DORA-1 JEOTERMAL ENERJ SANTRALINDA DI SICAKLIA GÖRE PERFORMANS DEM

Transkript

1 231 DORA-1 JEOTERMAL ENERJ SANTRALINDA DI SICAKLIA GÖRE PERFORMANS DEM Macit TOKSOY Umran SERPEN Niyazi AKSOY ÖZET Hava soutmalı jeotermal enerji santrallarında, santral performansı hava sıcaklıı ile ters orantılı olarak büyük oranda deimektedir. Yıllık ortalama hava sıcaklıına göre tasarımı yapılan santralda, dı hava sıcaklıı yıllık ortalama dı hava sıcaklıının üstüne çıktıında santral enerji üretimi, tasarım enerji üretiminin altına dümektedir. Dı hava sıcaklıının bu etkisini azaltmanın yöntemlerinden biri, santral kondenser giri havası sıcaklıını buharlatırmalı soutma teknii ile ya termometre sıcaklıına yaklatırmaktır. Bu çalımada Salavatlı-Sultanhisar yöresinde kurulmu çift akıkanlı DORA 1 santralında kondenser hava giri sıcaklıı buharlatırmalı (evaporative) soutma ile düürüldüünde, yıllık enerji üretiminde salanabilecek artı teorik olarak incelenmitir. Kondenser hava giri sıcaklıının her 1 º C düürülmesi ile enerji üretimi yaklaık olarak %1 artmaktadır. 1.GR Jeotermal elektrik santralları, jeotermal akıkan sıcaklıı ile türbinleri terk eden çalıan akıkanın youma ısısının atıldıı ortam (su ya da çevre havası) sıcaklıı arasında çalıan bir santraldır. Tüm santrallarda olduu gibi kaynak olarak çevrede yeterli miktarda su var ise (akarsu, nehir, göl, okyanus) kondenserdeki youma sıcaklıını düük tutacak tasarımlar yapmak mümkün olur. Bu tasarımlarda donanım maliyetleri düüktür. Çevrede yeterli derece de su kaynaı yoksa, kondenserdeki youma ilemi için souk kaynak olarak hava kullanılır. Kondenserlerde ısı transfer yüzeyinin büyüklüünü belirleyen, kondenser dı yüzeyindeki ısı transfer mekanizmasıdır. Hava soutmalı kondenserlerde ısı transfer hızının küçük olması nedeniyle, ısı transfer yüzeyleri de büyüktür. Böylece bu bileen açısından sistemin maliyeti de büyüktür. Sistemin ekonomik ve teknik olarak optimizasyonu açısından, youan akıkan ile souk kaynak dı hava arasındaki ısı transfer hızını artırmak, sistemin parazitik gücünü düürmek, çevrim verimini yükseltmek açısından çeitli yöntemler gelitirilmitir[1]. Resim 1 ve 2 de bu yöntemlerden sırasıyla doal taınımlı soutma kulesi ile sulu soutma kulerine ait iki örnek görülmektedir. Kondenser tipi ile optimum tasarım ve iletme koullarını belirleyen deikenler aaıda verilmitir [2].

