Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi. Enerji Yatırımları Fizibilite Raporu Hazırlanması Semineri TERMİK SANTRALLAR. Sunan

Transkript

1 Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi Enerji Yatırımları Fizibilite Raporu Hazırlanması Semineri TERMİK SANTRALLAR Sunan Muzaffer BAŞARAN EÜAŞ Emekli Genel Md. Yrd. Mak. Yük. Müh Mart 2012, Plaza Otel, Ankara 0

2 İÇİNDEKİLER 1. Giriş 2. Dünya da Kömür 3. Dünya da doğal gaz 4. Türkiye de Kömür 5. Teorik Çerçeve 6. Yanma 7. Bir termik santralın elemanları 8. Kömür Alma, Kül Atma Sistemi 9. Kazan ve Yardımcıları 10. Türbin ve Yardımcıları 11. Generatör 12. Transformatör 13. Soğutma Kulesi 14. Şalt Sahası 15. Baca Gazı Kükürt Arıtma Tesisleri 16. Otomasyon Sistemleri 17. Doğal Gaz Kombine Çevrim Santralları 18. Türkiye de Kömür Santralları 19. Türkiye de Doğal Gaz Santralları 20. Temel Kavramlar 21. Maliyetler 22. Sonuç 23. Kaynaklar 1

3 1. GİRİŞ Termik Santrallar kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü tesislerdir. Termik Santrallarda esas olarak fosil yakıtlar olan kömür, gaz ve petrol ürünleri kullanılır. Dünya da elektrik üretiminde en büyük pay fosil yakıtlardadır ve uzun bir süre de böyle devam edeceği tahmin edilmektedir. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) nın hazırladığı aşağıdaki grafik primer enerji kaynaklarına yönelik olsa da elektrik üretiminde de durum farklı değildir. Şekil 1: Dünya Primer Enerji Talep Projeksiyonu (IEA) Şekil 2: Dünya Elektrik Üretiminin Kaynaklara göre dağılımı 2009 yılında Dünya Elektrik Üretiminin %41 i kömür, %21 i Doğal Gaz, %16 sı Hidrolik, %13 i Nükleer, %5 i petrol ve %4 ü diğer kaynaklardan karşılanmıştır. 2

4 Petrol ürünlerinin elektrikte kullanımı tüm dünya da gün geçtikçe azaldığından bu seminerde ağırlıklı olarak kömürlü santrallardan ve bir miktarda doğal gaz santrallarından bahsedilecektir. 2. DÜNYA DA KÖMÜR 2010 yılı itibariyle Dünya da 860,9 Trilyon ton kömür rezervi bulunmaktadır. Bunun %35,4 ü Avrupa ve Kuzey Asya da, %30,9 u Güney Doğu Asya da, %28,5 i Kuzey Amerika da, %3,8 i Orta Doğu ve Afrika da, %1,5 u Güney ve Orta Amerika dadır. Dünya da 2010 yılı en büyük 10 üretici ve tüketici ülke aşağıdaki tablo da gösterilmektedir. Tablo 1: 2010 yılında Kömür Üretim ve Tüketiminde ilk 10 ülke (BP) Sıra Üretici Ülke Miktar % Sıra Tüketici Ülke Miktar % (tep) (tep) 1 Çin 1.800,4 48,3 1 Çin 1.713,5 48,2 2 ABD 552,2 14,8 2 ABD 524,6 14,8 3 Avustralya 235,4 6,3 3 Hindistan 277,6 7,8 4 Hindistan 216,1 5,8 4 Japonya 123,7 3,5 5 Endonezya 188,1 5,0 5 Rusya 93,8 2,6 6 Rusya 148,8 4,0 6 Güney Afrika 88,7 2,5 7 Güney Afrika 143,0 3,8 7 Almanya 76,5 2,2 8 Kazakistan 56,2 1,5 8 Güney Kore 76,0 2,1 9 Polonya 55,5 1,5 9 Polonya 54,0 1,5 10 Kolombiya 48,3 1,3 10 Avustralya 43,4 1,2 İlk 10 Toplam 3,444,0 92,3 İlk 10 Toplam 3.071,8 86,4 Dünya Toplam 3,731,4 100,0 Dünya Toplam 3.555,8 100,0 Tablodan da görüleceği gibi ilk 10 ülke Dünya üretiminde %92,3 lük, ve Dünya tüketiminde %86,4 lük paya sahiptir. 3. DÜNYADA DOĞAL GAZ 2010 yılı itibariyle Dünya da 187,1 trilyon m 3 doğal gaz rezervi bulunmaktadır. Bunun %40,5 i Orta Doğu da, %33,7 si Avrupa ve Kuzey Asya da, %8,7 si Güney Doğu Asya da, %7,9 u Afrika da, %5,3 ü Kuzey Amerika da, %4 ü Güney ve Orta Amerika da, dır. Dünya da 2010 yılı en büyük 10 üretici ve tüketici ülke aşağıdaki tablo da gösterilmektedir. Tablo 2: 2010 yılında Doğal Gaz Üretim ve Tüketiminde ilk 10 ülke (BP) Sıra Üretici Ülke Miktar (10 9 % Sıra Tüketici Ülke Miktar % m 3 ) (10 9 m 3 ) 1 ABD 611,0 19,3 1 ABD 683,4 21,7 2 Rusya 588,9 18,4 2 Rusya 414,1 13,0 3 Kanada 159,8 5,0 3 İran 136,9 4,3 4 İran 138,5 4,3 4 Çin 109,0 3,4 5 Katar 116,7 3,6 5 Japonya 95,5 3,0 6 Norveç 106,4 3,4 6 Kanada 93,8 3,0 7 Çin 96,8 3,0 7 İngiltere 93,8 3,0 8 S. Arabistan 83,9 2,6 8 S. Arabistan 83,9 2,6 9 Cezayir 80,4 2,5 9 Almanya 81,3 2,6 10 Hollanda 70,5 2,2 10 İtalya 76,1 2,4 İlk 10 Toplam 2.052,9 64,3 İlk 10 Toplam 1.867,8 59,0 Dünya Toplam 3.193,3 100,0 Dünya Toplam 3.169,0 100,0 3

