Gaz Türbinli Kojenerasyon Sistemlerinin Verimini İyileştirme

makale
Gaz Türbinli Kojenerasyon Sistemlerinin
Verimini İyileştirme Yöntemlerinin
İncelenmesi
Rabi KARAALİ*
Kocaeli Üniversitesi, Gölcük MYO. Gölcük Kocaeli - [email protected]
İlhan Tekin ÖZTÜRK
Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü Veziroğlu Kampüsü 41300 Kocaeli - [email protected]
ÖZET
Kojenerasyon sistemleri için düşünülen iyileştirme yöntemlerinden, yakıt ve yanma havasının ön ısıtılması, sistemden üretilen buharın yanma
odasına enjeksiyonu ve kompresör giriş havasının soğutulması yöntemleri örnek alınan bir kojenerasyon sistemine değişik durumlar için
uygulanmıştır. Bu yöntemlerden, yakıt ve yanma havasının ön ısıtılması yönteminin en iyi performansa sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca buhar
püskürtme ile yakıt ve havanın ön ısıtılması yöntemlerinin birleştirilmesi durumu değerlendirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Kojenerasyon, verim, iyileştirme
A Review on Improvement Efficiency of
Gas Turbine Cogeneration Systems
ABSTRACT
In this study, most of improving methods of gas turbine cogeneration systems are applied step by step on a simple cogeneration system such as
preheating air and fuel, steam injection and inlet air cooling. Those methods are studied for different stage, for comparing their effects on
performance of the system. It is seen that the preheating air and fuel methods have better performance than others. Also the steam injection
method and preheating air and fuel methods are integrated and evaluated.
Keywords: Cogeneration, efficiency, improvement
B
GİRİŞ
ilindiği gibi kojenerasyon tesislerinde, aynı anda
elektrik enerjisi ve ısı enerjisi birlikte üretilerek
yakıtın kimyasal enerjisinden daha yüksek oranda
faydalanma imkanı bulunmaktadır. Bu tür tesislerin
verimleri % 88'lere yaklaşmaktadır. Bu tesislerden özellikle
konut ısıtılması amaçlı faydalanılıyorsa ısıtma sezonu
dışında da absorbsiyonlu bir soğutma grubu çevrimin ısısı
yardımı ile çalıştırılarak konutların klima sistemlerinin
ihtiyaç duyduğu soğutma suyu üretilebilmektedir. Bu
sayede üretim üç amaca yönelik olduğu için üçlü bir üretim
(three jenerasyon) söz konusu olmakta ve kojenerasyon
tesisinin yıllık kullanım süresi artmaktadır. Bu tür tesislerde
bahsedilen bu avantajlar değerlendirildiğinde, daha ekonomik bir enerji üretimi ile % 30' lara varan bir enerji tasarruf
* İletişim yazarı
Geliş/Received : 20.03.2007
Kabul/Accepted : 15.04.2007
16
Mühendis ve Makina • Cilt : 49 Sayı: 577
elde edilebilmektedir (Wilkinson ve Barnes, 1993), (Karaali,
R., Öztürk, İ., 2003). Ayrıca daha az çevre kirliliği
yaratılmakta ve atmosfere salınan CO2 miktarı daha düşük
seviyelerde gerçekleşmektedir (Wu ve Rosen, 1999).
Değişik kojenerasyon sistemleri mevcuttur. Bunlar buhar
türbinli, gaz türbinli, içten yanmalı dizel veya gaz motorları
ve yakıt pilleri şeklinde sınıflandırılabilir. Bu tesislerin
seçiminde ise elektrik ısı oranları önemli bir kriteri
oluşturmaktadır (Horlock, 1997). Yakıt pilli kojenerasyon
sistemleri ise elektrik enerjisi üretimi verimi klasik sistemlere nazaran oldukça yüksektir ve sadece elektrik üretim
verimleri yaklaşık %75' ler seviyelerine çıkabilmektedir.
(Kordesch ve Simader, 1996)
Kullanım amaçlarına göre uygun seçilen kojenerasyon
tesislerinin verimlerini artırmaya yönelik tasarım aşamasında
makale
ve kullanım aşamasında değişik metotlar önerilmekte ve
kullanılmaktadır.
