Birleşik Isı -Güç Sistemlerinde Proses Sıcaklığı Değişiminin Elektrik ve Isı Üretimi Üzerine Etkileri

Transkript

1 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( 00 9 KSU J. Science and Engineering 6( 00 Birleşik Isı -Güç Sistemlerinde Prses Sıcaklığı Değişiminin Elektrik ve Isı Üretimi Üzerine Etkileri Ayhan ONAT KSÜ, K.ahramanmaraş MYO İklimlendirme-Sğutma Prgramı Kahramanmaraş Muharrem İMAL KSÜ, Kahramanmaraş MYO Makina Prgramı Kahramanmaraş ÖZET Bu çalışmada, birleşik ısı-güç sistemlerinde prses sıcaklığı değişiminin elektrik ve ısı üretimi üzerine etkileri incelenerek ara buhar almalı ısı-güç sistemleri ile karşı basınçlı ısı-güç sistemleri elektrik ve ısı üretimi açısından karşılaştırılmıştır. Visual Frtran prgramlama dilinde yazılan prgram ile prses sıcaklıkları 60 C, 80 C, 00 C, 0 C, 0 C, 60 C ve 80 C ve türbin giriş şartları MPa, 50 C; 6 MPa, 50 C; 9 MPa, 50 C ve MPa, 550 C değerleri için iki farklı sistem karşılaştırılarak snuçlar yrumlanmıştır. Anahtar Kelimeler : Birleşik ısı-güç sistemleri,, Karşı basınçlı çevrim, Prses sıcaklığı The Effect f Varying Prcess Temperature n Electric and Heat Outputs in Cgeneratin Steam Cycles ABSTRACT In this study, the effect f varying prcess temperature n electric and heat utput in cgeneratin steam cycles was examined. The extractin-cndensing steam cycle and back pressure steam cycle were cmpared in terms f electric and heat utputs. A prgram was written in Visual Frtran cnsidering the prcess temperatures as 60 C, 80 C, 00 C, 0 C, 0 C, 60 C and 80 C; and the turbine inlet cnditins as MPa, 50 C; 6 MPa, 50 C; 9 MPa, 50 C; and MPa, 550 C. Results fr tw different systems were cmpared and interpreted. Key Wrds : Cgeneratin, Extractin-cndensing steam cycle, Back pressure steam cycle, Prcess temperature. GİRİŞ Dünyada bugün kullanılan enerjinin hemen hemen tamamı fsil kaynaklardan elde edilmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklardan elde edilen enerji henüz yetersizdir. Araştırmalar fsil esaslı enerji kaynaklarının yerlerini yenilenebilir ve nükleer enerji kaynaklarına bırakacağını göstermiştir. Bu enerji kaynaklarının bir gün tükeneceğinin bilinmesi mevcut kaynakların daha verimli kullanımı ve yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi knularındaki çalışmaları artırmıştır. Enerji eknmisinin ve enerjinin kullanımındaki verimliliğinin önemi böylece daha iyi anlaşılmaktadır (Dilip, 98. Klasik güç santrallerinde fsil esaslı yakıt enerjisinin üçte biri elektrik enerjisine dönüştürülebilir, üçte ikisi ise sğutma suyu larak çevreye atılır (Hrlck, 987.