2 232 Çevrim tipi. Çalıan akıkanın cinsi ve termofiziksel özellikleri. Jeotermal akıkanın termofiziksel özellikleri. Santral bulunduu yere ait atmosferik özellikler (ya ve kuru hava sıcaklıkları, yıllık deiimleri). Soutma suyu olarak kullanılabilecek kaynakların özellikleri. Atık ısı dearjının kurallarını düzenleyen yasal mevzuat. Yukarıda belirtilen deikenlere balı olarak belirlenen kondenser soutma sistemlerinin maliyetleri birbirinden farklıdır. Kondenser soutma sistemlerinin yatırım ve iletme maliyetlerine ait karılatırma ve deerlendirmeleri literatürde bulmak mümkündür[3,4]. Resim 1. Doal taınımlı sulu soutma kulesi. Resim 2. Zorlanmı taınımlı sulu soutma kulesi. Hava soutmalı çevrimlerde, souk kaynak sıcaklıı (dı hava sıcaklıı) gün ve yıl içinde farklı iki periyodik deiime sahiptir. Bu deiimlerin sonucu, dı havayı souk kaynak olarak kullanan çevrimlerde verim de gün ve yıl içinde yine dı hava sıcaklıı ile ters yönde periyodik olarak deiir. ekil 1 de DORA-1 jeotermal santralında verime balı brüt gücün (gross power) dı sıcaklıkla dört günlük bir zaman diliminde deiimi görülmektedir. Jeotermal santrallar, iletme ekonomisinin gerei, jeotermal akıkanın üretildii yerde kurulma durumunda olduklarından, aynı çevrede yeterli su kaynaı bulunmadıı hallerde hava soutmalı kondenser seçimi yapılması zorunluluu doar. Yıllık ortalama dı hava sıcaklıına göre tasarımı yapılan hava soutmalı çevrimlerde dı hava sıcaklıının yüksek olduu yaz aylarında çevrim verimi düer. Dı hava sıcaklıının buharlatırmalı soutma ile düürülmesi ile santral veriminin yükseltilmesi jeotermal santrallarda kullanılan bir yöntemdir. Bu çalımada hava soutmalı kondenserlere sahip DORA-1 santralında, uygun aylarda kondenser giri havası sıcaklıı buharlatırmalı (evaporative) soutma ile düürüldüünde santral elektrik üretimindeki artı teorik olarak incelenmitir. Çalımada DORA-1 santralı tanıtılmı, literatürde yer alan buharlatırmalı soutma sistemleri genel özellikleriyle aktarıldıktan sonra, buharlatırmalı soutma etkisinin sonuçları verilmitir.

3 DORA 1 JEOTERMAL SANTRALI DORA 1 jeotermal santralı Aydın li ne yaklaık 35 km uzaklıkta bulunan Salavatlı-Sultanhisar jeotermal alanı içinde kurulmu ve bu sahanın küçük bir kısmından istifade eden bir termik santraldır. Bu santralın tasarım anma gücü 7.36 MW brüt (gros) ve 6,5 MW net dir. Santralın çeitli donanımları çalıtırmak için kullandıı parazitik yük 800 kw civarındadır. Bunun yanında, reenjeksiyon için kullanılan 350 kw lık ek bir yükü bulunmaktadır[5]. ekil 1. Brüt gücün dı sıcaklıkla deiimi. DORA 1 jeotermal santralının konvansiyonel buhar türbini çevriminden farklılıı organik çift akıkanlı (binary) olarak adlandırılan bir enerji dönüüm sistemiyle çalıan çift basınçlı, hava soutmalı bir santralı olmasıdır. Hava soutmalı olarak tasarımlanmı olmasının nedeni, santralın kurulduu yerde su soutma kuleli kondenserler için gerekli 28 kg/s debide besi suyu (make-up water) bulunmamasıdır. Çift akıkanı (Binary) santrallar, jeotermal kaynak sıcaklıının º C arasında olması durumunda uygulamaya sokulan ve son 25 yıl içinde gelien teknolojinin ürünüdürler. Ancak, özellikle çalıma sıvısının hidrokarbon temelli olması durumunda binary çevriminin veriminin maksimum olduu jeotermal akıkan sıcaklıı 170 º C tır. Aslında, bu tür santrallarla teorik olarak 100 º C sıcaklıındaki bir jeotermal akıkandan da elektrik üretmek mümkündür. Organik olmayan Kalina çevrimi olarak adlandırılan, binary çevrimleri de vardır ve bunların performansları biraz daha farklıdır. Bu tür çevrimlerde çalıma sıvısı olarak su + amonyak karıımı kullanılır ve türbinleri standart buhar türbinleridir.