Bu çalışmada gaz türbinli kojenerasyon sistemlerinin verimini
artırma yöntemleri incelenecektir. En iyisi kojenerasyon
sisteminin tasarımı aşamasında maksimum verimde
çalışabilmesi için çevrimin çalışma şartlarının ortaya
konulmasıdır. Ayrıca yine tasarım aşamasında mümkün olan
verim artırma metotlarının çok iyi bir şekilde etüt edilerek
sistemle entegrasyonu sağlanmalıdır (Limaye, 1985).
Gaz türbinli kojenerasyon sistemlerinde verim artırma
yöntemlerinden birincisi kompresör giriş havasının
soğutulması olup bu soğutma işlemi iki şekilde
yapılabilmektedir. Eğer kompresöre emilen havanın nem oranı
düşük ise içerisine su püskürterek buharlaştırmalı soğutma
yapmak, ya da nem oranı yüksek ise absorbsiyonlu bir soğutma
grubu yardımı ile bu soğutma işlemi gerçekleştirilmektedir. Bu
soğutma işleminin seçimi tesisin kurulu olduğu bölgenin iklim
şartlarına bağlıdır (Ashraf, 2001).
Absorbsiyonlu sistemle yine yazın ihtiyaç duyulması
durumunda soğutma yapmak veya klima sistemleri için gerekli
soğutma yükü karşılanabilmektedir. Bu sayede kojenerasyon
tesisleri yazın da değerlendirilerek maksimum fayda sağlanır.
Kojenerasyon tesisinde üretilen buharın belirli bir miktarı
yanma odasına enjeksiyon yapılarak verim arttırılabilir (Paepe
ve Dick, 2001). Ayrıca sistemin atık ısısı ve bir miktar buhar
yardımı ile absorbsiyonlu güç üretme sistemi çalıştırılarak
ilave olarak yaklaşık % 3.5 civarında elektrik enerjisi (mekanik
güç) üretme potansiyeli mevcuttur (Jose vd , 2004).
çevrim için ilave yatırım maliyeti yükü oluşturacaktır. Bu
çalışmada ekonomik değerlendirme yapılmayacaktır, sadece
termodinamik değerlendirme yapılacaktır. Ayrıca çoklu (multi
generation) üretimden daha ziyade kojenerasyon üzerinde
durulacaktır.
TERMODİNAMİK MODEL
Kojenerasyon tesisi degişik cihazlar ve akış hatlarından
oluşmaktadır. Bu cihazlarda sıcaklık, basınç kimyasal
kompozisyon değişimi olmakta ve yanma odasında ise bir
kimyasal reaksiyon gerçekleşmektedir. Açık sistem ve kararlı
rejim durumu için termodinamigin 1. Kanunu bu sistem için
aşağıdaki gibi yazılabilir (Bejan vd., 1996).
.
.
 Q   W  H
C
(1)
C
.
.
H   n h   n h
çik .
(2)
gir .
Entalpilerin hesaplanmasında oluşum entalpileride dahil
edilerek özgul ısıların sıcaklıkla degişimi dikkate alınmıştır.
C p  a1  a 2T  a3T 2  a 4T 3  a5T 4
(3)
T
(4)
h  holuş.   C p .dT
T0
Kojenerasyon sisteminin verimi ve elektrik ısı oranı aşağıdaki
bağıntılar yardımı ile elde edilmiştir.
.

.
W net  Q net
(5)
.
B y Hu
.
 
W net
.
(6)
Q net
Ayrıca yanma odasında kullanılan yakıt olarak dogal gaz
düşünülmesine rağmen hesapları basitleştirmek için metan
gazı kullanılmıştır. Yanma reaksiyonun tam olarak
gerçekleştiği kabulü ile aşağıdaki kimyasal reaksiyon temel
alınmıştır (yakıtın % 250 hava fazlası ile yanması esas
alınmıştır) (Lucas, 2000).
Şekil 1. Örnek Kojenerasyon Sisteminin Genel Şeması
Bu çalışmada optimum çalışma şartları elde edilmiş bir gaz
türbinli kojenerasyon tesisine yukarıda bahsedilen dört verim
artırma yöntemi uygulanarak çevrimin yeni çalışma şartları
elde edilecek ve son olarakta tümünün uygulanması durumu
incelenecektir.