2 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( KSU J. Science and Engineering 6( 00 Bölgesel ısıtmada amaç ısıtma sistemleri ve bru hatlarıyla ısıtılacak mekanların ısı gereksinimini ve sıcaklığı C arasında değişen sıcak su ihtiyacını karşılamaktadır. Endüstride kullanım amacı ise prses ısısına gereksinim duyan fabrikaların ısı ve güç ihtiyaçlarını bir buhar türbininin çıkışından veya çürük buhardan yararlanarak karşılamaktan ibarettir. Birleşik ısı-güç tesislerinde elde edilen enerji tasarrufu büyük byutludur. Basit bir termdinamik çalışması bile enerji tasarrufunun daha dğru bir şekilde değerlendirilmesini sağlar (Philips, 979. MATERYAL VE METOT Bu çalışmada şekil ve şekil de gösterilen ara buhar almalı ısı-güç sistemleri ile karşı basınçlı ısı-güç sistemleri karşılaştırılacaktır. T G 5 BU P - YBSI GA ABSI 6 7 P 7-6 Y P 9-8 IC Şekil. Ara buhar almalı birleşik ısı ve güç santrali. de, buhar yğuşturucu basıncına kadar genişletilir ve prses sıcaklığına karşılık gelen dyma basıncında bir ara buhar alma işlemi gerçekleştirilir. de ise buhar sadece prses sıcaklığına karşılık gelen dyma basıncına genişletilir. Ara buhar almalı türbinlerde kısmi ısı yüklerinde bile elektrik üretiminin artırılabilmesi bu çevrimin en önemli üstünlüğünü luşturur. Diğer taraftan karşı basınçlı türbinler, basit bir yük kntrl mekanizmasına sahip lmanın yanında, ilk yatırım harcamalarının düşük lması gibi bir üstünlüğe de sahiptirler. Bu çevrimlerin her ikisi de yaygın bir kullanım alanına sahiptir (Dvrak, 985; Malhauser, 987; Olikar, 989.

3 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( 00 5 KSU J. Science and Engineering 6( 00 T G BU Y 0 BSI 8 P GA P 6-5 Şekil. Karşı basınçlı birleşik ısı ve güç santrali. Termdinamiğin I. Yasasının Sisteme Uygulanması Uygulamada karşılaşılan açık sistemlerin çğunda sistemin özellikleri zamandan bağımsızdır. Sistemin sınırları sabittir ve sistemin içerisinde alınan bütün nktalarda akışkanın sahip lacağı özellikler sadece knuma bağlı lup zamandan bağımsızdır. Ayrıca sürekli rejimde çalışan böyle bir sistemin sınırlarından birim zamanda geçen ısı, iş ve kütle miktarları sabittir. Sürekli akışlı, sürekli açık (SASA sistemler için enerji denklemi (Çengel ve Bles, 996, V g V ç Q & W& hg + + gz g m& g = 0 hç gzç m& ( ç ile verilir. Burada m& sistemden birim zamanda geçen akışkanın kütlesidir. Q & ve W & ise birim zamanda sistemle çevre arasında alınıp verilen ısı ve iş miktarlarını göstermektedir. Uygulamada en çk kullanılan temel denklemlerden biridir. Buhar türbinlerinde sistemin içinden sürekli geçen akışkan bir gazdır. Bu gibi hallerde giriş ve çıkış kesitleri arasında ptansiyel enerjide meydana gelen değişme ihmal edilebilir. Türbinlerde giriş ve çıkış kesitlerinin alanları, giriş ve çıkış hızları birbirine yakın lacak şekilde seçilir. Bu nedenle kinetik enerjide meydana gelen değişme ihmal edilebilir. Diğer taraftan türbin içerisinde büyük bir hızla akmakta lan akışkanın giriş ve çıkış kesitleri arasında birim kütle başına kazandığı veya kaybettiği ısı miktarı da çk düşüktür ve ihmal edilmiştir. Böylece nlu eşitlik, W & ( h h veya w = ( h h ( şeklinde yazılabilir.

4 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( 00 5 KSU J. Science and Engineering 6( 00 Yukarıdaki nlu eşitlikte verilen süreklilik denklemi kullanılarak Şekil ve şekil deki hal değişim nktalarından birim zamanda geçen kütle miktarları hesaplanmıştır. Ara buhar almalı birleşik ısı- güç çevrimi için Süreklilik denklemine göre türbinden geçen kütlesel debi; m & 5 ( Net türbin işi; W t ( h h + ( m& ( h h + ( m& ( h h + ( m& ( h h5 Tplam pmpa işi; W& P 5 ( h7 h6 ( h9 h8 ( h h (5 Buhar üretecinin ısı yükü; Q & bü ( h h (6 Yğuşturucu ısı yükü; Q & y 5 ( h5 h6 (7 Karşı basınçlı birleşik ısı-güç çevrimi için Süreklilik denklemine göre türbinden geçen kütlesel debi; m & (8 Net türbin işi; W& t ( h h + ( m& ( h h ( h h (9 Tplam pmpa işi; W& P ( h6 h5 + ( m& ( h8 h7 (0 Buhar üretecinin ısı yükü; Q & bü ( h h0 ( Yğuşturucu ısı yükü; Q & y ( h5 h ( Snuçlarda elde edilen grafikler aşağıdaki eşitlikler kullanılarak çizilmiştir. Jeneratörden elde edilen elektrik yükü ; W = ( W t W p η ( g Elektrik ısı ranı; W WQ = ( Q y Isı giriş çıkış ranı; Qbü QGC = (5 Q y