4 234 DORA 1 santralında türbin devresindeki çalıan akıkan n-pentan dır. Kullanılan çalıma akıkanının yüksek moleküler aırlıklı olması, türbinin boyutlarını küçültmü ve kademe sayısını azaltmıtır. Bunun yanında, n-pentanın kullanılması dolayısıyla, buhar türbinlerinin son kanatlarında oluan korozyon sorunu ortadan kalkmıtır. ekil 2 de, tek basınçlı çift akıkanlı bir jeotermal santralın eması gösterilmiir. DORA -1 santralı, emaları aynı ancak farklı iki basınçlı, iki türbinli ve bunlara akuple tek jenaratörlü bir jeotermal santraldır (Resim 3). Türbinlerden (her bir bölümden ayrı ayrı) çıkan pentan, hava soutmalı kondenser sistemine youturulmaktadır (Resim 4). Havayla soutma 30 adet fan tarafından gerçekletirilmekte ve parazitik yükün önemli bir kısmı bu ilem için harcamaktadır [5]. Resim 3. DORA 1,türbinler ve jeneratör. Resim 4. DORA 1, hava soutmalı kondenser. 3.KONDENSERDE BUHARLATIRMALI SOUTMA Buharlatırmalı (evaporative) soutma pek çok alanda (iklimlendirme, sera soutması, pasif bina soutması, vs) uygulaması olan bir soutma tekniidir. Temel olarak dorudan ve dolaylı olmak üzere iki farklı yöntemle uygulanır[6]. Jeotermal santrallarda uygulama alanı bulan dorudan buharlatırmalı soutma, doymamı havanın su filmi veya su damlacıkları yüzeyi ile temas ettirilmesi ile sudan havaya kütle transferi nedeniyle, suyun buharlaması için gerekli ısıyı havadan ve kendisinden alarak, havanın ve suyun sıcaklıını düürmesi fiziksel mekanizmasına sahiptir. Buharlamalı soutma teknii ile havanın sıcaklıı, teorik olarak en fazla, havanın kuru termometre sıcaklıının ve neminin belirledii ya termometre sıcaklıına kadar düürülebilir. Bir buharlatırmalı soutucunun performansı, soutma sonunda elde edilen sıcaklık düümünün, teorik olarak elde edilebilecek maksimum sıcaklık düümüne (kuru termometre sıcaklıı ile ya termometre sıcaklıı arasındaki fark) oranı olan doyma verimi (saturation efficiency) ile ölçülür: (T (T T ) T ) 1 2 Doyma Verimi (%) : η = * 100 (1) 1 T 1 : Havanın soutma öncesi kuru termometre sıcaklıı, ºC T 2 : Havanın soutma sonrası kuru termometre sıcaklıı, ºC T wb : Havanın soutma öncesi ya termometre sıcaklıı, ºC wb

5 235 ekil 2. Çift akıkanlı tek basınçlı bir santral eması. Jeotermal santrallarda uygulanabilecek direk buharlatırmalı soutma tipleri (ekil 3) ve bunların 1 MW gücündeki bir santralın (Empire, Nevada) performans verilerini kullanarak yapılmı simülasyonlarının sonuçları Kutscher ve David tarafından verilmitir [7]. Yapılan çalımaya göre, Sekil 3 de ematik olarak gösterilen buharlatırmalı soutma sistemlerinin, Empire (Nevada) artlarında geri ödeme süresi en kısa (1 yıl) olan (a) yıkamalı sistemdir[8]. Dierlerinin geri ödeme süreleri ise hibrit sistem 4 yıl, sisleme sistem 5 yıl, kıtıklı sistem 7 yıldır. Simülasyonda göz önüne alınan farklı dört tip buharlatırmalı soutma tekniinin kondenser kanatlı boruları üzerinde katı madde çökelmesi, iletme basınçları, doyma verimi, su tüketimi açılarından farklı özellikleri söz konusudur. Doyma verimleri de %60 ile %98 arasında deimektedir. Mammoth (California) santralında bu tiplerden hibrit ve kıtıklı sistemler denemitir (Resim 5 ve 6). Bu denemelerde kıtık sistemde aaıdaki sonuçlara ulaılmıtır[8]: Kıtıklı sistemin doyma verimi %79, hibrit sistemin %50 olarak ölçülmütür. Kıtıklı sistemde % 22 - % 28 arasında hava debisi dümütür. Kıtıklı sistemde 23 ºC dı sıcaklıında net güç %68 artmıtır (ekil 4). Kıtıkta jeotermal akıkan kullanıldıında doyma verimi %79 dan %66 a dümütür Ancak kıtık üzerinde kabuklama balamıtır (Resim 7). Mammoth santralında yapılan denemelerden alınan bu sonuçlar, deneme yeri artlarında (özellikle dı hava nemi) ve deneme sistemi özelliklerinde (kıtık cinsi, kalınlıı, su debisi, hava debisi, vs) elde edilmi özel sonuçlardır ve genelletirilmemelidir. Ancak özellikle dı hava neminin düük olduu bölgelerde uygun kıtıklar kullanıldıı taktirde benzeri sonuçların alınması beklenmelidir.