Doğal olarak bu verim artırma yöntemlerinin çevrime ilavesi,
CH 4  5 (O2  3.762 N 2 )  CO2  2H 2 O  3O2  18.81N 2
ÖRNEK BİR KOJENERASYON SİSTEMİ
VE BUNA UYGULANAN İYİLEŞTİRME
YÖNTEMLERİ
Örnek alınan kojenerasyon sistemi ve özellikleri:
Örnek alınan kojenerasyon tesisinin genel şeması Şekil 1'de,
Mühendis ve Makina • Cilt : 49 Sayı: 577
17
makale
akış hatlarının termeodinamik özellikleri ve kütle
kompozisyonları Tablo 1'de ve Tablo 2'de de her bir cihazın
kapasitesi verilmiştir. Kompresör izentropik verimi ηkis=0.83,
türbin izentropik verimi ηTis=0.926 alınmıştır (Bilgen, 2000).
Kompresör sıkıştırma oranı maximum gücün elde edildiği
oranlar civarından rP=10 alınmıştır.
Tablo 1. Örnek Kojenerasyon Tesisinin Akış Hatlarının Termodinamik
Özellikleri ve Kimyasal Kompozisyonları
buhar 14
13su
ID
8
7
6
R1
K
1
10
9
3
2
5
R
YO
4
11
T
12
Şekil 2. Örnek Kojenerasyon Sisteminde Reküparatör İle Yakıt Ön
Isıtmasının Birlikte Kullanılması Durumunun Genel Şeması
Tablo 2. Örnek Kojenerasyon Tesisinin Cihazlarının Kapasiteleri,
Sistemin Verimi ve Elektrik Isı Oranı
Yakıt ve havanın reküparatörden çıkış sıcaklığı (K)
Şekil 3. Örnek Kojenerasyon Sisteminde Reküperatör İle Yakıt Ön
Isıtmasının Birlikte Kullanılması Durumunda Ön Isıtma Sıcaklığı
İle Güç Değişimi
h=0,85, s=0.6
Örnek model için reküparatör kullanılması ve yakıtın ön
ısıtılması durumunun birlikte değerlendirilmesi
Bu iyileştirme metotları için literatürde oldukça fazla kaynak
bulma imkanı mevcuttur. Reküparatörde ön ısıtma
yapılmasının sınırlarını kompresör ve türbin çıkış sıcaklıkları
belirlemektedir. Ayrıca yakıtın (çevre şartlarında olmasından
dolayı) belirli bir sıcaklığa kadar ön ısıtılması her zaman atık
gazlarla mümkün olmaktadır. Sonuç olarak iki ön ısıtmanın
sistem için tesirinin aynı doğrultuda olduğu göz önünde
bulundurulursa birleştirilerek birlikte değerlendirilmelidir.
Şekil 2 'de bahsedilen iki ön ısıtmanın bir kojenerasyon
tesisinde birlikte yapılmasının şeması verilmiştir. Şekil 3'te
ise bu ön ısıtmanın yapıldığı çeştli sıcaklıklarda elde edilen
elektrik ısı oranlarının grafiği çizilmiştir.Bu grafikten
görüleceği gibi ön ısıtma sıcaklığı arttıkça sistemden elde
edilen net ısının azalmasına karşın net işin hızla arttığı
görülmektedir.
Yakıt ve havanın ön ısıtılmasının yapıldığı dizaynda ön
ısıtmanın 820 K için türbinden elde edilen net elektrik gücü
18
Mühendis ve Makina • Cilt : 49 Sayı: 577
ön ısıtmanın yapılmadığı duruma göre % 15-23 civarında
artmaktadır. Buna karşılık ısıl güç % 10-15 civarında
düşmektedir. Sistemin toplam verimliliği çok fazla
değişmezken türbinden elde edilen toplam güç % 12.7
oranında artmaktadır. Net elektrik gücünün ısıl güce oranı %
60'tan % 88'e çıkmaktadır.