5 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( 00 5 KSU J. Science and Engineering 6( 00 Çevrimler Üzerinde Yapılan Kabuller Yğuşturucu basıncı 0 kpa larak sabittir. Türbinden besi suyu ısıtıcısına, ısı değiştiricisine ve yğuşturucuya yapılan ara buhar alma işlemi esnasında ara buhar alma basıncının %5 ine eşit miktarda basınç kaybı meydana gelmektedir. Buhar kazanındaki basınç kaybı, türbin giriş basıncının %5 i ranında lacaktır. Besleme suyunda meydana gelecek entalpi artışı terik rtalama değerin %70 i larak kabul edilmiştir(. Bu değer, h = ( h h pt n n + ifadesiyle verilir. Bu ifade de; n : Besleme suyu ısıtıcılarının adedini, h : Dymuş sıvı entalpisini, sb h s : Yğuşturucudan çıkan dymuş sıvı entalpisini ifade etmektedir. Gaz alıcı ve yüksek basınçlı besleme suyu ısıtıcısının snlu sıcaklık farkı 0 C larak kabul edilmiştir. Düşük basınçlı besleme suyu ısıtıcısı ve yğuşturucu için bu değer 5 C larak kabul edilmiştir. Termdinamik analizde her iki çevrim için türbin giriş değerleri P = MPa ve T = 55 C esas alınmıştır. Entalpi birimi larak h (kj/kg ve entrpi birimi larak s (kj/kgk abul edilmiştir. Türbin verimi η = 0, 8, pmpaların verimi η = 0, 7, jeneratör verimi η g = 0,95 L Yazılım Prgramının Tanıtılması Visual Frtran dilinde yazılan bu prgram üç bölümden luşmaktadır.bunlar, ara buhar almalı çevrimin incelendiği bölüm, karşı basınçlı çevrimin incelendiği bölüm ve çevrimde kullanılan akışkanlara ait özelliklerin hesaplanmasını sağlayan alt prgramlardır. İlk bölümde kullanıcıya bilgi veren menu kısmı bulunmaktadır. Daha snra hesaplanması istenen özelliklerin numarasına göre prgram çalıştırılmaktadır. İlk giriş değerlerini akışkanın türbine giriş sıcaklığı ve giriş basıncı luşturmaktadır. Prgramda çevrimi meydana getiren her bir açık sistemin giriş ve çıkış özelliklerine ait entalpi, entrpi, özgül hacim, basınç ve sıcaklık değerleri hesaplanmaktadır. Bu hesaplamalar yapılırken başlangıçta varsayımı yapılan kabullerden W, ısı yararlanılmaktadır. Her iki çevrimden de elde edilebilecek elektrik değeri ( değeri ( Q elektrik ısı ranı ( WQ ve çevrime giren ısının çıkan ısıya ranı ( QGC yükten bağımsız ve yüke bağlı larak hesaplanmaktadır. Ara buhar almalı çevrim için yükün değişim aralığı %[ ], karşı basınçlı çevrim için % alınmıştır. Yükün değişimiyle birlikte çevrimlerin her bir nktasından geçen akışkan debisi de hesaplanmaktadır. yükün değişim aralığı [ 7,5...00] sb s P