5 Tablodan da görüleceği gibi ilk 10 ülke Dünya üretiminde %64,3 lük, ve Dünya tüketiminde %59 luk paya sahiptir. 4. TÜRKİYE DE KÖMÜR Türkiye de linyit rezervinin uzun yıllar 8,3 milyar ton olduğu söylenirken son 5 yıldaki MTA nın aramaları sonucu rezerv 12 milyar tona çıkmıştır. Aşağıdaki haritada Türkiye deki önemli kömür sahaları gösterilmektedir. Şekil 3: Türkiye de önemli kömür sahaları Ancak aşağıdaki grafikten görüleceği gibi Türkiye deki linyitlerin %70 e yakını 2000 kcal/kg ın altındadır.kül ve nem oranı yüksektir. Bu sebeple bazı sahalar sadece elektrik üretim amacıyla değerlendirilebilir. Şekil 4: Türkiye deki linyitlerin kalorifik değere göre dağılımı 5. TEORİK ÇERÇEVE 5.1. Termodinamiğin Yasaları Termodinamiğin birinci yasası enerjinin sakınımı yasasının özel bir halidir. Bunun bir başka ifadesi Enerji almaksızın sürekli iş yapan bir makinanın yapılması imkansızdır. 4

6 İkinci yasanın tarifi de şu şekildedir: Tek bir kaynaktan ısı alarak bu ısıya eşdeğer miktarda iş yapmaktan başka etkisi olmayan çevrimsel bir makina yapılamaz İdeal Gaz Yasası İdeal gazlar aşağıdaki denkleme uygun hareket ederler. pv=rt Burada p basınç (N/m 2 ), v özgül hacim (m 3 /kg), T mutlak sıcaklık (K), R gaz sabitidir. Ancak buhar ideal gaz değildir. Bu sebeple buhar parametreleriyle ilgili tablolar ve grafikler (örneğin Molyer Diyagramı) bulunmaktadır Temel Parametreler İç Enerji: Maddenin iç yapısı dolayısıyla sahip olduğu enerjidir ve temelde maddeyi meydana getiren moleküllerin veya atomların kinetik enerjilerine bağlıdır. İç enerji maddenin kütlesi ve sıcaklığı ile ölçülür. Birim kütlenin iç enerjisi u ile gösterilir ve özgül iç enerji adını alır. Entalpi: Entalpi diğer adıyla ısı tutumu, bir cismin belirli bir referans noktasına göre sahip olduğu toplam ısı miktarı olarak tanımlanır ve birim kütle için: i = u + pv M kütlesi içinde: I = U + pv denklemleriyle tanımlanır. Entropi: Bir akışkanın daha önce sayılan 5 özelliği dışında (p, v, T, u, i) bir özelliği daha vardır. Bu termodinamik olarak ds = dq / T olarak tanımlanır. Diğer bir deyişle bir çevrimsel işlemde bir akışkanın ısısının çok küçük miktarının akışkanın mutlak sıcaklığına oranı entropisindeki değişim olarak ifade edilebilir. Bir başka deyişle entropi bir ortamın yüksek ihtimalli bir durumda bulunmasının bir ölçüsü olmaktadır Çevrimler Brayton Çevrimi Gaz türbinlerindeki gaz, ideal gaz gibi değerlendirilirse gaz türbinlerinin çevrimini Brayton çevrimiyle gösterebiliriz. Şekil 5: Brayton Çevrimi 5