Örnek model için kompresör giriş havasının
absorbsiyonlu soğutma sistemi yardımı ile ön soğutulması
Kompresör giriş havasının soğutulması, daha öncede
belirtildiği gibi hava içine su püskürtülerek ya da bir soğutma
sistemi kullanılarak yapılabilmektedir (Santo, 2000). Bu
çalışmada ısı kaynağı olarak egzoz gazlarındaki atık ısıyı
kullanan bir absorbsiyonlu soğutma sistemi yardımı ile
kompresörün giriş havasının soğutulması düşünülmüştür. Bu
sistem yardımı ile 25 °C çevre şartlarında giren havanın
5,10,15 ve 20 °C soğutulması durumlarında da çevrim analiz
edilmiştir.
Kompresör giriş havasının düşürülmesi kompresör sıkıştırma
verimini iyileştirdiği için çevrimden üretilen elektrik
miktarını artırmakla beraber, absorbsiyonlu soğutmada
kullandığı egzoz gazları ısısından dolayı, egzoz gazlarından
makale
değişik amaçlardaki kullanımını sınırlamaktadır. Şekil 4 'de
bahsedilen ön soğutmalı bir kojenerasyon tesisinin şeması
verilmiştir.
YO
2
7
K
T
8
1
4
Absorbsiyonlu
soğutma sis.
5
su
ID
4
3
9
10
6
Sisteme beslenen havanın kütlesel debisinin % 5,10,13,16,19
ve 22 oranlarında sisteme, sistemin egzoz gazları yardımı ile
üretilen buharın enjeksiyon yapılması sonucu sistemdeki
değişiklikler (verim, elektrik ısı oranı vs.) gözlenmiştir.
Şekil 6'da bahsedilen buhar enjeksiyonlu bir kojenerasyon
tesisinin şeması verilmiştir. Şekil 7'de görüleceği gibi
sistemden elde edilen net buhar gücü, (buhar yanma odasına
enjekte edildiğinden), hızla düşmektedir, buna karşın
sistemden elde edilen net iş artmaktadır.Bu durumda ihtiyaç
olmayan buhar fazlasının yanma odasına gönderilerek verimli
kullanılmasını gerekli kılmaktadır.
11 buhar
7
su
Şekil 4. Örnek Kojenerasyon Sisteminde Ön Soğutma Kullanılması
Durumunun Genel Şeması
5
Şekil 5'te görüleceği gibi kompresör giriş havasının
soğutulması sonucu kompresörde tüketilen işin azaldığı,
bunun sonucunda sistemden elde edilen net işin arttığı, ayrıca
bu soğutma prosesi için, sistemin içinden ısı çekildiği için
sistemin net ısıl gücünün de azaldığı görülmektedir.
buhar
I
D
buhar
11
2
K
1
8
6
YO
4
3
T
9
10
Kompresör giriş havası sıcaklıkları (K)
Güç (KW)
Güç (KW)
Şekil 6. Örnek Kojenerasyon Sisteminin Yanma Odasına Buhar
Enjeksiyonu Yapılması Durumunun Genel Şeması
Şekil 5. Örnek Kojenerasyon Sisteminde Ön Soğutma Kullanılması
Durumunda Ön Soğutma Sıcaklığı İle Güç Değişimi
Örnek model için yanma odasına kojenerasyon tesisinden
elde edilen buharın enjeksiyonu
Yanma odasına bir miktar buharın enjeksiyon ile türbinden
geçen gaz debisi artırıldığı için üretilen elektrik enerjisi
üretimi miktarı arttırılmaktadır.
Bu buhar miktarının arttırılması sonucu sistemin su kaybı
artmaktadır. Baca gazlarındaki suyun ekonomik olarak geri
kazanılması mümkünse, enjekte edilen su buharının daha da
arttırılması mümkün olmaktadır. Fakat kojenerasyon
sisteminden buhar üretme miktarını ve buharın son
sıcaklığını egzoz gazlarının türbinden çıkış sıcaklığı
sınırlamaktadır (Paepe ve Dick, 2001).