6 236 (a): Sisleme (Spray Nozzel) (b): Kıtıklı(Munters) (c): Hibrit (Spray/Munters) (d): Yıkamalı(deluge) ekil 3. Buharlatırmalı soutma Sistemleri 8]. Resim 5. Mammoth kıtık sistem Resim 6. Mammoth Hibrit sistem

7 237 ekil 4. Mammoth kıtıklı soutma sisteminde elde edilen güç artımı [8]. Resim 7. Kıtık üzerinde kabuklama [8]. 4.DORA 1 SANTRALINDA BUHARLATIRMALI SOUTMA UYGULAMASINDA PERFORMANS DEM Santral Üreticisinin verdii bilgilere göre, santralın performansını etkileyen deikenler, deikenlerin deiim aralıkları ve düzeltme faktörleri deiim aralıkları aaıdaki Tablo 1 de özetlenmitir. Düzeltme Faktörleri, iletme esnasında giri parametrelerinin santral tasarımında kullanılan temel tasarım parametrelerinden farklı olması durumunda, iletmede elde edilen gücün tasarım parametreleri artlarındaki karılıının bulunması amacıyla hesaplanmı deerlerdir. Tablo 1. Akıkan debisi deiim aralıklarına göre düzeltme faktörü deiimi [9]. Tasarım Parametreleri - Deikenler letmede öngörülen deiim aralıı Düzeltme faktörü deiim aralıı Dı Sıcaklık ( ºC ) ,2 0,44 Buhar Debisi (%; 22,45 ton/saat =%100) ,969 1,01 Youmayan Gazlar (toplam buhar debisi %) , Brine (%; 542,65 ton/saat = % ,851 1,04 Brine Giri Sıcaklıı ( ºC ) ,855 1,085 Tablo 1 den görülecei üzere, düzeltme faktörleri ile tasarım parametreleri (deikenler) arasında, dı sıcaklık ile youmayan gazlar için azalan, dierlerinde ise artan iliki vardır. Öngörülen aralıklarda performansı en fazla etkileyen deiken ise dı hava sıcaklııdır ve (buharlatırmalı soutma gibi tekniklerle) kontrol edilebilecek tek deikendir. Santral için verilen kw net kapasite dı hava sıcaklıının yılllık ortalama 17,1 º C deerine hesaplanmıtır. Aydın li için alınan 32 yıllık ortalamalarla aylık ortalama sıcaklıkların deiimi ve bu sıcaklıklara göre düzeltme faktörlerinin deiimi ekil 5 te verilmitir. Grafikten görülecei üzere, Mayıs Austos ayları arasında dı hava sıcaklıının 17,1 º C üstüne çıkması nedeniyle düzeltme faktörü azalmakta, Temmuz ayı için dı haca sıcaklıı düzeltme katsayısı yaklaık 0,75 olmaktadır. Özellikle düzeltme faktörünün 1 den küçük olduu bu aylarda, kondenserin hava tarafındaki hava giri sıcaklıı bir buharlatırmalı soutma yöntemi ile düürüldüü taktirde santralın verimi de artmı olacaktır.