7 Bu çevrimde: 1-2: Hava isentropik olarak sıkıştırılır. 2-3: Sabit basınçta sisteme ısı verilir. 3-4: Yanma ürünleri türbinde isentropik olarak genleşir. 4-1:Sabit basınçta çevreye ısı atılır Carnot Çevrimi Bu çevrimde: A-B: Sabit sıcaklıkta (izotermik) ısı alınarak genleşme B-C: T H den T C ye adyabatik genleşme C-D: Sabit sıcaklıkta ısı verilerek sıkıştırma D-A: T C den T H ye yükselerek adyabatik sıkıştırma Şekil 6: Carnot ve Rankine Çevrimleri Rankine Çevrimi Carnot buhar çevrimi çeşitli yönlerden pratik değildir. Bu gerçek buhar karakteristikleri ve teknolojik kısıtlamalarla daha iyi bağdaşabilecek başka bir çevrim bulunmasını gerektirmiştir. Bu çevrimde: 1-2: Sistemin pompayla sıkıştırılması 2-3: Sabit basınçta sisteme ısı verilmesi 3-4: Türbinde genleşme 4-1: Kondenserde ısının verilmesi ve yoğunlaşma Ara ısıtmalı Rankine Çevrimi Rankin buhar çevriminde verimi artırmak için yüksek basınç türbininde çıkan buhara ara ısıtma uygulanır. 6. YANMA Bir yakıtın ekzotermik bir reaksiyon sonucunda oksijenle birleşmesine yanma denir.kömürlü santrallarda yanmayı kolaylaştırabilmek, yani oksijenin karbonla reaksiyonunu 6

8 hızlandırabilmek için kömür öğütülerek yüzey alanı artırılır. Aynı amaç ile sıvı yakıtlara da yakıcı nozulları aracılığıyla atomizasyon işlemi uygulanır. Karbonun oksijenle reaksiyonu: C + O 2 CO kcal Görüldüğü gibi bu ekzotermik bir reaksiyondur ve ısı açığa çıkar. Eğer tüm karbonları yakmaya yetecek kadar O 2 yoksa o zaman tam yanma olmaz ve CO açığa çıkar. Havanın %21 O 2 olduğuna göre yakıttaki tüm yanıcı elementleri (C, H 2, S, C n H m ) tam olarak yakacak hava miktarı teorik hava ihtiyacıdır (H min ). Gerçek hava miktarının teorik hava miktarına (H min ) olan oranına hava oranı ya da hava fazlalık katsayısı denir (λ). H λ = H min 7. BİR TERMİK SANTRALIN ELEMANLARI Bir Termik Santralın yerleşim planı (layout) aşağıdaki resimde görülebilir. Şekil 7: Kemerköy Santralı Genel Yerleşim Bir kömürlü santralın ana ekipmanları da aşağıdaki şemada görülebilir. 1 Soğutma Kulesi 10 Buhar kontrol valfi 19 Kızdırıcı (Superheater) 2 Soğutma suyu pompası 11 YB Türbini 20 Taze hava fanı (FD fanı) 3 İletim hattı 12 Deaeratör (Hava alıcı) 21 Tekrar kızdırıcı (Reheater) 4 Step up Trafosu 13 Besleme suyu ısıtıcısı 22 Taze hava girişi 5 Generatör 14 Kömür konveyörü 23 Ekonomizer 6 AB Türbini 15 Kömür bunkeri 24 Hava ön ısıtıcı (Luvo) 7 Kondensat pompası 16 Kömür değirmeni 25 Kül tutucu elektrofilitre 8 Kondenser 17 Kazan domu 26 Cebri Çekme fanı 9 0B Türbini 18 Cüruf teknesi 27 Baca Şekil 8: Kömür Santralı Diyagramı 7

9 Aşağıda da Afşin Elbistan A Santralının akış şeması verilmektedir. Şekil 9: Afşin Elbistan A Santralı akış şeması 8. KÖMÜR ALMA, KÜL ATMA SİSTEMİ Ham kömür kömür madeninden santrala büyük gemilerle, barjlarla, demir yolu vagonlarıyla, karayolunda kamyonlarla taşınabilir. Türkiye deki kömür santrallarının çoğunluğu düşük kalorifik değere sahip linyite dayalı olduklarından madenin hemen yanında kurulmuşlardır. Madenden gelen ham kömür kırıcılardan geçirilir ve mm olan tane büyüklüğüyle santralın günlük kapasitesini karşılayacak kapasiteye sahip olan kömür stok sahasına getirilir. Kömür, stok sahasından park makinalarıyla alınır ve ünite bunkerlerine götürülür. Şekil 10: Kömür Alma Sistemi 8