Sisteme püskürtülen buhar oranı (%)
Şekil 7. Örnek Kojenerasyon Sisteminde Yanma Odasına Buhar
Enjeksiyonu Yapılması İle Güç Değişimi
Yakıtın ve havanın ön ısıtılmasının yapılması ve yanma
odasına buhar enjeksiyonu uygulamalarının birlikte
uygulanması durumu
Yukarıda incelenen iyileştirme yöntemlerinin ayrı ayrı
kullanılmaları durumunda bile bazı sınırlamaları sistem
getirmekteydi. Birlikte kullanılmaları durumunda ise her bir
iyileşirme yöntemi diğerini sınırlamaktadır. Bunun nedeni ise
iyileştirme yöntemlerine enerji kaynağı olarak başka uygun
Mühendis ve Makina • Cilt : 49 Sayı: 577
19
makale
kaynak kullanma imkanı yoksa, egzoz gazlarındaki enerjinin
kullanılması zorunluluğunun olmasıdır. Bu bölümde de
elimizde mevcut olacak egzoz gazları enerjisi yardımı ile bu
çalışmada esas alınan iyileştirme yöntemleri birlikte
uygulanırsa optimum çevrim çalışma şartlarının neler olacagı
belirlenecektir.
Tablo 3. Örnek Kojenerasyon Tesisine Uygulanan İyileştirme
Metotlarının Karşılaştırılması
Metot
Şekil 8'de örnek kojenerasyon sistemine yakıt ve hava ön
ısıtma yöntemi ile buhar püskürtme yönteminin birlikte
uygulanması durumunun genel şeması verilmiştir. Şekil 9'da
örnek kojenerasyon sistemine yakıt ve hava ön ısıtma
yöntemi ile buhar püskürtme yönteminin birlikte
uygulanması durumunda güç değişimi gösterilmiştir.
buhar
13 su
14
6
ID
7
8
R1
5
R
10
9
YO
3
2
15
K
4
TARTIŞMA VE SONUÇLAR
T
11
12
1
Şekil 8. Örnek Kojenerasyon Sistemine Yakıt ve Hava Ön Isıtma
Yöntemi İle Buhar Püskürtme Yönteminin Birlikte Uygulanması
Durumunun Genel Şeması
Şekil 9'da görüleceği gibi sabit bir ön ısıtma sıcaklığında
püskürtme oranı arttıkça türbin gücü ve elde edilen net
elektrik gücü artmakta, ancak net ısıl güç hızla azalmaktadır.
Sabit bir püskürtme oranında sıcaklık değişimi ile türbin gücü
ve elde edilen net elektrik gücü çok az miktarda artmakta,
buna karşın ısıl gücün çok az miktarda azaldığı
görülmektedir.
60000
Güç (KW)
50000
WT
40000
Wnet
30000
0
0
4
6
8
10
12
• Sistem içindeki ısının, zorunlu soğutma ihtiyacı yoksa
(üçlü üretim vs.), kompresör giriş havasının
soğutulmasında kullanılması pek tercih edilmemelidir.
Bununla birlikte kompresör giriş havasına su püskürterek,
atık ısılar yardımı ile absorbsiyonlu soğutma ya da başka
bir şekilde fazla maliyet getirmeyecek şekilde yaz çalışma
şartlarında soğutma imkânı varsa ilave iyileştirme imkânı
doğabilecektir.
14
Buhar Püskürtme oranı (m b/m h) %
Şekil 9. Örnek Kojenerasyon Sistemine Yakıt ve Hava Ön Isıtma
Yöntemi İle Buhar Püskürtme Yönteminin Birlikte Uygulanması
Durumunda Güç Değişimi
20
• Kojenerasyon tesisinden net yaklaşık aynı ısıl güç elde
edilmesine karşın elde edilen net elektrik gücü
karşılaştırıldığında; en iyi iyileştirme yönteminin yakıt ve
yanma havasının ön ısıtılması yönteminin olduğu, ikinci
metodun yanma odasına buhar püskürtme yönteminin
olduğu ve en az tesirli olan yöntem ise kompresör giriş
havasının soğutulması yönteminin olduğu söylenebilir.
720 K
670 K
Qnet
2
Elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibi özetlenebilir.
• Buhar püskürtmeli yöntemin özellikle ısı gücünde talep
azlığı olduğunda tesisten daha fazla güç üretimini
mümkün kılacağı için yük değişimlerin de kullanılabilir.