8 238 Ortalama Aylık Sıcaklık ( o C) Düzeltme faktörü 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 Düzeltme Faktörü Aylar ekil 5. Aydın li için alınan 32 yıllık ortalamalarla aylık ortalama sıcaklıkların ve bu sıcaklıklara göre düzeltme faktörlerinin deiimi. Meteorololik verilere göre, söz konusu 5 ay içerisinde dı hava kuru termometre ve ya termometre sıcaklıklarının aylık ortalamalarının deiimleri ekil 6 da verilmitir. Söz konusu kuru termometre ve ya termometre sıcaklıkları arasında minimum 5,2 º C, maksimum 7,1 º C fark vardır. %100 doyma verimi için gerekli su miktarının maksimum olduu aylar, Haziran ve Temmuz aylarıdır ve yaklaık 0,003 (kgsu/kg-kuru hava) nemlendirmeye gereksinim vardır. deal (doyma verimi %100) bir sistemle giri havasını ya termometre sıcaklıına kadar düürüldüü takdirde verim artıı nedeniyle elde edilecek enerji miktarının aylık deiimleri, soutmasız haldeki durumla ekil 7 de karılatırılmıtır. Sıcaklık ( o C) Kuru Termometre Ya Termometre May Haz Tem Au Eyl ekil 6. Aylık ortalama kuru ve ya termometre sıcaklıkları (AYDIN).

9 239 Milyon kwh Aylık Üretim (KT) Aylık Üretim (YT) ekil 7. Normal hava koullarında (Kuru Termometre) ve soutulmu hava sıvaklıına (Ya termometre) göre aylık toplam elektrik üretimleri. Yıllık toplam net üretim Milyon kwh < Yıllık Toplam Yıllık kazanım > Günlük ortalama sıcaklıkta düme miktarı ( o C) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Million Kazanım (kwh) ekil 8. Dı hava sıcaklıının 1 º C ile 6.3 º C (mümkün olan maksimum soutma) deimesinin yıllık toplam üretime ve yıllık üretim kazancına etkisi. Mayıs Austos ayları arasında hava sıcaklıı ya termometre sıcaklıına kadar soutulduu takdirde yıllık toplamda yaklaık 3,5 milyon kwh lık bir üretim kazanımı olmaktadır. Uygulamada herhangi bir sistemle kuru termometre sıcaklıını tam olarak ya termometre sıcaklıına kadar düürmek (Doyma verimi %100) mümkün deildir. Kuru termometre sıcaklıının minimum 1 º C ile buharlatırmalı soutmanın müsaade ettii maksimum deere soutulmasının santral üretimine etkisinin sonuçları ekil 8 de verilmitir.

10 240 ekil 8 den görülecei üzere normal hava koullarına göre hiç kesintisiz çalıma ile gerçekleen yıllık yaklaık 55,5 milyon kwh lık enerji üretimi, maksimum (ideal) buharlatırmalı soutma ile yaklaık 59 milyon kwh üretime ulamaktadır. Maksimum soutma için (8.78 cent/kwh enerji satı fiatına göre) gelir fazlalıı yaklaık dolar olmaktadır. Minimum soutma 1 º C için kazanım yaklaık dolardır. 5.ÖNERLER Hava soutmalı tüm jeotermal santrallarda, buharlatırmalı soutmanın uygulanması büyük bir ilgi çekmektedir. Her santral iletmecisi öncelikle, yerel artları (dı hava sıcaklıının ve nemin deiimi, su kaynaklarının var olup olmadıı) gözden geçirerek, böyle bir sistemin teknik ve ekonomik fizibilitesini yapmalıdır. DORA 1 jeotermal santralı için yapılan teorik hesaplamalardan görülecei üzere yıllık enerji üretiminde yaklaık %6 lık yükselme, küçümsenecek bir artı deildir. Buharlatırmalı soutmanın en önemli sorunlarından biri kullanılan suyun kondenser yüzeylerinde çökelerek kondenser verimini düürmesidir. Bir baka negatif etki ise korozyondur. Periyodik olarak yapılacak yüzey temizlii ile bu etkilerin düürülmesi mümkündür. Ayrıca çökelmeyi önleyecek dier tekniklerde gözden geçirilebilir. Literatürde, jeotermal akıkanın su kaynaı olarak kullanıldıı hallerde, farklı yüzey kaplama teknikleri ile çökelmenin önlenmesi yolunda aratırmaların da yapıldıı ve laboratuar ölçekli çalımalarda baarılı sonuçlar görülmektedir[ 10]. Bu çalımaların alan testleri takip edilmeli, sonuçlar dorudan ya da gelitirilerek buharlatırmalı soutma sistemlerinde uygulanmalıdır. KAYNAKLAR [1]. ROBERTSON, R.C., Waste Heat Rejection from Geothermal Power, Oak Ridge National Laboratory report ORNL/TM-6533, [2] TESTER, J., Energy Conversion and Economic Issues for Geothermal Energy, in: Handbook of Geothermal Energy, Editors (in): Edwards, L.M. et al., (edt.), Gulf Pub. Co., Houston, [3] SZOBO, Z., The Economics and the Future of Water Conserving Power Plant Cooling, [4] OTHMER, K.,. Geothermal Energy, Encylopedia of Chemical Technology, Vol. 11, 3rd Ed., [5] SERPEN, U., AKSOY, N., Salavatlı Geothermal Power Plant, in publication of Geothermal Bulletin of Dec./2006 issue, [6] WANG, S.K. Handbook of Air Conditioning and Refrigerating, McGraw-Hill, [7] KUTSCHER, C., COSTENARO,D., Assesment of Evaporative Cooling Enhancment Mehods for Air-Cooled Geothermal Plants, NREL/CP , August [8] KUTSCHER et All. Hybrid Wet/dry Cooling for Power Plants Parabolic Trough Technology Workshop, Nevada, [9] ORMAT. Salavatlı Geothermal Project Final Acceptance Performance Tests [10] GAWLK, K., SUGAMA, T., JUNG, D., Organometallic Polymer Coatings for Geothermal-Fluid- Sprayed Air-Cooled Condensers, NREL/CP , August 2002.