6 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( 00 5 KSU J. Science and Engineering 6( 00 Bilgisayar prgramı, her iki çevrim için Mpa, 50 C 6 Mpa, 50 C 9 Mpa, 50 C Mpa, 550 C değerlerine sahip türbin kşullarında çalıştırılmıştır. Her bir türbin giriş değeri için prses sıcaklıkları C arasında değişmektedir Şekil de prgramın akış diyagramı gösterilmektedir. Bütün hesaplarda termdinamik özelliklere ait sabit değerler ASME nin yayınlamış lduğu buhar tabllarından da alınmıştır. B Çevrim tipi Prses buhar sıcaklığı Türbin giriş sıcaklığı Türbin giriş basıncı Ara hal nktalarındaki entalpi değerlerini hesapla Ara hal nktalarındaki basınç değerlerini hesapla Ara hal nktalarındaki ve türbin çıkışındaki debiyi hesapla Tam yüke göre kısmi yükü seç Buhar üreteci ısı yükünü, net türbin işini, Yğuşturucunun ısı yükünü ve net elektrik enerjisini hesapla Şekil. Prgramın akış diyagramı. S BULGULAR VE TARTIŞMA Bilgisayar prgramı kullanılarak yapılan simülasynda hem ara buhar almalı hem de karşı basınçlı çevrim için elde edilen grafikler şekil -9 da gösterilmiştir. Her iki buharlı çevrim için seçilen türbin giriş kşulları MPa, 50 C; 6 MPa, 50 C; 9 MPa, 50 C ve MPa, 550 C larak, işletmenin ihtiyaç duyduğu prses sıcaklığı ise 60 C, 80 C, 00 C, 0 C, 0 C, 60 C ve 80 C aralığındaki değerler için çalışma yapılmıştır.

7 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( KSU J. Science and Engineering 6( Net elektrik işi (kj Net elektrik işi (kj Şekil. Giriş kşulları MPa, 50 C için net elektrik üretimin prses sıcaklığı Şekil 5. Giriş kşulları 6 MPa, 50 C için net elektrik üretimin prses sıcaklığı Net elektrik işi (kj Net elektrik işi (kj Şekil 6. Giriş kşulları 9 MPa, 50 C için net elektrik üretimin prses sıcaklığı Şekil 7. Giriş kşulları MPa, 550 C için net elektrik üretimin prses sıcaklığı

8 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( KSU J. Science and Engineering 6( Elde edilen ısı (kj Elde edilen ısı (kj Şekil 8. Giriş kşulları MPa, 50 C için ısı üretimin prses sıcaklığı ile değişimi. 00 Şekil 9. Giriş kşulları 6 MPa, 50 C için ısı üretimin prses sıcaklığı Elde edilen ısı (kj Elde edilen ısı (kj Şekil 0. Giriş kşulları 9 MPa, 50 C için ısı üretimin prses sıcaklığı ile değişimi. 00 Şekil. Giriş kşulları MPa, 550 C için ısı üretimin prses sıcaklığı ile değişimi.

9 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( KSU J. Science and Engineering 6( 00 0,5 0, 0,5 0, Elektrik ısı ran 0, 0, Elektrik ısı ranı 0, 0, 0, 0, 0 0 Şekil. Giriş kşulları MPa, 50 C için elektrik ısı ranının prses sıcaklığı Şekil. Giriş kşulları 6 MPa, 50 C için elektrik ısı ranının prses sıcaklığı 0,5 0, 0,6 0,5 Elektrik ısı ranı 0, 0, Elektrik ısı ranı 0, 0, 0, 0, 0, 0 0 Şekil. Giriş kşulları 9 MPa, 50 C için elektrik ısı ranının prses sıcaklığı Şekil 5. Giriş kşulları MPa, 550 C için elektrik ısı ranının prses sıcaklığı

10 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( KSU J. Science and Engineering 6( 00,5,5 Giren ve çıkan ısı ranı,,,, Giren ve çıkan ısı ranı,,,, Şekil 6. Giriş kşulları MPa, 50 C için ısı giriş çıkış ranının prses sıcaklığı Şekil 7. Giriş kşulları 6 MPa, 50 C için ısı giriş çıkış ranının prses sıcaklığı,6,5,7,6 Giren ve çıkan ısı ranı,,,, Giren ve çıkan ısı ran,5,,,, Şekil 8. Giriş kşulları 9 MPa, 50 C için ısı giriş çıkış ranının prses sıcaklığı Şekil 9. Giriş kşulları MPa, 550 C için elektrik ısı ranının prses sıcaklığı