Bununla birlikte buhar püskürtme oranı % 19 civarı ile
sınırlıdır.
20000
10000
Bu çalışmada bir örnek kojenerasyon tesisi üzerinde
uygulanan iyileştirme metotlarının analizi yapılmıştır.
Sonuçların karşılaştırılabilmesi için net ısıl güç yaklaşık
40000 kW civarında sabit tutularak sonuçlar Tablo 3'de
verilmiştir.
Mühendis ve Makina • Cilt : 49 Sayı: 577
16
makale
• İyileştirme yöntemlerinin birleştirilmesi hususunda ise
yanma havası ve yakıt için ön ısıtmalı sistemin bir
kojenerasyon sisteminde tercih edilmesinin gerektiği, ısıl
güç ayarı söz konusu ise buhar püskürtmeli sisteminde
düşünülmesi gerektiği ve sistem dışındaki imkânlarla
fazla maliyet getirmeyecek şekilde kompresör giriş
havasının soğutulması mümkünse bununda sisteme dahil
edilmesi gerekmektedir.
SEMBOLLER
a
:
Katsayı
By
:
Yakıt miktarı (kg/s)
Cp
: Özgül ısı (kJ/kmol K)
h
: Molar entalpi (kJ/kmol)
Hu
:
ID
: Isı değiştiricisi
Q
: Isıl güç (kW)
Alt ısıl değer (kJ/kg)
Dholuş : Oluşum entalpisi (kJ/kmol)
DH
: Sisteme giriş çıkış arasındaki toplam entalpi farkı
(kW)
K
: Kompresör
n
: Mol sayısı
R
: Rekuperatör
T
: Türbin
YO : Yanma odası
w
: Güç (kW)
s
: Net elektrik ısı oranı
h
: Verim
KAYNAKÇA
1.
Ashraf, M., B., Effects Of Evaporative Inlet And
Aftercooling On The Recuperated Gas Turbine Cycle.
Applied Thermal Engineering 21(2001) Elsevier Science
Ltd. 2001
2.
Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M. Thermal Design
And Optimization. Wiley Pub.1996.
3.
Bilgen, E. Exergetic and Engineering Analyses of Gas
Turbine Based Cogeneration Systems. Energy 25 (2000).
Elsevier Science Ltd. 2000.
4.
Horlock, J.H. Cogeneration-Combined Heat And Power
(CHP). CRİEGER Pub.1997.
5.
Jose A, B. and Jose A., V., Exergoeconomic Optimization
of a Kalina cycle for Power Generation, Int.J. Exergy,
Vol.1, No. 1, 2004
6.
Karaali, R., Öztürk, İlhan.T. Kojenerasyon Tesislerinin
Değerlendirme Kriterleri. I. Ege Enerji Sempozyumu ve
Sergisi. Denizli. 2003
7.
Kordesch, K., Simader, G., Fuel Cells And Their
Applications. VCH Publishers, Inc.1996
8.
Limaye, D.,R., Planning Cogeneration Systems. The
Fairmont Press.1985
9.
Lucas, K., On The Thermodynamics Of Cogeneration.
Int.J.Therm.Sci. (2000) 39 Elsevier Science Ltd. 2000
10.
Paepe, D.M., Dick, E., Technological And Economical
Analysis Of Water Recovery In Steam Injected Gas Turbine.
Applied Thermal Engineering 21(2001) Elsevier Science
Ltd. 2001
11.
Santo, D.B.E., Gallo, W.L.R., Predicting Performance of a
Gas Turbine Cogeneration System with Inlet Air Cooling.
Ecos2000 Proceedings, Universiteit Twente, Nederland.
2000
12.
Wilkinson, B.W., Barnes, R.W. Cogeneration Of
Electricity And Useful Heat. CRC Pres.1993.
13.
Wu, Y., J., Rosen, M.A., Assessing And Optimizing The
Economic And Enviromental Impacts Of
Cogeneration/District Energy Systems Using An Energy
Equilibrium Model.Applied Energy 62(1999). Elsevier
Science Ltd. 1999
Daha Etkin
Bir ODA için
Üyelik
Aidatlarımızı
ÖDEYELİM
Mühendis ve Makina • Cilt : 49 Sayı: 577
21