10 Kazan altı teknesinden alınan cüruf ve elektrofilitrede tutulan kül, aynı konveyör bandına dökülerek ya kömürün çıkarıldığı madene veya ayrı olarak inşa edilen kül barajlarına dökülür. Kül ve cürufun direk suyla taşındığı hidrolik sistemlerde vardır. 9. KAZAN VE YARDIMCILARI 1 Bunker kömür çıkarıcıları 2 Linyit besleyicileri 3 Resirkülasyon kanalları 4 Linyit değirmenleri 5 Ana linyit yakıcıları 6 Brüden yakıcıları 7 Kömür tozu filitreleri 8 Brüden bacaları 9 Islak tip cüruf çıkarıcı 10 Döner ızgara 11 Hava önısıtıcı 12 Taze hava fanları (FD fan) 13 Kül tutucu elektrofilitre 14 Cebri çekme fanı (ID fan) 15 Soğuk gaz fanları 16 Sıcak hava kanalları 17 Brüden kanalları 18 Baca gazı kanalları 19 Soğuk gaz kanalları 20 Yağ yakıcılar Şekil 11: Afşin Elbistan A Santralı Kazan Kesiti Bunkerlerden alınan kömür transport bantlarıyla değirmenlere gelir, değirmenlerde toz haline getirilen kömür yanma odasına sıcak havayla püskürtülür ve kömür havada yanar. Yakıtın kimyasal enerjisi kazanda meydana gelen yanma sonucu ısı enerjisine dönüşür. Yanma sonucu meydana gelen gazlar (baca gazları) ısılarını konveksiyon ve radyasyon (ışıma) yolu ile kazan borularına vererek boruların içinden geçmekte olan suyun sıcaklığının yükselmesini sağlarlar. Su sıcaklığı kazan basıncının karşılığı olan buharlaşma sıcaklığına eriştiğinde buharlaşma başlar. Bu şekilde meydana gelen su-buhar karışımı genellikle dom denilen bir büyük tankta doymuş buhar ve su olmak üzere ikiye ayrılır.doymuş buhar daha sonra yine baca gazları ile kızdırılır. Su ise tekrar çevrimin başlangıç noktasına gönderilerek yeniden ısıtılır. Kızdırıcılarda mümkün olduğu kadar yüksek sıcaklıklara erişmek arzu edilen bir durumdur, çünkü bu sıcaklık ne kadar artarsa verimde artar. Kazanların çok farklı tipleri olmasına karşın bugün iki ana tipten bahsedilmektedir: 1. Pulverize Kömürlü Kazanlar 2. Akışkan Yataklı Kazanlar Yukarıda anlatılanlar aslında pulverize kömür kazanıyla ilgili özelliklerdi, akışkan yataklı kazanın bunkerine kömür 10 mm civarında gelir ve alttan nozullarla hava verilen yatak üzerine gönderilir. Yanma kireç beslemesi de yapılan bu yatak üzerinde gerçekleşir. Aşağıdaki şemada akışkan yatak teknolojisi şematik olarak gösterilmektedir. 9

11 Kül malzeme Baca gazı Baca gazı hava hava Kömür Kireç Baca gazı Kül Baca gazı Kül malzeme hava Baca gazı + hava Kül malzeme Kül Şekil 12: Akışkan Yatak Teknolojisinin Şeması Kazandaki diğer ekipmanlar 1. Değirmenler (Akışkan yataklı kazanda yok) 2. Fanlar (FD Fanları, ID Fanları, Soğuk Gaz Fanları) 3. Hava Ön Isıtıcıları 4. Kurum Üfleyiciler 5. Cüruf ızgarası 6. Kül Tutucu Elektro Filitreler 10. TÜRBİN VE YARDIMCILARI Bir buhar türbini, genel olarak yatay ekseni etrafında dönebilen bir rotor, bu rotor üzerine monte edilmiş ve rotorla beraber dönen hareketli kanatlar, türbin gövdesi, bu gövde içinde bulunan iç gövde, sabit kanat taşıyıcıları ve sabit kanatlardan meydana gelir. Rotor, her iki tarafından radyal yataklarla yataklanmıştır. Eksenel yatak rotoru eksenel yönde sabitleştirir. Buharın türbinden dışarı kaçmasının söz konusu olduğu yerler labirentlerle donatılmıştır. Kazandan gelen taze buhar ani kapama ventilinden, giriş kasasından reglaj ventilinden geçerek nozullara ve buradan genellikle Curtis ya da Laval çarkına gelir. Bu çarktan çıkan buhar gövde içerisine girerek türbinin tüm kanat basamaklarına akar. Buhar, türbinin içerisinde ilerlerken iş meydana getirir ve hacmi genişler. Bu nedenle basamaklar ilerledikçe türbinin sabit ve hareketli kanatlarının boyları daha uzun dizayn edilir. Buhar, faydalı enerjisini kanatlar yardımıyla rotora verdikten sonra çürük buhar kondenseye dökülür. Çeşitli basınç basamaklarından alınan ara buhar, borular ile gövdeden ayrılarak besleme suyu ısıtıcılarına gönderilir. Bu ara buharlarla kazana giden besleme suyu ısıtılır. Türbin çıkış tarafında bulunan generatörün rotoru, türbin rotoruna kaplinle bağlanmıştır. 10

12 Şekil 13: Buhar Türbini 11. GENERATÖR Generatörler, stator ve rotor adı verilen 2 ana bölümden oluşurlar. Stator gövdesi genellikle kaynaklı tiptendir. Gövde içerisine 0,5 mm kalınlığındaki saçların üst üste konulması ile oluşturulan saç paketleri yerleştirilir. Bu saç paketlerinde açılmış oluklara ise stator sargıları döşenir ve mika ya da benzeri yalıtkanlarla birbirlerinden ayrılır. Buhar santrallarında kullanılan generatörlerin stator sargı gerilimleri 10 kv, 15 kv, 22 kv ya da 33 kv gibi değerlerde olabilir. Şekil 14: Generatör Generatör rotoruna indüktörde denebilir. Rotorda oluşturulan manyetik alanın stator içinde döndürülmesiyle stator sargılarında voltaj indüklenmiş olur. Yuvarlak kutuplu senkron 11