11 241 ÖZGEÇMLER Macit TOKSOY 1949 lkkurun (Ödemi-zmir) doumlu de stanbul Teknik Üniversitesi Makina Mühendislii Bölümünden Yüksek Makina Mühendisi olarak mezun oldu, 1976 yılında Ege Üniversitesi Makina Mühendislii Bölümü nde doktorasını tamamladı yılından 1999 yılına kadar Ege Üniversitesi nde, Dokuz Eylül Üniversitesi nde, North Carolina Eyalet Üniversitesi nde çeitli pozisyonlarda akademisyen olarak çalıtı döneminde Makina Mühendisleri Odası zmir ubesi Bakanlıını yaptı, yıllarında zmir li Jeotermal Enerji Yüksek Danıma Kurulu Bakanlıını yürüttü. Dokuz Eylül Üniversitesinde, zmir Yüksek Teknoloji Enstitüsünde ve YÖK te çeitli kademelerde yönetcilik yaptı ve idari görevler yaptı yılından bu yana zmir Yüksek Teknoloji Enstitü sünde akademik hayatına devam ediyor. 100 ün üzerinde makale ve bildirinin yazarı. Evli ve ki çocuklu. Umran SERPEN 1945 yılı zmir doumludur yılında TÜ Petrol Müh. Böl. den mezun olduktan sonra 1974 yılına kadar TPAO ve MTA da petrol ve jeotermal sahalarda çalımıtır yılından 1987 yılına kadar ELECTROCONSULT adlı bir talyan mühendislik ve danımanlık irketinde El Salvador, Guatemala, Meksika, Nikaragua, Kosta Rika, Arjantin, ili, Etiopya, Kenya, Filipinler, Rusya ve talya gibi ülkelerin çeitli jeotermal projelerin çeitli aamalarında danımanlık yapmıtır yılından itibaren TÜ Petrol ve Doal Gaz Müh. Böl. de Ör. Gör. Dr. olarak çalımaktadır. Niyazi AKSOY 1962 Gümühane doumludur. TÜ Petrol Mühendilii Bölümünden 1984 yılında mezun olduktan sonra, yılları arasında MTA Genel Müdürlüü jeotermal projlerinde sondaj ve test mühendisi olarak çalıtı yılında DEÜ Torbalı Meslek Yüksekokulu na geçti yılında DEÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Uygulamalı Jeoloji ABD de doktorasını tamamladı. Halen, DEÜ de yardımcı doçent olarak öretim üyelii ve bazı jeotermal projelerinde danımanlık yapmaktadır.