11 KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 6( KSU J. Science and Engineering 6( 00 SONUÇLAR Çevrimdeki elektrik ve ısı miktarı türbine giren birim buhar kütlesine göre hesaplanmaktadır. Şekil - de artan işletme prses sıcaklığı ile elektrik üretimi azalmakta, elde edilen ısı artmaktadır. Her iki buharlı çevrimde de verilen türbin giriş kşulları için aynı snuçlar elde edilmiştir. Şekil -5 de C aralığında işletme prses sıcaklığı arttıkça elektrik-ısı ranı (WQ 0 azalmaktadır. Şekil 6-9 da prses sıcaklığının artması ısı giriş çıkış ranın (QGC 0 azalmasına neden lmaktadır. de üretilen elektrik prsese verilen ısı miktarından az etkilenmesine rağmen yinede azalmaktadır. Bu çevrimde en yüksek verim için elektrik ve ısı üretimini dengeleyecek bir çalışma pzisynu seçilmelidir. de türbin giriş basıncı ve sıcaklığı arttıkça prsese verilen ısı miktarıda artmaktadır. İşletmenin ihtiyacını karşılarken dengeli bir ısı ve elektrik üretimi için yüksek prses sıcaklıkları seçilmelidir. Prses sıcaklığı düşük lursa yüksek elektrik üretimi elde edilecek, düşük prses sıcaklığı nedeniyle prsese verilen ısı sadece ısıtma, sıcak su elde etme işlemlerinde kullanılacaktır. Prses sıcaklığı yüksek tutulduğunda düşük elektrik üretimi elde edilecek, yüksek prses sıcaklığı nedeniyle prsese verilen ısı; byahane işletmesi, terbiye işletmesi gibi kızgın buhar ve kızgın su gereksinimi duyan tesislerde kullanılacaktır. Her iki buharlı çevrimde ısıl verim çevrimden elde edilen net işin çevrime giren ısı miktarına ranıdır. Isıl verimin değeri, türbin giriş kşullarına ve prsesin ısı ihtiyacına göe %0 ile %7 arasında değişmektedir. de ısıl verim karşı basınçlı çevrime göre %7 daha fazladır. Bu durum sn nktada çevrimden yğuşturucuya alınan buhardan çekilen ısı miktarından kaynaklanmaktadır. Sembller m& =Kütlesel debi (kg/s h =Entalpi (kj/kg W & =Net türbin işi (kw t W & =Net pmpa işi (kw p Q & Q y bü =Buhar üreteci ısı yükü (kw & =Yğuşturucu ısı yükü (kw WQ =Elektrik ısı ranı QGC =Isı giriş çıkış ranı KAYNAKLAR Çengel, A.Y., Bles, A.M., 996. Mühendislik Yaklaşımıyla Termdinamik, Mc- Graw Hill-Literatür, İstanbul, Türkiye. Dilip, R.L., 98. Planning Cgeneratin Systems, Fairmnt Pres, Atalanta, USA. Dvrak, A., 985. The District Heating Pwer Plant at Randers, Brwn Bweri Review, Vl. 67, N., pp Hrlck, J.P., 987. Cgeneratin: Cmbined Heat and Pwer, Thermdynamics and Ecnmics, Pergamn Press, Oxfrd. Malhauser, H., 987. Steam Turbines in Cnventinal Cmbined District Heating and Pwer Statins, Brwn Bveri, Review, Vl.6, N.9, pp Olikar, I., 989. Steam Turbines fr Cgeneratin Plants, Trans. ASME, Jurnal f Engineering fr Pwer, Vl.0, pp Philips, W.C Thermdynamics Prperties in SI Graphs Tables Cmputatinal Equatins fr Substances, Stanfrd University.