13 generatörlerin devirleri yüksek olduğundan (3.000 rpm) rotor üzerinde büyük merkezkaç kuvvetleri oluşur. Bu kuvvetler ise rotorların maksimum çaplarını sınırlar. Yuvarlak kutuplu senkron generatörlerin boylarının uzun, çaplarının ise küçük seçilmesinin nedeni budur. 12. TRANSFORMATÖRLER Transformatörler, gerilim seviyesini ihtiyaca göre yükselten veya düşüren statik elektrik makinalarıdır. Şekil 15: Bir ana transformatör Transformatörler basit olarak alaşımlı demir saç paket bir nüve üzerine iki grup sargıdan oluşurlar. Birinci sargının gerilimi U 1 ve sargı sayısı n 1, ikinci sargının gerilimi U 2 ve sargı sayısı n 2 ise: U 1 n = U 2 n 2 Generatörün çıkış gerilimini (10, 15, 22kV) santralın bağlanacağı iletim hattı gerilimine çıkartan transformatöre ana transformatör, generatör çıkış barasından iç ihtiyaç için gerilimi düşüren transformatöre iç ihtiyaç transformatörü denilir. Santral içinde gerilim seviyesini düşüren çok sayıda güç transformatörü olduğu gibi ölçü aletleri içinde çok sayıda akım ve gerilim transformatörü bulunmaktadır. 13. SOĞUTMA KULESİ Eğer santral deniz, göl veya büyük debili bir nehir kenarında değilse soğutma kuleleri kullanılır. Türbinden kondensere gelen buharın ısısı soğutma kulesinden gelen suyla soğutularak yoğuşturulur. Isınan soğutma suyuda soğutma kulesinde tekrar soğutulur. 12

14 Şekil 16: Soğutma Kule Tipleri Soğutma kulelerinde genelde üç tip kullanılır. 1. Cebri sirkülasyonlu (fanlı) ıslak tip soğutma kulesi 2. Doğal sirkülasyonlu (hiperbolik) ıslak tip soğutma kulesi 3. Kuru tip soğutma kulesi Doğal çekişli soğutma kulelerine su belirli bir yükseklikten girerek, aşağıya doğru dökülür. Bu sırada kulenin altından giren hava ise sudan daha soğuk olduğu için ısınarak yükselir. Böylece aşağıya akmakta olan su, yukarı çıkmakta olan hava tarafından soğutulur. Su, kule içinde ne kadar fazla kalır ve ne kadar küçük partiküllere ayrılırsa o kadar fazla soğur. Bu nedenle kule içerisine, su akışını yavaşlatıcı ve onu parçalayıcı engeller konur. 14. ŞALT SAHASI Generatörde üretilen elektriğin gerilimi ana transformatörde yükseltildikten sonra şalt sahasıyla iletim sistemine bağlanır. Şalt sahasında ana bara, transfer bara, kesiciler, ayırıcılar, parafudrlar bulunur. Ana transformatör çıkış gerilimi daha düşük seviyelere indirilecekse ona uygun ilave transformatörlerde bulunur. Santralın ilk başlatılması sırasında dışarıdan enerji almaya imkan sağlamak için şalt sahalarında start up transformatörleri de bulunur. Şalt sahasına giriş ve çıkışlar fider denilen donanımlarla sağlanır. Eski dönemlerde şalt sahalarında daha çok basınçlı havayla çalışan kesiciler kullanılırken daha az yer kapladıkları için şimdi SF 6 gazlı kesiciler daha yaygın kullanılırlar. 13

15 Şekil 17: Afşin Elbistan A Santral Şalt sahasında Enerjinin Akışı 15. BACA GAZI KÜKÜRT ARITMA SİSTEMLERİ Kömür veya petrol ürünleri yakan santrallarda baca gazından kükürtdioksiti (SO 2 ) ayıran tesislere Baca Gazı Kükürt Arıtma Tesisleri (BGKAT veya BGD veya FGD) adı verilir. BGD teknolojileri kuru ve ıslak sistemler olarak ikiye ayrılır. Kuru proseslerin avantajları olmasına rağmen yüksek kükürtlü kömürlerde tutma verimi yeterli olmadığı için Dünya da ve Türkiye de en yaygın kullanılan proses ıslak kireç taşı prosesidir. Bu proseste tutma verimi %95 in üzerine çıkabilmektedir. Şekil 18: Yatağan Santralı BGD Akış Şeması 14

