Analysis and Modernization Suggestions for a Combined-Cycle Power Plant”, International Journal of Energy Research, 30:115–126 (2006). 22. Krakow, K. I., “Exergy Analysis, Dead State Definition”, ASHRAE Trans. Res. 36, 3478: 328 (1988). 23. Wepfer, W. J., and Gaggoli, R. A., “Reference Datum’s for Avabile Energy in Thermodynamics: Secondlaw Analysis”, (ed. R. A. Gaggoli), ACS Symposium Series, Washington, DC, American Chemical Society, 122: 7792 (1980). 24. Vosoogh and Hajidavallo, E., “Effect of Variable Condenser Pressure, Dry and Wet Bulb Ambient Temperature on The Energy and Exergy Efficiencies 88 of a Power Plant”, Proc. 8th IASME/WSEAS Int. Conf. On Heat transfer Thermal Engineering and Enviroment, Taipei, Taiwan, August (2010). 25. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), “World Energy Outlook 2011” (2011). 26. ABD Enerji Bilgi İdaresi (EIA), “International Energy Outlook 2011”, Eylül (2011). 27. Avrupa Komisyonu, “European Energy and Transport, Trends to 2003, 2009 Update”, Ağustos (2010). 28. Avrupa Birliği, “EU Energy and Transport Figures, Statistical Pocket Book”, (2010). 29. “Worldwide Look at Reserves and Production”, Oil & Gas Journal, January (2012). 30. BP, “Statistical Review of World Energy”, Haziran (2011). 31. ‘’Dünyada ve Türkiye’de Enerji Görünümü’’ Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, (2012). 32. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, “Mavi Kitap”, Ankara (2010). 33. Eurostat, “Energy, Transport and Environment Indicators”, (2011). 34. BOTAŞ, “2010 Yılı Faaliyet Raporu” (2010). 35. EÜAŞ, “2010 Yıllık Rapor” (2010). 36. Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M., “Thermal Design and Optimization”, Wiley, New York, (1996). 37. Kotas, T.J., “The Exergy Method of Thermal Plant Analysis”, Krieger Publishing Company, Malabar, (1995). 38. Çengel, A.Y., and Boles, M. A., “Thermodynamics: An Engineering Approach”, New Media Version, 6th Edition, Mc Graw Hill, Inc., (2008). 39. Saidur R., Ahamed, J.U., Masjuki, H.H., “Energy, Exergy and Economic Analysis of Industrial Boilers”, Energy Policy; 38: 2188–2197 (2010). 40. Amirabedin E., Yilmazoglu, M. Z., “Design and Exergy Analysis of a Thermal Power Plant Using Different Types of Turkish Lignite”, International Journal of Thermodynamics, 14 (3): 125–133 (2011). 89 41. Bilginsoy, A. K., ‘‘Bir Termik Santralde Termodinamik Analiz ve Isıl süreçlerdeki Tersinmezliklerin Belirlenmesi’’, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 20-45 (2012). 42. Bejan, A., “Advanced Engineering Thermodynamics”, USA, John Wiley and Sons Inc., (1988). 43. Singh, N., Kaushik, S.C., Misra, R.D., “Exergetic Analysis of a Solar Thermal Power Plant System”, Renewable Energy, 19135-143 (2000). 44. Rosen, M.A., Dincer, I., “On Exergy and Environmental Impact”, International Journal of Energy Research, 21: 643–654 (1997). 45. Dincer, I., Al-Muslim, H., “Thermodynamic analysis of Reheat Cycle Steam Power Plant”, International Journal of Energy Research, 25: 727–739 (2001). 46. TEİAŞ, “Türkiye Elektrik Enerjisi 10 Yıllık Üretim Kapasite Projeksiyonu (2010-2019)”, Ekim (2010). 47. TEİAŞ, “Türkiye Elektrik Enerjisi 10 Yıllık Üretim Kapasite Projeksiyonu (2009-2018)”, Haziran (2009). 90 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, Adı : BAYRAK Sebile Uyruğu : T.C Doğum tarihi ve yeri : 28.06.1988 ANKARA Medeni hali : Bekar Telefon : 05056553971 e-mail : [email protected] Eğitim Derece Eğitim Birimi Lisans Makine Resim ve Konst. Öğretmenliği Lise Mamak Anadolu Lisesi Yabancı Dil İngilizce Hobiler Film izlemek, kitap okumak Mezuniyet tarihi 2011 2006