16 Tablo 3:Yatağan TS BGD Tasarım Değerleri Parametre Minimum Normal Maksimum Baca Gazı debisi Islak (Nm 3 /h) Kuru SO 2 (mg/nm 3 ) kuru baz Yıkama kulesi resirkülasyon pompa sayısı Kireçtaşı ihtiyacı (ton/saat) Şekil 19: Afşin Elbistan B Santralı BGD Akış Şeması Tablo 4:Afşin Elbistan B TS BGD Tasarım Değerleri Parametre Minimum Normal Maksimum Baca Gazı debisi (Nm 3 /h) SO 2 (mg/nm 3 ) kuru baz Yıkama kulesi resirkülasyon pompa sayısı Kireçtaşı ihtiyacı (ton/saat) OTOMASYON SİSTEMLERİ Santrallarda belirli olaylara etki eden olayların limit değerler içinde tutulabilmesi büyük önem taşır. Bu değerler önceden saptanmış olan sınırları aşmamalıdır. Bu ayarlamanın sürekli olarak sağlanabilmesi için uygulanan tekniklere genel anlamda otomasyon tekniği denir. Otomasyon genelde kumanda ve reglaj diye ikiye ayrılabilir. 15

17 Bir tesisi elle idare eden bir operatör tesisin durumunu dikkatle izler, algıladığı bilgileri kafasında değerlendirir ve bu değerlendirme sonucunda gerekiyorsa elle müdahale eder. Operatörün bu davranışıyla otomasyon sistemi arasında da benzerlikler vardır. Otomasyon sisteminin gerçekleşmesi üç etapta sağlanır. a) Tesisisin o anki durumunun sinyal vericiler tarafından saptanması b) Kazanılan bilgilerin emirlere dönüştürülmesi c) Ayar organlarını harekete geçirerek tesisin durumuna etki edilmesi Bir buhar santralında su ve buharın çeşitli noktalarındaki basınç, sıcaklık ve debisi; döner makinalarda vibrasyon, yağlama yağları sıcaklığı; tanklar ve basınçlı kaplarda sıcaklık, basınç ve seviye sürekli olarak ölçülür ve değerlerin limit değerleri aşması halinde alarm sinyalleri verir, hatta santralı durdurabilir. Santralda bir pompanın, bir elektrik motorunun, bir değirmenin çalıştırılması için belli şartların oluşması gerekir. Bu şartlar yerine gelmemişse o ekipman çalışmaz. Bu sistemlere de mantık devreleri veya kilitleme sistemleri (logic circuits veya interlocking systems )denilir. 17. DOĞAL GAZ KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALLARI Termodinamikte gaz türbinlerinin işletmesi 5. Bölümde gösterilen İdeal Brayton çevrimiyle tarif edilirler. Gaz isantropik olarak kompresörde sıkıştırılır ve yine türbinde isantropik olarak genleşir ve başlangıçtaki basınca döner. Tüm diğer çevrimlerde olduğu gibi yüksek yanma sıcaklığı daha yüksek verim anlamına gelir. Bu sıcaklığı sınırlandıran ise kullanılan çelik alaşımı, seramik ve diğer malzemenin yüksek sıcaklık ve basınca olan dayanıklılığıdır. Gaz türbin çevrimleri açık çevrim (basit çevrim) ve kombine çevrim olarak ikiye ayrılır. Açık Çevrim Şekil 20: Açık Çevrim Açık Çevrim Çevre koşullarında hava, kompresör tarafından emilerek sıkıştırılır, basıncı ve sıcaklığı artar. Yüksek basınçlı hava daha sonra, yakıtın sabit basınçta yakıldığı yanma odasına girer. Yanma odasında oluşan yüksek sıcaklıktaki gazlar türbinde 16

18 çevre basıncına genişlerken iş yapar. Türbinden çıkan egzos gazları atmosfere atılır. Böylece açık çevrim gerçekleşmiş olur. Açık verimde çevrim verimi %30-35 mertebesindedir Kombine Çevrim Gaz türbini egzost gazlarının enerjisi kazan işlevi üstlenen bir ısı eşanjöründe (kazanda) buhar üretmek için kullanılır. Bu ikinci çevrime gerekli ısı enerjisi sağlayabilmek için kazana genellikle birden çok gaz türbini bağlanır. Ayrıca buhar çevriminde ara ısıtma ve ara buhar alma yapılabilir. Ara ısıtma için enerji, fazladan bir miktar yakıtı oksijen açısından zengin egzost gazlarıyla yakarak sağlanabilir. Verimi % 59 lere varan kombine çevrim santralları işletme halindedir. Şu anda verimi %60 üzeri olan santrallardan Gallerdeki Baglan Bay Santralını GE ve Irsching santralını Santralını Siemens kurmuş ve santrallar şu anda test aşamasındadırlar. SU KAZAN-2 DOĞALGAZ HAVA KAZAN1 KAZAN-2 G G 239MW KOMPRESÖR TÜRBİN HP IP LP 237,5MW KAZAN-2 KONDENSER SOGUTMA KULESİ KAZAN-2 Şekil 21: Bursa Doğal Gaz Kombine Çevrim Santralı Akış Şeması 18. TÜRKİYE DE KÖMÜR SANTRALLARI Türkiye de 2012 Şubat sonu itibariyle kömür yakan santralların kurulu gücü ,7 MW tır. Bunların 8.139,7 MW ı linyit, 335 MW ı yerli taşkömürü ve ı MW ithal kömür kullanırlar. Bu santrallar 2011 yılında 63,76 milyar kwh üretmişlerdir ve 228,43 milyar kwh lik Türkiye toplam üretimlerindeki payları %27,91dir. Bu santralların MW ı EÜAŞ, 620 MW ı İşletme Hakkı Devri, MW Yap İşlet, MW Serbest Üretici Şirketler ve 289,7 MW Otoprodüktör Şirketler tarafından işletilmektedir. MTA ve TKİ tarafından yürütülen çalışmalar sonucunda mevcut rezervler dikkate alınarak yerli kömüre dayalı MW lık ilave santral kurulabileceği hesaplanmaktadır. Aşağıda Türkiye deki bazı kömürlü santrallardan örnekler verilmektedir. 17

19 Tablo 5: Türkiye deki linyit santrallarının temel parametreleri Parametre Birim AE-B AE-A Yatağan Soma Çan Seyitömer Kurulu Güç MW Ünite Güç MW Üretim kapasite 10 6 kwh/yıl , Buhar debi ton/saat Kızgın buh. sıcaklık 0 C Kızgın buh. basınç bar Tekrar kızd. buh. sıc. 0 C Tekrar kızd. buh. bar bas. Besleme su sıcaklık 0 C Kondense vakum Bar 0,07 0,07 0,0726 0,07 0,085 0,06 Santral Verim % 38,95 31,27 33,56 30,01 42,00 37,07 Özgül ısı tüketimi kcal/kg TÜRKİYE DE DOĞAL GAZ SANTRALLARI Türkiye de 2012 Şubat sonu itibariyle ,6 MW lık doğal gaz santralı vardır. Bu santralların 4.082,9 MW ı EÜAŞ, MW ı Yap İşlet, 1.449,6 MW ı YİD, MW ı Serbest Üretici Şirketler ve 884,1 MW ı Otoprodüktör Şirketler tarafından işletilmektedir. Bu santrallar 2011 yılında 102,13 milyar kwh üretmişlerdir ve 228,43 milyar kwh lik Türkiye toplam üretimlerindeki payları %44,71 dir. Türkiye de kamu kuruluşu olan EÜAŞ ın üç doğal gaz kombine çevrim santrallarının devreye giriş tarihleri ve verimlerine bakıldığında bile verim artışındaki gelişme izlenebilir. Tablo 6: EÜAŞ DGKÇ Santralları Santral Hamitabat Ambarlı Bursa İlk GT devreye giriş Kurulu Güç (MW) Yıllık Üretim (10 6 kwh/yıl) GT güç (MW) GT giriş sıc.( 0 C ) Verim (%) Ancak Hamitabat ve Ambarlı gaz türbinlerinin 20 yıllık sürede aşınmaları ve yıpranmaları nedeniyle upgrading yapılmış, yanma hücrelerinde, kompresör ve türbin sabit ve hareketli kanatların bir kısmı daha verimli profilli kanatlarla değiştirilmiş, bazı kanatlara da daha yüksek sıcaklığa dayanıklı kaplamalar yapılmıştır. YİD ve Yi Modeliyle yapılan doğal gaz santralları da aşağıdaki gibidir. Tablo 7: YİD Modeliyle yapılan DGKÇ Santralları İsim Ova Trakya Esenyurt Unimar Toplam Devreye giriş Güç (MW) Teorik Kapasite (10 6 kwh) 2.219, , , , ,7 18

20 Tablo 8: Yİ Modeliyle yapılan DGKÇ Santralları İsim Gebze Adapazarı İzmir Ankara Toplam Devreye giriş Güç (MW) Teorik Kapasite (10 6 kwh) , , , , , TEMEL KAVRAMLAR Yılda 365 x 24 = saat vardır. İşletme Saati (Operation Hours): Bir yılda bir santralın çalışma saatleri toplamı işletme saatidir. Bu nükleer santrallar için ortalama saat, doğal gaz santralları için saat, Kömür santralları için saat, hidrolik santrallar için saat ve rüzgar santralları için saattir. Günlük Yük eğrisi (Daily Load Curve): Elektrik talebe göre üretilir. Bir ülkede veya bölgede gün içindeki talebe göre yapılan üretimde santralların gücünün değişimini gösteren eğrilere yük eğrisi denir. Şekil 22: Günlük Yük Eğrisi Zaman yönünden Emre Amadelik (Availability according to Time): Santralın bir yılda çalıştığı ve çalışmadığı halde çalışabilir durumda olduğu saatler a bölünerek bulunur. Üretim yönünden Emre Amadelik (Availability according to Generation): Santralın bir yılda üretim yaptığı saatlerin toplamının a bölünmesiyle elde edilir. Kapasite Kullanım Faktörü (Capacity Factor veya Capacity Utilization Factor): Bir santralın yıl içinde fiilen yaptığı üretimin, santralın tam yükte saat çalışsa üreteceği elektik miktarına bölünmesi sonucu bulunur. Çevrim Verimi (Cycle Efficiency): Santrala yakıtla verilen kimyasal enerjinin ne kadarının elektrik enerjisine dönüştüğünü gösteren bir performans parametresidir. 19

21 Kömür santrallarının kritik altı olanlarının verimi %30-37, Super kritiklerin verimi%39-43 ve ultra super kritiklerin verimi de %43-50 arasındadır. Doğal Gaz santrallarında açık çevrimde verim %30-35 ken, kombine çevrim santrallarında verim %60 ları bulmuştur. 21. MALİYETLER MIT nin 2003 ve 2007 de yaptığı çalışmalara göre kömür yakan, gaz yakan ve nükleer santralların yatırım ve elektrik üretim maliyetleri aşağıdaki gibidir. Tablo 9: MIT Elektrik Üretim Seçeneklerinin Maliyetleri (2003 ve 2007) Seçenek Yatırım ($/kw) Üretim mal. (c/kwh) MIT 2003 Nükleer ,7 Kömür ,3 Doğal Gaz 500 4,1 MIT 2007 Nükleer ,4 Kömür ,2 Doğal Gaz 850 6,5 ABD Enerji Bakanlığının 2009 da yaptığı bir çalışmaya göre 2016 da devreye girebilecek farklı kaynaklara dayalı santralların elektrik üretim maliyetleri aşağıdaki tabloda verilmektedir. Tablo 10: Yeni Üretim Kaynakları İndirgenmiş Maliyetler, 2016 Santral Tipi Kapasite faktör (%) 2016 da devreye girecek santrallar için ABD ortalama indirgenmiş maliyetler (2009 $/MWh) Sabit Değişken İletim Toplam sistem işletme işletme bakım yatırımı indirgenmiş bakım mal. mal. mal. İndirgenmiş yatırım mal. Klasik kömür 85 65,3 3,9 24,3 1,2 94,8 İleri tek. kömür 85 74,6 7,9 25,7 1,2 109,4 İleri tek. Kömür ve KTD 85 92,7 9,2 33,1 1,2 136,2 Klasik DGKÇ 87 17,5 1,9 45,6 1,2 66,1 İleri tek. DGKÇ 87 17,9 1,9 42,1 1,2 63,1 İleri tek. DGKÇ ve KTD 87 34,6 3,9 49,6 1,2 89,3 DG Klasik yanma 30 45,8 3,7 71,5 3,5 124,5 DG İleri tek. yanma 30 31,6 5,5 62,9 3,5 103,5 İleri tek. Nükleer 90 90,1 11,1 11,7 1,0 113,9 Rüzgar (Karada) 34 83,9 9,6 0,0 3,5 97,0 Rüzgar (Deniz Üstü) ,3 28,1 0,0 5,9 243,2 Güneş PV ,6 12,1 0,0 4,0 210,7 Güneş Termik ,4 46,6 0,0 5,8 311,8 Jeotermal 92 79,3 11,9 9,5 1,0 101,7 Biomas 83 55,3 13,7 42,3 1,3 112,5 Hidro 52 74,5 3,8 6,3 1,9 86,4 Kaynak: ABD Enerji Bakanlığı, Annual Energy Outlook 2011 TEK, TEAŞ ve EÜAŞ tarafından yapılan kömür santrallarından BGD tesisi olanların yatırım maliyetleri ekteki tabloda görülebilir. 20

22 Tablo 11: Kömür Santrallarında Santral ve BGD yatırım maliyetleri ($/kw) Santral Güç Santral $/kw BGD $/kw BGD/Santral % Çayırhan 1,2 2x ,8 13 Orhaneli 1x ,6 14 Yatağan 3x ,3 16,7 Kemerköy 3x ,4 10,5 Yeniköy 2x ,3 14 Afşin Elbistan B 4x ,4 10,6 22. SONUÇ Fosil Yakıtların kullanımı uzun yıllar devam edecektir. Dolayısıyla üretimi daha verimli, daha temiz ve daha ucuz yapabilecek teknolojiler üzerinde çalışılmalıdır. Yenilenebilir Enerji önemlidir ve değerlendirilmelidir. Ancak rüzgar yoksa rüzgar enerjisi yoktur, akarsuda su yoksa hidrolik enerji yoktur, güneş battığında güneş enerjisi yoktur. Dolayısıyla devamlı güvenilir baz yük santrallarına ihtiyaç vardır. Bu ihtiyacı da kömür, gaz ve nükleer santrallar karşılar. 23. KAYNAKLAR 1. Yaver Heper, Buhar Santralları Teorisi ve Uygulaması,METU Press, Ankara Macit Çiğdemoğlu, Teknik Termodinamiğe Giriş, Gürsoy Matbaacılık, Ankara, EÜAŞ web sitesi 4. TEİAS web sitesi 5. DOE web sitesi 6. IEA, World Energy Outlook BP Statistical Review of World Energy, June Wikipedia web site 9. Dr. İlker Şengüler, Lignite Explorations in Turkey, New Projects and New Reserves, 27. Pittsburgh Coal Conference, Ekim 2010, İstanbul 10. Mustafa Yörükoğlu, Kömür 1 21